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麻省总医院:物理与生物相结合的质子治疗

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  英国当地时间6月13日,在第58届PTCOG年会全体会议上,美国关键词多维蒙特卡罗模型实验室负责人Jan Schuemann教授做了题为《物理与生物相结合的质子治疗》的演讲,通过介绍TOPAS蒙特卡罗代码、线性能量传递(LET)概念的应用以及不同的生物学模型阐述了质子治疗中物理与生物相结合的概念。质子中国将演讲内容整理后分享给大家。

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  由粒子物理相互作用至产生生物学效应的时间轴

  Schuemann教授表示,临床中评估质子治疗的疗效更多关注的是生物学效应。宏观上讲,我们会关注质子的相对生物学效应(RBE)、肿瘤控制率(TCP)/正常组织并发症概率(NTCP)以及其他能够观测的疗效指标。微观上讲,生物学效应包括DNA损伤、集落形成以及基因克隆检测等。从时间轴上看,由最初的粒子相互作用到生物学终点需要经过物理、物理化学、化学以及生物阶段,产生物理学效应(粒子间相互作用的径迹结构、直接DNA损伤)只需要10-15 s量级的时间,而产生生物学效应(DNA损伤累积、修复过程、微环境改变、毒性反应、肿瘤控制、远隔效应、第二肿瘤发生)则需要经过108 s量级的时间。

  TOPAS蒙特卡罗代码

  2012年,美国SLAC国家加速器实验室、加州大学旧金山分校综合肿瘤中心以及关键词共同研发了TOPAS (TOol for PArticle Simulation)代码,旨在使质子治疗蒙特卡罗模拟的操作过程更加便捷。研究团队将TOPAS代码与其他模拟方法进行对比,被动散射质子治疗QA流程指标以及剂量计算对比结果显示,TOPAS代码能够用于质子治疗的QA流程及治疗计划系统。

  Schuemann教授团队通过对比解析算法与蒙特卡罗算法(TOPAS)进行了进一步探究,并分别应用两种算法计算了508个照射野的剂量分布,部位涵盖肝脏、前列腺、乳腺、脊髓、全脑、肺部以及头颈部。结果提示,照射边界应根据器官异质性而定;针对当前常用的3.5% + 1 mm照射边界,对于同质性器官,可在不应用蒙特卡罗算法的情况下缩小照射边界;对于异质性器官,则可能需要扩大照射边界,并且作者建议将蒙特卡罗算法应用于日常的治疗计划验证过程中。

  剂量——体积直方图(DVH)分析方面,研究人员分别应用解析算法和TOPAS蒙特卡罗算法计算了头颈部、肺部、乳腺、前列腺以及肝脏的平均剂量、V90、D95、D50×D02以及肿瘤控制概率(TCP)。DVH结果显示,两种算法在头颈部及肺部的剂量相关误差最大;在乳腺的V90误差最大;但两种算法的误差在各个部位中均未超过5%。

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