核醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與放射防護(hù)醫(yī)學(xué)輻射防護(hù)學(xué)

1、核醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與放射防護(hù),金 問(wèn) 森,第一章 緒論,核醫(yī)學(xué)是核技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。核醫(yī)學(xué)的內(nèi)容及其特點(diǎn)： 臨床核醫(yī)學(xué) 診斷 X線檢查(radiology) 超聲檢查(ultrasound) MRI檢查 (magnetic resonance image),,解剖成像,SPECT/CTPET/CT,,功能成像,器官功能測(cè)定、體外放射分析(RIA)等。,治療：,甲狀腺

2、機(jī)能亢進(jìn)（hyperthyreosis）,甲狀腺癌(thyroid carcinoma ),轉(zhuǎn)移性骨痛(multisite metastatic pain),骨腫瘤(bone cancer),實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué),核素示蹤技術(shù)(radionuclide tracer technique)體外放射分析法(radioimmunoassay)放射自顯影術(shù)(radioautogram),影像醫(yī)學(xué)、核醫(yī)學(xué)和放射醫(yī)學(xué)三個(gè)不同的研究和應(yīng)用方向難以截然

3、分開，共同點(diǎn)均為利用核技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中進(jìn)行臨床診療和基礎(chǔ)研究工作。,這些研究工作均需要進(jìn)行放射防護(hù)安全方面的理論知識(shí)。,核醫(yī)學(xué)與放射防護(hù)發(fā)展簡(jiǎn)史,1895年 Wilhelm Roentgen發(fā)現(xiàn)X線,1896年 Henri Becquerel發(fā)現(xiàn)放射性核素,1898年 Marie curie 和Pierre Curie提取 polonium和radium,1934年 Joliet 和Curie發(fā)現(xiàn)人工放射

4、性核素,1938年 32P治療白血病、1941年131I治療 甲亢、1946年131I治療甲癌。,核醫(yī)學(xué)方面,1949年 發(fā)明了第一臺(tái)閃爍掃描儀,1949年 有了商品γ-照相機(jī),1964年 David Kuhl和Edwards研制了 第一臺(tái)SPECT,1975年 研制了第一臺(tái)PET,放射防護(hù)方面,慘痛的代價(jià),,Marie curie和女兒均死于放射引起的白血病,20世紀(jì)初

5、的鐳(Ra)事件,多次核事故以及核災(zāi)難的發(fā)生,放射防護(hù)事業(yè)的發(fā)展歷程,1913年德國(guó)首先成立倫琴學(xué)會(huì)發(fā)布了有關(guān)指南,1925年召開了第一屆國(guó)際放射學(xué)大會(huì)，并成立—國(guó)際輻射單位與測(cè)量委員會(huì) （international commission on radiation units and measurements，ICRU）,1928年成立了第一個(gè)國(guó)際組織“X線和鐳的防護(hù)委員會(huì)”,1950年成立國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)（internation

6、al commission on radiological protection，ICRP）,,之后相繼成立了IAEA、UNSCEAR、ICNIRP、ABCC-RERF等國(guó)際性組織和研究機(jī)構(gòu),,輻射防護(hù)相關(guān)國(guó)際組織,我國(guó)放射防護(hù)事業(yè)的發(fā)展,,法,行政法規(guī),部門規(guī)章,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),技術(shù)報(bào)告 導(dǎo)則指南,,,,,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理局,,全國(guó)各有關(guān)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì),全國(guó)人民代表大會(huì),,國(guó)務(wù)院,,各部委,,我國(guó)放射防護(hù)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)圖,,法律

7、《中華人民共和國(guó)職業(yè)病防治法》《中華人民共和國(guó)放射性污染防治法》,,行政法規(guī)《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》《中華人民共和國(guó)民用核設(shè)施安全監(jiān)督管制條例》 《中華人民共和國(guó)核材料管理?xiàng)l例》 《核電廠核事故應(yīng)急管理?xiàng)l例》《突發(fā)公共衛(wèi)生事件應(yīng)急條例》,部門規(guī)章 衛(wèi)生部、國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局、國(guó)防科工委，以及公安部等，這些有關(guān)部委局先后制定頒發(fā)了一批有關(guān)放射工作許可制度及放射防護(hù)管理辦法、核與放射事故管理規(guī)

