放射肿瘤学/物理学/辐射相互作用
|
|
辐射相互作用
- 电磁射线（光子）
- 粒子（光子）和波（相互垂直的电磁波）的二象性
- X 射线和伽马射线在物理特性和生物效应方面相同，但来源不同
- X 射线 - 产生于原子核外部，通常是入射电子在原子核周围弯曲时释放的多余能量
- 伽马射线 - 产生于原子核内，在放射性衰变或荧光过程中
- 电离辐射是指光子能量 > 1 keV 的辐射
- 由高 Z 密度的金属（铅，贫铀）屏蔽
- 电子、贝塔射线、正电子
- 非常轻，在组织中不沿直线传播，而是被原子轨道电子的库仑斥力偏转
- 平均每次相互作用损失 50% 的能量
- 因此，在组织中具有明确的穿透“范围”，即使它们的路径不是直线而是曲折的 = CSDA（连续减速近似）范围
- 对于 12 MeV 电子，这大约是几厘米
- 质子
- 由回旋加速器束产生（例如，麻省总医院，洛马琳达）
- 由于它们比电子重，因此主要通过“钻入”原子电子云沿直线传播
- 在路径结束时，它们与入射原子的相互作用迅速增加，并且迅速减速，导致布拉格峰
- 由中 Z 金属屏蔽，以提供电子减缓质子的速度。应避免使用高 Z 材料，因为它们会产生二次 X 射线和中子
- α 粒子
- 由重放射性核素的放射性衰变产生
- 在相同的能量下，它们比质子传播得慢得多（由于质量大得多），有效范围为几毫米
- 被皮肤（死细胞层）很好地吸收，但在粘膜（摄入，吸入）中很危险
- 在 RT 中实验使用
- 由低 Z 材料屏蔽
- 中子
- 通过与质子（主要是氢核）碰撞进行相互作用
- 由高度含氢（混凝土）和高度吸收（硼-10）材料的组合屏蔽
- 激发
- 内层电子被赋予足够的能量，使其“跃迁”到更高的能级，但不足以使其脱离原子核
- 然后它立即“跃迁”回原来的能级，以填补空缺，在此过程中以电磁辐射（光子）的形式释放多余的能量
- 这种辐射对于给定的元素是特征性的（因为它是一个壳层能级差的函数），被称为特征辐射
- 原子的化学性质最终没有改变，但电子云几何形状的扰动可能会引起生物学变化
- 电离
- 内层电子被赋予足够的能量，使其脱离原子核（> 结合能）
- 更高的壳层电子“跃迁”到较低的能级以填补空缺，在此过程中以电磁辐射的形式释放多余的能量。电磁能量与壳层之间的能级差相同
- 在大型原子中，更高的壳层电子可能会级联“跃迁”，导致多个电磁发射
- 一旦价层电子“跃迁”，原子就会缺失一个电子，并成为自由基
- 发射的 X 射线被称为特征 X 射线，并且对于每个元素都是唯一的
- 组织元素和不同壳层之间的结合能的总体平均值为 33 KeV（这意味着，平均而言，需要 33 KeV 来使电子从原子中弹出，从而使原子电离）
X 射线/伽马射线以 5 种不同的方式与组织相互作用
- 相干散射
- 仅在最低的诊断 X 射线能量（< 5% 的相互作用）下才显着
- 入射光子被偏转（吸收并立即重新发射），方向和能量变化最小
- 可能导致乳腺X线摄影对比度问题，但在治疗能量下不相关
- 光电吸收
- 在高 Z 组织（如骨骼）或较低的电磁能量下（因此在治疗能量下不重要）中得到显着增强
- 入射光子“看到”最内层电子（85% K 壳，14% L 壳，1% 其他），并被它们吸收
- 取决于吸收的能量，这会导致电子被激发到更高的壳层或在电离中从原子中弹出。如果被弹出，则被称为光电子，并在组织中引起弹道损伤
- 空缺被填补（如上所述在电离中）来自更高的壳层，导致特征 X 射线
- 这些特征 X 射线可能被同一原子的电子立即重新吸收（常见）。如果它们有足够的能量，可能会在第二次电离事件中激发或弹出另一个电子。如果被弹出，则被称为俄歇电子，并在组织中引起弹道损伤
- 如果价层电子受到影响，剩余的原子可能成为自由基
- 康普顿散射
- 在治疗能量下，软组织中最主要的相互作用
- 入射光子“看到”单个最外层电子，并像台球一样从它们反弹。然后它被称为康普顿光子，并且可以经历额外的相互作用
- 在此过程中，它在电离事件中将电子从轨道中弹出，这会导致组织中的弹道损伤。占辐射损伤的 ~75%
- 原子成为自由基，导致组织中的生物损伤。占辐射损伤的 ~25%
