医学物理电离辐射及其医学医学物理电离辐射及其医学应用应用ppt课件课件(1)依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射两大类依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射两大类电磁辐射实质上是电磁波，仅有能量而无静止质量，电磁辐射实质上是电磁波，仅有能量而无静止质量，频频率率由由低低到到高高分分为为:无无线线电电波波、微微波波、红红外外线线、可见光、紫外线、可见光、紫外线、X射线和射线和 射线等。射线等。如如: 粒粒子子、 粒粒子子、内内转转换换电电子子、俄俄歇歇电电子子、中中子、质子、重离子等。子、质子、重离子等。粒子辐射既有能量粒子辐射既有能量,又有静止质量又有静止质量 辐射的分类：辐射的分类：(1)依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射。依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射。(2)依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。(3)X射线谱射线谱X射线谱是指射线谱是指X射线光子强度与射线光子强度与光子能量光子能量(波长或频率波长或频率)的关系。的关系。(a)X射线连续谱射线连续谱轫致辐射轫致辐射(bremsstrahlung)管电压管电压70KV(b)X射线标识谱射线标识谱原子壳层结构模型原子壳层结构模型X射线标识谱的特征射线标识谱的特征与阳靶材料有关，与管电压无关。与阳靶材料有关，与管电压无关。(4)X射线基本特性射线基本特性电离作用电离作用荧光作用荧光作用光化学作用光化学作用生物效应生物效应贯穿本领贯穿本领二、高能电子束二、高能电子束三、质子束和重离子束三、质子束和重离子束电子加速器电子加速器高能电子束高能电子束质子加速器质子加速器高能质子束高能质子束离子加速器离子加速器高能离子束高能离子束8.1.2基于核过程的电离辐射基于核过程的电离辐射基于核衰变基于核衰变: 射线、射线、 粒子、粒子、 粒子、俄歇电子等。粒子、俄歇电子等。一、原子、原子核与放射性一、原子、原子核与放射性1.质子和中子质子和中子核素核素:具有相同质子数具有相同质子数Z、中子数、中子数N的同一类原子核，的同一类原子核，同质异能素同质异能素:Z 同同A 同同,能态不同能态不同,同位素同位素:Z同同,如如:2.电子电子电子及电子及“轨道轨道”基于核反应基于核反应:快中子束、快中子束、 -介子束等。介子束等。如如3.放射性核素衰变及其类型放射性核素衰变及其类型放射性核衰变放射性核衰变(nuclear decay):不稳定的放射性核素能不稳定的放射性核素能够自发地以各种方式转变成另外的核。够自发地以各种方式转变成另外的核。衰变前的核称为母核，衰变生成的新核称为子核。衰变前的核称为母核，衰变生成的新核称为子核。天然稳定核素约天然稳定核素约280种，天然放射性核素约种，天然放射性核素约30种，种，核衰变类型核衰变类型: 衰变、衰变、 衰变衰变、 衰变衰变.核衰变过程遵守的守恒定律核衰变过程遵守的守恒定律:质量能量守恒质量能量守恒,动量守恒动量守恒,核子数守恒核子数守恒,电荷守恒电荷守恒.人工放射性核素人工放射性核素(人造核素人造核素/人工核素人工核素)超过超过2000多种，多种，(1) 衰变衰变( decay)放射性核素放射出放射性核素放射出 射线射线(即即 粒子粒子)的衰变过程。的衰变过程。 射线射线就是高速运动的就是高速运动的24He原子核原子核 。衰变方程衰变方程: 衰变包括：衰变包括： -衰变、衰变、 +衰变衰变和轨道电子俘获。和轨道电子俘获。(2) 衰变衰变( decay) -衰变衰变 +衰变衰变 轨道电子俘获轨道电子俘获(EC)湮灭湮灭(3) 跃迁与内转换电子跃迁与内转换电子 跃迁：处于激发状态的核，跃迁到较低的激发态处于激发状态的核，跃迁到较低的激发态直至基态，发射出直至基态，发射出 射线。射线。内转换电子：在在某某些些情情况况下下，原原子子核核从从激激发发态态向向较较低低能能态态跃跃迁迁时时，产产生生的的能能量量直直接接交交给给内内层层电电子子，使该电子脱离原子束缚成为自由电子。使该电子脱离原子束缚成为自由电子。 