临床放射物理学课件

讲课人：柳青临床放射物理学目录第一章放射源和治疗机第二章电离辐射的剂量测量第三章X(γ)线射野剂量学第四章治疗计划的设计与执行附录治疗治疗计划系统秀第一章放射源和治疗机放射源种类照射方式几种放射性同位素源深部X线治疗机钴60治疗机医用加速器高LET射线第一节放射源种类放射性同位素放出的α、β、γ线X线治疗机和各种加速器产生的X线各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、及其它重离子束第二节照射方式外照射：将放射源与病人身体保持一定距离，射线从病人体表穿透进人体内一定深度，达到治疗肿瘤的目的。近距离放疗（内照射）：将放射源密封置于肿瘤内或肿瘤表面，如放入人体的天然腔内或组织内进行照射，即采用腔内，组织间插植及模型敷贴等方式进行治疗。第三节几种放射性同位素源天然放射性元素镭-226铯-137钴-601、天然放射性元素镭-226镭的放射可分为带有正电荷的α射线，带有负电荷的β射线不带电荷的γ射线。镭疗主要是用其中的γ射线。镭的γ线能谱复杂，平均能量为0.83MeV，半衰期为1590年。镭的产量有限，来源困难，防护处理复杂，易污染。2、铯-137铯-137是人工放射性同位素其γ线能量是单能的为0662MeV，半衰期为33年。铯-137在组织内同镭具有相同的穿透力，是取代镭且优于镭的娇好同位素之一。3、钴-60钴60是用天然的没有放射性的59钴在核反应堆的作用下，受热中子轰击后成为带有放射性质的60钴。59Co＋n→60Co＋γ钴60蜕变时放射出γ射线，其平均能量为1.25MeV。钴60治疗机结构简单操作方便，容易维修，发展很快。第四节深部X线治疗机概述类型1、概述深部X线治疗机通常是指管电压在180～400千伏特之间的X线机，这种机器在结构和X射线产生的原理上与接触治疗机相同。但由于该机管电压比接触治疗机高，其产生的X线强度及穿透能力均较大，故多用于良性疾病和位于较表浅的恶性肿瘤的治疗。2、深部X线治疗机的几种类型可用作60钴治疗机和加速器高能X线治疗的辅助手段，补充浅层部位剂量的不足。固定照射型摆动照射型旋转照射型第五节钴60治疗机概述组成优点缺点1、概述钴60治疗机俗称钴炮“钴60是一种人工生产的放射性核素。钴炮是以60钴做放射源，用γ射线杀伤癌细胞，对肿瘤实施治疗的装置。2、钴60治疗机组成一个密封的放射源；一个源容器及防护机头；具有开关的遮线器装置；具有定向限束的限光筒，支持机头的机械系统及其附属的设备一个操纵台构成3、60钴治疗机优点射线穿透力强即可治疗相当深度的肿瘤。保护皮肤钴60射线在表皮剂量相对较小。骨和软组织有同等的吸收剂量旁向散射小保护周边外的正常组织。经济、可靠，结构简单、维修方便。4、钴60治疗机缺点钴60能量单一，钴60深度剂量偏低，钴60半衰期短，需定期换源。钴60属放射线核素，不断有射线释放，防护复杂，工作人员受量大。钴60存在半影问题，使野外的正常组织受一定的剂量影响。第六节医用加速器概述电子感应加速器电子直线加速器电子回旋加速器1、概述五十年代初期开始应用于临床。加速器是人工利用电场和磁场的作用力，把带电粒子加速到高能的一种装置或设备。加速器既可产生高能电子束，又可产生高能X线和快中子，其能量范围在4～50MeV之内。2、电子感应加速器优点技术上比较简单，制造成本低，容易做到25兆电子伏特这样的高能量产生的电子线输出量足够大，能量可调范围较宽。缺点X线输出量比较低，照射野小，体积大。3、电子直线加速器优点优点是克服了电子感应加速器的缺点。对电子线和X线均有足够高的输出量，从而有潜力扩大照射野，并可采用偏转系统做等中心治疗。缺点结构复杂、成本较贵、维修要求高。4、电子回旋加速器既有电子感应加速器的经济性，又具有直线加速器的高输出量特点，其电子线和X线的能量在医疗上使用皆很理想。总之它结构简单，体积小，成本低，是直线加速器的发展方向。第七节高LET射线物理特性生物特性缺点高LET射线1、物理特性高LET射线在物体内射程末端形成布雷格（Bragg）峰高剂量区，在这个峰区后面剂量急剧下降。