醫(yī)學(xué)物理電離輻射及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

1、第八章 電離輻射及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用,第一節(jié) 電離輻射基礎(chǔ)物理學(xué),第二節(jié) 電離輻射與物質(zhì)的相互作用,第三節(jié) 電離輻射的生物效應(yīng),8.3.6 相關(guān)計(jì)量概念,(1) 依據(jù)輻射的組成：電磁輻射和粒子輻射兩大類,電磁輻射實(shí)質(zhì)上是電磁波，僅有能量而無(wú)靜止質(zhì)量，,頻率由低到高分為: 無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線和 ? 射線等。,如: ?粒子、?粒子、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子、俄歇電子、中子、質(zhì)子、重離子等。,粒子輻射既有能量, 又有靜止

2、質(zhì)量,輻射的分類：,(1) 依據(jù)輻射的組成：電磁輻射和粒子輻射。,(2) 依據(jù)作用的方式：非電離輻射和電離輻射。,(2) 依據(jù)作用的方式：非電離輻射和電離輻射。,非電離輻射不引起物質(zhì)電離，只引起分子能級(jí)改變，,電離輻射則引起物質(zhì)電離，,直接電離：?粒子、 ?粒子、電子、質(zhì)子、重離子等。,間接電離： X射線、 ? 射線、中子。,包括無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線等。,電離輻射的醫(yī)學(xué)應(yīng)用,：放射學(xué)、核醫(yī)學(xué)、放射免疫分析,(1) 放射

3、學(xué)：包括診斷用的放射影像技術(shù)、治療用的放射治療技術(shù)，以及作為介入手術(shù)導(dǎo)引的數(shù)字減影技術(shù)。,(2) 核醫(yī)學(xué)：利用含放射性核素的放射性藥物，通過(guò)其在人體內(nèi)不同組織器官及腫瘤的分布或放射性強(qiáng)度的變化來(lái)進(jìn)行診斷 (影像與非影像) 或治療。,(3) 放射免疫分析：是利用標(biāo)記了放射性核素的抗原與非標(biāo)記的抗原對(duì)特異性抗體進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)免疫反應(yīng)，從而進(jìn)行體外超微量分析。,第一節(jié) 電離輻射基礎(chǔ)物理學(xué),電離輻射產(chǎn)生過(guò)程,：(1) 非核過(guò)程，(2) 核過(guò)程。,(

4、1) 非核過(guò)程,核外電子碰撞過(guò)程(例如X射線)，或電離后加速輸出(例如電子束、質(zhì)子束、重離子束)。,(2) 核過(guò)程,與原子核本身密切相關(guān)，產(chǎn)生于核反應(yīng)或核衰變 (例如? 射線、中子束、? 射線、 ? 射線)。,8.1.1 基于非核過(guò)程的電離輻射,一、X射線,(1) X射線發(fā)生裝置,普通X射線機(jī)包括：電子源，球形真空管，加速電場(chǎng)和陽(yáng)靶。,碰撞損失 ? 熱量,輻射損失 ? X射線,T:高速電子動(dòng)能(~100keV)Z:靶原子序數(shù)(W

5、74, Mo42),(2) X射線的強(qiáng)度和硬度,X射線的強(qiáng)度(intensity)是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與X射線傳播方向垂直的單位面積的輻射總能量。,強(qiáng)度調(diào)節(jié)：,X射線的硬度(hardness)是指X射線的貫穿本領(lǐng)。,硬度調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)管電壓，千伏率。,(1)調(diào)節(jié)管電壓，,(2) 調(diào)節(jié)管電流，毫安率。,表8-1 X射線按硬度的分類和用途,(3) X射線譜,X射線譜是指X射線光子強(qiáng)度與光子能量(波長(zhǎng)或頻率)的關(guān)系。,(a) X射線連續(xù)譜,軔致

