醫(yī)學(xué)物理電離輻射及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

醫(yī)學(xué)物理電離輻射及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用第1頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)依據(jù)輻射的組成：電磁輻射和粒子輻射兩大類電磁輻射實(shí)質(zhì)上是電磁波，僅有能量而無靜止質(zhì)量，頻率由低到高分為:無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和射線等。如:粒子、粒子、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子、俄歇電子、中子、質(zhì)子、重離子等。粒子輻射既有能量,又有靜止質(zhì)量

輻射的分類：(1)依據(jù)輻射的組成：電磁輻射和粒子輻射。(2)依據(jù)作用的方式：非電離輻射和電離輻射。第2頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)依據(jù)作用的方式：非電離輻射和電離輻射。非電離輻射不引起物質(zhì)電離，只引起分子能級改變，電離輻射則引起物質(zhì)電離，直接電離：粒子、粒子、電子、質(zhì)子、重離子等。間接電離：X射線、射線、中子。包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線等。第3頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月電離輻射的醫(yī)學(xué)應(yīng)用：放射學(xué)、核醫(yī)學(xué)、放射免疫分析(1)放射學(xué)：包括診斷用的放射影像技術(shù)、治療用的放射治療技術(shù)，以及作為介入手術(shù)導(dǎo)引的數(shù)字減影技術(shù)。(2)核醫(yī)學(xué)：利用含放射性核素的放射性藥物，通過其在人體內(nèi)不同組織器官及腫瘤的分布或放射性強(qiáng)度的變化來進(jìn)行診斷(影像與非影像)或治療。(3)放射免疫分析：是利用標(biāo)記了放射性核素的抗原與非標(biāo)記的抗原對特異性抗體進(jìn)行競爭免疫反應(yīng)，從而進(jìn)行體外超微量分析。第4頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)電離輻射基礎(chǔ)物理學(xué)電離輻射產(chǎn)生過程：(1)非核過程，(2)核過程。(1)非核過程核外電子碰撞過程(例如X射線)，或電離后加速輸出(例如電子束、質(zhì)子束、重離子束)。(2)核過程與原子核本身密切相關(guān)，產(chǎn)生于核反應(yīng)或核衰變

(例如射線、中子束、射線、射線)。第5頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.1基于非核過程的電離輻射一、X射線(1)X射線發(fā)生裝置普通X射線機(jī)包括：電子源，球形真空管，加速電場和陽靶。碰撞損失熱量輻射損失X射線T:高速電子動(dòng)能(~100keV)Z:靶原子序數(shù)(W74,Mo42)第6頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)X射線的強(qiáng)度和硬度X射線的強(qiáng)度(intensity)是指單位時(shí)間內(nèi)通過與X射線傳播方向垂直的單位面積的輻射總能量。強(qiáng)度調(diào)節(jié)：X射線的硬度(hardness)是指X射線的貫穿本領(lǐng)。硬度調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)管電壓，千伏率。(1)調(diào)節(jié)管電壓，(2)調(diào)節(jié)管電流，毫安率。第7頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月表8-1X射線按硬度的分類和用途名稱管電壓/kV最短波長/nm主要用途極軟X射線軟X射線硬X射線極硬X射線5~2020~100100~250250以上0.25~0.0620.063~0.0120.012~0.0050.005以下組織攝影,表皮治療透視和攝影較深組織治療深部組織治療第8頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)X射線譜X射線譜是指X射線光子強(qiáng)度與光子能量(波長或頻率)的關(guān)系。(a)X射線連續(xù)譜軔致輻射(bremsstrahlung)管電壓<70KV第9頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)X射線標(biāo)識(shí)譜原子殼層結(jié)構(gòu)模型X射線標(biāo)識(shí)譜的特征與陽靶材料有關(guān)，與管電壓無關(guān)。第10頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)X射線基本特性①電離作用②熒光作用③光化學(xué)作用④生物效應(yīng)⑤貫穿本領(lǐng)二、高能電子束三、質(zhì)子束和重離子束電子加速器高能電子束質(zhì)子加速器高能質(zhì)子束離子加速器高能離子束第11頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.2基于核過程的電離輻射基于核衰變:射線、粒子、粒子、俄歇電子等。一、原子、原子核與放射性1.質(zhì)子和中子核素:具有相同質(zhì)子數(shù)Z、中子數(shù)N的同一類原子核，同質(zhì)異能素:Z同A同,能態(tài)不同,同位素:Z同,如:2.電子電子及“軌道”基于核反應(yīng):快中子束、-介子束等。如第12頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月3.放射性核素衰變及其類型放射性核衰變(nucleardecay):不穩(wěn)定的放射性核素能夠自發(fā)地以各種方式轉(zhuǎn)變成另外的核。衰變前的核稱為母核，衰變生成的新核稱為子核。天然穩(wěn)定核素約280種，天然放射性核素約30種，核衰變類型:衰變、衰變、衰變.核衰變過程遵守的守恒定律:①質(zhì)量能量守恒,②動(dòng)量守恒,③核子數(shù)守恒,④電荷守恒.人工放射性核素(人造核素/人工核素)超過2000多種，第13頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)衰變(decay)放射性核素放射出射線(即粒子)的衰變過程。射線就是高速運(yùn)動(dòng)的24He原子核。衰變方程:衰變包括：-衰變、+衰變和軌道電子俘獲。(2)衰變(decay)①

