辐射生物物理

物理学在医学领域的应用有着悠久的历史伽利略（Galileo,1564-1642)推导出单摆周期和摆长的关系，并用于测量人的心率发明了测温计，使“发烧”的模糊认识有了定量描述设计出了第一个现代意义上的显微镜杨（T.Young,1773-1829）

不仅是物理学家，还曾在伦敦行医研究动脉血流中的脉动用衍射法测定出细胞和纤维的直径用光学知识研究了人眼的调节作用和散光；并和Helmholtz共同创立了色觉的三色理论伽利略名言：追求科学需要特殊的勇敢亥姆霍兹（Helmholtz,1821-1894德国）担任过解剖学教授和生理学教授，最后（1871）任物理学教授揭示了眼的聚焦机理，并继Young之后系统阐述了色觉的三色理论发明了晶体镜用以研究眼球晶体的变化发明了眼底镜并用以观察视网膜研究了听觉机理并发明了亥姆霍兹共鸣器第一个测定了神经脉冲的传播速度并确定为30m/s证明了肌肉收缩释放的热是动物热的重要来源●医学物理学有两项开创性研究：一是伦琴发现x射线并用于人体透视；二是居里夫人发现放射性元素镭并用于肿瘤的治疗,这两项研究奠定了医学物理学的基础.DNA大分子的结构●我国医学物理学的发展历史，最早可以追溯到上世纪40年代。我国医学物理的先行者原中国军事医学科学院的徐海超教授同美国医学物理学家:MarvinWilliamus教授一道，工作在北京协和医学院，用400kV的X射线机治疗恶性肿瘤。●解放后，应卫生部的要求，高教部于1964年从北京大学、复旦大学、浙江大学、安徽大学4所综合性大学物理系分配了5名物理系毕业生，分别就业于北京中国医学科学院的北京协和医院和肿瘤医院、上海肿廇医院、浙江省肿廇医院、广州中山大学肿廇医院，启动了我国医学物理学的发展。●

1965年有更多的物理系毕业生分配到中央和省级肿廇医院。1965—1976年间因“文化大革命”被迫中止。改革开放后，各级肿瘤医院因工作的急需，分别从不同渠道，招聘了一批理、工类的毕业生以及“文革”前在非医疗机构工作的与核物理研究和应用有关的物理工作者；同时有一批在医院工作的医学物理工作者于上世纪80年代初被送往欧美国家访问和进修；以及继后开展的中美、中法、中瑞等双边的医学物理师的交换学者项目，和在我国召开的双边、多边国际医学物理学术研讨会和讲习班等，大大推动了我国医学物理学科的发展。●上世纪90年代中至本世纪初，北京大学重离子物理研究所、武汉大学物理学院、清华大学医学物理和工程研究所、中国科学技术大学核能研究所等大学院校开设医学物理学本科、硕、博学位课程.●医学物理学的教育应该是本科以上的医学物理硕、博研究生课程，而不是医学物理学的本科教育.欧、美、日，包括澳大利亚、印度、我国香港和台湾地区，在医疗机构或与医疗机构有关的研究机构内工作的医学物理学家或医学物理师，都是通过医学物理的硕、博研究生课程的培养.医学物理学的入学学生，应该是大学本科毕业取得学士学位的有较好的数理基础的理、工科学生，但也不排除有较好数理基础的医科毕业生.研究生硕、博课程应包括医学物理基础、医学影像物理、放射肿瘤物理、人体解剖学、病理学、生理，医学信息学等.1.人体器官、系统的功能以及正常、异常的物理学解释；●声与听觉：声带振动→声波→耳膜振动→耳蜗（流体力学、频谱分析）→听觉细胞兴奋（电学）→听觉神经（电脉冲传导）→听觉中枢●心血管系统：心脏1）发电机→窦房节自律细胞2）动力泵→瓣膜、心肌力学性质血管1）血液循环流体力学2）血管壁粘弹性

物理学与医学的关系3.医学检测的物理测量技术及原理超声成像、X-CT、MRI、ECT、心电图、脑电图、肌电图、血流量等2.物理因子对人体的作用物理因子：超声、激光、电、磁等→生物体：热、分子激发与电离→生物大分子损伤：细胞功能变化→生物效应第六章辐射生物物理●研究辐射对生物系统的作用＊辐射的基本性质；＊辐射对生物体的物理作用过程；＊辐射的生物效应一、辐射的种类●辐射按本质分为①电磁辐射：仅有能量无质量。如微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。②粒子辐射：既有能量又有静止质量。如电子、质子、中子、α粒子、β粒子和重离子等。●辐射按与物质作用分为①电离辐射：高速带电粒子（α、β、质子等）——直接电离致电离光子（X、γ）、中子等——间接电离②非电离辐射：只引起原子或分子的振动、转动或电子能级的改变。如微波、红外线、可见光、紫外线等§1辐射及其生物效应●人为活动引起辐射核工业：核电、铀矿冶炼建材成分的改变：煤渣、粉煤灰的再利用；天然石采的利用公众所受辐射照射比例人类受到的辐射●天然辐射(naturalexposure)：宇宙射线：来自宇宙空间的高能粒子流；宇生核素(cosmogenic)：主要是由宇宙射线与大气中的原子核相互作用产生的；

