肿瘤放射物理学5.ppt

放射物理学,第五章 X（γ）射线射野 剂量学,第一节 人体模型,1、射线与人体组织相互作用的研究很难直接在人体内进行 2、模体（phantom）：用人体组织的替代材料（tissue substitutes）构成的模型代替人体 组织等效材料： “对射线的散射和吸收的特性与人体组织的相同的材料” ICRU第30号） 组织替代材料： “模拟人体组织与射线的相互作用的材料” （ICRU第44号）,一、组织替代材料,3、组织替代材料的选择，应考虑被替代组织的化学组成和辐射场的特点考虑作用方式的特点） 对X（γ）射线，总线性衰减系数（或总质量衰减系数）与被替代组织的相同注意Z和电子密度的影响） 对电子束，总线性（或总质量）阻止本领和总线性（或总质量）角散射本领一般情况下，适合X（γ）射线的组织替代材料一定是电子束的组织替代材料对中子束，要求元素构成相同，及C、H、N、O的质量相对份数要相等 对重离子，线性碰撞本领是首选条件 对负π介子，除了考虑线性碰撞本领外，还应该考虑分子结构为了保证等体积的组织替代材料与被替代组织的质量相等，要求两者的物理密度必须近似相等4、水模 （最容易得到、最廉价） 对X（γ）射线、电子束的吸收和散射几乎与软组织和肌肉近似。

用电离室作探头时，必须加防水措施） 5、其它组织替代材料 有机玻璃、聚苯乙烯最为常见 表5-1 人体组织和常用的组织替代材料的物理参数（材料、化学成分、质量密度、电子密度、有效原子序数）,比如原来组织的替代材料是有机玻璃，现在要换成水，该如何进行等效转换？这就涉及到组织替代材料间的转换问题，它决定于被测射线与模体材料的相互作用二、组织替代材料间的转换,为 的等效水厚度（cm）1）对中高能X（γ）射线，康普顿效应为主要形式，当两种模体材料的电子密度相等时，则认为它们彼此等效此时的转换关系式为,例如： 有机玻璃的分子式(C5O2H8)n，假设其密度为1.18g/cm3 1cm厚的有机玻璃相当于 1.18×(0.54/0.555)=1.148cm水式中 ， 为组成模体材料的第i种元素的电子数； 为模体材料总的电子数2）对低能X射线，光电效应占主要，两种模体材料通过下式等效：,例如： 水的有效原子序数 Z有效=[（2/10)*(1)3+(8/10)* (8)3]1/3 =7.42 1cm厚的有机玻璃相当于 1.18×（6.48/7.42）3 = 0.79cm水3）对高能X射线，电子对效应占主要，两种模体通过下式等效：,式中,对水,对有机玻璃,则1cm有机玻璃相当于 1.18×（5.85/6.6）＝1.05cm水。

4）对电子束，模体材料是通过模体中电子注量进行等效的：,（IAEA，381号）,或,,连续慢化近似射程,,,模体材料转换到水的比例系数,（IAEA，277号）,,三、模体的分类,由组织替代材料组成的模体是用于模拟各种射线与人体组织和器官相互作用的物理过程 ICRU对各种模体作了如下的分类和定义：,（3）人体模体,（1）标准模体,（2）均匀模体,（4）组织填充模体,,（1）标准模体（standard phantom） 长宽高均为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和比对对低能电子束，水模体的高度可以薄些，但其最低高度不能低于5cm2）均匀模体（homogeneous phantom） 用固态或干水组织替代材料制成的片形方块，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主要用于治疗过程的剂量学研究，包括新技术的开发和验证、治疗方案的验证与测量等，不主张用它作常规剂量的检查与校对3）人体模体 分均匀型和不均匀型两种均匀型是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不均匀型是用人体各种组织（骨、肺、气腔等）的组织替代材料加工而成的，类似标准人体外形或组织器官的外形。

4）组织填充模体（bolus） 用组织替代材料制成的组织补偿模体，直接放在患者的皮肤上，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，提供附加的对射线束的散射、建成和衰减 它与组织补偿器的区别是：前者必须用组织替代材料制作而且必须放在患者的皮肤上；后者不必用组织替代材料制作而且必须离患者皮肤一定距离组织补偿器是一种用途特殊的剂量补偿装置1）对X（γ）射线，校正系数 ， d为替代材料的厚度， 为等效水厚度， 为替代材料的射线的有效线性衰减系数用组织替代材料或水替代材料构成的模体进行剂量的比对和测量时，测得的吸收剂量值与通过标准水模体测量得的值相差不能超过1％，否则应改用较好的材料，或用下述方法进行修正四、剂量的准确性要求,,,,式中Z为深度， 为电子束的连续慢化近似射程， 为组织替代材料的密度2）对电子束，两种模体射野中心轴上百分深度剂量（PDD）相同时的深度比为：,,,,第二节 百分深度剂量分布,放射源（S） 一般规定为放射源前表面的中心，或产生辐射的靶面中心一、有关名词定义,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穿过照射野中心的连线作为射野中心轴。

照射野 射线束经过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％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 400kV以下的X射线，取在模体表面； 对高能X射线或γ射线，取在模体表面下射野中心轴上剂量最大点位置，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考虑点的距离源轴距（SAD） 放射源到机架旋转轴和机器等中心的距离模体内任一点A的剂量由原发射线的剂量与散射线的剂量的贡献之和组成射野中心轴上某一深度d处的吸收剂量率 与该照射野参考点深度d0处吸收剂量率 的百分比一）百分深度剂量定义,二、百分深度剂量,对能量低于400kV X射线，参考点取在模体表面,对高能X（γ）射线，参考深度取在射野中心轴上最大剂量点深度,（二）建成效应,左图标明钴-60γ射线两种不同准直器A，B的百分深度剂量随表面下深度的变化情况。

