外照射治療機(jī)課件

外照射放射治療機(jī)許昌韶蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院TheFirstAffiliatedHospitalofSoochowUniversity放射治療核物理基礎(chǔ)

腫瘤放射治療主要是利用放射線的穿透性和使生物細(xì)胞電離的特性常用于放射治療的有X線和γ線，前者由深部X線機(jī)或醫(yī)用電子加速器產(chǎn)生，而后者是由放射性核素在衰變到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)釋放的射線，兩者統(tǒng)稱光子

X線可因調(diào)節(jié)電壓而改變其質(zhì)（穿透性），而γ線在不同的放射性核素有其固定的能量，如60Co在衰變過(guò)程中可產(chǎn)生1.17和1.34MeV兩種能量的γ線（平均1.25MeV）

自然界中的所有物質(zhì)都與由分子組成分子的基本單位是原子，原子由原子核和核外電子組成電子在核外遵循玻爾理論、泡利不相容原理和最小能量原理的規(guī)律成層排列

每個(gè)電子在各自的殼層軌道上運(yùn)行，具有一定的能量，稱為能級(jí)，越靠近原子核的電子能級(jí)越低，受原子核的束縛力越大（結(jié)合能越大）原子核中的核子（質(zhì)子、中子等）由于核力的作用，也緊密地結(jié)合在一起，要使原子核分裂需要有很大的功，原子核一旦分裂，則能釋放巨大能量，即核能X

線的發(fā)生

X線是由于X線機(jī)球管陰極燈絲產(chǎn)生的高速電子突然受到陽(yáng)極靶物質(zhì)的阻擋而發(fā)生的高速電子作用在靶物質(zhì)原子的外層電子軌道，使電子擊離，形成自由電子，原子本身變成帶正電稱電離

高速電子把靶原子內(nèi)層電子擊離，外層軌道電子隨即通過(guò)躍遷填補(bǔ)其空穴，從而釋放光子，稱特征輻射，此光子為特征X線

其能量取決于靶物質(zhì)原子兩層相鄰軌道電子結(jié)合能的差，與入射電子的能量無(wú)關(guān),而電子結(jié)合能的大小取決于靶物質(zhì)，特征X線的能量可代表靶物質(zhì),故又稱標(biāo)識(shí)X線

特征X線和連續(xù)X線中能量較低的長(zhǎng)波射線穿透力低，不適宜深部腫瘤的治療，又可加重正常組織的反應(yīng)和損傷，在臨床使用時(shí)，常用不同厚度、不同材料制成的過(guò)濾板(Filter)將低穿透性的“軟線”濾去

用不同材料和厚度的過(guò)濾板，雖X機(jī)管電壓相同，但進(jìn)入體內(nèi)的X線質(zhì)是不同的，此時(shí)顯然不能用電壓（kV）來(lái)表示X線的質(zhì)，故臨床上常用半值層（HVL）來(lái)衡量

HVL

的含義是使射線的強(qiáng)度（是射線的量而不是質(zhì)）減小一半所需的某種濾過(guò)物質(zhì)的厚度，一般光子經(jīng)7個(gè)半值層濾過(guò)后，其強(qiáng)度可減小至0.1%

光子（Ｘ線、γ射線）與被照射介質(zhì)（組織）相遇時(shí)可發(fā)生以下幾種情況光子與介質(zhì)原子的內(nèi)層電子相遇，把能量全部傳遞給該電子，電子從軌道上被擊出，外層電子向內(nèi)補(bǔ)充（躍遷），發(fā)生特征輻射，稱光電效應(yīng)，擊出的電子稱“光電子”，而該原子成為正離子

光子將部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使其擊出，擊出的電子稱反沖電子或康普頓電子，這種現(xiàn)象稱康普頓效應(yīng)，入射光子以其殘余能量向另一方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的光子稱散射光子（散射線），同樣可使靶物質(zhì)的其他原子的軌道電子發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)

當(dāng)光子能量大于1.02MeV時(shí)，在通過(guò)原子核附近時(shí)，受核電場(chǎng)影響而突然消失變成正、負(fù)2個(gè)電子，稱電子對(duì)效應(yīng)。正、負(fù)電子有動(dòng)能時(shí)可產(chǎn)生電離作用。當(dāng)正電子能量耗盡時(shí)，能與吸收介質(zhì)原子的電子結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰扛鳛?.51MeV的2個(gè)光子，稱湮沒(méi)輻射