射线占射线占89%内转换内转换占占11%(4)俄歇电子俄歇电子在发生轨道电子俘获和发射内转换电子的情况下，核在发生轨道电子俘获和发射内转换电子的情况下，核外内层电子轨道出现空穴，当高能级外内层电子轨道出现空穴，当高能级(外壳层外壳层)的电子的电子跃迁至低能级跃迁至低能级(内壳层内壳层)时，把多余的能量直接转移给时，把多余的能量直接转移给同一能级的另一个电子，接受这份能量的电子脱离轨同一能级的另一个电子，接受这份能量的电子脱离轨道成为自由电子道成为自由电子俄歇电子。俄歇电子。二、放射性衰变基础概念二、放射性衰变基础概念1.半衰期半衰期N=N0e-t半衰期半衰期:放射性核数目衰变为原数目的一半所需的时间。放射性核数目衰变为原数目的一半所需的时间。T1/2= ln2/ = 0.693/平均寿命平均寿命: = 1/ = T1/2 / ln22.放射性活度放射性活度一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔。衰变数除以该时间间隔。A= -dN/ dt =N =N0e-t=A0e-t单位单位: : 1Bq=1s-1, 1Ci=3.71010Bq 常用单位：常用单位：mCi、Ci-dN =N dt三、核反应三、核反应1.核反应概念核反应概念核反应是原子核与核反应是原子核与 粒子、质子、中子、重离子等粒子粒子、质子、中子、重离子等粒子相互作用引起的变化。相互作用引起的变化。2.核反应类型核反应类型(1)中子核反应中子核反应(n,)、(n,)、(n,p)、(n,2n)、(n,f) (2)质子核反应质子核反应(p,)、(p,d)、(p,n)、(p,) (3)离子核反应离子核反应(d,)、(d,p)、(d,n)、(,p)、(,n)、(,)(4)光核反应光核反应(,n)、(,d)、(,)核反应方程简写：核反应方程简写：X表示靶核，表示靶核，a入射粒子，入射粒子，b出射粒子，出射粒子，Y剩余核剩余核四、基于核过程的几种医用电离辐射的来源四、基于核过程的几种医用电离辐射的来源1. 射线射线 放射治疗中放射治疗中 射线来源射线来源59Co(n, )60Co 核医学的诊断中，由放射性药物释放核医学的诊断中，由放射性药物释放 射线射线SPECT成像常用成像常用99mTc，123I，67Ga，111In，201Tl，PET成像采集的成像采集的 射线源于电子对湮灭，射线源于电子对湮灭，表表82医学上最常用的几种发射医学上最常用的几种发射 射线的放射性核素性质射线的放射性核素性质（11C，13N，15O，18F）2. 粒子粒子 粒粒子子用用于于治治疗疗包包括括近近距距离离放放射射治治疗疗和和核核医医学学中中的的体体内内药药物物治治疗疗。常常用用的的 放放射射性性核核素素有有32P,89Sr,90Y,131I,153Sm,186Re等等。基本上均通过反应堆制备。等等。基本上均通过反应堆制备。3. 粒子粒子释放释放 粒子的放射性核素在医学中尚未应用到临床。粒子的放射性核素在医学中尚未应用到临床。4.中子束中子束 快中子束治癌中子的来源：氘和氚快中子束治癌中子的来源：氘和氚(d+T)的聚变反应；的聚变反应；氘和氘离子氘和氘离子(d+D)的聚变反应，氘和铍的聚变反应，氘和铍(d+Be)的核反应；的核反应；质子和铍质子和铍(p+Be)的核反应。的核反应。超热中子硼中子俘获疗法中子的来源：反应堆引出的超热中子硼中子俘获疗法中子的来源：反应堆引出的快中子慢化成为超热中子。快中子慢化成为超热中子。第二节第二节 电离辐射与物质的相互作用电离辐射与物质的相互作用 8.2.1X射线、射线、 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用作用形式：光电效应、康普顿效应和电子对效应作用形式：光电效应、康普顿效应和电子对效应一、光电效应一、光电效应出射光电子能量出射光电子能量=入射光子能量入射光子能量-电子结合能电子结合能光光电电效效应应是是低低能能X射射线线、 射射 线线 与与 物物 质质 相相 互互作用的主要机制。作用的主要机制。X射线、射线、 射线撞击一射线撞击一个原子内层轨道电子时，个原子内层轨道电子时，其能量全部转移给电子，使其具有动能而脱离原子飞出，其能量全部转移给电子，使其具有动能而脱离原子飞出，而而X射线、射线、 射线本身消失，这种过程称为光电效应。射线本身消失，这种过程称为光电效应。