放射物理学课件：肿瘤放射物理的概论

1、 放 射 物 理 学主讲内容一 肿瘤放射物理的概论二 常用射线的物理特性三 放射线的临床剂量学特性四 临床放射线的测量和质量控制项目五. 临床放射治疗技术一 肿瘤放射物理的概论放射治疗的原理：通过射线对肿瘤的电离辐射效应，达到杀灭肿瘤的生物效应电离辐射： 电离：原子的核外电子因与外界射线相互作用获得足够的能量，挣脱原子核对它的束缚，成为自由电子 造成原子的电离。 生物效应： 人体组织吸收电离辐射能量后，会发生一系列物理、化学和生物学变化，最后导致组织的生物学损伤。一 肿瘤放射物理的概论 放射线种类 放射治疗用的放射源主要有三类：（1）放出、射线 -放射性同位素 （ 射线：钴机（钴源）,后装机（

2、铱源） 后（2）产生不同能量的X射线 -X射线治疗机 和各类加速器。（3）产生电子束、质子束、中子束、负介子束及其它重粒子束 -各类加速器。 一 肿瘤放射物理的概论基本放射治疗的物理学概念：放射性核素的衰变：不稳定核素自发的放出射线，转变为另一核素的过程 (1) 衰变 原子核自发地放出粒子 (2) 衰变 原子核自发的放射出电子或俘获一个轨道电子。发射正电子的称为+衰 变，发射出的正电子称为+粒子； 俘获轨道电子的称轨道电子俘获。 (3) 衰变 有些核素在进行、衰变时，处于激发态的子核以射线形式释放能量, 半衰期：放射性核素其原子核数目衰减到原来数目一半所需的时间，其放射性活度衰减到初始值的一半

3、。同位素能量 MeV半衰期钴-601.17 1.33平均1.255.24年铱-1920.3674天一 肿瘤放射物理的概论基本放射治疗的物理学概念： 原子的能级 零势能的规定：习惯上规定当电子与核相聚无穷远时，电子所具有的的势能为零。 因此当电子 填充核外某一壳层时，其势能为负值。 基态 电子填充壳层时按照从低能到高能的顺序进行，以保证原子处于最低能量状态，由于内层电 子对外层电子具有屏障效应，实际电子填充壳层时，会出现能级交错,不按壳层顺序填充 -原 子的稳定的状态 结合能 当一个电子填充壳层时，会以发射一个光子的形式释放能量，能量的大小就是该壳层能级能 量的绝对值，也称之为相应壳层的结合能。

4、 壳层能级的能量由外向内减少，是负值。 壳层的结合能由外向内增加，是正值。一 肿瘤放射物理的概论基本放射治疗的物理学概念： 激发 入射带电粒子传递给原子核外电子较少能量，电子不足以摆脱原子核束缚，使电子从低能级 跃迁到高能级 ，而低能级出现空位时，则称原子处于“激发”状态。 特征辐射 处于激发的原子很不稳定，跃迁到高能级的电子会自发跃迁回低能级而使原子回到基态，两 能级能量的差值一种会以电磁辐射的方式发出，这种电磁辐射成为特征辐射。如果特征辐射特别 高达到x射线能量范围，称为特征X射线，X射线能量等于高低能级能量的差值。 轫致辐射当带电粒子从原子核附近掠过时，在原子核库仑力作用下,运动方向和速

5、度发生改变，带电粒 子的一部分动能就变成具有连续能谱的X线辐射出来。一 肿瘤放射物理的概论基本放射治疗的物理学概念：电离： 入射带电粒子传递给原子核外电子足够的能量，就会引起原子发生电离，原子成为正离子，轨道电子成为自由电子。直接电离： 由带电粒子（电子束、质子束等）通过碰撞直接引起的物质的原子或分子的电离称为直接电离，电离出的自由电子如果具有了足够的动能，能进一步引起物质电离，则他们称为次级电子，引起电离称之为次级电离。间接电离： 不带电粒子（ 和 X射线统称为光子等）通过他们与物质相互作用产生的带电粒子(电子，反冲核等）引起的原子电离。二 常用放射线的物理特性带电粒子与物质相互作用方式（直

6、接电离） （1）与核外电子发生非弹性碰撞：发生电离和激发 （2）与原子核发生非弹性碰撞： 发生轫致辐射 （3）与原子核发生弹性碰撞： 电子能量很低在104-108ev能量范围内也仅有5%几率发生 带电粒子的运动方向改变，不辐射光子，也不激发原子核 （4） 与原子核发生核反应： 重带电粒子 具有足够高的能量(100Mev)，与原子核的碰撞距离小于原子核半径时，如果有一个或数个核子被 入射粒子击中，离开原子核，失去核子的原子核处于高能量的激发态，将通过发射所谓的“蒸发 粒子”（主要是一些较低能量的核子）和射线退激。二 常用放射线的物理特性 光子（X、 ）射线与物质的相互作用（间接电离） 光子（X线

