腫瘤放射物理學，聽名字就很偏

題記：外科手術、放療、化療與靶向治療為癌症的主要治療手段，而想要透徹理解放療並不是那麼容易，因為涉及到許多物理知識與概念，而物理一般都很難。本文主要闡述一些基本概念及相關領域的知識。

一起來認識原子，沒有它作為基礎一切都是空談。

原子的大小為m數量級，原子核的大小為數量級，每個電子的電荷量為e，原子核由不同的質子和中子構成（質子與中子質量近似相等），目前天然和人工合成的元素共有109種。一個原子的基本特徵(ZA)X用表示，X為元素符號，Z為原子序數，A為質量數。核素：具有確定質子數和中子數的原子的總體；實驗上已發現的核素約有2000種，其中只有近300種是穩定的。元素：具有相同原子序數的原子總體。

放射、輻射和衰變有什麼區別？

理論上質子數與中子數可以自由組合，但實際上這是不可能的。實驗已發現核素約2000種，穩定的僅近300種，不穩定核素都會自發地放出射線，最終變為穩定核素。影響原子核穩定性因素：中子數與質子數比例關係（中子調和質子間的庫侖斥力）、核子數的奇偶性（偶偶核一般較奇偶、偶奇、奇奇核更穩定）、重核都不穩定（原子序數> 82的元素自發地放射出α粒子或者自發裂變成為鉛（Z=82）的穩定同位素）；不穩定核素自發地放出射線，轉變為另一種核素，這種現象稱為放射性，這個過程稱為放射性衰變，這些核素稱為放射性核素，發出的射線種類可能有α射線（氦的原子核）、β射線（電子）、γ射線、正電子、質子、中子等其他粒子。衰變過程中釋放的能量稱為衰變能（必須大於零），可近似看作發射粒子的動能或者發射粒子動能 + 子核激發態與基態能量之差（若衰變後子核處於激發態）。輻射：自然界中的一切物體，只要溫度在絕對溫度零度以上，都以電磁波和粒子的形式時刻不停地向外傳送熱量，這種傳送能量的方式。1，α衰變，衰變後質量數減少4，電荷數減少2。鐳是典型的α衰變核素，它可能通過發射4.78MeV的α粒子直接衰變到氡的基態（94.5%），也可能通過發射4.60MeV的α粒子先衰變到氡的激發態，後者再放射0.18MeV的γ射線而躍遷到基態（5.5%）。2，β衰變，原子核自發地放射出電子或者或俘獲一個軌道電子（負電子）的轉變過程。放射負電子：β-衰變，β-粒子；放射正電子：β+衰變，β+粒子。β衰變發射出（正負）電子過程中，還會發射出（反中微子或中微子，為滿足動量和能量守恆引入，穿透力最強），這個衰變能近似等於這兩個粒子的動能之後，但每個粒子分配到的能量可以是零與衰變能之間的任何值（一個分布圖）。3，γ躍遷，α和β衰變後的子核很可能處於激發態，會以γ射線形式釋放能量躍遷到較低的能態或基態，這種躍遷的過程。γ射線能量底限是MeV，高端可達到MeV能量級。4，內轉換，α和β衰變後的子核很可能處於激發態，如果不釋放γ射線則將躍遷的能量直接轉移給一個軌道電子，然後將這個軌道電子彈出原子，彈出的電子稱為內轉換電子。內轉換過程會使原子的內殼層缺少電子而出現空位，外層電子將會來填充這個空位，而這個過程會伴隨著特徵X射線或者俄歇電子。