在發(fā)生上述現(xiàn)象時(shí)，除了產(chǎn)生的光電子、反沖電子及電子對(duì)效應(yīng)的正、負(fù)電子和失去電子后的原子成為的正離子均直接有電離作用外，這些電子還可作用于介質(zhì)的其它原子，重復(fù)發(fā)生上述3種效應(yīng)，此過(guò)程重復(fù)多次，可產(chǎn)生大量正負(fù)離子，它們?cè)谀[瘤治療中起到電離作用

當(dāng)不同能量的光子與人體組織相互作用時(shí)，其發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)的重要性不同。在光子能量較低時(shí)，光電效應(yīng)起主導(dǎo)作用;能量達(dá)1MeV時(shí)，以康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢(shì);光子能量達(dá)1.02MeV時(shí)，開始出現(xiàn)電子對(duì)效應(yīng)

一個(gè)光子與被照射物質(zhì)發(fā)生上述三種效應(yīng)時(shí)，都有一定的概率，概率大小用原子截面來(lái)衡量，以σ代表截面，截面單位為靶恩（b），1靶恩=10-28m2

光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)各有獨(dú)立的作用截面，分別以σρh、σe和σρ表示

從上可見，用低能射線照射時(shí)，其時(shí)以光電效應(yīng)吸收為主，被照射組織的吸收與原子序數(shù)及放射線能量關(guān)系密切，即骨吸收明顯比軟組織（包括腫瘤）為多，易造成骨的放射性損傷

而60Coγ線的平均能量為1.25MeV（相當(dāng)高能X線3-4MV），此時(shí)以康普頓效應(yīng)為主，與吸收組織的原子序數(shù)關(guān)系較小，骨與軟組織吸收大致相仿，若射線能量進(jìn)一步增高，電子對(duì)效應(yīng)所占比重增大，骨吸收又開始增加，但無(wú)光電效應(yīng)明顯

放射劑量單位

臨床上常用的放射劑量單位為吸收劑量單位，以焦耳/千克（J/kg）表示，其專用名稱為戈瑞（Gy）

1Gy表示射線傳遞給1千克介質(zhì)（組織）的輻射能量為1焦耳

1Gy=100cGy=100RadRad（拉德）現(xiàn)已廢棄不用

某些射線品質(zhì)因素（Q）對(duì)LET的依賴關(guān)系

水中LETQ射線（keV/μm）

≤3.51X線、γ線、電子

72235質(zhì)子、中子

5310≥17520α粒子、重反沖核

從上表中可見，X線或γ線的Q值為1，快中子的Q值為10，即10Gy的快中子將導(dǎo)致與100GyX線相等的損傷

高、低LET射線的放射生物效應(yīng)不同高LET射線的相對(duì)生物效應(yīng)（RBE）高氧增強(qiáng)比（OER）低對(duì)增殖周期中各期相細(xì)胞和非增殖周期（G0期）細(xì)胞的放射敏感性差異小幾乎沒(méi)有或較少有細(xì)胞的非致死性損傷的修復(fù)

照射方式

遠(yuǎn)距離照射

最為常用,其優(yōu)點(diǎn)為照射范圍大、深度量高，靶區(qū)內(nèi)同一平面劑量相對(duì)均勻以及操作方便等

近距離治療

是將放射源置于體表面、體腔內(nèi)（如食管、子宮等）或插入組織內(nèi)進(jìn)行放療，其劑量分布特點(diǎn)是靠近放射源處在較短時(shí)間內(nèi)可得到極高劑量，而隨著離放射源的距離加大，劑量梯度急劇下降，一般需與遠(yuǎn)距離外照射配合治療

內(nèi)照射治療

將放射性核素或與放射性核素結(jié)合的藥物用口服或靜脈注射方法使其濃集到特定的組織器官內(nèi)進(jìn)行的放療稱內(nèi)照射治療，這不在本章討論范圍之內(nèi)理想放射源條件

理想的劑量分布能殺滅乏氧細(xì)胞能殺滅非增殖期細(xì)胞

理想的劑量分布

是指從一個(gè)方向的入射線能在腫瘤深度達(dá)到高劑量，而腫瘤前、后的正常組織劑量較低、旁向散射又很少，有利于保護(hù)正常組織，體現(xiàn)了射線的物理性能良好

