人體輻射計量學

人體輻射計量學第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三參考書目：《放射物理與防護學》，洪洋編著，人民軍區(qū)出版社《放射物理與防護》，李迅茹主編,人民衛(wèi)生出版社《醫(yī)學影像物理學》，張澤寶主編,人民衛(wèi)生出版社《輻射防護技術與管理》，張丹楓趙蘭才廣西民族出版社《醫(yī)用核輻射物理學》，魏志勇主編，蘇州大學出版社《腫瘤放射物理學》，胡逸民主編，原子能出版社《腫瘤放射治療學》(第四版)，谷銑之名譽主編，殷蔚伯等主編，中國協和醫(yī)科大學出版社第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三教學要求：1.掌握電離輻射的常用的輻射量和單位2.掌握輻射防護中使用的輻射量和單位3.熟悉射線質的測定4.了解照射量和吸收劑量的測量國際上選擇和定義輻射量及單位的權威組織是：國際輻射單位和測量委員會(Internationalcommissiononradiologicalunitsandmeasurements,ICRU)

國際放射防護委員會（ICRP）。第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第三章人體輻射計量學發(fā)生核反應產生新的粒子入射粒子能量傳遞給靶分子輻射物質相互作用粒子與物質間輻射能量傳遞和分布規(guī)律的學科輻射生物效應放射防護放射治療放射損傷是人體輻射計量學研究從劑量估算的基礎放射生態(tài)學等領域非電離輻射估算精度不斷提高單純的電離輻射劑量到涉足第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第1節(jié)電離輻射計量學放射診斷計量學醫(yī)用電離輻射物理計量學立體定向放射治療劑量學遠距離治療劑量學近距離治療劑量學放射性核素治療劑量學放射治療計量學

立體定向放射治療(SRS)，俗稱X刀,γ刀治療。它是通過立體聚焦裝置限定小的輻射束給病人病灶區(qū)施行一次(或多次)大劑量照射而且對臨近健康組織不產生大的損傷。第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1.放射治療劑量學

放射治療需要詳細的劑量學資料,以便在治療效果與正常組織防護上提出一個平衡方案。放射治療的劑量學方法取決于核素的種類和靶區(qū)大小。

1.器官(宏觀)水平:在這個水平(線性幾何尺寸大于1cm)劑量計算的基本方法是基于1968年醫(yī)學內輻射劑量(MIRD)委員會推薦的方法和其后發(fā)表的一系列補充報告。

2.半微觀(毫米)水平:這個水平主要是使用β粒子和α粒子發(fā)射體去治療非常小的腫瘤。根據能量沉積的范圍,放射劑量學大概可劃分為4個水平：第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

3.細胞水平(微劑量學):在這個水平一般考慮能量沉積范圍相當于細胞核大小。當核素分布是非均勻的,微劑量學方法最適用于α粒子和Auger電子發(fā)射核素,但微劑量學方法所得到的結果很難直接應用于臨床治療。

4.DNA(納米)水平:這個水平主要考慮α粒子和Auger電子對DNA的損傷。DNA水平的微劑量學研究，促進了徑跡結構方法和MonteCarlo計算理論的發(fā)展。有人已報道了在1～100nm直徑的靶體積內能量沉積絕對頻率分布的MonteCarlo計算結果并與RBE(相對生物效應)聯系起來。這方面的研究已逐漸從簡單的圓柱或球形模型向實際的DNA體積過渡。第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

雖然劑量計算本身的準確度在不斷改進。但應用到臨床實際，特別是針對個體病人還有很多問題。這是因為源的實際分布和靶分布在很多情況下是不明確的，估計的靶大小和幾何形狀可能造成劑量估算中的很大誤差。診斷劑量學大致包括以下3個方面:2.放射診斷計量學1.常規(guī)X射線攝影和透視2.CT檢查3.乳腺檢查和介入檢查

使用不同的診斷方法，用于計量學的物理量和檢測儀以及檢測方法均有差異。第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三一、X()射線的照射量

1.

