临床放射物理学.ppt

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1、临床放射物理学,目录,第一章 放射源和治疗机第二章 电离辐射的剂量测量第三章 X()线射野剂量学第四章 治疗计划的设计与执行附录 治疗治疗计划系统秀,第一章 放射源和治疗机,放射源种类照射方式几种放射性同位素源深部X线治疗机钴60治疗机医用加速器高LET射线,第一节 放射源种类,放射性同位素放出的、线X线治疗机和各种加速器产生的X线各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、及其它重离子束,第二节 照射方式,外照射：将放射源与病人身体保持一定距离，射线从病人体表穿透进 人体内一定深度，达到治疗肿瘤的目的。近距离放疗（内照射）：将放射源密封置于肿瘤内或肿瘤表面，如放入人体的天然腔内或组织内进行照射，

2、即采用腔内，组织间插植及模型敷贴等方式进行治疗。,第三节 几种放射性同位素源,天然放射性元素镭-226铯-137钴-60,1、天然放射性元素镭-226,镭的放射可分为带有正电荷的射线，带有负电荷的射线不带电荷的射线。镭疗主要是用其中的射线。镭的线能谱复杂，平均能量为0.83MeV，半衰期为1590年。镭的产量有限，来源困难，防护处理复杂，易污染。,2、铯-137,铯-137是人工放射性同位素其线能量是单能的为0662MeV，半衰期为33年。铯-137在组织内同镭具有相同的穿透力，是取代镭且优于镭的娇好同位素之一。,3、钴-60,钴60是用天然的没有放射性的59钴在核反应堆的作用下，受热中子轰击

3、后成为带有放射性质的60钴。59Con60Co钴60蜕变时放射出射线，其平均能量为1.25MeV。钴60治疗机结构简单操作方便，容易维修，发展很快。,第四节 深部X线治疗机,概述类型,1、概述,深部X线治疗机通常是指管电压在180400千伏特之间的X线机，这种机器在结构和X射线产生的原理上与接触治疗机相同。但由于该机管电压比接触治疗机高，其产生的X线强度及穿透能力均较大，故多用于良性疾病和位于较表浅的恶性肿瘤的治疗。,2、深部X线治疗机的几种类型,可用作60钴治疗机和加速器高能X线治疗的辅助手段，补充浅层部位剂量的不足。固定照射型摆动照射型旋转照射型,第五节 钴60治疗机,概述组成优点缺点,1

4、、概述,钴60治疗机俗称钴炮“钴60是一种人工生产的放射性核素。钴炮是以60钴做放射源，用射线杀伤癌细胞，对肿瘤实施治疗的装置。,2、钴60治疗机组成,一个密封的放射源；一个源容器及防护机头；具有开关的遮线器装置；具有定向限束的限光筒，支持机头的机械系统及其附属的设备一个操纵台构成,3、60钴治疗机优点,射线穿透力强 即可治疗相当深度的肿瘤。保护皮肤钴60射线在表皮剂量相对较小。骨和软组织有同等的吸收剂量 旁向散射小 保护周边外的正常组织。经济、可靠，结构简单、维修方便。,4、钴60治疗机缺点,钴60能量单一，钴60深度剂量偏低，钴60半衰期短，需定期换源。钴60属放射线核素，不断有射线释放，

5、防护复杂，工作人员受量大。钴60存在半影问题，使野外的正常组织受一定的剂量影响。,第六节 医用加速器,概述电子感应加速器电子直线加速器电子回旋加速器,1、概述,五十年代初期开始应用于临床。加速器是人工利用电场和磁场的作用力，把带电粒子加速到高能的一种装置或设备。加速器既可产生高能电子束，又可产生高能X线和快中子，其能量范围在450MeV之内。,2、电子感应加速器,优点技术上比较简单，制造成本低，容易做到25兆电子伏特这样的高能量产生的电子线输出量足够大，能量可调范围较宽。缺点X线输出量比较低，照射野小，体积大。,3、电子直线加速器,优点优点是克服了电子感应加速器的缺点。对电子线和X线均有足够高

