最新肿瘤放射物理学-第八章 X(γ)射线剂量学-PPT文档.ppt
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1、2019/1/24,1,一、人体模型,(一) 组织替代材料 X()射线、电子束及其它重粒子入射到人体时,与人体组织相互作用后,发生散射和吸收,能量和强度逐渐损失。很难在人体内直接进行对这些变化的研究。因此必须使用人体组织的替代材料做成的模型代替人体,简称模体。 组织替代材料必须具有与被模拟的组织与射线相互作用相同的有关的物理特点,如原子序数、电子密度、质量密度、甚至化学成分等。,2019/1/24,2,选择组织替代材料时,应考虑被替代组织的化学组成和辐射场的特点。 对X()射线,如果某种材料的总线性(或总质量)衰减系数与被替代组织的完全相同,则等厚度的该种材料和被替代的组织将使X()射线衰减到
2、相同的程度,那么这种材料就是被替代组织的X()射线替代材料。 对电子束,如果等厚度的替代材料和被替代组织对电子束的吸收与散射相同,则它们的总线性(或总质量)阻止本领和总线性(或质量)角散射本领一定完全相同。,2019/1/24,3,一般情况下,适合X()射线的组织替代材料一定是电子束的组织替代材料。 为了保证等体积的组织替代材料和被替代组织的质量相等,两者的质量密度(物理密度)必须近似相等。 因人体组织特别是软组织中含有大量的水,使得水对X射线、电子束的散射和吸收几乎与软组织和肌肉近似。 而固体等效材料,以有机玻璃和聚苯乙烯最为常用。,2019/1/24,4,(二)组织替代材料间的转换 对中高
3、能X()射线,康普顿效应为重要形式,当两种模体材料的电子密度相等时,则认为它们彼此等效。对水的等效厚度T水为: T水 T模体 模体 (Z/A)模体 / (Z/A)水 式中T水为T模体的等效水厚度(cm),模体为模体材料的物理密度(g cm-3);Z为材料的原子序数;A为材料的原子量。,2019/1/24,5,对低能X射线,光电效应为主要形式,两种模体材料通过下式等效: T水 T模体 模体 (Z模,有效 / Z水,有效)3,2019/1/24,6,对高能X射线,电子对效应为主要形式,两种模体通过下式等效: T水 T模体 模体 (Z模,有效 / Z水,有效) 对电子束,模体材料通过模体中电子注量进
4、行等效: T水 T模体 模体 (R0)模体 / (R0)水 或 T水 T模体 Cpl 式中(R0)模体,(R0)水分别为电子束在两种材料中的连续慢化近似射程。,2019/1/24,7,由组织替代材料组成的,用来模拟各种射线在人体组织或器官中因散射和吸收所引起的变化,即模拟射线与人体组织或器官的相互作用的物理过程的装置,称为模体(phantom)ICRU对模体作了如下的分类: 标准模体 长、宽、高分别为30cm的立方水模,用于X()射线、电子束、中子束吸收剂量的测定和比对。 均匀体模 用固态水或干水组织替代材料加工成的片形方块,构成边长为30cm或25cm的立方体,替代水模体作为吸收剂量和能量的
5、常规检查。,(三)模体,2019/1/24,8,标准水模,固体水,2019/1/24,9,人体模体 分均匀型和不均匀型,前者用均匀的的固态组织替代材料加工而成,类似标准人体或组织器官外形的模体。后者用人体各种组织(包括骨、肺、气腔等)的相应的组织替代材料加工而成。,Alderson Rando phantom,2019/1/24,10,组织填充模体(bolus) 用组织替代材料制成的组织补偿模体,直接放在射野入射侧的患者皮肤上,用于改变患者不规则轮廓对体内靶区或重要器官剂量分布的影响,提供附加的对线束的散射、建成或衰减。,2019/1/24,11,二、百分深度剂量分布,(一)照射野及有关名词定
