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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李宏奇源引上海交大源引上海交大 周志孝周志孝 教授资料教授资料2021/6/162021/6/161 1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 DOSEABSORBED DOSE ,DOSE,)生物剂量-生物等效剂量(等效剂量) (IsoEffect DoseIsoEffect Dose ,EQD2) 生物效应剂量 (Biological EffectiveBiological Effective DoseDose,BED)2021/6/162021/6/162 2 根据国际原子能委员会第30号报告定义，“生物剂量
2、”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. 2021/6/162021/6/163 3物理剂量物理剂量-放射治疗中的外因放射治疗中的外因, ,是放射治疗的必要条件是放射治疗的必要条件. .生物剂量生物剂量-放射治疗中的内因放射治疗中的内因, ,是放射治疗的基本基础是放射治疗的基本基础. .“外因必须通过内因才能起作用!” 不提供不提供” ”物理剂量物理剂量”, ”,当然就谈不上放射治疗当然就谈不上放射治疗; ;但但是不考虑人体组织对放射性射线的不同的生物效应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
3、无从谈起肿瘤控制率和生存质量就无从谈起. .因为肿瘤控制率因为肿瘤控制率和生存质量就是通过和生存质量就是通过” ”生物剂量生物剂量” ”来衡量的来衡量的. .2021/6/162021/6/164 4一 物理剂量 物理剂量-吸收剂量(剂量) (ABSORBED DOSEABSORBED DOSE ,DOSE,) 1 吸收剂量定义吸收剂量定义11 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) dm2021/6/162021/6/165 5 2 吸收剂量的基本单位吸收剂量的基本单位 国际单位制单位：焦耳每国际单位制单位：焦耳每 千克千克 ，焦耳
4、，焦耳. .千克千克 -1-1（J J. .KgKg-1-1） 专名专名 ：戈瑞，戈（：戈瑞，戈（GyGy),),毫毫戈瑞（戈瑞（mGymGy），）， 微戈瑞微戈瑞 ( ( GyGy） 专用单位专用单位 ： 拉德（拉德（radrad） 1 1戈瑞（戈瑞（GyGy）=1=1焦耳焦耳. .千克千克 -1-1（J J. .KgKg-1-1） 1 1 GyGy=10=103 3mGy=10mGy=106 6 GyGy 1rad=10 1rad=10-2-2Gy=1cGyGy=1cGy2021/6/162021/6/166 63 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
5、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.2021/6/162021/6/167 74 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
6、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!”2021/6/162021/6/168 8二 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年年Ellis提出的名义标称剂量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
7、用了相同的生物剂量。如结缔组织耐受的数值接近1800Ret。2021/6/162021/6/169 9 但在1972年年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 DoseIsoEffect Dose , Equivalent Dose in 2 Gy/f, EQD2) 生物效应剂量 (Biological Effective Dose,BED)2021/6/162021
8、/6/1610101 生物等效剂量(等效剂量) (Equivalent Dose in 2 Gy/f, EQD2) 1) 1) 生物等效剂量生物等效剂量( (等效剂量等效剂量) )计算公式计算公式 等效剂量（等效剂量（EQDEQD2 2）的计算是在）的计算是在/公式基础上推导而公式基础上推导而得的得的: : 在常规放疗方案中，在常规放疗方案中，d d2 2=Dt/N=2Gy=Dt/N=2Gy，就有：，就有： n n2 2 d d2 2 =n =n1 1d d1 1(/+d(/+d1 1)/ (/+2)/ (/+2)55 ( (2)2)n n2 2d d2 2我们称它为治疗方案（我们称它为治疗方