6、輻射(bremsstrahlung),管電壓<70KV,(b) X射線標(biāo)識(shí)譜,原子殼層結(jié)構(gòu)模型,X射線標(biāo)識(shí)譜的特征,與陽(yáng)靶材料有關(guān)，與管電壓無(wú)關(guān)。,(4) X射線基本特性,①電離作用,②熒光作用,③光化學(xué)作用,④生物效應(yīng),⑤貫穿本領(lǐng),二、高能電子束,三、質(zhì)子束和重離子束,電子加速器?高能電子束,質(zhì)子加速器?高能質(zhì)子束,離子加速器?高能離子束,8.1.2 基于核過(guò)程的電離輻射,基于核衰變: ? 射線、? 粒子、 ?粒子、俄歇電子等

7、。,一、原子、原子核與放射性,1. 質(zhì)子和中子,核素: 具有相同質(zhì)子數(shù)Z、中子數(shù)N的同一類原子核，,同質(zhì)異能素: Z 同 A 同, 能態(tài)不同,,同位素: Z同,,如:,2. 電子,電子及 “ 軌道 ”,基于核反應(yīng): 快中子束、 ?- 介子束等。,如,3. 放射性核素衰變及其類型,放射性核衰變(nuclear decay): 不穩(wěn)定的放射性核素能夠自發(fā)地以各種方式轉(zhuǎn)變成另外的核。衰變前的核稱為母核，衰變生成的新核稱為子核。,天然穩(wěn)

8、定核素約280種，天然放射性核素約30種，,核衰變類型: ?衰變、 ?衰變、?衰變.,核衰變過(guò)程遵守的守恒定律:,① 質(zhì)量能量守恒, ② 動(dòng)量守恒,③ 核子數(shù)守恒, ④ 電荷守恒.,人工放射性核素(人造核素/人工核素)超過(guò)2000多種，,(1) ? 衰變 (? decay),放射性核素放射出?射線(即?粒子)的衰變過(guò)程。?射線就是高速運(yùn)動(dòng)的24He原子核 。,衰變方程:,?衰

9、變包括：?-衰變、 ?+衰變和軌道電子俘獲。,(2) ?衰變(? decay),① ?-衰變,② ?+衰變,③ 軌道電子俘獲(EC),湮滅,(3) ?躍遷與內(nèi)轉(zhuǎn)換電子,① ? 躍遷：處于激發(fā)狀態(tài)的核，躍遷到較低的激發(fā)態(tài)直至基態(tài)，發(fā)射出 ? 射線。,② 內(nèi)轉(zhuǎn)換電子：在某些情況下，原子核從激發(fā)態(tài)向較低能態(tài)躍遷時(shí)，產(chǎn)生的能量直接交給內(nèi)層電子，使該電子脫離原子束縛成為自由電子。,｛,? 射線占89%內(nèi)轉(zhuǎn)換占11%,(4) 俄歇電子,在發(fā)生

10、軌道電子俘獲和發(fā)射內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的情況下，核外內(nèi)層電子軌道出現(xiàn)空穴，當(dāng)高能級(jí)(外殼層) 的電子躍遷至低能級(jí)(內(nèi)殼層) 時(shí)，把多余的能量直接轉(zhuǎn)移給同一能級(jí)的另一個(gè)電子，接受這份能量的電子脫離軌道成為自由電子—俄歇電子。,二、放射性衰變基礎(chǔ)概念,1. 半衰期,N=N0e-?t,半衰期: 放射性核數(shù)目衰變?yōu)樵瓟?shù)目的一半所需的時(shí)間。,T1/2= ln2/? = 0.693/?,平均壽命:? = 1/? = T1/2 / ln2,2. 放射性活度

11、,一定量的放射性核素在一個(gè)很短的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時(shí)間間隔。,A= -dN/ dt =?N,=?N0e-?t,=A0e-?t,單位: 1Bq=1s-1, 1Ci=3.7?1010Bq,常用單位：mCi、?Ci,-dN =?N dt,三、核反應(yīng),1. 核反應(yīng)概念,核反應(yīng)是原子核與?粒子、質(zhì)子、中子、重離子等粒子相互作用引起的變化。,2. 核反應(yīng)類型,(1) 中子核反應(yīng) [(n,?)、(n,?)、(n,p)、(n,2n)、(

