Pasientspesifikke ridge-filtre muliggjør konform FLASH-protonterapi

Stereotaktisk strålebehandling (SBRT) er en presisjonskreftbehandling som gir færre strålefraksjoner med høyere doser enn tradisjonell strålebehandling. SBRT kan gi utmerket lokal svulstkontroll, men for noen svulstplasseringer risikerer den å utsette nærliggende organer-at-risk (OARs) for uakseptable strålingsnivåer. Protonbasert SBRT gir bedre OAR-sparing, men krever fortsatt noen behandlingsmarginer som kan begrense dens kliniske anvendelighet.

FLASH-strålebehandling, der stråling leveres med ultrahøye doserater, kan muliggjøre ytterligere sparing av OARs. For å undersøke potensialet, dro et forskerteam opp kl Emory University utvikler et rammeverk for å optimalisere levering av protonterapi for å møte kravene til FLASH-strålebehandling.

De fleste moderne protonterapisystemer kan oppnå FLASH-dosehastigheter ved å bruke en høyenergitransmisjonsstråle som passerer gjennom pasienten, og avsetter dose gjennom hele banen. Denne tilnærmingen eliminerer imidlertid den store fordelen med protonterapi: dens evne til å levere dose i en spredt Bragg-topp. For å forbedre samsvar ved FLASH-dosehastigheter, Ruirui Liu og kolleger foreslår at pasientspesifikke ridge-filtre kan gi en tilsvarende dosefordeling som for konvensjonell intensitetsmodulert protonterapi (IMPT).

For FLASH-behandlinger, dosen, dose-gjennomsnittlig dosehastighet (DADR) og dose-gjennomsnittlig lineær energioverføring (LET_d) alle påvirker den biologiske responsen. Derfor utviklet forskerne et integrert fysisk optimalisering (IPO) rammeverk som samtidig optimerer disse tre parameterne for å maksimere OAR-sparing i en pasients behandlingsplan. Rammeverket, beskrevet i International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, bruker IPO-IMPT objektivfunksjonen for å tilby flere løsninger for utforming av pasientspesifikke ridge-filtre og protonpunktkart.

Ryggfiltrene, som brukes i kombinasjon med en rekkeviddekompensator, omfatter en rekke zigguratformede pinner som sprer Bragg-toppen fra en 250 MeV-stråle for å dekke et strålespesifikt planleggingsmålvolum. Teamet utviklet invers planleggingsprogramvare for å definere pinneplasseringene for et pasientspesifikt filter, og brukte Geant4-baserte Monte Carlo-simuleringer for å gi dose- og LET-påvirkningsmatriser.

Pasientplaner

For å demonstrere IPO-IMPT-rammeverket utviklet forskerne behandlingsplaner for tre pasienter med lungekreft. De foreskrev en dose på 50 Gy (fem 10 Gy fraksjoner) til det kliniske målvolumet, med en maksimal hotspot-dose på 62.5 Gy. Avhengig av hvilken parameter som er prioritert, tar planene sikte på å øke FLASH-dekningen og/eller redusere LET_d, mens måldosen opprettholdes.

For pasient 1, som hadde en sentral lungesvulst nær hjertet, var OAR-ene hjertet og lungen. For dette tilfellet genererte forskerne en enkeltstråle IPO-IMPT-plan med sikte på å redusere LET_d til hjertet mens du opprettholder måldekning. IPO-IMPT-planen nådde dette målet, og viste lignende måldekning som en konvensjonell IMPT-plan, men reduserte LET markant_d til hjertet.

Pasient 2 hadde en metastatisk svulst i høyre nedre lapp og pasient 3 hadde en svulst i den subkarinale lymfeknuten. I disse tilfellene var spiserøret også en OAR, og hovedmålet var øsofagussparing. For både IPO-IMPT og IMPT oppfylte nesten 100 % av spiserørsevalueringsvolumet 40 Gy/s FLASH-terskelen. For pasient 2 reduserte IPO-IMPT litt LET_d for hjertet og spiserøret og økt FLASH-dekning for hjertet.

Sparsom pinnedesign

Vanlige ridge-filtre designet med IPO-IMPT-rammeverket sparte selektivt OARs ved å redusere LET og øke FLASH-dekningen. Imidlertid gir sparsomme ryggfiltre, hvor noen pinner er utelatt, potensial for å øke OAR-sparing ytterligere. Fjerning av filterpinner på spesifikke steder gir en høyere protonfluks, mens de resterende pinnene fortsatt gir tilstrekkelig måldekning.

For pasient 1 genererte forskerne en IPO-IMPT-plan med sparsomme ryggfiltre og flere stråler. Sammenligning med en IMPT-plan ved bruk av vanlige ridgefiltre viste at for begge ble tumordekning opprettholdt og hotspots godt kontrollert. De sparsomme ridge-filtrene økte imidlertid OAR-volumet som fikk en FLASH-dosehastighet med 31 % og 50 %, for henholdsvis hjerte- og lungeevalueringsvolumer.

De sparsomme ryggfiltrene gir fleksibilitet for å realisere det fulle potensialet til IPO-IMPT-rammeverket. For eksempel kan nivåene for pinfjerning skreddersys til individuelle pasienttilfeller. En terskel på 50 % pinfjerning ga rimelige resultater for pasient 1s store svulst, mens en terskel på 30 % var et godt utgangspunkt for de mindre målene til pasient 2 og 3, hvis sparsomme ryggfilterbaserte planer økte DADR i spiserøret samtidig som svulsten opprettholdes dekning.

Til slutt, for å verifisere at en ridge-filterenhet (filterstifter og en kompensator) kunne levere den forutsagte dosen, 3D-printet forskerne et pasientspesifikt ridge-filter. De leverte en behandlingsplan designet for å gi en enhetlig måldose og utførte dosemålinger med en ioniseringskammerarray. Den totale gamma-passeringsraten var 92.9 % for absolutte doser, noe som overstiger standardpasientens beståelseskriterier på 90 % og viser at sammenstillingen kan levere en klinisk akseptabel dosefordeling.

NPL introduserer absolutt dosimetri for FLASH protonstråler

"Denne proof-of-concept-studien demonstrerer muligheten for å bruke et IPO-IMPT-rammeverk for å oppnå FLASH stereotaktisk kroppsprotonterapi, som tar hensyn til dose, DADR og LET_d samtidig», konkluderer forskerne. "Denne nye metoden vil lette levering av konforme protonfelt til FLASH-hastigheter for prekliniske og kliniske studier."

Seniorforfatter Liyong Lin forteller Fysikkens verden at teamet håper å videreutvikle sin programvare for slike applikasjoner. "Emorys kontor for teknologioverføring oppmuntret oss til å danne et oppstartsselskap, Radiotherapy Biological Optimization (RBO) Solutions," forklarer Lin. «RBO er akseptert av National Institutes of Health's Applicant Assistance Program for å sende inn et R41-tilskudd for teknologioverføring til småbedrifter til National Cancer Institute innen 5. april. IBA, den største leverandøren av partikkelterapi, og IBAs dosimetriavdeling vil støtte RBOs R41-tilskuddsforslag. ”

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/patient-specific-ridge-filters-enable-conformal-flash-proton-therapy/