第四讲氧效应和

LET与氧效应赵漫李丽琴

传能线密度LETLET的定义LET与阻止本领的关系LET与能量的关系LET与辐射生物效应关系LET和RBE之间的关系LET与细胞存活曲线LET和修复现象LET和细胞周期LET的定义传能线密度（Linearenergytransfer,LET）是指直接电离粒子在其单位长度径迹消耗的平均能量，其单位为J/m，一般常用keV/um表示。定义为dE除以dl的商，即dE是指特定能量的带电粒子在物质中穿行dl距离时，由能量转移小于某一特定值Δ的历次碰撞所造成的能量损失。Δ是能量截止值，即凡由能量转移值小于Δ的碰撞所造成的能量传递均认为是在局部授予物质的。LET的定义X、γ射线和中子不是直接电离粒子而是间接电离粒子，但它们的电离作用仍是通过与物质相互作用过程中形成的电离粒子所产生的，所以LET的概念对X、γ射线和中子也适用。根据LET值的不同，把不同辐射分成两类：低LET射线（X、γ、β射线），LET<10KeV/μm高LET射线（快中子，负π介子及重粒子），LET>100KeV/μm.不同类型和不同能量的电离辐射的传能线密度辐射类型粒子动能（MeV）传能线密度（KeV/μm）辐射类型粒子动能（MeV）传能线密度（KeV/μm）

Γ射线1.17-1.330.3中子41780.21412X射线250KV3.3-3.8质子0.95450.22.52.017β射线0.00555.57.0120.0143400.30.10.7α射线3.41301.00.255.0902.00.212725返回LET与S（阻止本领）的关系线性碰撞阻止本领是指入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程碰撞损失的平均能量。LET与S的关系可以被看为:LET是在一个能量截止值的前提下定义的，而S是没有能量截止值的。即当Δ值趋于无穷时，LET近似等于S值，即S=LET∞。在生物学中近似的把LET与阻止本领S同等看待,以LET∞表示。

