Målet med strålebehandling er å levere en foreskrevet stråledose til tumormålet, samtidig som skade på omkringliggende normalt vev begrenses. Dette oppnås for tiden ved hjelp av populasjonsbasert behandlingsplanoptimalisering, basert på forhåndsdefinerte dosebaserte mål og organ-at-risk (OAR) begrensninger utviklet fra den aggregerte responsen på stråling fra en bred pasientpopulasjon. Dessverre varierer effektiviteten og toksisiteten til slike standardiserte behandlingsplaner, fordi pasienter og deres svulster har individuelle biologiske egenskaper.
Med sikte på å gi en mer personlig tilnærming til planlegging av strålebehandling, har forskere ved University of Michigan har utviklet en ny intensitetsmodulert strålebehandling (IMRT) optimaliseringsstrategi som direkte inkorporerer pasientspesifikke dose-responsmodeller i planleggingsprosessen. Teknikken deres, beskrevet i Medisinsk fysikk, er basert på å maksimere den forutsagte verdien av total behandlingsnytte – definert som sannsynligheten for lokal kontroll minus den vektede summen av toksisitetssannsynligheter.
Den nye planleggingsmetoden, kalt prioritert nytteoptimalisering (PUO), forsterker standardtilnærminger ved å inkorporere personaliserte faktorer relatert til radiosensitiviteten til svulster og OARs. OAR-radiotoksisitet kan for eksempel påvirkes av alder, røykestatus, genuttrykk, molekylære markører og allerede eksisterende tilstander som hjertesykdom. Andre samtidige behandlinger kan også påvirke effekten av strålebehandling.
For å validere deres strategi, hovedetterforsker Martha Matuszak og kolleger brukte PUO-metoden for å lage IMRT-planer for fem pasienter med ikke-småcellet lungekreft (NSCLC). De rapporterer at PUO-planlegging forbedret lokal kontroll for alle pasienter sammenlignet med de konvensjonelle planene som hadde blitt brukt for deres behandlinger.
"NSCLC-pasienter representerer en svært heterogen gruppe med variasjon i omfang og lokalisering av sykdom," forklarer hovedforfatter Daniel Polan. "I kombinasjon med annen anatomisk variasjon kan disse faktorene drastisk påvirke behandlingsplanleggingen, inkludert eventuelle forventede gevinster fra forskjellige optimaliseringsmetoder. Derfor, for innledende gjennomførbarhetstesting av metoden vår, valgte vi fem tilfeller for å representere mangfold i pasientstørrelse, tumorstørrelse, plassering og lateralitet, i tillegg til mangfold i dosekovariater som påvirker predikerte utfall.»
For å lage pasientspesifikke IMRT-planer, brukte forskerne først et kommersielt behandlingsplanleggingssystem for å beregne dose basert på en påvirkningsmatrise av beamlet-dosebidrag til regioner av interesse. De løser deretter to optimaliseringsproblemer for å generere optimale bjelkevekter som kan importeres tilbake til TPS.
Det første optimaliseringsproblemet maksimerer den overordnede plannytten underlagt typiske kliniske dosebegrensninger, ved å optimalisere avveiningen mellom effekt og toksisitet basert på individualiserte dose-responsmodeller. Den andre minimerer konvensjonelle dosebaserte mål, underlagt de samme dosebegrensningene som den første, samtidig som den opprettholder den optimale nytten bestemt fra den første optimaliseringen.
For alle fem pasientene genererte PUO-tilnærmingen med hell optimale strålevekter som maksimerte nytten samtidig som de holdt seg innenfor dosebaserte begrensninger. For studien sammenlignet forskerne disse PUO IMRT-planene med de klinisk leverte 3D-konforme strålebehandlingsplanene (CRT), og med retrospektivt genererte dose-kun optimalisering (DOO) IMRT og volumetrisk-modulert lysbueterapi (VMAT).
Sammenlignet med 3DCRT-, VMAT- og DOO IMRT-planene, forbedret PUO-metoden plannytten med et gjennomsnitt på henholdsvis 40 %, 32 % og 31 %. PUO-planene viste en gjennomsnittlig forbedring på 17 % i lokal kontroll med lignende toksisitet som konvensjonell planlegging.
Som forventet var omfanget av fordelene fra PUO IMRT-planene forskjellig mellom pasientene. Polan rapporterer at for én pasient resulterte PUO i en nytteforbedring på 70 % i forhold til konvensjonell DOO. "Dette tilsvarer en absolutt forbedring på 32% i den anslåtte sannsynligheten for progresjonsfri overlevelse, mens den bare øker den antatte sannsynligheten for strålingsindusert lungetoksisitet med 2%," sier han. "Denne betydelige avveiningen har potensial til å i stor grad forbedre sykdomsoverlevelse og samtidig minimere innvirkningen på en pasients livskvalitet etter behandling."
For en annen pasient som hadde en stor svulst, var imidlertid forbedringene minimale. Polan forklarer at for større svulster blir behandlingsplanleggingen vanligvis mer begrenset på grunn av økte integrerte dosekrav og redusert evne til å unngå grenser til normalt vev.
AI-rammeverket bruker medisinske bilder for å individualisere strålebehandlingsdosen
Teamet understreker at PUO-metoden gir en kvantitativ måte å bestemme hvilke pasienter som kan ha nytte av doseeskalering eller omfordeling, basert på pasientspesifikke kliniske faktorer og biomarkører, samtidig som den tar hensyn til pasientgeometri og OAR-dosegrenser.
Forskerne gjennomfører for tiden store retrospektive studier med mål om å utvikle en prospektiv klinisk studie som bruker PUO-behandlingsplanleggingsstrategien. Forskningen deres sentrerer seg rundt integrering av pasientdata og personaliserte resultatprediksjoner direkte i planlegging av strålebehandling, med et nåværende fokus på lever-, lunge- og hode- og nakkekreft, der balansering av de positive og negative effektene av strålebehandling kan ha en betydelig innvirkning på en pasients generelle kvalitet. -liv.
