外照射治疗机课件

外照射放射治疗机许昌韶苏州大学附属第一医院TheFirstAffiliatedHospitalofSoochowUniversity放射治疗核物理基础

肿瘤放射治疗主要是利用放射线的穿透性和使生物细胞电离的特性常用于放射治疗的有X线和γ线，前者由深部X线机或医用电子加速器产生，而后者是由放射性核素在衰变到稳定状态时释放的射线，两者统称光子

X线可因调节电压而改变其质（穿透性），而γ线在不同的放射性核素有其固定的能量，如60Co在衰变过程中可产生1.17和1.34MeV两种能量的γ线（平均1.25MeV）

自然界中的所有物质都与由分子组成分子的基本单位是原子，原子由原子核和核外电子组成电子在核外遵循玻尔理论、泡利不相容原理和最小能量原理的规律成层排列

每个电子在各自的壳层轨道上运行，具有一定的能量，称为能级，越靠近原子核的电子能级越低，受原子核的束缚力越大（结合能越大）原子核中的核子（质子、中子等）由于核力的作用，也紧密地结合在一起，要使原子核分裂需要有很大的功，原子核一旦分裂，则能释放巨大能量，即核能X

线的发生

X线是由于X线机球管阴极灯丝产生的高速电子突然受到阳极靶物质的阻挡而发生的高速电子作用在靶物质原子的外层电子轨道，使电子击离，形成自由电子，原子本身变成带正电称电离

高速电子把靶原子内层电子击离，外层轨道电子随即通过跃迁填补其空穴，从而释放光子，称特征辐射，此光子为特征X线

其能量取决于靶物质原子两层相邻轨道电子结合能的差，与入射电子的能量无关,而电子结合能的大小取决于靶物质，特征X线的能量可代表靶物质,故又称标识X线

特征X线和连续X线中能量较低的长波射线穿透力低，不适宜深部肿瘤的治疗，又可加重正常组织的反应和损伤，在临床使用时，常用不同厚度、不同材料制成的过滤板(Filter)将低穿透性的“软线”滤去

用不同材料和厚度的过滤板，虽X机管电压相同，但进入体内的X线质是不同的，此时显然不能用电压（kV）来表示X线的质，故临床上常用半值层（HVL）来衡量

HVL

的含义是使射线的强度（是射线的量而不是质）减小一半所需的某种滤过物质的厚度，一般光子经7个半值层滤过后，其强度可减小至0.1%

光子（Ｘ线、γ射线）与被照射介质（组织）相遇时可发生以下几种情况光子与介质原子的内层电子相遇，把能量全部传递给该电子，电子从轨道上被击出，外层电子向内补充（跃迁），发生特征辐射，称光电效应，击出的电子称“光电子”，而该原子成为正离子

光子将部分能量转移给电子，使其击出，击出的电子称反冲电子或康普顿电子，这种现象称康普顿效应，入射光子以其残余能量向另一方向运动，此时的光子称散射光子（散射线），同样可使靶物质的其他原子的轨道电子发生光电效应和康普顿效应

当光子能量大于1.02MeV时，在通过原子核附近时，受核电场影响而突然消失变成正、负2个电子，称电子对效应。正、负电子有动能时可产生电离作用。当正电子能量耗尽时，能与吸收介质原子的电子结合转变为能量各为0.51MeV的2个光子，称湮没辐射

在发生上述现象时，除了产生的光电子、反冲电子及电子对效应的正、负电子和失去电子后的原子成为的正离子均直接有电离作用外，这些电子还可作用于介质的其它原子，重复发生上述3种效应，此过程重复多次，可产生大量正负离子，它们在肿瘤治疗中起到电离作用

当不同能量的光子与人体组织相互作用时，其发生光电效应、康普顿效应和电子对效应的重要性不同。在光子能量较低时，光电效应起主导作用;能量达1MeV时，以康普顿效应占优势;光子能量达1.02MeV时，开始出现电子对效应

