肿瘤放射物理学3.pptx

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1、第三章 电离辐射吸收剂量的测量电离辐射沉积能量人体组织生物效应吸收剂量X(),电子束第1页/共114页1 剂量学中的辐射量及其单位2 电离室测量吸收剂量的原理3 电离辐射质的确定4 吸收剂量的校准6 吸收剂量的其它测量方法第2页/共114页1 剂量学中的辐射量及其单位国际辐射单位与测量委员会(ICRU)第33号报告（International Commission on Radiation Units and Measurements)一、粒子注量（particle fluence)辐射场中以某一点为球心的一个小球，进入该小球的粒子数dN与其截面da的比值 单位:m-2 粒子注量率截面da必须

2、垂直于粒子的入射方向第3页/共114页二、能量注量（energy fluence）进入辐射场内某点处单位截面积球体的粒子总动能，它等于dR除以da所得的商。单位J.m-2 能量注量率粒子注量和能量注量之间的关系：单能 非单能 E为粒子能量 为同一位置粒子注量的能谱分布 第4页/共114页三、照射量（exposure）X（）辐射在质量为dm的空气中释放的全部次级电子（正负电子）完全被空气阻止时，在空气中形成的同一种符号的离子总电荷的绝对值（不包括因吸收次级电子发射的轫致辐射而产生的电离）dQ与dm的比值，即单位为C.kg-1。曾用单位为伦琴（R），1R2.5810-4C.kg-1。照射（量）率：

3、单位时间内照射量的增量。第5页/共114页注意：1、照射量和照射量率只对空气而言，只是从电离本领的角度说明X射线或射线在空气中的辐射场性质，仅适用于X射线或射线。2、根据照射量的定义，dQ中不包括次级电子发生轫致辐射被吸收后产生的电离，这在X（）射线能量较高时会有明显意义。在单能光子辐射场中，同一点上的照射量X与能量注量之间的关系：W=33.97eV第6页/共114页四、吸收剂量（absorbed dose）dm为被照射物质的质量，为其吸收的辐射能。吸收剂量的国际单位（SI）为：Jkg-1。国际单位专用名称是戈瑞（Gy），旧有专用单位为拉德（rad）,1Gy=100rad。吸收剂量适用于任何类

4、型和任何能量的电离辐射，以及适用于受到照射的任何物质。数值上吸收剂量可表示为:第7页/共114页五、比释动能（kinetic energy released in material，kerma）不带电电离粒子在质量为dm的介质中释放的全部带电粒子的初始动能之和。K的单位为J.kg-1；专用名为Gy。比释动能用以衡量不带电电离粒子与物质相互作用时，在单位物质中转移给次级带电粒子初始动能的总和的多少的一个量，因此与吸收剂量不同，比释动能只适用于间接致电离辐射，但适用于任何介质。第8页/共114页六、当量剂量（equivalent dose）当量剂量HT等于某一组织或器官T所接受的平均剂量DT，R，

5、经辐射质为R的辐射权重因子（radiation weight factor）wR加权处理后的吸收剂量。单位为J.kg-1，专用名为希沃特（Sievert），符号为Sv，1SvJ.kg-1。当量剂量是辐射防护剂量学的基本的量，是在严格意义上的吸收剂量。辐射权重因子代表特定辐射在小剂量照射时诱发随机性效应的相对生物效应（RBE）的数值。第9页/共114页Radiation Weighting factorsRadiation Type and Energy RangeRadiation Weighting Factor,WRX and rays,all energies1Electrons,pos

6、itrons and muons,all energies1Neutrons:100 keV to 2 MeV20 2 MeV to 20 MeV10 20 MeV5Protons,(other than recoil protons)and energy 2 MeV,2-5 particles,fission fragments,heavy nuclei20ICRU 60,1991第10页/共114页七、照射量、吸收剂量、比释动能的关联和区别（一）间接致电离辐射的能量转移和吸收 在放射性治疗中主要指X（）辐射，其与介质相互作用损失能量，可以分为两步：（a）全部或部分能量转移，次级电子；（b）

7、大部分次级电子以电离或激发的形式损失能量；而少数次级电子与介质原子的原子核作用，发生轫致辐射产生X射线。第11页/共114页光子能量在（a）点释放出次级电子的损失，即光子的能量转移，以比释动能来度量；沿径迹（b）的损失，即光子的能量被介质吸收，以吸收剂量来度量。只有当次级电子的射程很短，能量很低时，次级电子一产生就将其获得的光子转移能量全部释放给作用点附近的介质，此时介质作用点（a）处体积元内所吸收的次级电子能量，即吸收剂量，在数值上恰好等于入射光子释放给作用点（a）处的比释动能。第12页/共114页（二）电子平衡 电子平衡或广义的带电粒子平衡是利用比释动能计算吸收剂量必须附加的最重要条件之一