3H;14C;7Be;22Na原生核素(primordial)：存在于地壳中的天然放射性核素。三大放射系40K238U；232Th；235U二、辐射剂量1、吸收剂量(D)D=dE/dm●单位质量的被照射物质从射线中所吸收的能量值SI：1Gy(戈瑞）=1J·kq－1旧：rad拉德关系：1Gy=100rad2、传能线密度(LET)►带电粒子直接电离粒子在单位长度径迹上消耗的平均能量。►LET不同，产生不同的生物效应。产生一对离子所需平均能量电离比值3、相对生物效应（RBE)●电离辐射生物效应：电离辐射作用于生物机体后,将其能量传递给机体的分子、细胞、组织和器官所引起的形态、功能的变化和产生的后果●生物效应的双重性►治癌与致癌；►致基因突变与诱导DNA损伤的修复；►抑制生物合成，导致膜损伤、酶失活，抑制细胞分裂甚至导致细胞或机体死亡，也能刺激核酸、蛋白质的合成，提高酶的活性，加速细胞分裂、促进生物生长。●照射剂量不同、电离辐射类型不同，产生生物效应不同。●生物效应用细胞存活率、染色体畸变、突变等表示射线种类及能量范围近似值X(γ)射线

β－和β+射线中子，能量<10eV100eV—2MeV2MeV—20MeV>20MeV

质子，能量>2MeVα粒子，重核11520105520●相对生物效应（RBE)⑴确定性效应（deterministiceffects）►机体多数器官和组织的功能，不因损伤少量甚或大量的细胞而受影响，机体自身有强大的代偿功能。剂量严重程度阈值确定性效应①损伤细胞足够多、细胞又相当重要——功能损失；②有剂量阈值——剂量小，损伤概率为零；③剂量高于阈值——效应的严重程度与剂量成正比。如靶细胞的多个敏感部位被辐射击中（击中次数决定修复、损伤不可逆）例如：急性放射病定义：人体一次或短时间内分次受到大剂量照射引起的全身性疾患。外照射：＞1Gy剂量(Gy)症状0.10.51.01.53-57-10染色体变化末梢血中淋巴细胞减少10%的人恶心，呕吐死亡阈值LD50/60天(造血器官死亡)LD100/60天(消化器官死亡)半致死剂量LD50/60天⑵随机性效应——辐射致癌癌症(cancer):

恶性肿瘤生长迅速，侵犯周围组织，无明显界限，质地坚硬，无包膜，与正常组织分界不清，细胞向周围蔓延致癌因子(carcinogen):

能使正常细胞转变为恶性细胞最后发展为癌症的因子（基因突变的信息会传给后代——遗传效应）

物理致癌因子

主要为辐射致癌,包括电离辐射、紫外线等。若长期被辐射照射或接受到超量辐射都会导致白血病;大气层中臭氧层的破坏,紫外线照射增强,皮肤癌病人增加。化学致癌因子

已知具有致癌作用的化学物品有数千种,如黄曲霉素、亚硝胺、煤焦油、尼古丁等。吸烟对人体的危害,主要是所含的尼古丁等有害物质与肺癌、口腔癌、膀胱癌等有一定的关连。病毒致癌因子

肿瘤病毒(或称致癌病毒)。分为DNA肿瘤病毒和RNA肿瘤病毒两大类。剂量？►无剂量阈值；►发生几率与剂量成正比；►严重程度与剂量无关。●辐射导致癌症是典型的随机效应。若变异发生在性腺细胞（精子或卵子），基因突变的信息会传给后代——遗传效应发生机率随机性效应辐射细胞死亡细胞变异细胞克隆潜伏期癌症人类的放射性癌症(radiogeniccancer)§2辐射能量转移（吸收）的原发过程辐射类型不同——能量转移机制不同一、x射线、γ射线☻在生物组织内间接电离或激发，取决于光子能量光电效应：E<50KeV；60-90KeV光电效应和康普顿效应大致相等康普顿效应：200KeV-2MeV电子对生成：5-10MeV生成开始逐渐增加；50-100MeV主要能量吸收形式光电效应∝Z4成像诊断（骨骼、肌肉组织对比）康普顿效应∝Z放射治疗（各种组织吸收剂量差别小）电子对产生∝Z2二、中子

