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混沂桑
5 years ago
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1 中子和其他重离子

2 第一节基本概念和原理一快中子射线的物理特性中子是原子质量为的不带电的粒子, 能量 10keV~10MeV 的中子叫快中子, 能量在 6~20Mev 的快中子可进行临床治疗

3 ( 一 ) 组织吸收快中子的生物学效应是通过继发的核电粒子放射产生的间接作用

4 1 弹性碰撞对于快中子来说, 弹性碰撞是主要的生物组织主要由 C,H,O 和 N 等元素组成, 特别是含有大量的 H 因此, 快中子在组织内的能量耗失主要是通过与 H 原子核等的弹性碰撞而产生的反冲质子使组织中的原子激发和电离, 引起生物分子中化学键的断裂 250keV~14MeV 的快中子对组织吸收剂量的贡献有 85% 来自 H 的弹性碰撞

5 2 非弹性碰撞非弹性碰撞在较高能量的中子 ( 大于 1MeV 时 ) 入射时才显示其重要性在组织内, 非弹性碰撞是中子冲击核, 作用于碳氧氮, 核在粉碎后释放数种粒子及碎片非弹性碰撞是中子剂量中比较典型的部分, 对中子放射生物学特性影响较大

6 中子在不同组织中吸收特点 : (1) 脂肪组织吸收增加 : 中子在组织中有沉积作用, 这是与组织中氮原子核相互作用的结果各种组织中氮含量不同, 以脂肪组织较多中子放疗后, 皮下脂肪组织吸收剂量较多

7 (2) 骨吸收降低 : 骨吸收的能量比肌肉吸收的能量少 (3) 肺传递 : 肺组织密度抵, 中子在肺里吸收少

8 ( 二 )γ 线污染中子射线从靶到准直器集中, 总伴随光子出现中子照射组织时, 必然出现附加光子不同的中子发生器, 所产生的光子比例不同用 d Be 回旋加速器大约是 3%, 用氘氚发生器大约是 7%

9 ( 三 ) 剂量分布中子射线在组织中剂量分布与低能光子射线相似, 在皮下形成组合的最大剂量区, 随深度增加, 从最高剂量区向下, 剂量呈指数减少随中子能量的增加, 组织深部的剂量增加

10 Photons

11 100 Dose, Normalized to Dmax (%) SAD = 190 cm SSD = 180 cm (Depth in Phantom (cm Neutrons

12 Protons

13 二细胞存活曲线的形状高 LET 射线照射细胞时, 细胞存活曲线常常是指数性的, 可以用下列式子表达 : S = e ad 细胞死亡的原因主要是直接的致死性损伤, 与分次数和剂量率无关

14 三中子的相对生物效应中子比光子具有更高的 RBE 不同剂量水平的快中子与 γ 射线相比,RBE 有以下不同 : 1 非常大的剂量时, 随剂量或存活分数的变化, 中子的 RBE 值只有相对很小的变化 RBE 值约与存活曲线的最终斜线的比率相等

15 2 中等剂量时, 在 γ 射线存活曲线的肩区, 由于其肩区较大,RBE 值就随剂量的下降而升高 3 非常低的剂量时, 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 值趋于达到极限, 相当于中子和 γ 射线存活曲线初始斜率的比, 即 α 系数的比或 1/Do 值的比 ( 因不同参数的不同而异 )

16 图 11.2 所示小肠隐窝干细胞的 RBE 与吸收剂量关系

17 第二节中子在放射治疗中的作用 1938 年 Stone 在 Berkeley 首先应用快中子进行肿瘤的放射治疗, 后因严重的晚期并发症而放弃使用现在, 中子治疗的设备有极大的改进, 在深度量皮肤保护及等中心装置和可变准直器等方面与现在的电子直线加速器类似

18 Why are Neutrons Needed? Large radioresistant tumors are not well controlled by photon (or proton) therapy Resting cells are radioresistant Hypoxic (low oxygen) cells are radioresistant Neutron therapy is less affected by cell cycle or oxygen content