單野照射時(shí)，X線、γ射線進(jìn)入體內(nèi)后，從最高劑量點(diǎn)開始，隨著深度增加，劑量逐漸下降，腫瘤達(dá)不到殺滅劑量，而腫瘤前后組織均受到較大劑量照射（此時(shí)需用多個(gè)方向的照射野聚焦照射）

醫(yī)用加速器產(chǎn)生的電子束特點(diǎn)是進(jìn)入皮膚后，一直維持較高劑量，在預(yù)定腫瘤深度（可調(diào)節(jié)電壓）后驟然下降，有利于表淺腫瘤的治療屬于高LET射線的質(zhì)子、負(fù)π介子和某些重離子等粒子在組織表面能量損失較慢，隨著深度增加，粒子運(yùn)動(dòng)速度逐漸減低，能量損失加大，在接近射程末時(shí)，粒子能量很小但運(yùn)動(dòng)速度變得極慢，能量損失率突然增加，形成電離吸收峰，稱布拉格（Bragg）峰，腫瘤前和后的組織所受劑量均相對(duì)較低

能殺滅乏氧細(xì)胞

放射生物學(xué)上將含氧量低的乏氧細(xì)胞和同類富氧細(xì)胞的殺滅劑量之比稱氧增強(qiáng)比（OER）

OER=乏氧細(xì)胞殺滅劑量/富氧細(xì)胞殺滅劑量由于低LET射線的OER值高，即對(duì)氧存在的依賴性大，用低LET射線治療時(shí)能使腫瘤組織中占很大比例的乏氧細(xì)胞存活下來(lái)，造成治療失敗

高LET射線由于電離密度高,其OER值較低LET射線明顯為小，能殺滅對(duì)低LET射線抗拒的乏氧細(xì)胞

能殺滅非增殖期細(xì)胞

用低LET射線時(shí)細(xì)胞的放射敏感性隨著細(xì)胞分裂周期而變化，特別是非增殖期（G0期）細(xì)胞更具放射抗拒性

而高LET射線則對(duì)增殖周期中各期相細(xì)胞和G0期細(xì)胞的放射敏感性差異較小外照射治療機(jī)簡(jiǎn)介

深部X線治療機(jī)

管電壓在180～400KV產(chǎn)生的X線稱深部X線其劑量曲線特點(diǎn)在皮膚表面最高，隨著組織深度加深而迅速衰減，因此皮膚反應(yīng)大，而腫瘤深度處得到的劑量低

由于光電效應(yīng)所占比重大，導(dǎo)致骨吸收比軟組織吸收明顯為高，易造成腫瘤前的骨組織損傷

深部X線的優(yōu)點(diǎn)是在其性能范圍內(nèi)，可調(diào)節(jié)電壓和電流改善X線的質(zhì)和量，適用于皮膚癌和表淺腫瘤的治療

其相對(duì)生物效應(yīng)（RBE）較高，若以60Coγ線或高能X線的RBE為1，則深部X線則為1.2左右60Co遠(yuǎn)距離治療機(jī)

60Co源的物理特性

60Co為人工放射性核素放射源其產(chǎn)生的γ射線可認(rèn)作為單一能量射線（1.17和1.33MeV，平均1.25MeV）半衰期為5.2610年60Co

γ射線屬高能射線,

60Co外照射治療機(jī)的使用,使腫瘤放療的5年生存率提高了一倍

其價(jià)格便宜，維修方便，能量基本上能滿足深部腫瘤的治療需要

與千伏級(jí)X線比較，具備了高能射線的優(yōu)越性用兆伏射線前后常見腫瘤的5年生存率（％）

病種千伏X線(1955年)兆伏射線(1970年)

霍奇金病30-3570-75

子宮頸癌30-3555-65

前列腺癌5-1555-60

鼻咽癌20-2545-50

膀胱癌0-525-35

卵巢癌15-2050-60

視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤30-4080-85

睪丸精原細(xì)胞瘤55-7090-95

睪丸胚胎癌20-2555-70

扁桃體癌25-3040-50

Brady，等.Cancer,1985,55(Suppl):2037

60Co治療機(jī)的防護(hù)要求

60Co源閉合位時(shí)

