一种基于纳剂量学量加权剂量优化的离子辐照方案设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于纳剂量学量加权剂量优化的离子辐照方案设计方法。本发明专利技术采用纳剂量学量加权剂量对离子辐照方案进行优化，从本质上充分利用了离子束的辐射品质，实现了更为精准的离子辐照方案和计划设计，进而提高了应用和预测离子束辐射效应的准确性。应用和预测离子束辐射效应的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳剂量学量加权剂量优化的离子辐照方案设计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于纳剂量学量加权剂量(NQWD)进行优化的离子辐照方案设计方法。该方法可以实现对辐照靶区进行纳剂量学量加权剂量优化的目的，以减小使用相对生物学效应(RBE)加权剂量优化所带来的生物不确定性。本专利技术可用于离子束辐照的方案和计划设计以及辐射防护等领域。

技术介绍

[0002]离子放射治疗已经发展成为一项成熟的技术，但是仍存在一些放射生物学问题需要进一步的研究和解决。离子束辐照方案旨在向辐照肿瘤靶区提供均匀的生物有效剂量，最大限度的保护靶区周围危及器官。与光子辐照相比，生物有效剂量的不确定性必须纳入离子束辐照方案，特别是在靶区周围危及器官附近时。目前，离子辐照方案设计的趋势是考虑特定的患者、组织和肿瘤等相关因素实施个性化的治疗，这就需要发展更严格的策略。
[0003]当前，离子束辐照方案设计常采用的是RBE加权剂量(RWD)，其中RBE是通过生物物理模型计算得到。然而，RBE值受很多因素的影响，具有很大的不确定性，增加了离子辐照的风险。例如，在应用RWD时不同机构使用的RBE模型不同，日本主要使用混合束模型或微剂量动力学模型(MKM)，欧洲主要使用局部效应模型(LEM)。Fossati等人对应用中的RBE模型(LEM和MKM)进行了比较(P.Fossati,et al.Physics in Medicine andBiology.2012,57:7543)，结果显示使用不同RBE模型的相同RWD产生的物理剂量差异高达15％，目前尚无法确定哪种RBE模型更加准确。未来，需要确认单一机构结果的可重复性，并进行多中心实验。其次，在临床应用环境中，人们总是对多个临床终点感兴趣。这些临床终点对辐射品质及照射分次有不同的依赖性，因此有不同的RBE值。再者，现有的RBE模型均未考虑照射分次的影响。众所周知，肿瘤微环境在射线照射过程中有适应性反应，相同剂量的光子或离子在第一分次和第三分次时产生的辐照效应是不相同的。然而，在体内或体外进行的大多数RBE实验都是基于单个分次的。此外，实验条件、细胞的含氧量、细胞周期时相和细胞类型等均影响RBE值。将来有计划将离子治疗扩展到氦(He)离子和氧(O)离子以及混合离子束治疗，进一步增加了离子辐照方案设计的复杂性。
[0004]为了减小RBE值带来的生物不确定性，发展了不同形式的鲁棒优化，然而目前定量描述影响RBE因素的问题仍处于探索阶段，使得对生物鲁棒优化结果的解释更加困难。另一方面，有学者提出了基于剂量和传能线密度(LET)物理量的离子辐照方案优化方法，并证明可有效降低离子辐照中RBE变化引起的生物不确定性。然而，LET在使用过程中存在局限性，实验表明具有相同LET的不同离子束所对应的RBE值是不相同的，即不能用于设置绝对剂量限值，因此基于LET的离子束辐照方案的实用性差。这些限制提高了纳剂量学量作为离子辐照方案设计基础的兴趣。

