物理劑量和生物劑量

關(guān)于物理劑量和生物劑量放射治療中的兩個(gè)主要的劑量參量:物理劑量---吸收劑量(劑量)(ABSORBEDDOSE,DOSE,)生物劑量---生物等效劑量(等效劑量)(IsoEffectDose,EQD2)

生物效應(yīng)劑量

(BiologicalEffective

Dose,BED)第2頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

根據(jù)國(guó)際原子能委員會(huì)第30號(hào)報(bào)告定義，“生物劑量”是指對(duì)生物體輻射響應(yīng)程度的度量。“物理劑量”與“生物劑量”是兩個(gè)不同的概念,但相互之間又有密切的關(guān)系.第3頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天物理劑量---放射治療中的外因,是放射治療的必要條件.生物劑量---放射治療中的內(nèi)因,是放射治療的基本基礎(chǔ).“外因必須通過內(nèi)因才能起作用!”

不提供”物理劑量”,當(dāng)然就談不上放射治療;但是不考慮人體組織對(duì)放射性射線的不同的生物效應(yīng),腫瘤控制率和生存質(zhì)量就無從談起.因?yàn)槟[瘤控制率和生存質(zhì)量就是通過”生物劑量”來衡量的.第4頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天一物理劑量

物理劑量---吸收劑量(劑量)(ABSORBEDDOSE,DOSE,)1吸收劑量定義[1]

吸收劑量是指任何電離輻射，授予質(zhì)量為dm的物質(zhì)的平均能量d除以dm所得的商，即：

d

D=————(1)dm第5頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天2吸收劑量的基本單位

國(guó)際單位制單位：焦耳每千克，焦耳.千克-1（J.Kg-1）專名：戈瑞，戈（Gy),毫戈瑞（mGy），微戈瑞(

Gy）專用單位：拉德（rad）

1戈瑞（Gy）=1焦耳.千克-1（J.Kg-1）

1Gy=103mGy=106

Gy1rad=10-2Gy=1cGy第6頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天3放射性射線對(duì)生物體的基本作用放射性射線對(duì)生物體的主要作用是電離作用.

通過該作用,一方面把自己的能量交給了生物體,

同時(shí)就使生物體內(nèi)產(chǎn)生有害的自由基（H.,OH.,R.）及H2O2和e-ag等.

這可對(duì)腫瘤組織產(chǎn)生損傷或不可逆損傷，從而達(dá)到治癌的目的;同時(shí)對(duì)正常組織也能造成放射性損傷和致癌,從而造成對(duì)生存質(zhì)量的影響.第7頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天4物理劑量的本質(zhì)從物理劑量的定義,單位和與生物體的基本作用中看到:物理劑量的本質(zhì)就是對(duì)生物體從射線場(chǎng)得到多少能量的一種描述.

當(dāng)然,能量越多,生物效應(yīng)越明顯.但多少是合適的呢?”既能最大地殺死腫瘤組織又能最大地保護(hù)正常組織?”,它就無能為力了.這就要由腫瘤組織和正常組織的放射生物特性來決定了.

腫瘤組織和正常組織的放射生物特性,目前就由生物劑量來描述.由它來決定需要多少能量才最合適.

這就是“外因必須通過內(nèi)因才能起作用!”第8頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天二生物劑量

隨著”放射生物學(xué)”的發(fā)展,”生物劑量”的概念也有一個(gè)發(fā)展的過程.

最早是1969年Ellis提出的名義標(biāo)稱劑量概念及表達(dá)式(NorminalStandardDoseNSD),這是根據(jù)正常結(jié)締組織耐受量，結(jié)合皮膚紅斑，鱗狀細(xì)胞癌的等劑量曲線而總結(jié)出來的。該公式可以理解為正常組織放射反應(yīng)相同的情況下的總劑量,時(shí)間，分次的函數(shù)關(guān)系，NSD可以看作生物學(xué)有效劑量。當(dāng)使用不同治療方案時(shí)只要NSD相同，就可以說使用了相同的生物劑量。如結(jié)締組織耐受的數(shù)值接近1800Ret。第9頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

但在1972年Kellerer和Rossi提出線性平方模型及表達(dá)式(LinearQuadraticequationL-Q公式α/β方程)后,大家就越來越傾向于由此公式推導(dǎo)出的EQD2

