肿瘤放射物理学4.pptx

第四章 放射源和放射治疗机第1页/共88页第一节 放射源的种类及其照射方式放射治疗用的放射源主要有三类：（1）放出、射线的放射性同位素。（2）产生不同能量的X射线的X射线治疗机 和各类加速器。（3）产生电子束、质子束、中子束、负 介子束及其它重粒子束的各类加速器。第2页/共88页（1）外照射：位于体外一定距离，集中照射 人体某一部位，称为体外远距离照射，简称外照射。（2）近距离照射：将放射源密封直接放入被 治疗的组织内或放入人体天然腔内，如 舌、鼻咽、食管、宫颈等部位进行照 射，称为组织间照射和腔内照射，简称 近距离照射。基本的照射方式有两种：第一类放射源可以作为体内近距离、体外远距离两种照射；第二、三类放射源只能作体外照射用。第3页/共88页（1）近距离照射，其放射源活度较小（几个mCi10Ci），而且治疗距离较短（5mm5cm）。（2）体外照射，其放射线的能量大部分被准直器、限束器等屏蔽，只有少部分到达组织。近距离照射则相反，其放射线的能量大部分被组织吸收。近距离照射和体外照射相比有四个区别：第4页/共88页（3）体外照射，其放射线必须经过皮肤和正常组织才能到达肿瘤，肿瘤剂量受到皮肤和正常组织耐受剂量的限制，为了得到高的均匀的肿瘤剂量，需要选择不同能量的射线和采用多野照射技术。第5页/共88页（4）由于受距离平方反比定律的影响，在腔内组织间近距离照射中，离放射源近的组织剂量相当高，离放射源远的组织剂量较低，因此其靶区剂量分布的均匀性远比体外照射的差，临床应用必须慎重，防止靶区内有剂量过高或过低的情况发生。（近距离照射时，其靶区剂量分布的均匀性受距离平方反比定律的影响要比体外照射时大。）第6页/共88页放射射线：、除镭外，放疗中使用的放射性同位素均为人工放射性同位素。除钴-60和铯-137外，所有这些同位素只用于近距离照射。第二节 近距离治疗用放射性同位素源第7页/共88页 镭-226是一种天然的放射性同位素，它不断衰变为放射性气体氡。其半衰期为1590年，临床应用的镭是它的硫酸盐，封在各种形状的铂铱合金封套内。1毫克镭经0.5毫米铂铱过虑后，距离镭源1cm处每小时的照射量是8.5R。其能谱复杂，平均能量为0.83MeV。一、镭-226源（226Ra）第8页/共88页 由于镭的获得困难，放射性强度低，只能作近距离照射。长期以来，镭一直用作内照射。但由于其半衰期过长，衰变过程中产生氡气，若氡气逸出会造成环境污染，且其射线最高能量可达3.8MeV，需要厚的防护层等缺点，所以在医学上逐渐被钴-60、铯-137等人工放射性同位素代替。第9页/共88页 铯-137是人工放射性同位素，放射，其能量为单能，为0.662MeV，半衰期为33年。距1mCi铯-137源1cm处，每小时照射量为3.26R。因此，1mCi铯-137相当于0.4毫克镭当量。铯-137在组织内具有镭相同的穿透能力和类似的剂量分布，其物理特点和防护方面比镭优越，是取代镭的最好同位素。二、铯-137源（137Cs）第10页/共88页 钴-60也是一种人工放射性同位素，其半衰期为5.27年。其放出两种能量的射线分别为1.17MeV和1.33MeV，因此射线的平均能量为1.25MeV。在组织内的剂量分布也与镭源相似，可以作为镭源的替代物，制成钴针、钴管等。由于其放射性活度高，而且容易得到，因此在作近距离照射时，多用作高剂量率的腔内照射。三、钴-60源（60Co）第11页/共88页 铱-192源是一种人工放射性同位素，它是铱-191在核反应堆中经热中子照射轰击而生成的不稳定的放射性同位素，其能谱比较复杂，平均能量为0.36MeV。