放射物理学.

放射物理学张涛重庆医科大学附属第一医院肿瘤科第一节学习放射物理学的重要性1、放射治疗的基本原理（1）、利用放射线治疗肿瘤，基于放射线的穿透性及电离生物效应等物理特性。（2）、基于肿瘤组织与正常组织之间的放射敏感性的微小差异。（3）、基于不同的放射源，放射范围、放射剂量的可控制性。2、放射治疗的目的要求：尽可能地杀灭肿瘤组织，尽可能地保护正常组织3、放射治疗发展简史1895年伦琴发现了X线；1899年放射治疗治愈了第一例患者；1922年第一部深部X线治疗机；1950年代第一部钴-60远距离治疗机；1960年代第一部电子直线加速器；1980年代现代近距离治疗；1990年代立体定向外科（SRT）三维适形放疗（3DCRT）适形调强放疗（IMRT）4、中国的放疗发展史1923年上海第一台深部X线机；1932年北京成立放射治疗科；1949年北京、上海、广州、沈阳等地有5家医院拥有放疗设备；1986年中华放射肿瘤学会成立。中国的放疗发展史中国的放疗发展史5、放射治疗的地位据统计在全部恶性肿瘤中，45％的患者可以被治愈。其中22％经手术治愈，l8％经放疗治愈，5％经药物治愈。6、放射治疗医生的基本要求（1）、熟悉各种放疗设备的基本结构、性能。（2）、熟悉各种射线的特性及其应用，在做放射治疗时正确选择放射源和治疗方式。（3）熟悉临床剂量学，了解剂量计算，使肿瘤得到最大最均匀的照射，正常组织受到最低的照射。第二节放射源的种类及照射方式一、放射源的种类：1、γ、β射线———放射性同位素。2、普通X射线（KV级）——X线治疗机。高能X射线（MV级）——加速器。3、电子束、质子束、中子束、负π介子束重粒子束等——加速器。X线与γ线——电磁辐射(光子射线）β线、电子束——粒子辐射（粒子射线）。：二、放疗的基本照射方式：1、体外照射(外照射)：又称体外远距离照射(teletherapy)：指放射源位于体外一定距离(80-100厘米)，集中照射人体某一部位。2、体内照射(包括组织间放疗和腔内放疗)：又称近距离治疗(Brachytherapy)，指将放射源密封直接放入被治疗的组织内(组织间放疗)或放入人体的天然体腔内(腔内放疗)进行照射。放射源与被治疗的部位距离在5cm以内，故称近距离。第三节射线的产生及放射治疗机一、X射线的产生及治疗机（一）、X线的产生X线是具有很高能量的光子束，它是由高速运动的电子突然受到靶物质的阻滞而产生。碰撞损失：产生热辐射损失：产生X线KV级(千伏级)X线-------普通X线机MV级(兆伏级)X线------医用加速器光子（X线、γ线）与物质的相互作用：光电效应：光子与原子的内层电子的相互作用康普顿效应：光子与外层电子的相互作用电子对效应：光子与原子核的相互作用低能X线有很强的光电吸收；高能X线（＞2MeV）几乎全部为康普顿吸收；能量＞50MeV时，电子对吸收为主要形式。（二）、X线的特性1、X线的平均能量（光子强度最大处）约等于最高能量的1/4～1/3，X线机及加速器上所标称的能量是其产生X线的最高能量。X线能谱指的是X线的光子强度与光子能量的关系。X线有：特征辐射X线+韧致辐射X线韧致辐射X线的谱是连续的，是X线谱中的主要成分。2、X线适宜放射治疗的能量范围为0.2～7MeV（平均能量），相当于最高能量1～22MV范围（三）、X线治疗机主要指利用400KV以下X线治疗肿瘤的装置。由于其产生的X线能量低，易于散射，剂量分布差等缺点，已很少用。（四）、医用电子直线加速器除打靶产生高能X线（MV)外，还能直接引出高能电子束，其能量范围4~50MeV之间。