8、。“电子平衡”：在O点处，所有离开小体积V的次级电子带走的能量，恰好等于进入小体积V的次级电子带入的能量。第13页/共114页电子平衡成立的条件：（1）小体积V周围的X（）辐射场必须均匀，以使V周围X（）光子释放的次级电子的注量率保持不变。这不仅要求V周围的辐射强度和能谱不变，而且要求V周围（图中虚线以内部分）的介质是均匀的。（2）小体积V在各个方向离开介质边界的距离d要足够大，至少要大于次级电子的最大射程。第14页/共114页严格讲，上述条件难以实现，特别是近辐射源处，辐射强度随位置变化显著；以及两种不同介质的交界处，为非均匀介质，都不可能满足电子平衡的条件。但在实践中，需对某些条件作些处理

9、，以使在一定的精度范围内，可认为电子平衡成立。如当X（）射线能量较低时，由于次级电子射程相对较短，X（）光子的衰减可以忽略，则在某些受照射的介质中，可认为近似存在电子平衡。第15页/共114页（三）照射量和比释动能 在电子平衡条件下，并且由次级电子产生的轫致辐射可以忽略时，两者的关系为：实际上，在低原子序数介质如空气、水、软组织中，比释动能可以分成两部分，即 因此，空气介质中照射量和比释动能的关系实际为 第16页/共114页（四）照射量和吸收剂量当满足电子平衡条件时，在空气介质中，照射量和吸收剂量数值上的关系照射量和吸收剂量的转换关系式：第17页/共114页（五）吸收剂量和比释动能 在满足电子

10、平衡条件下，且由次级电子产生的轫致辐射可以忽略时，介质中某一点的吸收剂量和比释动能在数值上是相等的。在电子平衡条件不满足时，引入一个电子平衡系数qe。电子平衡系数定义：表示X（）光子辐射在一小体积单位内沉积的能量Edep与在同体积内电离过程中释放的能量Ecol之比，即 qeEdep/Ecol第18页/共114页第19页/共114页对几个区域的说明：在建成区域内某一体积单元，X()射线产生次级电子的能量并未在此小体积中全部被沉积。即：qe1.0第20页/共114页吸收剂量比释动能 照射量 电子平衡次级电子的韧致辐射可以忽略DK第21页/共114页小结：基本概念照射量、吸收剂量、比释动能 （定义、

11、单位）电子平衡及其成立的条件照射量、吸收剂量、比释动能的关联和区别 第22页/共114页2 电离室测量吸收剂量的原理确定吸收剂量的主要和常用方法：用剂量计测量在介质内设一个充气空腔。如果知道空腔内的带电粒子注量与空腔周围介质中的带电粒子注量之间的关系，就可以由空腔内的电离电荷来确定介质中的吸收剂量。在一般情况下是将辐射敏感元件置于介质内，根据敏感元件提供的特定信息确定介质的吸收剂量。辐射敏感元件的密度可能与介质的相差较大，材料成分可能有所不同，从而在介质内构成一个不连续的区域，称为腔室。腔室可以由气体、液体或固体材料构成。气态的腔室称作空腔。第23页/共114页 利用电离电荷测量剂量的方法称为

12、电离法。电离辐射探测器：把电离电荷不加放大地完全收集起来的器件叫电离室。将每个辐射粒子产生的初始电荷成比例地加以放大的气体放电器件叫正比计数器。对每一个电离事件均给出一个经过放大但幅度与初始电离事件的大小无关的信号，这种器件叫G-M计数管。正比计数器G-M计数管电离室第24页/共114页一、电离室的工作机制基本过程：通过测量电离辐射在与物质相互作用过程中产生的次级粒子的电离电荷量，由计算得到吸收剂量。（一）电离室的基本原理电离辐射在灵敏体积内与空气介质相互作用产生次级电子。这些电子在其运动径迹上使空气原子电离，产生正、负离子对。第25页/共114页在灵敏体积内的电场作用下，正、负离子向两极漂移

13、在外电路形成电流。在电离平衡条件下，测量到的电荷，理论上应该为次级电子所产生的全部电离电荷量。根据这一原理制成自由空气电离室。一般为国家一级或二级剂量标准实验室所配置，作为标准，主要用于对现场使用的电离室型剂量仪进行校准，并不适合现场如医院使用。第26页/共114页第27页/共114页（二）指形电离室（thimble chamber）图（a）：设想空气外壳，中心空气气腔。外壳的半径等于空气中次级电子的最大射程，满足电子平衡。与自由空气电离室具有相同功能。第28页/共114页（二）指形电离室（thimble chamber）图（b）：将图（a）的空气外壳压缩，而形成固态的空气等效外壳。该种材料中

