肿瘤放射治疗学的物理基础

肿瘤放射治疗学的物理基础齐齐哈尔医学院附属三院本文档由医学百事通高端医生网专家制作免费咨询医生网址：概述一、放射治疗的概念：是利用各种放射线对肿瘤及其侵润的组织进行一定剂量照射，从而控制肿瘤细胞生长、增殖的一种物理治疗技术。是肿瘤治疗的三大手段之一。（手术、放疗、化疗）二、放射治疗原理：放射线与生物组织作用可产生生物损伤。不同组织吸收射线剂量不同，所表现出的生物效应有很大差异。概述三、放射治疗在肿瘤治疗中的重要性恶性肿瘤的发病率和死亡率：呈逐年上升趋势恶性肿瘤的死亡率：在城市居民已上升到第一位恶性肿瘤病人中接受放射治疗的比例：约有70％世界卫生组织（WHO）于1998年的统计结果：45％的恶性肿瘤可以治愈。其中:外科治疗占22％，放射治疗占18％，化学治疗占5％。概述四、完成放射治疗需要学习的基本物理知识1．放射源和放射治疗设备2．X（γ）射线临床剂量学3．高能电子线剂量学4．治疗计划的设计5．X（γ）射线立体定向放射治疗6．三维适形和调强放射治疗7．近距离放射治疗剂量学8．放射治疗过程的质量保证第一章放射源和放射治疗设备掌握内容：放射源的种类、医用电子直线加速器X线及电子线治疗模式、CT模拟熟悉内容：临床常用放射源的物理特性、远距离60Co治疗机的临床应用特点、放射治疗模拟定位机、近距离后装治疗机了解内容：深部治疗X射线机、重粒子治疗作业题简述放射源的种类医用直线加速器的定义医用直线加速器的优缺点现代近距离放射治疗的特点CT模拟用于放射治疗计划设计具有哪些优点第一节放射源一、放射源的种类临床放射治疗中使用的放射源大致有三类：1、放射性同位素发射出的α、β和γ射线2、X线治疗机和各类加速器产生的不同能量的X线3、各类加速器决生的电子束、质子束、中子束、负兀介子及其他重粒子等二、临床常用放射源及其作用镭源是天然放射性核素，其它几种是人工放射性核素。1．226镭（226Ra）目前已不再使用镭源。因镭源有放射比度低，近距离治疗时间长，造价高，易污染等缺点。（半衰期长：1590a和氡气溢出）2．60钴（60Co）60Co是放射治疗常用放射性核素，既可以用于肿瘤的远距离放射治疗，也可以用于近距离放射治疗。钴的半衰期为5.27年,γ的平均能量是1.25MeV临床常用放射源及其作用3、137铯（137Cs）目前主要用于替代镭源进行近距离放射治疗。137Cs半衰期为33年，γ的平均能量是0.52MeV。4、192铱（192Ir）192Ir源是高剂量率近距离放射治疗的常用放射源。γ的平均能量是360keV,半衰期74.5天临床常用放射源及其作用5．198金（198Au）用于体内肿瘤的种植放射治疗。由于其射线能量低，易于屏蔽，金源曾作为氡源的替代源广泛用于肿瘤的种植放射治疗。6．125碘（125I）目前广泛用于永久性种植及插植放射治疗。其与金源及氡源相比半衰期长（60．2天），易存储且γ射线能量更低，更易于屏蔽。因此目前碘源已经替代金源和氡源成为肿瘤种植及插植的首选核素。252Cf源是目前较好的用于腔内治疗的中子放射源；半衰期为2.65年中子平均能量为2.35MeV，同时也发射γ射线。临床常用放射源物理特性表名称符号射线种类平均能量（MeV）半衰期镭-226226Raγ0.831590a钴-6060Coγ1.255.3a銫-137137Csγ0.66233a铱-192192Irγ0.3874.5d金-198198Auγ0.4122.7d碘-125125Iγ0.2860.2d第二节常用的放射治疗设备一、深部治疗X射线机20世纪30年代肿瘤外照射治疗的主要设备。目前深部治疗X射线机的作用：治疗表浅肿瘤如淋巴结转移灶或皮肤癌等。改善剂量分布与高能X（γ）射线合并使用，可产生符合临床治疗要求的剂量分布。一、深部治疗X射线机深部治疗X射线机的构成：主要由X射线管、高压发生器、控制台及辅助控制装置和设备构成。