臨床放射治療劑量學(xué)（一）

臨床放射治療劑量學(xué)（一）

－外照射光子線劑量學(xué)

陳立新中山大學(xué)腫瘤防治中心放療科放射腫瘤學(xué)基礎(chǔ)課目錄一、描述光子線的物理量二、光子與物質(zhì)的相互作用三、光子線的臨床劑量學(xué)概念一、描述光子線的物理量1、光子數(shù)量；2、光子能量；3、光子線在介質(zhì)中的能量沉積。1、光子數(shù)量光子通量率：單位時間內(nèi)的光子通量光子通量：dN除以dA的商,其中dN是進(jìn)入一個截面為dA的虛擬球體的光子數(shù)量：2、光子能量能量通量：通過單位面積dA的能量dE：能量通量率Ψ:定義為單位時間內(nèi)的能量通量3、光子線在介質(zhì)中的能量沉積1）空氣中的空氣比釋動能；2）空氣中的照射量；

3）介質(zhì)的吸收劑量;4）電子平衡條件。1）空氣中的空氣比釋動能空氣中的單能光子射線，距離射線源的某一點在空氣中的空氣比釋動能正比于能量通量或光子通量，其關(guān)系為：比釋動能包括：碰撞比釋動能和輻射比釋動能2）空氣中的照射量空氣中的空氣碰撞比釋動能與空氣中的照射量X的關(guān)系：照射量的專用單位是倫琴（R），換算到國際單位為3）介質(zhì)的吸收劑量1Gy＝1J/kg，曾用單位為拉德(rad)，1Gy＝100rad。吸收劑量D等于電離輻射給予質(zhì)量為的dm的介質(zhì)的平均授予能；輻射作用對物質(zhì)所引起的效應(yīng)主要決定于該物質(zhì)所吸收的劑量。4）電子平衡條件如果一定質(zhì)量的體積元中的電子每一個都具有確定的能量，其中離開此體積元的電子能夠被另一個進(jìn)入該體積元的電子所代替，可認(rèn)為該體積元內(nèi)存在電子平衡；電子平衡不需要進(jìn)出的電子數(shù)目相等，只要電子帶進(jìn)的能量等于等于電子帶走的能量即可；在均勻物質(zhì)中，距離物質(zhì)邊界大于次級電子最大射程處的點一般都存在電子平衡。二、電離輻射與物質(zhì)的相互作用1、光子與物質(zhì)的相互作用2、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用

帶電粒子引起物質(zhì)的原子或分子的電離是輻射劑量學(xué)的基礎(chǔ)1、光子與物質(zhì)的相互作用1）光電效應(yīng)2）康普頓散射3）電子對效應(yīng)1）光電效應(yīng)光子與物質(zhì)原子的軌道電子發(fā)生相互作用，把全部能量傳遞給對方，光子消失；獲得能量的電子掙脫原子的束縛成為自由電子（光電子）；原子的電子軌道出現(xiàn)一個空位而處于激發(fā)狀態(tài)，通過發(fā)射特征X射線或俄歇電子的形式回到基態(tài)。2）康普頓散射入射光子和原子內(nèi)一個軌道電子發(fā)生相互作用，光子損失一部分能量，并改變運動方向；電子獲得能量而脫離原子，獲得能量的電子稱為反沖電子。損失能量的光子稱為散射光子。3）電子對效應(yīng)當(dāng)光子從原子核旁經(jīng)過，在原子核庫侖場的作用下形成一對正負(fù)電子，此過程稱為電子對效應(yīng)。4）幾種相互作用的相對重要性X（γ）光子與物質(zhì)相互作用的三種主要形式與X（γ）光子能量、吸收物質(zhì)原子序數(shù)相關(guān)；不同原子序數(shù)在不同能量范圍，它們的作用截面占總截面的份額不同。臨床上相同質(zhì)量厚度的三種組織對X（γ）射線不同的能量吸收差別。幾種相互作用的相對重要性60--150kev低能X射線：骨的吸收比肌肉和脂肪的高得多；150--250kev低能X射線：骨的吸收比肌肉和脂肪的高；鈷-60γ射線和2—22Mv高能X射線：單位厚度的骨的吸收仍然比肌肉和脂肪的高；22--25MV的高能X射線：骨的吸收比肌肉和脂肪的稍高。2、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子與核外電子產(chǎn)生非彈性碰撞；帶電粒子與原子核產(chǎn)生非彈性碰撞；帶電粒子與原子核產(chǎn)生彈性碰撞；帶電粒子與原子核產(chǎn)生核反應(yīng)。三、光子線的臨床劑量學(xué)概念光子線射線源百分深度劑量組織體模比射野離軸比曲線準(zhǔn)直器散射因子、體模散射因子和總散射因子關(guān)于治療技術(shù)的幾個概念源皮距（SSD）：放射源到模體表面照射野中心的距離；源軸距（SAD）：放射源到機(jī)架旋轉(zhuǎn)軸或機(jī)器等中心的距離；源瘤距（STD）：放射源沿射野中心到腫瘤內(nèi)所考慮的點的距離；參考點：一般以射野中心軸上某一深度點為劑量計算和測量的參考點。1、光子線射線源外照射：放射性同位素源和直線加速器。