14、达到电子平衡的厚度可远小于自由空气的厚度。第29页/共114页（二）指形电离室（thimble chamber）图（c）：指形电离室的剖面图。壁材料一般选石墨，内表面涂有导电材料，形成一个电极。中心 收集极由原子序数较低的材料制成。室壁与空气外壳等效。第30页/共114页（二）指形电离室（thimble chamber）指型电离室为空气等效电离室，室壁用固态的空气等效材料制成，其有效原子序数接近空气的有效原子序数(Z=7.67)。由于固态空气的密度远大于自由空气，即室壁可以做的很薄就可达到电子平衡。室壁材料通常使用石墨，有效原子序数接近碳(Z=6)，因此室壁材料在空腔中产生的电荷略小于自由空气

15、电离室，选用有效原子序数略大的铝材料制成的中心电极可部分补偿室壁材料的不完全空气等效。第31页/共114页二、电离室的工作特性 实际使用时，必须了解电离室本身所具有的特性，注意掌握正确的使用方法和给予必要的修正。（一）电离室的方向性 电离室的灵敏度会受到电离辐射入射方向的影响。正确的使用方法：平行板电离室应使其前表面垂直于射线的中心轴；指形电离室应使其主轴线与射线束中心轴的入射方向相垂直。第32页/共114页（二）电离室的饱和性 在电离室电压较低时因热运动导致带电离子由密度大处向密度小处扩散，正负离子在到达收集极前可能相遇复合成中性原子或分子，影响电离效应和电离室信号之间对应关系。电离室工作电

16、压逐渐增加，离子漂移速度增加，复合和扩散基本消除，电离室输出信号不再随工作电压而变化。电离室工作在电离室的饱和区。电压继续增高，碰撞电离使离子数目增殖，输出电流急剧上升，超出正常工作电压。第33页/共114页OA段：逐渐克服复合与扩散的影响，电流。AB段：复合与扩散消除，电流基本保持恒定。BC段：产生碰撞电离，电流。第34页/共114页（三）电离室的杆效应 电离室的金属杆和绝缘体及电缆，在辐射场中，会产生微弱的电离，叠加在电离室的信号电流中，影响电离室的灵敏度，这一效应称为杆效应。电离室的杆效应一般较小（1%），但也有的电离室会高达10，在实际应用中应尽量避免并给予校正。第35页/共114页（

17、四）电离室的复合效应 电离室工作在饱和区中也还是存在复合效应，可采取“双电压法”作校正。电离室分别在两个电压V1和V2下，收集的电荷分别为Q1和Q2。V1为正常工作电压，V1和V2的比值要大于3。利用二次多项式计算复合校正因子PS。对脉冲式或脉冲扫描式辐射，不同的(V1/V2)有不同的ai 值。第36页/共114页（五）电离室的极化效应（polarity effect）对于给定的电离辐射，电离室收集的电离电荷会随收集极工作电压极性的变化而变化，这种变化现象称为极化效应。引起极化效应的主要原因是：（1）对指形电离室，因电离室结构造成空间电荷分布依赖于电离室收集极的极性，又因正负离子迁移率不同造成

18、收集效率的差异，这种差异可通过提高收集电压而减少，但不能完全消除。（2）电离室灵敏体积以外收集到的电流也会引起电离室极化。消除极化效应的影响可通过改变电离室工作电压极性，取其测量平均值。极化效应应在0.5%。第37页/共114页（六）环境因素的影响 对非密闭电离室，电离室空腔中的空气密度随环境的温度和气压而变化。对温度和气压的校正公式为：此处，t和p分别为测量现场的温度和气压，t的量纲为 0C，p的量纲为 mbar(毫巴)，T为国家标准实验室校准该电离室时(包括静电计)的温度，一般都转换为20 0C。电离室受空气湿度影响较小，如果校准时相对湿度为50，现场为2070，可以不做校准。第38页/共

19、114页三、电离室测量吸收剂量的原理原理：电离室可以用来测量电离辐射在空气或空气等效壁中产生的次级粒子的电离电荷。另外，在空气中产生一对正负离子对所消耗的电子动能，基本为一常数，即平均电离能为W/e33.97J/C。用电离室测量吸收剂量分两步：（1）用电离室测量由电离辐射产生的电离电荷；（2）用空气的平均电离能计算并转换成电离辐射沉积的能量，即吸收剂量。第39页/共114页（一）中低能X（）射线吸收剂量的测量 低于2MV-X射线或钴-60 射线能量时，电离室的室壁可以满足电子平衡条件，介质中的吸收剂量可以用相同位置的照射量转换。空气中和介质中吸收剂量之间关系：或令：A=(m/a)为传输系数，表

