1、外 照 射 放 射 治 療 機,許 昌 韶蘇 州 大 學 附 屬 第 一 醫(yī) 院The First Affiliated Hospital of Soochow University,放射治療核物理基礎,,腫瘤放射治療主要是利用放射線的穿透性和使生物細胞電離的特性 常用于放射治療的有X線和γ線，前者由深部X線機或醫(yī)用電子加速器產生，而后者是由放射性核素在衰變到穩(wěn)定狀態(tài)時釋放的射線 ，兩者統(tǒng)稱光子 X線可因調節(jié)電壓而改變

2、其質（穿透性），而γ線在不同的放射性核素有其固定的能量 ，如60Co在衰變過程中可產生1.17和 1.34 MeV 兩種能量的γ線（平均 1.25 MeV ）,,,自然界中的所有物質都與由分子組成 分子的基本單位是原子，原子由原子核和核外電子組成 電子在核外遵循玻爾理論、泡利不相容原理和最小能量原理的規(guī)律成層排列 每個電子在各自的殼層軌道上運行，具有一定的能量 ，稱為能級 ，越靠近原子核的電子能級越低，受原子核的束縛力越大（

3、結合能越大） 原子核中的核子（質子、中子等）由于核力的作用 ，也緊密地結合在一起 ，要使原子核分裂需要有很大的功 ，原子核一旦分裂 ，則能釋放巨大能量，即核能,X 線 的 發(fā) 生,X線是由于X線機球管陰極燈絲產生的高速電子突然受到陽極靶物質的阻擋而發(fā)生的 高速電子作用在靶物質原子的外層電子軌道 ，使電子擊離 ，形成自由電子，原子本身變成帶正電稱電離,,高速電子把靶原子內層電子擊離，外層軌道電子隨即通過躍遷填補其空穴，從而釋放光子

4、，稱特征輻射，此光子為特征X線 其能量取決于靶物質原子兩層相鄰軌道電子結合能的差，與入射電子的能量無關, 而電子結合能的大小取決于靶物質，特征 X線的能量可代表靶物質,故又稱標識X線,,若高速電子經(jīng)過靶原子核附近時，使原子核受激 ， 原子核在返回穩(wěn)態(tài)時釋放光子，入射電子本身由于核電場的作用發(fā)生偏轉，改變速度，并將其一部分或全部能量轉化為電磁輻射，即入射電子損失的能量等于光子的能量，該現(xiàn)象稱軔致輻射，產生的X線能譜是連續(xù)的，故稱為連續(xù)

5、X線,,,特征X線和連續(xù)X線中能量較低的長波射線穿透力低 ，不適宜深部腫瘤的治療，又可加重正常組織的反應和損傷 ，在臨床使用時，常用不同厚度 、不同材料制成的過濾板(Filter)將低穿透性的 “軟線”濾去 用不同材料和厚度的過濾板 ，雖 X 機管電壓相同 ， 但進入體內的 X 線質是不同的 ，此時顯然不能用電壓（ kV ）來表示 X 線的質，故臨床上常用半值層（HVL）來衡量,,HVL 的含義是使射線的強度 （ 是射線 的量而不是質

6、）減小一半所需的某種濾過物質的厚度 ，一般光子經(jīng)7個半值層濾過后，其強度可減小至0.1%,,醫(yī)用電子加速器的高速陰極電子未撞擊靶而被直接引出即為電子束，其達到機體組織后可同樣發(fā)生上述作用情況，且本身有直接電離作用 入射電子若能量大于靶原子核的結合能時，可擊出核內的中子,,光子（Ｘ線、γ射線）與被照射介質 （組織）相遇時可發(fā)生以下幾種情況 光子與介質原子的內層電子相遇，把能量全部傳遞給該電子，電子從軌道上被擊出，外層電子

