放射腫瘤學/物理學/物理學基礎

物理學基礎

電磁波譜

• 無線電波

• 微波

• 紅外線

• 可見光

• 紫外線

• X 射線

• γ 射線

基本粒子

• 基本費米子

(1) 夸克和反夸克：上 (u)、下 (d)、奇 (c)、奇異 (s)、頂 (t)、底 (b)

(2) 輕子及其反粒子：電子 (e⁻)、電子中微子 (ν_e)、μ 子 (μ⁻)、μ 子中微子 (ν_μ)、τ 子 (τ⁻)、τ 子中微子 (ν_τ)

• 基本玻色子

(1) 規範玻色子：光子 (γ, 電磁相互作用)、W 和 Z 玻色子 (W⁺, W⁻, Z, 弱相互作用)、八種膠子 (g, 強相互作用)、引力子 (G, 引力, 假設存在)

(2) 標量玻色子：希格斯玻色子 (H⁰)

X 射線產生

當電子撞擊目標時會發生什麼？

• 與軌道電子相互作用 ==> 電離 ==> 空缺 ==> 另一個電子移動到該空缺 ==> 產生特徵 X 射線
  • 離散能量
    • 兩個軌道電子結合能的差值
  • 偶爾 —> '移動電子 到空缺' 的能量轉移到另一個電子 —> 俄歇電子
• 或者它與原子核附近的電場相互作用
  • 它發生偏轉 ==> 損失能量 ==> 這種能量以 X 射線光子的形式重新出現
  • 連續的能量範圍
  • 範圍內的最高能量 = 電子的能量

關於放射性的一切

• 想想為什麼原子核即使在質子之間具有相同電荷的靜電斥力的情況下仍然是穩定的
• 質子之間存在一種強核力，將它們束縛在一起
  • 這種力量尚不完全清楚
• 這種力量需要質子靠近並且與距離有關
• 中子在原子核中發揮著穩定作用
• 在較大的原子核中，N/P 比為 1.5 —> 在較小的原子核中，該比為 1
• 放射性原子核是那些不穩定的核素，P/N 比不理想

• 衰變常數
  • 每單位時間衰變的原子分數
  • 半衰期和衰變常數
    • 半衰期 = 0.693/衰變常數

線效能量轉移 (LET)

• 電離輻射向軟組織轉移能量的速率。
• 單位 —> 千電子伏/釐米或微米 (keV/μm)

• 存在高穿透性和低穿透性輻射。
• 顆粒輻射穿透性較低。
  • 顆粒輻射、光電子、α 粒子和 β 輻射
  • α 粒子在發射時帶 +2 電荷，並且會非常積極地電離相鄰原子以獲得兩個電子，使其恢復到穩定的電中性氦原子。
  • 這個過程導致一次和二次電離事件。α 粒子每次電離事件損失平均 34 eV，因此 34 meV α 粒子在幾釐米的空氣中靜止之前，最多可以導致 100,000 次電離，產生 100,000 個離子對。

• 高能光子具有很高的穿透性，因此 LET 很低
  • 診斷 X 射線 —> 3.0 keV/μm
  • 25 MeV 光子 —> 0.2 keV/μm

LET 告訴我們的是，電離事件的數量隨著 LET 的增加而增加，隨著 LET 的減少而減少。

雖然 RBE 表達了兩種不同輻射型別的相對有效性；用於輻射防護表達這種有效性的因素是質量因子，寫作 Q。質量因子或 Q 是一個符號，用於表達生物系統對 LET 依賴的反應。如果兩種不同輻射的生物反應 per rad 相同，則它們的 Q 相同。X 射線、γ 射線和 β 粒子都具有相同的 Q，等於 1。

相對生物效應 (RBE)

• RBE 沒有單位。

相對生物效應是一個術語，用於量化特定輻射效應，而不是一般的或相對風險。它包括不同型別的電離輻射引起的各種效應、能量傳遞到的組織型別、正在研究的生物效應以及該劑量傳遞的速率。

RBE 始終將正電壓輻射與另一種型別的輻射（例如 α 或 β 輻射）進行比較，以及這些測試輻射產生的特定生物效應，例如白內障。正電壓輻射是 200-250 kVp 範圍內的電磁輻射。如果需要 15 rad 的 250 keV X 射線來產生白內障，而只需要 5 rad 的 α 粒子，則 RBE 被認為是 3。

裝置

平坦濾波器

• 透過故意設計一個向邊緣增加的輪廓來補償場邊緣散射的缺乏。

輻射探測器

所有探測器都利用電離和激發過程。

氣體電離探測器

• 電離室
• 蓋革-米勒 (G-M) 計數器
• 正比計數器

基本部件！

• 一個裝有固定體積氣體的容器
  • 氣體可以是空氣、甲烷
  • 容器 = 探頭
• 兩個電極（正極和負極）

• 當光子穿過容器時 ==> 產生離子對 ==> 產生電離電流
• 因為容器是極化的 ==> 離子移動到帶相反電荷的電極
• 一些離子重新結合
  • 收集效率是指實際收集的電荷的比例
  • 超過300伏 —> 電離室區域（效率幾乎為100%）

光子

最大深度劑量

試著想象一下電子撞擊任何物體表面時會發生什麼

• 在最外層 —> 光子激發一個電子
• 這個電子沿著它的路徑移動，該路徑根據它從光子獲得的能量具有已知的範圍
  • 這個電子範圍是Dmax的深度
  • 假設它具有光子的能量
• 當電子沿著它的路徑移動時，它會激發次級電子……
• 直到初級電子的範圍結束，它才達到平衡
  • 電子平衡發生在一個點/水平，其中能量損失由能量獲得來補償。

參見Dmax

電子

• 當場尺寸減小時 ==> D90 向表面移動
• 經驗法則是將能量/3 用於獲得 D90 深度