物理剂量和生物剂量换算2012.3.21

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”, 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!
1 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.
但在1972年Kellerer和Rossi提出线性平方 模型及表达式(Linear Quadratic equation L-Q公式 α/β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 Dose , Equivalent Dose in 2 Gy/f, EQD2) 生物效应剂量 (Biological Effective Dose,BED)
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,γ线的好 几倍.
2 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.
公式(2)基本上是用在外照射中,而外照射基本属于 “急速照射”，2Gy/min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6小时（即使 [6] 是超分割），则亚致死损伤基本上完全修复了 ,此 时可用等效剂量（EQD2）的基本表达式,可不作修 正。 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6小时；低剂量 率长时间照射等），则应该在等效剂量（EQD2）的 基本表达式基础上作一些必要地修正，引入不完全 [7] 修复因子（hm) ；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(Tκ) 则在 治疗期间就发生了再增殖，等效剂量（EQD2）基本 [7] 表达式也需要作相应修正 。
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Ellis提出的名义标称剂量 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 说使用了相同的生物剂量。如结缔组织耐受 的数值接近1800Ret。
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.
物理剂量---放射治疗中的外因,是放射治疗的必要条件. 生物剂量---放射治疗中的内因,是放射治疗的基本基础.
“外因必须通过内因才能起作用!”
2 生物效应剂量 (Biological Effective Dose,BED)
1）生物效应剂量（BED）的 基本表达式
[1]
生物效应剂量（BED）的基本表达式也是由 α/ß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： 2 E/ =n(d+βd /) （4） BED=D（1+d/（ /β）） （5） （5）式即为生物效应剂量（BED）的基本表达 式。
2 吸收剂量的基本单位
国际单位制单位：焦耳每 千克 ，焦耳.千克 -1（J.Kg-1） 专名 ：戈瑞，戈（Gy),毫戈瑞（mGy）， 微戈瑞 (Gy） 专用单位 ： 拉德（rad）
1戈瑞（Gy）=1焦耳.千克 1 Gy=103mGy=106Gy 1rad=10-2Gy=1cGy
-1
（J.Kg-1）
式中： BED----生物效应剂量， （Gy） D--------肿瘤治疗物理总剂量， （Gy） d--------分割剂量， （ Gy/次） /β---- 该种组织的/β值。 （Gy）
2）生物效应剂量（BED） 综合表达式
Baidu Nhomakorabea
[1,8]
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和照射治疗 期间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：
不提供”物理剂量”,当然就谈不上放射治疗;但是 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无从谈起.因为肿瘤控制率和 生存质量就是通过”生物剂量”来衡量的.
一 物理剂量
物理剂量---吸收剂量(剂量) (ABSORBED DOSE ,DOSE,) 1 吸收剂量定义[1] 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= ———— dm (1)
[5]
(2)
n2d2我们称它为治疗方案（n1d1）的等效剂量（EQD2）. 公式（2）就是等效剂量（EQD2）的计算方程式。
从公式（2）中我们看到,等效剂量（EQD2） 除了和物理剂量n1d1有关外,还和: (1)组织的α/β值有关,而组织的α/β值的大小 就反映了组织的放射性生物特性.一般来说,早 反应组织和肿瘤组织的α/β值比较大,晚反应 组织的α/β值比较小.则在同样的外因(物理剂 量)下,由于两种组织的内因(放射性生物效应) 不同而造成各自的等效剂量不同. (2)还和分次量(d1)的大小有关.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,这 就是内因不同在起作用的结果.
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 周志孝 教授资料
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 DOSE ,DOSE,)
生物剂量---生物等效剂量(等效剂量) (IsoEffect Dose ,EQD2) 生物效应剂量 (Biological Effective Dose,BED)
1) 急速照射:急速照射指剂量率在2Gy/min以上的照 射,多数真核细胞有生物学意义的照射在几分钟完 成,极少或不发生DNA单链的修复.一般情况下,外照 射属于这种照射. 2) 慢速照射:慢速照射指剂量率在<0.2cGy/min的照 射,有生物学意义的剂量需几小时才能完成, DNA单 链断裂的修复基本是完全的. 3) 迁延性照射:剂量率介于两者之间的照射就是 ”迁延性照射”.在这个区域里有生物学意义的照 射剂量的给出时间和DNA单链断裂的修复速率常数 [11,12] 差不多,可以观察到剂量率效应 . 而IMRT照射由于照射时间延长到20-40分钟则 从剂量率这一点来看,属于” 迁延性照射”.则存 [6] 在剂量率效应,生物效应会下降10-15% .
5.0
Gy/F 1.750 1.600 1.250 1.176
等效剂量与物理剂量的比值(η)曲线
(1)
(2)
从等效剂量与物理剂量的比值( η)的表格和曲线 中我们看到: 当分次量(d1)<2Gy时,等效剂量（EQD2）都小 于物理剂量n1d1.虽然早反应组织和肿瘤组织的等 效剂量下降了,但晚反应组织的等效剂量下降更多. 这就是超分割治疗能更好地保护晚反应组织的道理; 只要正常组织反应还能耐受的情况下,我们还能增 加物理剂量,以提高肿瘤控制率. 当分次量(d1)>2Gy时,等效剂量（EQD2）都大 于物理剂量n1d1.虽然早反应组织和肿瘤组织的等 效剂量上升了,但晚反应组织的等效剂量上升更多. 这就是大分割虽然可以提高肿瘤控制率,但晚反应 组织反应偏重的道理.在此情况下,我们为了保护晚 反应组织就不得不减少物理剂量. 但大分割对生长快的肿瘤的治疗,在临床上还是 有一定作用的.
3 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.
d 2K（1-Kn） BED=D（1+（-----）（1- ---------------））-（T-T） α/β n（1-K2） (6)
T T K=e-t =0 =0.85Gy/天 =1.4/小时 =0.46/小时 t n
治疗总时间， （天） 细胞增殖开始时间,（天） 亚临床放射损伤修复因子, T=《28天及晚反应组织, T》28天肿瘤增殖因子， α/β=10Gy , α/β=3Gy ， 两次照射间的时间间隔。（小时） 总照射次数
Gy/F 0.750 0.800 0.917 0.941
Gy/F 0.775 0.820 0.925 0.947 Gy/F 0.800 0.840 0.933 0.953 Gy/F 0.875 0.900 0.958 0.971 Gy/F 1.000 1.000 1.000 1.000 Gy/F 1.250 1.200 1.083 1.059 Gy/F 1.500 1.400 1.167 1.118
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.
3 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 [6] 射 .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[9,10],当然临床治 疗计划也应作出相应的变更.
2) 等效剂量与物理剂量的比值( η) 从生物等效剂量计算公式我们可以得到:
η=n2 d2/ n1d1
= (α/β+d1)/ (α/β+2) (3)
η-- 等效剂量（EQD2）与物理剂量的比值
等效剂量与物理剂量的比值( η)表
α/β d1 1.0 1.1 1.2 1.5 2.0 3.0 4.0 2Gy 3Gy 10Gy 15Gy
4 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!”
练习