和BED公式來描述放射治療中的生物劑量了.即:

生物等效劑量(等效劑量)(IsoEffectDose,EquivalentDosein2Gy/f,EQD2)

生物效應(yīng)劑量

(BiologicalEffectiveDose,BED)第10頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)然,生物劑量的放射生物基礎(chǔ)是”4R”[2](5R,6R)放射性損傷的“再修復(fù)”

(Repairofradiationdamage)細(xì)胞的“再增殖”

(Regenerationofcell)細(xì)胞周期內(nèi)的“再分布”

(Redistributionofcellincycle)腫瘤內(nèi)乏氧細(xì)胞的“再氧合”

(Reoxygenationofhypoxiccellintumors)休止期的G0細(xì)胞“再補(bǔ)充”到生長(zhǎng)分?jǐn)?shù)[3](Recruitment)放射敏感性[4](Radiosensitiviti)第11頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天1生物等效劑量(等效劑量)

(EquivalentDosein2Gy/f,EQD2)1)生物等效劑量(等效劑量)計(jì)算公式等效劑量（EQD2）的計(jì)算是在α/?公式基礎(chǔ)上推導(dǎo)而得的:

在常規(guī)放療方案中，d2=Dt/N=2Gy，就有：

n2d2=n1d1〔(α/β+d1)/(α/β+2)〕[5]

(2)n2d2我們稱它為治療方案（n1d1）的等效劑量（EQD2）.公式（2）就是等效劑量（EQD2）的計(jì)算方程式。第12頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

從公式（2）中我們看到,等效劑量（EQD2）除了和物理劑量n1d1有關(guān)外,還和:(1)組織的α/β值有關(guān),而組織的α/β值的大小就反映了組織的放射性生物特性.一般來說,早反應(yīng)組織和腫瘤組織的α/β值比較大,晚反應(yīng)組織的α/β值比較小.則在同樣的外因(物理劑量)下,由于兩種組織的內(nèi)因(放射性生物效應(yīng))

不同而造成各自的等效劑量不同.(2)還和分次量(d1)的大小有關(guān).因?yàn)閮煞N組織的放射性生物效應(yīng)對(duì)分次量的依存關(guān)系不一樣,這就是內(nèi)因不同在起作用的結(jié)果.第13頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天2)等效劑量與物理劑量的比值(η)

從生物等效劑量計(jì)算公式我們可以得到:

η=n2d2/n1d1

=(α/β+d1)/(α/β+2)(3)

η--

等效劑量（EQD2）與物理劑量的比值第14頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天等效劑量與物理劑量的比值(η)表

α/βd12Gy3Gy10Gy15Gy1.0Gy/F0.7500.8000.9170.9411.1Gy/F0.7750.8200.9250.9471.2Gy/F0.8000.8400.9330.9531.5Gy/F0.8750.9000.9580.9712.0Gy/F1.0001.0001.0001.0003.0Gy/F1.2501.2001.0831.0594.0Gy/F1.5001.4001.1671.1185.0Gy/F1.7501.6001.2501.176第15頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天等效劑量與物理劑量的比值(η)曲線第16頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

從等效劑量與物理劑量的比值(η)的表格和曲線中我們看到:

當(dāng)分次量(d1)<2Gy時(shí),等效劑量（EQD2）都小于物理劑量n1d1.雖然早反應(yīng)組織和腫瘤組織的等效劑量下降了,但晚反應(yīng)組織的等效劑量下降更多.這就是超分割治療能更好地保護(hù)晚反應(yīng)組織的道理;只要正常組織反應(yīng)還能耐受的情況下,我們還能增加物理劑量,以提高腫瘤控制率.

當(dāng)分次量(d1)>2Gy時(shí),等效劑量（EQD2）都大于物理劑量n1d1.雖然早反應(yīng)組織和腫瘤組織的等效劑量上升了,但晚反應(yīng)組織的等效劑量上升更多.這就是大分割雖然可以提高腫瘤控制率,但晚反應(yīng)組織反應(yīng)偏重的道理.在此情況下,我們?yōu)榱吮Ｗo(hù)晚反應(yīng)組織就不得不減少物理劑量.

