第十一章電離輻射的生物效應(yīng)與損傷

1、1第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 輻射第十一章第十一章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射 非電離輻射直接電離輻射間接電離輻射聲波等可見光紅外線紫外線粒子粒子離子質(zhì)子X射線射線中子2第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷第一節(jié) 輻射量及其測量第二節(jié) 電離輻射的生物學效應(yīng)第三節(jié)電離輻射的損傷機制第十一章第十一章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷3第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷第一節(jié) 輻射量及其測量國際權(quán)威組織“國際放射防護委員會” （ICRP）“國際輻射單位和

2、測量委員會”(International commission on radiological units and measurements ICRU)4第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷一、電離輻射的常用輻射量及其單位 二、輻射防護用輻射量和單位 三、電離輻射的測量方法 第一節(jié) 輻射量及其測量5第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷一、電離輻射的常用輻射量及其單位 單位 Ckg-1， 庫侖千克-1 ，曾用名稱為倫琴（R） 1R=2.5810-4Ckg-1 1Ckg-1=3.877103R定義 X或射線光子在質(zhì)量為dm的空氣中產(chǎn)生出所

3、有次級電子完全被空氣阻止時，在空氣中所形成的任何一種符號離子總電荷量的絕對值dQ除以dm所得的值 照射量 mQXdd照射量隨時間的變化率稱照射量率6第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 比釋動能 定義單位與照射量不同,比釋動能只適用間接電離輻射,它不僅用于空氣,也適用于其他物質(zhì) 注意 焦耳千克-1（Jkg-1）,專用名稱為戈瑞(Gy) 不帶電粒子在質(zhì)量為dm介質(zhì)中釋放出的全部帶電粒子初始動能之和除以dm所得的值mKtrdd一、電離輻射的常用輻射量及其單位 比釋動能隨時間的變化率稱為比釋動能率7第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷單位

4、戈瑞（Gy），1Gy1Jkg-1， 曾用單位為拉德 （rad），1Gy100rad。 定義 單位質(zhì)量物質(zhì)吸收電離輻射的平均能量 吸收劑量mDdd吸收劑量隨時間的變化率稱為吸收劑量率一、電離輻射的常用輻射量及其單位 吸收劑量適用于任何類型輻射以及任何被輻射物質(zhì)8第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷照射量、比釋動能、吸收劑量之間的關(guān)系 KWmWXatraedde式中e為一個電子的電量。一、電離輻射的常用輻射量及其單位 如果把 換算成等效的電荷數(shù)，即可從比釋動能算出照射量。如果電離一對離子的平均消耗能量為 ，則有trdaW9第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離

5、輻射的生物效應(yīng)與損傷照射量、比釋動能、吸收劑量之間的關(guān)系 mDmKtrdddd上式一般在低原子序數(shù)和X、g 射線能量較低時，均可滿足。一、電離輻射的常用輻射量及其單位 比釋動能是非帶電粒子傳給全體次級電子的能量，吸收劑量是物質(zhì)從全體電子吸收的能量，所以在同一物質(zhì)中 與 近似相等，即trdd10第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷1.當量劑量（equivalent dose,H） 描述生物效應(yīng)發(fā)生的程度就必須對吸收劑量D加以修正，這個修正因子稱之為輻射權(quán)重因子WR。當量劑量由下式給出 ：H = WRD 二、輻射防護用輻射量和單位11第第十一十一章章 電離輻射的生物效

6、應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷吸收劑量應(yīng)取器官或組織的平均吸收劑量DT，則組織與器官的當量劑量的計算公式是： 如果多種輻射作用于某組織與器官，則該組織與器官的總的當量劑量為輻射權(quán)重因子WR由國際輻射防護委員會（ICRP）認定。WR無量綱，故HT與D的量綱相同，也是Jkg-1，但專用名稱為希沃特（Sv）。HT = WRDT TRRRTDWH二、輻射防護用輻射量和單位1.當量劑量（equivalent dose,H） 12第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷1.有效劑量（ effective dose，E ） 組織權(quán)重因子WT 器官和組織的權(quán)重因子T0.720.08

7、0.160.041.000.120.080.040.01總計紅骨髓、結(jié)腸、肺、胃、乳腺、其余組織性腺膀胱、食道、肝、甲狀腺骨表面、腦、唾腺、皮膚 WTWT組織或器官二、輻射防護用輻射量和單位13第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 經(jīng)WT修正后的當量劑量稱為有效劑量，用E表示。如果所受輻射包括了幾種組織與器官，則輻射造成的有效劑量是各組織、器官有效劑量之和，即TTTTTHWEE二、輻射防護用輻射量和單位14第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 例11-1 某次胸部檢查（胸片）患者各組織器官受到的當量劑量為生殖腺0.01，乳腺0.06；

