ThePhysicsofRadiology-chapter6-2 放射物理 英文版 教学课件

放射物理学考试知识点放射物理学是一门研究电离辐射与物质相互作用规律以及相关应用的学科，在医学、工业、科研等领域都有着重要的地位。

对于即将参加放射物理学考试的同学来说，掌握以下知识点至关重要。

一、电离辐射的基本概念电离辐射是指能够引起物质电离的辐射，包括电磁辐射（如 X 射线、γ 射线）和粒子辐射（如α粒子、β粒子、中子等）。

了解电离辐射的特性，如能量、波长、频率等，是理解其与物质相互作用的基础。

电离辐射的剂量学量是衡量辐射对物质作用程度的重要参数。

常见的剂量学量包括吸收剂量、当量剂量和有效剂量。

吸收剂量是单位质量物质吸收的电离辐射能量，单位为戈瑞（Gy）。

当量剂量则考虑了不同类型辐射的生物效应差异，通过乘以相应的辐射权重因子得到，单位也是戈瑞。

有效剂量则进一步考虑了不同器官或组织对辐射的敏感性差异，通过乘以相应的组织权重因子得到，用于评估辐射对人体产生的总的健康危害，单位为希沃特（Sv）。

二、射线与物质的相互作用射线与物质相互作用的方式主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应。

光电效应是指光子与物质原子的内层电子作用，将其全部能量转移给电子，使其脱离原子成为光电子。

此效应在低能光子与高原子序数物质相互作用时较为显著。

康普顿效应是指光子与物质原子的外层电子发生弹性碰撞，光子将部分能量转移给电子，自身改变方向并损失能量。

这是 X 射线与物质相互作用的主要方式。

电子对效应是指当光子能量大于 102 MeV 时，在原子核场的作用下转化为一个正电子和一个负电子。

这种效应在高能光子与物质相互作用时发生。

三、辐射源的种类和特点常见的辐射源包括放射性核素源、X 射线机和加速器。

放射性核素源如钴-60，能自发地发射γ射线。

其特点是能量单一、半衰期固定，常用于远距离治疗。

X 射线机通过高速电子撞击金属靶产生 X 射线。

其能量可调，但强度相对较低，常用于诊断和浅层治疗。

加速器如直线加速器，能产生高能电子束和 X 射线，能量高、剂量率大，适用于深部肿瘤的治疗。

Sun Yat-sen UniversityCancer CentreDepartment of Radiation Oncology放射物理学基本概念Basic Conception of Radiation PhysicsKangdh@Dep. Rad. Oncol.●辐射分类●辐射中使用的物理量和单位●原子结构●X射线的产生●X射线同物质作用●电子线同物质作用●核素Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.●非电离辐射●电离辐射直接电离辐射间接电离辐射Sun Yat-sen University光子间接电离辐射-Cancer CentreDep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University 辐射中使用的物理量和单位Cancer CentreDep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University 物理常数Cancer CentreDep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University moleCancer CentreDep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.●质子●中子●电子●原子数●质量数Dep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University 射线的产生XCancer CentreDep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University X射线的产生Cancer CentreDep. Rad. Oncol.●原子中电子受到激发(获得能量)电子跃迁到高能级,退激,放出特征X射线●运动电荷(存在加速度),bremsstrahlung(韧致辐射)Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University AccelerationCancer CentreDep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University 经典情况Cancer CentreDep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University Cancer CentreDep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen UniversityCancer CentreDep. Rad. Oncol.