放射治疗技术第二章.ppt

放射物理学基础,放射治疗学基础,Physical Basis of Radiotherapy,,掌握内容：放射治疗的临床计量学原则和高能X射线、Co60γ射线、高能电子线的物理特性以及等剂量曲线分布及其影响因素 熟悉内容：核物理基础，电离辐射的相互作用及人体曲面、不均匀组织的修正和辐射防护特点 了解内容：电离辐射的剂量量度、测量及临床处方剂量的计算方法,学习目标,第一节 核物理基础,一、原子结构 原子由：原子核、核外电子组成 原子核由：质子（Proton；P)、 中子（Neutron；N）组成 质子和中子统称为核子（Nucleon）质子带一个单位的正电荷，中子不带电荷 核内的质子数称为原子序数，用符号Z表示； 核内质子和中子数之和即原子质量数，用A表示 目前通常用AX表示各种核素z,二、原子核能级,原子核具有一定的能量 最低能量状态，即“基态”； 原子核获能，处于较高的能量状态，为激发态 当处于激发态的原子核回到基态时，以释放γ光子的形式辐射能量，称为轫致辐射三、放射性核素,核素：稳定性核素、不稳定核素 (放射性核素） 把核外电子数（z）相同，质量数不同（A） 的一类原子，称为一种核素。

下面是六种不同的核素 123I, 125I, 127I, 131I, 99mTc, 99Tc,放射性核素发生核内结构或能级的变化，同时自发地放出一种或一种以上的射线而转变成另一种核素的过程为“核衰变”四、核衰变方式,衰变是放射性核素的一种属性，衰变必然伴随着放射 5种衰变方式: α衰变、β─衰变、β╋衰变、电子捕获、γ衰变和内转换 衰变过程中可产生3种射线 : α射线、β─射线、β╋射线、γ射线核衰变时放射出α粒子的衰变 AZX--A-4Z-2Y+42He+Q,1、α衰变,,α粒子实质上是He原子核 α衰变发生在原子序数大于８２的重元素核素 α粒子的速度约为光速的1/10，即２万km/s，2s绕地球１周 在空气中的射程约为３－８cm，在水中或机体内为0.06-0.16mm 因其质量大，射程短，穿透力弱，一张纸即可阻挡 但α粒子的电离能力很强α粒子特性：,原子核发射出β粒子或俘获轨道电子的衰变为β衰变 β衰变发射的射线分为β━射线或β+射线,2、β衰变,,β衰变的特性 β衰变后核素的原子序数可增加或减少但质量数不变 分β－衰变、β＋衰变和电子俘获三种类型 β粒子的速度为20万km/s。

β－粒子实质是负电子； 衰变后质量数不变，原子序数加１； 其能量分布具有连续能谱，穿透力比a粒子大； 电离能量比a粒子弱，能被铝和机体吸收， β－粒子在软组织中的射程为厘米水平β－粒子的特性,β＋粒子实质是正电子； 衰变后子核质量数不变，但质子数减１； β＋也为连续能谱； 天然核素不发生β＋衰变，只有人工核素才发生β＋粒子的特性,3、电子俘(electroncapture,EC),核衰变时原子核从内层轨道（K）俘获一个电子，使核内一个质子转化为一个中子它是核内中子数相对不足所致 P+e- n,,4、γ衰变,γ衰变是伴随其它衰变而产生；上述四种衰变形成的子核可能处于激发态 核素由激发态向基态或高能态向低能态跃迁时放出γ射线的过程也称为γ跃迁(γtransition)；γ衰变后子核质量数和原子序数均不变，只是能量改变五、核衰变规律,放射性核素是不稳定的，它要自发地发生衰变而变成新元素的核 放射性原子核并不是同时衰变的，对于某一个原子核而言，何时衰变是各自独立没有规律的，但对于某一种原子核的群体而言，它的衰变是有规律的，即原子核数目随时间增长按指数规律减少。

第二节 电离辐射的作用与测量,一、电离辐射与物质的相互作用 核射线可分为带电粒子与不带电的γ光子,它们对物质作用的情况有一定差别一）带电粒子与物质的相互作用,1、带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞 电离与激发：（ionization and excitation）电离：带电粒子→靠近物质→核外电子获能 →e-脱离轨道→自由电子；失去e-的原子核带正电荷，变为一个正离子 自由电子还可使其它原子发生电离：次级电离,激发：α、β→物质→轨道电子获能→由低能级→高能级，使整个原子处于激发态 激发或电离是带电粒子穿过物质时损失动能的主要方式，此种能量损失称为电离损失2、带电粒子与原子核发生非弹性碰撞,轫致辐射 bremsstrahlung 高速带电粒子通过物质原子核电场时受到突然阻滞，运动方向发生偏转，部分或全部动能以X射线的形式辐射出来称为轫致辐射；产生几率随带电粒子的能量和物质原子序数增大而增大穿过物质时损失动能的主要方式，此种方式引起的带电粒子的能量损失称为辐射损失3、带电粒子与原子核发生弹性碰撞,当带电粒子与靶物质原子核库仑场发生相互作用，尽管带电粒子的运动方向和速度发生了变化，但不辐射光子也不激发原子核。

