436. Radiotherapy Physics & Biology

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436. Radiotherapy Physics & Biology

 

 

CATEGORY: Medical & Medicine – 500 Courses

COURSE NUMBER: 436

FEES: 555/- INR only

CERTIFICATE VALIDITY: Lifetime

CERTIFICATES DELIVERY: In 48 hours

BOOKS/ MANUALS: Pages

Syllabus

Part I Radiation Therapy Physics
1 Atomic and Nuclear Structure ………………………. 3
Atomic and Nuclear Nomenclature . ……………………. 3
The Four Fundamental Forces ………………………… 4
On Mass . ……………………………………… 5
Nuclear Binding Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
On Nuclear Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Binding Energy Per Nucleon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Pairing of Nucleons ………………………………. 7
Bohr Model of The Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Electron Orbits (Energy Levels) . . …………………….. 8
Electron Transitions (Absorption and Emission of Energy) . . . . . . . . . 10
2 Radioactive Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Formalism: Decay Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Alpha (α) Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Beta (β) Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Beta-Minus (β) or Negatron Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Beta-Plus (β+

) or Positron Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Electron Capture (EC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Gamma Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Internal Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Mathematics of Radioactive Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Radioactive Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Daughter Elution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Naturally Occurring Radioisotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Man-Made Radioisotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Production and Properties of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Particulate Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Electromagnetic (EM) Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Wave Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Electromagnetic Spectrum (Remember This from Fourth Grade?) . . . . 25
Production of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
X-ray Tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Side Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
X-ray Tube Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Cobalt-60 Radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Linear Accelerators (Linacs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Operational Theory of Wave Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Bending Magnet Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Flattening Filters (Photon Mode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Scattering Foils (Electron Mode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Electron Cones (Applicators) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Monitor Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Collimation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Microtron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Cyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Synchotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 Interactions of Electromagnetic Radiation with Matter . . . . . . . . . 35
How Do Photons Interact? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Coherent Scatter (aka Rayleigh Scatter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Photoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Compton Scatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Pair Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Triplet Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Photonuclear Disintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 Interactions of Particulate Radiation with Matter . . . . . . . . . . . . . 43
Definition of Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
How Do Charged Particles Interact? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Charged Particle Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Stopping Power and Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Electron Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Neutron Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Fast Neutron Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Slow Neutron Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Pions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Ionization and Biological Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6 Quantification and Measurement of Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
KERMA and Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Equation Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Kerma Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Kerma !Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Relative Biologic Effectiveness (RBE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Dose Equivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Methods of Measuring Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7 Characteristics of Photon Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Intensity Versus Penetration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Attenuation Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Mathematics of Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Attenuation Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Narrow Beam Versus Broad Beam Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Monoenergetic and Polyenergetic (Spectral) Beams . . . . . . . . . . . . . . 73
Filtration in Clinical X-Ray Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Beam Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Effective Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8 Dosimetry of Photon Beams in Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
How Does a Dose Calculation Work? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
SSD and SAD Setups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Hand Calcs (SSD Setup) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Percent Depth Dose (PDD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Extended SSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Mayneord F-Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
SC and SP: Scatter Factors and Field Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Beam Modifier Factors: WF and TF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
PDD Versus TMR (SSD VS SAD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Hand Calcs (SAD Setup) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Tissue-X-Ratios (TAR, TMR, TPR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Scatter-Air Ratio (SAR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Rotational (Arc) Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Isodose Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
High Dose: The In-Field Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Field Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Clarkson Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Off-Axis Ratio (OAR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Superficial Dose: The Buildup Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Lateral Dose: The Penumbra Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Rules of Thumb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

