一種硼中子俘獲治療劑量測量方法
【專利說明】一種硼中子俘獲治療劑量測量方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于放射治療領(lǐng)域，具體涉及一種用于實時測量硼中子俘獲治療輻射劑量的方法。
技術(shù)背景
[0003]硼中子俘獲治療(BNCT)即利用熱中子與親腫瘤含硼藥物發(fā)生俘獲反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子和7Li粒子殺死腫瘤細(xì)胞，具有從細(xì)胞水平高選擇性地殺死腫瘤細(xì)胞的優(yōu)點，從原理上講是治療惡性腫瘤的理想方法。但目前BNCT仍處于臨床試治階段而未能實施“例行”治療，究其原因是其中的關(guān)鍵核心技術(shù)尚未得到完美解決。劑量的實時精確測量是BNCT治療質(zhì)量保證與控制、確保放射治療療效、保障患者輻射防護(hù)與安全的核心技術(shù)。但是，由于受限于中子束流能譜復(fù)雜、患者個體差異性、硼在人體內(nèi)新陳代謝過程的濃度變化和載硼藥物在腫瘤組織和細(xì)胞內(nèi)分布的不均勻性等諸多因素，BNCT劑量的實時測量一直是BNCT技術(shù)中難以完美解決的技術(shù)瓶頸。
[0004]目前，國內(nèi)外尚沒有一種足夠“理想”的BNCT劑量實時測量方法，尤其不能同時滿足:1)活體放療過程中實時在線測量;2)考量體內(nèi)實時含硼藥物濃度分布因素。因此，急需發(fā)展一種用于硼中子俘獲治療劑量實時測量的新方法，能夠結(jié)合含硼藥物濃度的分布實現(xiàn)實時在體劑量測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種能夠考量含硼藥物濃度分布、實時在線性好、測量簡單的硼中子俘獲治療劑量測量方法。
[0006]本發(fā)明的硼中子俘獲治療劑量測量方法，包含以下步驟:
1)基于等效數(shù)字體模，獲得注射含硼藥物前的單位體積切倫科夫光光強分布NuU，y，
z)；
2)在硼中子俘獲治療前，設(shè)置探測條件與治療過程中相同，利用光學(xué)探測器獲取單個角度的雜散輻射背景數(shù)據(jù)和環(huán)境光背景數(shù)據(jù)；
3)在硼中子俘獲治療過程中，利用多個光學(xué)探測器結(jié)合旋轉(zhuǎn)裝置獲取腫瘤及其周圍區(qū)域的多角度光學(xué)信號，扣除雜散輻射背景數(shù)據(jù)及環(huán)境光背景數(shù)據(jù)后獲得各角度的切倫科夫光光強數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的空間角度信息進(jìn)行光學(xué)斷層重建，獲得腫瘤及其周圍區(qū)域的單位體積切倫科夫光光強分布Nc；2(x，y，z)；
4)根據(jù)步驟1)和3)得到的單位體積切倫科夫光光強變化量的分布ANc(x，y，z)，結(jié)合建立的不同含硼藥物濃度和單位體積切倫科夫光光強變化量的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而得到相應(yīng)的含硼藥物濃度分布B(x，y，z);
5)基于切倫科夫光光強和γ劑量之間的定量關(guān)系，根據(jù)單位體積切倫科夫光光強分布NC2(x，y，z)得到 γ 總劑量分布DYt(x，y，ζ)；
6)基于含硼藥物濃度和氫俘獲γ劑量DYl與硼俘獲γ劑量Dy2比值之間的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，獲得DYi(x，y，z)和DY2(x，y，z)；
7 )根據(jù)DY ?與氫俘獲總劑量Dh之間的比例關(guān)系、氮俘獲總劑量Dn與Dh之間的比例關(guān)系以及0"^2與硼俘獲總劑量08之間的比例關(guān)系，獲得0心，7，2)、0心，7，2)和08(1，7，2)，最終得到硼中子俘獲治療劑量分布Dt( X，y，z )。
[0007]步驟1)所述的獲得Ncl(x，y，z)的過程具體包括以下步驟:基于等效數(shù)字體模，結(jié)合熱/超熱中子源項條件，通過蒙特卡羅工具包Geant4得到注射含硼藥物前的單位體積切倫科夫光光強分布Nu (X，y，z )。
[0008]本發(fā)明的有益效果在于:
1、利用注射含硼藥物前與硼中子俘獲治療過程中單位體積切倫科夫光光強分布的差異，根據(jù)單位體積切倫科夫光光強變化量可實時確定含硼藥物濃度分布，監(jiān)測含硼藥物在體內(nèi)的累積及代謝情況，確保硼中子俘獲治療的療效。
[0009]2、根據(jù)硼中子俘獲治療過程中單位體積切倫科夫光光強分布以及含硼藥物濃度分布，基于切倫科夫光光強和γ劑量之間的定量關(guān)系，并結(jié)合熱/超熱中子與不同元素反應(yīng)產(chǎn)生各類劑量之間的比例關(guān)系，能夠?qū)崟r得到硼中子俘獲治療劑量，以確保硼中子俘獲治療的療效及保障患者輻射安全。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實例提供的BNCT中子束流在腦組織中產(chǎn)生切倫科夫光及其探測示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明硼中子俘獲治療劑量測量方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0013]圖1為BNCT中子束流在腦組織中產(chǎn)生切倫科夫光及其探測示意圖。在未注射含硼藥物前，熱/超熱中子與腦組織的發(fā)生的相互作用包括氫俘獲反應(yīng)和氮俘獲反應(yīng)。在硼中子俘獲治療過程中，如圖1所述，熱/超熱中子與腦組織發(fā)生的相互作用主要包括氫俘獲反應(yīng)、氮俘獲反應(yīng)以及硼中子俘獲反應(yīng);氫俘獲反應(yīng)和硼中子俘獲反應(yīng)過程中會產(chǎn)生γ射線，進(jìn)而通過電磁相互作用產(chǎn)生次級電子，能量超過切倫科夫光閾能的電子將發(fā)射切倫科夫光，最終能夠被光學(xué)探測器所收集。含硼藥物注射后導(dǎo)致腦組織內(nèi)元素構(gòu)成及其含量發(fā)生變化，熱/超熱中子發(fā)生各種相互作用的幾率受到影響，造成切倫科夫光光強隨含硼藥物濃度有規(guī)律性的改變。根據(jù)注射含硼藥物前與硼中子俘獲治療過程中單位體積切倫科夫光光強分布的差異，即可得到含硼藥物濃度分布；同時，根據(jù)單位體積切倫科夫光光強分布得到γ總劑量分布，結(jié)合熱/超熱中子與不同元素反應(yīng)產(chǎn)生各類劑量之間的比例關(guān)系，最終得到硼中子俘獲治療劑量分布。
[0014]圖2本發(fā)明硼中子俘獲治療劑量測量方法的流程示意圖，具體過程為:
步驟1)基于數(shù)字體模和三維水體模，利用蒙特卡羅工具包Geant4計算得到注射含硼藥物前的切倫科夫光光強分布，同時得到硼中子俘獲治療過程中不同含硼藥物濃度條件下切倫科夫光光強相對于注射含硼藥物前的變化量，建立單位體積切倫科夫光光強變化量與含硼藥物濃度之間的關(guān)系數(shù)據(jù)庫；
步驟2)利用蒙特卡羅工具包Geant4，計算得到熱/超熱中子源項條件下切倫科夫光光強和γ劑量之間的定量關(guān)系，獲得氫俘獲γ劑量和硼俘獲γ劑量分別與相應(yīng)反應(yīng)總劑量之間的比例關(guān)系；同時，計算獲得氮俘獲總劑量和氫俘獲總劑量之間的比例關(guān)系；
步驟3)利用Geant4計算得到不同含硼藥物濃度條件下氫俘獲γ劑量和硼俘獲γ劑量，建立兩者比值和含硼藥物濃度之間的關(guān)系數(shù)據(jù)庫；
步驟4)基于等效數(shù)字體模，結(jié)合熱/超熱中子源項條件，通過蒙特卡羅工具包Geant4得到注射含硼藥物前的單位體積切倫科夫光光強分布Nd(x，y，z)；
步驟5)在硼中子俘獲治療前，設(shè)置探測條件與治療過程中相同，利用光學(xué)探測器獲取單個角度的雜散輻射背景數(shù)據(jù)和環(huán)境光背景數(shù)據(jù)；
步驟6)在硼中子俘獲治療過程中，利用多個光學(xué)探測器結(jié)合探測器旋轉(zhuǎn)裝置獲取腫瘤及其周圍區(qū)域的多角度光學(xué)信號，扣除雜散輻射背景數(shù)據(jù)及環(huán)境光背景數(shù)據(jù)后獲得各角度的切倫科夫光光強數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的空間角度信息進(jìn)行光學(xué)斷層重建，將得到的光學(xué)斷層圖像與原始CT解剖結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行配準(zhǔn)，獲得腫瘤及其周圍區(qū)域的單位體積切倫科夫光光強分布 NC2(x，y，z)；
步驟7)結(jié)合步驟4和步驟6中得到的結(jié)果，獲得單位體積切倫科夫光光強變化量的分布ANc(X，y，z)，進(jìn)而根據(jù)步驟1中所建立的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，得到相應(yīng)的含硼藥物濃度分布B(x，y，z);
步驟8)根據(jù)步驟6獲得的單位體積切倫科夫光光強分布12(χ，7，ζ)，結(jié)合步驟2中獲得的定量關(guān)系得到γ總劑量分布DYt(x，y，z)，結(jié)合步驟3中的關(guān)系數(shù)據(jù)庫獲得氫俘獲γ劑量分布DYl(x，y，z)和硼俘獲γ劑量分布DY2(x，y，z)，進(jìn)而結(jié)合步驟2中獲得的比例關(guān)系獲得氫俘獲總劑量分布Dh(X，y，z)、氮俘獲總劑量分布Dn(X，y，z)和硼俘獲總劑量分布Db(x，y，z)，最終得到硼中子俘獲治療劑量分布Dt( X，y，z )。
