第五章-X(γ)射线射野剂量学(上).

肿瘤放射物理学第五章X（γ）射线射野剂量学第五章X（γ）射线射野剂量学第一节人体模型第二节百分深度剂量分布第三节组织空气比第四节组织最大剂量比第五节等剂量分布与射野离轴比第六节处方剂量计算第七节不规则射野第八节楔形照射野第九节不对称射野和多叶准直器射野处方剂量计算第十节人体曲面和组织不均匀性的修正第十一节乳腺切线照射剂量计算第十二节X（γ）射线全身照射剂量学第一节人体模型X（γ）射线、电子束及其他重粒子入射到人体时，与人体组织相互作用后，发生散射和吸收，能量和强度逐渐损失。对这些变化的研究，很难在人体内直接进行。因此必须使用人体组织的替代材料（tissuesubstitutes)构成的模型代替人体，简称模体（phantom）。一、组织替代材料ICRU第30号报告：组织等效材料，定义为“对射线的散射和吸收的特性与人体组织相同的材料”。这种定义因理解不同往往被乱用。ICRU第44号报告：组织替代材料，定义为“模拟人体组织与射线相互作用的材料”。这种材料必须具有与被模拟的组织与射线相互作用的相同的有关物理特点，如电子序数、电子密度、质量密度甚至化学成分等。对X（γ）射线，如果某种材料的总线性（或总质量）衰减系数与被替代组织完全相同，则等厚度的该种材料和被替代组织将使X（γ）射线衰减到相同的程度，称为替代组织的X（γ）射线替代材料。对电子束，如果等厚度的替代材料和被替代组织对电子束的吸收与散射相同的话，则它们的总线性（或总质量）阻止本领和总线性（或总质量）角散射本领一定完全相同。对中子束，因其主要与组织中的元素的原子核发生作用，替代材料的元素构成必须与被替代组织的相同，而且，它们的H、C、N、O的质量相对份数完全相等，才能保证替代材料与被替代组织对中子的吸收与散射相等。对重离子，因其与组织的相互作用主要是电子碰撞，所以线性碰撞本领是选择组织替代材料的首要条件。对π-介子，除考虑线性碰撞本领外，还应考虑被替代组织及组织替代材料的分子结构。人体组织及常用组织替代材料的物理参数二、组织替代材料间的转换对中高能X（γ）射线，康普顿效应为主要形式，则：式中T水为T模体的等效水厚度（cm）；ρ模体为模体材料的物理密度（g.cm-3）；Z为材料的原子序数；A为材料的原子量。对低能X射线，光电效应占主要作用，则：式中Z有效为模体材料的有效原子序数；ni为组成模体材料的第i钟元素的电子数；n0为模体材料的总电子数。对高能X射线，电子对效应占主要，则：对电子束，模体材料是通过模体中电子注量进行等效：或式中（R0)模体，（R0）水分别为电子束在两种材料中的连续慢化近似射程，它随电子束能量而变化。Cpl为模体材料中电子射程或深度转换为水材料中的射程或深度的比例系数。三、模体有组织替代材料组成的模体（phantom)是用于模拟各种射线在人体组织或器官中因散射和吸收所引起的变化，即模拟射线与人体组织或器官的相互作用的物理过程。标准模体：宽高分别为30cm的立方体水模，用于X（γ）射线、电子束、中子束吸收剂量的测定与比对。低能电子束，水模体的高度可以薄一些，但最低高度不能低于5cm。均匀模体：用固态或干水组织替代材料加工成的片形方块，构成边长为30cm或25cm的立方体，代替标准水模体作吸收剂量和能量的常规检查。人体模体：分均匀型和不均匀型，前者用均匀的固态组织替代材料加工成，类似标准人体外形或组织器官外形的模体；后者用人体各种组织（包括骨、肺、气腔等）的相应组织替代材料加工而成，类似标准人体外形或组织器官外形的模体组织填充模体：用组织替代材料组成的组织补偿模体，直接放在射野入射侧的患者皮肤上，用于改变患者皮肤不规则轮廓对体内靶区或重要器官剂量分布的影响，提供附加的对线束的散射、建成或衰减。四、剂量准确性要求用组织替代材料或水替代材料构成的模体，用于剂量的比对和测量中，它对吸收剂量测量精度的影响，不能超过标准水模体测量值的1％。如果超过1％，则改用较好的材料或进行修正。对X（γ）射线，校正系数其中d为替代材料的厚度，d’为等效水厚，为替代材料的射线有效线性衰减系数。