放療的物理學(xué)基礎(chǔ)1課件

放射治療的物理學(xué)基礎(chǔ)江蘇省腫瘤醫(yī)院放療科何俠放射治療概述

●放射治療是應(yīng)用放射性物質(zhì)或放射能治療疾病

●1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線及1896年居里夫人、貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鐳為放射治療奠定了基礎(chǔ)。

●1905年第一例鐳插植治療舌癌成功開(kāi)創(chuàng)了放射治療的先河

●20世紀(jì)40年代有了深部X線機(jī),50年代有了60鈷遠(yuǎn)距離治療,放射治療成了一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科,60年代更有了直線加速器,80年代有了現(xiàn)代遙控后裝近距離治療機(jī),20世紀(jì)末,調(diào)強(qiáng)放射治療(IMRT)應(yīng)用于臨床。

●當(dāng)前約有45%的惡性腫瘤可以治愈,其中22%為手術(shù)治愈,18%為放射治療治愈,5%為藥物治愈。

放射治療概述

●放射治療是當(dāng)今治療惡性腫瘤最常用的方法之一,在腫瘤患者中約有70%接受放療。放射治療可單獨(dú)或與其他治療方式聯(lián)合應(yīng)用。

●放射治療的目的在于對(duì)確定的腫瘤體積給予精確的輻射劑量,同時(shí)應(yīng)使病變周圍的正常組織僅受到極小的損傷,在根治腫瘤的同時(shí)以最小的代價(jià)取得患者長(zhǎng)期高質(zhì)量的存活。放療對(duì)某些患者則可作為有效的姑息治療手段,如緩解疼痛和減輕癥狀。放療亦可使一些未閉合的腔道閉合,保持機(jī)體構(gòu)架和器宮功能的完整,當(dāng)然應(yīng)盡力減少并發(fā)癥的發(fā)生。

●放射治療使用的放射源主要有三類：放射性同位素放出的α、β、γ線；X線治療機(jī)和各類加速器產(chǎn)生的不同能量的X線；各類加速器產(chǎn)生的電子束、質(zhì)子束、中子束、負(fù)π介子束以及其它重粒子束。

放射治療概述

●放射治療的兩種基本照射方式：遠(yuǎn)距離照射和近距離照射。外照射最常用的分割劑量為每次2Gy（戈瑞），每周連續(xù)放療5天

●放射治療禁忌癥：放射治療的絕對(duì)禁忌證少見(jiàn),一般可將晚期腫瘤病人處于惡液質(zhì)的情況視為放療的禁忌證。過(guò)去將食管癌出現(xiàn)穿孔列為放療禁忌證,近年來(lái)由于食管支架的使用,出現(xiàn)穿孔也可以放療。凡屬于放射不敏感的腫瘤,應(yīng)視為相對(duì)禁忌證。中度敏感的腫瘤,但已出現(xiàn)廣泛擴(kuò)散或足量放療后復(fù)發(fā)者,也應(yīng)視為相對(duì)禁忌證。

腫瘤放射物理學(xué)

研究放療設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能以及各種射線在人體內(nèi)的分布規(guī)律，探討提高腫瘤劑量、降低正常組織受量的物理方法。相當(dāng)于內(nèi)科學(xué)中的藥理學(xué)，指導(dǎo)我們正確選擇放射源和治療方式。

核物理基礎(chǔ)

●原子結(jié)構(gòu)：原子大?。?0-10m數(shù)量級(jí)；原子核10-14m；電子電荷量e=1.60219×10-19C。

●原子序數(shù)：核外電子數(shù)、核內(nèi)質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)。（原子為電中性）●核素：具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子的總體。元素：具有相同原子序數(shù)（質(zhì)子數(shù)）的原子的總體。同位素：原子序數(shù)相同而質(zhì)子數(shù)不同的核素。核物理基礎(chǔ)

●原子的基本特征：AZX；X為元素符號(hào)，Z是原子序數(shù)，A是原子質(zhì)量數(shù)。

●核外電子數(shù)為Z：分層從內(nèi)到外：K、L、M、N、O等。每層電子數(shù)為2n2。

●原子能級(jí)：基態(tài)；結(jié)合原子根據(jù)外圍電子所處的不同殼層狀態(tài)而呈不同的能量級(jí)別。當(dāng)一個(gè)自由電子填充殼層時(shí)會(huì)以發(fā)射一個(gè)光子的形式釋放能量，能量值的大小等于殼層能級(jí)能量的絕對(duì)值稱為結(jié)合能。對(duì)于同一個(gè)能級(jí)，結(jié)合能將隨原子序數(shù)的增大而增加。核物理基礎(chǔ)

