放射物理与精准放疗工程 · 第 2 卷 / 共 11 卷
光电效应、康普顿散射、电子对效应与衰减
本卷导读
讨论光子与物质相互作用的三种主要机制、次级电离、衰减系数、半价层、kV 与 MV 能段的差异，以及医学辐射源与射束分类。
知识结构
- 光子相互作用机制
- 衰减、能谱与半价层
- 医学辐射源与射束分类
- kV 与 MV 能段的工程差异
光子相互作用机制
光电效应、康普顿散射与电子对效应在不同能量和原子序数区间占据主导。理解截面变化，才能解释图像对比度与剂量沉积。
在另一个原子的世界里，同样是X射线来到了这里，同样是X射线遇到了原子的核外电子，同样是电子获得了能量，不过，这次电子获得的能量不是足够多，没有彻底摆脱原子的束缚，没有跑出来，而是搬到了更高能量的轨道上，这个过程称作激发。
当初，高速运动的电子轰击金属靶产生了X射线，更具体些说，高速运动的电子与原子核相互作用产生了韧致辐射。
X射线照射到物质上之后，从微观角度来看：X光子来到了原子的世界里，接待他的，是生活在核外轨道上的电子，这个电子居住在K轨道上，离原子世界的原子核最近。
正当他要感谢那个X光子时，却怎么都找不着，后来才知道：X光子把能量给了他之后，自己就消失了，为了纪念那个光子，电子就给自己起名为：光电子。
光电效应由爱因斯坦提出，证明了光具有粒子的性质。
之所以会有散射线的产生，是因为X光子携带的能量更多（把能量给了电子之后还剩余了一部分）。获得能量的电子也有一个名字，称作反冲电子。
概括一下康普顿效应：X光子和原子的轨道电子发生相互作用，光子损失了一部分能量，并改变运动方向，电子获得能量后脱离原子。损失能量的X光子称作散射光子，获得能量的电子称作反冲电子。
KV级的X射线与物质相互作用时，光电效应占主导地位；MV级的X射线与物质相互作用时，康普顿效应（康普顿散射）占主导地位。
概括一下：X光子与原子核的库仑场相互作用，产生了一对正负电子，这个过程称作电子对效应。
产生电子对效应有个条件：X光子携带的能量需大于1.02MeV（兆电子伏），就像带的礼物足够多才可以有情节的发生。
电子对效应与康普顿效应（康普顿散射）、光电效应这三种机制，是X光子与物质相互作用的主要过程，除此之外，还有相干散射（瑞利散射）、光核反应等，感兴趣的初学者可以查阅相关资料。
衰减、能谱与半价层
衰减系数随能量变化，能谱硬化会改变有效穿透力。半价层是描述束流质量的工程指标。
跟KV级的X射线相比，MV级的X射线因为携带的能量更多，穿透力更强。
射线质高的，常说该射线较硬；射线质低的，常说该射线较软。对于KV级X射线和MV级X射线，射线质的成员也是不一样的：
对于KV级X射线，一般用半价层来表示射线质。半价层，也称作半值层，它有个英文名：Half-value layer,简称HVL。
半价层的定义是这样的：使射线强度衰减一半所需物质（比如铅或者铝）的厚度，比如常说的多少mm的铅或者铝。跟半价层有关的，还有一个人物，称作衰减系数，半价层和衰减系数之间有个著名的公式，感兴趣的初学者可以查看资料。
对于MV级X射线的射线质，半价层（HVL）在这方面失去了优势，被一个称作TPR20/10的家伙取代。
TPR20/10是一个比值，定义是这样的：沿着射线束中心轴方向，水下20cm及水下10cm测得的剂量之比。测量条件为10cmX10cm射野，SAD=100cm（经典的测量条件）。
医学辐射源与射束分类
放射性同位素、X 射线球管与电子加速器构成不同的辐射源谱系，其能谱、剂量率与安全边界各不相同。
这三位剑客有各自的地盘，说到地盘的划分，其实跟X射线的能量有关，本章就来重点说说X射线能量的划分。
在X射线家族中，根据X光子携带能量的不同，可以分为两类：KV（千伏）级X射线和MV（兆伏）级X射线。
跟KV级X射线相比，MV级X射线由于携带的能量更多，因此他的穿透能力更强，可以用于消灭深部肿瘤，因此MV级的X射线在放射治疗中发挥了重要的作用。跟MV级X射线有关的一个人物，称作电子直线加速器。