8、定、放射工作人員職業(yè)健康管理辦法、放射防護(hù)器材與含放射性產(chǎn)品管理辦法、核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)及運(yùn)行安全規(guī)定、城市放射性廢物管理辦法、放射環(huán)境管理辦法、放射性物質(zhì)運(yùn)輸管理辦法等等,《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》《放射診療管理規(guī)定》《放射工作人員職業(yè)健康管理辦法》,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),,以我國(guó)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871—2002）最重要，派生出了一大批各種放射防護(hù)次級(jí)專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，包括國(guó)家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、各類行

9、業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。,技術(shù)報(bào)告和導(dǎo)則指南沒(méi)有強(qiáng)制性效力，乃是有關(guān)機(jī)構(gòu)、組織和專家所撰寫的，屬于進(jìn)一步具體詮釋各有關(guān)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)，以增加對(duì)法律、法規(guī)的理解。,,第二章 核輻射的物理基礎(chǔ),原子結(jié)構(gòu)、X射線與核素,,元素（element）的基本單位是原子，原子由原子核和核外電子構(gòu)成。,原子核內(nèi)有不同數(shù)目的質(zhì)子（proton，P）和中子（neutron，N） ，統(tǒng)稱為核子（nucleon）。,原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)目和中子數(shù)目之和為原子核的質(zhì)量數(shù)，用“A”表示，因

10、此，整個(gè)原子核內(nèi)中子數(shù)目N=A－Z。,原子結(jié)構(gòu),,核素、同位素和同質(zhì)異能素,一般情況下原子核處于最低能量狀態(tài)，稱為基態(tài)（ground state）。當(dāng)受到高能量粒子轟擊或核內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，原子可暫處于高能量狀態(tài)，稱之為激發(fā)態(tài)（excited state）。激發(fā)態(tài)不會(huì)持久，將迅速釋放能量，而恢復(fù)至基態(tài)，這種能量的釋放過(guò)程稱為躍遷（transition）。,基態(tài)和激發(fā)態(tài),,,,,ground state,excited state,,核素

11、、同位素和同質(zhì)異能素的概念,質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)相同，能量狀態(tài)相同的一類原子的集合稱為核素（nuclide）。,核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同，即在元素周期表中處于同一位置，但中子數(shù)不同的核素互稱為某元素的同位素（isotope） 。,質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)均相同，但能量狀態(tài)不同的核素稱為同質(zhì)異能素（isomer） 。,穩(wěn)定性核素和放射性核素,,原子核內(nèi)的核子之間存在著引力，稱為核力（nuclear force），為短程力，受核子數(shù)目的影響 。,除了核力外，還存

12、在靜電斥力，該力為長(zhǎng)程力，不受核子數(shù)目影響，但與電荷量有關(guān)。,P﹕N=1﹕0～1.5時(shí)，核力與靜電斥力基本平衡，原子核處于穩(wěn)定狀態(tài)。處于穩(wěn)定狀態(tài)的核素稱為穩(wěn)定性核素（stable nuclide）。,,當(dāng)原子核內(nèi)部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生了能級(jí)的變化，轉(zhuǎn)化為另一種核素。這種自發(fā)的核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能量的變化過(guò)程稱為核衰變（nuclear decay），變化過(guò)程中釋放的具有一定能量的粒子稱為放射線（radiation）。釋出放射線的核素稱為放射性核素

13、（radio-nuclide）。,原子核的衰變、裂變與聚變,核衰變類型與規(guī)律,1.α衰變（alpha decay）,,原子核內(nèi)要釋放2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成的,稱之為“α”粒子。,2.β衰變（beta decay）,當(dāng)核內(nèi)質(zhì)子、中子比例不當(dāng)時(shí)，質(zhì)子和中子將產(chǎn)生相互轉(zhuǎn)換，達(dá)到核內(nèi)調(diào)整結(jié)構(gòu)的目的。其特點(diǎn)是原子的質(zhì)量數(shù)不變，只有原子序數(shù)改變（相差1），分為β-和β+ 和電子俘獲三種形式。,（1）β¯ 衰變,,主要發(fā)生在中子相對(duì)過(guò)多的核

