[发明专利]一种肿瘤放射治疗中生物效应剂量确定方法及系统

说明书

本发明公开了一种肿瘤放射治疗中生物效应剂量确定方法及系统。所述确定方法包括：通过增加修正参数建立细胞生存曲线描述模型；获取细胞存活数据，拟合模型参数；根据所述细胞生存曲线描述模型建立生物效应剂量模型；根据所述生物效应剂量模型确定生物效应剂量。采用本发明所提供的肿瘤放射治疗中生物效应剂量确定方法及系统能够准确确定生物效应剂量，从而更准确地进行不同放射治疗方案之间的转换；所得出的细胞生存曲线描述模型中，各参数都有其对应的生物学意义，同时细胞生存曲线描述模型简单，易于临床推广。

技术领域

本发明涉及医学领域，特别是涉及一种肿瘤放射治疗中生物效应剂量确定方法及系统。

背景技术

放射治疗过程中的“生物剂量”和“物理剂量”是两个不同的概念。根据国际原子能委员会IAEA第30号报告定义，“生物剂量”是指生物体辐射响应程度的测量。描述细胞生存曲线模型描述了肿瘤细胞和正常组织细胞放射治疗过程中细胞的存活状况，普遍用于拟合克隆形成细胞的体外和体内存活实验获得的生存曲线。由细胞生存曲线模型推导出的生物效应剂量(biological effect dose，BED)模型普遍适用于计算不同分次方案的等效剂量、正常组织并发症(Normal Tissue Complication Probability，NTCP)的预测和肿瘤局部控制率(Tumor Control Probability，TCP)的计算。

随着放疗设备、技术的发展，单次大剂量放疗——包括寡分割、体部立体定向放疗(stereotacticbodyradiotherapy，SBRT)的治疗模式逐渐得到重视，单次大剂量放疗是在放疗时通过单次照射大于常规治疗的单次剂量的放疗方式，不仅将肿瘤细胞再增殖概率降到最低，提高肿瘤控制率，而且能够缩短放疗疗程、降低治疗成本。原发性和转移性肺、肝脏、前列腺等恶性肿瘤的临床研究结果显示，大分割放疗效果显著。单次大剂量和常规放疗两种放疗模式都是由于射线照射引起的DNA双链的断裂导致细胞的损伤，从而控制肿瘤和引起正常组织损伤。不同之处是在实施常规放疗时，由于单次剂量小、分次次数多和治疗疗程长的原因，会提高分次间细胞的修复、细胞周期的再分布和增殖，这不利于肿瘤的控制但可以减少正常组织的损伤。单次大剂量放疗由于单次治疗剂量大、分次次数少和治疗疗程短的原因，治疗中会减少细胞的修复、细胞周期再分布和增殖，这有利于肿瘤的控制但同时增加了正常组织的损伤。

在现有的将物理剂量转换为生物剂量的换算模型中，线性-二次(Linear-Quadratic，LQ)模型是一种广泛应用于放射生物学研究和临床放射治疗的数学模型，它是从细胞的存活曲线直接推导而得出。由LQ模型推导衍生出的生物效应剂量，是一种根据剂量分割模式不同而将物理剂量转化为生物剂量的方法。

LQ模型是一个通过拟合细胞接受不同持续剂量照射后数据变化曲线得到的经验公式。如图1所示，在对数线性图中，LQ曲线非常符合培养中中国仓鼠细胞的这些实验结果，最高剂量为6Gy，但随后继续弯曲，观察到实验结果在高剂量下变为线性，模型认为放射会导致致死性损伤和亚致死性损伤。细胞DNA双链断裂是导致细胞失活的致死性损伤事件，双链断裂可以是单个粒子能量沉积导致双链破坏，称为α损伤，与放射剂量呈正比；或者2个粒子协同作用导致双链破坏，称为β损伤，与放射剂量的平方呈正比。亚致死性损伤是由于放射粒子导致细胞DNA单链断裂，如果没有进一步的照射，则细胞可以被修复。细胞受照射后，其总体损伤必定是α损伤和β损伤的综合效应，可描述为：

S＝exp(-αD-βD²) (1)

其中，S表示的是细胞的存活分数，D为施照剂量，α表示单位剂量的单个粒子使细胞杀灭的平均概率；β表示单位剂量的两个粒子使细胞杀灭的平均概率。当α损伤和β损伤概率相同时，αD＝βD2，D＝α/β，此处得到的α/β是该受照射组织的生物特征剂量(单位：Gy)。每种组织都有其对应的生物特征剂量，α/β越大，该组织对射线越敏感，体现为早反应组织，如多数的肿瘤组织、上皮细胞；α/β越小，该组织对射线越抗拒，体现为晚反应组织，如前列腺肿瘤(α/β小于2Gy)、肺、脊髓。