肿瘤放射物理学0.ppt

肿瘤肿瘤放射物理学放射物理学放射学放射学（radiologyradiology）诊断放射学诊断放射学（diagnostic radiologydiagnostic radiology）治疗放射学治疗放射学（therapeutic radiologytherapeutic radiology）放射肿瘤学放射肿瘤学包括包括肿瘤放射物理学肿瘤放射物理学、肿瘤放射生物、肿瘤放射生物学、肿瘤影像学、临床肿瘤学、放射治疗学等等。学、肿瘤影像学、临床肿瘤学、放射治疗学等等。肿瘤放射物理学肿瘤放射物理学是放射肿瘤学的基础是放射肿瘤学的基础,是肿瘤放是肿瘤放射治疗领域的物理学部分射治疗领域的物理学部分。绪绪 论论1 1、放疗在肿瘤治疗中的地位、放疗在肿瘤治疗中的地位根据世界卫生组织根据世界卫生组织20032003年公布的数据，年公布的数据，20002000年年全球共有恶性肿瘤患者全球共有恶性肿瘤患者10001000万，因恶性肿瘤死万，因恶性肿瘤死亡者高达亡者高达620620万，占总死亡人数的万，占总死亡人数的1212，在多数，在多数发达国家这一数字可达发达国家这一数字可达2525 。近十年来世界现患恶性肿瘤病人达近十年来世界现患恶性肿瘤病人达22402240万，发万，发病率和死亡率增长病率和死亡率增长22%22%。我国新发恶性肿瘤每年约我国新发恶性肿瘤每年约220220万人，每死亡万人，每死亡5 5人人就有一人死于恶性肿瘤，是城市首位死因，农就有一人死于恶性肿瘤，是城市首位死因，农村第二死因。村第二死因。在全部的恶性肿瘤中，约在全部的恶性肿瘤中，约45%45%的病人可以被治的病人可以被治愈，其中愈，其中22%22%被外科治愈，被外科治愈，18%18%被放射治疗治愈被放射治疗治愈，5%5%被药物治愈被药物治愈放射治疗已成为恶性肿瘤治疗放射治疗已成为恶性肿瘤治疗中的主要手段之一，中的主要手段之一，有有7070以以上的肿瘤患者需用放疗上的肿瘤患者需用放疗（包括包括综合治疗及单独治疗）。有些综合治疗及单独治疗）。有些恶性肿瘤单独放疗就能取得很恶性肿瘤单独放疗就能取得很好的根治效果。放射治疗已成好的根治效果。放射治疗已成为一个专门学科，称之为肿瘤为一个专门学科，称之为肿瘤放射治疗学放射治疗学radiation radiation oncologyoncology2 2、什么是放射治疗？、什么是放射治疗？放射治疗是指用放射性同位素的射线，放射治疗是指用放射性同位素的射线，X X线治疗机线治疗机产生的普通产生的普通X X线，加速器产生的高能线，加速器产生的高能X X线，还有各线，还有各种加速器所产生的电子束、质子、快中子、负兀种加速器所产生的电子束、质子、快中子、负兀介子以及其它重粒子等用来治疗癌瘤。介子以及其它重粒子等用来治疗癌瘤。广义的放射治疗既包括放射治疗科的肿瘤放射治广义的放射治疗既包括放射治疗科的肿瘤放射治疗，也包括核医学科的内用同位素治疗（如疗，也包括核医学科的内用同位素治疗（如131131I I治治疗甲状腺癌和甲状腺功能亢进，疗甲状腺癌和甲状腺功能亢进，3232P P治疗癌性胸水治疗癌性胸水等）。狭义的放射治疗一般仅指前者，即人们一等）。狭义的放射治疗一般仅指前者，即人们一般所称的肿瘤放射治疗。般所称的肿瘤放射治疗。放射治疗的目的放射治疗的目的对肿瘤最大的杀伤和对正常组织的最少并发症对肿瘤最大的杀伤和对正常组织的最少并发症3 3、放射治疗的种类、放射治疗的种类3.1 3.1 按放射源与病变的距离分：按放射源与病变的距离分：远距离照射远距离照射：外照射：外照射 治疗时放射源位于人体外一定距离，集中照射治疗时放射源位于人体外一定距离，集中照射人体某一部位。其工具是深部人体某一部位。