基于切伦科夫效应的硼中子俘获放射治疗剂量测量新方法及其机理研究

Limited to the complexity of the neutron beam spectra, the difference of individual patients, the concentration change and heterogeneous distribution of Boron in human body, it is difficult to real-time measure the radiation dose in Boron Neutron Capture Therapy (BNCT). Resolving the key problem is the frontier of the interdiscipline for radiation dosimetry, neutron physics and radiation physics. Based on the Cherenkov effect generated by the interaction between neutron and human tissue, this project plans to explore the relationship between the real-time irradiation doses and the optical properties of Cherenkov light by BNCT, develop a novel real-time in vivo dosimetry method of BNCT. This project includes the following three main works: ① to reveal the principle of the energy deposition of thermal neutron or epithermal neutron and the generation of Cerenkov radiation in human tissue materials, to establish the association response relationship between the treatment doses and Cerenkov light optical properties. ② to investigate the mechanism of Nano Quantum Dots on the enhancement of Cerenkov light tissue penetration, and to explore the influence rules of the stray radiation, background light on the optical detection SNR (Signal Noise Ratio) in CMOS detection, and create a real-time reconstruction technology of 3D-dose distribution and measurement system based on convolution back projection algorithm. ③ to research the interaction of radiation dose field, Cerenkov photon field and boron concentration and distribution, and to discover the mechanism of boron concentration and distribution changes on the real-time treatment dose distribution and Cerenkov photon field and the way to characterize the born concentration by the way.

硼中子俘获治疗（BNCT）受限于中子束流能谱复杂、患者个体差异、硼在体内浓度变化和分布不均匀，造成剂量难以实时精确测量。解决此核心问题是辐射剂量学、中子物理学与放射物理学交叉结合的前沿。本项目基于中子与人体组织相互作用产生的切伦科夫效应，探究BNCT实时照射剂量与切伦科夫光光学特性之间的关联机制，创建一种新的BNCT剂量实时测量技术。①揭示热中子/超热中子在组织中能量沉积转化以及产生切伦科夫辐射的物理机理和作用规律，构建治疗剂量与切伦科夫光光学特性之间的响应关联；②探究杂散辐射、本底光等因素对CMOS光学探测信噪比的影响规律，掌握纳米量子点对增强切伦科夫光组织穿透性的调控机理，创建基于卷积反投影算法的BNCT三维剂量分布实时重建技术和测量系统；③研究辐射剂量场、切伦科夫光子场与硼浓度/硼分布之间的交互作用规律，探究硼浓度/硼分布变化对实时治疗剂量以及切伦科夫光子场特性的影响机理和反向表征。

硼中子俘获治疗（BNCT）受限于中子束流能谱复杂、患者个体差异、硼在体内浓度变化和分布不均匀等诸多因素，剂量的精确测量一直是BNCT技术中难以解决的技术瓶颈。本项目基于BNCT治疗过程中在人体组织中产生的切伦科夫效应，探究了BNCT剂量与切伦科夫光光学特性之间的关联机制，发展了一种新的BNCT剂量测量技术。本项目经过四年的研究，完成了项目立项时计划的研究内容和研究目标，取得了一系列重要成果：1）完成了中子/γ/电子-切伦科夫光子耦合蒙特卡罗方法粒子输运子程序NOMC的开发及验证，揭示了热中子在组织中能量沉积转化以及产生切伦科夫光的物理机制和作用规律，构建了辐射剂量与切伦科夫光光学特性之间的响应关联模型；2）优化设计了多视角探测器角度分布及探测方法，搭建了基于EMCCD探测器+标准变焦镜头的切伦科夫光测量平台，并基于辐射传输方程创建了三维切伦科夫光快速重建技术，结合测量平台能够实现切伦科夫光三维分布的快速测量；3）通过增加探测距离、透光材料屏蔽和数字图像信号处理等方式有效降低了切伦科夫光测量平台的噪声信号，提高了切伦科夫光探测成像质量，并基于量子点的斯托克斯效应有效增强了切伦科夫光在组织中的穿透性；4）揭示了热中子束辐射剂量场、切伦科夫光光子场与硼浓度之间的交互作用规律，创建了基于切伦科夫光光学特性变化的硼浓度测量方法，发展了考量硼浓度条件下的BNCT剂量表征方法。同时，在本项目四年实施期内，共发表SCI论文12篇和中文核心论文2篇；申请中国发明专利2项（已授权1项）；并在国内外会议积极开展大量的学术交流活动；项目负责人以本项目的相关研究成果作为重要支撑和研究基础，带领课题组于2016年获批了国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项，于2017年获批了国家重点研发计划数字诊疗装备研发重点专项。本项目的顺利实施及所获得的研究成果，能够在将来用于BNCT治疗质量保证与控制、确保放射治疗疗效和保障患者辐射防护与安全，有助于BNCT 这一恶性肿瘤有效治疗方法的推广应用。