一種系統化放射治療生物效應評估方法技術方案

一種系統化放射治療生物效應評估方法：對患者的放射治療計劃方案進行蒙特卡洛宏觀模擬；對患者的放射治療計劃方案進行蒙特卡洛體元層面模擬；根據體元層面蒙特卡洛模擬得到的入射到細胞核內粒子的物理特征進行細胞損傷估計，得到細胞層面放射損傷產額；對細胞損傷隨時間演變的修復過程進行模擬，得到放射治療后細胞的最終致死損傷產額，并進一步計算體元內細胞的最終致死率；重復上述過程，最終預估患者的放射治療計劃方案產生的腫瘤治療效果和正常組織受損情況，即從現有的宏觀放射治療劑量出發給出放射治療的微觀生物效果。本發明專利技術可以為臨床腫瘤個體化治療提供可能的決策依據以及為現代個體化精準放療技術方案改進及計劃方案設計提供重要參考。

A systematic method for evaluating biological effects of radiation therapy

A method to evaluate the systematic biological effects of radiation therapy: Monte Carlo simulation of macro radiation treatment plan for patients with; for Monte Carlo simulation of voxel level of radiation therapy plan for patients; according to the element level of Monte Carlo simulation obtained incident to the physical characteristics of the nucleus of the particle cell damage estimation, cell radiation level damage yield; the cell damage repair process with time evolution is simulated, obtained after radiotherapy cells eventually lethal damage yield, the final death rate and further calculated body element within the cell; repeat the above process, the final prediction of tumor treatment effect of radiotherapy treatment planning scheme of patients and normal tissue damage, micro biological effect from existing macro dose radiation therapy of radiotherapy. The invention can provide the possible decision-making basis for individualized treatment of clinical tumors, and provides important reference for the improvement of the technical scheme of the modern individualized precise radiotherapy and the design of the plan scheme.