12、n,f)],(2) 質(zhì)子核反應(yīng)[(p,?)、(p,d)、(p,n)、(p,?)],(3) 離子核反應(yīng)[(d,?)、(d,p)、(d,n)、(?,p)、(?,n)、(?,?)],(4) 光核反應(yīng)[(?,n)、(?,d)、(?,?)],核反應(yīng)方程簡(jiǎn)寫：,X 表示靶核，a 入射粒子，b 出射粒子，Y 剩余核,四、基于核過(guò)程的幾種醫(yī)用電離輻射的來(lái)源,1. ?射線,① 放射治療中?射線來(lái)源 59Co(n,?)60Co,② 核醫(yī)學(xué)的診斷中，由放

13、射性藥物釋放?射線,SPECT成像常用 99mTc，123I，67Ga，111In，201Tl，,PET成像采集的?射線源于電子對(duì)湮滅，,表8－2 醫(yī)學(xué)上最常用的幾種發(fā)射?射線的放射性核素性質(zhì),（11C ， 13N ， 15O ，18F）,2. ?粒子,?粒子用于治療包括近距離放射治療和核醫(yī)學(xué)中的體內(nèi)藥物治療。常用的?放射性核素有32P, 89Sr, 90Y, 131I, 153Sm, 186Re等等。基本上均通過(guò)反應(yīng)堆制備。,3

14、. ?粒子,釋放?粒子的放射性核素在醫(yī)學(xué)中尚未應(yīng)用到臨床。,4. 中子束,① 快中子束治癌中子的來(lái)源：氘和氚(d+T)的聚變反應(yīng)；氘和氘離子(d+D)的聚變反應(yīng)，氘和鈹(d+Be)的核反應(yīng)；質(zhì)子和鈹(p+Be)的核反應(yīng)。,② 超熱中子硼中子俘獲療法中子的來(lái)源：反應(yīng)堆引出的快中子慢化成為超熱中子。,第二節(jié) 電離輻射與物質(zhì)的相互作用,8.2.1 X射線、? 射線與物質(zhì)的相互作用,作用形式：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng),一、光電

15、效應(yīng),出射光電子能量 =入射光子能量-電子結(jié)合能,光電效應(yīng)是低能X射線、 ?射線與物質(zhì)相互作用的主要機(jī)制。,X 射線、 ? 射線撞擊一個(gè)原子內(nèi)層軌道電子時(shí)，其能量全部轉(zhuǎn)移給電子，使其具有動(dòng)能而脫離原子飛出，而X射線、?射線本身消失，這種過(guò)程稱為光電效應(yīng)。,二、康普頓效應(yīng),康普頓效應(yīng)是中能X射線、? 射線與物質(zhì)相互作用主要機(jī)制。,當(dāng)X射線、? 射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，將部分能量轉(zhuǎn)移給電子使其脫離原子飛出這種過(guò)程稱為康普頓效應(yīng)。,三、電

16、子對(duì)效應(yīng),當(dāng)高能量(大于1.022MeV) 的X射線或 ? 射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在原子核強(qiáng)庫(kù)侖場(chǎng)作用下，光子消失，轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，這一過(guò)程稱為電子對(duì)效應(yīng)。,E+ +E- =E0 - 2mec2,E0=2mec2+E++E-,四、物質(zhì)對(duì)X射線的吸收規(guī)律,當(dāng)X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)的原子發(fā)生以上三種相互作用，X射線的能量降低，強(qiáng)度隨著X射線深入物質(zhì)的程度而減弱，這種現(xiàn)象叫做物質(zhì)對(duì)X射線的吸收。,朗伯—比爾定律,I=I0exp(-?

