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1、,輻射,第十一章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷,,,第一節(jié) 輻射量及其測(cè)量,第二節(jié) 電離輻射的生物學(xué)效應(yīng),第三節(jié)電離輻射的損傷機(jī)制,,第十一章 電離輻射的生物效應(yīng)與損傷,第一節(jié) 輻射量及其測(cè)量,國(guó)際權(quán)威組織,“國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)” （ICRP）,“國(guó)際輻射單位和測(cè)量委員會(huì)”(International commission on radiological units and measurements ICRU),,一、電離輻射的常用輻射量及其單位,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,三、電離輻射的測(cè)量方法,第一節(jié) 輻射量及其測(cè)量,,一、電離輻射的常用輻射量及其單位,單位 Ckg-1， 庫(kù)侖千克-1 ，曾
2、用名稱為倫琴（R） 1R=2.5810-4Ckg-1 1Ckg-1=3.877103R,定義 X或射線光子在質(zhì)量為dm的空氣中產(chǎn)生出所有次級(jí)電子完全被空氣阻止時(shí)，在空氣中所形成的任何一種符號(hào)離子總電荷量的絕對(duì)值dQ除以dm所得的值,,照射量,,,照射量隨時(shí)間的變化率稱照射量率,比釋動(dòng)能,定義,單位,與照射量不同,比釋動(dòng)能只適用間接電離輻射,它不僅用于空氣,也適用于其他物質(zhì),注意,焦耳千克-1（Jkg-1）,專用名稱為戈瑞(Gy),不帶電粒子在質(zhì)量為dm介質(zhì)中釋放出的全部帶電粒子初始動(dòng)能之和除以dm所得的值,,,一、電離輻射的常用輻射量及其單位,比釋動(dòng)能隨時(shí)間的變化率稱為比釋動(dòng)能
3、率,單位 戈瑞（Gy），1Gy1Jkg-1， 曾用單位為拉德 （rad），1Gy100rad。,定義 單位質(zhì)量物質(zhì)吸收電離輻射的平均能量,吸收劑量,,吸收劑量隨時(shí)間的變化率稱為吸收劑量率,,一、電離輻射的常用輻射量及其單位,吸收劑量適用于任何類型輻射以及任何被輻射物質(zhì),照射量、比釋動(dòng)能、吸收劑量之間的關(guān)系,式中e為一個(gè)電子的電量。,,一、電離輻射的常用輻射量及其單位,,如果把 換算成等效的電荷數(shù)，即可從比釋動(dòng)能算出照射量。如果電離一對(duì)離子的平均消耗能量為 ， 則有,照射量、比釋動(dòng)能、吸收劑量之間的關(guān)系,上式一般在低原子序數(shù)和X、g 射線能量較低時(shí)，均可滿足。,,一、電離輻射的常用
4、輻射量及其單位,1.當(dāng)量劑量（equivalent dose,H）,描述生物效應(yīng)發(fā)生的程度就必須對(duì)吸收劑量D加以修正，這個(gè)修正因子稱之為輻射權(quán)重因子WR。當(dāng)量劑量由下式給出 ：,H = WRD,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,,吸收劑量應(yīng)取器官或組織的平均吸收劑量DT，則組織與器官的當(dāng)量劑量的計(jì)算公式是：,如果多種輻射作用于某組織與器官，則該組織與器官的總的當(dāng)量劑量為,輻射權(quán)重因子WR由國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)（ICRP）認(rèn)定。WR無(wú)量綱，故HT與D的量綱相同，也是Jkg-1，但專用名稱為希沃特（Sv）。,HT = WRDT,,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,1.當(dāng)量劑量（equivalent dose,H
