（一）急性期：在輻射期間或期后即可發生急性期的病理變化，上皮細胞變性脫落，隱窩細胞有絲分裂減少，腸粘膜變薄、絨毛縮短，毛細血管擴張，腸壁粘膜充血水腫及炎癥細胞浸潤。病變直腸可見杯狀細胞肥大、腺體增生、變形，常有急性炎細胞，嗜酸性粒細胞和脫落的粘膜上皮細胞形成的隱窩膿腫。通常在數周內達到高峰而后消退。如果照射量大而持久，粘膜可發生局部或彌漫性潰瘍，其分布與深淺不一，周圍粘膜常呈結節狀隆起，其四周的毛四血管擴張。粘膜病變易出血。
（二）亞急性期：起始于照射后2～12個月，粘膜有不同程度的再生和愈合，但粘膜下小動脈內皮細胞腫脹并與它們的基度膜分離，最后發生空泡變性脫落，形成閉塞性脈管炎。血管內膜下出現大量特殊的“泡沫巨噬細胞”，對血管放射性損傷有診斷意義。血管的閉塞導致腸壁進行性缺轎，粘膜下層纖維增生伴有大量纖維母細胞，并可見平滑肌的透明變性，膠原含量減少，雖然如此，局部血供尚能滿足，但患者并發有高血壓、糖尿病、冠心病、血管硬化等。若同時出現心力衰竭，則腸壁出現嚴重血供不足，可引起直腸壁潰瘍、膿腫和直腸陰道瘺或直腸膀胱等形成。
（三）慢性期：慢性期病變實質上是潛伏的血管閉塞引起的延緩病損。腸壁的缺血程度不同，慢性病變延延較久。病期與病變顯露時間長短不一，一般在放療后1～5年出現，小腸病變可在放閣后6年半出現。直腸慢性病損有在放療后10年出現。受損的腸段粘膜糜爛，可有頑固的鉆孔或瘺管形成，以及并發腸梗阻，腹膜炎、腹腔膿腫等。小腸病變嚴重時粘膜絨毛萎縮，引起吸收不良。直腸的慢性病變隊潰瘍糜爛外，殘存腺體杯狀細胞大量增生，可引起粘液和血便。晚期可發生癌變，但不多見。
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