6、的输出量，从而有潜力扩大照射野，并可采用偏转系统做等中心治疗。缺点结构复杂、成本较贵、维修要求高。,4、电子回旋加速器,既有电子感应加速器的经济性，又具有直线加速器的高输出量特点，其电子线和X线的能量在医疗上使用皆很理想。总之它结构简单，体积小，成本低，是直线加速器的发展方向。,第七节 高LET射线,物理特性生物特性缺点高LET射线,1、物理特性,高LET射线在物体内射程末端形成布雷格（Bragg）峰高剂量区，在这个峰区后面剂量急剧下降。如选择不同能量的粒子束综合使用，则可将峰区宽度按肿瘤大小调整。这样可使肿瘤区得到充分的剂量，而正常组织所受的剂量可大为减少。,2、生物特性,高LET射线对生物

7、的效应不依赖于组织的氧含量。对于分裂周期处于静止状态的肿瘤细胞，同样起到破坏作用。,3、高LET射线的缺点,高LET射线设备庞大，结构复杂。能量控制困难。造价昂贵。,4、高LET射线,中子负介子重离子,第二章 电离辐射的剂量测量,辐射量和单位光子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用中子与物质的相互作用吸收剂量的测量射线质的测定,第一节 辐射量和单位,照射量（Exposure Dose）吸收量（Asorbed dose）放射强度（Radioactivity）剂量率（Doserate）放射性能量（Energy of radiation）,1、照射量（Exposure Dose）,照射量是dQ/

8、dm，其中的值是在质量为 的空气中，由光子释放的全部电子（负电子和正电子）在空气中完全被阻止时，在空气中产生一种符号的离子总电荷的绝对值。曝射量的剂量单位是伦（R）。,2、吸收量（Asorbed dose）,电离辐射给予单位质量的平均能量。吸收剂量单位是拉德（rad）.1dar为1g受照射物质吸收100尔格的辐射能量。即1rad100尔格g0.01kg。现在吸收剂量单位改为Gy，是ICRU规定的，1Gy100rad。,3、放射强度（Radioactivity）,放射强度又称为放射活度。是指单位时间内放射物质锐变（衰变）的多少，不表示具体剂量。放射活度单位为贝克勒尔（Becquerel）符号Bq

9、，表示每秒钟有一个原子蜕变。,4、剂量率（Doserate）,距放射源某一距离处，单位时间的剂量以Gy/min为单位。,5、放射性能量,指电离辐射贯穿物质的能力.能量单位为MeV。2MeV以下X线勉强用管电压表示贯穿物质的能力，但这类射线的能谱是连续的，通常是用半价层（HVL）来表示平均能量。,第二节 光子与物质的作用,光电效应（photoelectric effect）康普顿效应（Compton effect）电子对产生（electron pair production）,1、光电效应,光子与介质的原子相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量交给原子中的一个电子。该电子获得能量后就离开原子

10、而被发射出来，称为光电子。光电子能继续与介质作用。,2、康普顿效应,光子只将部分能量传递给原子中最外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中逸出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介质发生相互作用。,3、电子对产生,能量大于1.02M eV的光子在物质中通过时，可与原子核碰撞，转变成一个电子和一个正电子，从原子中发射出来。被发射出的电子和正电子还能继续与介质发生相互作用。,第三节 带电粒子与物质的作用,电离（ionization）激发（excitation）散射（scattering）轫致辐射（bremsstrahlung）吸收（absorption）,1、电离（ioniz

11、ation）,带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时，由于它们与壳层电子之间发生静电库仑作用，壳层电子便获得能量。如果壳层电子获得的能量足够大，它便能够克服原子核的束缚而脱离出来成为自由电子。,2、激发（excitation）,带电粒子给予壳层电子的能量较小，还不足以使它脱离原子的束缚而成为自由电子，但是却由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去，这个现象称为原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的，它要自发地跳回到原来的基态。,3、散射（scattering）,散射是带电粒子与被通过的介质的原子核发生相互作用的结果。在这种作用下，带电粒子只改变运动方向，不改变能量。方向改变的大小与带电粒子的质量有关。,

