X線、電子線劑量學(xué)-醫(yī)學(xué)課件

X線、電子線劑量學(xué)

放療用的X線、電子線如何產(chǎn)生？電子直線加速器：X線與電子線的產(chǎn)生加速器的重要組成結(jié)構(gòu)微波源（磁控管、速調(diào)管）電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)電離室準直器加速管靶均整器放療的整個流程？X線、電子線劑量學(xué)在放療中起什么作用？它是理解放療的基礎(chǔ)！X線、電子線劑量學(xué)的主要內(nèi)容是什么？主要內(nèi)容第一節(jié)帶電粒子與物質(zhì)的相互作用第二節(jié)X線與物質(zhì)的相互作用第三節(jié)放療劑量學(xué)基本單位和術(shù)語第一節(jié)帶電粒子與物質(zhì)相互作用1、主要作用方式2、能量損失的特點3、作用小結(jié)4、電子線射野劑量學(xué)基礎(chǔ)1、主要作用方式1.1與原子核外電子的非彈性碰撞1.2與原子核的非彈性碰撞1.3與原子核的彈性碰撞1.4與原子核發(fā)生核反應(yīng)A.電離

入射帶電粒子（如電子）與原子核外電子之間庫侖相互作用，傳遞給原子核外電子一部分能量，使之克服原子核束縛成為自由電子，使原子發(fā)生電離。

1.1與原子核外電子的非彈性碰撞B.激發(fā)

入射帶電粒子傳遞給原子核外電子較少能量，電子不足擺脫原子核束縛，電子可以向外殼躍遷使原子處于激發(fā)狀態(tài)。此過程稱為“激發(fā)”，激發(fā)原子退激時發(fā)光。

1.1與原子核外電子的非彈性碰撞C.作用結(jié)果

損失能量（碰撞損失/電離損失）

電離損失和激發(fā)引起的入射帶電粒子能量損失1.1與原子核外電子的非彈性碰撞韌致輻射

入射帶電粒子與原子核之間的庫侖力作用,使入射帶電粒子的方向和速度發(fā)生改變，運動狀態(tài)的改變伴隨發(fā)生電磁輻射，稱為“韌致輻射”。作用結(jié)果：輻射損失能量。1.2與原子核的非彈性碰撞

入射帶電粒子與原子核庫侖場相互作用，使入射粒子損失一部分能量。特點：能量損失小，不輻射光子、不激發(fā)原子核。滿足動能和動量守恒定律。當帶電粒子能量很低時，才會有明顯彈性碰撞1.3與原子核的彈性碰撞當入射的重帶電粒子能量足夠大（約100MeV)時，與原子核的碰撞距離小于原子核的半徑時，擊出1個或多個核子，原子核處于激發(fā)態(tài)，通過放射出核子或r射線退激。注：100MeV的質(zhì)子照射石墨，核反應(yīng)損失約占總能量損失的2.5%電子束，核反應(yīng)能量損失可忽略。1.4與原子核發(fā)生核反應(yīng)2、能量損失的特點2.1電離損失的定量計算2.2輻射損失的定量計算2.3電離和輻射缺失的相對重要性

dE

z2

(-)NedXE式中：

z：重帶電粒子的電荷數(shù)

Ne：靶物質(zhì)每克電子數(shù)

E：入射粒子能量

2.1電離損失的定量計算dEz2Z2

(-)NEdXm2

m:入射粒子靜止質(zhì)量E：入射粒子能量

z：入射粒子電荷Z：靶物質(zhì)原子序數(shù)N：單位質(zhì)量靶物質(zhì)中的原子數(shù)上述能量損失（電離損失+輻射損失）用“阻止本領(lǐng)”描述2.2輻射損失的定量計算總能量損失=電離損失+輻射損失，忽略其它損失。重帶電粒子：輻射損失可以忽略

