宁丹丹放射化学学习资料

放射化学有关医学中子放射治疗方面的文献资料公共卫生学院10级放射一班27100325宁丹丹中子介绍一、中子的特性1、中子的发现1932年，查德维克发现中子。中子的静止质量大于质子与电子两者的静止质量之和，约为1.00866原子质量单位。中子速度与中子动能的关系V=1.3832×104E1/2.。式中V和E分别为中子的速度和动能。2、中子的分类根据能量分类：大于100兆电子伏相对论中子大于10兆电子伏高能中子500千电子伏—10兆电子伏快中子1千电子伏—500千电子伏中能中子0—1千电子伏慢中子二、中子源中子源有着极为广泛的用途，研究原子核性质测量反应堆物理的基本参量，生产放射性核素以及分析微量元素等。根据产生中子的方式不同。目前大体可以把常用的中子源分成放射性中子源、加速器中子源和反应堆中子源三大类。1、放射性中子源利用放射性核素衰变时放出的具有一定能量的粒子去轰击某些靶物质，实现发射中子的核反应，这种中子源称为放射性中子源。2、反应堆中子源反应堆具有相当高的中子通量，可以作为强中子源反应堆中的裂变材料，例如铀-235或钚-239等在裂变时能够放出大量中子，裂变中子的能量分布是相当宽的。3、加速器中子源利用各种加速带电粒子加速器加速某些粒子,用它们去轰击靶原子核产生中子.三、中子与物质相互作用1、中子的散射中子的散射有弹性散射和非弹性散射两种。EN=4MNmnEn×COS2θ/(MN+mn)2MN为反冲核的质量,mn是中子的质量。由上式看出，反冲核越轻，得到的能量越多。2、慢中子引起的核反应除去散射以外，慢中子与原子核发生四种类型的俘获反应，它们包括(n,γ)反应、(n,α)反应、（n，p）反应和（n，f）裂变反应。3、快中子引起的核反应对于快中子来说，大多数核都能发生核反应这是因为快中子能够提供足够的能量，使得带电粒子更容易穿过核的库仑势垒而发射出来，一般来说反应要求入射中子提供1-3兆电子伏的能量。四、中子的探测方法1、核反冲法核反冲法是探测快中子的重要方法之一。它是以记录中子与原子核弹性散射后的反冲核为基础的。2、核反应法利用中子引起带电粒子的核反应，记录次级带电粒子，也就记录了中子。此方法主要应用于探测慢中子。3、核裂变法重核俘获中子后会产生裂变，测量这些碎片的电离脉冲就可以记录中子，求出中子的通量。核裂变法的最大特点是反应能大。因此，γ本底对测量影响小，它可以在较强γ本底下工作。4、活化法很多原子核俘获中子后变成了放射性的核，然后取出薄片，薄片中放射性核将按本身的规律衰变，同时发出射线。测量其在确定时间范围内放射性活度的变化，便可求出该处中子场的强度，这就是活化法的原理。将面积为S，厚度为d，原子密度为N的被活化薄片，使之受中子均匀照射，每单位面积（平方厘米）活化片上俘获中子的数目应该等于A0=Ф0NбdФ0是中子的通量，б为被活化核的有效活化反应截面。五、中子探测器1、三氟化硼正比计数管测量慢中子最常用的中子探测器BF3正比计数管，它的结构基本上和测量γ射线的G-M计数管一样，只是里面充的是BF3气体，工作电压选在正比区。2、裂变室裂变室是载有裂变物质的电离室，通过记录裂变碎片产生的电离脉冲来探测中子3、中子闪烁计数中子闪烁计数器是五十年代以后发展起来的一种非常有效的中子探测器。它的优点是探测效率高，时间响应快和体积小。但是，闪烁体对γ射线的灵敏度也比较高，而且中子和γ射线常常又是同时存在的。所以，降低γ本底就成为用闪烁体探测中子的一个重要问题。4、半导体探测器半导体探测器的特点是体积小，响应快，对γ不灵敏。它的主要特点是探测中子的效率比较低。另外，对温度比较灵敏，并且抗辐射性也比较差。中子放射治疗在医学方面的应用一中子刀1简介中子刀并非真正意义上的“刀”，是锎252中子源自动遥控式后装治疗系统，是一种放射治疗，融核物理学、放射生物学、生动控制、计算机等多门学科为一体的大型现代放射治疗肿瘤设备，简称“中子刀”。工作原理是：利用中子射线对恶性肿瘤内乏氧细胞杀伤力大、照射后几乎没有致死（或亚致死）损伤修复、复发率低的独特优势，在确诊肿瘤的位置和体积后，用特制的施源器插入人体腔道内（或植入组织间），再通过自动控制系统和送源机构将中子源送入施源器中，准确地置于肿瘤病灶部位，按照治疗计划系统事先己规划的治疗方案，对病灶进行确定剂量的区间照射，从而达到最大程度杀死肿瘤组织、保持正常组织损伤较小的目的。2治疗特点（1）、治疗率高、复发率低锎252发出的中子射线是唯一能近距离治疗的高LET射线，其相对生物效应（RBE）高，对肿瘤细胞的杀伤作用强，照射后肿瘤细胞没有或很少有亚致死损伤修复，也没有潜在致死损伤修复，因而放射敏感性较差的肿瘤以及中晚期及复发的肿瘤经治疗后仍能取得较好的疗效。中子射线氧增效比（OER）低；对肿瘤细胞内氧的依赖性少，能有效克服其他射线对恶性肿瘤内乏痒细胞放射不敏感的缺陷，有更强的杀癌能力。处于不同细胞周期的癌细胞对中子的放射敏感性差别小，因此各期肿瘤细胞对中子射线都敏感。治疗效果提高，复发率降低。（2）、治疗安全、无创伤、无痛苦中子刀治疗不用开刀、不出血、不用全身麻醉，整个治疗过程中患者完全清醒，治疗安全，痛苦少，对病人健康影响小，年龄大、身体弱或不能承受手术的患者均可耐受中子刀治疗。治疗过程由计算机控制、整个治疗过程自动化、程序化，同步摄像及双向对讲监控并有各种安全联锁，确保治疗准确、可靠、安全。（3）、治疗时间短、副反应轻、并发症少中子刀治疗每次只需30分钟至1小时，治疗采用内照射方式，中子源通过人体自然腔道或管道到达病灶，紧贴病灶直接照射肿瘤组织，向外穿透距离有限，对肿瘤外部的健康组织损伤极小；内照射放射治疗不存在外照射那样射线穿过路径上的健康组织损伤，因而治疗后副反应轻、并发症少。3治疗过程（1）.疾病确诊（病理学诊断）并合理选择治疗适应症，术前准备；（2）.将特制施源器置人体自然腔道或管道内（如阴道、子宫腔、食道、直肠等，此操作过程类似于做内窥镜检查）；（3）.用模拟定位机进行定位并将定位图像经网络传达输至治疗设计系统计算机；（4）.设计和优化的治疗方案通过网络传输给治疗控制系统计算机；（5）.将留置于病人体内的施源器与治疗机准确对接，启动治疗；（6）.治疗结束，拔除施源器，局部清洁消毒后回家或回病房。4适应症（1）、宫颈癌、子宫内膜癌、阴道及宫颈黑色素瘤、子宫肉瘤、阴道癌；（2）、食管癌、直肠癌、肛管癌；（3）、口腔涎腺肿瘤、鼻咽癌、口腔癌、喉癌、扁桃体癌；（4）、其它肿瘤如：皮肤癌、软组织肿瘤、黑色素瘤等。二快中子治疗

