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簡明放射治療物理學手冊 版權信息
- ISBN：9787030717627
- 條形碼：9787030717627 ; 978-7-03-071762-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
簡明放射治療物理學手冊 內容簡介
本書闡述了腫瘤放射治療中的基本物理知識及其在臨床實踐中的應用。內容涵蓋放射物理基礎、劑量學的輻射量及單位、電離輻射的測量、X射線和電子束劑量的校準、放射源與放射治療機、放射生物學、外照射的劑量計算、光子線外照射計劃的設計與執行，以及近距離放療技術、現代放射治療技術、放射治療的質量保證和放射治療的輻射防護與安全等，內容全面且實用性強。 本書適合放療物理師、技師、醫生、工程技術人員、放療設備研發人員及放療物理學相關專業的學生等閱讀使用。
簡明放射治療物理學手冊 目錄
目錄
第1章 放射物理基礎 1
1.1 原子和原子核結構 1
1.2 電離輻射與物質的相互作用 4
1.3 帶電粒子與物質的相互作用 4
1.4 光子與物質的相互作用 6
第2章 劑量學的輻射量及單位 11
2.1 引言 11
2.2 劑量學的名詞定義 11
2.3 光子注量與劑量學常用物理量的關系 15
2.4 帶電粒子平衡 18
2.5 阻止本領與比轉換能 21
2.6 空腔理論 22
第3章 電離輻射的測量 29
3.1 比釋動能 29
3.2 吸收劑量 29
3.3 劑量測量與標準化 30
3.4 標準實驗室劑量測量系統 31
3.5 BRAGG-GRAY空腔理論 34
3.6 臨床常見電離室 35
3.7 電離室的校準 38
3.8 替代劑量測量系統 39
3.9 其他劑量測量系統 46
3.10 常用劑量測量系統的比較總結 49
第4章 X射線和電子束劑量的校準 52
4.1 校準設備 52
4.2 高能光子束的校準 54
4.3 高能電子束的校準 57
4.4 低能千伏 X射線的校準 61
4.5 中能千伏 X射線的校準 64
第5章 放射源與放射治療機 69
5.1 放射性同位素源與近距離治療機 69
5.2 放射治療中常見的治療設備 71
5.3 醫用電子直線加速器 74
第6章 放射生物學 85
6.1 電離輻射對生物大分子的作用原理 85
6.2 正常組織的放射生物學 89
6.3 放射治療的時間劑量分割模式 94
第7章 外照射的劑量計算 100
7.1 概述 100
7.2 百分深度劑量 100
7.3 組織空氣比 105
7.4 組織昀大劑量比 108
7.5 等劑量分布與射野離軸比 110
7.6 處方劑量計算 114
7.7 人體表面和組織不均勻性的修正 117
7.8 常用光子束劑量計算算法 121
7.9 常用電子束劑量計算模型 122
第8章 光子線外照射計劃的設計與執行 125
8.1 腫瘤放射治療的醫學影像圖像 125
8.2 腫瘤靶區的定義 129
8.3 正常組織的耐受劑量與腫瘤的致死劑量 131
8.4 二維治療計劃 133
8.5 三維適形放療計劃的設計 134
8.6 三維適形調強放療計劃的設計 138
8.7 放射治療計劃的評估 144
第9章 近距離放療技術 149
9.1 近距離放射源 149
9.2 近距離放射源涉及的物理量及單位 150
9.3 劑量學系統 151
9.4 劑量分布 152
9.5 劑量優化 154
9.6 現代近距離放療技術 155
9.7 高劑量率近距離放療的質量保證 156
第10章 現代放射治療技術 159
10.1 立體定向放射治療 159
10.2 三維適形放射治療 165
10.3 調強放射治療 166
10.4 圖像引導放射治療 172
10.5 術中放療技術 175
第11章 放射治療的質量保證 179
11.1 概述 179
