医学物理 电离辐射及其医学应用

第八章电离辐射及其医学应用第一节电离辐射基础物理学第二节电离辐射与物质的相互作用第三节电离辐射的生物效应8.3.6相关计量概念(1)依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射两大类电磁辐射实质上是电磁波，仅有能量而无静止质量，频率由低到高分为:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和射线等。如:粒子、粒子、内转换电子、俄歇电子、中子、质子、重离子等。粒子辐射既有能量,又有静止质量辐射的分类：(1)依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射。(2)依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。(2)依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。非电离辐射不引起物质电离，只引起分子能级改变，电离辐射则引起物质电离，直接电离：粒子、粒子、电子、质子、重离子等。间接电离：X射线、射线、中子。包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线等。电离辐射的医学应用：放射学、核医学、放射免疫分析(1)放射学：包括诊断用的放射影像技术、治疗用的放射治疗技术，以及作为介入手术导引的数字减影技术。(2)核医学：利用含放射性核素的放射性药物，通过其在人体内不同组织器官及肿瘤的分布或放射性强度的变化来进行诊断(影像与非影像)或治疗。(3)放射免疫分析：是利用标记了放射性核素的抗原与非标记的抗原对特异性抗体进行竞争免疫反应，从而进行体外超微量分析。第一节电离辐射基础物理学电离辐射产生过程：(1)非核过程，(2)核过程。(1)非核过程核外电子碰撞过程(例如X射线)，或电离后加速输出(例如电子束、质子束、重离子束)。(2)核过程与原子核本身密切相关，产生于核反应或核衰变(例如射线、中子束、射线、射线)。8.1.1基于非核过程的电离辐射一、X射线(1)X射线发生装置普通X射线机包括：电子源，球形真空管，加速电场和阳靶。碰撞损失热量辐射损失X射线T:高速电子动能(~100keV)Z:靶原子序数(W74,Mo42)ZTMeV861辐射损失碰撞损失＝1100(2)X射线的强度和硬度X射线的强度(intensity)是指单位时间内通过与X射线传播方向垂直的单位面积的辐射总能量。强度调节：X射线的硬度(hardness)是指X射线的贯穿本领。硬度调节：调节管电压，千伏率。(1)调节管电压，(2)调节管电流，毫安率。niiihNI1表8-1X射线按硬度的分类和用途名称管电压/kV最短波长/nm主要用途极软X射线软X射线硬X射线极硬X射线5~2020~100100~250250以上0.25~0.0620.063~0.0120.012~0.0050.005以下组织摄影,表皮治疗透视和摄影较深组织治疗深部组织治疗(3)X射线谱X射线谱是指X射线光子强度与光子能量(波长或频率)的关系。(a)X射线连续谱轫致辐射(bremsstrahlung)管电压70KVeUhchminmaxUehc1minnm)kV(242.1A)kV(42.12oUU(b)X射线标识谱原子壳层结构模型X射线标识谱的特征与阳靶材料有关，与管电压无关。(4)X射线基本特性①电离作用②荧光作用③光化学作用④生物效应⑤贯穿本领二、高能电子束三、质子束和重离子束电子加速器高能电子束质子加速器高能质子束离子加速器高能离子束8.1.2基于核过程的电离辐射基于核衰变:射线、粒子、粒子、俄歇电子等。一、原子、原子核与放射性1.质子和中子核素:具有相同质子数Z、中子数N的同一类原子核，同质异能素:Z同A同,能态不同,同位素:Z同,如:2.电子电子及“轨道”基于核反应:快中子束、-介子束等。