19 一快中子与氧效应 1 中子放射治疗的理论基础氧效应中子比光子的氧增强比小 ( 氧增强比 : 在乏氧与充氧条件下照射时获得特定的生物效应所需剂量之比, 用符号 OER 表示 )

20 实验资料 : 1 恶性肿瘤中有乏氧细胞 ; 2 乏氧细胞在低 LET 照射时有较大的放射抗拒性 (OER=3); 3 用高 LET 照射,OER 减小

21 How Do Neutrons Overcome Resistance? The Type of Damage Produced Cell killing mechanisms are complicated DNA damage Free radicals Bystander effect Inflammation Genetics Focus on DNA damage through: Radiation Quality Linear Energy Transfer - LET

22 二快中子的其他生物效应 (1) 随 LET 增加, 各种细胞群之间放射敏感性的差别普遍下降与中子的微剂量学的特征有关事实上反冲质子 ( 及其他二级粒子 ) 每单位径迹上所沉积的能量比电子的多 50~100 倍当细胞胞核被这样的粒子穿过时, 造成致死损伤的可能性较反冲电子高

23 Radiation Quality Photons and Charged Particles Neutrons Low LET High LET

24 图 11.4 快中子和 γ 射线照射后能量沉积的比较注 : 曲线表明在直径 2um 的模拟组织体积内的能量沉积分布参数 ( 线性能量 ) 代表穿过球体的单个带电粒子的能量沉积除以瘤索的平均长度 γ 射线照射的最大值为 0.3keV/um 用 d(14)+ Be 中子照射为 20keV/um,d(65)+Be 中子的谱象有 4 个峰, 第一个峰在 8keV/um 相当于高能量的质子, 第二个峰在 100keV/um 相当于低能质子, 第三个峰在 300 kev/um 是 α 粒子峰, 最后一个是 700keV/um 处的反冲核的峰

25 DNA Damage 2 nm 10 nm 30 nm ~200 nm 2 μm Optimum LET 100 ev/nm ~3 ip

26 Neutrons LET Comparison (Linear Energy Transfer) Photons & Protons Belli, et. al., Molecular Targets in Cellular Response to Ionizing Radiation and Implications in Space Radiation Protection, J. Radiat. Res.,43:Suppl.,S13-S19 (2002)

27 How can we turn LET, radiation quality, and all the other complexities of cell killing into something we can understand?

28 Relative Biological Effectiveness Survival of Clonogenic DU 145 Prostate Cancer Cells 1 Photons in 2.00 Gy fractions 0.1 Neutrons in 1.75 Gy Fractions Factor of 3 Photons Neutrons Preliminary Dose in Gray Blazek, et al

29 Relative Biological Effectiveness -RBE- is the reason for pursuing Neutron Therapy

30 (2) 中子照射后亚致死性损伤修复很小, PLDR 基本上没有因此, 修复能力的差别就不太重要 (3) 中子照射第三种不同效应是细胞周期不同时相间放射敏感性的差别变小

31 三中子放射治疗的有关问题对一些增殖缓慢的肿瘤, 中子治疗效果更明显临床观察对前列腺癌和唾液腺肿瘤的治疗, 中子比 χ 射线为好现在中子在放射治疗中的真正价值尚不能最后定论

32 ( 一 ) 适合于快中子治疗的病人

34 (a) 肿瘤和正常组织之间放射敏感性的差异在用光子治疗时对正常组织有利, 典型的例子有精原细胞瘤淋巴瘤霍奇金病从光子照射改为用中子照射, 包括放射敏感性程度改变, 在 (a) 情况下是不利的

35 (b) 情况时中子照射带来的好处是减少保护恶性细胞群放射敏感性的差异 ; (c) 因为有乏氧细胞, 因此相对放射敏感性可能是倒过来的, 即肿瘤细胞群反而对 χ 射线有较大的放射抗拒性, 因此中子治疗是有益的

