2025年11月13日，南华大学副校长、二级教授于涛在深圳核博会核技术融合创新论坛发表《硼中子俘获治疗计划系统MagicPLAN研发进展》主旨报告。
报告围绕南华大学课题组研发的硼中子俘获治疗计划系统 Magic Plan 展开，先介绍 BNCT 的治疗背景、原理、应用优势和当前发展问题。随后重点说明其基于自主蒙特卡罗程序 Magic MC 改造形成的 Magic DOS 剂量计算引擎，以及在几何建模、剂量计算、数据库、四维动力学、CPU/GPU 加速和人工智能预测方面的研发进展。最后展示了面向 BNCT 的中文治疗计划系统界面和计算流程。
关键点
1. 报告主题与结构（00:43）
报告介绍课题组关于 BNCT 治疗计划系统的研发工作，内容包括硼中子俘获治疗背景、治疗计划系统关键技术、Magic Plan/Magic DOS 的研发进展以及系统特色与演示。
2. 癌症治疗与放疗发展方向（01:13）
癌症治疗主要包括手术、化疗和放疗，其中放疗是重要手段之一。未来放疗的发展方向被概括为精准定位、精确计划和精确治疗。
3. BNCT 的原理与细胞级放疗特点（03:05）
BNCT 近年来因药物和加速器技术进步而受到关注，被称为细胞级放疗。其基本原理是硼俘获中子后产生高能阿尔法粒子和锂核，将能量沉积在细胞尺度，从而更精准地杀伤癌细胞。
4. BNCT 的适用方向与优势（04:30）
报告提到 BNCT 在复发恶性脑胶质瘤、黑色素瘤等方面已有较好应用，也有肺癌治疗效果不错的报道。其优势包括靶向性好、无需增氧、可通过 PET/CT 预测治疗效果、治疗周期较短且治愈率较高。
5. BNCT 发展现状与待解决问题（05:42）
BNCT 在 2020 年之后发展迅速，日本是全球开展较好的国家之一，中国也有运行、在建和规划中的项目。当前 BNCT 急需解决的问题包括中子源、硼药、硼药定量测量以及治疗计划系统 TPS。
6. BNCT 治疗计划系统的蒙特卡罗基础（07:13）
国际上多数 BNCT TPS 以蒙特卡罗方法为剂量计算引擎，包括美国、日本、意大利和台湾等案例。用蒙特卡罗做 TPS 的关键包括前处理、剂量计算和后处理三大部分。
7. Magic Plan 与 Magic DOS 的技术来源（08:44）
课题组基于自主开发的蒙特卡罗计算软件 Magic MC，构建了面向治疗计划系统的专用剂量计算引擎 Magic DOS。Magic MC 原本面向反应堆物理和屏蔽计算，经过改造后用于 BNCT 剂量计算。
8. Magic DOS 的核心模块与剂量输出（10:34）
Magic DOS 保留并强化了几何建模、源项、数据库、输入输出和辅助计算等模块，去除了部分反应堆物理中不需要的功能。系统可输出中子剂量、热中子剂量、超热中子剂量、光子剂量以及总生物效应等结果。
9. BNCT 剂量组成与生物效应评估（12:10）
BNCT 剂量贡献主要包括硼剂量、热中子剂量、光子剂量以及超热中子和快中子剂量。报告强调硼药在肿瘤中的选择性吸收非常关键，目标是使硼尽可能被肿瘤组织吸收，从而提高治疗效果。
10. 加速计算、数据库与模型验证（13:24）
系统采用中子和光子联合耦合输运，并使用 CPU 与 GPU 联合加速以提升计算效率。数据库方面加入人体科马因子库和人体组织库；验证方面展示了头部、肺部体素模型以及基于 CT 图像构建的精细蒙特卡罗模型。
11. Magic DOS 的四维动力学特色（15:07）
Magic DOS 的重要特色是引入四维时空动力学体素模型，将药代动力学和呼吸运动纳入治疗计划计算。报告指出常规连续能量蒙特卡罗难以直接处理动几何，因此课题组通过时空模型与输运方法耦合实现动态几何处理。
12. 药代动力学在 BNCT TPS 中的重要性（16:25）
系统根据硼浓度变化建立药代动力学模型，包括 BPA 二房室模型和 BSH 三房室模型，以获得动态血硼浓度。报告认为药代动力学对 BNCT 治疗计划系统非常重要。
13. 呼吸运动对治疗效果的影响（17:10）
报告指出头部治疗中运动影响较小，但肺部会持续随呼吸运动而变化。通过动几何模型可看到位置变化会明显影响照射和治疗效果，因此呼吸运动需要纳入计算。
14. 人工智能用于快速预测剂量分布（17:43）
课题组希望利用 AI 技术实现图像灰度识别和模型结合，用于预测不同位置的三维剂量分布。报告提到当前预测效果较好，有望在一定程度上替代蒙特卡罗输运的快速迭代过程。