●原子能級(jí)：激發(fā)態(tài)；激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的能量差值以電磁輻射的形式發(fā)出。又稱特征輻射。如能量傳給外層電子而使該電子成為俄歇電子———能量等于躍遷能量減結(jié)合能。

核物理基礎(chǔ)

●光子：自由電子填充殼層時(shí)以光子的形式釋放能量。能量為相應(yīng)殼層的結(jié)合能。具有一定能量而無(wú)質(zhì)量。

●特征輻射：不同能級(jí)的電子躍遷的能量差值以電磁輻射的形式發(fā)出。●原子核獲得能量可以從基態(tài)躍遷到某個(gè)激發(fā)態(tài)。當(dāng)它再躍遷回基態(tài)時(shí)以r射線形式輻射能量。稱為韌致輻射。

核物理基礎(chǔ)

●eV是一個(gè)電子在真空中通過(guò)1V電位差所獲得的動(dòng)能。KeV千電子伏特。MeV為兆電子伏特。1eV=1.602192×10-19J。●

電磁輻射：X線、r線、光波、熱波、無(wú)線電波、紫外線、紅外線。E=h.v。h為普朗克常數(shù)：6.61×10-27爾格.秒。波長(zhǎng)λ=C/v。C為光速3×108米/秒●質(zhì)能關(guān)系式：E（焦耳）=mc2。C為光速

核物理基礎(chǔ)

●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)間間隔之商。貝可勒爾（Bq）。T=0.693/λ（衰變常數(shù)）●放射性比活度：?jiǎn)挝毁|(zhì)量放射源的放射性活度，衡量純度指標(biāo)。

●人工放射性核素：利用核反應(yīng)堆生產(chǎn)：一是利用反應(yīng)堆中的強(qiáng)中子束照射耙核，耙核俘獲中子而生成放射性核，二是利用中子引起重核裂變，從裂變碎片中提取為豐中子核素，具有β-衰變。

核物理基礎(chǔ)

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放射性同位素-指數(shù)衰變規(guī)律：影響核穩(wěn)定性的因素：中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之間的比例關(guān)系；核子數(shù)的奇偶性；重核的不穩(wěn)定性。（82）衰變類型：α衰變：原子核自發(fā)地放射出α粒子（氦的原子核）的轉(zhuǎn)變過(guò)程。衰變后質(zhì)量減4，電荷減2。鐳Ra-氡Rn。β衰變：原子核自發(fā)地放射出電子e-或正電子e+或俘獲一個(gè)軌道電子的轉(zhuǎn)變過(guò)程。γ躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換：α和β衰變后的子核很可能處于激發(fā)態(tài)，會(huì)以γ射線形式釋放能量躍遷到較低的能態(tài)或基態(tài)。鈷-60、銫-137、銥192。原子核能級(jí)的間隔在10-3MeV以上，為γ線能量低限。

電子與物質(zhì)的相互作用●電子與物質(zhì)（原子）的相互作用：作用方式：彈性散射（高能電子散射向前，角分布銳利，而低能較鈍）。非彈性散射：能量和方向發(fā)生變化。一是作用在外層電子上：激發(fā)（退激發(fā)以光和熱的方式釋放能量）；電離：將電子打出原子之外。不產(chǎn)生X線。二是作用于內(nèi)層電子：將內(nèi)層激發(fā)到外層，外層電子補(bǔ)充，釋放光子，為特征輻射。能量取決于原子序數(shù)和能級(jí)差。三是作用于原子核：激發(fā)到返回穩(wěn)態(tài)釋放γ線。稱為韌致輻射。

電子與物質(zhì)的相互作用●

碰撞損失、輻射損失：碰撞損失發(fā)生在低能產(chǎn)生熱，輻射損失發(fā)生在高能產(chǎn)生X線。碰撞損失/輻射損失=816MeV/（T.Z）（T為動(dòng)能，Z為原子序數(shù)）。如X線機(jī)的冷卻處理?！衿骄婋x功、電子射程：射線在氣體中電離出一對(duì)正負(fù)離子所消耗的功為平均電離功。入射電子在經(jīng)過(guò)激發(fā)、電離、輻射以及核反應(yīng)作用后，不斷損失能量，最后終止于介質(zhì)的深度?！馲線的特征：沒(méi)有質(zhì)量不受重力影響；沒(méi)有電荷不受電場(chǎng)影響；和光線一樣直接穿插；穿過(guò)物質(zhì)強(qiáng)度按指數(shù)衰減；不能被聚焦。

