外外 照照 射射 放放 射射 治治 疗疗 机机许许 昌昌 韶韶苏苏 州州 大大 学学 附附 属属 第第 一一 医医 院院The First Affiliated Hospital of Soochow UniversityThe First Affiliated Hospital of Soochow University放射治疗核物理基础放射治疗核物理基础 肿瘤放射治疗主要是利用放射线的穿透性和使肿瘤放射治疗主要是利用放射线的穿透性和使肿瘤放射治疗主要是利用放射线的穿透性和使肿瘤放射治疗主要是利用放射线的穿透性和使生物细胞电离的特性生物细胞电离的特性生物细胞电离的特性生物细胞电离的特性 常用于放射治疗的有常用于放射治疗的有常用于放射治疗的有常用于放射治疗的有X X X X线和线和线和线和线，前者由深部线，前者由深部线，前者由深部线，前者由深部X X X X线机或医用电子加速器产生，而后者是由放射线机或医用电子加速器产生，而后者是由放射线机或医用电子加速器产生，而后者是由放射线机或医用电子加速器产生，而后者是由放射性核素在衰变到稳定状态时释放的射线性核素在衰变到稳定状态时释放的射线性核素在衰变到稳定状态时释放的射线性核素在衰变到稳定状态时释放的射线 ，两者，两者，两者，两者统称光子统称光子统称光子统称光子 X X X X线可因调节电压而改变其质（穿透性），而线可因调节电压而改变其质（穿透性），而线可因调节电压而改变其质（穿透性），而线可因调节电压而改变其质（穿透性），而线在不同的放射性核素有其固定的能量线在不同的放射性核素有其固定的能量线在不同的放射性核素有其固定的能量线在不同的放射性核素有其固定的能量 ，如，如，如，如60606060CoCoCoCo在衰变过程中可产生和在衰变过程中可产生和在衰变过程中可产生和在衰变过程中可产生和 1.34 MeV 1.34 MeV 1.34 MeV 1.34 MeV 两种能量两种能量两种能量两种能量的的的的线（平均线（平均线（平均线（平均 1.25 MeV 1.25 MeV 1.25 MeV 1.25 MeV ） 自然界中的所有物质都与由分子组成自然界中的所有物质都与由分子组成自然界中的所有物质都与由分子组成自然界中的所有物质都与由分子组成 分子的基本单位是原子，原子由原子核和核外分子的基本单位是原子，原子由原子核和核外分子的基本单位是原子，原子由原子核和核外分子的基本单位是原子，原子由原子核和核外电子组成电子组成电子组成电子组成 电子在核外遵循玻尔理论、泡利不相容原理和电子在核外遵循玻尔理论、泡利不相容原理和电子在核外遵循玻尔理论、泡利不相容原理和电子在核外遵循玻尔理论、泡利不相容原理和最小能量原理的规律成层排列最小能量原理的规律成层排列最小能量原理的规律成层排列最小能量原理的规律成层排列 每个电子在各自的壳层轨道上运行，具有一定每个电子在各自的壳层轨道上运行，具有一定每个电子在各自的壳层轨道上运行，具有一定每个电子在各自的壳层轨道上运行，具有一定的能量的能量的能量的能量 ，称为能级，称为能级，称为能级，称为能级 ，越靠近原子核的电子能级，越靠近原子核的电子能级，越靠近原子核的电子能级，越靠近原子核的电子能级越低，受原子核的束缚力越大（结合能越大）越低，受原子核的束缚力越大（结合能越大）越低，受原子核的束缚力越大（结合能越大）越低，受原子核的束缚力越大（结合能越大） 原子核中的核子（质子、中子等）由于核力的原子核中的核子（质子、中子等）由于核力的原子核中的核子（质子、中子等）由于核力的原子核中的核子（质子、中子等）由于核力的作用作用作用作用 ，也紧密地结合在一起，也紧密地结合在一起，也紧密地结合在一起，也紧密地结合在一起 ，要使原子核分裂，要使原子核分裂，要使原子核分裂，要使原子核分裂需要有很大的功需要有很大的功需要有很大的功需要有很大的功 ，原子核一旦分裂，原子核一旦分裂，原子核一旦分裂，原子核一旦分裂 ，则能释放，则能释放，则能释放，则能释放巨大能量，即核能巨大能量，即核能巨大能量，即核能巨大能量，即核能X 线线 的的 发发 生生 X X线是由于线是由于X X线机球管阴极灯丝产生的高速线机球管阴极灯丝产生的高速电子突然受到阳极靶物质的阻挡而发生的电子突然受到阳极靶物质的阻挡而发生的 高速电子作用在靶物质原子的外层电子轨高速电子作用在靶物质原子的外层电子轨道道 ，使电子击离，使电子击离 ，形成自由电子，原子本，形成自由电子，原子本身变成带正电称身变成带正电称电离电离 高速电子把靶原子内层电子击离，外层高速电子把靶原子内层电子击离，外层轨道电子随即通过跃迁填补其空穴，从而轨道电子随即通过跃迁填补其空穴，从而释放光子，称特征辐射，此光子为释放光子，称特征辐射，此光子为特征特征X X线线 其能量取决于靶物质原子两层相邻轨道其能量取决于靶物质原子两层相邻轨道电子结合能的差，与入射电子的能量无关电子结合能的差，与入射电子的能量无关, , 而电子结合能的大小取决于靶物质，特征而电子结合能的大小取决于靶物质，特征 X X线的能量可代表靶物质线的能量可代表靶物质, ,故又称故又称标识标识X X线线 若高速电子经过靶原子核附近时，使原若高速电子经过靶原子核附近时，使原子核受激子核受激 ， 原子核在返回稳态时释放光原子核在返回稳态时释放光子，入射电子本身由于核电场的作用发生子，入射电子本身由于核电场的作用发生偏转，改变速度，并将其一部分或全部能偏转，改变速度，并将其一部分或全部能量转化为电磁辐射，即入射电子损失的能量转化为电磁辐射，即入射电子损失的能量等于光子的能量，该现象称量等于光子的能量，该现象称轫致辐射，轫致辐射，产生的产生的X X线能谱是连续的，故称为线能谱是连续的，故称为连续连续X X线线 特征特征X线和连续线和连续X线中能量较低的长波射线中能量较低的长波射线穿透力低线穿透力低 ，不适宜深部肿瘤的治疗，不适宜深部肿瘤的治疗，又可加重正常组织的反应和损伤又可加重正常组织的反应和损伤 ，在临，在临床使用时，常用不同厚度床使用时，常用不同厚度 、不同材料制、不同材料制成的过滤板成的过滤板(Filter)将低穿透性的将低穿透性的 “软线软线”滤去滤去 用不同材料和厚度的过滤板用不同材料和厚度的过滤板 ，虽，虽 X 机管机管电压相同电压相同 ， 但进入体内的但进入体内的 X 线质是不同线质是不同的的 ，此时显然不能用电压（，此时显然不能用电压（ kV ）来表示）来表示 X 线的质，故临床上常用半值层（线的质，故临床上常用半值层（HVL）来衡量来衡量 HVL 的含义是使射线的强度的含义是使射线的强度 （ 是射线是射线 的量而不是质）减小一半所需的某种滤过的量而不是质）减小一半所需的某种滤过物质的厚度物质的厚度 ，一般光子经，一般光子经7个半值层滤过后，个半值层滤过后，其强度可减小至其强度可减小至0.1% 医用电子加速器的高速阴极电子未撞击医用电子加速器的高速阴极电子未撞击靶而被直接引出即为靶而被直接引出即为电子束，电子束，其达到机体其达到机体组织后可同样发生上述作用情况，且本身组织后可同样发生上述作用情况，且本身有直接电离作用有直接电离作用 入射电子若能量大于靶原子核的结合能入射电子若能量大于靶原子核的结合能时，可击出核内的中子时，可击出核内的中子n 光子（线、光子（线、射线）与被照射介质射线）与被照射介质 （组织）相遇时可发生以下几种情况（组织）相遇时可发生以下几种情况p 光子与介质原子的内层电子相遇，把能光子与介质原子的内层电子相遇，把能量全部传递给该电子，电子从轨道上被击量全部传递给该电子，电子从轨道上被击出，外层电子向内补充（跃迁），发生特出，外层电子向内补充（跃迁），发生特征辐射，称征辐射，称光电效应，光电效应，击出的电子称击出的电子称 “光电子光电子”，而该原子成为正离子，而该原子成为正离子p 