说到这个优势，又得从X射线与物质相互作用过程说起：对于KV级的X射线，相互作用过程以光电效应为主，也称作光电吸收，由于人体不同的组织对X射线的吸收程度不一样，因此KV级X射线很适合成像，也就是用于发现病变。而MV级的X射线，由于相互作用过程以康普顿散射为主，会产生较多的散射线，图像质量较低，因此不太适合成像。
而MV级的X射线拿着offer去放疗科运行了：用于治疗肿瘤，也就是消灭肿瘤。
KV级X射线与MV级X射线两类更像是一对搭档：一个擅长发现敌人（视力更好）；一个能够消灭敌人（拳头更硬）。
后来，电子直线加速器上也陆续配备了产生KV级X射线的装置，就像装上了导航，这样MV级X射线就会更加精准打击敌人（消灭肿瘤）。
KV级X射线的出生地，称作X线球管，他是X光机、CT机的核心部件。
在阴极这座城市里，有一个重要的人物，称作灯丝。当给灯丝加热之后，灯丝会发射出一束束的电子，高压电场负责给电子加速，高速运动的电子来到阳极这座城市，遇到了阳极这个城市的重要人物-金属靶，电子轰击金属靶之后产生了X射线。由于电子轰击金属靶时会产生大量的热量，因此会有冷却系统给金属靶降温，以免烧坏了。
X线球管的变迁，主要跟阳极有关：起初阳极的金属靶是固定不动的，也称作固定阳极。
为了解决这个问题，研发工程师就想了个办法：让阳极动起来不就可以了吗？为了让阳极旋转起来，定子和转子就被引入临床实践。目前的X线球管，基本上都是旋转阳极X线球管。
MV级X射线的产生原理，本质上也是高速运动的电子轰击金属靶，不过为了获得MV级能量的X射线，就需要让电子加速到具备MeV（兆电子伏）级的动能，这时X线球管内的高压电场就无能为力了，因为它能实现的最高电压就是KV级的（再往上就太难太难了……）。
后来，人们又想了个办法，用雷达系统中的微波给电子加速，于是就有了加速管，加速管将电子加速到具备MeV级的动能之后，高速运动的电子轰击金属靶产生了MV级的X射线。整个过程，发生在一个叫做电子直线加速器的地方。
需要补充一点，KV级X射线进行成像时还需要一个搭档，因为只有他自己是成不了像的（合作的重要性就显现出来了）。对于X射线的搭档，也有一个庞大的家族：
X射线的第一个搭档，称作胶片。他们工作时是这样的：X射线穿过人体，照射在装着胶片的暗盒上，将曝光后的胶片在暗室里进行洗片操作后，就可以看到人体结构的图像了。胶片有个不足：不能重复使用，而且显影、定影等操作步骤比较繁琐。
技术总是在不断进步的。影像板读取信息后还可以被重复使用。技术上了一个台阶，进入了间接数字化时代，但这个台阶还有进步的空间。
再后来，影像板被一个名叫平板探测器（英文名：FPD）的人物所代替，X光机就进入了DR时代（目前影像科使用的X光机主要是DR）。X线球管对面就是平板探测器，X射线穿过人体后，照射在平板探测器上，然后经过重建后进行成象。
探测器探测穿过人体的X射线，由于人体不同组织结构对射线的衰减程度是不一样的，探测器探测到不同的信号后，从而进行成像。
除了X光机，在CT中，X线球管和探测器这对搭档也是干活的主力，CT中的探测器呈扇形，一般由稀土材质组成，也就是常说的稀土探测器。
γ射线是由一种叫做钴-60的放射源衰变产生的，钴源很不稳定，它衰变时发射出两种能量的γ射线：1.17MeV（兆电子伏）和1.33MeV，平均能量为1.25MeV。跟γ射线有关的放疗设备称作钴-60治疗机，俗称钴炮。在电子直线加速器诞生之前，钴炮是外照射的主要治疗设备。
除了钴源，其他放射性同位素还有铱-192和碘-125等。其中铱-192是后装治疗机常用的放射源，可以做成粒状源，放置在人体天然腔道内进行近距离放疗；碘-125 是进行粒子植入常用的放射源。
