اثر بیولوژیکی نسبی :
مقدار یا کمیت تشعشع با اصطلاح « دوز جذبی » و واحدهای راد یا گری بیان می شود . دز مقیاسی از جذب انرژی در واحد جرم بافت است . به هر حال ،‌ دزهای یکسان انواع مختلف پرتوها ، اثر بیولوژیکی یکسان ایجاد نمی کنند . یک گری نوترون اثر بیولوژیکی بیشتری نسبت به یک گری اشعه ایکس ایجاد می کند . کلید تفاوت در الگوی واگذاری انرژی در سطح میکروسکوپی نهفته است .

برای مقایسه پرتوهای مختلف ، معمولاً اشعه ایکس به عنوان پرتوی استاندارد در نظر گرفته می شود . تعریف رسمی اثر بیولوژیکی نسبی ( RBE ) به قرار زیر است :
RBE اشعه مورد آزمون ( r ) در مقایسه با پرتوی ایکس با نسبت/Dr 250 D تعرف می شود ؛ 250 D و Dr بترتیب دزهای مورد نیاز اشعه ایکس و پرتوی مورد آزمون برای ایجاد اثر بیولوژیکی یکسان می باشد .
برای اندازه گیری RBE پرتوی مورد آزمون ابتدا باید یک سیستم بیولوژیکی را انتخاب کرد که به کمک آن ، بررسی اثر تشعشع به طور کمی میسر شود . برای نشان دادن فرایندهای مستلزم در تعیین RBE ، مثالی را در نظر می گیریم . تصور کنید می خواهیم RBE نوترونهای سریع را در مقایسه با اشعه ایکس KV250 با استفاده از مرگ و میز جوانه های گیاه به عنوان سیستم آزمون اندازه گیری کنیم . گروههایی از گیاهان تحت تابش دزهای متفاوت اشعه ایکس و گروههای دیگری به موازات ، تحت تابش دزهای نوترون قرار می گیرند . در پایان دوره مشاهده ، محاسبه دزهایی از اشعه ایکس و نوترون که باعث مرگ نیمی از گیاهان در هر گروه شدند ، میسر می شود . این کمیت دز کشنده متوسط یا 50 LD نام دارد ؛ تصور کنید برای اشعه ایکس 50 LD ، 6 گری ( 600 راد ) و برای نوترونها این دز 4 گری ( 400 راد ) محاسبه شود . RBE نوترون در مقایسه با اشعه ایکس به سادگی نسبت 5/1 می باشد .
بررسی RBE اگر با یک سیستم آزمایشی با محصول نهایی مشخص انجام شود ،‌ نسبتاً ساده است . در صورت انتخاب یک سیستم بیولوژیکی مانند پاسخ سلولهای جانوری در کشت ، آنگاه وضعیت پیچیده تر می شود . شکل 7-3-الف منحنیهای بقای سلولهای کشت شده را که تحت تابش دزهای مختلف اشعه ایکس از یک طرف و نوترونهای سریع از طرف دیگر قرار گرفته اند نشان می دهد . حال با استفاده از این منحنیهای بقا با نسبت دزهایی که اثر بیولوژیکی یکسان ایجاد می کنند ،‌ می توان RBE را محاسبه کرد . اگر اثر نهایی انتخاب شده برای مقایسه مقدار دزی باشد که به نسبت بقای 01/0 می انجامد ، آنگاه دز مورد نیاز نوترون 6/6 گری ( 660 راد ) خواهد بود ؛ دز اشعه ایکس برای همین نسبت بقا Gy 10 ( rad 1000 ) است . در این صورت ، RBE نسبت یا 5/1 می باشد . به هر حال ، اگر مقایسه در حد نسبت بقای 6/0 انجام شود ، دز نوترون مورد نیاز فقط Gy 1 ( rad 100 ) است و دز اشعه ایکس برای آن Gy 3 ( rad 300 ) می باشد . RBE محاسبه شده یا 3 خواهد بود . به دلیل برخورداری منحنیهای بقای نوترون و اشعه ایکس از شکلهای متفاوت به گونه ای که منحنی بقای اشعه ایکس دارای یک شانه اولیه و منحنی بقای نوترون فاقد شانه و تابعی نمایی از دز است ،‌ RBE نتیجه شده بستگی به سطح آسیب بیولوژیکی و بنابراین دز انتخاب شده دارد . به طول کلی ، RBE با افزایش دز کاهش می یابد و به یک مقدار محدود کننده می رسد که نسبت شیبهای اولیه منحنیهای بقای اشعه ایکس و نوترون است .
