ในชีววิทยารังสีประสิทธิภาพทางชีวภาพสัมพัทธ์ (มักย่อว่าRBE ) คืออัตราส่วนของประสิทธิภาพทางชีวภาพของรังสีไอออนไนซ์ ชนิดหนึ่ง เทียบกับอีกชนิดหนึ่ง โดยมีปริมาณพลังงานที่ถูกดูดซับ เท่ากัน ค่า RBE เป็นค่าเชิงประจักษ์ที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของรังสีไอออนไนซ์ พลังงานที่เกี่ยวข้อง ผลกระทบทางชีวภาพที่พิจารณา เช่น การตายของเซลล์ และความเข้มข้นของออกซิเจนในเนื้อเยื่อหรือที่เรียกว่า ผล กระทบ จากออกซิเจน

ปริมาณรังสีที่ร่างกายดูดซึมเข้าไปอาจเป็นตัวบ่งชี้ที่ไม่ดีนักสำหรับผลกระทบทางชีวภาพของรังสี เนื่องจากผลกระทบทางชีวภาพอาจขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่นๆ อีกมากมาย รวมถึงชนิดของรังสี พลังงาน และชนิดของเนื้อเยื่อ ประสิทธิภาพทางชีวภาพสัมพัทธ์สามารถช่วยวัดผลกระทบทางชีวภาพของรังสีได้ดีขึ้น ประสิทธิภาพทางชีวภาพสัมพัทธ์สำหรับรังสีชนิดRบนเนื้อเยื่อถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วน

${\displaystyle RBE={\frac {D_{X}}{D_{R}}}}$

โดยที่D _Xคือปริมาณรังสีดูดซับ อ้างอิง ของรังสีชนิดมาตรฐานXและD _RคือปริมาณรังสีดูดซับของรังสีชนิดRที่ก่อให้เกิดความเสียหายทางชีวภาพในปริมาณเท่ากัน ปริมาณรังสีทั้งสองชนิดนี้วัดได้จากปริมาณพลังงานที่เซลล์ดูดซับ

รังสีชนิดต่างๆ มีประสิทธิภาพทางชีวภาพแตกต่างกัน ส่วนใหญ่เป็นเพราะการถ่ายโอนพลังงานไปยังเนื้อเยื่อด้วยวิธีที่แตกต่างกัน โฟตอนและอนุภาคเบตา มี ค่าสัมประสิทธิ์ การถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้น (LET) ต่ำ หมายความว่าพวกมันจะทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมในเนื้อเยื่อที่อยู่ห่างกันหลายร้อยนาโนเมตร (หลายส่วนสิบของไมโครเมตร ) ตลอดเส้นทาง ในทางตรงกันข้าม อนุภาคอัลฟาและนิวตรอนที่มีมวลมากกว่ามาก จะทิ้งร่องรอยของอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนไว้หนาแน่นกว่า โดยอยู่ห่างกันประมาณหนึ่งในสิบของนาโนเมตร (เช่น น้อยกว่าหนึ่งในพันของระยะห่างโดยทั่วไประหว่างการแตกตัวเป็นไอออนของโฟตอนและอนุภาคเบตา)

RBE สามารถใช้ได้ทั้งสำหรับความเสี่ยงต่อมะเร็ง/กรรมพันธุ์ ( แบบสุ่ม ) หรือสำหรับปฏิกิริยาของเนื้อเยื่อที่เป็นอันตราย ( แบบกำหนด ) เนื้อเยื่อจะมีค่า RBE ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับประเภทของผลกระทบ สำหรับรังสี LET สูง (เช่น แอลฟาและนิวตรอน) ค่า RBE สำหรับผลกระทบแบบกำหนดมักจะต่ำกว่าค่า RBE สำหรับผลกระทบแบบสุ่ม^{[ 1 ]}

แนวคิดของ RBE มีความเกี่ยวข้องในทางการแพทย์ เช่น ในด้านรังสีวิทยาและรังสีบำบัดและในการประเมินความเสี่ยงและผลกระทบของการปนเปื้อนกัมมันตรังสีในบริบทต่างๆ เช่นการดำเนินงานโรงไฟฟ้านิวเคลียร์การกำจัดและการแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ อาวุธ นิวเคลียร์ การทำเหมืองยูเรเนียมและความปลอดภัยจากรังสีไอออน