[0015]本實施例以BNCT中子束流治療腦部腫瘤對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行了講解，本發(fā)明所述的硼中子俘獲治療劑量測量方法同樣可以用于硼中子俘獲治療可治療的其它腫瘤，其測量原理和技術(shù)方案均一致，在此不再進(jìn)行贅述。
[0016]本發(fā)明中所述的多角度光學(xué)信號收集是采用多個光學(xué)探測器結(jié)合探測器旋轉(zhuǎn)裝置的方式，在實際過程中可選用高靈敏度EMCCD探測器作為光學(xué)探測器，并在條件允許情況下盡可能多的增加探測器數(shù)量。
[0017]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于此，對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所述范圍內(nèi)，可以實施本發(fā)明的多種修正及變更，這些更改也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種硼中子俘獲治療劑量測量方法，其特征在于，包含以下步驟: 1)基于等效數(shù)字體模，獲得注射含硼藥物前的單位體積切倫科夫光光強分布Nc^x’y，z)； 2)在硼中子俘獲治療前，設(shè)置探測條件與治療過程中相同，利用光學(xué)探測器獲取單個角度的雜散輻射背景數(shù)據(jù)和環(huán)境光背景數(shù)據(jù)； 3)在硼中子俘獲治療過程中，利用多個光學(xué)探測器結(jié)合旋轉(zhuǎn)裝置獲取腫瘤及其周圍區(qū)域的多角度光學(xué)信號，扣除雜散輻射背景數(shù)據(jù)及環(huán)境光背景數(shù)據(jù)后獲得各角度的切倫科夫光光強數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的空間角度信息進(jìn)行光學(xué)斷層重建，獲得腫瘤及其周圍區(qū)域的單位體積切倫科夫光光強分布Nc；2(x，y，z)； 4)根據(jù)步驟1)和3)得到的單位體積切倫科夫光光強變化量的分布ΛΚ(Χ，7，ζ)，結(jié)合建立的不同含硼藥物濃度和單位體積切倫科夫光光強變化量的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而得到相應(yīng)的含硼藥物濃度分布B(x，y，z); 5)基于切倫科夫光光強和γ劑量之間的定量關(guān)系，根據(jù)單位體積切倫科夫光光強分布NC2(x，y，z)得到 γ 總劑量分布DYt(x，y，ζ)； 6)基于含硼藥物濃度和氫俘獲γ劑量DYl與硼俘獲γ劑量Dy2比值之間的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，獲得DYi(x，y，z)和DY2(x，y，z)； 7 )根據(jù)DY ?與氫俘獲總劑量Dh之間的比例關(guān)系、氮俘獲總劑量Dn與Dh之間的比例關(guān)系以及0"^2與硼俘獲總劑量08之間的比例關(guān)系，獲得0心，7，2)、0心，7，2)和08(1，7，2)，最終得到硼中子俘獲治療劑量分布Dt( X，y，z )。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼中子俘獲治療劑量測量方法，其特征在于，步驟1)所述的獲得Nca(X，y，Z)的過程包括以下步驟:基于等效數(shù)字體模，結(jié)合熱/超熱中子源項條件，通過蒙特卡羅工具包Geant4得到注射含硼藥物前的單位體積切倫科夫光光強分布Nd(X，y，z)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硼中子俘獲治療劑量測量方法，包括根據(jù)注射含硼藥物前與硼中子俘獲治療過程中單位體積切倫科夫光光強分布的差異，可實時確定含硼藥物濃度分布；同時，根據(jù)硼中子俘獲治療過程中的單位體積切倫科夫光光強分布得到γ總劑量分布，依據(jù)熱/超熱中子與不同元素反應(yīng)產(chǎn)生各類劑量之間的比例關(guān)系，進(jìn)而最終得到硼中子俘獲治療劑量分布。本發(fā)明提供了一種能夠考量含硼藥物濃度分布、實時在線性好、測量簡單的硼中子俘獲治療劑量測量方法，可有效確保硼中子俘獲治療的療效及保障患者輻射安全。
【IPC分類】A61N5/10, G01T1/02
【公開號】CN105445777
【申請?zhí)枴緾N201510863305
【發(fā)明人】湯曉斌, 舒迪昀, 龔頻, 耿長冉, 陳達(dá)
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年12月1日