De ultrahöga doshastigheterna som används vid FLASH-strålbehandling kan öka det terapeutiska fönstret genom att skydda normala vävnader mot strålningsskador. Vissa forskare tror att FLASH protonstrålar kan vara tillgängliga med kommersiellt tillgängliga cyklotronaccelererade protonstrålar också. Men när FLASH kombineras med den mest avancerade typen av protonterapi, lateral pencil-beam scanning (PBS), påverkar själva PBS-protonleveranserna som används för att behandla komplexa cancerformer med oöverträffad precision också de lokala doshastigheterna som är avgörande för att uppnå FLASH-effekten.
Forskare på Erasmus University Medical Center, Instituto Superior Técnico och HollandPTC för att ta hänsyn till de lokala variationerna i doshastighet till följd av PBS-protonleverans. Deras senaste studie, rapporterad i International Journal of Radiation Oncology Biology Physics, maximerar FLASH-täckningen genom att optimera PBS-skanningsmönstret med voxelbaserade mätvärden.
"Vi försökte optimera FLASH genom att optimera doshastigheten, utan att kompromissa med plankvaliteten när det gäller stråldos", säger huvudförfattaren Rodrigo José Santo. "Vi försökte sätta upp en pipeline som konsekvent skulle optimera FLASH-täckningen för olika tumörformer och -storlekar, utan att omoptimera behandlingsplanen och betrakta FLASH som en lokal effekt beroende på pennstrålens leveransmönster."
Resultatet: optimering av behandlingsplaner för FLASH protonterapi utan att kompromissa med doshastigheten.
PBS som resande säljare
Problemet med resande säljare ställer följande fråga: "Med tanke på en lista över städer och avstånden mellan varje par av städer, vilken är den kortaste möjliga vägen som besöker varje stad exakt en gång och återvänder till ursprungsstaden?"
Detta problem, som länge studerats av kombinationsoptimeringsforskare, är en barometer för genetiska algoritmer som används inom datavetenskap och operationsforskning. José Santo, som för närvarande är doktorand vid UMC Utrecht men var masterstudent när arbetet utfördes, insåg att genetiska algoritmer kunde användas för att lösa hans eget problem – att optimera ordningen i vilken protonpennas strålar bestrålas för att maximera FLASH-täckningen .
Forskarnas resulterande tillvägagångssätt använder ett voxelbaserat mått som definieras av fasta doströsklar för att bestämma när bestrålning av den voxeln börjar och slutar. Algoritmen utvärderar doshastigheten för varje pennstråle separat och antar att FLASH är en lokal effekt och att den totala bestrålningstiden är en kritisk FLASH-parameter.
Algoritmen körs på olika lösningar parallellt, även om den ibland delar information mellan dem. Genomsnittligt avstånd mellan pennbalkar ingår som en kostnadsfunktion för att minimera den totala sträckan som tillryggalagts i planet tvärs strålriktningen. Algoritmen tillämpas sekventiellt efter att blyertsstrålens positioner och vikter har optimerats och utan att kompromissa med plankvaliteten vad gäller (nominell) absorberad dos.
Forskarna testade sin algoritm på behandlingsplaner med hjälp av överföringsprotonpennstrålar för 20 patienter med tidigt stadium av lungcancer och lungmetastaser. (Lungskador är idealiska platser för FLASH, säger forskarna - nuvarande FLASH-protonbehandlingar involverar högenergistrålar som passerar genom patienten snarare än Bragg-peak-strålar som används för konventionell protonterapi.)
Median FLASH-täckning förbättrades från 6.9 % för standardlinje-för-rad-skanningsmönster till 29 % med PBS-optimering. Forskarna observerade att PBS-optimerade planer har ett virvelliknande utseende. FLASH-fönstret ändrades endast något för marginellt olika strålströmmar.
FLASH protonterapi: avslöjar den optimala leveranstekniken
Eftersom andra forskargrupper främst arbetar med att optimera FLASH på behandlingsplaneringsnivå, säger forskarna att det är utmanande att jämföra sina egna PBS-optimerade resultat med andra FLASH protonterapistudier – såvitt de vet är den här studien den första som utför pencil-beam optimering av leveransmönster för FLASH-protonterapi. De fokuserar nu på att optimera PBS-leverans för större mål och integrera dos-hastighetsoptimering i sin befintliga dosoptimeringspipeline.
"Strålbehandling förbättras fortfarande kontinuerligt, och FLASH-effekten är en lovande väg till bättre behandlingsresultat för patienter. Protonterapi, i kombination med optimeringsalgoritmer som den vi har utvecklat, är ett viktigt steg mot att uppnå just det, säger José Santo. "Vårt manuskript understryker att det finns mycket utrymme för ytterligare optimering av FLASH-protonterapi som behandlingsmodalitet, även med nuvarande strålhårdvara."