9、案（n n1 1d d1 1）的等效剂量（）的等效剂量（EQDEQD2 2）. .公式（公式（2 2）就是等效剂量（）就是等效剂量（EQDEQD2 2）的计算方程式。）的计算方程式。2021/6/162021/6/161111 从公式（从公式（2 2）中我们看到）中我们看到, ,等效剂量（等效剂量（EQDEQD2 2） 除了和物理剂量除了和物理剂量n n1 1d d1 1有关外有关外, ,还和还和: :(1)(1)组织的组织的/值有关值有关, ,而组织的而组织的/值的大小值的大小 就反映了组织的放射性生物特性就反映了组织的放射性生物特性. .一般来说一般来说, ,早早 反应组织和肿瘤组织的反应
10、组织和肿瘤组织的/值比较大值比较大, ,晚反应晚反应 组织的组织的/值比较小值比较小. .则在同样的外因则在同样的外因( (物理剂物理剂 量量) )下下, ,由于两种组织的内因由于两种组织的内因( (放射性生物效应放射性生物效应) ) 不同而造成各自的等效剂量不同不同而造成各自的等效剂量不同. .(2)(2)还和分次量还和分次量( (d d1 1) )的大小有关的大小有关. .因为两种组织的放因为两种组织的放 射性生物效应对分次量的依存关系不一样射性生物效应对分次量的依存关系不一样, ,这这 就是内因不同在起作用的结果就是内因不同在起作用的结果. .2021/6/162021/6/161212
11、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2021/6/162021/6/161313等效剂量与物理剂量的比值( )表 /d d1 12Gy2Gy3Gy3Gy10Gy10Gy15Gy15Gy1.0 Gy/F1.0 Gy/F0.7500.750 0.8000.800 0.9170.917 0.9410.9411.1 Gy/F1.1 Gy/F0.7750.775 0.8200.820 0.9250.925 0.9470.9471.2 Gy/F1.2 Gy/F0
12、.8000.800 0.8400.840 0.9330.933 0.9530.9531.5 Gy/F1.5 Gy/F0.8750.875 0.9000.900 0.9580.958 0.9710.9712.0 Gy/F2.0 Gy/F1.0001.000 1.0001.000 1.0001.000 1.0001.0003.0 Gy/F3.0 Gy/F1.2501.250 1.2001.200 1.0831.083 1.0591.0594.0 Gy/F4.0 Gy/F1.5001.500 1.4001.400 1.1671.167 1.1181.1185.0 Gy/F5.0 Gy/F1.7501
13、.750 1.6001.600 1.2501.250 1.1761.1762021/6/162021/6/161414等效剂量与物理剂量的比值()曲线2021/6/162021/6/161515 从等效剂量与物理剂量的比值从等效剂量与物理剂量的比值( ( )的表格和曲线中的表格和曲线中我们看到我们看到: :(1)(1) 当分次量当分次量( (d d1 1)2Gy)2Gy)2Gy时时, ,等效剂量（等效剂量（EQDEQD2 2）都大）都大于物理剂量于物理剂量n n1 1d d1 1. .虽然虽然虽然虽然早反应组织和肿瘤组织的早反应组织和肿瘤组织的等等效剂量效剂量上升了上升了, ,但但晚反应组织的
14、晚反应组织的等效剂量等效剂量上升更多上升更多. .这就是大分割虽然可以提高肿瘤控制率这就是大分割虽然可以提高肿瘤控制率, ,但晚反应但晚反应组织反应偏重的道理组织反应偏重的道理. .在此情况下在此情况下, ,我们为了我们为了保护保护晚晚反应组织就不得不减少反应组织就不得不减少物理剂量物理剂量. . 但大分割对生长快的肿瘤的治疗但大分割对生长快的肿瘤的治疗, ,在临床上还是在临床上还是有一定作用的有一定作用的. .2021/6/162021/6/161616 公式公式(2)(2)基本上是用在外照射中基本上是用在外照射中, ,而外照射基本属而外照射基本属于于“ “急速照射急速照射” ”，2Gy/m
15、in2Gy/min在照射期间基本不发生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再修复；而照射和照射之间的间隔又大于6 6小时（即小时（即使是超分割），则亚致死损伤基本上完全修复了使是超分割），则亚致死损伤基本上完全修复了66, ,此时可用等效剂量（此时可用等效剂量（EQDEQD2 2）的基本表达式）的基本表达式, ,可不作可不作修正。修正。 但在临床的治疗中，有时候亚致死损伤并没有完但在临床的治疗中，有时候亚致死损伤并没有完全修复（如超分割照射时间间隔不足全修复（如超分割照射时间间隔不足6 6小时；低剂量小时；低剂量率长时间照射等），则应该在等效剂量（率长时间照射等），则应该在