5、）,1.有效劑量（ effective dose，E ）,組織權(quán)重因子WT,器官和組織的權(quán)重因子T,,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,經(jīng)WT修正后的當(dāng)量劑量稱為有效劑量，用E表示。如果所受輻射包括了幾種組織與器官，則輻射造成的有效劑量是各組織、器官有效劑量之和，即,,,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,例11-1 某次胸部檢查（胸片）患者各組織器官受到的當(dāng)量劑量為生殖腺0.01，乳腺0.06；紅骨髓0.25，肺0.05，甲狀腺0.08，骨表面0.08，其他組織0.11；胸部檢查（胸透）各組織器官受到的當(dāng)量劑量為生殖腺0.15，乳腺1.30；紅骨髓4.10，肺2.30，甲狀腺0.16，骨表面2.60，其他
6、組織0.85，劑量單位均為mSv，求接受者的有效劑量。,,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,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 可見(jiàn)，此次胸透患者接受的有效劑量相當(dāng)于14次胸透。,,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,,ICRR委員會(huì)采用男性和女性參考體模，計(jì)算了器官和組織的當(dāng)量劑量。為了確定有效劑量，應(yīng)先評(píng)價(jià)參
7、考男人和參考女人的器官或組織當(dāng)量劑量，然后通過(guò)平均來(lái)得出參考人的當(dāng)量劑量,,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,,,性別平均得到有效劑量,,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,按照以下公式分別根據(jù)對(duì)參考男人和對(duì)參考女人的器官和組織T評(píng)估得到的當(dāng)量劑量和，計(jì)算出有效劑量：,,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,3.集體當(dāng)量劑量（collective dose equivalent） 集體有效劑量（collective effective dose） 統(tǒng)稱集體劑量,集體當(dāng)量劑量ST是受輻射群體中每個(gè)成員所受當(dāng)量劑量的總和。集體當(dāng)量劑量的單位是人希沃特,,二、輻射防護(hù)用輻射量和單位,如N個(gè)人所受當(dāng)量劑量相同，則ST為個(gè)
8、人當(dāng)量劑量的N倍。同樣的概念也用于集體有效劑量。即每個(gè)人的平均有效劑量與人數(shù)的乘積為集體有效劑量S，集體有效劑量的單位也是人希沃特。,1、電離室法測(cè)量照射量,三、電離輻射測(cè)量方法,2、量熱計(jì)法測(cè)量吸收劑量,3、熱釋光法測(cè)量吸收劑量,4、膠片劑量測(cè)定法,5、放射性計(jì)數(shù)測(cè)量,,利用輻射產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)，如熱作用、電離作用、熒光作用、光化學(xué)效應(yīng)等，可以對(duì)輻射源進(jìn)行檢測(cè),電離室法測(cè)量照射量,自由空氣電離室（標(biāo)準(zhǔn)電離室）是根據(jù)照射量定義設(shè)計(jì)的，是對(duì)照射量進(jìn)行直接絕對(duì)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)儀器。,三、電離輻射測(cè)量方法,,量熱計(jì)法測(cè)量吸收劑量,任何一種物質(zhì)，當(dāng)受到輻射照射時(shí)，其吸收的射線能量都將以熱的形式表現(xiàn)出來(lái)。吸