Co-60:γ射線源通常是同位素并且產(chǎn)生單能光子線，而X射線靶是非同位素源并產(chǎn)生復(fù)合能譜的光子射線。圖6.1(a)單能和(b)復(fù)合能量光子線的典型能譜圖平方反比定律光子點源產(chǎn)生的發(fā)散光子射線束。與源S的距離為fa處，射野大小為A，與源S的距離為fb處，射野大小為B光子點源中心軸面積A＝a22面積B＝b222、百分深度劑量射野中心軸上某一深度d處的吸收劑量率Dd與參考點深度d0處劑量率Dd0的百分比A、f、E分別表示射野、源皮距和射線能量dd0百分深度劑量定義示意圖2、百分深度劑量建成區(qū)表面劑量最大劑量深度出射劑量加速器模型表面劑量能量越高，表面劑量越低；

（10×10cm2照射野，表面劑量與最大劑量的比值：

1）60Co射線：30%；2）6MV：15%；3）18MV：10%）射線的能量一定時表面劑量隨射野的增大而增加。選擇高能X射線，表面劑量遠(yuǎn)低于最大劑量，即所謂的皮膚保護(hù)效應(yīng)。深部X射線和淺層X射線沒有保護(hù)皮膚的效果，因為其最大劑量就在皮膚表面。

表面劑量表面劑量的貢獻(xiàn)來源于：準(zhǔn)直器、均整塊和空氣的散射光子；病人的背向散射光子；光子與空氣以及病人附近的任何屏蔽結(jié)構(gòu)相互作用所產(chǎn)生的高能電子。表面劑量

固定裝置會對表面劑量產(chǎn)生一定的影響建成區(qū)兆伏級的光子線在體模表面（深度為零）和最大劑量深度之間形成的劑量區(qū)域稱之為劑量建成區(qū)。建成區(qū)形成的原因：光子與體模的相互作用產(chǎn)生次級帶電粒子，在次級帶電粒子的最大射程內(nèi)，其產(chǎn)生的劑量隨深度增加；在最大劑量深度附近，大致是次級帶電粒子的最大射程，并達(dá)到帶電粒子平衡。建成區(qū)在體表附近的區(qū)域，不存在帶電粒子平衡的條件，吸收劑量比次級電子的碰撞比釋動能要小很多。

隨著深度增加，在最大劑量深度附近的地方最終達(dá)到帶電粒子平衡；由于光子在體?；虿∪梭w內(nèi)的衰減，在最大劑量深度以下，劑量和次級帶電粒子的碰撞比釋動能都是減小的，并形成短暫的而不是真正的帶電粒子平衡。

（為什么通常不選擇建成區(qū)測量劑量？）最大劑量深度最大劑量深度受射線能量和射野大小的影響。

1）射線能量是主要的影響因素；

2）射野大小的影響由于較小而通常忽略。最大劑量深度：

深部X射線為0cm；

60Co射線為0.5cm；

6MV射線為1.5cm左右；

25MV射線為5cm左右。出射劑量

在射線出射點處病人的劑量稱之為出射劑量；

靠近射線出射點的劑量分布曲線比外推的劑量曲線要輕微向下。這種相對變小的效應(yīng)是由于出射點處缺少了出射點之外的散射線貢獻(xiàn)。出射劑量2、百分深度劑量1）隨射野能量變化；2）隨射野面積變化；3）隨源皮距變化。1）隨射線能量變化對于確定的射野和源皮距，在大于最大劑量深度后的百分深度劑量，隨能量的增加而增加，這是因為能量越高，射線衰減相對減少（即射線的穿透能力增加）源皮距100cm、10×10cm2射野大小下從60Coγ射線到25MV的X射線之間的不同兆伏級光子線的百分深度劑量曲線2）隨射野面積變化

