急性期的病理改變多發生于放射治療后1～2月，亦有遲至治療結束后半年始發現。表現為肺血管特別是毛細血管損傷產生充血、水腫和細胞浸泣，肺泡Ⅱ型細胞再生低下，淋巴管擴張和透明膜形成。急性變化有可能自行消散，但常引起肺結締組織增生，纖維化和玻璃樣變。
慢性期往往發生于放射治療9個月以后，病理為廣泛肺泡纖維化，肺臟收縮、毛細血管內膜增厚、硬化、管腔狹窄或阻塞而導致肺循環阻力增高和肺動脈高壓。
胸膜也可因炎變和纖維化而增厚。細支氣管粘膜上皮間變，肺中繼發性感染，可促進放射性纖維化。
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