9、收的能量越大，產(chǎn)生的熱量越高。通過(guò)測(cè)量此熱量，就可以定量給出吸收劑量的大小。這就是熱量計(jì)的制作原理。,,三、電離輻射測(cè)量方法,,熱釋光法測(cè)量吸收劑量,用輻射照射劑量元件，然后對(duì)熱釋光劑量片重新加熱時(shí)，可使帶電中心束縛的價(jià)電子脫離吸引重新變成自由電子，同時(shí)以光的形式釋放出能量來(lái)。,三、電離輻射測(cè)量方法,,膠片劑量測(cè)定法,當(dāng)射線穿過(guò)感光膠片時(shí)，膠片中的靈敏物質(zhì)如溴化銀便形成潛影，經(jīng)過(guò)化學(xué)處理（顯影、定影）后，其光學(xué)密度發(fā)生變化，變化程度與膠片吸收輻射能量的多少有關(guān)，這種關(guān)系在一定的劑量范圍內(nèi)呈線性。,三、電離輻射測(cè)量方法,,放射性計(jì)數(shù)測(cè)量,用計(jì)數(shù)的形式來(lái)測(cè)量輻射場(chǎng)劑量的大小。在GM計(jì)數(shù)管的陰極和陽(yáng)
10、極之間加上電壓（幾百伏至上千伏），當(dāng)輻射入射到管內(nèi)時(shí)，管內(nèi)氣體將產(chǎn)生電離，一次接一次的電離形成雪崩放電。每產(chǎn)生一次放電在外線路就會(huì)形成一個(gè)脈沖。因此確定了計(jì)數(shù)管的工作電壓，即可由此測(cè)量輻射量的大小。,三、電離輻射測(cè)量方法,,第二節(jié) 電離輻射的生物學(xué)效應(yīng),一、電離輻射損傷的表觀特性,二、確定性效應(yīng)和隨機(jī)性效應(yīng),三、小劑量電離輻射的生物效應(yīng),四、影響輻射生物效應(yīng)的因素,,電離輻射將能量傳遞給有機(jī)體引起的任何改變，統(tǒng)稱為電離輻射生物學(xué)效應(yīng)(ionizing radiation biological effect)，人類的放射損傷是一種嚴(yán)重的病理性輻射生物效應(yīng)。,一、電離輻射損傷的表觀特性,,電離輻射
11、的劑量具有累積性，對(duì)生物體所造成的傷害大小與各次輻射的總和成正比。,電離輻射生物學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)強(qiáng)烈又多種多樣。它能促進(jìn)細(xì)胞分裂與生長(zhǎng)；抑制生物體新陳代謝；誘發(fā)遺傳性變異選育新品種；也能破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)用于消滅病菌、害蟲；還能用于診斷和治療疾?。坏材軐?dǎo)致腫瘤及輻射病的發(fā)生。,,一、電離輻射損傷的表觀特性,1確定性效應(yīng)（deterministic effect）,當(dāng)輻射作用于生物體的整體或局部組織時(shí)，構(gòu)成該組織的相當(dāng)數(shù)量的細(xì)胞被殺死，從而使該種組織或有該種組織構(gòu)成的器官的功能受到影響并可觀察到其形態(tài)變化或癥狀，通過(guò)這樣的發(fā)生機(jī)制產(chǎn)生的效應(yīng)稱為確定性效應(yīng)。,二、確定性效應(yīng)和隨機(jī)性效應(yīng),特點(diǎn)： 此生物效
12、應(yīng)的嚴(yán)重程度與照射劑量的大小成正比，且存在劑量閾值，通常為0.1Gy-0.2Gy。,,2隨機(jī)性效應(yīng)（stochastic effect）,電離輻射能量沉積是一種隨機(jī)性過(guò)程，對(duì)于單個(gè)細(xì)胞的變異而產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)是隨機(jī)性事件。因此稱這類輻射效應(yīng)為隨機(jī)性效應(yīng)。,特點(diǎn)：此效應(yīng)無(wú)劑量閾值，損傷嚴(yán)重程度與受輻射劑量 大小無(wú)關(guān)，效應(yīng)發(fā)生概率與所受劑量大小成正比,注意這個(gè)劑量是累積劑量，有日、月、年及終生劑量,二、確定性效應(yīng)和隨機(jī)性效應(yīng),,隨機(jī)性效應(yīng)分成兩大類：致癌效應(yīng)和遺傳效應(yīng)。,1小劑量一次照射,人員受到一次小劑量照射后，機(jī)體在照后60天以內(nèi)主要出現(xiàn)兩方面的變化。早期臨床癥狀 ：多在受照后當(dāng)天出現(xiàn)，持