เพื่อวัตถุประสงค์ในการคำนวณปริมาณรังสีเทียบเท่าต่ออวัยวะหรือเนื้อเยื่อคณะกรรมการระหว่างประเทศว่าด้วยการป้องกันรังสี (ICRP) ได้กำหนดชุดมาตรฐานของปัจจัยถ่วงน้ำหนักรังสี (W _R ) ซึ่งเดิมเรียกว่าปัจจัยคุณภาพ ( Q) [ ^{1 ] [ 2 ] ปัจจัย}ถ่วงน้ำหนักรังสีจะแปลงปริมาณรังสีที่ดูดซับ (วัดในหน่วย SI ของเกรย์ หรือ แรดที่ไม่ใช่ SI ) ให้เป็นปริมาณรังสีเทียบเท่า ทางชีวภาพอย่างเป็นทางการ สำหรับการสัมผัสรังสี (วัดในหน่วยซีเวอร์ตหรือเรม ) อย่างไรก็ตาม ICRP ระบุว่า: ^{[ 1 ]}

"ปริมาณรังสีเทียบเท่าและปริมาณรังสีประสิทธิผลไม่ควรนำมาใช้ในการวัดปริมาณรังสีที่สูงขึ้น หรือในการตัดสินใจเกี่ยวกับความจำเป็นในการรักษาใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของเนื้อเยื่อ [เช่น ผลกระทบแบบกำหนดได้] สำหรับวัตถุประสงค์ดังกล่าว ควรประเมินปริมาณรังสีในแง่ของปริมาณรังสีที่ถูกดูดซับ (ในหน่วยเกรย์, Gy) และในกรณีที่มีรังสีที่มีค่า LET สูง (เช่น นิวตรอนหรืออนุภาคอัลฟา) ควรใช้ปริมาณรังสีที่ถูกดูดซับโดยถ่วงน้ำหนักด้วยค่า RBE ที่เหมาะสม"

ปัจจัยถ่วงน้ำหนักรังสีส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับค่า RBE ของรังสีสำหรับความเสี่ยงต่อสุขภาพแบบสุ่มอย่างไรก็ตาม เพื่อความง่าย ปัจจัยถ่วงน้ำหนักรังสีจะไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของเนื้อเยื่อ และค่าต่างๆ จะถูกเลือกอย่างระมัดระวังให้มีค่ามากกว่าค่าทดลองส่วนใหญ่ที่สังเกตได้สำหรับเซลล์ที่มีความไวต่อรังสีมากที่สุด โดยคำนึงถึงแหล่งกำเนิดภายนอก (นอกเซลล์) ปัจจัยถ่วงน้ำหนักรังสีนั้นยังไม่ได้รับการพัฒนาสำหรับแหล่งกำเนิดไอออนหนักภายใน เช่น นิวเคลียสที่เกิดจากการกระเด็นกลับ

ค่ามาตรฐาน ICRP 2007 สำหรับประสิทธิภาพเชิงสัมพัทธ์แสดงไว้ด้านล่าง ยิ่งค่าสัมประสิทธิ์การถ่วงน้ำหนักรังสีของชนิดรังสีใดสูงเท่าไร ก็ยิ่งก่อให้เกิดอันตรายมากขึ้นเท่านั้น และค่านี้จะถูกนำมาใช้ในการคำนวณเพื่อแปลงหน่วยจากเกรย์เป็นซีเวอร์ต

ปัจจัยถ่วงน้ำหนักรังสีที่แปลงจากพลังงานทางกายภาพไปสู่ผลกระทบทางชีวภาพนั้น ไม่ควรสับสนกับปัจจัยถ่วงน้ำหนักเนื้อเยื่อปัจจัยถ่วงน้ำหนักเนื้อเยื่อใช้ในการแปลงปริมาณรังสีเทียบเท่าที่เนื้อเยื่อใดเนื้อเยื่อหนึ่งในร่างกาย ให้เป็นปริมาณรังสีที่มีประสิทธิภาพซึ่งเป็นตัวเลขที่ให้การประมาณการอันตรายทั้งหมดต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหมด อันเป็นผลมาจากปริมาณรังสีที่ส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายได้รับ

