放射治疗物理学

（一）放射源及放射治疗设备

1．放射源的种类及其物理性质　放射使用的放射源主要有三类：①放射性核素发出的α、β、γ射线；②X线治疗机和各种加速器产生的不同能量的X线；③各种加速器产生的电子束、质子束、中子束、负π介子束以及其他重粒子束等。这些放射源以外照射和内照射两种基本照射方式进行治疗。除此之外，还有一种内用核素治疗，即利用人体某器官对某种放射性核素的选择性吸收，将该种放射性核素注入体内进行治疗，如131I治疗甲状腺癌、32　P治疗癌性腹水等。第一类放射源可以做体内、外两种照射，另外两类放射源仅能做体外照射。

临床应用的电磁辐射主要是X线和γ线。X线由高速运动的电子突然受到物体阻滞而产生的。高速电子撞击靶物质时产生碰撞和辐射两种损失，碰撞损失转化为热，辐射损失产生X线，如果电子束在通过加速管时获得不断加速，能量逐渐提高，其与金属靶作用后会产生高能量X线。高能量X线的穿透力随能量升高而加强，表面量低，最高剂量移向深部，故适用于较深部位的病灶。放射性核素在衰变过程中，释放出α、β、γ三种射线，放疗主要使用γ射线，少数情况下使用β射线，镭、钴、铯、铱、钽、金六种核素作为γ射线使用，90锶作为β源使用。γ线有固定的能量和波长，并因不同放射性核素而异，金属59　Co在原子反应堆中经过热中子照射轰击而生成的人工放射性核素60Co在衰变中放出能量为0．31MeV的β射线，核中过剩的能量以1．17MeV和1．33MeV两种γ辐射的形式释出。γ射线的穿透力大于深部X线，其最大能量吸收发生在皮肤表面下5mm深处，旁间散射小，但半影较大，且60　Co半衰期短，需要定时更换放射源。

临床应用的粒子射线包括快中子、质子、负π介子以及氦、碳、氮、氧、氖等重粒子。中子线由原子裂变产生，不带电荷，其他粒子均带电，由加速器产生。回旋加速器和D—T中子发生器产生的快中子在组织或其他介质中以指数方式衰减。快中子治疗的优点在于生物学方面。英国Hammersmith医院以快中子治疗了800多例头颈部晚期肿瘤，局部控制率达到75．6%，比常规60　Co的γ线和高能加速器X线的局部控制率19%高出了许多。快中子的照射可杀灭60%的癌细胞。其他带电粒子在组织中具有一定射程，具有电离吸收峰型剂量曲线，临床上用单一照射野就可以得到较好的剂量分布，简化了照射野设计，提高了肿瘤治疗剂量的准确性。几种重粒子主要是指元素周期表上18号元素之前的原子核离子。由于其质量较大，在组织中穿射距离比相同能量的质子小，故用于肿瘤治疗受到限制。如果能研制出高能重粒子加速器，则可能成为一种较好的肿瘤放疗的放射源。

2．X线治疗机　高速运动的电子受到靶物质的阻击时，与原子的作用有弹性散射和非弹性散射两种方式，前者不改变原子本身状态，只改变入射电子的方向；后者入射电子和原子本身状态均有一定变化。在非弹性散射中，入射电子作用于原子外层电子，产生激发和电离，这种情况不产生X线。当入射电子作用于内层电子时，将内层电子激发到外层轨道上，留下的空穴又立即被外层轨道电子填补，从而释放出光子，称为特征辐射。如作用于原子核，使原子核受激，在恢复稳态时放出γ线，入射电子发生偏转且速度改变，称为韧致辐射。特征辐射和韧致辐射都产生X线。

X线产生需要电子源、真空盒、加速电场和靶几个基本条件。因此，X线治疗机可以简化为真空X线球管，球管内由粗大铜棒和钨靶组成的阳极以及用钨做的灯丝（电子源）、高压（加速场）、一系列控制系统几个主要组成部分。为了适应临床治疗的需要，可以采用滤过板，对X线的能谱进行改进，去掉低能部分，而保留较高能量的X线。