16、等效剂量（EQDEQD2 2）的）的基本表达式基础上作一些必要地修正，引入不完全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（修复因子（h hmm) )77；又有些治疗方案由于治疗总天数；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太长，超过了肿瘤快速再增殖的起始天数(T(T ) ) 则在则在治疗期间就发生了再增殖，等效剂量（治疗期间就发生了再增殖，等效剂量（EQDEQD2 2）基本）基本表达式也需要作相应修正表达式也需要作相应修正77。2021/6/162021/6/1617172 生物效应剂量 (Biological Effective Dose,BED) 1）
17、生物效应剂量（BED）的 基本表达式 11 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+d2 /) （4） BED=D（1+d/（ /） （5） （5）式即为生物效应剂量（BED）的基本表达式。2021/6/162021/6/161818 式中：式中： BED-BED-生物效应剂量，生物效应剂量， （GyGy） D-D-肿瘤治疗物理总剂量，肿瘤治疗物理总剂量， （GyGy） d-d-分割剂量，分割剂量， （ GyGy/ /次）次） / /- - 该种组织的该种组织的 / / 值。值。 （GyGy）2021/6/1
18、62021/6/161919 2）生物效应剂量（BED） 综合表达式1,81,8 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：2021/6/162021/6/162020 d 2Kd 2K（1-K1-Kn n） BED=DBED=D（1+1+（-）（）（）（）（1- -1- -）- - （T-TT-T） / n n（1-K1-K2 2） (6)(6) T T 治疗总时间，治疗总时间， （天）（天） T T 细胞
19、增殖开始时间细胞增殖开始时间, ,（天）（天） K=eK=e- - t t 亚临床放射损伤修复因子亚临床放射损伤修复因子, , =0 T=0 T=2828天及晚反应组织天及晚反应组织, , =0.85Gy/=0.85Gy/天天 T T2828天肿瘤增殖天肿瘤增殖因子，因子， =1.4/=1.4/小时小时 /=10Gy ,=10Gy , =0.46/=0.46/小时小时 /=3Gy =3Gy ， t t 两次照射间的时间间隔。（两次照射间的时间间隔。（小时）小时） n n 总总照射照射次数次数2021/6/162021/6/162121几种组织的 和 值组织组织/ /参数参数（days)days
20、)(Gy/day)(Gy/day)口腔粘膜口腔粘膜7 7- -非小细胞肺癌非小细胞肺癌14140.660.66头颈部鳞癌头颈部鳞癌21210.5-0.70.5-0.7食道癌食道癌28280.5-0.70.5-0.7鼻咽癌鼻咽癌28280.850.852021/6/162021/6/162222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)22()”,两次照射间的时间间隔(t )
21、, 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.2021/6/162021/6/162323练习n nBED=D1+d/（ /）n n请对比以下请对比以下2种方案的种方案的BED：n n1、60Gy/30次；次；n n2、50Gy/ 5次；次；n n请对比体部伽马刀早期肺癌治疗方案请对比体部伽马刀早期肺癌治疗方案BED：n n3、50Gy/10次；次；n n4、60Gy/10次；次；n n5、70Gy/10次；次；2021/6/162021/6
22、/162424练习n nBED=D1+d/（ /）n n请对比请对比TOMO常用治疗方案常用治疗方案BED：n n1、50Gy/20次次=62.5；n n2、60Gy/20次次=78；n n3、70Gy/20次次=94.5；2021/6/162021/6/162525三 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!2021/6/162021/6/1
23、626261 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,线的好几倍.2021/6/162021/6/1627272 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LET射线和质子射线在衰减特性上具 有”bragg”峰,而峰的位置和宽度与能量 大小有关.20