但大分割對(duì)生長(zhǎng)快的腫瘤的治療,在臨床上還是有一定作用的.第17頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

公式(2)基本上是用在外照射中,而外照射基本屬于“急速照射”，2Gy/min的照射在照射期間基本不發(fā)生再修復(fù)；而照射和照射之間的間隔又大于6小時(shí)（即使是超分割），則亞致死損傷基本上完全修復(fù)了[6],此時(shí)可用等效劑量（EQD2）的基本表達(dá)式,可不作修正。但在臨床的治療中，有時(shí)候亞致死損傷并沒有完全修復(fù)（如超分割照射時(shí)間間隔不足6小時(shí)；低劑量率長(zhǎng)時(shí)間照射等），則應(yīng)該在等效劑量（EQD2）的基本表達(dá)式基礎(chǔ)上作一些必要地修正，引入不完全修復(fù)因子（hm)[7]；又有些治療方案由于治療總天數(shù)太長(zhǎng)，超過了腫瘤快速再增殖的起始天數(shù)(Tκ)則在治療期間就發(fā)生了再增殖，等效劑量（EQD2）基本表達(dá)式也需要作相應(yīng)修正[7]。第18頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天2生物效應(yīng)劑量(BiologicalEffective

Dose,BED)

1）生物效應(yīng)劑量（BED）的基本表達(dá)式[1]

生物效應(yīng)劑量（BED）的基本表達(dá)式也是由α/?方程轉(zhuǎn)換而得,只要／便可得到生物效應(yīng)劑量（BED）基本表達(dá)式，即：

E/

=n(d+βd2/

)（4）

BED=D（1+d/（

/β））（5）（5）式即為生物效應(yīng)劑量（BED）的基本表達(dá)式。第19頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天式中：

BED----生物效應(yīng)劑量，（Gy）

D--------腫瘤治療物理總劑量，（Gy）

d--------分割劑量，（Gy/次）

/β----該種組織的

/β值。（Gy）第20頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天從中看到:

生物效應(yīng)劑量（BED）的生物學(xué)涵義是在一定時(shí)間限度內(nèi)，分割次數(shù)n趨向無限大，而分割劑量d趨向無窮小時(shí)，達(dá)到一定常規(guī)照射同樣生物效應(yīng)的等效劑量。此時(shí)DNA斷裂趨向于由單擊事件造成而雙擊效應(yīng)消失。故生物效應(yīng)劑量（BED）又稱為外推耐受劑量（ETD）或外推響應(yīng)劑量（ERD）。第21頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天2）生物效應(yīng)劑量（BED）綜合表達(dá)式[1,8]

若進(jìn)一步考慮放射分割照射期間組織放射性損傷未完全修復(fù)和照射治療期間腫瘤細(xì)胞的代償性增殖兩項(xiàng)因素，則生物效應(yīng)劑量（BED）基本表達(dá)式可以擴(kuò)展為生物效應(yīng)劑量（BED）綜合表達(dá)式。表達(dá)式如下：第22頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

d2K（1-Kn）BED=D（1+（-----）（1----------------））-

（T-T）

α/βn（1-K2）(6)

T治療總時(shí)間，（天）T

細(xì)胞增殖開始時(shí)間,（天）K=e-

t亞臨床放射損傷修復(fù)因子,

=0T=《28天及晚反應(yīng)組織,

=0.85Gy/天T》28天腫瘤增殖因子，

=1.4/小時(shí)α/β=10Gy,=0.46/小時(shí)α/β=3Gy，t兩次照射間的時(shí)間間隔。（小時(shí)）n總照射次數(shù)第23頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天幾種組織的和值組織/參數(shù)（days)(Gy/day)口腔粘膜7-非小細(xì)胞肺癌140.66頭頸部鱗癌210.5-0.7食道癌280.5-0.7鼻咽癌280.85第24頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天從公式(6)看到:

生物效應(yīng)劑量（BED）值除了和組織的α/β值,分次量(d1)的大小有關(guān)外,還和經(jīng)照射后組織的”再修復(fù)”及腫瘤(早反應(yīng)組織)的”再增殖”能力的大小有關(guān).