-衰變②

+衰變③軌道電子俘獲(EC)湮滅第14頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)躍遷與內(nèi)轉(zhuǎn)換電子①

躍遷：處于激發(fā)狀態(tài)的核，躍遷到較低的激發(fā)態(tài)直至基態(tài)，發(fā)射出射線。②

內(nèi)轉(zhuǎn)換電子：在某些情況下，原子核從激發(fā)態(tài)向較低能態(tài)躍遷時(shí)，產(chǎn)生的能量直接交給內(nèi)層電子，使該電子脫離原子束縛成為自由電子。｛

射線占89%內(nèi)轉(zhuǎn)換占11%第15頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)俄歇電子在發(fā)生軌道電子俘獲和發(fā)射內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的情況下，核外內(nèi)層電子軌道出現(xiàn)空穴，當(dāng)高能級(外殼層)的電子躍遷至低能級(內(nèi)殼層)時(shí)，把多余的能量直接轉(zhuǎn)移給同一能級的另一個(gè)電子，接受這份能量的電子脫離軌道成為自由電子—俄歇電子。第16頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月二、放射性衰變基礎(chǔ)概念1.半衰期N=N0e-t半衰期:放射性核數(shù)目衰變?yōu)樵瓟?shù)目的一半所需的時(shí)間。T1/2=ln2/=0.693/平均壽命:=1/=T1/2/ln22.放射性活度一定量的放射性核素在一個(gè)很短的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時(shí)間間隔。A=-dN/dt=N=N0e-t=A0e-t單位:1Bq=1s-1,1Ci=3.71010Bq

常用單位：mCi、Ci-dN=Ndt第17頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月三、核反應(yīng)1.核反應(yīng)概念核反應(yīng)是原子核與粒子、質(zhì)子、中子、重離子等粒子相互作用引起的變化。2.核反應(yīng)類型(1)中子核反應(yīng)[(n,)、(n,)、(n,p)、(n,2n)、(n,f)]

(2)質(zhì)子核反應(yīng)[(p,)、(p,d)、(p,n)、(p,)]

(3)離子核反應(yīng)[(d,)、(d,p)、(d,n)、(,p)、(,n)、(,)](4)光核反應(yīng)[(,n)、(,d)、(,)]核反應(yīng)方程簡寫：X表示靶核，a入射粒子，b出射粒子，Y剩余核第18頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月四、基于核過程的幾種醫(yī)用電離輻射的來源1.射線①放射治療中射線來源59Co(n,)60Co

②核醫(yī)學(xué)的診斷中，由放射性藥物釋放射線SPECT成像常用99mTc，123I，67Ga，111In，201Tl，PET成像采集的射線源于電子對湮滅，表8－2醫(yī)學(xué)上最常用的幾種發(fā)射射線的放射性核素性質(zhì)（11C，13N，15O，18F）第19頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月2.粒子粒子用于治療包括近距離放射治療和核醫(yī)學(xué)中的體內(nèi)藥物治療。常用的放射性核素有32P,89Sr,90Y,131I,153Sm,186Re等等?；旧暇ㄟ^反應(yīng)堆制備。3.粒子釋放粒子的放射性核素在醫(yī)學(xué)中尚未應(yīng)用到臨床。4.中子束①

