1、放射治疗的物理基础 放射性物质衰变种类与放射治疗源 放射治疗机原理和发展,放射源和放射治疗机,何为(致)电离辐射一切能够引起物质分子、原子电离的电磁辐射、高能带电粒子、高能不带电粒子电离辐射。电离辐射与电磁辐射不同。 宇宙射线、天然(人工)放射性核素、各种核技术设施。,X射线、射线,电离辐射与人类的关系，电离辐射在医学中的应用电离辐射对人体的作用是伴随着整个人类历史而存在的。 十九世纪末、二十世纪初人类才认识到电离辐射的存在。射线的临床应用有近百年的历史。放射医学 放射诊断学放射治疗学核医学,相关概念 1. 原子核的组成,原子核 核子 电子,质子 中子,原子,2. 物质是由分子组成的，分子是物
2、质能独立存在的最小单元。3. 分子是由原子组成的。原子是元素的最小单元，是用任何化学方法都不能分解的最小粒子。同种元素的原子具有相同的化学性质。,原子的有核模型 1911年卢瑟福(E.Rutherford) 根据实验结果提出了原子的核式模型：,波尔假设与原子能级,电子与靶物质的相互作用,激发,电离,特征辐射,轫致辐射,X、射线与物质的基本作用,1. 光电效应 (Photo electric effect),作用过程 E光电子=h-i,光子 原子核外电子,光电子,电离态原子,特征辐射 俄歇电子,原子（基态）,+e,2. compton效应, 作用过程,散射光子能量,反冲电子动能,反冲角和散射角间
3、关系,3. 电子偶生成(Pair production),作用过程 反应阈能1.02MeV, 介质电子偶生成线性吸收系数,4. 各种相互作用的竞争,对于水： 三种效应占优势的能量范围依次为：1030keV: 用于诊断成像 30keV25MeV: 用于加速器治疗25MeV100Mev,放射性核素,一、 衰变 二、 衰变 三、 衰变,一、衰变,衰变：,放射性核素的原子核放射粒子而变为另一种核素的原子核的过程.,粒子：高速运动的氦原子核 2. 衰变反应方程母核；子核核衰变满足 质量数守恒电荷守恒能量守恒,衰变能，被子核和粒子共同分配,二、衰变 衰变,1. 衰变 衰变； 粒子,反中微子，一种基本粒子。
4、中性，静止质量可以认为是0，与其它物质作用很弱，穿透力很强。,2. 衰变反应方程,1. + 衰变 + 衰变； + 粒子,中微子，一种基本粒子。中性，静止质量可以认为是0，与其它物质作用很弱，穿透力很强。, + 衰变,2. 衰变反应方程,衰变反应方程, 电子俘获(electron capture EC),三、衰变,1. 射线是一种 electro magnetic radiation 是处于激发态的原子核跃迁到基态或较低能态时所发射的一种电磁辐射。 2. 衰变反应方程 3.能谱单能 Qh,原子核衰变是核的自发变化中子过多的不稳定核素常发生 -衰变； 质子过多的核素常发生衰变+或EC； 处于高能级
5、的核素常发生衰变； 重的不稳定核素常发生衰变或自发裂变。,几个物理量反映放射性核素衰变快慢 衰变常数(decay constant),：单位时间衰变的原子核数,：单位时间衰变的原子核数在当 时存在的原子核数中占的比率。,物理意义,的值与外界条件(温度、压力、电磁场、化学状态)无关，仅由核本身的性质决定。,半衰期T 1/2(half life),某一放射性核素，当经过n个半衰期后，尚未衰变的原子核数仅为原来的(1/2)n,平均寿命(mean life),统计平均值,放射性活度,1. 定义 一定量的放射性核素，在单位时间发生核衰变的次数。,定义,规律,2. 单位 SI制 贝可勒尔(Becquere