這就涉及到各種不同組織的放射生物效應(yīng)的問題了.如”半修復(fù)時(shí)間(repairhalf-time)[2]()”,兩次照射間的時(shí)間間隔(t),細(xì)胞增殖起始時(shí)間(T

),腫瘤增殖因子(

)及治療總時(shí)間(T)等.這些都是”內(nèi)因”.即使在相同的”外因”下也會(huì)得到不同的治療結(jié)果.這就是”外因”必須通過”內(nèi)因”起作用,只有這樣才能達(dá)到理想的效果.第25頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天三外因和內(nèi)因在臨床治療中的應(yīng)用”外因”必須通過”內(nèi)因”才能起作用,在放射治療臨床應(yīng)用中必須清楚地認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)!

我們必須充分清楚地認(rèn)識(shí):”生物的放射生物規(guī)律”,

然后再來選擇合適的”外因”.

只有這樣才能使”外因”更好地發(fā)揮作用,真正地讓放射治療在腫瘤治療中發(fā)揮更大的作用!第26頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1射線種類的選擇

不同種類的射線與人體作用時(shí)有不同的放射生物效應(yīng).1)低LET射線對(duì)乏氧細(xì)胞不敏感而高LET射線對(duì)乏氧細(xì)胞敏感.2)中子的生物效應(yīng)大小與其能量大小有關(guān),一般來說其生物效應(yīng)是X,γ,e線的好幾倍.第27頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天2射線衰減特性的選擇

不同種類的和不同能量的射線在人體內(nèi)有不同的衰減特性(吸收特性).我們就必須根據(jù)腫瘤的具體位置,大小和周圍臟器的分布來具體選擇射線的種類和能量的大小.只有這樣才能使在腫瘤治療的前提下,周圍臟器得到最大的保護(hù).

注意:高LET射線和質(zhì)子射線在衰減特性上具有”bragg”峰,而峰的位置和寬度與能量大小有關(guān).第28頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第29頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天3射線的劑量率的選擇

生物的放射性行為還和射線的劑量率有關(guān),這主要是由”4R”規(guī)律來決定的.

一般來說,在放射治療臨床上分三種劑量率照射[6].三種劑量率照射在臨床上生物效應(yīng)不一樣,故在臨床上對(duì)劑量率應(yīng)該作出選擇.

一旦在劑量率無法作出選擇的情況下,則相應(yīng)的生物計(jì)算就要作出相應(yīng)的修正[9,10],當(dāng)然臨床治療計(jì)劃也應(yīng)作出相應(yīng)的變更.

第30頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天1)急速照射:急速照射指劑量率在2Gy/min以上的照射,多數(shù)真核細(xì)胞有生物學(xué)意義的照射在幾分鐘完成,極少或不發(fā)生DNA單鏈的修復(fù).一般情況下,外照射屬于這種照射.2)慢速照射:慢速照射指劑量率在<0.2cGy/min的照射,有生物學(xué)意義的劑量需幾小時(shí)才能完成,DNA單鏈斷裂的修復(fù)基本是完全的.3)遷延性照射:劑量率介于兩者之間的照射就是”遷延性照射”.在這個(gè)區(qū)域里有生物學(xué)意義的照射劑量的給出時(shí)間和DNA單鏈斷裂的修復(fù)速率常數(shù)差不多,可以觀察到劑量率效應(yīng)[11,12].

而IMRT照射由于照射時(shí)間延長(zhǎng)到20-40分鐘則從劑量率這一點(diǎn)來看,屬于”遷延性照射”.則存在劑量率效應(yīng),生物效應(yīng)會(huì)下降10-15%[6].第31頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天4照射野的選擇

照射野大小及形狀的正確選擇是腫瘤的放射治療中的最最關(guān)鍵的問題.

腫瘤是一個(gè)客觀存在—內(nèi)因.但在如何真正正確地認(rèn)識(shí)這個(gè)內(nèi)因上,我們遇到了極大的挑戰(zhàn).1)腫瘤疾病基本上是一個(gè)全身性疾病.據(jù)NCDB報(bào)告病灶局部42%

