Die bei der FLASH-Strahlentherapie verwendeten ultrahohen Dosisraten können das therapeutische Fenster vergrößern, indem sie normales Gewebe vor Strahlenschäden schützen. Einige Forscher glauben, dass FLASH-Protonenstrahlen auch mit kommerziell erhältlichen zyklotronbeschleunigten Protonenstrahlen verfügbar sein könnten. Wenn FLASH jedoch mit der fortschrittlichsten Art der Protonentherapie, dem lateralen Pencil-Beam-Scanning (PBS), kombiniert wird, wirken sich genau die PBS-Protonenlieferungen, die zur Behandlung komplexer Krebsarten mit beispielloser Präzision eingesetzt werden, auch auf die lokalen Dosisraten aus, die für die Erzielung des FLASH-Effekts entscheidend sind.
Forscher bei Erasmus Universitätsklinikum, Höheres Technisches Institut und HollandPTC Ziel war es, die lokalen Schwankungen der Dosisleistung zu berücksichtigen, die aus der PBS-Protonenabgabe resultieren. Ihre aktuelle Studie, berichtet in International Journal of Radiooncology Biology Physics, maximiert die FLASH-Abdeckung durch Optimierung des PBS-Scanmusters mit voxelbasierten Metriken.
„Wir haben versucht, FLASH durch Optimierung der Dosisleistung zu optimieren, ohne die Planqualität in Bezug auf die Strahlendosis zu beeinträchtigen“, sagt Hauptautor Rodrigo José Santo. „Wir haben versucht, eine Pipeline einzurichten, die die FLASH-Abdeckung für verschiedene Tumorformen und -größen konsequent optimiert, ohne den Behandlungsplan neu zu optimieren und FLASH als lokalen Effekt zu berücksichtigen, der vom Abgabemuster des Bleistiftstrahls abhängt.“
Das Ergebnis: Optimierung der FLASH-Protonentherapie-Behandlungspläne ohne Kompromisse bei der Dosisleistung.
PBS als Handelsreisender
Das Problem des Handlungsreisenden wirft die folgende Frage auf: „Was ist angesichts einer Liste von Städten und der Entfernungen zwischen den einzelnen Städtepaaren die kürzestmögliche Route, die jede Stadt genau einmal besucht und zur Ausgangsstadt zurückkehrt?“
Dieses Problem, das seit langem von Forschern der kombinatorischen Optimierung untersucht wird, ist ein Barometer für genetische Algorithmen, die in der Informatik und Operations Research verwendet werden. José Santo, der derzeit Doktorand an der UMC Utrecht ist, aber zum Zeitpunkt der Durchführung der Arbeit Masterstudent war, erkannte, dass genetische Algorithmen verwendet werden könnten, um sein eigenes Problem zu lösen – die Optimierung der Reihenfolge, in der Protonenbündelstrahlen abgestrahlt werden, um die FLASH-Abdeckung zu maximieren .
Der daraus resultierende Ansatz der Forscher verwendet eine voxelbasierte Metrik, die durch feste Dosisschwellenwerte definiert wird, um zu bestimmen, wann die Bestrahlung dieses Voxels beginnt und endet. Der Algorithmus bewertet die Dosisleistung für jeden Nadelstrahl separat und geht davon aus, dass FLASH ein lokaler Effekt und die Gesamtbestrahlungszeit ein kritischer FLASH-Parameter ist.
Der Algorithmus wird auf verschiedenen Lösungen parallel ausgeführt, tauscht jedoch gelegentlich Informationen zwischen ihnen aus. Der durchschnittliche Abstand zwischen den Bleistiftstrahlen wird als Kostenfunktion einbezogen, um die in der Ebene quer zur Strahlrichtung zurückgelegte Gesamtstrecke zu minimieren. Der Algorithmus wird sequentiell angewendet, nachdem die Positionen und Gewichte der Bleistiftstrahlen optimiert wurden, ohne dass die Planqualität in Bezug auf die (nominale) absorbierte Dosis beeinträchtigt wird.
Die Forscher testeten ihren Algorithmus an Behandlungsplänen mit Protonenstiftstrahlen für 20 Patienten mit Lungenkrebs im Frühstadium und Lungenmetastasen. (Lungenläsionen sind ideale Orte für FLASH, sagen die Forscher – bei aktuellen FLASH-Protonenbehandlungen werden hochenergetische Strahlen eingesetzt, die durch den Patienten dringen, und nicht die Bragg-Peak-Strahlen, die für die herkömmliche Protonentherapie genutzt werden.)
Die mittlere FLASH-Abdeckung verbesserte sich von 6.9 % für standardmäßige zeilenweise Scanmuster auf 29 % mit PBS-Optimierung. Die Forscher beobachteten, dass PBS-optimierte Pläne ein wirbelartiges Aussehen haben. Das FLASH-Fenster änderte sich bei geringfügig unterschiedlichen Strahlströmen nur geringfügig.
FLASH-Protonentherapie: Aufdeckung der optimalen Verabreichungstechnik
Da andere Forschungsgruppen in erster Linie daran arbeiten, FLASH auf der Ebene der Behandlungsplanung zu optimieren, sagen die Forscher, dass es schwierig sei, ihre eigenen PBS-optimierten Ergebnisse mit anderen Studien zur FLASH-Protonentherapie zu vergleichen – ihres Wissens ist diese Studie die erste, die eine Pencil-Beam-Studie durchführt Optimierung des Abgabemusters für die FLASH-Protonentherapie. Sie konzentrieren sich nun auf die Optimierung der PBS-Verabreichung für größere Ziele und die Integration der Dosisleistungsoptimierung in ihre bestehende Dosisoptimierungspipeline.
„Die Strahlentherapie wird immer noch kontinuierlich verbessert und der FLASH-Effekt ist ein vielversprechender Weg zu besseren Behandlungsergebnissen für Patienten. Die Protonentherapie in Kombination mit Optimierungsalgorithmen, wie wir sie entwickelt haben, ist ein wichtiger Schritt, um genau das zu erreichen“, sagt José Santo. „Unser Manuskript unterstreicht, dass es viel Raum für eine weitere Optimierung der FLASH-Protonentherapie als Behandlungsmodalität gibt, selbst mit aktueller Strahlhardware.“