二、康普顿效应二、康普顿效应康普顿效应是中能康普顿效应是中能X射线、射线、 射线与物质相互作用主要射线与物质相互作用主要机制。机制。当当X射线、射线、 射线与物质相互作用时，将部分能量转移射线与物质相互作用时，将部分能量转移给电子使其脱离原子飞出这种过程称为康普顿效应。给电子使其脱离原子飞出这种过程称为康普顿效应。三、电子对效应三、电子对效应当高能量当高能量(大于大于1.022MeV)的的X射线或射线或 射线通过物质射线通过物质时，在原子核强库仑场作用下，光子消失，转化为一时，在原子核强库仑场作用下，光子消失，转化为一个正电子和一个负电子，这一过程称为电子对效应。个正电子和一个负电子，这一过程称为电子对效应。E+ +E- =E0 - 2mec2E0=2mec2+E+E-四、物质对四、物质对X射线的吸收规律射线的吸收规律当当X射射线线通通过过物物质质时时，与与物物质质的的原原子子发发生生以以上上三三种种相相互互作作用用，X射射线线的的能能量量降降低低，强强度度随随着着X射射线线深深入入物物质质的的程程度度而而减减弱弱，这这种种现现象象叫叫做做物物质质对对X射射 线线 的的 吸吸 收收 。朗伯朗伯比尔定律比尔定律I=I0exp(- L )(1) 线性吸收系数线性吸收系数(2)半价层半价层=KZ43L1/2=ln2/ (3)质量吸收系数和质量半价层质量吸收系数和质量半价层m= /Lm=LI=I0exp(-m Lm )8.2.2 粒子、重离子与物质的相互作用粒子、重离子与物质的相互作用(1) 粒子在空气中的电离粒子在空气中的电离(2)其其他他带带电电粒粒子子，例例如如质质子子、重重离离子子、负负 介介子子等等与与物物质质 的的 相相 互互 作作 用用 和和 粒粒子相似。子相似。8.2.3 粒子粒子(电子束电子束)与物质的相互作用与物质的相互作用(1)电离作用：比电离作用：比 粒子几率小很多。粒子几率小很多。(2)吸收规律：吸收规律：I=I0exp(-L)(3)辐射辐射&防护：产生防护：产生X射线，射线， 射线和射线和X射线的防护。射线的防护。8.2.4中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用(2)中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用散射散射核反应核反应：弹性散射：弹性散射&非弹性散射非弹性散射(1)中子分类中子分类慢中子慢中子(01keV)、中能中子、中能中子(1keV500keV)、快中子、快中子(0.5MeV10MeV)以及高能中子以及高能中子(大于大于10MeV)。慢中子慢中子:又可分为热中子又可分为热中子(平均能量平均能量0.025eV)、超热中子、超热中子(能量能量110eV)、共振中子共振中子(1eV1keV)。(a)弹性散射弹性散射中中子子损损失失的的能能量量与与相相互互作作用用原原子子核核的的质质量量有有关关。原原子子核核质质量量越越小小，获获得得能能量量越越大大。通通常常采采用用含含氢氢的的水水、含含氘氘的的重重水水、石石墨墨或或有有机机化化合合物物作作为为中中子子的的慢慢化化剂剂。中中子用于治疗时，其与氢原子的作用不容忽视。子用于治疗时，其与氢原子的作用不容忽视。(b)非弹性散射非弹性散射非弹性散射一般是快中子、高能中子在重核上发生的。非弹性散射一般是快中子、高能中子在重核上发生的。(c)中子核反应中子核反应慢中子和中能中子主要引起中子俘获效应慢中子和中能中子主要引起中子俘获效应,(n, )反应。反应。快中子主要发生散射，其次诱发快中子主要发生散射，其次诱发(n, ),(n,p),(n, )。高能中子则除以上反应外，还可能发生高能中子则除以上反应外，还可能发生(n,2n)反应。反应。中中子子活活化化分分析析:中中子子俘俘获获反反应应产产生生放放射射性性物物质质的的性性质质可可用用于于定定性性及及定定量量检检测测微微量量或或痕痕量量元元素素，应应用用范范围围：环环境境、地质、法医学、考古学、材料学、生物医学。地质、法医学、考古学、材料学、生物医学。(d)医学应用医学应用(i)中子活化分析中子活化分析痕量金属元素检测。痕量金属元素检测。