[物理] KERMA 概念細解

 

因為考完專科考試, 且順利通過, 短時間內應該不會再碰醫學物理的東西了, 因此寫篇網誌作為這段時間努力的一個註解!

想解這一題, 首先要先知道KERMA的定義

$KERMA = \dfrac{dEtr}{dm}$

物理意義為單位質量內, 光子轉換給帶電粒子的總能量, 又

$ \dfrac{dEtr}{dm} = \dfrac{\mu_{tr}*E*dN}{dm} $

其中光子能量都固定, 我們這裡先用E來代替光子能量, N為dm內的光子總數

$  \dfrac{\mu_{tr}*E*dN}{dm}=  \dfrac{\mu_{tr}*E*dN}{\rho*l^{2}*dx}$

其中$l^{2}$ 代表光子的截面積大小, $\rho$代表物質密度,又

$  \dfrac{dN}{\rho*l^{2}*dx}$ 即為光子的質量衰減係數去乘上單位截面積內有多少光子

(recall: $dN = -\mu*N*dx$
所以$  \dfrac{dN}{\rho*l^{2}*dx} =  \dfrac{-\mu*N}{\rho*l^{2}}$
正負號可以省略)

$ \mu_{tr}*E$ 一顆光子可以轉移多少能量

所以題目算法為

單顆光子轉移能量

$7.32MeV = 7.32 * 10^{6} * 1.6*10^{-19} J = 1.17*10^{-12}J$

乘上單位截面積有多少光子

$1.17*10^{-12}J * 10^{15}m^{-2} = 1.17 * 10^{3} = 1170J*m^{-2}$

質量衰減係數也換成MKS制

$0.022cm^{2}/g = 0.0022m^{2}/kg$

所以答案為$1170Jm^{-2} * 0.0022m^{2}/kg = 2.574 Gy$

物理直觀想法:

單位截面積光子數乘上衰減係數表示多少光子被衰減, 再乘以轉移能量即為所求!

ref. Khan physics of radiation therapy 6th edition

ref. fundamental of ionizing radiation dosimetry

[radiobiology] model tumor system

在radiobiology for the radiologist 8th 裡面, 第21章是一個重要的章節, 以下就來整理一下.

Model tumor system 共有以下午五種方法: 

1.  Tumor growth measurements
2.  Tumor cure (TCD50) assay
3.  Tumor cell survival determined in vivo by the dilution assay technique
4.  Tumor cell survival assayed by the lung colony assays
5.  Tumor cell survival using in vivo treatment followed by in vitro assay

[腦瘤] glioma 相關整理

在2021年, WHO 針對CNS腫瘤發表新的分期, 其中成人的glioma被分成以下幾種

Adult-type diffuse gliomas
  Astrocytoma, IDH-mutant
  Oligodendroglioma, IDH-mutant, and 1p/19q-codeleted
  Glioblastoma, IDH-wildtype

Circumscribed astrocytic gliomas

  Pilocytic astrocytoma

  High-grade astrocytoma with piloid features

  Pleomorphic xanthoastrocytoma

  Subependymal giant cell astrocytoma

  Chordoid glioma

  Astroblastoma, MN1-altered

Glioneuronal and neuronal tumors

  Ganglioglioma (分類裡面有很多種, 但是這邊只列NCCN有提到的)

與此作對應, NCCN guideline 以及最新的2022 ASTRO guidelines 都做出相對應的調整, 以下就來細讀吧XD

ref. 

1. The 2021 WHO Classification of Tumors of the Central Nervous System: a summary. Neuro Oncol. 2021;23(8):1231-1251.

2. Halasz, Lia M., et al. "Radiation Therapy for IDH-Mutant Grade 2 and Grade 3 Diffuse Glioma: An ASTRO Clinical Practice Guideline." Practical Radiation Oncology (2022).

[radiobiology] repopulation 的三個機轉

在輻射生物學basic clinical radiobiology課本裡面, 第十二章有提到repopulation 的三個機轉, 至於提出這個概念的就是這本書的作者 WOLFGANG DORR

以下就來介紹這個重要的概念! 作者認為有以下三個機轉

1. Asymmetry loss:

radiation tolerance 是由兩個部份去做定義, 分別是照射時候的幹細胞數目, 以及幹細胞本身的輻射敏感度

幹細胞在一般情形下, 分裂會產生一個幹細胞以及 一個 differentiated cell, 因為分化出來的兩邊細胞不同, 因此被稱為asymmetrical division.

當組織接受照射時, 有些幹細胞每次分裂會產生兩個幹細胞, 因為不做asymmetrical division, 所以被稱為Asymmetry loss. 目的是為了補足被照射死亡的幹細胞

2. Acceleration of stem cell proliferation

實驗觀察到上述的機轉不足以完全解釋幹細胞的數量, 因此推測除了上述機轉外, 幹細胞也有加速分裂

3. Abortive divisions

除了幹細胞之外,組織內的其他細胞數量可以保持除了依靠Acceleration of stem cell proliferation 之外, 還有一個機轉就是被高劑量輻射sterilize 的細胞, 來可以進行有限次數的分裂, 因此可以維持組織內的總體細胞數量

ref.
1. Basic clinical radiobiology 5th edition
2. Dörr W. Three A's of repopulation during fractionated irradiation of squamous epithelia: Asymmetry loss, Acceleration of stem-cell divisions and Abortive divisions. Int J Radiat Biol. 1997;72(6):635-643.

[放射治療技術] 輻射醫療暴露品質保證標準 - RAL IC

 在輻射醫療暴露品質保證標準裡面, 後荷式近接治療設備的QA也是非常重要, 其標準如下

ref.

