一种系统化放射治疗生物效应评估方法技术方案

一种系统化放射治疗生物效应评估方法：对患者的放射治疗计划方案进行蒙特卡洛宏观模拟；对患者的放射治疗计划方案进行蒙特卡洛体元层面模拟；根据体元层面蒙特卡洛模拟得到的入射到细胞核内粒子的物理特征进行细胞损伤估计，得到细胞层面放射损伤产额；对细胞损伤随时间演变的修复过程进行模拟，得到放射治疗后细胞的最终致死损伤产额，并进一步计算体元内细胞的最终致死率；重复上述过程，最终预估患者的放射治疗计划方案产生的肿瘤治疗效果和正常组织受损情况，即从现有的宏观放射治疗剂量出发给出放射治疗的微观生物效果。本发明专利技术可以为临床肿瘤个体化治疗提供可能的决策依据以及为现代个体化精准放疗技术方案改进及计划方案设计提供重要参考。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种系统化放射治疗生物效应评估方法
本专利技术涉及一种临床放射治疗计划方案效果评估。特别是涉及一种系统化放射治疗生物效应评估方法。
技术介绍
基本的放射治疗量化标准目前遵循的是宏观物理能量定义的剂量，即单位质量组织中接受的能量(i.e,J/kg＝Gy)。电离性放射产生的生物效应的评估也是通过宏观量来表述，如传统剂量体积参数，以及基于宏观剂量分布的等效生物剂量，等效平均剂量等。然而，宏观剂量没有考虑患者个体化特征，如空间解剖信息，肿瘤微环境信息等。另一方面，宏观吸收剂量是一定时间和空间内的统计平均数据。实际上，决定放射生物效应的因素不仅仅是一定区域的平均剂量，更重要的是能量沉积在微观空间的分布情况。目前可以通过表象模型建立宏观量与宏观生物效应的联系，但难以针对患者个体细胞层级具体特性应用放射生物效应的机理及规律给出真正个性化放射治疗生物效果评估。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够对临床肿瘤放射治疗计划方案中体元层级放射生物效应预估的系统化放射治疗生物效应评估方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种系统化放射治疗生物效应评估方法，包括如下步骤：1)对患者的放射治疗计划方案进行蒙特卡洛宏观模拟；2)对患者的放射治疗计划方案进行蒙特卡洛体元层面模拟；3)根据体元层面蒙特卡洛模拟得到的入射到细胞核内粒子的物理特征进行细胞损伤估计，得到细胞层面放射损伤产额；4)对细胞损伤随时间演变的修复过程进行模拟，得到放射治疗后细胞的最终致死损伤产额，并进一步计算体元内细胞的最终致死率；5)对患者接受放射治疗的组织中所有体元重复步骤2)至步骤4)，最终预估患者的放射治疗计划方案产生的肿瘤治疗效果和正常组织受损情况，即从现有的宏观放射治疗剂量出发给出放射治疗的微观生物效果。步骤1)是首先利用蒙特卡洛技术对放射治疗中粒子在患者体内作用和输运全过程进行模拟，记录患者各个体元内入射粒子的物理统计特征。步骤2)是根据宏观模拟得到的体元入射粒子物理特征，利用蒙特卡洛技术模拟体元内粒子和物质的相互作用和传输过程，记录入射到体元内细胞核的粒子的物理特征。步骤3)是根据蒙特卡洛模拟得到的体元内入射到细胞核的粒子的物理特征，结合微观辐射生物效应规律，计算细胞层面放射损伤产额。所述的结合微观辐射生物效应规律，计算细胞层面放射损伤产额，是采用Semenenko等开发的蒙卡损伤模拟MonteCarloDamageSimulation方法进行，得到体元内的每个细胞核的DNA损伤总产额。步骤4)是采用Robert提出的Two-LesionKineticModel,TLK模型，直接建立细胞损伤修复动态过程和细胞致死损伤的联系，将步骤3)得到的反应细胞损伤程度的体元内的每个细胞核的DNA损伤总产额带入TLK模型中，得到每个细胞在修复之后的最终致死损伤产额，进一步计算整个体元内细胞的最终致死率。步骤5)所述的微观生物效果，是指患者接受放射治疗的组织中所有体元的细胞最终致死率。本专利技术的一种系统化放射治疗生物效应评估方法，通过模拟临床放疗方案中辐射粒子在患者体内传输和相互作用过程，并以此为基础对人体细胞层面的累积放射损伤和修复过程进行建模，最终可预估放疗方案产生的局部肿瘤细胞致死率和正常组织的存活率。在对细胞层面的累积放射损伤和修复过程建模时，该方法可以引入了重要的肿瘤微环境因素，如氧含量参数、细胞代谢状态等，因此该方法可以为临床肿瘤个体化治疗提供可能的决策依据以及为现代个体化精准放疗技术方案改进及计划方案设计提供重要参考。附图说明图1是本专利技术一种系统化放射治疗生物效应评估方法的流程图；图2a是已有技术得到的宏观放射剂量分布等高线效果图；图2b是采用本专利技术的方法得到的感兴趣区域内体元的细胞致死率图谱(栅格示意)。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的一种系统化放射治疗生物效应评估方法做出详细说明。如图1所示，本专利技术的一种系统化放射治疗生物效应评估方法，包括如下步骤：1)对患者的放射治疗计划方案进行蒙特卡洛宏观模拟；是首先利用蒙特卡洛技术对放射治疗中粒子在患者体内作用和输运全过程进行模拟，记录患者各个体元内入射粒子的物理统计特征，如体元内沉积能量、入射粒子能谱等。该过程可以在开源的大型通用蒙特卡洛工具包Geant4工具包的基础上编写C++程序实现。