14、素。中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，釋放負(fù)電子，稱為 β¯粒子。,（2）β+衰變,主要發(fā)生在中子數(shù)相對(duì)不足的核素，核內(nèi)由質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，釋放正電子，稱為 β+粒子。,,,,（3）電子俘獲（electron capture，EC）,對(duì)于中子數(shù)相對(duì)較少某些核素，原子核從核外內(nèi)層的電子殼層俘獲一個(gè)電子，使核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，同時(shí)釋放一個(gè)中微子，隨后較外層的電子躍入內(nèi)層軌道填補(bǔ)空穴。由于外層能級(jí)高于內(nèi)層能級(jí)，因此，多余能量以電磁輻射（即特征X射

15、線）形式釋放?；蛘咴撃芰總鬟f給另一殼層電子，使之脫離軌道逸出，稱為俄歇電子（auger electron）。,,（4）γ躍遷與內(nèi)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)α或β衰變的核素，在衰變的過(guò)程中可能導(dǎo)致原子核處于高能的激發(fā)態(tài)，核內(nèi)多余能量以電磁輻射形式釋放后返回基態(tài)，該過(guò)程稱為γ躍遷。,有時(shí)在核內(nèi)多余能量釋放過(guò)程中，也可能將能量傳遞給核外殼層電子，使之脫離其運(yùn)行軌道而逸出，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。逸出的電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子（internal conversi

16、on electron）,X射線和γ射線都是光子，它們的不同之處：γ射線來(lái)源于核內(nèi)能量釋放，而X射線為核外電子躍遷過(guò)程中的能量釋放。,放射性核素衰變規(guī)律及其度量,核衰變是隨機(jī)性的，單位時(shí)間衰變的原子核數(shù)目與核的總數(shù)成正比，并且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，遵循一定的規(guī)律而減少。,,物理半衰期(physical half life，T1/2):指放射性核素的原子核數(shù)目衰變到原來(lái)的一半所需要的時(shí)間。,,λ稱為衰變常數(shù)（decay constant）

17、，是放射性核素衰變的特征參數(shù)，表征單位時(shí)間原子核發(fā)生衰變的速率。,放射性活度、放射性比活度與放射性濃度,放射性活度（A）是指在一定的時(shí)間（dt）內(nèi)處于特定能態(tài)的一定量的放射性核素發(fā)生自發(fā)衰變（dN）的期望值。國(guó)際制單位為Bq，Bq其表示每秒內(nèi)核衰變的次數(shù)，1Bq表示每秒有1次衰變。舊有單位為居里（Ci），1Ci = 3.7×1010Bq,,,,單位質(zhì)量中所含的放射性活度稱為比活度或比放射性。一般用Bq/kg或Bq/mol

18、為單位。,單位容積溶液中所含放射性活度稱為放射性濃度，以Bq/ml或Bq/L為單位。,,核裂變與核聚變反應(yīng),原子核的核裂變反應(yīng)是目前獲得核能的主要途徑,一些重核如果分裂成二個(gè)中等質(zhì)量的原子核時(shí)，會(huì)同時(shí)釋放出中子和能量，這一過(guò)程稱為原子核裂變（nuclear fission）。,,自發(fā)裂變是原子核在沒(méi)有入射粒子轟擊的情況下自行發(fā)生的核裂變。,誘發(fā)裂變是在入射粒子的轟擊下重核發(fā)生的裂變。,由兩個(gè)氫原子合為一個(gè)氦原子，就叫核聚變。,,放射線與

19、物質(zhì)作用的物理基礎(chǔ),電離與激發(fā)作用,,帶電粒子與物質(zhì)的核外電子發(fā)生靜電作用，如果導(dǎo)致物質(zhì)中的原子失去軌道電子形成正負(fù)離子對(duì)，稱為電離（ionization）作用。,傳能線密度(linear energy transfer，LET)是指帶電粒子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，在其單位長(zhǎng)度徑跡上所轉(zhuǎn)移的能量。,,如果帶電粒子使照射物質(zhì)軌道電子從內(nèi)層躍遷至外層，整個(gè)原子處于能量較高的激發(fā)態(tài)，此過(guò)程稱為激發(fā)（excitation）作用。,帶電粒子與物質(zhì)的相互作