讨论Sun Yat-sen University相对论高速电子,接近光速,Cancer CentreDep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University Cancer CentreDep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University 光子同物质相互作用Cancer CentreDep. Rad. Oncol.●光电效应●康普顿效应●电子对Sun Yat-sen University Thomson scatteringCancer CentreDep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.●与Z 的3-3.8次方成正比;●与能量的三次方成反比..)(;)(;)(3133!"#µ!"#µ!"$$$$$h Z M N h Z N M Z h Z n A A nA A n%&=&=&Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen UniversityCancer Centre Dep. Rad. Oncol.微分截面dsigma/domega00.511.522.50501001502000.010.1110Sun Yat-sen UniversityCancer Centre Dep. Rad. Oncol.Dsigma/dthetaCross0.050.10.150.20.250.30.350.401234rad%0.010.1110Dep. Rad. Oncol.Recoil electron1.00E-311.00E-301.00E-291.00E-281.00E-2724681012MeVM e V0.5135911Dep. Rad. Oncol.).ln(,2;,222!"#µ!!"#µ!h Z M N c m h Zh M N c m h p AApe p AApe $=>>$=>●与原子数成正比;●与能量的关系.Sun Yat-sen UniversityCancer Centre Dep. Rad. Oncol.带电粒子同物质作用-碰撞!==,,422Fdt p rZe F "#dtd b v dt d b x b r b r r b !!!!!!!2222222cos 1tan ,)tan()(cos 1,)(cos ,)cos(======Dep. Rad. Oncol.!!"===222242cos 4cos ###$%%#$%vbZed vb Ze dt F p 22422)4(221b mv eZ m p E !"==Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol.MinA A MinE E A A E E M Zmv Ze N S E E mv Ze nZ E dE mvZe nZ S mv E dEZe bdb bdbnZE xT S bdb x nZE T N M n Maxmax 2222max2222222222222ln )4()(2ln )4()(2)4()(2)4()(2,2,min!"!#!"!!"!!"!!#=====$$=$=$=%%Sun Yat-sen University 讨论Cancer CentreDep. Rad. Oncol.●电离损失与重带电粒子能量成反比;●与每克电子数成正比;●与电荷平方成正比.Sun Yat-sen University 电子同物质相互作用-colCancer CentreDep. Rad. Oncol.Sun Yat-sen University 讨论Cancer CentreDep. Rad. Oncol.●电子的电离损失也和物质的每克电子数成正比;●低能时,与能量成反比;●高能时,随着能量缓慢增加,当电子能量为1MEV,电离损失最小.Sun Yat-sen UniversityCancer Centre Dep. Rad. Oncol.带电粒子同物质作用-辐射2222222)ln()(316mc mce z c e Z N S !"!#$●辐射损失与入射带电粒子质量m 成反比;重带电粒子忽略●与物质电荷数平方成正比;重元素大●与能量成正比.Sun Yat-sen UniversityCancer Centre Dep. Rad. Oncol.总阻止本领MeVZE SS S S S col rad rad col 800)()(,)()(=+=!!!!! 低能时,电离损失占优;高能时,辐射损失占优.Dep. Rad. Oncol.Dep. Rad. Oncol. 完!。