●能量传递的主要方式：与原子核相碰撞（散射、核反应）；穿透力较大1、中子散射：反冲核引起强烈电离。►靶核质量与中子质量越接近，碰撞转移给靶核的能量越多►生物组织主要由C、H、O和N等元素组成，特别是含量大的H。快中子在组织内的能量损耗主要是通过与H核等的碰撞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。2、中子引起的核反应：1H（n,γ)H2和14N（n,p)C14反应产生的产物使机体组织产生强烈电离。1、α粒子质量大、运动速度慢，带电量多，电离能力强，全部能量释放给生物组织造成极大破坏。吸收物质的电子密度入射粒子三、带电粒子

●发生3种形式的能量转换：①能量转换为激发能和电离能；②轫致辐射；③能量转换为热能.能量损失率2、电子(β):质量小，径迹弯曲。非弹性碰撞——韧致辐射3、负π介子:

质量273me,电离、激发转换能量。►组织中射程6—13cm.►被组织中C、O、N等捕获产生核衰变，或裂解为射程短、电离能力强的碎片（星裂）。►肿瘤放疗使肿瘤位于高电离密度区，正常组织位于电离密度小的前区可对肿瘤取得最大杀伤效果，而正常组织损伤小。4、重离子：具有高传能线密度和尖Bragg峰，对肿瘤放疗十分有利。蛋白质核酸酶脂质糖无机离子水新陈代谢►制造酶催化化学反应能量转换►为细胞活动供应能量►活动做功自我修复和自我组装►DNA遗传信息复制、转录、翻译►损伤时进行修复有机物质生命特征——细胞无生命有生命组装合成生物大分子按生命活动的需要进行精巧的组装§1-3辐射生物学的原初过程一、直接作用和间接作用

1、电离辐射的直接作用●电离辐射穿过生物组织，射线的能量被DNA或具有生物功能的其他分子直接吸收，使生物分子发生化学变化的作用。●直接作用主要对象是具有生物活性的分子，如核酸、蛋白质等，使其发生电离、激发或化学键断裂的变化，造成结构改变，引起正常功能和代谢作用的障碍。CDNA损伤（分子水平）单链断裂，可以实现无差错修复双链断裂，错误修复直接作用产生的变化：①主链断裂引起分子降解；引起碱基破坏或脱落、单链或双链断裂、氢键破坏。DNA结构►正确的修复，细胞功能恢复正常；►修复错误，细胞死亡或存活但带有遗传信息的变更或丢失，表现为突变和染色体畸变②交联作用：同一分子不同部分，或不同分子之间相互联结；螺旋结构出现交联或核酸之间、核酸与蛋白质之间出现交联。③维持大分子立体型的氢键和二硫键等的破坏。引起蛋白质侧链发生变化，氢键、二硫键断裂，导致高度卷曲的肽链出现不同程度的伸展，空间结构改变。►蛋白质的空间作用力：氢键、盐键(离子键)、疏水键、范德华力、二硫键2、电离辐射的间接作用●辐射能量向生物分子传递时，通过扩散的离子或自由基起作用，并被生物分子所吸收。●无论直接作用还是间接作用，造成辐射损伤的原理均相同。即高能光子或亚原子微粒最终被生物分子破坏性吸收的结果。●辐射能量的传递方式：生物组织中存在大量的水，水分子电离形成“水自由基”并将能量传递到生物靶分子上引起电离辐射的间接作用。●辐射对生物分子的致电离作用具有随机性特点，但生物分子吸收辐射后产生的损伤却常局限于分子的一定部位或较弱的化学键上，这是由于在特定的分子结构中能量传递有一定的趋向和能量沉积在微观空间分布上的不均一性所致分子水平细胞死亡细胞变异体细胞生殖细胞体细胞生殖细胞功能障碍不孕肿瘤遗传效应确定性效应多细胞死亡随机性效应单一细胞变异DNA损伤细胞水平临床症状效应生物效应产生的过程和机理二、辐射作用的原初过程物理阶段（10-18～10-12s）：电离、激发——初级产物；能量吸收、传递致初始生化损伤●辐射能的吸收和传递、分子的激发和电离、自由基的产生及化学键的断裂等都是在高度有序的机体中进行的。结构有序性的特点使电子传递和自由基连锁反应得以发生。时间/s发生的过程10-18快速粒子穿过原子10-16—10-17电离作用H2OH2O++e-,生物分子直接电离BB+10-15H2O和生物分子激发H2OH2O+,BB*10-14离子-分子反应；分子振动导致激发态解离10-12转动弛豫，离子水合作用化学阶段（10-12～10-3s）：初级电离产物与生物分子中的水分子作用——自由基——与生物分子作用——次级产物；生物学阶段（几小时～数年）：数小时细胞分裂受抑制；数月中枢神经系统和胃肠道损伤明显；约1个月造血障碍性死亡；若干年癌症和遗传变化。RNADNA等分子键断裂电离辐射直接作用间接作用生物体分子激发电离DNA周围物质(水)激发电离原始创伤扩散自由基分子内能转移与生物分子作用生物自由基继发反应原核和真核细胞分裂受抑制中枢神经系统和胃肠道损伤显现造血障碍性死亡晚期肾损伤肺纤维样变性癌症和遗传变化物理阶段10-18~10-11s化学阶段10-11~1s生化阶段1~103s生物阶段数hr数d数月~数年一、水自由基与水的辐射分解►自由基(freeradical)：