其工具是深部X X线机、线机、6060CoCo机、加机、加速器（速器（X X线治疗、电子线治疗、质子、中子、重粒线治疗、电子线治疗、质子、中子、重粒子治疗等）子治疗等）近距离照射近距离照射：内照射：内照射 将放射源密封直接放入被治疗的组织内或放入将放射源密封直接放入被治疗的组织内或放入人体的天然腔。内腔内、组织间插植、贴敷。人体的天然腔。内腔内、组织间插植、贴敷。3.2 3.2 按治疗目的分：按治疗目的分：根治性放疗：根治性放疗：以放疗为主要手段达到彻底杀灭肿瘤细胞，治愈以放疗为主要手段达到彻底杀灭肿瘤细胞，治愈肿瘤的目的。肿瘤的目的。姑息放疗：姑息放疗：以缓解症状、减轻痛苦、延缓肿瘤发展为目标的以缓解症状、减轻痛苦、延缓肿瘤发展为目标的放疗。放疗。放射治疗可与其他治疗方式联合应用，参与综合放射治疗可与其他治疗方式联合应用，参与综合治疗治疗：根据病人的机体状况、肿瘤病理、分期和发：根据病人的机体状况、肿瘤病理、分期和发展趋势，按照一定计划、步骤，安排的多学科的肿展趋势，按照一定计划、步骤，安排的多学科的肿瘤治疗，包括术前，术中和术后放疗，以及放、化瘤治疗，包括术前，术中和术后放疗，以及放、化疗等综合治疗。疗等综合治疗。4 4、肿瘤放疗的历史、肿瘤放疗的历史 肿瘤放疗至今有肿瘤放疗至今有100100多年的历史。从多年的历史。从18951895年伦琴发现年伦琴发现X X线，线，18961896年居里夫妇发现镭后开始。年居里夫妇发现镭后开始。在放疗初期：在放疗初期：镭管、镭针近距离放疗。适用于位于镭管、镭针近距离放疗。适用于位于浅表的肿瘤浅表的肿瘤,或自然腔道能进入部位的肿瘤或自然腔道能进入部位的肿瘤,而且对体积而且对体积较大肿瘤的放射剂量分布不佳较大肿瘤的放射剂量分布不佳,最重要的缺点是对医护人最重要的缺点是对医护人员的辐射量较大。员的辐射量较大。上世纪上世纪3030年代：年代：发明千伏发明千伏X X线治疗机，放射物理学和线治疗机，放射物理学和放射生物学的研究有了重要发展。放射生物学的研究有了重要发展。5050年代：年代：发明发明6060CoCo放疗机放疗机(平均能量平均能量1.25 MV)1.25 MV)，开始，开始应用于临床治疗，疗效显著提高。应用于临床治疗，疗效显著提高。60607070年代：年代：医用加速器产生，用高能医用加速器产生，用高能X X线和电子线线和电子线治疗肿瘤。并逐步取代治疗肿瘤。并逐步取代X X线治疗机和线治疗机和6060CoCo放疗机。近距离放疗机。近距离放疗逐步被减少使用。放疗逐步被减少使用。6060年代末：年代末：刀、刀、X X刀，开创了立体定向放疗技术。刀，开创了立体定向放疗技术。放射物理、计算机和放射物理、计算机和CTCT技术的高度发展，适形放射治疗、技术的高度发展，适形放射治疗、调强放射治疗。调强放射治疗。8080年代起：年代起：计算机控制的近距离后装放疗机问世，计算机控制的近距离后装放疗机问世，形成外放射和近距离放射共存的局面。形成外放射和近距离放射共存的局面。5 5、肿瘤放疗的发展：、肿瘤放疗的发展：5.1 5.1 放射物理学方面放射物理学方面 放疗技术放疗技术 现代放疗技术朝着现代放疗技术朝着“精确定位、精确设精确定位、精确设计、精确治疗计、精确治疗”方向发展。方向发展。立体定向放立体定向放射外科技术射外科技术X X刀刀：X X射线射线刀刀：射线射线荷电粒子束荷电粒子束：质子刀、中子刀、负粒子：质子刀、中子刀、负粒子束、氦粒子束等束、氦粒子束等立体定向放射外科技术是对病灶处给予单次大剂量照立体定向放射外科技术是对病灶处给予单次大剂量照射射(可高达可高达10103030y)y)，使之产生放射性损伤的同时，使之产生放射性损伤的同时，周围正常组织因剂量递减而免受损伤，在病变边缘处周围正常组织因剂量递减而免受损伤，在病变边缘处形成一个锐利如刀的高剂量梯度形成一个锐利如刀的高剂量梯度(陡峭的陡峭的)分布，达到分布，达到类似外科手术的效果，故得名类似外科手术的效果，故得名“刀刀”(刀和刀刀和刀)，是现代神经外科学的重要分支，属微侵袭性治疗技术。