放射治疗物理学目录第一章放射治疗物理基础第一节原子和原子核性质一、一些基本概念二、原子核的大小和质量三、原子核结合能四、原子核的自旋与磁矩五、原子核和核外电子的能级第二节射线与物质的相互作用一、基木粒子的种类和物理特性二、核的稳定性和衰变类型三、放射性度量和放射性核素衰减规律四、常见类型射线与物质的相互作用及定量表达第二章临床放射生物学概论第一节电离辐射对生物体的作用一、辐射生物效应的时间标尺二、电离辐射的直接作用和间接作用第二节电离辐射的细胞效应一、辐射诱导的DNA损伤及修复二、细胞死亡的概念三、细胞存活曲线四、细胞周期时相与放射敏感性五、氧效应及乏氧细胞的再氧合六、再群体化笫三节电离辐射对肿瘤组织的作用一、肿瘤的增殖动力学二、在体实验肿瘤的放射生物学研究中得到的一些结论第四节正常组织及器官的放射效应一、正常组织的结构组分二、早期和晚期放射反应的发生机制三、正常组织的体积效应第五节肿瘤放射治疗的基本原则一、照射范围应包括肿瘤二、要达到基本消灭肿瘤的目的三、保护邻近正常组织和器官四、保护全身情况及精神状态良好第六节提高肿瘤放射敏感性的措施一、放射源的选择二、利用时间-剂量-分割关系三、使肿瘤细胞再分布四、利用氧效应第七节肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数学模型一、“生物剂量”的概念二、放射治疗屮生物剂量等效换算的数学模型三、外推反应剂量（ERD）概念第三章常用放射治疗设备第一节X线治疗机一、X线的发生二、X线机的一般结构三、X线质的改进四、X射线治疗机的改进第二节医用加速器一、概述二、医用电子直线加速器的加速原理三、医用电子直线加速器的结构四、质子放疗系统第三节远距离^Co治疗机一、叫20源的产生与衰变二、远距离治疗机的一般结构三、60Co治疗机种类四、60Co治疗机的半影种类五、垂直照射相邻照射野的设计六、60c°v射线的优缺点七、6°C0源更换八、Y刀第四节远距离控制的近距离治疗机一、H DR后装治疗设备的组成二、现代后装机具有的优点第五节理想放射源条件一、理想的剂量分布二、能杀灭乏氧细胞三、能杀灭非增殖期细胞（Go期）第六节模拟定位设备一、模拟定位机二、C T模拟定位机三、磁共振模拟机四、P ET-CT模拟机第七节体位固定装置一、一般的头颈部支持系统二、乳腺体位辅助托架三、热塑面网（罩）和体罩四、真空成形固定袋（真空袋）第八节放射治疗局域网络一、局域网络的配置二、放射治疗科网络的信息交换三、L ANTIS系统四、科室网络的安全维护第四章辐射剂量学的基本概念第一节辐射剂量学基本定义一、照射量二、比释动能三、吸收剂量四、有关辐射场的几个基本定义第二节各辐射量Z间的关系一、高能光子在介质中的能量转移和吸收二、电子平衡三、照射量和比释动能的关系四、比释动能和吸收剂量的关系五、吸收剂量和照射量的关系第三节空腔理论一、阻止本领二、阻止本领和吸收剂量的关系三、Bragg-Gray空腔理论四、Spencer-Attix 理论五、空腔理论住电离室剂量测量中的应用第五章射线的测量第一节电离室一、电离室基本原理二、指形电离室三、电离室的工作特性以、特殊电离室五、电离室测量吸收剂量的原理第二节热释光剂量计一、原理二、热释光剂量讣的种类三、热释光剂量计使用四、热释光剂量计的刻度第三节胶片剂量计一、原理二、应用第四节半导体剂量计一、原理二、Mapcheck半导体剂量仪第五节场效应管一、原理二、M