SIRT技术简介

05 Apr 2018 by Liangzhao

SIRT全称Selective internal radiation therapy,翻译过来可以乘坐选择性放射内照射,也有叫“transarterial radioembolization 简称TARE” 直译过来就是颈动脉放射性栓塞,还有叫intra-arterial microbrachytherapy 血管内微型近距离治疗。照名字,这至少是属于放射治疗的范畴。

Wiki上说,这项技术一般用于那些无法手术的患者,尤其是原发性肝癌或者肝转移,原理是通过一些微球(tiny microspheres),携带放射性材料进入肿瘤的供血动脉,这些微球不仅可以通过放射线治疗肿瘤,而且在物理上可以堵塞血管,起到类似于化学栓塞(chemoembolization, TACE)一样的效果。

肝脏有两条供血系统,肝动脉和门脉系统,健康的肝组织一般主要由门静脉供血,然而大多数肝脏恶性肿瘤通过肝动脉供血,因此,局部的治疗如SIER可以有选择性的阻塞肿瘤的供血通道,而不阻塞门静脉,从而保护正常肝组织不受到严重的副反应。不仅如此,原发性肝癌以及转移性肝癌的肿瘤供血血管非常丰富,比正常组织的供血量更大,这一优势可以让放射性粒子更容易聚集在肿瘤区域!SIRT可以作用于整个肝脏,也可以集中于某一个肝段,如果只有某肝叶有病变,可以先进行局部治疗。有一种局部治疗是给与一个或两个肝脏奎诺段很高的剂量,从而让肝叶局部坏死,一般通过导管置入。

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SIRT目前还是被看做一种挽救性治疗手段,在手术和化疗都无效的患者中显示了比较好的效果,目前也有一些临床试验在进行。 SIRT中的微球(放射性材料)一般选用Y90,也就是钇(yttrium),半衰期是2.6天,或者64.1个小时。SIRT所用到的微球是放射性材料制作的,通常有三种,其中有两种是用钇(yǐ)90,只是合成材料不同,一种是用玻璃(叫做TheraSphere),一种是用树脂材料(resin:树脂),叫做SIR球。第三种微球基于放射性核素钬([huǒ] 周期表第67号元素,符号 Ho)holmium-166,是用聚酯材料(poly)做的,这三种材料都是永久植入的,直到放射性完全衰变。玻璃微球已被FDA批准用于原发性肝癌(HCC),而树脂型微球目前被FDA批准用于结直肠转移癌症与化疗的联合治疗中。

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之前提到,Y90的半衰期是64小时,而H166合并beta射线和Gamma射线,半衰期是26.8小时,他们的组织穿透力都不大,在几个毫米左右。Y90可以在SPECT或者PET下成像,PET成像需要的正电子一部分就是来自于衰变(分歧比 Branching ratio ),与之相比,H166由于可以产生Gamma辐射,因此可以通过伽马照相机看到,除此之外,金属H钬作为一种顺磁性材料可以在衰变后在MRI中成像。 Y90的治疗需要基于断层图像和动脉造影图Arteriogram来做治疗计划。而且需要MR成像肝脏来观察肿瘤大小,还有门静脉的情况,肝外的情况,还需要做一些肝肾功能的检测,如果患者有不可逆的很高的血清胆红素,还有AST(谷草转氨酶)和ALT(谷丙转氨酶)很高,由于肝功能很差,也不能做。还需要做一个叫做MAA的东西,利用Technetium锝/dé/(99mTc)来检测肝肺通路,因为如果放射性颗粒由肝脏进入肺就麻烦了,可能会有放射性肺炎(radiation pneumonitis),如果发现肝外的血管,也需要阻塞,避免放射性粒子不会沉积到非肿瘤区域,进入胃肠道后会引起溃疡。

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通过导管插入血管中,导管的末端到达位置,就可以注入Y90或者H166了,保证流入后分布均匀,不要漏掉,记住Y90的平均穿透力约2.5mm,最高不会超过11mm,H-166最多也8.7mm,作为Y90治疗,在24小时内,可以做SPECT或者PET扫描,来评估分布情况,就像前面说的H166还可以拍MR。

