腫瘤放射物理學

腫瘤放射物理學

題記：外科手術、放療、化療與靶向治療為癌癥的主要治療手段，而想

要透徹理解放療并不是那么容易，因為涉及到許多物理知識與概念，而

物理一般都很難。本文主要闡述一些基本概念及相關領域的知識。

一起來認識原子，沒有它作為基礎一切都是空談。

原子的大小為w-iom數(shù)量級，原子核的大小為1。」數(shù)量級,每個電子

的電荷量為e,原子核由不同的質子和中子構成（質子與中子質量近似

相等），目前天然和人工合成的元素共有109種。一個原子的基本特征

（ZA）X用表示，X為元素符號，Z為原子序數(shù)，A為質量數(shù)。核素：具

有確定質子數(shù)和中子數(shù)的原子的總體；實驗上已發(fā)現(xiàn)的核素約有2000

種其中只有近300種是穩(wěn)定的。元素具有相同原子序數(shù)的原子總體。

放射、輻射和衰變有什么區(qū)別？

理論上質子數(shù)與中子數(shù)可以自由組合，但實際上這是不可能的。實驗已

發(fā)現(xiàn)核素約2000種，穩(wěn)定的僅近300種，不穩(wěn)定核素都會自發(fā)地放出

射線，最終變?yōu)榉€(wěn)定核素。影響原子核穩(wěn)定性因素：中子數(shù)與質子數(shù)比

例關系（中子調和質子間的庫侖斥力）、核子數(shù)的奇偶性（偶偶核一般

較奇偶、偶奇、奇奇核更穩(wěn)定）、重核都不穩(wěn)定（原子序數(shù)〉82的元

素自發(fā)地放射出a粒子或者自發(fā)裂變成為鉛（Z=82）的穩(wěn)定同位素）；

不穩(wěn)定核素自發(fā)地放出射線，轉變?yōu)榱硪环N核素，這種現(xiàn)象稱為放射性,

這個過程稱為放射性衰變，這些核素稱為放射性核素，發(fā)出的射線種類

可能有a射線（氨的原子核八B射線（電子）、Y射線、正電子、質子、

中子等其他粒子。衰變過程中釋放的能量稱為衰變能（必須大于零），

可近似看作發(fā)射粒子的動能或者發(fā)射粒子動能+子核激發(fā)態(tài)與基態(tài)能

量之差（若衰變后子核處于激發(fā)態(tài)）。輻射：自然界中的一切物體，只

要溫度在絕對溫度零度以上，都以電磁波和粒子的形式時刻不停地向外

傳送熱量，這種傳送能量的方式。1,a衰變，衰變后質量數(shù)減少4,電

荷數(shù)減少2。鐳是典型的a衰變核素，它可能通過發(fā)射4.78MeV的a粒

子直接衰變到氫的基態(tài)（94.5%）,也可能通過發(fā)射4.60MeV的a粒

子先衰變到氫的激發(fā)態(tài)，后者再放射0.18MeV的丫射線而躍遷到基態(tài)