高能电子线主要用于治疗表浅部位的肿瘤，高能电子线的来历是这样的：电子枪发射出的电子，经过加速管的加速后，获得了很大的动能，高速运动的电子直接被引出，得到了高能电子线。产生高能电子线的放射治疗设备称作电子直线加速器，电子直线加速器是目前外照射的主要设备。
质子和重离子，因为剂量分布具有布拉格峰（Bragg峰）的优势，就像是定点爆破，肿瘤的剂量很高，正常组织的受量很低，因此越来越受重视。与之相关的治疗设备称作质子加速器和重离子加速器。
kV 与 MV 能段的工程差异
诊断能段强调组织对比，治疗能段强调深部剂量与皮肤保护。两种能段的设备结构、准直方式与防护要求不同。
科学家们前赴后继的探索就是为了揭开射线的隐形外衣，其中X射线早已被人们了解和使用，尤其在恶性肿瘤诊断和治疗的领域大显身手。
众里寻她千百度，射线这个小妖精是怎样被我们伟大的科学家们揭开神秘隐形外衣并加以利用的呢？
伦琴当时并不明白这种“光线”是个什么东西，于是命名为X射线。自此人类便可借助X射线，隔着皮肉去透视骨骼，虽然这一度被嘲笑为可以看穿女性外衣的下流发明，却丝毫挡不住人们的好奇心。
1896年，法国科学家贝克勒尔发现了“铀”及其化合物能放射出微弱的射线也可以在照相底板上留下痕迹。
1898年，居里夫人成功分离了镭并首次提出“放射性”的概念，以及后来在她的指导下，人们第一次将放射性同位素用于治疗癌症，如1899年就有人利用镭放疗治愈了浅表肿瘤。
1905年，第一列镭针插值治疗肿瘤的报告横空出世，开辟了放射治疗肿瘤的新途径。
在射线发现历史上，伦琴大叔和居里夫人功不可没，然而此阶段科学家和临床医生对射线的作用原理并不清楚，更不知道如何控制射线。
1910年，X射线管研制成功，从此人们终于可以活捉X射线精灵了，也就是可以人工调节X射线的能量和数量。X射线管的发明无疑奠定了人工射线的医学应用基础，于是1913年，用于放射诊断的X线机诞生。
1922年，首台深部X射线治疗机因运而生并治愈了一例喉癌患者。
1923年，等剂量分布图被运用到放射治疗临床实践中，可以直观的评估放射治疗照射计划的可行性。
1930年，镭用来治疗宫颈癌取得了巨大成就，到了1934年出现了常规分割照射方案并沿用至今。
20世纪30年代，人们为了纪念伦琴而建立了物理剂量单位-伦琴，以便于量化X射线，然而50年代后深部X线机由于能量太低，穿透能力弱，只能治疗浅表肿瘤而逐步被淘汰，科学家们正转向研究如何产生能量更高，穿透能力更强的X射线。
X射线精灵完全可控后，人们制造各类设备来产生穿透性强的高能射线用于杀死肿瘤。
1951年，加拿大问世的以放射性核素为辐射源的兆伏级γ 射线治疗设备--钴60远距离治疗机开创了高能放射线治疗深部恶性肿瘤的新时代。
1953年，第一台行波型医用电子直线加速器（LA）凭借比钴机更出色的功能特性投入临床使用，标志着放射治疗形成了一门完全独立的学科。
医用电子直线加速器经过数次更新换代，迅速地超越钴机成为现代放疗中应用最为广泛的放射源，与此同时，质子加速器、重粒子加速器等更高能量的放疗设备也在现代放疗界占有一席之地。
04 高能射线设备的“精放”时代
1959年，三维适形（3D-CRT）概念被提出，要求射线照射在肿瘤组织上而尽量减少正常组织的照射。
1968年，驻波型加速器在美国诞生，射线治疗进入高压射线治疗新阶段。
1976年，CT开始应用于临床放疗中，与放疗计划系统连接，共同构成一个快速精确的放射治疗计划与优化系统。
1977年出现了更为精确的调强放射治疗（IMRT）概念，即在照射野内射线的强度都是可以调节的，从而更加减少正常组织的照射。
19世纪70年代随着计算机的应用和CT、MRI的出现产生了三维治疗计划系统（TPS）和多叶光栅（MLC）并促生了调强放射治疗技术，这使得高能X射线精灵通过计算在计算机上变得“可看见”与“可控制”，使肿瘤外照射快速进入精确放疗时代。
随着放疗设备技术的发展，21世纪的放射治疗已经全面进入了影像引导放射治疗（IGRT）时代。
