放射腫瘤學/物理學/輻射相互作用
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輻射相互作用
- 電磁射線（光子）
- 粒子（光子）和波（相互垂直的電磁波）的二象性
- X 射線和伽馬射線在物理特性和生物效應方面相同，但來源不同
- X 射線 - 產生於原子核外部，通常是入射電子在原子核周圍彎曲時釋放的多餘能量
- 伽馬射線 - 產生於原子核內，在放射性衰變或熒光過程中
- 電離輻射是指光子能量 > 1 keV 的輻射
- 由高 Z 密度的金屬（鉛，貧鈾）遮蔽
- 電子、貝塔射線、正電子
- 非常輕，在組織中不沿直線傳播，而是被原子軌道電子的庫侖斥力偏轉
- 平均每次相互作用損失 50% 的能量
- 因此，在組織中具有明確的穿透“範圍”，即使它們的路徑不是直線而是曲折的 = CSDA（連續減速近似）範圍
- 對於 12 MeV 電子，這大約是幾釐米
- 質子
- 由迴旋加速器束產生（例如，麻省總醫院，洛馬琳達）
- 由於它們比電子重，因此主要透過“鑽入”原子電子雲沿直線傳播
- 在路徑結束時，它們與入射原子的相互作用迅速增加，並且迅速減速，導致布拉格峰
- 由中 Z 金屬遮蔽，以提供電子減緩質子的速度。應避免使用高 Z 材料，因為它們會產生二次 X 射線和中子
- α 粒子
- 由重放射性核素的放射性衰變產生
- 在相同的能量下，它們比質子傳播得慢得多（由於質量大得多），有效範圍為幾毫米
- 被皮膚（死細胞層）很好地吸收，但在粘膜（攝入，吸入）中很危險
- 在 RT 中實驗使用
- 由低 Z 材料遮蔽
- 中子
- 透過與質子（主要是氫核）碰撞進行相互作用
- 由高度含氫（混凝土）和高度吸收（硼-10）材料的組合遮蔽
- 激發
- 內層電子被賦予足夠的能量，使其“躍遷”到更高的能級，但不足以使其脫離原子核
- 然後它立即“躍遷”回原來的能級，以填補空缺，在此過程中以電磁輻射（光子）的形式釋放多餘的能量
- 這種輻射對於給定的元素是特徵性的（因為它是一個殼層能級差的函式），被稱為特徵輻射
- 原子的化學性質最終沒有改變，但電子雲幾何形狀的擾動可能會引起生物學變化
- 電離
- 內層電子被賦予足夠的能量，使其脫離原子核（> 結合能）
- 更高的殼層電子“躍遷”到較低的能級以填補空缺，在此過程中以電磁輻射的形式釋放多餘的能量。電磁能量與殼層之間的能級差相同
- 在大型原子中，更高的殼層電子可能會級聯“躍遷”，導致多個電磁發射
- 一旦價層電子“躍遷”，原子就會缺失一個電子，併成為自由基
- 發射的 X 射線被稱為特徵 X 射線，並且對於每個元素都是唯一的
- 組織元素和不同殼層之間的結合能的總體平均值為 33 KeV（這意味著，平均而言，需要 33 KeV 來使電子從原子中彈出，從而使原子電離）
X 射線/伽馬射線以 5 種不同的方式與組織相互作用
- 相干散射
- 僅在最低的診斷 X 射線能量（< 5% 的相互作用）下才顯著
- 入射光子被偏轉（吸收並立即重新發射），方向和能量變化最小
- 可能導致乳腺X線攝影對比度問題，但在治療能量下不相關
- 光電吸收
- 在高 Z 組織（如骨骼）或較低的電磁能量下（因此在治療能量下不重要）中得到顯著增強
- 入射光子“看到”最內層電子（85% K 殼，14% L 殼，1% 其他），並被它們吸收
- 取決於吸收的能量，這會導致電子被激發到更高的殼層或在電離中從原子中彈出。如果被彈出，則被稱為光電子，並在組織中引起彈道損傷
- 空缺被填補（如上所述在電離中）來自更高的殼層，導致特徵 X 射線
- 這些特徵 X 射線可能被同一原子的電子立即重新吸收（常見）。如果它們有足夠的能量，可能會在第二次電離事件中激發或彈出另一個電子。如果被彈出，則被稱為俄歇電子，並在組織中引起彈道損傷
- 如果價層電子受到影響，剩餘的原子可能成為自由基
- 康普頓散射
- 在治療能量下，軟組織中最主要的相互作用
- 入射光子“看到”單個最外層電子，並像檯球一樣從它們反彈。然後它被稱為康普頓光子，並且可以經歷額外的相互作用