20、用,散射與吸收,,帶電粒子受到物質(zhì)原子核庫(kù)倉(cāng)電場(chǎng)作用而發(fā)生方向偏折和能量的改變，稱為散射（scattering），只改變運(yùn)動(dòng)方向而能量不變者稱為彈性散射（elastic scattering）。,,如果射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于各種作用的機(jī)制，導(dǎo)致帶電粒子的動(dòng)能全部喪失而不復(fù)存在的過(guò)程稱為吸收（absorption）。,,β粒子在介質(zhì)中受到阻滯而急劇減速，部分能量甚至全部能量轉(zhuǎn)化為電磁輻射，稱為軔致輻射（bremsstrahlung）。其發(fā)生

21、的幾率與β能量及介質(zhì)的原子序數(shù)成正比。因此在放射防護(hù)中要注意，β粒子吸收體和屏蔽應(yīng)采用低密度材料，如有機(jī)玻璃、鋁或塑料等。,軔致輻射與湮沒(méi)輻射,β+通過(guò)物質(zhì)時(shí)和核外電子相互作用，消耗能量而相互結(jié)合，同時(shí)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向相反，能量各為0.511MeV的γ光子而自身消失，這種過(guò)程稱為湮沒(méi)輻射（annihilation radiation）,X、 γ射線與物質(zhì)的相互作用,光電效應(yīng)：光子與介質(zhì)原子的軌道電子碰撞，把能量全部交給軌道電子，使之脫離原

22、子，光子消失，這一作用能夠過(guò)程稱為光電效應(yīng)(photoelectric effect)。脫離軌道的電子稱為光電子。,康普頓效應(yīng)：能量較高的光子與核外電子碰撞，將一部分能量傳遞給電子，使之脫離原子軌道成為高速運(yùn)行的電子，而光子本身能量降低，運(yùn)行方向發(fā)生改變，成為康普頓效應(yīng)(Compton effect)。,電子對(duì)生成：當(dāng)光子能量大于1.022MeV時(shí)，在物質(zhì)原子核電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，稱為電子對(duì)生成(electron p

23、air production)。,第三章 人體輻射計(jì)量學(xué),輻射的基本概念,輻射是不需要介質(zhì)參與而進(jìn)行能量傳遞的一種現(xiàn)象。,性質(zhì)分類：,電磁輻射 其本質(zhì)是電磁波，X射線、γ 射線和紫外線等 。,粒子輻射 如α粒子、β粒子、中子等。,,作用分類：,,電離輻射 可以產(chǎn)生電離作用,非電離輻射 不產(chǎn)生電離作用,狹義的輻射僅指電離輻射。,,電離輻射計(jì)量學(xué),X射線或γ射線照射dm質(zhì)量空氣時(shí)便與

24、空氣中的原子相互作用，部分放射線損失的能量被原子中的電子獲得而使原子電離，當(dāng)這些獲能電子被完全吸收時(shí)所產(chǎn)生的同種符號(hào)離子（或帶電荷原子）的總電荷量（dQ）稱為照射量（exposure，X）。,照射量(X),照射量的國(guó)際單位(SI)是庫(kù)侖/千克(C/kg)，目前照射量的測(cè)量?jī)H適用能量在10keV～3MeV范圍內(nèi)的X射線和γ射線，其他放射性粒子不能用照射量來(lái)度量。單位時(shí)間內(nèi)的照射量稱為照射量率(exposure rate)。,,吸收劑量(D

25、),吸收劑量(absorbed dose，D)指單位質(zhì)量物質(zhì)所接受的電離輻射的平均能量。,dm為被照射物質(zhì)的質(zhì)量，dE為其吸收的輻射能。,吸收劑量(D)是放射領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)非常重要的量，它適用于任何類型的電離輻射和任何被照射的物質(zhì)，并適用于內(nèi)、外照射。吸收劑量的國(guó)際單位(SI)為：J/kg，專用名稱：戈瑞(gray, Gy), 1Gy=1J/kg。舊制單位是拉德(rad)。1Gy=100rad,同樣也存在吸收劑量率(Gy/s ),,比釋動(dòng)能