快中子治疗就是人们所说的"中子治癌"，就是利用中子束流有效地杀死癌细胞，达到提高癌症局部控制率，延长癌症病人生存期的目的。中子属于不带电的粒子，依据中子所具有能量，可分为热中子、慢中子和快中子。快中子属于高LET射线（它是一个专业名词，指线性能量传递的简称）。它具有高LET射线特点，其特点为：生物学方面：①氧增强比低，能克服乏氧肿瘤细胞对射线的抗拒，治疗对一般放射线抗拒肿瘤；②相对生物效应强，相同的吸收剂量所产生的生物效应，中子大约比普通X线作用大3倍；③肿瘤细胞动力学中，细胞周期不同时相与中子的敏感性无差异，因而快中子对肿瘤细胞杀伤作用强。物理学特点：①快中子束与X线（光子束）相似。深度剂量递减呈指数递减规律；②穿透力差，深度剂量可随中子源表面距离增大而增大；③快中子束半影大，射野边缘剂量大，皮肤和皮下组织反应大。总之，快中子依赖它优越的放射生物学特性有效地杀伤某些肿瘤，有其严格的适应证。三锎-252中子源自动遥控系统——中子刀它是一种集现代核物理、核医学、放射生物学、自动控制、计算机软件等多学科为一体的大型高科技治疗设备，中子刀是采用腔内直接对肿瘤进行照射的方法，通过锎—252发出的中子射线对病灶进行打击，以有效破坏恶性肿瘤的组织，使其萎缩坏死。中子刀与其它后装治疗设备相比，其优势是治疗功能与其它放疗设备相比要高出2至8倍，而副作用却微乎其微。中子治疗肿瘤时，有肿瘤组织消退快，肿瘤局部控制率高，不易复发等优点，3、4期宫颈癌和1、2期直肠癌的局部控制率和生存率均明显高于常规光子线放疗。锎-252中子近距离后装治疗解决了传统的γ射线近距离后装治疗不能解决的问题。近距离放射治疗通常采用的放射源有Ra-226、Co-60、Cs-137、Ir-192等。60年代末在美国的Anderson医院、英国的Oxford癌症治疗中心率先将Cf-252用于宫颈癌的治疗后，相继在美国的Lexington锎中子近距离治疗中心、日本的庆应大学癌症研究中心、俄罗斯的Obnisk癌症研究中心和Blokhia癌症研究中心等许多医疗研究机构开始了利用锎中子进行近距离治疗恶性肿瘤的临床应用研究。初步提示应以相对生物效应系数RBE来比较疗效标准和衡量每次临床给予的剂量；用管状252Cf中子源对子宫内膜癌进行腔内照射治疗的实验是由美国Keutueky大学的Maruyama进行的，RBE采用6，A点总剂量为10Gy，并同时应用直线加速器辅助进行外照射（B点剂量45～55Gy），按照类似镭疗程式治疗了14例宫体癌，有12例(86%)得到治愈。用遥控后装技术治疗癌症的研究者是日本东京庆应大学癌症中心的Yamashita，他分别对宫体癌、阴道癌、舌癌、口腔癌和鼻腔内黑色素瘤进行中子源后装治疗，疗效颇令人满意，显示这种新源在近距离治疗中的身价和地位。美国Maruyama和俄罗斯Vtyuria、Marjina等共收治了3000多例癌症患者，俄罗斯癌症研究中心用高活性252Cf源遥控后装治疗装置——ANET--V以来，治疗了1411例病人，主要包括子宫体癌、宫颈癌、阴道及直肠癌。常规外照射加252Cf中子腔内放疗，515例Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期子宫体癌患者，3年生存率为89.8%,5年生存率为86.5%；345例Ⅱ、Ⅲ期宫颈癌患者，5年生存率为72.2%；而对42例宫颈癌外生型肿瘤的患者，予以252Cf源进行腔内术前照射，其肿瘤近期消退率为91.2%，显示了中子腔内放疗的效果较佳，有力地证明了中子治癌技术的强健的生命力。锎中子后装治疗机的适应症：全世界已有近万名不同肿瘤患者先后接受了中子治疗，经临床比较，确认有良好疗效的癌症有下列几种：