7、和线）照射到吸收物体后，其能量传递给介质，转变为高速的电子运动（次级电子），而这些电子运动是光子产生场效应的物质基础。光子线与物质的作用（即能量转移过程、射线吸收的方式）有以下三种： 光电效应 康普顿效应 电子对效应二 常用放射线的物理特性 光子（X、 ）射线与物质的相互作用（间接电离）（1）光电效应： 入射光子作用于吸收物质的原子的内层电子，发生能量传递，把内层电子打出来形成光电子，其能级上的空位由外层轨道上的电子来填充，在电子能级跃迁的过程中产生光子特征辐射。入射的光子的能量全部传递给了光电子，这一过程叫作光电效应。.特点：与原子序数Z3正比（内层电子发生） 主要发生在低能量的X线 骨吸收

8、肌肉脂肪二 常用放射线的物理特性（2）康普顿效应： 光子与外层电子相互作用，随着入射光子能量的增加，光子将部分能量转移给电子，使电子快速前进(反冲电子)，而光子本身则以减低之能量，改变方向，继续前进(散射光子) 。光子（X、 ）射线与物质（肿瘤）的相互作用方式特点：与原子序数无关 主要发生在高能X线（0.2-7MeV） 骨吸收肌肉脂肪二 常用放射线的物理特性光子（X、 ）射线与物质（肿瘤）的相互作用（3）电子对效应： 光子与原子核相互作用, 入射光子能量大于1.02MV时，受原子核电场影响，使入射光子的全部能量转化成为具有一定能量的正电子和负电子。特点：与原子序数Z有关 主要发生在高能量X线5

9、0 MeV 骨吸收肌肉脂肪二 常用放射线的物理特性光子（X、 ）射线与物质（肿瘤）的相互作用根据上述三种主要吸收方式，康普顿吸收与吸收体的原子序数z无关，即机体的骨、肌肉、脂肪几种组织对射线的吸收量相似，符合我们治疗肿瘤的原则，剂量分布均匀。 上述三种射线的吸收方式，哪一种占的比例大，依赖于入射光子的能量和吸收物质的原子序数。低能X线（ 10-200kev ），主要为光电吸收；高能X线（ 200kev-7mev ），主要为康普顿吸收；当射线能量（7-100mev） ，电子对吸收为主要形式。二 常用放射线的物理特性光子（X、 ）射线与物质（肿瘤）的相互作用二 常用放射线的物理特性光子（X、 ）射

10、线与物质（肿瘤）的相互作用X（r）光子与物质相互作用的其他形式：相干散射 当入射电磁波从原子附近经过时，引起轨道电子共振，振荡电子将发射波长相同但方向不同的电磁波，不同轨道电子发射的电磁波具有相干性，故此过程为相干散射，又称瑞利散射；在相干散射过程中，X（r）光子仅改变运动方向而没有能量转移；是唯一不产生电离的过程。光核反应 光子与原子核作用引起的核反应光核反应。比如释放中子，质子，粒子，光子等。光核反应反应截面很小，剂量学中可以忽略，但在实际中的应用就是在机房防护设计时对于大于10MeV能量的光子需要考虑光核反应，考虑到（，n）反应，中子防护。二 常用放射线的物理特性X（）射线与物质的相互作

11、用表现出不同的特点（与带电粒子的区别）： （1）X（）光子不能直接引起物质原子电离或激发，而是首先把能量传递给带电粒子； （2）X（）光子与物质的一次相互作用可以损失其能量的全部或很大一部分，而带电粒 子则是通过许多次相互作用逐渐损失其能量； （3）X（）光子束入射到物体时，其强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子 有确定的射程，在射程之外观察不到带电粒子。三 放射线的临床剂量学特性 临床照射野剂量学的基本感念 （1）射线源 放射源前表面的中心或产生射线的靶面中心。 （2）射线中心轴： 射线束的中心对称轴。 （3）照射野 射线束经准直器后垂直通过模体的范围。 几何学照射野：射线束经准直器