8、紅骨髓0.25，肺0.05，甲狀腺0.08，骨表面0.08，其他組織0.11；胸部檢查（胸透）各組織器官受到的當量劑量為生殖腺0.15，乳腺1.30；紅骨髓4.10，肺2.30，甲狀腺0.16，骨表面2.60，其他組織0.85，劑量單位均為mSv，求接受者的有效劑量。二、輻射防護用輻射量和單位15第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷解：依公式11-9有：EXP=0.010.08+0.060.12+0.250.12+0.050.12+0.080.04+0.080.01+0.110.51=0.1041mSvEXT=0.150.08+1.300.12+4.100.12+

9、2.300.12+0.160.04+2.600.01+0.850.51=1.4019mSv可見，此次胸透患者接受的有效劑量相當于14次胸透。二、輻射防護用輻射量和單位16第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 ICRR委員會采用男性和女性參考體模，計算了器官和組織的當量劑量。為了確定有效劑量，應(yīng)先評價參考男人和參考女人的器官或組織當量劑量，然后通過平均來得出參考人的當量劑量二、輻射防護用輻射量和單位17第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 放射性核素攝入和外照射女性體模吸收劑量當量劑量性別平均當 量劑量HT有效劑量EWRWT參考男人參考

10、女人參考人男性體模吸收劑量當量劑量性別平均得到有效劑量二、輻射防護用輻射量和單位18第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷按照以下公式分別根據(jù)對參考男人和對參考女人的器官和組織T評估得到的當量劑量和，計算出有效劑量：TFTMTT2HHWE二、輻射防護用輻射量和單位19第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷3.集體當量劑量（collective dose equivalent） 集體有效劑量（collective effective dose） 統(tǒng)稱集體劑量 集體當量劑量ST是受輻射群體中每個成員所受當量劑量的總和。集體當量劑量的單位是人希

11、沃特二、輻射防護用輻射量和單位 如N個人所受當量劑量相同，則ST為個人當量劑量的N倍。同樣的概念也用于集體有效劑量。即每個人的平均有效劑量與人數(shù)的乘積為集體有效劑量S，集體有效劑量的單位也是人希沃特。 20第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷1、電離室法測量照射量 三、電離輻射測量方法2、量熱計法測量吸收劑量 3、熱釋光法測量吸收劑量 4、膠片劑量測定法 5、放射性計數(shù)測量 利用輻射產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)，如熱作用、電離作用、熒光作用、光化學效應(yīng)等，可以對輻射源進行檢測 21第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離室法測量照射量 自由空氣

12、電離室（標準電離室）是根據(jù)照射量定義設(shè)計的，是對照射量進行直接絕對測量的標準儀器。 三、電離輻射測量方法22第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷量熱計法測量吸收劑量 任何一種物質(zhì)，當受到輻射照射時，其吸收的射線能量都將以熱的形式表現(xiàn)出來。吸收的能量越大，產(chǎn)生的熱量越高。通過測量此熱量，就可以定量給出吸收劑量的大小。這就是熱量計的制作原理。 三、電離輻射測量方法23第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷熱釋光法測量吸收劑量 用輻射照射劑量元件，然后對熱釋光劑量片重新加熱時，可使帶電中心束縛的價電子脫離吸引重新變成自由電子，同時以光的形式釋

13、放出能量來。三、電離輻射測量方法24第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷膠片劑量測定法 當射線穿過感光膠片時，膠片中的靈敏物質(zhì)如溴化銀便形成潛影，經(jīng)過化學處理（顯影、定影）后，其光學密度發(fā)生變化，變化程度與膠片吸收輻射能量的多少有關(guān)，這種關(guān)系在一定的劑量范圍內(nèi)呈線性。三、電離輻射測量方法25第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷放射性計數(shù)測量 用計數(shù)的形式來測量輻射場劑量的大小。在GM計數(shù)管的陰極和陽極之間加上電壓（幾百伏至上千伏），當輻射入射到管內(nèi)時，管內(nèi)氣體將產(chǎn)生電離，一次接一次的電離形成雪崩放電。每產(chǎn)生一次放電在外線路就會形成一個

14、脈沖。因此確定了計數(shù)管的工作電壓，即可由此測量輻射量的大小。三、電離輻射測量方法26第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷第二節(jié) 電離輻射的生物學效應(yīng)一、電離輻射損傷的表觀特性二、確定性效應(yīng)和隨機性效應(yīng)三、小劑量電離輻射的生物效應(yīng)四、影響輻射生物效應(yīng)的因素27第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 電離輻射將能量傳遞給有機體引起的任何改變，統(tǒng)稱為電離輻射生物學效應(yīng)(ionizing radiation biological effect)，人類的放射損傷是一種嚴重的病理性輻射生物效應(yīng)。一、電離輻射損傷的表觀特性28第第十一十一章章 電離輻

