Patientspecifikke ridge-filtre muliggør konform FLASH-protonterapi

Stereotaktisk kropsstrålebehandling (SBRT) er en præcisionskræftbehandling, der giver færre strålefraktioner med højere dosis end traditionel strålebehandling. SBRT kan give fremragende lokal tumorkontrol, men for nogle tumorlokaliteter risikerer det at udsætte nærliggende organer-at-risk (OAR'er) for uacceptable bestrålingsniveauer. Protonbaseret SBRT giver bedre OAR-besparelse, men kræver stadig nogle behandlingsmargener, der kan begrænse dets kliniske anvendelighed.

FLASH-strålebehandling, hvor stråling leveres med ultrahøje dosishastigheder, kunne muliggøre yderligere sparing af OAR'er. For at undersøge dets potentiale tog et forskerhold op kl Emory University udvikler en ramme til optimering af levering af protonterapi for at imødekomme kravene til FLASH-strålebehandling.

De fleste moderne protonterapisystemer kan opnå FLASH-dosishastigheder ved hjælp af en højenergitransmissionsstråle, der passerer gennem patienten og afsætter dosis gennem hele dens vej. Denne tilgang eliminerer imidlertid den største fordel ved protonterapi: dens evne til at levere dosis i en spredt Bragg-top. For at forbedre overensstemmelsen ved FLASH dosishastigheder, Ruirui Liu og kolleger foreslår, at patientspecifikke ridge-filtre kunne give en dosisfordeling svarende til den for konventionel intensitetsmoduleret protonterapi (IMPT).

For FLASH-behandlinger, dosis, dosisgennemsnitlig dosishastighed (DADR) og dosisgennemsnitlig lineær energioverførsel (LET_d) alle påvirker det biologiske respons. Således udviklede forskerne en integreret fysisk optimeringsramme (IPO), der samtidigt optimerer disse tre parametre for at maksimere OAR-besparelsen i en patients behandlingsplan. Rammen, der er beskrevet i International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, bruger IPO-IMPT objektivfunktionen til at levere flere løsninger til design af patientspecifikke ridge filtre og proton spot maps.

Ridgefiltrene, som bruges i kombination med en rækkeviddekompensator, omfatter en række zigguratformede stifter, der spreder Bragg-toppen fra en 250 MeV-stråle for at dække et strålespecifikt planlægningsmålvolumen. Holdet udviklede invers planlægningssoftware til at definere pin-placeringerne for et patientspecifikt filter og brugte Geant4-baserede Monte Carlo-simuleringer til at levere dosis- og LET-påvirkningsmatricer.

Patientplaner

For at demonstrere IPO-IMPT-rammen udviklede forskerne behandlingsplaner for tre patienter med lungekræft. De ordinerede en dosis på 50 Gy (fem 10 Gy-fraktioner) til det kliniske målvolumen med en maksimal hotspot-dosis på 62.5 Gy. Afhængigt af hvilken parameter der prioriteres, sigter planerne mod at øge FLASH-dækningen og/eller reducere LET_d, mens måldosis opretholdes.

For patient 1, som havde en central lungetumor tæt på hjertet, var OAR'erne hjertet og lungen. Til dette tilfælde genererede forskerne en enkeltstråle IPO-IMPT-plan med det formål at reducere LET_d til hjertet, mens måldækningen bevares. IPO-IMPT-planen nåede dette mål og udviste lignende måldækning som en konventionel IMPT-plan, men reducerede LET markant_d til hjertet.

Patient 2 havde en metastatisk tumor i højre underlap og patient 3 havde en tumor i den subkarinale lymfeknude. I disse tilfælde var spiserøret også en OAR, og hovedmålet var esophagusbesparelse. For både IPO-IMPT og IMPT opfyldte næsten 100 % af spiserørsevalueringsvolumenet 40 Gy/s FLASH-tærsklen. For patient 2 faldt IPO-IMPT let LET_d for hjertet og spiserøret og øget FLASH-dækning for hjertet.

Spart stift design

Regelmæssige ridge-filtre designet ved hjælp af IPO-IMPT-rammen sparede selektivt OAR'er ved at reducere LET og øge FLASH-dækningen. Men sparsomme ridge-filtre, hvorfra nogle stifter er udeladt, giver mulighed for yderligere at øge OAR-besparelsen. Fjernelse af filterstifter på bestemte steder giver en højere protonflux, mens de resterende stifter stadig giver tilstrækkelig måldækning.

For patient 1 genererede forskerne en IPO-IMPT-plan med sparsomme kantfiltre og flere stråler. Sammenligning med en IMPT-plan ved hjælp af almindelige ridge-filtre viste, at tumordækningen for begge blev opretholdt, og hotspots var godt kontrolleret. De sparsomme ridge-filtre øgede imidlertid OAR-volumenet, der modtog en FLASH-dosishastighed med 31 % og 50 % for henholdsvis hjerte- og lungeevalueringsvolumener.

De sparsomme ridge-filtre giver fleksibilitet til at realisere det fulde potentiale af IPO-IMPT-rammen. For eksempel kan niveauerne for pinfjernelse skræddersyes til individuelle patienttilfælde. En tærskel for fjernelse af pinde på 50 % gav rimelige resultater for patient 1's store tumor, mens en tærskel på 30 % var et godt udgangspunkt for de mindre mål for patient 2 og 3, hvis sparsomme ridge-filterbaserede planer øgede DADR i spiserøret, mens tumoren bibeholdtes dækning.

Endelig, for at verificere, at en ridge-filtersamling (filterstifter og en kompensator) kunne levere den forudsagte dosis, printede forskerne 3D et patientspecifikt ridge-filter. De leverede en behandlingsplan designet til at give en ensartet måldosis og udførte dosismålinger med et ioniseringskammerarray. Den samlede gamma-beståelsesrate var 92.9 % for absolutte doser, hvilket overstiger standardpatientens beståelseskriterier på 90 % og viser, at samlingen kan levere en klinisk acceptabel dosisfordeling.

NPL introducerer absolut dosimetri for FLASH protonstråler

"Denne proof-of-concept-undersøgelse demonstrerer muligheden for at bruge en IPO-IMPT-ramme til at udføre FLASH stereotaktisk kropsprotonterapi, der tager højde for dosis, DADR og LET_d samtidig,” slutter forskerne. "Denne nye metode vil lette leveringen af ​​konforme protonfelter ved FLASH-hastigheder til prækliniske og kliniske undersøgelser."

Seniorforfatter Liyong Lin fortæller Fysik verden at teamet håber at videreudvikle sin software til sådanne applikationer. "Emorys Office of Technology Transfer opfordrede os til at danne et startup-selskab, Radiotherapy Biological Optimization (RBO) Solutions," forklarer Lin. "RBO er accepteret af National Institutes of Health's Applicant Assistance Program til at indsende et R41-tilskud til teknologioverførsel til små virksomheder til National Cancer Institute senest den 5. april. IBA, den største leverandør af partikelterapi, og IBA's dosimetriafdeling vil støtte RBO's R41-bevillingsforslag. ”

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/patient-specific-ridge-filters-enable-conformal-flash-proton-therapy/