第三章 电离辐射吸收剂量的测量X(γ)射线与高能电子束等电离辐射进入人体组织后,通过与人体组织中的原子相互作用,而传递电离辐射的一部分或全部能量。

人体组织吸收电离辐射能量后,会发生系列的物理、化学、生物学变化,最后导致组织的生物学损伤,即生物效应。

生物效应的大小正比于组织中吸收的电离辐射的能量。

因此确切地了解组织中所吸收的电离辐射的能量,对于评估放射治疗的疗效与它的副作用就是极其重要的。

单位质量的物质吸收电离辐射的平均能量称为吸收剂量,它的精确确定,就是进行放射治疗最基本的物理学要素。

本章将介绍剂量学中所涉及的辐射量及其单位,重点阐述电离室法测量吸收剂量的原理、方法与步骤,并对其它测量方法的原理与应用作相应说明。

第一节 剂量学中的辐射量及其单位本节主要根据国际辐射单位与测量委员(ICRU)会第33号报告的内容,重点介绍与放射治疗与辐射防护有关的辐射量及其单位。

一、粒子注量粒子注量Ф(particle fluence)就是以入射粒子数目描述辐射场性质的一个量,它等于dN 除以da 所得的商。

即辐射场中以某一点为球心的一个小球,进入该小球的粒子数dN 与其截面da 的比值/dN da Φ=单位m -2。

截面da 必须垂直于每个粒子的入射方向,为使来自各个方向的入射粒子都能满足这个要求,采用小球来定义。

粒子注量率:单位时间内粒子注量的增量。

单位m -2、s -1。

二、能量注量能量注量Ψ(energy fluence)就是以进入辐射场内某点处单位截面积球体的粒子总动能来描述辐射场性质的一个量,它等于dR 除以da 所得的商。

/dR da ψ=单位J 、m -2。

能量注量率:单位时间内能量注量的增量。

单位J 、 m -2、s -1。

粒子注量与能量注量都就是描述辐射场性质的物理量,它们之间的关系单能 E ψ=Φ⋅非单能 max0E E EdE ψ=Φ⎰E 为粒子能量,E Φ为同一位置粒子注量的能谱分布。

三、照射量照射量X(exposure)等于dQ 除以dm 所得的商。

即X(γ)辐射在质量为dm 的空气中释放的全部次级电子(正负电子)完全被空气阻止时,在空气中形成的同一种符号的离子总电荷的绝对值(不包括因吸收次级电子发射的轫致辐射而产生的电离)dQ 与dm 的比值,即/X dQ dm =X 的单位为C 、kg -1。

曾用单位为伦琴(R),1R ＝2、58×10-4C 、 kg -1。

照射量就是用以衡量X(γ)辐射致空气电离程度的一个量,不能用于其它类型辐射(如中子或电子束等)与其她物质(如组织等)。

根据照射量的定义,dQ 中不包括次级电子发生轫致辐射被吸收后产生的电离,这点在X(γ)射线能量较高时会有明显意义。

如果X(γ)射线能量不就是很高,次级电子发射的轫致辐射可以忽略,则空气中某点的照射量就就是X(γ)辐射在该点空气中比释动能K 空气的电离当量,即e X K W =空气在单能光子辐射场中,同一点上的照射量X 与能量注量ψ有如下关系 (/).en e X W μρ=ψ e 就是每一离子的电荷,W 就是在空气中每形成一个离子对消耗的平均能量,/en μρ就是空气对给定能量光子的质能吸收系数。

由于现有技术还不能对能量很低与很高的X(γ)射线的照射量做精确测量,因此照射量实际仅对光子能量介于几千电子伏至几兆电子伏范围内X(γ)射线适用。

照射(量)率:单位时间内照射量的增量。

单位C 、kg -1、s -1。

(曾用单位R 、 s -1)四、吸收剂量吸收剂量D(absorbed dose)等于d ε除以dm 所得的商,即电离辐射给予质量为dm 的介质的平均授予能d ε:/D d dm ε=单位为J 、kg -1;专用名戈瑞(Gray,符合表示Gy),1Gy ＝1 J 、kg -1。

曾用单位为拉德(rad),1Gy ＝100rad 。

吸收剂量就是度量单位质量受照物质吸收电离辐射能量多少的一个量,它在辐射效应研究中就是极为重要的。

因为辐射作用于物质引起的效应主要决定于该物质所吸收的辐射能量。

吸收剂量适用于任何类型与任何能量的电离辐射,以及适用于受到照射的任何物质。

由于在同样的照射条件下,不同物质,如骨与软组织等,吸收辐射能量的本领不一样,所以在论及吸收剂量时,应该明确辐射类型、介质种类与特定位置。

数值上吸收剂量可表示为(/)en D μρ=ψ单位时间内吸收剂量的增量,称为吸收剂量率,单位为Gy 、s -1。

五、比释动能比释动能K(kinetic energy released in material,kerma)等于dE tr 除以dm 所得的商。

即不带电电离粒子在质量为dm 的介质中释放的全部带电粒子的初始动能之与。

/tr K dE dm =K 的单位为J 、kg -1;专用名为Gy 。

按照比释动能的定义,dE tr 应包括带电电离粒子在轫致辐射中辐射的能量与发生在dm 介质中二次效应产生的所有带电电离粒子如俄歇电子的能量。

比释动能用以衡量不带电电离粒子与物质相互作用时,在单位物质中转移给次级带电粒子初始动能的总与的多少的一个量,因此与吸收剂量不同,比释动能只适用于间接致电离辐射,但适用于任何介质。

在带电粒子平衡条件下,数值上比释动能等于(/)/(1)en K g μρ=ψ-g 为次级带电粒子以轫致辐射损失其能量的份额。

六、当量剂量当量剂量H T (equivalent dose)等于某一组织或器官T 所接受的平均剂量D T,R ,经辐射质为R 的辐射权重因子(radiation weight factor)w R 加权处理后的吸收剂量。