妇科肿瘤：子宫颈癌、宫内膜癌、阴道癌；

头颈部肿瘤：鼻咽癌、腮腺癌、口咽癌、扁桃体癌；

神经系统肿瘤：胶质细胞瘤；

胸部肿瘤：食管癌；

泌尿生殖系肿瘤：前列腺癌、男性尿道癌；

消化系统肿瘤：肛门和直肠癌；

其它：皮肤癌、软组织肉瘤、皮肤黑色素瘤、阴道恶性黑色素瘤。四中子治癌提起中子，人们常常会联想起原子弹爆炸的恐怖、中子弹“只杀人，不毁物”的神奇，小小的中子因此蒙上了一层神秘的面纱。中子不带电荷，与金属原子相比体积小、质量轻，进入金属物体后或者“穿墙而过”，或者主要发生弹性散射，不会发生大规模的能量交换。但中子进入人体后则出现完全不同的情况，人体组织主要由C、H、O、N等元素组成，尤以H原子核数目最多（约占70％），中子不带电荷，但质量与H原子核相等，因此，中子进入人体后主要发生与氢原子核的弹性散射（中子与氢原子核每碰撞一次，平均交给后者二分之一的能量）和俘获过程（氢原子核与中子发生核反应，变成另一种核素，并放出能量），进而产生致密电离事件；加之中子是传能密度较高的射线，在单位路径内传递很高的能量，因而能直接破坏包括DNA、RNA、蛋白质在内的各种各样的生物活性分子，造成不能修复的辐射损伤，人体细胞也因此发生致死性损伤。