7、向內補充（躍遷），發(fā)生特征輻射，稱光電效應，擊出的電子稱 “光電子”，而該原子成為正離子,,,光子將部分能量轉移給電子，使其擊出，擊出的電子稱反沖電子或康普頓電子，這種現(xiàn)象稱康普頓效應，入射光子以其殘余能量向另一方向運動，此時的光子稱散射光子（散射線），同樣可使靶物質的其他原子的軌道電子發(fā)生光電效應和康普頓效應,,,當光子能量大于1.02MeV時，在通過原子核附近時，受核電場影響而突然消失變成正、負2個電子 ，稱電子對效應 。正 、負

8、電子有動能時可產生電離作用 。當正電子能量耗盡時 ，能與吸收介質原子的電子結合轉變?yōu)槟芰扛鳛?0.51 MeV 的 2 個光 子，稱湮沒輻射,,,在發(fā)生上述現(xiàn)象時，除了產生的光電子、反沖電子及電子對效應的正、負電子和失去電子后的原子成為的正離子均直接有電離作用外，這些電子還可作用于介質的其它原子 ，重復發(fā)生上述3種效應 ，此過程重復多次，可產生大量正負離子，它們在腫瘤治療中起到電離作用,,電離作用產生生物學效應不能依據(jù)機體吸收的能量

9、來衡量，例如5 Gy劑量全身照射后1個月 ，可引起骨髓衰退性死亡 ，而全身吸收的能量不及飲用一杯咖啡。從分子水平來解釋，這是射線使關鍵生物分子的特殊電離而產生的破壞 3 Gy 劑量照射使每個被照射細胞發(fā)生成千上萬次電離 ，每個細胞出現(xiàn)幾千個DNA單鏈斷裂，大約有100個雙鏈斷裂 ，造成 90 %左右的被照射細胞出現(xiàn)增殖死亡，而10%的細胞可得到修復,,當不同能量的光子與人體組織相互作用時，其發(fā)生光電效應、康普頓效應和電子對效應的

10、重要性不同 。 在光子能量較低時，光電效應起主導作用 ; 能量達1MeV時 ，以康普頓效應占優(yōu)勢 ; 光子能量達1.02 MeV時，開始出現(xiàn)電子對效應,,,一個光子與被照射物質發(fā)生上述三種效應時 ，都有一定的概率 ， 概率大小用原子截面來衡量 ，以σ代表截面 ，截面單位為靶恩（b），1靶恩 = 10-28m2 光電效應 、康普頓效應和電子對效應各有獨立的作用截面，分別以σρh 、σe 和σρ表示,,截面大小與光子的能量和

11、靶物質的原子序數(shù)有關 光電效應時，截面大小與射線能量（hv）及靶物質原子序數(shù)（Z）的關系為： σρh ∝ Z4 / hv3 康普頓效應為： σe ∝ Z / hv 電子對效應為： σρ∝ Z2 ·（hv - 1.02）,,從上可見

12、，用低能射線照射時，其時以光電效應吸收為主，被照射組織的吸收與原子序數(shù)及放射線能量關系密切，即骨吸收明顯比軟組織（ 包括腫瘤 ）為多 ， 易造成骨的放射性損傷 而60Coγ線的平均能量為1.25MeV（相當高能X線3 - 4 MV ），此時以康普頓效應為主 ，與吸收組織的原子序數(shù)關系較小，骨與軟組織吸收大致相仿，若射線能量進一步增高，電子對效應所占比重增大，骨吸收又開始增加，但無光電效應明顯,放射劑量單位,臨床上常用的放射劑量

13、單位為吸收劑量單位，以焦耳/千克（J/kg）表示，其專用名稱為戈瑞（Gy） 1Gy表示射線傳遞給1千克介質（組織）的輻射能量為1焦耳 1Gy = 100 cGy = 100 Rad Rad（拉德）現(xiàn)已廢棄不用,,吸收劑量單位不能與照射量單位混淆，后者僅反映光子輻射本身的性質 ，即在 某點空氣中產生電離的能力，用庫侖/千 克（C/kg）表示 舊制的倫琴（R）單位也已廢棄使用 根據(jù)前述 ，用相同