9 Dosimetry of Photon Beams in a Patient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Dose Calculation: Water Versus Patient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Corrections For Patient Contour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Inhomogeneity Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Classical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Model Based Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Inhomogeneity Perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Parallel Opposed Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Wedges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Mixed Modality Therapy (Photon/Electron Mix) . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Field Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Craniospinal Field Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Maximizing Superficial Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Dose Specification (ICRU 50 and 62) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Prescribing and Delivering Dose (ICRU 50/62) . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Dose Delivery Accuracy and Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Rules of Thumb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
10 Dosimetry of Electron Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Dose: Hand Calcs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Electrons: Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Electrons: Shape of Pdd Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Electrons: Energy Spectrum and Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Electrons: Isodose Shape and Energy Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Electron Field Shaping: Cones and Cutouts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Electron Field Size Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Obliquity Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Electron Field Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Electrons and Inhomogeneities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Bolus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Beam Spoilers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Electron Arcs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Total Skin Electron Irradiation (TSEI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Rules of Thumb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
11 Physics and Dosimetry of Brachytherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
The Historical Role of Radium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Commonly Used Therapeutic Radionuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Production of Radionuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Sealed Source Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Unsealed Source Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Implant Instrumentation and Technique (Ircu-38 and 58) . . . . . . . . . . 128
Brachytherapy Dose Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Permanent Implants: Decay Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Beta Emitter: Simple Dose Calc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Photon Emitters in Air: Exposure and Dose Rate . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Photon Emitters in Water: Γ Based Dose Calc . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Photon Emitters in Water: TG-43 Dose Calc: Radial Dose
Function (g) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
TG-43 Dose Calc: Geometry Factor (G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
TG-43 Dose Calc: Anisotropy Factor (F) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
TG-43 Dose Calc: Radial Dose Function (g) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Loading Patterns: Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Classical Dose Systems (Interstitial) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Classical Dose Systems (Intracavitary) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Rules of Thumb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
12 Advanced Treatment Planning for EBRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
What Is Advanced Treatment Planning? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2D Radiography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Computed Tomography (CT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Cone Beam CT (CBCT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Digital Tomosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Magnetic Resonance Imaging (MRI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Image Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Windowing and Leveling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Additional Imaging Modalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Patient Setup Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Advanced Immobilization Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Conventional Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
CT Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Verification Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Portal Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3D Treatment Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Non-IMRT Dose Optimization Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
13 Linac Quality Assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
What Is Quality Assurance? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Who Is Responsible for QA? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Linac Regulations and Recommendations (TG-142) . . . . . . . . . . . . . . 152
Additional Linac QA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
14 Radiation Protection and Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Regulatory Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Types of Radiation Effects and Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Structural Shielding Design for External Beam Therapy:
How to Build a Bunker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Secondary Barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Neutron Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Radiation Protection for Brachytherapy Procedures . . . . . . . . . . . . . . 161
Administrative Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Final Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
15 Quality Management Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Radionuclide Regulations and the NRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Quality Management Program/Plan (QMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Written Directive (NRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Medical Event, aka Misadministration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
16 Special Topics: Hyperthermia and Computers . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Hyperthermia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Computers: Miscellaneous Topics That Are Important! . . . . . . . . . . . . 170
Image Registration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Treatment Planning Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Simulated Annealing (Inverse Planning in IMRT) . . . . . . . . . . . . . . . 176
Part II Radiation Therapy Biology
17 Molecular Biology and Signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
A Note on Nucleic Acids (DNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
A Note on Gene Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Point Mutations and Chromosomal Mutations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Loss of Heterozygosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Gene Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Post-translational Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Phosphorylation and Dephosphorylation Reactions . . . . . . . . . . . . . . . 186
Molecular Signaling: Receptors and Ligands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Gene Expression Profiling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Types of Cell Death . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Radiation-Induced Molecular Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Acute Effects: DNA Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Late Effects: Inflammation and Fibrosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
18 Cancer Genetic and Molecular Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Genetic Changes in Cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Epigenetic Changes in Cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Multi-Step Model of Carcinogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Clinical Significance of Cancer Genomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Oncogenes and Tumor Suppressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Principles of Targeted Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
The EGFR-MAPK Signaling Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Angiogenesis and VEGFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
The PI3K-Akt-mTOR Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

Other Oncogene Drug Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Oncogene Signaling and Radiation Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Invasion and Metastasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Quiescence and Senescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Telomeres and Cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
19 Molecular Mechanisms of DNA Damage and Repair . . . . . . . . . . . 201
Types of DNA Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Ionizing Radiation and DNA Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Single Hits and Accumulated Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Assays for DNA Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Chromatid and Chromosome Aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Stable and Unstable Aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Measuring DNA Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
DNA Repair: Base Damage and Mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Human Genetic Diseases Due to Deficient DNA Repair . . . . . . . . . . . 208
20 Cell Death and Survival Assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Definition of Cell Death . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Mechanisms of Cell Death . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Cell Death After Irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Tissue Effects After Irradiation: When? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Molecular Pathways of Apoptosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Survival of Viruses, Bacteria, and Eukaryotic Cells
After Irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
A Word on Assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
In Vitro Clonogenic Survival Assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Effects of Fraction Size, Dose Rate and Cell Type . . . . . . . . . . . . . . . 217
In Vivo Normal Tissue Assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Experimental Tumor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
21 Fractionated Radiation Survival Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Fractionation Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
The “4 R’s” of Radiobiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Sublethal and Potentially Lethal Damage Repair . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Sublethal Damage Repair (SLDR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Potentially Lethal Damage Repair (PLDR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Half-Time of Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
A Note on Mathematical Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Poisson Statistics: What Are They? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Poisson Statistics and Cell Survival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Single-Hit, Multi-Target Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Single-Hit Model: Drawing a Survival Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Single Hit Model: D0 and DQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Single-Hit Model: Advantages and Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . 227
Fractionated Radiation and Effective D0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