任何事物都有正反两面，由中子诱发的辐射损伤很难修复这一特性，一方面使它得以在核武器领域扮演重要角色，同时也使它成为能用于治疗癌症的生物特性最好的射线之一。放射生物学研究证明，癌变组织通常由有氧型和缺氧型两类细胞组成，其中，有氧癌细胞易被放射线杀死，但缺氧癌细胞对常规放疗所用的X射线、γ射线和电子不敏感，由此带来的直接后果是术后癌症易复发；与此相反，缺氧癌细胞对中子射线十分敏感，经中子射线照射后，几乎没有致死（或亚致死）损伤修复，术后癌症基本不复发，这就是中子治癌的独特优势。

人类目前对付癌症的重要手段???放射治疗，可简单划分为远距离治疗和近距离治疗两种。远距离治疗一般又称为外照射，目前大部分放射治疗设备都属于该技术范畴，如60Co治疗机、医用直线加速器、伽玛刀等；近距离治疗一般是指在人体腔道（如子宫、阴道）内的放疗，和在人体体表浅层组织（如乳腺、皮肤）间的插植放疗，以及在人体内脏器官的术中置管放疗，γ射线后装治疗机即属于该技术范畴。

中子刀是利用放射性同位素252Cf自发裂变发出的中子射线，采用先进的自动遥控式后装技术，对癌变组织实施近距离治疗的一种新颖的大型高档医疗设备。该设备既能充分发挥中子治癌的独特优势，又由于采用了后装技术，治疗时中子源紧贴病灶处，因而能够最大限度地杀死癌细胞，且对癌组织周围的正常组织损伤较小，病人几乎没有痛苦。

放射生物学研究证明，对于治疗癌症来说，中子射线比X、γ射线的生物特性要好得多，这是因为癌组织内含有少量的乏氧细胞，对X、γ射线具有抗性，由此带来的直接后果是术后癌症易复发；相比之下，乏氧细胞对中子的抗性小，经中子射线照射后，癌细胞几乎没有致死（或亚致死）损伤修复，术后癌症不会复发，因此，利用中子治疗癌症具有明显的优势。

我国现有各类肿瘤患者约600万，每年新增患者约160万，其中可选用中子刀进行治疗的患者每年至少有90万，一台中子刀一年可治疗600～1500例患者。五中子治癌放射物理学基础管内照射是指将放射源直接放入人体天然管道进行治疗，等剂量线呈近似柱状的椭圆形，施源器半径为0.5～1cm，剂量参考点选择在距放射源0.8～1.6cm之间，管内照射如食道、直肠等部位的治疗，参考点不应机械定为某一点，应具体而定。管内照射的临床靶区的厚度，应在超剂量区HD和参考剂量区RD之间，使整个靶区接受的剂量不低于临床处方剂量。中子治癌与常规射线比较具有的优点1.LET（传能线密度）较高对癌细胞杀伤力强，没有或很少有亚致死损伤修复，也没有潜在致死性损伤修复，即根治的可能性大，治愈率高。粒子线在通过人体组织时，它与人体组织的原子相互作用产生生物效应。中子线属于高LET射线，它对细胞DNA分子的作用主要是直接作用，对细胞的杀伤主要是单击致死性损伤，很少有亚死性损伤，故细胞中子反应曲线没有起始的肩部，说明中子射线一次性杀伤能力较常规射线强大，减少癌细胞再生的机会。2.中子RBE（相对生物效应系数）较大快中子的放射生物效应高于常规射线，中子的RBE在1.4～5之间，它随快中子的能谱、照射方式、细胞和组织类型、生物学终点等因素而不同。不同细胞和不同组织对X线的敏感性差异很大，但对中子而言，差异要小得多。癌细胞的存活曲线肩区比X线小，因此,相对常规放疗射线而言，中子疗效高。3.中子的OER（氧增效比）较低即乏氧癌细胞对中子抗性小，中子的抑癌能力较强。氧具有放射增敏作用，氧浓度直接影响细胞对放射线的敏感性；22%的氧浓度（与空气相似）下细胞对放射线的敏感性是无氧状态下细胞的3倍。细胞对低LET线的放射敏感性与细胞含氧状态有很高的依赖性，而细胞对高LET射线的放射敏感性与细胞含氧状态的依赖性很小；而大多数恶性肿瘤都存在乏氧细胞，在使用低LET照射情况下，由于一部分细胞的抗放射性而常常导致放射治疗失败。氧增效比随LET增大而减少，高LET线（中子、质子线等）OER大约为1.0～1.8，如中子OER为1.6。所以要取得好治疗效果的放射源必须是氧增效比较低，同时又具有足以治疗深部肿瘤的穿透力的射线为最优的放射源，中子则比较符合上述的要求。4.细胞增殖周期不同时期的细胞对中子放射敏感性差别较小有利于对腺癌或特殊病种癌细胞的杀伤。中子治癌的适应范围也有一定的限制，根据目前临床资料，对于膀胱癌、脑癌可能因水肿及严重脱髓改变而引起严重反应，被列为禁忌使用，这说明中子治癌技术仍有一定的局限性。六中子放射治疗在医疗装备中的应用当前使用中子源进行放射治疗的方法很多，有腔内照射，有组织内照射，都是考虑到中子放射治疗效果。迄今为止治疗经验已比较丰富，而且具备相当深入的基础知识研究。在这里介绍一下252cf中子源，让大家了解252cf中子源的物理、化学、生物等特性。