【技術實現步驟摘要】
一種系統化放射治療生物效應評估方法
本專利技術涉及一種臨床放射治療計劃方案效果評估。特別是涉及一種系統化放射治療生物效應評估方法。
技術介紹
基本的放射治療量化標準目前遵循的是宏觀物理能量定義的劑量，即單位質量組織中接受的能量(i.e,J/kg＝Gy)。電離性放射產生的生物效應的評估也是通過宏觀量來表述，如傳統劑量體積參數，以及基于宏觀劑量分布的等效生物劑量，等效平均劑量等。然而，宏觀劑量沒有考慮患者個體化特征，如空間解剖信息，腫瘤微環境信息等。另一方面，宏觀吸收劑量是一定時間和空間內的統計平均數據。實際上，決定放射生物效應的因素不僅僅是一定區域的平均劑量，更重要的是能量沉積在微觀空間的分布情況。目前可以通過表象模型建立宏觀量與宏觀生物效應的聯系，但難以針對患者個體細胞層級具體特性應用放射生物效應的機理及規律給出真正個性化放射治療生物效果評估。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是，提供一種能夠對臨床腫瘤放射治療計劃方案中體元層級放射生物效應預估的系統化放射治療生物效應評估方法。本專利技術所采用的技術方案是：一種系統化放射治療生物效應評估方法，包括如下步驟：1)對患者的放射治療計劃方案進行蒙特卡洛宏觀模擬；2)對患者的放射治療計劃方案進行蒙特卡洛體元層面模擬；3)根據體元層面蒙特卡洛模擬得到的入射到細胞核內粒子的物理特征進行細胞損傷估計，得到細胞層面放射損傷產額；4)對細胞損傷隨時間演變的修復過程進行模擬，得到放射治療后細胞的最終致死損傷產額，并進一步計算體元內細胞的最終致死率；5)對患者接受放射治療的組織中所有體元重復步驟2)至步驟4)，最終預估患者的放射治療計劃方案產生的腫瘤治療效果和正常組織受損情況，即從現有的宏觀放射治療劑量出發給出放射治療的微觀生物效果。步驟1)是首先利用蒙特卡洛技術對放射治療中粒子在患者體內作用和輸運全過程進行模擬，記錄患者各個體元內入射粒子的物理統計特征。步驟2)是根據宏觀模擬得到的體元入射粒子物理特征，利用蒙特卡洛技術模擬體元內粒子和物質的相互作用和傳輸過程，記錄入射到體元內細胞核的粒子的物理特征。步驟3)是根據蒙特卡洛模擬得到的體元內入射到細胞核的粒子的物理特征，結合微觀輻射生物效應規律，計算細胞層面放射損傷產額。所述的結合微觀輻射生物效應規律，計算細胞層面放射損傷產額，是采用Semenenko等開發的蒙卡損傷模擬MonteCarloDamageSimulation方法進行，得到體元內的每個細胞核的DNA損傷總產額。步驟4)是采用Robert提出的Two-LesionKineticModel,TLK模型，直接建立細胞損傷修復動態過程和細胞致死損傷的聯系，將步驟3)得到的反應細胞損傷程度的體元內的每個細胞核的DNA損傷總產額帶入TLK模型中，得到每個細胞在修復之后的最終致死損傷產額，進一步計算整個體元內細胞的最終致死率。步驟5)所述的微觀生物效果，是指患者接受放射治療的組織中所有體元的細胞最終致死率。本專利技術的一種系統化放射治療生物效應評估方法，通過模擬臨床放療方案中輻射粒子在患者體內傳輸和相互作用過程，并以此為基礎對人體細胞層面的累積放射損傷和修復過程進行建模，最終可預估放療方案產生的局部腫瘤細胞致死率和正常組織的存活率。在對細胞層面的累積放射損傷和修復過程建模時，該方法可以引入了重要的腫瘤微環境因素，如氧含量參數、細胞代謝狀態等，因此該方法可以為臨床腫瘤個體化治療提供可能的決策依據以及為現代個體化精準放療技術方案改進及計劃方案設計提供重要參考。附圖說明圖1是本專利技術一種系統化放射治療生物效應評估方法的流程圖；圖2a是已有技術得到的宏觀放射劑量分布等高線效果圖；圖2b是采用本專利技術的方法得到的感興趣區域內體元的細胞致死率圖譜(柵格示意)。具體實施方式下面結合實施例和附圖對本專利技術的一種系統化放射治療生物效應評估方法做出詳細說明。如圖1所示，本專利技術的一種系統化放射治療生物效應評估方法，包括如下步驟：1)對患者的放射治療計劃方案進行蒙特卡洛宏觀模擬；是首先利用蒙特卡洛技術對放射治療中粒子在患者體內作用和輸運全過程進行模擬，記錄患者各個體元內入射粒子的物理統計特征，如體元內沉積能量、入射粒子能譜等。該過程可以在開源的大型通用蒙特卡洛工具包Geant4工具包的基礎上編寫C++程序實現。2)對患者的放射治療計劃方案進行蒙特卡洛體元層面模擬；是根據宏觀模擬得到的體元入射粒子物理特征，利用蒙特卡洛技術模擬體元內粒子和物質的相互作用和傳輸過程，記錄入射到細胞核內粒子的物理特征。由于空間位置及材料密度等區別，人體內部不同體元的宏觀沉積劑量及放射模式(入射粒子能譜)均有不同，而該不同則可能導致人體內放射殺傷效應的不同。為了進一步計算不同體元的放射殺傷效應，可以在體元層面進行二次蒙特卡洛模擬。二次模擬對象是單個體元，可以假設體元內部均勻分布一定數量的球形細胞核模型。本實施例的實驗中共使用10^5個直徑為10μm的球形細胞核模型，均勻分布于體元空間中，互不重疊。編寫程序實現體元內粒子跟蹤過程，并記錄所有細胞核入射電子的動能以及入射電子在體元內的總沉積劑量。3)根據體元層面蒙特卡洛模擬得到的入射到細胞核內粒子的物理特征進行細胞損傷估計，得到細胞層面放射損傷產額；是根據蒙特卡洛模擬得到的體元內入射到細胞核的粒子的物理特征，結合微觀輻射生物效應規律，計算細胞層面放射損傷產額。所述的結合微觀輻射生物效應規律，計算細胞層面放射損傷產額，是采用Semenenko等開發的蒙卡損傷模擬MonteCarloDamageSimulation方法進行，得到每個細胞核的DNA損傷總產額。在放射生物學和放射醫學中，DNA放射損傷被認為是電離放射引起細胞殺傷的主要靶點。因此可以通過對體元內DNA放射損傷量化估計來量化體元的細胞損傷。Semenenko等開發的蒙卡損傷模擬MCDS(MonteCarloDamageSimulation)方法可以計算一定范圍內任意能量點的電子，質子以及a粒子在單細胞尺度產生的各種DNA損傷產額。本實施例利用該方法計算不同入射電子動能下單個細胞產生的簡單DSB(simpleDSB，sDSB)和復雜DSB的損傷產額(complexDSB，cDSB)及總DSB損傷產額(totalDSB)。已有研究證實，DNA層面的DSB損傷基本都是由同一條徑跡上的不同作用點形成的，不同徑跡之間形成DSB的概率非常小。因此本實施例通過累加每條進入細胞核的電子徑跡產生的損傷個數而獲得單個細胞總放射損傷。損傷總產額等于進入細胞核的所有電子能譜沉積劑量和相應單位劑量損傷產額乘積的累加。如公式(1)所示，Δi是損傷總產額，下標i表征cDSB及sDSB兩種損傷。Σi(E)是能量為E的電子對應的單位劑量損傷產額，也即MCDS所得細胞損傷數據庫對應數據。D(E)是能量為E的電子在該細胞核內沉積的總劑量。根據國際放射單位與度量委員會ICRU報告，微觀尺度沉積劑量等于微劑量學頻率平均比能和通過粒子個數Φ(E)的乘積。則公式(1)細胞損傷總產額計算公式變換如下：最終利用第一步得到的體元內不同細胞核入射電子的能譜數據以及公式(2)，可以計算出單個體元的細胞DNA損傷(sDSB，cDSB)總產額。4)對細胞損傷隨時間演變的修復過程進行模擬，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種系統化放射治療生物效應評估方法，其特征在于，包括如下步驟：1)對患者的放射治療計劃方案進行蒙特卡洛宏觀模擬；2)對患者的放射治療計劃方案進行蒙特卡洛體元層面模擬；3)根據體元層面蒙特卡洛模擬得到的入射到細胞核內粒子的物理特征進行細胞損傷估計，得到細胞層面放射損傷產額；4)對細胞損傷隨時間演變的修復過程進行模擬，得到放射治療后細胞的最終致死損傷產額，并進一步計算體元內細胞的最終致死率；5)對患者接受放射治療的組織中所有體元重復步驟2)至步驟4)，最終預估患者的放射治療計劃方案產生的腫瘤治療效果和正常組織受損情況，即從現有的宏觀放射治療劑量出發給出放射治療的微觀生物效果。