LET与S（阻止本领）的关系碰撞对介质的影响取决于传递给电子的能量Q（1）假定Q略小于结合能W，则导致原子激发（2）若Q大于W,则发生电离。若Q不超过几百电子伏特，电子动能在其发射点附近就被吸收，产生一连串的电离和激发。假若Q更大，电子就有一条不同于原先粒子的径迹。最经常采用的∆值为100eV，已知粒子丢失的能量40%传递给次级电子，得到LET（100eV）=0.6S.在介质中某一点，60%的剂量由接近具有LET∆的径迹来提供，其他40%由次级电子按自身具有的LET值贡献。LET与S（阻止本领）的关系粒子丢失的能量和能量传递Q有如下分布：1.40%传递能Q>100eV（次级电子）2.30%传递能100eV>Q>10eV（电离作用）3.30%传递能Q<10eV(激发作用和热传递)这种分配主要和近距离及远距离碰撞频率有关，而这两种碰撞的频率又由介质中电子的随机空间分布所决定，它在很小的程度上依赖粒子的速度或粒子的电荷（远距离碰撞时，能量传递）LET和S的关系带电粒子和介质的电子相互碰撞，远距离碰撞时，能量传递Q取决于电子和粒子轨道的距离，速度为v,粒子电荷为z时，传递能Q随距离h的增加而迅速减小。入射带电粒子介质电子LET和S的关系一个入射粒子丢失的能量分布与单个能量传递大小的关系。粒子丢失的能量分布是能量传递Q的函数，粒子在其径迹上行进一小段距离丢失的能量分配如图。这种分配主要和近距离即远距离碰撞频率相关，而这两种碰撞的频率又由介质中电子的随机空间分布所决定，它仅在很小程度上依赖于粒子的速度或粒子的电荷及其阻止本领。我们认为相对频率是恒定的。返回LET和能量的关系LET和能量的关系电子的碰撞阻止本领可以表示为：（1）电子的电离损失与物质的每克电子数Ne成正比(电子密度)（2）与电子能量E的关系比较复杂a．低能时，电离损失近似与电子的能量成反比（括号外的起决定作用）b．高能时，电离损失随电子能量的增加缓慢增加（高能时括号外的β值接近1,整个式子值不变，而括号内的项随能量缓慢增加）.当电子能量约1Mev时，电离损失最小。β为入射粒子速度与光速之比。LET和能量的关系重带电粒子碰撞阻止本领可表示为:Ne为靶物质的每克电子数；z为带电粒子的电荷数；β为入射粒子速度与光速之比1近似与重带电粒子的能量成反比。这是因为带电粒子速度越慢与轨道电子相互作用的时间越长，轨道电子获得的能量就越大。2与物质的每克电子数成正比(电子密度)3与重带电粒子的电荷数平方成正比（库仑力作用）LET和能量的关系对于X射线由于临床应用的缘故，所以我们只讨论光电效应和康普顿效应产生的能量损失。发生光电效应时，入射光子与光电子的关系是由于光子的能量比结合能大得多，所以因此可以近似地认为光电子的能量等于射线的能量。LET和能量的关系对于康普顿效应，我们从截面的角度分析：发生康普顿效应时，我们观察到，光子能量在1.5MeV时，散射截面和转移截面的值是相等的，而在这之前散射截面大于转移截面，之后散射截面小于转移截面，可以看出，随光子能量的增加，每次碰撞转移给反冲电子的动能占总能量的份额是逐渐增加的。LET和能量的关系光子转移给电子的能量，如果是光电效应，转移给光电子的能量近似于光子能量相当，由于光电效应的光子能量较小，所以其产生的光电子的能量也较小（同低能电子），所以可认为光电效应时的LET是随光子能量的增加而减小的；如果为康普顿效应，随光子能量的升高，转移给反冲电子的能量占总能量份额是增加的，即反冲电子的能量随着光子能量的增加是增加的，则LET是在低能时随光子能量增加而减少，高能时随光子能量增加而缓慢增加。但是由于每个光子产生的电子的能量均不相同，我们这里使用的是能量转移的一个平均值来分析的，所以说对于每束光子其LET应是一个范围。LET和能量的关系通过以上分析我们可以得出结论，在放射生物学研究范围内，射线的LET与能量的关系总结为1.电子之间，低能时，随着能量增加，碰撞损失减小，LET值也减小。高能时，情况相反。2.电子与重带电粒子相比，重带电粒子的质量要比电子大的多，相同能量的二者，重带电粒子的速度小于电子，与物质的作用时间较电子充分，因而重带电粒子有较高的LET值3.重带电粒子之间，对于同种的重粒子，随能量的增大，碰撞损失是减小的，LET值减小。另外电荷数越大的，碰撞损失越大（库仑力作用）。返回LET与辐射生物效应关系在一般情况下，射线LET值越大，在相同吸收剂量下其生物效应越大。图示表示不同LET射线对DNA分子作用时的电离密度分布。电离密度是指单位长度径迹上形成的离子数，LET与电离密度成正比，LET高的射线，电离密度也大；LET低的，电离密度也小。LET与辐射生物效应关系低LET射线：X射线、β射线、γ射线，LET值通常小于10keV/μm；高LET射线:快中子、负π介子及重粒子，LET值一般大于100keV/μm返回LET与RBE的关系相对生物效应(RBE)是指标准的x（r）射线和所研究的电离辐射引起相同生物效应所需吸收剂量之比。RBE用来表示在一个特定的吸收剂量下，不同类型的电离辐射产生的不同生物效应。X标准射线产生生物效应的剂量RBE=————————————————

