[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

[放射治療技術] MU 計算

在放射治療裡面, 臨床上有一個非常重要的觀念, 就是 Monitor unit(MU)的計算, MU 的計算必須要把傳統劑量學的觀念都搞通, 因此整理這篇筆記等於一次讀完好幾個章節, CP 值非常高, 以下就來看我的整理吧! 這部份如果對應到AAPM, 就是AAPM TG-71 以及 AAPM TG-74

Monitor unit 

首先是何謂Monitor unit, 因為現行的直線加速器並不會在一開始就針對直接給到病人體內的劑量去做設定, 而是會利用一個monitor chamber 可以偵測到的輻射量去設定加速器, 這個值就被稱為monitor unit, 這樣做的好處是因為加速器給出的射束不是穩定的, 另外就是實際給到病人體內的劑量會受到beam energy, field size, 距離以及其他因素影響, 利用MU來做臨床監測是比較方便的做法!

MU 值計算

在臨床上最重要的就是要決定給多少MU, 這部分也是考試重點, 以下就從公式出發, 來詳細解釋Khan's physics 的內容.

首先要注意的是, SAD setup (Isocentric field) 跟 SSD setup (nonisocentric field)的公式是不一樣的, 這個在做題的時候需要非常注意!

SAD setup 的公式如下:

$MU = \dfrac{D}{D_{cal}*S_{c}(r_{c})*S_{p}(r_{d})*TPR(d, r_{d})*WF(d, r_{d},x) * TF * OAR(d, x)*(\frac{SCD}{SPD})^2}$

其實 SSD 公式是SAD 公式的特例, 就是把SSD = SAD 時候的特例

SSD setup 的公式如下:

$MU = \dfrac{D}{D_{cal}*S_{c}(r_{c})*S_{p}(r)*\frac{p}{100}(d, r, SSD)*WF(d, r_{d},x) * TF * OAR(d, x)*(\frac{SCD}{SSD+ t_{0}})^2}$

其中

$D$ 就是想給多少劑量

$D_{cal}$ 為參考環境下, 在參考點, 1MU 等於多少cGy, SAD setup 通常會設成1 MU = 1 cGy; SSD 則不一定

$Sc(r_{c})$: $r_{c}$ field size 下,  collimator 所造成的散射影響, 也就是所謂的collimator scatter factor 

=> 這裡的$r_{c}$ 是指collimator 在 SAD setup, isocenter深度時的field 大小, 如果不懂可以看下面的例題!

$Sp(r_{d})$ = 在參考深度$r_{d}$, field size 為 r 的時候, 在參考深度時的散射影響 ; 也就是所謂的Phantom scatter factor 

=> 仔細看裡面field size 是用參考深度d 去做定義 => 所以適用在SAD setup

$Sp(r)$:  表面 field size r, 在參考深度時的散射影響 ; 也就是所謂的Phantom scatter factor

=> 仔細看裡面field size 是用表面去做定義 => 所以適用在SSD setup

TPR: 就是Tissue phantom ratio, 意指為在某個深度的時候, 在組織和在假體內特定深度的劑量比值(需要source to point 距離相等), 如果假體內特定深度為假體內最大劑量的深度值的時候, 其比值特稱為Tissue-Maximum ratio(TMR)

p.s. 這裡的組織, 其實也是假體, 因為是用假體來模擬組織, 所以 TPR 是可以直接量測的!

WF(d,rd,x) = Wedge factor at depth d, field size rd, and off-axis distance x;

TF = Tray factor;

OAR(d,x) = Off-axis ratio at depth d and off-axis distance x;

SCD = Source to calibration point distance at which Dcal is specified;

SPD = Source to point of interest distance at which D is delivered;

$\frac{p}{100}(d, r, SSD)$: 在深度d, 表面 field size 為 r 的情形下, SSD已知的情況下的百分深度劑量 

$d_{0}$ = $d_{ref}$ for TPR and $PDD_{N}$;

$t_{0}$ = $d_{ref}$ of maximum dose for TMR and PDD.

其實從考試的角度, 把這兩個公式背起來就可以了, 但是我覺得沒有理解應該也不好背, 所以有時間的話下面還是來詳細說明觀念! 

Sc： Collimator scatter factor, 就是因為Collimator 開的大小，導致散射量改變, 開的越大, 散射越多,所以可以得知跟下面的phantom的情況如何沒有關係,我們是用isocenter那個點的field size來做定義

Sp: phantom scatter factor: 就是假體造成的散射,參考深度越深,散射越多,所以我們是用假體內的參考深度來做定義

TMR 和 PDD 有轉換公式, 所以可以從SAD 的公式推到 SSD 的版本

公式分母的平方向: 其實就是針對劑量做inverse square law的校正

至於為什麼在SAD setup 的時候傾向使用TMR, 是因為SAD setup 的時候, 每個field 的SAD 距離都是固定的, 因此不需要考慮inverse square law的問題, 計算起來比較方便; SSD setup 的時候, 可能會有距離不一樣的問題, 因此使用PDD會比較方便計算

下面來列個練習題練習一下(其實這兩題就是Khan 課本例題XD):

107-1 放射治療技術學 79題

某4 MV之直線加速器在最大劑量的參考深度1 cm處，SSD=100 cm，照野=10×10 cm2時，輸出劑量率為1cGy/MU。則在SSD=100 cm，照野=15×15 cm2之照射條件下，已知Sc(15×15)=1.020，Sp(15×15)=1.010，若治療深度處之PDD=64.7欲得到200 cGy之劑量，應該給予約多少MU？

套公式的話不難;

200cGy/(1.020*1.010*0.647**1*1*1*(101/101)^2) = 300cGy

107-1 放射治療技術學 80題

承上題，在SSD=120 cm， Sc(12.5×12.5)=1.010，PDD=66.7，欲得到200 cGy之劑量，應該給予約多少MU？

變化題, collimator 在isocenter 的field size 改變, 15*10/12= 12.5

有給Sc(12.5×12.5)=1.010, 這邊雖然collimator field size 改變, 但是phantom field size 並沒有改變, 所以還是套 Sp(15,15) = 1.010

200/(1.010*1.010*0.667*1*1*1*(101/121)^2) = 422cGy

其實還有真正的大魔王題型, 就是把上面的field size 改成不規則形狀, 下次遇到例題再放上來!

References:

1. Khan's physics of radiation therapy

2. The physics and technology of radiotherapy

3. AAPM TG-71 

4. AAPM TG-74

5. HiPHy rad onc: 
https://www.youtube.com/channel/UCqhfGkQOCGRhlkskR4wYphg