De ultrahøye doseratene som brukes i FLASH-strålebehandling kan øke det terapeutiske vinduet ved å beskytte normalt vev mot stråleskade. Noen forskere mener at FLASH-protonstråler også kan være tilgjengelige med kommersielt tilgjengelige syklotron-akselererte protonstråler. Men når FLASH kombineres med den mest avanserte typen protonterapi, lateral pencil-beam scanning (PBS), påvirker selve PBS-protonleveransene som brukes til å behandle komplekse kreftformer med uovertruffen presisjon også de lokale doseratene som er kritiske for å oppnå FLASH-effekten.
Forskere på Erasmus University Medical Center, Høyere teknisk institutt og HollandPTC satt for å ta hensyn til de lokale variasjonene i dosehastigheten som følge av PBS-protonlevering. Deres nylige studie, rapportert i International Journal of Radiation Oncology Biology Physics, maksimerer FLASH-dekning ved å optimalisere PBS-skannemønsteret med voxel-baserte beregninger.
"Vi prøvde å optimere FLASH gjennom optimalisering av dosehastigheten, uten å kompromittere plankvaliteten når det gjelder stråledose," sier hovedforfatter Rodrigo José Santo. "Vi prøvde å sette opp en pipeline som konsekvent ville optimalisere FLASH-dekning for forskjellige tumorformer og -størrelser, uten å reoptimere behandlingsplanen og vurdere FLASH som en lokal effekt avhengig av blyantstråleleveringsmønsteret."
Resultatet: optimalisering av behandlingsplaner for FLASH protonterapi uten å gå på akkord med dosehastigheten.
PBS som omreisende selger
Problemet med reisende selger stiller følgende spørsmål: "Gitt en liste over byer og avstandene mellom hvert par av byer, hva er den korteste mulige ruten som besøker hver by nøyaktig én gang og returnerer til opprinnelsesbyen?"
Dette problemet, lenge studert av kombinasjonsoptimaliseringsforskere, er et barometer for genetiske algoritmer som brukes i informatikk og operasjonsforskning. José Santo, som for tiden er doktorgradsstudent ved UMC Utrecht, men var masterstudent da arbeidet ble utført, innså at genetiske algoritmer kunne brukes til å løse hans eget problem – optimalisere rekkefølgen som protonblyantstråler bestråles for å maksimere FLASH-dekning .
Forskernes resulterende tilnærming bruker en voxel-basert metrikk definert av faste doseterskler for å bestemme når bestråling av den voxelen starter og slutter. Algoritmen evaluerer dosehastigheten for hver blyantstråle separat og antar at FLASH er en lokal effekt og at total bestrålingstid er en kritisk FLASH-parameter.
Algoritmen kjøres på forskjellige løsninger parallelt, selv om den av og til deler informasjon mellom dem. Gjennomsnittlig avstand mellom blyantbjelker er inkludert som en kostnadsfunksjon for å minimere den totale tilbakelagte avstanden i planet på tvers av stråleretningen. Algoritmen brukes sekvensielt etter at blyantstråleposisjoner og vekter er optimalisert og uten å gå på akkord med plankvaliteten når det gjelder (nominell) absorbert dose.
Forskerne testet algoritmen deres på behandlingsplaner ved å bruke transmisjonsprotonblyantstråler for 20 pasienter med tidlig lungekreft og lungemetastaser. (Lungelesjoner er ideelle steder for FLASH, sier forskerne - nåværende FLASH-protonbehandlinger involverer høyenergistråler som passerer gjennom pasienten i stedet for Bragg-peak-strålene som brukes for konvensjonell protonterapi.)
Median FLASH-dekning ble forbedret fra 6.9 % for standard linje-for-linje skannemønstre til 29 % med PBS-optimalisering. Forskerne observerte at PBS-optimaliserte planer har et virvlelignende utseende. FLASH-vinduet endret seg bare litt for marginalt forskjellige strålestrømmer.
FLASH protonterapi: avdekke den optimale leveringsteknikken
Siden andre forskningsgrupper primært jobber med å optimalisere FLASH på behandlingsplanleggingsnivå, sier forskerne at det er utfordrende å sammenligne sine egne PBS-optimaliserte resultater med andre FLASH protonterapistudier – så vidt de vet, er denne studien den første som utfører blyantstråle leveringsmønsteroptimalisering for FLASH protonterapi. De fokuserer nå på å optimalisere PBS-levering for større mål og integrere dose-rate-optimalisering i deres eksisterende doseoptimeringspipeline.
"Stråleterapi [blir] fortsatt forbedret kontinuerlig, og FLASH-effekten er en lovende vei til bedre behandlingsresultater for pasienter. Protonterapi, kombinert med optimaliseringsalgoritmer som den vi har utviklet, er et viktig skritt mot å oppnå akkurat det, sier José Santo. "Manuskriptet vårt understreker at det er mye rom for ytterligere optimalisering av FLASH-protonterapi som behandlingsmodalitet, selv med gjeldende strålemaskinvare."