（5.5%）。2,0衰變，原子核自發(fā)地放射出電子e-或者e+或俘獲一個

軌道電子（負電子）的轉變過程。放射負電子：3衰變，小粒子；放射

正電子：0+衰變邛+粒子。0衰變發(fā)射出（正負）電子過程中，還會

發(fā)射出（反中微子或中微子為滿足動量和能量守恒引入，穿透力最強）,

這個衰變能近似等于這兩個粒子的動能之后,但每個粒子分配到的能量

可以是零與衰變能之間的任何值（一個分布圖）。3,Y躍遷，a和0衰

變后的子核很可能處于激發(fā)態(tài)，會以丫射線形式釋放能量躍遷到較低的

能態(tài)或基態(tài)，這種躍遷的過程。丫射線能量底限是io-3MeV,高端可達

到MeV能量級。4,內轉換，a和0衰變后的子核很可能處于激發(fā)態(tài)，

如果不釋放Y射線則將躍遷的能量直接轉移給一個軌道電子，然后將這

個軌道電子彈出原子，彈出的電子稱為內轉換電子。內轉換過程會使原

子的內殼層缺少電子而出現(xiàn)空位，外層電子將會來填充這個空位，而這

個過程會伴隨著特征X射線或者俄歇電子。

放射性有多大，怎么去衡量？

假設有一堆待放射的核素，怎么"使"它的放射性最大呢？第一這些核

素的數(shù)量越多越好，這個很容易理解；第二這些核素全部在某個特定時

間一起發(fā)生衰變，即每個原子核衰變的概率在某個時間達到100%；第

三，這類型的單一核素衰變時釋放出的能量越巨大越好，最好一個就可

以把月球弄穿。衰變常數(shù)（入）：單位時間內每個原子核衰變的概率，

其數(shù)值大小因核素不同而不同，數(shù)值越大衰變越快。半衰期：放射性核

素其原子核數(shù)目衰減到原來數(shù)目一半所需的時間,0.693=T*入;放射

性活度：（一定量的放射性核素）單位時間內發(fā)生核衰變數(shù)。放射性比

活度:單位質量放射源的放射性活度，值越高則放射性物質純度越高（任

何核素放射源不可能全部由該種核素組成，而是被濃度大得多相同元素

的穩(wěn)定同位素所稀釋，還有可能還有其他物質）。

人工放射性核素哪里來，自然界哪有那么多?。?/p>

利用核反應堆生產(chǎn)是人工放射性核素的主要來源（2個主要來源）：1,

利用反應堆中的強中子束照射靶核，靶核俘獲中子而生成放射性核；2,

利用中子引起重核裂變，從裂變碎片中提取放射性核素。3,高能加速

器也可用來生產(chǎn)放射性核素，這樣制備出來的核素是缺中子核素。4,

在制備放射性核素時，由于人工放射性核素數(shù)目增加的同時還會發(fā)生衰

變，因此無限制地延長耙核照射時間不能提高放射性活度，一般應選擇

照射時間小于5個半衰期。

讓我們把目光從原子核內轉移到原子核外（電子層），電子的活動又會

發(fā)生什么輻射呢？

直接從幾個基本概念入手：1,原子的電離：原子的核外電子掙脫原子

核對它的束縛；造成原子電離有兩種方式，第一是具有足夠動能的帶電

粒子（如電子、質子、a粒子等）與原子鐘的電子直接碰撞引起，第二

是不帶電粒子（如光子、中子等）與原子的殼層電子或（間接）原子核

作用產(chǎn)生的次級粒子（電子、反沖核），這些次級粒子與原子作用引起

原子的電離。2,電離輻射：由直接電離粒子或間接電離粒子、或者兩

者混合組成的輻射稱為電離輻射。3,帶電粒子與物質（原子）相互作

用的主要方式：1）與核外電子發(fā)生非彈性碰撞；如果軌道電子獲得足

夠的能量，就會引起原子電離；如果軌道電子獲得的能量不足以電離，

則可引起原子激發(fā)，使電子從低能級躍遷到高能級，高能級的電子會自

發(fā)躍遷到低能級而使原子回到基態(tài)，同時釋放出特征X射線或鵝歇電子;