单能X线加速器单能X线+电子线加速器双能X线+电子线加速器三能X线+电子线加速器二、γ线的产生及钴60治疗机1、γ线的产生及其特性（1）产生：γ线是由放射性同位素产生的，具有不同的能量和半衰期。（2）、几种常见γ线同位素源及其特性同位素γ能量MeV半衰期应用缺点镭-226平均0.831590年70年代以前作近距离治疗能谱复杂半衰期长环境污染钴-601.17~1.33平均1.255.24年远距离治疗及高剂量率后装近距离治疗半影问题换源问题铯-1370.66233年中、低剂量率后装近距离治疗化学提纯难，放射比度不高铱-1920.3674天高剂量率后装近距离治疗换源问题2、钴-60远距离治疗机：是利用放射性同位素钴-60发射出的γ射线治疗肿瘤的装置。其产生的γ线平均能量1.25MV相当于4MV左右加速器产生的X线。3、钴-60治疗机的半影问题半影的定义：射野边缘剂量随离开中心轴距离增加而急剧变化的范围，用P90-10%或P80-20%表示。有下列三种原因造成钴-60治疗机有半影(图2-1-9)三、普通X线与高能X线、γ射线的比较普通X线高能X线γ射线1、穿透性弱，深部剂量低，只适用于浅部肿瘤治疗强，深部剂量高，适用于深部肿瘤治疗2、皮肤反应最大剂量吸收在皮肤表面，皮肤反应重最大剂量吸收在皮下一定深度（随能量增加深度增加），皮肤反应轻3、组织吸收以光电效应为主，不同组织之间吸收剂量差别很大，骨组织损伤大以康普顿效应为主，骨、软组织有同等的吸收剂量，骨的损伤小4、旁向散射旁向散射大，射野边缘以外正常组织受量高，全身反应较大旁向散射小，次级射线主要向前，全身反应小四、医用加速器与Co60治疗机的比较医用加速器Co60治疗机1、产生的射线X线、电子线，多档γ射线（1.25MV)，单能2、源的特点不需换源，不加高压无射线产生防护好。需定期换源，随时有射线产生，防护困难。3、半影半影小，射野剂量分布均匀，对称性好半影大，均匀性和对称性差。4、剂量率剂量率高，束流稳定，剂量计算准确，治疗时间短不断衰减，剂量率不稳定剂量计算准确性低，治疗时间延长5、结构与费用结构复杂，维修复杂费用昂贵结构简单，维修方便，费用低，经济适用五、高能电子束电子束是带电粒子，由加速器产生。具有以下临床剂量学特点：①在组织中具有一定的射程，射程深度与电子能量呈正比，从加速器中引出的电子能量可以调节，可以根据病变的不同深度选择合适的电子能量作治疗。电子线的能量：E=3×d(肿瘤深度)+2~3MeV。②剂量曲线：从表面到一定深度，剂量分布均匀，达到一定深度后，剂量迅速下降，可保护病变后面的正常组织。③不同组织如骨、肌肉、脂肪对电子束的吸收差别不显著，但对组织中气腔应进行剂量效正。④单野照射治疗表浅及偏心部位的肿瘤。六、高线性能量传递射线(高LET射线)线性能量传递(LET)：是致电离粒子在组织中沿次级粒子径迹上单位长度的能量转换。LET值＜100KeV/μ称之为低LET射线，这类射线的生物效应大小对细胞的含O2情况及细胞的生长周期依赖较大，即：对乏O2细胞和G0期细胞作用小。1、高LET射线包括快中子、质子、π负介子以及氦、碳、氮、氧、氖等重粒子。2、这类射线的生物效应大小对细胞的含氧情况和细胞生长周期依赖较小。3、物理特性好，除去快中子不带电外，所有其他粒子都带电，因此具有一定的射程，具有电离吸收峰(Bragg峰)型剂量曲线。4、用单一照射野就可以得到较好的剂量分布。第四节射线的基本计量单位及剂量学一、吸收剂量(absorbeddose,D)：定义为：致电离辐射给与质量为dm的物质的平均能量dE除以dm所得的商。即：D=dE/dm单位：焦耳/千克(J/kg),专用名为戈瑞(Gy)。