一种硼中子俘获治疗生物剂量计算方法技术

本发明专利技术涉及一种硼中子俘获治疗(BNCT)生物剂量计算方法。本发明专利技术所述方法基于中子自显影技术实现肿瘤细胞尺度和肿瘤/正常组织血管硼浓度分布的精确测量；依据不同硼药分布特点、中子能谱以及组织材料特征，通过蒙特卡罗模拟和微剂量学生物模型构建硼分布及中子能量与BNCT各射线组分相对生物效应(RBE)或复合物生物效应(CBE)的对应关系；基于医学影像数据构建病人个体化辐射仿真人体模型，进而得到三维剂量分布；根据肿瘤靶区、正常器官的轮廓勾画，并结合三维物理剂量分布和生物效应因子获取等效生物剂量，计算得到肿瘤及正常组织器官的剂量体积直方图(DVH图)，为新型靶向药物设计、精准BNCT临床治疗计划生物学转化提供理论基础。

【技术实现步骤摘要】
一种硼中子俘获治疗生物剂量计算方法
本专利技术涉及放射治疗
，具体地，涉及一种硼中子俘获治疗生物剂量计算方法。
技术介绍
据国家癌症中心发布的中国最新癌症数据《中国癌症报告》显示，每天约有一万人被确诊为癌症，癌症已然称为威胁我国人民健康的头号杀手。放疗作为癌症治疗的三大主要手段之一，一直追求的目标是：提高放疗过程中肿瘤区域的受照剂量以杀死肿瘤，与此同时降低正常组织的受照剂量以减少对正常组织的损伤。理想的精准放疗技术应当在微米尺度高选择性、高杀伤力地杀死肿瘤细胞，而BNCT正是有此特点的一种放疗技术，通过将一种含硼化合物注射到人体，通过血液循环进入靶区(肿瘤区域)，特定的硼化物和肿瘤具有很强的亲和性，会迅速地富集在肿瘤区域，很少甚至不会进入到正常组织中。当用超热中子或热中子束照射肿瘤区时，中子被硼俘获，在肿瘤区发生10B(n，α)7Li反应。产生的α粒子和7Li粒子具有很高的传能线密度(LET)，它们能杀死小于等于10μm范围内的肿瘤细胞，同时不会损伤周围正常组织器官，从而达到靶向治疗的目的。相比于光子放疗，BNCT剂量计算也更加复杂，剂量贡献同时来自高LET和低LET射线。对于低LET射线主要通过自由基的间接作用造成细胞损伤，而高LET粒子主要通过直接作用造成细胞损伤。其中，中子与10B相互作用产生的剂量称为硼剂量。由于含硼药物在亚细胞尺度分布不均匀且中子与10B相互作用所产生的次级粒子(α粒子和7Li粒子)射程较短，因此硼剂量所产生的生物效应与含硼药物在亚细胞尺度的分布情况存在很大关联。目前对于BNCT硼剂量的生物效应(复合物生物效应)计算主要是基于动物实验大致计算。此外，一些研究学者提出采用MKM模型，该模型的精确性存在争议，缺乏广适性。对于不同的硼浓度及分布情况，不同的组织深度以及不同的人体组织中，生物效应选取不当将造成很大差异。目前对于BNCT微剂量学方面的研究，计算所得的物理量通常不能代表生物学终点，因此有必要考虑靶向硼药的分布情况并结合准确的RBE和CBE评估方法，实现对不同类型肿瘤及周围组织器官在硼中子俘获治疗下受照剂量的精确评估。同时，结合二次癌风险概率模型以及TCP和NTCP生物学模型为临床上治疗计划系统制定和药物疗效的评估和优化提供更全面、更科学的依据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种硼中子俘获治疗生物剂量计算方法，具体基于靶向硼药亚微尺度分布信息评估BNCT生物效应，并根据病人个性化影像数据信息构建三维几何模型，基于蒙特卡罗模拟得到体模内三维物理剂量分布；根据靶区、正常器官的轮廓勾画，并结合物理剂量分布和生物效应因子获取等效生物剂量分布，计算得到各个器官的DVH图；进一步通过二次癌风险概率模型预测正常组织器官的二次癌风险；此外结合NTCP和TCP模型评估正常组织并发症概率及肿瘤控制概率。本专利技术第一方面提供一种硼中子俘获治疗生物剂量计算方法，其特征在于，所述是方法包括以下步骤：(1)获取含硼药物在亚细胞尺度的分布规律；(2)根据含硼药物在亚细胞尺度的分布情况以及组织细胞类型、微纳尺度环境因素，获取微剂量学参数分布并建立RBE和/或CBE值的数值计算方法或模型；(3)基于医学影像数据构建肿瘤病人个体化的辐射仿真人体模型，构建含有硼药空间分布信息的三维几何模型，利用热中子或超热中子束照射，得到硼中子俘获治疗下体模内三维物理剂量分布；(4)根据肿瘤靶区、正常器官的轮廓勾画，进一步获取肿瘤及周围正常组织器官的等效生物剂量分布，计算得到肿瘤/正常组织器官的DVH图；任选地，(5)在获取肿瘤周围正常组织器官等效生物剂量的基础上，进一步利用二次癌风险概率模型评估肿瘤周围正常组织器官的二次癌风险；任选地，(6)在获取肿瘤及周围正常组织器官生物剂量分布的基础上，结合DVH图，通过肿瘤控制概率(TCP)和正常组织并发症概率(NTCP)模型的表征，确定治疗方案下的肿瘤控制概率和正常组织并发症概率，实现对硼中子俘获治疗效果全面客观的评估。