早期非小细胞肺癌立体定向放射治疗并发症个体化预测模型研究

The advantage of stereotactic ablative radiotherapy (SABR) on early stage non-small cell lung cancer (NSCLC) is significant and widely accepted. However, the high irradiation dose of single fraction makes the traditional radiobiological models unavailable, including unable to evaluate the biological equivalent dose between schemes and unable to predict toxicities before treatment. Our previous clinical observation and biological modeling experience proved that, the accurate biological equivalent dose (BED) model and individual factors can be used to correct the traditional normal tissue complication probability (NTCP) models to predict toxicities for SABR. This project aims to establish new radiobiological models for early stage NSCLC SABR: first, to establish a general widely used BED model for SABR which can transform the physical irradiation dose to the biological absorbed dose; second, to establish an individual complication predictive model based on clinical characteristics and complication follow-up results. The new predictive model is proposed to be able to calculate the risk of SABR based on SABR dose fractions and individual factors, which can also guide the specific treatment plans while keeping expected treatment outcomes and safe organ at risk.

立体定向放射治疗对治愈早期非小细胞肺癌疗效显著，但其少分次、大剂量照射的特点将导致传统放射生物学模型无法被用来准确评价不同照射方案间的生物等效剂量、无法准确预测并发症风险。在前期临床观察及生物建模研究工作的基础上我们发现，准确的生物等效剂量评价模型和个体化的临床因素可以用来修正群体化的正常组织并发症概率模型，实现对立体定向放疗并发症的准确预测。本项目针对早期非小细胞肺癌，首先在不同剂量模式行细胞辐射凋亡实验，建立立体定向放疗生物等效剂量统一评价模型，实现体外物理辐射剂量向体内生物吸收剂量的等效转换；然后在患者临床特征和放射性肺损伤随访数据的基础上，建立适用于立体定向放疗的并发症个体化预测模型，准确评估单次大剂量照射及个体化因素带来的并发症风险，实现在不同剂量分割模式指导医生准确调整治疗计划，为患者制定出“量体裁衣”的立体定向放疗方案，在保证肿瘤控制率的同时，更好地保护肿瘤周围重要器官。

立体定向放射治疗对治愈早期非小细胞肺癌疗效显著，但其少分次、大剂量照射的特点将导致传统放射生物学模型无法被用来准确评价不同照射方案间的生物等效剂量、无法准确预测并发症风险。. 针对这一问题，本项目开展如下三方面研究：1. 建立立体定向放疗生物等效剂量统一评价模型，实现体外物理辐射剂量向体内生物吸收剂量的等效转换；2.建立适用于立体定向放疗的并发症个体化预测模型，评估单次大剂量照射及个体化因素带来的并发症风险，实现在不同剂量分割模式指导医生准确调整治疗计划；3. 利用放疗在线影像和自适应放疗剂量学信息进行组学特征分析，及早发现、预测潜在的并发症风险，在保证肿瘤控制率的同时，更好地保护肿瘤周围重要器官。. 我们提出的一种肿瘤放射治疗中生物效应剂量确定方法及系统（授权发明专利），显著提高了立体定向放疗生物效应剂量曲线拟合精度。提出一种放疗并发症预测方法（授权发明专利），揭示了不同剂量分割方案带来的并发症风险差异。以前列腺癌放疗引起直肠损伤数据为例，并发症预测精度从74%提升到90%以上。放射生物模型预测指标参与前列腺癌放疗计划优化，膀胱远期并发症风险降低近20%。提出的BM3D+DFR方法（授权发明专利）显著提升Tomo MVCT在线影像质量，对比噪声比平均提高65.4%，电子密度损失小于0.1%。在国内首次证实了Tomo MVCT图像纹理特征稳定性，85%入选特征的一致性相关系数大于0.9。. 系列研究成果参与申报并获得国家科技进步二等奖1项（支撑“科技创新二——物理精准”）、山东省科技进步一等奖1项（支撑“科技创新二——推动影像组学技术预测放疗疗效”）、山东医学科技一等奖1项（全面支撑“建立肿瘤调强放射治疗个体化生物优化技术体系”）。部分发明专利已启动产业转化，对应美国发明专利进入实审阶段。. 在本项目的支持下，从理论、技术到临床实践全面推进肿瘤放疗生物效应剂量的研究和应用，得到国内放疗领域同行认可。