12、4、轫致辐射（bremsstrahlung）,带电粒子与被通过的介质原子核相互作用，带电粒子突然减速，一部分动能转变为电磁辐射释放出来。这种作用随粒子的能量增加而增大。与粒子的质量平方成反比。与介质的原子序数Z的平方成正比。,5、吸收（absorption）,带电粒子在介质中通过，由于与介质相互作用耗尽了能量而最终停止下来，这种现象称为被介质吸收。,第四节 中子与物质的相互作用,弹性散射（elastic scattering）非弹性散射（inelastic scattering）中子俘获（neutron capture）,1、弹性散射（elastic scattering）,弹性散射是中子通过

13、物质时损失能量的重要方式。原子核从中子动能中得到一部分能量而形成反冲核，中子则失去部分动能且偏离原方向。反冲核越轻、反冲角越大、反冲核得到的能量越多。反冲核动能和入射中子能量成正比。,2、非弹性散射（inelastic scattering）,入射中子与原子核作用形成复合核，复合核放出中子后如处在激发态，则会立即会放出射线而回到基态。入射中子的能量必须大于原子核的最低激发能，非弹性散射才可能发生。,3、中子俘获（neutron capture）,慢中子或热中子与物质作用时，很容易被原子核俘获而产生核反应。核反应的产物可能是稳定核素，也可能是放射性核素，同时还释放出光子和其它粒子。感生放射性核素

14、和感生放射性。,第五节 吸收剂量的测量,概述水模体中吸收剂量的测定空气中测量照射量并转换为水模体中吸收剂量的方法吸收剂量的定期测量,1、概述,用带有空腔电离室照射量仪表测定光子束、电子束的吸收剂量分两个步骤进行将空腔电离室在射线或Co60射线下校准，目的是校对照射量仪表的刻度；将校准过的照射量仪表的电离室放到介质中测定吸收剂量，这时仪表的测量值是以伦琴。然后通过仪表读数校准因子和吸收剂量转换因子，计算吸收剂量。,2、水模体中吸收剂量的测定,测量条件测量方法空气中测量照射量并转换为水模体中吸收剂量的方法吸收剂量的定期测量,A、测量条件,照射量仪表水模体其它必备用具,a、照射量仪表 1,照射量仪表

15、必须每年经计量部门标准实验室校准一次。使用仪表前应检查仪表的稳定性或调 节仪器的灵敏度；然后检查仪表的漏电、零点漂移等，使其对测量值的影响在 以内。电离室体积小于立方厘米，外径小于厘米，电离室能量响应在范围内。,a、照射量仪表 2,有效测量点：对、射线建议将电离室的几何中心定为有效测量点；对电子束建议将电离室有效测量点定为从几何中心向射线源方向移电离室内半径。备有足够长电缆并加电离室防水套。根据实际情况选择合适的测量量程,b、水模体,水模体壁用有机玻璃或聚苯乙烯制作。使用中要求在最大照射野边缘外至少有 厘米的富裕，一般为厘米。如果备有电离室插孔，孔与电离室 要密合，不能有空隙。,c、其它必备用

16、具,计时器温度计气压计电离室支架测距尺,B、测量方法,校准点吸收剂量的测定校准点处吸收剂量的计算参考点吸收剂量的计算中心轴上各处的吸收剂量,a、校准点吸收剂量的测定,将带上防水套的电离室有效测量点放在水模体中心轴的校准深度处。选择被测照射野大小，源皮距选择过滤板、能量（如）等。测量水模体内温度、大气压以备计算空气密度修正值。开机出射线，读取-个读数。,b、校准点处吸收剂量的计算,对、射线：D(dc)0.01RNKF电子束：D(dc)0.01RNKCE式中，D(dc)单位是；为照射量仪表读 数，伦琴；为照射量仪表的校准因子；为空气密度修正因子；,c、参考点吸收剂量的计算：,在确定的、条件下，参考

