X線、電子線劑量學(xué)-醫(yī)學(xué)課件

X線、電子線劑量學(xué)

放療用的X線、電子線如何產(chǎn)生？電子直線加速器：X線與電子線的產(chǎn)生加速器的重要組成結(jié)構(gòu)微波源（磁控管、速調(diào)管）電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)電離室準(zhǔn)直器加速管靶均整器放療的整個(gè)流程？X線、電子線劑量學(xué)在放療中起什么作用？它是理解放療的基礎(chǔ)！X線、電子線劑量學(xué)的主要內(nèi)容是什么？主要內(nèi)容第一節(jié)帶電粒子與物質(zhì)的相互作用第二節(jié)X線與物質(zhì)的相互作用第三節(jié)放療劑量學(xué)基本單位和術(shù)語(yǔ)第一節(jié)帶電粒子與物質(zhì)相互作用1、主要作用方式2、能量損失的特點(diǎn)3、作用小結(jié)4、電子線射野劑量學(xué)基礎(chǔ)1、主要作用方式1.1與原子核外電子的非彈性碰撞1.2與原子核的非彈性碰撞1.3與原子核的彈性碰撞1.4與原子核發(fā)生核反應(yīng)A.電離

入射帶電粒子（如電子）與原子核外電子之間庫(kù)侖相互作用，傳遞給原子核外電子一部分能量，使之克服原子核束縛成為自由電子，使原子發(fā)生電離。

1.1與原子核外電子的非彈性碰撞B.激發(fā)

入射帶電粒子傳遞給原子核外電子較少能量，電子不足擺脫原子核束縛，電子可以向外殼躍遷使原子處于激發(fā)狀態(tài)。此過(guò)程稱為“激發(fā)”，激發(fā)原子退激時(shí)發(fā)光。

1.1與原子核外電子的非彈性碰撞C.作用結(jié)果

損失能量（碰撞損失/電離損失）

電離損失和激發(fā)引起的入射帶電粒子能量損失1.1與原子核外電子的非彈性碰撞韌致輻射

入射帶電粒子與原子核之間的庫(kù)侖力作用,使入射帶電粒子的方向和速度發(fā)生改變，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變伴隨發(fā)生電磁輻射，稱為“韌致輻射”。作用結(jié)果：輻射損失能量。1.2與原子核的非彈性碰撞

入射帶電粒子與原子核庫(kù)侖場(chǎng)相互作用，使入射粒子損失一部分能量。特點(diǎn)：能量損失小，不輻射光子、不激發(fā)原子核。滿足動(dòng)能和動(dòng)量守恒定律。當(dāng)帶電粒子能量很低時(shí)，才會(huì)有明顯彈性碰撞1.3與原子核的彈性碰撞當(dāng)入射的重帶電粒子能量足夠大（約100MeV)時(shí)，與原子核的碰撞距離小于原子核的半徑時(shí)，擊出1個(gè)或多個(gè)核子，原子核處于激發(fā)態(tài)，通過(guò)放射出核子或r射線退激。注：100MeV的質(zhì)子照射石墨，核反應(yīng)損失約占總能量損失的2.5%電子束，核反應(yīng)能量損失可忽略。1.4與原子核發(fā)生核反應(yīng)2、能量損失的特點(diǎn)2.1電離損失的定量計(jì)算2.2輻射損失的定量計(jì)算2.3電離和輻射缺失的相對(duì)重要性

dE

z2

(-)NedXE式中：

z：重帶電粒子的電荷數(shù)

Ne：靶物質(zhì)每克電子數(shù)

E：入射粒子能量

2.1電離損失的定量計(jì)算dEz2Z2

(-)NEdXm2

m:入射粒子靜止質(zhì)量E：入射粒子能量

z：入射粒子電荷Z：靶物質(zhì)原子序數(shù)N：?jiǎn)挝毁|(zhì)量靶物質(zhì)中的原子數(shù)上述能量損失（電離損失+輻射損失）用“阻止本領(lǐng)”描述2.2輻射損失的定量計(jì)算總能量損失=電離損失+輻射損失，忽略其它損失。重帶電粒子：輻射損失可以忽略

