[發明專利]一種系統化放射治療生物效應評估方法

有效

• 申請號: 201710098491.1
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106902478B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 郭玙;馮遠明;撒昱
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: A61N5/10
• 分類號: A61N5/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

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。

技術領域

本發明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。

背景技術

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。

發明內容

本發明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。

本發明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Monte Carlo Damage Simulation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-Lesion Kinetic Model,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。