物理剂量和生物剂量资料

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1、物理剂量和生物剂量 -放射治疗中的外因和内因 上海交通大学医学院 新华医院放疗科 周志孝 放射治疗中的两个主要的剂量参量: 物理剂量-吸收剂量(剂量) (ABSORBED DOSE ,DOSE,) 生物剂量-生物等效剂量(等效剂量) (IsoEffect Dose ,EQD2) 生物效应剂量 (Biological Effective Dose,BED) 根据国际原子能委员会第30号 报告定义，“生物剂量”是指对生 物体辐射响应程度的度量。 “物理剂量”与“生物剂量” 是两 个不同的概念,但相互之间又有密 切的关系. 物理剂量-放射治疗中的外因,是放射治疗的必要条 件. 生物剂量-放射治疗中的

2、内因,是放射治疗的基本基 础. “外因必须通过内因才能起作用 !” 不提供”物理剂量”,当然就谈不上放射治疗; 但是不考虑人体组织对放射性射线的不同的生 物效应,肿瘤控制率和生存质量就无从谈起.因 为肿瘤控制率和生存质量就是通过”生物剂量” 来衡量的. 一 物理剂量 物理剂量-吸收剂量(剂量) (ABSORBED DOSE ,DOSE,) 1 吸收剂量定义 1 吸收剂量是指任何电离辐射，授予质量 为dm的物质的平均能量d除以dm所得的商， 即： d D= (1) dm 2 吸收剂量的基本单位 国际单位制单位：焦耳每 千克 ，焦耳.千克 -1（J.Kg-1） 专名 ：戈瑞，戈（Gy),毫戈瑞（m

3、Gy）， 微戈瑞 (Gy） 专用单位 ： 拉德（rad） 1戈瑞（Gy）=1焦耳.千克 -1（J.Kg-1） 1 Gy=103mGy=106Gy 1rad=10-2Gy=1cGy 3 放射性射线对生物体的基本作用 放射性射线对生物体的主要作用是电离作用 . 通过该作用,一方面把自己的能量交给了生物 体, 同时就使生物体内产生有害的自由基（ H.,OH.,R.）及H2O2和e-ag等. 这可对肿瘤组织产生损伤或不可逆损伤， 从而达到治癌的目的;同时对正常组织也能造 成放射性损伤和致癌,从而造成对生存质量的 影响. 4 物理剂量的本质 从物理剂量的定义,单位和与生物体的基本作 用中看到:物理剂量的

4、本质就是对生物体从射线 场得到多少能量的一种描述. 当然,能量越多,生物效应越明显.但多少是合 适的呢?”既能最大地杀死肿瘤组织又能最大地 保护正常组织?”,它就无能为力了.这就要由肿 瘤组织和正常组织的放射生物特性来决定了. 肿瘤组织和正常组织的放射生物特性,目前 就由生物剂量来描述.由它来决定需要多少能量 才最合适. 这就是“外因必须通过内因才能起作用!” 二 生物剂量 随着”放射生物学”的发展,”生物剂量”的概念 也有一个发展的过程. 最早是1969年Ellis提出的名义标称剂量概 念及表达式(Norminal Standard Dose NSD),这是根据正常结缔组织耐受量，结合皮 肤

5、红斑，鳞状细胞癌的等剂量曲线而总结出来 的。该公式可以理解为正常组织放射反应相同 的情况下的总剂量, 时间，分次的函数关系， NSD可以看作生物学有效剂量。当使用不同治 疗方案时只要NSD相同，就可以说使用了相同 的生物剂量。如结缔组织耐受的数值接近 1800Ret。 但在1972年Kellerer和Rossi提出线性平方 模型及表达式(Linear Quadratic equation L-Q公式 /方程)后,大家就越来越倾向于由 此公式推导出的EQD2 和BED公式来描述放射 治疗中的生物剂量了.即: 生物等效剂量(等效剂量) (IsoEffect Dose , Equivalent Do