20、示能量通过室壁的份额，其值略小于1。第40页/共114页（二）高能电离辐射吸收剂量的测量 电子平衡条件不满足，根据布拉格格雷（BraggGray）空腔理论，电离辐射在介质中沉积的能量即吸收剂量，可以通过测量其置放在介质中的小气腔内的电离电荷量转换得到。在气腔的直径远远小于次级电子的最大射程时，气腔的引入不会对次级电子的分布产生影响。这样介质吸收电离辐射的能量Em与气腔中所产生的电离量Ja应有以下关系：式中，(S/)m/(S/)a为介质与空气的平均质量阻止本领之比。此式为“布喇格-格雷”公式。第41页/共114页第42页/共114页 综合低能X（）射线和高能电离辐射（包括电子、X（）射线等）的测

21、量原理，需注意以下几点：（1）中低能X（）射线吸收剂量的测量，首先测量的可以是照射量，但电离室壁材料不仅空气等效，而且室壁厚度要满足电子平衡条件；（2）利用布拉格格雷理论测量吸收剂量时，就不需要电子平衡条件，因为根据空腔电离理论，气腔中产生的电离电荷量只与介质实际吸收的能量有关。第43页/共114页（3）对空腔大小的要求 对中低能X（）射线测量时，只要电离室壁材料和空气等效，对空腔的大小并没有实际的限制。如在空气中测量低水平辐射时，电离室的体积往往较大。用空腔理论测量高能电离辐射的吸收剂量时，气腔应足够小，一般要小于次级电子的最大射程，但也不能过分小，以致造成由次级电子电离产生的电子大量跑出气

22、腔，而使布拉格格雷关系式失效。第44页/共114页小结：1、电离室基本工作原理2、指形电离室的工作特性（六点）3、电离室测量中低能光子吸收剂量原理4、电离室测量高能电离辐射原理（布拉格格雷空腔理论）第45页/共114页3 电离辐射质的确定 电离辐射质的定义：电离辐射穿射物质的本领。一、X（）射线质的确定 放射性治疗中所用的X（）射线又分中低能X射线、高能X射线、放射性核素产生的射线，它们的射线质确定的方法不尽相同，需分别对待。第46页/共114页（一）中低能X射线 通过X射线穿过某种介质时衰减的程度来定义，通常用半价层(half value layer，HVL)表示。X射线穿过某种介质时遵循指

23、数衰减规律。式中，N0：为入射的光子数，l：为吸收体的厚度，：为线性衰减系数。半价层HVL为：HVL=ln2/=0.693/临床剂量学中，半价层通常按X射线机的球管电压的大小和使用的过虑板，分别用铝或铜材料的厚度来表示，如2mm Al，0.5mm Cu等。第47页/共114页（二）放射性核素产生的射线 射线由放射性核素特定能级衰变而来，因此能量是固定的，对钴-60，衰变过程中释放二条射线，其能量为1.17MeV和1.33MeV，且概率相同。因此平均能量为1.25MeV。对能谱较为复杂的放射性核素，须对不同能量的射线的衰变概率加权取平均。一般用其核素名和辐射类型表示，如钴-60射线、铯-137射

24、线等。第48页/共114页（三）高能X射线（1）标称加速电位。高能X射线的射线质原则上也可以用半价层来表示，但是因高能X射线的穿透力较强，线性衰减系数随射线质的变化比较小，因此高能X射线的射线质通常用电子的标称加速电位（nominal acceleration potential）表示，单位为百万伏或兆伏（MV）。电子的标称加速电位应该等于电子击靶前的电子束能量，但实际测量该值比较困难。第49页/共114页（2）用辐射质指数（radiation quality index)表示 定义方法有两种：（a）保持源到探测器的距离（SDD）等于源-轴距离（SAD），用水体模中20cm处与10cm处的组织

25、模体比TPR的比值表示。（b）保持源到水体模表面的距离（SSD）等于源-轴距离（SAD），用水体模中20cm处与10cm处的百分深度剂量PDD的比值表示。第50页/共114页第51页/共114页10cm10cmSDD20cm10cm（a）10cm10cmSSD20cm10cm（b）第52页/共114页二、高能电子束射线质的确定 由于电子束是带电粒子，它的能谱随着射线在介质中的穿行而连续变化。第53页/共114页对于高能电子束，主要关心的是模体表面和水中特定深度处的能量定义和表示方法。（一）模体表面的平均能量 高能电子束在模体表面的平均能量 ，是表示电子束穿射介质的能力和确定模体中不同深度处电子

