放射物理学基础

中南大学湘雅医院肿瘤科雷明军2020/2/29肿瘤放射物理学基础内容纲要核物理的基本知识常用放疗设备和放射源X(γ)射线射野剂量学高能电子束射野剂量学临床放射治疗剂量计算临床剂量学四原则及靶区勾画必须熟悉的几个概念放射治疗的质量保证与质量控制核物理的基本知识常用放疗设备和放射源X(γ)射线射野剂量学高能电子束射野剂量学临床放射治疗剂量计算临床剂量学四原则及靶区勾画必须熟悉的几个概念放射治疗的质量保证与质量控制1.1原子的基本结构：一、核物理的基本知识1.2放射性衰变类型a)α衰变：放出α粒子b）β衰变：放出正电子或负电子或俘获一个轨道电子c）γ跃迁和内转换：γ跃迁会以γ射线形式释放能量；内转换发射内转换电子。1.3带电粒子与物质的相互作用与核外电子非弹性碰撞——电离损失/碰撞损失(释放出特征X射线或俄歇电子）与原子核非弹性碰撞——辐射损失（轫致辐射）与原子核弹性碰撞与原子核发生核反应X(γ)光子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；其它次要的作用过程有相干散射、光核反应等。1.4X(γ)与物质的相互作用1.5几个重要的概念1.5.1放射性活度：放射性活度是指一定量的放射性核素在一很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔之商。A＝－dN/dt=λN＝λN0e-λt=A0e-λt其中，λ为衰变常数；A和A0分别是t时刻和初始时刻的放射性活度。国际单位为贝可勒尔(Bq)1.5.2射程：带电粒子在与物质的相互作用中，不断损失能量，最终损失所有动能而停止运动(不含热运动)。粒子沿入射方向从入射位置至完全停止位置所经过的直线距离称为射程。（射程与路径长度的区别）1.5.3线性能量传递(linearenergytransfer,LET)•是指次级粒子径迹单位长度上的能量传递，即带电粒子传给其径迹物质上的能量。•常用单位：KeV/um•LET分为两类：低LET射线(X、γ、β射线)，LET值＜10KeV/um；高LET射线(快中子、负π介子、重粒子)，LET值＞100KeV/um•辐射生物效应与LET值有重要关系。在相同吸收剂量下，射线LET值越大，其生物效应越大。1.5.5半价层：半价层(HVL)定义为X(γ)射线束流强度衰减到其初始值一半时所需的某种物质的厚度，它与线性衰减系数μ的关系为:HVL=ln2/μ=0.693/μ1.5.6吸收剂量：电离辐射给予质量为dm的介质的平均授予能dε，也就是单位质量物质吸收电离辐射的平均能量D＝dε/dm单位为J·kg-1,专用名为戈瑞(Gy)1.5.7照射量(exposure,X):照射量X是dQ除以dm所得的商；指X(γ)射线在单位质量的空气中所产生的电离的电荷数。X=dQ/dm单位：库仑/千克(C/kg)。原用单位是伦琴(R)1R=2.58×10-4C/kg1.5.8比释动能(kineticenergyreleasedinmaterial,Kerma,K)：K等于dEtr除以dm的商；即K=dEtr/dm。dEtr是非带电电离粒子在质量为dm的物质中所释放的所有带电粒子的初始功能之和。单位：焦耳/千克(J/kg)。专用名Gray(Gy)，1Gy=1J/kg；1.5.9剂量当量：单位J/kg，专用名Sv1.5.10吸收剂量和比释动能的关系电子平衡电子平衡（ElectronicEquilibrium）在均匀介质中的测量体积元内，离开此体积元的电子，被另一个进入该体积元具有相同能量的电子代替，则在该体积元内存在着电子平衡。理论的要点是：1不要求进入体积元的电子数目等于离开体积元的电子数目；2只要求电子带入体积元的能量等于电子带出体积元的能量。3当测量体积元的体积较小，但大于次级电子的最大射程时，电子平衡可以建立。