光子将部分能量转移给电子，使其击出，光子将部分能量转移给电子，使其击出，击出的电子称反冲电子或康普顿电子，这击出的电子称反冲电子或康普顿电子，这种现象称种现象称康普顿效应，康普顿效应，入射光子以其残余入射光子以其残余能量向另一方向运动，此时的光子称能量向另一方向运动，此时的光子称散射散射光子（散射线）光子（散射线），同样可使靶物质的其他，同样可使靶物质的其他原子的轨道电子发生光电效应和康普顿效原子的轨道电子发生光电效应和康普顿效应应 p 当光子能量大于当光子能量大于时，在通过原子核附近时，在通过原子核附近时，受核电场影响而突然消失变成正、负时，受核电场影响而突然消失变成正、负2个电子个电子 ，称，称电子对效应电子对效应 。正正 、负电子有、负电子有动能时可产生电离作用动能时可产生电离作用 。当正电子能量耗。当正电子能量耗尽时尽时 ，能与吸收介质原子的电子结合转变，能与吸收介质原子的电子结合转变为能量各为为能量各为 0.51 MeV 的的 2 个光个光 子，称子，称湮没辐射湮没辐射 在发生上述现象时，除了产生的光电子、在发生上述现象时，除了产生的光电子、反冲电子及电子对效应的正、负电子和失反冲电子及电子对效应的正、负电子和失去电子后的原子成为的正离子均直接有电去电子后的原子成为的正离子均直接有电离作用外，这些电子还可作用于介质的其离作用外，这些电子还可作用于介质的其它原子它原子 ，重复发生上述，重复发生上述3种效应种效应 ，此过程，此过程重复多次，可产生大量正负离子，它们在重复多次，可产生大量正负离子，它们在肿瘤治疗中起到电离作用肿瘤治疗中起到电离作用 电离作用产生生物学效应不能依据机体吸收的电离作用产生生物学效应不能依据机体吸收的电离作用产生生物学效应不能依据机体吸收的电离作用产生生物学效应不能依据机体吸收的能量来衡量，例如能量来衡量，例如能量来衡量，例如能量来衡量，例如5 Gy5 Gy剂量全身照射后剂量全身照射后剂量全身照射后剂量全身照射后1 1个月个月个月个月 ，可引起骨髓衰退性死亡可引起骨髓衰退性死亡可引起骨髓衰退性死亡可引起骨髓衰退性死亡 ，而全身吸收的能量不及，而全身吸收的能量不及，而全身吸收的能量不及，而全身吸收的能量不及饮用一杯咖啡。从分子水平来解释，这是射线使饮用一杯咖啡。从分子水平来解释，这是射线使饮用一杯咖啡。从分子水平来解释，这是射线使饮用一杯咖啡。从分子水平来解释，这是射线使关键生物分子的特殊电离而产生的破坏关键生物分子的特殊电离而产生的破坏关键生物分子的特殊电离而产生的破坏关键生物分子的特殊电离而产生的破坏 3 Gy 3 Gy 剂量照射使每个被照射细胞发生成千上万剂量照射使每个被照射细胞发生成千上万剂量照射使每个被照射细胞发生成千上万剂量照射使每个被照射细胞发生成千上万次电离次电离次电离次电离 ，每个细胞出现几千个，每个细胞出现几千个，每个细胞出现几千个，每个细胞出现几千个DNADNA单链断裂，大单链断裂，大单链断裂，大单链断裂，大约有约有约有约有100100个双链断裂个双链断裂个双链断裂个双链断裂 ，造成，造成，造成，造成 90 %90 %左右的被照射细左右的被照射细左右的被照射细左右的被照射细胞出现增殖死亡，而胞出现增殖死亡，而胞出现增殖死亡，而胞出现增殖死亡，而10%10%的细胞可得到修复的细胞可得到修复的细胞可得到修复的细胞可得到修复 当不同能量的光子与人体组织相互作用时，当不同能量的光子与人体组织相互作用时，其发生光电效应、康普顿效应和电子对效其发生光电效应、康普顿效应和电子对效应的重要性不同应的重要性不同 。 在光子能量较低时，光在光子能量较低时，光电效应起主导作用电效应起主导作用 ; 能量达能量达1MeV时时 ，以，以康普顿效应占优势康普顿效应占优势 ; 光子能量达光子能量达1.02 MeV时，开始出现电子对效应时，开始出现电子对效应 一个光子与被照射物质发生上述三种效一个光子与被照射物质发生上述三种效应时应时 ，都有一定的概率，都有一定的概率 ， 概率大小用原概率大小用原子截面来衡量子截面来衡量 ，以，以代表截面代表截面 ，截面单，截面单位为靶恩（