优选地，所述是方法包括步骤(1)-(4)。优选地，所述是方法包括步骤(1)-(5)。优选地，所述是方法包括步骤(1)-(6)。优选地，所述的步骤(1)中，采用细胞结构成像技术结合中子放射自显影法获得含硼药物在亚细胞尺度的分布情况。优选地，所述的步骤(1)包括：采用高分辨率的细胞结构成像技术结合视场中心再定位方法，并基于中子放射自显影法测量得到俘获反应产生的α粒子的径迹分布，进而反推靶向含硼药物在亚细胞尺度的分布情况。优选地，步骤(1)中，所述的细胞包括肿瘤细胞和/或正常组织细胞。优选地，所述的正常组织细胞包括肿瘤细胞周围的正常组织细胞。优选地，在步骤(1)中，首先通过优化固体核径迹探测器的标记方式，然后结合激光共聚焦显微镜的坐标系统，建立视场中心再定位方法及程序，确保实现对同一位置的细胞结构图像和径迹图像进行精确测量。优选地，在步骤(1)中，可以选用不同类型的肿瘤细胞，研究单层不重叠细胞样品在固体核径迹探测器上的培养及固定方式，建立固体核径迹探测器上单层细胞样品培养及固定的可靠方法。优选地，在步骤(1)中，采用激光共聚焦显微镜选择结构完整的细胞进行成像，结合标记点和坐标系统实现视场中心的定位。优选地，在步骤(1)中，选用中子束流(反应堆/加速器中子束流)对样品进行照射，确定径迹密度与中子通量的对应关系，然后确定最佳中子照射通量及时间；照射完成后，对固体核径迹探测器上的细胞样品进行清洗，选用PEW和氢氧化钠溶液为蚀刻液，确定出最佳蚀刻溶液及条件。重定位细胞位置并获取径迹图像，进一步进行背景扣除和图像增强，精确匹配融合细胞结构图像和径迹图像。优选地，所述的步骤(2)中，所述的微纳尺度环境因素可以考虑细胞内的氧浓度和/或自由基的种类及含量的影响等。优选地，所述的步骤(2)中，所述的蒙特卡罗模拟可以是Geant4、TOPAS、MCDS、MCNP、PHITS、FLUKA中的一种或多种组合。优选地，所述的步骤(2)中，通过这一计算公式可以计算出各射线类型的相对生物效应，其中，RBEDSB代表以DNA双链断裂为生物损伤终点的相对生物效应，Dγ代表以某一DNA双链断裂产额为标准时所需的参考辐射剂量；Dp代表相同的DNA双链断裂产额情况下被测量的辐射类型所需的受照剂量。优选地，所述的生物学损伤包括DNA损伤。优选地，所述DNA损伤的类型为碱基损伤、单链断裂和双链断裂。优选地，所述的生物学损伤修复包括DNA损伤修复。优选地，所述的DNA损伤修复可以是碱基切除修复、核苷酸切除修复、同源重组和非同源末端连接中的一类或两类。优选地，所述DNA损伤的修复的过程可以通过MCER、MEDRAS、DMAMARIS等模型分析在碱基切除修复、核苷酸切除修复或同源重组、非同源末端连接等修复路径下正确修复、错误修复、突变的概率。优选地，步骤(2)中，所述的微剂量学参数分布可以通过Geant4、MCDS+MCNP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硼中子俘获治疗生物剂量计算方法，其特征在于，所述是方法包括以下步骤：/n(1)获取含硼药物在亚细胞尺度的分布规律；/n(2)根据含硼药物在亚细胞尺度的分布情况以及组织细胞类型、微纳尺度环境因素，获取微剂量学参数分布并建立RBE和/或CBE值的数值计算方法或模型；/n(3)基于医学影像数据构建肿瘤病人个体化的辐射仿真人体模型，构建含有硼药空间分布信息的三维几何模型，利用热中子或超热中子束照射，得到硼中子俘获治疗下体模内三维物理剂量分布；/n(4)根据肿瘤靶区、正常器官的轮廓勾画，进一步获取肿瘤及周围正常组织器官的等效生物剂量分布，计算得到肿瘤/正常组织器官的DVH图；/n任选地，(5)在获取肿瘤周围正常组织器官等效生物剂量的基础上，进一步利用二次癌风险概率模型评估肿瘤周围正常组织器官的二次癌风险；/n任选地，(6)在获取肿瘤及周围正常组织器官生物剂量分布的基础上，结合DVH图，通过肿瘤控制概率(TCP)和正常组织并发症概率(NTCP)模型的表征，确定治疗方案下的肿瘤控制概率和正常组织并发症概率，实现对硼中子俘获治疗效果全面客观的评估。/n