OSFET探测器的特性第六节剂量的标定一、射线质的测定二、射线吸收剂量的标定第六章光子照射剂量学第一节原射线与散射线一、原射线二、散射线第二节平方反比定律第三节百分深度剂量一、照射野及有关名词定义二、百分深度剂量第四节射野输出因子和模体散射因子一、射野输出因子二、模体散射校正因子第五节组织空气比一、组织空气比定义二、源皮距对组织空气比的影响三、射线能量、组织深度和射野大小对组织空气比的彫响四、反向散射因子五、组织空气比与百分深度剂量的关系六、不同源皮距百分深度剂量的计算一一组织空气比法七、旋转治疗屮的剂量计算八、散射空气比第六节组织最大比一、组织模体比和组织最大剂量比二、散射最大剂量比第七节等剂量线一、等剂量线二、射野离轴比第八节组织等效材料一、组织替代材料二、组织替代材料间的转换三、模体四、剂量准确性要求第九节人体曲而和组织不均匀性的修正一、均匀模体和人体之间的差别二、人体曲面的校正第十节不均匀组织（骨、肺）校正一、射线衰减和散射的修正二、不均匀组织屮的吸收剂量三、组织补偿第十一节楔形野剂量学一、楔形野等剂量分布与楔形角二、楔形因子三、一楔合成四、楔形板临床应用方式及其计算公式五、动态楔形野第十二节不规则射野剂量学第十三节临床剂量计算一、处方剂量二、加速器剂量计算三、钻-60剂量计算四、离轴点剂量计算一一Day氏法第七章电子线照射剂量学第一节电子线中心轴深度剂量分布一、中心轴深度剂量曲线的基木特点二、有效源皮距及平方反比定律三、彫响电子线百分深度剂量的因素四、电子线的输出因子第二节电子线剂量学参数一、电子线的射程二、电子线能量参数三、电子线的离轴比四、电子线的均整度、对称性及半影五、电子线的等剂量线分布特点第三节电子线的一般照射技术一、电子线处方剂量ICRU参考点二、能量和照射野的选择三、射野形状及铅挡技术四、电子线的补偿技术五、电子线的斜入射修正六、电子线的组织不均匀修正和边缘效应七、电子线的射野衔接技术第四节电子线的特殊照射技术一、电子线旋转照射技术二、电子线全身皮肤照射三、电子线术中照射第八章近距离放射治疗剂量学第一节近距离放疗概述一、近距离放射治疗的设备和相关技术二、近距离放疗的常用核素第二节近距离放疗的剂量计算一、单个粒子源的剂量计算方法二、临床多粒子源植入的扰动影响三、组织异质情况下的剂量修正第三节近距离放疗的临床应用和剂量体系一、粒子源植入治疗的临床应用二、粒子源植入的临床剂量体系第九章中子近距离照射剂量学第一节钿中子与制中子相对生物学效应一、钢屮子二、^cf的相对生物效应(RBE)三、屮子近距离治疗的优势第二节钏中子治疗技术一、'叱彳中子后装治疗机(中子刀)简介二、中子刀适应症及禁忌症第三节钿中子治疗的剂量分布一、模体二、确定漩Cf中子束、Y射线吸收剂量分布的探测器三、确定^Cf中子、Y吸收剂量分布的理论方法第四节中子的防护一、中子后装机的辐射防护性能二、患者的辐射防护三、医护人员的辐射防护四、公众的辐射防护五、安全管理第十章临床常用技术和应用第一节挡块一、挡块的厚度二、低熔点铅技术三、挡块制作第二节组织补偿一、组织填充物二、组织补偿器三、电子束的补偿技术第三节多叶准直器一、多叶准直器的基本结构二、多叶准直器的安装位置第四节楔形野一、楔形板二、楔形角与楔形因子三、一楔合成四、动态楔形野第五节独立准直器第十一章临床常用放疗方案第一节放疗临床对剂量学的要求一、提高治疗比二、实现临床剂量学四原则第二节照射技术和射野设计原理一、体外照射技术的分类及其优缺点二、射线及其能量的合理选择三、高能X射线的射野设计原则四、相邻野设计五、不对称射野笫三节临床常见肿瘤放射治疗方案一、鼻咽癌常规照射野设计二、肺癌常规照射野设计三、食管癌常规照射野设计第十二章三维适形放射治疗及调强放射治疗第一节三维适形放疗的发展过程第二节3DCRT工作流程、计划工具一、体模制作二、计划CT扫描与数据传输三、轮廓勾画四、计划设计和评价五、计划验证六、三维适形放疗的临床应用第三节立体定向放射外科和立体定向放射治疗一、立体定向放射外科二、立体定向放射治疗笫以节调强放射治疗一、IMRT的工作流程和基本概念二、IMRT实施方法三、IMRT的优点四、IMRT的可能潜在问题五、IMRT的剂量验证第五节 