是现代神经外科学的重要分支，属微侵袭性治疗技术。1 1）X X刀刀以以CTCT或或MRIMRI影像技术为影像技术为基础，采用三维立体在基础，采用三维立体在人体内定位，人体内定位，X X射线能射线能够准确的按照肿瘤的生够准确的按照肿瘤的生长形状照射，对治疗靶长形状照射，对治疗靶区实施准确定位和聚焦区实施准确定位和聚焦照射，靶点高剂量照射照射，靶点高剂量照射同时，靶区周围且剂量同时，靶区周围且剂量很低。适用范围广，可很低。适用范围广，可以扩大照射到任何部位，以扩大照射到任何部位，包括体部包括体部2 2）刀刀201201个个60 Co60 Co小源在一个半球形容器中，通过小源在一个半球形容器中，通过201201个小孔将个小孔将射线集中打在病灶上。适用于射线集中打在病灶上。适用于近中线的小于近中线的小于3cm3cm病脑实体瘤，中枢神经良恶病脑实体瘤，中枢神经良恶性肿瘤，癫痫，帕金森病等。性肿瘤，癫痫，帕金森病等。3 3）粒子刀）粒子刀 原理：原理：粒子射线的能量比粒子射线的能量比射线和射线和X X射线都高，当它达射线都高，当它达到一定深度后，释放的能量达到最高峰率，产生的到一定深度后，释放的能量达到最高峰率，产生的BraggBragg峰，此时射线束能量比平稳期高峰，此时射线束能量比平稳期高2-32-3倍。之后，倍。之后，能量迅速衰减。能量迅速衰减。粒子刀治疗是利用上述原理，通过调节特制的准直器粒子刀治疗是利用上述原理，通过调节特制的准直器和粒子能量准确建立和粒子能量准确建立BraggBragg峰深度，并增加射线束在病峰深度，并增加射线束在病灶内的宽度，以便使重粒子束衰减点恰好在靶区以外，灶内的宽度，以便使重粒子束衰减点恰好在靶区以外，剂量下降非常锐利，周围组织受量很少，再经过组织剂量下降非常锐利，周围组织受量很少，再经过组织等量补偿器的微量调节，使组织内的射线均量分布，等量补偿器的微量调节，使组织内的射线均量分布，达到治疗目的。达到治疗目的。立体定向适形放射治疗立体定向适形放射治疗立体定向适形放射治疗是一种精确的放射治疗立体定向适形放射治疗是一种精确的放射治疗技术，在肿瘤靶体积受到高剂量照射的同时，技术，在肿瘤靶体积受到高剂量照射的同时，其肿瘤靶体积以外的正常组织则受到较低剂量其肿瘤靶体积以外的正常组织则受到较低剂量的照射。的照射。模拟工作站模拟工作站CT扫描机激光扫描机激光定位系统定位系统调强放射治疗调强放射治疗将加速器、钴将加速器、钴-60-60机均匀输出剂量率的射野按预定机均匀输出剂量率的射野按预定的靶区剂量分布的要求变成不均匀的输出的射野的的靶区剂量分布的要求变成不均匀的输出的射野的过程，实现这个过程的装置成为调强器或调强方式。过程，实现这个过程的装置成为调强器或调强方式。硼中子俘获治疗硼中子俘获治疗 (简称简称BNCT)BNCT)作为一种新的放疗手段，作为一种新的放疗手段，它将与肿瘤细胞有特异性亲合力的它将与肿瘤细胞有特异性亲合力的1010B B化合物（硼携化合物（硼携带剂）注入人体，经中子束局部照射，使聚集在肿带剂）注入人体，经中子束局部照射，使聚集在肿瘤组织中的瘤组织中的1010B B与热中子发生核反应，生成与热中子发生核反应，生成7 7LiLi与与粒粒子。子。这两种粒子均属高这两种粒子均属高传能线密度（传能线密度（linear energy linear energy transfer,LETtransfer,LET）射线射线，具有高能量和短射程的特，具有高能量和短射程的特点，点，7 7LiLi与与粒子射程分别为粒子射程分别为5m5m和和10m10m（相当（相当于一个肿瘤细胞的直径，该直径于一个肿瘤细胞的直径，该直径10m10m）。