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1、一：核物理的基本知识 二：X（r）线射野剂量学三：近距离治疗四：三维物理和治疗计划,一、核物理的基本知识,1、原子的基本结构：,一、核物理的基本知识,2、放射性 1）原子核衰变：a)衰变：b）衰变：c）跃迁：2）放射性衰变公式：,一、核物理的基本知识,3、电离辐射与物质的相互作用X（）射线与物质相互作用的主要过程：a）光电效应，b）康普顿散射，c）电子对效应,一、核物理的基本知识,1,一、核物理的基本知识,X（）射线与物质相互作用的特点：1）X（）光子不能直接引起物质原子电离或激发，而是首先把能量传递给带电粒子；2）X（）光子与物质的一次相互作用可以损失起能量的全部或很大一部分，而带电粒子则是
2、通过许多次相互作用逐渐损失其能量；3）X（）光子束入射到物体时，其强度岁穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子有确定的射程，射程之外观察不到带电粒子。,临床上相同质量厚度的三种组织对X（）射线不同的能量吸收差别。1）对于60-150 kev低能X射线，骨的吸收比肌肉和脂肪的高得多。2）对于150-250 kev低能X射线，骨的吸收比肌肉和脂肪的高。3）对于钴-60射线和222 Mv高能X射线，单位厚度的骨的吸收仍然比肌肉和脂肪的高4）对于22-25 MV的高能X射线，骨的吸收比肌肉和脂肪的稍高。,一、核物理的基本知识,一、核物理的基本知识,带电粒子与物质的相互作用方式包括：1）与核外电子发生非
3、弹性碰撞(释放释放出特征X射线或俄歇电子）；2）与原子核发生非弹性碰撞（轫致辐射）；3）与原子核发生弹性碰撞；4）与原子核发生核放应。,二、X（r）线射野剂量学,1、几个基本概念：1）源皮距（SSD）：放射源到模体表面照射野中心的距离 2）源轴距（SAD）：放射源到机架旋转轴或机器等中 心的距离3）源瘤距（STD）：放射源沿射野中心到肿瘤内所考虑的点的距离4)参考点：一般以射野中心轴上某一深度点为剂量计算 和测量的参考点,二、X（r）线射野剂量学,组织的替代材料（tissue substitutes）:实际测量中常用的是水模体。此外还有有机玻璃和聚苯乙烯。,二、X（r）线射野剂量学,1）对于中
4、高能X射线来说，对水的等效厚度为：如1cm有机玻璃相当于1.148cm的水。,二、X（r）线射野剂量学,2）对于低能X射线，光电效应占主要，两种材料的等效公式如下：其中，Z为有效原子序数。如1cm有机玻璃相当于0.79cm的水3）对于高能X射线，电子对效应占主要，两种模体等效公式如下：如1cm有机玻璃相当于1.05cm水,二、X（r）线射野剂量学,4）对于电子束，模体材料通过以下公式等效：如AAPM TG25号报告中给出了在18MeV电子束下1cm有机玻璃约相当于1.115cm水。,二、X（r）线射野剂量学,1）照射量：X dQ/dm2）吸收剂量：3）比释动能 4）电子平衡条件,2、百分深度剂
5、量（PDD）：1）定义：射野中心轴上某一深度d处的吸收剂量率Dd与参考点深度d0处剂量率Dd0的百分比,二、X（r）线射野剂量学,百分深度量示意图：,二、X（r）线射野剂量学,百分深度量图例：,二、X（r）线射野剂量学,建成效应：从表面到最大剂量深度区域称为剂量建成区域，此区域内，剂量随深度的增加而增加，高能射线一般都有建成区域存在。影响建成区剂量因素：1、David EM.Dose behind various immobilization and beam-modifying devices.Int J Radiat Oncol Biol Phys,1995,32(3):1193-1197