,T R T R RH w D =∑单位为J 、kg -1,专用名为希沃特(Sievert),符合为Sv,1Sv ＝J 、kg -1。

当量剂量就是辐射防护剂量学的基本的量,就是在严格意义上的吸收剂量。

辐射权重因子代表特定辐射在小剂量照射时诱发随机性效应的相对生物效应(RBE)的数值。

应该指出,当量剂量只限于在辐射防护所涉及的剂量范围内使用。

七、照射量、吸收剂量、比释动能的关联与区别(一)间接致电离辐射的能量转移与吸收间接致电离辐射在放射性治疗中主要指X(γ)辐射,即放射性核素产生的γ射线以及各类X 射线治疗机与医用加速器产生的X 射线。

X(γ)光子进入介质,经与介质相互作用损失能量,可以分为两步:(a)入射光子将其全部或部分能量转移给介质而释放出次级电子;(b)获得光子转移能量的大部分次级电子再与介质原子的电子相互作用,以使原子电离或激发的形式损失能量,即被介质吸收;而少数次级电子与介质原子的原子核作用,发生轫致辐射产生X 射线。

光子能量在(a)点释放出次级电子的损失,即光子的能量转移,以比释动能来度量;沿径迹(b)的损失,即光子的能量被介质吸收,以吸收剂量来度量。

比释动能就是入射光子在作用点(a)处释放给次级电子的总动能;而吸收剂量就是次级电子沿其径迹(b)释放给介质的能量。

因此只有当次级电子的射程很短,能量很低时,次级电子一产生就将其获得的光子转移能量全部释放给作用点附近的介质,此时介质作用点(a)处体积元内所吸收的次级电子能量,即吸收剂量,在数值上恰好等于入射光子释放给作用点(a)处的比释动能。

(二)电子平衡由于比释动能的计算点,与次级电子的能量沉积点即吸收能量的测量点与计算点不在同一位置,利用比释动能计算吸收剂量必须附加条件,而电子平衡或广义的带电粒子平衡就就是其中最重要的条件之一。

电子平衡或带电粒子平衡就是剂量学的一个重要的概念。

如果所有离开小体积V ∆的次级电子带走的能量,恰好等于进入小体积V ∆的次级电子带入的能量,则称在O 点处存在“电子平衡”。

电子平衡成立的条件:(1)小体积V ∆周围的X(γ)辐射场必须均匀,以使V ∆周围X(γ)光子释放的次级电子的注量率保持不变。

这不仅要求V ∆周围的辐射强度与能谱不变,而且要求V ∆周围(图中虚线以内部分)的介质就是均匀的。

(2)小体积V ∆在各个方向离开介质边界的距离d 要足够大,至少要大于次级电子的最大射程。

严格将,上述条件难以实现,特别就是近辐射源处,辐射强度随位置变化显著;以及两种不同介质的交界处,为非均匀介质,都不可能满足电子平衡的条件。

但在实践中,需对某些条件作些处理,以使在一定的精度范围内,可认为电子平衡成立。

如当X(γ)射线能量较低时,由于次级电子射程相对较短,X(γ)光子的衰减可以忽略,则在某些受照射的介质中,可认为近似存在电子平衡。

(三)照射量与比释动能根据照射量的定义,在电子平衡条件下,它与X(γ)光子辐射在空气中的能量注量的关系为(/).en e X Wμρ=ψ 而当X(γ)光子辐射的能量限于60Coγ射线的能量1、25MeV 以下时,它在空气中产生的次级电子发生轫致辐射的份额很低,约0、003,如忽略不计,则(/)/(1)en K g μρ=ψ-可写成(/)en K μρ=ψ得到在空气介质中照射量与比释动能的关系W K X e= 实际上在低原子序数介质如空气、水、软组织中,电子的初始动能的大部分消耗于与介质电子发生非弹性碰撞,引起原子的电离或激发,仅有一小部分消耗于与原子核发生辐射效应(轫致辐射)。

这样,比释动能可以分成两部分,即col rad K K K =+因此,空气介质中照射量与比释动能的关系实际为col W K X e= (四)照射量与吸收剂量当满足电子平衡条件时,在空气介质中,照射量与吸收剂量数值上的关系.a W D X e= 照射量与吸收剂量的转换关系式(/)(/).33.97(/)a D J kg X C kg J C =()().0.876(/)a D cGy X R cGy R =(五)吸收剂量与比释动能当满足电子平衡条件,并且由次级电子产生的轫致辐射可以忽略时,吸收剂量与比释动能在数值上就是相等的。

当电子平衡条件不能建立时,为使两者之间进行数值转换,需引入一个电子平衡系数q e ,它表示X(γ)光子辐射在一小体积单位内沉积的能量E dep 与X(γ)光子辐射在同体积内电离过程中释放的能量E col 之比,即q e ＝E dep /E col 。

第二节 电离室测量吸收剂量原理一、电离室的工作机制电离室就是最早应用的电离辐射探测器,其测量吸收剂量的基本过程就是,通过测量电离辐射在与物质相互作用过程中产生的次级粒子的电离电荷量,由计算得到吸收剂量。

(一)电离室的基本原理两个互相平行的电极之间充满空气,称为电离室灵敏体积。

当电离辐射,如X 射线或γ射线射入电离室的灵敏体积内,与其中的空气介质相互作用产生次级电子。

这些电子在其运动径迹上使空气中的原子电离,产生一系列的正负离子对。

在灵敏体积内的电场作用下,电子、正离子分别向两极漂移,引起相应极板的感应电荷量发生变化,从而在外接电路中形成电离电流。