Fractionated Radiation: Solving Survival Questions . . . . . . . . . . . . . . 228
Alpha-Beta Ratios of Tissues and Tumor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Alpha-Beta Model and Dose Fractionation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Alpha-Beta Model: Biologically Effective Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Alpha-Beta Model: Correction Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Ellis Nominal Standard Dose (NSD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Very Large Fractions: SBRT/SRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Other Radiation Survival Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
22 Oxygen Effect, Relative Biological Effectiveness
and Linear Energy Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Oxygen Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
How Much Oxygen Is Needed for the Oxygen Effect? . . . . . . . . . . . . 237
Oxygen Enhancement Ratio (OER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Relative Biological Effectiveness (RBE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Linear Energy Transfer (LET), RBE and OER . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
23 Tumor Micro-environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Tumor Vasculature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
The Thomlinson-Gray Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Mixed Normoxic/Hypoxic Survival Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Direct Measurement of Hypoxia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Transient and Chronic Hypoxia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Reoxygenation After Irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Hypoxia and Tumor Progression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Hypoxia Inducible Factor 1 (HIF-1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Tumor Composition in Patients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
24 Cell and Tissue Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Cell and Tissue Kinetics: Why Do We Care? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
The “4 R’S” of Radiobiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Molecular Biology of the Cell Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Imaging the Cell Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Cell Cycle Kinetics: Measuring TM and TS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Cell Cycle Kinetics: Measuring TC, TG1, TG2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Cell Cycle Measurement: Flow Cytometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Cell Cycle Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Tissue (Tumor) Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Growth Kinetics of Clinical Tumors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Accelerated Repopulation and Effective Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Cell Cycle Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Cell Cycle and Radiosensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Fractionated RT and Reassortment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
25 Acute Effects of Total Body Irradiation (TBI) . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Where Does the Data Come from? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
What About Intentional TBI? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

Prodromal Radiation Syndrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Cerebrovascular Syndrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Gastrointestinal Syndrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Hematopoietic Syndrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Mean Lethal Dose and Dose-Time Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Dose Estimation in Radiation Disasters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Supportive Care . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Radioprotectors and TBI Lethality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Stem Cell Rescue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
26 Normal Tissue Radiation Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Types of Normal Tissue Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Fraction Size and Treatment Time Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Stem Cells: Latency and Functional Subunits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Serial and Parallel Organs and Volume Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Casarett’s Classification of Radiation Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Michalowski Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Cytokines and Growth Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Normal Tissue Response: Skin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Normal Tissue Response: Hematopoietic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Normal Tissue Response: Oral Mucosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Normal Tissue Response: Salivary Glands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Normal Tissue Response: Esophagus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Normal Tissue Response: Stomach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Normal Tissue Response: Lung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Normal Tissue Response: Kidney . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Normal Tissue Response: Liver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Normal Tissue Response: Bladder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Normal Tissue Response: Heart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Normal Tissue Response: Bone and Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Normal Tissue Response: CNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Normal Tissue Response: Peripheral Nerves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Normal Tissue Response: Gonads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Normal Tissue Response: Genitalia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Scoring Systems for Tissue Injury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
27 Therapeutic Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Tumor Control Probability (TCP) Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Calculation of TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Factors Affecting Shape and Slope of TCP Curves . . . . . . . . . . . . . . . 278
Normal Tissue Complication Probability (NTCP) . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Therapeutic Window and Therapeutic Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Tumor and Normal Tissue Repopulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Sensitizers, Protectors and Combined Modality . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

28 Combined Modality Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Radiosensitizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Radioprotectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Oxygen Modifying Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Hypoxia Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Dose Reduction Factor and Enhancement Factor . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Systemic Therapy Agents: Mechanism of Action . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Targeted Therapies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
The Oxygen Effect for Chemotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Multiple Drug Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Concurrent Chemotherapy and Radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Photodynamic Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Gene Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
29 Biology of Brachytherapy, Particle Therapy, and Alternative
Radiation Modalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Brachytherapy Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
A Note on Brachytherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Brachytherapy: Dose Rate Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Dose Rate and Clinical Endpoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Brachytherapy: Choice of Nuclide and Implant . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Unsealed Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Radioimmunotherapy (RIT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Proton Beam Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Fast Neutron Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Heavy Ion Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
30 Hyperthermia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Definition of Hyperthermia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Rationale for Hyperthermia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Cytotoxicity of Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Heating and Temperature Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Heat in Tumors Versus Normal Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Thermal Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Thermal Enhancement Ratio (TER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Heat Shock Proteins and Thermotolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Hyperthermia and Radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Hyperthermia: Difficulties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
31 Carcinogenesis and Heritable Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Deterministic and Stochastic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Equivalent Dose and Effective Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Dose Response for Radiation-Induced Cancers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Mechanism for Carcinogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
Radiation Protection Organizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

Absolute and Relative Risk of Carcinogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
Radiation and Chemotherapy Carcinogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Dose–Response Curves for Carcinogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
ICRP Carcinogenesis Risk Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Carcinogenesis Risk Estimates in Radiation Therapy . . . . . . . . . . . . . 307
Carcinogenesis Risk and Age, Gender, Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Known Radiotherapy Induced Malignancies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Genetic Risks of Radiation: Animal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Genetic Risks of Radiation: Human Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Genetic Risks and Radiation Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Radiation Protection Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Take Home Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
32 Radiation Effects in the Embryo and Fetus . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Stages of in Utero Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Of Mice and Men . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Preimplantation Damage: All or Nothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Embryonic Damage: Malformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Fetal Damage: Organ Growth Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Prenatal Radiation and Carcinogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Therapeutic Radiation in Pregnancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Appendix A Glossary of Terms and Physical Constants . . . . . . . . . . . 317
Appendix B List of Radionuclides for Radiotherapy

and Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

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