照射量X的定義指X()射線的光子在單位質量dm空氣中釋放出的所有次級電子，當它們完全被阻止在空氣中時，在空氣中產生的同種符號的離子的總電荷量的絕對值(不包括因吸收次級電子發(fā)射的韌致輻射而產生的電離)dQ與dm的比值，即：照射量的單位是：曾用單位：倫琴R(Roentgen)

照射量是度量X()射線對空氣電離本領的物理量，他反映的是空氣輻射場的性質，間接反映射線的強弱。第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

注意:

①照射量描述放射源的輸出量；②在空氣中，而不在其它物質(如組織等)中；③適用于光子，而不能用于其它類型輻射(如中子或電子束)等。④因現有技術不能對低能和高能的X(γ)射線的照射量精確測量，因此照射量實際僅對光子能量介于幾千keV至幾兆keV范圍內的X(γ)射線適用。第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

當用X射線或射線照射0.001293g空氣(相當于在0℃，760毫米汞柱大氣壓的1cm3的干燥空氣的質量)中造成1靜電單位()正負離子的輻射強度=1倫琴。2.倫琴的概念

一個離子的電荷量為靜電單位。因此，產生一靜電單位電荷量的離子對為：第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三帶電粒子在空氣中形成一個離子對需消耗平均能量為33.97eV

1倫琴X()射線的折射量相當于在0.001293g空氣中交給次級電子的能量為：照射量率的單位：3.照射量率

單位時間內照射量的增量稱為照射量率(exposurerate),表達式為：第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

二、吸收劑量D1.吸收劑量D的概念指電離輻射授予單位質量靶物質(或單位質量物質所吸收的)任何電離輻射的平均能，表達式為：

由于照射量不能適用于光子以外的其他粒子的射線，而且不能描述人體真實組織受到輻射劑量的大小，因此引入吸收劑量。吸收劑量D的國際單位：

的專用名為：戈瑞Gray，符號為Gy，也有用cGy,棄用名拉德rad。1Gy=100cGy=100rad第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

注意：適用于任何類型、任何能量的電離輻射以及受照射的任何物質。但談及吸收劑量時，必須指明哪種輻射對何種物質的特定位置造成的吸收劑量。

授予能是指電離輻射以電離、激發(fā)方式傳遞給某一體積內物質的能量。授予能是一個隨機的量，只能通過測量去確定它的幾率分布。2.吸收劑量率的概念平均授予能是各種授予能與其出現的幾率乘積之和。

吸收劑量率是指單位時間dt內物質吸收劑量的增量dD，即dD/dt，單位是Gy/s。第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

粒子注量：在輻射場中以某一點為球心的小球，進入該小球的粒子數dN與垂直于每個粒子入射方向的截面積dS之比，稱之為粒子注量。

能量注量：在輻射場中進入截面積dS的球體內的所有粒子的總能量dE（總動能，不包括靜止能量）與截面積dS之比，稱之為能量注量。單位時間內粒子注量的變化，稱為粒子注量率。單位時間內能量注量的變化，稱為能量注量率。粒子注量和能量注量

粒子數N：由輻射源發(fā)出的，或在輻射場內傳播的，或被有關物質接收的粒子數目稱作粒子數。第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三3.空氣吸收劑量與照射量的換算換算公式為：

D采用Gy，X采用C/Kg為單位時，的換算系數為33.97類別吸收劑量D照射量X適用靶范圍物理含義使用輻射源量度含義測量限制國際單位專名任何被照射物質靶物質吸收的輻射能任何電離輻射源直接反映受照人體組織無限制戈瑞Gy僅適用于空氣空氣中的離子總電荷量僅適用于X(γ)射線源間接反映受照人體組織能量在10KeV~3MeV的X(γ)射線無國際單位專名(R為曾用名)吸收劑量和照射量的區(qū)別和聯系表第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三三、比釋動能K(Kerma)

