醫(yī)學(xué)物理 電離輻射及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用課件

第八章電離輻射及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用第一節(jié)電離輻射基礎(chǔ)物理學(xué)第二節(jié)電離輻射與物質(zhì)的相互作用第三節(jié)電離輻射的生物效應(yīng)8.3.6相關(guān)計(jì)量概念(1)依據(jù)輻射的組成：電磁輻射和粒子輻射兩大類電磁輻射實(shí)質(zhì)上是電磁波，僅有能量而無靜止質(zhì)量，頻率由低到高分為:無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和射線等。如:粒子、粒子、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子、俄歇電子、中子、質(zhì)子、重離子等。粒子輻射既有能量,又有靜止質(zhì)量

輻射的分類：(1)依據(jù)輻射的組成：電磁輻射和粒子輻射。(2)依據(jù)作用的方式：非電離輻射和電離輻射。(2)依據(jù)作用的方式：非電離輻射和電離輻射。非電離輻射不引起物質(zhì)電離，只引起分子能級(jí)改變，電離輻射則引起物質(zhì)電離，直接電離：粒子、粒子、電子、質(zhì)子、重離子等。間接電離：X射線、射線、中子。包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線等。第一節(jié)電離輻射基礎(chǔ)物理學(xué)電離輻射產(chǎn)生過程：(1)非核過程，(2)核過程。(1)非核過程核外電子碰撞過程(例如X射線)，或電離后加速輸出(例如電子束、質(zhì)子束、重離子束)。(2)核過程與原子核本身密切相關(guān)，產(chǎn)生于核反應(yīng)或核衰變

(例如射線、中子束、射線、射線)。8.1.1基于非核過程的電離輻射一、X射線(1)X射線發(fā)生裝置普通X射線機(jī)包括：電子源，球形真空管，加速電場和陽靶。碰撞損失熱量輻射損失X射線T:高速電子動(dòng)能(~100keV)Z:靶原子序數(shù)(W74,Mo42)(2)X射線的強(qiáng)度和硬度X射線的強(qiáng)度(intensity)是指單位時(shí)間內(nèi)通過與X射線傳播方向垂直的單位面積的輻射總能量。強(qiáng)度調(diào)節(jié)：X射線的硬度(hardness)是指X射線的貫穿本領(lǐng)。硬度調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)管電壓，千伏率。(1)調(diào)節(jié)管電壓，(2)調(diào)節(jié)管電流，毫安率。表8-1X射線按硬度的分類和用途名稱管電壓/kV最短波長/nm主要用途極軟X射線軟X射線硬X射線極硬X射線5~2020~100100~250250以上0.25~0.0620.063~0.0120.012~0.0050.005以下組織攝影,表皮治療透視和攝影較深組織治療深部組織治療(b)X射線標(biāo)識(shí)譜原子殼層結(jié)構(gòu)模型X射線標(biāo)識(shí)譜的特征與陽靶材料有關(guān)，與管電壓無關(guān)。8.1.2基于核過程的電離輻射基于核衰變:射線、粒子、粒子、俄歇電子等。一、原子、原子核與放射性1.質(zhì)子和中子核素:具有相同質(zhì)子數(shù)Z、中子數(shù)N的同一類原子核，同質(zhì)異能素:Z同A同,能態(tài)不同,同位素:Z同,如:2.電子電子及“軌道”基于核反應(yīng):快中子束、-介子束等。如(1)衰變(decay)放射性核素放射出射線(即粒子)的衰變過程。射線就是高速運(yùn)動(dòng)的24He原子核。衰變方程:衰變包括：-衰變、+衰變和軌道電子俘獲。(2)衰變(decay)①

-衰變②

+衰變③軌道電子俘獲(EC)湮滅(3)躍遷與內(nèi)轉(zhuǎn)換電子①

躍遷：處于激發(fā)狀態(tài)的核，躍遷到較低的激發(fā)態(tài)直至基態(tài)，發(fā)射出射線。②

內(nèi)轉(zhuǎn)換電子：在某些情況下，原子核從激發(fā)態(tài)向較低能態(tài)躍遷時(shí)，產(chǎn)生的能量直接交給內(nèi)層電子，使該電子脫離原子束縛成為自由電子。｛