局限區(qū)域30%

遠(yuǎn)地轉(zhuǎn)移19%

情況不祥9%而放射治療僅僅是一種局部治療手段.第32頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天2)即使對(duì)”病灶局部”這一部份上,目前”影像學(xué)所顯示的腫瘤邊緣是不太可靠的,而顯微鏡下的腫瘤邊緣才是生物學(xué)意義上的邊緣”[12],而”功能影像學(xué)檢查并不能等于生物靶區(qū)的確認(rèn),如何確定生物靶區(qū)尚需要進(jìn)一步的分子生物學(xué)研究[2].”臨床醫(yī)生已經(jīng)認(rèn)識(shí)到準(zhǔn)確確定腫瘤相關(guān)體積是困難的.”肉眼直接觀察或內(nèi)窺鏡結(jié)合觸診有時(shí)也難確定GTV,再加上與常規(guī)圖象相關(guān)的多種不確定因素,影像技術(shù)的臨床差異和內(nèi)在的限制將使GTV的勾畫產(chǎn)生差異和不確定因素.”[2].3)準(zhǔn)確評(píng)估各個(gè)部位局部亞臨床病灶也是非常困難的[2].第33頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天4)在此情況下,我們醫(yī)生在勾畫靶區(qū)時(shí)必須遵循客觀規(guī)律作以下處置:

腫瘤邊界的不確定性可達(dá)0.4∽9mm，勢(shì)必造成醫(yī)生勾畫GTV時(shí)要適當(dāng)擴(kuò)大;

而物理師在定PTV時(shí)主要考慮的是定擺位誤差，根據(jù)誤差理論為了保證治療劑量落在95%的幾何誤差范圍內(nèi)，則至少各邊各放2△即5.1mm---8.54mm[7]；再考慮到射線平面分布離軸比特性，劑量均勻區(qū)只有80%，則物理師又要各放10%野寬，可達(dá)4∽15mm

（Margin）。這才成為真正的照射野大小。這樣一來，野至少放9.5∽32.54mm，若不這么做，勢(shì)必造成腫瘤邊緣劑量不足，腫瘤復(fù)發(fā)率增高！調(diào)強(qiáng)適形治療的優(yōu)點(diǎn)豈不完全喪失了么！第34頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天5照射分次量的選擇

在臨床治療選擇照射分次量時(shí)首先必須認(rèn)識(shí)到人體組織的”內(nèi)因”---人體內(nèi)的組織對(duì)放射性的行為分為”早反應(yīng)組織”和”晚反應(yīng)組織”,它們對(duì)照射分次量的放射生物反應(yīng)各不一樣.分次量大,則晚反應(yīng)組織的放射生物反應(yīng)比早反應(yīng)組織的放射生物反應(yīng)嚴(yán)重.分次量小,則早反應(yīng)組織的放射生物反應(yīng)比晚反應(yīng)組織的放射生物反應(yīng)嚴(yán)重.第35頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第36頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

則在臨床選擇照射分次量時(shí)就應(yīng)該根據(jù)內(nèi)因的生物特性和內(nèi)因治療需要來選擇照射分次量.生長(zhǎng)快的腫瘤,而控制腫瘤生長(zhǎng)作為主要目的的治療中就可以選擇大分次量照射.為了不使晚反應(yīng)組織的放射生物反應(yīng)太重就不得不適當(dāng)降低治療總劑量.對(duì)根治性治療病人,而這種腫瘤在治療期間又可能發(fā)生快速”再增殖”的,就可以選擇小分次量照射(超分割),并適當(dāng)增加治療總劑量以提高腫瘤控制率.第37頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天6照射總劑量的選擇

照射總劑量的選擇基本上根據(jù)70多年臨床經(jīng)驗(yàn)來選擇.但:根據(jù)病人的具體病情可作適當(dāng)調(diào)整.照射總劑量的選擇和照射分次量的選擇有關(guān),注意要作生物學(xué)計(jì)算.現(xiàn)在有用”生物等效劑量”代替”物理照射總劑量”的苗頭.用”內(nèi)因”代替”外因”來制定治療計(jì)劃,似乎更符合客觀規(guī)律.第38頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天參考文獻(xiàn)[1]胡逸民主編，“腫瘤放射物理學(xué)”[2]王鑫，何少琴，“精確放療所面對(duì)的生物學(xué)問題”中華腫瘤防治雜志2006年，第13卷，第10期，1-4頁(yè)[3]周志孝,

“四再理論”在物理師培訓(xùn)時(shí)的講課稿[4]Gregoire,”臨床放射生物