26、束平均能量的一个重要参数。确定方法：由高能电子束在水中的百分深度剂量曲线或百分深度电离曲线的半峰值剂量深度R50（cm）表示。第54页/共114页 若R50,d由固定源探测器距离来测定，平均能量为：若R50,d或R50,i 由固定源模体表面距离来测定，平均能量为：或:第55页/共114页第56页/共114页（二）模体表面的最大可几能量 模体表面的最大可几能量EP,0是一个常用的参数，由电子在水中的射程Rp确定。射程的测量应在较大的射野和源体模表面的距离SSD=100cm条件下进行。式中系数为：C1=0.22MeV,C2=1.98MeVcm-1,C3=0.0025MeVcm-2 该值根据测量和蒙

27、特卡罗方法计算得出，在150MeV能量范围内，误差为2。第57页/共114页（三）不同深度处的平均能量 随模体深度的增加，电子束的能量发生变化。在深度z处的电子束的平均能量 ，可近似用其表面平均能量 和射程 来表示：此式，仅对低能电子束（E010MeV)或较高电子束能量时较小深度处时成立。第58页/共114页小结：1、X()射线辐射质的确定2、高能电子束辐射质的确定第59页/共114页4 吸收剂量的校准 校准的必要性：理论上设想的电离室，实际设计和制作是很困难的，现场使用的电离室（指形电离室和平行板电离室），为了能适应实际测量需要，往往对有些条件作了近似处理。因此，将现场电离室直接用于测量各种

28、类型的电离辐射的吸收剂量之前，必须进行校准，并选择和确定与之相适应的相关系数。第60页/共114页校准完成单位：国家级的计量监督部门，作为一级国家标准实验室，或由其授权并经计量标准传递的地方计量监督部门，作为次级标准实验室。校准执行的技术规程：IAEA和WHO发表的277号技术报告及其修订版推荐的X（）射线和电子束吸收剂量测量的技术规程。我国国家技术监督局根据这一技术规程，于1991年颁布了国家计量技术规范，并于1992年实施。光子和高能电子束吸收剂量测定方法 中国计量出版社 1991第61页/共114页一、吸收剂量测量用电离室、模体、几何条件的技术要求 由有照射量基准或空气比释动能基准的标准

29、实验室，负责对现场使用的测量仪表（电离室和静电计）进行校准和检验，给出相关的照射量校准因子Nx或空气比释动能校准因子Nk，并对现场使用给予指导和检查。在吸收剂量测量中，不同辐射质的电离辐射对电离室的特性要求是不同的。第62页/共114页第63页/共114页 一般都是在水模体（简称水箱）中进行的。因为人体组织接受的电离辐射的吸收剂量，是通过在水模体中测得的吸收剂量转换后得到的。扰动因子PU，修正电离室对X（）射线或电子束在水中的注量产生的扰动影响。有效测量点Peff，修正电离室气腔内电离辐射注量的梯度变化。第64页/共114页不同辐射质有效测量点Peff的位置，r为电离室气腔半径辐射质 Peff

30、中能X射线 几何中心 60Co 射线 0.6r 高能X射线 0.6r高能电子线 0.5r第65页/共114页在水中测量吸收剂量，需规范测量的几何条件，如为了克服水中吸收剂量梯度变化对剂量校准的影响，电离室应置于一特定深度，此为校准深度。第66页/共114页固体体模中X()吸收剂量的测量如果在测量位置处，射线的能谱分布和原射线和散射线的注量在两种介质中相同，则固体体模中吸收剂量转换到水中吸收剂量公式为：因水和固体体模对射线的吸收不完全相同，需对测量深度进行校正：其中，为平均质能吸收系数；ESC为散射校正因子（因固体材料的电子密度比水的要大，需作额外散射校正）；为平均线性衰减系数。第67页/共11

31、4页固体体模中电子束吸收剂量的测量 如果在固体材料和水体模中，最大剂量深度dmax处电子的能谱和注量相同，则在水和固体中的吸收剂量为：为平均非限制质量阻止本领，在0.150MeV能量范围内是常数。如下表：水/聚苯乙烯 水/有机玻璃 1.030 1.033第68页/共114页一般在dmax处电子的能谱和注量不相同，水和介质中吸收剂量关系为：w和m为dmax处水和介质的电子注量。水和聚苯乙烯中深度dmax处的电子注量比值 （MeV）5 1.039 7 1.033 10 1.025 13 1.017 16 1.009 第69页/共114页二、中低能X射线吸收剂量校准 IAEA的方法：先将现场使用的电