對于確定的射線能量和源皮距，百分深度劑量隨著射野面積增大而增大，這是因為散射線對中心軸上各點的劑量貢獻(xiàn)增加了3）隨源皮距變化百分深度劑量隨著源皮距增大而增大（確定的射線能量和射野面積）：光子射線的主要組成部分原射線的劑量貢獻(xiàn)中，源皮距增大導(dǎo)致了平方反比因子中深度的影響相對變小。模體Sf1dmrdSr模體f2dm2、百分深度劑量

某一深度下的百分深度劑量（PDD）隨射野面積（A）、射線能量（E）和源皮距（f）三個參數(shù)變化而變化的關(guān)系：

E和f一定的情況下，PDD隨射野面積增加而增大；A和f一定的情況下，PDD隨能量的增加而增大；A和E一定的情況下，PDD隨f增加而增大。3、組織體模比定義：模體中射野中心軸上任意一點的劑量率與空間同一點模體中射野中心軸上參考深度（d0）處同一射野的劑量率之比如果參考深度（d0）為最大劑量深度時，則組織體模比稱為組織最大劑量比測量

TMR的幾何示意圖：(a)在體模中深度處測量的幾何示意圖；(b)在體模中深度處測量的幾何示意圖。圖(a)和圖(b)中測量點到源的距離和測量點處的射野大小都是相同的。3、組織體模比

組織體模比受到深度、射野大小、射線能量三個參數(shù)的影響，但不受源軸距SAD和源皮距SSD的影響。TPR（TMR）隨射野的增加而增加；TPR（TMR）隨能量的增加而增加。3、組織體模比源皮距治療：百分深度劑量源軸距治療：組織體模比測量百分深度劑量要比測量組織體模比容易，通常通過百分深度劑量來計算相應(yīng)射野的百分深度劑量4、射野離軸比曲線(Off-AxisRatio,OAR）沿射野中心軸的劑量分布只是提供了精確描述一維劑量的部分信息。中心軸數(shù)據(jù)和離軸劑量分布圖相結(jié)合才確定二維（2-D）和三維（3-D）的劑量分布狀況；在體模內(nèi)給定深度處測量的垂直于中心軸的射野劑量分布曲線是離軸劑量數(shù)據(jù)的最簡單形式。一般采用最大劑量深度和10cm深度的數(shù)據(jù)來驗證機(jī)器參數(shù)的符合性。4、射野離軸比曲線離軸比定義：體模內(nèi)同一深度處的離軸點劑量和中心軸劑量之比；范例：采用10MVX射線的兩個射野（10×10和30×30cm2）在水中不同深度處測量的結(jié)果。深度相對劑量10MV的光子線在10cm×10cm和30cm×30cm射野下射野的離軸比示意圖4、射野離軸比曲線兆伏級X射線的射野劑量分布曲線包括了三個獨特的區(qū)域：中心區(qū)半影區(qū)陰影區(qū)中心區(qū)半影區(qū)陰影區(qū)4、射野離軸比曲線中心區(qū):射野劑量分布曲線的中心部分，范圍包括射野中心軸到射野兩側(cè)的幾何邊界內(nèi)1－1.5cm處。射野的幾何大小由燈光野指示，通常對應(yīng)射野劑量分布曲線上兩側(cè)的50%劑量點之間的區(qū)域；4、射野離軸比曲線中心區(qū):對于直線加速器來說，射野劑量分布曲線的中心區(qū)受到打靶電子的能量、靶材料的原子序數(shù)以及均整濾過器的原子序數(shù)和幾何形狀的影響。同一個射野不同深度處的中心區(qū)也有很大差異4、射野離軸比曲線半影區(qū)是射野劑量分布曲線的劑量改變非常快的區(qū)域。在射野幾何邊界附近，劑量下降呈S形狀，并從準(zhǔn)直器的遮線門下延伸到半影區(qū)的尾部；半影區(qū)劑量貢獻(xiàn)來源于三個部分：

1）穿透半影：準(zhǔn)直器遮線器的穿透劑量；

2）幾何半影：來自于源具有的一定尺寸；

3）散射半影：最主要的部分則來自于體?；虿∪梭w內(nèi)的X射線散射貢獻(xiàn)。4、射野離軸比曲線總的半影稱為物理半影，是上述三個獨立的半影：穿透半影、幾何半影和散射半影之和。物理半影的影響因素包括：射線束能量、射線源尺寸、源皮距SSD、射線源到準(zhǔn)直器的距離和體模內(nèi)的深度；不同射野大小和不同深度下的物理半影差異很大4、射野離軸比曲線

