椎体成形术联合125I粒子植入治疗脊椎转移癌的实验研究——骨水泥对粒子射线的影响

吴梅祥，陈翠玲，符乙敏，郭倞，尹知训，何二兴，陈 萍，白 波

对于颅内肿瘤、头颈部肿瘤和前列腺癌等实体肿瘤而言，125I粒子内放射治疗被认为是非常有效的手段。对于某些椎体转移癌，125I粒子植入联合经皮椎体成形术（percutaneous vertebroplasty，PVP）治疗在控制、延缓肿瘤病灶发展的同时，保证了患者脊柱的稳定性，近年来取得了满意的临床效果[1-2]。但是125I粒子衰变产生的γ射线是否会被包裹的骨水泥阻挡，其放疗效果是否受骨水泥影响？针对这一问题，我们设计多组125I粒子骨水泥包裹的实验模型，评估粒子植入骨水泥后表面放射活度的变化，分析骨水泥对125I粒子射线的影响，为PVP联合125I粒子植入治疗脊柱转移癌提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料和仪器

125I粒子购自北京智博生物技术有限公司，由标记碘核素的银丝源芯和医用钛合金管组成，其中钛合金管直径0.8 mm、长度（4.5±0.5）mm，银丝源芯由长3.2 mm、直径0.5 mm，附有125I核素的银棒构成。物理半衰期（Tl/2）：60.1 d；单粒子表面活度（出厂活度）：0.7 mCi；能量特征：27.4、31.4 和35.5 KeV；半价层：0.025 Bp。PVP穿刺工具包和骨水泥购自上海凯利泰公司，包括13 g穿刺针、套筒、推杆及聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）骨 水 泥（OSTEOPAL®V，Heraeus Meddical GmbH公司，德国）。CRC-15R放射核素活度检测仪（CAPINTEC公司，美国）分辨率为0.01 μCi，精确度（1～2）% ± 1%，重复性测量误差≤±0.5%。

1.2 实验方法

1.2.1 骨水泥包裹125I粒子圆柱体模型制作 选取内径为2.0 cm、1.0 cm的高分子聚乙烯管各一根，内径2.0 cm的截取高度为2.0 cm，内径1.0 cm的截取高度为1.0 cm，分别截取5段。其中高度和直径均为2.0 cm的圆柱体模型分入A组，高度和直径均为1.0 cm的分入B组，每组各5个模型。将上述模型逐个固定在操作台上，椎体成形穿刺针以机械臂固定，垂直置于管圈中央，深度为7.5 mm或2.5 mm（分别对应高度为2.0 cm和1.0 cm的管圈）。

调制骨水泥，将骨水泥填满管圈，待骨水泥呈拉丝后期，快速通过穿刺针套筒将粒子插入至骨水泥模型中央，拔出穿刺针套筒，待骨水泥发热硬化后，将骨水泥圆柱体从管圈中取出，模型制作完毕。

1.2.2 预实验 为初步了解骨水泥对125I粒子射线的影响，我们进行相关的预实验。将1、2、4、6、10枚粒子分别包裹于直径2.0 cm和1.0 cm的骨水泥圆柱模型中（共计10个模型），进行数据测量，结果见表1。当粒子数量增加到4枚时，直径2.0 cm、1.0 cm厚骨水泥包裹后均可测到模型表面放射活度，故在进行正式实验时选取4枚粒子分别被直径2.0 cm和1.0 cm厚骨水泥包裹的模式。

表1 不同数量125I粒子被骨水泥包裹前后表面放射活度测量结果（mCi）

1.2.3125I粒子骨水泥包裹前表面放射活度测量 40枚粒子预先随机装入4个弹夹中，每个弹夹10枚。将弹夹装配至植入枪中，每次向圆柱体模型内植入前弹射出4枚粒子，测量其表面放射总活度。具体测量方法是将要植入的4枚粒子放在小槽箱内，然后送入放射核素活度检测仪的圆筒探头内，主机设置为125I核素测量模式后开始测量。

1.2.4125I粒子骨水泥包裹后表面放射活度测量 制作骨水泥圆柱体模型时于其中央插入4枚粒子，模型制作完毕后，将10个实验模型标本逐个放入放射核素活度检测仪的圆筒探头内，进行骨水泥包裹后表面放射活度的检测，记录各组数据。

1.3 统计学方法

应用SPSS 16.0统计软件进行分析。所有计量资料应用正态分布检验，符合正态分布的计量数据以均数±标准差（±s）表示，两组比较采用两独立样本t检验，包裹前后比较采用配对t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

A组和B组125I粒子包裹前、包裹后表面放射活度见表2。两组包裹前表面放射活度相似（P＞0.05），骨水泥包裹后均有明显降低（P＜0.05），说明两组模型骨水泥对粒子射线均有阻挡作用。不同厚度骨水泥对125I粒子的阻挡效应不同，其中A组模型（直径2.0 cm）较B组（直径1.0 cm）表面放射活度下降得更快（P＜0.05），阻挡效应更明显。

