De ultrahøje dosishastigheder, der anvendes i FLASH-strålebehandling, kan øge det terapeutiske vindue ved at beskytte normalt væv mod strålingsskader. Nogle forskere mener, at FLASH protonstråler også kan være tilgængelige med kommercielt tilgængelige cyclotron-accelererede protonstråler. Men når FLASH kombineres med den mest avancerede type protonterapi, lateral pencil-beam scanning (PBS), påvirker selve de PBS protonleverancer, der bruges til at behandle komplekse kræftformer med uovertruffen præcision, også de lokale dosishastigheder, der er afgørende for at opnå FLASH-effekten.
Forskere hos Erasmus University Medical Center, Instituto Superior Técnico , HollandPTC fastsat for at tage højde for de lokale variationer i dosishastigheden som følge af PBS-protonlevering. Deres nylige undersøgelse, rapporteret i International Journal of Radiation Oncology Biology Physics, maksimerer FLASH-dækningen ved at optimere PBS-scanningsmønsteret med voxel-baserede metrikker.
"Vi forsøgte at optimere FLASH gennem optimering af dosishastigheden uden at gå på kompromis med plankvaliteten med hensyn til strålingsdosis," siger hovedforfatter Rodrigo José Santo. "Vi forsøgte at oprette en pipeline, der konsekvent ville optimere FLASH-dækning til forskellige tumorformer og -størrelser uden at re-optimere behandlingsplanen og overveje FLASH som en lokal effekt afhængig af blyantstrålens leveringsmønster."
Resultatet: optimering af FLASH protonterapi behandlingsplaner uden at gå på kompromis med dosishastigheden.
PBS som rejsende sælger
Problemet med den rejsende sælger rejser følgende spørgsmål: "Med en liste over byer og afstandene mellem hvert par byer, hvad er den kortest mulige rute, der besøger hver by nøjagtigt én gang og vender tilbage til oprindelsesbyen?"
Dette problem, længe studeret af kombinationsoptimeringsforskere, er et barometer for genetiske algoritmer, der bruges i datalogi og operationsforskning. José Santo, der i øjeblikket er ph.d.-studerende ved UMC Utrecht, men som var kandidatstuderende, da arbejdet blev udført, indså, at genetiske algoritmer kunne bruges til at løse hans eget problem – at optimere rækkefølgen, hvori proton-blyantstråler bestråles for at maksimere FLASH-dækningen .
Forskernes resulterende tilgang bruger en voxel-baseret metrik defineret af faste dosistærskler til at bestemme, hvornår bestråling af den voxel starter og slutter. Algoritmen evaluerer dosishastigheden for hver blyantstråle separat og antager, at FLASH er en lokal effekt, og at den samlede bestrålingstid er en kritisk FLASH-parameter.
Algoritmen køres på forskellige løsninger parallelt, selvom den lejlighedsvis deler information mellem dem. Gennemsnitlig afstand mellem blyantbjælker er inkluderet som en omkostningsfunktion for at minimere den samlede tilbagelagte afstand i planet på tværs af stråleretningen. Algoritmen anvendes sekventielt efter blyantstrålepositioner og -vægte er optimeret og uden at kompromittere plankvaliteten med hensyn til (nominel) absorberet dosis.
Forskerne testede deres algoritme på behandlingsplaner ved hjælp af transmissionsproton-blyantstråler til 20 patienter med tidligt stadie af lungekræft og lungemetastaser. (Lungelæsioner er ideelle steder for FLASH, siger forskerne - nuværende FLASH-protonbehandlinger involverer højenergistråler, der passerer gennem patienten i stedet for Bragg-peak-strålerne, der er udnyttet til konventionel protonterapi.)
Median FLASH-dækning blev forbedret fra 6.9 % for standard linje-for-linje scanningsmønstre til 29 % med PBS-optimering. Forskerne observerede, at PBS-optimerede planer har et hvirvellignende udseende. FLASH-vinduet ændrede sig kun lidt for marginalt forskellige strålestrømme.
FLASH protonterapi: afdækning af den optimale leveringsteknik
Da andre forskergrupper primært arbejder på at optimere FLASH på behandlingsplanlægningsniveau, siger forskerne, at det er udfordrende at sammenligne deres egne PBS-optimerede resultater med andre FLASH protonterapistudier – efter deres viden er denne undersøgelse den første til at udføre pencil-beam leveringsmønsteroptimering til FLASH protonterapi. De fokuserer nu på at optimere PBS-levering til større mål og integrere dosishastighedsoptimering i deres eksisterende dosisoptimeringspipeline.
"Strålebehandling [bliver] stadig forbedret kontinuerligt, og FLASH-effekten er en lovende vej til bedre behandlingsresultater for patienter. Protonterapi kombineret med optimeringsalgoritmer som den, vi har udviklet, er et vigtigt skridt i retning af at opnå netop det,” siger José Santo. "Vores manuskript understreger, at der er meget plads til yderligere optimering af FLASH protonterapi som behandlingsmodalitet, selv med nuværende strålehardware."