6、义 放射源(S):在没有特别说明时,一般规定为放射源前表面的中心,或产生辐射的靶面中心。 射野中心轴:射线束的中心对称轴线。临床上一般用放射源S穿过照射野中心的连线作为射野中心轴。,2019/1/24,12,照射野:临床剂量学中规定模体内50%同等剂量曲线的延长线交于模体表面的区域定义为照射野大小。 参考点:规定模体表面下照射野中心轴上某一点作为剂量计算或测量参考的点,表面到参考点的深度记为d0。400kV以下X射线,参考点d0 =0。高能X射线,参考点选在射野中心轴上最大剂量点位置d0 = dm 。,2019/1/24,13,校准点:在照射野中心轴上指定的用于校准的测量点。模体表面到校准点的
7、深度记为dc。 源皮距(SSD):放射源到模体表面照照射野中心的距离。 源瘤距(STD):放射源沿照射野中心轴到肿瘤内所考虑点的距离。 源轴距(SAD):放射源到机架旋转轴或机器等中心的距离。,2019/1/24,14,2019/1/24,15,(二)百分深度剂量 1、百分深度剂量的定义 百分深度剂量(PDD)定义为照射野中心轴上某一深度d处的吸收剂量率 与参考点深度d0处剂量率 的百分比: 对能量400kV的X射线,因参考点取在模体表面(d0=0),上式变为: 式中 为射野中心轴上皮肤表面的剂量率。,2019/1/24,16,2019/1/24,17,对高能X( )射线,因为参考点取在射野中
8、心轴上最大剂量点深度dm处,上式变为: 式中 为射野中心轴上最大剂量点处的剂量率。 对于钴60射线,最大剂量点在5mm处,对8MV X射线,最大剂量点在2cm处。,2019/1/24,18,2、建成效应 下图给出钴60射线两种不同准直器A,B的百分深度剂量随着表面下深度的变化情况。对B型准直器(距表面20cm),百分深度剂量在表面为33%,到46mm处达到100%。随着深度进一步增加,变化比较慢。从表面到最大剂量深度区域称为剂量建成区域,此区域剂量随深度增加而增加。,2019/1/24,19,2、建成效应 剂量建成区由以下物理原因造成: 当高能X()射线入射到人体或模体时,在体表或皮下组织中产
9、生高能次级电子; 这些高能次级电子要穿过一定的组织深度直至其能量耗尽后才停止;,2019/1/24,20,2、建成效应 由于、两个原因,造成在最大电子射程范围内,由高能次级电子产生的吸收剂量随组织深度增加而增加,并约在电子最大射程附近达到最大; 但是由于高能X()射线的强度随组织深度增加而按指数和平方反比定律减少,造成产生的高能次级电子数随深度增加而减少,其总效果是,在一定深度(建成区深度)以内,总吸收剂量随深度而增加。,2019/1/24,21,对于A型准直器,由表面85%到6mm处达到100%,表明入射线中既含有低能X射线又有散射电子。实验表明,如果将准直器端面离开人体表面1520cm时,
10、大多数散射电子可以消除。,2019/1/24,22,上图表示各种能量的X()射线的剂量建成情况。可以看到,能量上升时,表面剂量减少,最大深度剂量随能量增加而增加。,2019/1/24,23,3、百分深度剂量随射线能量变化,2019/1/24,24,4、射野面积和形状对百分深度剂量的影响 射野面积很小时,达到某一点的剂量Dd基本上是原射线造成的;当照射野面积增大时,散射线增多,Dd随之增加。百分深度剂量随射野面积改变的程度取决于射线的能量。 低能时(如220kV X射线),由于各方向大散射线几乎相等,所以百分深度剂量随射野面积改变较大。 高能时,由于散射线主要向前,所以百分深度剂量随射野面积改变
11、较小。,2019/1/24,25,上图给出了三种不同能量射线的比较。可见,高能射线比低能射线优越,尤其在照射野比较小时。,2019/1/24,26,放疗中使用列表的方法来表示各种大小方形野的百分深度剂量随组织深度的变化。但因为临床上经常使用矩形野和不规则形状射野,对这些射野的百分深度剂量又不能列表,需要进行对方形野的等效变换。 射野等效的物理意义是:如果使用的矩形或不规则野在其射野中心轴上的百分深度剂量与某一方形野的相同时,该方形野叫做使用的矩形或不规则野的等效射野。,2019/1/24,27,射野等效的物理条件是:对射野中心轴上诸点的散射贡献之和相等。临床上经常使用简便的面积/周长比法。 设