其核心部件是X射线管。X射线管主要组成部分：阴极（灯丝）阳极靶面玻璃密封管（真空）X射线管结构示意图X射线管的工作条件⒈X射线管的灯丝电流：由灯丝变压器提供，灯丝变压器为降压变压器，通过调整灯丝电压大小就可以控制灯丝加热强度，从而控制灯丝电子发射数量，达到调整X射线管管电流的目的。⒉X射线管的直流高压：由X射线机高压发生器提供。常压交流电经过高压变压器升压，达到200～400千伏，再经高压整流后变为直流高压加到X射线管两端，作为加速电压。X射线管的工作条件⒊X射线管的阳极靶：为提高X射线产生效率，防止阳极靶面因温度升的过高而熔化、龟裂，通常阳极靶面采用金属钨(w)。⒋高真空环境（玻璃密封管）：有利于电子加速及保护阴极灯丝和阳极靶。⒌X射线管的制冷装置：（与一般诊断X射线机不同）治疗X射线机的管电流和管电压都较高，且治疗时间长，为保护X射线管不至于过热，在其外部加设了水循环或油循环冷却系统，以对其强制冷却。习题1、深部治疗X射线机的构成不包括：?①X射线管②高压发生器③控制台④辅助控制装置和设备⑤施源器2、深部治疗X射线机之X射线管的工作条件不包括：?①灯丝电流②直流高压③阳极靶④放射性同位素⑤制冷装置二、远距离60C0治疗机远距离60C0治疗机自从20世纪50年代由加拿大首先生产60Co放射治疗机到现在，其结构、性能、标准有了很大的改进。可以完成如下治疗技术：源皮距照射等中心照射弧形照射适形放射治疗我国目前用于临床治疗的60Co治疗机大约有500台。60Co治疗机的基本构造特点60Co治疗机有固定式和旋转式两种类型。固定式特点：固定式也称为立式治疗机，其治疗机头只能上下移动，但机头可以朝一个方向转动一定角度，机架不能旋转，不能做等中心治疗，病人治疗摆位麻烦，精度不易保证。目前固定式60Co治疗机已不在生产60Co治疗机的基本构造特点旋转式特点：治疗机与治疗床一体，机架可做360°旋转，机头也可朝一定的方向旋转。适合等中心照射，病人摆位方便，精度较高。旋转式治疗机的构成：源室（治疗机头）、旋转机架、治疗床控制系统组成。旋转式Co-60治疗机结构示意图60Co治疗机头1．60Co治疗机头的构成：是治疗机的关键部件，主要由钴源、源室、防护外壳和射线准直器系统组成。源的形状及封装形式：外照射用60Co源通常制成圆柱状或盘状，密封于不锈钢容器中，该不锈钢密封源外层再封装一层薄不锈钢套以防止60Co源脱落。60Co治疗机头线束的组成成分：60Co所释放的γ射线形成放射治疗的有用线束。其与治疗机其他部件相作用产生低能散射γ射线。钴的半衰期为5.27年,γ的平均能量是1.25MeV（1.17~1.33MeV）60Co所释放的β粒子被不锈钢封套吸收，同时产生轫致辐射—X射线，其能量约0.1MeV。低能射线“污染”：轫致X射线与低能散射γ射线一起构成了所谓有用线束中的低能射线“污染”。其所占比例应小于10％。60Co治疗机的半影2．60Co治疗机的半影射线束在模体形成的照射野边缘的吸收剂量随离开射线中心轴距离的增大发生急剧的变化，这种变化的范围称为半影。有三种原因造成60Co治疗机半影：①几何半影②穿射半影③散射半影60C0治疗机半影形成示意图与深部治疗X射线机产生的X射线相比：60Co治疗机产生的γ射线能量更高：穿透力强：适于深部肿瘤的治疗（头颈部肿瘤）皮肤剂量小骨和软组织有同等的吸收剂量侧向散射线少：射野边缘以外正常组织受量较少60Co治疗机的临床应用特点60Co治疗机的临床应用特点经济、可靠：结构相对简单，维修比较方便，设备造价较低，运行可靠，为肿瘤放射治疗的普及型设备。习题1、旋转式60Co治疗机的构成不包括：?①源室②旋转机架③治疗床④控制系统⑤X射线管⑥钴源2、旋转式60Co治疗机的“机头”构成不包括：?①钴源②源室③阳极靶④准直器系统⑤防护外壳三、医用电子直线加速器（一）医用电子直线加速器的工作原理医用电子直线加速器是利用微波电场，将电子沿直线加速到较高能量，从而获得高能X射线或电子线的放射治疗装置。