Dosissporing under strålebehandling kunne muliggøre sikrere kræftbehandlinger

Strålebehandling af bevægelige læsioner er udfordrende. Levering af den terapeutiske stråling til et planlagt målvolumen kan blive påvirket af organbevægelser, mens anatomiske deformationer og opsætningsusikkerheder kan forårsage målretningsfejl. Hvis strålingsonkologer havde et nøjagtigt 3D-stråledosisfordelingskort i realtid, ville de være i stand til at ændre strålingsniveauet eller -banen online for at opnå mere effektive og sikrere behandlinger.

Ioniserende stråling akustisk billeddannelse (iRAI) er en ikke-invasiv teknologi, der kunne give denne evne. Ved at rekonstruere strålingsdosis ved hjælp af akustiske bølger kan iRAI kortlægge dosisaflejring i tumorer og tilstødende sunde væv og overvåge dosisakkumulering i realtid under strålebehandling uden behov for at bruge yderligere strålekilder.

Et multi-specialforskerhold ved University of Michigan , Moffitt Cancer Center har nu udviklet et iRAI volumetrisk billeddannelsessystem af klinisk kvalitet. Systemet, beskrevet i Nature Biotechnology, opnåede 3D semikvantitativ kortlægning af røntgenstrålelevering dybt ind i kroppen under strålebehandling af en patient med levermetastaser.

iRAI-teknikken virker via den termoakustiske effekt. Når en højenergi pulseret fotonstråle genereret af en lineær accelerator rammer kropsvæv, absorberes den. Denne absorberede energi overføres til varme, som forårsager lokal termisk ekspansion og genererer akustiske bølger. Disse bølger er imidlertid svage og normalt ikke detekterbare af klinisk ultralydsteknologi.

Det nye iRAI-system registrerer de akustiske signaler med en specialdesignet 2D matrix array-transducer og et matchende multi-kanal forforstærkerkort, drevet af et kommercielt forskningsultralydssystem. Det forstærkede signal overføres derefter til en ultralydsenhed for at konstruere dosisrelaterede billeder i realtid.

Forskerne forklarer, at deres dual-modality system, som kombinerer iRAI med ultralydsbilleddannelse, tilbyder "en lovende løsning til at løse behovet for real-time monitorering af stråleposition og online vurdering af levering af dosis under strålebehandling". Ultralydsbilledet præsenterer de morfologiske vævsstrukturer og bevægelse i kroppen samt funktionel information som blodgennemstrømning og vaskulær tæthed, mens iRAI-billedet kan kortlægge og kvantificere den rumligt fordelte dosisaflejring i forskellige biologiske væv.

"Dette kliniske forsøg var et pilotstudie for at vurdere gennemførligheden af ​​at bruge iRAI hos patienter, der modtager abdominal stereotaktisk kropsstrålebehandling (SBRT)," forklarer klinisk hovedforsker Kyle Cuneo fra Michigan's Rogel Cancer Center. "Dets resultater gør det muligt for os at optimere iRAI-systemet."

Til deres proof-of-concept undersøgelse validerede forskerne systemet i et cylindrisk spækfantom, en kanin og derefter en patient, der gennemgår abdominal SBRT. For at forbedre signal-til-støj-forholdet (SNR) ved detektering af akustiske strålingssignaler, valgte de en central frekvens på 0.35 MHz for at matche effektspektret af de akustiske signaler, der genereres af 4 µs røntgenimpulsen. SNR blev yderligere forbedret af 1024-kanals forforstærkeren med 46 dB forstærkning integreret med 2D matrix arrayet og ved at vise iRAI billederne med 25 gange gennemsnit.

Efter at have verificeret systemets ydeevne ved hjælp af fantomet, oprettede og testede holdet en klinisk behandlingsplan for at bestråle leveren på en kanin. iRAI-målingerne viste høj overensstemmelse mellem den målte dosisfordeling og den, der blev genereret af behandlingsplanlægningssystemet.

Holdet udarbejdede derefter strålebehandlingsplaner for undersøgelsesdeltageren, med behandlingsplanen for hver fraktion opdelt i to dele. Den første del var til iRAI-billeddannelse og omfattede 2.087 og 0.877 Gy-stråler leveret i henholdsvis den øvre og nedre anteriore retning. Dette blev efterfulgt af en volumetrisk-moduleret lysbueterapiplan (uden iRAI-billeddannelse) for at sikre, at den samlede leverede stråledosis opfyldte de kliniske krav.

Både dosisplaceringerne og de overordnede fordelinger af iRAI-målinger stemte godt overens med behandlingsplanen. Den iRAI volumetriske billeddannelse var i stand til at kortlægge højdosisområdet med høj nøjagtighed. Forskerne bemærker, at de er nødt til at optimere kortlægningsnøjagtigheden for områder med lavere dosisintensitet, forbedre rumlig opløsning og udvikle en omfattende kalibreringsprotokol for at give absolut dosismåling ved hjælp af avancerede rekonstruktionsteknikker, der udnytter kunstig intelligens.

Grant hovedefterforsker Issam El Naqa fra Moffitt Cancer Center anbefaler, at det nuværende system vil blive udvidet med ultralydsbilleddannelse i realtid og vil også blive evalueret i forbindelse med højrisiko leveringsscenarier såsom FLASH-strålebehandling.

Akustisk billeddannelse lover dosismåling i realtid til FLASH-strålebehandling

"En potentiel anvendelse af denne teknologi i fremtiden er adaptiv behandlingslevering i realtid. Nuværende adaptive behandlingsteknikker er hovedsageligt baseret på anatomiske ændringer i tumoren og organer-at-risk (OARs),« forklarer Cuneo. ”Med iRAI kan vi bruge både anatomisk information og endnu vigtigere, dosimetrisk information til at tilpasse strålingsplanen. Dette kunne give mulighed for dosiseskalering i målet, især i situationer, hvor der er en tilstødende OAR, og give sikrere behandlinger ved nøjagtigt at kvantificere den sande dosis leveret til målet og OAR'er under hver fraktion."

"Systemet har den unikke evne til at visualisere strålingsaflejring, mens det overvåger organbevægelser, hvilket muliggør bedre lokalisering af stråling til målrettede tumorer, mens det skåner uinvolveret væv på en omkostningsbesparende måde," tilføjer El Naqa. "Dette kan anvendes på lige fod i både udviklede lande og udviklingslande, hvor de økonomiske ressourcer er knappe, hvilket fører til forbedret patientbehandling og bedre resultater disse steder."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/dose-tracking-during-radiotherapy-could-enable-safer-cancer-treatments/