申请/专利权人：戴立言;周云

申请日：2019-03-15

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN109712714B

主分类号：G16H50/50

分类号：G16H50/50

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2020.07.03#实质审查的生效;2019.05.03#公开

摘要：本发明公开一种放射治疗等效均匀剂量计算的模型方法，不根本改变LQ模型又能很好地反映单次大剂量下细胞生存情况，保证原有临床经验继续有效，在原数据稍加修正后也能用于大剂量照射的效果评估；基于分段二次函数模型的等效均匀剂量，利用该公式，治疗计划系统可以迅速获得肿瘤及正常组织的等效均匀剂量，利于不同剂量分割模式不同剂量分布形态的放疗方案比较评估，用分段二次函数模型解决了传统线性二次模型对大剂量照射后细胞存活率预测偏差大的问题，基于该模型的等效均匀剂量模型使不同剂量分布下的治疗效果可以相互比较，将潜在倍增时间纳入后，单次大剂量照射在克服细胞增殖方面的优势得以体现，基本解决了临床应用放射生物模型中的困难。

主权项：1.一种放射治疗等效均匀剂量计算的模型方法，其特征在于，按下述步骤实施：第一步：确定LQ模型在高剂量区的延伸；设定放射生物学效应E为单次剂量d的函数，其Taylor展开式如式（1）； 第二步：假设用生存率的对数表示放射生物学效应，并将lnSF函数在d0处展开后至二阶函数，得式（2）； 第三步：确定传统的线性二次模型式；依式（1）在d0为0处展开至二阶函数，即为传统的线性二次模型式（3）； 第四步：设于d0处，2、3两式的导数相同，可以求得； 第五步：将细胞生存曲线公式改写为分段函数； 第六步：基于改进的数学模型后的等效均匀剂量进行推导；设定总存活率式（7）为不同剂量区域内的细胞存活率区域内细胞数加权后的值： 其中，vi为单位体素所对应的体积，ρi为单位体素所对应的细胞密度，Di为单位体素内的照射总剂量；第七步：考虑细胞潜在倍增时间后，生存曲线可由如下分段函数描述： 其中，t为倍增开始后的总治疗时间，为潜在倍增时间；第八步：得出靶区内肿瘤细胞平均生存率为： 其中：为线性二次模型拟合较好区间内的最大阈值；第九步：理想均匀剂量分布下的肿瘤平均生存率为： 第十步：设均匀剂量与实际剂量照射效果相同； 第十一步：得出对应参考分次剂量下的参考总剂量为： （12）。