比釋動能K是指不帶電粒子在質量為dm的介質中釋放的全部帶電粒子的初始動能總和，即比釋動能K的單位為：比釋動能的原意是：物質中釋放的動能

應包括帶電粒子在軔致輻射中輻射的能量和發(fā)生在dm介質中二次效應產生的所有帶電粒子和俄歇電子的能量。注意區(qū)別：

照射量是以電離電量的形式間接反映射線在空氣中輻射強度的量，不反映射線被物質吸收而使能量轉移的過程。第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三不帶電粒子物質相互作用用比釋動能K表示這一階段的結果釋放出次級帶電粒子(獲得能量)使用物質電離、激發(fā)用用吸收劑量D表示這一階段的結果發(fā)生韌致輻射這部分能量不參與把組織的電離或激發(fā)，與輻射效應無關，應從初始能量中扣除。

比釋動能只適用于間接致電離輻射，但適用于任何物質。使用時也必需指明相關物質和所在位置。

單位時間dt內的比釋動能增量dK，即為dK/dt——該物質該時刻該處的比釋動能率，單位Gy/s第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

四、當量劑量(equivalentdose)

當同一物質受到不同的放射源照射時，即使吸收劑量相同產生的生物效應也可能不一樣，因此引入當量劑量的概念。它是輻射防護劑量學的基本量，是在嚴格意義上的吸收量。

當量劑量等于某一組織或器官T所接受的平均吸收劑量與輻射權重因子的乘積，即：

吸收劑量僅用來反映單位靶物質吸收輻射能量的多少，不能反映所產生生物效應的差別。實驗表明相同吸收劑量的不同的電離輻射，對生物組織的破壞作用差異較大。評價指標就必須考慮生物效應，這樣需要對吸收劑量加以適當的修正。第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三為R類輻射在組織或器官T中所受的當量劑量為R類輻射在組織或器官T中所的平均吸收劑量為R類輻射的輻射權重因數，與輻射的“質”有關

輻射生物效應與吸收劑量、輻射種類和射線能量有關，所以權重因子是根據內外照射的輻射種類和能量而確定的。

當輻射場是由具有不同值的不同類型的輻射所組成時，當量劑量為：第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

當量劑量率：單位時間dt內當量劑量的增量，即,單位是Sv/s。

因無量綱，當量劑量與吸收劑量的單位相同是J/kg，為了區(qū)別，給當量劑量單位起了一個專用名為西沃特(Sievert)，符號為Sv，1Sv=1J/kg。當量劑量只限于在輻射防護所涉及的劑量范圍內使用。

輻射權重因數代表特定輻射在小劑量照射時誘發(fā)隨機性效應的相對生物效應(RBE)的數值。

注意：當量劑量只限于在輻射防護所涉及的劑量范圍內在單個器官或組織受輻照時使用。第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三五、有效劑量E

(effectivedose)

「組織權重因子」，它反映在全身均勻受照下各組織或器官對總危害的相對貢獻。

當量劑量是針對了不同的輻射類型產生的不同生物效應的評價指標，但人體不同器官或組織對輻射的敏感程度不同，對應的危險度有不同的數值。如果有多個器官或組織受照時，應考慮分器官危險度的加權歸一化。第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

當體內全身受到均勻或不均勻照射時，體內各組織與器官的當量劑量與相應的組織權重因數乘積的和——有效劑量。

組織權重因子用于表示各組織器官對輻射的敏感程度。例如，骨髓和性腺對輻射敏感程度高，權重因子就大；皮膚對輻射不敏感，權重因子就小。

因WT沒有量綱，所以有效劑量E和當量劑量的單位一樣，也用希沃特Sv。第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三WT0.010.050.120.20組織器官骨表面皮膚膀胱、乳腺肝、食道甲狀腺、其余組織紅骨髓結腸肺、胃性腺總計權重0.020.300.480.20器官或組織的權重因數WT

有效劑量可以解決全身臟器受到不均勻照射或局部不同組織照射以及內外混合照射同時存在時的危險評價。六、待積劑量(committeddose)指放射性核素進入體內的劑量積分運算。

放射性核素加入體內的劑量估算與核素在體內的蓄積、衰變、排泄等復雜因素有關。第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

每時刻的衰變都會對靶器官產生劑量，估算需要按一定規(guī)律擬合核素-劑量數學模型。

待積當量劑量：單次攝入的放射性物質在其后的年內所關心的器官或組織所造成的總劑量累計值，即：單次攝入R類放射物質后t時刻對器官或組織造成的當量劑量率待積當量劑量攝入放射性物質后經過的時間

