使用DBSCAN算法预测DNA损伤产量并评估质子和碳离子的光束质量
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
概括
本研究引入了一种简化的DBSCAN模型,用于预测来自质子和碳离子辐射的DNA损伤. 新的光束质量指标有效地与DNA损伤产量相关,为评估离子束质量提供了计算效率高的替代方案.
科学领域:
- 医学物理 医学物理
- 辐射生物学 辐射生物学
- 计算生物学 计算生物学
背景情况:
- 对辐射诱导的DNA损伤的准确建模对于确定各种电离辐射类型的相对生物有效性 (RBE) 至关重要.
- 现有的模型通常需要复杂的计算或缺乏直接的生物相关性.
研究的目的:
- 开发一个简化的,计算效率高的框架来建模由质子和碳离子诱导的DNA损伤.
- 引入一个新的光束质量指标,光束质量 (QoB),来自集群算法.
- 建立 QoB 和 DNA 损伤产量 (DSB 和 SSB) 之间的相关性,以预测生物有效性.
主要方法:
- 在模拟的0.5-200 MeV质子物理轨迹结构上利用了DBSCAN算法.
- 通过能量沉积的定义DNA损伤诱导≥17.5 eV.
- 建立了损坏点的集群,并将集群与噪声的比率定义为DSB与SSB的收益率比率.
- 引入了规范化的QoB (每个keV的集群) 作为光束质量指标.
主要成果:
- 在质子的正常化QoB和DSB产量之间发现了强烈的线性相关性,使得DSB和SSB产量的直接估计成为可能.
- 该框架成功地应用于碳离子,显示了高达200 keV/μm LET的类似线性相关性,此后出现了过度杀伤效应.
- 规范化的QoB质量上复制了RBE-LET趋势,并证明了对LET具有生物学意义的替代品.
结论:
- 基于DBSCAN的框架为评估离子束质量和预测DNA损伤产量的计算提供了高效和强大的方法.
- 新的QoB指标提供了一个与传统指标 (如LET) 相比具有生物相关性的替代方案,用于描述辐射质量.
- 这种简化的模型有助于理解RBE和优化放射治疗计划.