一个光子与被照射物质发生上述三种效应时，都有一定的概率，概率大小用原子截面来衡量，以σ代表截面，截面单位为靶恩（b），1靶恩=10-28m2

光电效应、康普顿效应和电子对效应各有独立的作用截面，分别以σρh、σe和σρ表示

从上可见，用低能射线照射时，其时以光电效应吸收为主，被照射组织的吸收与原子序数及放射线能量关系密切，即骨吸收明显比软组织（包括肿瘤）为多，易造成骨的放射性损伤

而60Coγ线的平均能量为1.25MeV（相当高能X线3-4MV），此时以康普顿效应为主，与吸收组织的原子序数关系较小，骨与软组织吸收大致相仿，若射线能量进一步增高，电子对效应所占比重增大，骨吸收又开始增加，但无光电效应明显

放射剂量单位

临床上常用的放射剂量单位为吸收剂量单位，以焦耳/千克（J/kg）表示，其专用名称为戈瑞（Gy）

1Gy表示射线传递给1千克介质（组织）的辐射能量为1焦耳

1Gy=100cGy=100RadRad（拉德）现已废弃不用

某些射线品质因素（Q）对LET的依赖关系

水中LETQ射线（keV/μm）

≤3.51X线、γ线、电子

72235质子、中子

5310≥17520α粒子、重反冲核

从上表中可见，X线或γ线的Q值为1，快中子的Q值为10，即10Gy的快中子将导致与100GyX线相等的损伤

高、低LET射线的放射生物效应不同高LET射线的相对生物效应（RBE）高氧增强比（OER）低对增殖周期中各期相细胞和非增殖周期（G0期）细胞的放射敏感性差异小几乎没有或较少有细胞的非致死性损伤的修复

照射方式

远距离照射

最为常用,其优点为照射范围大、深度量高，靶区内同一平面剂量相对均匀以及操作方便等

近距离治疗

是将放射源置于体表面、体腔内（如食管、子宫等）或插入组织内进行放疗，其剂量分布特点是靠近放射源处在较短时间内可得到极高剂量，而随着离放射源的距离加大，剂量梯度急剧下降，一般需与远距离外照射配合治疗

内照射治疗

将放射性核素或与放射性核素结合的药物用口服或静脉注射方法使其浓集到特定的组织器官内进行的放疗称内照射治疗，这不在本章讨论范围之内理想放射源条件

理想的剂量分布能杀灭乏氧细胞能杀灭非增殖期细胞

理想的剂量分布

是指从一个方向的入射线能在肿瘤深度达到高剂量，而肿瘤前、后的正常组织剂量较低、旁向散射又很少，有利于保护正常组织，体现了射线的物理性能良好

单野照射时，X线、γ射线进入体内后，从最高剂量点开始，随着深度增加，剂量逐渐下降，肿瘤达不到杀灭剂量，而肿瘤前后组织均受到较大剂量照射（此时需用多个方向的照射野聚焦照射）

医用加速器产生的电子束特点是进入皮肤后，一直维持较高剂量，在预定肿瘤深度（可调节电压）后骤然下降，有利于表浅肿瘤的治疗属于高LET射线的质子、负π介子和某些重离子等粒子在组织表面能量损失较慢，随着深度增加，粒子运动速度逐渐减低，能量损失加大，在接近射程末时，粒子能量很小但运动速度变得极慢，能量损失率突然增加，形成电离吸收峰，称布拉格（Bragg）峰，肿瘤前和后的组织所受剂量均相对较低

能杀灭乏氧细胞

放射生物学上将含氧量低的乏氧细胞和同类富氧细胞的杀灭剂量之比称氧增强比（OER）

OER=乏氧细胞杀灭剂量/富氧细胞杀灭剂量由于低LET射线的OER值高，即对氧存在的依赖性大，用低LET射线治疗时能使肿瘤组织中占很大比例的乏氧细胞存活下来，造成治疗失败