6、l) 贝可(Bq)1Bq=1s 1 即每秒发生一次核衰变 早期单位 居里(Curie) 居 Ci或C1Ci=1g 226Ra在1秒内的核衰变次数1Ci=3.710 10 Bq, 决定放射性强弱的量是A而不是或N，A=N。, A反映了单位时间内核衰变的次数，而不是指单位时间内放射出来的粒子数。,放射治疗中几种放射性同位素,核医学中几种放射性同位素,放疗设备,定位机 模拟定位机CT模拟机 外照射治疗机 深部X线机钴60治疗机医用加速器质子加速器头部伽玛刀 内照射治疗机 后装机 中子刀,模拟定位机功能,靶区及重要器官的定位 定靶区（或危及器官）的运动范围 治疗方案的确认（治疗前模拟） 勾画射野和定位
7、、摆位参考标记 拍摄射野定位片或证实片 检查射野挡块的形状及位置,模拟定位机成像原理,Lamber-beer定律：,MA-电子数量，反应强度 KV-管电压，反应X线能量,模拟定位,CT扫描机激光定位系统虚拟模拟定位工作站,测试到衰减后的X线值, 转换成CT值并传送到计算机.,CT影像形成 - “Matrix(矩阵)”,X线-CT成像原理,X线治疗机,X射线管的结构 硬质玻璃管高度真空 阴极；阳极；靶,能量低 深度剂量低 易于散射 照射野不均匀 剂量分布差,60钴治疗机,与普通X线机相比所具备的独特优点： 穿透力强，剂量分布比较均匀 能够比较好的保护皮肤 骨和软组织有同等的吸收剂量 旁向散射小，
8、较好的保护了射野周围正常组织 经济适用、性能可靠,60钴治疗机存在的问题：,半影的影响几何半影散射半影穿射半影 更换放射源的复杂新旧源规格相近，特别是直径大小剂量学测定：输出量、剂量分布、半影测定、机器本身的防护,医用加速器,高能X线的产生诞生了现代医用加速器，五十年代初期开始应用于临床，得到了广泛发展，种类多达十多种。 主要特点：既可产生高能电子束，又可以产生高能X线和快中子，能量范围在450MeV。可根据射线效应适合不同部位不同深度的放射治疗。,加速器靶产生X射线的空间分布,管电压低时，利用“反射式”靶在技术上很有好处，可以利用与电子束成直角的那一部分射线。,加速器中，产生的高能X射线多用
9、“穿透式”靶，高速电子从靶的一面射入，有用射线从靶的另一面射出。,主要三种加速器性能比较,质子治疗,质子治疗优势： 与核反应，能量剂量分布好。右图是展宽后的Bragg峰,6MV五野的直线加速器计划,170MeV二野的质子加速器计划,对腹膜后脊髓附近的脂肉瘤照射等剂量分布图,其他优势：,质子与物质相互作用时因弹性散射引起的入射束的方向改变很小。在90%的射程内散射角小于或等于5质子时带电粒子，可以通过电磁元件对射线束的形状位置精确控制质子的相对生物效应和常规辐射差不多，大量常规辐射的临床经验可以被引用,目前缺点：,质子的能量比电子大1936倍，因此对组织的渗透能力差，需要较高能量的加速器，最大能
10、量200240MeV。导致治疗装置庞大而昂贵，一次性投资大，建设周期长。与高LET射线比，氧增比高，对缺氧肿瘤需要更高的剂量。,美国Loma Linda大学医学中心质子治疗机平面图,头部 -刀,伽玛刀,利用201个产生 射线的 60Co源定向聚焦成一点形成一个小照射野 (18mm)， 对靶区给予一次大剂量照射，达到摧毁靶组织的目的。 适用于治疗颅内肿瘤、血管疾病及功能性神经疾病。（适用性小）,现代近距离治疗的特点,后装 高活度放射源由微机控制 放射源微型化 剂量分布由计算机进行计算,252锎中子治疗机-中子刀,252锎半衰期2.65年，发射裂变中子，平均能量为2.35MeV.同时也发射射线。中子与物质的相互作用非常复杂，它与核外电子几乎不发生作用，主要与原子核发生三种类型的反应：弹性散射、非弹性散射和中子俘获。,252锎中子治疗的优点,LET（传能线密度）较高，对恶性肿瘤细胞杀伤力强，没有或很少亚致死损伤修复，也没有潜在致死性修复，即根治的可能性大，治愈率高 。 RBE（相对生物效应系数）较大。 OER（氧增效比）较低，即乏氧恶性肿瘤细胞对252锎中子抗性小，快中子的抑制恶性肿瘤能力较强。,谢谢！,