14、的照射量 ，但用不 同能量的射線 ,對不同性質的吸收介質 ，則吸收劑量可明顯不同,線性能量轉換 linear energy transfer, LET,放射線在單位長度軌跡上的能量丟失密度稱線性能量轉換（linear energy transfer,LET） 分高LET和低LET射線兩大類，LET以 keV/μm為單位 國內常用的放射治療機產生的X線 、γ線均為低LET射線，60Co的LET為 0.3 keV

15、/μm ，高能 X線為3 keV /μm 而中子 、負π介子和重離子等均為高LET射線 ,中子的LET在10 keV /μm 以上 α粒子則可高達100 keV /μm以上,,某些射線品質因素（Q）對LET的依賴關系 水中LET Q 射線 （keV/μm） ≤3.5 1 X

16、線、γ線 、電子 7 2 23 5 質子、中子 53 10 ≥175 20 α粒子、重反沖核,,,,,,,,從上表中可見，X線

17、或γ線的Q值為1，快中子的Q值為10，即10Gy的快中子將導致與100Gy X線相等的損傷 高、低LET射線的放射生物效應不同 高LET射線的相對生物效應（RBE）高 氧增強比（OER）低 對增殖周期中各期相細胞和非增殖周期（G0期）細胞的放射敏感性差異小 幾乎沒有或較少有細胞的非致死性損傷的修復,照射方式,遠距離照射 最為常用,其優(yōu)點為照射范圍大、深度量高，靶區(qū)內同一平面劑量相對均勻以及操作方便等,,近距離

18、治療 是將放射源置于體表面 、 體腔內（如食管、子宮等）或插入組織內進行放療，其劑量分布特點是靠近放射源處在較短時間內可得到極高劑量，而隨著離放射源的距離加大，劑量梯度急劇下降，一般需與遠距離外照射配合治療,,內照射治療 將放射性核素或與放射性核素結合的藥物用口服或靜脈注射方法使其濃集到特定的組織器官內進行的放療稱內照射治療，這不在本章討論范圍之內,理 想 放 射 源 條 件,,理想的劑量分布 能殺滅乏

19、氧細胞 能殺滅非增殖期細胞,理想的劑量分布,是指從一個方向的入射線能在腫瘤深度達到高劑量，而腫瘤前、后的正常組織劑量較低、旁向散射又很少，有利于保護正常組織，體現(xiàn)了射線的物理性能良好 單野照射時，X線、γ射線進入體內后，從最高劑量點開始，隨著深度增加，劑量逐漸下降，腫瘤達不到殺滅劑量，而腫瘤前后組織均受到較大劑量照射（此時需用多個方向的照射野聚焦照射）,,醫(yī)用加速器產生的電子束特點是進入皮膚后，一直維持較高劑量，在預定腫瘤深

20、度（可調節(jié)電壓）后驟然下降，有利于表淺腫瘤的治療 屬于高LET射線的質子、負π介子和某些重離子等粒子在組織表面能量損失較慢，隨著深度增加，粒子運動速度逐漸減低，能量損失加大，在接近射程末時，粒子能量很小但運動速度變得極慢，能量損失率突然增加，形成電離吸收峰，稱布拉格（Bragg）峰，腫瘤前和后的組織所受劑量均相對較低,能殺滅乏氧細胞,放射生物學上將含氧量低的乏氧細胞和同類富氧細胞的殺滅劑量之比稱氧增強比（OER） O

21、ER=乏氧細胞殺滅劑量/富氧細胞殺滅劑量 由于低LET射線的OER值高，即對氧存在的依賴性大，用低LET射線治療時能使腫瘤組織中占很大比例的乏氧細胞存活下來，造成治療失敗 高 LET 射線由于電離密度高 , 其OER值較低 LET射線明顯為小，能殺滅對低LET射線抗拒的乏氧細胞,能殺滅非增殖期細胞,用低LET射線時細胞的放射敏感性隨著細胞分裂周期而變化，特別是非增殖期（G0期）細胞更具放射抗拒性 而高LET射線則對

