CN105445777B - 一种硼中子俘获治疗剂量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硼中子俘获治疗剂量测量方法，包括根据注射含硼药物前与硼中子俘获治疗过程中单位体积切伦科夫光光强分布的差异，可实时确定含硼药物浓度分布；同时，根据硼中子俘获治疗过程中的单位体积切伦科夫光光强分布得到γ总剂量分布，依据热/超热中子与不同元素反应产生各类剂量之间的比例关系，进而最终得到硼中子俘获治疗剂量分布。本发明提供了一种能够考量含硼药物浓度分布、实时在线性好、测量简单的硼中子俘获治疗剂量测量方法，可有效确保硼中子俘获治疗的疗效及保障患者辐射安全。
Description
技术领域
本发明属于放射治疗领域，具体涉及一种用于实时测量硼中子俘获治疗辐射剂量的方法。
技术背景
硼中子俘获治疗（BNCT）即利用热中子与亲肿瘤含硼药物发生俘获反应产生的α粒子和7Li粒子杀死肿瘤细胞，具有从细胞水平高选择性地杀死肿瘤细胞的优点，从原理上讲是治疗恶性肿瘤的理想方法。但目前BNCT仍处于临床试治阶段而未能实施“例行”治疗，究其原因是其中的关键核心技术尚未得到完美解决。剂量的实时精确测量是BNCT治疗质量保证与控制、确保放射治疗疗效、保障患者辐射防护与安全的核心技术。但是，由于受限于中子束流能谱复杂、患者个体差异性、硼在人体内新陈代谢过程的浓度变化和载硼药物在肿瘤组织和细胞内分布的不均匀性等诸多因素，BNCT 剂量的实时测量一直是BNCT 技术中难以完美解决的技术瓶颈。
目前，国内外尚没有一种足够“理想”的BNCT剂量实时测量方法，尤其不能同时满足：1）活体放疗过程中实时在线测量；2）考量体内实时含硼药物浓度分布因素。因此，急需发展一种用于硼中子俘获治疗剂量实时测量的新方法，能够结合含硼药物浓度的分布实现实时在体剂量测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术缺陷，提供一种能够考量含硼药物浓度分布、实时在线性好、测量简单的硼中子俘获治疗剂量测量方法。
本发明的硼中子俘获治疗剂量测量方法，包含以下步骤：
1）基于等效数字体模，获得注射含硼药物前的单位体积切伦科夫光光强分布Nc1（x，y，z）；
2）在硼中子俘获治疗前，设置探测条件与治疗过程中相同，利用光学探测器获取单个角度的杂散辐射背景数据和环境光背景数据；
3）在硼中子俘获治疗过程中，利用多个光学探测器结合旋转装置获取肿瘤及其周围区域的多角度光学信号，扣除杂散辐射背景数据及环境光背景数据后获得各角度的切伦科夫光光强数据，结合相应的空间角度信息进行光学断层重建，获得肿瘤及其周围区域的单位体积切伦科夫光光强分布Nc2（x，y，z）；
4）根据步骤1）和3）得到的单位体积切伦科夫光光强变化量的分布△Nc（x，y，z），结合建立的不同含硼药物浓度和单位体积切伦科夫光光强变化量的关系数据库，进而得到相应的含硼药物浓度分布B（x，y，z）；
5）基于切伦科夫光光强和γ剂量之间的定量关系，根据单位体积切伦科夫光光强分布Nc2（x，y，z）得到γ总剂量分布Dγt（x，y，z）；
6）基于含硼药物浓度和氢俘获γ剂量Dγ1与硼俘获γ剂量Dγ2比值之间的关系数据库，获得Dγ1（x，y，z）和Dγ2（x，y，z）；
7）根据Dγ1与氢俘获总剂量DH之间的比例关系、氮俘获总剂量DN与DH之间的比例关系以及Dγ2与硼俘获总剂量DB之间的比例关系，获得DH（x，y，z）、DN（x，y，z）和DB（x，y，z），最终得到硼中子俘获治疗剂量分布Dt（x，y，z）。