如选择不同能量的粒子束综合使用，则可将峰区宽度按肿瘤大小调整。这样可使肿瘤区得到充分的剂量，而正常组织所受的剂量可大为减少。2、生物特性高LET射线对生物的效应不依赖于组织的氧含量。对于分裂周期处于静止状态的肿瘤细胞，同样起到破坏作用。3、高LET射线的缺点高LET射线设备庞大，结构复杂。能量控制困难。造价昂贵。4、高LET射线中子负π介子重离子第二章电离辐射的剂量测量辐射量和单位光子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用中子与物质的相互作用吸收剂量的测量射线质的测定第一节辐射量和单位照射量（ExposureDose）吸收量（Asorbeddose）放射强度（Radioactivity）剂量率（Doserate）放射性能量（Energyofradiation）1、照射量（ExposureDose）照射量Ｘ是dQ/dm，其中ｄＱ的值是在质量为ｄｍ的空气中，由光子释放的全部电子（负电子和正电子）在空气中完全被阻止时，在空气中产生一种符号的离子总电荷的绝对值。曝射量的剂量单位是伦（R）。2、吸收量（Asorbeddose）电离辐射给予单位质量的平均能量。吸收剂量单位是拉德（rad）.1dar为1g受照射物质吸收100尔格的辐射能量。即1rad＝100尔格／g＝0.01kg。现在吸收剂量单位改为Gy，是ICRU规定的，1Gy＝100rad。3、放射强度（Radioactivity）放射强度又称为放射活度。是指单位时间内放射物质锐变（衰变）的多少，不表示具体剂量。放射活度单位为贝克勒尔（Becquerel）符号Bq，表示每秒钟有一个原子蜕变。4、剂量率（Doserate）距放射源某一距离处，单位时间的剂量以Gy/min为单位。5、放射性能量指电离辐射贯穿物质的能力.能量单位为MeV。2MeV以下X线勉强用管电压表示贯穿物质的能力，但这类射线的能谱是连续的，通常是用半价层（HVL）来表示平均能量。第二节光子与物质的作用光电效应（photoelectriceffect）康普顿效应（Comptoneffect）电子对产生（electronpairproduction）1、光电效应γ光子与介质的原子相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量交给原子中的一个电子。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来，称为光电子。光电子能继续与介质作用。2、康普顿效应γ光子只将部分能量传递给原子中最外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中逸出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介质发生相互作用。3、电子对产生能量大于1.02MeV的γ光子在物质中通过时，可与原子核碰撞，转变成一个电子和一个正电子，从原子中发射出来。被发射出的电子和正电子还能继续与介质发生相互作用。第三节带电粒子与物质的作用电离（ionization）激发（excitation）散射（scattering）轫致辐射（bremsstrahlung）吸收（absorption）1、电离（ionization）带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时，由于它们与壳层电子之间发生静电库仑作用，壳层电子便获得能量。如果壳层电子获得的能量足够大，它便能够克服原子核的束缚而脱离出来成为自由电子。2、激发（excitation）带电粒子给予壳层电子的能量较小，还不足以使它脱离原子的束缚而成为自由电子，但是却由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去，这个现象称为原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的，它要自发地跳回到原来的基态。