肿瘤放射物理学

肿瘤放射物理学

题记：外科手术、放疗、化疗与靶向治疗为癌症的主要治疗手段，而想

要透彻理解放疗并不是那么容易，因为涉及到许多物理知识与概念，而

物理一般都很难。本文主要阐述一些基本概念及相关领域的知识。

一起来认识原子，没有它作为基础一切都是空谈。

原子的大小为w-iom数量级，原子核的大小为1。」数量级,每个电子

的电荷量为e,原子核由不同的质子和中子构成（质子与中子质量近似

相等），目前天然和人工合成的元素共有109种。一个原子的基本特征

（ZA）X用表示，X为元素符号，Z为原子序数，A为质量数。核素：具

有确定质子数和中子数的原子的总体；实验上已发现的核素约有2000

种其中只有近300种是稳定的。元素具有相同原子序数的原子总体。

放射、辐射和衰变有什么区别？

理论上质子数与中子数可以自由组合，但实际上这是不可能的。实验已

发现核素约2000种，稳定的仅近300种，不稳定核素都会自发地放出

射线，最终变为稳定核素。影响原子核稳定性因素：中子数与质子数比

例关系（中子调和质子间的库仑斥力）、核子数的奇偶性（偶偶核一般

较奇偶、偶奇、奇奇核更稳定）、重核都不稳定（原子序数〉82的元

素自发地放射出a粒子或者自发裂变成为铅（Z=82）的稳定同位素）；

不稳定核素自发地放出射线，转变为另一种核素，这种现象称为放射性,

这个过程称为放射性衰变，这些核素称为放射性核素，发出的射线种类

可能有a射线（氨的原子核八B射线（电子）、Y射线、正电子、质子、

中子等其他粒子。衰变过程中释放的能量称为衰变能（必须大于零），

可近似看作发射粒子的动能或者发射粒子动能+子核激发态与基态能

量之差（若衰变后子核处于激发态）。辐射：自然界中的一切物体，只

要温度在绝对温度零度以上，都以电磁波和粒子的形式时刻不停地向外

传送热量，这种传送能量的方式。1,a衰变，衰变后质量数减少4,电

荷数减少2。镭是典型的a衰变核素，它可能通过发射4.78MeV的a粒

子直接衰变到氢的基态（94.5%）,也可能通过发射4.60MeV的a粒

子先衰变到氢的激发态，后者再放射0.18MeV的丫射线而跃迁到基态

（5.5%）。2,0衰变，原子核自发地放射出电子e-或者e+或俘获一个

轨道电子（负电子）的转变过程。放射负电子：3衰变，小粒子；放射

正电子：0+衰变邛+粒子。0衰变发射出（正负）电子过程中，还会

发射出（反中微子或中微子为满足动量和能量守恒引入，穿透力最强）,

这个衰变能近似等于这两个粒子的动能之后,但每个粒子分配到的能量

可以是零与衰变能之间的任何值（一个分布图）。3,Y跃迁，a和0衰

变后的子核很可能处于激发态，会以丫射线形式释放能量跃迁到较低的

能态或基态，这种跃迁的过程。丫射线能量底限是io-3MeV,高端可达

到MeV能量级。4,内转换，a和0衰变后的子核很可能处于激发态，

如果不释放Y射线则将跃迁的能量直接转移给一个轨道电子，然后将这

个轨道电子弹出原子，弹出的电子称为内转换电子。内转换过程会使原

子的内壳层缺少电子而出现空位，外层电子将会来填充这个空位，而这

个过程会伴随着特征X射线或者俄歇电子。

放射性有多大，怎么去衡量？

假设有一堆待放射的核素，怎么"使"它的放射性最大呢？第一这些核

素的数量越多越好，这个很容易理解；第二这些核素全部在某个特定时

间一起发生衰变，即每个原子核衰变的概率在某个时间达到100%；第

三，这类型的单一核素衰变时释放出的能量越巨大越好，最好一个就可

以把月球弄穿。衰变常数（入）：单位时间内每个原子核衰变的概率，

其数值大小因核素不同而不同，数值越大衰变越快。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,0.693=T*入;放射

