Οι εξαιρετικά υψηλοί ρυθμοί δόσης που χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία FLASH μπορεί να αυξήσουν το θεραπευτικό παράθυρο προστατεύοντας τους φυσιολογικούς ιστούς από τη βλάβη από την ακτινοβολία. Μερικοί ερευνητές πιστεύουν ότι οι δέσμες πρωτονίων FLASH μπορεί να είναι διαθέσιμες και με τις εμπορικά διαθέσιμες δέσμες πρωτονίων με επιτάχυνση κυκλοτρονίων. Αλλά όταν το FLASH συνδυάζεται με τον πιο προηγμένο τύπο θεραπείας πρωτονίων, την πλευρική σάρωση με δέσμη μολυβιού (PBS), οι ίδιες οι αποδόσεις πρωτονίων PBS που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία πολύπλοκων καρκίνων με απαράμιλλη ακρίβεια επηρεάζουν επίσης τους τοπικούς ρυθμούς δόσης που είναι κρίσιμοι για την επίτευξη του φαινομένου FLASH.
Ερευνητές στο Ιατρικό Κέντρο Πανεπιστημίου Erasmus, Instituto Superior Técnico και HollandPTC ορίστηκε να λαμβάνει υπόψη τις τοπικές διακυμάνσεις στον ρυθμό δόσης που προκύπτουν από τη χορήγηση πρωτονίων PBS. Η πρόσφατη μελέτη τους, που αναφέρθηκε στο International Journal of Radiation Oncology Biology Physics, μεγιστοποιεί την κάλυψη FLASH βελτιστοποιώντας το μοτίβο σάρωσης PBS με μετρήσεις που βασίζονται σε voxel.
«Προσπαθούσαμε να βελτιστοποιήσουμε το FLASH μέσω της βελτιστοποίησης του ρυθμού δόσης, χωρίς να διακυβεύεται η ποιότητα του σχεδίου όσον αφορά τη δόση ακτινοβολίας», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας Rodrigo José Santo. «Προσπαθούσαμε να δημιουργήσουμε έναν αγωγό που θα βελτιστοποιούσε σταθερά την κάλυψη FLASH για διαφορετικά σχήματα και μεγέθη όγκων, χωρίς να βελτιστοποιήσουμε εκ νέου το σχέδιο θεραπείας και να θεωρήσουμε το FLASH ως τοπικό αποτέλεσμα που εξαρτάται από το μοτίβο χορήγησης δέσμης μολυβιού».
Το αποτέλεσμα: βελτιστοποίηση των σχεδίων θεραπείας θεραπείας με πρωτόνια FLASH χωρίς συμβιβασμούς στον ρυθμό δόσης.
Η PBS ως ταξιδεύων πωλητής
Το πρόβλημα του ταξιδιώτη πωλητή θέτει την ακόλουθη ερώτηση: «Δεδομένης μιας λίστας πόλεων και των αποστάσεων μεταξύ κάθε ζεύγους πόλεων, ποια είναι η συντομότερη δυνατή διαδρομή που επισκέπτεται κάθε πόλη ακριβώς μία φορά και επιστρέφει στην πόλη προέλευσης;»
Αυτό το πρόβλημα, που έχει μελετηθεί εδώ και καιρό από ερευνητές συνδυαστικής βελτιστοποίησης, είναι ένα βαρόμετρο για γενετικούς αλγόριθμους που χρησιμοποιούνται στην επιστήμη των υπολογιστών και στην επιχειρησιακή έρευνα. Ο José Santo, ο οποίος είναι επί του παρόντος διδακτορικός φοιτητής στο UMC Utrecht, αλλά ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής κατά την εκτέλεση της εργασίας, συνειδητοποίησε ότι οι γενετικοί αλγόριθμοι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να λύσουν το δικό του πρόβλημα - βελτιστοποιώντας τη σειρά με την οποία ακτινοβολούνται οι δέσμες μολυβιών πρωτονίων για να μεγιστοποιηθεί η κάλυψη FLASH .