24、21/6/162021/6/1628282021/6/162021/6/1629293 射线的剂量率的选择 生物的放射性行为还和射线的剂量率有关,这主要是由”4R”规律来决定的. 一般来说,在放射治疗临床上分三种剂量率照射66.三种剂量率照射在临床上生物效应不一样,故在临床上对剂量率应该作出选择. 一旦在剂量率无法作出选择的情况下,则相应的生物计算就要作出相应的修正9,109,10,当然临床治疗计划也应作出相应的变更. 2021/6/162021/6/1630301) 1) 急速照射急速照射: :急速照射指剂量率在急速照射指剂量率在2Gy/min2Gy/min以上的照以上的照射射, ,多数真核
25、细胞有生物学意义的照射在几分钟完多数真核细胞有生物学意义的照射在几分钟完成成, ,极少或不发生极少或不发生DNADNA单链的修复单链的修复. .一般情况下一般情况下, ,外外照射属于这种照射照射属于这种照射. .2) 2) 慢速照射慢速照射: :慢速照射指剂量率在慢速照射指剂量率在0.0.2cGy/min2cGy/min的照的照射射, ,有生物学意义的剂量需几小时才能完成有生物学意义的剂量需几小时才能完成, DNA, DNA单链断裂的修复基本是完全的单链断裂的修复基本是完全的. .3) 3) 迁延性照射迁延性照射: :剂量率介于两者之间的照射就是剂量率介于两者之间的照射就是 ” ”迁延性照射迁
26、延性照射”. ”.在这个区域里有生物学意义的照射在这个区域里有生物学意义的照射剂量的给出时间和剂量的给出时间和DNADNA单链断裂的修复速率常数差单链断裂的修复速率常数差不多不多, ,可以观察到剂量率效应可以观察到剂量率效应11,1211,12. . 而而IMRTIMRT照射由于照射时间延长到照射由于照射时间延长到20-4020-40分钟则分钟则从剂量率这一点来看从剂量率这一点来看, ,属于属于” ” 迁延性照射迁延性照射”. ”.则存则存在剂量率效应在剂量率效应, ,生物效应会下降生物效应会下降10-15%10-15%66. .2021/6/162021/6/1631314 照射分次量的选择
27、 在临床治疗选择照射分次量时首先必须认识到人体在临床治疗选择照射分次量时首先必须认识到人体组织的组织的” ”内因内因”-”-人体内的组织对放射性的行为分人体内的组织对放射性的行为分为为” ”早反应组织早反应组织” ”和和” ”晚反应组织晚反应组织”, ”,它们对照射分它们对照射分次量的放射生物反应各不一样次量的放射生物反应各不一样. .分次量大分次量大, ,则晚反应组织的放射生物反应比早反应则晚反应组织的放射生物反应比早反应 组织的放射生物反应严重组织的放射生物反应严重. .分次量小分次量小, ,则早反应组织的放射生物反应比晚反应则早反应组织的放射生物反应比晚反应 组织的放射生物反应严重组织的
28、放射生物反应严重. .2021/6/162021/6/1632322021/6/162021/6/163333 则在临床选择照射分次量时就应该根据内因的生物特性和内因治疗需要来选择照射分次量.生长快的肿瘤,而控制肿瘤生长作为主要目的的治疗中就可以选择大分次量照射.为了不使晚反应组织的放射生物反应太重就不得不适当降低治疗总剂量.对根治性治疗病人,而这种肿瘤在治疗期间又可能发生快速”再增殖”的,就可以选择小分次量照射(超分割),并适当增加治疗总剂量以提高肿瘤控制率.2021/6/162021/6/1634345 照射总剂量的选择 照射总剂量的选择基本上根据70多年临床经验来选择.但:根据病人的具体
29、病情可作适当调整.照射总剂量的选择和照射分次量的选择有关,注意要作生物学计算.现在有用”生物等效剂量”代替”物理照射总剂量”的苗头.用”内因”代替”外因”来制定治疗计划,似乎更符合客观规律.2021/6/162021/6/163535练习n nBED=D1+d/（ /）n n 患者赵患者赵患者赵患者赵*，男，胰头癌。半年前放疗，男，胰头癌。半年前放疗，男，胰头癌。半年前放疗，男，胰头癌。半年前放疗40Gy/2040Gy/20次，次，次，次，十二指肠受照射剂量为十二指肠受照射剂量为十二指肠受照射剂量为十二指肠受照射剂量为30Gy/2030Gy/20次。本次发现肿瘤原位次。本次发现肿瘤原位次。本次
30、发现肿瘤原位次。本次发现肿瘤原位复发，拟行再程放疗，十二指肠受量复发，拟行再程放疗，十二指肠受量复发，拟行再程放疗，十二指肠受量复发，拟行再程放疗，十二指肠受量20Gy/520Gy/5次，请问十次，请问十次，请问十次，请问十二指肠受量是否超过规定耐受量？二指肠受量是否超过规定耐受量？二指肠受量是否超过规定耐受量？二指肠受量是否超过规定耐受量？n n注：注：注：注：1 1、十二指肠受量为、十二指肠受量为、十二指肠受量为、十二指肠受量为50Gy/2550Gy/25次；次；次；次；n n 2 2、既往放疗后亚致死损伤修复忽略不计；、既往放疗后亚致死损伤修复忽略不计；、既往放疗后亚致死损伤修复忽略不计；、既往放疗后亚致死损伤修复忽略不计；2021/6/162021/6/163636谢谢 ！2021/6/162021/6/163737 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
