肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数学模型

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组织或器官 肿瘤 头颈部 喉 声带 口咽 鼻咽 皮肤 黑色素瘤 脂肪肉瘤 胸部 食管、肺 乳腺
α/β值(Gy)
14.5 ~13 ~16 16 8.5 0.6 0.4
~10 4.6
α/β值范围
急性反应组织 6 ~14 Gy 估计判断 10 Gy 晚期反应组织 1.5 ~ 5 Gy 估计判断 3 Gy 肿瘤 75 %大于 8 Gy 多种因素影响α/β:乏氧,周期时相,增 敏剂,高LET等等。
示例1
中晚期鼻咽癌常规分割方案为70Gy/2.0Gy/35F 如果改为超分割1.2Gy/F,在不增加晚期反应组 织损伤条件下,肿瘤处方剂量应该是多少? 解答:晚期反应组织/=3Gy D2(d2 + /) = D1 (d1+/) D2(1.2 + 3) = 35×2 (2+3)
D2=?

“生物剂量”的概念
.

20世纪30年代创立和制定了辐射量化标准和 剂量的单位制,使临床放疗、放射物理和放射 生物的研究工作有了统一的标准和依据。 “生物剂量”和“物理剂量”是两个不同概念 根据国际原子能委员会第30号报告定义:“生 物剂量”是指对生物体放射反应程度的测量。

放射治疗中的生物剂量换算模型:
D2=83.33Gy 也就是说,在不增加晚期反应组织损 伤条件下,肿瘤处方剂量应该是83.33Gy 1.2Gy/70F。
示例2
肺癌胸4、5椎体转移瘤大分割方案为36Gy/3.0Gy/12F, 脊髓受照剂量相当于常规分割2Gy/F条件下的剂量是多 少? 解答:脊髓/=3Gy d+(/) EQD2 = D ---------2+(/) 3+3 D2= 36×------- = 43.2Gy 2+3
组织或器官 神经 损伤 臂丛神经损伤 臂丛神经损伤 视神经损伤 脊髓损伤 角膜损伤 狭窄,穿孔 肺炎 纤维化(放射性) 各种晚期反应 各种晚期反应
α/β值(Gy)
脊髓 眼 肠 肺
头颈 口腔,口咽
<3.5 ~2 1.6 <3.3 2.9 3.9 3.3 3.1 3.5~3.8 0.8
人体正常组织和肿瘤的α/β值
等效换算基本公式
ຫໍສະໝຸດ BaiduD2 ---D1
=
d1 +/ ----------------d2 + /
D2(d2 + /) = D1 (d1+/)
等效换算基本公式
D2(d2 + /) = D1 (d1+/)


d+(/) EQD2 = D ---------2+(/)
放射治疗方案之间时间剂量因子的变换

线性二次模式 (Linear Quadratic model LQ)

LQ公式是Chadwick和Leenhouts1973年提出的,是将DNA双 链断裂与细胞存活联系起来的数学模型。

模型的理论前提: 假定携带遗传信息的核DNA分子的完整性为细胞正 常增殖所必须。 DNA双链断裂完全破坏了分子的完整性,因此是辐 射所致的最关键损伤。 各种生物学损伤指标与DNA双链断裂直接关联。
插图
人体正常组织和肿瘤的α/β值
组织或器官 早期反应 皮肤 口腔粘膜 晚期反应 皮肤/血管 皮下组织 肌肉/血管/软骨 损伤 红斑 皮肤剥脱 粘膜炎
α/β值(Gy)
8.8~12.3 11.2 8~15
毛细血管扩张 纤维化 肩部运动障碍
2.6~2.8 1.7 3.5
人体正常组织和肿瘤的α/β值
种皮肤损伤(轻度红斑、重度红斑和皮肤耐受性) 的资料,皮肤耐受总剂量与总治疗时间作图所得到 的直线的率是0.33。 等效剂量D与总治疗时间T的立方根成正比。
名义标准剂量 (NSD)



1969由英国放射肿瘤学家Franc Ellis提出以 三个假设为基础的数学关系式, 1)皮肤表皮损伤的愈合依赖于其下方结缔组 织间质的状况 2)除了骨和脑,全身其他部位的结缔组织是 相似的 3)在肿瘤内及周围,正常结缔组织成分构成 间质。
线性二次模式 (Linear Quadratic model LQ)


LQ等效换算的基本公式:
主要的原则公式是 1982年Barendsen推荐的外推耐受剂量 (extrapolated tolerance dose ETD)。 1987年Thames和 Hendry的总效应(totaL effect TE) 1989年Fowler 进一步完善提出了生物效应剂 量(biological effective dose BED)

在上述前提下:

单次剂量D的效应(如细胞杀灭)可写做: SF=exp(- D-D2 或 E= D+ D2
)
线性二次模式 (Linear Quadratic model LQ)

临床上应用 LQ等效公式的基本条件



组织的等效曲线是相应靶细胞等效存活率的表 达 放射损伤可分成两个主要类型(能修复及不能 修复),而分割照射的保护作用主要来自于可 修复的损伤 分次照射的间隔时间必须保证可修复损伤的完 全修复。 每次照射所产生的生物效应必须相等。 全部照射期间不存在细胞的增殖。
设计放射治疗方案应注意三个因素: 改变常规治疗方案时应计算保持相等生物效应 的总剂量。 争取一个合理的分次方案。 比较不同分次剂量、分次数、和总治疗时间的 技术。


放射治疗中的生物剂量换算模型:
通观分次放疗历史,曾提出许多生物剂量换算的数学模型,只 有极少数有实用价值,主要是:


立方根规则(cube root rule)。 名义标准剂量(Nominal standard dose NSD) LQ模式(linear quadratic modle LQ)
BED具有的优点是可以计算低于正常组织耐受性的效应水平,而 ETD的涵义是总耐受效应。



线性二次模式 (Linear Quadratic model LQ)

一般来说与等效有关的细胞存活分数是不清楚的,习惯上以效应 E表示。





E= D+ D2 (同除以) E/ = D+(/)D2 E/被称做生物等效剂量,即BED。它具有剂量 的大小和量纲,对衡量生物效应很有用。 指分次数无穷多,分次剂量无限小时产生相等 生物效应的理论总剂量(也是低剂量率连续照 射所需的总剂量)。 BED的单位是Gy。




TDF=10-3× NSD 1.54 =Nd1.54(T/N) -0.17

在SI单位,d用Gy表示,T用“天”表示。
名义标准剂量 (NSD)


NSD的主要缺欠
NSD低估了大分次剂量照射后晚期损伤的发生 率。 不存在鉴别晚期损伤的时间因子 延长总治疗时间使肿瘤控制率下降,Bentzen 和Overgard归纳了在统一规划情况下头颈鳞癌 的三个治疗结果,肿瘤局控率损失了7-10%。 分次数的指数不是常数,即便对特定的指标也 是如此。支持这个结论的工作主要来自放射生 物的动物实验资料。。
名义标准剂量 (NSD)


D=NSD×N 0.22 ×T 0.11 式中NSD为名义标准剂量,以“ret”表示。
根据这个关系式提出等效总剂量与分次数和总治疗时间 的关系。


式中NSD是指发生某一特定水平皮肤损伤的比例系数, 随皮肤反应的增加NSD增加。代表生物效应的水平。 对两个不同方案的比较所要做的就是比较NSD值。 NSD可被认作是一个生物效应剂量。
练习题
小细胞肺癌同步放化疗超分割方案为:EP
方案+RT45Gy/1.5Gy/30F/3W,肿瘤组织和急性 反应组织相当于常规分割2Gy/F条件下的剂量是 多少?



昨天 今天 明天
学以致用

前两个是经验性公式,后者是理论性公式
立方根规则(Strandqvist)
.
1944年由Strandqvist提出,是第一个对现代分次放疗 发展具有指导意义的时间剂量模型。
. 用皮肤和唇基底细胞癌及鳞癌的复发与皮肤损伤的
剂量与总治疗时间作图得到一条直线,斜率为0.22。
. Cohen(1949)在Strandqvist的工作基础上,分析了3
公式 n1(αd1 + βd12) = n2(αd2 + βd22) 亦即 N2d2[1+d2/(/)] = n1d1[1+d1/(/)] d 确定求 n 的变换值 n2 = n1 (d1/d2) [(α/β+ d1)/(α/β+ d2)] n 确定求 d 的变换值 d2 = d1 (n1/n2) [(α/β+ d1)/(α/β+ d2)] n1 d1 d2 确定求 n2 n1 d1 n2 确定求 d2 亦可 D1/D2 = (α/β+ d2)/(α/β+ d1)
线性二次模式 (Linear Quadratic model LQ)



效应的严重程度与每个细胞发生并存留的DNA 双链断裂的均数成比例。 诱发的DNA双链断裂数依赖于能量沉积与转移 的物理、物化、及化学过程,也依赖于在照射 当时与DNA结构及环境有关的自由基竞争。 保持有效的DNA双链断裂数取决于DNA损伤的生 化修复,而这种修复的效率是受照射当时及照 射以后的代谢状态控制的。
线性二次模式 (Linear Quadratic model LQ)



BED代表了分次照射或低剂量率连续照射过程 中的生物效应。 当分次剂量趋向于0时,BED就相当于D。 在整个照射过程中,每一部分的BED可以相加, 这样可以得到总的生物效应剂量。 BED = nd[ 1+ d/(/)] 式中n为分次数,d为分次剂量,nd为总剂量D, /比值可查表。
线性二次模式 (Linear Quadratic model LQ)



/比值是临床应用公式、细胞存活曲线或等 效分割公式中参数和 参数之比, 一个特定组织或细胞群体的/比值,意味着 在这个剂量值单击和双击所产生的生物效应相 等。 它在数值上相当于一个特征性剂量,在该剂量 照射下DNA双链断裂和两个单链断裂组合发生 几率相等。 等效换算基本公式: N2d2[1+d2/(/)] = n1d1[1+d1/(/)]
细胞存活曲线
描述放射线照射剂量和细胞存活比之 间的关系。 关注的是:一定剂量照射以后对克隆源 细胞而不是细胞群任意细胞的杀灭。
细胞存活曲线
细胞形成克隆的能力被称为“细胞存活”, 辐射所致的细胞杀灭是指数性的, 指数关系的特点:增加一定剂量就有一定比例 的细胞而不是数量的细胞被杀死。

线性二次模式 (Linear Quadratic model LQ)
NSD = D ×T - 0.11 × N -0.24

名义标准剂量 (NSD)

以ret表示的NSD未得到广泛接受,原因 是不能详细代表剂量分割中“剂量”的 含义,因此称为名义标准剂量
对NSD变形(等号两侧同乘1.54),使NSD 1.54 成为生物效应剂量单位,这就是TDF的基础。
NSD与TDF的关系:
放射治疗中生物剂量等效换 算的数学模型 --LQ模式
岳国军 遵义医学院肿瘤医院
概述
放射治疗的根本目标是提高放射治疗的增益比 如何将一个精心设计的物理剂量分布方案,转 化和对应于肿瘤或正常组织的生物效应使其具 有临床意义是生物数学家关注的目标。

对临床医生而言,正确理解和运用“生 物剂量”的概念和相关数学模型是非常 必要的。
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