如XAZTcTc,99m439943H,H,H3121113.放射性核素衰变及其类型放射性核衰变(nucleardecay):不稳定的放射性核素能够自发地以各种方式转变成另外的核。衰变前的核称为母核，衰变生成的新核称为子核。天然稳定核素约280种，天然放射性核素约30种，核衰变类型:衰变、衰变、衰变.核衰变过程遵守的守恒定律:①质量能量守恒,②动量守恒,③核子数守恒,④电荷守恒.人工放射性核素(人造核素/人工核素)超过2000多种，(1)衰变(decay)放射性核素放射出射线(即粒子)的衰变过程。射线就是高速运动的24He原子核。衰变方程:衰变包括：-衰变、+衰变和轨道电子俘获。(2)衰变(decay)①-衰变②+衰变③轨道电子俘获(EC)湮灭04-2-+α+YXEAZAZ8MeV7.4)氦He()氡Rn()镭Ra(4222286226880001ν+β+YXEAZAZ0001ν+β+YXEAZAZγ2ββ0001νY+eXEAZAZ(3)跃迁与内转换电子①跃迁：处于激发状态的核，跃迁到较低的激发态直至基态，发射出射线。②内转换电子：在某些情况下，原子核从激发态向较低能态跃迁时，产生的能量直接交给内层电子，使该电子脱离原子束缚成为自由电子。｛射线占89%内转换占11%γXX00mAZAZTcTc9943m9943(4)俄歇电子在发生轨道电子俘获和发射内转换电子的情况下，核外内层电子轨道出现空穴，当高能级(外壳层)的电子跃迁至低能级(内壳层)时，把多余的能量直接转移给同一能级的另一个电子，接受这份能量的电子脱离轨道成为自由电子—俄歇电子。二、放射性衰变基础概念1.半衰期N=N0e-t半衰期:放射性核数目衰变为原数目的一半所需的时间。T1/2=ln2/=0.693/平均寿命:=1/=T1/2/ln22.放射性活度一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔。A=-dN/dt=N=N0e-t=A0e-t单位:1Bq=1s-1,1Ci=3.71010Bq常用单位：mCi、Ci-dN=Ndt2/1/021TtNN2/1/021TtA三、核反应1.核反应概念核反应是原子核与粒子、质子、中子、重离子等粒子相互作用引起的变化。2.核反应类型(1)中子核反应[(n,)、(n,)、(n,p)、(n,2n)、(n,f)](2)质子核反应[(p,)、(p,d)、(p,n)、(p,)](3)离子核反应[(d,)、(d,p)、(d,n)、(,p)、(,n)、(,)](4)光核反应[(,n)、(,d)、(,)]核反应方程简写：X表示靶核，a入射粒子，b出射粒子，Y剩余核Yb)X(a,21AA四、基于核过程的几种医用电离辐射的来源1.射线①放射治疗中射线来源59Co(n,)60Co②核医学的诊断中，由放射性药物释放射线SPECT成像常用99mTc，123I，67Ga，111In，201Tl，PET成像采集的射线源于电子对湮灭，表8－2医学上最常用的几种发射射线的放射性核素性质（11C，13N，15O，18F）βNiCo60286027γ2ββ2.粒子粒子用于治疗包括近距离放射治疗和核医学中的体内药物治疗。常用的放射性核素有32P,89Sr,90Y,131I,153Sm,186Re等等。基本上均通过反应堆制备。3.粒子释放粒子的放射性核素在医学中尚未应用到临床。4.中子束①快中子束治癌中子的来源：氘和氚(d+T)的聚变反应；氘和氘离子(d+D)的聚变反应，氘和铍(d+Be)的核反应；质子和铍(p+Be)的核反应。②超热中子硼中子俘获疗法中子的来源：反应堆引出的快中子慢化成为超热中子。第二节电离辐射与物质的相互作用8.2.1X射线、射线与物质的相互作用作用形式：光电效应、康普顿效应和电子对效应一、光电效应出射光电子能量=入射光子能量-电子结合能光电效应是低能X射线、射线与物质相互作用的主要机制。X射线、射线撞击一个原子内层轨道电子时，其能量全部转移给电子，使其具有动能而脱离原子飞出，而X射线、射线本身消失，这种过程称为光电效应。