患者专用脊形滤波器可实现适形 FLASH 质子治疗

立体定向放射治疗 (SBRT) 是一种精准的癌症治疗，与传统放射治疗相比，它提供更少、更高剂量的辐射分数。 SBRT 可以提供出色的局部肿瘤控制，但对于某些肿瘤位置，它有可能使附近的危及器官 (OAR) 暴露在不可接受的辐射水平下。 基于质子的 SBRT 可提供更好的 OAR 保护，但仍需要一定的治疗余量，这可能会限制其临床适用性。

以超高剂量率进行辐射的 FLASH 放疗可以进一步减少 OAR。 为了研究它的潜力，一个研究小组领导了 埃默里大学 正在开发优化质子治疗交付的框架，以满足 FLASH 放射治疗的需求。

大多数现代质子治疗系统可以使用穿过患者的高能传输光束实现 FLASH 剂量率，并在整个路径中沉积剂量。 然而，这种方法消除了质子治疗的主要优势：它能够在展开的布拉格峰中提供剂量。 为了提高 FLASH 剂量率下的保形性， 刘蕊蕊 及其同事提出，针对患者的脊线滤波器可以提供与传统强度调制质子治疗 (IMPT) 相似的剂量分布。

对于 FLASH 治疗，剂量、剂量平均剂量率 (DADR) 和剂量平均线性能量转移 (LET_d) 都会影响生物反应。 因此，研究人员开发了一个综合物理优化 (IPO) 框架，可同时优化这三个参数，以最大限度地减少患者治疗计划中的 OAR。 该框架，在 国际放射肿瘤学，生物学，物理学杂志，使用 IPO-IMPT 目标函数为患者特定脊线滤波器和质子点图的设计提供多种解决方案。

脊形滤波器与距离补偿器结合使用，包括一个锯齿形针阵列，可将 250 MeV 光束的布拉格峰扩展到覆盖特定光束的规划目标体积。 该团队开发了逆向规划软件来定义患者特定过滤器的针脚位置，并使用基于 Geant4 的蒙特卡罗模拟来提供剂量和 LET 影响矩阵。

患者计划

为了展示 IPO-IMPT 框架，研究人员为三名肺癌患者制定了治疗计划。 他们对临床靶体积规定了 50 Gy（10 个 62.5 Gy 分次）的剂量，最大热点剂量为 XNUMX Gy。 根据优先考虑的参数，计划旨在增加 FLASH 覆盖范围和/或减少 LET_d，同时保持目标剂量。

对于靠近心脏的中央肺部肿瘤患者 1，OAR 是心脏和肺。 对于这种情况，研究人员生成了一个单光束 IPO-IMPT 计划，旨在减少 LET_d 到心脏，同时保持目标覆盖范围。 IPO-IMPT 计划实现了这一目标，展示了与传统 IMPT 计划相似的目标覆盖范围，但显着降低了 LET_d 到心脏。

患者 2 在右下叶有一个转移性肿瘤，患者 3 在隆突下淋巴结有一个肿瘤。 在这些病例中，食管也是一个 OAR，关键目标是保护食管。 对于 IPO-IMPT 和 IMPT，几乎 100% 的食管评估体积达到 40 Gy/s FLASH 阈值，对于患者 2，IPO-IMPT 略微降低了 LET_d 用于心脏和食道，并增加了心脏的 FLASH 覆盖范围。

稀疏引脚设计

使用 IPO-IMPT 框架设计的常规脊线过滤器通过减少 LET 和增加 FLASH 覆盖范围有选择地保留 OAR。 然而，省略了一些针脚的稀疏脊形过滤器提供了进一步增加 OAR 保护的潜力。 移除特定位置的过滤器针脚可提供更高的质子通量，而其余针脚仍可提供足够的目标覆盖率。

对于患者 1，研究人员生成了一个具有稀疏脊线滤波器和多波束的 IPO-IMPT 计划。 与使用常规脊线过滤器的 IMPT 计划的比较表明，对于这两种计划，肿瘤覆盖率都得到了保持，热点得到了很好的控制。 然而，对于心脏和肺评估体积，稀疏脊滤波器分别增加了接受 FLASH 剂量率的 OAR 体积 31% 和 50%。

稀疏脊滤波器提供了灵活性，以实现 IPO-IMPT 框架的全部潜力。 例如，可以针对个别患者情况定制针移除水平。 50% 的针去除阈值为患者 1 的大肿瘤提供了合理的结果，而 30% 的阈值是患者 2 和 3 的较小目标的良好起点，其基于稀疏嵴过滤器的计划增加了食管中的 DADR，同时保持了肿瘤报道。

最后，为了验证脊形过滤器组件（过滤器针脚和补偿器）是否可以提供预测的剂量，研究人员 3D 打印了患者专用的脊形过滤器。 他们提供了旨在提供统一目标剂量的治疗计划，并使用电离室阵列进行了剂量测量。 绝对剂量的总伽马通过率为 92.9%，超过了 90% 的标准患者通过标准，表明该组件可以提供临床上可接受的剂量分布。

NPL 引入了 FLASH 质子束的绝对剂量测定法

“这项概念验证研究证明了使用 IPO-IMPT 框架完成 FLASH 立体定向身体质子治疗的可行性，考虑了剂量、DADR 和 LET_d 同时，”研究人员总结道。 “这种新方法将有助于以 FLASH 速率为临床前和临床研究提供共形质子场。”

资深作者 林立勇 告诉 物理世界 该团队希望进一步开发用于此类应用程序的软件。 “埃默里大学的技术转让办公室鼓励我们成立一家初创公司，Radiotherapy Biological Optimization (RBO) Solutions，”Lin 解释道。 “RBO 被美国国立卫生研究院的申请人援助计划接受，可以在 41 月 5 日之前向国家癌症研究所提交小型企业技术转让 R41 赠款。最大的粒子治疗供应商 IBA 和 IBA 的剂量学部门将批准 RBO 的 RXNUMX 赠款提案。 ”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/patient-specific-ridge-filters-enable-conformal-flash-proton-therapy/