17、点的吸收剂量（0）可由校准点吸收剂 量（）和校准点的百分深度剂量（）求出：D(d0)D(dc)/PDD(dc),d、中心轴上各处的吸收剂量,由参考点吸收剂量可求出水模中心轴上任意深度处的吸收剂量（）（0）DD（）其中DD（）为百分深度剂量。,C、空气中测量照射量并转换为水模体中吸收剂量的方法,使用校准过的照射量仪表在空气中测量照射量。将电离室放在空气中相当于参考点的位置选定测量照射野。选定、滤过板等条件。出射线，得仪表读数。,C、空气中测量照射量并转换为水模体中吸收剂量的方法1,参考点的照射量X(d0)=RNK照射量X(d0)转 换为水模体中参考点的吸收剂量D(d0)=X(d0)FBSF；为反

18、散射因子。计算水模体中任一点吸收剂量的方法同前。,C、空气中测量照射量并转换为水模体中吸收剂量的方法2,如果测得空气中（）处的照射量为（），可按下式转换为水模体中水深处的吸收剂量（）：（）（）（）式中同式（）；为组织空气比，见附表。,D、吸收剂量的定期测量,对线机，个月测量次加速器至少每周测治疗机可个月测次，但每月要进行衰变修 正。对于性能差的机器和新安装的机器应酌情增加 测量次数。,第六节 射线质的测定,400KV以下X线半值层的测定高能线能量的测定高能电子束能量的测定,1、400KV以下X线半值层的测定,半值层测量方法注意事项,A、半值层,对于治疗来讲，不需要了解能谱的分布，临床上 关心的

19、是射线的穿透能力，一般用半值层来表示。所谓半值层是使原射线量减弱一 半所需要的某种吸收材料的厚度。值越大，射线的穿透本领越强。,B、测量方法,将不同厚度的吸收片（铝片或铜片）一片一片的叠加。同时测出射线穿透不同厚度的 吸收片后的射线量。作出厚度对射线量的坐标曲线。从曲线上查出使原射 线量减少一半的吸收片厚度，即半值层。,C、注意事项,测定的半值层必须针对直接用于治疗的射线。相同的物理和几何的测量条件，即管电压、电流、滤过板、电离室的位置均应恒定。测量时的几何条件要适当，防止散射线的影响。,2、高能线能量的测定,通常采用最大剂量点处剂量一半的深度(HVD)水深法，即用射线 中心轴上50%的剂量深

20、度来确定射线的质。日常射线能量的监测用一个简易监测能量体模进行，体模中电离室位置放在该 能量最大剂量点处，反转后正适合该能量50%深度剂量值的位置。校正时如超过5%变化应调整机器。,3、高能电子束能量的测定,用电离室测出不同治疗距离上10 x10cm射 线中心轴上PDD曲线。从曲线上最大斜率点切线的延长线与曲线 尾部切线的交点所对应的深度Rp为电子在水中的实际射程。E0=Rp+0.38/0.52 式中E0为入射的电子能量(MeV)。,第三章 X()线射野剂量学,人体模型深度剂量分布组织空气比散射空气比组织最大剂量比等剂量分布,射野剂量学,楔形野剂量学不对称野剂量学人体曲面、组织修正,第一节 人

21、体模型,水模体模：外部形态和人体相似材料组织等效内部结构仿真传感探测智能化,第二节 深度剂量分布,主要名词百分深度剂量,1、主要名词,射线源射线中心轴照射野参考点校准点源皮距,A、射线源（）,在没有特别说明的情况下一般指放射源前表面的中心，或产生 射线的靶面中心。对电子束取在出射窗或散射箔所在的位置。,B、射线中心轴,表示射线束的中心对称轴线。临床上一般用放射源通过最后一 个限束器中心的连线作为射野中心轴。,C、照射野,表示射线束经最后一个限束器后中心轴垂直模体时通过模 体的范围，它与模体表面的截面即为照射野的面积。对于旋转治疗或对固定 照射，截面取在旋转中心的深度处临床剂量学中规定模体内同等