在待積當量劑量的基礎上乘以相應的權重因數WT，再求積，可導出待積有效劑量(committedeffectivedose,)。第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三常用群體劑量：集體劑量、集體當量劑量和集體有效劑量等。1.集體劑量(collectivedose)

是集體所受的總輻射劑量的一種表示方法

定義為：受某一輻射源照射的群體成員數與他們所受的平均輻射劑量的乘積。單位：人.西沃特(man．Sv).七、涉及群體的劑量主要用于在輻射流行病研究中涉及群體劑量的評價2.集體當量劑量(collectiveequivalentdose，ST)

集體當量劑量也就是受照群體每個成員的當量劑量之和。第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

3.集體有效劑量(collectiveeffectivedose，S)

指某一給定的輻射源受照群體所受的總有效劑量S，單位：人.西沃特(man.Sv).群體分組i中成員的平均有效劑量該分組成員數群體分組i中成員的平均當量劑量該分組成員數第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三八、常用電磁輻射劑量之間的相互關系

X(γ)射線在空氣中形成的輻射場——照射量X

靶物質組織對輻射源能量的吸收——吸收劑量D

X(γ)射線等非帶電粒子吸收劑量的一種特殊描述——比釋動能K

由于不同的生物體和組織對同一輻射的敏感程度不同——有效當量劑量E

由于不同輻射粒子造成的不同損傷——當量劑量放射性核素進入人體的劑量積分估算——待機劑量第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三電離輻射源輻射場（照射量X）待積劑量Committeddose比釋動能K吸收劑量D當量劑量H有效劑量E空氣核素進入體內任何靶任何靶輻射敏感性待積當量劑量待積有效劑量圖3-1常用電離輻射劑量之間的相互關系第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三一、電磁輻射計量第2節(jié)非電離輻射計量學

電磁輻射：能量以電磁波的形式由輻射源發(fā)射到地球空間的一種現象?？臻g共同傳送電能和磁能。電磁輻射的來源來自人工來自自然界放電型射頻型工頻型頻率>105Hz,周圍形成高頻的電場和磁場——射頻電磁場或射頻

極高頻的X(γ)可造成人體組織的間接電離——電離輻射頻率<105Hz，周圍形成的電場和磁場——電磁波特高頻率>109Hz，的電磁輻射——微波輻射無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線等——非電離輻射第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

電磁波的頻率在30~3000MeV的射頻和微波段——非電離輻射第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三電磁環(huán)境：存在于給定場所的所有電磁現象的總和。人體外——布滿了天然的和人工輻射源發(fā)出的電磁波內——肌肉和神經活動是伴有電現象和磁現象1.電場強度E和磁場強度H的概念2.電磁波能流密度與功率密度的概念

單位時間內通過垂直于傳播方向的單位面積上的電磁波能量稱為電磁波能流密度S。如果在一個周期內求得能流密度的平均值稱為平均能流密度。單位為：超高頻電磁輻射的能量目前也用功率密度P表示，單位：第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三3.比吸收率的概念

近區(qū)場的電磁場強度>>遠區(qū)場的，是電磁場防護的重點區(qū)，但它隨距離的變化比較快，空間內的不均度較大，E和H沒有確定的比例關系。根據感應場和輻射場的不同分為：遠區(qū)場(感應場)近區(qū)場(輻射場)遠區(qū)場：指觀察點在三個波長以外的區(qū)域。遠區(qū)場電磁波能流密度與電場強度和磁場強度的關系：第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

使用比吸收率來評價生物靶組織吸收的電磁輻射能量，使生物組織吸收的輻射能量定量化。描述靜磁場常用磁感應強度B表示。單位：特斯拉(T)

比吸收率(spicificabsorptionrate,SAR)：單位受照組織吸收的電磁輻射能量。其單位：二、核磁共振計量核磁共振成像(MRI)對人體造成傷害的可能因素：靜電場、時間梯度磁場、射