11.2 MV級治療的質保措施 182
11.3 定位裝置的質量保證 188
11.4 劑量測量儀器的質量保證 190
11.5 治療計劃系統的質量保證 191
11.6 患者計劃劑量驗證 193
11.7 放療計劃的實施與核對 195
第12章 放射治療的輻射防護與安全 198
12.1 輻射效應 198
12.2 輻射防護的物理量及單位 200
12.3 輻射背景介紹 201
12.4 輻射防護相關標準與法律法規 202
12.5 防護措施 206
12.6 輻射水平的監測 208
第1章 放射物理基礎 1
1.1 原子和原子核結構 1
1.2 電離輻射與物質的相互作用 4
1.3 帶電粒子與物質的相互作用 4
1.4 光子與物質的相互作用 6
第2章 劑量學的輻射量及單位 11
2.1 引言 11
2.2 劑量學的名詞定義 11
2.3 光子注量與劑量學常用物理量的關系 15
2.4 帶電粒子平衡 18
2.5 阻止本領與比轉換能 21
2.6 空腔理論 22
第3章 電離輻射的測量 29
3.1 比釋動能 29
3.2 吸收劑量 29
3.3 劑量測量與標準化 30
3.4 標準實驗室劑量測量系統 31
3.5 BRAGG-GRAY空腔理論 34
3.6 臨床常見電離室 35
3.7 電離室的校準 38
3.8 替代劑量測量系統 39
3.9 其他劑量測量系統 46
3.10 常用劑量測量系統的比較總結 49
第4章 X射線和電子束劑量的校準 52
4.1 校準設備 52
4.2 高能光子束的校準 54
4.3 高能電子束的校準 57
4.4 低能千伏 X射線的校準 61
4.5 中能千伏 X射線的校準 64
第5章 放射源與放射治療機 69
5.1 放射性同位素源與近距離治療機 69
5.2 放射治療中常見的治療設備 71
5.3 醫用電子直線加速器 74
第6章 放射生物學 85
6.1 電離輻射對生物大分子的作用原理 85
6.2 正常組織的放射生物學 89
6.3 放射治療的時間劑量分割模式 94
第7章 外照射的劑量計算 100
7.1 概述 100
7.2 百分深度劑量 100
7.3 組織空氣比 105
7.4 組織昀大劑量比 108
7.5 等劑量分布與射野離軸比 110
7.6 處方劑量計算 114
7.7 人體表面和組織不均勻性的修正 117
7.8 常用光子束劑量計算算法 121
7.9 常用電子束劑量計算模型 122
第8章 光子線外照射計劃的設計與執行 125
8.1 腫瘤放射治療的醫學影像圖像 125
8.2 腫瘤靶區的定義 129
8.3 正常組織的耐受劑量與腫瘤的致死劑量 131
8.4 二維治療計劃 133
8.5 三維適形放療計劃的設計 134
8.6 三維適形調強放療計劃的設計 138
8.7 放射治療計劃的評估 144
第9章 近距離放療技術 149
9.1 近距離放射源 149
9.2 近距離放射源涉及的物理量及單位 150
9.3 劑量學系統 151
9.4 劑量分布 152
9.5 劑量優化 154
9.6 現代近距離放療技術 155
9.7 高劑量率近距離放療的質量保證 156
第10章 現代放射治療技術 159
10.1 立體定向放射治療 159
10.2 三維適形放射治療 165
10.3 調強放射治療 166
10.4 圖像引導放射治療 172
10.5 術中放療技術 175
第11章 放射治療的質量保證 179
11.1 概述 179
11.2 MV級治療的質保措施 182
11.3 定位裝置的質量保證 188
11.4 劑量測量儀器的質量保證 190
11.5 治療計劃系統的質量保證 191
11.6 患者計劃劑量驗證 193
11.7 放療計劃的實施與核對 195
第12章 放射治療的輻射防護與安全 198
12.1 輻射效應 198
12.2 輻射防護的物理量及單位 200
12.3 輻射背景介紹 201
12.4 輻射防護相關標準與法律法規 202
