物理劑量和生物劑量

關(guān)于物理劑量和生物劑量第1頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五放射治療中的兩個主要的劑量參量: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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五

根據(jù)國際原子能委員會第30號報告定義，“生物劑量”是指對生物體輻射響應(yīng)程度的度量?！拔锢韯┝俊迸c“生物劑量”是兩個不同的概念,但相互之間又有密切的關(guān)系.第3頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五物理劑量---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.因為腫瘤控制率和生存質(zhì)量就是通過”生物劑量”來衡量的.第4頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五一物理劑量

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：

dD=————(1)dm第5頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五2吸收劑量的基本單位

國際單位制單位：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=106Gy1rad=10-2Gy=1cGy第6頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五3放射性射線對生物體的基本作用放射性射線對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;同時對正常組織也能造成放射性損傷和致癌,從而造成對生存質(zhì)量的影響.第7頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五4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)就是對生物體從射線場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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五二生物劑量

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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五

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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五當(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“再補充”到生長分?jǐn)?shù)[3](Recruitment)放射敏感性[4](Radiosensitiviti)第11頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五1生物等效劑量(等效劑量)

(EquivalentDosein2Gy/f,EQD2)1)生物等效劑量(等效劑量)計算公式等效劑量（EQD2）的計算是在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）的計算方程式。第12頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五

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).因為兩種組織的放射性生物效應(yīng)對分次量的依存關(guān)系不一樣,這就是內(nèi)因不同在起作用的結(jié)果.第13頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五2)等效劑量與物理劑量的比值(η)

從生物等效劑量計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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五等效劑量與物理劑量的比值(η)曲線第16頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五

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,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,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晚反應(yīng)組織就不得不減少物理劑量.

但大分割對生長快的腫瘤的治療,在臨床上還是有一定作用的.第17頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五

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（即使是超分割），則亞致死損傷基本上完全修復(fù)了[6],此時可用等效劑量（EQD2）的基本表達(dá)式,可不作修正。但在臨床的治療中，有時候亞致死損傷并沒有完全修復(fù)（如超分割照射時間間隔不足6小時；低劑量率長時間照射等），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，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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五2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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五式中：

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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五從中看到:

生物效應(yīng)劑量（BED）的生物學(xué)涵義是在一定時間限度內(nèi)，分割次數(shù)n趨向無限大，而分割劑量d趨向無窮小時，達(dá)到一定常規(guī)照射同樣生物效應(yīng)的等效劑量。此時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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五2）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因素，則生物效應(yīng)劑量（BED）基本表達(dá)式可以擴展為生物效應(yīng)劑量（BED）綜合表達(dá)式。表達(dá)式如下：第22頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五

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

α/βn（1-K2）(6)

T治療總時間，（天）T

細(xì)胞增殖開始時間,（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α/β=10Gy,=0.46/小時α/β=3Gy，t兩次照射間的時間間隔。（小時）n總照射次數(shù)第23頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五從公式(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)時間(repairhalf-time)[2]()”,兩次照射間的時間間隔(t),細(xì)胞增殖起始時間(T

),腫瘤增殖因子()及治療總時間(T)等.這些都是”內(nèi)因”.即使在相同的”外因”下也會得到不同的治療結(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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五三外因和內(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)識到這一點!

我們必須充分清楚地認(rèn)識:”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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五

1射線種類的選擇

不同種類的射線與人體作用時有不同的放射生物效應(yīng).1)低LET射線對乏氧細(xì)胞不敏感而高LET射線對乏氧細(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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五2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.

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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五第29頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五3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)的生物計算就要作出相應(yīng)的修正[9,10],當(dāng)然臨床治療計劃也應(yīng)作出相應(yīng)的變更.

第30頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五1)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”.在這個區(qū)域里有生物學(xué)意義的照射劑量的給出時間和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照射由于照射時間延長到20-40分鐘則從劑量率這一點來看,屬于”遷延性照射”.則存在劑量率效應(yīng),生物效應(yīng)會下降10-15%[6].第31頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五4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.

腫瘤是一個客觀存在—內(nèi)因.但在如何真正正確地認(rèn)識這個內(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全身性疾病.據(jù)NCDB報告病灶局部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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五2)即使對”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)確評估各個部位局部亞臨床病灶也是非常困難的[2].第33頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五4)在此情況下,我們醫(yī)生在勾畫靶區(qū)時必須遵循客觀規(guī)律作以下處置:

腫瘤邊界的不確定性可達(dá)0.4∽9mm，勢必造成醫(yī)生勾畫GTV時要適當(dāng)擴大;

而物理師在定PTV時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，勢必造成腫瘤邊緣劑量不足，腫瘤復(fù)發(fā)率增高！調(diào)強適形治療的優(yōu)點豈不完全喪失了么！第34頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五5照射分次量的選擇

在臨床治療選擇照射分次量時首先必須認(rèn)識到人體組織的”內(nèi)因”---人體內(nèi)的組織對放射性的行為分為”早反應(yīng)組織”和”晚反應(yīng)組織”,它們對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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五第36頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五

則在臨床選擇照射分次量時就應(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.生長快的腫瘤,而控制腫瘤生長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，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五6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”來制定治療計劃,似乎更符合客觀規(guī)律.第38頁，共42頁，2022年，5月20日，7點41分，星期五參考文獻(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[3]周志孝,

“四再理論”在物理師培訓(xùn)時的講課稿[4]Gregoire,”臨床