1. https://law.moj.gov.tw/LawClass/LawAll.aspx?pcode=J0160063

[輻射生物學] 化療藥物和氧氣的關係

雖然這個主題不能完全算是輻射生物學的主題, 但是輻射生物學裡面有提到, 算是重要的概念, 這裡來列表整理, 主要參考 radiobiology for the radiologist 

對含氧細胞效果比較好	對缺氧細胞效果比較好	跟氧氣狀態關係不大
Bleomycin	Mitomycin C	5-Fluorouracil
Procarbazine	Doxorubicin	Methotrexate
Streptonigrin	Metronidazole Tirapazamine	Cisplatin
Dactinomycin	5-Thio-D-glucose,  2-deoxy-D-glucose	BCNU, CCNU

ref. radiobiology for the radiologist 8th edition

以下是練習題, 取自111年第一次放射治療原理與技術學

ANS: A 

解: 參考上表!

[放射治療技術] 輻射醫療暴露品質保證標準 - 直線加速器

在臨床放射治療工作裡面, 確保機器給的劑量是正確的非常重要, 這方面台灣原子能委員會有訂定標準, 以下就來列出放射治療相關的輻射醫療暴露品質保證標準

首先是針對臨床上最常見的直線加速器(LINAC)

(三)平坦性：於假體內參考深度下輻射照野面積百分之八十內，最大劑 量（Dmax）和最小劑量（Dmin）之差與其和之百分比值。平坦性＝ 〔（Dmax－Dmin）／（Dmax＋Dmin）］× 100%。 

(四)對稱性：於假體內參考深度下輻射照野面積百分之八十範圍內，在 照野中心軸兩邊等距離內，分別取其劑量值差異最大 D1 及 D2 點之 劑量，兩點劑量之差與該兩點任一點劑量之百分比值。對稱性＝［（D1－D2）/D1 或 D2］× 100%。D1 或 D2 值取其差異較大者計算。

 (五)光照野與輻射照野之一致性：由準直系統（MLC 或 jaw）所形成的光 照野與輻射照野兩        者邊緣間之最大差異值。

    (六)輻射中心點：由準直系統（MLC 或 jaw）所形成的輻射照野，在放射治療機器旋轉臂、          準直儀與治療床旋轉中心軸交會所形成的輻射中心點。

    (七)十字交叉線：光照野內所顯示之十字交叉線。 

    (八)光學距離指示器：依光學原理製造之距離指示裝置。 

    (九)假體：供放射治療設備測量輻射劑量用之裝置，其材質必須接近人體軟體組織。 

    (十)輸出劑量：放射治療設備主射束所產生之輻射劑量。 

    (十一)穿透因子：在輻射照野內於射束中心軸上某一參考深度，於有遮擋裝置與無遮擋裝置  

    狀況下測得之劑量比值。 

    (十二)光子照野因子：任一光子射束於射束中心軸上某一參考深度，其射束照野與參考照野 

    之輸出劑量比值。 

    (十三)參考照野：測量放射治療機器輸出劑量所用之輻射照野。 

    (十四)參考深度：測量放射治療機器輸出劑量所用之輻射深度。 

    (十五)百分深度劑量比：在特定輻射源至假體表面處之距離條件下，假體內射束中心軸上任 

    一點劑量與軸上最大劑量之百分比值。 

    => 就是 PDD

    (十六)組織與假體比：在特定輻射源至測量點之距離條件下，假體內射束中心軸上任一點劑 

    量與軸上參考深度劑量之比值。 

    => 就是TPR, 這裡的組織是指假體, 因為是用假體來模擬組織

    (十七)組織與最大劑量比：在特定輻射源至最大劑量點之距離條件下， 假體內射束中心軸上  

    任一點劑量與軸上最大劑量之比值。 

    => 就是TMR, 這裡的組織是指假體, 因為是用假體來模擬組織

    (十八)照野指示器：照野指示器之誤差容許值為總照野長度或寬度的量測值與設定值之差  

    異。

    (十九)準直儀對稱性：準直儀對稱性之誤差容許值為各單側照野邊緣與中心軸距離的量測值

    與設定值之差異

   總結: 其實原能會的表格整理得非常好, 定義也非常明確, 剛好可以拿來複習Khan physics 相關 

   章節; 還有就是哪些是daily QA, monthly QA, Yearly QA 的項目要弄清楚!

ref.

1. https://law.moj.gov.tw/LawClass/LawAll.aspx?pcode=J0160063

[攝護腺癌] 近接治療相關整理

攝護腺癌近接治療(brachytherapy) 在台灣放射治療領域裡面不常被使用, 但是據筆者了解, 還是有醫院曾經或者目前還在進行這方面的治療, 由於這方面在基礎以及臨床上都有其重要性, 因此這邊來做個整理

使用時機

1. very low risk group: expected life expectancy > 20 years, NCCN 是建議active surveillance 為主, 但是還是可以考慮病人接受EBRT or Brachytherapy or 手術

2. low risk group: expected life expectancy > 10 years, NCCN 是建議active surveillance 為主, 但是還是可以考慮病人接受EBRT or Brachytherapy or 手術

3. favorable intermediate risk: 不管expected life expectancy 多少, 都可以考慮做Brachytherapy alone, 當然其他治療也是選項

4. unfavorable intermediate risk: 不管expected life expectancy 多少, 都可以考慮做EBRT + Brachytherapy +/- ADT(4-6momths), 當然其他治療也是選項

5. high or very high risk:  expected life expectancy > 5 years or 有症狀, 可以考慮做EBRT + Brachytherapy(1-3 years) +/- ADT(1-3 years), 當然其他治療也是選項

使用射源:

這裡依照NCCN guideline 建議, 列出使用射源以及劑量:

brachytherapy alone: 適用於very low risk, low risk 以及 favorable intermediate risk

LDR brachytherapy
I-125	145Gy
PD-103	125Gy
CS-131	115Gy
HDR brachytherapy
Ir-192	13.5 Gy x 2 implants 9.5 Gy BID x 2 implants