15. Magic DOS 的主要优势（18:27）
Magic DOS 的优势包括专业性强、结构轻量化、自主开发和模块化设计、摆脱外部软件使用限制、内置较完善数据库、支持 CPU/GPU 并行加速、引入人工智能提升准确率，并耦合药代动力学和时空动力学。
16. 系统架构与治疗计划演示（19:53）
报告展示了面向 BNCT 的 Magic DOS 系统架构，包括 Linux、Windows、存储层、数据层、功能层和用户层。随后演示了全中文治疗计划系统界面，包括头部病例设置、粒子输运计算、CPU/GPU 计算速度展示、肿瘤部位剂量水平查看和剂量评估。
时间线
00:00 - 主持人介绍报告题目和报告人，说明主题是 Magic Plan 硼中子俘获治疗计划系统研发进展。
00:43 - 报告人开场，说明将介绍课题组在 BNCT 治疗计划系统方面的工作。
01:13 - 从癌症治疗背景切入，概述现有治疗手段、放疗作用以及未来精准放疗的发展方向。
03:05 - 介绍 BNCT 的热度、基本核反应原理、细胞级能量沉积特征以及相对传统放疗的优势和适应方向。
05:42 - 概述 BNCT 国内外发展现状，并提出中子源、硼药、硼药定量测量和 TPS 是当前关键问题。
07:13 - 转入治疗计划系统技术路线，说明国际上 BNCT TPS 多以蒙特卡罗为核心，并归纳前处理、剂量计算和后处理三大环节。
08:44 - 介绍课题组基于自主 Magic MC 开发 Magic DOS 的过程，说明其从反应堆物理程序改造为 BNCT 专用剂量计算引擎。
10:34 - 展开 Magic DOS 的框架、几何建模、源项描述、剂量组成、数据库建设和体素模型验证。
15:07 - 重点说明 Magic DOS 的特色功能，包括四维时空动力学、药代动力学、呼吸运动建模和动几何蒙特卡罗耦合方法。
17:43 - 介绍 AI 在剂量分布快速预测和迭代中的应用设想与当前效果。
18:27 - 总结 Magic DOS 在轻量化、自主可控、数据库完善、并行加速和动力学耦合方面的优势。
19:53 - 展示 Magic DOS/治疗计划系统的整体架构和全中文操作界面，并演示治疗计划计算与剂量评估流程。
21:52 - 报告结束，报告人向听众致谢。
AI 延伸阅读(下文由AI生成，其内容可能存在偏差，请注意甄别)：
南华大学团队推进BNCT治疗计划系统MagicPLAN自主研发，助力精准放疗国产化
南华大学副校长、二级教授于涛围绕硼中子俘获治疗（BNCT）治疗计划系统MagicPLAN及其剂量计算引擎MagicDOS的研发进展进行了系统介绍。报告从BNCT技术背景出发，梳理了当前癌症治疗中手术、化疗、放疗等主要方式的发展格局，并指出未来放疗的重要方向是精准定位、精确计划和精确治疗，以在提高肿瘤控制效果的同时尽可能减少正常组织损伤。
BNCT是一种具有细胞级精准杀伤特征的放疗技术，其核心机制是利用硼-10吸收中子后发生核反应，释放α粒子和锂-7粒子，并将能量沉积在细胞尺度范围内。由于能量释放距离与细胞尺度相匹配，BNCT有望实现对富集硼药肿瘤细胞的选择性杀伤。报告指出，该技术在复发性恶性脑胶质瘤、黑色素瘤等疾病中已有较多研究和应用探索，对部分肺癌等实体瘤也显示出潜在治疗价值。其优势包括靶向性较好、无需依赖肿瘤增氧、可结合PET-CT进行疗效预测、治疗周期较短等。
从国际发展来看，日本、美国等国家较早开展BNCT研究，其中日本在设施建设、临床研究和系统开发方面处于领先地位。国内近年来也在北京、厦门、山东、台北等地推进BNCT相关平台建设，形成运行、在建和规划并行的发展态势。不过，BNCT走向更广泛临床应用仍面临中子源、硼药、硼药定量测量与疗效评估、治疗计划系统等关键问题。其中，治疗计划系统直接关系到剂量计算、治疗方案设计和临床安全性，是BNCT技术体系中的核心环节之一。
于涛介绍，国际上多数BNCT治疗计划系统采用蒙特卡罗方法作为剂量计算引擎，其关键流程包括前处理、剂量计算和后处理三个环节。前处理需要将患者影像、人体体模和材料信息转换为蒙特卡罗输入文件；剂量计算需要快速准确获得中子、光子及相关生物剂量分布；后处理则用于评估剂量效果并形成治疗计划评价结果。美国、日本、意大利、台湾等多个机构都基于蒙特卡罗程序开发了各自的BNCT治疗计划系统。