由于铱-192的射线能量范围使其在水中的指数衰减率恰好被散射建成所补偿，在距离5cm的范围内任意点的剂量率与距离平方的乘积近似不变。四、铱-192源（192Ir）第12页/共88页此外铱-192的粒状源可以做得很小，使其点源的等效性好，便于计算。半衰期为74.5d，故铱-192源是较好的放射源，主要用于高剂量率的腔内照射和组织间插植。距1mCi的铱-192源1cm处的每小时照射量为4.9R，铱-192源的半价层为24mmPb，是较容易防护的放射源。第13页/共88页 碘-125，半衰期59.6d，射线能量2735KeV，平均能量28keV，半价层为0.025mmPb。由于其射线的能量较低，适用于插植治疗。通常做成粒状源，用于高、低剂量率的临时性或永久性插植治疗。其与铱-192源相比，其缺点是制备粒源需要特定设备、价格比铱-192源贵，而且其剂量分布明显依赖于被插植组织的结构。组织的不均匀性将显著影响碘-125插植时的剂量分布，用常规治疗计划系统计算得到的结果将不可靠，这是因为常规治疗计划系统是假定组织为均一水样。五、碘-125源第14页/共88页 近十多年来，近距离治疗的较大进展是开发使用光子能量位于23100keV范围内的放射性同位素。如钯-103（）、镅-241（）、钐-145（）、镱-169（）等。六、新型近距离治疗用放射源第15页/共88页 开发于80年代初，主要用于永久性插植治疗，对细胞倍增时间不足5d的肿瘤的治疗不仅具有较高的生物效应剂量，而且治疗后肿瘤的残存细胞数较少。钯-103的光子平均能量为21keV，与碘-125的28keV接近，具有易于防护的特点，半衰期为17d。钯-103第16页/共88页 最早由耶鲁大学开发出来，用于妇科肿瘤的治疗。半衰期为432.2a，光子能量60keV。其在源中垂面的剂量分布类似于铱-192，但其半价层值较小，易于防护，加之其半衰期较长，有较好的性价比。镅-241第17页/共88页 常做成与碘-125相同的规格，用于组织间插植。它通过电子俘获产生3845keV的特征X射线和61keV的微量射线，平均能量为41keV，半衰期为340d。在水中的剂量分布界于碘-125和镭的替代同位素之间。钐-145第18页/共88页 亦以电子俘获的方式产生49.8307.7keV范围的X射线和射线，其平均能量为93keV，半衰期为32d。镱-169是由镱-168经中子轰击后得到的，由于其中子俘获截面大，可产生高放射性比活度的镱-169源。其剂量分布优于钯-103和碘-125，由于其会产生308keV的光子，因此不适合用作永久性插植。镱-169第19页/共88页 常规和新近发展的近距离治疗用放射源，按其物理特性，能量可分为200keV2MeV、60keV200keV、及小于等于50keV三段。七、近距离治疗用放射源的比较第20页/共88页第21页/共88页第22页/共88页第23页/共88页（1）200keV2MeV能量段：所有同位素均为镭的替代同位素，其物理特征是剂量率常数基本不变，不随能量和组织结构的影响；在5cm范围内，剂量分布基本遵守平方反比定律。但半价层随能量降低显著减小。镭疗所建立的剂量学体系可移植到此能量段的同位素。（2）60200keV能量段：射线与生物组织的相互作用基本上是服从康普顿弹性散射规律，而散射光子的建成基本上补偿了原射线在组织中的衰减，剂量率常数开始随能量和组织结构变化。第24页/共88页（3）低于40keV以下，光电效应占主要地位，剂量率常数随射线能量和组织结构的变化更大，射线的生物效应对能量的依赖性提示我们，镭疗及其镭的替代核素在临床上积累的经验即组织剂量效应数据，不能直接用于这些低能的同位素治疗，同时相应的治疗计划系统应使用相应的剂量计算模型。