【技术特征摘要】
1.一种硼中子俘获治疗生物剂量计算方法，其特征在于，所述是方法包括以下步骤：
(1)获取含硼药物在亚细胞尺度的分布规律；
(2)根据含硼药物在亚细胞尺度的分布情况以及组织细胞类型、微纳尺度环境因素，获取微剂量学参数分布并建立RBE和/或CBE值的数值计算方法或模型；
(3)基于医学影像数据构建肿瘤病人个体化的辐射仿真人体模型，构建含有硼药空间分布信息的三维几何模型，利用热中子或超热中子束照射，得到硼中子俘获治疗下体模内三维物理剂量分布；
(4)根据肿瘤靶区、正常器官的轮廓勾画，进一步获取肿瘤及周围正常组织器官的等效生物剂量分布，计算得到肿瘤/正常组织器官的DVH图；
任选地，(5)在获取肿瘤周围正常组织器官等效生物剂量的基础上，进一步利用二次癌风险概率模型评估肿瘤周围正常组织器官的二次癌风险；
任选地，(6)在获取肿瘤及周围正常组织器官生物剂量分布的基础上，结合DVH图，通过肿瘤控制概率(TCP)和正常组织并发症概率(NTCP)模型的表征，确定治疗方案下的肿瘤控制概率和正常组织并发症概率，实现对硼中子俘获治疗效果全面客观的评估。


2.根据权利要求1所述的硼中子俘获治疗生物剂量计算方法，其特征在于，步骤(2)中，微剂量学参数分布可以通过Geant4、MCDS+MCNP、MCNP、PHITS、FLUKA等蒙特卡罗模拟中的一种或多种组合模拟计算得到；或步骤(2)中，所述的微剂量学参数分布可以通过组织等效正比计数器(TEPC)进行实验测量得到。


3.根据权利要求1所述的硼中子俘获治疗生物剂量计算方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的RBE和/或CBE的数值计算模型，可以通过DNA损伤修复情况，以DNA双链断裂产额为损伤终点构建生物效应计算方法；或步骤(2)中，所述的RBE和/或CBE...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿长冉，齐婕，汤晓斌，田锋，刘渊豪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32