اثر بیولوژیکی نسبی و دزهای تقطیعی
می دانیم RBE پرتوهای یونساز متراکمتر همانند نوترونها ،‌ براساس مقدار دز تابش در هر جلسه متغیر است ؛ بنابراین RBE برای یک رژیم تقطیعی با نوترون بیشتر از تابش تنهاست زیرا یک روند تقطیع متشکل از تعدادی از دزهای کوچک می باشد و RBE برای دزهای کوچک بیشتر است .
شکل 7-3-ب ، یک درمان فرضی با نوترون متشکل از چهار جلسه را نشان می دهد . برای نسبت بقای 01/0 ، RBE نوترون نسبت به اشعه ایکس حدود 6/2 است . RBE برای پرتوهای مشابه در شکل 7-3-الف در همان حد بقا ، 5/1 بود زیرا تابش گیری های یکجا در یک جلسه انجام شد . این نتیجه مستقیم وجود شانه بزرگ است که از مشخصه های منحنی بقای اشعه ایکس می باشد . در هر جلسه تکرار تابش اشعه ضروری است . اندازه شانه مبین بخشی از دز تلف شده است ؛ تعداد بیشتر جلسات تابش به اتلاف دز بیشتری منجر می شود . در مقابل ، منحنی بقای نوترون فاقد شانه است یا شانه کوچکی دارد . بنابراین ، در تقطیع دز تلف شده کمی دارد . نتیجه خالص آن است که نوترونها در دزهای تقطیعی و کوچک بسیار موثرتر از اشعه ایکس عمل می کنند . البته برای تابش گیری های پیوسته با آهنگ دز کم نیز این مطلب صادق است . RBE نوترون در آهنگ دز کم بیشتر از یک تابش گیری حاد است زیرا کاهش تاثیر نوترون با آهنگ دز نسبت به پرتوهای ایکس و گاما تا حد بسیار کمتری روی می دهد . در واقع برای نوترونهای کم انرژی ، کاهش اثر ایجاد نمی شود .
اثر بیولوژیکی نسبی برای بافتها و سلولهای مختلف
حتی برای یک دز کل معین یا دز داده شده در هر جلسه با توجه به بافت یا اثر نهایی مورد مطالعه ،‌ RBE تا حد زیادی تغییر می کند . برورزه ، بارندسن و همکارانشان در هلند منحنیهای بقایی برای تعدادی از رده های سلولی متفاوت رسم کردند که تحت تابش نوترون یا اشعه ایکس قرار گرفته بودند . خلاصه نتایجشان در شکل 7-4 نشان داده شده است که مبین تفاوتهایی در حساسیت پرتوی ذاتی بین انواع مختلف سلولهاست . در این شکل منحنیهای بقا برای سلولهای بنیادین مغز استخوان موش ،‌ سلولهای لوسمی لنفوسیتی موش ،‌ سلولهای کشت شده کلیه انسان، سلولهای رابدومایوسارکومای موش صحرایی و سلولهای کریپت روده ای موش رسم شده است . این منحنیها به وضوح نشان می دهند که سلولهای مختلف طیف قابل ملاحظه ای از حساسیتهای پرتوی را نسبت به اشعه ایکس نشان می دهند . در این مطالعه از میان سلولهای بررسی شده ،‌ سلولهای بنیادین مغز استخوان حساسترین ؛ و سلولهای کریپت روده ای مقاومترین سلولها بودند ،‌ برای تابش گیری با نوترون نیز دامنه ای از حساسیتهای پرتوی وجود دارد اما تفاوت بین انواع سلولهای مختلف بسیار کمتر است . تفاوت عمده آن است که منحنیهای بقای اشعه ایکس دارای شانه اولیه بزرگ و متغیری می باشند . البته ناحیه شانه برای نوترونها ، کوچکتر و از تغییر کمتری برخوردار است . در نتیجه RBE برای هر رده سلولی متفاوت می باشد .
به طور کلی ، سلولهایی که از شانه منحنی بقای بزرگی برای اشعه ایکس برخوردارند ، قادر به تجمع مقدار زیادی از آسیبهای تشعشع زیر کشنده و ترمیم آنها می باشند ؛ بنابراین RBE های بزرگی را برای نوترون نشان می دهند . در مقابل ، سلولهایی که شانه منحنی بقایشان کوچک است ، مقادیر RBE آنها برای نوترون نیز کوچک می باشد .
سلولهای کریپت ژوژنوم موش از بزرگترین شانه منحنی بقا برای اشعه ایکس برخوردار است . این سلولها بالاترین مقدار RBE را برای نوترون نشان می دهند . از سویی دیگر ، واحدهای تشکیل دهنده کلونی در مغز استخوان با منحنی بقایی مشخص می شوند که با شانه کوچک ،‌ در صورت وجود ، به تابع نمایی دز نزدیک است . به همین سبب RBE نوترون برای این سیستم بیولوژیکی کوچک است .