射線占89%內(nèi)轉(zhuǎn)換占11%(4)俄歇電子在發(fā)生軌道電子俘獲和發(fā)射內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的情況下，核外內(nèi)層電子軌道出現(xiàn)空穴，當(dāng)高能級(jí)(外殼層)的電子躍遷至低能級(jí)(內(nèi)殼層)時(shí)，把多余的能量直接轉(zhuǎn)移給同一能級(jí)的另一個(gè)電子，接受這份能量的電子脫離軌道成為自由電子—俄歇電子。二、放射性衰變基礎(chǔ)概念1.半衰期N=N0e-t半衰期:放射性核數(shù)目衰變?yōu)樵瓟?shù)目的一半所需的時(shí)間。T1/2=ln2/=0.693/平均壽命:=1/=T1/2/ln22.放射性活度一定量的放射性核素在一個(gè)很短的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時(shí)間間隔。A=-dN/dt=N=N0e-t=A0e-t單位:1Bq=1s-1,1Ci=3.71010Bq

常用單位：mCi、Ci-dN=Ndt三、核反應(yīng)1.核反應(yīng)概念核反應(yīng)是原子核與粒子、質(zhì)子、中子、重離子等粒子相互作用引起的變化。2.核反應(yīng)類型(1)中子核反應(yīng)[(n,)、(n,)、(n,p)、(n,2n)、(n,f)]

(2)質(zhì)子核反應(yīng)[(p,)、(p,d)、(p,n)、(p,)]

(3)離子核反應(yīng)[(d,)、(d,p)、(d,n)、(,p)、(,n)、(,)](4)光核反應(yīng)[(,n)、(,d)、(,)]核反應(yīng)方程簡寫：X表示靶核，a入射粒子，b出射粒子，Y剩余核2.粒子粒子用于治療包括近距離放射治療和核醫(yī)學(xué)中的體內(nèi)藥物治療。常用的放射性核素有32P,89Sr,90Y,131I,153Sm,186Re等等?；旧暇ㄟ^反應(yīng)堆制備。3.粒子釋放粒子的放射性核素在醫(yī)學(xué)中尚未應(yīng)用到臨床。4.中子束①

快中子束治癌中子的來源：氘和氚(d+T)的聚變反應(yīng)；氘和氘離子(d+D)的聚變反應(yīng)，氘和鈹(d+Be)的核反應(yīng)；質(zhì)子和鈹(p+Be)的核反應(yīng)。②超熱中子硼中子俘獲療法中子的來源：反應(yīng)堆引出的快中子慢化成為超熱中子。第二節(jié)電離輻射與物質(zhì)的相互作用8.2.1X射線、射線與物質(zhì)的相互作用作用形式：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)一、光電效應(yīng)出射光電子能量=入射光子能量-電子結(jié)合能光電效應(yīng)是低能X射線、射線與物質(zhì)相互作用的主要機(jī)制。X射線、射線撞擊一個(gè)原子內(nèi)層軌道電子時(shí)，其能量全部轉(zhuǎn)移給電子，使其具有動(dòng)能而脫離原子飛出，而X射線、射線本身消失，這種過程稱為光電效應(yīng)。三、電子對(duì)效應(yīng)當(dāng)高能量(大于1.022MeV)的X射線或射線通過物質(zhì)時(shí)，在原子核強(qiáng)庫侖場作用下，光子消失，轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，這一過程稱為電子對(duì)效應(yīng)。E+

+E-

=E0-2mec2E0=2mec2+E++E-四、物質(zhì)對(duì)X射線的吸收規(guī)律當(dāng)X射線通過物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)的原子發(fā)生以上三種相互作用，X射線的能量降低，強(qiáng)度隨著X射線深入物質(zhì)的程度而減弱，這種現(xiàn)象叫做物質(zhì)對(duì)X射線的吸收。朗伯—比爾定律I=I0exp(-L)(1)