射線與物質(zhì)的相互作用●

X（γ）線與物質(zhì)的相互作用：光子與物質(zhì)作用的三個(gè)過(guò)程：一是光電效應(yīng)：光子與原子內(nèi)層電子作用產(chǎn)生。效應(yīng)與能量的1/E3成正比。與原子序數(shù)有關(guān)。二是康普頓效應(yīng)：光子與外層電子作用：相干散射與反沖電子。與原子序數(shù)無(wú)關(guān)，（骨與軟組織）。三是電子對(duì)效應(yīng)：光子與原子核的作用在>1.02MeV產(chǎn)生。質(zhì)量吸收系數(shù)與原子序數(shù)Z成正比。射線與物質(zhì)的相互作用●三種吸收的相對(duì)重要性：低能光電，>2MeV幾乎全部康普頓，>50MeV主要電子對(duì)。骨組織原子序數(shù)高,不適合低能X線。放療中適合能量為200keV～7MeV。治療機(jī)所標(biāo)為峰值能量，而平均能量約為其1/3-1/4。故1～22MeV。

●指數(shù)吸收定律：能量、吸收物質(zhì)、吸收物質(zhì)厚度。I=I0e-Μx。半價(jià)層HVT：使射線強(qiáng)度衰減至一半所需的吸收體的厚度。HVT=0.693/μ。

放射線的質(zhì)與量●放射線的質(zhì)：表示電離輻射貫穿物質(zhì)的能力，即所謂的射線的硬度，用能量表示。對(duì)于2MV以下的X線用它的管電壓值表示X線的峰值能量，如200KV的X線,最大能量220keV。X線的能譜連續(xù)，平均能量難算，一般用半價(jià)層（HVL）表示，即減弱射線一般強(qiáng)度所需吸收材料的厚度。如1mmCu；對(duì)于2MV以上的X線，通常以MV數(shù)表示；對(duì)于r線用同位素表示，如鈷-60r線。X、r的質(zhì)表示穿透能力，而快中子等表示生物效應(yīng)。

放射線的質(zhì)與量●

射線質(zhì)的測(cè)量：目的:根據(jù)質(zhì)的大小選擇相應(yīng)的百分深度劑量表；測(cè)量吸收劑量時(shí)使用不同的效準(zhǔn)因子、轉(zhuǎn)換因子將讀數(shù)轉(zhuǎn)換成吸收劑量。組織的不均勻性效正對(duì)質(zhì)的影響；不同質(zhì)不同的生物效應(yīng)。400kV以下在固定照射條件下用不同厚度的吸收片疊加。高能X線能量用10×10射野在固定SSD的基礎(chǔ)上測(cè)量50%或80%劑量水深度來(lái)表示射線的質(zhì)。電子束能量：測(cè)量10×10射野束軸上80%劑量深度d80%，或50%的劑量深度、或電子水射程等方法。

放射線的質(zhì)與量●

放射性核素：放射性活度：A=dN/dt。只表示放射性元素的蛻變情況，不表示蛻變方式、粒子種類以及粒子能量。貝可勒爾。以前為居里。半衰期:特定能態(tài)的放射性核素的活度衰減一半所需時(shí)間.放射線的質(zhì)與量●

劑量單位：吸收劑量：D=De/dm戈瑞照射量：X=dQ/dm光子電離產(chǎn)生的全部電子被阻隔產(chǎn)生的離子總電荷庫(kù)倫/千克●建成效應(yīng)：射線照射介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)內(nèi)的吸收劑量隨介質(zhì)表面下的深度的增加而增加的現(xiàn)象。電子建成：吸取介質(zhì)中電子通量隨深度增加；光子建成：寬束射線通過(guò)介質(zhì)，其散射線引起的吸收劑量隨深度的增加X(jué)線射野劑量學(xué)●幾個(gè)名詞：源皮距（SSD）：表示射線源到體模表面中心點(diǎn)的距離源瘤距（STD）：射線源沿照射野中心軸到腫瘤內(nèi)所考慮點(diǎn)的距離源軸距（SAD）：射線源到機(jī)架旋轉(zhuǎn)軸的距離百分深度劑量（PDD）：體模內(nèi)照射野中心軸上任一深度的吸收劑量率與照射野中心軸上參考點(diǎn)吸收劑量率的比的百分率組織最大劑量比（TMR）；體模內(nèi)照射野中心軸上任一點(diǎn)吸收劑量率與空間同一點(diǎn)體模中最大劑量點(diǎn)處的吸收劑量率之比?！癜胗埃簬缀伟胗埃ㄅc放射源大小、源限距離有關(guān)）、穿射半影（與準(zhǔn)直器有關(guān)）、散射半影（與射線質(zhì)有關(guān)）●平坦度：最大劑量點(diǎn)與最小劑量點(diǎn)劑量植之差與其兩者平均值之比均勻性：偏離射野中心軸等距離的兩點(diǎn)處的最大和最小劑量值之差與射野中心軸的劑量之比。X線射野劑量學(xué)●影響源皮距（SSD）因素：射線能量、照射野面積、組織深度、源皮距離●等劑量分布(連接相同深度量的點(diǎn))的影響因素：能量：造成邊緣連續(xù)性的差異；源皮距離和放射源大小對(duì)鈷-60劑量分布的影響；射野斜入射的影響；●人體曲面和組織不均勻性的校正：均勻體模與實(shí)際病人的差別：形狀和大小、組織結(jié)構(gòu)與密度人體曲面校正：腫瘤空氣比法、有效源皮距法、同等劑量曲線移動(dòng)法組織不均勻性校正：腫瘤空氣比法、有效衰減系數(shù)法、同等劑量曲線移動(dòng)法、腫瘤空氣比的指數(shù)校正（電子密度法）X線射野劑量學(xué)●組織補(bǔ)償：填充塊對(duì)于高能X線或鈷-60應(yīng)離開(kāi)皮膚一定距離；補(bǔ)償濾過(guò)用重金屬來(lái)修正傾斜、彎曲、不均勻、不規(guī)則●楔形濾過(guò)板：使50%等劑量曲線與中心軸的垂直線呈一定的角度。注意使用的方向。高能用鉛，低能用銅?！竦刃Х揭埃篠=2ab/（a+b）高能電子束●