快中子束治癌中子的來源：氘和氚(d+T)的聚變反應(yīng)；氘和氘離子(d+D)的聚變反應(yīng)，氘和鈹(d+Be)的核反應(yīng)；質(zhì)子和鈹(p+Be)的核反應(yīng)。②超熱中子硼中子俘獲療法中子的來源：反應(yīng)堆引出的快中子慢化成為超熱中子。第20頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)電離輻射與物質(zhì)的相互作用8.2.1X射線、射線與物質(zhì)的相互作用作用形式：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)一、光電效應(yīng)出射光電子能量=入射光子能量-電子結(jié)合能光電效應(yīng)是低能X射線、射線與物質(zhì)相互作用的主要機(jī)制。X射線、射線撞擊一個(gè)原子內(nèi)層軌道電子時(shí)，其能量全部轉(zhuǎn)移給電子，使其具有動(dòng)能而脫離原子飛出，而X射線、射線本身消失，這種過程稱為光電效應(yīng)。第21頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月二、康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)是中能X射線、射線與物質(zhì)相互作用主要機(jī)制。當(dāng)X射線、射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，將部分能量轉(zhuǎn)移給電子使其脫離原子飛出這種過程稱為康普頓效應(yīng)。第22頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電子對效應(yīng)當(dāng)高能量(大于1.022MeV)的X射線或射線通過物質(zhì)時(shí)，在原子核強(qiáng)庫侖場作用下，光子消失，轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，這一過程稱為電子對效應(yīng)。E+

+E-

=E0-2mec2E0=2mec2+E++E-第23頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月四、物質(zhì)對X射線的吸收規(guī)律當(dāng)X射線通過物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)的原子發(fā)生以上三種相互作用，X射線的能量降低，強(qiáng)度隨著X射線深入物質(zhì)的程度而減弱，這種現(xiàn)象叫做物質(zhì)對X射線的吸收。朗伯—比爾定律I=I0exp(-L)(1)

線性吸收系數(shù)(2)半價(jià)層=KZ43L1/2=ln2/(3)質(zhì)量吸收系數(shù)和質(zhì)量半價(jià)層m=/Lm=LI=I0exp(-mLm

)第24頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2粒子、重離子與物質(zhì)的相互作用(1)粒子在空氣中的電離(2)其他帶電粒子，例如質(zhì)子、重離子、負(fù)介子等與物質(zhì)的相互作用和粒子相似。8.2.3粒子(電子束)與物質(zhì)的相互作用(1)電離作用：比粒子幾率小很多。(2)吸收規(guī)律：I=I0exp(-L)(3)輻射&防護(hù)：產(chǎn)生X射線，