6、se in 2 Gy/f, EQD2) 生物效应剂量 (Biological Effective Dose,BED) 当然,生物剂量的放射生物基础是”4R” 2(5R,6R) n放射性损伤的“再修复” (Repair of radiation damage) n细胞的“再增殖” (Regeneration of cell) n细胞周期内的“再分布” (Redistribution of cell in cycle) n肿瘤内乏氧细胞的“再氧合” (Reoxygenation of hypoxic cell in tumors) n休止期的G0细胞“再补充”到生长分数 3 (Recruitmen

7、t) n放射敏感性 4 (Radiosensitiviti) 1 生物等效剂量(等效剂量) (Equivalent Dose in 2 Gy/f, EQD2) 1) 生物等效剂量(等效剂量)计算公式 等效剂量（EQD2）的计算是在/公式基础上推导 而得的: 在常规放疗方案中，d2=Dt/N=2Gy，就有： n2 d2 =n1d1(/+d1)/ (/+2) 5 (2) n2d2我们称它为治疗方案（n1d1）的等效剂量（EQD2 ）. 公式（2）就是等效剂量（EQD2）的计算方程式。 从公式（2）中我们看到,等效剂量（EQD2 ） 除了和物理剂量n1d1有关外,还和: (1)组织的/值有关,而组织

8、的/值的大小 就反映了组织的放射性生物特性.一般来说,早 反应组织和肿瘤组织的/值比较大,晚反应 组织的/值比较小.则在同样的外因(物理剂 量)下,由于两种组织的内因(放射性生物效应) 不同而造成各自的等效剂量不同. (2)还和分次量(d1)的大小有关.因为两种组织的 放 射性生物效应对分次量的依存关系不一样,这 就是内因不同在起作用的结果. 2) 等效剂量与物理剂量的比值( ) 从生物等效剂量计算公式我们可以得到: =n2 d2/ n1d1 = (/+d1)/ (/+2) (3) - 等效剂量（EQD2）与物理剂量的比值 等效剂量与物理剂量的比值( )表 / d1 2Gy3Gy10Gy15G

9、y 1.0 Gy/F0.7500.8000.9170.941 1.1 Gy/F0.7750.8200.9250.947 1.2 Gy/F0.8000.8400.9330.953 1.5 Gy/F0.8750.9000.9580.971 2.0 Gy/F1.0001.0001.0001.000 3.0 Gy/F1.2501.2001.0831.059 4.0 Gy/F1.5001.4001.1671.118 5.0 Gy/F1.7501.6001.2501.176 等效剂量与物理剂量的比值()曲线 从等效剂量与物理剂量的比值( )的表格和曲线中 我们看到: n 当分次量(d1)2Gy时,等效剂量

10、（EQD2）都大于 物理剂量n1d1.虽然早反应组织和肿瘤组织的等效剂 量上升了,但晚反应组织的等效剂量上升更多.这就是 大分割虽然可以提高肿瘤控制率,但晚反应组织反应偏 重的道理.在此情况下,我们为了保护晚反应组织就不 得不减少物理剂量. 但大分割对生长快的肿瘤的治疗,在临床上还是有 一定作用的. 公式(2)基本上是用在外照射中,而外照射基 本属于“急速照射”，2Gy/min的照射在照射期 间基本不发生再修复；而照射和照射之间的间 隔又大于6小时（即使是超分割），则亚致死 损伤基本上完全修复了 6,此时可用等效剂量（ EQD2）的基本表达式,可不作修正。 但在临床的治疗中，有时候亚致死损伤并

