肿瘤科：放射物理学

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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

2、机（钴源）,后装机（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

3、性活度衰减到初始值的一半。,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。 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。,

4、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。,

5、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（直接电离）,（1）与核外电子发生非弹性碰撞：发生电离和激发

6、 （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线和线）照射到吸收物体后，其能量传递给介质，转变为高速的

7、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 骨吸收肌肉脂肪,二 常用放射线的物理特性,（2）康普

8、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50 MeV 骨吸收肌肉脂肪,二

9、 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、 ）射线与物质（

10、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

12、器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

13、 表示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，

14、当射野面积很大时，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

15、或模体时，在体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dma

16、x到d85深度，又称为治疗区，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。,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