22、剂量曲线的 延长线交于模体表面的区域为照射野的大小。,D、参考点,为剂量计算或测量参考，规定模体表面下射线中 心轴上的一点。如400KV以下X射线，取在模体表面。对高能X线或 射线参考点取在模体表面下最大剂量点位置。表面到参考 点的深度为参考深度。,E、校准点,在射线中心轴上指定的测量点。模体表面到校准点的深度为校 准深度c。,F、源皮距,源皮距（）：表示沿射线中心轴从射线源到模体表面的距离。源瘤距（）：表示射线源沿射线中心轴到肿瘤内所考虑点的距离。源轴距（）：表示射线源到机器等中心的距离。,2、百分深度剂量,百分深度剂量定义建成效应射线能量变化的影响照射面积、形状的影响源皮距的影响,A、百分

23、深度剂量定义,模体内射线中心轴上任一深度的吸收剂量率D(d)与射线中心轴上参考点吸收量剂率D(D0)的百分率。PDDD(D)*100%/D(D0),B、建成效应,剂量建成区域：从表面到最大剂量深度的区域，剂量随深度而增加。物理原因：在体表或皮下产生高能次级电子。这些高能次级电子穿过一定组织深度。造成在电子最大射程内，由高能次级电子产生的吸收剂量随深度增加而增加。,C、射线能量变化的影响,深度量的反平方定律关系对皮肤的保护需要小深度剂量时，可以用较低能量的电子束代替。,D、照射面积、形状的影响,Dd随照射野面积增大而增加开始时随面积增加快，之后逐渐变慢改变程度取决于射线的能量低能时，改变较大高能

24、时，改变较小,E、源皮距的影响,短距离治疗机的百分深度剂量较小远距离治疗机的百分深度剂量较高F因数深度量随源皮距离增加的程度始终小于F,第三节 组织空气比,定义为模体内射线中心轴 上某一点的吸收剂量率T 与移去模体后空间同一 点在自由空气中的小体积组织内的吸收剂量率Ta 之比。与源皮距离无关,第四节 散射空气比,定义为体模内的某一点的散射剂量与该点空气中的吸收剂量之比与源皮距离无关主要用于不规则野的剂量计算Clarkson方法,第五节 组织最大剂量比,射野输出因子OUF体模散射因子Sp组织体模比定义为体模中射野中心轴上任意一点的剂量与空间同一点的体模中射野中心轴上参考深度t0处同一射野的剂量之

25、比当t0等于dm时TPR变为TMR,第六节 等剂量分布,能量对等剂量分布的影响影响深度剂量的大小影响等剂量分布的形状和物理半影的宽度源皮距离和放射源的大小的影响射野平坦度和对称性,第七节 楔形野剂量学,楔形野等剂量分布与楔形角楔形因素：加和不加楔形板时射野中心轴上某点剂量率之比一楔多用问题利用楔形板改善剂量分布,第八节 不对称野剂量学,离轴比OAR偏轴射野偏轴射野的离轴比POAR,第九节 人体曲面、组织修正,均匀体模和实际病人之间的差别人体曲面的校正不均匀组织对剂量影响的校正方法肿瘤空气比方法有效衰减系数法等剂量曲线移动法电子密度法,第四章 治疗计划的设计与执行,治疗计划中几个概念临床剂量学原

