第十一章--电离辐射的生物效应与损伤

1、,辐射,第十一章 电离辐射的生物效应与损伤,第一节 辐射量及其测量,第二节 电离辐射的生物学效应,第三节电离辐射的损伤机制,第十一章 电离辐射的生物效应与损伤,第一节 辐射量及其测量,国际权威组织,“国际放射防护委员会” （ICRP）,“国际辐射单位和测量委员会”(International commission on radiological units and measurements ICRU),一、电离辐射的常用辐射量及其单位,二、辐射防护用辐射量和单位,三、电离辐射的测量方法,第一节 辐射量及其测量,一、电离辐射的常用辐射量及其单位,单位 Ckg-1， 库仑千克-1 ，曾用名称为伦琴

2、（R） 1R=2.5810-4Ckg-1 1Ckg-1=3.877103R,定义 X或射线光子在质量为dm的空气中产生出所有次级电子完全被空气阻止时，在空气中所形成的任何一种符号离子总电荷量的绝对值dQ除以dm所得的值,照射量,照射量随时间的变化率称照射量率,比释动能,定义,单位,与照射量不同,比释动能只适用间接电离辐射,它不仅用于空气,也适用于其他物质,注意,焦耳千克-1（Jkg-1）,专用名称为戈瑞(Gy),不带电粒子在质量为dm介质中释放出的全部带电粒子初始动能之和除以dm所得的值,一、电离辐射的常用辐射量及其单位,比释动能随时间的变化率称为比释动能率,单位 戈瑞（Gy），1Gy1Jkg

3、-1， 曾用单位为拉德 （rad），1Gy100rad。,定义 单位质量物质吸收电离辐射的平均能量,吸收剂量,吸收剂量随时间的变化率称为吸收剂量率,一、电离辐射的常用辐射量及其单位,吸收剂量适用于任何类型辐射以及任何被辐射物质,照射量、比释动能、吸收剂量之间的关系,式中e为一个电子的电量。,一、电离辐射的常用辐射量及其单位,如果把 换算成等效的电荷数，即可从比释动能算出照射量。如果电离一对离子的平均消耗能量为 ， 则有,照射量、比释动能、吸收剂量之间的关系,上式一般在低原子序数和X、g 射线能量较低时，均可满足。,一、电离辐射的常用辐射量及其单位,1.当量剂量（equivalent dose,

4、H）,描述生物效应发生的程度就必须对吸收剂量D加以修正，这个修正因子称之为辐射权重因子WR。当量剂量由下式给出 ：,H = WRD,二、辐射防护用辐射量和单位,吸收剂量应取器官或组织的平均吸收剂量DT，则组织与器官的当量剂量的计算公式是：,如果多种辐射作用于某组织与器官，则该组织与器官的总的当量剂量为,辐射权重因子WR由国际辐射防护委员会（ICRP）认定。WR无量纲，故HT与D的量纲相同，也是Jkg-1，但专用名称为希沃特（Sv）。,HT = WRDT,二、辐射防护用辐射量和单位,1.当量剂量（equivalent dose,H）,1.有效剂量（ effective dose，E ）,组织权重

5、因子WT,器官和组织的权重因子T,二、辐射防护用辐射量和单位,经WT修正后的当量剂量称为有效剂量，用E表示。如果所受辐射包括了几种组织与器官，则辐射造成的有效剂量是各组织、器官有效剂量之和，即,二、辐射防护用辐射量和单位,例11-1 某次胸部检查（胸片）患者各组织器官受到的当量剂量为生殖腺0.01，乳腺0.06；红骨髓0.25，肺0.05，甲状腺0.08，骨表面0.08，其他组织0.11；胸部检查（胸透）各组织器官受到的当量剂量为生殖腺0.15，乳腺1.30；红骨髓4.10，肺2.30，甲状腺0.16，骨表面2.60，其他组织0.85，剂量单位均为mSv，求接受者的有效剂量。,二、辐射防护用辐

6、射量和单位,解：依公式11-9有： EXP=0.010.08+0.060.12+0.250.12+0.050.12+ 0.080.04+0.080.01+0.110.51=0.1041mSv EXT=0.150.08+1.300.12+4.100.12+2.300.12+ 0.160.04+2.600.01+0.850.51=1.4019mSv 可见，此次胸透患者接受的有效剂量相当于14次胸透。,二、辐射防护用辐射量和单位,ICRR委员会采用男性和女性参考体模，计算了器官和组织的当量剂量。为了确定有效剂量，应先评价参考男人和参考女人的器官或组织当量剂量，然后通过平均来得出参考人的当量剂量,二、

7、辐射防护用辐射量和单位,性别平均得到有效剂量,二、辐射防护用辐射量和单位,按照以下公式分别根据对参考男人和对参考女人的器官和组织T评估得到的当量剂量和，计算出有效剂量：,二、辐射防护用辐射量和单位,3.集体当量剂量（collective dose equivalent） 集体有效剂量（collective effective dose） 统称集体剂量,集体当量剂量ST是受辐射群体中每个成员所受当量剂量的总和。集体当量剂量的单位是人希沃特,二、辐射防护用辐射量和单位,如N个人所受当量剂量相同，则ST为个人当量剂量的N倍。同样的概念也用于集体有效剂量。即每个人的平均有效剂量与人数的乘积为集体有效剂

8、量S，集体有效剂量的单位也是人希沃特。,1、电离室法测量照射量,三、电离辐射测量方法,2、量热计法测量吸收剂量,3、热释光法测量吸收剂量,4、胶片剂量测定法,5、放射性计数测量,利用辐射产生的各种物理效应，如热作用、电离作用、荧光作用、光化学效应等，可以对辐射源进行检测,电离室法测量照射量,自由空气电离室（标准电离室）是根据照射量定义设计的，是对照射量进行直接绝对测量的标准仪器。,三、电离辐射测量方法,量热计法测量吸收剂量,任何一种物质，当受到辐射照射时，其吸收的射线能量都将以热的形式表现出来。吸收的能量越大，产生的热量越高。通过测量此热量，就可以定量给出吸收剂量的大小。这就是热量计的制作原理

9、。,三、电离辐射测量方法,热释光法测量吸收剂量,用辐射照射剂量元件，然后对热释光剂量片重新加热时，可使带电中心束缚的价电子脱离吸引重新变成自由电子，同时以光的形式释放出能量来。,三、电离辐射测量方法,胶片剂量测定法,当射线穿过感光胶片时，胶片中的灵敏物质如溴化银便形成潜影，经过化学处理（显影、定影）后，其光学密度发生变化，变化程度与胶片吸收辐射能量的多少有关，这种关系在一定的剂量范围内呈线性。,三、电离辐射测量方法,放射性计数测量,用计数的形式来测量辐射场剂量的大小。在GM计数管的阴极和阳极之间加上电压（几百伏至上千伏），当辐射入射到管内时，管内气体将产生电离，一次接一次的电离形成雪崩放电。每

10、产生一次放电在外线路就会形成一个脉冲。因此确定了计数管的工作电压，即可由此测量辐射量的大小。,三、电离辐射测量方法,第二节 电离辐射的生物学效应,一、电离辐射损伤的表观特性,二、确定性效应和随机性效应,三、小剂量电离辐射的生物效应,四、影响辐射生物效应的因素,电离辐射将能量传递给有机体引起的任何改变，统称为电离辐射生物学效应(ionizing radiation biological effect)，人类的放射损伤是一种严重的病理性辐射生物效应。,一、电离辐射损伤的表观特性,电离辐射的剂量具有累积性，对生物体所造成的伤害大小与各次辐射的总和成正比。,电离辐射生物学效应表现强烈又多种多样。它能促

11、进细胞分裂与生长；抑制生物体新陈代谢；诱发遗传性变异选育新品种；也能破坏细胞结构用于消灭病菌、害虫；还能用于诊断和治疗疾病；但也能导致肿瘤及辐射病的发生。,一、电离辐射损伤的表观特性,1确定性效应（deterministic effect）,当辐射作用于生物体的整体或局部组织时，构成该组织的相当数量的细胞被杀死，从而使该种组织或有该种组织构成的器官的功能受到影响并可观察到其形态变化或症状，通过这样的发生机制产生的效应称为确定性效应。,二、确定性效应和随机性效应,特点： 此生物效应的严重程度与照射剂量的大小成正比，且存在剂量阈值，通常为0.1Gy-0.2Gy。,2随机性效应（stochastic

12、 effect）,电离辐射能量沉积是一种随机性过程，对于单个细胞的变异而产生的生物学效应是随机性事件。因此称这类辐射效应为随机性效应。,特点：此效应无剂量阈值，损伤严重程度与受辐射剂量 大小无关，效应发生概率与所受剂量大小成正比,注意这个剂量是累积剂量，有日、月、年及终生剂量,二、确定性效应和随机性效应,随机性效应分成两大类：致癌效应和遗传效应。,1小剂量一次照射,人员受到一次小剂量照射后，机体在照后60天以内主要出现两方面的变化。早期临床症状 ：多在受照后当天出现，持续时间较短，不经治疗一般数天后可自行消失。,三、小剂量电离辐射的生物效应,2小剂量慢性照射效应,人员受到当量剂量限值范围内的长