SS

=()col

電子：輻射損失和電離損失的相對重要性

SSZE

（

）rad/()col

800MeV

其中，Z:靶原子的原子序數(shù)E：入射電子的動能2.3

兩種能量損失的相對重要性帶電粒子與物質(zhì)相互作用是通過與核外電子的多次非彈性碰撞，使靶物質(zhì)電離和激發(fā)而損失能量—電離損失與靶原子核的非彈性碰撞而損失能量--輻射損失每一次碰撞能量損失很小，因此可用阻止本領(lǐng)及射程描述帶電粒子在物質(zhì)中的行為3、作用小結(jié)輻射損失與入射帶電粒子的m2成反比，輕帶粒子的輻射損失比重帶電粒子的損失大得多（如：相同能量電子的輻射損失比質(zhì)子的大100萬倍）輻射損失與Z2成正比，重元素物質(zhì)中的軔致輻射比輕元素物質(zhì)大輻射損失與入射粒子能量成正比入射粒子能量越高，輻射損失越大。3、作用小結(jié)4、電子線射野劑量學(xué)基礎(chǔ)電子束限光筒的作用形成不同尺寸照射野產(chǎn)生散射電子，改善電子束的角分布、能譜、射野的均勻性。增加建成區(qū)的劑量中心軸百分深度劑量曲線分四個區(qū)：劑量建成區(qū)高劑量坪區(qū)劑量跌落區(qū)X射線污染區(qū)表面劑量Ds>75%X射線污染水平6-12MeV,0.5%-2%12-20MeV,2%-5%6MeV15MeV中心軸百分深度劑量曲線能量對百分深度劑量的影響隨著電子束能量增加：表面劑量增大高劑量坪區(qū)變寬劑量梯度(G)減小X射線污染增加電子束劑量學(xué)優(yōu)點逐漸消失。6MeV15MeV4~6MeV電子束，表面劑量約為75%15~25MeV電子束，則高達90%以上低能電子束的劑量跌落要比高能電子束的更陡實際放療能量范圍：

4～15MeV能量對百分深度劑量的影響7MeV13MeV20MeV不同能量、大小的射野中心軸PDD源皮距對PDD的影響隨SSD增加：表面劑量降低最大劑量深度變深劑量梯度變陡X射線污染略有增加電子束射野的等劑量分布隨深度增加：低值等劑量線向外側(cè)擴張高值等劑量線向內(nèi)側(cè)收縮電子束能量大于7MeV以上時，情況更突出電子束的輸出劑量由于電子易于散射，輸出劑量隨限光筒大小的變化沒有明顯的規(guī)律；不同廠家的限光筒設(shè)計不同，同號限光筒，輸出劑量也會不同。斜入射對PDD的影響斜入射增加最大劑量dm的側(cè)向散射，使dm向表面方向移動，電子束穿透能力減弱斜入射的影響可用筆形束模型解釋斜入射對劑量分布的影響表面不規(guī)則對劑量分布的影響不規(guī)則階梯狀體表，因旁散射的失衡在界面附近產(chǎn)生局部的劑量熱點和冷點，當臺階突出時，電子由里向射束軸外散射；反之，電子由外向射束軸心方向散射，臨床上通常使用組織填充物來減弱電子穿透能力，使其邊緣劑量平穩(wěn)過渡。組織補償補償體表不規(guī)則的外輪廓，減弱電子束的穿透能力，提高皮膚劑量。補償材料：石蠟、聚苯乙烯和有機玻璃，密度約1g/cm3。小塊不均勻性組織小塊不均勻性組織，會在邊緣處產(chǎn)生劑量熱點和冷點射野銜接技術(shù)電子束野銜接技術(shù)特殊部位照射，如全腦全脊髓治療，需用多個相鄰野銜接構(gòu)成大野，要避免靶區(qū)內(nèi)有超/欠劑量。銜接的基本原則是：在皮膚表面相鄰野之間，或留有一定的間隙，或使得兩野共線，使50%等劑量曲線在所需深度相交，形成較好的劑量分布。建議經(jīng)常變化其銜接的位置，以避免固定位置銜接出現(xiàn)熱點或冷點劑量。1、常用4、6、9、12、15MeV2、約15%患者使用3、電子束射程有限4、能保護靶區(qū)后器官、組織5、皮膚劑量較高6、深度劑量在小野變化明顯7、不均勻組織影響大8、不符合平方反比定律9、適宜于表淺腫瘤、淋巴結(jié)電子線射野劑量學(xué)基礎(chǔ)小結(jié)第二節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用1.X線的作用特點2.X線的主要作用方式各種作用的相對重要性

