Patientenspezifische Kammfilter ermöglichen eine konforme FLASH-Protonentherapie

Die stereotaktische Körperbestrahlungstherapie (SBRT) ist eine Präzisions-Krebsbehandlung, die weniger und höher dosierte Bestrahlungsanteile abgibt als die herkömmliche Strahlentherapie. SBRT kann eine hervorragende lokale Tumorkontrolle bieten, aber bei einigen Tumorlokalisationen besteht das Risiko, nahegelegene Risikoorgane (Organs-at-Risk, OARs) inakzeptablen Bestrahlungsstärken auszusetzen. Die protonenbasierte SBRT bietet eine bessere OAR-Schonung, erfordert jedoch immer noch einige Behandlungsspielräume, die ihre klinische Anwendbarkeit einschränken können.

Die FLASH-Strahlentherapie, bei der Strahlung mit ultrahohen Dosisraten abgegeben wird, könnte eine weitere Schonung von OARs ermöglichen. Um sein Potenzial zu untersuchen, leitete ein Forschungsteam an Emory University entwickelt einen Rahmen zur Optimierung der Protonentherapieabgabe, um den Anforderungen der FLASH-Strahlentherapie gerecht zu werden.

Die meisten modernen Protonentherapiesysteme können FLASH-Dosisraten erreichen, indem sie einen hochenergetischen Übertragungsstrahl verwenden, der den Patienten durchdringt und auf seinem gesamten Weg eine Dosis abgibt. Dieser Ansatz eliminiert jedoch den Hauptvorteil der Protonentherapie: ihre Fähigkeit, eine Dosis in einem ausgebreiteten Bragg-Peak zu liefern. Um die Konformität bei FLASH-Dosisraten zu verbessern, Ruirui Liu und Kollegen schlagen vor, dass patientenspezifische Kammfilter eine ähnliche Dosisverteilung wie bei der herkömmlichen intensitätsmodulierten Protonentherapie (IMPT) bieten könnten.

Bei FLASH-Behandlungen werden die Dosis, die dosisgemittelte Dosisrate (DADR) und die dosisgemittelte lineare Energieübertragung (LET_d) beeinflussen alle die biologische Reaktion. Daher entwickelten die Forscher ein Framework für integrierte physikalische Optimierung (IPO), das diese drei Parameter gleichzeitig optimiert, um die OAR-Ersparnis im Behandlungsplan eines Patienten zu maximieren. Das Framework, beschrieben in der Internationale Zeitschrift für Radioonkologie, Biologie, Physik, verwendet die IPO-IMPT-Objektivfunktion, um mehrere Lösungen für das Design von patientenspezifischen Kammfiltern und Protonenfleckkarten bereitzustellen.

Die Kammfilter, die in Kombination mit einem Entfernungskompensator verwendet werden, bestehen aus einer Reihe von zikkuratförmigen Stiften, die den Bragg-Peak von einem 250-MeV-Strahl spreizen, um ein strahlspezifisches Planungszielvolumen abzudecken. Das Team entwickelte eine inverse Planungssoftware, um die Pin-Positionen für einen patientenspezifischen Filter zu definieren, und verwendete auf Geant4 basierende Monte-Carlo-Simulationen, um Dosis- und LET-Einflussmatrizen bereitzustellen.

Patientenpläne

Um das IPO-IMPT-Framework zu demonstrieren, entwickelten die Forscher Behandlungspläne für drei Patienten mit Lungenkrebs. Sie verschrieben eine Dosis von 50 Gy (fünf 10-Gy-Fraktionen) bis zum klinischen Zielvolumen mit einer maximalen Hotspot-Dosis von 62.5 Gy. Je nachdem, welcher Parameter priorisiert wird, zielen die Pläne darauf ab, die FLASH-Abdeckung zu erhöhen und/oder die LET zu reduzieren_d, während die Zieldosis beibehalten wird.

Bei Patient 1, der einen zentralen Lungentumor in der Nähe des Herzens hatte, waren die OARs das Herz und die Lunge. Für diesen Fall erstellten die Forscher einen Single-Beam-IPO-IMPT-Plan mit dem Ziel, LET zu reduzieren_d zum Herzen, während die Zielabdeckung beibehalten wird. Der IPO-IMPT-Plan erfüllte dieses Ziel, indem er eine ähnliche Zielabdeckung wie ein herkömmlicher IMPT-Plan aufwies, aber den LET deutlich reduzierte_d zum Herzen.

