[論文レビュー] Feasibility Study of Hybrid Inverse Planning with Transmission Beams and Single-energy Spread-out Bragg Peaks for Proton Flash Radiotherapy

Chaoqiong Ma, Xiaofeng Yang+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Advanced Radiotherapy Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、正常組織の被ばくを軽減するために、透過ビーム（TBs）と単一エネルギーの広がりブレッグピーク（SESOBPs）を組み合わせたハイブリッド逆問題プロトン治療計画法を提案する。レンジシフターとバーりっじフィルターを用いてSESOBPsを生成し、フィールドごとのビーム選択と重み付けを最適化することで、脊髄D1.2ccが41%低減され、肺被ばくも改善された。ターゲットの均一性とFLASH線量率の維持は、TBのみの計画と同等であった。

ABSTRACT

Ultra-high dose rate (FLASH) proton planning with only transmission beams (TBs) has limitations in normal tissue sparing. The single-energy spread-out Bragg peaks (SESOBPs) of FLASH dose rate have been demonstrated feasible for proton FLASH planning. A hybrid inverse optimization method was developed to combine the TBs and SESOBPs (TB-SESOBP) for FLASH planning. The SESOBPs were generated from spreading out the BPs by pre-designed general bar ridge filters and placed at the central target by range shifters to obtain a uniform dose within the target. The SESOBPs and TBs were fully sampled field-by-field allowing automatic spot selection and weighting in the optimization process. The TB-SESOBP plans were validated in comparison with the TB only (TB-only) plans and the plans with the combination of TBs and BPs (TB-BP) regarding 3D dose and dose rate distributions for five lung cases. Comparing to the TB-only plans, the mean spinal cord D1.2cc drastically reduced 41%, the mean lung V7Gy and V7.4Gy moderately reduced by up to 17% and the target dose homogeneity slightly increased in the TB-SESOBP plans. Comparable dose homogeneity was achieved in both TB-SESOBP and TB-BP plans. Besides, prominent improvements were achieved in lung sparing for the cases of relatively large targets by the TB-SESOBP plans comparing to the TB-BP plans. The targets were fully covered with the FLASH dose rate in all the three plans. For the OARs, V40Gy/s = 100% was achieved by the TB-only plans while V40Gy/s > 85% was obtained by the other two plans. We have demonstrated that the hybrid TB-SESOBP planning was feasible to achieve FLASH dose rate for proton therapy. The hybrid TB-SESOBP planning has great potential in improving OAR sparing while maintaining high target dose homogeneity, and can be potentially implemented for adaptive radiotherapy.

研究の動機と目的

• 透過ビームのみ（TBのみ）のFLASHプロトン治療における正常組織被ばくの低減の限界を克服すること。
• 単一エネルギーの広がりブレッグピーク（SESOBPs）を透過ビームと統合することで、被椾臓器（OAR）被ばくの低減が可能かどうかを調査すること。
• TBとSESOBPsのための自動ビーム選択と重み付けを可能にするハイブリッド逆最適化フレームワークの開発。
• ドセメトリック分布と線量率供給の観点から、TB-SESOBP計画をTBのみの計画およびTB-BP（ビームペア）計画と比較して検証すること。
• 臨床現場における適応的放療への本ハイブリッド法の可能性を評価すること。

提案手法

• ターゲット被ばくの均一性を達成するために、事前に設計されたバーりっじフィルターとレンジシフターを用いてSESOBPsを生成し、透過ビーム（TBs）と組み合わせた。
• TBとSESOBPsの両方のフィールドごとの完全サンプリングを含む逆強度調制プロトン治療（IMPT）最適化を用いた。
• 逆最適化により自動スポット選択とビーム重み付けを可能にし、最適な線量分布を確保した。
• SESOBPsをターゲット中央部に位置づけるためにレンジシフターを適用し、広がりブレッグピーク特性を実現した。
• 3次元線量と線量率解析を用いて、5例の臨床的肺がん症例でハイブリッド法を検証した。
• 標準的な線量計測指標とFLASH線量率基準を用いて、TB-SESOBP計画をTBのみの計画およびTB-BP計画と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SESOBPsを透過ビームと統合することで、TBのみの計画と比較して、プロトンFLASH放療における正常組織被ばくの低減が可能かどうか。
• RQ2 ターゲット線量の均一性とOAR被ばくの観点から、ハイブリッドTB-SESOBPアプローチは、従来のTB-BP計画と比較してどのように異なるか。
• RQ3 本ハイブリッド法は、ターゲットおよびOARでFLASH線量率（≥40 Gy/s）をどの程度維持できるか。
• RQ4 特に適応的放療の場面において、ハイブリッドTB-SESOBP法は臨床的実装が可能かどうか。
• RQ5 FLASHプロトン放療の文脈において、SESOBPsは従来のブレッグピークと比較して、どのような線量計測的利点を有するか。

主な発見

• TB-SESOBP計画では、TBのみの計画と比較して、平均脊髄D1.2ccが41%低減され、脊髄被ばくの改善が顕著に認められた。
• 肺V7GyおよびV7.4Gyは、TB-SESOBP計画で最大17%低減され、肺被ばくの改善が示された。
• ターゲット線量の均一性は、TB-SESOBP計画でわずかに向上し、TB-BP計画と同等の均一性を示した。
• 比較的大きなターゲットを有する症例では、TB-SESOBP計画がTB-BP計画よりも優れた肺被ばく低減効果を示した。
• 3つの計画（TBのみ、TB-BP、TB-SESOBP）とも、ターゲットでV40Gy/s = 100%を達成しており、完全なFLASH線量率カバレッジが確認された。
• TB-SESOBP法では、OARでV40Gy/s > 85%を維持しており、重要な構造における強力なFLASH線量率供給が確認された。