核物理的基本知识常用放疗设备和放射源X(γ)射线射野剂量学高能电子束射野剂量学临床放射治疗剂量计算临床剂量学四原则及靶区勾画必须熟悉的几个概念放射治疗的质量保证与质量控制二、常用放疗设备和放射源X线治疗机Co-60治疗机医用电子直线加速器常规X线模拟定位机CT模拟定位机近距离后装治疗机其他2.1X线治疗机一般指400kV以下X线治疗肿瘤的装置原理：高速运动的电子作用于钨等重金属靶，发生特征辐射、韧致辐射，产生X线。用途：主要用于体表肿瘤和浅表淋巴结转移的治疗或预防性照射。•缺点：深度剂量低，皮肤剂量高；骨吸收剂量高；易于散射，剂量分布差。2.2Co-60治疗机原理：利用放射性同位素60Co发射出的γ射线治疗肿瘤特点：①能量高，射线穿透力强；②皮肤反应轻；③康普顿效应为主，骨吸收类似于软组织吸收；④旁向散射少，放射反应轻；⑤经济可靠，维修方便。缺点：需定时换源；防护相对困难。原理：利用微波电场沿直线加速电子然后发射，或打靶产生X线发射，治疗肿瘤的装置。2.3医用直线加速器特点：1、产生不同能量的X线(4~18MV)2、产生不同能量的电子束(4~25MeV)3、照射野均匀性好4、可开展X刀治疗5、安全性好2.3医用直线加速器2.4近距离后装治疗机现代后装治疗机主要包括：治疗计划系统和治疗系统。现代近距离治疗的特点：1、放射源微型化，程控步进电机驱动；2、高活度放射源形成高剂量率治疗；3、计算机计划设计。2.5常规X线模拟定位机X线模拟定位机是用来模拟加速器或60Co治疗机机械性能的专用X线诊断机。2.5常规X线模拟定位机功能：1.靶区及重要器官的定位2.确定靶区（或危及器官）的运动范围3.治疗方案的确认（治疗前模拟）4.勾画射野和定位、摆位参考标记5.拍摄射野定位片或证实片6.检查射野挡块的形状及位置2.6CT模拟定位机CT扫描机+多幅图像显示器+治疗计划系统+激光射野投射器肿瘤的正确定位产生数字模拟影像帮助设计合适的照射野产生模板以供制作铅挡在病人皮肤上标记等中心点2.7多叶准直器（MLC）2.8治疗计划系统SiemensVarianElektaTomotherapyBrainLabAccuray2.9近年进入临床应用的先进的放射治疗机2.10辐射源种类放射性同位素放出的α、β、γ射线X线治疗机和各类加速器产生的不同能的X线各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、负π介子束以及其他重粒子束2.10照射方式远距离照射：放射源离开人体一定距离集中照射某一病变部位。简称外照射。近距离照射：亦称内照射，组织间和腔内照射（后装治疗）。包括腔内和管内、组织间、敷贴、术中照射等。将放射源密封直接放入被治疗的组织内或放入人体的天然腔内，如舌、鼻咽、食管、宫颈等部位进行照射。近距离治疗的主要特点：根据距离平方反比定律：射线到达介质的强度与照射距离成平方反比关系。即距放射源较近处受照剂量高，随距放射源距离的增加，剂量迅速跌落。可对正常组织进行保护，但亦造成靶区剂量分布的不均匀。内照射不能单独应用于临床，一般作为外照射的补充。核物理的基本知识常用放疗设备和放射源X(γ)射线射野剂量学高能电子束射野剂量学临床放射治疗剂量计算临床剂量学四原则及靶区勾画必须熟悉的几个概念放射治疗的质量保证与质量控制临床射野剂量学是放射治疗进行精确、定量和计算机计算的数学、物理基础，是实验测量和数学物理计算的结合。三、X(γ)射线射野剂量学3.1组织替代材料和人体模型3.1.1组织替代材料：定义：模拟人体组织与射线相互作用的材料显然这种替代材料必须具有与被模拟组织与射线相互作用相同的有关的物理特点，如原子序数、电子密度、质量密度、甚至化学成分等。3.2深度剂量分布3.2.1照射野有关名词定义(1)射线质指的是射线能量，主要表示射线贯穿物体的能力。(2)射野中心轴射线束的中心对称轴线，临床上一般用放射源S穿过对称照射野中心的连线作为射野中轴。dd0(3)照射野射线束经准直器后垂直通过模体的范围，用模体表面的截面大小表示照射野的面积。临床剂量学中规定50％等剂量曲线的延长线交于模体表面的区域定义为照射野的大小。