SS

=()col

電子：輻射損失和電離損失的相對(duì)重要性

SSZE

（

）rad/()col

800MeV

其中，Z:靶原子的原子序數(shù)E：入射電子的動(dòng)能2.3

兩種能量損失的相對(duì)重要性帶電粒子與物質(zhì)相互作用是通過(guò)與核外電子的多次非彈性碰撞，使靶物質(zhì)電離和激發(fā)而損失能量—電離損失與靶原子核的非彈性碰撞而損失能量--輻射損失每一次碰撞能量損失很小，因此可用阻止本領(lǐng)及射程描述帶電粒子在物質(zhì)中的行為3、作用小結(jié)輻射損失與入射帶電粒子的m2成反比，輕帶粒子的輻射損失比重帶電粒子的損失大得多（如：相同能量電子的輻射損失比質(zhì)子的大100萬(wàn)倍）輻射損失與Z2成正比，重元素物質(zhì)中的軔致輻射比輕元素物質(zhì)大輻射損失與入射粒子能量成正比入射粒子能量越高，輻射損失越大。3、作用小結(jié)4、電子線射野劑量學(xué)基礎(chǔ)電子束限光筒的作用形成不同尺寸照射野產(chǎn)生散射電子，改善電子束的角分布、能譜、射野的均勻性。增加建成區(qū)的劑量中心軸百分深度劑量曲線分四個(gè)區(qū)：劑量建成區(qū)高劑量坪區(qū)劑量跌落區(qū)X射線污染區(qū)表面劑量Ds>75%X射線污染水平6-12MeV,0.5%-2%12-20MeV,2%-5%6MeV15MeV中心軸百分深度劑量曲線能量對(duì)百分深度劑量的影響隨著電子束能量增加：表面劑量增大高劑量坪區(qū)變寬劑量梯度(G)減小X射線污染增加電子束劑量學(xué)優(yōu)點(diǎn)逐漸消失。6MeV15MeV4~6MeV電子束，表面劑量約為75%15~25MeV電子束，則高達(dá)90%以上低能電子束的劑量跌落要比高能電子束的更陡實(shí)際放療能量范圍：

4～15MeV能量對(duì)百分深度劑量的影響7MeV13MeV20MeV不同能量、大小的射野中心軸PDD源皮距對(duì)PDD的影響隨SSD增加：表面劑量降低最大劑量深度變深劑量梯度變陡X射線污染略有增加電子束射野的等劑量分布隨深度增加：低值等劑量線向外側(cè)擴(kuò)張高值等劑量線向內(nèi)側(cè)收縮電子束能量大于7MeV以上時(shí)，情況更突出電子束的輸出劑量由于電子易于散射，輸出劑量隨限光筒大小的變化沒(méi)有明顯的規(guī)律；不同廠家的限光筒設(shè)計(jì)不同，同號(hào)限光筒，輸出劑量也會(huì)不同。斜入射對(duì)PDD的影響斜入射增加最大劑量dm的側(cè)向散射，使dm向表面方向移動(dòng)，電子束穿透能力減弱斜入射的影響可用筆形束模型解釋斜入射對(duì)劑量分布的影響表面不規(guī)則對(duì)劑量分布的影響不規(guī)則階梯狀體表，因旁散射的失衡在界面附近產(chǎn)生局部的劑量熱點(diǎn)和冷點(diǎn)，當(dāng)臺(tái)階突出時(shí)，電子由里向射束軸外散射；反之，電子由外向射束軸心方向散射，臨床上通常使用組織填充物來(lái)減弱電子穿透能力，使其邊緣劑量平穩(wěn)過(guò)渡。組織補(bǔ)償補(bǔ)償體表不規(guī)則的外輪廓，減弱電子束的穿透能力，提高皮膚劑量。補(bǔ)償材料：石蠟、聚苯乙烯和有機(jī)玻璃，密度約1g/cm3。小塊不均勻性組織小塊不均勻性組織，會(huì)在邊緣處產(chǎn)生劑量熱點(diǎn)和冷點(diǎn)射野銜接技術(shù)電子束野銜接技術(shù)特殊部位照射，如全腦全脊髓治療，需用多個(gè)相鄰野銜接構(gòu)成大野，要避免靶區(qū)內(nèi)有超/欠劑量。銜接的基本原則是：在皮膚表面相鄰野之間，或留有一定的間隙，或使得兩野共線，使50%等劑量曲線在所需深度相交，形成較好的劑量分布。建議經(jīng)常變化其銜接的位置，以避免固定位置銜接出現(xiàn)熱點(diǎn)或冷點(diǎn)劑量。1、常用4、6、9、12、15MeV2、約15%患者使用3、電子束射程有限4、能保護(hù)靶區(qū)后器官、組織5、皮膚劑量較高6、深度劑量在小野變化明顯7、不均勻組織影響大8、不符合平方反比定律9、適宜于表淺腫瘤、淋巴結(jié)電子線射野劑量學(xué)基礎(chǔ)小結(jié)第二節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用1.X線的作用特點(diǎn)2.X線的主要作用方式各種作用的相對(duì)重要性

X線射野的基本劑量特點(diǎn)X射線是電磁輻射，不帶電，無(wú)靜止質(zhì)量。與物質(zhì)的相互作用機(jī)制與帶電粒子完全不同。X射線與物質(zhì)相互作用是通過(guò)一次碰撞損失大部分或全部能量，穿過(guò)物質(zhì)時(shí)其強(qiáng)度遵循指數(shù)衰減規(guī)律:-tI=I0e1.X線的作用特點(diǎn)2.1光電效應(yīng)2.2康普頓散射2.3電子對(duì)效應(yīng)2.4光致核反應(yīng)2.X線的主要作用方式（能量小于30MeV）X射線全部能量轉(zhuǎn)移給原子中束縛電子使其從原子中發(fā)射出來(lái)，光子本身消逝。2.1光電效應(yīng)

光電子發(fā)射特征X射線和俄歇電子光電效應(yīng)總截面光電效應(yīng)線性衰減系數(shù)光電效應(yīng)光電子角分布入射光子把全部能量交給束縛電子，電子在原子中的束縛能一部分轉(zhuǎn)化為電子動(dòng)能，一部分用于原子核反沖（可忽略）

h=Ee+Bi

式中，Ee：電子動(dòng)能

Bi：電子在殼層中束縛能A.光電子發(fā)射2.1光電效應(yīng)B.特征X射線和俄歇電子發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)從內(nèi)殼打出電子，該殼留下空穴使原子處于激發(fā)態(tài)，有兩種退激過(guò)程：特征X射線：外殼層電子向內(nèi)殼層躍遷使原子退激，殼層之間束縛能之差以X射線形式發(fā)射俄歇電子：原子的激發(fā)能交給外層電子使電子發(fā)射出來(lái)2.1光電效應(yīng)C.光電效應(yīng)總截面

每個(gè)原子光電效應(yīng)總截面與原子序數(shù)、光子能量間的關(guān)系（h大于K層結(jié)合能時(shí)）：

phZn/(h)3

式中

h：光子能量

n：取值4~4.8,與原子序數(shù)相關(guān)

Z：原子序數(shù)2.1光電效應(yīng)D.光電效應(yīng)線性衰減系數(shù)

光電效應(yīng)線性衰減系數(shù)與原子序數(shù)、光子能量間的關(guān)系（h大于K層結(jié)合能時(shí)）：

ph

phZn/(h)3

式中h：光子能量

n：取值4~4.8,與原子系數(shù)相關(guān)

Z：原子序數(shù)光電效應(yīng)隨原子序數(shù)增加迅速增加光電效應(yīng)隨光子能量增加迅速減少2.1光電效應(yīng)E.光電效應(yīng)光電子角分布低能光子電子沿近900方向發(fā)射高能光子沿近00方向發(fā)射

900

低能光子h

00

高能光子2.1光電效應(yīng)A、反應(yīng)機(jī)制光子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使之脫離原子成為反沖電子。散射光子的能量核方向改變

原子核反沖電子Eeh

~~~~~~~

電子

散射光子h’2.2康普頓效應(yīng)B、與光電效應(yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中光子本身消失，能量全部轉(zhuǎn)移給電子?？灯疹D效應(yīng)光子把部分能量轉(zhuǎn)移給電子。光電效應(yīng)發(fā)生在束縛最緊的內(nèi)殼層電子上。康普頓效應(yīng)發(fā)在束縛最松的外殼層電子上

原子核反沖電子Eeh

~~~~~~~

電子

散射光子h’2.2康普頓效應(yīng)C、康普頓效應(yīng)能量分布

入射光子能量h

反沖電子動(dòng)能Ee和散射光子h’Ee=h-h’入射光子能量一定時(shí)，散射光子能量隨散射角度增大而減小。散射角一定時(shí)，散射光子能量隨入射光子能量增大而增大。隨入射光子能量增大，散射光子越朝前向散射。=0時(shí)，h=h’，Ee=0=90時(shí)，Ee<0.511MeV；=180時(shí)，Ee<00.256MeV2.2康普頓效應(yīng)D.康普頓效應(yīng)

原子散射總截面

E

<<m0c2截面與入射光子能量無(wú)關(guān)，與Z呈正比。E

>>m0c2與Z成正比，近似與光子能量成反比

c

10-24-10-25-10-26-10-27-

0.11.010.0100

E(MeV)