X線射野的基本劑量特點X射線是電磁輻射，不帶電，無靜止質(zhì)量。與物質(zhì)的相互作用機制與帶電粒子完全不同。X射線與物質(zhì)相互作用是通過一次碰撞損失大部分或全部能量，穿過物質(zhì)時其強度遵循指數(shù)衰減規(guī)律:-tI=I0e1.X線的作用特點2.1光電效應(yīng)2.2康普頓散射2.3電子對效應(yīng)2.4光致核反應(yīng)2.X線的主要作用方式（能量小于30MeV）X射線全部能量轉(zhuǎn)移給原子中束縛電子使其從原子中發(fā)射出來，光子本身消逝。2.1光電效應(yīng)

光電子發(fā)射特征X射線和俄歇電子光電效應(yīng)總截面光電效應(yīng)線性衰減系數(shù)光電效應(yīng)光電子角分布入射光子把全部能量交給束縛電子，電子在原子中的束縛能一部分轉(zhuǎn)化為電子動能，一部分用于原子核反沖（可忽略）

h=Ee+Bi

式中，Ee：電子動能

Bi：電子在殼層中束縛能A.光電子發(fā)射2.1光電效應(yīng)B.特征X射線和俄歇電子發(fā)生光電效應(yīng)時從內(nèi)殼打出電子，該殼留下空穴使原子處于激發(fā)態(tài)，有兩種退激過程：特征X射線：外殼層電子向內(nèi)殼層躍遷使原子退激，殼層之間束縛能之差以X射線形式發(fā)射俄歇電子：原子的激發(fā)能交給外層電子使電子發(fā)射出來2.1光電效應(yīng)C.光電效應(yīng)總截面

每個原子光電效應(yīng)總截面與原子序數(shù)、光子能量間的關(guān)系（h大于K層結(jié)合能時）：

phZn/(h)3

式中

h：光子能量

n：取值4~4.8,與原子序數(shù)相關(guān)

Z：原子序數(shù)2.1光電效應(yīng)D.光電效應(yīng)線性衰減系數(shù)

光電效應(yīng)線性衰減系數(shù)與原子序數(shù)、光子能量間的關(guān)系（h大于K層結(jié)合能時）：

ph

phZn/(h)3

式中h：光子能量

n：取值4~4.8,與原子系數(shù)相關(guān)

Z：原子序數(shù)光電效應(yīng)隨原子序數(shù)增加迅速增加光電效應(yīng)隨光子能量增加迅速減少2.1光電效應(yīng)E.光電效應(yīng)光電子角分布低能光子電子沿近900方向發(fā)射高能光子沿近00方向發(fā)射

900

低能光子h

00

高能光子2.1光電效應(yīng)A、反應(yīng)機制光子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使之脫離原子成為反沖電子。散射光子的能量核方向改變

原子核反沖電子Eeh

~~~~~~~

電子

散射光子h’2.2康普頓效應(yīng)B、與光電效應(yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中光子本身消失，能量全部轉(zhuǎn)移給電子?？灯疹D效應(yīng)光子把部分能量轉(zhuǎn)移給電子。光電效應(yīng)發(fā)生在束縛最緊的內(nèi)殼層電子上?？灯疹D效應(yīng)發(fā)在束縛最松的外殼層電子上

原子核反沖電子Eeh

~~~~~~~

電子

散射光子h’2.2康普頓效應(yīng)C、康普頓效應(yīng)能量分布

入射光子能量h

反沖電子動能Ee和散射光子h’Ee=h-h’入射光子能量一定時，散射光子能量隨散射角度增大而減小。散射角一定時，散射光子能量隨入射光子能量增大而增大。隨入射光子能量增大，散射光子越朝前向散射。=0時，h=h’，Ee=0=90時，Ee<0.511MeV；=180時，Ee<00.256MeV2.2康普頓效應(yīng)D.康普頓效應(yīng)