南华大学课题组的研发基础来自自主蒙特卡罗程序MagicMC。该程序最初面向反应堆物理和屏蔽计算开发，核心是中子、光子等粒子输运模块，并配套几何、源项、数据库、输出等功能模块。随着研究深入，团队在MagicMC基础上面向BNCT治疗计划需求进行改造，删除部分反应堆物理相关功能，强化医学剂量计算能力，形成了专用剂量计算引擎MagicDOS，并进一步支撑治疗计划系统MagicPLAN建设。
MagicDOS的计算流程从初始数据出发，经过几何建模、材料卡生成、核数据库调用、源项设置和粒子输运计算，最终输出剂量分布与统计结果。系统可处理BNCT治疗中涉及的多类粒子与剂量贡献，包括中子、光子、α粒子、锂核等，并能够输出中子剂量、热中子剂量、超热中子剂量、光子剂量以及总生物效应剂量。针对BNCT剂量学中不同物理剂量需要转换为肿瘤组织和健康组织生物效应的问题，系统建立了相应换算与评价能力，为治疗效果评估提供支撑。
在几何建模和影像建模方面，MagicDOS既支持通过布尔代数方法构建基础几何体模，也支持建立头部、肺部等人体体素模型。实际临床治疗中，系统更强调基于CT、MRI等医学影像生成患者个体化模型，并可实现毫米级体素划分，以更精细地描述人体结构、肿瘤区域和周边危及器官。这种高精度建模能力有助于提高剂量计算结果的可靠性，也为个体化治疗计划制定提供了基础。
报告特别强调了BNCT治疗中硼药分布的重要性。BNCT的治疗优势依赖于硼药在肿瘤组织中的选择性富集，肿瘤与正常组织之间硼浓度比越高，治疗窗口越有利。为更真实反映治疗过程中硼药在体内的变化，MagicDOS引入药代动力学耦合能力，可建立动态血硼浓度模型，并支持BPA二房室模型和BSH三房室模型。通过将药物代谢过程纳入剂量计算，系统能够更贴近真实治疗状态，而不是仅依赖静态硼浓度假设。
MagicDOS的另一项重要特色是四维时空动力学体素模型。传统治疗计划系统往往基于静态几何结构，而BNCT实际治疗过程中，药物浓度会随时间变化，肺部等部位还会受到呼吸运动影响。课题组针对这一问题建立了包含时间因素的动态模型，将药代动力学、呼吸运动和蒙特卡罗输运计算相结合，在不同时间尺度下更新几何状态并开展剂量计算。这一设计有助于更准确评估肿瘤和正常组织位置变化对剂量分布及治疗效果的影响，尤其适用于肺部等运动明显的治疗部位。
在计算效率方面，MagicDOS采用CPU与GPU联合加速策略。CPU负责逻辑性较强的任务，GPU负责大规模并行计算任务，从而提升粒子输运效率，满足治疗计划系统对快速剂量计算的需求。报告还介绍了人工智能在系统中的潜在应用，包括医学影像灰度识别、模型结合和三维剂量分布预测等。AI可用于快速迭代和预治疗效果评估，在一定程度上减少传统蒙特卡罗输运计算的耗时，为临床计划优化提供更高效率的辅助工具。
数据库建设也是该系统的重要组成部分。课题组根据ICRU等权威报告建立人体组织数据库，并构建人体相关Kerma因子库，用于材料建模、剂量换算和BNCT剂量学计算。通过内置多种人体组织数据和剂量学参数，MagicDOS增强了对BNCT场景的适配性，也减少了对国外程序和数据库的依赖。
在系统展示部分，于涛介绍了MagicPLAN治疗计划系统的总体架构，包括Linux架构、Windows架构、存储层、数据层、功能层和用户层。系统采用全中文操作界面，便于国内临床医生、医学物理师和工程人员使用。治疗计划流程包括导入患者影像数据、设置超热中子源和粒子数、开展输运计算、输出剂量分布和治疗计划信息等。系统能够对肿瘤区域及周边组织剂量水平进行评估，并给出治疗计划评价结果，为临床决策提供依据。
MagicPLAN/MagicDOS的研发体现出自主可控、面向临床、轻量化和专业化的特点。相比通用蒙特卡罗程序，该系统面向BNCT治疗计划进行了专门优化，去除了不必要功能，强化了剂量计算、动态建模、并行加速、数据库适配和AI辅助预测能力。其基于C/C++自主开发，采用面向对象和模块化架构，有助于形成可扩展、可维护、适合国内BNCT平台建设的治疗计划系统。
此次报告显示，南华大学课题组已经围绕BNCT治疗计划系统建立了较完整的技术链条，从自主蒙特卡罗程序到专用剂量计算引擎，再到面向临床应用的MagicPLAN系统，覆盖影像建模、源项描述、粒子输运、剂量计算、生物效应评估、动态建模和并行加速等关键环节。随着国内BNCT设施建设加快，这类自主治疗计划系统有望为我国硼中子俘获治疗的临床转化和精准放疗发展提供重要支撑。