放射性有多大，怎麼去衡量？

假設有一堆待放射的核素，怎麼「使」它的放射性最大呢？第一這些核素的數量越多越好，這個很容易理解；第二這些核素全部在某個特定時間一起發生衰變，即每個原子核衰變的概率在某個時間達到100%；第三，這類型的單一核素衰變時釋放出的能量越巨大越好，最好一個就可以把月球弄穿。衰變常數（）：單位時間內每個原子核衰變的概率，其數值大小因核素不同而不同，數值越大衰變越快。半衰期：放射性核素其原子核數目衰減到原來數目一半所需的時間，0.693 = T*；放射性活度：（一定量的放射性核素）單位時間內發生核衰變數。放射性比活度：單位質量放射源的放射性活度，值越高則放射性物質純度越高（任何核素放射源不可能全部由該種核素組成，而是被濃度大得多相同元素的穩定同位素所稀釋，還有可能還有其他物質）。

人工放射性核素哪裡來，自然界哪有那麼多啊？

利用核反應堆生產是人工放射性核素的主要來源（2個主要來源）：1，利用反應堆中的強中子束照射靶核，靶核俘獲中子而生成放射性核；2，利用中子引起重核裂變，從裂變碎片中提取放射性核素。3，高能加速器也可用來生產放射性核素，這樣製備出來的核素是缺中子核素。4，在製備放射性核素時，由於人工放射性核素數目增加的同時還會發生衰變，因此無限制地延長耙核照射時間不能提高放射性活度，一般應選擇照射時間小於5個半衰期。

讓我們把目光從原子核內轉移到原子核外（電子層），電子的活動又會發生什麼輻射呢？

直接從幾個基本概念入手：1，原子的電離：原子的核外電子掙脫原子核對它的束縛；造成原子電離有兩種方式，第一是具有足夠動能的帶電粒子（如電子、質子、α粒子等）與原子鐘的電子直接碰撞引起，第二是不帶電粒子（如光子、中子等）與原子的殼層電子或（間接）原子核作用產生的次級粒子（電子、反衝核），這些次級粒子與原子作用引起原子的電離。2，電離輻射：由直接電離粒子或間接電離粒子、或者兩者混合組成的輻射稱為電離輻射。3，帶電粒子與物質（原子）相互作用的主要方式：1）與核外電子發生非彈性碰撞；如果軌道電子獲得足夠的能量，就會引起原子電離；如果軌道電子獲得的能量不足以電離，則可引起原子激發，使電子從低能級躍遷到高能級，高能級的電子會自發躍遷到低能級而使原子回到基態，同時釋放出特徵X射線或鵝歇電子；如果電離出的電子具有足夠的動能，能進一步引起物質電離，則稱它們為次級電子或電子。非彈性碰撞損失的能量稱為電離損失。2）與原子核發生非彈性碰撞；帶電粒子的一部分動能變成具有連續能譜的X射線輻射出來，即軔致輻射。3）與原子核發生彈性碰撞；發生概率低；帶電粒子能量很低、速度低時發生概率稍高一點；既不輻射光子，也不激發原子核。4）與原子核發生核反應；當一個重帶電粒子具有足夠高德能量，並且與原子核的碰撞距離小於原子核的半徑時，核子可能離開原子核，失去核子的原子核處於高能量的激發態，將通過「蒸發粒子」和γ射線而退激。4，當一平行電子束垂直入射到一吸收塊時，通過上述四種作用，一部分吸收，餘下部分會從另一側飛出，這些散射電子的飛行方向可能各不相同，從而形成一個散射角的概率分布，該分布用質量角散射本領來描述。5，射程：粒子沿入射方向從入射位置至完全停止位置所經過的距離。6，比電離：帶電粒子穿過靶物質時使物質原子電離產生電子-離子對，單位路程上產生的電子-離子對數目。