【技術特征摘要】
1.一種系統化放射治療生物效應評估方法，其特征在于，包括如下步驟：1)對患者的放射治療計劃方案進行蒙特卡洛宏觀模擬；2)對患者的放射治療計劃方案進行蒙特卡洛體元層面模擬；3)根據體元層面蒙特卡洛模擬得到的入射到細胞核內粒子的物理特征進行細胞損傷估計，得到細胞層面放射損傷產額；4)對細胞損傷隨時間演變的修復過程進行模擬，得到放射治療后細胞的最終致死損傷產額，并進一步計算體元內細胞的最終致死率；5)對患者接受放射治療的組織中所有體元重復步驟2)至步驟4)，最終預估患者的放射治療計劃方案產生的腫瘤治療效果和正常組織受損情況，即從現有的宏觀放射治療劑量出發給出放射治療的微觀生物效果。2.根據權利要求1所述的一種系統化放射治療生物效應評估方法，其特征在于，步驟1)是首先利用蒙特卡洛技術對放射治療中粒子在患者體內作用和輸運全過程進行模擬，記錄患者各個體元內入射粒子的物理統計特征。3.根據權利要求1所述的一種系統化放射治療生物效應評估方法，其特征在于，步驟2)是根據宏觀模擬得到的體元入射粒子物理特征，利用蒙特卡洛技術模擬體元內粒子和物質的相互作用和傳輸過程，記錄入射到體元內細胞核的粒子的物理特征。4...

【專利技術屬性】
技術研發人員：郭玙，馮遠明，撒昱，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津,12