22、增殖周期中各期相細胞和G0期細胞的放射敏感性差異較小,外照射治療機簡介,深部X線治療機,管電壓在180～400KV產生的X線稱深部X線 其劑量曲線特點在皮膚表面最高 ，隨著組織深度加深而迅速衰減 ，因此皮膚反應大，而腫瘤深度處得到的劑量低 由于光電效應所占比重大 ，導致骨吸收比軟組織吸收明顯為高 ，易造成腫瘤前的骨組織損傷,,深部X線的優(yōu)點是在其性能范圍內 ，可調節(jié)電壓和電流改善X線的質和量 ，適用于皮膚癌和表淺腫瘤的治療

23、 其相對生物效應（RBE）較高，若以60Coγ線或高能X線的RBE為 1 ， 則深部X線則為1.2左右,60Co遠距離治療機,60Co源的物理特性 60Co為人工放射性核素放射源 其產生的γ射線可認作為單一能量射線（1.17和1.33MeV，平均1.25MeV） 半衰期為5.2610年,,60Co γ射線屬高能射線, 60Co外照射治療機的使用,使腫瘤放療的5年生存率提高了一倍 其價格便宜，維修方便，能量基本上能

24、滿足深部腫瘤的治療需要 與千伏級X線比較 ，具備了高能射線的優(yōu)越性,用兆伏射線前后常見腫瘤的5年生存率（％）,病 種 千伏X線(1955年) 兆伏射線(1970年) 霍奇金病 30-35 7

25、0-75 子宮頸癌 30-35 55-65 前列腺癌 5 -15 55-60 鼻 咽 癌 20-

26、25 45-50 膀 胱 癌 0 - 5 25-35 卵 巢 癌 15-20 50-60

27、 視網(wǎng)膜母細胞瘤 30-40 80-85 睪丸精原細胞瘤 55-70 90-95 睪丸胚胎癌 20-25

28、 55-70 扁桃體癌 25-30 40-50 Brady，等. Cancer,1985,55(Suppl):2037,,,,,60Co治療機的防護要求

29、 60Co源閉合位時 距源1m處,各方向的平均漏出量應小于 2×2.58×10-7C/(kg·h)(2mR/h) 對千居里級鈷機, 需 106 的衰減系數(shù)或近20個半價層(HVL)防護,可用鉛、鎢或鈾的合金 鉛的HVL為1.27cm, 20個HVL需用鉛厚度: 1.27cm×20 = 25.4cm,,60Co源開放位時

30、準直器的厚度應使漏射量不大于有用射線的5% 準直器或遮線擋塊厚度應達到4.5HVL 用鉛厚度為: 1.27cm×4.5 = 5.7cm (多用6.0cm),,,,60Coγ射線與千伏級X線 的優(yōu)缺點比較 優(yōu) 點 60Coγ射線能量高而單一 平均1.25MeV，穿透性和百分深度量 高，布野方便 骨與軟組織吸收大致相仿(以康普頓效 應為主),,屬

31、高能射線,進入組織后達到電子平衡（最高劑量點）有一定的距離，稱建成效應，60Co的最高劑量點在皮膚下約0.5cm處 ，故能保護皮膚 , 射線能量越高，建成效應越大，最高劑量點越深 射線能量越高，旁向散射越小，對靶區(qū)劑量起到貢獻作用，而減少了靶區(qū)周圍正常組織的損傷 隨著射線能量的增高 ， 等劑量曲線亦越趨平坦，可用較小的照射野包含靶區(qū)，更起到保護正常組織的作用,,缺 點 劑量曲線不能調節(jié) 有較大的幾何半影區(qū) 半衰