26、（K）,比釋動(dòng)能(kinetic energy released in mass，kerma，K)指不帶電致電離粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，在單位質(zhì)量的物質(zhì)中產(chǎn)生的帶電粒子的初始動(dòng)能的總和。,,dEtr是不帶電致電離粒子在特定物質(zhì)的體積內(nèi)釋放出來(lái)的所有帶電粒子的初始動(dòng)能總和；dm為所考慮的物質(zhì)質(zhì)量。,比釋動(dòng)能的單位與吸收劑量相同,當(dāng)量劑量(equivalent dose，HT, R)就是吸收劑量與輻射權(quán)重因數(shù)(radiation weight

27、ing factor, WR)的乘積。,當(dāng)量劑量(HT, R),HT, R為R類輻射在組織或器官T中所受到的當(dāng)量劑量；DT, R為R類輻射在組織或器官中所致的平均吸收劑量；WR為R類輻射的輻射權(quán)重因數(shù)。,專用單位 希沃特(Sievert，Sv),,,有效劑量（E）,是指全身受到均勻照射或不均勻照射時(shí)，將不同組織當(dāng)量劑量（HT，R）與組織權(quán)重因數(shù)加權(quán)的平均值。,,表3-3 組織權(quán)重因數(shù)(WT),專用單位 希沃特(Sievert，Sv),

28、,待積劑量,待積劑量（committed dose）指放射性核素進(jìn)入體內(nèi)的劑量積分估算，根據(jù)待積劑量的概念還可以推倒出待積吸收劑量、待積當(dāng)量劑量和待積有效劑量等。,待積當(dāng)量劑量（committed equivalent dose, HT（τ））指單次攝入的放射性物質(zhì)在其后的τ年內(nèi)對(duì)所關(guān)心的器官或組織所造成的總劑量累積值。,,,待積有效劑量(committed effective dose，E(τ)),如果單次攝入R類放射性核素對(duì)人體器官

29、或組織（T）造成的待積當(dāng)量劑量HT（τ）乘以相應(yīng)的權(quán)重因子WT，隨后對(duì)所涉及的器官或組織（T）求積，,,HT（τ）為積分至τ時(shí)間時(shí)組織（T）的待積當(dāng)量劑量；WT為組織T的組織權(quán)重因數(shù)。,比釋動(dòng)能K,當(dāng)量劑量H,,,輻射場(chǎng)(照射量X),空氣,,,,,,待積劑量,核素進(jìn)入體內(nèi),,,待積當(dāng)量劑量,待積有效劑量）,,,,,吸收劑量D,有效劑量E,,電離輻射源,常用電離輻射量間相互關(guān)系,,,,,,,,,非電離輻射計(jì)量學(xué),電磁輻射計(jì)量,電磁輻射來(lái)

30、源,,自然界，如雷電、臺(tái)風(fēng)、太陽(yáng)的黑子活動(dòng)與黑體輻射等,人工電磁輻射,如一些醫(yī)療設(shè)備、電腦、微波爐、手機(jī)、收音機(jī)、電視廣播發(fā)射機(jī)和衛(wèi)星通訊裝置等。,無(wú)線電波、微波、紅外線、可見光和紫外線等一般稱為非電離輻射或稱電磁輻射。,頻率極高的X射線和γ射線可造成人體組織的間接電離，歸在電離輻射的范疇。,公式：,電磁波頻率（frequency，f）、波長(zhǎng)（wave length，λ）與波速（wave velocity，c），h為Plank常數(shù)。

31、,,,,,,λ,,Z,,E,,H,平面電磁波空間傳播圖,,,電場(chǎng)中某點(diǎn)的電荷受到的電場(chǎng)力與它所帶電量的比值稱為電場(chǎng)強(qiáng)度(electric field intensity，E) ，電場(chǎng)強(qiáng)度的國(guó)際單位是牛頓/庫(kù)侖(N/C)或伏特/米(V/m)。,磁場(chǎng)強(qiáng)度（magnetic field intensity，H）指磁場(chǎng)中單位磁極所受到的力。它的國(guó)際單位制（SI）是安培/米（A/m）。,電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度,,電磁波能流密度,電磁波傳播的