12.5 防護措施 206
12.6 輻射水平的監測 208
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簡明放射治療物理學手冊 節選
第1章放射物理基礎 1.1原子和原子核結構 1.1.1組成和原子特性 原子是組成物質獨*物理、化學性質的*小單元。原子中心是帶正電的原子核，原子核外由在不同層次軌道上運動的電子構成。原子核直徑為10.10m量級，由質子和中子構成，其中質子帶正電荷，中子不帶電，質子和中子質量近似相等，統稱為核子。整個原子呈中性狀態，不帶電。原子核外電子帶負電，原子核內的質子數量和核外電子數相等。 原子的基本特征可以用符號ZAX表示，其中Z表示原子序數，A表示原子質量數，即原子核內的核子數，A=Z+N，N為原子核中子數。質子數、中子數、核外電子數和能量狀態完全相同的原子的集合稱為核素；質子數和核外電子數相同，但中子數不同的核素，互稱為同位素，在化學元素周期表中占據相同位置。 根據玻爾的量子理論和量子力學可知，主量子數n、軌道角動量量子數l、軌道方向量子數ml和自旋量子數ms共同決定著核外電子的運動狀態。在原子中具有相同n量子數的電子構成一個殼層，*靠近原子核的殼層量子數n=1，被稱為K層，其能級*低，K層向外能級依次提高，n=2、3、4、5、6、7的各層分別稱為L、M、N、O、P、Q殼層，每個殼層*多可容納2n2個電子。在同一殼層內，具有相同l量子數的電子構成的次殼層分別用符號s、p、f、g、h、i表示，每個次殼層*多可容納2l（l+1）個電子。通常情況下，電子填充殼層的規律按照從低能級到高能級的順序排列，以氫原子（Z=1）、碳原子（Z=6）和氖原子（Z=10）為例（圖1.1），氫原子只有一個核外電子，分布在K層，碳原子和氖原子的核外電子在填充完K層后，進而填充L層。更高序數的原子的核外電子將會由低到高依次填充其他能級。 圖1.1原子殼層結構 原子核內部也存在類似的殼層結構和能級，核子填充殼層的順序也遵守從低能級到高能級的規律。原子能量處于*低狀態時被稱為基態或穩定態，當電子獲得能量，從低能級躍遷到高能級時，稱原子處于激發態。激發態是一個很不穩定的狀態，高能級電子會自發躍遷到低能級，從而迫使激發態原子回到基態，當能級間的差級以電磁輻射的形式發出時，稱為特征輻射。如果空位出現在K層上，將產生K系特征輻射；如果L層出現空位，將產生L層特征輻射。由于軌道電子的能級不同，不同元素的特征輻射也不相同。應用特征輻射可進行物質元素構成和含量的探測。 原子質量M的單位為u，1u等于原子質量的。所有元素的原子質量數定義為：A克某元素精確包含NA個原子，其中，即阿伏伽德羅常量。由定義可知，12C的原子質量為12.00u。以u為單位，組成原子各個粒子的質量約為：電子0.00055u；質子1.00727u；中子1.00866u。 1.1.2原子的放射性 自然界中的原子核并非都處于基態，中子數與質子數之間的比例關系、核子數的奇偶性等都將影響核的穩定性。一般來說，原子序數小于82的元素至少存在一種穩定核素，而原子序數大于82的元素都不穩定，不穩定元素將自發地放出射線，變為穩定核素，這種現象稱為放射性，這個過程稱為放射性衰變，釋放的能量稱為衰變能。發射出的射線種類可能有α射線、β射線、γ射線，以及正電子、質子、中子等粒子。 放射性核素是通過放射性衰變發射出各種射線的不穩定核素的統稱。放射性核素的衰變規律可以用數學方法描述，衰變率（單位時間衰變的原子數）與樣本內包含的放射性原子的數目N成正比，即（1.1）式中，λ為衰變常數，表示單位時間內每個原子核衰變的概率，其值大小只與核素本身的特性有關，具有統計學意義，λ值越大，衰減越快。 放射性活度是指放射性核素在很短時間間隔內衰變的個數與該時間間隔之商。放射性活度的單位為貝可勒爾（Bq），1Bq定義為每秒一個原子的衰變。（1.2）式中，A0為初始時刻的放射性活度；A為t時刻的放射性活度。 