โดยทั่วไป การประเมินประสิทธิผลทางชีวภาพสัมพัทธ์ (RBE) จะทำกับเซลล์สิ่งมีชีวิตหลายชนิดที่เลี้ยงในอาหารเลี้ยงเชื้อรวมถึง เซลล์ โปรคาริโอตเช่นแบคทีเรีย เซลล์ ยูคาริโอตอย่างง่ายเช่น พืชเซลล์เดียว และเซลล์ยูคาริโอตขั้นสูงที่ได้จากสิ่งมีชีวิต เช่นหนูโดยการฉายรังสีเซลล์เป็นกลุ่มๆ ด้วยปริมาณและชนิดของรังสีที่แตกต่างกัน จะสามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณรังสีกับสัดส่วนของเซลล์ที่ตายได้ จากนั้นจึงใช้ความสัมพันธ์นี้เพื่อหาปริมาณรังสีที่สอดคล้องกับอัตราการรอดชีวิตที่เท่ากัน อัตราส่วนของปริมาณรังสีเหล่านี้คือค่า RBE ของRแทนที่จะพิจารณาการตาย จุดสิ้นสุดอาจเป็นสัดส่วนของเซลล์ที่ไม่สามารถแบ่งตัวแบบไมโทซิส (หรือสำหรับแบคทีเรีย การแบ่ง ตัวแบบไบนารีฟิชชัน ) ได้อีกต่อไป จึงทำให้เซลล์นั้นปลอดเชื้ออย่างมีประสิทธิภาพ แม้ว่าเซลล์เหล่านั้นจะยังคงสามารถทำหน้าที่อื่นๆ ของเซลล์ได้ก็ตาม

รังสีไอออนไนซ์ ประเภทRที่นำมาพิจารณามากที่สุดในการประเมินค่า RBE ได้แก่รังสีเอ็กซ์และรังสีแกมมา (ซึ่งทั้งสองชนิดประกอบด้วยโฟตอน ) รังสีอัลฟา ( นิวเคลียสของฮีเลียม-4 ) รังสีเบตา ( อิเล็กตรอนและโพซิตรอน ) รังสีนิวตรอนและนิวเคลียส หนัก รวมถึงชิ้นส่วนจากการแตกตัวของนิวเคลียสสำหรับรังสีบางชนิด ค่า RBE จะขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาคแต่ละชนิดอย่างมาก

ในระยะแรกพบว่ารังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา และรังสีเบตา มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากันสำหรับเซลล์ทุกประเภท ดังนั้น รังสีประเภทX มาตรฐาน โดยทั่วไปจึงเป็นลำแสงเอ็กซ์ที่มีโฟตอน 250  keVหรือ รังสีแกมมา จากโคบอลต์-60ส่งผลให้ประสิทธิภาพทางชีวภาพสัมพัทธ์ของรังสีเบตาและโฟตอนมีค่าประมาณ 1

สำหรับรังสีประเภทอื่น ๆ ค่า RBE ไม่ใช่ปริมาณทางกายภาพที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน เนื่องจากค่า RBE จะแตกต่างกันไปบ้างตามประเภทของเนื้อเยื่อและตำแหน่งที่แน่นอนของการดูดซับภายในเซลล์ ตัวอย่างเช่น ค่า RBE สำหรับรังสีอัลฟาคือ 2–3 เมื่อวัดในแบคทีเรีย 4–6 สำหรับเซลล์ยูคาริโอต แบบง่าย และ 6–8 สำหรับเซลล์ยูคาริโอตแบบสูง ตามแหล่งข้อมูลหนึ่ง ค่า RBE อาจสูงกว่ามาก (6500 โดยใช้รังสีเอ็กซ์เป็นตัวอ้างอิง) ในเซลล์ไข่^{[ 3 ]}ค่า RBE ของนิวตรอนคือ 4–6 สำหรับแบคทีเรีย 8–12 สำหรับเซลล์ยูคาริโอตแบบง่าย และ 12–16 สำหรับเซลล์ยูคาริโอตแบบสูง