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在被批准的微球栓塞治疗中,TheraSphere是其中一种,它专用于治疗原发性肝癌(Hepatocellular carcinoma, HCC),将数以百万计的微球(直径20-30微米)注入到肝脏的供血动脉,这些微球栓塞血管,并通过Y90释放放射线,而由于动脉末端毛细血管很细,所以微球不会进入静脉。每毫克中的TheraSphere有22000到73000个微球,Y90最终衰变为稳定的锆-90(zirconium-90),Y90释放的β射线平均能量为0.9367MeV。

TheraSphere的有效性还需要进一步研究确认,已经观察到一些副作用,而且在2016年FDA发布针对TheraSphere的设备召回。一项研究统计大约34%的患者对这个治疗有反应,平均肿瘤减少了50%,在Sirtex可以看到目前正在进行的全部临床研究列表。

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Sirtex是一家澳大利亚的公司,早在1997年就成立了,他们主要就是提供SIRT治疗,瓦里安在近年也试图收购它,主要看中亚洲尤其是中国巨大的市场,因为国内的肝癌病人量世界第一,他们的产品名叫做SIR-Spheres®

下面是针对这个产品的官网介绍:

SIR-Spheres® Y-90 resin microspheres are a medical device used in Selective Internal Radiation Therapy (SIRT) for liver tumours. SIR-Spheres Y-90 resin microspheres are a permanent implant and for single use only. The biocompatible resin microspheres containing yttrium-90 have a median diameter of 32.5 microns (range between 20 and 60 microns).

Yttrium-90 is a high-energy beta-emitting isotope with no primary gamma emission. The maximum energy of the beta particles is 2.27MeV with a mean of 0.93MeV. The maximum range of emissions in tissue is 11mm with a mean of 2.5mm. The half-life is 64.1 hours. Following administration, 94% of the radiation is delivered in 11 days.

These properties of the SIR-Spheres Y-90 resin microspheres mean that the microspheres lodge preferentially in the microvasculature surrounding the tumour, maximising tumoricidal effects and minimising the effects on healthy liver parenchym.

目前SIRT的两个主要适应症:

肝癌 原发性肝癌(HCC)在成人肝脏肿瘤中占90%,在全球范围内发病率排名中,肝癌排第六,死亡率排第三,每年近60万人诊断为肝癌,有接近65%是来自中国,主要原因是亚洲数量众多的乙肝和丙肝人群。

转移性结直肠癌 结直肠癌(CRC),也被称为结肠癌或大肠癌,每年新诊断病人160万,50%的结直肠癌患者会发生肝转移,就是这部分患者可以考虑使用SIRT。

(完)


关于4π技术

21 Mar 2018 by Liangzhao

借助UCLA教授Ke Sheng的一篇文章,总结一下目前(2018)4π技术在放射治疗计划中的应用。

4π还是延用了以往的基本思想,就是尽可能通过更多不同角度的射野来增加靶区剂量梯度和OAR的受量。我们目前常用的射野角度还是分布在一个平面上,是一个2π的环形轨迹,4π的轨迹显然在一个球形平面上,4π这个词来源于一个国际单位“球面度”,这个单位我们平时很少用,但它是标准的国际单位制导出单位,用于描述立体角,球面度之于立体角,就相当于赫兹之于频率的关系。

凡是球都有720的球面度,因此等于4π,因为一个球可以分为8个相等的三直角球面三角形,再把每个球面三角形分成90等分,每一等分就是等于1球面度。或者从另一个角度想,面积等于半径平方的球表面对球心的张角等于1球面度,由于球表面积为e1,所以球面有4π的球面度。

4π技术就是在以上的空间搜寻最佳的入射角度,非共面野有很多优势,但是为什么这么多年没有发展起来?主要有以下几个原因:

  • 一些研究对比了共面和非共面射野在“体部”肿瘤的应用,结果并不是都显示非共面野有剂量学优势;
  • 非共面射野治疗效率低,会引起部分技术员的排斥;
  • 最关键的问题是,在算法层面上还没有足够快速的射野角度优化算法,假设我们在1000个备选非共面野种挑选10个野,那么会有2种可能性,这是极其巨大的运算量;
  • 在实践中,完全避开所有OAR的射野角度是很少的,因此射野往往与OAR重叠,例如,我们如何权衡1cc的脊髓与4cc腮腺重叠两种射野情况孰重孰轻?