由它）。由它们引起的电离反应可杀伤吸收了大量硼化物的瘤们引起的电离反应可杀伤吸收了大量硼化物的瘤细胞及与之相邻的细胞，而对正常的组织影响甚细胞及与之相邻的细胞，而对正常的组织影响甚小，这正是治疗肿瘤的基本要求。因此，认为小，这正是治疗肿瘤的基本要求。因此，认为BNCTBNCT是未来治疗恶性肿瘤的理想放疗方法，也是是未来治疗恶性肿瘤的理想放疗方法，也是目前研究的一个热点。目前研究的一个热点。传能线密度是带电粒子在物质中穿行单位路程时，由能量转传能线密度是带电粒子在物质中穿行单位路程时，由能量转移小于移小于的历次碰撞所造成的能量损失。的历次碰撞所造成的能量损失。LET反映的是很小反映的是很小一个空间中单位长度（一个空间中单位长度（m）路程上能量转移的多少。）路程上能量转移的多少。5.2 5.2 肿瘤放射生物学方面肿瘤放射生物学方面 目的也在于提高射线对肿瘤杀灭的生物效应，减少正目的也在于提高射线对肿瘤杀灭的生物效应，减少正常组织的放射损伤。常组织的放射损伤。这方面的研究主要包括：这方面的研究主要包括：正常组织和肿瘤的放射损伤和修复研究，及放疗过正常组织和肿瘤的放射损伤和修复研究，及放疗过程中的增殖动力学研究。程中的增殖动力学研究。放射增敏剂和放射保护的研究。放射增敏剂和放射保护的研究。非常规分割放疗方法。非常规分割放疗方法。分子和基因水平的研究。分子和基因水平的研究。随着计算机、物理学等高科技的发展，放疗随着计算机、物理学等高科技的发展，放疗必将变得更精确、更个体化，使放疗的局部肿瘤必将变得更精确、更个体化，使放疗的局部肿瘤控制疗效显著提高，并发症明显减少。控制疗效显著提高，并发症明显减少。6 6、医学物理工作者可能从事的工作性质、医学物理工作者可能从事的工作性质 （一）医学物理人才需求走向（一）医学物理人才需求走向 （1 1）医疗机构内的）医疗机构内的医学物理师医学物理师；（2 2）医学物理学科内的）医学物理学科内的教学和科研人员教学和科研人员；（3 3）以医学影像和放疗设备为代表的）以医学影像和放疗设备为代表的高精密医疗设备和高精密医疗设备和仪器的研发人员仪器的研发人员；（4 4）政府主管部门、学科管理、物理师管理、医疗设备）政府主管部门、学科管理、物理师管理、医疗设备和医学软件的市场准入审查、以及为这些产品进行验收和医学软件的市场准入审查、以及为这些产品进行验收和测试等部门的和测试等部门的科学管理或者中介机构的科技人员科学管理或者中介机构的科技人员等。等。（二）医学物理师在肿瘤放射治疗中的角色和职责（二）医学物理师在肿瘤放射治疗中的角色和职责 物理师这个职业的具体任务大致包括以下几个方面：物理师这个职业的具体任务大致包括以下几个方面：1 1、针对放射治疗设备方面的工作、针对放射治疗设备方面的工作 选择买何种设备，设备的验收检测和机器数据测选择买何种设备，设备的验收检测和机器数据测量、刻度，设备的质量保证量、刻度，设备的质量保证 2 2、辐射治疗计划方面的工作、辐射治疗计划方面的工作 辐射治疗计划系统硬件和软件的验收检验、数辐射治疗计划系统硬件和软件的验收检验、数据测量、日常的系统和数据维护；据测量、日常的系统和数据维护；辐射治疗计划过程一定需要物理师的参与；辐射治疗计划过程一定需要物理师的参与；对治疗计划的质量保证。对治疗计划的质量保证。保证计划输出、控制输出和患者的病历三者的数据保证计划输出、控制输出和患者的病历三者的数据是一致的；治疗师需要按照表格填入每天的治疗情况，是一致的；治疗师需要按照表格填入每天的治疗情况，如日期，每一射野治疗时输出的实际剂量等等，而物理如日期，每一射野治疗时输出的实际剂量等等，而物理师定期检查这些记录，发现问题及时纠正。