12、矩形野的长、宽边分别为a,b;方形野的边长为s,根据面积/周长比,有:,SxS/4S,2019/1/24,28,对半径为 r 的圆形野,只要其面积与某一方形野的近似相同,就可以认为等效,即 s = 1.8 r,2019/1/24,29,5、源皮距对百分深度剂量的影响 图中放射源S1,S2照射皮肤上的P1和P2点,在最大剂量深度dm处的面积均为A0,皮肤下某一深度 d 处,面积为A1,A2 。,2019/1/24,30,2019/1/24,31,源皮距从f1增加到f2时,两种源皮距下PDD的比值为: 两个百分深度剂量之比,称为F因子。,2019/1/24,32,2019/1/24,33,三、组织
13、空气比,(一)组织空气比的定义及影响因素 1、组织空气比的定义为: 式中 为肿瘤中心(旋转中心)处小体积软组织中的吸收剂量率; 为同一空间位置空气中一小体积软组织内的吸收剂量率。,2019/1/24,34,组织空气比定义示意图,2019/1/24,35,2、源皮距对组织空气比的影响 组织空气比是比较两种不同散射条件在空间同一点的吸收剂量率之比。TAR的一个重要的物理性质是:它数值的大小与源皮距无关。 因此TAR可以理解为无限源皮距处的百分深度剂量。对临床上常用的源皮距,由百分深度剂量换算到组织空气比时引起的误差不超过2% 。,2019/1/24,36,(二)反散射因子 反散射因子(BSF)定义
14、为使用中心轴上最大剂量深度处的组织空气比: BSF TAR ( dm,FSZdm ) Dm / Dma FSZdm为深度dm处的射野大小; Dm ,Dma分别为射野中心轴上最大剂量深度处体模内和空气中的吸收剂量率。反向散射取决于患者身体的厚度、射线的能量及射野面积和形状。但与源皮距无关。 反向散射随患者身体厚度而增加,但在10cm左右接近最大值。,2019/1/24,37,(三)散射空气比 散射空气比(SAR)定义为模体内某一点的散射剂量率与该点空气中的吸收剂量率之比。与组织空气比的性质类似,散射空气比与源皮距无关,只受射线能量、组织深度和射野大小的影响。,2019/1/24,38,四、组织最
15、大剂量比,TAR有一个根本缺点是它必须测量出空气中计算点处的吸收剂量。随着射线能量的增加,因加在测量电离室上的建成帽的体积加大,电子平衡不能建立,不仅使测量变得困难,而且因误差大而不能采用。为了解决这个问题,提出了组织最大剂量比(TMR)的概念。,2019/1/24,39,四、组织最大剂量比,(一)原射线和散射线 模体中任意一点的剂量为原射线和散射线剂量贡献之和。原射线是指从放射源(或X射线靶)射出的原始X()光子,它在空间或模体中任意一点的注量遵从平方反比定律。散射线包括:上述原射线与准直器系统相互作用产生的散射光子,准直器系统包括一级准直器、均整器、治疗准直器、射线挡块等;上述原射线以及穿
16、过治疗准直器和射野挡块后的漏射线光子与模体相互作用后产生的散射线。,2019/1/24,40,(二)射野输出因子Sc和模体散射因子 由于有效原射线中的原射线和准直器系统的散射线的影响,射野输出剂量(照射量率或吸收剂量率)随射野增大而增加,描述这种变化关系的叫做射野输出因子(OUF) 。 它定义为射野在空气中的输出剂量率与参考射野(一般为10cm 10cm)在空气中的输出剂量率之比。这里定义的输出因子(OUF) 就是准直器散射因子Sc。,2019/1/24,41,射野输出因子一般用带有剂量建成套的电离室在空气中直接测量不同大小射野的剂量率,与10cmx10cm参考射野的剂量率相除后得出射野输出因
17、子(OUF或Sc)随着射野大小的变化。,2019/1/24,42,模体散射校正因子(SP)定义为射野在模体内参考点(一般在最大剂量点)深度处的剂量率与准直器开口不变时参考射野(10cm10cm)在同一深度处剂量率之比。根据定义,SP原则上可以测量,即保持准直器开口相同时,改变模体散射范围,但实际上做起来相当困难。,2019/1/24,43,一般利用以下公式进行计算: 式中SC,P为准直器和模体的散射线造成的总散射校正因子,定义为实际射野在模体中的输出剂量率与参考射野(10cm 10cm)在模体中的输出剂量率之比。,2019/1/24,44,(三)组织模体比和组织最大剂量比 组织模体比(TPR)