為更好地描述各種核素的衰變特性，引入了“半衰期”和“平均壽命”的概念。放射性核素的半衰期是指放射性原子核數目衰減到起始時刻一半所需要的時間，它與衰變常數λ成反比。不同核素的半衰期差別非常大，有的半衰期長達幾十年甚至幾千年的時間，有的半衰期只有幾天甚至幾小時。例如，的半衰期是1590年，的半衰期為7.63年，的半衰期為8天。 平均壽命τ用以描述放射性原子核的平均存在時間，設N0個放射性核素的平均壽命為τ，在時間間隔dt內有壽命為t的dN個原子核發生衰變，則（1.4）由式（1.4）可知，核素的平均壽命τ與衰變常數互為倒數。 1.1.3放射性衰變類型 放射性衰變有3種類型，分別是α衰變、β衰變和γ衰變。 α衰變是指原子核自發地放出α粒子從而變為另一種原子核的過程。衰變后質量數減4，電荷數減2。α衰變可用下式表示：（1.5）式中，X代表衰變前的母核；Y代表衰變后的子核；Q代表衰變能。由質量守恒定律可知，α衰變發生的前提是衰變前后的母核和子核的靜止質量之差大于α粒子的靜止質量。重核容易發生α衰變，如衰變（圖1.2），母核226Ra有94%的可能直接通過發射4.78MeV的α粒子衰變到子核素*終的能量狀態（基態），另有6%先通過發射4.59MeV的α粒子衰變到226Rn的較高能態，然后通過異能素的轉換衰變到基態。對于每個轉換路徑，母核素和子核素的基態轉換能保持恒定。 β衰變是指原子核自發地放射出電子或正電子e+或俘獲一個軌道電子的轉變過程。β衰變可分為 衰變、β+衰變及軌道電子俘獲，衰變前后母核和子核的電荷數相差為1，可以分別表示為 衰變發射出的電子也稱為粒子；表示反中微子；Q表示衰變能。 衰變：（1.8） 衰變發射出的正電子也稱為粒子；表示中微子；Q表示衰變能。軌道電子俘獲：（1.9）若俘獲的電子位于K層，則稱為K俘獲，同理可有M俘獲等。 由質量守恒定律可知，發生 衰變的前提條件是母核的原子質量大于子核；發生.+衰變的前提條件是母核的原子質量大于子核的原子質量與兩個電子的靜止質量之和；發生軌道電子俘獲的前提條件是母核和子核的原子質量之差所對應的能量大于軌道電子結合能。 γ衰變和內轉換：α，β衰變后的子核很可能處于激發態，原子核有兩種退激方式：一是以γ射線形式釋放能量，躍遷到低的能態或者基態，這種躍遷的過程稱為γ躍遷；二是原子核的激發能轉換給軌道電子，使軌道電子脫離原子核束縛，稱為內轉換。.衰變的一個例子是由60Co進行 衰變產生激發態的后，再通過發射能量分別為1.17MeV和1.33MeV的兩種.射線，躍遷到穩定的。 大部分天然放射性核素都是三種天然放射性衰變系列中的一員。每個系列均由一系列放射性轉換組成，它們都由一個長壽命的放射性母核素開始，結束于一種穩定的核素。在諸如地球的封閉環境中，放射性核素和長壽命的母核素之間存在長期平衡，表現出的半衰期和母核素相同。所有天然存在的放射性核素通過發射α粒子和β.衰變。因此，放射性系列的每次轉換均將質量數改變4或0，原子序數改變－2和+1。 1.2電離輻射與物質的相互作用 原子的電離是指原子的核外電子在與外界相互作用的過程中獲得足夠的能量從而掙脫原子核的束縛。當電子、質子、α粒子等帶電粒子具有足夠動能，且與原子中的電子發生直接碰撞時，將引起原子電離，這個過程稱為直接電離，這些帶電粒子稱為直接電離粒子。而不帶電粒子，如光子、中子等，其本身不能使物質直接電離，但在與原子的殼層電子或原子核作用時，將通過碰撞把動能傳遞給原子軌道電子，從而產生次級粒子，如電子、反沖核等，隨后次級電子再與物質中的原子作用，引起原子的電離，這個過程稱為間接電離，這些粒子稱為間接電離粒子。直接電離和間接電離統稱為電離輻射。 1.3帶電粒子與物質的相互作用 高能電子穿過介質時，原子軌道電子和原子核進行相互作用。通過碰撞，電子可能損失其動能（碰撞損失和輻射損失）或改變其運動方向（散射）。能量損失用阻止本領描述，散射用散射本領描述。 入射電子與原子軌道電子或原子核的碰撞可以是彈性或非彈性。