- 康普顿相互作用的概率与入射光子的能量成反比。
- 它与原子序数无关，因此在治疗能量下，骨骼和软组织界面几乎无法区分（= 对比度差）
- 在诊断 X 射线能量下，康普顿散射方向相当随机；在治疗 X 射线能量下，它是向前峰值的
- 每次相互作用的能量损失 < 20%，因此入射电子可以在通过光电吸收（如下）被吸收之前多次相互作用
- 这是能量在 30 keV - 30 MeV 下的主要组织效应
- 正负电子对产生
- 仅在高光子能量（> 1.02 MeV）下发生，并且优先发生在高 Z 组织中
- 入射光子（能量）通过 E=mc2 在原子核附近转化为质量（电子和正电子）
- 超过 1.02 MeV 的额外能量被转化为动能，并在 2 个粒子之间分配
- 正电子然后与某个电子（不一定来自同一个原子）相互作用，并被转换回 2 个 0.51 MeV 的电磁光子
- 电子导致组织中的弹道损伤
- 在阻止入射光束中可以看到明显的正负电子对产生，因为块体是高 Z 材料（对于铅，这是能量 > 5 MeV 下的主要效应）
- 光致蜕变
- 仅在非常高的光子能量（> 7 MeV）下发生
- 入射光子沉积了如此多的能量，以至于原子核蜕变
- 低水平中子产生的来源（对于辐射屏蔽很重要）
- 治疗能量下的相互作用总结
- 相干散射 - 没有实际影响
- 光电吸收 - 影响较小：1）自由电子（光电子），2）+/- 自由电子（俄歇电子），3）自由基原子
- 康普顿散射 - 主要影响：1）自由电子（康普顿电子），2）自由基原子
- 正负电子对产生 - 影响较小：1）自由电子，2）两个 0.51 MeV 光子
- 光致蜕变 - 没有实际影响
- 与上面“产生 X 射线”中描述的过程相同
- 两种基本相互作用
- 辐射（轫致辐射） - 电子绕原子核弯曲 => 以电磁 X 射线形式释放能量
- 电离（特征 X 射线） - 与轨道电子碰撞 => 电子释放 => 空缺填补 => 以特征 X 射线形式释放能量
- 任何给定的电子在单次相互作用中可以损失极小或极大量的能量，并被偏转极小或极大量的角度。这导致进入组织的入射电子在其路径（和距离）上存在很大差异（**射程弥散**）。
- 入射质子也主要通过与轨道电子相互作用而损失能量；然而，由于它们重得多（约 1800 倍），它们在每次相互作用中只损失极小一部分动能，因此散射也很小。
- 相互作用（以及能量损失）在较慢的能量下变得更加频繁。因此，质子移动得越慢，它损失给组织电子的能量就越多，形成一个正反馈循环，直到它突然失去所有能量。这个能量快速损失（及其沉积到组织中）的区域被称为布拉格峰。
- 布拉格峰出现的距离和能量沉积可以非常精确地计算（不像电子）。剂量快速下降使其非常适合精确地将剂量传递到肿瘤，而不是传递到肿瘤以外的健康组织。
- 入射质子也很少与原子核相互作用，并且可能使细胞杀伤力提高约 10%（PMID 472125 [无摘要] - "The determination of absorbed dose in a proton beam for purposes of charged-particle radiation therapy." Verhey LJ, Radiat Res. 1979 Jul;79(1):34-54.)
- 几种重离子（氦、氩原子核）已在临床上进行了测试。
- 它们与组织的相互作用方式类似于质子，但由于它们更重，因此它们最初的散射更少，并且在末端具有更快的剂量下降（布拉格峰）。
- 它们也更常与原子核相互作用，并且可能在单次相互作用中损失大量的动能。这种高能量沉积在每单位剂量上比 X 射线更有效地杀死细胞（高相对生物效力 = RBE）。
- 由于中子很重且呈中性，因此它们只通过与原子核相互作用而损失能量。与重离子类似，这会导致在单次事件中突然发生大量的能量损失（沉积）。它们还具有很高的相对生物效力（RBE）。
- 与 X 射线类似，剂量下降呈指数形式（因为相互作用是随机的，不像质子/离子相互作用，随着速度减慢而增加）。在组织中，50% 的剂量在约 10 厘米处。