第25页/共88页 过去曾经用镭制成射线敷贴器，用于治疗表浅病变，但由于镭还有很强的放射性，所以镭作源应用不理想。后来发展了锶-90射线敷贴器。锶-90以28a的半衰期衰变成钇-90，后者再以64a的半衰期变成锆-90。锶-90射线的最高能量为0.54MeV，而钇-90能产生穿透力更强，最高能量为2.27MeV的射线。由于射线在组织中有一定射程，尽管锶-90射线能量不均匀，但锶-90射线敷贴器造成的百分深度剂量曲线较镭制射线敷贴器要好。八、锶-90同位素源第26页/共88页 锎-252目前用于腔内治疗的较好的中子源。其半衰期为2.65a，发射裂变中子，中子平均能量为2.35MeV，同时也发射射线，剂量计算和测量相对比较复杂。九、锎-252中子源第27页/共88页小结：1、放射源的种类和照射方式（掌握）2、近距离治疗用放射源（了解半衰期，平均能量）重点掌握：钴60源，铱192源3、近距离治疗用放射源比较（理解）第28页/共88页 X射线治疗机曾经在放射治疗中广泛使用，但在20世纪的五、六十年代后，逐渐被高能治疗机所取代。尽管如此，X射线治疗机由于其固有的一些特点，如与高能治疗机比较，设计和操作简单，价格比较低，适合治疗浅表部位的肿瘤等，在中小型的放射治疗中心仍有使用价值。第三节 X射线治疗机第30页/共88页 高速电子撞击靶物质时，产生碰撞和辐射两种损失，前者主要是产生热，后者主要是产生X射线。二者之比为：第三节 X射线治疗机一、X射线的产生及其能谱 式中T是高速运动的电子的动能（MeV）；Z是靶物质的原子序数。第31页/共88页例如，250KV的低能X射线治疗机，靶材料钨，则 T250keV0.25MeV Z74 辐射损失只电子能量损失的2，碰撞损失占98，以热量的形式出现，所以一般低能X射线治疗机要有靶的冷却装置。对于能量较高的加速器产生的X射线，由于电子的动能很高，电子能量的大部分产生X射线，只有小部分产生热，所以高能电子加速器一般不需要冷却装置。第32页/共88页辐射产生X射线，主要是两种方式：（1）特征辐射 高速运动的入射电子与靶材料原子的内层轨道电子相互作用。内层轨道电子获得动能，脱离原轨道成为自由电子，这时外层轨道电子发生轨道跃迁，补充到内层轨道的空位，并以电磁辐射的形式辐射其能量。这一机制产生的X射线称为特征辐射，其能量正好等于发生跃迁的轨道能级差。第33页/共88页（2）韧致辐射 高速运动的电子，靠近靶材料原子的原子核附近，由于原子核库仑力的作用，电子运动受阻，改变方向，并伴有电磁辐射损失能量，即产生X射线。与单能量的特征X射线不同，韧致辐射X射线的能量，可以是最小直至入射电子的初始动能，即具有连续能谱。电子与物质相互作用，发生韧致辐射的几率与靶材料原子序数的平方成正比，也就是说，韧致辐射更容易发生在高原子序数靶物质中。第34页/共88页有两种成分。轫致辐射形式的能谱是连续的，是X射线谱中的主要成分。为了获得满意的能谱分布，往往要加些滤过，把低能成分去掉。X射线的能谱第35页/共88页治疗机的分类 按X射线机球管电压和线束特点，基本分为：（1）接触治疗机：管电压2050KV，治疗距离即靶到皮肤距离10cm或更小，治疗深度仅为12mm。（2）浅层治疗机：管电压50150KV，HVL约为18mm铝，治疗距离1030cm，治疗深度一般到5mm。（3）深部治疗机：管电压约150300KV，治疗距离3040cm，HVL约为13mm铜，治疗深度一般到2cm。第37页/共88页 低能部分对治疗是毫无用处的，且容易产生高的皮肤剂量。设法去掉低能部分，而保留较高能量的X射线，过滤板可以起到这样的作用。选择合适的过滤板使其对低能部分比高能部分吸收的多，这样改进后的X射线比原来的X射线其平均能量要高，即半价层高。