32、能量稱為電磁輻射能，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于傳播方向的單位面積上的電磁波能量稱為電磁波能流密度（energy flow density，S），能流密度是矢量，如果在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)求得能流密度的平均值又稱為平均能流密度,,。,它的國(guó)際單位是瓦（特）/米2，W/m2。,S=E H,電磁輻射場(chǎng)所,,遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)（感應(yīng)場(chǎng)）S= E H = E2/377,近區(qū)場(chǎng)（輻射場(chǎng)）電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小沒(méi)有確定的比例關(guān)系。,比吸收率,比吸收率（specifi

33、c absorption rate，SAR）指單位受照組織吸收的電磁輻射能量，它的國(guó)際單位是瓦特/千克（W/kg），,核磁共振計(jì)量,磁感應(yīng)強(qiáng)度,描述靜磁場(chǎng)常用磁感應(yīng)強(qiáng)度（magnetic induction，B）表示，磁感應(yīng)強(qiáng)度指在磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線，所受的安培力F跟電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度L乘積的比值。,B=F/IL,磁感應(yīng)強(qiáng)度的國(guó)際單位是特斯拉(T)，T的含義是牛頓/安培?米(N/A ? m)。 1T=1N/A? m,在高斯單

34、位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是高斯(Gauss，Gs)，高斯與特斯拉（T）的關(guān)系為：1T=104Gs。,,第四章 電離輻射生物學(xué)作用原理,電離輻射對(duì)生物體作用的化學(xué)基礎(chǔ),自由基等活性基團(tuán),自由基(free radical)是指能夠獨(dú)立存在、具有一個(gè)或多個(gè)未配對(duì)電子的原子、分子、離子或原子團(tuán)。如,較分子氧的化學(xué)性質(zhì)更為活潑的氧衍生物或其代謝產(chǎn)物統(tǒng)稱為活性氧(reactive oxygen species)。如,等,等,,概括說(shuō)大部分含氧自由基

35、是活性氧，但活性氧不一定都是自由基。,氧的單電子還原物，如O2- 和O-，及HO2·和HO·； 氧的雙電子還原物H2O2； 烷烴過(guò)氧化物ROOH及其均裂產(chǎn)物RO·和 ROO·； 處于激發(fā)態(tài)的氧、單線態(tài)氧和羥基化合物。,自由基作用的化學(xué)基礎(chǔ),抽氫反應(yīng) (hydrogen abstraction)； 加成反應(yīng)(addition reaction); 電子俘獲(electron

36、capture); 還原反應(yīng)(reduction reaction); 過(guò)氧化反應(yīng)(peroxidation reaction); 歧化反應(yīng)(dismutation reaction)。,,NO及氮的其他氧化物或含氮的自由基（硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和氨氮等）統(tǒng)稱活性氮（reactive nitrogen species, RNS），左旋精氨酸(L-Arg)與氧分子在一氧化氮合酶作用下 ,分步驟產(chǎn)生NO。,活性氮的概念,

37、生物體的各類抗氧化體系 (略),自由基等活性基團(tuán)對(duì)生物分子的損傷作用,破壞細(xì)胞膜，使膜脂質(zhì)過(guò)氧化，引起膜結(jié)構(gòu)的破 壞； 使細(xì)胞蛋白質(zhì)氧化、脫氫，造成蛋白質(zhì)的失活、 結(jié)構(gòu)改變、化學(xué)鏈的斷裂，或使蛋白質(zhì)交聯(lián)和聚 合，從而影響蛋白質(zhì)的正常功能； 使糖鏈的斷裂和失活； 引起核酸的損傷，造成細(xì)胞死亡。,水的輻射分解,水的輻射分解和水分子的自發(fā)性電離有本質(zhì)的區(qū)別。前者產(chǎn)生? OH和H? ，后者形成OH+和H+。,,,

38、除電離和激發(fā)外，在有些例子中激發(fā)所需的能量超過(guò)電離所需的能量。這種能量狀態(tài)稱為超激發(fā)。水分子的原初變化中27%電離，26%激發(fā)，47%超激發(fā)。,不斷與水分子碰撞，使水分子放出電子，產(chǎn)生次級(jí)電離，這些電子在自身運(yùn)動(dòng)中逐步喪失能量而被水分子俘獲，生成水負(fù)離子H2O-，不穩(wěn)定的H2O-在水中解離成氫自由基H·和OH-。,當(dāng)電子能量降到100eV以下而未被俘獲時(shí)，會(huì)吸收若干水分子形成水合電子 eaq_，自由基和水合電子統(tǒng)稱為水的