13、續(xù)時(shí)間較短，不經(jīng)治療一般數(shù)天后可自行消失。,三、小劑量電離輻射的生物效應(yīng),2小劑量慢性照射效應(yīng),人員受到當(dāng)量劑量限值范圍內(nèi)的長(zhǎng)期照射，稱之為小劑量慢性照射或低水平照射。由于受照次數(shù)多，疊加時(shí)間長(zhǎng)，因而機(jī)體既有損傷的表現(xiàn)，又有修復(fù)和適應(yīng)的表現(xiàn)。,,3毒物刺激效應(yīng),較大劑量的電離輻射已被公認(rèn)具有降低免疫力和誘發(fā)腫瘤的作用，但低劑量電離輻射對(duì)免疫系統(tǒng)卻具有一定的刺激性作用，同時(shí)它對(duì)生物生長(zhǎng)發(fā)育、延長(zhǎng)壽命、提高生育力、防癌和抗感染等方面具有有益的作用，同時(shí)能提高免疫能力，并能使小劑量預(yù)輻射照射后的大劑量輻射產(chǎn)生適應(yīng)性。這種反轉(zhuǎn)效應(yīng)稱為Hormersis效應(yīng)。,三、小劑量電離輻射的生物效應(yīng),,1. 與電
14、離輻射有關(guān)的因素,（1）照射劑量相同的情況下，因輻射種類不同，機(jī)體產(chǎn) 生的生物效應(yīng)也不一樣； （2）吸收劑量愈大生物效應(yīng)愈明顯； （3）劑量率愈大，效應(yīng)愈顯著； （4）當(dāng)總劑量相同時(shí)，分次愈多，各次照射時(shí)間間隔愈 長(zhǎng)，生物效應(yīng)愈小； （5）當(dāng)吸收劑量和劑量率相同時(shí)，機(jī)體受照的部位不同 引起的生物效應(yīng)也不同； （6）其他條件相同時(shí)，受照面積愈大損傷愈嚴(yán)重；,四、影響輻射生物效應(yīng)的因素,,2. 與機(jī)體有關(guān)的因素,高度敏感組織 淋巴組織、胸腺、骨髓 腸胃上皮 性腺和胚胎組織,3. 環(huán)境因素,低溫、缺氧情況下，可以減輕輻射的生物效應(yīng)。,不同種類的生物對(duì)輻射的敏感性差異很大， 種類進(jìn)化
15、程度愈高，組織結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，輻射敏感性愈高,不敏感組織 肌肉組織 軟骨 骨組織 結(jié)締組織,中度敏感組織 感覺(jué)器官 內(nèi)皮細(xì)胞 皮膚上皮 腎 、肝、肺的上皮細(xì)胞,輕度敏感組織 中樞神經(jīng)系統(tǒng) 內(nèi)分泌腺 心臟,人類對(duì)輻射,四、影響輻射生物效應(yīng)的因素,,第三節(jié)電離輻射的損傷機(jī)制,一、輻射與自由基,二、直接作用與間接作用,三、原初過(guò)程和時(shí)間進(jìn)程,四、靶學(xué)說(shuō)和生物靶的調(diào)節(jié)作用,,一、輻射與自由基,自由基（free radical）,自由基是帶有一個(gè)或多個(gè)不配對(duì)電子的原子、分子、離子或原子團(tuán)，具有極強(qiáng)的活性。,為了使自由基顯示出未配對(duì)電子特征，一般在原有原子、分子、離子或基團(tuán)符號(hào)的一側(cè)或上方記
16、一個(gè)圓點(diǎn)“”以顯示帶有未配對(duì)電子，但不表示未配對(duì)電子的數(shù)量。,,當(dāng)輻射能量被生物體活性分子（如脫氧核糖核酸）所吸收時(shí)，射線有可能直接與細(xì)胞中的關(guān)鍵部位（俗稱靶）作用，靶分子的原子本身被電離或激發(fā)，引起這些生物大分子損傷，這就是直接作用。,對(duì)應(yīng)物理量傳能線密度（linear energy transfer，LET）,定義：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度徑跡上釋放輻射能的多少，其單位為 Jm-1或keVm-1。LET與粒子種類及能量大小有 關(guān)。一般規(guī)律是LET越大，直接作用概率越高,二、直接作用與間接作用,1.直接作用（direct action）,,生物分子處在射線的徑跡外沒(méi)有直接受到射線的作用，而是
17、通過(guò)生物分子周圍的介質(zhì)發(fā)生輻射反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的自由基與生物分子作用，引起生物分子損傷。這種作用為間接作用（indirect action）。,間接作用在引起生物大分子損傷中具有重要意義,2.間接作用（indirect action）,二、直接作用與間接作用,,1）帶電粒子與DNA分子的直接作用； 2）通過(guò)自由基與DNA分子的間接作用，即緊鄰 DNA處的“環(huán)境”分子（水分子）電離形成的自 由基向DNA擴(kuò)散，并將其能量轉(zhuǎn)移給DNA， 從而使該分子產(chǎn)生化學(xué)變化。,二、直接作用與間接作用,,在輻照情況下，水受輻射分解后可產(chǎn)生離子和自由基。這些自由基具有過(guò)剩的能量而不穩(wěn)定，極易反應(yīng)將能量轉(zhuǎn)移給其他