性活度：（一定量的放射性核素）单位时间内发生核衰变数。放射性比

活度:单位质量放射源的放射性活度，值越高则放射性物质纯度越高（任

何核素放射源不可能全部由该种核素组成，而是被浓度大得多相同元素

的稳定同位素所稀释，还有可能还有其他物质）。

人工放射性核素哪里来，自然界哪有那么多啊？

利用核反应堆生产是人工放射性核素的主要来源（2个主要来源）：1,

利用反应堆中的强中子束照射靶核，靶核俘获中子而生成放射性核；2,

利用中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素。3,高能加速

器也可用来生产放射性核素，这样制备出来的核素是缺中子核素。4,

在制备放射性核素时，由于人工放射性核素数目增加的同时还会发生衰

变，因此无限制地延长耙核照射时间不能提高放射性活度，一般应选择

照射时间小于5个半衰期。

让我们把目光从原子核内转移到原子核外（电子层），电子的活动又会

发生什么辐射呢？

直接从几个基本概念入手：1,原子的电离：原子的核外电子挣脱原子

核对它的束缚；造成原子电离有两种方式，第一是具有足够动能的带电

粒子（如电子、质子、a粒子等）与原子钟的电子直接碰撞引起，第二

是不带电粒子（如光子、中子等）与原子的壳层电子或（间接）原子核

作用产生的次级粒子（电子、反冲核），这些次级粒子与原子作用引起

原子的电离。2,电离辐射：由直接电离粒子或间接电离粒子、或者两

者混合组成的辐射称为电离辐射。3,带电粒子与物质（原子）相互作

用的主要方式：1）与核外电子发生非弹性碰撞；如果轨道电子获得足

够的能量，就会引起原子电离；如果轨道电子获得的能量不足以电离，

则可引起原子激发，使电子从低能级跃迁到高能级，高能级的电子会自

发跃迁到低能级而使原子回到基态，同时释放出特征X射线或鹅歇电子;

如果电离出的电子具有足够的动能，能进一步引起物质电离，则称它们

为次级电子或5电子。非弹性碰撞损失的能量称为电离损失。2）与原子

核发生非弹性碰撞；带电粒子的一部分动能变成具有连续能谱的X射线

辐射出来，即物致辐射。3）与原子核发生弹性碰撞；发生概率低；带

电粒子能量很低、速度低时发生概率稍高一点；既不辐射光子，也不激

发原子核。4）与原子核发生核反应；当一个重带电粒子具有足够高德

能量，并且与原子核的碰撞距离小于原子核的半径时，核子可能离开原

子核，失去核子的原子核处于高能量的激发态，将通过"蒸发粒子”和

Y射线而退激。4,当一平行电子束垂直入射到一吸收块时，通过上述四

种作用，一部分吸收，余下部分会从另T则飞出，这些散射电子的飞行

方向可能各不相同，从而形成一个散射角的概率分布，该分布用质量角

散射本领来描述。5,射程：粒子沿入射方向从入射位置至完全停止位

置所经过的距离。6，比电离：带电粒子穿过靶物质时使物质原子电离

产生电子-离子对，单位路程上产生的电子-离子对数目。

X（丫）射线与物质的相互作用

X（丫）射线与物质的相互作用表现出不同的特点：1,X（丫）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