EBRT + brachytherapy: 適用於unfavorable intermediate risk, high risk 以及 very high

(EBRT: 45–50.4 Gy/25–28 fx or 37.5 Gy/15 fx)

LDR brachytherapy
I-125	110-115Gy
PD-103	90-100Gy
CS-131	85Gy
HDR brachytherapy
Ir-192	15 Gy x 1 Fx 10.75 Gy x 2Fx

相關臨床試驗

1. RTOG0232: 目前主要的結果發表在ASTRO2016(survival & toxicity)以及ASTRO2018(patient report outcome), 主要是想研究在clinical stage T1c-T2b and either Gleason Score (GS) 2-6/PSA 10-20 or GS 7/PSA <10 的 prostate cancer 病人, EBRT + brachytherapy versus brachytherapy, 結果發現5-year PFS (95% CI) was 85% (80, 89) for the EBT + B arm and 86% (81, 90) for the B arm (HR = 1.02, futility P = 0.0006 => 表示兩個arm差不多), acute toxicity 兩個arm 差不多, 但是 late toxicity>=G2 以及 late toxicity >= grade 3, EBRT + B 組明顯比較多; patient report outcome showed addition of EBT to B resulted in poorer urinary, bowel, and sexual PROs

=> 結論就是 favorable intermediate risk patient(收進來的病人大部分是FIR) => brachytherapy alone 就已經足夠, 不需要再加上EBRT

2. ASCEND-RT:

發表在 2016 跟 2017 的 red journal, 共收案 398 位男性, with a median age of 68 years; 69% (n=276) had high-risk disease. After stratification by risk group, the subjects were randomized to a standard arm with 12 months of androgen deprivation therapy, pelvic irradiation to 46 Gy, followed by a dose-escalated external beam radiation therapy (DE-EBRT) boost to 78 Gy, or an experimental arm that substituted a low-dose-rate prostate brachytherapy (LDR-PB) boost

結果發現The 5-, 7-, and 9-year Kaplan-Meier b-PFS estimates were 89%, 86%, and 83% for the LDR-PB boost versus 84%, 75%, and 62% for the DE-EBRT boost (log-rank P<.001). The LDR-PB boost benefited both intermediate- and high-risk patient; 副作用方面: The incidence of acute and late GU morbidity was higher after LDR-PB boost, and there was a nonsignificant trend for worse GI morbidity. No differences in the frequency of erectile dysfunction were observed.

結論就是Compared with 78 Gy EBRT, men randomized to the LDR-PB boost were twice as likely to be free of biochemical failure at a median follow-up of 6.5 years; 但是GU toxicity 比較高

ref.

1. NCCN  guideline

2. Khan's physics for radiotherapy

3. Essential of clinical radiation oncology

[胰臟癌] CONKO-007 trial

在最新的ASCO 2022 裡面, 關於不可切除胰臟癌(locally advanced pancreatic cancer)的治療又有新的結果, 就是所謂的CONKO-007 trial, 這裡藉由整理這篇筆記, 順便來複習一下胰臟癌的重點!

首先先來看下胰臟癌可否切除的分類, 這個在NCCN 裡面有一個整理得很好的表格, 這裡引用這個表格

可否切除	動脈	靜脈
可切除(Resectable)	腫瘤完全沒有碰到動脈 (CA, SMA, CHA)	1.腫瘤沒有接觸到SMV or PV2. ≤180° contact without vein contour irregularity
邊緣可切除(Borderline resectable)	Head/uncinate process: 1. 腫瘤有接觸到CHA但並沒有延伸到CA or hepatic artery bifurcation,可以安全完整的手術和重建 2. 腫瘤接觸到SMA ≤180°. 3. 腫瘤接觸到血管結構變異* Pancreatic body/tail: 1. 腫瘤接觸到CA ≤180°	1. 腫瘤接觸SMV or PV of >180°, contact of ≤180° with contour irregularity of the vein or thrombosis of the vein, 可以安全完整的手術和重建 2. 腫瘤接觸IVC
不可切除(Locally advanced)	Head/uncinate process: 1. 腫瘤接觸>180° SMA or CA. Pancreatic body/tail: 1. 腫瘤接觸>180° SMA or CA. 2. 腫瘤接觸CA且主動脈侵犯	不能重建SMV/PV 因為腫瘤侵犯或者是阻塞(can be due to tumor or bland thrombus).

CONKO-007

為 phase III RCT, 收案條件為non-resectable pancreatic cancer, 病人接受 induction chemotherapy (IC) for 3 months (3 cycles gemcitabine (Gem, 1000 mg/m2 d1, 8, 15, q4w) or FOLFIRINOX (6 cycles, q2w)).  在接受誘導性化療後, 如果沒有progression 的話, 分成兩組, CT for another 3 months or receiving CRT (cumulative dose of 50.4Gy, single dose 1.8Gy + Gem 300 mg/m2 weekly, followed by 1 cycle of Gem 1000 mg/m2 at d1, 8, 15). 

Primary endpoint 是 overall survival. 

結果為 Median progression-free survival (PFS) (HR 0.919, 95% CI 0.702-1.203, p=0.540) and OS (HR 0.964, 95% CI 0.760-1.225, p=0.766) did not differ significantly in both arms, whereas the PFS rate tended to be higher in the CRT arm after 2 years. 

OS rates for CRM- R0 surgery with 87.5. ± 0.05% (1y) and 67.2 ± 0.05% (2y) were significantly higher (p<0.01) than for CRM+ R0 surgery with 66.7 ± 0.15% (1y) and 41.2 ± 0.1% (2y) as well as for patients without or incomplete surgery with 68.5 ± 0.03% (1y) and 26.4 ± 0.03% (2y)

結論就是在打完ICT後的胰臟癌病人, 如果沒有progression的話, 之後做CT or CRT 在 OS 跟 PFS 上沒有差別. CRT 可以增加 R0 CRM - resection and pCR rate without significant change in R0 resection rate. Pts with R0 CRM - resections had a better prognosis compared to patients with either R0 CRM+ or incomplete or without surgery. 