彈性碰撞中，電子改變原來軌跡但不損失能量；非彈性碰撞中，電子改變原來軌跡并將部分能量傳遞給軌道電子或以軔致輻射方式放射。 具有一定能量的帶電粒子入射到靶物質中，與物質原子發生作用，作用的主要方式有四種：①與原子核外電子的非彈性碰撞；②與原子核的非彈性碰撞；③與原子核的彈性碰撞；④與原子核外電子的彈性碰撞。無論哪種作用方式，入射帶電粒子都將改變原子狀態，發生效應的種類與入射粒子的種類、能量和靶物質的性質、結構相關。 1.3.1帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞 當帶電粒子經過靶物質原子時，在庫侖力的作用下，原子軌道電子將受到吸引或排斥從而獲得一部分能量，引起原子“電離”或“激發”。軌道電子獲得足夠的能量時將會引起原子電離，軌道電子擺脫原子核束縛成為自由電子，當原子內殼電子被擊出時，外殼電子向內殼躍遷放出特征X射線。當軌道電子獲得能量不足以擺脫原子核束縛時，將從低能級躍遷到高能級，此時原子處于激發態。激發態是一個短暫的不穩定態，躍遷到高能級的電子會自發躍遷回低能級，同時釋放出特征X射線或俄歇電子，高低能級的差值決定了特征X射線能量或俄歇電子動能。當電離出來的電子仍具有足夠的動能時，將繼續與靶物質原子相互作用，這些電子稱為次級電子或δ電子，由次級電子引起的電離稱為次級電離。帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞導致的電離損失和激發，稱為碰撞損失或電離損失。原子激發與電離引起碰撞能量損失，用碰撞（電離）阻止本領描述。 1.3.2帶電粒子與原子核的非彈性碰撞 當高速運動帶電粒子從原子核附近掠過時，在原子核庫侖力作用下驟然減速，帶電粒子的一部分動能除了以熱能散失外，還會發出X射線輻射，這種輻射稱為軔致輻射。由于帶電粒子的減速過程是連續的，軔致輻射能譜往往是連續譜。軔致輻射的強度與入射帶電粒子的能量、質量及靶物質的核電荷數相關，原子序數高的靶物質中的軔致輻射損失相對較高，重帶電粒子產生的軔致輻射遠遠小于電子。因電子質量小，與原子核碰撞時運動狀態改變顯著，這種能量損失用輻射阻止本領描述。 1.3.3帶電粒子與原子核的彈性碰撞 帶電粒子與靶物質原子核發生庫侖場相互作用時，帶電粒子與原子核發生彈性碰撞，其運動方向與速度發生改變，碰撞后絕大部分能量由散失粒子帶走，原子核不激發也不輻射光子，此過程滿足動能和動量守恒定律。 1.3.4帶電粒子與原子核外電子發生彈性碰撞 帶電粒子與靶原子核外電子的彈性碰撞過程中能量和動量守恒，只有很小的能量轉移，不足以改變核外電子的能量狀態。這種相互作用方式在能量極低（100eV）的電子中才會考慮，對粒子的能量損失貢獻很小，一般可忽略。 1.3.5阻止本領 能量損失用阻止本領表述，它包括以下幾個方面：①線性碰撞阻止本領：入射帶電粒子在靶物質中穿行單位長度路程時電離損失的平均能量（單位：J/m、MeV/cm）；②線性輻射阻止本領：入射帶電粒子在靶物質中穿行單位長度路程時輻射損失的平均能量；③質量碰撞阻止本領：等于線性碰撞阻止本領除以靶物質的密度；④質量輻射阻止本領：入射帶電粒子在靶物質中穿行單位質量厚度時輻射損失的平均能量；⑤傳能線密度：特定能量的帶電粒子在靶物質中穿行單位距離時，由能量轉移小于某一特定值的歷次碰撞所造成的能量損失。 1.3.6射程 入射帶電粒子在與物質的連續作用過程中會不斷損失動能，*終停止運動（不包括熱運動）。粒子從入射點到終止點沿運動軌跡所經過的路程稱為路徑長度，粒子從入射點到終止點的連線在其初始入射方向上投影的長度稱為射程。由于粒子與物質的相互作用是一個隨機過程，路徑長度和射程是宏觀統計量。 1.4光子與物質的相互作用 光子輻射包括X射線與γ射線，與帶電粒子不同，光子通過一次碰撞損失大部分或全部能量，光子
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