外层轨道有未配对电子的原子、分子或基团。氢原子自由基：H•羟基自由基：OH•超氧负离子自由基：O2-►物理性质：顺磁性强——用电子自旋共振技术探测；►化学性质：反应活性高——引起生物分子损伤（核、膜等）

►自由基对人体的损害主要有三个方面①使细胞膜被破坏；②使血清抗蛋白酶失去活性；③损伤基因导致细胞变异§3电离导致生物分子的结构变化生物组织水含量＞70%；辐射导致DNA分子失活主要由水辐解自由基的间接作用引起激发H2OH2O＊+H2O辐射H2O+H++e-eaq-H•+OH

－+H2OH•H•H2O－电离+水分子电离辐射后生成自由基的两种机制+H+

+H2OOH•OH•水自由基复合H•+H•→H2OH•+OH•→H2O2过氧化氢eaq-+eaq-H2+2OH－2H2O（均裂）（异裂）二、水自由基的特性及其在细胞中的行为特性：易扩散；易与细胞内的生物大分子产生反应。羟自由基OH·

：属氧化自由基。致伤能力最强；平均扩散距离约2nm.水合电子e-eq

：扩散速度快；反应能力强；易被氧捕获形成超氧化物超氧化物阴离子O-·2

：反应速度慢、扩散距离长。►机体正常或异常代谢过程中，由于高能的电离辐射粒子打断了分子中的共价键，游离出的自由电子被另一分子俘获，通过异裂和均裂方式能不断产生自由基eaq-+O2→O－·2

三、水自由基与生物分子的主要反应1、加成反应：

OH•和H•对DNA分子碱基亲和力较大，造成核酸碱基损伤2、抽氢反应：（氧化性）

OH·易从生物大分子中抽取一个H，造成DNA连断裂3、电子俘获：（还原性）eaq-攻击导致—S—S—断裂，引起蛋白质、酶失活►自由基参与维持正常生命活动的生理、生化反应，同时对机体又有损伤作用。►正常情况下，体内自由基的产生和清除处于动态平衡。该平衡一旦被打破，自由基在体内积蓄过多或过少，均对机体不利。使机体过早衰老，引起疾病以及癌变。►为保护机体免遭自由基损伤，体内同时存在清除自由基的天然防护系统。超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POX）等可清除这些对细胞有毒性作用的自由基。●自由基清除剂：具有接收自由基的電子或是提供自由基电子,并且本身可以稳定电子活性的物质。一、靶学说要点：1、细胞内（或大分子）存在对辐射的敏感区，即靶区。靶区只有细胞的若干份之一。当该区被电离辐射击中时才会产生生物效应（损伤）。●细胞损伤是射线对靶的作用.现代生物学观点：DNA和膜是射线的靶，是引起细胞变化的关键。2、射线与生物系统的相互作用是随机过程，“击中”是彼此无关的独立事件，击中概率服从Poisson分布；●光和电离辐射以光子和粒子簇的形式撞击靶，其中x次的概率服从泊松（Poisson）统计原则：在体积为V的靶模型中为P[x]=(VD)xe-VD/x!，式中D为单位靶体积内平均击中数，D=m/V，m为辐射在V内的击中数.

3、不同生物分子或细胞的靶具有不同的损伤击中次数。●射线在靶内的能量沉积超过一定值，便会发生“击中”，对不同的生物靶，发生效应所需要的击