距源1m處,各方向的平均漏出量應(yīng)小于2×2.58×10-7C/(kg·h)(2mR/h)

對(duì)千居里級(jí)鈷機(jī),需106的衰減系數(shù)或近20個(gè)半價(jià)層(HVL)防護(hù),可用鉛、鎢或鈾的合金

鉛的HVL為1.27cm,20個(gè)HVL需用鉛厚度:

1.27cm×20=25.4cm

60Co源開放位時(shí)

準(zhǔn)直器的厚度應(yīng)使漏射量不大于有用射線的5%

準(zhǔn)直器或遮線擋塊厚度應(yīng)達(dá)到4.5HVL

用鉛厚度為:

1.27cm×4.5=5.7cm(多用6.0cm)60Coγ射線與千伏級(jí)X線的優(yōu)缺點(diǎn)比較

優(yōu)點(diǎn)

60Coγ射線能量高而單一平均1.25MeV，穿透性和百分深度量高，布野方便

骨與軟組織吸收大致相仿(以康普頓效應(yīng)為主)

屬高能射線,進(jìn)入組織后達(dá)到電子平衡（最高劑量點(diǎn)）有一定的距離，稱建成效應(yīng)，60Co的最高劑量點(diǎn)在皮膚下約0.5cm處，故能保護(hù)皮膚

,射線能量越高，建成效應(yīng)越大，最高劑量點(diǎn)越深射線能量越高，旁向散射越小，對(duì)靶區(qū)劑量起到貢獻(xiàn)作用，而減少了靶區(qū)周圍正常組織的損傷

隨著射線能量的增高，

等劑量曲線亦越趨平坦，可用較小的照射野包含靶區(qū)，更起到保護(hù)正常組織的作用

缺點(diǎn)劑量曲線不能調(diào)節(jié)有較大的幾何半影區(qū)半衰期較短,需經(jīng)常換源防護(hù)要求高

RBE較千伏級(jí)X線低(約低10%-20%)60Co治療機(jī)的半影種類

幾何半影

鈷源不是點(diǎn)源,有一定尺寸,每一點(diǎn)發(fā)出的射線經(jīng)準(zhǔn)直器限束后,各點(diǎn)產(chǎn)生的射線重疊區(qū)劑量均勻一致,照射野邊緣附近劑量逐漸減低至完全消失,形成幾何半影

穿射半影

由于準(zhǔn)直器按HVL要求設(shè)計(jì)即使符合防護(hù)要求,也總有一定量的射線穿過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng),若準(zhǔn)直器端面與邊緣線束不平行時(shí),將有更多射線穿過(guò)準(zhǔn)直器,形成穿射半影

散射半影

原射線通過(guò)吸收組織時(shí),產(chǎn)生散射,形成散射半影

鈷治療機(jī)的模擬燈光影模擬燈光影與皮膚上所畫出的照射范圍(設(shè)計(jì)的照射野)需重合一致

應(yīng)重視的是,60Co治療機(jī)的模擬燈光影邊緣是設(shè)在幾何半影區(qū)的50%處,即燈光緣內(nèi)側(cè)有一定距離的低劑量區(qū),而照射野(燈光緣)外仍有一定的劑量

設(shè)計(jì)照射野時(shí),不要使腫瘤邊緣落在低劑量區(qū)內(nèi)。在設(shè)計(jì)相鄰兩照射野時(shí)應(yīng)相距一定距離，不要使深部腫瘤或正常組織處在低劑量區(qū)或劑量“熱點(diǎn)”上幾何半影的計(jì)算和消減

計(jì)算

按相似三角形原理

皮膚表面半影

ds/PG=C/（F-C）

PG=[ds

·（F-C）]=（ds·L）/C

d深度處的幾何半影

PG’=[ds·（F–C+d）]/C=[d·（L+d）]/C

其中

:ds=源直徑，C=源限距，F(xiàn)=源皮距

L=限皮距，PG=幾何半影，d=組織深度

PG’=d深度處的幾何半影

幾何半影消減

由上式可見,幾何半影與源限距成反比,與源直徑、限皮距及源皮距成正比。因源直徑無(wú)法改變，為了減小幾何半影，則可設(shè)法加大源限距或減小限皮距

當(dāng)今，較新型的鈷治療機(jī)，均在準(zhǔn)直器下按裝可活動(dòng)的消半影裝置（鎢或鈾合金的條塊），往下拉動(dòng)鎢條塊，既加大了源限距又減小了限皮距，但應(yīng)注意不要靠近皮膚，以防次級(jí)射線污染