(ii)中子刀中子刀利利用用遥遥控控后后装装技技术术将将中中子子源源送送进进肿肿瘤瘤内内部部，借借助助中中子子射射线线近近距距杀杀死死癌癌细细胞胞中中子子射射线线的的生生物物作作用用比比X、 射射线线强强2 8倍倍，适适用用于于敏敏感感性性较较差差的的肿肿瘤瘤或或复复发性肿瘤发性肿瘤(iii)硼中子俘获疗法硼中子俘获疗法把把含含硼硼元元素素的的肿肿瘤瘤亲亲和和药药物物注注入入人人体体，该该种种药药物物能能迅迅速速浓浓聚聚于于病病灶灶部部分分，此此时时用用超超热热中中子子射射线线照照射射，可可以以在在靶靶区区引引起起核核反反应应，所所释释放放的的高高能能射射线线只只杀杀死死肿肿瘤瘤细细胞胞而而不不损损伤伤周周围围组组织织该该疗疗法法被被认认为为是是目目前前治疗脑胶质瘤的最好方法治疗脑胶质瘤的最好方法第三节第三节 电离辐射的生物效应电离辐射的生物效应1.电离辐射普遍存在电离辐射普遍存在2.强烈的电离辐射会引起明显的生物效应强烈的电离辐射会引起明显的生物效应:损伤机体细胞，导致生物的遗传突变。损伤机体细胞，导致生物的遗传突变。电电离离辐辐射射的的生生物物效效应应一一方方面面有有助助于于治治疗疗策策略略的的制制订订，一方面也有助于对自身的辐射防护。一方面也有助于对自身的辐射防护。8.3.6相关计量概念相关计量概念一、照射量一、照射量X射线或射线或 射线在质量为射线在质量为dm的空气中释放出来的全部电的空气中释放出来的全部电子完全被空气阻止时，子完全被空气阻止时，在空气中产生任一种符号的离在空气中产生任一种符号的离子总电荷的绝对值子总电荷的绝对值dQ除以除以dm，即，即 = dQ /dm照射量仅适用于照射量仅适用于X或或 射线和空气介质。专用单位射线和空气介质。专用单位R(伦琴伦琴)1 R=2.5810-4Ckg二、吸收剂量二、吸收剂量D吸收剂量吸收剂量D反映受照物质吸收辐射能量的程度，定义为反映受照物质吸收辐射能量的程度，定义为单位质量的物质从电离辐射中吸收的平均能量。单位质量的物质从电离辐射中吸收的平均能量。吸收剂量的专用单位是戈瑞吸收剂量的专用单位是戈瑞(Gy,Gray)，单位符号为，单位符号为Gy。1Gy等于等于1kg受照物质吸收受照物质吸收1J的辐射能量，即的辐射能量，即1Gy = 1Jkg-1 （1 rad 0.01 Gy）吸吸收收剂剂量量的的概概念念适适用用于于任任何何种种类类的的核核辐辐射射及及任任何何受受照照射射的的介介质质。在在提提到到吸吸收收剂剂量量时时，必必须须指指明明物物质质的的种种类类和和所所在的位置。在的位置。三、吸收剂量三、吸收剂量D 与照射量与照射量之间的关系之间的关系位于空气中同一点处的生物组织中的吸收剂量位于空气中同一点处的生物组织中的吸收剂量D和空气和空气中该点照射量中该点照射量 间的关系为：间的关系为：D f如如:对于对于X射线照射空气介质，射线照射空气介质，f = 8.6910-3 Gy/R对对于于能能量量大大于于 0.15MeV 光光子子照照射射肌肌肉肉和和骨骨骼骼，f 在在91010-3 Gy/R , 故一般取故一般取 f = 0.01 Gy/R 表8-4 各种能量的光子在骨骼和肌肉中的 f 值临临床床上上，当当使使用用不不同同射射线线，即即使使吸吸收收剂剂量量相相同同，产产生生的的生生物物效效应应不不同同；或或者者说说，要要达达到到同同一一生生物物效效应应（杀杀伤伤同同一肿瘤），所需不同射线的吸收计量不同。一肿瘤），所需不同射线的吸收计量不同。四、有效剂量四、有效剂量E(effective dose)为了比较不同辐射对机体不同组织的损伤效应为了比较不同辐射对机体不同组织的损伤效应,评估辐射评估辐射引起的确定性效应概率引起的确定性效应概率,引入有效剂量引入有效剂量E(生物拉德当量生物拉德当量),定义为组织内某一点处定义为组织内某一点处D、WR、WT三个量的乘积三个量的乘积,E = D WR WT = HT WTD :该点的吸收剂量该点的吸收剂量,WR:射线在该点的射线在该点的辐射权重因子辐射权重因子WT:射线在该点的射线在该点的组织权重因子组织权重因子，HT：当量剂量：当量剂量意义：用机体组织受损伤的程度意义：用机体组织受损伤的程度,来反应吸收剂量大小来反应吸收剂量大小,相同有效剂量相同有效剂量E (当量剂量当量剂量)产生相同生物效应。产生相同生物效应。有效剂量的专用单位为希沃特有效剂量的专用单位为希沃特(西弗西弗 ),Sv, 1 Sv =1 Jkg-1如：快中子，如：快中子，DI=1Gy，WR=20, EI1 Gy 20 WT X射线，射线，DX=20Gy,WR=1, EX20Gy 1 WT会导致相同程度的损伤。