5 放射治疗学

学习笔记
作者: MingXiao

重点
医用电子直线加速器的工作原理
传能线密度（LET）和相对生物效应（RBE）的意义和关系
放射治疗的4R理论

5.1 医用电子直线加速器的结构

各个部件的作用：

  1. 初级、次级准直器：控制射线的范围
  2. 均整器：平均X射线能量在空间的分布
  3. 电离室：测量X射线能量（相当于γ相机的闪烁晶体）
  4. 射野灯：模拟X射线在人身上的照射范围

多叶准直器（mutil leaf collimator MLC）

用于控制照射野的大小和形状，可以更好的贴合病灶

设置方法

内交法：将准直器与病灶内测相交，对正常组织伤害小
其他以此类推
准直器的方向也可以设置，可以90°旋转

楔形板

用于调整射线照射范围

5.2 放射剂量学

照射量
度量射线导致空气电离程度的物理量，定义为
\[E=\frac{dQ}{dm}\]
单位\(C\cdot kg^{-1}\)

吸收剂量
单位质量物质所吸收的辐射能量，定义为
\[D=\frac{dE}{dm}\]
单位为戈瑞，\(1\mathsf{Gy}=1J\cdot kg^{-1}\)

当量剂量
某一组织所接受的平均吸收剂量\(D_{T\cdot R}\)与辐射权重因子\(w_R\)的乘积
\[H_T=w_R\cdot D_{T\cdot R}\]
单位为希沃特，\(1\mathsf{Sv}=1J\cdot kg^{-1}\)
人体一年的安全剂量为50mSv

百分深度剂量PDD
模体内照射野中心轴上任一深度d处的吸收剂量\(D_d\)与参考点\(d_0\)处的\(D_0\)的比值
\[PDD=\frac{D_d}{D_0}\times 100\%\]
由于建成效应，照射皮肤的射线会产生次级电子，参考点并不在身体表面

影响PDD的因素

  1. 射线能量
  2. 源皮距：射线源到皮肤的距离
  3. 照射野大小及形状：越大会使次级电子越多

好的放射治疗计划

  1. 肿瘤区剂量尽可能准确
  2. 肿瘤区吸收剂量要均匀
  3. 提高肿瘤靶区剂量的同时，尽量降低正常组织的受照剂量

5.3 放射治疗学

传能线密度（LET）
指电离辐射通过直接电离或次级电子电离，在单位长度径迹上平均消耗的能量
\[L=\frac{dE}{dl}\]
单位\(J/m,keV/m\)
低LET

  • 光子和轻粒子，从低到高为

  1. X-Ray

  2. γ-Ray

  3. β-Ray

  4. 电子束

  5. 质子束

高LET

  • 重粒子
  1. 中子束
  2. α-Ray
  3. 重离子束

相对生物效能（RBE）
RBE=（250kV的X-Ray引起某一生物效应所需的剂量）/（目前所观察的辐射引起同一效应所需的剂量）
RBE越大，说明这种射线的治疗效果越好

LET和RBE的关系

  1. 大体上成正相关
  2. 100keV/um左右的LET的辐射，其RBE最大
  3. 2的原因是100keV/um的辐射，其电离事件的平均间隔和DNA双螺旋的直径一致，直接将DNA双链打断

电离辐射的直接作用和间接作用
直接：生物大分子发生电离和激发（高LET射线主要是这个）
间接：首先将能量转移到水分子，水分子电离和激发，产生高氧化性的自由基，与生物大分子反应（低LET射线主要是这个）

自由基对生物分子的作用

  1. 对核酸的损害：阻挡中心法则，导致死亡或癌变
  2. 对生物膜的破坏：脂质过氧化，流动性降低，线粒体膨胀，细胞破裂
  3. 对蛋白质和酶：变形

氧效应
受照射的生物系统的RBE随介质中氧浓度增高而增加，即有氧的效果比无氧好
原因：

  1. 自由基和DNA反应生成DNA自由基
  2. 若有还原性基团，则DNA自由基可以被还原
  3. 若有氧存在，能形成有机超氧化物，不能还原

氧增强比（OER）
OER=（缺氧时产生一定效果的剂量）/（有氧时产生同一效果的剂量），OER\(\geq\)1
低LET的辐射往往有更高的OER，因为低LET辐射靠自由基的氧化，而高氧含量会加快这一过程；高LET的辐射依靠直接电离激发来破坏，不靠氧化

氧浓度和氧效应的关系
0.5%就足够了

分割放疗

在血管附近的肿瘤细胞会先死亡，余下的缺氧细胞再氧合后也会死

5.4 放射治疗的4R理论

放射敏感性
细胞对辐射致伤的敏感程度

贝-特定律
组织细胞的辐射敏感性与他们的增殖能力成正比，与分化程度成反比
对人体而言，大部分细胞遵循，但是淋巴和卵原细胞是例外

测量体外培养细胞的放射敏感性最直接和最准确的方式是细胞克隆形成率实验得出的细胞存活和参数

例：下面的表格给出了以24h为增值周期的细胞的个数变化和存活分数的关系，在day0照射不同剂量的射线

day0 100 100 100 100 100 100
DAY1 200 160 100 20 2 0
存活分数% 100 80 50 10 1 <.5

细胞存活曲线

  • 高LET射线，\(\mathsf{SF}=e^{-\alpha D}\)，单靶单击模型
  • 低LET射线，\(\mathsf{SF}=1-(1-e^{-kD})^N\)，多靶多击模型

其中，D是每个细胞都受到一个射线击打时放射剂量的期望值，Dq是克服细胞自我修复的阈值剂量
D0是对数存活曲线从1->0.37或0.1->0.037所需的剂量

细胞周期不同时相细胞的放射敏感性

在S晚期有很强的放射抗性，在G2/M和S前期敏感性最高

根据细胞照射后损伤表现，将组织分为早反应组织和晚反应组织

  • 早反应组织
  1. 皮肤
  2. 口腔粘膜
  3. 消化道上皮
  4. 造血系统
  5. 肿瘤组织
  • 晚反应组织
  1. 心脏
  2. 肝脏
  3. 肾脏
  4. 循环系统
  5. 脑

分割放疗

左图是两种组织对单次照射剂量的生存分数，右图是多次照射（分割治疗）的生存分数 晚反应组织**亚致死损伤（SLD，能修复的损伤）** 修复能力强，分割治疗对晚反应组织有保护作用
  • LD，致死损伤

修复，Repair

等效剂量曲线
  • 肿瘤是早反应组织，SLD修复能力弱
  • 正常组织有很多晚反应组织，SLD修复能力强
  • 分次照射对晚保护强，对早保护弱

细胞周期再分布，Redistribution

先消灭G2/M期细胞，当余下细胞重新恢复分裂周期活动时可以再次照射

再氧合，Reoxygenation

利用氧效应，就是上面的再氧合

  • 计量分割后正常组织有时间修复
  • 肿瘤细胞重新进入敏感时期
  • 再氧合，氧效应使得RBE增强
  • 时间间隔需要控制

再增殖，Repopulation

  1. 不必要的延长治疗时间对治疗不利
  2. 正常组织急性反应时要有间隔，间隔尽量短
  3. 分割治疗不是好的治疗方法
  4. 增值快的肿瘤必须快速处理

5.5 放疗和其他疗法结合

  • 与手术治疗
  1. 术前放疗
  2. 术中放疗
  3. 术后放疗

  • 与化疗结合

  • 与热疗结合

  1. 促进供血
  2. 促进肿瘤细胞再氧合
  3. 抑制SLD损伤修复
  4. 抑制潜在的LD修复


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