(4)参考点规定模体表面下射野中心轴上某一点作为剂量计算或测量参考的点，表面到参考点的深度记为d0。(5)源皮距(SSD)放射源到模体表面照射野中心的距离。(6)源轴距(SAD)放射源到机架等中心的距离。(7)源片距(SFD)放射源到胶片的距离，也叫靶片距。(8)SCD放射源到电离室有效测量点的距离。(9)源托距放射源到挡铅托盘上表面的距离。3.2.2百分深度剂量(PDD)(1)百分深度剂量定义百分深度剂量定义为射野中心轴上某一深度d处的吸收剂量率Dd与参考点深度do处剂量率的百分比：PDD＝Dd/Ddo×100％对于高能X(γ)射线，因参考深度取在射野中心轴上最大剂量点深度dm处PDD＝Dd/Ddm×100％不同能量射线的最大剂量点深度射线质钴606MVX线8MVX线15MVX线Dmax(mm)5152028(2)建成效应从表面到最大剂量深度区域称为剂量建成区域，此区域内剂量随深度增加而增大。对于高能X射线，一般都有建成区域存在，如果原射线中电子含量少，表面剂量可以很低，但不能为0，因为各种散射，原射线中总有少量电子存在。对于25MVX线，表面剂量可以少于15％。为减少散射电子，降低皮肤剂量，应将准直器端面离开人体表面15－20cm，挡铅时也应注意。(3)影响PDD的几个因素（深度d，射野大小FSZ，源皮距f，能量E）在X(γ)线入射人体后，深度剂量的变化受三个因素支配：a)与该点到源的空间距离有关的反平方定律；b)深度为d的介质引起的指数吸收衰减；c)准直器限束系统和体模产生的散射线影响。可用如下公式描述：PDD(d,f,A0)=100%×(A0/A1)×e-u(d-dm)×Ks=100%×[(f+dm)/(f+d)]2×e-u(d-dm)×KsPDD(d,f,A0)=100%×(A0/A1)×e-u(d-dm)×Ks=100%×[(f+dm)/(f+d)]2×e-u(d-dm)×KsⅠ射线质（能量）对PDD的影响能量高μ(线性衰减系数)小e-u(d-dm)大PDD大Ⅱ射野面积对PDD的影响PDD(d,f,A0)=100%×(A0/A1)×e-u(d-dm)×Ks=100%×[(f+dm)/(f+d)]2×e-u(d-dm)×KsFSZ增大Ks增大PDD增大等效方野＝4倍面积/周长S＝(2ab)/(a+b)注意：对于后面讲到的电子束会带来较大的误差，应采用方根式。如对于电子线输出因子OUF（X,Y）=[OUF(X,X)×OUF(Y,Y)]1/2。Ⅲ深度对PDD的影响深度增大d-dm增大PDD变小Ⅳ源皮距对PDD的影响源皮距增大A0/A1增大PDD变大PDD(d,f,A0)=100%×(A0/A1)×e-u(d-dm)×Ks=100%×[(f+dm)/(f+d)]2×e-u(d-dm)×KsQ1:PDD(d,f1,A0)=100%×[(f1+dm)/(f1+d)]2×e-u(d-dm)×Ks1Q2:PDD(d,f2,A0)=100%×[(f2+dm)/(f2+d)]2×e-u(d-dm)×Ks2两式相比则得到源皮距从f1增加到f2时两种源皮距下PDD的比值[PDD(d,f2,A0)/PDD(d,f1,A0)]=F×(Ks2/Ks1)3.2.3组织空气比(TAR)TAR定义及影响因素1)定义：TAR=Dt/Dta2)SSD对TAR的影响：TAR是比较两种不同散射条件在空间同一点的吸收剂量率之比，因此TAR的一个重要物理性质是其值与SSD无关。3)射线能量、组织深度和射野大小对TAR的影响类似于PDD.3.2.4组织最大剂量比(TMR)在剂量计算时，因PDD随SSD的变化，用于等中心照射时，剂量计算困难。TAR克服了这一缺点，适用于任何源皮距的计算，但TAR的一个根本缺点在于它必须测量空气中计算处的吸收剂量。可随能量的增加，加在测量电离室上的建成套的体积不断加大，电子平衡不能建立，不仅使得测量困难，而且误差大不能采用。为此提出了TMR概念。组织模体比和组织最大剂量比组织