二、X射线质的改进过滤板的作用第38页/共88页（1）140kV以下的用铝，140kV以上的用铜或铜加铝或用复合滤过。（2）同一管电压的X射线，过滤板不同，所得X射线的半价层不同。使用过滤板时，应注意的几点：第39页/共88页（3）使用复合过滤板时，应注意放置次序，沿射线方向，先放原子序数大的，后放原子序数小的。这样放置的目的是为了滤掉滤板本身产生的特征谱线，同时也达到滤掉低能部分的目的。（4）不是滤过越多越好。虽然滤过越多，谱线分布对治疗越好，但过多的滤过会使X射线强度大大降低，不合算。第40页/共88页产生X射线的一般条件是什么？主要是：电子源、靶、真空盒、加速电场。三、X射线机的一般构造第41页/共88页第42页/共88页（1）X射线球管里包括阳极靶和阴极灯丝。真空度为10-610-7 Torr（托），1Torr13Pa。抽真空的目的是为了避免电子在打击靶前与空气作用，损失能量。如果真空被破坏，则X射线管被破坏。使用时应注意不要一开机就突然加到高kV，高mA，而要从低到高逐渐上升。第43页/共88页（2）阳极是由粗而大的铜棒和小钨靶组成。钨的原子序数大，熔点高，作X射线靶 很合适。铜散热快，能及时将靶上的热 带走。（3）用钨丝作灯丝，发射电子能力强。（4）X射线机的阳极加几百kV的高压作为电 子的加速电场，它代表X射线的峰值能量。第44页/共88页小结：1、X射线的产生机制2、滤过板的作用及使用3、X射线机的结构第45页/共88页 1951年，加拿大建成第一台钴-60远距离治疗机。目前，我国已能批量生产性能较好的旋转式钴-60治疗机。第四节 钴-60治疗机第46页/共88页平均能量、半衰期特点：（1）穿透力强，深部剂量较高，适用于治疗较深部肿瘤。（2）在剂量建成区皮肤的吸收剂量低，最大剂量点在皮下0.5cm，皮肤反应轻。一、钴-60射线的特点第47页/共88页第48页/共88页（3）骨和软组织有同等的吸收剂量 低能X射线：光电吸收占主要优势（u/与（hv）3成反比，与Z33.8成正比），骨中每伦琴剂量吸收比软组织大得多。钴-60射线：康普顿吸收占主要优势（uc/和uc,tr/与Z近似无关），因此在同等条件下骨和软组织吸收的剂量近似相同。第49页/共88页（4）旁向散射小 次级射线主要向前散射，因此射野边缘外次级射线旁向散射小，保护了射野边缘外的正常组织。（5）与24MV加速器产生的X线性能相似，但结构简单、成本低、维修方便、经济可靠。第50页/共88页一般由以下部分组成：一个密封的钴-60放射源；一个源容器及防护机头；开关的遮线器装置；定向限束的准直器；支持机头的治疗架，用以调节线束方向；治疗床；计时器和运动控制系统；辐射安全及联锁系统。二、一般结构第51页/共88页与结构有关的几个问题：（1）钴-60源防护 根据ICRP推荐，当钴-60源处于关闭位置时，距源1m处，各方向的平均照射量率应小于2mR/h，且不应有超过10mR/h的地方。据此，对于千居里级的钴-60治疗机，防护需要将其衰减到10-6，需近似20个半价层。通常源容器用钨或铀合金，源容器周围用铅，外面用钢作套。第52页/共88页2300Ci钴-60源衰减到1.510-6所需的材料厚度材料材料密度密度（g/cm3)HVL(cm)厚度厚度（cm）铅铅11.41.2726.0钨合金钨合金16.71.020.518.00.918.5铂铂18.70.6613.5第53页/共88页（2）遮线器（射线截断装置）开启时，射线束通过一定方向射出进行治疗；关闭时，射线束被截断，只有少部分射线漏出。源固定，插入防护材料方式源运动，抽屉式或旋转式第54页/共88页（3）准直器系统目的：是限定照射野大小以适应治疗需要。