الگوهای تحویل پرتو مداد بهینه‌شده، پروتون درمانی FLASH را افزایش می‌دهد

میزان دوز فوق‌العاده‌ای که در پرتودرمانی FLASH استفاده می‌شود، ممکن است با محافظت از بافت‌های طبیعی در برابر آسیب پرتو، پنجره درمانی را افزایش دهد. برخی از محققان بر این باورند که پرتوهای پروتونی FLASH ممکن است با پرتوهای پروتون شتاب‌دار سیکلوترون در بازار نیز در دسترس باشند. اما هنگامی که FLASH با پیشرفته ترین نوع پروتون درمانی، اسکن با مداد جانبی (PBS) ترکیب می شود، همان تحویل پروتون PBS که برای درمان سرطان های پیچیده با دقتی بی نظیر استفاده می شود، بر میزان دوز موضعی که برای دستیابی به اثر FLASH حیاتی است نیز تأثیر می گذارد.

محققان در مرکز پزشکی دانشگاه اراسموس, Instituto Superior Técnico و HollandPTC تغییرات محلی در میزان دوز ناشی از تحویل پروتون PBS را در نظر گرفت. مطالعه اخیر آنها، گزارش شده در مجله بین المللی Radiation Oncology Biology Physics، پوشش FLASH را با بهینه سازی الگوی اسکن PBS با معیارهای مبتنی بر وکسل به حداکثر می رساند.

رودریگو خوزه سانتو، نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: «ما در تلاش بودیم تا FLASH را از طریق بهینه‌سازی نرخ دوز، بدون به خطر انداختن کیفیت طرح از نظر دوز تابش، بهینه کنیم. ما در تلاش بودیم خط لوله‌ای را راه‌اندازی کنیم که پوشش FLASH را برای شکل‌ها و اندازه‌های مختلف تومور، بدون بهینه‌سازی مجدد طرح درمان و در نظر گرفتن FLASH به‌عنوان یک اثر موضعی وابسته به الگوی ارسال پرتو مداد، به‌طور مداوم بهینه کند.»

نتیجه: بهینه سازی برنامه های درمانی پروتون درمانی FLASH بدون به خطر انداختن میزان دوز.

PBS به عنوان یک فروشنده دوره گرد

مشکل فروشنده دوره گرد این سوال را مطرح می کند: "با توجه به لیستی از شهرها و فواصل بین هر جفت شهر، کوتاه ترین مسیر ممکن که دقیقاً یک بار از هر شهر بازدید می کند و به شهر مبدا برمی گردد کدام است؟"

این مسئله که مدت‌ها توسط محققان بهینه‌سازی ترکیبی مورد مطالعه قرار گرفته است، یک فشارسنج برای الگوریتم‌های ژنتیک مورد استفاده در علوم کامپیوتر و تحقیقات عملیاتی است. خوزه سانتو، که در حال حاضر دانشجوی دکترا در UMC Utrecht است، اما در زمان انجام کار دانشجوی کارشناسی ارشد بود، متوجه شد که الگوریتم‌های ژنتیک می‌توانند برای حل مشکل خود استفاده شوند - بهینه‌سازی ترتیب تابش پرتوهای مداد پروتون برای به حداکثر رساندن پوشش FLASH. .

رویکرد به‌دست‌آمده محققان از یک متریک مبتنی بر وکسل استفاده می‌کند که با آستانه‌های دوز ثابت تعریف می‌شود تا تعیین کند تابش آن وکسل چه زمانی شروع و چه زمانی پایان می‌یابد. الگوریتم نرخ دوز را برای هر پرتو مداد به طور جداگانه ارزیابی می کند و فرض می کند که FLASH یک اثر محلی است و زمان تابش کل یک پارامتر FLASH حیاتی است.

الگوریتم بر روی راه حل های مختلف به صورت موازی اجرا می شود، اگرچه گاهی اوقات اطلاعات را بین آنها به اشتراک می گذارد. میانگین فاصله بین تیرهای مداد به عنوان تابع هزینه در نظر گرفته شده است تا کل مسافت طی شده در صفحه عرضی نسبت به جهت پرتو را به حداقل برساند. این الگوریتم به‌طور متوالی پس از بهینه‌سازی موقعیت‌های پرتو مداد و وزن‌ها و بدون به خطر انداختن کیفیت طرح از نظر دز جذبی (اسمی) اعمال می‌شود.

محققان الگوریتم خود را بر روی طرح های درمانی با استفاده از پرتوهای مداد پروتون انتقالی برای 20 بیمار مبتلا به سرطان ریه در مراحل اولیه و متاستازهای ریه آزمایش کردند. (محققان می‌گویند ضایعات ریه مکان‌های ایده‌آلی برای FLASH هستند – درمان‌های فعلی پروتون FLASH شامل پرتوهای پرانرژی است که از بیمار عبور می‌کند نه پرتوهای پیک براگ که برای درمان پروتون معمولی مهار می‌شوند.)

پوشش متوسط ​​FLASH از 6.9٪ برای الگوهای اسکن خط به خط استاندارد به 29٪ با بهینه سازی PBS بهبود یافته است. محققان مشاهده کردند که طرح‌های بهینه‌شده با PBS ظاهری شبیه به چرخش دارند. پنجره FLASH فقط کمی برای جریان های پرتوی متفاوت تغییر کرد.

از آنجایی که سایر گروه‌های تحقیقاتی عمدتاً در حال کار برای بهینه‌سازی FLASH در سطح برنامه‌ریزی درمان هستند، محققان می‌گویند که مقایسه نتایج بهینه‌شده با PBS با سایر مطالعات پروتون‌درمانی FLASH چالش برانگیز است - طبق دانش آنها، این مطالعه اولین مطالعه‌ای است که پرتو مدادی را انجام می‌دهد. بهینه سازی الگوی تحویل برای پروتون درمانی FLASH آنها اکنون بر بهینه سازی تحویل PBS برای اهداف بزرگتر و ادغام بهینه سازی نرخ دوز در خط لوله بهینه سازی دوز موجود خود تمرکز کرده اند.

پرتودرمانی هنوز به طور مداوم در حال بهبود است و اثر FLASH مسیری امیدوارکننده برای نتایج درمانی بهتر برای بیماران است. خوزه سانتو می‌گوید پروتون درمانی، همراه با الگوریتم‌های بهینه‌سازی مانند الگوریتمی که ما توسعه داده‌ایم، گام مهمی برای دستیابی به آن است. "دستنوشته ما تاکید می کند که فضای زیادی برای بهینه سازی بیشتر پروتون درمانی FLASH به عنوان یک روش درمانی، حتی با سخت افزار پرتو فعلی وجود دارد."