3、散射（scattering）散射是带电粒子与被通过的介质的原子核发生相互作用的结果。在这种作用下，带电粒子只改变运动方向，不改变能量。方向改变的大小与带电粒子的质量有关。4、轫致辐射（bremsstrahlung）带电粒子与被通过的介质原子核相互作用，带电粒子突然减速，一部分动能转变为电磁辐射释放出来。这种作用随粒子的能量增加而增大。与粒子的质量平方成反比。与介质的原子序数Z的平方成正比。5、吸收（absorption）带电粒子在介质中通过，由于与介质相互作用耗尽了能量而最终停止下来，这种现象称为被介质吸收。第四节中子与物质的相互作用弹性散射（elasticscattering）非弹性散射（inelasticscattering）中子俘获（neutroncapture）1、弹性散射（elasticscattering）弹性散射是中子通过物质时损失能量的重要方式。原子核从中子动能中得到一部分能量而形成反冲核，中子则失去部分动能且偏离原方向。反冲核越轻、反冲角越大、反冲核得到的能量越多。反冲核动能和入射中子能量成正比。2、非弹性散射（inelasticscattering）入射中子与原子核作用形成复合核，复合核放出中子后如处在激发态，则会立即会放出γ射线而回到基态。入射中子的能量必须大于原子核的最低激发能，非弹性散射才可能发生。3、中子俘获（neutroncapture）慢中子或热中子与物质作用时，很容易被原子核俘获而产生核反应。核反应的产物可能是稳定核素，也可能是放射性核素，同时还释放出γ光子和其它粒子。感生放射性核素和感生放射性。第五节吸收剂量的测量概述水模体中吸收剂量的测定空气中测量照射量并转换为水模体中吸收剂量的方法吸收剂量的定期测量1、概述用带有空腔电离室照射量仪表测定光子束、电子束的吸收剂量分两个步骤进行将空腔电离室在Ｘ射线或Co60γ射线下校准，目的是校对照射量仪表的刻度；将校准过的照射量仪表的电离室放到介质中测定吸收剂量，这时仪表的测量值是以伦琴。然后通过仪表读数校准因子和吸收剂量转换因子，计算吸收剂量。2、水模体中吸收剂量的测定测量条件测量方法空气中测量照射量并转换为水模体中吸收剂量的方法吸收剂量的定期测量A、测量条件照射量仪表水模体其它必备用具a、照射量仪表1照射量仪表必须每年经计量部门标准实验室校准一次。使用仪表前应检查仪表的稳定性或调节仪器的灵敏度；然后检查仪表的漏电、零点漂移等，使其对测量值的影响在１％以内。电离室体积小于１立方厘米，外径小于１厘米，电离室能量响应在６０—２５０ＫＶ范围内。a、照射量仪表2有效测量点：对Ｘ、γ射线建议将电离室的几何中心定为有效测量点；对电子束建议将电离室有效测量点定为从几何中心向射线源方向移３／４电离室内半径。备有足够长电缆并加电离室防水套。根据实际情况选择合适的测量量程b、水模体水模体壁用有机玻璃或聚苯乙烯制作。使用中要求在最大照射野边缘外至少有５厘米的富裕，一般为３０×３０×３０厘米。如果备有电离室插孔，孔与电离室要密合，不能有空隙。c、其它必备用具计时器温度计气压计电离室支架测距尺B、测量方法校准点吸收剂量的测定校准点处吸收剂量的计算参考点吸收剂量的计算中心轴上各处的吸收剂量a、校准点吸收剂量的测定将带上防水套的电离室有效测量点放在水模体中心轴的校准深度处。选择被测照射野大小，源皮距选择过滤板、能量（如ＫＶ）等。测量水模体内温度、大气压以备计算空气密度修正值Ｋ。开机出射线，读取３-５个读数。b、校准点处吸收剂量的计算对Ｘ、ｒ射线：D(dc)＝0.01·R·N·K·F电子束：D(dc)＝0.01·R·N·K·CE式中，D(dc)单位是Ｇｙ；Ｒ为照射量仪表读数，伦琴；Ｎ为照射量仪表的校准因子；Ｋ为空气密度修正因子；c、参考点吸收剂量的计算：在确定的Ａ、ＳＳＤ条件下，参考点的吸收剂量Ｄ（ｄ0）可由校准点吸收剂量Ｄ（ｄｃ）和校准点的百分深度剂量Ｐ（ｄｃ）求出：D(d0)＝D(dc)/PDD(dc)d、中心轴上各处的吸收剂量