在临床实践中，放疗前和放疗中利用X线影像信息辅助确定和调节放疗中摆位环节所带来的误差，使计算机上模拟的精确计划得到精确的执行。这也为现代精确放疗模式增添了更丰富的内涵即“三精”：精确定位、精确计划、精确治疗。
X射线作为现代医学的诊断和治疗工具，早已没有初现时的神秘，最开始它是具有透视功能的神秘精灵，从透视诊断到放射治疗再到精确放射治疗，经过这么多年的发展，它在肿瘤治疗的路上越走越远。
大部分患者对X射线用于放射诊断很熟悉，但同样是X射线的应用，大家却对肿瘤科将X射线用于放射治疗感到很陌生。
要论X射线应用于放射治疗的历史，可以追溯到1895年伦琴发现X射线之后所做的一系列试验，其表明放射性物质能使皮肤烧伤。从此放射治疗的大致发展随着软硬件技术的升级经历了的几个阶段。
一般而言，X射线要穿透正常组织到达肿瘤细胞的深度去杀死肿瘤细胞而不损伤正常组织并没有那么容易，这需要选择合适能量的X射线以及精确的模拟计算来保护正常组织。
X射线管和加速管的发明让可以得到合适能量的X射线，我们通常用管电压用来衡量射线的能量。
放射科诊断X射线，能量一般为千伏级。放疗科治疗X射线，能量一般为兆伏级。
左：X射线管原理图 右：放疗设备内部结构。X射线管产生的X射线，其能量并不是单一的--从0到峰值（X线治疗机的管电压）。然而射线低能量部分对较深部位的肿瘤治疗毫无作用且会产生高的皮肤剂量。为了适应治疗的需要必须对低能X射线的能谱进行改进，一般会在射线的路径上增加一个过滤器去掉低能部分保留较高能量的X射线。经过这种改进后产生的X射线比原来的平均能量要高，更适合深部肿瘤的治疗。
射线是不认识肿瘤组织的，如果不加以适当遮挡，在射线路径上会无差别攻击正常组织而带来不必要的损伤，特别是肿瘤组织周围散布正常敏感器官的时候更是一个棘手的问题。因此在放疗设备的发展历史中曾经出现过各种各样的遮挡设备，以尽可能地减少正常组织的受照范围。
三维适形放射治疗（3D-CRT）概念的提出以及多叶准直器（MLC）的发明给以上问题带来了优秀的解决方案，也是现在运用最成熟的方案。不管肿瘤是什么形状，MLC都可以通过改变每一片“叶片”的位置来将射线的通路限制在肿瘤的形状范围内，也就是我们想要照射的范围。
然而当肿瘤组织具有更精细的三维结构，比如具有凹型的结构时，只是限制射线范围还是不能满足临床要求时，调强适形放疗的方法应运而生。
在射线照射时，通过控制每一片“叶片”的运动来调节照射野范围内不同区域的受照强度从而减少非肿瘤组织的照射。幸运的是，随着计算机技术的发展，这些计算变得越来越容易，直至出现了只给出临床剂量目标逆向算出叶片的运动方案的逆向调强放射治疗（IMRT）技术。IMRT技术的发展不断接近了放疗科医生的“四个最”的愿望：
其临床结果是：明显提高肿瘤的局控率，并减少正常组织的放射损伤。
- 03 其他的问题及解决方案 -。虽然目前计算机技术使放射治疗极大地减少了正常组织的放射损伤，仍然存在几个问题。
- 应用计算机技术算出来的射线剂量分布所见并不所得，比如人体器官如肺会一直处于运动之中。
这个问题可以通过特殊固定设备限制呼吸范围、四维CT扫描、医师勾画考虑运动范围的照射靶区等。
- 实际治疗的摆位精度如何保证。
这个问题可以通过拍摄射野验证片、影像资料匹配辅助治疗即图像引导放射治疗技术。
- 尽管正常组织的照射剂量较以前已经相当少了，但是仍然会有放疗副反应的发生。
针对这个问题，人们正在寻求更加安全有效的放疗治疗技术及其辅助设备，以不断提高治疗过程中各项参数的精度。
不管何种放射治疗技术最终的目的都是通过各种手段不断提高放射治疗精度，提高治疗增益比。调强技术使得能够针对某些特殊形状（如马蹄状肿瘤）将剂量避开重要器官，从而能够提高针对肿瘤的剂量。IGRT在IMRT的基础上又前进了一大步，其解决了肿瘤在治疗过程中的移位等问题，以进一步提高放射治疗的精度。
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