表2 125I粒子被不同厚度骨水泥包裹前后表面活度测量结果（mCi）

3 讨论

椎体转移癌的治疗至今仍然是临床棘手的问题。随着肿瘤放疗技术的不断发展，CT引导下125I粒子植入近距离放射治疗在骨肿瘤领域的应用越来越广泛，疗效也较为确切[3-5]。但该技术无法解决脊柱的力学稳定性问题，后期易出现病椎压缩性骨折，引起疼痛、脊髓压迫等并发症[6-7]。近年来有学者在125I粒子内放射治疗的基础上联合PVP微创手术，既发挥了骨水泥稳定椎体的优势，又可近距离灭活肿瘤病灶，被认为是目前治疗脊柱转移癌的较好选择[8-9]。目前其治疗机制并不十分明确，布针剂量和空间排列、粒子与骨水泥之间的点位关系、疗效评价指标等问题亦未有效解决[10-11]，基础研究还不充分。本实验研究旨在评估125I粒子被骨水泥包裹后其表面放射活度的变化情况，分析骨水泥对粒子射线的阻挡效应，探讨其厚度对粒子表面放射活度的影响。

3.1 骨水泥对粒子射线的阻挡效应

125I粒子是一种用于近距离组织间植入的内放射治疗药物，剂量（活度）为0.1～6.0 mCi，其治疗原理是通过微型放射源发出的γ射线作用于肿瘤细胞核，致使细胞核的DNA单链和双链断裂，从而杀死肿瘤细胞或使肿瘤细胞失去繁殖能力。

作为一种低能量放射性核素，125I粒子穿透力较弱，容易被物质阻挡。其半衰期为60.1 d，主要释放的是平均光子能量为27.4～35.5 keV的γ射线，组织穿透距离为17 mm，对于铅的半价层厚度为0.025 mm。根据射线通过物质时减弱的规律，任何物质都可以阻挡射线，区别仅在于阻挡能力的不同。

我们在预实验中发现：单枚125I粒子（0.565/0.571 mCi）包裹于直径2.0 cm或1.0 cm的骨水泥模型中，粒子射线将被骨水泥完全屏蔽；当粒子数量增加到2枚时，直径2.0 cm的骨水泥模型仍可完全屏蔽粒子射线，而直径1.0 cm的骨水泥模型表面可测得0.014 mCi的放射活度，衰减率为98.80%，可见125I粒子被骨水泥完全包裹后，辐射剂量衰减达到防护衣阻挡的水平（0.18～0.25 mm铅当量含铅防护衣可屏蔽90%～99%的125I放射源辐射剂量）。

很显然，在PVP联合125I粒子治疗椎体转移癌的过程中，粒子被骨水泥完全包裹后，骨水泥团块表面根本无法达到治疗所需要的放射活度或放射剂量，基本可以认定粒子植入是无效的。谢小西等[12-13]在采用PVP联合125I粒子植入治疗颈椎及上胸椎转移瘤的临床研究中也指出，部分植入粒子受到后填充的骨水泥淹没，影响了125I粒子的内放疗作用，但该研究未对此影响做深入详细的描述。

3.2 骨水泥厚度对其阻挡效应的影响

125I粒子射线能量的衰减受时间、空间距离和屏蔽物等因素影响；而物质对放射性核辐射的阻挡能力主要取决于原子序数、物质密度和材料厚度3个方面，序数越高、密度越大、厚度越厚，对射线的阻挡力越强[14]。本实验结果显示，直径2.0 cm的A组模型包裹后表面放射活度明显低于直径1.0 cm的B组模型，也印证了随着骨水泥厚度的增加，其所产生的阻挡效应更加明显，对粒子射线治疗作用的影响也更大。有关这点，在预实验中也得到证实，2枚粒子被直径2.0 cm厚骨水泥完全屏蔽，而直径1.0 cm厚骨水泥包裹则未能完全屏蔽；单枚粒子为直径2.0 cm和1.0 cm骨水泥包裹后射线能被完全屏蔽。

3.3 骨水泥阻挡效应的解决方案

如何减少骨水泥对粒子射线的阻挡效应，尽可能发挥其内放疗作用，是我们需要思考的问题。我们在预实验中增加粒子植入的数量，将10枚粒子（总活度5.631 mCi）包裹于直径1.0 cm的骨水泥圆柱体中央，测得表面放射活度为0.275 mCi，这一结果即使与单枚粒子（0.571 mCi）相比，也相差甚远。可见通过增加粒子植入的数量来减低骨水泥对射线的阻挡效应似乎意义不大。但在骨水泥网状弥散、粒子未被完全包裹的情况下，适当增加粒子的植入数量不失为一种解决方案，但还需要进一步深入研究。

通过改变粒子植入与骨水泥填充的位置关系来规避骨水泥对射线的阻挡，也是一种解决思路。将粒子植入与骨水泥填充的位置适当错开，令骨水泥填充于椎体的某个特定区域，发挥其固定支撑作用；而将粒子植入肿瘤区或骨水泥表面，发挥其对肿瘤组织的持续照射治疗效应。术前可根据肿瘤病灶位置，预先计划好骨水泥填充区域以及粒子植入的位置和数量，以有效降低骨水泥对射线的阻挡效应。

为实现靶区精准骨水泥注射和粒子植入，往往需要同时建立多个穿刺通道，有学者在研究中佐证了此观点，并建议按照肿瘤破坏区域类型的不同，在椎体内不同区域对骨水泥和粒子进行合理布局[13]。当然，仍需分析总结大量的临床资料，以进一步规范PVP联合125I粒子植入治疗技术。

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[12]谢小西,吕银祥,季勇,等.CT引导下经皮椎体成形术联合125I粒子植入治疗累及椎管的椎体转移瘤23例[J].介入放射学杂志,2014,23(3):226-230.

[13]谢小西,吕银祥,章国东,等.CT引导下经皮椎体成形术联合125I粒子植入治疗颈椎及上胸椎转移瘤[J].影像诊断与介入放射学,2015,24(6):450-454.

[14]胡逸民.肿瘤放射物理学[M].北京:原子能出版社,1999:253.