線性吸收系數(shù)(2)半價(jià)層=KZ43L1/2=ln2/(3)質(zhì)量吸收系數(shù)和質(zhì)量半價(jià)層m=/Lm=LI=I0exp(-mLm

)8.2.4中子與物質(zhì)的相互作用(2)中子與物質(zhì)的相互作用散射核反應(yīng)：彈性散射&非彈性散射(1)中子分類慢中子(0~1keV)、中能中子(1keV~500keV)、快中子(0.5MeV~10MeV)以及高能中子(大于10MeV)。慢中子:又可分為熱中子(平均能量0.025eV)、超熱中子(能量1~10eV)、共振中子(1eV~1keV)。(a)彈性散射中子損失的能量與相互作用原子核的質(zhì)量有關(guān)。原子核質(zhì)量越小，獲得能量越大。通常采用含氫的水、含氘的重水、石墨或有機(jī)化合物作為中子的慢化劑。中子用于治療時(shí)，其與氫原子的作用不容忽視。(b)非彈性散射非彈性散射一般是快中子、高能中子在重核上發(fā)生的。(c)中子核反應(yīng)慢中子和中能中子主要引起中子俘獲效應(yīng),(n,)反應(yīng)?？熘凶又饕l(fā)生散射，其次誘發(fā)(n,),(n,p),(n,)。高能中子則除以上反應(yīng)外，還可能發(fā)生(n,2n)反應(yīng)。中子活化分析:中子俘獲反應(yīng)產(chǎn)生放射性物質(zhì)的性質(zhì)可用于定性及定量檢測(cè)微量或痕量元素，應(yīng)用范圍：環(huán)境、地質(zhì)、法醫(yī)學(xué)、考古學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)。(d)醫(yī)學(xué)應(yīng)用(i)中子活化分析——痕量金屬元素檢測(cè)。(ii)中子刀利用遙控后裝技術(shù)將中子源送進(jìn)腫瘤內(nèi)部，借助中子射線近距殺死癌細(xì)胞．中子射線的生物作用比X、射線強(qiáng)2~8倍，適用于敏感性較差的腫瘤或復(fù)發(fā)性腫瘤．(iii)硼中子俘獲療法把含硼元素的腫瘤親和藥物注入人體，該種藥物能迅速濃聚于病灶部分，此時(shí)用超熱中子射線照射，可以在靶區(qū)引起核反應(yīng)，所釋放的高能射線只殺死腫瘤細(xì)胞而不損傷周圍組織．該療法被認(rèn)為是目前治療腦膠質(zhì)瘤的最好方法．8.3.6相關(guān)計(jì)量概念一、照射量X射線或射線在質(zhì)量為dm的空氣中釋放出來的全部電子完全被空氣阻止時(shí)，在空氣中產(chǎn)生任一種符號(hào)的離子總電荷的絕對(duì)值dQ除以dm，即=dQ/dm照射量僅適用于X或射線和空氣介質(zhì)。專用單位R(倫琴)1R=2.58×10-4C／kg二、吸收劑量D吸收劑量D反映受照物質(zhì)吸收輻射能量的程度，定義為單位質(zhì)量的物質(zhì)從電離輻射中吸收的平均能量。吸收劑量的專用單位是戈瑞(Gy,Gray)，單位符號(hào)為Gy。1Gy等于1kg受照物質(zhì)吸收1J的輻射能量，即1Gy=1J·kg-1（1rad＝0.01Gy）吸收劑量的概念適用于任何種類的核輻射及任何受照射的介質(zhì)。在提到吸收劑量時(shí)，必須指明物質(zhì)的種類和所在的位置。三、吸收劑量D與照射量之間的關(guān)系位于空氣中同一點(diǎn)處的生物組織中的吸收劑量D和空氣中該點(diǎn)照射量間的關(guān)系為：D＝

f如:對(duì)于X射線照射空氣介質(zhì)，f=8.69×10-3Gy/R對(duì)于能量大于0.15MeV光子照射肌肉和骨骼，f在9~10×10-3Gy/R,故一般取

