肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算数学模型.pptx

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1、 “生物剂量”的概念.2020世纪世纪3030年代创立和制定了辐射量化标准和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。射生物的研究工作有了统一的标准和依据。“生物剂量生物剂量”和和“物理剂量物理剂量”是两个不同概是两个不同概念念根据国际原子能委员会第根据国际原子能委员会第3030号报告定义号报告定义：“生物剂量生物剂量”是指对生物体放射反应程度的测是指对生物体放射反应程度的测量量。第1页/共39页放射治疗中的生物剂量换算模型：设计放射治疗方案应注意三个因素：设计放射治疗方案应注意三个因素：改变

2、常规治疗方案时应计算保持相等生物效改变常规治疗方案时应计算保持相等生物效应的应的总剂量总剂量。争取一个争取一个合理的分次方案合理的分次方案。比较不同比较不同分次剂量分次剂量、分次数分次数、和、和总治疗时间总治疗时间的技术的技术。第2页/共39页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，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：只有极少数有实用价值，主要是：立方根规则立方根规则（cube root rulecube root rule）。）。名义标准剂量名义标准剂量（Nominal standard dose Nom

3、inal standard dose NSDNSD）LQLQ模式模式(linear quadratic modle LQ)(linear quadratic modle LQ)前两个是经验性公式，后者是理论性公式前两个是经验性公式，后者是理论性公式第3页/共39页.19441944年由年由StrandqvistStrandqvist提出，是第一个对现代分次提出，是第一个对现代分次放疗放疗 发展具有指导意义的时间剂量模型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，斜率为剂量与总治疗时

4、间作图得到一条直线，斜率为0.220.22。.Cohen(1949)在在StrandqvistStrandqvist的工作基础上，分析了的工作基础上，分析了3 3 种皮肤损伤（轻度红斑、重度红斑和皮肤耐受性）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 的直线的率是的直线的率是0.330.33。等效剂量等效剂量D D与总治疗时间与总治疗时间T T的立方根成正比。的立方根成正比。立方根规则(StrandqvistStrandqvist)第4页/共39页名义标准剂量（NSD)19691969由英国放射肿瘤学家由

5、英国放射肿瘤学家Franc EllisFranc Ellis提出提出以三个假设为基础的数学关系式，以三个假设为基础的数学关系式，1 1）皮肤表皮损伤的愈合依赖于其下方结缔组）皮肤表皮损伤的愈合依赖于其下方结缔组织间质的状况织间质的状况2 2）除了骨和脑，全身其他部位的结缔组织是）除了骨和脑，全身其他部位的结缔组织是相似的相似的3 3）在肿瘤内及周围，正常结缔组织成分构成）在肿瘤内及周围，正常结缔组织成分构成间质。间质。第5页/共39页名义标准剂量（NSD)D=NSDN 0.22 T 0.11式中式中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。

6、NSD=D T-0.11 N-0.24式中式中NSD是指发生某一特定水平皮肤损伤的比例系数，是指发生某一特定水平皮肤损伤的比例系数，随皮肤反应的增加随皮肤反应的增加NSD增加。代表生物效应的水平。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对两个不同方案的比较所要做的就是比较NSD值。值。NSD可被认作是一个生物效应剂量。可被认作是一个生物效应剂量。第6页/共39页名义标准剂量（NSD)以以ret表示的表示的NSD未得到广泛接受，原因是不能详细代表剂量分割中未得到广泛接受，原因是不能详细代表剂量分割中“剂量剂量”的含义的含义,因此因此称为称为名义标准剂量名义标准剂量对对NSD

7、变形（变形（等号两侧同乘等号两侧同乘1.54），使），使NSD 1.54成为生物效应剂量单位，这就是成为生物效应剂量单位，这就是TDF的基的基础础。NSD与与TDF的关系：的关系：TDF=10-3 NSD 1.54 =Nd1.54(T/N)-0.17在在SI单位，单位，d用用Gy表示，表示，T用用“天天”表示。表示。第7页/共39页NSDNSD的主要缺欠的主要缺欠NSDNSD低估了大分次剂量照射后晚期损伤的发生低估了大分次剂量照射后晚期损伤的发生率。率。不存在鉴别晚期损伤的时间因子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，延长总治疗时间使肿瘤控制率下降，BentzenBent

8、zen和和OvergardOvergard归纳了在统一规划情况归纳了在统一规划情况下头颈鳞癌的三个治疗结果，肿瘤局控率损下头颈鳞癌的三个治疗结果，肿瘤局控率损失了失了7-10%7-10%。分次数的指数不是常数，即便对特定的指标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。射生物的动物实验资料。名义标准剂量（NSD)第8页/共39页线性二次模式（Linear Quadratic model LQ)LQLQ公式是公式是ChadwickChadwick和和Leenhouts1973Leenhouts1973年提