LAP07

關於這個主題在之前有一篇類似的study, 就是LAP07, 也是相當有名, 以下就來細讀, 其發表於2016年的 JAMA. 

實驗設計為phase III RCT, 共收案449個 locally advanced pancreatic cancer病人, 隨機分派分兩階段做:

第一階段, 223 patients 接受 1000 mg/m2 weekly of gemcitabine alone, 219 patients 接受 1000 mg/m2 of gemcitabine plus 100 mg/d of erlotinib.

第二階段, 如果打完化療後四個月還是progression-free, 136 patients 接受 2 months of the same chemotherapy, 133 去做 chemoradiotherapy (54 Gy plus capecitabine).

primary outcome: overall survival from the date of the first randomization. 

Secondary outcomes: the effect of erlotinib and quality assurance of radiotherapy on overall survival, progression-free survival of gemcitabine-erlotinib and erlotinib maintenance with gemcitabine alone at the second randomization, and toxic effects.

結果為: 

With a median follow-up of 36.7 months, 

Median OS: chemotherapy at 16.5 months (95% CI, 14.5-18.5 months) and CRT at 15.2 months (95% CI, 13.9-17.3 months; hazard ratio [HR], 1.03; 95% CI, 0.79-1.34; P = .83). 

Median OS:  223 patients receiving gemcitabine was 13.6 months (95% CI, 12.3-15.3 months) and was 11.9 months (95% CI, 10.4-13.5 months) for the 219 patients receiving gemcitabine plus erlotinib (HR, 1.19; 95% CI, 0.97-1.45; P = .09; 188 deaths vs 191 deaths). 

CRT was associated with decreased local progression (32% vs 46%, P = .03) and no increase in grade 3 to 4 toxicity, except for nausea.

結論就是ICT 使用gemcitabine 或者是 gemcitabine plus erlotinib 對OS 沒有差別; CRT 或者是 CT alone 對OS 也沒有差別; 不過CRT 可以降低local progression (32% vs 46%, P = .03)

ref. 
1. NCCN
2. CONKO-007
3. LAP07

[鼻咽癌] 顱底孔洞整理

在鼻咽癌的治療裡面, 顱底孔洞的位置非常重要, 以下參考PEREZ 做個整理

Foramen/Fissure	腦神經(第幾對)	其他結構
Cribriform plate	嗅神經(I)	Anterior ethmoidal nerve
Optic foramen	視神經(II)	Ophthalmic artery
Superior orbital fissure	動眼神經(III), 滑車神經 (IV), 三叉神經眼分枝(V1), 外旋神經(VI)	Ophthalmic vein, orbital branch of middle meningeal and recurrent branch of lacrimal arteries, sympathetic plexus, filaments from carotid plexus
Foramen rotundum	三叉神經maxillary分枝(V2)
Foramen ovale	三叉神經mandibular分枝(V3)	Accessory meningeal artery, lesser superficial petrosal nerve
Foramen lacerum		Internal carotid, sympathetic carotid plexus, vidian nerve, meningeal branch of ascending pharyngeal artery, emissary vein
Foramen spinosum	Recurrent branch of V3 nerve	Middle meningeal artery and vein
Stylomastoid foramen	顏面神經(VII)
Internal acoustic meatus	聽神經(VIII)	Internal auditory artery
Jugular foramen	舌咽神經(IX), 迷走神經(X), 副神經(XI)	Inferior petrosal sinus, transverse sinus, meningeal branches from occipital and ascending pharyngeal arteries
Hypoglossal canal	舌下神經(XII)	Meningeal branch of ascending pharyngeal artery
Foramen magnum		Spinal cord, spinal accessory nerve, vertebral vessels, anterior and posterior spinal vessels

ref. Perez 7th

[肺癌] 小細胞肺癌新的劑量選擇 (CALGB 30610)

小細胞肺癌目前NCCN guideline 的標準做法是45Gy/30Fr/BID, 一直有人想要挑戰這個標準劑量, 不過目前比較強烈的證據應該是由Convert trial 提供的, 不過一天做兩次治療在臨床上實在有其困難, 因此又有新的trial 來挑戰標準劑量, 也就是所謂的CALGB 30610/RTOG0538臨床試驗

其收案條件為Limited stage SCLC, ECOG performance status (PS) 0-2 以及排除有對側 hilar or supraclavicular LN 侵犯. 

第一階段總共分成三組

45 Gy BID over 3 weeks
70 Gy QD over 7 weeks
61.2 Gy concomitant boost (CB) over 5 weeks:  QD (1.8 Gy/fx), starting on day 1 of Cycle 1 or 2, every day, for 16 days of treatment; then BID (1.8 Gy/fx) for 9 days of treatment

第二階段因為61.2 Gy concomitant boost (CB) over 5 weeks 的毒性太高, 所以只有45Gy 以及 70Gy 兩組進入第二階段

病人會在接受1-2 cycle 的化療後開始做胸部放療, 其primary endpoint 為 overall survival

目前於ASCO2021有發表初步結果, 其收案中位數年齡為63歲, 在median follow-up 2.84年後, QD 相比BID 在OS 並沒有顯著差別(HR 0.94, 95% CI: 0.76-1.2, p = 0.9). Median, 2- and 4-year OS for QD were 30.5 months (95% CI: 24.4-39.6), 56% (95% CI: 0.51-0.62), and 39% (95% CI: 0.33-0.45), and for BID 28.7 months (95% CI: 26.2-35.5), 59% (95% CI: 0.53-0.65), and 35% (95% CI: 0.29-0.42). 