39、原發(fā)輻射降解產(chǎn)物 。,水的原發(fā)輻射降解產(chǎn)物常在小體積內(nèi)成簇發(fā)生，這種小反應(yīng)體積稱為刺團(tuán)（spur）。,,電離輻射生物學(xué)作用時(shí)間效應(yīng),,分子振動(dòng)導(dǎo)致激發(fā)態(tài)解離: H2O* → H.+ HO·轉(zhuǎn)動(dòng)馳豫，離子水合作用e- →,電離輻射的原發(fā)作用和繼發(fā)作用,前四個(gè)階段可在極短時(shí)間內(nèi)完成，又稱電離輻射的原發(fā)作用(initial affect), 后兩個(gè)階段指在生物大分子損傷的基礎(chǔ)上，初始損傷進(jìn)一步加重，細(xì)胞和組織的功能結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞

40、，生理功能障礙，進(jìn)而導(dǎo)致組織和器官的一系列病理改變乃至出現(xiàn)臨床癥狀，甚至機(jī)體死亡，此過(guò)程稱繼發(fā)作用(secondary affect)。,,直接作用（direct effect）是指射線將能量直接傳遞給生物分子，使其電離和激發(fā)，損害核酸、蛋白質(zhì)、酶和脂類等生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。,電離輻射的直接作用和間接作用,間接作用（indirect effect）指射線的能量直接沉積于生物體中的水分子，而不是生物分子，輻射沉積的能量引起水分子發(fā)生輻射

41、分解，進(jìn)而產(chǎn)生自由基等活性基團(tuán)，這些自由基等活性基團(tuán)可誘發(fā)生物分子損傷，它是通過(guò)水的輻射降解產(chǎn)物間接作用于生物分子引起損傷的。,輻射所引起的DNA損傷,輻射與生物體的靶,輻射作用于細(xì)胞的靶主要有DNA和細(xì)胞膜。,堿基的破壞或脫落 堿基的放射敏感性順序?yàn)?T>C>A>G,糖基的破壞,DNA鏈上不穩(wěn)定位點(diǎn)的形成 特異性的核酸內(nèi)切酶識(shí)別和切割堿基或糖基損傷部位形成DNA鏈斷裂。,DNA鏈的斷裂 SSB

42、和DSB的形成。,DNA交聯(lián) 鏈內(nèi)交聯(lián)和鏈間交聯(lián)。,DNA損傷的特點(diǎn),染色質(zhì)損傷,DNA損傷的非隨機(jī)性,嘧啶二聚體和鏈斷裂在DNA上的非隨機(jī)分布,DNA蛋白質(zhì)交聯(lián)的組分選擇性,染色體的脆性部位,DNA損傷的復(fù)雜性,輻射所引起的膜損傷,可引起膜的脂質(zhì)過(guò)氧化，產(chǎn)生新的自由基，造成級(jí)聯(lián)式反應(yīng)，加重膜的損害。,造成膜蛋白和膜結(jié)合酶的變性與失活。,氧化糖蛋白上的羥基，產(chǎn)生毒性物質(zhì)。,使膜的流動(dòng)性和導(dǎo)電性發(fā)生改變。,,靶數(shù)學(xué)模型,細(xì)胞

43、存活曲線描述輻射劑量與細(xì)胞存活分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。,,,,,,1.0,0.1,0.037,,,,,,,,,1,2,3,4,5,Dose (Gy),,D0,Dq,,D0是使SF下降63%所需的劑量，代表平均致死劑量或平均滅活劑量。表示細(xì)胞內(nèi)在放射敏感性的主要參數(shù)。,Dq是克服曲線肩部所需劑量。也稱閾劑量，表示細(xì)胞損傷修復(fù)能力的大小。,單靶單擊模型（one target and one-hit model）,多靶單擊模型（more