36 ( 二 ) 分次与总治疗时间中子照射后的修复远不如光子明显中子放射治疗时分次量的大小对临床结果不会有任何明显的影响 Hammersmith 医院所有的病人都采用总剂量 17.6Gy, 用 12 次 /26 天 ( 每周 3 次, 每次 1.47Gy) 的治疗方案, 并认为这正是该中心得到非常好临床结果的重要因素

37 图小鼠小肠急性反应耐受的等效剂量注 :γ 射线或 d(50)+be 中子照时后相当于 LD50 的总剂量 (N,dN) 与分次数 (N) 或分次量 (dn) 的关系, 中于照射时等效剂量的变化很小当分次量下降时 RBE 的增加是由于对 γ 射线耐受的增加

38 ( 四 ) 快中子的临床应用及展望临床应用主要放在两个因素上 : 第一, 因为中子治疗并非对所有肿瘤都合适, 所以必须找出对某个特定肿瘤中能因中子照射而受益的亚群 ; 第二, 对中子的分次治疗方案进行试验

39 展望 : 一些分化好而生长速度慢的肿瘤, 都非常适合中子治疗, 如软组织肉瘤, 所以中子治疗的重点应放在生长缓慢的肿瘤上从细胞增殖周期方面考虑, 生长缓慢的肿瘤有更多细胞处于 Gl 期, 与 χ γ 射线相比, 放疗时中子对细胞周期中不同时相细胞的作用没有明显的差异

40 四硼中子俘获治疗 (Boron neutron capture therapy,bnct) 基本原理给病人一种能被肿瘤吸收的含硼药物, 然后用低能量的热中子或超热中子照射肿瘤, 射线和硼作用后发射高密度电离的 α 粒子 α 粒子和锂反冲子的能量均是 2.3MeV, 射程是几微米这样已吸收了硼原子的肿瘤细胞就选择性地受到强烈的高 LET 照射, 而正常细胞则能免于受照射

41 ( 一 ) 硼化合物 1966 年发现的 B12H11SH(boron sulphyldite) 二聚体 Na2B12H11SH, 至今仍被认为是较可用于临床的药物

42 ( 二 ) 中子源热中子或室温的中子 (0.025MeV) 能和硼起反应而产生高密度电离的 α 粒子热中子很快地被组织所减弱, 其半价层只有 1.5cm, 因而当治疗处于体内的深度大于几厘米的肿瘤时, 就无法避免对肿瘤表面的正常组织造成高剂量的照射在日本, 绝大部分的临床试验是用这一能量的中子

43 美国则将注意力集中在应用有较高深度量的超热中子用调制器 (modulator) 或滤过板使快中子减慢到超热范围并将残余的热中子滤掉这些超热中子本身并不与硼作用, 而是在穿过组织过程中与氢原子碰撞而降解虽然如此, 其最高剂量也仅达到 2~3cm 的深度, 然后剂量很快下降, 这样虽然避免了高的表面剂量, 但深度量还是不理想

44 BNCT 的两大优点 : 首先, 可以选择给药 ( 硼化合物 ) 和中子照射之间的时间间隔, 以使肿瘤内达到最合适的硼浓度 ; 其次, 中子仅作用于体内含有靶 ( 硼化合物 ) 的体积, 副作用较少, 而硼化合物本身是无毒的

45 第三节质子负 π 介子和重离子这种射线随着射入深度的增加, 吸收剂量缓慢的增加, 而在接近粒子射程的末端达到一个锐利的最大值, 形成布喇格峰 (Bragg peak) 射线的边缘很锐, 周边的散射很少, 且在布喇格峰后剂量下降至零这种能将高剂量区集中在肿瘤体积内而使周围正常组织受量最低的特点对放射治疗学家非常具有吸引力质子和氦离子是最有可能达到此要求而价格较低的两种射线

46 THE END

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