对电子束，两种模体中射野中心轴上百分深度剂量比为：式中r0为电子束的连续慢化近似射程；ρ为组织替代材料的物理密度；Z为深度。第二节百分深度剂量分布当射线入射人体（或模体）中时，人体（或模体）内吸收剂量将随深度变化。影响这种变化的因素有:射线能量、射野大小、源皮距和线束准直系统等。因此在做患者体内剂量计算时，必须考虑这些因素对百分深度剂量分布的影响。一、照射野及有关名词定义放射源：在没有特别说明的情况下一般规定为放射源前表面的中心，或产生辐射的靶面中心。射野中心轴：射线束的中心对称轴线。临床上一般用放射源穿过照射野中心的连线作为射野中心轴。照射野：射线束经准直器后垂直通过模体的范围，用模体表面的截面积大小表示照射野的面积。临床计量学中规定模体内50％同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。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。400kV以下X射线参考点取在模体表面（d0=0），对高能X射线或γ射线参考点取在模体表面下射野中心轴上最大剂量点位置（d0=dm），该位置随能量变化并由能量确定。校准点：在射野中心轴上指定的用于校准的测量点。模体表面到校准点深度记为dc。源皮距（SSD）：放射源到模体表面照射野中心的距离。源瘤距（STD）：放射源沿射野中心轴到肿瘤内所考虑点的距离。源轴距（SAD）：放射源到机架旋转轴或机器等中心的距离。二、百分深度剂量定义：百分深度剂量（PDD）为射野中心轴上某一深度d处的吸收剂量率与参考点深度d0处剂量率的比值：对能量≤400kV的X射线，则：式中为射野中心轴上皮肤表面剂量率。对高能X射线，则：式中为射野中心轴上最大剂量点处剂量率。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而增加。高能X射线一般都有建成区域存在。对B型准直器（距体表20cm），百分深度剂量在表面为33％，到4~6mm处达到100％。随深度进一步增加，变化比较慢。对A型准直器，由表面为85％到6mm处达到100％，表明入射线中既含有低能X射线又有散射电子。上图表示了各种能量的X（γ）射线的剂量建成情况。可以看到，能量上升时，表面剂量减少，最大剂量深度随能量增加而增加。200kVX射线，建成区非常窄，140kVX射线，无建成区，对32MVX射线，建成区约5~6cm。以下物理原因致成剂量建成区：1，当高能X（γ）射线入射到人体或模体时，在体表或皮下组织中产生高能次级电子。2，这些高能次级电子要穿过一定的组织深度直至其能量耗尽后才停止。3，由于1和2两个原因，造成在最大电子射程范围内，由高能次级电子产生的吸收剂量随组织深度而增加，并约在电子最大射程附近达到最大。4，但是由于高能X（γ）射线的强度随组织深度增加而按指数和平方反比定律减少，造成产生的高能次级电子数随深度增加而减少，其总效果，在一定深度（建成区深度）以内，总吸收剂量随深度而增加。百分深度剂量随射线能量变化上图概括了临床放射治疗中使用的各种能量的射线。从百分深度剂量曲线的角度看，22MV加速器的X射线具有较大的优点。我国目前临床上使用的为钴-60γ射线和6~18MVX射线。普通220kVX射线使用则不多。个别需要小的百分深度剂量时，可以使用铯-137γ射线短距离治疗机。表层治疗时，100kVX射线仍然使用，但它完全可以用4~20MeV的高能电子束代替。射野面积和形状对百分深度剂量的影响低能时（如220kVX射线），由于各方向的散射线几乎等同，所以百分深度剂量随射野面积改变较大。高能时，由于散射线主要向前，所以百分深度剂量随射野面积改变较小。对22MV和32MV高能X射线，百分深度剂量几乎不随射野面积变化。放疗中用列表的方法，表示各种大小方形野的百分深度剂量随组织深度的变化，但因临床上经常使用矩形野和不规则形野，需要进行对方形野的等效变换。