De ultrahoge dosissnelheden die bij FLASH-radiotherapie worden gebruikt, kunnen het therapeutische venster vergroten door normale weefsels te beschermen tegen stralingsschade. Sommige onderzoekers zijn van mening dat FLASH-protonenbundels mogelijk ook beschikbaar zijn met in de handel verkrijgbare cyclotron-versnelde protonenbundels. Maar wanneer FLASH wordt gecombineerd met het meest geavanceerde type protonentherapie, laterale pencil-beam scanning (PBS), hebben de PBS-protonenafgiftes die worden gebruikt om complexe kankers met ongeëvenaarde precisie te behandelen ook invloed op de lokale dosistempo's die cruciaal zijn voor het bereiken van het FLASH-effect.
Onderzoekers bij Erasmus Universitair Medisch Centrum, Instituto Superior Tecnico en HollandPTC bedoeld om rekening te houden met de lokale variaties in het dosistempo als gevolg van de afgifte van PBS-protonen. Hun recente onderzoek, gerapporteerd in International Journal of Radiation Oncology Biologie Natuurkunde, maximaliseert de FLASH-dekking door het PBS-scanpatroon te optimaliseren met op voxel gebaseerde statistieken.
“We probeerden FLASH te optimaliseren door het dosistempo te optimaliseren, zonder de kwaliteit van het plan in termen van stralingsdosis in gevaar te brengen”, zegt hoofdauteur Rodrigo José Santo. "We probeerden een pijplijn op te zetten die de FLASH-dekking consistent zou optimaliseren voor verschillende tumorvormen en -groottes, zonder het behandelplan opnieuw te optimaliseren en FLASH te beschouwen als een lokaal effect dat afhankelijk is van het afgiftepatroon van de potloodbundel."
Het resultaat: het optimaliseren van de behandelplannen voor FLASH-protontherapie zonder dat dit ten koste gaat van het dosistempo.
PBS als reizend verkoper
Het handelsreizigersprobleem stelt de volgende vraag: “Gegeven een lijst van steden en de afstanden tussen elk paar steden, wat is dan de kortst mogelijke route die elke stad precies één keer bezoekt en terugkeert naar de stad van herkomst?”
Dit probleem, dat al lang wordt bestudeerd door onderzoekers op het gebied van combinatieoptimalisatie, is een barometer voor genetische algoritmen die worden gebruikt in de informatica en operationeel onderzoek. José Santo, die momenteel promovendus is aan het UMC Utrecht maar masterstudent was toen het werk werd uitgevoerd, realiseerde zich dat genetische algoritmen kunnen worden gebruikt om zijn eigen probleem op te lossen: het optimaliseren van de volgorde waarin protonenpotloodbundels worden bestraald om de FLASH-dekking te maximaliseren .
De resulterende aanpak van de onderzoekers maakt gebruik van een op voxel gebaseerde metriek, gedefinieerd door vaste dosisdrempels, om te bepalen wanneer de bestraling van die voxel begint en eindigt. Het algoritme evalueert het dosistempo voor elke potloodstraal afzonderlijk en gaat ervan uit dat FLASH een lokaal effect is en dat de totale bestralingstijd een kritische FLASH-parameter is.
Het algoritme wordt parallel op verschillende oplossingen uitgevoerd, hoewel het af en toe informatie tussen deze oplossingen deelt. De gemiddelde afstand tussen potloodbundels is opgenomen als kostenfunctie om de totale afgelegde afstand in het vlak dwars op de bundelrichting te minimaliseren. Het algoritme wordt sequentieel toegepast nadat de posities en gewichten van de potloodbundel zijn geoptimaliseerd, zonder de plankwaliteit in termen van (nominale) geabsorbeerde dosis in gevaar te brengen.
De onderzoekers testten hun algoritme op behandelplannen met behulp van transmissieprotonenpotloodbundels voor 20 patiënten met longkanker in een vroeg stadium en longmetastasen. (Longlaesies zijn ideale locaties voor FLASH, zeggen de onderzoekers – bij de huidige FLASH-protonenbehandelingen zijn gebruik gemaakt van hoogenergetische stralen die door de patiënt gaan in plaats van de Bragg-peak-stralen die worden gebruikt voor conventionele protonentherapie.)
De gemiddelde FLASH-dekking verbeterde van 6.9% voor standaard regel-voor-regel scanpatronen naar 29% met PBS-optimalisatie. De onderzoekers merkten op dat voor PBS geoptimaliseerde plannen een kransachtig uiterlijk hebben. Het FLASH-venster veranderde slechts in geringe mate voor marginaal verschillende bundelstromen.
FLASH-protonentherapie: de optimale toedieningstechniek ontdekken
Omdat andere onderzoeksgroepen voornamelijk werken aan het optimaliseren van FLASH op het niveau van behandelplanning, zeggen de onderzoekers dat het een uitdaging is om hun eigen PBS-geoptimaliseerde resultaten te vergelijken met andere FLASH-protontherapiestudies – voor zover zij weten is deze studie de eerste die een pencil-beam-studie uitvoert. Optimalisatie van toedieningspatronen voor FLASH-protonentherapie. Ze richten zich nu op het optimaliseren van de PBS-afgifte voor grotere doelen en het integreren van dosisoptimalisatie in hun bestaande pijplijn voor dosisoptimalisatie.
“Bestralingstherapie wordt nog steeds voortdurend verbeterd, en het FLASH-effect is een veelbelovende weg naar betere behandelresultaten voor patiënten. Protonentherapie, gecombineerd met optimalisatie-algoritmen zoals degene die we hebben ontwikkeld, is een belangrijke stap om precies dat te bereiken”, zegt José Santo. “Ons manuscript onderstreept dat er veel ruimte is voor verdere optimalisatie van FLASH-protontherapie als behandelingsmodaliteit, zelfs met de huidige bundelhardware.”