32、期較短 , 需經(jīng)常換源 防護要求高 RBE較千伏級X線低(約低10%-20%),,60Co治療機的半影種類 幾何半影 鈷源不是點源,有一定尺寸,每一點發(fā)出的射線經(jīng)準直器限束后,各點產生的射線重疊區(qū)劑量均勻一致,照射野邊緣附近劑量逐漸減低至完全消失,形成幾何半影,,穿射半影 由于準直器按HVL要求設計即使符合防護要求 , 也總有一定量的射線穿過準直系統(tǒng) , 若準直器端面與邊緣線束不平行時,將有更多射線穿過準直

33、器 ,形成穿射半影 散射半影 原射線通過吸收組織時,產生散射,形成散射半影,,,,,,,,,,,鈷治療機的模擬燈光影 模擬燈光影與皮膚上所畫出的照射范圍 ( 設計的照射野 ) 需重合一致 應重視的是, 60Co治療機的模擬燈光影邊緣是設在幾何半影區(qū)的50%處,即燈光緣內側有一定距離的低劑量區(qū),而照射野(燈光緣) 外仍有一定的劑量 設計照射野時 , 不要使腫瘤邊緣落在低劑量區(qū)內。在設計相鄰兩照射野時應相距

34、一定距離 ，不要使深部腫瘤或正常組織處在低劑量區(qū)或劑量“熱點”上,幾何半影的計算和消減,計算 按相似三角形原理 皮膚表面半影 ds / PG = C /（F - C） PG = [ ds ·（F - C）] =（ ds · L）/ C d深度處的幾何半影 PG’ = [ ds·（F–C+d）] / C

35、 = [ d ·（L + d）] / C 其中 : ds=源直徑，C=源限距，F(xiàn)=源皮距 L=限皮距，PG=幾何半影，d=組織深度 PG’=d深度處的幾何半影,,幾何半影消減 由上式可見,幾何半影與源限距成反比,與源直徑、限皮距及源皮距成正比。因源直徑無法改變，為了減小幾何半影，

36、則可設法加大源限距 或減小限皮距 當今，較新型的鈷治療機 ，均在準直器下按 裝可活動的消半影裝置（鎢或鈾合金的條塊），往下拉動鎢條塊 ，既加大了源限距又減小了限 皮距，但應注意不要靠近皮膚 ，以防次級射線 污染,,,60Co垂直照射相鄰野的設計 垂直照射時 , 理想相鄰兩照射野的設計 應使兩野邊緣在腫瘤中央部位相接，即模擬燈光影邊緣的延長線在腫瘤中央相接 60Co因有幾何半影存在，設計照射野時則應使兩野的半

37、影區(qū)在腫瘤部位重合 ，使治療區(qū)內劑量均勻一致,,,根據(jù)幾何推導，皮膚上相鄰兩照射野的間距W 應為： W = [（ a1 + a2 ）] · d / f W = 相鄰兩照射野皮膚上間距 a1、a2分別為相鄰兩照射野長度的1/2 f = 源皮距，d = 腫瘤深度 W1 = d深度處兩照射野半影的重合區(qū)，即照射靶區(qū),,穿射半影的消減 用多層的

38、扇形準直器，可使準直器內緣與線束邊緣始終保持平行，可消減因準直器厚度不一致造成的過量穿射半影 穿過準直器全層的穿射半影則在允許的劑量范圍之內，且是無法避免的,,影響散射半影的因素 散射半影與照射面積大小成正比，與射線能量成反比，一般是無法消除的,醫(yī)用電子加速器,可產生高能X線和高能電子束 高能X線的射線能量比60Co高 按不同型號機器可產生6、8、10、12或15MV等能量的X線 其優(yōu)點比60Co更顯著，且半影極小

39、，劑量率高，又能按治療所需調節(jié)不同檔次的能量 , 配合一定的裝置 ，可用于X刀、適形放療和調強適形放療,,,,,高能X線的不足之處 深度量雖高,但劑量衰減緩慢,出射量高 能量更高,建成效應大,由于空腔效應,使氣腔界面上腫瘤表面劑量更低 屬低LET射線,,高能電子束的優(yōu)點 高能電子束的特點是從體表到一定深度（ 可調節(jié)不同檔次的電壓 ），劑量分布較均勻 ，在此深度后劑量驟然下降 ，可保護腫瘤后的正常組織 電子束等劑量曲線