QD 在PFS 相比 BID 也沒有顯著差別 (HR 0.96, 95% CI: 0.78-1.18, p = 0.94). 

副作用在兩組差不多

=> 結論就是 70 Gy 雖然OS 和 45Gy 差不多, 但是應該可以當作支持70Gy QD 在臨床上使用的證據!

這個trial 於 ASCO 2022 有發表生活品質的研究, 用問卷去針對病人做調查, 結果發現 70Gy 組的病人覺得生活品質比較好

ref.

ASCO 2021

ASCO 2022

[醫學物理] 趣題細解

 如題, 仿照輻射生物學, 來解一些有趣的題目

108-1 放射物理學 第4題

這題其實就是考Khan 2-7 的小概念, 就是當原子經過核轉換,處於激發態的時候, 有兩種方式去除多餘能量, 這兩種方式互相競爭, 就是 gamma ray 跟內轉換, 因此內轉換比率為 5.5%-3.3%=2.2%

108-1 放射物理學 第26 題

26.如果有⼀個元素的K、L、M層電⼦的結合能分別是532 eV、23.7 eV、7.1 eV，假設K層有空洞可以替補，則依照定義奧杰電⼦（Auger electron）在KLL釋放出來的能量是多少eV？
A.484.6
B.501.2
C.517.8
D.508.3

解: 這題也是在考內轉換的概念, Auger electron 的能量會是兩個能階之差再去扣掉Auger electron 本來的能階 => 所以KLL => 532 eV- 23.7 eV - 23.7 eV = 484.6eV

108-1 放射物理學 第63 題

63.若20 Gy的加馬輻射照射劑量，將使50%的男性在5年內發生永久不孕，而每次游離需34 eV，且每次游離會有9個其他原子被激發，睪丸組織每公斤含有9.5×10^25個原子的條件下，睪丸組織直接受影響的原子比例為多少？

A.1×10^-6
B.4×10^-6
C.1×10^-7
D.4×10^-7

答案: D

這題其實就是一次串所有的觀念, 吸收劑量為20Gy, 每次游離需34 eV

1 Gy 就是每公斤吸收 1 J, 20Gy 代表每公斤吸收 20 J, 每公斤游離的原子數目會是

[20 Gy/ (34*1.6*10^-19)]*10, 之所以乘以十是因為每次游離會有9個其他原子被激發

所以總共被影響的原子比例為 [20 Gy/ (34*1.6*10^-19)]*10/(9.5×10^25) = 3.86*10^-7, 選D

[radiobiology] 趣題細解

最近在準備專科醫師考試, 拿些國考題來練習, 有些題目還蠻有趣的, 在這裡做個紀錄

108-1 放射治療原理與技術學 第1題

答案: C

C => 酵母菌主要使用同源重組修復(HRR) => 考過 N 次 => 重要!

108-1 放射治療原理與技術學 第9題
相對於250 kVp X-ray而言，有關相對生物效應（RBE）的敘述，下列何者正確？ 
A.使⽤中⼦射線時，劑量分次照射後所造成的RBE比單次照射的RBE來的低
B.使⽤低LET射線（< 10 keV/μm）照射細胞時，缺氧細胞的RBE比有氧細胞的RBE來的高
C.經X-ray照射後，⽣存曲線肩型較⼩的細胞，其對中子的RBE大於肩型較大的細胞
D.與不同種類細胞本⾝的輻射敏感度無關 
答案: B

細解: 這題觀念考得非常多, 以下來看看各選項
A. 中子射線為 high LET 射線, X-ray 為 low LET 射線, 分次治療時, low LET 射線的存活曲線會是低劑量區的曲線一直疊上去, 在log 尺度下, high LET 射線會是一直線, 因此單次照射會是直線比上高劑量區, 相比之下值就會比較大 => 可參考 radiobiology for the radiologist Fig 7-3
B. 這個選項其實有點語意不詳, 依照課本Fig 7.8, X-ray 的LET 應為1.3 keV/μm, 假設題目裡的低LET射線（< 10 keV/μm）比X-ray 的 LET 大, 則因為LET 上升 , OER下降, 又缺氧細胞的RBE 會是相通生物效應下, 缺氧時的Xray 劑量去比上低LET射線劑量, 當變成含氧細胞時, 就等於是缺氧時的RBE去除上Xray 的 OER, 再去乘以低LET射線的OER; 又LET 上升, OER下降, 所以缺氧細胞的RBE比有氧細胞的RBE來的高
C. 肩型較小 => 表示是early responding tissue => x-ray 需要的劑量較低
     肩型較大 => 表示是late responding tissue => x-ray 需要的劑量較高
     又中子較不受輻射敏感度影響, 因此肩形較小的細胞RBE 較低 (這裡題目  
     定義有點模糊, 應該是想看低劑量區的RBE)
D. 跟輻射敏感度有關 

[醫學物理] 游離輻射和物質的作用

游離輻射和物質的作用在 Khan's physics 裡面是列在第五章, 也是非常重要的理論章節, 這邊就來整理一下

光子束(photon beam)

針對光子束, 會有以下幾個參數去做描述

通量(fluence): 定義為單位截面積通過的光子數量, 數學式表示為$\Phi = \dfrac{dN}{da}$

通量率(fluence rate): 通量除以時間,  數學式表示為$\phi = \dfrac{d\Phi}{dt}$

能通量(energy fluence): 定義為進入由截面積da 假想的球體內, 所有的光子能量之和, 再去除以da,

數學式表示為$\Psi = \dfrac{dE_{fl}}{da}$

能通量率(energy fluence rate): $\psi = \dfrac{d\Psi}{dt}$

光子束衰減

公式寫為$I(x) = I_{0}*e^{-\mu*x}$,

其中 $x$ 為經過的物質厚度, $\mu$為線性衰減係數(linear attenuation coefficient), 每個物質不同, $I(x)$ 為光子的intensity, 意指為光子的數量