15、射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 電離輻射的劑量具有累積性，對生物體所造成的傷害大小與各次輻射的總和成正比。 電離輻射生物學效應(yīng)表現(xiàn)強烈又多種多樣。它能促進細胞分裂與生長；抑制生物體新陳代謝；誘發(fā)遺傳性變異選育新品種；也能破壞細胞結(jié)構(gòu)用于消滅病菌、害蟲；還能用于診斷和治療疾?。坏材軐е履[瘤及輻射病的發(fā)生。 一、電離輻射損傷的表觀特性29第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷1確定性效應(yīng)（deterministic effect） 當輻射作用于生物體的整體或局部組織時，構(gòu)成該組織的相當數(shù)量的細胞被殺死，從而使該種組織或有該種組織構(gòu)成的器官的功能受到影響并可

16、觀察到其形態(tài)變化或癥狀，通過這樣的發(fā)生機制產(chǎn)生的效應(yīng)稱為確定性效應(yīng)。 二、確定性效應(yīng)和隨機性效應(yīng)特點： 此生物效應(yīng)的嚴重程度與照射劑量的大小成正比，且存在劑量閾值，通常為0.1Gy-0.2Gy。30第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷2隨機性效應(yīng)（stochastic effect） 電離輻射能量沉積是一種隨機性過程，對于單個細胞的變異而產(chǎn)生的生物學效應(yīng)是隨機性事件。因此稱這類輻射效應(yīng)為隨機性效應(yīng)。 特點：此效應(yīng)無劑量閾值，損傷嚴重程度與受輻射劑量 大小無關(guān)，效應(yīng)發(fā)生概率與所受劑量大小成正比注意這個劑量是累積劑量，有日、月、年及終生劑量二、確定性效應(yīng)和隨機性效應(yīng)隨

17、機性效應(yīng)分成兩大類：致癌效應(yīng)和遺傳效應(yīng)。31第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷1小劑量一次照射 人員受到一次小劑量照射后，機體在照后60天以內(nèi)主要出現(xiàn)兩方面的變化。早期臨床癥狀 ：多在受照后當天出現(xiàn)，持續(xù)時間較短，不經(jīng)治療一般數(shù)天后可自行消失。 三、小劑量電離輻射的生物效應(yīng)2小劑量慢性照射效應(yīng) 人員受到當量劑量限值范圍內(nèi)的長期照射，稱之為小劑量慢性照射或低水平照射。由于受照次數(shù)多，疊加時間長，因而機體既有損傷的表現(xiàn)，又有修復(fù)和適應(yīng)的表現(xiàn)。 32第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷3毒物刺激效應(yīng) 較大劑量的電離輻射已被公認具有降低免疫

18、力和誘發(fā)腫瘤的作用，但低劑量電離輻射對免疫系統(tǒng)卻具有一定的刺激性作用，同時它對生物生長發(fā)育、延長壽命、提高生育力、防癌和抗感染等方面具有有益的作用，同時能提高免疫能力，并能使小劑量預(yù)輻射照射后的大劑量輻射產(chǎn)生適應(yīng)性。這種反轉(zhuǎn)效應(yīng)稱為Hormersis效應(yīng)。三、小劑量電離輻射的生物效應(yīng)33第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷1. 與電離輻射有關(guān)的因素 （1）照射劑量相同的情況下，因輻射種類不同，機體產(chǎn) 生的生物效應(yīng)也不一樣；（2）吸收劑量愈大生物效應(yīng)愈明顯；（3）劑量率愈大，效應(yīng)愈顯著；（4）當總劑量相同時，分次愈多，各次照射時間間隔愈 長，生物效應(yīng)愈??；（5）當吸

19、收劑量和劑量率相同時，機體受照的部位不同 引起的生物效應(yīng)也不同；（6）其他條件相同時，受照面積愈大損傷愈嚴重；四、影響輻射生物效應(yīng)的因素34第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷2. 與機體有關(guān)的因素 高度敏感組織 淋巴組織、胸腺、骨髓 腸胃上皮 性腺和胚胎組織3. 環(huán)境因素 低溫、缺氧情況下，可以減輕輻射的生物效應(yīng)。 不同種類的生物對輻射的敏感性差異很大， 種類進化程度愈高，組織結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，輻射敏感性愈高不敏感組織 肌肉組織 軟骨 骨組織 結(jié)締組織中度敏感組織 感覺器官 內(nèi)皮細胞 皮膚上皮 腎 、肝、肺的上皮細胞輕度敏感組織 中樞神經(jīng)系統(tǒng) 內(nèi)分泌腺 心臟人類對輻射