32、离室，经国家标准实验室的照射量基准或空气比释动能基准校准后，得校准因子NK，仪表读数，角标c表示校准时使用的辐射质。根据它们的定义，在中低能X射线能量范围内，两到照射量校准因子Nx，或空气比释动能M为校准时电离室剂量仪的个校准因子的关系为第70页/共114页第71页/共114页 在用户现场如医院，测量均匀水模体中用户点的吸收剂量，将经过照射量或空气比释动能基准校准的电离室置放在水模体中，电离室 的中心 与P相重合。剂量仪仪表读数为Mu（U为用户所用电离辐射的辐射质），则 点的照射量为：第72页/共114页该式表示以 该式表示以 点为中心、直径等于电离室外径的一空气腔置换电离室后的照射量。K为辐

33、射质校正因子，表示当用户现场使用的辐射质与电离室作校准时的辐射质不同时，对电离室的能量响应的校准。在中低能X射线的能量范围内，电离室壁对射线的吸收校正和室壁材料不完全等效的校正，均包含在照射量校准因子NX之中。第73页/共114页均匀水模体中P点的吸收剂量DW为如用空气比释动能校准因子NK，DW为校正因子以修正空气和电离室壁材料置换水后，对辐射场的扰动影响，也称为置换校正因子。为水与空气质能吸收系数之比，Pu为扰动第74页/共114页 对低能X射线（管电压低于100kV）吸收剂量的校准，一般需用平行板电离室空气中测量，然后将结果转换成电离室位于水模体表面时的吸收剂量：或 B为反向散射因子。第7

34、5页/共114页ICRU方法：ICRU第23号报告推荐，用电离室测量水中特定深度处的吸收剂量D，转换公式为R为测量仪表读数；F为照射量（单位R）对吸收剂量（单位cGy）的转换因子，F因子依赖于X射线质，计算公式为，r为置换因子。第76页/共114页第77页/共114页三、高能电离辐射吸收剂量校准 IAEA方法,大致可分成三个步骤：第一步，在国家标准实验室，将用户电离室置于钴-60射线空气辐射场中。为满足电子平衡，电离室应戴有标准厚度的电子平衡帽，电子平衡帽质量厚度为（0.450.05）g.cm-2，得出空气比释动能校准因子NK或照射量校准因子NX。第78页/共114页 第二步，定义用户电离室的

35、空气吸收剂量校准因子ND：式中为校准条件下，电离室空腔内的吸收与空气比释动和照射量的关系分别为：剂量。此条件下的吸收剂量能第79页/共114页 式中g为次级电子在空气中以轫致辐射形式损失的能量份额，对于钴-60射线，g0.003；Km为电离室材料空气不完全等效的校正因子；Katt为电离室材料（包括平衡帽）对射线吸收和散射的校正因子。和第80页/共114页 考虑应用方便，常用电离室的Km和Katt的数值以表格形式给出。可以得出，以空气比释动能校准因子NK或照射量校准因子NX计算得到的空气吸收剂量校准因子ND为：更适合国内应用第81页/共114页 第三步，应用于用户辐射场中时，将经标准实验室校准过

36、的电离室置放在标准水模体中进行测量。根据布拉格格雷理论和关系式，水中特定位置高能X（）射线和电子束的吸收剂量，即电离室的有效测量点处的吸收剂量DW应等于式中：MU为经温度和气压校准后的电离室剂量仪表读数；止本领比值。为水与空气的阻第82页/共114页 Pcel为电离室中心收集极空气不完全等效的校正因子。对由石墨、塑料制成的中心收集极，Pcel1。不同半径铝收集极的电离室Pcel因子查相应表格得到。第83页/共114页小结：1、吸收剂量校准的技术要求 （了解）2、不同辐射质有效测量点的位置 （记忆）中低能X射线 几何中心 60Co射线 0.6r 高能X射线 0.6r 高能电子束 0.5r3、中低

37、能X射线吸收剂量校准 （掌握）1）NX 或 NK 2）第84页/共114页 对低能X射线（管电压低于100kV）4、高能电离辐射吸收剂量校准 （掌握）1）NX 或 NK 2）3）空气吸收剂量校准因子第85页/共114页 除电离室方法以外，实践中还使用量热法、化学剂量计法等。有些场合下，更常用热释光、胶片、半导体等剂量测量方法。6 吸收剂量的其它测量方法第86页/共114页一、量热法 最直接、最基本的方法。基本原理：当介质受到电离辐射照射后，介质所吸收的辐射能量，除少部分可能引起化学反应外，主要会转换成热能，从而导致该介质温度的升高，温度的变化直接反映了介质吸收辐射能量的程度，由此可确定介质的吸