根据ICRP推荐，应使漏出的射线量不超过有用照射量的5，不低于4.5个半价层。例如，钴-60射线，用铅做成的准直器应不低于4.51.275.7cm，一般取6cm。实际治疗机中，多数准直器厚度比此厚度大，使漏射线剂量不超过有用剂量的1，以减少穿射半影。第55页/共88页使半影最小一级准直器，固定，限定最大照射野。二级准直器，可调，复式结构，减少几何半影。末端两对叶片为伸缩式。治疗鼻咽癌，可以降低双侧眼球晶体剂量。第56页/共88页 半影(penumbra)：射野边缘剂量随离开中心轴距离的增加而急剧变化的范围。临床上有三种原因造成钴-60治疗机有半影。三、钴-60半影第57页/共88页产生原因：由于源具有一定尺寸，射线被准直器限束后，射野边缘诸点分别受到面积不等的源的照射，造成剂量由高到低的渐变分布。消除方法：要消除这类半影，只有减少源的尺寸，但当减少到一定尺寸时源的活度受到影响，故临床上治疗病人时，可以采用延长源到准直器的距离这一方法。几何半影第58页/共88页产生原因：即使是点状源，由于准直器端面与线束边缘不平行，使线束穿透厚度不等，造成剂量渐变分布。消除办法：使用球面聚焦式准直器（球面限光筒）。穿射半影第59页/共88页产生原因：即使几何半影和穿射半影“消失”，组织内照射射野的边缘仍存在剂量的渐变分布，这主要是由于组织中的散射线造成的。边缘的散射线的总量总是低于射野内任意一点的散射线的量，同时射野边缘离射野中心越远，散射线剂量也越少。“消除”方法：无法完全消除，但会随入射射线的能量增大而减少。高能X射线或射线，散射线主要是向前的，散射半影小；低能X射线，散射线呈各向同性，散射半影较大。散射半影第60页/共88页半影会造成照射射野边缘剂量分布不均匀，临床上应设法尽量减少半影。目前新型的钴-60治疗机均带有半影消除装置的复式球面形准直器。第61页/共88页因不断衰变，放射性活度不断减小，使得患者的治疗时间越来越长。换源时，特别注意：规格（直径小于或等于旧源）；需要重新确定剂量学参数，主要是源的输出剂量测量、射野平坦度和对称性测定、半影的测定等；机器本身（特别是机头）的防护检查。四、钴-60源更换第62页/共88页1932年提出。1937年，1MV Van de Graaff静电加速器；（美国）1943年提出。1949年，20MV 感应加速器；（高能X射线，高能电子束）（美国）（我国70年代初）1944年提出。70年代初，22MeV 回旋加速器。（瑞典）1946年提出。1952年，8MV 直线加速器。（英国）（我国78年）第五节 医用电子加速器第63页/共88页三、电子直线加速器第64页/共88页 采用微波电场把电子加速到高能的装置。要求微波的相位变化要与电子的速度同步匹配，即要求电磁波电场分量的相位变化在电子到达时必须指向前进的方向。加速管实际上是一个微波波导管，由一组圆柱形的谐振腔组成，每个谐振腔的直径为10cm，长度为2.5cm5cm。建立的电磁场为TM010波，电场沿轴向分布，磁场沿横向分布。（一）加速原理第65页/共88页图4-15 射频电子直线加速器中加速电场的建立 (a)行波加速 (b)驻波加速 第66页/共88页图4-16相速度、光速、电子的运动速度圆盘状光栏“盘荷波导管”间距开始小，后保持不变。行波加速第67页/共88页(a)行波加速(b)驻波加速第68页/共88页驻波的产生（调节反射波的相位和速度）图4-16耦合腔：一半起耦合和输送微波功率的作用加速腔：另一半起加速作用功率消耗比行波的要小（利用了行波的反射波）同样能量的加速器其长度可以进一步缩短驻波加速第71页/共88页(a)行波加速(b)驻波加速第72页/共88页 工作原理：如下图，脉冲调制器从外部电源获得能量并转换为脉冲宽度为几微秒、电压几十千伏的脉冲，同时加到磁控制管（或速调管）和电子枪。