20、四、影響輻射生物效應(yīng)的因素35第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷第三節(jié)電離輻射的損傷機制一、輻射與自由基二、直接作用與間接作用三、原初過程和時間進程四、靶學說和生物靶的調(diào)節(jié)作用36第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷一、輻射與自由基 自由基（free radical） 自由基是帶有一個或多個不配對電子的原子、分子、離子或原子團，具有極強的活性。 為了使自由基顯示出未配對電子特征，一般在原有原子、分子、離子或基團符號的一側(cè)或上方記一個圓點“”以顯示帶有未配對電子，但不表示未配對電子的數(shù)量。 37第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損

21、傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 當輻射能量被生物體活性分子（如脫氧核糖核酸）所吸收時，射線有可能直接與細胞中的關(guān)鍵部位（俗稱靶）作用，靶分子的原子本身被電離或激發(fā)，引起這些生物大分子損傷，這就是直接作用。 對應(yīng)物理量傳能線密度（linear energy transfer，LET） 定義：單位長度徑跡上釋放輻射能的多少，其單位為 Jm-1或keVm-1。LET與粒子種類及能量大小有 關(guān)。一般規(guī)律是LET越大，直接作用概率越高 二、直接作用與間接作用 1.直接作用（direct action） 38第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 生物分子處在射線的徑跡外沒有直接受

22、到射線的作用，而是通過生物分子周圍的介質(zhì)發(fā)生輻射反應(yīng)時產(chǎn)生的自由基與生物分子作用，引起生物分子損傷。這種作用為間接作用（indirect action）。 間接作用在引起生物大分子損傷中具有重要意義2.間接作用（indirect action） 二、直接作用與間接作用 39第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 1）帶電粒子與DNA分子的直接作用；2）通過自由基與DNA分子的間接作用，即緊鄰 DNA處的“環(huán)境”分子（水分子）電離形成的自 由基向DNA擴散，并將其能量轉(zhuǎn)移給DNA， 從而使該分子產(chǎn)生化學變化。 二、直接作用與間接作用 40第第十一十一章章 電離輻射的生

23、物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷 在輻照情況下，水受輻射分解后可產(chǎn)生離子和自由基。這些自由基具有過剩的能量而不穩(wěn)定，極易反應(yīng)將能量轉(zhuǎn)移給其他分子，使其損傷。二、直接作用與間接作用 41第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷三、原初過程和時間進程 近年由于高分辨和快速記錄等技術(shù)的發(fā)展，對原初物理事件的觀察時間現(xiàn)已能縮短到10-24s，從原初物理事件到可能在照射后數(shù)十年（109s）后出現(xiàn)的癌癥和遺傳性死亡，時間跨越33個數(shù)量級。 輻射作用原初過程 物理、物理化學和化學三個階段。 輻射作用時間階段劃分（不同學者意見不同），代表性三個階段，如下表所示。42第第十一十一章

24、章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷表11-2 電離輻射作用時間表細胞分裂受抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)及胃腸道損傷出現(xiàn)造血障礙性死亡晚期腎損傷、肺纖維樣變性癌癥和遺傳變化數(shù)小時數(shù)天約1個月數(shù)月數(shù)年至數(shù)十年生物學階段e- 水合前與高濃度的活性溶質(zhì)反應(yīng)e-aq、OH、H及其他基團與活性溶質(zhì)的反應(yīng)刺團內(nèi)水自由基之間的相互作用自由基擴散和均勻分布e-aq、OH、H及其他基團與低濃度活性溶質(zhì)的反應(yīng)自由基基本完成生物化學過程10-1210-1010-710-710-311103化學階段快速粒子穿過原子電離作用： H2O電離為H2O+ + e_,生物分子B直接電離為B+H2O和生物分子的激發(fā)，產(chǎn)生H2

25、O+ 和B*離子-分子反應(yīng)，如：H2O+H2OOH+H3O+分子振動導致激發(fā)態(tài)解離，如H2O*OH+H，B*B1+B2轉(zhuǎn)動馳豫，離子水合作用，如e-e-aq10-1810-1610-1710-1510-1410-12物理階段 發(fā)生進程時間/s 三、原初過程和時間進程 43第第十一十一章章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷電離輻射的生物效應(yīng)與損傷四、靶學說和生物靶的調(diào)節(jié)作用1、靶學說 活細胞內(nèi)存在對射線特別敏感的區(qū)域，稱作“靶”target），射線輻照在靶上即引起某種生物效應(yīng)；射線與靶區(qū)的作用是一種隨機過程，是彼此無關(guān)的獨立事件，“擊中”概率服從泊松分布（Poisson）；射線在靶區(qū)內(nèi)的能量沉積超過一定值便發(fā)生效應(yīng)，不同的靶分子或靶細胞具有不同的“擊中”數(shù)。按照這一學說，可根據(jù)經(jīng)受照射劑量的細胞或生物分子的比例來計算靶結(jié)構(gòu)