HVL(half value layer): 半質層, 意指為把intensity 降成一半所需要的物質厚度, 套上面公式

$x = \dfrac{ln2}{\mu}$, 大約是 $x = \dfrac{0.693}{\mu}$

各種係數

$\mu$為線性衰減係數

$\frac{\mu}{\rho}$ 為質量衰減係數(mass attenuation coefficient), 為線性衰減係數在去除以密度, 因為每個物質密度不同, 因此在某些情況下會多考慮密度

$_{e}\mu = \dfrac{\mu}{\rho}*\dfrac{1}{N_{0}}$為電子衰減係數(electron attenuation coefficient), 其實就是質量衰減係數除以電子數, $N_{0}$為每公克的電子數目

$_{a}\mu = \dfrac{\mu}{\rho}*\dfrac{Z}{N_{0}}$為原子衰減係數(atom attenuation coefficient), 其中Z為原子數

光子和物質的作用

光子跟物質會有以下五個作用

1. coherent scattering

又被稱為拉曼散射, 發現這個效應的物理學家(Baron Rayleigh)有得到諾貝爾獎(1904), 其實就是光子撞到軌道電子, 然後改變方向(小角度), 光子能量沒有改變, 通常發生在低能量光子跟高原子序(high Z)的物質

2. photoelectric effect

光電效應, 發現這個效應的就是大物理學家, 愛因斯坦, 也是得到諾貝爾獎(1921)

其原理為光子被原子吸收, 其能量轉換去游離軌道電子, 被游離出去的軌道電子被稱為光電子(photoelectron), 之後可能會發生兩種情形

(1) 高能階的電子掉入游離電子的電洞, 產生特性輻射
(2) 高能階的電子掉入游離電子的電洞, 其產生的能量, 被另外一顆電子接收 進而游離, 產生的電子叫做Auger electron

發生機率跟 $Z^3/E^3$ 成正比

3. Compton effect

光子跟外層自由電子發生彈性碰撞, 光子被散射, 電子被游離出來, 也是得到諾貝爾獎(1927), 一般物理學的教材很喜歡探討光子波長的改變, 能量被電子分走, 波長上升, 然而在放射物理學裡, 在意的是能量, 因為了解散射後的能量以及角度, 對輻射屏蔽設計會有幫助!

公式推導利用相對論以及能量守恆跟動量守恆

這邊直接列出放射物理學課本提到的能量公式, 也是考試最喜歡考的部分

$E = h\nu_{0}\dfrac{\alpha(1-cos\phi)}{1+\alpha(1-cos\phi)}$

$h\nu' = h\nu_{0}\dfrac{1}{1+\alpha(1-cos\phi)}$

其中E 為電子能量

        $h\nu'$ 為散射光子能量

        $\phi$ 為光子偏轉角度

        $\alpha$ 為 $h\nu_{0}/m_{0}c^2$

        $m_{0}c^2$ 為電子的靜止質量去乘上光速的平方, 其值為0.511 MeV

考試喜歡考$\phi$ =180 or 90 or 0 度

$h\nu' = h\nu_{0}\dfrac{1}{1+\alpha(1-cos\phi)}$

從公式可以看出

$\phi$ =180度的時候,  也就是光子被回彈的時候, $cos\phi = -1$, 其光子能量為最小值, 意指為電子得到最大能量

$\phi$ = 0度的時候,  也就是光子繼續直線前進, $cos\phi = 1$, 其光子能量為最大值, 也就是完全沒有損失能量

$\phi$ = 90度的時候,  也就是光子90度散射, $cos\phi = 0$, 其光子能量可以用上面公式計算

4. pair production

當光子能量大於1.02MeV的時候, 光子有機會跟原子核的電磁場產生成對效應, 光子喪失所有能量, 變成一個正電子跟一個負電子, 因為一個電子的rest mass energy 是 0.51MeV, 所以一個正電子跟一個負電子需要1.02MeV,  因此一個正電子跟一個負電子的總動能就是光子能量減去1.02MeV

互毀輻射: 成對效應產生的正子會一直喪失能量, 當其接近靜止的時候, 其會跟電子結合, 產生兩個相反前進方向的光子, 其能量皆為0.51MeV

5. photodisintegration

光子跟原子核反應, 放出nucleons, 最常見的是放出中子

其threshold energy 為 10.86MeV, 台灣臨床常用能量6MeV, 10MeV 不太會有中子的問題, 但是國外由於病人身形較大, 有時候會使用更高能量的光線, 此時就需要考慮中子屏蔽的問題

帶電粒子和物質的作用

1. 重粒子

2. 電子

中子和物質的作用

ref.

1. Khan's physics 6th edition 
2. https://www.nist.gov/pml

[radiobiology] 化療的機轉

在輻射生物學的兩本課本裡面, 都有提到化療的機轉, 畢竟CCRT 在現今的癌症治療是主流, 因此放腫也要對化療有了解, 才能讓臨床上討論更順暢, 以下就參考兩本課本來針對化療做個整理!