会导致相同程度的损伤。1.解释：电磁辐射，粒子辐射，电离辐射，非电离解释：电磁辐射，粒子辐射，电离辐射，非电离辐射，辐射，X射线射线:连续谱连续谱/标识谱标识谱/强度强度/硬度硬度2.核衰变的类型。核衰变的类型。3.电离辐射与物质相互作用的形式。电离辐射与物质相互作用的形式。4.照照射射量量 、吸吸收收剂剂量量D 、有有效效剂剂量量E 及及其其三三者者之之间的关系。间的关系。第八章第八章 电离辐射及其医学应用电离辐射及其医学应用-Additions光子能量光子能量MeV骨骼骨骼f10-3GyR-1肌肉肌肉f10-3GyR-1光子能量光子能量MeV骨骼骨骼f10-3GyR-1肌肉肌肉f10-3GyR-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 各种能量的光子在骨骼和肌肉中的 f 值种类与能量范围种类与能量范围辐射权重因子辐射权重因子WRX射线射线, 射线射线1电子电子1中子中子,能量能量100keV2MeV2MeV20MeV20MeV51020105质子质子,能量能量2MeV5 粒子粒子,重离子重离子20表8-5 辐射权重因子组织或器官或器官权重因子重因子WT组织或器官或器官权重因子重因子WT性腺性腺结肠胃胃乳腺乳腺食道食道皮肤皮肤其余器官或其余器官或组织 0.20.120.120.050.050.010.05红骨髓骨髓肺肺膀胱膀胱肝肝甲状腺甲状腺骨表面骨表面0.120.120.050.050.050.01表8-6 组织权重因子Appendix I短时间受到大剂量辐射的临床反应短时间受到大剂量辐射的临床反应常见的辐射剂量常见的辐射剂量剂量剂量/mSv后果后果剂量剂量/mSv射线源或限度射线源或限度4000死亡死亡0.003天然背景值天然背景值4000-2000产生严重辐射疾病：骨髓产生严重辐射疾病：骨髓和骨密度遭到破坏，红细和骨密度遭到破坏，红细胞和白细胞极度减少，内胞和白细胞极度减少，内出血、腹泻等症状出血、腹泻等症状0.03乘乘10小时飞机小时飞机2000-1000 轻微辐射疾病，疲劳、呕轻微辐射疾病，疲劳、呕吐、食欲减退吐、食欲减退0.1-0.2X射射线医学医学检查累累积量量500-100没有疾病感觉，但血液中没有疾病感觉，但血液中白细胞含量减少白细胞含量减少1-2来自自然放射源一年的来自自然放射源一年的剂量剂量(如空气中的氡如空气中的氡)100对人体无危害对人体无危害1-5平均每人一年的积累量平均每人一年的积累量50放射行业工人一年的积放射行业工人一年的积累量累量2011-03-27福福岛岛第一核第一核电电站周站周边检测边检测到的到的辐辐射射剂剂量量为为每小每小时时1.015mSv，人，人员员在附近暴露在附近暴露6小小时时即会受到平即会受到平时时一年的一年的辐辐射。射。AppendixTableIINaturalbackgroundradiationsSourceDose(mSva-1)Internalradionuclides40K0.2 raysfromrocks,soil0.5Cosmicrays0.5Otherradionuclides0.05一些辐射量比较一些辐射量比较:一次胸片一次胸片0.02毫希毫希水、粮食、蔬菜、空气每年水、粮食、蔬菜、空气每年0.25毫希毫希胸片正侧位胸片正侧位0.1毫希毫希砖房每年砖房每年0.75毫希毫希头颅头颅CT2毫希毫希土壤每年土壤每年0.15毫希毫希胸部胸部CT3毫希毫希腹部腹部CT5毫希毫希AppendixTableIIIMaximumpermissibledosePositionRadiatedRadiationworker(mSva-1)Generalpubic(mSva-1)Wholebody,gonads,redmarrow500.5Skin,thyroid,bone30010Hands,forearms75025Otherorgans1505gonadgndn.1.【医医】生殖腺生殖腺,性腺性腺marrowmron.1.髓髓,骨髓骨髓2.精华精华,精髓精髓theSthyroidarda.1.【解解】甲状腺的甲状腺的;甲状软骨的甲状软骨的;盾状的盾状的n.1.【解解】甲状腺甲状腺;甲状软骨甲状软骨;甲状腺剂甲状腺剂结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！42