DBSCANアルゴリズムを用いた陽子線および炭素イオン線ビーム品質評価とDNA損傷収量予測
Sanhanat Chaibura1,2, Thiansin Liamsuwan3,4
1Princess Srisavangavadhana Faculty of Medicine, Chulabhorn Royal Academy, 906 Kampangpetch 6 Rd., Talat Bang Khen, Lak Si, Bangkok, 10210, Thailand.
Scientific reports
|February 24, 2026
まとめ
本研究では、陽子線および炭素イオン線によるDNA損傷を予測するための単純化されたDBSCANモデルを導入します。新しいビーム品質指標は、DNA損傷収量と効果的に相関し、イオン線ビーム品質評価のための計算効率の高い代替手段を提供します。
科学分野:
- 医用物理学
- 放射線生物学
- 計算生物学
背景:
- 様々な電離放射線種の相対生物学的有効性（RBE）を決定するためには、放射線誘発DNA損傷の正確なモデリングが不可欠です。
- 既存のモデルは、しばしば複雑な計算を必要としたり、直接的な生物学的関連性を欠いたりします。
研究 の 目的:
- 陽子線および炭素イオン線によって誘発されるDNA損傷のモデリングのための、単純化された計算効率の高いフレームワークを開発すること。
- クラスタリングアルゴリズムから導出される新しいビーム品質指標、ビーム品質（QoB）を導入すること。
- DNA損傷収量（DSBおよびSSB）とQoBとの相関を確立し、生物学的有効性を予測すること。
主な方法:
- 0.5～200 MeVの陽子線のシミュレートされた物理的トラック構造に対してDBSCANアルゴリズムを利用しました。
- 17.5 eV以上のエネルギー沈着によってDNA損傷を定義しました。
- 損傷点のクラスタを確立し、クラスタ対ノイズ比をDSB対SSB収量比として定義しました。
- 正規化されたQoB（キロ電子ボルトあたりのクラスタ数）をビーム品質指標として導入しました。
主要な成果:
- 正規化されたQoBと陽子線のDSB収量との間に強い線形相関が見られ、DSBおよびSSB収量の直接推定が可能になりました。
- このフレームワークは炭素イオン線にも適用され、同様の線形相関が200 keV/µm LETまで示されましたが、それ以降はオーバーキル効果が現れました。
- 正規化されたQoBはRBE-LET傾向を質的に再現し、LETに代わる生物学的に意味のある代替手段であることが示されました。
結論:
- DBSCANベースのフレームワークは、イオン線ビーム品質の評価とDNA損傷収量の予測のための計算効率が高く堅牢な方法を提供します。
- 新しいQoB指標は、放射線品質の特性評価において、LETのような従来の指標に代わる生物学的に関連性の高い代替手段を提供します。
- この単純化されたモデルは、RBEの理解と放射線療法計画の最適化に役立ちます。