總論

大部分化療藥物都是去影響DNA合成以及功能, 通常不會直接殺死癌細胞, 因此化療藥物的效果跟細胞週期很有關係, 一般來說, 生長越快的腫瘤對化療的反應越好

化療藥物可以依照是否會在特定的細胞週期分期特別有效, 分成cell cycle specific or cell cycle non-specific 

Alkylating agent

Antibiotics

Antimetabolites

Nucleoside Analogues

Vinca alkaloids

Taxanes

Hormone targeted therapies

Topoisomerase inhibitor

Targeted therapy

Immune checkpoint therapies 

references:

1. radiobiology for the radiologists
2. basic clinical radiobiology

[radiobiology] 輻射對胚胎以及胎兒的影響

輻射對胚胎(Embryo)以及胎兒(fetus)的影響, 在臨床放射治療工作裡也是個重要的議題, 雖然一般來說不會對孕婦去做放射治療, 不過這方面的議題還是值得去了解! 這方面的內容記錄在 radiobiology for the radiologists 的第12章

以下是人類的資料, 臨床上也可以用, 值得記憶

孕期2-3 周內: 大劑量的輻射(2.5Gy), 基本上不會造成出生的嬰兒有畸形, 不過有部分的胚胎會因此被吸收或者是消亡

孕期4-11周: 大部分的孩童會產生許多器官嚴重的畸形

孕期11-16周: 會產生眼睛, 骨骼, 生殖器官的畸形, 發育遲緩, 小頭症, 心智障礙

孕期16-25周:  會產生發育遲緩, 小頭症, 心智障礙

孕期30周後: 通常不會產生嚴重的結構異常, 但是會產生功能異常

References:

1. Radiobiology for the radiologists 8th edition

[radiobiology] Acute radiation syndrome

在漫長的人類歷史裡, 要一次暴露大量輻射線的機會非常少, 目前主要發生在核電廠事故以及原子彈爆炸, 如果一次暴露太大劑量的輻射, 就會引起所謂的急性輻射症候群(acute radiation syndrome)

不過在這裡的重點是一次暴露大量暴露大量輻射線, 眾所皆知, 歷史上知名的原爆之局, 橋本宇太郎以及岩本勳在本因坊戰第二局的時候, 原子彈在廣島落下, 棋盤被震飛, 不過兩位棋手以及裁判仍然堅持把棋下完, 這兩位棋手活到八九十歲, 因為距離輻射中心點有好幾公里的距離, 因此承受的輻射劑量並沒有引起急性輻射症候群!

Acute radiation syndrome

急性輻射症候群, 英文為acute radiation syndrome, 意指為全身器官受到輻射暴露, 可以分成四個階段

Prodromal syndrome -> Latent period -> Manifest disease -> Recovery of death

Prodromal syndrome

在照射後短時間就出現的症狀, 常見症狀如下表:

Neuromuscular	Gastrointestinal
50%左右的致死劑量會出現的症狀
容易疲倦	厭食
	噁心
	嘔吐
超過致死劑量會出現的症狀
發燒	立即性腹瀉
低血壓

The Cerebrovascular syndrome

全身照射100Gy 的 Gamma ray 或者是相等的neutron, 會導致24-48小時內死亡, 其主要的原因是

Cerebrovascular syndrome

The gastrointestinal syndrome

全身照射10Gy 的 Gamma ray 或者是相等的neutron, 會導致3-10天內死亡, 其主要的原因是

gastrointestinal syndrome

The Hematopoietic syndrome

2.5-5Gy 的照射如果導致病人死亡, 主要是因為Hematopoietic syndrome

治療

小於 4-5Gy => 建議密切觀察, 只做症狀治療即可(例如治療感染, 針對局部出血給新鮮血小板), 不建議預防性輸血, 因為會導致造血器官新生速度下降

大於5Gy => 避免感染, 出血以及創傷, 常規做法是骨髓移植以及給growth factors

以下拿題目來練習一下, 題目取自110-1 放射治療原理與技術學

解: 因為前驅症候群出現低血壓和發燒, 所以應該超過致死劑量 => 選D

References:

1. Radiobiology for the radiologists 8th edition

2. http://www.hiroshimapeacemedia.jp/?p=67160

[radiobiology] radiation sterility

在輻射生物學以及臨床放射治療裡面, radiation sterility 一直是一個重要的議題, 因為許多下腹部的放射治療會導致不孕, 因此在臨床放射治療設計上以及病情解釋上, 就需要特別重視這個議題!

Male	Female
自我更新系統(self-renewal system) Spermatogonia -> spermatocytes -> Spermatids -> spermatozoa	跟男性相反: 出生後三天內, 所有的細胞就會分化成Oocyte, 之後就不會細胞分裂
在照射跟不孕之間有潛伏期(latent time)	在照射跟不孕之間沒有潛伏期; 也沒有暫時不孕的情形
Oligospermia, reduced fertility: 0.15Gy	-
Azoospermia, temporary sterility: 0.5Gy	-
Recovery: dose dependent(1 yr after 2Gy)	-
永久性不孕 6Gy/1Fr; 2.5Gy, fractionated, 2-4wks	輻射可以導致永久卵巢衰竭 青春期前: 12Gy; 停經前: 2Gy
導致不孕並不會影響賀爾蒙平衡, 性慾以及身體機能	輻射導致不孕會造成類似自然停經的賀爾蒙改變

References:

1. Radiobiology for the radiologists 8th edition 

[放射治療技術] 穿透率比較

在放射治療裡面, 規範照野大小有好幾種方法, 其穿透率也會不同, 考試也愛考, 這邊來整理個小筆記

1. Cerrobend block: 最常用來做擋塊(custom block) 的物質, 其成分約為50.0% bismuth, 26.7% lead, 13.3 % tin, 10.0% cadmium => 之所以採用這種合金是因為其熔點低, 約70度C,方便臨床操作 (如果用純鉛塊的話, 其熔點約為327度C) 

2. independent jaw

3. Multileaf collimator (多葉式準直儀): 其相對Cerrobend block 的好處為可以自動調控照野, 其缺點為相對Cerrobend block, 其照野邊緣會有鋸齒狀出現, 較不平滑, 其physical pneumbra較大

穿透度比較:

Cerrobend block (3.5%) > MLC(interleaf <3%) > MLC (intraleaf <2%) > independent jaw (1%)

Reference:

1. Khan's physics for radiation therapy 6th edition

[放射治療技術學] Equivalent field 換算

放射物理裡面, 很多劑量計算的題目, 都會用不規則的照野來出題, 因此常常需要先把不規則照野轉成正方形照野進行後續計算, 雖然不難, 但是對解題真的太重要, 還是來寫個小筆記

一般來說認為同樣A/P ratio 的照野其劑量效應是相同的

A = 面積(area)

P  = 周長(perimeter) 

假設某一矩形照野其長寬分別為 a, b,

則 A/P = a*b/(2(a + b))

又提供的表通常都是正方形照野, 假設其邊長為c

其A/P = c/4

所以某一矩形照野其長寬分別為 a, b, 其對應的正方形照野, 其邊長就會是

2*a*b/(a+b)

[radiobiology] radiation induced cell death

在輻射生物學裡面, 細胞如何死亡是一個很重要的議題, 因為放射治療臨床專業就是在處理癌細胞死亡以及正常細胞死亡, 這個題目在Basic clinical radiobiology 裡面是第三章, 以下就來整理一下吧!

