Målet med strålebehandling er at levere en ordineret stråledosis til tumormålet, samtidig med at skader på omgivende normalt væv begrænses. Dette opnås i øjeblikket ved hjælp af befolkningsbaseret behandlingsplanoptimering, baseret på foruddefinerede dosisbaserede mål og organ-at-risk (OAR) begrænsninger udviklet fra den aggregerede respons på stråling fra en bred patientpopulation. Desværre varierer effektiviteten og toksiciteten af sådanne standardiserede behandlingsplaner, fordi patienter og deres tumorer har individuelle biologiske karakteristika.
Med henblik på at give en mere personlig tilgang til planlægning af strålebehandling har forskere ved University of Michigan har udviklet en ny intensitetsmoduleret radioterapi (IMRT) optimeringsstrategi, der direkte inkorporerer patientspecifikke dosis-respons-modeller i planlægningsprocessen. Deres teknik, beskrevet i Medicinsk fysik, er baseret på maksimering af den forudsagte værdi af overordnet behandlingsnytte – defineret som sandsynligheden for lokal kontrol minus den vægtede sum af toksicitetssandsynligheder.
Den nye planlægningsmetode, kaldet prioritized utility optimization (PUO), udvider standardtilgange ved at inkorporere personaliserede faktorer relateret til radiosensitiviteten af tumorer og OAR'er. OAR-radiotoksicitet kan for eksempel påvirkes af alder, rygestatus, genekspression, molekylære markører og allerede eksisterende tilstande såsom hjertesygdom. Andre samtidige behandlinger kan også påvirke effektiviteten af strålebehandling.
For at validere deres strategi, hovedefterforsker Martha Matuszak og kolleger brugte PUO-metoden til at lave IMRT-planer for fem patienter med ikke-småcellet lungekræft (NSCLC). De rapporterer, at PUO-planlægning forbedrede den lokale kontrol for alle patienter sammenlignet med de konventionelle planer, der var blevet brugt til deres behandlinger.
"NSCLC-patienter repræsenterer en meget heterogen gruppe med variation i omfang og lokalisering af sygdommen," forklarer hovedforfatter Daniel Polan. "I kombination med anden anatomisk variabilitet kan disse faktorer drastisk påvirke behandlingsplanlægningen, herunder eventuelle forventede gevinster fra forskellige optimeringsmetoder. Til indledende gennemførlighedstest af vores metode udvalgte vi derfor fem tilfælde til at repræsentere diversitet i patientstørrelse, tumorstørrelse, placering og lateralitet, ud over diversitet i dosiskovariater, der påvirker forudsagte resultater."
For at skabe patientspecifikke IMRT-planer brugte forskerne først et kommercielt behandlingsplanlægningssystem til at beregne dosis baseret på en indflydelsesmatrix af beamlet-dosisbidrag til regioner af interesse. De løser derefter to optimeringsproblemer for at generere optimale beamlet-vægte, der kan importeres tilbage til TPS'en.
Det første optimeringsproblem maksimerer den overordnede plannytte underlagt typiske kliniske dosisbegrænsninger ved at optimere afvejningen mellem effektivitet og toksicitet baseret på individualiserede dosis-respons-modeller. Den anden minimerer konventionelle dosis-baserede mål, underlagt de samme dosisbegrænsninger som den første, mens den bibeholder den optimale nytte, bestemt fra den første optimering.
For alle fem patienter genererede PUO-tilgangen med succes optimale strålevægte, der maksimerede anvendeligheden, mens de forblev inden for dosisbaserede begrænsninger. Til undersøgelsen sammenlignede forskerne disse PUO IMRT-planer med de klinisk leverede 3D-konforme strålebehandlingsplaner (CRT) og med retrospektivt genererede dosis-kun optimering (DOO) IMRT og volumetrisk-moduleret lysbueterapi (VMAT) planer.
Sammenlignet med 3DCRT-, VMAT- og DOO IMRT-planerne forbedrede PUO-metoden plannytten med et gennemsnit på henholdsvis 40 %, 32 % og 31 %. PUO-planerne viste en gennemsnitlig forbedring på 17 % i lokal kontrol med lignende toksicitet som konventionel planlægning.
Som forventet var omfanget af fordelene ved PUO IMRT-planerne forskelligt blandt patienterne. Polan rapporterer, at PUO for én patient resulterede i en nytteforbedring på 70 % i forhold til konventionel DOO. "Dette svarer til en absolut forbedring på 32% i den forudsagte sandsynlighed for progressionsfri overlevelse, mens den kun øger den forudsagte sandsynlighed for strålingsinduceret lungetoksicitet med 2%," siger han. "Denne væsentlige afvejning har potentialet til i høj grad at forbedre sygdomsoverlevelse og samtidig minimere indvirkningen på en patients livskvalitet efter behandling."
For en anden patient, der havde en stor tumor, var forbedringerne dog minimale. Polan forklarer, at for større tumorer bliver behandlingsplanlægningen typisk mere begrænset på grund af øget integral dosiskrav og en nedsat evne til at undgå at grænse op til normalt væv.
AI framework bruger medicinske billeder til at individualisere strålebehandlingsdosis
Teamet understreger, at PUO-metoden giver en kvantitativ måde at bestemme, hvilke patienter der kan drage fordel af dosiseskalering eller omfordeling, baseret på patientspecifikke kliniske faktorer og biomarkører, samtidig med at der tages højde for patientgeometri og OAR-dosisgrænser.
Forskerne udfører i øjeblikket store retrospektive undersøgelser med det mål at udvikle et prospektivt klinisk forsøg, der anvender PUO-behandlingsplanlægningsstrategien. Deres forskning er centreret omkring integrering af patientdata og personlige udfaldsforudsigelser direkte i strålebehandlingsplanlægning, med et aktuelt fokus på lever-, lunge- og hoved- og halskræft, hvor balancering af de positive og negative virkninger af strålebehandling kan have en betydelig indvirkning på en patients overordnede kvalitet. -liv.