陰影區(qū)是射野外的區(qū)域，遠(yuǎn)離射野邊緣。此區(qū)域內(nèi)的劑量一般很低，主要是來自于準(zhǔn)直器和機(jī)頭防護(hù)部分的穿透輻射。4、射野離軸比曲線小結(jié)：兆伏級X射線的射野劑量分布曲線分別包括中心區(qū)、半影區(qū)和陰影區(qū)。中心區(qū)：射野劑量分布曲線的中心部分，范圍包括射野中心軸到射野兩側(cè)的幾何邊界內(nèi)1－1.5cm處；半影區(qū)：是指射野劑量分布曲線中劑量改變非?？斓膮^(qū)域；陰影區(qū)：射野外的區(qū)域，遠(yuǎn)離射野邊緣。此區(qū)域內(nèi)的劑量一般很低，主要是來自于準(zhǔn)直器和機(jī)頭防護(hù)部分的穿透照射。4、射野離軸比曲線用于量化射野內(nèi)均勻性的兩個參數(shù)定為：射野(射束)的平坦度射野(射束)的對稱性。射野(射束)的平坦度和對稱性平坦度：AAPM47報告標(biāo)準(zhǔn)：在射野中心軸寬度的80%范圍內(nèi)，水下10cm，射野中心軸上最大劑量Dmax和最小劑量Dmin點的值按照下面關(guān)系式計算：射野(射束)的平坦度IAEA標(biāo)準(zhǔn)：最大射野中心軸（通常是40×40cm2）80%的寬度范圍內(nèi)，水下10cm，小于3%。IEC標(biāo)準(zhǔn)：

，水下10cm,射野中心軸寬度80%、對角線70%范圍內(nèi)，≤106%。國標(biāo)：射野(射束)的平坦度當(dāng)滿足水模體內(nèi)10cm深度處的平坦度指標(biāo)時：在Zmax處的射野劑量分布曲線呈鞍形隆起的“過平坦（over-Flattening）”現(xiàn)象；在大于10cm深度時則出現(xiàn)“欠平坦(under-Flattening)”現(xiàn)象且隨深度Z的增加逐漸變得更差。

一般要求源皮距為100cm、40×40cm2的射野在深度處射野劑量分布曲線的鞍形隆起限定為5%以內(nèi)；

射線束對稱性射束（野）對稱性：在最大劑量深度處，射野劑量分布曲線上與中心軸距離對稱的任何兩個點的劑量相互差別在2%之內(nèi)；或者，最大劑量深度處，射野劑量分布曲線之下、兩側(cè)（左側(cè)和右側(cè)）自中心軸到50%劑量水平（中心軸點歸一為100%）所包括的面積，然后根據(jù)以下公式計算S：5、準(zhǔn)直器散射因子、體模散射因子和總散射因子1）準(zhǔn)直器散射因子（Sc）2）峰值散射因子（PSF）3）體模散射因子（Sp）4）總散射因子（Sc,p）照射野大小用于放射治療的射野形狀通常為四種類型：方形野、矩形野、圓形野和不規(guī)則野；任何形狀的照射野都可以找到一個等效的方野或圓形野；任何射野和它的等效方野或圓形野能夠用相同的射野參數(shù)和函數(shù)來進(jìn)行描述，這一點在放射劑量學(xué)中非常重要。1）矩形野轉(zhuǎn)換為方形野：2）方形野轉(zhuǎn)換為圓形野：1）準(zhǔn)直器散射因子（Sc）對空氣中的某一給定點P，“空氣中小質(zhì)量介質(zhì)的吸收劑量”包括了兩部分貢獻(xiàn)：

原射線和散射線貢獻(xiàn);原射線貢獻(xiàn)是主要部分；直接來自于射線源且不受到射野大小的影響；1）準(zhǔn)直器散射因子（Sc）散射線貢獻(xiàn)較小,主要來源于準(zhǔn)直器對P點的散射光子線，也包括可能來自于空氣和直線加速器的均整濾過器對P點的光子散射;散射線貢獻(xiàn)受射野大小A（準(zhǔn)直器設(shè)置）的影響：射野越大，準(zhǔn)直器的可散射表面越大，Sc越大。Sc測量的幾何條件示意圖。‘小質(zhì)量水的劑量’是在空氣中P點測量：(a)中的射野大小為A，(b)中的射野大小為10×10cm2，f代表源皮距SSD。2）峰值散射因子（PSF）