11、没 有完全修复（如超分割照射时间间隔不足6小 时；低剂量率长时间照射等），则应该在等效 剂量（EQD2）的基本表达式基础上作一些必 要地修正，引入不完全修复因子（hm) 7；又有 些治疗方案由于治疗总天数太长，超过了肿瘤 快速再增殖的起始天数(T) 则在治疗期间就发 生了再增殖，等效剂量（EQD2）基本表达式 也需要作相应修正 7。 2 生物效应剂量 (Biological Effective Dose,BED) 1）生物效应剂量（BED）的 基本表达式 1 生物效应剂量（BED）的基本表达式也是由 /方程转换 而得,只要便可得到生物效应 剂量（BED） 基本表达式，即： E/ =n(d+d

12、2 /) （4） BED=D（1+d/（ /） （5） （5）式即为生物效应剂量（BED）的基本表 达式。 式中： BED-生物效应剂量， （Gy） D-肿瘤治疗物理总剂量， （Gy） d-分割剂量， （ Gy/次） /- 该种组织的/值。 （Gy） 从中看到: 生物效应剂量（BED）的生物学 涵义是在一定时间限度内，分割次数 n趋向无限大，而分割剂量d趋向无穷 小时，达到一定常规照射同样生物效 应的等效剂量。此时DNA断裂趋向于 由单击事件造成而双击效应消失。 故生物效应剂量（BED）又称为 外推耐受剂量（ETD）或外推响应剂 量（ERD）。 2）生物效应剂量（BED） 综合表达式 1,8

13、若进一步考虑放射分割照射期间组 织放射性损伤未完全修复和照射治疗 期间肿瘤细胞的代偿性增殖两项因素 ，则生物效应剂量（BED） 基本表达 式可以扩展为生物效应剂量（BED） 综合表达式。表达式如下： d 2K（1-Kn） BED=D（1+（-）（1- -）-（T-T ） / n（1-K2） (6) T 治疗总时间， （天） T 细胞增殖开始时间,（天） K=e-t 亚临床放射损伤修复因子, =0 T=28天及晚反应组织, =0.85Gy/天 T28天肿瘤增殖因子， =1.4/小时 /=10Gy , =0.46/小时 /=3Gy ， t 两次照射间的时间间隔。（小时 ） n 总照射次数 几种组织

14、的 和 值 组织/参数（days)(Gy/day) 口腔粘膜7- 非小细胞肺癌140.66 头颈部鳞癌210.5-0.7 食道癌280.5-0.7 鼻咽癌280.85 从公式(6)看到: 生物效应剂量（BED）值除了和组织的/ 值,分次量(d1)的大小有关外,还和经照射后组 织的”再修复” 及肿瘤(早反应组织)的”再增殖” 能力的大小有关. 这就涉及到各种不同组织的放射生物效应的 问题了.如”半修复时间(repair half- time) 2()”,两次照射间的时间间隔(t ), 细胞 增殖起始时间(T ),肿瘤增殖因子()及治疗总 时间(T)等.这些都是”内因”. 即使在相同的”外因”下也

15、会得到不同的治疗 结果.这就是”外因”必须通过”内因”起作用,只 有这样才能达到理想的效果. 三 外因和内因在临床治疗中的应用 ”外因”必须通过”内因”才能起作用,在放射治 疗临床应用中必须清楚地认识到这一点! 我们必须充分清楚地认识: ”生物的放射生物规律”, 然后再来选择合适的”外因”. 只有这样才能使”外因”更好地发挥 作用,真正地让放射治疗在肿瘤治疗中 发挥更大的作用! 1 射线种类的选择 不同种类的射线与人体作用时有不 同的放射生物效应. 1) 低LET射线对乏氧细胞不敏感而 高LET射线对乏氧细胞敏感. 2) 中子的生物效应大小与其能量大小 有关,一般来说其生物效应是X,e线 的好几倍. 2 射线衰减特性的选择 不同种类的和不同能量的射线在人体内有不 同的衰减特性(吸收特性).我们就必须根据肿瘤 的具体位置,大小和周围脏器的分布来具体选择 射线的种类和能量的大小.只有这样才能使在肿 瘤治疗的前提下,周围脏器得到最大的保护. 注意:高LE