17、 L ),(1) 線性吸收系數(shù),(2) 半價(jià)層,?=KZ4?3,L1/2=ln2/ ?,(3) 質(zhì)量吸收系數(shù)和質(zhì)量半價(jià)層,?m=? /?,Lm=L?,I=I0exp(-?m Lm ),8.2.2 ?粒子、重離子與物質(zhì)的相互作用,(1) ?粒子在空氣中的電離,(2) 其他帶電粒子，例如質(zhì)子、重離子、負(fù)?介子等與物質(zhì)的相互作用和?粒 子相似。,8.2.3 ?粒子(電子束)與物質(zhì)的相互作用,(1) 電離作用：比?粒子幾率

18、小很多。,(2) 吸收規(guī)律：I=I0exp(-?L),(3) 輻射&防護(hù)：產(chǎn)生X射線， ?射線和X射線的防護(hù)。,8.2.4 中子與物質(zhì)的相互作用,(2) 中子與物質(zhì)的相互作用,?,散射 核反應(yīng),：彈性散射 & 非彈性散射,(1) 中子分類,慢中子 (0~1 keV)、中能中子 (1 keV~500 keV)、快中子(0.5 MeV~10MeV)以及高能中子(大

19、于10MeV)。,慢中子: 又可分為熱中子 (平均能量0.025eV)、超熱中子(能量1~10eV)、 共振中子(1 eV~1 keV)。,(a) 彈性散射,中子損失的能量與相互作用原子核的質(zhì)量有關(guān)。原子核質(zhì)量越小，獲得能量越大。通常采用含氫的水、含氘的重水、石墨或有機(jī)化合物作為中子的慢化劑。中子用于治療時(shí)，其與氫原子的作用不容忽視。,(b) 非彈性散射,非彈性散射一般是快中子、高能中子在重核上發(fā)生的。,(c) 中子核反應(yīng),慢中子和中

20、能中子主要引起中子俘獲效應(yīng), (n,?)反應(yīng)。,快中子主要發(fā)生散射，其次誘發(fā)(n, ?) , (n, p) , (n, ?)。,高能中子則除以上反應(yīng)外，還可能發(fā)生(n, 2n)反應(yīng)。,中子活化分析: 中子俘獲反應(yīng)產(chǎn)生放射性物質(zhì)的性質(zhì)可用于定性及定量檢測(cè)微量或痕量元素，應(yīng)用范圍：環(huán)境、地質(zhì)、法醫(yī)學(xué)、考古學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)。,(d) 醫(yī)學(xué)應(yīng)用,(i) 中子活化分析——痕量金屬元素檢測(cè)。,(ii) 中子刀,利用遙控后裝技術(shù)將中子源送進(jìn)腫瘤

21、內(nèi)部，借助中子射線近距殺死癌細(xì)胞．中子射線的生物作用比X、?射線強(qiáng)2~8倍，適用于敏感性較差的腫瘤或復(fù)發(fā)性腫瘤．,(iii) 硼中子俘獲療法,把含硼元素的腫瘤親和藥物注入人體，該種藥物能迅速濃聚于病灶部分，此時(shí)用超熱中子射線照射，可以在靶區(qū)引起核反應(yīng)，所釋放的高能射線只殺死腫瘤細(xì)胞而不損傷周圍組織．該療法被認(rèn)為是目前治療腦膠質(zhì)瘤的最好方法．,第三節(jié) 電離輻射的生物效應(yīng),1. 電離輻射普遍存在,2. 強(qiáng)烈的電離輻射會(huì)引起明顯的

22、生物效應(yīng):,損傷機(jī)體細(xì)胞，導(dǎo)致生物的遺傳突變。,電離輻射的生物效應(yīng)一方面有助于治療策略的制訂，一方面也有助于對(duì)自身的輻射防護(hù)。,8.3.6 相關(guān)計(jì)量概念,一、照射量 ?,X射線或?射線在質(zhì)量為dm的空氣中釋放出來(lái)的全部電子完全被空氣阻止時(shí)， 在空氣中產(chǎn)生任一種符號(hào)的離子總電荷的絕對(duì)值dQ除以dm，即,? = dQ /dm,照射量?jī)H適用于X或?射線和空氣介質(zhì)。專用單位R(倫琴)1 R=2.58×10-4C／kg,二、吸收劑量