（Y）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,

而带电粒子则是许多次逐渐损失；3,X（丫）光子束入射到物体时，其

强度随穿透物物质厚度近似程指数衰减，而带电粒子有确定的射程，在

射程之外观察不到带电粒子。4,X（丫）射线与物质相互作用的主要过

程有：光电效应，康普顿效应、电子对效应、相干散射、光致核反应等。

5,光电效应：能量为hv的X（丫）光子与物质原子的轨道电子发生相

互作用，把全部能量传递给对方,X（y）光子消失，获得能量的电子挣

脱原子束缚成为自由电子（光电子）；原子的电子轨道出现一个空位而

处于激发态，它将通过发射特征X射线或鹅歇电子的形式很快回到基态。

康普顿效应：能量为hv的X（丫）光子与物质原子的轨道电子发生相互

作用，X（y）光子损失一部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而

脱离原子。电子对效应：当X（丫）光子从原子核旁经过时，在原子核

库仑场的作用下形成一对正负电子，此过程称为电子对效应。6,粒子

与物质相互作用时服从统计学规律，发生作用的位置、作用的形式［如

对X（丫）光子而言，可能是光电效应、康普顿效应或电子对效应］,发

生作用后粒子可能被吸收或散射、散射粒子的运动方向和能量、两次作

用位置间的距离等参数均是随机变量。蒙特卡罗方法是以概率统计理论

为基础的一种数值计算方法，可以模拟粒子与物质相互作用的全过程。

电离辐射进入人体后与组织细胞发生反应，怎么评估这个过程？

X（y）射线和高能电子束等电离辐射进入人体组织后，通过和人体组织

中的原子相互作用，而传递电离辐射的部分或全部能量。人体组织吸收

后电离辐射能量后，会发生一系列的物理、化学、生物学变化，最后导

致组织的生物学损伤，即生物效应。生物效应的大小正比于组织中吸收

的电离辐射的能量。吸收剂量：单位物质吸收电离辐射的平均能量称为

吸收剂量。吸收剂量的测量：量热法、化学剂量计法、电离室法、热释

放、半导体和胶片法等。1，剂量学中的辐射量及其单位：1）粒子注量，

单位面积（截面必须垂直每个粒子的入射方向）的粒子数;粒子注量率，

单位时间内粒子注量的增量。2）能量注量，单位面积（截面必须垂直

每个粒子的入射方向）的粒子总动能；能量注量率，单位时间内的能量

注量的增量。3）照射量，不懂！4）吸收剂量：平均授予能除以质量；

单位质量受照物质吸收辐射能量多少的一个量,辐射作用于物质引起的

效应主要决定于该物质所吸收的辐射能量；同样照射条件下，不同物质，

如骨和软组织等，吸收辐射能量的本来不一样，所以在论及吸收剂量时,

应该明确辐射类型、介质种类和特定位置；单位为戈瑞（Gray）,lGy

=1J*kg-io5）比释动能：不带电电离粒子在单位质量的介质中释放的

全部带电粒子的初始动能之和；单位为J*kg-16）当量剂量：不懂！2,

电离室测量吸收剂量原理；X（丫）射线射入电离室的灵敏体积内，经与

其中的空气介质相互作用，产生次级电子，这些电子使空气中的电子电

离，产生一些列正负离子对，这些电子、正离子分别向两级漂移，引起

相应极板的感应电荷量发生变化，从而外接电路中形成电流，测量到的

电离电荷，理论上应为次级电子所产生的全部电离电荷量；两步：第一

步测量由电离辐射产生的电离电荷，然后利用空气的平均电离能（W/e

=33.97J/C,每产生一正负离子对所消耗的电子动能对所有能量的电

子来讲基本是一常数）计算并转换成吸收剂量。3,电离辐射质：即辐

射能量；放射治疗常用的电离辐射是X（Y）射线和高能电子束；定义

为电离辐射穿射物质的本领。4加速器中产生的朝致辐射X射线能谱，

并不完全依赖于加速电子的能量，它还与加速方式、射束的偏转、准直

系统设计，特别是所选择的X射线靶和均整器的材料、厚度等因素直接

相关。5,量热法：当介质受到电离辐射照射后，介质所吸收的辐射能

量，除少部分可能引起化学反应外，主要会转换成热能，从而导致该介

质温度的升高。温度的变化直接反映了介质吸收辐射能量的程度，由此

可确定（量热计）介质的吸收剂量。6,化学剂量计法：物质吸收电离

辐射的能量而引起化学变化，如果这一变化可以被测定，即可使用它来

测量吸收剂量。（硫酸亚铁溶液：Fe2+->Fe3+,这Fe3+的浓度正比于吸

收剂量）。

医学上使用的放射源是什么？放射治疗机有哪些？