全文数据：一种放射治疗等效均匀剂量计算的模型方法技术领域本发明一种放射治疗等效均匀剂量计算的模型方法，属于放射治疗技术领域。背景技术肿瘤放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种治疗方法，与手术和药物治疗一样，放疗已成为肿瘤治疗的一个重要的治疗手段。放射治疗的根本目的，是给肿瘤区域很高的治愈剂量，而其周围组织和器官接受的剂量最少。它可以理解为必须在肿瘤组织和正常组织的剂量效应之间取得适当的折中的剂量。经过一个多世纪的临床实践，证实分次放射治疗已成为业内公认的行之有效的放射治疗的基本原则。临床和生物研究证明，照射分次的次数和单次剂量的大小是影响放射生物效应的极其重要的因素，例如同样总剂量为5000cGy，500cGyx10次的方案与250cGyx25次的方案，会有很大的临床效果差异。对于不同的分次数和单次剂量所产生的生物效应，临床上通常会使用LQ线性二次模型来进行计算，即通过总剂量和分次的次数，来计算照射后细胞存活率。公式如下：其中：S为细胞存活率；α为单位剂量的单个射线粒子使细胞直接杀灭的平均概率；β为单位剂量平方的两个射线粒子使细胞杀灭的平均概率；N为分次数。实际上，α和β不仅与组织有关，而且与所用的射线能量有关。该模型公式在低剂量段与实验结果符合很好，但是在高剂量段，与实验结果存在较大的差异。临床上通常用生存率S的对数表示放射生物学效应E，即：考虑到肿瘤靶区内部不同区域剂量分布不均匀，为了衡量剂量分布的不均匀性带来的总的生物效应，临床上通常使用等效均匀剂量EUD来计算，公式如下：其中，Di是体积元素‘i’的剂量，vi是元素‘i’对应的体积，a是参数。随着放射治疗方式的改进，临床不断尝试着新的剂量分割模式，也取得了不错的治疗效果。过去几十年，立体定向体部放疗（stereotacticbodyradiotherapy，SBRT）技术取得了快速发展，在体部的多种肿瘤的治疗中取得了较好的疗效并积累了大量的经验。SBRT是利用比较高的单次剂量，进行较少几次照射即能达到根治性剂量以消灭肿瘤，即少分次，单次大剂量的治疗模式。立体定向放射治疗（SBRT）已被尝试用于诸多前瞻性研究中，并被临床认可作为治疗局部进展或术后复发肿瘤的一种方式。目前已有研究发现，SBRT较常规治疗的优势在于其较短的疗程避免了治疗过程中的不确定性以及单次大剂量对于肿瘤细胞较好的杀灭作用。由于LQ线性二次模型在高剂量段的缺陷，其对单次大剂量照射后细胞存活率的估算存在较大偏差，而基于其建立的生物等效剂量（BED）换算公式也会高估大分割剂量模式下的照射效果。所以目前行业内广泛使用的LQ线性二次模型在立体定向放射治疗（SBRT）中应用时存在较大的缺陷。临床亟需一种不根本改变LQ模型又能很好地反映单次大剂量下细胞生存情况的公式，以保证原有临床经验继续有效，原数据稍加修正后也能用于大剂量照射的效果评估计算方法。发明内容本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种放射治疗等效均匀剂量计算的模型方法，不根本改变LQ模型又能很好地反映单次大剂量下细胞生存情况，保证原有临床经验继续有效，在原数据稍加修正后也能用于大剂量照射的效果评估。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种放射治疗等效均匀剂量计算的模型方法，按下述步骤实施：第一步：确定LQ模型在高剂量区的延伸；设定放射生物学效应E为单次剂量d的函数，其Taylor展开式如式（1）；第二步：假设用生存率的对数表示放射生物学效应，并将lnSF函数在处展开后至二阶函数，得式（2）；第三步：确定传统的线性二次模型式；依式（1）在d0为0处展开至二阶函数，即为传统的线性二次模型式（3）；第四步：设于处，2、3两式的导数相同，可以求得；第五步：将细胞生存曲线公式改写为分段函数；第六步：基于改进的数学模型后的等效均匀剂量进行推导；设定总存活率式（7）为不同剂量区域内的细胞存活率区域内细胞数加权后的值：其中，vi为单位体素所对应的体积，ρi为单位体素所对应的细胞密度，Di为单位体素内的照射总剂量；第七步：考虑细胞潜在倍增时间后，生存曲线可由如下分段函数描述：其中，t为倍增开始后的总治疗时间，为潜在倍增时间；第八步：得出靶区内肿瘤细胞平均生存率为：其中：为线性二次模型拟合较好区间内的最大阈值；第九步：理想均匀剂量分布下的肿瘤平均生存率为：第十步：设均匀剂量与实际剂量照射效果相同；第十一步：得出对应参考分次剂量下的参考总剂量为：本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明分段二次函数模型解决了传统线性二次模型对大剂量照射后细胞存活率预测偏差大的问题。基于该模型的等效均匀剂量模型使不同剂量分布下的治疗效果可以相互比较，将潜在倍增时间纳入后，单次大剂量照射在克服细胞增殖方面的优势得以体现，基本解决了临床应用放射生物模型中的困难。具体实施方式本发明尝试在电子二次杀伤理论的基础上，修改线性二次模型，将函数依照单次剂量的不同，分段拟合，模型与实验数据之间的匹配效果更好；同时利用平均生存率相等的原理，设计新的等效均匀剂量模型（EUD）以修正靶区剂量分布不均的情况，帮助实现单次大剂量、大分割治疗模式与常规分割模式疗效的互相转化，构建新的生物剂量转换平台本发明推导了基于分段二次函数模型的等效均匀剂量，利用该公式，治疗计划系统可以迅速获得肿瘤及正常组织的等效均匀剂量，利于不同剂量分割模式不同剂量分布形态的放疗方案比较评估。本发明分段二次函数模型解决了传统线性二次模型对大剂量照射后细胞存活率预测偏差大的问题。基于该模型的等效均匀剂量模型使不同剂量分布下的治疗效果可以相互比较，将潜在倍增时间纳入后，单次大剂量照射在克服细胞增殖方面的优势得以体现，基本解决了临床应用放射生物模型中的困难。LQ模型在高剂量区的延伸放射生物学效应E为单次剂量d的函数，其Taylor展开式如式（1）：用生存率的对数表示放射生物学效应，并将lnSF函数在处展开后至二阶函数，得式（2）：依式（1）在d0为0处展开至二阶函数，即为传统的线性二次模型式（3）。设于处，2、3两式的导数相同，可以求得：因此，将细胞生存曲线公式改写为分段函数:基于改进的数学模型后的等效均匀剂量推导:总存活率式（7）为不同剂量区域内的细胞存活率区域内细胞数加权后的值。其中，vi为单位体素所对应的体积，ρi为单位体素所对应的细胞密度，Di为单位体素内的照射总剂量。考虑细胞潜在倍增时间后，生存曲线可由如下分段函数描述：其中，t为倍增开始后的总治疗时间，为潜在倍增时间。由此得出靶区内肿瘤细胞平均生存率为：其中：为线性二次模型拟合较好区间内的最大阈值；理想均匀剂量分布下的肿瘤平均生存率为：上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

权利要求：1.一种放射治疗等效均匀剂量计算的模型方法，其特征在于，按下述步骤实施：第一步：确定LQ模型在高剂量区的延伸；设定放射生物学效应E为单次剂量d的函数，其Taylor展开式如式（1）；第二步：假设用生存率的对数表示放射生物学效应，并将lnSF函数在d0处展开后至二阶函数，得式（2）；第三步：确定传统的线性二次模型式；依式（1）在d0为0处展开至二阶函数，即为传统的线性二次模型式（3）；第四步：设于d0处，2、3两式的导数相同，可以求得；第五步：将细胞生存曲线公式改写为分段函数；第六步：基于改进的数学模型后的等效均匀剂量进行推导；设定总存活率式（7）为不同剂量区域内的细胞存活率区域内细胞数加权后的值：其中，vi为单位体素所对应的体积，ρi为单位体素所对应的细胞密度，Di为单位体素内的照射总剂量；第七步：考虑细胞潜在倍增时间后，生存曲线可由如下分段函数描述：其中，t为倍增开始后的总治疗时间，为潜在倍增时间；第八步：得出靶区内肿瘤细胞平均生存率为：其中：为线性二次模型拟合较好区间内的最大阈值；第九步：理想均匀剂量分布下的肿瘤平均生存率为：第十步：设均匀剂量与实际剂量照射效果相同；第十一步：得出对应参考分次剂量下的参考总剂量为：（12）。

百度查询： 戴立言;周云 一种放射治疗等效均匀剂量计算的模型方法

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