6、2、Doracy PF,John J,Napoli BSEE,et al.Effects of beam modifiers and immobilization devices on the dose in the build-up region.Int J Radiat Oncol Biol Phys,1994,30(1):211-219,二、X（r）线射野剂量学,二、X（r）线射野剂量学,3、对百分深度剂量的影响：1）百分深度剂量随射线能量变化；2）射野面积和形状对百分深度剂量影响3）源皮距对百分深度剂量的影响：,二、X（r）线射野剂量学,1）百分深度剂量随射线能量变化,二、X（r）线射
7、野剂量学,2）面积/周长比法：设矩形野的长、宽分别为a,b；方形野的边长为s，根据面积/周长比相同的方法有：,二、X（r）线射野剂量学,3）不同源皮距的修正：两百分深度剂量比，称为F因子。F为源皮距，dm为最大百分深度剂量处的源距。D为某点的源距。对于低能X射线，一般用(F+1)/2代替F因子。近似将一种源皮距的百分深度剂量换算为另一种源皮距的百分深度剂量。,二、X（r）线射野剂量学,3、组织体模比和组织最大剂量比：定义：模体中射野中心轴上任意一点的剂量率与空间同一点模体中射野中心轴上参考深度(t0)处同一射野的剂量率之比,二、X（r）线射野剂量学,1）组织体模比和组织最大剂量比图例：,d0,
8、水面,二、X（r）线射野剂量学,2）组织最大剂量比与百分深度剂量的关系其中：f=SSD,FSZd=FSZ*(f+d)/f,FSZm=FSZ*(f+dm)/f,二、X（r）线射野剂量学,4、射野输出因子和模体散射因子1）射野输出因子定义（Sc）：射野在空气中的输出剂量率与参考射野（一般为10cm*10cm）在空气中的输出剂量率之比。此处定义的射野输出因子就是准直器散射因子Sc2）模体散射因子（Sp）定义：射野在模体内参考点（一般在最大剂量点）深度处的剂量率与准直器开口不变时参考射野（10cm*10cm）在同一深度处剂量率之比。,二、X（r）线射野剂量学,总散射校正因子（C,P）：准直器和模体的散
9、射线造成的总散射校正因子。Sp（FSZ）C,P/OUF=C,P/Sc,二、X（r）线射野剂量学,5、射野平坦度和对称性：描述射野剂量分布特性的一个重要指标1）射野平坦度：在等中心处（位于10cm 模体深度下）或标称源皮距下10cm的模体深度出，最大射野L的80%宽度内最大、最小剂量偏离中心轴剂量的百分数m。射野平坦度应好于3%。2）射野对称性：取偏离中心轴对称两点的剂量率的差值与中心轴上剂量率的比值的百分数称为射野的对称性。其大小应不超过3%，,二、X（r）线射野剂量学,二、X（r）线射野剂量学,二、X（r）线射野剂量学,光子束照射野均匀性范围的确定,二、X（r）线射野剂量学,二、X（r）线射
10、野剂量学,二、X（r）线射野剂量学,半影：1）几何半影：源具有一定的尺寸，被准直器限束后，射野边缘的点分别受到面积不等的源的照射，产生由高到低的剂量渐变分布；2)穿射半影：即使是点状源，由于准直器端面与边缘射线不平行，使射线穿透厚度不同，也造成剂量渐变分布；3）散射半影：由于在射野边缘，组织中的散射线小于其他点的散射线的贡献，射野边缘离射野中心轴越远，散射线剂量越少。散射半影无法消除。以上统称为物理半影。,二、X（r）线射野剂量学,6、处方剂量计算1）处方剂量：确认的射野安排，欲达到一定的靶区（或肿瘤）剂量DT，换算到标准体模内每个使用射野的射野中心轴上最大剂量点处的剂量Dm，单位为cGy.,
11、二、X（r）线射野剂量学,2）加速器剂量率标定：当使用射野的最大剂量点处的剂量Dm(如使用直线加速器)或剂量率（如钴-60治疗机）是以参考射野 1010cm的剂量Dm或剂量率标定。对加速器，一般在SSD或SAD处，标定1cGy=1MU，MU为加速器剂量仪上的监测跳数。对钴-60治疗机，认为剂量率稳定，处方剂量通过SSD或SAD处的剂量率表示表示成时间，单位为s。,二、X（r）线射野剂量学,加速器剂量计算公式：,二、X（r）线射野剂量学,3）等距离（SSD）照射（通常SSD=100cm）：当标定的刻度为1MU=1cGy时，有靶区剂量DT计算处方剂量Dm，单位为MU，式中FSZ为表面射野大小，FS