23、D,吸收劑量D反映受照物質(zhì)吸收輻射能量的程度，定義為,單位質(zhì)量的物質(zhì)從電離輻射中吸收的平均能量。,吸收劑量的專用單位是戈瑞(Gy, Gray)，單位符號(hào)為Gy。1Gy等于1 kg受照物質(zhì)吸收1J的輻射能量，即,1Gy = 1J·kg-1 （1 rad ＝ 0.01 Gy）,吸收劑量的概念適用于任何種類的核輻射及任何受照射的介質(zhì)。在提到吸收劑量時(shí)，必須指明物質(zhì)的種類和所在的位置。,三、吸收劑量D 與照射量?之間的關(guān)系,位于

24、空氣中同一點(diǎn)處的生物組織中的吸收劑量D和空氣中該點(diǎn)照射量 ? 間的關(guān)系為：,D ＝ f?,如: 對(duì)于X射線照射空氣介質(zhì)，f = 8.69×10-3 Gy/R,對(duì)于能量大于 0.15MeV 光子照射肌肉和骨骼，f 在9~10×10-3 Gy/R , 故一般取 f = 0.01 Gy/R,表8-4 各種能量的光子在骨骼和肌肉中的 f 值,臨床上，當(dāng)使用不同射線，即使吸收劑量相同，產(chǎn)生的生物效應(yīng)不同；或者說(shuō)，要達(dá)到同一生

25、物效應(yīng)（殺傷同一腫瘤），所需不同射線的吸收計(jì)量不同。,四、有效劑量E(effective dose),為了比較不同輻射對(duì)機(jī)體不同組織的損傷效應(yīng), 評(píng)估輻射引起的確定性效應(yīng)概率, 引入有效劑量E(生物拉德當(dāng)量), 定義為組織內(nèi)某一點(diǎn)處D、WR、WT三個(gè)量的乘積,,E = D WR WT = HT WT,D : 該點(diǎn)的吸收劑量, WR: 射線在該點(diǎn)的輻射權(quán)重因子WT: 射線在該點(diǎn)的組織權(quán)重因子， HT：當(dāng)量劑量,意義：用機(jī)體組織

26、受損傷的程度, 來(lái)反應(yīng)吸收劑量大小, 相同有效劑量E (當(dāng)量劑量) 產(chǎn)生相同生物效應(yīng)。,有效劑量的專用單位為希沃特(西弗 ), Sv, 1 Sv =1 J·kg-1,如：快中子，DI=1Gy，WR=20, EI＝1 Gy 20 WT X 射線，DX=20Gy,WR=1, EX＝20Gy 1 WT 會(huì)導(dǎo)致相同程度的損傷。,1. 解釋：電磁輻射，粒子輻射，電離輻射，非電離輻射， X 射線: 連

27、續(xù)譜/標(biāo)識(shí)譜/強(qiáng)度/硬度2. 核衰變的類型。3. 電離輻射與物質(zhì)相互作用的形式。4. 照射量?、吸收劑量D 、有效劑量E 及其三者之間的關(guān)系。,第八章 電離輻射及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用,--- Additions,表8-4 各種能量的光子在骨骼和肌肉中的 f 值,表8-5 輻射權(quán)重因子,表8-6 組織權(quán)重因子,Appendix I,2011-03-27福島第一核電站周邊檢測(cè)到的輻射劑量為每小時(shí)1.015mSv，人員在附近暴露6小時(shí)即

28、會(huì)受到平時(shí)一年的輻射。,Appendix Table II Natural background radiations,一些輻射量比較:一次胸片 0.02毫希 水、糧食、蔬菜、空氣每年0.25毫希胸片正側(cè)位 0.1毫希 磚房每年0.75毫希頭顱 CT 　　　2毫希 土壤每年0.15毫希胸部 CT 　　　3毫希腹部 CT 　　　5毫希,Appendi

29、x Table III Maximum permissible dose,gonad [‘gɑnæd] n. 1. 【醫(yī)】生殖腺 ,性腺marrow ['mæro] n. 1. 髓,骨髓 2. 精華,精髓[the S]thyroid ['θa?r??d] a. 1.【解】甲狀腺的;甲狀軟骨的;盾狀的