高LET射线由于电离密度高,其OER值较低LET射线明显为小，能杀灭对低LET射线抗拒的乏氧细胞

能杀灭非增殖期细胞

用低LET射线时细胞的放射敏感性随着细胞分裂周期而变化，特别是非增殖期（G0期）细胞更具放射抗拒性

而高LET射线则对增殖周期中各期相细胞和G0期细胞的放射敏感性差异较小外照射治疗机简介

深部X线治疗机

管电压在180～400KV产生的X线称深部X线其剂量曲线特点在皮肤表面最高，随着组织深度加深而迅速衰减，因此皮肤反应大，而肿瘤深度处得到的剂量低

由于光电效应所占比重大，导致骨吸收比软组织吸收明显为高，易造成肿瘤前的骨组织损伤

深部X线的优点是在其性能范围内，可调节电压和电流改善X线的质和量，适用于皮肤癌和表浅肿瘤的治疗

其相对生物效应（RBE）较高，若以60Coγ线或高能X线的RBE为1，则深部X线则为1.2左右60Co远距离治疗机

60Co源的物理特性

60Co为人工放射性核素放射源其产生的γ射线可认作为单一能量射线（1.17和1.33MeV，平均1.25MeV）半衰期为5.2610年60Co

γ射线属高能射线,

60Co外照射治疗机的使用,使肿瘤放疗的5年生存率提高了一倍

其价格便宜，维修方便，能量基本上能满足深部肿瘤的治疗需要

与千伏级X线比较，具备了高能射线的优越性用兆伏射线前后常见肿瘤的5年生存率（％）

病种千伏X线(1955年)兆伏射线(1970年)

霍奇金病30-3570-75

子宫颈癌30-3555-65

前列腺癌5-1555-60

鼻咽癌20-2545-50

膀胱癌0-525-35

卵巢癌15-2050-60

视网膜母细胞瘤30-4080-85

睾丸精原细胞瘤55-7090-95

睾丸胚胎癌20-2555-70

扁桃体癌25-3040-50

Brady，等.Cancer,1985,55(Suppl):2037

60Co治疗机的防护要求

60Co源闭合位时

距源1m处,各方向的平均漏出量应小于2×2.58×10-7C/(kg·h)(2mR/h)

对千居里级钴机,需106的衰减系数或近20个半价层(HVL)防护,可用铅、钨或铀的合金

铅的HVL为1.27cm,20个HVL需用铅厚度:

1.27cm×20=25.4cm

60Co源开放位时

准直器的厚度应使漏射量不大于有用射线的5%

准直器或遮线挡块厚度应达到4.5HVL

用铅厚度为:

1.27cm×4.5=5.7cm(多用6.0cm)60Coγ射线与千伏级X线的优缺点比较

优点

60Coγ射线能量高而单一平均1.25MeV，穿透性和百分深度量高，布野方便

骨与软组织吸收大致相仿(以康普顿效应为主)