如果電離出的電子具有足夠的動能，能進一步引起物質電離，則稱它們

為次級電子或5電子。非彈性碰撞損失的能量稱為電離損失。2）與原子

核發(fā)生非彈性碰撞；帶電粒子的一部分動能變成具有連續(xù)能譜的X射線

輻射出來，即物致輻射。3）與原子核發(fā)生彈性碰撞；發(fā)生概率低；帶

電粒子能量很低、速度低時發(fā)生概率稍高一點；既不輻射光子，也不激

發(fā)原子核。4）與原子核發(fā)生核反應；當一個重帶電粒子具有足夠高德

能量，并且與原子核的碰撞距離小于原子核的半徑時，核子可能離開原

子核，失去核子的原子核處于高能量的激發(fā)態(tài)，將通過"蒸發(fā)粒子”和

Y射線而退激。4,當一平行電子束垂直入射到一吸收塊時，通過上述四

種作用，一部分吸收，余下部分會從另T則飛出，這些散射電子的飛行

方向可能各不相同，從而形成一個散射角的概率分布，該分布用質量角

散射本領來描述。5,射程：粒子沿入射方向從入射位置至完全停止位

置所經(jīng)過的距離。6，比電離：帶電粒子穿過靶物質時使物質原子電離

產(chǎn)生電子-離子對，單位路程上產(chǎn)生的電子-離子對數(shù)目。

X（丫）射線與物質的相互作用

X（丫）射線與物質的相互作用表現(xiàn)出不同的特點：1,X（丫）光子不能

直接引起物質原子電離或激發(fā)，而是首先把能量傳遞給帶電粒子；2,X

（Y）光子與物質的一次相互作用可以損失其能量的全部或很大一部分,

而帶電粒子則是許多次逐漸損失；3,X（丫）光子束入射到物體時，其

強度隨穿透物物質厚度近似程指數(shù)衰減，而帶電粒子有確定的射程，在

射程之外觀察不到帶電粒子。4,X（丫）射線與物質相互作用的主要過

程有：光電效應，康普頓效應、電子對效應、相干散射、光致核反應等。

5,光電效應：能量為hv的X（丫）光子與物質原子的軌道電子發(fā)生相

互作用，把全部能量傳遞給對方,X（y）光子消失，獲得能量的電子掙

脫原子束縛成為自由電子（光電子）；原子的電子軌道出現(xiàn)一個空位而

處于激發(fā)態(tài)，它將通過發(fā)射特征X射線或鵝歇電子的形式很快回到基態(tài)。

康普頓效應：能量為hv的X（丫）光子與物質原子的軌道電子發(fā)生相互

作用，X（y）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。電子對效應：當X（丫）光子從原子核旁經(jīng)過時，在原子核

庫侖場的作用下形成一對正負電子，此過程稱為電子對效應。6,粒子

與物質相互作用時服從統(tǒng)計學規(guī)律，發(fā)生作用的位置、作用的形式［如

對X（丫）光子而言，可能是光電效應、康普頓效應或電子對效應］,發(fā)