（二）医用电子直线加速器的基本结构根据加速电子的微波电场形式可分为：医用行波电子直线加速器医用驻波电子直线加速器二者的结构与组成基本相同：主要由加速管、微波功率源、微波传输系统、电子枪、束流系统、真空系统、恒温冷却系统、控制系统、辅助治疗系统等组成。医用电子直线加速器结构示意图医用电子直线加速器两种治疗模式高能X射线和高能电子束治疗模式1．X射线治疗模式的实现⑴射野形成系统：加速管中电子束引出后，击靶产生X射线经初级、次级准直器限束准直由均整器对射线强度进行补偿吸收经过以上三个过程就可在病人体内形成射线强度基本均匀一致和一定照射面积的照射野。医用电子直线加速器两种治疗模式⑵射野指示系统：为了显示实际照射野大小，加速器机头内部设有灯光野指示系统。该系统由光源和反射镜片组成，光源产生的可见光通过反射镜反射经次级准直器出射后照射到病人体表，用以指示射野大小。在加速器机头外部设有一光距尺，用以指示放射源到关心点（一般为皮肤）的距离。医用电子直线加速器两种治疗模式⑶剂量监督系统：线束均整器与次级准直器之间设有射线输出剂量监督电离室，监测射线强度及射野内射线剂量的对称性。医用电子直线加速器产生X射线示意图医用电子直线加速器两种治疗模式⒉电子束治疗模式的实现电子束的引出：加速器高能电子束经偏转后不打靶（靶会自动移开），将其从出射窗直接引出，用于临床电子束治疗。均整器的调整机构：在选择电子束治疗模式时，由于散射箔设置在X射线均整器位置处，所以均整器会自动移开。医用电子直线加速器两种治疗模式电子束的展宽：根据电子束易于散射的特性，采用散射箔技术将射线束展宽。其厚度要达到能够使电子束形成完全散射，同时轫致辐射少量发生。电子束经散射箔扩展后，“经次级准直器，电子束限光筒形成治疗用照射野。医用电子直线加速器两种治疗模式次级准直器跟随系统：即当选择不同型号电子束限光筒时，次级准直器的张口会自动跟随，以改善电子束照射野边缘剂量分布，减轻电子束限光筒重量。医用电子直线加速器产生电子线示意图医用电子直线加速器的优势运行安全可靠：计算机技术以及智能化故障检索技术的成熟应用治疗精确性高：影像校验技术以及适形治疗技术的成熟应用（三）医用电子直线加速器临床应用特点与60Co治疗机相比：优点：可提供X射线和电子线两种射线束：低能档X射线用于治疗头颈及四肢部位肿瘤高能档X射线用于治疗胸腹部较深部位肿瘤多能档电子线用于治疗表浅及偏心部位肿瘤医用电子直线加速器临床应用特点综上所述医用电子直线加速器适用于全身各部位肿瘤的放射治疗。无需永久放射源：医用电子直线加速器不需要永久放射源，设备在不加高压时无射线产生。半影较60Co治疗机小：加速器X射线能量更高、靶点非常小，配合球面准直器在照射野边缘形成的半影相对较小。医用电子直线加速器临床应用特点不足：日常维护及质量保证费用较高：由于医用电子直线加速器涉及高压、高真空、微波传输、治疗床及机架的精密转动，因此设备结构复杂、技术要求高。医用直线加速器优缺点优点：既可以产生高能电子束，又可以产生高能X射线和快中子，其能量范围在4~50MeV之内半影小、穿透力强、保护皮肤、旁向散射小设野方便，照射野均匀性好治疗精确性高，可行适形放疗缺点：价格昂贵，维护不方便，对湿度及温度要求高四、近距离后装治疗机四、近距离后装治疗机现代近距离后装治疗机的组成：放射源（192Ir或60Co、137Cs）施源器亦称施治器源室及放射源驱动单元治疗计划系统四、近距离后装治疗机现代近距离后装治疗机的应用范围：腔内照射治疗管内照射治疗组织间插植照射治疗体内种植照射治疗表面敷贴照射治疗四、近距离后装治疗机现代近距离后装治疗机的特点：一是放射源微型化：由于放射源的微型化，通过施源器可以到达体内需要治疗的肿瘤的各个部位，放射源在体内的驻留位置和驻留时间可以由计算机精确控