调强放射治疗的临床应用举例一、 鼻咽癌的调强放射治疗二、 前列腺癌的调强放射治疗三、 肺癌的调强放射治疗第十三章治疗计划系统和治疗计划评估 第一节治疗计划系统概念和历史简介一、 治疗计划系统概念二、 治疗计划系统的发展历史三、 两维和三维治疗计划系统的比较 第二节治疗计划的剂量学原则及靶区剂量规定一、 肿瘤致死剂量与正常组织耐受剂量二、 临床剂量学四项原则 第三节外照射靶区剂量学规定治疗目的 参考点和坐标系 体积的定义 対剂量报告的一般性建议 剂量归一点 吸收剂量二、四、五、八、第六节近距离放射治疗剂量算法近距离治疗特点近距离治疗类型和放射源空间重建近距离主耍剂量计算方法192Ir 放射源的数学模型 近距离照射的剂量优化第七节外照射剂量计算算法一、 剂量计算算法的临床实现进程二、 剂量计算算法第八节 治疗计划系统的设计和体系结构一、 基本组成二、 单个治疗计划工作站系统三、 多工作站系统四、 辅助部件五、 第三方软件六、 治疗计划系统的发展七、 系统说明书二、 四、五、八 第四节TPS 中的图像和图像处理技术一、 放射治疗计划中使用的图像技术二、 图像处理第五节治疗计划设计过程体位固定治疗计划设计放射治疗计划评估治疗计划的验证治计划的执行调强放射治疗的TPS 剂量验证 二、 四、 五、 六、第九节治疗计划系统的验收一、验收内容二、与剂量无关的项目三、外照射野光子剂量计算四、电子线剂量计算五、后装治疗六、数据传输第十节治疗计划系统的质量保证一、系统文件和人员培训二、系统定期QA项目三、患者治疗计划检查第十四章放射治疗的质量保证QA和质量控制QC 第一节QA和QC的目的及重要性第二节放射治疗对剂量准确度的要求一、靶区剂量的确定二、对剂量准确度的要求三、影响剂量准确性的因素第三节外照射治疗物理质量保证内容一、外照射治疗机、模拟机和辅助设备二、等中心及指示装置三、照射野特性的检查四、剂量测量和控制系统五、治疗计划系统六、治疗安全第四节近距离治疗QA内容一、放射源二、污染检查三、遥控后装机QA四、治疗的质量控制第五节QA、QC的管理要求一、部门QA的主要内容二、国家QA的主要内容第十五章发展中的图像引导放射治疗第一节三维适形放射治疗第二节调强放射治疗第三节图像引导放射治疗一、放射治疗实施前影像二、治疗室内图像引导和投照三、图像引导放射治疗四、4维放射治疗第四节剂量引导放疗和循变放疗一、剂量引导放射治疗二、循变放射治疗第十六章放射防护第一节电离辐射的生物效应一、放射损伤机理二、放射生物效应的类型三、影响放射生物效应的主要因素四、辐射对组织、器官的损伤效应第二节放射防护目的与标准一、放射防护的目的二、放射防护应遵守的三项基本原则三、人工照射类型四、放射防护标准第三节外照射防护基本措施一、工作场所区域划分二、减少外照射剂量的三项措施第四节医用电离辐射防护一、医院的防护职责二、医疗照射的正当性判断三、医疗照射的防护最优化四、医疗照射的指导水平与剂量约束章名为小三宋体加粗节名为小四宋体加粗正文为五号宋体加粗一、加粗(一)加粗有必要时1.加粗有必要时(1)a.(a)数字为timenewman公式为(1-1)。