射野等效的物理意义：如果使用的矩形或不规射野在其射野中心轴上的百分深度剂量与某一方形野相同时，该方形野叫作所使用的矩形或不规则射野的等效射野。矩形野：面积/周长比法。所以圆形野：半径为r的圆形野，只要其面积与某一方形野近似相同，就可以认为等效。源皮距对百分深度剂量的影响源S1，S2照射皮肤上的P1和P2点，在最大剂量深处dm处的面积均为A0，皮肤下某一深度d处，面积为A1和A2。根据百分深度剂量特性和距离平方反比定律，Q1点百分深度剂量为：Q2点：表示指数衰减定律引起的原射线衰减Ks为射野面积即散射线的影响源皮距从f1增加到f2时，两种源皮距下的PDD比值：两百分深度剂量之比，称为F因子。例：设钴-60γ射线，SSD=80cm,d=10cm,15cm×15cm射野，其百分深度剂量PDD=58.4%。求当源皮距拉长到100cm，相同射野和深度时的百分深度剂量？所以第三节组织空气比一、组织空气比定义及影响因素组织空气比定义：式中为肿瘤中心（旋转中心）处小体积软组织中的吸收剂量率。为同一空间位置空气中一小体积软组织中的吸收剂量率。源皮距对组织空气比的影响组织空气比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，因此组织空气比的一个重要物理性质是其值的大小与源皮距无关。因此组织空气比可以理解为无限源皮距处的百分深度剂量。对临床上常用的源皮距，由百分深度剂量换算到组织空气比时引起的误差不超过2%。射线能量、组织深度和射野大小对组织空气比的影响组织空气比（TAR）随射线能量、组织深度和射野大小的变化非常类似于百分深度剂量。对高能X（γ）射线，组织空气比从表面开始先随组织深度增加而增加，达到最大值后，随深度增加而减少。窄束或零照射野时，由于没有散射线，在最大剂量深度dm后，组织空气比近似随深度增加呈指数衰减：式中为给定模体材料和射线能量的窄束的平均线性衰减系数。随着射野增大，由于散射线的贡献，使其组织空气比随深度的变化较为复杂。但因高能X（γ）射线的散射线方向主要向前，组织空气比随深度变化关系仍可由上式确定，只是用考虑了射野大小影响在内的有效衰减系数μeff代替即可。二、反散因子反散因子（BSF）定义为射野中心轴上最大剂量深度处的组织空气比：或式中FSZdm为深度dm处的射野大小；和分别为射野中心轴上最大剂量深度处模体内和空气中的吸收剂量率。反向散射决定于患者身体的厚度、射线的能量及射野面积和形状。但与源皮距无关。反向散射与患者身体厚度的关系从图中可以看出，反向散射随患者身体厚度而增加，但在10cm左右接近最大值。一般患者至少都有这样的厚度，因此大多不考虑厚度对反向散射的影响。射线能量的影响：对低能X射线，向前散射和向后散射相等，而直角散射为它的一半。低能时散射光子的能量很低，不能穿透较大的距离，因此低能时虽然射线强度很大，但散射贡献的体积却很小，其结果使低能有较小的百分反向散射。随着能量的增加，有较多的散射光子向前散射，减小了散射强度，但由于穿透力增加，散射贡献的体积增大，结果造成有较大的百分反向散射。能量更高时，由于散射光子主要向前散射，百分散射减少。反向散射与照射野大小和形状的关系：照射野面积增加时，P点周围向P点散射的体积野增加，所以反向散射剂量百分率野增加。同等面积的矩形野和圆形野，反向散射剂量百分率不同。一般反散因子用圆形野测量，而矩形野反散因子由等效散射半径办法求得。组织空气比与百分深度剂量的关系设TAR（d，FSZd）为Q点处的组织空气比，FSZd，FSZ分别为深度d和皮肤表面处的射野大小。根据平方反比定律：FSZd与FSZ的关系为：根据TAR定义有：或因为：根据百分深度剂量定义有：或不同源皮距百分深度剂量的计算--组织空气比法第二节中介绍了用F因子法可将一种源皮距处的百分深度剂量换算到另一种源皮距处的百分深度剂量。F因子法只考虑了源皮距的影响，没有考虑到计算深度处射野面积随源皮距的变化的影响，误差较大。用本节介绍的组织空气比与百分深度剂量的关系，进行不同源皮距百分深度剂量的换算，精度较高。设SSD=f1