射線和X射線的防護(hù)。第25頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.4中子與物質(zhì)的相互作用(2)中子與物質(zhì)的相互作用散射核反應(yīng)：彈性散射&非彈性散射(1)中子分類慢中子(0~1keV)、中能中子(1keV~500keV)、快中子(0.5MeV~10MeV)以及高能中子(大于10MeV)。慢中子:又可分為熱中子(平均能量0.025eV)、超熱中子(能量1~10eV)、共振中子(1eV~1keV)。(a)彈性散射中子損失的能量與相互作用原子核的質(zhì)量有關(guān)。原子核質(zhì)量越小，獲得能量越大。通常采用含氫的水、含氘的重水、石墨或有機(jī)化合物作為中子的慢化劑。中子用于治療時(shí)，其與氫原子的作用不容忽視。第26頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)非彈性散射非彈性散射一般是快中子、高能中子在重核上發(fā)生的。(c)中子核反應(yīng)慢中子和中能中子主要引起中子俘獲效應(yīng),(n,)反應(yīng)?？熘凶又饕l(fā)生散射，其次誘發(fā)(n,),(n,p),(n,)。高能中子則除以上反應(yīng)外，還可能發(fā)生(n,2n)反應(yīng)。中子活化分析:中子俘獲反應(yīng)產(chǎn)生放射性物質(zhì)的性質(zhì)可用于定性及定量檢測微量或痕量元素，應(yīng)用范圍：環(huán)境、地質(zhì)、法醫(yī)學(xué)、考古學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)。第27頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(d)醫(yī)學(xué)應(yīng)用(i)中子活化分析——痕量金屬元素檢測。(ii)中子刀利用遙控后裝技術(shù)將中子源送進(jìn)腫瘤內(nèi)部，借助中子射線近距殺死癌細(xì)胞．中子射線的生物作用比X、射線強(qiáng)2~8倍，適用于敏感性較差的腫瘤或復(fù)發(fā)性腫瘤．(iii)硼中子俘獲療法把含硼元素的腫瘤親和藥物注入人體，該種藥物能迅速濃聚于病灶部分，此時(shí)用超熱中子射線照射，可以在靶區(qū)引起核反應(yīng)，所釋放的高能射線只殺死腫瘤細(xì)胞而不損傷周圍組織．該療法被認(rèn)為是目前治療腦膠質(zhì)瘤的最好方法．第28頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)電離輻射的生物效應(yīng)1.電離輻射普遍存在2.強(qiáng)烈的電離輻射會(huì)引起明顯的生物效應(yīng):損傷機(jī)體細(xì)胞，導(dǎo)致生物的遺傳突變。電離輻射的生物效應(yīng)一方面有助于治療策略的制訂，一方面也有助于對自身的輻射防護(hù)。第29頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.6相關(guān)計(jì)量概念一、照射量X射線或射線在質(zhì)量為dm的空氣中釋放出來的全部電子完全被空氣阻止時(shí)，在空氣中產(chǎn)生任一種符號(hào)的離子總電荷的絕對值dQ除以dm，即=dQ/dm照射量僅適用于X或射線和空氣介質(zhì)。專用單位R(倫琴)1R=2.58×10-4C／kg第30頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月二、吸收劑量D吸收劑量D反映受照物質(zhì)吸收輻射能量的程度，定義為單位質(zhì)量的物質(zhì)從電離輻射中吸收的平均能量。吸收劑量的專用單位是戈瑞(Gy,Gray)，單位符號(hào)為Gy。1Gy等于1kg受照物質(zhì)吸收1J的輻射能量，即1Gy=1J·kg-1（1rad＝0.01Gy）吸收劑量的概念適用于任何種類的核輻射及任何受照射的介質(zhì)。在提到吸收劑量時(shí)，必須指明物質(zhì)的種類和所在的位置。第31頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月三、吸收劑量D與照射量之間的關(guān)系位于空氣中同一點(diǎn)處的生物組織中的吸收劑量D和空氣中該點(diǎn)照射量間的關(guān)系為：D＝

f如:對于X射線照射空氣介質(zhì)，f=8.69×10-3Gy/R對于能量大于0.15MeV光子照射肌肉和骨骼，f在9~10×10-3Gy/R,故一般取

f=

0.01Gy/R表8-4各種能量的光子在骨骼和肌肉中的f值臨床上，當(dāng)使用不同射線，即使吸收劑量相同，產(chǎn)生的生物效應(yīng)不同；或者說，要達(dá)到同一生物效應(yīng)（殺傷同一腫瘤），所需不同射線的吸收計(jì)量不同。第32頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月四、有效劑量E(effectivedose)為了比較不同輻射對機(jī)體不同組織的損傷效應(yīng),評估輻射引起的確定性效應(yīng)概率,引入有效劑量E(生物拉德當(dāng)量),定義為組織內(nèi)某一點(diǎn)處D、WR、WT三個(gè)量的乘積,E=DWRWT

=HTWTD

:該點(diǎn)的吸收劑量,WR:射線在該點(diǎn)的輻射權(quán)重因子WT:射線在該點(diǎn)的組織權(quán)重因子，HT：當(dāng)量劑量意義：用機(jī)體組織受損傷的程度,來反應(yīng)吸收劑量大小,相同有效劑量E(當(dāng)量劑量)產(chǎn)生相同生物效應(yīng)。有效劑量的專用單位為希沃特(西弗

),Sv,1Sv=1J·kg-1如：快中子，DI=1Gy，WR=20,EI＝1Gy20WT

X射線，DX=20Gy,WR=1,EX＝20Gy1WT會(huì)導(dǎo)致相同程度的損傷。第33頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1.解釋：電磁輻射，粒子輻射，電離輻射，非電離輻射，X射線:連續(xù)譜/標(biāo)識(shí)譜/強(qiáng)度/硬度2.核衰變的類型。3.電離輻射與物質(zhì)相互作用的形式。4.照射量、吸收劑量D、有效劑量E及其三者之間的關(guān)系。第八章電離輻射及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用---Additions第34頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月光子能量MeV骨骼f10-3Gy·R-1肌肉f10-3Gy·R-1