Les filtres de crête spécifiques au patient permettent une protonthérapie FLASH conforme

La radiothérapie corporelle stéréotaxique (SBRT) est un traitement anticancéreux de précision qui délivre moins de fractions de rayonnement à dose plus élevée que la radiothérapie traditionnelle. La SBRT peut fournir un excellent contrôle local de la tumeur, mais pour certaines localisations tumorales, elle risque d'exposer les organes à risque (OAR) voisins à des niveaux d'irradiation inacceptables. La SBRT à base de protons offre une meilleure épargne OAR, mais nécessite encore certaines marges de traitement qui peuvent limiter son applicabilité clinique.

La radiothérapie FLASH, dans laquelle le rayonnement est délivré à des débits de dose ultra-élevés, pourrait permettre d'épargner davantage les OAR. Pour étudier son potentiel, une équipe de recherche dirigée à Université Emory développe un cadre pour optimiser l'administration de la protonthérapie afin de répondre aux exigences de la radiothérapie FLASH.

La plupart des systèmes de protonthérapie modernes peuvent atteindre des débits de dose FLASH en utilisant un faisceau de transmission à haute énergie qui traverse le patient, déposant une dose tout au long de son trajet. Cette approche élimine cependant l'avantage majeur de la protonthérapie : sa capacité à délivrer la dose dans un pic de Bragg étalé. Pour améliorer la conformité aux débits de dose FLASH, Ruirui Liu et ses collègues proposent que les filtres de crête spécifiques au patient puissent fournir une distribution de dose similaire à celle de la protonthérapie conventionnelle à modulation d'intensité (IMPT).

Pour les traitements FLASH, la dose, le débit de dose moyenné (DADR) et le transfert d'énergie linéaire moyenné en dose (LET_d) influencent tous la réponse biologique. Ainsi, les chercheurs ont développé un cadre d'optimisation physique intégrée (IPO) qui optimise simultanément ces trois paramètres pour maximiser l'épargne OAR dans le plan de traitement d'un patient. Le cadre, décrit dans le Revue internationale de radio-oncologie, biologie, physique, utilise la fonction d'objectif IPO-IMPT pour fournir plusieurs solutions pour la conception de filtres de crête spécifiques au patient et de cartes de points de protons.

Les filtres de crête, qui sont utilisés en combinaison avec un compensateur de plage, comprennent un réseau de broches en forme de ziggourat qui étalent le pic de Bragg à partir d'un faisceau de 250 MeV pour couvrir un volume cible de planification spécifique au faisceau. L'équipe a développé un logiciel de planification inverse pour définir les emplacements des broches pour un filtre spécifique au patient et a utilisé des simulations Monte Carlo basées sur Geant4 pour fournir des matrices d'influence de dose et de LET.

Régimes des patients

Pour démontrer le cadre IPO-IMPT, les chercheurs ont élaboré des plans de traitement pour trois patients atteints d'un cancer du poumon. Ils ont prescrit une dose de 50 Gy (cinq fractions de 10 Gy) au volume cible clinique, avec une dose maximale au point chaud de 62.5 Gy. Selon le paramètre prioritaire, les plans visent à augmenter la couverture FLASH et/ou à réduire le LET_d, tout en maintenant la dose cible.

Pour le patient 1, qui avait une tumeur pulmonaire centrale près du cœur, les OAR étaient le cœur et les poumons. Pour ce cas, les chercheurs ont généré un plan IPO-IMPT à faisceau unique dans le but de réduire le LET_d au cœur tout en maintenant la couverture cible. Le plan IPO-IMPT a atteint cet objectif, présentant une couverture cible similaire à un plan IMPT conventionnel, mais réduisant considérablement le LET_d au cœur.

Le patient 2 avait une tumeur métastatique dans le lobe inférieur droit et le patient 3 avait une tumeur dans le ganglion lymphatique sous-carinal. Dans ces cas, l'œsophage était également un OAR et l'objectif principal était la préservation de l'œsophage. Pour l'IPO-IMPT et l'IMPT, presque 100 % du volume d'évaluation de l'œsophage a atteint le seuil FLASH de 40 Gy/s. Pour le patient 2, l'IPO-IMPT a légèrement diminué le LET_d pour le cœur et l'œsophage et une couverture FLASH accrue pour le cœur.

Conception à broches clairsemées

Les filtres de crête réguliers conçus à l'aide du cadre IPO-IMPT ont épargné de manière sélective les OAR en réduisant le LET et en augmentant la couverture FLASH. Cependant, les filtres de crête clairsemés, dont certaines broches sont omises, offrent un potentiel pour augmenter encore l'épargne OAR. Le retrait des broches de filtre à des emplacements spécifiques offre un flux de protons plus élevé, tandis que les broches restantes fournissent toujours une couverture cible adéquate.

Pour le patient 1, les chercheurs ont généré un plan IPO-IMPT avec des filtres de crête clairsemés et des faisceaux multiples. La comparaison avec un plan IMPT utilisant des filtres de crête réguliers a montré que, pour les deux, la couverture tumorale était maintenue et les points chauds étaient bien contrôlés. Les filtres de crête clairsemés, cependant, ont augmenté le volume OAR recevant un débit de dose FLASH de 31 % et 50 %, pour les volumes d'évaluation cardiaque et pulmonaire, respectivement.

Les filtres de crête clairsemés offrent la flexibilité nécessaire pour réaliser le plein potentiel du cadre IPO-IMPT. Par exemple, les niveaux de retrait des broches peuvent être adaptés aux cas individuels des patients. Un seuil de retrait de broche de 50 % a fourni des résultats raisonnables pour la grosse tumeur du patient 1, tandis qu'un seuil de 30 % était un bon point de départ pour les cibles plus petites des patients 2 et 3, dont les plans basés sur un filtre de crête clairsemé augmentaient le DADR dans l'œsophage tout en maintenant la tumeur. couverture.

Enfin, pour vérifier qu'un ensemble de filtre à crête (broches de filtre et compensateur) pouvait délivrer la dose prévue, les chercheurs ont imprimé en 3D un filtre à crête spécifique au patient. Ils ont fourni un plan de traitement conçu pour fournir une dose cible uniforme et ont effectué des mesures de dose avec un réseau de chambres d'ionisation. Le taux de réussite gamma total était de 92.9 % pour les doses absolues, ce qui dépasse le critère standard de réussite des patients de 90 % et démontre que l'ensemble peut fournir une distribution de dose cliniquement acceptable.

Le NPL introduit la dosimétrie absolue pour les faisceaux de protons FLASH

"Cette étude de preuve de concept démontre la faisabilité d'utiliser un cadre IPO-IMPT pour réaliser la protonthérapie corporelle stéréotaxique FLASH, en tenant compte de la dose, du DADR et du LET_d simultanément », concluent les chercheurs. "Cette nouvelle méthode facilitera la livraison de champs de protons conformes à des taux FLASH pour les études précliniques et cliniques."

Auteur principal Liyong Lin raconte Monde de la physique que l'équipe espère développer davantage son logiciel pour de telles applications. « Le bureau de transfert de technologie d'Emory nous a encouragés à créer une start-up, Radiotherapy Biological Optimization (RBO) Solutions », explique Lin. « RBO est accepté par le programme d'aide aux candidats des National Institutes of Health pour soumettre une subvention R41 de transfert de technologie aux petites entreprises à l'Institut national du cancer d'ici le 5 avril. IBA, le plus grand fournisseur de thérapie par particules, et la division de dosimétrie d'IBA approuveront la proposition de subvention R41 de RBO. ”

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