12、后在模体表面的投影； 物理学照射野：模体内50%等剂量线的延长线交于模体表面的区域。三 放射线的临床剂量学特性 临床照射野剂量学的基本感念 （4）参考点 模体中沿射线束中心轴深度剂量确定为100%的位置。 400kV以下的X线：模体表面 高能X线（）线：最大剂量点位置 模体表面到参考点的深度为参考深度。 （5）源皮距（source skin distance, SSD) 从放射源前表面沿射线中心轴到受照物体表面的距离。 （6）源轴距（source axial distance, SAD) 射线源到治疗机等中心点的距离。三 放射线的临床剂量学特性 临床照射野剂量学的基本感念 （7）吸收剂量 表示

13、单位质量的物质中吸收各类电离辐射能力的大小，反应射线在介质中的能量吸收情况 SI剂量单位：焦耳/千克（J/Kg）国际专用名称：戈瑞（Gy） 1 Gy=1 J/Kg=100 cGy三 放射线的临床剂量学特性 临床剂量学的基本特征 百分深度剂量（percentage depth dose.PDD） 沿射线中心轴、某一深度d处的吸收剂量率Dd与参考深度do处的吸收剂量率Ddo比， 即： PDD=Dd/Ddo100 ，参考深度do处选在Dmax。 三 放射线的临床剂量学特性 临床剂量学的基本特征 百分深度剂量 光子PDD影响因素：射野、SSD、能量、深度 同一深度的PDD随射野面积增大而增大，当射野面

14、积很大时，PDD随射野面积增加不明显同一深度下，射线能量、射野面积不变时，SSD 越小，PDD越小，且随深度变化越快，反之亦然。表面剂量(D0)： 光子射线能量越高，表面剂量越低 最大剂量点深度: 随射线能量增加而增加： 400kv X线：dm=0 Co60线： dm=0.5cm 6MV线 ： dm=1.5cm 8MV X线 ： dm=2cm 15MV X线: dm=3cm三 放射线的临床剂量学特性 临床剂量学的基本特征 百分深度剂量 光子PDD的四个因素：射野、SSD、能量、深度 在一定深度（建成深度）以内，总吸收剂量随深度的增加而增加建成区 （1）当高能的X（）射线入射到人体或模体时，在体

15、表或皮下组织中产生高能次级电子；（2）高能次级电子要穿过一定的组织深度直至其能量耗尽后才停止；（3）由于前面两个原因，造成在最大电子射程范围内，由高能次级电子产生的吸收剂量随深度的增加 而增加，大约在电子最大射程附近达到最大；（4）但是由于高能X（）射线的强度随组织深度的增加而按指数和平方反比定律减少，造成产生的高 能次级电子随深度的增加而减少，其总效果，三 放射线的临床剂量学特性 临床剂量学的基本特征 百分深度剂量 高能电子线的PDD分布特点： （1）剂量建成区：从表面到dmax深度区域，宽度随射线能量增加而增宽。表面剂量高，建成效应不明显。 （2）高剂量坪区：从dmax到d85深度，又称为

16、治疗区，剂量变化梯度较小，射线能量越高，高剂量坪区越宽。 （3）剂量跌落区： d85深度以下剂量急剧下降的区域，剂量梯度G=Rp/(Rp-Rq), G值一般在2-2.5 （4）X线污染区：Rq后由电子线与限光筒、模体等作用产生的X线形成的剂量区。常规电子线治疗中可忽略不计，但电子线全身照射时，应充分考虑并精确测定。剂量建成区坪区剂量跌落区X线污染区三 放射线的临床剂量学特性 临床剂量学的基本特征 百分深度剂量 随着电子束能量的增加： 表面剂量增加， 高剂量坪区变宽， 剂量梯度减小， X射线污染增加，三 放射线的临床剂量学特性 重带电粒子束的PDD Bragg峰： 重带电粒子束在介质表面，能量损

17、失较慢，随深度增加，带电粒子速度减慢，粒子能量损失率突然增加，形成电离吸收峰，其后当粒子最后静止时，能量损失率急剧降为零。百分深度剂量曲线尾部均可以看到这个明显的峰值，即布喇格峰。（只用单一射野可获得良好的剂量分布。利用重带电粒子束（主要是质子和负介子）实施放疗，如能将病变准确置于峰值位置，单野照射就取得很高的治疗增益比，这是区别与光子放射治疗的独特优势：峰前剂量低，峰后剂量近似零。 临床剂量学的基本特征 百分深度剂量三 放射线的临床剂量学特性 临床剂量学的基本特征 组织最大剂量比（Tissue Maximum Ratio.TMR） 模体中射野中心轴上任意一点的剂量率与空间同一点模体中射野中心