生作用后粒子可能被吸收或散射、散射粒子的運動方向和能量、兩次作

用位置間的距離等參數(shù)均是隨機變量。蒙特卡羅方法是以概率統(tǒng)計理論

為基礎的一種數(shù)值計算方法，可以模擬粒子與物質相互作用的全過程。

電離輻射進入人體后與組織細胞發(fā)生反應，怎么評估這個過程？

X（y）射線和高能電子束等電離輻射進入人體組織后，通過和人體組織

中的原子相互作用，而傳遞電離輻射的部分或全部能量。人體組織吸收

后電離輻射能量后，會發(fā)生一系列的物理、化學、生物學變化，最后導

致組織的生物學損傷，即生物效應。生物效應的大小正比于組織中吸收

的電離輻射的能量。吸收劑量：單位物質吸收電離輻射的平均能量稱為

吸收劑量。吸收劑量的測量：量熱法、化學劑量計法、電離室法、熱釋

放、半導體和膠片法等。1，劑量學中的輻射量及其單位：1）粒子注量，

單位面積（截面必須垂直每個粒子的入射方向）的粒子數(shù);粒子注量率，

單位時間內粒子注量的增量。2）能量注量，單位面積（截面必須垂直

每個粒子的入射方向）的粒子總動能；能量注量率，單位時間內的能量

注量的增量。3）照射量，不懂！4）吸收劑量：平均授予能除以質量；

單位質量受照物質吸收輻射能量多少的一個量,輻射作用于物質引起的

效應主要決定于該物質所吸收的輻射能量；同樣照射條件下，不同物質，

如骨和軟組織等，吸收輻射能量的本來不一樣，所以在論及吸收劑量時,

應該明確輻射類型、介質種類和特定位置；單位為戈瑞（Gray）,lGy

=1J*kg-io5）比釋動能：不帶電電離粒子在單位質量的介質中釋放的

全部帶電粒子的初始動能之和；單位為J*kg-16）當量劑量：不懂！2,

電離室測量吸收劑量原理；X（丫）射線射入電離室的靈敏體積內，經(jīng)與

其中的空氣介質相互作用，產(chǎn)生次級電子，這些電子使空氣中的電子電

離，產(chǎn)生一些列正負離子對，這些電子、正離子分別向兩級漂移，引起

相應極板的感應電荷量發(fā)生變化，從而外接電路中形成電流，測量到的

電離電荷，理論上應為次級電子所產(chǎn)生的全部電離電荷量；兩步：第一

步測量由電離輻射產(chǎn)生的電離電荷，然后利用空氣的平均電離能（W/e

=33.97J/C,每產(chǎn)生一正負離子對所消耗的電子動能對所有能量的電

子來講基本是一常數(shù)）計算并轉換成吸收劑量。3,電離輻射質：即輻

射能量；放射治療常用的電離輻射是X（Y）射線和高能電子束；定義

為電離輻射穿射物質的本領。4加速器中產(chǎn)生的朝致輻射X射線能譜，

并不完全依賴于加速電子的能量，它還與加速方式、射束的偏轉、準直

系統(tǒng)設計，特別是所選擇的X射線靶和均整器的材料、厚度等因素直接

相關。5,量熱法：當介質受到電離輻射照射后，介質所吸收的輻射能

量，除少部分可能引起化學反應外，主要會轉換成熱能，從而導致該介

質溫度的升高。溫度的變化直接反映了介質吸收輻射能量的程度，由此

可確定（量熱計）介質的吸收劑量。6,化學劑量計法：物質吸收電離

輻射的能量而引起化學變化，如果這一變化可以被測定，即可使用它來

測量吸收劑量。（硫酸亞鐵溶液：Fe2+->Fe3+,這Fe3+的濃度正比于吸

收劑量）。

醫(yī)學上使用的放射源是什么？放射治療機有哪些？

如果說前面的內容太物理了，那么后面的東西或許應該說就有點醫(yī)學物

理的味道了。1,放射治療使用的放射源：1）放射性同位素（內外治療

皆可）：直接可以釋放a、B和Y射線；2）X射線治療機和各類加速器

（僅外治療）：產(chǎn)生X射線；3）各類加速器（僅外治療）：產(chǎn)生電子

速、質子束、中子束、負拍介子束、其它重粒子束。治療方式：1）體

外遠距離照射（外照射）；2）近距離照射（組織間照射、腔內照射）；

3）內用同位素治療（某種器官對某種放射性同位素的選擇性吸收，如

碘-131治療甲狀腺癌）。2,近距離照射與遠距離照射的區(qū)別：1）近

距離照射放射源活度小，治療距離短（5mm~5cm）;2）體外遠距

離照射的放射線僅少部分到達組織,近距離照射則大部分能量被組織吸