二、康普顿效应康普顿效应是中能X射线、射线与物质相互作用主要机制。当X射线、射线与物质相互作用时，将部分能量转移给电子使其脱离原子飞出这种过程称为康普顿效应。三、电子对效应当高能量(大于1.022MeV)的X射线或射线通过物质时，在原子核强库仑场作用下，光子消失，转化为一个正电子和一个负电子，这一过程称为电子对效应。E++E-=E0-2mec2E0=2mec2+E++E-四、物质对X射线的吸收规律当X射线通过物质时，与物质的原子发生以上三种相互作用，X射线的能量降低，强度随着X射线深入物质的程度而减弱，这种现象叫做物质对X射线的吸收。朗伯—比尔定律I=I0exp(-L)(1)线性吸收系数(2)半价层=KZ43L1/2=ln2/(3)质量吸收系数和质量半价层m=/Lm=LI=I0exp(-mLm)8.2.2粒子、重离子与物质的相互作用(1)粒子在空气中的电离(2)其他带电粒子，例如质子、重离子、负介子等与物质的相互作用和粒子相似。8.2.3粒子(电子束)与物质的相互作用(1)电离作用：比粒子几率小很多。(2)吸收规律：I=I0exp(-L)(3)辐射&防护：产生X射线，射线和X射线的防护。8.2.4中子与物质的相互作用(2)中子与物质的相互作用散射核反应：弹性散射&非弹性散射(1)中子分类慢中子(0~1keV)、中能中子(1keV~500keV)、快中子(0.5MeV~10MeV)以及高能中子(大于10MeV)。慢中子:又可分为热中子(平均能量0.025eV)、超热中子(能量1~10eV)、共振中子(1eV~1keV)。(a)弹性散射中子损失的能量与相互作用原子核的质量有关。原子核质量越小，获得能量越大。通常采用含氢的水、含氘的重水、石墨或有机化合物作为中子的慢化剂。中子用于治疗时，其与氢原子的作用不容忽视。(b)非弹性散射非弹性散射一般是快中子、高能中子在重核上发生的。(c)中子核反应慢中子和中能中子主要引起中子俘获效应,(n,)反应。快中子主要发生散射，其次诱发(n,),(n,p),(n,)。高能中子则除以上反应外，还可能发生(n,2n)反应。中子活化分析:中子俘获反应产生放射性物质的性质可用于定性及定量检测微量或痕量元素，应用范围：环境、地质、法医学、考古学、材料学、生物医学。(d)医学应用(i)中子活化分析——痕量金属元素检测。(ii)中子刀利用遥控后装技术将中子源送进肿瘤内部，借助中子射线近距杀死癌细胞．中子射线的生物作用比X、射线强2~8倍，适用于敏感性较差的肿瘤或复发性肿瘤．(iii)硼中子俘获疗法把含硼元素的肿瘤亲和药物注入人体，该种药物能迅速浓聚于病灶部分，此时用超热中子射线照射，可以在靶区引起核反应，所释放的高能射线只杀死肿瘤细胞而不损伤周围组织．该疗法被认为是目前治疗脑胶质瘤的最好方法．第三节电离辐射的生物效应1.电离辐射普遍存在2.强烈的电离辐射会引起明显的生物效应:损伤机体细胞，导致生物的遗传突变。电离辐射的生物效应一方面有助于治疗策略的制订，一方面也有助于对自身的辐射防护。8.3.6相关计量概念一、照射量X射线或射线在质量为dm的空气中释放出来的全部电子完全被空气阻止时，在空气中产生任一种符号的离子总电荷的绝对值dQ除以dm，即=dQ/dm照射量仅适用于X或射线和空气介质。专用单位R(伦琴)1R=2.58×10-4C／kg二、吸收剂量D吸收剂量D反映受照物质吸收辐射能量的程度，定义为单位质量的物质从电离辐射中吸收的平均能量。吸收剂量的专用单位是戈瑞(Gy,Gray)，单位符号为Gy。1Gy等于1kg受照物质吸收1J的辐射能量，即1Gy=1J·kg-1（1rad＝0.01Gy）吸收剂量的概念适用于任何种类的核辐射及任何受照射的介质。在提到吸收剂量时，必须指明物质的种类和所在的位置。mEDd/d三、吸收剂量D与照射量之间的关系位于空气中同一点处的生物组织中的吸收剂量D和空气中该点照射量间的关系为：D＝f如:对于X射线照射空气介质，f=8.69×10-3Gy/R对于能量大于0.15M