师定期检查这些记录，发现问题及时纠正。3 3、培训和研究方面的工作、培训和研究方面的工作 新进物理师工作人员的熟悉培训过程；新进物理师工作人员的熟悉培训过程；新治疗手段的引入，包括技术掌握、操作规程制新治疗手段的引入，包括技术掌握、操作规程制定及质保计划等。定及质保计划等。负有培训本单位的剂量师和治疗师在物理方面的知负有培训本单位的剂量师和治疗师在物理方面的知识的责任。识的责任。（三）我国的医学物理师现状（三）我国的医学物理师现状 据据20012001年统计资料显示，全国拥有放疗设备医院年统计资料显示，全国拥有放疗设备医院715715家，从事放疗专业医务人员家，从事放疗专业医务人员1413114131人，其中医师人，其中医师51135113人，物理师只有人，物理师只有619619人。人。“按照我国人口，未来我国需要医学物理师按照我国人口，未来我国需要医学物理师1 1万多人，万多人，而目前只有六七百人。而目前只有六七百人。”因此，实际上是奇缺医学物理因此，实际上是奇缺医学物理师。师。（四）医学物理师需要的知识背景和技能（四）医学物理师需要的知识背景和技能 医学物理师是复合型人才，它应该是具有深厚的物理医学物理师是复合型人才，它应该是具有深厚的物理学基础并具有广泛的医学知识，能熟悉影像工程技术、学基础并具有广泛的医学知识，能熟悉影像工程技术、计算机技术等。计算机技术等。放射治疗过程的一般模式：放射治疗过程的一般模式：放射肿瘤学医师根据患者的病情决定是否做放射肿瘤学医师根据患者的病情决定是否做CTCT检查或检查或MRIMRI检查，或两者都做，并确定检查，或两者都做，并确定CTCT模拟的定位方式和定位模拟的定位方式和定位点；点；物理师将物理师将CTCT图象数据及图象数据及MRIMRI图象数据输入治疗计划系统；图象数据输入治疗计划系统；如果有如果有MRIMRI图象数据，物理师先进行图象数据，物理师先进行CTCT图象和图象和MRIMRI图象图象的融合，然后在的融合，然后在CTCT图象上进行外轮廓、重要器官的轮廓图象上进行外轮廓、重要器官的轮廓勾画；勾画；放射肿瘤学医师勾画靶区，与物理师讨论如何设置射放射肿瘤学医师勾画靶区，与物理师讨论如何设置射野，在野，在DRRDRR（数字重建的射线影像）图象上勾画射野中的（数字重建的射线影像）图象上勾画射野中的挡块形状，此时物理师在领会医生的治疗方案后，考虑挡块形状，此时物理师在领会医生的治疗方案后，考虑实际的物理条件和设备条件，提出自己的建议；实际的物理条件和设备条件，提出自己的建议；物理师进行参数设定和剂量计算，不断对计划进行改物理师进行参数设定和剂量计算，不断对计划进行改进和优化，以尽量实现医生的治疗方案；进和优化，以尽量实现医生的治疗方案；最后由医生决定治疗计划是否可接受，并在病历上签最后由医生决定治疗计划是否可接受，并在病历上签字认可。在整个过程中，放射肿瘤学医师和物理师都应字认可。在整个过程中，放射肿瘤学医师和物理师都应该是密切配合的。该是密切配合的。课程内容：课程内容：该课程主要涉及到原子核的性质、放射性核素该课程主要涉及到原子核的性质、放射性核素的性质和衰变过程、放射性与物质的相互作用、的性质和衰变过程、放射性与物质的相互作用、放射性的探测技术、放射性剂量、加速器的原理放射性的探测技术、放射性剂量、加速器的原理和技术、结合计算机等技术介绍和技术、结合计算机等技术介绍放射治疗的物理放射治疗的物理学原理及技术，探讨提高肿瘤剂量、降低正常组学原理及技术，探讨提高肿瘤剂量、降低正常组织所受剂量的物理方法和技术手段。织所受剂量的物理方法和技术手段。先修课程：先修课程：核物理导论、核辐射探测核物理导论、核辐射探测