所观察辐射引起相同生物效应的剂量标准X(γ)线常为250kVX线。比如引起相同生物损害所需X线剂量是α射线的10倍,故α射线的RBE为10。现在一般用60COY射线或高能x射线(＞lMv)作为标准。RBE和吸收剂量的关系小肠隐窝干细胞，不同剂量水平的快中子和γ射线相比。RBE和吸收剂量的关系1.在大剂量时，随剂量变化，中子的RBE只有很小的变动，RBE约与存活曲线的最终斜率的比率相等。2.在中等剂量，由于γ射线有较大的肩区，在肩区内RBE就随剂量下降而下降。3.在低剂量时，相当于存活曲线与其初始的切线部分几乎不能区分的区域，RBE相当于中子和γ射线存活曲线初始斜率指标，即ɑ系数的比。RBE和吸收剂量的关系在非常大的剂量区域内中子和γ射线的存活曲线几乎都是指数性的，RBE的变化也不是太大。RBE约与存活曲线的最终斜率的比率相等。当照射剂量降低时，因γ射线照射有较大的肩，RBE从1.8增加到2.6。当γ射线的剂量低于2.5Gy时，RBE在2.6处成为坪区，这坪区相当于用中子和γ射线得到的存活曲线初始斜率的比值。LET与RBE的相互关系总的来说，相对生物效应（RBE）与传能线密度（LET）是正相关关系，但是在不同的LET的范围内，二者的关系不完全一样。右图显示了这种关系。曲线表明三个存活水平80%、10%、1%，三个曲线之间的差别。LET与RBE的相互关系1.当LET<10keV/μm时，RBE随LET增大而上升得幅度很小。2.当LET＞10keV/μm时，RBE随LET增大迅速上升。3.当LET值上升到100keV/μm左右时，到达峰值，此时生物效能最大。4.当LET＞100keV/μm时，RBE随LET增大而下降。产生超杀现象。LET与RBE的相互关系随着LET的增加，径迹上的电离密度加大，靶体积中的电离事件增多，对细胞的杀伤作用也随之增大。图示形象化的以每个细胞发生2次电离事件代表最佳杀伤作用的LET，如果LET再高，则出现“超杀”效应，造成能量浪费，RBE下降。这在肿瘤放射治疗条件选择时，具有重要意义。细胞“超杀”效应示意图LET与RBE的相互关系解释：按靶学说的观点，射线要杀死一细胞，必须给细胞的靶部位一足够的能量（需在一定的靶体积内沉积足够的能量）。稀疏电离辐射的带电粒子（10keV/um以下）径迹上的电离事件被分散在相对较长的间距中，靶体积沉积的能量小，靶部位发生多于一次的电离事件的几率不大（通常认为发生两次电离事件细胞才被杀死),可以理解为大部分是单键断裂或能量太低不足以发生断裂，导致这样大量的损伤可以被修复，从而使当LET增加时，RBE也增加缓慢。随着LET的继续增加，径迹上的电离密度加大，细胞靶体积中发生的电离事件增多，对细胞的杀伤作用也随之增大，主要是发生二次以上电离事件的概率增大，修复的影响作用降低。图中形象的以每个细胞发生二次电离事件代表有最佳杀伤作用的LET.如果LET再高，则出现超杀效应，造成剂量的浪费，RBE下降。返回LET与细胞存活曲线的形状图示比较了随LET的增加，照射后的细胞存活曲线的初始斜率逐渐增加，肩区减小，最终斜率增大．与亚致死损伤的累积相比较，直接的致死性损伤效应的相对重要性增加。LET与细胞存活曲线的形状由高LET分量引起的α效应，是剂量的一次函数，在低剂量段起主要作用；由低LET分量引起的β效应，是剂量的二次函数，在高剂量段起主要作用。低LET射线主要是间接致辐射损伤，存在亚致死损伤的修复，存活曲线有肩区，属多靶模型；高LET射线是直接致辐射损伤，没有亚致死损伤的修复，存活曲线无肩区，属单靶模型。返回LET与细胞修复现象X射线照射者肩区最宽，α粒子照射者完全没有肩区，中子照射者居于二者之间，肩区很小。随LET的增加，亚致死损伤的重要性降低。高LET射线照射后基本上没有亚致死性损伤的修复。LET与细胞修复现象实验研究中以小鼠小肠粘膜跟肺的亚致死损伤修复。纵坐标分为两次照射后达到设定观察时间时动物出现50%死亡率所需要的增加的剂量。LET与细胞修复现象分次照射时，中子每一分次量的改变其等效剂量变化较小。分次量减小时由于修复作用，细胞对射线的耐受性增强。等效总剂量50%致死率时的剂量。返回LET和细胞周期低LET照射后，处于不同时相的肿瘤细胞的放射敏感性差别，随LET的增加而逐渐变小，到LET高100kev