Protonterapi kan leverera mycket konforma dosfördelningar till ett tumörmål samtidigt som dosen till vävnader utanför målvolymen minimeras. Att skapa behandlingsplaner som inser denna styrka är en högsta prioritet för dosimetrister och medicinska fysiker.
Protoner avsätter dos på ett fundamentalt annat sätt än röntgenstrålar, en annan typ av extern strålbehandling. När en proton når slutet av sin bana, ökar hastigheten med vilken dess energi överförs till vävnaden – dess linjära energiöverföring (LET), uttryckt i keV/µm.
Den relativa biologiska effektiviteten (RBE) fångar de biologiska implikationerna av att öka LET, och ett fast RBE-värde på 1.1 används ofta för kliniska protonbehandlingar. Men proton RBE är beroende av många andra faktorer, inklusive kliniska effektmått, vävnadstyp, fraktioneringsschema, patientspecifik strålkänslighet, fysisk dos och osäkerheter i experimentella mätningar. Som ett resultat underskattar användningen av ett fast RBE-värde i protonterapi sannolikt RBE i hög-LET-platser, vilket kan resultera i en ökad risk för strålningsinducerade toxiciteter.
Ändå är LET starkt korrelerad med RBE och är en nyckelfaktor för att bestämma variabel RBE i protonterapi. Som sådan undersöker forskare metoder för att beräkna och utvärdera LET under behandlingsplanering. Dessa biologiska dosplaneringsverktyg är dock begränsade, och tills de utvecklas och studeras vidare måste kliniker identifiera sina egna dosplaneringsmetoder för att minimera LET utanför målvolymerna, säger Austin Faught, en medicinsk fysiker vid St Jude Children's Research Hospital i Tennessee.
"Hur man kan påverka [LET-distributionen] är ett aktivt forskningsområde, och det finns några fantastiska metoder under utveckling", förklarar Faught. "Problemet som vi står inför är att de inte är lättillgängliga utan skräddarsydd mjukvara utvecklad internt eller genom speciella forskningsversioner av applikationer som tillhandahålls av leverantörer ... [och det finns] få studier som ger kvantitativ vägledning om vad vi bör sträva efter."
Behandlingsplaneringsstrategier
I ett steg mot LET-baserad planutvärdering och optimering för fotonterapi genomförde Faught och hans team en undersökning av planeringsstrategier som är kommersiellt tillgängliga för kliniska team för intensitetsmodulerad protonterapi (IMPT). Deras studie, rapporterad i Journal of Applied Clinical Medical Physics, introducerar en del vägledning för planerare för protonterapibehandling. "Vi ville titta på några lättillgängliga behandlingsplaneringstekniker och hur de kan påverka LET," förklarar Faught.
Forskarna utvärderade skillnaderna i dosvägd LET (LETd) mellan åtta framåt-baserade behandlingsplaneringsmetoder som tillämpas på en cylindrisk vattenfantom och fyra pediatriska hjärntumörfall (Faught konstaterar att strålningsinducerade toxiciteter är ett fokusområde för teamet). De jämförde dessa planeringsstrategier med en plan med motsatta laterala strålar (för fantomen) eller med den ursprungliga kliniska planen (för patienter), med hjälp av Monte Carlo sekundära beräkningar för att utvärdera både dosen och LETd.
Forskarna fann att behandlingsfältets geometri var den största bidragsgivaren till platsen för områden med hög LET. För att mildra den potentiella effekten av biologiska osäkerheter i samband med hög LETd, föreslår de att behandlingsplanerare använder stora skärningsvinklar mellan behandlingsbalkar och undviker strålar som stannar omedelbart proximalt till kritiska strukturer.
"Detta är fantastiska nyheter eftersom det innebär att noggrant urval av antalet behandlingsområden och deras orientering med avseende på närliggande hälsovävnader kan vara effektiva", säger Faught. "Med vissa medvetna tankar i förväg är det något som alla behandlingsplanerare kan ta hänsyn till under planeringsprocessen."
Forskarna fann också att användningen av en range shifter avsevärt minskade den genomsnittliga LETd i den kliniska målvolymen. Som ett resultat rekommenderar de att man sparsamt använder avståndsväxlare och alternativa strategier för platsplaceringsbegränsningar, och endast när kliniker kan beräkna den resulterande LETd att utvärdera mot alternativa planeringsstrategier.
På grund av studiens lilla urvalsstorlek kunde forskarna inte fastställa en tydlig trend i LETd variationer i de kliniska fallen. De utvärderade inte sambandet mellan förändringar i LET och en förändring i sannolikheten för tumörkontroll eller normala vävnadskomplikationer.
LET-baserade planer optimerar protonterapi
Medan effekterna av varje planeringsmetod på regioner med hög LET var blygsamma, säger Faught att det är viktigt att inse att teamets behandlingsplaneringsstrategier och rekommendationer är evidensbaserade och lätt kan arbetas in i klinisk praxis.
”Jag hoppas att en av fördelarna är att vi som fält skulle dra nytta av kommersiella verktyg som möjliggör beräkning av LET inom dosplaneringssystemet. Ännu bättre, vi skulle älska att ha sätt att optimera med LET i åtanke. Den här studien var en bra brygga tills dessa verktyg är mer allmänt tillgängliga, säger Faught.