12、Z 0为等中心处的射野大小，二者的关系为FSZ=FSZ 0（SAD/SSD），如果射野输出因子OUF在SAD测量，同时，SSD=SAD时，则式中的FSZ=FSZ 0。SSD因子则表示为,二、X（r）线射野剂量学,式中SCD为校准测量时源到电离室中心的距离，如果测量是在标称源皮距处进行，则SSD因子=1,二、X（r）线射野剂量学,4）等中心照射：一般用TMR值，如果加速器测量仍按上述方法校准，则SAD技术的处方剂量Dm由下式计算：,二、X（r）线射野剂量学,式中SAD因子定义为：（其中，SCD为源到电离室中心的距离）,二、X（r）线射野剂量学,例1：能量为8MV的X射线，加速器剂量仪在SSD=1
13、00cm，dm=2cm处，10cm10cm射野，校准为1MU=1cGy,若一个患者的肿瘤深度d=10cm，用15 cm15cm射野，SSD=100cm，求每次肿瘤剂量给200cGy时的处方剂量Dm？若SSD=120cm,（其他条件不变）求Dm？（PDD(d,15cm*15cm)=72.65,Sc(15*15)=1.025,Sp(15*15)=1.011）,二、X（r）线射野剂量学,例2：对于钴60（SSD=80cm)，一个患者的肿瘤深度d=8cm，用15cm15cm射野，SSD=100cm，10cm 10cm射野求每次肿瘤剂量给200cGy时的在d=0.5cm处的剂量率为130cGy/min(
14、SSD=80cm处），给予肿瘤剂量为200cGy，求处方剂量Dm？（PDD(8,15cm*15cm,SSD=100cm)=68.7%Sc(12*12)=1.012,Sp(15*15)=1.014,二、X（r）线射野剂量学,7、楔形因子：楔形因子（Fw）定义为加和不加楔形板时射野中心轴上某一点剂量率之比：楔形板不仅改变了平野的剂量分布，也使射野的输出剂量率减少,二、X（r）线射野剂量学,楔形角定义：按照ICRU50号报告，楔形板对平野剂量的修正作用，用楔形角表示。在体模内射野的L/2距离范围内即射野的一半内，在参考深度处的等剂量曲线上，与射束轴等距离的两点的连线与射束轴垂线的夹角即为楔形角,二、
15、X（r）线射野剂量学,楔形角定义示意图：,二、X（r）线射野剂量学,楔形板临床应用的相应计算公式：（a)两楔形野交角照射：（为两楔形野中心轴的交角）,二、X（r）线射野剂量学,B)用楔形板作补偿：其中为组织斜面入射角，K依赖于射线质，如对8MV光子线，K0.466（SL75型直线加速器），对钴60，K0.389。,二、X（r）线射野剂量学,C)两楔形野对穿与一平野构成三野照射 C=Arctg(2 PDD2 PDD3/(PDD2+PDD3)PDD3)肿瘤剂量比为1：0.5:0.5，则三野剂量比为：M1=1.0M2=PDD1/(2FWPDD2）M2=PDD1/(2FWPDD3）,二、X（r）线射野
16、剂量学,1）一楔合成由楔形野和开野可合成任意角度的楔形野。但照射时间长。2）动态楔形板由独立准直器运动实现。,二、X（r）线射野剂量学,楔形板在临床上适用主要有三个方面：,二、X（r）线射野剂量学,加入楔形板后，楔形野的百分深度剂量等于相同大小射野的不加楔形板时平野的百分深度剂量PDD平与楔形因子Fw 之比。,二、X（r）线射野剂量学,人体曲面和组织不均匀性1、均匀模体和人体之间的差别 组织不均匀性对剂量分布的影响：A）改变原射线和散射线的分布；B)改变次级电子的注量分布；,二、X（r）线射野剂量学,肺组织,二、X（r）线射野剂量学,1、气腔2、金属（背向散射）（1）Eric E.Klein,
17、M.S.,LEE M Chin,D.SC.,etc.,The influence of the air cavities on interface doses for photon beams,Int.J.radiation Oncology Biol.Phys.,Vol.27,pp.419-427（2）T.A.Mian,PH.D,M.C.Van Putten Jr.,D.D.S.,etc.,Backscatter bone-titanium interface from high-ennergy X and gramma rays,Int.J.radiation Oncology Biol.