18、轴上参考深度（即最大剂量 点）处同一射野的剂量率之比，TMR（d,FSZd）=Dd/Ddm组织最大剂量仅受能量大小、射野大小、深度 的影响，而不受源皮距的改变，PDD与TMR的主要区别：PDD是线束中心轴上两个不同深度位置的剂量百分比。TMR是指空间同一位置，在两种不同散射条件下的剂量比。三 放射线的临床剂量学特性 临床剂量学的基本特征离轴比（Off-Axis Ratio.OAR） 体膜内同一深度处的离轴点的剂量和中心轴剂量之比，反映了与射野中心轴垂直的射野截面内的剂量分布的情况。等剂量曲线：将体膜中百分深度剂量相同的点连接起来。即成等剂量曲线射野平坦度：描述射野剂量分布的指标，在等中心处最大

19、射野L的80%宽度内射野最大最小剂量偏离 中心轴剂量的相对百分数。-3%-+3%射野对称性：条件同上，偏离中心轴对称的两点剂量差值与中心轴上剂量的比值的百分数。-3%-+3%四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量2001年3月2日我国国家质量技术监督局发布了中华人民共和国国家计量检定规程JJG 589-2001外照射治疗辐射，并于同年6月1日开始实施,其规程与国际原子能组织(International Atomic Energy Agency.IAEA) TRS 277技术报告（97年版）为基础的，它是目前我国放射治疗辐射剂量学执行的具有法律约束的计量检定规程。四 临床放射

20、线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量组织替代材料X()射线、电子束及其他重粒子入射到人体时与人体组织相互作用后，发生散射和吸收能量和强度逐渐损失对这些变化的研究，很难在人体内直接进行因此，必须使用人体组织的替代材料(tissue substitutes)构成的模型代替人体，简称模体(phantom) 因人体组织特别是软组织中含有大量的水，水对X()射线、电子束的散射和吸收几乎与软组织和肌肉的近似，水不仅在世界各地都能得到，而且各地水的辐射特性几乎不变，因而水是最易得到、最廉价的组织替代材料四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量放疗剂量测算设备电离室半导体剂量仪热释

21、光剂量计胶片剂量仪量热法化学剂量计四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量常规放疗剂量测算包括（1）吸收剂量的测量（2）剂量的刻度四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量临床上人体组织中吸收剂量的确定是通过水模体中电离室接受射线辐照后，产生的电离量，并乘以与吸收剂量成函数关系的一系列参数，而转换成组织中的吸收剂量。（1）吸收剂量的测量四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量水中吸收剂量的测算可分为三个步骤：第一步：在国家基准实验室或次级标准实验里来完成，即由国家基 准 实验室给出：钴-60射线在水中的吸收剂量校准因子：第二步: 用户根据自己

22、使用的电离室确定：辐射质为Q的射线束在水中的吸收剂量因子第三步：用户在水中校准点测量加速器产生的X射线和电子束的吸收剂量离子复合、极化效应、静电计校准和空气密度等系数查表（1）吸收剂量的测量四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量（1）吸收剂量的测量四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量（1）吸收剂量的测量四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量（2）剂量的刻度对放射性核素射线: 通常用平均能量和核素名称来描述。例如钴-60源发出的两条射线可表述为能量分别为1.17MeV和1.33MeV(或平均1.25MeV)的钴-60 射线。四 临床放

23、射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量对于400kV以下的X射线: 以其高压、附加过滤和第一半值层表示，例如：180kV，0.5Cu+1Al过滤,HVL=0.5mmCu150kV以上X射线采用纯铜材料；150kV以下X射线采用纯铝材料使用测量半价层的办法半价层：即使用某一种金属材料，作为对于X射线的吸收体，使射线衰减到原强度的一半所需要的这种材料的厚度，来表示中低能X射线的质即能量（2）剂量的刻度四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量 高能X射线能量: a、穿透性 测定方法： SSD为100cm，水模表面射野为10cm10cm，电离室的有效测量点在水模内沿射线束中

24、心轴移动，测出水下10cm深度处的剂量与最大剂量的比值(穿透性)。如6 MV X射线质规定的穿透性为67%，要求不超过2%（2）剂量的刻度四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量高能X射线能量: b、剂量比（D20/D10）测量方法： 源至水模表面距离SSD=100cm，模体表面的辐射野FSZ=10cm10cm，射线束轴与模体垂直，分别测出水深为10cm与20cm处的吸收剂量D10与D20并确定D20/D10的比值（2）剂量的刻度四 临床放射线的测量和质量控制项目1、放射线的临床剂量测量电子束能量:主要关心在水模表面及水中特定深度处的平均能量E0和EZ水模表面的平均能量：是通过测量高能电子束在水中的百分深度剂量曲线，找出沿电子束轴衰减到其最大值50%的深度，即半值深度