f=

0.01Gy/R表8-4各種能量的光子在骨骼和肌肉中的f值臨床上，當(dāng)使用不同射線，即使吸收劑量相同，產(chǎn)生的生物效應(yīng)不同；或者說，要達(dá)到同一生物效應(yīng)（殺傷同一腫瘤），所需不同射線的吸收計(jì)量不同。四、有效劑量E(effectivedose)為了比較不同輻射對(duì)機(jī)體不同組織的損傷效應(yīng),評(píng)估輻射引起的確定性效應(yīng)概率,引入有效劑量E(生物拉德當(dāng)量),定義為組織內(nèi)某一點(diǎn)處D、WR、WT三個(gè)量的乘積,E=DWRWT

=HTWTD

:該點(diǎn)的吸收劑量,WR:射線在該點(diǎn)的輻射權(quán)重因子WT:射線在該點(diǎn)的組織權(quán)重因子，HT：當(dāng)量劑量意義：用機(jī)體組織受損傷的程度,來反應(yīng)吸收劑量大小,相同有效劑量E(當(dāng)量劑量)產(chǎn)生相同生物效應(yīng)。有效劑量的專用單位為希沃特(西弗

),Sv,1Sv=1J·kg-1如：快中子，DI=1Gy，WR=20,EI＝1Gy20WT

X射線，DX=20Gy,WR=1,EX＝20Gy1WT會(huì)導(dǎo)致相同程度的損傷。1.解釋：電磁輻射，粒子輻射，電離輻射，非電離輻射，X射線:連續(xù)譜/標(biāo)識(shí)譜/強(qiáng)度/硬度2.核衰變的類型。3.電離輻射與物質(zhì)相互作用的形式。4.照射量、吸收劑量D、有效劑量E及其三者之間的關(guān)系。第八章電離輻射及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用---Additions光子能量MeV骨骼f10-3Gy·R-1肌肉f10-3Gy·R-1光子能量MeV骨骼f10-3Gy·R-1肌肉f10-3Gy·R-10.01035.49.250.209.799.630.01539.79.160.309.389.570.02042.39.160.409.289.540.03043.99.100.509.259.570.04041.49.190.609.259.570.05035.89.260.809.209.560.06029.19.291.09.229.560.08019.19.391.59.209.580.1014.59.482.09.219.540.1510.59.563.09.289.54表8-4各種能量的光子在骨骼和肌肉中的f值種類與能量范圍輻射權(quán)重因子WRX射線,射線1電子1中子,能量<10keV10~100kev>100keV~2MeV>2MeV~20MeV>20MeV51020105質(zhì)子,能量>2MeV5粒子,重離子20表8-5輻射權(quán)重因子組織或器官權(quán)重因子WT組織或器官權(quán)重因子WT性腺結(jié)腸胃乳腺食道皮膚其余器官或組織

0.20.120.120.050.050.010.05紅骨髓肺膀胱肝甲狀腺骨表面0.120.120.050.050.050.01表8-6組織權(quán)重因子AppendixI短時(shí)間受到大劑量輻射的臨床反應(yīng)常見的輻射劑量劑量/mSv后果劑量/mSv射線源或限度>4000死亡0.003天然背景值4000-2000產(chǎn)生嚴(yán)重輻射疾?。汗撬韬凸敲芏仍獾狡茐?，紅細(xì)胞和白細(xì)胞極度減少，內(nèi)出血、腹瀉等癥狀0.03乘10小時(shí)飛機(jī)2000-1000輕微輻射疾病，疲勞、嘔吐、食欲減退0.1-0.2X射線醫(yī)學(xué)檢查累積量500-100沒有疾病感覺，但血液中白細(xì)胞含量減少1-2來自自然放射源一年的劑量(如空氣中的氡)<100對(duì)人體無危害1-5平均每人一年的積累量50放射行業(yè)工人一年的積累量2011-03-27福島第一核電站周邊檢測(cè)到的輻射劑量為每小時(shí)1.015mSv，人員在附近暴露6小時(shí)即會(huì)受到平時(shí)一年的輻射。AppendixTableIINaturalbackgroundradiations