电子枪中的电子经阳极和阴极间的脉冲负高压（45kV左右）的作用进入加速管。与此同时，磁控管或速调管经波导管将高功率的微波送入加速管，电子束被加速到所需要的能量后，经过偏转磁铁偏转，直接引出（电子束治疗）或打靶（X射线治疗）。典型的医用行波电子直线加速器第75页/共88页第76页/共88页 治疗头（与治疗有关的重要附属设备）扩大和均匀射野 对X射线治疗，在射线路径上加均整器；对电子束治疗，换成散射片输出剂量由薄壁穿射电离室监测，其优点可以减少电子束中的X射线污染和能量损失。第77页/共88页（二）X射线、电子束的能量目前市场上主要有三种机型：（1）低能单光子（46MV）直线加速器 （2）低能单光子（6MV）带电子束直线加速器 （3）（中）高能单（双）光子带电子束直线加速器 临床经验证明，约80的深部肿瘤 6MV X射线可满足要求，对某些较深部位（如腹部）的肿瘤，使用较高能量的X射线（如1618MV）。高能电子束适合治疗较浅的偏体位肿瘤，其电子能量以420MeV范围较好。靶区后缘深度16cm。例如，Varian 2100C 6MV、18MV两挡X射线，6MeV、9MeV、12MeV、16MeV、20MeV电子束第78页/共88页（三）束流的均整、扩散及准直图4-19 医用直线加速器治疗头第79页/共88页（1）X射线的均整 靶材料为钨、铂金等，厚度要足以完全吸收入射的高能电子。X射线均整器：420MV 范围的X射线，使在治疗距离处得到大约3540cm大小的满足一定平坦度和对称性要求的治疗用射野。均整器常用铅制作。第80页/共88页（2）电子束的扩散 直接引出的电子束大约为直径3mm的笔形束，必须经散射片将其扩散到满足一定均匀性的治疗射野范围。散射片通常用铜或铅制成，其厚度选择应使绝大多数电子被散射而不是产生轫致辐射。扩散线圈，可以减少电子中的X射线污染，但是电子要穿过电离室和准直器，所以仍会有X射线污染问题。第81页/共88页（3）准直器 X射线要经过两级准直才到达治疗部位。一级准直器位于加速管电子引出窗口下、大小固定不变，为X射线、电子束所共用。二级准直器是可变的。第82页/共88页 电子经引出窗（X线靶）一级准直均整或散射或扫描的（X射线和电子束）监测电离室二级或三级准直器（电子线限光筒）患者 监测电离室：由几个或一个多电极电离室组成。多数使用穿射型平板电离室，其大小应覆盖整个治疗射野，少数使用指形电离室。电离室的功能：是监测X射线、电子束的剂量率、积分剂量和射野的对称性。验收时和平时定期进行测量和校准。（四）束流的监测第83页/共88页 注意：测量和校对只对治疗范围内使用的剂量率有效（一般剂量率小于或等于1000cGy/min）。超过此范围时剂量仪不能跟随剂量率的变化而出现错误计数，造成剂量不准甚至是放射性事故。加速器制造厂家设定了超剂量率限位联锁，一旦机器输出剂量率超出预先设定的范围，联锁启动，自动切断高压。医院的物理师和工程师要每周检查其功能，确保治疗的安全进行。第84页/共88页 小结：1、钴60射线的特点（掌握）2、一般结构（了解）3、半影种类及产生原因（重点掌握）4、加速器种类（了解）5、医用直线加速器的加速方式（了解）6、束流的均整、扩散及准直（掌握）7、医用直线加速器优缺点（了解）第85页/共88页第86页/共88页 作业：1、半价层与滤过板有什么关系？（半价层、滤过板作用、之间的联系）2、钴-60治疗机半影的产生及如何消除？第87页/共88页感谢您的观看！第88页/共88页