2)对患者的放射治疗计划方案进行蒙特卡洛体元层面模拟；是根据宏观模拟得到的体元入射粒子物理特征，利用蒙特卡洛技术模拟体元内粒子和物质的相互作用和传输过程，记录入射到细胞核内粒子的物理特征。由于空间位置及材料密度等区别，人体内部不同体元的宏观沉积剂量及放射模式(入射粒子能谱)均有不同，而该不同则可能导致人体内放射杀伤效应的不同。为了进一步计算不同体元的放射杀伤效应，可以在体元层面进行二次蒙特卡洛模拟。二次模拟对象是单个体元，可以假设体元内部均匀分布一定数量的球形细胞核模型。本实施例的实验中共使用10^5个直径为10μm的球形细胞核模型，均匀分布于体元空间中，互不重叠。编写程序实现体元内粒子跟踪过程，并记录所有细胞核入射电子的动能以及入射电子在体元内的总沉积剂量。3)根据体元层面蒙特卡洛模拟得到的入射到细胞核内粒子的物理特征进行细胞损伤估计，得到细胞层面放射损伤产额；是根据蒙特卡洛模拟得到的体元内入射到细胞核的粒子的物理特征，结合微观辐射生物效应规律，计算细胞层面放射损伤产额。所述的结合微观辐射生物效应规律，计算细胞层面放射损伤产额，是采用Semenenko等开发的蒙卡损伤模拟MonteCarloDamageSimulation方法进行，得到每个细胞核的DNA损伤总产额。在放射生物学和放射医学中，DNA放射损伤被认为是电离放射引起细胞杀伤的主要靶点。因此可以通过对体元内DNA放射损伤量化估计来量化体元的细胞损伤。Semenenko等开发的蒙卡损伤模拟MCDS(MonteCarloDamageSimulation)方法可以计算一定范围内任意能量点的电子，质子以及a粒子在单细胞尺度产生的各种DNA损伤产额。本实施例利用该方法计算不同入射电子动能下单个细胞产生的简单DSB(simpleDSB，sDSB)和复杂DSB的损伤产额(complexDSB，cDSB)及总DSB损伤产额(totalDSB)。已有研究证实，DNA层面的DSB损伤基本都是由同一条径迹上的不同作用点形成的，不同径迹之间形成DSB的概率非常小。因此本实施例通过累加每条进入细胞核的电子径迹产生的损伤个数而获得单个细胞总放射损伤。损伤总产额等于进入细胞核的所有电子能谱沉积剂量和相应单位剂量损伤产额乘积的累加。如公式(1)所示，Δi是损伤总产额，下标i表征cDSB及sDSB两种损伤。Σi(E)是能量为E的电子对应的单位剂量损伤产额，也即MCDS所得细胞损伤数据库对应数据。D(E)是能量为E的电子在该细胞核内沉积的总剂量。根据国际放射单位与度量委员会ICRU报告，微观尺度沉积剂量等于微剂量学频率平均比能和通过粒子个数Φ(E)的乘积。则公式(1)细胞损伤总产额计算公式变换如下：最终利用第一步得到的体元内不同细胞核入射电子的能谱数据以及公式(2)，可以计算出单个体元的细胞DNA损伤(sDSB，cDSB)总产额。4)对细胞损伤随时间演变的修复过程进行模拟，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统化放射治疗生物效应评估方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对患者的放射治疗计划方案进行蒙特卡洛宏观模拟；2)对患者的放射治疗计划方案进行蒙特卡洛体元层面模拟；3)根据体元层面蒙特卡洛模拟得到的入射到细胞核内粒子的物理特征进行细胞损伤估计，得到细胞层面放射损伤产额；4)对细胞损伤随时间演变的修复过程进行模拟，得到放射治疗后细胞的最终致死损伤产额，并进一步计算体元内细胞的最终致死率；5)对患者接受放射治疗的组织中所有体元重复步骤2)至步骤4)，最终预估患者的放射治疗计划方案产生的肿瘤治疗效果和正常组织受损情况，即从现有的宏观放射治疗剂量出发给出放射治疗的微观生物效果。

【技术特征摘要】
1.一种系统化放射治疗生物效应评估方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对患者的放射治疗计划方案进行蒙特卡洛宏观模拟；2)对患者的放射治疗计划方案进行蒙特卡洛体元层面模拟；3)根据体元层面蒙特卡洛模拟得到的入射到细胞核内粒子的物理特征进行细胞损伤估计，得到细胞层面放射损伤产额；4)对细胞损伤随时间演变的修复过程进行模拟，得到放射治疗后细胞的最终致死损伤产额，并进一步计算体元内细胞的最终致死率；5)对患者接受放射治疗的组织中所有体元重复步骤2)至步骤4)，最终预估患者的放射治疗计划方案产生的肿瘤治疗效果和正常组织受损情况，即从现有的宏观放射治疗剂量出发给出放射治疗的微观生物效果。2.根据权利要求1所述的一种系统化放射治疗生物效应评估方法，其特征在于，步骤1)是首先利用蒙特卡洛技术对放射治疗中粒子在患者体内作用和输运全过程进行模拟，记录患者各个体元内入射粒子的物理统计特征。3.根据权利要求1所述的一种系统化放射治疗生物效应评估方法，其特征在于，步骤2)是根据宏观模拟得到的体元入射粒子物理特征，利用蒙特卡洛技术模拟体元内粒子和物质的相互作用和传输过程，记录入射到体元内细胞核的粒子的物理特征。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玙，冯远明，撒昱，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12