18、Phys.,Vol.13,pp.1943-1947,二、X（r）线射野剂量学,食管支架,二、X（r）线射野剂量学,2、人体曲面的校正（1）组织空气比或组织最大剂量比方法（2）有效源皮距方法（3）同等剂量曲线移动法 3、组织补偿（1）组织填充物(Bolus)（2）组织补偿器(楔形板）,1、近距离照射剂量学的基本特点：2、放射源的校准3、放射源周围的剂量分布：4、腔内照射剂量学5、组织间照射剂量学6、管内照射剂量学,三：近距离治疗,三：近距离治疗,近距离照射分为：（1）腔内照射（intracavitary irradiation）（2）组织间插植照射（interstitial irradiatio
19、n）（3）管内照射（intraluminal irradiation）（4）表面施源器照射（surface application）,三：近距离治疗,1、近距离照射剂量学的基本特点：1）平方反比定律,三：近距离治疗,2）广泛采用的剂量学系统（包括放射源分布规则，放射源类型，强度，应用方法等）A）曼彻斯特系统（Manchester System）B）巴黎系统（Paris System）C）斯德哥尔摩系统（Stockholm system）3）剂量率效应剂量率为0.42 Gy：低剂量率照射剂量率为12 Gy：高剂量率照射介于两者之间：中剂量率照射,三：近距离治疗,2、放射源的校准：1）放射源强度的
20、表示方法（空气比释动能强度）2）放射源的校准：M：经温度气压校准后的读数，为电离室对放射源的空气比释动能校准因子，电离室剂量梯度修正因子，为环境散射因子，d为测量距离，t为测量时间因子,三：近距离治疗,三：近距离治疗,放射源周围剂量学特点：A)点源遵守平方反比定律 B)线源在近源处时剂量衰减大于平方反 比，在距 源大于2倍线源长度时基本遵循平方反比定律（径向）影响因素：辐射路径不同 斜过滤效应C）基本不受能量影响D）基本不使用“均匀性”概念E）现代近距离照射，基本采用后装技术。,三：近距离治疗,传统的放射源周围剂量计算：放射源强度；照射率常数；照射量吸收剂量转换因子；组织衰减因子；几何因子；放
21、射源和壁材料滤过因子,三：近距离治疗,放射源周围剂量计算原则：应用参数以直接实测为主，或者根据特定的放射源几何参数计算,三：近距离治疗,三：近距离治疗,2）放射源的定位（常采用X射线照像技术）：步骤:A)根据临床要求，按照特定的剂量学系统的布源规则，确定放射源的几何排列B)按规则将施源器或源导管插植入靶区，然后防入假 源（dummy source），经X射线照像后，得到模拟实 际照射时源在靶区内的几何排列。C)根据源的几何位置，计算剂量分布，选择最佳方案 后换以真源实施照射。,三：近距离治疗,常用放射源定位技术：1）正交技术：（等中心条件下两张互相垂直影像片）2）立体-平移技术（同一方向下中心
22、相距一定距离的影像片）3）立体变角技术（等中心条件下相隔一定角度下的影像片）,三：近距离治疗,放射源定位误差：由于放射源周围剂量的高梯度变化，微小的几何误差会产生很大的剂量误差。1)影像的几何误差较小，但拍摄和投影的误差可能较大。2)正交技术的误差要小于立体-平移技术和立体变角技术3)立体-平移技术和立体变角技术侧位影像质量好于正交技术,三：近距离治疗,4、腔内照射剂量学：腔内照射应用最广泛的是对妇科宫颈癌的治疗，且疗效显著。鼻咽癌的腔内治疗效果得到认可。,三：近距离治疗,腔内照射的经典方法1）斯德哥尔摩系统（Stockholm system），2）巴黎系统（Paris system）3）曼彻