9、出的，是将年提出的，是将DNADNA双链断裂与细胞存活联系起来的数学模型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：模型的理论前提：假定携带遗传信息的核假定携带遗传信息的核DNADNA分子的完整性为细胞分子的完整性为细胞正常增殖所必须。正常增殖所必须。DNADNA双链断裂完全破坏了分子的完整性，因此是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。辐射所致的最关键损伤。各种生物学损伤指标与各种生物学损伤指标与DNADNA双链断裂直接关联。双链断裂直接关联。第9页/共39页效应的严重程度与每个细胞发生并存留的效应的严重程度与每个细胞发生并存留的DNADNA双链断裂的均数成比

10、例。双链断裂的均数成比例。诱发的诱发的DNADNA双链断裂数依赖于能量沉积与转移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，也依赖于在照的物理、物化、及化学过程，也依赖于在照射当时与射当时与DNADNA结构及环境有关的自由基竞争。结构及环境有关的自由基竞争。保持有效的保持有效的DNADNA双链断裂数取决于双链断裂数取决于DNADNA损伤的损伤的生化修复，而这种修复的效率是受照射当时生化修复，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。及照射以后的代谢状态控制的。线性二次模式（Linear Quadratic model LQ)第10页/共39页细胞存活曲线细胞存活曲线

11、描述放射线照射剂量和细胞存活比之间的关系。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。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。第11页/共39页 细胞存活曲线细胞存活曲线细胞形成克隆的能力被称为细胞形成克隆的能力被称为“细胞存活细胞存活”，辐射所致的细胞杀灭是指数性的，辐射所致的细胞杀灭是指数性的，指数关系的特点：增加一定剂量就有指数关系的特点：增加一定剂量就有一定比一定比例例的细胞而的细胞而不是数量不是数量的细胞被杀死。的细胞被杀死。第12页/共39页第13页/共39页线性二次模式（Linear Qua

12、dratic model LQ)在上述前提下在上述前提下：单次剂量单次剂量D D的效应（如细胞杀灭）可写做：的效应（如细胞杀灭）可写做：SF=expSF=exp(-(-D-D-D2)D2)或或 E=E=D+D+D D2 2第14页/共39页线性二次模式（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组织的等效曲线是相应靶细胞等效存活率的表达表达放射损伤可分成两个主要类型（能修复及不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能修复），而分割照射的保护作用主要来自于可修复的损伤于可修复的

13、损伤分次照射的间隔时间必须保证可修复损伤的分次照射的间隔时间必须保证可修复损伤的完全修复。完全修复。每次照射所产生的生物效应必须相等。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全部照射期间不存在细胞的增殖。第15页/共39页线性二次模式（Linear Quadratic model LQ)LQLQ等效换算的基本公式：等效换算的基本公式：主要的原则公式是主要的原则公式是19821982年年BarendsenBarendsen推荐的外推耐受剂量推荐的外推耐受剂量(extrapolated tolerance dose ETD(extrapolated tolerance dos

14、e ETD）。）。19871987年年ThamesThames和和 HendryHendry的总效应的总效应(totaL(totaL effect TE)effect TE)19891989年年Fowler Fowler 进一步完善提出了生物效应进一步完善提出了生物效应剂量剂量(biological effective dose BED(biological effective dose BED）BEDBED具有的优点是可以计算低于正常组织耐受性的效应水平，具有的优点是可以计算低于正常组织耐受性的效应水平，而而ETDETD的涵义是总耐受效应的涵义是总耐受效应。第16页/共39页线性二次模式（L

15、inear 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，习惯上以效应效应E E表示表示。E=E=D+D+D D2 2 （同除以同除以）E/E/=D+(D+(/)D D2 2E/E/被称做生物等效剂量被称做生物等效剂量,即即BEDBED。它具有剂。它具有剂量的大小和量纲，对衡量生物效应很有用。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）。续照射

16、所需的总剂量）。BEDBED的单位是的单位是GyGy。第17页/共39页线性二次模式（Linear Quadratic model LQ)BEDBED代表了分次照射或低剂量率连续照射过程代表了分次照射或低剂量率连续照射过程中的生物效应。中的生物效应。当分次剂量趋向于当分次剂量趋向于0 0时，时，BEDBED就相当于就相当于D D。在整个照射过程中，每一部分的在整个照射过程中，每一部分的BEDBED可以相加，可以相加，这样可以得到总的生物效应剂量。这样可以得到总的生物效应剂量。BED=ndBED=nd 1+d/(1+d/(/)式中式中n n为分次数，为分次数，d d为分次剂量，为分次剂量，ndn