38、收剂量，根据这一原理制成的吸收剂量测量装置称为量热计。第87页/共114页 作为量热计热敏材料的吸收体过去常用石墨和聚苯乙烯等，近十几年来，以水为吸收体的水量热计亦有了发展。如果辐射能量全部转化成水的热能，测量水温的变化就可以直接得到吸收剂量。作为吸收剂量测量的直接方法，量热法具有良好的能响特性和极高的精度，一般在国家标准实验室里作为吸收剂量的测量基准。第88页/共114页二、化学剂量计法 物质吸收电离辐射的能量会引起化学变化，如果这一变化可以被测定，即可以使用它来测量吸收剂量。其中使用最普遍、测量精度最高的是硫酸亚铁化学剂量计，或称弗瑞克剂量计。基本原理是，硫酸亚铁水溶液经电离辐射照射，溶液

39、中的二价铁离子Fe2会被氧化成三价铁离子Fe3。Fe3的浓度正比于硫酸亚铁水溶液所吸收的辐射能量，用紫外分光光度计在波长为244nm和304nm处测量三价铁离子的浓度，即可确定吸收剂量。第89页/共114页 化学剂量计方法有较高的准确性。据报道，硫酸亚铁化学剂量计与FARMER电离室方法相比较，X（）射线能量从60Co射线能量到25MV X射线、电子束能量10-25MeV内，其差别分别在0.1%1.3%和0.1%2.5%之间。第90页/共114页三、热释光剂量计原理：根据固体能带理论，具有晶体结构的固体，因含有杂质，造成晶格缺陷，称为“陷阱”，当价带上的电子获得电离辐射的能量，迁跃到导带，不稳

40、定而落入“陷阱”，如对该物质加热，会使电子重新回到价带上，并将电离辐射给予的能量，以可见光的形式辐射出去。发光强度与“陷阱”所释放的电子数成正比。而电子数又与物质吸收辐射能量有关。经过标定，可测量吸收剂量。第91页/共114页常用的热释光材料为氟化锂(LiF，TLD-100)，有效原子序数为8.2，与软组织（)比较接近，适合临床应用。第92页/共114页 热释光材料的剂量响应与其受辐照和加热历史有关，在使用前必须退火。如LiF在照射前要经过l小时400oC高温和24小时80oC低温退火。它的剂量响应，一般在10Gy以前呈线性变化，大于10Gy则出现超线性现象。其灵敏度基本不依赖于X（）射线光子

41、的能量，但对于低于10MeV的电子束，灵敏度下降510。第93页/共114页热释光剂量计读出系统框图记录仪放大器光电倍增管热 源光滤过加热盘高 压第94页/共114页 热释光材料的剂量响应依赖于许多条件，因此校准要在相同条件，如同一读出器，近似相同的辐射质和剂量水平下进行，经过严格校准和对热释光材料的精心筛选，测量精度可达到9597。选择使用发光效率高、发光曲线简单和易于加工成型、物理和化学性能稳定的热释光材料，制成不同形状及大小，便于作剂量建成区，近距离治疗放射源周围的剂量分布、患者剂量监测和剂量比对等特别需要场合之用。第95页/共114页四、胶片剂量仪 放射照相用胶片组成：片基（厚度约0.

42、2mm厚，透明）、乳胶（覆盖在片基双面或单面的含溴化银晶体颗粒）、乳胶保护涂层。当胶片受可见光或电离辐射照射时，溴化银(AgBr)晶体颗粒中的银离子（Ag）还原为银原子（Ag），数个银原子就形成所谓的“潜影”。洗片时，洗片液分子促使晶体颗粒的Ag还原为Ag，这种转变在含有“潜影”的晶体颗粒中进行得更迅速，因此选择合适的洗片时间就形成高黑度差别的影像。第96页/共114页 光学密度用来定量胶片黑的程度，用符号OD表示，定义为 式中：I0是光线入射强度，It是光线透过强度。没有曝光的胶片也能阻止少量光线，形成本底密度，测量密度扣除本底密度称为净密度。第97页/共114页 透明度也可用于表示胶片黑的

43、程度，用符号T表示，定义为 光学密度概念一般用于胶片黑度测量，而透明度概念用于计算机图像显示处理中。光学密度和透明度的测量仪器主要有光学密度计（又称黑度计）、扫描仪和激光数字化仪三种类型。第98页/共114页 胶片灵敏度（S）是指特定的光学密度与所接受的照射量或组织替代材料吸收剂量的比值。对于同一型号的胶片，其灵敏度与射线能量、射线入射角度、照射剂量、洗片条件以及胶片的批号等因素有关，与照射剂量率无关。对于X（）射线，当满足电子平衡条件时，胶片灵敏度正比于胶片与水的质能吸收系数的比值。第99页/共114页胶片在剂量学中的应用主要有三个方面：（1）检查射野的平坦度和对称性；（2）获取临床常用剂量