步骤1）所述的获得Nc1（x，y，z）的过程具体包括以下步骤：基于等效数字体模，结合热/超热中子源项条件，通过蒙特卡罗工具包Geant4得到注射含硼药物前的单位体积切伦科夫光光强分布Nc1（x，y，z）。
本发明的有益效果在于：
1、利用注射含硼药物前与硼中子俘获治疗过程中单位体积切伦科夫光光强分布的差异，根据单位体积切伦科夫光光强变化量可实时确定含硼药物浓度分布，监测含硼药物在体内的累积及代谢情况，确保硼中子俘获治疗的疗效。
2、根据硼中子俘获治疗过程中单位体积切伦科夫光光强分布以及含硼药物浓度分布，基于切伦科夫光光强和γ剂量之间的定量关系，并结合热/超热中子与不同元素反应产生各类剂量之间的比例关系，能够实时得到硼中子俘获治疗剂量，以确保硼中子俘获治疗的疗效及保障患者辐射安全。
附图说明
图1为本发明实例提供的BNCT中子束流在脑组织中产生切伦科夫光及其探测示意图。
图2为本发明硼中子俘获治疗剂量测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为BNCT中子束流在脑组织中产生切伦科夫光及其探测示意图。在未注射含硼药物前，热/超热中子与脑组织的发生的相互作用包括氢俘获反应和氮俘获反应。在硼中子俘获治疗过程中，如图1所述，热/超热中子与脑组织发生的相互作用主要包括氢俘获反应、氮俘获反应以及硼中子俘获反应；氢俘获反应和硼中子俘获反应过程中会产生γ射线，进而通过电磁相互作用产生次级电子，能量超过切伦科夫光阈能的电子将发射切伦科夫光，最终能够被光学探测器所收集。含硼药物注射后导致脑组织内元素构成及其含量发生变化，热/超热中子发生各种相互作用的几率受到影响，造成切伦科夫光光强随含硼药物浓度有规律性的改变。根据注射含硼药物前与硼中子俘获治疗过程中单位体积切伦科夫光光强分布的差异，即可得到含硼药物浓度分布；同时，根据单位体积切伦科夫光光强分布得到γ总剂量分布，结合热/超热中子与不同元素反应产生各类剂量之间的比例关系，最终得到硼中子俘获治疗剂量分布。
图2本发明硼中子俘获治疗剂量测量方法的流程示意图，具体过程为：
步骤1）基于数字体模和三维水体模，利用蒙特卡罗工具包Geant4计算得到注射含硼药物前的切伦科夫光光强分布，同时得到硼中子俘获治疗过程中不同含硼药物浓度条件下切伦科夫光光强相对于注射含硼药物前的变化量，建立单位体积切伦科夫光光强变化量与含硼药物浓度之间的关系数据库；
步骤2）利用蒙特卡罗工具包Geant4，计算得到热/超热中子源项条件下切伦科夫光光强和γ剂量之间的定量关系，获得氢俘获γ剂量和硼俘获γ剂量分别与相应反应总剂量之间的比例关系；同时，计算获得氮俘获总剂量和氢俘获总剂量之间的比例关系；
步骤3）利用Geant4计算得到不同含硼药物浓度条件下氢俘获γ剂量和硼俘获γ剂量，建立两者比值和含硼药物浓度之间的关系数据库；
步骤4）基于等效数字体模，结合热/超热中子源项条件，通过蒙特卡罗工具包Geant4得到注射含硼药物前的单位体积切伦科夫光光强分布Nc1（x，y，z）；
步骤5）在硼中子俘获治疗前，设置探测条件与治疗过程中相同，利用光学探测器获取单个角度的杂散辐射背景数据和环境光背景数据；
步骤6）在硼中子俘获治疗过程中，利用多个光学探测器结合探测器旋转装置获取肿瘤及其周围区域的多角度光学信号，扣除杂散辐射背景数据及环境光背景数据后获得各角度的切伦科夫光光强数据，结合相应的空间角度信息进行光学断层重建，将得到的光学断层图像与原始CT解剖结构图进行配准，获得肿瘤及其周围区域的单位体积切伦科夫光光强分布Nc2（x，y，z）；