13、期照射，称之为小剂量慢性照射或低水平照射。由于受照次数多，叠加时间长，因而机体既有损伤的表现，又有修复和适应的表现。,3毒物刺激效应,较大剂量的电离辐射已被公认具有降低免疫力和诱发肿瘤的作用，但低剂量电离辐射对免疫系统却具有一定的刺激性作用，同时它对生物生长发育、延长寿命、提高生育力、防癌和抗感染等方面具有有益的作用，同时能提高免疫能力，并能使小剂量预辐射照射后的大剂量辐射产生适应性。这种反转效应称为Hormersis效应。,三、小剂量电离辐射的生物效应,1. 与电离辐射有关的因素,（1）照射剂量相同的情况下，因辐射种类不同，机体产 生的生物效应也不一样； （2）吸收剂量愈大生物效应愈明显；

14、（3）剂量率愈大，效应愈显著； （4）当总剂量相同时，分次愈多，各次照射时间间隔愈 长，生物效应愈小； （5）当吸收剂量和剂量率相同时，机体受照的部位不同 引起的生物效应也不同； （6）其他条件相同时，受照面积愈大损伤愈严重；,四、影响辐射生物效应的因素,2. 与机体有关的因素,高度敏感组织 淋巴组织、胸腺、骨髓 肠胃上皮 性腺和胚胎组织,3. 环境因素,低温、缺氧情况下，可以减轻辐射的生物效应。,不同种类的生物对辐射的敏感性差异很大， 种类进化程度愈高，组织结构愈复杂，辐射敏感性愈高,不敏感组织 肌肉组织 软骨 骨组织 结缔组织,中度敏感组织 感觉器官 内皮细胞 皮肤上皮 肾 、肝、肺的上皮

15、细胞,轻度敏感组织 中枢神经系统 内分泌腺 心脏,人类对辐射,四、影响辐射生物效应的因素,第三节电离辐射的损伤机制,一、辐射与自由基,二、直接作用与间接作用,三、原初过程和时间进程,四、靶学说和生物靶的调节作用,一、辐射与自由基,自由基（free radical）,自由基是带有一个或多个不配对电子的原子、分子、离子或原子团，具有极强的活性。,为了使自由基显示出未配对电子特征，一般在原有原子、分子、离子或基团符号的一侧或上方记一个圆点“”以显示带有未配对电子，但不表示未配对电子的数量。,当辐射能量被生物体活性分子（如脱氧核糖核酸）所吸收时，射线有可能直接与细胞中的关键部位（俗称靶）作用，靶分子的

16、原子本身被电离或激发，引起这些生物大分子损伤，这就是直接作用。,对应物理量传能线密度（linear energy transfer，LET）,定义：单位长度径迹上释放辐射能的多少，其单位为 Jm-1或keVm-1。LET与粒子种类及能量大小有 关。一般规律是LET越大，直接作用概率越高,二、直接作用与间接作用,1.直接作用（direct action）,生物分子处在射线的径迹外没有直接受到射线的作用，而是通过生物分子周围的介质发生辐射反应时产生的自由基与生物分子作用，引起生物分子损伤。这种作用为间接作用（indirect action）。,间接作用在引起生物大分子损伤中具有重要意义,2.间接作

17、用（indirect action）,二、直接作用与间接作用,1）带电粒子与DNA分子的直接作用； 2）通过自由基与DNA分子的间接作用，即紧邻 DNA处的“环境”分子（水分子）电离形成的自 由基向DNA扩散，并将其能量转移给DNA， 从而使该分子产生化学变化。,二、直接作用与间接作用,在辐照情况下，水受辐射分解后可产生离子和自由基。这些自由基具有过剩的能量而不稳定，极易反应将能量转移给其他分子，使其损伤。,二、直接作用与间接作用,三、原初过程和时间进程,近年由于高分辨和快速记录等技术的发展，对原初物理事件的观察时间现已能缩短到10-24s，从原初物理事件到可能在照射后数十年（109s）后出现

18、的癌症和遗传性死亡，时间跨越33个数量级。,辐射作用原初过程 物理、物理化学和化学三个阶段。,辐射作用时间阶段划分（不同学者意见不同），代表性三个阶段，如下表所示。,表11-2 电离辐射作用时间表,三、原初过程和时间进程,四、靶学说和生物靶的调节作用,1、靶学说,活细胞内存在对射线特别敏感的区域，称作“靶”target），射线辐照在靶上即引起某种生物效应；射线与靶区的作用是一种随机过程，是彼此无关的独立事件，“击中”概率服从泊松分布（Poisson）；射线在靶区内的能量沉积超过一定值便发生效应，不同的靶分子或靶细胞具有不同的“击中”数。按照这一学说，可根据经受照射剂量的细胞或生物分子的比例来计算靶结构的大小，还可以进一步预测引起相同生物