收；3）體外照射，其發(fā)射線必須經(jīng)過皮膚和正常組織才能到達腫瘤，

腫瘤劑量受到皮膚和正常組織耐受量的限制，為得到高的均勻的腫瘤劑

量，需要選擇不同能量的射線和采用多野照射技術。4）近距離照射時，

距離放射源近的組織劑量高，距離放射源遠的組織劑量較低，靶區(qū)劑量

分布的均勻性遠比外照射的差，故在取處方劑量歸一點時必須慎重，防

止靶區(qū)部分組織劑量過高或部分組織劑量過低的情況發(fā)生。3,近距離

放射源：1）鐳-226源：鐳->氨…>鉛；衰變過程會產(chǎn)生a、p

和Y射線；臨床應用為鐳的硫酸鹽，并裝在粕鉞合金封套內；一般應用

鐳的Y射線進行治療，少數(shù)情況用0射線；鐳Y射線能譜復雜，平均能量

為艷源：原子核反應堆的副產(chǎn)物經(jīng)化學提純加工

0.83MeVo2）-137

得到；它產(chǎn)生的丫射線能量是單能，為0.662MeV。3）鉆-60源：無放

射性金屬鉆-59在原子核反應堆中經(jīng)過熱中子照射轟擊而生成的不穩(wěn)定

的放射性同位素；釋放0.31MeV的0射線與（L17MeV和1.33Mev）

Y射線；衰變最終產(chǎn)物為：鎂-60;常制成鉆管、鉆針；4）鈦-192源：

人工放射性同位素，由鉞-191在原子核反應堆中經(jīng)熱中子轟擊而生成

的；它的能譜比較復雜,Y射線平均能量為360keV;5）碘-125源:

說明都好復雜！6）新型近距離治療用放射源；7）放射源歸類：

200keV-2MeV,60~200keV,<50keV;8）鋼-252中子源。4,

上面的都是原子核內部產(chǎn)生的核反應，把目光移動到原子核外部來。下

面介紹產(chǎn)生X射線的來源。X射線是由高速運動的電子突然受到物體的

阻滯而產(chǎn)生的，高速電子撞擊靶物質時，產(chǎn)生碰撞和輻射兩種損失，前

者主要產(chǎn)生熱、后者主要產(chǎn)生X射線（這兩種產(chǎn)生比例主要由高速電子

動能與靶物質的原子序數(shù)決定）。若電子動能小，則大部分產(chǎn)生熱小部

分產(chǎn)生X射線，需要冷卻裝置；若電子動能大，則大部分產(chǎn)生X射線，

小部分產(chǎn)生熱，不需要冷卻裝置。X射線有兩種成分，特征輻射（核素

特有）和韌致輻射（連續(xù)譜），其中韌致輻射是X射線譜中的主要成分，

這個譜有一個“假正態(tài)分布"，X射線管的加速電壓越高，線譜越向高

能方向移動，治療越是有利，但增加管電壓總有一定難度，因此為獲得

滿意的能譜分布，往往要加一些濾過，把低能的譜線去掉。X射線質的

改進：濾過板（X射線有從零到峰值一系列能量，低能部分對治療毫無

用處且產(chǎn)生高的皮膚劑量，濾掉低能部分）。X射線機的一般構造：電

子源、真空盒、加速電場、耙。

為什么要單獨說“鉆-60”治療機？

鉆-60源丫射線半衰期為5.27a,平均每月約衰變1%;鉆-60丫射線平

均能量為1.25MeV，和一般深部X射線機相比，有如下優(yōu)點:能量高、

穿透能力強、保護皮膚（最大吸收量發(fā)生在皮膚4~5mm深度）、骨

和軟組織有同等的吸收劑量、旁向散射小、經(jīng)濟可靠。

由于加速器的重要性，有必要單獨談談“醫(yī)用電子加速器”

目前這個世界是"直線加速器的時代"。電子感應加速器->電子直

線加速器；詳細待續(xù)：

多葉準直器是什么東西?

放療臨床中會使用多葉準直器（MLC）:

有輕粒子治療，那么就有重粒子治療

X射線與丫射線稱為光子，光子和電子因其質量較小，稱為輕粒子，快

中子、質子、TI負介子以及氮、碳、氧、房;離子等，因其質量較大，稱

為重粒子。

X（Y）射線射野計量學，到后面真的不知道怎么過渡了，直接這樣取

名字好了。

1,概念性的引入，X（丫）射線、電子束及其他重粒子入射到人體時，

與人體組織相互作用后，發(fā)生散射和吸收，能量和強度逐漸損失。對這

些變化的研究，很難再人體內直接進行。因此必須使用人體組織的替代

材料（模擬人體組織與射線相