属高能射线,进入组织后达到电子平衡（最高剂量点）有一定的距离，称建成效应，60Co的最高剂量点在皮肤下约0.5cm处，故能保护皮肤

,射线能量越高，建成效应越大，最高剂量点越深射线能量越高，旁向散射越小，对靶区剂量起到贡献作用，而减少了靶区周围正常组织的损伤

随着射线能量的增高，

等剂量曲线亦越趋平坦，可用较小的照射野包含靶区，更起到保护正常组织的作用

缺点剂量曲线不能调节有较大的几何半影区半衰期较短,需经常换源防护要求高

RBE较千伏级X线低(约低10%-20%)60Co治疗机的半影种类

几何半影

钴源不是点源,有一定尺寸,每一点发出的射线经准直器限束后,各点产生的射线重叠区剂量均匀一致,照射野边缘附近剂量逐渐减低至完全消失,形成几何半影

穿射半影

由于准直器按HVL要求设计即使符合防护要求,也总有一定量的射线穿过准直系统,若准直器端面与边缘线束不平行时,将有更多射线穿过准直器,形成穿射半影

散射半影

原射线通过吸收组织时,产生散射,形成散射半影

钴治疗机的模拟灯光影模拟灯光影与皮肤上所画出的照射范围(设计的照射野)需重合一致

应重视的是,60Co治疗机的模拟灯光影边缘是设在几何半影区的50%处,即灯光缘内侧有一定距离的低剂量区,而照射野(灯光缘)外仍有一定的剂量

设计照射野时,不要使肿瘤边缘落在低剂量区内。在设计相邻两照射野时应相距一定距离，不要使深部肿瘤或正常组织处在低剂量区或剂量“热点”上几何半影的计算和消减

计算

按相似三角形原理

皮肤表面半影

ds/PG=C/（F-C）

PG=[ds

·（F-C）]=（ds·L）/C

d深度处的几何半影

PG’=[ds·（F–C+d）]/C=[d·（L+d）]/C

其中

:ds=源直径，C=源限距，F=源皮距

L=限皮距，PG=几何半影，d=组织深度

PG’=d深度处的几何半影

几何半影消减

由上式可见,几何半影与源限距成反比,与源直径、限皮距及源皮距成正比。因源直径无法改变，为了减小几何半影，则可设法加大源限距或减小限皮距

当今，较新型的钴治疗机，均在准直器下按装可活动的消半影装置（钨或铀合金的条块），往下拉动钨条块，既加大了源限距又减小了限皮距，但应注意不要靠近皮肤，以防次级射线污染

60Co垂直照射相邻野的设计

垂直照射时,理想相邻两照射野的设计应使两野边缘在肿瘤中央部位相接，即模拟灯光影边缘的延长线在肿瘤中央相接

60Co因有几何半影存在，设计照射野时则应使两野的半影区在肿瘤部位重合，使治疗区内剂量均匀一致

根据几何推导，皮肤上相邻两照射野的间距W应为：

W=[（a1+a2）]·d/f

W=相邻两照射野皮肤上间距

a1、a2分别为相邻两照射野长度的1/2

f=源皮距，d=肿瘤深度

W1=d深度处两照射野半影的重合区，即照射靶区

穿射半影的消减

用多层的扇形准直器，可使准直器内缘与线束边缘始终保持平行，可消减因准直器厚度不一致造成的过量穿射半影

穿过准直器全层的穿射半影则在允许的剂量范围之内，且是无法避免的

影响散射半影的因素

散射半影与照射面积大小成正比，与射线能量成反比，一般是无法消除的

医用电子加速器

可产生高能X线和高能电子束高能X线的射线能量比60Co高按不同型号机器可产生6、8、10、12或15MV等能量的X线其优点比60Co更显著，且半影极小，剂量率高，又能按治疗所需调节不同档次的能量,配合一定的装置，可用于X刀、适形放疗和调强适形放疗

高能X线的不足之处

深度量虽高,但剂量衰减缓慢,出射量高

能量更高,建成效应大,由于空腔效应,使气腔界面上肿瘤表面剂量更低属低LET射线

高能电子束的优点

高能电子束的特点是从体表到一定深度（可调节不同档次的电压），剂量分布较均匀，在此深度后剂量骤然下降，可保护肿瘤后的正常组织

电子束等剂量曲线的中心部分一般始终和体表入射面平行,在用大面积照射时更是如此,这对不规则曲面体表入射时的剂量分布极为有利

高能电子束的缺点应注意电子束能量越高，皮肤受量也越高，须防止皮肤损伤

使用的电子线能量过高，将产生较多的光子污染，失却了电子束的优点

入射面处的等剂量曲线集中,随着射线能量的增高、深度增加而等剂量曲线逐渐展开，旁向散射大

等剂量曲线的曲率也随深度、射野面积和电子能量而变化，且变化范围较大

高LET射线

生物学特性

OER值较低,能杀灭对低LET射线抗拒的乏氧细胞

RBE高对增殖周期中各期相细胞和非增殖周期（G0期）细胞的放射敏感性差异小几乎没有或较少有细胞的非致死性损伤的修复

治疗增益因子(TGF)大

物理学优点

质子、负π介子及某些重离子的剂量曲线均有Bragg峰形成，保护了肿瘤深度前后的正常组织，故可对肿瘤照射比低LET射线高得多的剂量其中负π介子除了形成Bragg峰的高剂量区外,尚可被组织中的碳、氧和氮核俘获并发生核裂解，释放出γ粒子