40、的中心部分一般始終和體表入射面平行, 在用大面積照射時更是如此, 這對不規(guī)則曲面體表入射時的劑量分布極為有利,,,,,高能電子束的缺點 應注意電子束能量越高，皮膚受量也越高，須防止皮膚損傷 使用的電子線能量過高，將產生較多的光子污染，失卻了電子束的優(yōu)點 入射面處的等劑量曲線集中,隨著射線能量的增高 、深度增加而等劑量曲線逐漸展開，旁向散射大 等劑量曲線的曲率也隨深度、射野面積和電子能量而變化，且變化范圍

41、較大,,高LET射線,生物學特性 OER值較低 , 能殺滅對低LET射線抗拒的乏氧細胞 RBE高 對增殖周期中各期相細胞和非增殖周期（G0期）細胞的放射敏感性差異小 幾乎沒有或較少有細胞的非致死性損傷的修復 治療增益因子(TGF)大,,物理學優(yōu)點,質子、負π介子及某些重離子的劑量曲線均有Bragg 峰形成 ， 保護了腫瘤深度前后的正常組織，故可對腫瘤照射比低LET射線高得多的劑量 其中負π介子除了形成Bra

42、gg峰的高劑量區(qū)外,尚可被組織中的碳 、 氧和氮核俘獲并發(fā)生核裂解 ，釋放出γ粒子 、中子及質子等 ，形成電離“星區(qū)”，具有強大的電離能力，且該星區(qū)正好迭加在Bragg峰區(qū)，故既有物理學上也有生物學上的優(yōu)點 但快中子其劑量曲線并不理想，與60Coγ線相似,,,,,,,中子俘獲療法（NCT） 該法是將無放射性的親腫瘤組織化合物 注入體內，盡可能使其高度濃集在腫瘤組織中，然后用中子（超熱中子或熱中子）局部照射腫瘤，使化合物中核素

43、吸收中子后產生核反應，其次級輻射直接作用于腫瘤細胞以達到殺傷腫瘤細胞的目的 NCT有局部輻射劑量大、副作用小、適 用范圍廣和易于防護等特點,,硼中子俘獲療法對腦瘤有一定價值 其原理為利用穩(wěn)定態(tài)的硼（B）元素經(jīng)中子（能量 2.4 MeV 左右）轟擊后變成鋰（Li）時而釋放α射線（105B+10n→73Li+42α） α線的LET極高，生物電離能力極強，但其射程短，僅10 ?m左右 因B對腦組織的親和力大，而腦腫瘤血管多、代謝快

44、 ， 吸收硼元素較正常腦組織明顯為多 ， 用Na2B12H11SH治療時可高出20倍以上，故該法對腫瘤細胞殺傷力大，但不會損傷周圍正常腦組織,三維立體放射治療,三維立體定向放射治療(X刀、γ刀) 三維適形放射治療（3DCRT） 在立體定向照射技術的基礎上 ， 采用某種技術，通過對照射野的控制，使其照射野的形狀在三維方向上與被照病變的形狀吻合,,調強適形放射治療（IMRT） 在照射方向上照射野的形狀與靶區(qū)的投 影形狀

45、一致，又能調整照射野內諸點的輸出劑量率，使靶區(qū)內及表面的劑量按要求的方式進行調整 我們將既滿足形狀適形，又滿足劑量適形兩種要求的 3DCRT 稱為調強適形放射治療（intensity modulation conformal therapy，IMRT）,,,,,,,,,,,,放射治療機的輔助設備,模擬定位機 CT模擬定位機 治療計劃系統(tǒng)(TPS) 激光定位裝置 多葉光欄 熱塑恒溫箱和熱塑面膜及體膜 鉛模