44、target and one-hit model）,,,線性—平方模型（linear quadratic mode，簡(jiǎn)稱LQ模型）,,相對(duì)生物效能與輻射敏感性,相對(duì)生物效能(relative biological effectiveness，RBE)是以250keV X射線或固定能量的γ射線引發(fā)某種生物效應(yīng)所需劑量與所研究的輻射引發(fā)相同生物效應(yīng)(種類與程度均同)需要的劑量的比值。,或,通常情況下，RBE與LET呈正相關(guān)關(guān)系 。,,輻射敏

45、感性,輻射敏感性(ionizing radiation sensitivity，IRS)指各種生物有機(jī)體對(duì)輻射敏感的程度。,組織輻射敏感性與其細(xì)胞的分裂活動(dòng)成正比而與其分化程度成反比。,影響因素： 細(xì)胞： 細(xì)胞種類、細(xì)胞所處細(xì)胞周期時(shí)相、細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞內(nèi)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與DNA構(gòu)象、細(xì)胞對(duì)自由基的清除或耐受能力和對(duì)輻射損傷的修復(fù)能力有關(guān)。,M期> G2期> G1期>S期,生物體,

46、輻射敏感性受生物體的進(jìn)化程度、種屬、不同的發(fā)育階段、不同的組織器官等因素的影響。,種系輻射敏感性與進(jìn)化程度成正比，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的生物體對(duì)輻射越敏感。脊椎動(dòng)物，哺乳類輻射敏感性高于鳥類、魚類、兩棲類和爬行類；哺乳動(dòng)物，人、狗、豚鼠輻射敏感性高于兔、大鼠、小鼠。,隨個(gè)體發(fā)育趨向成熟而逐漸降低，胚胎、幼體、成體的輻射敏感性依次降低。,同一生物有機(jī)體內(nèi)各種細(xì)胞和組織器官的輻射敏感性因其種類與生理機(jī)能狀態(tài)不同而差異較大。,1. 高度敏感組織如性腺（

47、卵細(xì)胞、生精細(xì)胞）、造血淋巴組織（淋巴細(xì)胞）、胸腺、胚胎組織、胃腸上皮（小腸隱窩上皮細(xì)胞）、骨髓等。2. 中度敏感組織如感覺(jué)器官（角膜、晶狀體、結(jié)膜）、血管、淋巴管、內(nèi)皮細(xì)胞、上皮組織、唾液腺、肝腎肺的上皮細(xì)胞等。3. 輕度敏感組織如中樞神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌腺（包括性腺內(nèi)分泌細(xì)胞）、心臟。4. 不敏感組織如肌肉、骨、軟骨組織、結(jié)締組織。,電離輻射生物學(xué)作用的影響因素,影響因素,,輻射源相關(guān)的因素,受照機(jī)體的相關(guān)因素,環(huán)境相關(guān)因素,,射

48、線種類,輻射劑量,輻射劑量率,相同劑量分次照射,照射面積和部位,照射方式,輻射敏感性，同前,,溫度,氧含量,化學(xué)物質(zhì),輻射源相關(guān)的因素,放射線種類,高LET> 低LET,輻射劑量和輻射劑量率,1Gy可出現(xiàn)各種放射病。,一般劑量率越大，生物效應(yīng)越顯著，但也有“反劑量率效應(yīng) ” 的存在。,相同劑量分次照射,第一次照射機(jī)體誘發(fā)的損傷在間隔時(shí)段內(nèi)得到部分修復(fù)，表明機(jī)體存在代償修復(fù)能力。,照射面積和部位,當(dāng)其他照射條件相同時(shí)，輻射生物效應(yīng)與

49、受照面積成正相關(guān)。,腹部＞盆腔＞頭頸部＞胸部和四肢,照射方式,外照射(external irradiation)和內(nèi)照射(internal irradiation),環(huán)境相關(guān)因素,溫度,降溫或冰凍可減輕輻射作用于機(jī)體產(chǎn)生的損傷稱為溫度效應(yīng)(temperature effects)。,組織或溶液中氧濃度升高后，再給予射線照射可使輻射損傷程度加重，這種現(xiàn)象稱氧效應(yīng)(oxygen effects)。,氧含量,氧增強(qiáng)比（oxygen enhan