ในการทดลองช่วงแรก แหล่งกำเนิดรังสีทั้งหมดอยู่ภายนอกเซลล์ที่ได้รับรังสี อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอนุภาคอัลฟาไม่สามารถทะลุผ่านชั้นนอกสุดของผิวหนังมนุษย์ที่ตายแล้วได้ อนุภาคอัลฟาจึงสามารถสร้างความเสียหายอย่างมีนัยสำคัญได้ก็ต่อเมื่อมาจากการสลายตัวของอะตอมภายในร่างกายเท่านั้น เนื่องจากระยะการเดินทางของอนุภาคอัลฟาโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์ยูคาริโอตหนึ่งเซลล์ ตำแหน่งที่แน่นอนของอะตอมที่ปล่อยรังสีในเซลล์เนื้อเยื่อจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ด้วยเหตุนี้ จึงมีการเสนอแนะว่าผลกระทบต่อสุขภาพจากการปนเปื้อนของตัวปล่อยอัลฟาอาจถูกประเมินต่ำเกินไปอย่างมาก^{[ 4 ]} การวัด RBE ด้วยแหล่งกำเนิดภายนอกยังละเลยการแตกตัวเป็นไอออนที่เกิดจากการกระเด็นของนิวเคลียสแม่เนื่องจากการสลายตัวของอัลฟา ในขณะที่การกระเด็นของนิวเคลียสแม่ของอะตอมที่สลายตัวโดยทั่วไปจะมีพลังงานเพียงประมาณ 2% ของพลังงานของอนุภาคอัลฟาที่ปล่อยออกมาจากอะตอมที่สลายตัว แต่ระยะของมันสั้นมาก (ประมาณ 2–3 อังสตรอม) เนื่องจากประจุไฟฟ้า สูง และมวล สูง นิวเคลียสแม่จำเป็นต้องกระเด็นเมื่อมีการปล่อยอนุภาคอัลฟาด้วยพลังงานจลน์ที่แน่นอนเนื่องจากการอนุรักษ์โมเมนตัมดังนั้นพลังงานการแตกตัวเป็นไอออนทั้งหมดจากนิวเคลียสที่กระเด็นจะถูกสะสมในปริมาตรที่เล็กมากใกล้กับตำแหน่งเดิม โดยทั่วไปในนิวเคลียสของเซลล์บนโครโมโซม ซึ่งมีความสัมพันธ์กับโลหะหนัก^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}การศึกษาส่วนใหญ่ที่ใช้แหล่งกำเนิดที่อยู่นอกเซลล์ให้ผลลัพธ์ RBE ระหว่าง 10 ถึง 20 ^{[ 8 ]} เนื่องจากความเสียหายจากการแตกตัวเป็นไอออนส่วนใหญ่จากการเคลื่อนที่ของอนุภาคอัลฟาจะสะสมอยู่ในไซโตพลาสซึม ในขณะที่ความเสียหายจากการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสที่กระเด็นออกมาจะอยู่ที่ DNA เอง จึงเป็นไปได้ว่านิวเคลียสที่กระเด็นออกมาจะก่อให้เกิดความเสียหายมากกว่าอนุภาคอัลฟาเอง

ในปี ค.ศ. 1931 Failla และ Henshaw ได้รายงานเกี่ยวกับการหาค่าประสิทธิผลทางชีวภาพสัมพัทธ์ (RBE) ของรังสีเอกซ์และรังสีแกมมา ซึ่งดูเหมือนจะเป็นการใช้คำว่า 'RBE' เป็นครั้งแรก ผู้เขียนตั้งข้อสังเกตว่า RBE ขึ้นอยู่กับระบบการทดลองที่กำลังศึกษา ต่อมาไม่นาน Zirkle และคณะ (1952) ชี้ให้เห็นว่าประสิทธิผลทางชีวภาพขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของพลังงานที่ส่งผ่านและความหนาแน่นของการแตกตัวเป็นไอออนต่อหน่วยความยาวของอนุภาคที่ทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออน Zirkle และคณะได้บัญญัติศัพท์คำว่า 'การถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้น (LET)' เพื่อใช้ในรังสีชีววิทยาสำหรับกำลังการหยุดยั้ง กล่าวคือ การสูญเสียพลังงานต่อหน่วยความยาวของอนุภาคที่มีประจุ แนวคิดนี้ได้รับการแนะนำในช่วงทศวรรษ ค.ศ. 1950 ในช่วงเวลาที่การใช้งานอาวุธนิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กระตุ้นการวิจัยเกี่ยวกับผลกระทบทางชีวภาพของกัมมันตภาพรังสีเทียม มีการสังเกตว่าผลกระทบเหล่านั้นขึ้นอยู่กับทั้งชนิดและสเปกตรัมพลังงานของรังสี และชนิดของเนื้อเยื่อที่มีชีวิต การทดลองอย่างเป็นระบบครั้งแรกเพื่อกำหนดค่า RBE นั้นดำเนินการในทศวรรษนั้น

• รังสีพื้นหลัง
• การถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้น (LET)
• ทฤษฎีการแผ่รังสีคู่

• ประสิทธิผลทางชีวภาพเชิงสัมพัทธ์ในการรักษาด้วยลำแสงไอออน