满足动能、动量守恒，也称弹性散射） α粒子的质量较大，径迹基本呈直线，发生散射较少β粒子轻，运动为曲线，散射明显4、带电粒子与核外电子发生弹性碰撞,带电粒子与核外电子也可发生弹性碰撞，但这种相互作用只在极低能量（100eV）的电子入射时才会考虑二）光子与物质的相互作用,光子不带电，光子与物质相互作用与其起源无关， 只与其能量有关光子与物质发生一次碰撞后损失 大部分或全部能量 当光子能量在30MeV以下时，它对物质的作用有 以下几种表现形式：,（1）光电子效应（photo electric effect） （2）康普顿效应（Compton effect) （3）电子对效应(electron pair production),光电子效应(photoelectric effect)：,γ光子与物质原子的轨道电子发生相互作用，把全部能量传递给对方，光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子（光电子）；原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射特征X射线或俄歇电子的形式很快回到基态多发生在低能量：0.5MeV； 光子被物质原子完全吸收后发射轨道电子； 脱离轨道的电子称光电子，还可产生次级电离； 原子因电子空位处于激发态,退激时发射标识X线或俄歇电子。

康普顿效应 （Compton effect）,当入射光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而挣脱原子多发生在中等能量：0.5-1.0MeV 入射光子将部分能量转移给物质核外电子,其余部分能量被散射光子带走；入射光子多为与外层轨道电子弹性碰撞 能量和运动方向发生改变的光子称为散射光子 被发射出的电子称反冲电子，能继续与介质发生相互相互作用散射光子与入射光子的方向间夹角称为散射角，一般记为θ反冲电子反冲方向与入射光子的方向间夹角称为反冲角当散射角θ=0°，散射光子的能量为最大值，这时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失；当散射角θ=180°时，入射光子和电子对头碰撞，沿相反方向散射回来，而反冲电子沿入射光子方向飞出，这种情况称反散射，此时散射光子的能量最小电子对效应（electron pair production）,当光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场作用下，光子转化形成一个正电子和一个负电子发生在能量足够大的光子：1.02MeV（两个电子的静止质量）； 光子在电场作用下被完全吸收，产生一对正负电子；光子的能量一部分转变成正负电子的静止能量(1.02MeV)，其余(超过1.02MeV的)就作为它们的动能。

被发射出的电子还能继续与介质产生激发、电离等作用；,,正电子在损失能量之后，将与物质中的负电子相结合而变成γ射线，即湮没(annihilation)光核反应,大于一定能量的γ光子与物质原子的原子核作用，能发射出粒子，例如（γ，n）反应但这种相互作用的大小与其它效应相比是小的，所以可以忽略不计光核反应的阈能在5MeV或更高，这种过程类似于原子光电效应，但在这一过程中光子为原子核所吸收而不是由围绕核转动的壳层电子，光核吸收一般会引起中子的发射所发射的中子比入射的光子在重核中具有更大的穿透性在辐照技术中引起的放射性显得更重要前三种相互作用影响最大 ★ 对于低能γ射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势； ★ 对于中能γ射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势； ★ 对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势第三节 临床放射治疗剂量学,一、放射治疗的临床剂量学原则 1、肿瘤剂量要求准确，放射治疗是一种局部治疗手段，照射野应对准所要治疗的肿瘤即靶区； 2、治疗的肿瘤区域内剂量分布均匀，剂量梯度变化不能超过±5%，即要达到95%的剂量分布；,3、照射野设计应尽量提高治疗区域内的照射剂量，降低照射区正常组织的受量； 4、保护肿瘤周围重要器官免受照射，至少不能使它们接受超过其耐受量的照射。

二、高能X射线的物理特性和剂量分布特点,（一）高能X射线的物理特性 （1）穿透作用:X射线通过物质时不被吸收的能力，X射线能穿透一般可见光所不能穿透的物质 X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强 X射线的穿透力也与物质密度有关，密度大的物质，对X射线的吸收多，穿透少；而密度小者，则吸收少，穿透多利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来X射线透视和摄影的物理基础2）电离作用：物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离 在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电子脱离其原子的过程称为一场电离这些光电子或反冲电子在行进中又与其它原子碰撞，使被击原子逸出电子，称为二次电离在固体和液体中，电离后的正负离子将很快复合，不易收集但在气体中的电离电荷很容易收集起来，利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应 X射线损伤和治疗的物理基础,,（3）荧光作用 X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，由于电离或激发使原子处于激发状态，在原子回到基态的过程中，由于价电子的能级跃迁而辐射出可见光或紫外线，这就是荧光。

荧光的强弱与X射线量成正比这种作用是X射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制成荧光屏，用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，也可制成增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量 X射线透视的物理基础,（4）热作用 物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升高 （5）干涉、衍射、反射、折射作用 这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用二）照射野及相关名词定义：,1.放射源（S）：在无特殊说明的情况下，一般规定为放射源前表面的中心，或产生辐射的靶面中心 2.照射野中心轴：射线束的中心对称轴线，临床上一般用放射源S与穿过照射野中心连线作为照射野中心轴 3.照射野(field):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；临床剂量学中规定模体内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（reference point)：规定模体表面下照射野中心轴上的某一点作为剂量计算或剂量测量的参考点体模表面到参考点的深度记为d0,400KV以下的X射线，其参考点取在模体表面（d0=0),对高能量X射线或γ射线的参考点则取在模体表面下照射野中心轴上最大剂量点的位置（d0=dm），该位置能随能量而变化，并由能量决定。

5.校准点：在照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 6.源皮距（SSD）：放射源到模体表面照射野中心。