2.2康普頓效應(yīng)反應(yīng)機(jī)制光子穿過(guò)原子核時(shí)與原子核的庫(kù)侖場(chǎng)相互作用，光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子特點(diǎn)：入射光子的能量必須E>2m0c2=1.02MeV與光電效應(yīng)類似，必須有第三者原子核參與，才能維持能量和動(dòng)量守恒。由于原子核反沖動(dòng)能小，可以忽略

原子核正電子

h

~~~~~~~

負(fù)電子2.3電子對(duì)效應(yīng)正電子在吸收體中慢化使其動(dòng)能為零，與電子相互作用產(chǎn)生兩個(gè)

射線，此稱為“電子對(duì)湮滅”2.3電子對(duì)效應(yīng)正負(fù)電子對(duì)的能量和角度分布能量分布：E=Ee++Ee-+2m0c2由于Ee++Ee-=常數(shù)，正電子和負(fù)電子之間能量分配是任意的角度分布：由動(dòng)量守恒正負(fù)電子對(duì)沿入射光子方向前角發(fā)射。光子能量越大，發(fā)射方向越前傾湮滅光子的能量和角度分布能量分布：

E1+E2=2m0c2且E1=E2=m0c2角度分布：湮滅前正負(fù)電子的動(dòng)能和動(dòng)量為零，因此運(yùn)動(dòng)方向相反2.3電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)

截面E>2m0c2

pZ2EE>>2m0c2

pZ2lnE

p/Z210-25-10-26-10-27-10-28-10100

E

(MV)2.3電子對(duì)效應(yīng)光致核反應(yīng)：高能光子引起核反應(yīng)，如（，n)，這是有閾反應(yīng)，超過(guò)閾能1～幾MeV時(shí)，反應(yīng)幾率隨能量增加.2.4光致核反應(yīng)2.4光致核反應(yīng)加速器X線能量>10MV時(shí)：與鉛、鎢反應(yīng)閾能5.7～8.1MeV最大反幾率應(yīng)能量13～18MeV射野內(nèi)，中子強(qiáng)度約為X線劑量的0.5%射野外，中子強(qiáng)度約為X線劑量的0.1%2.4光致核反應(yīng)加速器X線能量>10MV發(fā)生（，n)時(shí)，中子來(lái)源：鎢靶33%

一級(jí)準(zhǔn)直器42%X線均整器12%

治療準(zhǔn)直器13%三種作用形式與光子能量、吸收特質(zhì)原子序數(shù)間相互關(guān)系3、各種相互作用的相對(duì)重要性3、各種相互作用的相對(duì)重要性人體骨、肌肉和脂肪相對(duì)空氣的質(zhì)能吸收系數(shù)人體組織對(duì)X射線的吸收差別60～150keV，低能X線，骨的吸收遠(yuǎn)高于其它150～250keV，深部X線，骨的吸收較高2～22MV，高能X線，三種組織相近22～25MV，高能X線，骨的吸收稍高4、X線射野劑量學(xué)基礎(chǔ)4.1基本單位和術(shù)語(yǔ)4.2百分深度劑量性質(zhì)4.3等劑量分布曲線1.射線束（Beam)：從放射源發(fā)出的，沿著光子的傳輸方向，其橫截面的空間范圍稱為射線束。2.射線中心軸：定義為射束的對(duì)稱軸，并與準(zhǔn)直器的旋轉(zhuǎn)軸和放射源的中心同軸4.1基本單位和術(shù)語(yǔ)一、術(shù)語(yǔ)定義3.照射野（Field)：由準(zhǔn)直器確定的射線束的邊界，并與射線束中心軸垂直的平面稱為照射野。4.源皮距（SSD）：由放射源表面沿射中心軸到受照物體表面的距離。4.1基本單位和術(shù)語(yǔ)SSD一、術(shù)語(yǔ)定義5.源軸距（SAD)：從放射源前表面沿射線中心軸到等中心的距離。4.1基本單位和術(shù)語(yǔ)等中心點(diǎn)機(jī)頭轉(zhuǎn)軸機(jī)架旋轉(zhuǎn)軸床繞等中心轉(zhuǎn)軸PDD的定義：

射野中心軸上某一深度處的吸收劑量，與參考深度的吸收劑量之比。即：

PDD=Dd/Dd0*100%

說(shuō)明：對(duì)高能X線，參考深度取最大劑量深度dmax4.2百分深劑量PDD的特性射野中心軸上PDD曲線示意圖6MVX線