Η προκύπτουσα προσέγγιση των ερευνητών χρησιμοποιεί μια μέτρηση βασισμένη σε voxel που ορίζεται από σταθερά όρια δόσης για να προσδιορίσει πότε ξεκινά και πότε τελειώνει η ακτινοβολία αυτού του voxel. Ο αλγόριθμος αξιολογεί τον ρυθμό δόσης για κάθε δέσμη μολυβιού ξεχωριστά και υποθέτει ότι το FLASH είναι ένα τοπικό φαινόμενο και ότι ο συνολικός χρόνος ακτινοβολίας είναι μια κρίσιμη παράμετρος FLASH.
Ο αλγόριθμος εκτελείται σε διαφορετικές λύσεις παράλληλα, αν και περιστασιακά μοιράζεται πληροφορίες μεταξύ τους. Η μέση απόσταση μεταξύ των δοκών με μολύβι περιλαμβάνεται ως συνάρτηση κόστους για να ελαχιστοποιηθεί η συνολική απόσταση που διανύθηκε στο επίπεδο εγκάρσια προς την κατεύθυνση της δέσμης. Ο αλγόριθμος εφαρμόζεται διαδοχικά αφού βελτιστοποιηθούν οι θέσεις και τα βάρη της δέσμης μολυβιών και χωρίς να διακυβεύεται η ποιότητα του σχεδίου ως προς την (ονομαστική) απορροφούμενη δόση.
Οι ερευνητές δοκίμασαν τον αλγόριθμό τους σε σχέδια θεραπείας χρησιμοποιώντας δέσμες μολυβιού πρωτονίων μετάδοσης για 20 ασθενείς με καρκίνο του πνεύμονα σε πρώιμο στάδιο και πνευμονικές μεταστάσεις. (Οι βλάβες του πνεύμονα είναι ιδανικές τοποθεσίες για FLASH, λένε οι ερευνητές - οι τρέχουσες θεραπείες πρωτονίων FLASH περιλαμβάνουν δέσμες υψηλής ενέργειας που περνούν μέσα από τον ασθενή και όχι τις δέσμες κορυφής Bragg που χρησιμοποιούνται για τη συμβατική θεραπεία πρωτονίων.)
Η διάμεση κάλυψη FLASH βελτιώθηκε από 6.9% για τυπικά μοτίβα σάρωσης γραμμή προς γραμμή σε 29% με βελτιστοποίηση PBS. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα σχέδια που έχουν βελτιστοποιηθεί για το PBS έχουν όψη σαν στρογγυλή. Το παράθυρο FLASH άλλαξε ελάχιστα μόνο για οριακά διαφορετικά ρεύματα δέσμης.
Θεραπεία πρωτονίων FLASH: αποκάλυψη της βέλτιστης τεχνικής χορήγησης
Δεδομένου ότι άλλες ερευνητικές ομάδες εργάζονται κυρίως για τη βελτιστοποίηση του FLASH στο επίπεδο σχεδιασμού θεραπείας, οι ερευνητές λένε ότι είναι δύσκολο να συγκρίνουν τα δικά τους βελτιστοποιημένα αποτελέσματα με PBS με άλλες μελέτες θεραπείας πρωτονίων FLASH – εξ όσων γνωρίζουν, αυτή η μελέτη είναι η πρώτη που εκτελεί δέσμη μολυβιού βελτιστοποίηση μοτίβου παράδοσης για θεραπεία πρωτονίων FLASH. Τώρα επικεντρώνονται στη βελτιστοποίηση της παροχής PBS για μεγαλύτερους στόχους και στην ενσωμάτωση της βελτιστοποίησης του ρυθμού δόσης στον υπάρχοντα αγωγό βελτιστοποίησης δόσης.
«Η ακτινοθεραπεία εξακολουθεί να βελτιώνεται συνεχώς και το φαινόμενο FLASH είναι ένας πολλά υποσχόμενος δρόμος για καλύτερα αποτελέσματα θεραπείας για τους ασθενείς. Η θεραπεία πρωτονίων, σε συνδυασμό με αλγόριθμους βελτιστοποίησης όπως αυτός που έχουμε αναπτύξει, είναι ένα σημαντικό βήμα προς την επίτευξη ακριβώς αυτού», λέει ο José Santo. "Το χειρόγραφό μας υπογραμμίζει ότι υπάρχει μεγάλο περιθώριο για περαιτέρω βελτιστοποίηση της θεραπείας με πρωτόνια FLASH ως μέθοδο θεραπείας, ακόμη και με το τρέχον υλικό δέσμης."