44、学数据，如高能 X（）射线的离轴比、电子束的百分深度剂量和离轴比；（3）验证剂量分布，如相邻射野间剂量分布的均匀性、治疗计划系统剂量计算的精确度。测量时应保持胶片与模体紧密贴合，以免空气间隙造成不规则的花斑和条纹；如果胶片放置于射野中心轴层面内，应保证胶片边缘与模体边缘齐。第100页/共114页 与其他类型剂量仪相比，胶片剂量仪的优点是：（1）同时测量一个平面内所有点剂量，可以减少照射时间和测量时间；（2）有很高的空间分辨率；可以测量不均匀固体介质中的剂量分布。第101页/共114页 但由于银卤化物胶片灵敏度显著地受X（）射线能量和洗片条件的影响，也限制了它的应用。近年来，一种名为GAF Ch

45、romic的新型胶片引起广泛的研究兴趣。它不采用溴化银作为感光剂，具有较好的组织等效性，并且不需要暗室操作，不需要显影、定影，因此这种新型胶片可以克服银卤化物胶片的缺点。但这种胶片也存在一些缺陷，如灵敏度受环境温度和湿度的影响，同一张胶片不同位置的灵敏度差别较大。第102页/共114页五、半导体剂量仪 半导体剂量仪使用的探测器实际上是一种特殊的PN型二极管。通过特殊的制作工艺把P型晶体和N型晶体结合起来，则在结合面（界面）两边的一个小区域里，即PN结区，N型晶体一侧由于电子向P型晶体扩散而显正电，P型晶体一侧由于空穴向N型晶体扩散而显负电。第103页/共114页 界面附近呈现的正、负电性统称空

46、间电荷，由于这种空间电荷的存在，就在界面两边很小的PN结区域里形成静电场和电位差。当这种探测器受到电离辐射照射时，会产生新的载流子电子和空穴对，在电场作用下，它们很快分离开分别被“拉”到正极和负极，形成脉冲信号。因此，有的学者将半导体探测器称为“固体电离室”。第104页/共114页第105页/共114页 当前，硅晶体半导体探测器，主要用于测量高能X（）射线和电子束的相对剂量。测量高能X（）射线：与空气电离室相比较，具有极高的灵敏度。半导体探头可以做得非常小（0.30.7mm3)。常用于测量剂量梯度比较大的区域，如剂量建成区、半影区的剂量分布和用于小野剂量分布的测量；用于患者治疗过程中的剂量监测

47、。第106页/共114页 测量电子束的剂量：由于硅与水的质量阻止本领之比基本不随电子束的能量而变化，使其有独特的优点，它可直接以深度电离曲线表示百分深度剂量曲线。同时在小照射野条件下，应用半导体探头测量较低能量的电于束剂量分布，也优于平行板电离室，这主要是后者对较低能量电子束较高的侧向散射反应不灵敏。第107页/共114页 半导体探测器在实际使用中受到的限制：（1）由于硅的原子序数（Z=14）比水的有效值高，对中低能X射线(200kev以下)的反应截面大，这样在大照射野的边缘或较大的深度处测量等剂量分布，会受到一定的影响，为克服这一缺陷，往往在探头的侧面及底部增加一层屏蔽材料，起滤过低能光子的

48、作用。不过这样做会导致半导体探头的方向性效应的变化。第108页/共114页 （2）由于热效应的影响，半导体探测器即使工作在无偏压状态，也会产生“暗”电流，这一现象在低剂量率辐射场中较为明显。这种效应对N型半导体探测器的影响比对P型半导体探测器的影响要大，这也是在放射治疗中常选用P型半导体探测器作患者治疗中剂量测量的主要原因之一。第109页/共114页 （3）辐射损伤的影响。高能辐射轰击硅晶体，会使晶格发生畸变，导致探头受损，灵敏度下降。对于给定的探头，受损程度依赖于辐射类型和受照历史，如20MeV电子束对探头的损伤要比8MV X射线的损伤大20倍左右。第110页/共114页 （4）半导体探测器的灵敏度还受到环境温度、照射野大小以及脉冲式电离辐射场中的剂量率的影响。对于每一个具体的探头，其数值也有较大的差异。因此，在实际使用中，对每一个半导体探头，都应做上述诸多因素的修正，并定期校验。第111页/共114页小结：1、量热法、化学剂量计 （了解原理）2、热释光剂量计、胶片剂量计、半导体剂量计（了解原理、掌握优缺点及应用情况）第112页/共114页作业：1、简述电离室的工作特性。2、简述电离辐射吸收剂量校准的IAEA方法。3、简述热释光剂量计、胶片剂量计、半导体剂量计的优缺点及应用情况。第113页/共114页感谢您的观看！第114页/共114页