18、分子，使其損傷。,二、直接作用與間接作用,,三、原初過(guò)程和時(shí)間進(jìn)程,近年由于高分辨和快速記錄等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)原初物理事件的觀察時(shí)間現(xiàn)已能縮短到10-24s，從原初物理事件到可能在照射后數(shù)十年（109s）后出現(xiàn)的癌癥和遺傳性死亡，時(shí)間跨越33個(gè)數(shù)量級(jí)。,輻射作用原初過(guò)程 物理、物理化學(xué)和化學(xué)三個(gè)階段。,,輻射作用時(shí)間階段劃分（不同學(xué)者意見(jiàn)不同），代表性三個(gè)階段，如下表所示。,表11-2 電離輻射作用時(shí)間表,三、原初過(guò)程和時(shí)間進(jìn)程,,四、靶學(xué)說(shuō)和生物靶的調(diào)節(jié)作用,1、靶學(xué)說(shuō),活細(xì)胞內(nèi)存在對(duì)射線特別敏感的區(qū)域，稱作“靶”target），射線輻照在靶上即引起某種生物效應(yīng)；射線與靶區(qū)的作用是一種隨機(jī)
19、過(guò)程，是彼此無(wú)關(guān)的獨(dú)立事件，“擊中”概率服從泊松分布（Poisson）；射線在靶區(qū)內(nèi)的能量沉積超過(guò)一定值便發(fā)生效應(yīng)，不同的靶分子或靶細(xì)胞具有不同的“擊中”數(shù)。按照這一學(xué)說(shuō)，可根據(jù)經(jīng)受照射劑量的細(xì)胞或生物分子的比例來(lái)計(jì)算靶結(jié)構(gòu)的大小，還可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)引起相同生物效應(yīng)的不同射線的電離效率。,,2、電離輻射對(duì)靶細(xì)胞的損傷,有增殖能力的哺乳動(dòng)物細(xì)胞受一定照射,一部分喪失增殖能力,體外培養(yǎng)時(shí)不能形成細(xì)胞團(tuán);另一部分“活存”細(xì)胞仍保持增殖能力,體外培養(yǎng)時(shí)形成細(xì)胞團(tuán)。“活存”細(xì)胞百分率隨照射劑量增加而降低。,,四、靶學(xué)說(shuō)和生物靶的調(diào)節(jié)作用,,,,,,反映照射劑量與細(xì)胞死亡率的關(guān)系曲線,劑量存活曲線,,四、靶
20、學(xué)說(shuō)和生物靶的調(diào)節(jié)作用,曲線是帶“肩”的指數(shù)曲線，“肩”表示在低劑量區(qū)細(xì)胞存活率降低緩慢，“肩”的大小反映了細(xì)胞對(duì)亞致死損傷的耐受力或修復(fù)能力,圖中D0稱平均致死劑量（mean lethal dose），是指存活曲線指數(shù)部分，即直線部分存活率每降低至0.37所需的劑量。D0是該直線斜率的倒數(shù)。D0的大小反映了細(xì)胞的輻射敏感性，哺乳類細(xì)胞的D0值多在12Gy之間。（Dq稱擬閾劑量（quasi threshold dose），是在劑量存活曲線上存活率為1處劃一橫坐標(biāo)的平行線，與曲線直線部分延長(zhǎng)線相交，對(duì)應(yīng)的劑量即為Dq。,,四、靶學(xué)說(shuō)和生物靶的調(diào)節(jié)作用,3、生物靶的調(diào)節(jié),電離輻射損傷總是以離散的徑跡形式作用于靶部位，故輻射過(guò)程可以用靶理論的概念從特殊靶受損的角度予以考慮。機(jī)體在受到照射時(shí)則會(huì)產(chǎn)生多種生物靶的調(diào)節(jié)作用，即具有對(duì)外來(lái)輻射進(jìn)行自發(fā)地反饋調(diào)節(jié)、修補(bǔ)和修復(fù)細(xì)胞的功能。這種生物靶的調(diào)節(jié)和修復(fù)功能從本質(zhì)上看可以歸結(jié)為抵制和清除自由基的作用。,,四、靶學(xué)說(shuō)和生物靶的調(diào)節(jié)作用,
電離輻射的生物效應(yīng)與損傷.ppt