第六章6-1解：根据X 射线管的工作原理得到工作电压与发射的连续X 光谱的最短波长关系为： kV nme keV nm e hc e U V 1000124.024.1min =⋅⋅===λ，所以所求得工作电压为：100千伏。

6-2解： 根据莫塞莱定律得到K αX 射线的频率公式为：()()Hz Z Rc Z v Ka 2162110246.021111−×=⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−= 所以波长为()216110246.0−×==Z c v c Ka Ka λ，得到原子序数大小为： 43110246.00685.01031618=+××⋅×±=−Hznm s m Z ，－41（舍去）。

因此K αX 射线波长为0.0685nm 的元素原子序数为43。

6-3解： 钕原子的L 吸收限对应的能量为电离一个L 层电子所需的能量，所以L 层电子的能量为：E L ＝－hc/λL ＝－1.24nm ·keV/0.19nm=－6.526keV ；根据莫塞莱定律得到钕原子的K αX 射线频率公式为：υK α＝3/4Rc(Z-1)2，所以钕原子K 层电子跃迁到L 层电子需要的能量为：ΔE ＝E L －E K ＝h υK α＝3/4Rhc(Z-1)2＝3/4×13.6eV ×(60-1)2=35.506keV ，所以K 层电子的能量为：E K ＝E L －ΔE ＝－42.03keV ，从而电离钕原子的一个K 层电子所需的能量为42.03keV 。

6-4略。

6-5解：（1）铅的K 吸收限对应的能量为ΔE K ∞＝hc/λK ∞＝1.24nm ·keV/0.0141nm=87.94 keV ； 同理得到K 线系各谱线对应的能量为：E K α＝hc/λK α＝1.24nm ·keV/0.0167nm=74.25 keV ；E K β＝hc/λK β＝1.24nm ·keV/0.0146nm=84.93 keV ；E K γ＝hc/λK γ＝1.24nm ·keV/0.0142nm=87.32 keV ；因此各层电子的能量分别为：E K ＝－87.94 keV ；E L ＝74.25 keV －87.94 keV ＝－13.69keV ；E M ＝84.93 keV －87.94 keV ＝－3.01keV ；E N ＝87.32 keV －87.94 keV ＝－0.62keV 。

第三章放射治疗物理学基础放射治疗物理是研究放射治疗设备、技术、剂量测量及剂量学、治疗计划设计、质量保证和质量控制、模室技术、特殊放射治疗方法学及学科前沿的新技术、新业务的分支学科,它必须直接为放射治疗临床服务。

放射物理学对推动放疗专业的发展都起着举足轻重的作用，一个医院的放疗科，如果没有一个强有力的放射物理人才和设备技术的合理配置，要走在本专业学科发展的前沿是不可能的。

放射治疗设备、质量保证和质量控制、模室技术等内容将有专门的章节进行介绍，本章就核物理基础知识、放射治疗剂量学和剂量测量等作一介绍。

第一节原子结构和核衰变自然界中的所有物质都由分子和原子构成。

分子保持着物质的基本属性和化学性质,分子由原子组成,目前己知的原子(也称元素)有109种,原子又有着它自己的结构。

了解原子的结构对于我们认识放射线的产生及其与物质的相互作用是十分必要的．因为这些过程都发生在原子的范围内。

一、原子结构原子由原子核和核外电子组成。

原子的中心是带正电荷的原子核，核外是带有等量负电荷的电子，这些电子沿着一定的轨道绕着原子核高速旋转。

早在1913年英国物理学家卢瑟福用散射实验证实原子的结构类似太阳系。

带负电的电子围绕带正电的原子核转动，正像行星绕着太阳旋转一样（图3-1－1）。

原子是很小的结构，其直径约为10－8cm。

图3-1－1 原子模型原子核由质子和中子组成，都是基本粒子，统称核子。

它们数目的总和就是原子量。

原子核小而紧密，其直径约为10－14cm，但集中了几乎整个原子的质量。

1961年后，国际上统一用12C原子量的1/12作为原子质量单位，其符号为amu。

原子质量和原子质量数是不同的概念，前者是指原子的实际质量，后者则是指原子核中核子的总数。

原子核内的电荷与周围电子的总电荷相等（核内质子数等于核外的电子数），故整个原子显中性。

电子或质子的数目，即门捷列夫元素周期表中所列的顺序数，称为原子序数。

标记方法：A Z X，X代表元素符号；A 为原子的质量数，即核内质子和中子总数；Z为原子序数，即核内质子数，显然，核内中子数应等于A—Z。