- 在此過程中，它在電離事件中將電子從軌道中彈出，這會導致組織中的彈道損傷。佔輻射損傷的 ~75%
- 原子成為自由基，導致組織中的生物損傷。佔輻射損傷的 ~25%
- 康普頓相互作用的機率與入射光子的能量成反比。
- 它與原子序數無關，因此在治療能量下，骨骼和軟組織介面幾乎無法區分（= 對比度差）
- 在診斷 X 射線能量下，康普頓散射方向相當隨機；在治療 X 射線能量下，它是向前峰值的
- 每次相互作用的能量損失 < 20%，因此入射電子可以在透過光電吸收（如下）被吸收之前多次相互作用
- 這是能量在 30 keV - 30 MeV 下的主要組織效應
- 正負電子對產生
- 僅在高光子能量（> 1.02 MeV）下發生，並且優先發生在高 Z 組織中
- 入射光子（能量）透過 E=mc2 在原子核附近轉化為質量（電子和正電子）
- 超過 1.02 MeV 的額外能量被轉化為動能，並在 2 個粒子之間分配
- 正電子然後與某個電子（不一定來自同一個原子）相互作用，並被轉換回 2 個 0.51 MeV 的電磁光子
- 電子導致組織中的彈道損傷
- 在阻止入射光束中可以看到明顯的正負電子對產生，因為塊體是高 Z 材料（對於鉛，這是能量 > 5 MeV 下的主要效應）
- 光致蛻變
- 僅在非常高的光子能量（> 7 MeV）下發生
- 入射光子沉積瞭如此多的能量，以至於原子核蛻變
- 低水平中子產生的來源（對於輻射遮蔽很重要）
- 治療能量下的相互作用總結
- 相干散射 - 沒有實際影響
- 光電吸收 - 影響較小：1）自由電子（光電子），2）+/- 自由電子（俄歇電子），3）自由基原子
- 康普頓散射 - 主要影響：1）自由電子（康普頓電子），2）自由基原子
- 正負電子對產生 - 影響較小：1）自由電子，2）兩個 0.51 MeV 光子
- 光致蛻變 - 沒有實際影響
- 與上面“產生 X 射線”中描述的過程相同
- 兩種基本相互作用
- 輻射（軔致輻射） - 電子繞原子核彎曲 => 以電磁 X 射線形式釋放能量
- 電離（特徵 X 射線） - 與軌道電子碰撞 => 電子釋放 => 空缺填補 => 以特徵 X 射線形式釋放能量
- 任何給定的電子在單次相互作用中可以損失極小或極大量的能量，並被偏轉極小或極大量的角度。這導致進入組織的入射電子在其路徑（和距離）上存在很大差異（**射程彌散**）。
- 入射質子也主要透過與軌道電子相互作用而損失能量；然而，由於它們重得多（約 1800 倍），它們在每次相互作用中只損失極小一部分動能，因此散射也很小。
- 相互作用（以及能量損失）在較慢的能量下變得更加頻繁。因此，質子移動得越慢，它損失給組織電子的能量就越多，形成一個正反饋迴圈，直到它突然失去所有能量。這個能量快速損失（及其沉積到組織中）的區域被稱為布拉格峰。
- 布拉格峰出現的距離和能量沉積可以非常精確地計算（不像電子）。劑量快速下降使其非常適合精確地將劑量傳遞到腫瘤，而不是傳遞到腫瘤以外的健康組織。
- 入射質子也很少與原子核相互作用，並且可能使細胞殺傷力提高約 10%（PMID 472125 [無摘要] - "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.)
- 幾種重離子（氦、氬原子核）已在臨床上進行了測試。
- 它們與組織的相互作用方式類似於質子，但由於它們更重，因此它們最初的散射更少，並且在末端具有更快的劑量下降（布拉格峰）。
- 它們也更常與原子核相互作用，並且可能在單次相互作用中損失大量的動能。這種高能量沉積在每單位劑量上比 X 射線更有效地殺死細胞（高相對生物效力 = RBE）。
- 由於中子很重且呈中性，因此它們只通過與原子核相互作用而損失能量。與重離子類似，這會導致在單次事件中突然發生大量的能量損失（沉積）。它們還具有很高的相對生物效力（RBE）。
- 與 X 射線類似，劑量下降呈指數形式（因為相互作用是隨機的，不像質子/離子相互作用，隨著速度減慢而增加）。在組織中，50% 的劑量在約 10 釐米處。