高能電子束始用于50年代初.15%的患者在治療中要使用電子束.特點(diǎn)是避免對(duì)靶區(qū)后深部組織的照射.●

高能電子束的產(chǎn)生:電子在加速管中經(jīng)加速和偏轉(zhuǎn)后引出的電子束,束流發(fā)散角很小,需要改造:一是用散射箔,利用散射原理展寬.二是為減少X線污染,利用電磁偏轉(zhuǎn)原理.●

高能電子束的缺點(diǎn):一是易于散射致皮膚劑量高;二是限光筒與皮膚距離增加會(huì)使均勻性變劣半影增寬;三是百分深度量在射野較小時(shí)變化明顯;四是不均勻組織對(duì)對(duì)百分深度量影響顯著;拉長(zhǎng)源皮距時(shí)輸出量不遵守平方反比定律;五是不規(guī)則野輸出劑量計(jì)算仍存在問(wèn)題●

高能電子束適應(yīng)征:表淺,偏心,淺表侵潤(rùn)淋巴結(jié).高能電子束●

劑量分布特點(diǎn)：從表面到一定距離劑量分布均勻，建成區(qū)窄，能量與表面劑量成正比；在一定深度之后劑量突然下跌，醫(yī)用80%-90%區(qū)域內(nèi),但能量選在35MeV內(nèi)；入射面處曲線集中，隨深度增加而散開(kāi)(旁向散射)；不同機(jī)器劑量分布可能不同。每單位厚度(1cm)的組織吸收2MeV電子能量.●骨肺校正：射程依賴電子密度和散射。而散射依賴于原子序數(shù)。一般1cm肺組織等于0.5cm的軟組織。有效深度=實(shí)際深度-0.5xcm肺厚。●高能電子束對(duì)表淺及偏位腫瘤的治療有獨(dú)特的優(yōu)越性照射技術(shù)和射野設(shè)計(jì)原理●

臨床劑量學(xué)四原則：腫瘤劑量要求準(zhǔn)確；靶區(qū)劑量分布要求均勻（變化梯度不能超過(guò)±5%）；提高靶區(qū)劑量減少治療區(qū)正常組織受量；保護(hù)腫瘤周圍重要器官?！穹派湓吹倪x擇：高能X線將腫瘤放在最大劑量點(diǎn)之后●體外照射技術(shù)的分類：SSD、SAD、ROT●SSD轉(zhuǎn)角及病人體位要求準(zhǔn)確，SAD保證升床準(zhǔn)確●高能電子束：建成區(qū)、治療區(qū)、跌落區(qū)●高能X線：靶區(qū)范圍很小可用單野照射，兩野照射中心處深度劑量（PDD）大于75%。

治療計(jì)劃設(shè)計(jì)步驟●

四個(gè)環(huán)節(jié)：體模階段、計(jì)劃設(shè)計(jì)、計(jì)劃確認(rèn)、計(jì)劃執(zhí)行●影響劑量準(zhǔn)確性的三個(gè)要素：病人材料（輪廓、位置、密度）、射野的物理?xiàng)l件、腫瘤周圍重要器官和范圍確定的不準(zhǔn)確。

適形放射治療

●定義：高劑量區(qū)分布的形狀在三維方向上與病變的形狀一致，又稱三維適形放射治療（3DCRT）?！癖匾獥l件：一是在照射方向上，照射野的形狀