X（γ）射線 與物質的相互作用

X（γ）射線與物質的相互作用表現出不同的特點：1，X（γ）光子不能直接引起物質原子電離或激發，而是首先把能量傳遞給帶電粒子；2，X（γ）光子與物質的一次相互作用可以損失其能量的全部或很大一部分，而帶電粒子則是許多次逐漸損失；3，X（γ）光子束入射到物體時，其強度隨穿透物物質厚度近似程指數衰減，而帶電粒子有確定的射程，在射程之外觀察不到帶電粒子。4，X（γ）射線與物質相互作用的主要過程有：光電效應，康普頓效應、電子對效應、相干散射、光致核反應等。5，光電效應：能量為hv的X（γ）光子與物質原子的軌道電子發生相互作用，把全部能量傳遞給對方，X（γ）光子消失，獲得能量的電子掙脫原子束縛成為自由電子（光電子）；原子的電子軌道出現一個空位而處於激發態，它將通過發射特徵X射線或鵝歇電子的形式很快回到基態。康普頓效應：能量為hv的X（γ）光子與物質原子的軌道電子發生相互作用，X（γ）光子損失一部分能量，並改變運動方向，電子獲得能量而脫離原子。電子對效應：當X（γ）光子從原子核旁經過時，在原子核庫侖場的作用下形成一對正負電子，此過程稱為電子對效應。6，粒子與物質相互作用時服從統計學規律，發生作用的位置、作用的形式[如對X（γ）光子而言，可能是光電效應、康普頓效應或電子對效應]，發生作用後粒子可能被吸收或散射、散射粒子的運動方向和能量、兩次作用位置間的距離等參數均是隨機變數。蒙特卡羅方法是以概率統計理論為基礎的一種數值計算方法，可以模擬粒子與物質相互作用的全過程。

電離輻射進入人體後與組織細胞發生反應，怎麼評估這個過程？

X（γ）射線和高能電子束等電離輻射進入人體組織後，通過和人體組織中的原子相互作用，而傳遞電離輻射的部分或全部能量。人體組織吸收後電離輻射能量後，會發生一系列的物理、化學、生物學變化，最後導致組織的生物學損傷，即生物效應。生物效應的大小正比於組織中吸收的電離輻射的能量。吸收劑量：單位物質吸收電離輻射的平均能量稱為吸收劑量。吸收劑量的測量：量熱法、化學劑量計法、電離室法、熱釋放、半導體和膠片法等。1，劑量學中的輻射量及其單位：1）粒子注量，單位面積（截面必須垂直每個粒子的入射方向）的粒子數；粒子注量率，單位時間內粒子注量的增量。2）能量注量，單位面積（截面必須垂直每個粒子的入射方向）的粒子總動能；能量注量率，單位時間內的能量注量的增量。3）照射量，不懂！4）吸收劑量：平均授予能除以質量；單位質量受照物質吸收輻射能量多少的一個量，輻射作用於物質引起的效應主要決定於該物質所吸收的輻射能量；同樣照射條件下，不同物質，如骨和軟組織等，吸收輻射能量的本來不一樣，所以在論及吸收劑量時，應該明確輻射類型、介質種類和特定位置；單位為戈瑞（Gray），1Gy = 1 J*。5）比釋動能：不帶電電離粒子在單位質量的介質中釋放的全部帶電粒子的初始動能之和；單位為6）當量劑量：不懂！2，電離室測量吸收劑量原理；X（γ）射線射入電離室的靈敏體積內，經與其中的空氣介質相互作用，產生次級電子，這些電子使空氣中的電子電離，產生一些列正負離子對，這些電子、正離子分別向兩級漂移，引起相應極板的感應電荷量發生變化，從而外接電路中形成電流，測量到的電離電荷，理論上應為次級電子所產生的全部電離電荷量；兩步：第一步測量由電離輻射產生的電離電荷，然後利用空氣的平均電離能（W/e = 33.97 J/C，每產生一正負離子對所消耗的電子動能對所有能量的電子來講基本是一常數）計算並轉換成吸收劑量。3，電離輻射質：即輻射能量；放射治療常用的電離輻射是X（γ）射線和高能電子束；定義為電離輻射穿射物質的本領。4，加速器中產生的軔致輻射X射線能譜，並不完全依賴於加速電子的能量，它還與加速方式、射束的偏轉、準直系統設計，特別是所選擇的X射線靶和均整器的材料、厚度等因素直接相關。5，量熱法：當介質受到電離輻射照射後，介質所吸收的輻射能量，除少部分可能引起化學反應外，主要會轉換成熱能，從而導致該介質溫度的升高。溫度的變化直接反映了介質吸收輻射能量的程度，由此可確定（量熱計）介質的吸收劑量。6，化學劑量計法：物質吸收電離輻射的能量而引起化學變化，如果這一變化可以被測定，即可使用它來測量吸收劑量。（硫酸亞鐵溶液： -> ，這的濃度正比於吸收劑量）。