对于算法层面,目前有了一些进展,一种贪婪算法(Greedy Approach)利用数学最优化条件(KKT,Karush-Kuhn-Tucker)可以获得非线性优化问题的近似最优解,只要满足一定的正则化条件,而射野方向和通量图正好可以写成满足正则化条件的形式,基于预先计算好的Beamlets,这种运算量巨大的非共面优化问题首次得到解决,并在肺、肝、头颈部等区域显示了显著的剂量学优势。

还有一个需要考虑的问题,类似于VMAT,大量的射野虽然会减少高剂量区域带来的毒性,然而也会会造成低剂量区增加,那么累积剂量会增加吗?答案是否定的,这的确有点不合直觉,Nguyen等人的研究表明4π计划与常规的共面计划在累积剂量上是相似的,即使正常组织的剂量有所提高,对于控制肿瘤和降低急性反应的患者来说,是利远大于弊的。

当涉及到治疗实施,有又另一个问题,由于机架只有一个维度,要进行4π技术,就需要旋转床角,这带来碰撞的风险,因此会存在很多角度不能照射。一种解决方案是通过3D摄像机技术进行监测,以在计划设计时选择合适的角度。

现在的加速器是数字化平台,可自动切换射野并自动执行,会大大加速治疗的速度,现在很多中心在开发的动态治疗床旋转技术可以在机架旋转并出束过程中,加入治疗床的运动,这将进一步减少治疗时间。

HyperArc技术向4π治疗迈出了全新的一步,而基于机械臂的加速器系统(如CyberKnife)则可选择更多的射野角度。

计划计算时间仍然是一大障碍,虽然通过列生成(column generation)算法可以将优化时间缩短至数小时,但距离临床实践仍有一段距离,一类新的解决办法是组稀疏优化(Group Sparsity Optimization),可能会大大缩短优化时间,Beamlet的剂量计算问题也是一大挑战,减少优化与最终剂量之间的差异很重要,所以迫切需要更精确的剂量计算方法。幸运的是,剂量计算主要是并行任务,因此极为适合用GPU解决,很多研究者已经指出,通过GPU剂量计算的时间可缩短至数分钟。

值得指出的是,随着射野数量和小子野数量的增加,剂量误差更容易出现,因此小野Commissioning和剂量学非常重要,叶片端面和舌槽效应影响最终剂量的精确性,通过直接子野优化(Direct Aperture Optimization, DAO)可以在合理的计算时间内得到一个好的计划。

为提高优化结果的一致性,可以结合最近不断发展的经验知识计划(KBP, Knowledge based planning)技术,由于剂量最终分布和患者解剖结构的特征有相关性,可以利用这一点有望将4π计划完全自动化。

(完)


Banana Equivalent Dose

17 Mar 2018 by Liangzhao

放疗有一个概念叫做BED,生物效应剂量(Biological Effective Dose),指的是一个剂量处方所引起的生物学效应的大小,于是,医生可以利用这个概念,将不同物理处方方案进行转换。但是还有另一个BED,称之为Banana Equivalent dose,表示的是香蕉等效剂量,Wikipedia说用来描述非常小的剂量,以及随之而来的非常小的风险的情况。

主要的原因在于香蕉内含有的钾40具有放射性,钾40的半衰期是12.5亿年,150g的香蕉大约等于equation,或者equation。据统计每天吃一根香蕉,约等于1%的日常照射量(例如,众所周知,我们每天都会受到宇宙射线的辐射),或者说我们每天所受到的照射量约等于吃100根香蕉。一次胸部CT的剂量约等于70000根香蕉。一般来说,香蕉的剂量不是累积的,因为人体代谢平衡,人体中只保留一定量的钾40(所以可以说,人也是带有辐射性的)。所以任何从食物里吸收的多余钾40,都会排除体内,所以自然不必担心安全问题。

反而香蕉是一个简单而美味的水果。很喜欢。没有核,剥皮之后直接吃掉,不拖泥带水。它香气十足,内在丰富:富含果胶,这是一种纤维,有助于调节血糖。如果成熟过度,果胶的含量就会降低,所以可以多选择不熟透的香蕉,也有助于保存。另外一种纤维是淀粉。纤维可以促进肠胃蠕动,淀粉为大肠内的益生菌提供必要的营养物质。

香蕉富含铁元素,因此有助于贫血。其中的钾元素和维生素B有利于释放压力和焦虑,调节血压,丰富的色氨酸帮助身体合成血清素,血清素可以让人有愉悦感,使人微笑。矿物质和碳水化合物的含量较高,因此有助于减少肌肉酸痛,控制饮食。

一天一根香蕉是个很好的习惯。