技术实现思路

[0005]为了实现精准的离子辐照方案设计，减小因使用RBE值而引入的生物不确定性，本
专利技术提出了一种依据纳剂量学量物理量进行辐照方案设计的方法。该方法不仅能够充分利用离子束辐射品质的本质特征，减小基于RWD优化离子辐照方案中存在的生物不确定性，随着实验纳剂量学的发展，还可以对纳剂量学量物理量进行测量，实现离子辐照方案的快速验证，提高了离子束辐照的精度和准确度，保障离子束辐照的安全有效实施。此外，本专利技术还可应用于辐射防护等方面，如基于纳剂量学量的辐射防护剂量的重新评估等。
[0006]本专利技术所提供的基于纳剂量学量物理量进行辐照方案设计的方法，包括如下步骤：
[0007]1)剂量及纳剂量学量的获取
[0008]通过实验测量获取或通过蒙特卡罗(MC)模拟和解析方法计算得到离子束的剂量分布D；
[0009]通过纳剂量计测量获取或由径迹结构MC模拟计算得到光子以及离子束的电离簇尺寸v的概率密度分布P(v|Q)，通过公式1计算得到归一化的概率密度分布：
[0010][0011]其中，Q为光子或离子束的辐射品质，v为电离簇尺寸；
[0012]根据电离簇尺寸概率密度分布通过公式(2)计算获得电离簇尺寸v≥2概率密度分布的累计概率F2：
[0013][0014]根据电离簇尺寸概率密度分布通过公式(3)计算获得电离簇尺寸v≥3概率密度分布的累计概率F3：
[0015][0016]根据电离簇尺寸概率密度分布通过公式(4)计算获得电离簇尺寸v≥n概率密度分布的累计概率F
n
：
[0017][0018]将得到的离子束的剂量分布D及纳剂量学量F2,F3和F
n
制成表格，作为离子辐照方案设计的基础数据，
[0019]其中，所述电离簇尺寸v为在一个纳体积元内发生的电离数目；
[0020]2)离子束辐照方案的设计
[0021]依据辐照靶区的辐射敏感性选择合适的纳剂量学量F
n
，依据光子的处方剂量及危及器官剂量限值条件，根据公式(5)，确定离子束辐照方案靶区处方剂量和危及器官剂量限值：
[0022][0023]上述公式中，NQWD为纳剂量学量加权剂量，D为物理吸收剂量(即，步骤1中离子束
的剂量分布)，F
n_Ion
和F
n_X
分别为离子束以及X射线电离簇尺寸v≥n的累积概率；
[0024]通过计算获得的纳剂量学量和剂量分布基础数据，采用现有的RWD优化算法，对NQWD进行优化，得到靶区内NQWD均匀的辐照方案。
[0025]上述方法步骤1)中，应用径迹结构MC模拟时，MC模拟建模几何引入Bueno等人提出的简化DNA染色质丝模型(M.Bueno,et al.Physics in Medicine andBiology.2015,60:8583
‑
8599)，如图1所示，1800个小圆柱体(底面直径2.3nm，高3.4nm)互不重叠的均匀随机分布在一个大圆柱体(底面直径30.4nm，高161nm)内，小圆柱体即为上述所提到的纳体积元，对应DNA双螺旋结构10个碱基对的尺寸，大圆柱体对应一条染色质丝。
[0026]所述光子为X射线，所述离子束为质子束和重离子束。
[0027]所述X射线的能量为kV
‑
MV范围，离子束的能量为10MeV/n
‑
500MeV/n范围。
[0028]累计概率目前被认为是与放射生物学效应最相关的纳剂量学量，图2显示了DNA双链断裂产额与不同离子束的纳剂量学量(F2,F3和F4)的依赖关系。
[0029]在不同贯穿深度进行电离簇尺寸概率密度分布模拟计算。
[0030]上述方法步骤2)中，对于辐射应用，需要将单事件纳剂量学量转换为多事件纳剂量学量，离子放射治疗中使用的剂量足够低，因此纳体积元内仅存在单个离子与之发生相互作用，即多事件纳剂量学量可通过单事件纳剂量学量线性叠加得到，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于纳剂量学量物理量进行辐照方案设计的方法，包括如下步骤：1)剂量及纳剂量学量的获取通过实验测量获取或通过蒙特卡罗(MC)模拟和解析方法计算得到离子束的剂量分布；通过纳剂量计测量获取或由径迹结构MC模拟计算得到光子以及离子束的电离簇尺寸v的概率密度分布P(v|Q)，通过公式1计算得到归一化的概率密度分布：其中，Q为光子或离子束的辐射品质，v为电离簇尺寸；根据电离簇尺寸概率密度分布通过公式(2)计算获得电离簇尺寸v≥2概率密度分布的累计概率F2：根据电离簇尺寸概率密度分布通过公式(3)计算获得电离簇尺寸v≥3概率密度分布的累计概率F3：根据电离簇尺寸概率密度分布通过公式(4)计算获得电离簇尺寸v≥n概率密度分布的累计概率F
n
：将得到的离子束的剂量分布及纳剂量学量F2，F3和F
n
制成表格，作为离子辐照方案设计的基础数据，其中，所述电离簇尺寸v为在一个纳体积元内发生的电离数目；2)离子束辐照方案的设计依据辐照靶区的辐射敏感性选择合适的纳剂量学量F
n
，依据光子的处方剂量及危及器官剂量限值条件，根据公式(5)，确定离子束辐照方案靶区处方剂量和危及器官剂量限值：上述公式中，NQWD为纳剂量学量加权剂量，D为物理吸收剂量，F
n_Ion
和F
n_X
分别为离子束以及X射线电离簇尺寸v≥n的累积概率；通过计算获得的纳剂量学量和剂量分布基础数据，采用现有的相对生物学效应加权剂量(RWD)优化算法，对NQWD进行优化，得到靶区内NQWD均匀的辐照方案。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光子为X射线，所述离子束为质子束和重离子束。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述X射线的能量为k...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨静芬，李强，刘新国，戴中颖，贺鹏博，马圆圆，申国盛，陈卫强，张晖，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：