23、斯特系统（Manchester system）,曼彻斯特系统（Manchester system）,1)根据宫腔的大小和阴道的大小分为长、中、短三种宫腔管和大、中、小三种阴道卵形容器。2）阴道源的分布尽量宽3）宫腔及阴道源的强度为不同比例：宫腔管放射源强度2035MgRa，阴道放射源强度1525MgRa。4）对某些特定点的剂量要求准确（A，B点）,三：近距离治疗,腔内照射的ICRU方法（38号报告）腔内照射的剂量学描述：（1）治疗技术的描述：放射源的各项技术参数（2）总参考空气比释动能：所有放射源（包括宫腔和阴道源）的参考空气比释动能率与照射时间的乘积之和，正比于患者所受的积分剂量。（3）参考
24、区：参考等剂量线面所包括的范围，参考等剂量线面即 处方剂量所在的等剂量线面。（4）参考点剂量：参考点指相关的重要器官和盆腔淋巴引流区。相对重要器官的参考点剂量主要为膀胱和直肠的剂量。,腔内照射的剂量模式：,腔内照射的剂量模式：,1）主要依靠改变步进源在空间的驻留位置和时间长短来优化剂量分布，尽可能实现剂量对靶区的适形分布 2）加屏蔽块保护正常组织和提高剂量分布适形（阴道口加屏蔽块）3）降低放射源的能谱加屏蔽块（Nath等人采用镅作为放射源进行宫颈癌的腔内治疗）（自吸收）,三：近距离治疗,五、组织间照射剂量学组织间照射：暂时性插植(temporary implants)永久性插植(permane
25、nt implants),三：近距离治疗,1）组织间照射主要需要明确肿瘤区、临床靶区和治疗区，对于计划靶区则少有重视2）在确定插植方式之前，需定义临床靶区，具体方法是在三维方向上，以其最大径描述临床靶区的长度、宽度和高度。,剂量模式,三：近距离治疗,（1）最小靶剂量（MTD）：临床靶区内所接受的组小剂量。在巴黎剂量学系统中，MTD即为参考剂量（Reference dose,RD），曼彻斯特剂量学系统中，MTD约等于90%的处方剂量。（2）平均中心剂量（MCD）：中心平面内相邻放射源之间最小剂量的算术平均值。（）高剂量区：中心平面内或平行于中心平面内或平行于中心平面的任何平面内的150%平均中心
26、剂量曲线所包括的最大体积（）低剂量区：在临床靶区内，由90%处方剂量曲线所包括的任一平面中的最大体积。应用低剂量区的概念，需根据不同剂量学系统和临床实际给予特别说明。（）剂量分布的描述和评价：A）最小剂量离散度（spread in individual minimum dose）：在中心平面，放射源之间每一最小剂量相对于平均中心剂量的变化范围。B）剂量均匀指数（dose homogeneity index）：最小靶剂量与平均中心剂量的比值。,三：近距离治疗,剂量学系统：世界范围内有较大影响的主要有曼彻斯特系统和巴黎系统1）曼彻斯特系统2）巴黎系统：3）步进源剂量学系统,三：近距离治疗,巴黎系统
27、的三大要点 A）放射源应平行布置且其中心在同一平面，此平面与放射源垂直并经过其中心。这一平面叫做中心平面。,三：近距离治疗,B）应选用相同的放射源，且每条放射源上单位长度的剂量输出率（单位长度的活性）应均匀一致。放射源可用含有放射性颗粒的导丝（ribbons 种子）代替，两个相邻的放射性颗粒间的距离应小于或等于放射性颗粒本身长度的1.5倍(Marinello et al.1985)。放射源也可用能穿过不同嵌槽的小源代替，条件是在整个嵌槽路径上源的移动度和停止时间一致。,：近距离治疗,C)放射源间距一致。在治疗体积较厚的情况下，需要插植几个平面，源间距应遵循“等距”原则。这些所谓的“体积”治疗应