中子源一般性状:

理想的中子源应是：(1)不产生有害气体，(2)物理半衰期长，(3)中子产额高。符合这个要求的中子源就是近些年由超钚元素制造的。如252cf自发裂变中子源。

能产生中子的装置叫做中子源。目前常用的中子源，有同位素中子源、加速器中子源和反应堆中子源。同位素中子源的强度以中子发射率S-1来表示。当前生产252cf中子源只有美国和俄罗斯。

放射源的形状：(1)环形中子源为适应中子测水分而设计的一种中子源，(2)线状中子源是一种细长圆柱状源，用于测量容器中含氢材料和体内肿瘤治疗，(3)球形中子源是为适应物理实验的需要而制备的一种中子源，这种源的优点是向4π方向发射，中子分布均匀，不受源芯和包壳影响。

252cf自发裂变中子源特性：

所谓自发裂变是指原子核在不受外来粒子的作用和没有外界激发条件时，自行分裂成两种或多种碎片的过程。自发裂变和其它核裂变过程一样，也遵从放射性核素衰变规律。在空气中1米处剂量率：中子22SV(2.2×103rem)/hg。γ射线16GY(1.6×103ram)/hg。目前治疗用的252cf放射源生产可以达到微克量级。早期制作的252cf源体呈针状或管状。使用过程中需要采取必要的防护措施，以避免中子照射。cf2O3―Pd(是一种组合放射源)被密封在丙烯材料或尼龙管内。治疗前在病人患部先置入几根比较长的聚酯材料制成的空管并固定，然后进行远距离操作，将后装放射源插入空管达到指定部位，即可进行治疗。

贮源罐:

根据国家将要执行的ICRP60报告推行的放射性防护标准，252cf中子源屏蔽罐表面任何一点泄漏辐射剂量率不得超过10μsr/h。照此要求，252cf放射源置于45mm厚铅罐中，在铅罐四周再充满850mm厚石蜡和硼酸的混合物于铁罐中。

锎的物理性质：

锎是一种人造超铀核素，239pu受中子辐射后俘获中子而变成镅(Am)和锔(cm)，再俘获中子转变成锫(BK)最终转变成锎(cf)。三价化合物最稳定，目前已知244cf―252cf。252cf同时具有d衰变和自发裂变两种衰变方式。经d衰变放出γ光子占96.9%，自发裂变产生中子占3.1%，有效半衰期为2.65年，中子平均能量为2.13Mev。1μg252cf每秒放出2.4×106个中子，同时经d衰变发出的γ射线平均能量为0.8Mev，数目为1.3×107。两种射线数目的比值是一个定值。

252cf有很强的放射性，比镭、钋-铍还要好的中子源。由于252cf放射很强，对人体危害极大，必须完全封装密闭后才能使用，比较常用的是用Pt-Ir容器密封放射源Pd-252cf2O3。密封中子源给出的剂量中80%是中子的贡献，20%是γ射线的贡献。

锎的化学性质：

252cf在体内的行径：锎由胃肠道内吸收和其它超铀核素一样，吸收率通常小于0.05%，锎由胃肠道吸收流入血液中消失的速度比镅稍慢，但比钍和钚要快得多，如给狗注入锎后一天，血液中锎的注量为0.8%，镅为0.28%，钍-228为2.27%，而钚-339为27.7%。锎离开血液之后，主要蓄积在骨、肝、肾、甲状腺等组织内。锎在骨骺内的分布是不均匀的，注射第一天锎在软骨区和骨骺极下边的干骺端沉积最多，其次为骨骺板上面。

252cf中期临床应用与发展：

美国的放射专家自1972年以来，通过3台加速器积累了400例中子放射治疗的临床经验，普遍并不乐观。

1970年前后开始临床试验，主要内容是用加速器得到较高