原子散射總截面

E

<<m0c2截面與入射光子能量無關(guān)，與Z呈正比。E

>>m0c2與Z成正比，近似與光子能量成反比

c

10-24-10-25-10-26-10-27-

0.11.010.0100

E(MeV)

2.2康普頓效應(yīng)反應(yīng)機制光子穿過原子核時與原子核的庫侖場相互作用，光子轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負電子特點：入射光子的能量必須E>2m0c2=1.02MeV與光電效應(yīng)類似，必須有第三者原子核參與，才能維持能量和動量守恒。由于原子核反沖動能小，可以忽略

原子核正電子

h

~~~~~~~

負電子2.3電子對效應(yīng)正電子在吸收體中慢化使其動能為零，與電子相互作用產(chǎn)生兩個

射線，此稱為“電子對湮滅”2.3電子對效應(yīng)正負電子對的能量和角度分布能量分布：E=Ee++Ee-+2m0c2由于Ee++Ee-=常數(shù)，正電子和負電子之間能量分配是任意的角度分布：由動量守恒正負電子對沿入射光子方向前角發(fā)射。光子能量越大，發(fā)射方向越前傾湮滅光子的能量和角度分布能量分布：

E1+E2=2m0c2且E1=E2=m0c2角度分布：湮滅前正負電子的動能和動量為零，因此運動方向相反2.3電子對效應(yīng)電子對效應(yīng)

截面E>2m0c2

pZ2EE>>2m0c2

pZ2lnE

p/Z210-25-10-26-10-27-10-28-10100

E

(MV)2.3電子對效應(yīng)光致核反應(yīng)：高能光子引起核反應(yīng)，如（，n)，這是有閾反應(yīng)，超過閾能1～幾MeV時，反應(yīng)幾率隨能量增加.2.4光致核反應(yīng)2.4光致核反應(yīng)加速器X線能量>10MV時：與鉛、鎢反應(yīng)閾能5.7～8.1MeV最大反幾率應(yīng)能量13～18MeV射野內(nèi)，中子強度約為X線劑量的0.5%射野外，中子強度約為X線劑量的0.1%2.4光致核反應(yīng)加速器X線能量>10MV發(fā)生（，n)時，中子來源：鎢靶33%

一級準直器42%X線均整器12%

治療準直器13%三種作用形式與光子能量、吸收特質(zhì)原子序數(shù)間相互關(guān)系3、各種相互作用的相對重要性3、各種相互作用的相對重要性人體骨、肌肉和脂肪相對空氣的質(zhì)能吸收系數(shù)人體組織對X射線的吸收差別60～150keV，低能X線，骨的吸收遠高于其它150～250keV，深部X線，骨的吸收較高2～22MV，高能X線，三種組織相近22～25MV，高能X線，骨的吸收稍高4、X線射野劑量學(xué)基礎(chǔ)4.1基本單位和術(shù)語4.2百分深度劑量性質(zhì)4.3等劑量分布曲線1.射線束（Beam)：從放射源發(fā)出的，沿著光子的傳輸方向，其橫截面的空間范圍稱為射線束。2.射線中心軸：定義為射束的對稱軸，并與準直器的旋轉(zhuǎn)軸和放射源的中心同軸4.1基本單位和術(shù)語一、術(shù)語定義3.照射野（Field)：由準直器確定的射線束的邊界，并與射線束中心軸垂直的平面稱為照射野。4.源皮距（SSD）：由放射源表面沿射中心軸到受照物體表面的距離。4.1基本單位和術(shù)語SSD一、術(shù)語定義5.源軸距（SAD)：從放射源前表面沿射線中心軸到等中心的距離。4.1基本單位和術(shù)語等中心點機頭轉(zhuǎn)軸機架旋轉(zhuǎn)軸床繞等中心轉(zhuǎn)軸PDD的定義：

射野中心軸上某一深度處的吸收劑量，與參考深度的吸收劑量之比。即：

PDD=Dd/Dd0*100%

說明：對高能X線，參考深度取最大劑量深度dmax4.2百分深劑量PDD的特性射野中心軸上PDD曲線示意圖6MVX線