Спеціальні гребневі фільтри забезпечують конформну протонну терапію FLASH

Стереотаксична променева терапія тіла (SBRT) — це точне лікування раку, яке забезпечує меншу кількість фракцій радіації з вищими дозами, ніж традиційна променева терапія. SBRT може забезпечити відмінний локальний контроль пухлини, але для деяких локалізацій пухлини вона ризикує піддати сусідні органи ризику (ОАР) неприйнятним рівням опромінення. SBRT на основі протонів забезпечує кращий захист OAR, але все ще вимагає певних запасів лікування, що може обмежити його клінічну застосовність.

Променева терапія FLASH, під час якої випромінювання подається з надвисокою потужністю дози, може забезпечити подальше збереження ОАР. Щоб дослідити його потенціал, дослідницька група вирушила в університет Еморі розробляє структуру для оптимізації доставки протонної терапії відповідно до вимог променевої терапії FLASH.

Більшість сучасних систем протонної терапії можуть досягати потужності дози FLASH, використовуючи промінь високої енергії, який проходить через пацієнта, накопичуючи дозу на всьому шляху. Цей підхід, однак, усуває головну перевагу протонної терапії: її здатність доставляти дозу в розповсюдженому піку Брегга. Щоб покращити конформність при потужності дози FLASH, Жуйруй Лю і його колеги припускають, що індивідуальні гребневі фільтри можуть забезпечувати подібний розподіл дози до традиційної протонної терапії з модуляцією інтенсивності (IMPT).

Для лікування FLASH доза, усереднена потужність дози (DADR) і усереднена по дозі лінійна передача енергії (LET)_d) усі впливають на біологічну реакцію. Таким чином, дослідники розробили інтегровану структуру фізичної оптимізації (IPO), яка одночасно оптимізує ці три параметри для максимального збереження OAR у плані лікування пацієнта. Структура, описана в Міжнародний журнал радіаційної онкології, біології, фізики, використовує об’єктивну функцію IPO-IMPT, щоб надати різноманітні рішення для проектування індивідуальних гребневих фільтрів і карт протонних плям.

Гребневі фільтри, які використовуються в поєднанні з компенсатором дальності, містять ряд штифтів у формі зіккурата, які поширюють пік Брегга від пучка 250 МеВ, щоб охопити цільовий об’єм планування, специфічний для пучка. Команда розробила програмне забезпечення зворотного планування, щоб визначити розташування штифтів для індивідуального фільтра пацієнта, і використовувала моделювання Монте-Карло на основі Geant4, щоб створити матриці впливу дози та LET.

Плани пацієнтів

Щоб продемонструвати структуру IPO-IMPT, дослідники розробили плани лікування для трьох пацієнтів з раком легенів. Вони призначили дозу 50 Гр (п’ять фракцій по 10 Гр) до клінічного цільового об’єму з максимальною дозою в гарячій точці 62.5 Гр. Залежно від того, який параметр має пріоритет, плани спрямовані на збільшення покриття FLASH та/або зменшення LET_d, зберігаючи цільову дозу.

Для пацієнта 1, який мав центральну пухлину легені поблизу серця, OAR були серце та легені. Для цього випадку дослідники створили однопроменевий план IPO-IMPT з метою зниження LET_d до серця, зберігаючи цільове покриття. План IPO-IMPT досяг цієї мети, продемонструвавши подібне цільове покриття до звичайного плану IMPT, але помітно зменшивши LET_d до серця.

Пацієнт 2 мав метастатичну пухлину в правій нижній частці, а пацієнт 3 мав пухлину в підкаринальному лімфовузлі. У цих випадках стравохід також був OAR, і ключовою метою було збереження стравоходу. Як для IPO-IMPT, так і для IMPT майже 100% оцінюваного об’єму стравоходу відповідали пороговому значенню FLASH у 40 Гр/с. Для пацієнта 2 IPO-IMPT трохи знизив LET_d для серця та стравоходу та збільшене покриття FLASH для серця.

Розріджений дизайн шпильки

Звичайні гребневі фільтри, розроблені з використанням фреймворку IPO-IMPT, вибірково щадили OAR, зменшуючи LET і збільшуючи покриття FLASH. Проте розріджені гребневі фільтри, у яких виключено деякі штирі, пропонують потенціал для подальшого збільшення збереження OAR. Видалення штифтів фільтра в певних місцях забезпечує вищий потік протонів, тоді як штирі, що залишилися, все одно забезпечують адекватне покриття цілі.

Для пацієнта 1 дослідники створили план IPO-IMPT з фільтрами з розрідженими гребнями та кількома променями. Порівняння з планом IMPT з використанням звичайних гребеневих фільтрів показало, що в обох випадках охоплення пухлини зберігалося, а гарячі точки добре контролювалися. Проте фільтри з розрідженими гребнями збільшили об’єм OAR, що отримує потужність дози FLASH, на 31% і 50% відповідно для оцінюваних об’ємів серця та легенів.

Розріджені гребневі фільтри забезпечують гнучкість для реалізації повного потенціалу структури IPO-IMPT. Наприклад, рівні видалення штифта можна адаптувати до індивідуальних випадків пацієнта. 50% поріг видалення шпильки забезпечив розумні результати для великої пухлини пацієнта 1, тоді як 30% поріг був хорошою відправною точкою для менших цілей пацієнтів 2 і 3, чиї плани на основі рідкісного гребневого фільтра збільшували DADR у стравоході, зберігаючи пухлину покриття.

Нарешті, щоб переконатися, що вузол гребінчастого фільтра (штифти фільтра та компенсатор) може доставити прогнозовану дозу, дослідники надрукували 3D-фільтр гребеня, призначений для конкретного пацієнта. Вони розробили план лікування, розроблений для забезпечення рівномірної цільової дози, і виконали вимірювання дози за допомогою матриці іонізаційних камер. Загальна швидкість проходження гамма-випромінювання становила 92.9% для абсолютних доз, що перевищує стандартний критерій проходження пацієнтом у 90% і демонструє, що збірка може забезпечити клінічно прийнятний розподіл дози.

NPL вводить абсолютну дозиметрію для пучків протонів FLASH

«Це перевірочне дослідження демонструє доцільність використання структури IPO-IMPT для здійснення FLASH стереотаксичної протонної терапії тіла з урахуванням дози, DADR і LET_d одночасно», – підсумовують дослідники. «Цей новий метод полегшить доставку конформних протонних полів зі швидкістю FLASH для доклінічних і клінічних досліджень».

Старший автор Лійонг Лін розповідає Світ фізики що команда сподівається на подальший розвиток свого програмного забезпечення для таких програм. «Офіс трансферу технологій Еморі заохочував нас створити стартап-компанію «Рішення для радіотерапевтичної біологічної оптимізації (RBO)», — пояснює Лін. «Програма допомоги заявникам Національного інституту охорони здоров’я схвалила RBO подати до Національного інституту раку грант R41 на передачу технологій для малого бізнесу до 5 квітня. IBA, найбільший постачальник терапії частинками, і відділ дозиметрії IBA схвалять пропозицію RBO щодо гранту R41. »

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/patient-specific-ridge-filters-enable-conformal-flash-proton-therapy/