60Co垂直照射相鄰野的設(shè)計(jì)

垂直照射時(shí),理想相鄰兩照射野的設(shè)計(jì)應(yīng)使兩野邊緣在腫瘤中央部位相接，即模擬燈光影邊緣的延長(zhǎng)線在腫瘤中央相接

60Co因有幾何半影存在，設(shè)計(jì)照射野時(shí)則應(yīng)使兩野的半影區(qū)在腫瘤部位重合，使治療區(qū)內(nèi)劑量均勻一致

根據(jù)幾何推導(dǎo)，皮膚上相鄰兩照射野的間距W應(yīng)為：

W=[（a1+a2）]·d/f

W=相鄰兩照射野皮膚上間距

a1、a2分別為相鄰兩照射野長(zhǎng)度的1/2

f=源皮距，d=腫瘤深度

W1=d深度處兩照射野半影的重合區(qū)，即照射靶區(qū)

穿射半影的消減

用多層的扇形準(zhǔn)直器，可使準(zhǔn)直器內(nèi)緣與線束邊緣始終保持平行，可消減因準(zhǔn)直器厚度不一致造成的過(guò)量穿射半影

穿過(guò)準(zhǔn)直器全層的穿射半影則在允許的劑量范圍之內(nèi)，且是無(wú)法避免的

影響散射半影的因素

散射半影與照射面積大小成正比，與射線能量成反比，一般是無(wú)法消除的

醫(yī)用電子加速器

可產(chǎn)生高能X線和高能電子束高能X線的射線能量比60Co高按不同型號(hào)機(jī)器可產(chǎn)生6、8、10、12或15MV等能量的X線其優(yōu)點(diǎn)比60Co更顯著，且半影極小，劑量率高，又能按治療所需調(diào)節(jié)不同檔次的能量,配合一定的裝置，可用于X刀、適形放療和調(diào)強(qiáng)適形放療

高能X線的不足之處

深度量雖高,但劑量衰減緩慢,出射量高

能量更高,建成效應(yīng)大,由于空腔效應(yīng),使氣腔界面上腫瘤表面劑量更低屬低LET射線

高能電子束的優(yōu)點(diǎn)

高能電子束的特點(diǎn)是從體表到一定深度（可調(diào)節(jié)不同檔次的電壓），劑量分布較均勻，在此深度后劑量驟然下降，可保護(hù)腫瘤后的正常組織

電子束等劑量曲線的中心部分一般始終和體表入射面平行,在用大面積照射時(shí)更是如此,這對(duì)不規(guī)則曲面體表入射時(shí)的劑量分布極為有利

高能電子束的缺點(diǎn)應(yīng)注意電子束能量越高，皮膚受量也越高，須防止皮膚損傷

使用的電子線能量過(guò)高，將產(chǎn)生較多的光子污染，失卻了電子束的優(yōu)點(diǎn)

入射面處的等劑量曲線集中,隨著射線能量的增高、深度增加而等劑量曲線逐漸展開，旁向散射大

等劑量曲線的曲率也隨深度、射野面積和電子能量而變化，且變化范圍較大

高LET射線

生物學(xué)特性

OER值較低,能殺滅對(duì)低LET射線抗拒的乏氧細(xì)胞

RBE高對(duì)增殖周期中各期相細(xì)胞和非增殖周期（G0期）細(xì)胞的放射敏感性差異小幾乎沒(méi)有或較少有細(xì)胞的非致死性損傷的修復(fù)

治療增益因子(TGF)大

物理學(xué)優(yōu)點(diǎn)

質(zhì)子、負(fù)π介子及某些重離子的劑量曲線均有Bragg峰形成，保護(hù)了腫瘤深度前后的正常組織，故可對(duì)腫瘤照射比低LET射線高得多的劑量其中負(fù)π介子除了形成Bragg峰的高劑量區(qū)外,尚可被組織中的碳、氧和氮核俘獲并發(fā)生核裂解，釋放出γ粒子