醫學上使用的放射源是什麼？放射治療機有哪些？

如果說前面的內容太物理了，那麼後面的東西或許應該說就有點醫學物理的味道了。1，放射治療使用的放射源：1）放射性同位素（內外治療皆可）：直接可以釋放α、β和γ射線；2）X射線治療機和各類加速器（僅外治療）：產生X射線；3）各類加速器（僅外治療）：產生電子速、質子束、中子束、負拍介子束、其它重粒子束。治療方式：1）體外遠距離照射（外照射）；2）近距離照射（組織間照射、腔內照射）；3）內用同位素治療（某種器官對某种放射性同位素的選擇性吸收，如碘-131治療甲狀腺癌）。2，近距離照射與遠距離照射的區別：1）近距離照射放射源活度小，治療距離短（5mm ~ 5cm）；2）體外遠距離照射的放射線僅少部分到達組織，近距離照射則大部分能量被組織吸收；3）體外照射，其發射線必須經過皮膚和正常組織才能到達腫瘤，腫瘤劑量受到皮膚和正常組織耐受量的限制，為得到高的均勻的腫瘤劑量，需要選擇不同能量的射線和採用多野照射技術。4）近距離照射時，距離放射源近的組織劑量高，距離放射源遠的組織劑量較低，靶區劑量分布的均勻性遠比外照射的差，故在取處方劑量歸一點時必須慎重，防止靶區部分組織劑量過高或部分組織劑量過低的情況發生。3，近距離放射源：1）鐳-226源：鐳 -> 氡 -> ... -> 鉛；衰變過程會產生α、β和γ射線；臨床應用為鐳的硫酸鹽，並裝在鉑銥合金封套內；一般應用鐳的γ射線進行治療，少數情況用β射線；鐳γ射線能譜複雜，平均能量為0.83MeV。2）銫-137源：原子核反應堆的副產物經化學提純加工得到；它產生的γ射線能量是單能，為0.662MeV。3）鈷-60源：無放射性金屬鈷-59在原子核反應堆中經過熱中子照射轟擊而生成的不穩定的放射性同位素；釋放0.31MeV的β射線與（1.17MeV和1.33Mev）γ射線；衰變最終產物為：鎳-60；常製成鈷管、鈷針；4）銥-192源：人工放射性同位素，由銥-191在原子核反應堆中經熱中子轟擊而生成的；它的能譜比較複雜，γ射線平均能量為360keV；5）碘-125源：說明都好複雜！6）新型近距離治療用放射源；7）放射源歸類：200keV~2MeV, 60~200keV, ≤ 50keV；8）鐦-252中子源。4，上面的都是原子核內部產生的核反應，把目光移動到原子核外部來。下面介紹產生X射線的來源。X射線是由高速運動的電子突然受到物體的阻滯而產生的，高速電子撞擊靶物質時，產生碰撞和輻射兩種損失，前者主要產生熱、後者主要產生X射線（這兩種產生比例主要由高速電子動能與靶物質的原子序數決定）。若電子動能小，則大部分產生熱小部分產生X射線，需要冷卻裝置；若電子動能大，則大部分產生X射線，小部分產生熱，不需要冷卻裝置。X射線有兩種成分，特徵輻射（核素特有）和韌致輻射（連續譜），其中韌致輻射是X射線譜中的主要成分，這個譜有一個「假正態分布」，X射線管的加速電壓越高，線譜越向高能方向移動，治療越是有利，但增加管電壓總有一定難度，因此為獲得滿意的能譜分布，往往要加一些濾過，把低能的譜線去掉。X射線質的改進：濾過板（X射線有從零到峰值一系列能量，低能部分對治療毫無用處且產生高的皮膚劑量，濾掉低能部分）。X射線機的一般構造：電子源、真空盒、加速電場、耙。