1Gy=1J/kg,它反映射线在介质中被吸收的情况二、百分深度剂量（PDD）1、定义：射野中心轴上，介质中某一深度吸收剂量Dd与某一固定参考点do处吸收剂量Ddo之比的百分率，为中心轴上该深度的百深度剂量。PDD=Dd/Ddo×100%2、百分深度剂量的临床应用：肿瘤量=处方量×PDD(DT=Dm×PDD)三、等剂量曲线我们将射野内百分深度剂量相同的点连结起来，即成为等剂量曲线。(图2-4-10)第五节治疗计划设计原理及照射技术一、治疗计划设计中的几个概念1、靶区(targetvolume)包括瘤体本身及周围潜在受侵犯组织以及临床估计可能转移的范围。例：鼻咽癌的靶区有鼻咽部，咽旁间隙，颅底，颈部淋巴引流区。2、治疗区(treatmentvolume)：一般选择80%的等剂量线所包括的范围为治疗区，显然治疗区大于靶区。3、照射区(irradiatedvolume)：50%等剂量曲线所包括的区域。照射区大于治疗区。照射区的大小直接反应了治疗方案设计引起的体积积分剂量的大小。4、剂量热点(hotspot)：是指靶区以外正常组织接受的剂量超过靶区100%剂量的区域。热点的面积不能超过2cm2.5、危及器官(organatrest)受量：危及器官是指靶区内或附近对射线敏感的器官(如脊髓、晶体、胃，肺、性腺等)，要保护其受照射剂量在各自的耐受剂量水平以下。二、治疗计划设计原理(一)临床剂量学原则：1、靶区剂量准确可靠，2、靶区内剂量分布均匀，剂量梯度变化不能超过±5%。3、照射野设计应尽量提高肿瘤受照射剂量，降低正常组织受照射剂量。4、保护肿瘤周围重要器官免受或少受照射。(二)、临床应用1、以上的四原则可用“理想剂量曲线”表示：图示2、放射源及放射野的选择3、横断面的等剂量分布图三、治疗计划设计步骤体模阶段计划设计计划确认计划执行确定肿瘤位置和范围，重要器官，周围组织相互关系，人体轮廓图(治疗断面图)靶区及正常组织范围及剂量，选择治疗设备，能量，射野(入射角，剂量比，楔形板，组织补偿)最佳方案治疗机物理、几何参数设置，射野和处方量设定，治疗摆位，体位固定，挡野装置确认计划，检查计划，以适应机器和病人要求，作出体表标记。CT/MRITPS模拟机钴-60机直线加速器放疗医生放疗医生物理师放疗医生物理师技术员技术员物理师放疗医生第六节放疗新技术简介一、立体定向放射治疗(俗称Χ刀、γ刀)1、概念：立体定向放射治疗——是指采取立体定向、等中心技术，通过三维空间把放射线聚集、投照到病灶，实施多次小剂量照射，使其病灶区域受量很高，而周围正常组织受量很低。如为单次大剂量照射，则又称为立体定向放射外科。根据其使用的射线不同(γ线或Χ线)故称为γ刀或Χ刀。犹如外科手术刀切除病灶一样。2、剂量学特点：①剂量分布集中于靶区；②靶区周边剂量分布不均匀；③靶区周围正常组织受量少。这种剂量分布就像一把尖刀插入病变内。二、调强适形放射治疗(intensitymodulatedradiationtherapy)1、概念：一种照射技术在照射方向上，照射野的形状与病变(靶区)的形状一致，并且每一个射野内诸点的输入剂量率能按要求的方式进行调整，使靶区内及表面的剂量处处相等，以达到高剂量区剂量分布的形状在三维(立体)方向上与靶区的实际形状一致。2、原理：图示2-5-23、放射物理学优势：①三维方向上高剂量区与靶区形状一致，②一次照射过程中可以给不同靶区以不同的剂量，③与X刀相比，治疗精度更高范围更大。4、临床价值①提高肿瘤区照射剂量，提高因局控失败为主要原因肿瘤患者的生存率，②减少正常组织受量，减少放疗并发症，提高生存质量。