如果说前面的内容太物理了，那么后面的东西或许应该说就有点医学物

理的味道了。1,放射治疗使用的放射源：1）放射性同位素（内外治疗

皆可）：直接可以释放a、B和Y射线；2）X射线治疗机和各类加速器

（仅外治疗）：产生X射线；3）各类加速器（仅外治疗）：产生电子

速、质子束、中子束、负拍介子束、其它重粒子束。治疗方式：1）体

外远距离照射（外照射）；2）近距离照射（组织间照射、腔内照射）；

3）内用同位素治疗（某种器官对某种放射性同位素的选择性吸收，如

碘-131治疗甲状腺癌）。2,近距离照射与远距离照射的区别：1）近

距离照射放射源活度小，治疗距离短（5mm~5cm）;2）体外远距

离照射的放射线仅少部分到达组织,近距离照射则大部分能量被组织吸

收；3）体外照射，其发射线必须经过皮肤和正常组织才能到达肿瘤，

肿瘤剂量受到皮肤和正常组织耐受量的限制，为得到高的均匀的肿瘤剂

量，需要选择不同能量的射线和采用多野照射技术。4）近距离照射时，

距离放射源近的组织剂量高，距离放射源远的组织剂量较低，靶区剂量

分布的均匀性远比外照射的差，故在取处方剂量归一点时必须慎重，防

止靶区部分组织剂量过高或部分组织剂量过低的情况发生。3,近距离

放射源：1）镭-226源：镭->氨…>铅；衰变过程会产生a、p

和Y射线；临床应用为镭的硫酸盐，并装在粕钺合金封套内；一般应用

镭的Y射线进行治疗，少数情况用0射线；镭Y射线能谱复杂，平均能量

为艳源：原子核反应堆的副产物经化学提纯加工

0.83MeVo2）-137

得到；它产生的丫射线能量是单能，为0.662MeV。3）钻-60源：无放

射性金属钻-59在原子核反应堆中经过热中子照射轰击而生成的不稳定

的放射性同位素；释放0.31MeV的0射线与（L17MeV和1.33Mev）

Y射线；衰变最终产物为：镁-60;常制成钻管、钻针；4）钛-192源：

人工放射性同位素，由钺-191在原子核反应堆中经热中子轰击而生成

的；它的能谱比较复杂,Y射线平均能量为360keV;5）碘-125源:

说明都好复杂！6）新型近距离治疗用放射源；7）放射源归类：

200keV-2MeV,60~200keV,<50keV;8）钢-252中子源。4,

上面的都是原子核内部产生的核反应，把目光移动到原子核外部来。下

面介绍产生X射线的来源。X射线是由高速运动的电子突然受到物体的

阻滞而产生的，高速电子撞击靶物质时，产生碰撞和辐射两种损失，前

者主要产生热、后者主要产生X射线（这两种产生比例主要由高速电子

动能与靶物质的原子序数决定）。若电子动能小，则大部分产生热小部

分产生X射线，需要冷却装置；若电子动能大，则大部分产生X射线，

小部分产生热，不需要冷却装置。X射线有两种成分，特征辐射（核素

特有）和韧致辐射（连续谱），其中韧致辐射是X射线谱中的主要成分，

这个谱有一个“假正态分布"，X射线管的加速电压越高，线谱越向高

能方向移动，治疗越是有利，但增加管电压总有一定难度，因此为获得

满意的能谱分布，往往要加一些滤过，把低能的谱线去掉。X射线质的

改进：滤过板（X射线有从零到峰值一系列能量，低能部分对治疗毫无

用处且产生高的皮肤剂量，滤掉低能部分）。X射线机的一般构造：电

子源、真空盒、加速电场、耙。

为什么要单独说“钻-60”治疗机？

钻-60源丫射线半衰期为5.27a,平均每月约衰变1%;钻-60丫射线平

均能量为1.25MeV，和一般深部X射线机相比，有如下优点:能量高、

穿透能力强、保护皮肤（最大吸收量发生在皮肤4~5mm深度）、骨

和软组织有同等的吸收剂量、旁向散射小、经济可靠。

由于加速器的重要性，有必要单独谈谈“医用电子加速器”

目前这个世界是"直线加速器的时代"。电子感应加速器->电子直

线加速器；详细待续：

多叶准直器是什么东西?

放疗临床中会使用多叶准直器（MLC）:

有轻粒子治疗，那么就有重粒子治疗

X射线与丫射线称为光子，光子和电子因其质量较小，称为轻粒子，快

中子、质子、TI负介子以及氮、碳、氧、房;离子等，因其质量较大，称

为重粒子。

X（Y）射线射野计量学，到后面真的不知道怎么过渡了，直接这样取

名字好了。

1,概念性的引入，X（丫）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，很难再人体内直接进行。因此必须使用人体组织的替代

材料（模拟人体组织与射线相