1）对B型准直器 （PDD曲线特点） 剂量建成区域：从表面到最大剂量深度区域，此区域内剂量随深度而增加 对高能X射线，一般都存在建成区域 如果原射线中电子含量少，表面剂量可以很小，但是不能为零，因为各种散射，原射线中总有少量电子存在 对25MV X射线，表面剂量可以小于15％两种不同准直器剂量建成的影响,（二）建成效应,（2）对A型准直器 由表面85％到6mm处达到100％，表明入射射线中既含有低能X射线又有散射电子实验证明，如果将准直器端面离开人体表面15～20cm时，大多散射电子可以消除有些钴-60治疗机的准直器末端封有数毫米的塑料，使得电子建成不发生在体内而在体外，最大剂量点取在表面如果想要利用电子建成效应来保护皮肤，最好不使用这种准直器图5-4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，表面剂量减小，最大剂量深度随能量的增加而增加200kV X射线，建成区非常窄，140kV X射线，无建成区；对32MV X射线，建成区约5～6cm3）由于前面两个原因，造成在最大电子射 程范围内，由高能次级电子产生的吸收 剂量随深度的增加而增加，大约在电子 最大射程附近达到最大；,形成剂量建成区的物理原因：,（1）当高能的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）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；,（4）但是由于高能X（γ）射线的强度随组织 深度的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随深度的增 加而减少，其总效果，在一定深度（建成 深度）以内，总吸收剂量随深度的增加而 增加。

三）百分深度剂量随射线能量变化,曲线j为1g镭源、SSD＝5cm的百分深度剂量曲线由于高活度的镭源不能得到，SSD须用得很短，所以百分深度剂量由平方反比定律随深度迅速下降此类镭治疗机现已不再使用曲线i表示能量100kV，HVL＝2mm Al，SSD＝15cm的浅层治疗机的百分深度剂量曲线从分布曲线上看，i，j非常近似，5cm深度处，二者大约有25％百分深度剂量尽管两者的百分深度剂量相同，但两种机器不能换用因为对镭γ射线，骨和软组织的吸收基本相同，对低能X射线，骨和软组织的吸收差别很大曲线h是铯-137治疗机，SSD＝15cm的百分深度剂量曲线，在10cm深度时，百分深度剂量可达25％ 曲线g为220kV X射线机，SSD＝50cm，HVL＝1.5mm Cu的百分深度剂量曲线，在10cm深度处，百分深度剂量为35％f为铯-137治疗机，SSD＝35cm的曲线，在小深度时，百分深度剂量f比g小；在大深度时，因为γ射线的穿透能力较强，所以百分深度剂量较高10cm深度处，40％ 曲线e为2MV 超高压X射线机SSD＝100cm时的百分深度剂量曲线，其分布基本上和钴-60治疗机在SSD＝80cm处的曲线d相同。

10cm深度处，两者的百分深度剂量大约58％，两者有同样的建成区域，可以保护皮肤4MV X射线（曲线c）比钴-60γ射线百分深度剂量稍大一些，曲线a、b较钴-60γ射线更高的百分深度剂量目前，我国临床上用的较多的是钴-60γ射线和6～18MV X射线 普通220kV的X射线使用已不多，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，100kV X射线仍然使用，但它可以用4～20MeV的电子束代替总结：在SSD相同时，百分深度剂量是随射线能量的增加而增加的，但剂量不一定增加1）射野面积很小时，由于从其它地方散射到某一点的体积较小，所以散射对百分深度剂量的影响比较小，其表面下某一点的剂量 基本上是由原射线造成的 （2）当射野面积较大时，由于散射射线增多， 随之增加开始时，随面积的增加而加快，以后变慢四）射野面积和形状对百分深度剂量的影响,,（3）百分深度剂量随射野面积改变的程度取决于射线的能量 低能时（如220kV X射线），由于各个方向的散射基本相同，所以百分深度剂量随射野面积变化较大高能时，由于散射射线主要向前，所以百分深度剂量随射野面积改变较小对22MV、32MV高能X射线，百分深度剂量几乎不随射野面积而变化。

4）射影形状对百分深度剂量的影响 （射野等效问题） 各种大小方形野的百分深度剂量随组织深度的变化用列表的方法给出 其它不规则野和矩形野，需要对方形野作等效变换 射野等效的物理意义：如果使用的矩形或不规则野在其射野中心轴上的百分深度剂量与某一方形野的相同时，该方形野叫做所使用的矩形野或不规则野的等效射野射野等效的物理条件与精确计算：采用原射线和散射线剂量分别计算，由于原射线贡献的剂量不随射野面积和形状变化的，射野的面积和形状只影响散射射线的贡献，所以射野等效的物理条件是对射野中心轴上诸点的散射贡献之和相等临床上的等效方法：采用面积/周长比法如果两个野面积/周长比相同，则认为等效 设矩形野长a、宽b，方形野边长为s,所以,例如： 10cm×20cm矩形野，s＝13.3cm（表5－2中为13.0cm） 10cm×15cm矩形野，s＝12.0cm（表5－2中为11.9cm） 由于窄的长条矩形野，用上式计算所得与表中值相差较大，建议用表中的数据面积/周长比法虽然没有很好的物理基础，只不过是个经验公式，但在临床上得到广泛的应用。