临床治疗的X线机根据能量高低分为临界X线（6～10kV）、接触X线（10～60kV）、浅层X线（60～160kV）、高能X线（2～50MeV）。除高能X线主要由加速器产生以外，其余普通X线机由于深度剂量低、能量低、易于散射、剂量分布差等缺点，目前已被60Co和加速器取代。

3．60Co治疗机　60　Coγ线平均能量l．25MeV单能，和一般深部X线机相比，具有以下优点：①穿透力强，深部剂量较高，适于深部肿瘤治疗；②最大剂量点在皮下5mm，故皮肤反应轻；③在骨组织中的吸收量低，因而骨损伤轻；④旁向散射少，射野外组织受量少，全身积分量减低；⑤与加速器相比，结构简单，维修方便，经济可靠。其不足之处是存在半影问题。

目前，60　Co治疗机有固定式和旋转式两种类型，其共同组成部分为一个密封的放射源，一个源容器及保护机头，具有开关的遮线器装置，具有定向限束的限光筒，支持系统及其附属电子设备。

造成60　Co治疗机半影问题的原因有三种，即几何半影、穿射半影和散射半影，半影的存在造成射野剂量的不均匀性。前两种半影是由机器设计造成，采用复式限光筒或在限光筒与病人皮肤上放遮挡铅块，可以相对消除几何半影；采用同心球面遮光器可以相对消除穿射半影。

4．医用加速器　加速器的种类很多，在医疗上使用最多的是电子感应加速器、电子直线加速器和电子回旋加速器。它们既可产生高能电子束，又能产生高能X线，其能量范围在4～50MeV。

电子感应加速器增加电子能量的磁场为涡旋磁场，这种加速器技术上较简单，能量易调高，对电子束来说输出量足够大，能量可调范围较宽，但其最大的缺点是X线的输出量较低。电子直线加速器采用微波电场沿直线加速电子到较高能量，它对电子束和X线均有足够高的输出量，从而有潜力扩大照射野，但其结构复杂，成本昂贵。电子回旋加速器既有电子感应加速器的经济性，又有电子直线加速器的高输出特点，其输出量比直线加速器高几倍，其能量也容易做得高，无疑它将成为今后医用高能加速器发展的方向。

（二）临床放射源的合理选择

从物理和剂量角度看，临床上理想的放射源在组织中造成的剂量分布应尽量符合放疗剂量学原则。即：①照射肿瘤的剂量要求准确；②对肿瘤区域内照射剂量的分布要求均匀；③尽量提高肿瘤内照射剂量，降低正常组织受量；④保护肿瘤周围的重要器官不受或少受照射。

对较深部位的肿瘤，应选择高能X线，因其剂量建成区域的剂量变化迅速；一般将肿瘤放在最大剂量点之后单野照射。随着射线能量的提高，最大剂量建成区深度增加，肿瘤区域的剂量越来越均匀，肿瘤组织前正常组织的剂量减小，但肿瘤组织后的正常组织剂量稍升高。Laughlin等和Skstrand等通过研究不同能量X线的剂量分布特性，认为并不是能量越高越好。能量越高，其康普顿吸收占主要地位，由此产生的次级电子造成半影增大，剂量平坦度差，对一般20cm体厚的病人，10～25MeV的X线比较理想。高能电子束符合理想剂量分布，肿瘤区域的剂量分布比较均匀，而且，肿瘤后的正常组织照射剂量小，但肿瘤前的正常组织剂量却等于或大于肿瘤照射剂量，这种剂量特性决定了它适用于表浅的、偏位分布的肿瘤，如头颈部肿瘤的治疗，以单野照射较理想，能量选择依肿瘤深度而定。对于皮肤癌、蕈样霉菌病等浅表肿瘤，宜选用穿透力不强的深部X线或低能电子束治疗。

在选择哪一种射线治疗时，除了要考虑靶区深度外，还要综合考虑半影问题、骨吸收是否存在非均质结构及中子污染程度等因素。有时为了获得更好的剂量分布，常选择联合应用两种或两种以上的射线。