28、使中心层面各点源呈等边三角形或正方形。在第一种情况下，层面间的距离为放射源间距离的0.87倍；在第二种情况下，层面间的距离与放射源间距离相等。这种正方形排列在乳腺癌治疗中非常少用。,三：近距离治疗,时间-剂量模式组织间照射中，暂时性插植照射可分为以下几类方式：连续照射（continuous irradiation），间断照射（non-continuous irradiation），分次照射（fractionated irradiation），超分割照射（hyperfractionated irradiaton），脉冲式照射（pulsed irradiation）,三：近距离治疗,永久插植应用于
29、前列腺肿瘤等。,三：近距离治疗,六、管内照射剂量学管内照射是指将放射源直接放入人体天然管道如食管、直肠等部位进行治疗。,三：近距离治疗,七：近距离照射的剂量优化1）相对于施源器作剂量优化；2）立体定向插植照射的剂量优化；,治疗计划设计原理及执行,1、治疗设计基本原理2、三维物理治疗和计划系统,放射治疗计划目标,放射治疗的目标：就是取得局部的肿瘤控制而减少副作用。在给予靶区尽可能高的照射剂量同时尽可能减少正常组织的剂量。,治疗计划设计基本步骤,第一节：治疗设计的体模阶段,治疗体位固定：1）高分子低温水解塑料热压成型技术 2）真空袋成型技术 3）液体混合发泡成型技术,模拟定位机和CT模拟,模拟定位
30、机主要功能：（1）为医师提供有关肿瘤和重要器官的影像信息，能直接用于治疗计划设计。（2）用于治疗计划的验证和模拟。,CT模拟,一个完整的CT模拟包括以下几个部分：1）一台高档的大视野的CT扫描机；2）一套具有CT图像三维重建、显示及射野模拟显示功能的软件，即通常所说的CT Sim；3）一套激光射野模拟器。,常规照射野技术的剂量学分布简介,一、共面照射：1、两野对穿照射特点：最简单的组合技术，照射方式可用SSD或SAD技术,摆位技术简单，重复性好，但正常组织和邻近入射表面的组织受到过量照射。剂量学特点如图所示,2、两野交角照射,两开野照射形成一定角度时必须加一定角度的楔形板。如典型的上颌窦照射。
31、,3、两野相邻照射,当单野照射时还满足不了照射范围时，需要两野相邻照射。其关键技术在于避免交叠时造成的剂量冷点和热点。主要解决方法有：1）共用同一个边界；2）预留间隔；3）半野照射。如图所示。,A,B,重叠区,4、三野组合照射,三野组合用途更广泛，可以灵活调整权重以避开危及器官和调整最大剂量的分布区域。如典型的一前两后斜野照射胸段食管癌，此外还有一前两侧照射盆腔肿瘤。如下图所示的照射实例。,5、四野组合照射,多用于盆腔肿瘤和腹部肿瘤，其剂量分布为箱型。如图所示。,其他照射技术,6、旋转照射需要在中高档的治疗计划系统上完成。7、非共面照射多个非共面照射可以提高靶区的适形度，同时降低周围正常组织的剂量受量。但一般必须在三维治疗计划系统上完成。如图所示的非共面的照射。,不对称照射野,射野设计技术,共面射野中两野对穿野最差多使用非共面野：1）所用射野尽量避免两野对穿，彼此间夹角尽量大以便使用的楔形板角度较小2)所用射野在三维空间尽量保持几何对称,治疗计划实施,治疗计划确认治疗验证：射野验证系统1）位置验证：Film；EPID2）剂量验证：实时验证，离线验证,