Patient 2 hatte einen metastatischen Tumor im rechten Unterlappen und Patient 3 hatte einen Tumor im subkarinalen Lymphknoten. In diesen Fällen war die Speiseröhre auch ein OAR und das Hauptziel war die Schonung der Speiseröhre. Sowohl bei IPO-IMPT als auch bei IMPT erreichten fast 100 % des Bewertungsvolumens der Speiseröhre den FLASH-Schwellenwert von 40 Gy/s. Bei Patient 2 verringerte IPO-IMPT leicht den LET_d für Herz und Speiseröhre und erhöhte FLASH-Abdeckung für das Herz.

Sparse-Pin-Design

Reguläre Firstfilter, die unter Verwendung des IPO-IMPT-Frameworks entwickelt wurden, verschonten OARs selektiv, indem sie LET reduzierten und die FLASH-Abdeckung erhöhten. Sparse-Ridge-Filter, bei denen einige Pins weggelassen werden, bieten jedoch Potenzial, um die OAR-Ersparnis weiter zu erhöhen. Das Entfernen von Filterstiften an bestimmten Stellen liefert einen höheren Protonenfluss, während die verbleibenden Stifte immer noch eine ausreichende Zielabdeckung bieten.

Für Patient 1 erstellten die Forscher einen IPO-IMPT-Plan mit dünnen Kammfiltern und mehreren Strahlen. Der Vergleich mit einem IMPT-Plan mit regulären Kammfiltern zeigte, dass bei beiden die Tumorabdeckung aufrechterhalten und Hotspots gut kontrolliert wurden. Die spärlichen Kammfilter erhöhten jedoch das OAR-Volumen, das eine FLASH-Dosisrate erhielt, um 31 % bzw. 50 % für Herz- bzw. Lungenbewertungsvolumina.

Die Sparse-Ridge-Filter bieten Flexibilität, um das volle Potenzial des IPO-IMPT-Frameworks zu realisieren. Beispielsweise können die Stiftentfernungsstufen auf individuelle Patientenfälle zugeschnitten werden. Ein Schwellenwert von 50 % für die Pin-Entfernung lieferte vernünftige Ergebnisse für den großen Tumor von Patient 1, während ein Schwellenwert von 30 % ein guter Ausgangspunkt für die kleineren Ziele der Patienten 2 und 3 war, deren spärlicher Kammfilter-basierte Pläne den DADR in der Speiseröhre erhöhten, während der Tumor erhalten blieb Abdeckung.

Um schließlich zu überprüfen, ob eine Kammfilterbaugruppe (Filterstifte und ein Kompensator) die vorhergesagte Dosis abgeben kann, druckten die Forscher einen patientenspezifischen Kammfilter in 3D. Sie lieferten einen Behandlungsplan, der darauf ausgelegt war, eine einheitliche Zieldosis bereitzustellen, und führten Dosismessungen mit einem Ionisationskammerarray durch. Die Gesamt-Gamma-Bestandsrate betrug 92.9 % für absolute Dosen, was die standardmäßigen Patienten-Bestandskriterien von 90 % übersteigt und zeigt, dass die Anordnung eine klinisch akzeptable Dosisverteilung liefern kann.

NPL führt absolute Dosimetrie für FLASH-Protonenstrahlen ein

„Diese Proof-of-Concept-Studie demonstriert die Durchführbarkeit der Verwendung eines IPO-IMPT-Rahmens zur Durchführung einer stereotaktischen FLASH-Körperprotonentherapie unter Berücksichtigung von Dosis, DADR und LET_d gleichzeitig“, schlussfolgern die Forscher. „Diese neuartige Methode wird die Bereitstellung konformer Protonenfelder mit FLASH-Raten für vorklinische und klinische Studien erleichtern.“

Leitender Autor Liyong-Lin erzählt Physik-Welt dass das Team hofft, seine Software für solche Anwendungen weiterzuentwickeln. „Emorys Büro für Technologietransfer ermutigte uns, ein Start-up-Unternehmen zu gründen, Radiotherapy Biological Optimization (RBO) Solutions“, erklärt Lin. „RBO wurde vom Applicant Assistance Program der National Institutes of Health akzeptiert, um bis zum 41. April einen R5-Zuschuss für den Technologietransfer für kleine Unternehmen beim National Cancer Institute einzureichen. IBA, der größte Anbieter von Partikeltherapie, und die Dosimetrieabteilung von IBA werden den R41-Zuschussantrag von RBO unterstützen. ”

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/patient-specific-ridge-filters-enable-conformal-flash-proton-therapy/