17、d为总剂量为总剂量D D，/比值可查表。比值可查表。第18页/共39页线性二次模式（Linear Quadratic model LQ)/比值是临床应用公式、细胞存活曲线或等比值是临床应用公式、细胞存活曲线或等效分割公式中效分割公式中 参数和参数和 参数之比，参数之比，一个特定组织或细胞群体的一个特定组织或细胞群体的/比值，意味着比值，意味着在这个剂量值单击和双击所产生的生物效应在这个剂量值单击和双击所产生的生物效应相等。相等。它在数值上相当于一个特征性剂量，在该剂它在数值上相当于一个特征性剂量，在该剂量照射下量照射下DNADNA双链断裂和两个单链断裂组合发双链断裂和两个单链断裂组合发生几率相

18、等。生几率相等。等效换算基本公式：等效换算基本公式：N N2 2d d2 21+d1+d2 2/(/(/)=n=n1 1d d1 11+d1+d1 1/(/(/)第19页/共39页第20页/共39页第21页/共39页插图第22页/共39页第23页/共39页第24页/共39页人体正常组织和肿瘤的人体正常组织和肿瘤的/值值 组织或器官组织或器官 损伤损伤 /值（值（Gy)早期反应早期反应 皮肤皮肤 红斑红斑 8.812.3 皮肤剥脱皮肤剥脱 11.2 口腔粘膜口腔粘膜 粘膜炎粘膜炎 815 晚期反应晚期反应 皮肤皮肤/血管血管 毛细血管扩张毛细血管扩张 2.62.8 皮下组织皮下组织 纤维化纤维化

19、 1.7 肌肉肌肉/血管血管/软骨软骨 肩部运动障碍肩部运动障碍 3.5第25页/共39页人体正常组织和肿瘤的人体正常组织和肿瘤的/值值组织或器官组织或器官 损伤损伤 /值（值（Gy)神经神经 臂丛神经损伤臂丛神经损伤 3.5 臂丛神经损伤臂丛神经损伤 2 视神经损伤视神经损伤 1.6 脊髓脊髓 脊髓损伤脊髓损伤 3.3 眼眼 角膜损伤角膜损伤 2.9 肠肠 狭窄，穿孔狭窄，穿孔 3.9 肺肺 肺炎肺炎 3.3 纤维化纤维化(放射性）放射性）3.1 头颈头颈 各种晚期反应各种晚期反应 3.53.8 口腔口腔,口咽口咽 各种晚期反应各种晚期反应 0.8第26页/共39页人体正常组织和肿瘤的/值组

20、织或器官组织或器官 /值（值（Gy)肿瘤肿瘤 头颈部头颈部 喉喉 14.5 声带声带 13 口咽口咽 16 鼻咽鼻咽 16 皮肤皮肤 8.5 黑色素瘤黑色素瘤 0.6 脂肪肉瘤脂肪肉瘤 0.4 胸部胸部 食管、肺食管、肺 10 乳腺乳腺 4.6第27页/共39页 急性反应组织急性反应组织 6 14 Gy 估计判断估计判断 10 Gy 晚期反应组织晚期反应组织 1.5 5 Gy 估计判断估计判断 3 Gy 肿瘤肿瘤 75%大于大于 8 Gy 多种因素影响多种因素影响/：乏氧，周期时相，增敏剂，高：乏氧，周期时相，增敏剂，高LETLET等等。等等。/值范围值范围第28页/共39页等效换算基本公式

21、D2 d1+/-=-D1 d2+/D2(d2+/)=D1(d1+/)第29页/共39页等效换算基本公式等效换算基本公式 d+(/)EQD2=D-2+(/)D2(d2+/)=D1(d1+/)第30页/共39页 放射治疗方案之间时间剂量因子的变换放射治疗方案之间时间剂量因子的变换 公式公式 n1(d1+d12)=n2(d2+d22)亦即亦即 N2d21+d2/(/)=n1d11+d1/(/)d 确定求确定求 n 的变换值的变换值 n2=n1(d1/d2)(/+d1)/(/+d2)n 确定求确定求 d 的变换值的变换值 d2=d1(n1/n2)(/+d1)/(/+d2)n1 d1 d2 确定求确定求

22、 n2 n1 d1 n2 确定求确定求 d2 亦可亦可 D1/D2=(/+d2)/(/+d1)第31页/共39页 示例示例1 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)=352(2+3)D2=?第32页/共39页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。第33页/共39页 示例示例2 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第34页/共39页 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？第35页/共39页昨天昨天今天今天明天明天第36页/共39页 学以致用第37页/共39页 第38页/共39页感谢您的观看！第39页/共39页