細胞死亡的機轉總共會有以下五個

Apoptosis

其分子路徑可以分成sensors 跟 effectors. Sensors 常見的包括caspase 8, 9; effectors 常見的是caspase 3. 

1. Extrinsic pathway:

由 caspase 8 啟動造成, 被稱為extrinsic pathway 是因為是藉由細胞外的ligand 跟 細胞膜上的 receptor 去做結合, 導致之後的apoptosis. 常見的有 TNF ligand -> TNF receptor; TRAIL ligand -> TRAIL receptor; FAS ligand -> FAS receptor.

值得注意的是這條路徑並不會單獨被輻射活化; 而是會被輻射結合藥物活化

2. Intrinsic pathway:

由 caspase 9 啟動造成, 被稱為intrinsic pathway, 是因為都在細胞內進行反應.  在正常情形下, anti-apoptotic factor (例如BCL-2), 會抑制 caspase 9. 但是當粒線體內部的cytochrome c 跟其他物質跑進細胞質的時候, 會形成所謂的apoptosome, 之後就會活化 caspase 9. 輻射照射後, p53活化跟BAX, PUMA 蛋白的出現, 也會導致apoptosis

Autophagy

Autophagy 中文翻譯為自噬作用,  意指為細胞消耗掉部分細胞質來產生能量.  雖然自噬作用機轉是看起來是為了細胞存活, 但是在放射照過的細胞, 會發現到自噬作用進而導致死亡的情形

Necrosis

Death by injury, 可以由 PIPK3 啟動

Senescence

意指為細胞永久失去分化能力

Mitotic catastrophe

aberrant mitosis -> 死亡

references:
1. Basic clinical radiobiology, ch3

[radiobiology] target theory

在輻射生物學裡面, target theory 是除了LQ model 外, 另外一個解釋細胞在經過輻射照射後存活情形的模型. 這個模型在輻射生物學的兩本教科書都有提到, 以下就來做個整理!

首先是target theory 主要是基於 Poisson statistics, 這裡簡單介紹一下

$P(n) = e^{-x}*x^{n}/n!$

其代表意義為發生機率的函數, e 為自然對數, x 為平均發生次數, n為發生特定次數的機率

single target single hit inactivation

假設每個細胞平均被打中一次, 請問有多少比例的細胞沒被打中, 其計算為

$P(0) = e^{-1}*1^{0}/0! = e^{-1} = 0.37$

所以可以把細胞變成原來數量的37% 的劑量就被稱為 $D_{0}$

$P(survival) = p(0 ~hits) = e^{-D/D_{0}}$

這邊的推導其實很直觀, 就是可以想像$D_{0}$ 劑量代表平均打中一次,  $D/D_{0}$ 就代表在D 劑量的時候平均打中幾次, 套進poisson statistics 的時候即為上面的公式!

multi-target single hit inactivation 

在哺乳類生物裡面, 會稍微複雜一些, 其模型要用multi-target single hit inactivation 來解釋, 其推導如下, 

特定一個target 沒被擊中的機率:

 $P(survival) = P(0 ~hits) = e^{-D/D_{0}}$

特定一個target被擊中的機率:

 $P(specific ~target~ was~ hit) = 1- e^{-D/D_{0}}$

全部target 都被擊中的機率

 $P(all ~target ~was ~hit) = (1- e^{-D/D_{0}})^{n}$

因為只要有一個target 沒被擊中即可存活, 所以存活機率為

 $P(survival) = 1- (1- e^{-D/D_{0}})^{n}$

這樣的存活曲線在作圖的時候, 會用log scale 作圖, 一開始會有個平緩的區域, 被稱作shoulder, 其大小可以用一個值$D_{q}$ 去做定義, 跟 $D_{0}$ 會有以下的關係式

$D_{q} = D_{0}*ln(n)$ 

其推導如下:

當 $D \to \infty$, $p(survival) = n*e^{-D/D_{0}}$

用這條線去回推到與 x 軸的交點, 其截距就定義為$D_{q}$, 此時存活機率為1

所以 $1 = n*e^{-D_{q}/D_{0}}$, 

故$D_{q} = D_{0}*ln(n)$ 

跟LQ model的比較

其實LQ model 廣義來看, 其實也是target 的概念, 不過裡面有兩種情形, 一種是一次打斷雙股, 另一種是一次打斷單股, 要打中兩次才算, 不過輻射生物的課本是把兩種情形分開看待!

下面來做個簡單的例題, 題目取自110-1 放射治療技術學

解: 題目敘述提到一次照射曲線跟兩次照射曲線, 水平間距為3.5Gy => 即為shoulder, 這樣就可以代公式求解

$3.5 = 1.35*ln(n)$ 

=> $ n = 13.4$

References:
1. https://ocw.mit.edu/courses/22-55j-principles-of-radiation-interactions-fall-2004/b199767b521a702ca615d6631fa9b215_cel_surv_curves.pdf

2. Radiobiology for the radiologists
3. Basic clinical radiobiology