18、定义为模体中射野中心轴上任意一点的剂量率与空间同一点模体中射野中心轴上参考深度(t0)处同一射野的剂量率之比: TPR(d , FSZd) 式中 是模体中射野中心轴上深度d处的剂量率; 为空间同一位置参考深度处的剂量率;参考深度t0一般取5cm或10cm。,2019/1/24,45,当t0 = dm时,TPR 变为 TMR: TMR (d ,FSZd) = TPR (d ,FSZd)t0=dm= / = / 式中 意义同上, 为空间同一位置最大剂量点深度处的剂量率。,2019/1/24,46,五、等剂量分布,前面所述的只限于射野中心轴上的百分深度剂量。实际治疗中,还需要了解模体中射野中心轴以外
19、诸点的剂量。将模体中百分深度剂量相同的点连接起来,即成等剂量曲线。,2019/1/24,47,下图为钴60射线固定源皮距(SSD)和固定等中心(SAD)照射时射野的等剂量曲线,从图中可以看出X()射线等剂量曲线的特点:,2019/1/24,48,1、同一深度处,射野中心轴上的剂量最高,向射野边缘剂量逐渐减少。 2、在射野边缘附近(半影区),剂量随离轴距离增加逐渐减少。这种减少,一方面由于几何半影、准直器漏射引起,一方面由于侧向散射的减弱引起。 3、射野几何边缘以外的半影区的剂量主要由模体的侧向散射、准直器的漏射线和散射线造成。 4、准直范围外较远处的剂量由机头漏射线引起,2019/1/24,4
20、9,(一)影响等剂量分布的因素 射线能量:下图给出了三种不同能量射线的等剂量曲线。由图可以看出: 1、三组曲线在线束边缘很不相同。200kv X射线的曲线,在线束边缘突然中断。钴60 射线及高能X射线穿透能力比较强,单一准直器无法吸收掉全部射线,总有一部分穿过准直器边缘。低能X射线恰恰相反,造成边缘剂量不连续现象。,2019/1/24,50,2、200kV X射线的边缘散射多,并明显随射野增大。而钴60 射线及高能X线边缘散射少,并随射野增大不明显。 3、随着能量升高,射野中心部分等剂量曲线由弯曲(200kV X射线)逐渐平直(高能X射线),这主要由于高能X射线的散射线主要向前,而低能X射线的
21、散射线各方向都有的缘故。,2019/1/24,51,源皮距和放射源大小对钴60 射线剂量分布影响较大,高能X射线几何半影几乎为零,但仍有穿透和散射半影; 射野平坦度和对称性是描述射野剂量分布特性的重要指标。射野平坦度一般定义为在等中心处(位于10cm模体深度下)或标称源皮距下10cm模体深度处,最大射野L的80宽度内最大最小剂量偏离中心轴剂量的相对百分数。,2019/1/24,52,按照IEC标准,射野平坦度应好于3。在80射野宽范围内,取偏离中心轴对称的两点的剂量率的差值与中心轴上剂量率比值的百分数称为射野的对称性,其大小也应该不超过3。,2019/1/24,53,(二)射野离轴比 射野离轴
22、比(OAR)是射野等剂量曲线分布的另一种表示方法。,2019/1/24,54,六、处方剂量计算,(一)处方剂量 处方剂量定义为对已确认的射野安排,欲达到一定的靶区(或肿瘤)剂量 DT,换算到标准水模体内每个所用射野的射野中心轴上最大剂量点处的剂量Dm,单位是cGy。 对加速器上的剂量仪,一般使参考射野在标称源皮距(SSD)或标称源轴距(SAD)处,标定成1cGy =1MU。MU为加速器剂量仪的监测跳数。 处方剂量是通过相应的射野安排和照射技术与靶区剂量发生关联,它并不等于靶区剂量。,2019/1/24,55,(二)加速器剂量计算 SSD照射:加速器上的剂量仪的读数,在标称SSD(通常SSD=1
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