為什麼要單獨說「鈷-60」治療機？

鈷-60源γ射線半衰期為5.27a，平均每月約衰變1%；鈷-60γ射線平均能量為1.25MeV，和一般深部X射線機相比，有如下優點：能量高、穿透能力強、保護皮膚（最大吸收量發生在皮膚4~5mm深度）、骨和軟組織有同等的吸收劑量、旁向散射小、經濟可靠。

由於加速器的重要性，有必要單獨談談「醫用電子加速器」

目前這個世界是「直線加速器的時代」。電子感應加速器 - > 電子直線加速器；詳細待續：

多葉準直器是什麼東西？

放療臨床中會使用多葉準直器（MLC）：

有輕粒子治療，那麼就有重粒子治療

X射線與γ射線稱為光子，光子和電子因其質量較小，稱為輕粒子，快中子、質子、π負介子以及氮、碳、氧、氖離子等，因其質量較大，稱為重粒子。

X（γ）射線射野計量學，到後面真的不知道怎麼過渡了，直接這樣取名字好了。

1，概念性的引入，X（γ）射線、電子束及其他重粒子入射到人體時，與人體組織相互作用後，發生散射和吸收，能量和強度逐漸損失。對這些變化的研究，很難再人體內直接進行。因此必須使用人體組織的替代材料（模擬人體組織與射線相互作用的材料，線性碰撞本領考慮的首要條件，物理密度近似相等）構成的模型代替人體，簡稱模體（標準模體、均勻模體、人體模體、組織填充模體用於放在患者皮膚外調整劑量吸收）。這裡有人體組織（肌肉、脂肪、骨）和臨床上常用的（商用，有機玻璃、聚苯乙烯最為常用）組織替代材料。2，當射線入射人體中時，人體內吸收劑量將隨深度變化。影響這種變化的因素有：射線能量、組織深度、射野大小、源皮距和線束垂直系統等。因此在作患者體內劑量計算時，必須考慮這些因素對百分深度劑量分布的影響。照射野：射線束經準直器（一個方向的射線過來）後垂直通過模體的範圍，用模體表面的截面大小表示照射野的面積（手電筒例子）。百分深度劑量：某一深處吸收劑量率與參考點深度吸收劑量率之比。建成效應：從表面到最大劑量深度區域成為劑量建成區域，此區域劑量隨深度而增加（可隨準直器調整而調整到表面為最大劑量區，但不利於保護皮膚）。射野面積和形狀（高能低能射線不同）對百分深度劑量有影響。源皮距對百分深度劑量的影響：短距離治療機的百分深度劑量較小，遠距離治療機的百分深度劑量較高。很難用固定野腫瘤劑量的辦法來計算旋轉治療的劑量，利用組織空氣比（TAR）（組織最大計量比更普遍一些）可計算。旋轉治療：固定野治療的延伸，也野的旋轉代替野的固定，從各方向集中於患者體內某一點，此點為旋轉中心，常見的旋轉治療採取患者固定，放射源圍繞著患者旋轉的方法照射腫瘤。3，一個小小的補充：模體中任意一點的劑量為原射線和散射線劑量貢獻之和。4，將模體中百分深度劑量相同的點連結起來，即成等劑量曲線。5，處方劑量計算：對已確認的射野安排，欲達到一定的靶區（腫瘤）劑量，換算到標準水模體內每個使用射野的射野中心軸上最大劑量點處的劑量，單位為cGy。

高能電子束射野劑量學 （未完待續）