BED=D[1+d/（ /β）] 请对比以下2种方案的BED： 1、60Gy/30次； 2、50Gy/ 5次； 请对比体部伽马刀早期肺癌治疗方案BED： 3、50Gy/10次； 4、60Gy/10次； 5、70Gy/10次；
练习



BED=D[1+d/（ /β）] 请对比TOMO常用治疗方案BED： 1、50Gy/20次=62.5； 2、60Gy/20次=78； 3、70Gy/20次=94.5；
几种组织的 Tk 和 k 值
组织/参数 口腔粘膜 非小细胞肺癌 头颈部鳞癌 食道癌
Tk （days)
7 14 21 28
k(Gy/day)
0.66 0.5-0.7 0.5-0.7
鼻咽癌
28
0.85
从公式(6)看到: 生物效应剂量（BED）值除了和组织的α/β 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 [2] 题了.如”半修复时间(repair half-time) ()”, 两次照射间的时间间隔(t ), 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.
1 生物等效剂量(等效剂量) (Equivalent Dose in 2 Gy/f, EQD2)
1) 生物等效剂量(等效剂量)计算公式 等效剂量（EQD2）的计算是在α/ß公式基础上推导而 得的: 在常规放疗方案中，d2=Dt/N=2Gy，就有： n2 d2 =n1d1〔(α/β+d1)/ (α/β+2)〕