26、则照射技术和射野设计治疗计划的设计步骤治疗计划系统治疗摆位和模室技术立体放射治疗,第一节 治疗计划中几个概念,靶区(Target Volume)治疗区(Treamtment Volume)照射区(Irradiated Volume)紧要器官剂量靶区剂量剂量热点(Hot Spots),1、靶区(Target Volume),对根治性放射治疗，靶区应包括瘤体本身及周围潜在的受侵犯的组织以及临床 估计肿大可能转移的范围。靶区大小由临床医生根据病人的解剖 或局部解剖及轮廓尺寸在设计治疗计划之先确定，并应考虑到治疗中可能的位置移 动、形状改变以及摆位不准确引起的误差。,2、治疗区(Treamtment

27、Volume),由于治疗技术（如照射野条件等）的限制，90%等剂量曲线范围不可能全 包括靶区而与靶区的形状完全一致。因此，规定了治疗区的概念。治疗区应大于靶区。治疗区的剂量应由肿瘤 的最低剂量限制，应保证在80%等剂量曲线以上。,3、照射区(Irradiated Volume),照射区大于治疗区，其剂量受正常组织耐受剂量的限制。照射区为50%等剂量曲线所包括的地域。50%等剂量曲线范围的大小直接反映了治疗 方案设计引起的体积积分剂量的大小。,4、紧要器官剂量,紧要器官是指靶区内或邻近靶区对射线敏感的器官，它们对治疗计划的设计和 实施有直接的影响。对眼晶体、脊髓、肾、肺、直肠、膀胱、性腺尤其要加

28、以保护，并保证其受照剂量在各自的耐受剂量水平以下。,5、靶区剂量 1,靶区的剂量分布和均匀度是用区内最大值DMax、最小值Dmin、平 均值Dmean及其它量来描述的。靶区最大剂量即为靶区内的最高吸收剂量，但 必须有平方厘米的区域都接受到这一最大吸收剂量值，才认为有临床意义。,5、靶区剂量2,如果 整个靶区小于平方厘米，则最小区域定为平方厘米。最小靶区剂量即为靶区内 最低的吸收剂量，对面积不作具体规定。靶区平均剂量Dmean不是最大和最小 靶剂量的算术平均值，而是靶区内被分割成的各单元矩阵点的剂量平均值。,6、剂量热点(Hot Spots),剂量热点是指靶区以外正常组织接受的剂量超过靶区剂量的

29、区域。当 热点区的面积超过平方厘米时，临床上要考虑避免，当小于时，可忽略它 的影响。,第二节 临床剂量学原则,肿瘤剂量要求准确肿瘤区域内剂量分布要均匀尽量提高治疗区域内剂量，降低正常组织受量保护肿瘤周围紧要器官免受照射,第三节 照射技术和射野设计,体外照射技术的分类及其优缺点固定源皮距技术等中心技术旋转技术高能电子束技术照射X（）照射相邻野设计,第四节 治疗计划的设计步骤,体模阶段计划设计计划确认计划执行,第五节 三维治疗计划系统,三维显示技术和计划评价：任意旋转视角三维剂量云图显示、剂量体积直方图(DVH)和生物学评价指标，如肿瘤控制概率(TCP)和正常组织并发症概率(NTCP)等。剂量分布

30、计算模型：蒙地卡罗模拟、三维卷积分模型、微分笔束模型。放射治疗计划的优化：线性方程法或二次函数法、非线性方式和模拟逼近等算法以及近年提出的反向计划方式。,第六节 治疗摆位和模室技术,治疗体位的选择治疗固定器射野挡块技术模室的任务,1、虚模拟定位,2、虚模拟定位,3、虚模拟定位,第七节 立体放射治疗,现代立体定向放射治疗设备借助CT、MRl或血管数字减影仪(DSA)等精确定位技术和标志靶区的头颅固定器，使用大量沿球面分布的放射源，对照射靶区实行聚焦照射。立体定向放射治疗设备由放疗计划系统及验证系统等组成。,图像输入,轮廓自动提取,轮廓可视化,室眼观,挡块,多叶光栏,等剂量分布,Hospital Network System,Radiation Oncology Network,