基于含噪声密度聚类算法的质子辐射诱导的DNA集簇性损伤研究

以原子级几何模型模拟脱氧核糖核酸(DNA)分子损伤的遍历算法目前存在着计算时间长、收敛速度慢、计算设备要求高等缺点,因此本文提出一种基于能量沉积点和羟自由基(·OH)位置信息的含噪声密度聚类(DBSCAN)算法,该算法结合概率统计方法,能快速地得到DNA链断裂产额,帮助进一步研究DNA集簇性损伤的变化规律。首先,课题组依托放射生物学蒙特卡罗模拟软件Geant4-DNA,模拟质子和次级粒子在细胞核中的输运以及它们对水分子电离激发的过程,获得粒子能量沉积点和羟自由基的位置信息。然后在简化的细胞核几何模型中,利用损伤发生概率函数计算得到DNA损伤点的空间分布数据集,确定损伤点密度,由DSBCAN算法计算DNA单链断裂(SSB)和双链断裂(DSB)产额。最后分析DNA链断裂产额随传能线密度(LET)值变化的趋势,总结出不同损伤簇的变化规律。实验结果表明,与遍历算法相比,本文新算法模拟速度快且模拟精度高,模拟结果同其他实验和模拟方法相比较,具备良好的一致性。实现了在分子水平上快速获得质子辐射致DNA集簇性损伤更为精细的信息,为辐射生物损伤机制的研究提供了一种重要和有力的研究手段。     

一种基于笔形束核的快速剂量计算方法

针对传统笔形束核剂量算法计算过程复杂、速度较慢的问题,提出一种基于笔形束核的快速剂量计算方法。该方法在球壳坐标系下,利用射束与不同球壳层碰撞后轴线与体素相交情况的相似性,通过对每条射束只计算初始球壳层碰撞点处轴线与体素的相交情况,并将初始球壳层深度与其它球壳层深度的比值作为校正因子得到其他层碰撞点处轴线与体素的相交情况。避免射线追踪法的重复使用,在不影响算法精度的情况下节省大量时间。实验结果表明:在不同射野大小［（3×3）、（5×5）、（10×10） cm2］的水模体中计算深度剂量分布,两种算法的计算精度基本一致,改进算法的计算速度提升约2.7倍。同时当射野面积为（10×10） cm2时,在肺阻块模体和骨阻块模体不同深度的剖面剂量计算中,改进算法与传统算法的计算精度也基本一致,但计算速度提升约2.6倍。     

基于DNA双链断裂损伤簇的相对生物效能模拟计算

目的从追溯辐射引起的DNA损伤机制出发, 根据基本的生物物理原理获取DNA双链断裂(DSB)损伤簇表示的相对生物效能(RBE)值, 探讨DNA损伤与染色体畸变、生殖细胞死亡生物效能的相似性。方法以低能电子、质子、α粒子作为研究对象, 通过辐射物理化学模型, 模拟细胞核受粒子辐射的过程。在基于损伤点密度的含噪声密度聚类(DBSCAN)算法的基础上, 改进DSB损伤簇分类方法, 以减弱模拟过程中损伤点与能量沉积随机分布假设的联系, 使得DSB损伤簇更接近于非随机分布。计算获得DSB损伤簇的产额, 提出以DSB损伤簇计算RBE值的方法。结果 2 MeV α粒子的DSB损伤簇RBE值(12.29)与生物实验中染色体片段(15.3±5.9)、细胞存活(14.7±5.1)表示的RBE相近。结论高传能线密度(LET)电离辐射后, 不同于简单DSB, DSB损伤簇的RBE与染色体畸变、细胞存活生物效能存在一定的相似性。     

诱发生理状态下的脑血流动力学的无创光学评估

许多脑部疾病影响人体自我调节能力,可以通过测量脑部血流(Cerebral Blood Flow,CBF)来评估脑自我调节能力。本研究中利用课题组自行开发的近红外光相关谱血流仪来无创检测CBF,同时使用无创连续血压仪来检测人体的平均动脉压(Mean Arterial Pressure,MAP)。10名健康受试者参加了本研究,我们设计70°头上位倾斜试验来诱发血流动力学的变化,并测量了CBF与MAP的动态关系。使用功率谱分析,我们观察到MAP和CBF数据中约0.1 Hz的人体自发性低频振荡,并且在头上位倾斜试验过程中,MAP和CBF的相关性为78%。本研究提供了脑部自我调节能力的评估方法,对于今后的脑功能评估和疾病诊断具有重要意义。