步骤7）结合步骤4和步骤6中得到的结果，获得单位体积切伦科夫光光强变化量的分布△Nc（x，y，z），进而根据步骤1中所建立的关系数据库，得到相应的含硼药物浓度分布B（x，y，z）；
步骤8）根据步骤6获得的单位体积切伦科夫光光强分布Nc2（x，y，z），结合步骤2中获得的定量关系得到γ总剂量分布Dγt（x，y，z），结合步骤3中的关系数据库获得氢俘获γ剂量分布Dγ1（x，y，z）和硼俘获γ剂量分布Dγ2（x，y，z），进而结合步骤2中获得的比例关系获得氢俘获总剂量分布DH（x，y，z）、氮俘获总剂量分布DN（x，y，z）和硼俘获总剂量分布DB（x，y，z），最终得到硼中子俘获治疗剂量分布Dt（x，y，z）。
本实施例以BNCT中子束流治疗脑部肿瘤对本发明技术方案进行了讲解，本发明所述的硼中子俘获治疗剂量测量方法同样可以用于硼中子俘获治疗可治疗的其它肿瘤，其测量原理和技术方案均一致，在此不再进行赘述。
本发明中所述的多角度光学信号收集是采用多个光学探测器结合探测器旋转装置的方式，在实际过程中可选用高灵敏度EMCCD探测器作为光学探测器，并在条件允许情况下尽可能多的增加探测器数量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明的保护范围不局限于此，对于熟悉本技术领域的技术人员在本发明所述范围内，可以实施本发明的多种修正及变更，这些更改也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种硼中子俘获治疗剂量测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
1）基于等效数字体模，获得注射含硼药物前的单位体积切伦科夫光光强分布Nc1（x，y，z）；
2）在硼中子俘获治疗前，设置探测条件与治疗过程中相同，利用光学探测器获取单个角度的杂散辐射背景数据和环境光背景数据；
3）在硼中子俘获治疗过程中，利用多个光学探测器结合旋转装置获取肿瘤及其周围区域的多角度光学信号，扣除杂散辐射背景数据及环境光背景数据后获得各角度的切伦科夫光光强数据，结合相应的空间角度信息进行光学断层重建，获得肿瘤及其周围区域的单位体积切伦科夫光光强分布Nc2（x，y，z）；
4）根据步骤1）和3）得到的单位体积切伦科夫光光强变化量的分布△Nc（x，y，z），结合建立的不同含硼药物浓度和单位体积切伦科夫光光强变化量的关系数据库，进而得到相应的含硼药物浓度分布B（x，y，z）；
5）基于切伦科夫光光强和γ剂量之间的定量关系，根据单位体积切伦科夫光光强分布Nc2（x，y，z）得到γ总剂量分布Dγt（x，y，z）；
6）基于步骤5）得到的γ总剂量分布D γ t （x，y，z）以及含硼药物浓度和氢俘获γ剂量Dγ 1 与硼俘获γ剂量D γ 2 比值之间的关系数据库，获得D γ 1 （x，y，z）和D γ 2 （x，y，z）；
7）根据Dγ1与氢俘获总剂量DH之间的比例关系、氮俘获总剂量DN与DH之间的比例关系以及Dγ2与硼俘获总剂量DB之间的比例关系，获得DH（x，y，z）、DN（x，y，z）和DB（x，y，z），最终得到硼中子俘获治疗剂量分布Dt（x，y，z）。
2.根据权利要求1所述的硼中子俘获治疗剂量测量方法，其特征在于，步骤1）所述的获得Nc1（x，y，z）的过程包括以下步骤：基于等效数字体模，结合热/超热中子源项条件，通过蒙特卡罗工具包Geant4得到注射含硼药物前的单位体积切伦科夫光光强分布Nc1（x，y，z）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |