[論文レビュー] Optimization of patient-specific range modulators for conformal FLASH proton therapy

Sylvain Deffet, Kevin Souris+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2023

Radiation Therapy and DosimetryMedicine被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、患者固有のボクセル化範囲調整器とペンシルビームスキャンスポット重みを同時に最適化する新しい逆プランニング手法を提案する。迅速なモンテカルロ勾配推定器を用いて、線量制約のもとで、調整器の幾何形状とスポット重みを直接最適化することで、IMPTに近い線量分布を達成するとともに、3Dプリント可能でCTと互換性のある設計を可能にし、シミュレーションワークフローを簡素化する。

ABSTRACT

Purpose: A promising approach to enable FLASH conformal proton therapy is to passively degrade a single energy layer using a patient-specific range modulator. We propose an innovative method to directly optimize the geometrical characteristics of the range modulator and the treatment plan with respect to user defined constraints, similarly to state-of-the-art IMPT inverse planning. Methods: The kind of range modulators proposed in this study is a voxelized object which can be placed in the CT for dose computation, which simplifies the simulation pipeline. Both the geometrical characteristics of the range modulator and the weights of the PBS spots were directly optimized with respect to constraints on the dose using a first-order method. A modified Monte Carlo dose engine was used to provide an estimate of the gradient of the relaxed constraints with respect to the elevation values of the range modulator. Results: Assessed on a head and neck case, dose conformity logically appeared to be significantly degraded compared to IMPT. We then demonstrated that this degradation came mainly from the use of a large range shifter and therefore from physical limitations inherent in the passive degradation of beam energy. The geometry of the range modulator, on the other hand, was shown to be very close to being optimal. PBS dose rates were computed and discussed with respect to FLASH objectives. Conclusions: The voxelized range modulators optimized with the proposed method were proven to be optimal on a head and neck case characterized by two rather large volumes, with irregular contours and variable depths. The optimized geometry differed from conventional ridge filters as it was arbitrarily set by the optimizer. This kind of range modulators can be directly added in the CT for dose computation and is well suited for 3D printing.

研究の動機と目的

• 既存のFLASHプロトン線治療手法における範囲調整器の直接的最適化の欠如に対処すること。
• 事前に計算されたIMPT計画や外部のモンテカルロエンジンに依存する線量再現最適化の制限を克服すること。
• IMPT逆プランニングに類似した、範囲調整器の幾何形状とPBSスポット重みの統合最適化フレームワークを構築すること。
• CTに直接埋め込める3Dプリント可能なボクセル化範囲調整器を用いて、実用的実装を可能にすること。
• FLASH線量率制約下での複雑な頭頸部がん症例における、本手法の実現可能性と線量適合性を評価すること。

提案手法

• ボクセル化範囲調整器は、線量計算に直接組み込むためにCT内に配置された3次元の高さマップ（1×1×1 mm³解像度）として定義される。
• 1次最適化法により、調整器の高さ値とPBSスポット重みを同時に更新する。
• 変更されたモンテカルロ線量エンジンが、各ボクセルの高さに関する緩和された線量制約の勾配を計算する。
• IMPT逆プランニングと同様に、ターゲットおよび臓器障害リスクのユーザー定義線量制約のもとで最適化が実施される。
• CTベースの調整器を用いることで、外部のパrameter化された幾何形状エンジンを回避し、シミュレーションパイプラインを簡素化する。
• 本手法により、順次的または分離的な手順を避けて、調整器形状とスポット重みの直接的かつ統合的な最適化が可能になる。

Figure 1: A 3D range modulator can be represented as a 2D elevation map. It is split into ’towers’ and a range shifter. A minimum thickness of plain material is left attached to the ’towers’ accordingly to 3D printing specification.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 範囲調整器の幾何形状とPBSスポット重みの統合最適化は、逐次的または線量再現最適化手法と比較して、FLASHプロトン線治療における線量適合性を向上させ得るか？
• RQ2 単一エネルギー層を用いる場合、被動的ビームエネルギー低下の物理的制限がFLASH線量適合性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 ボクセル化調整器設計は、従来のリッジフィルタと比較して、幾何的柔軟性および3Dプリント性において優れているか？
• RQ4 パrameter化された幾何形状を有する複雑な外部モンテカルロエンジンを代替する、CTベースの調整器を用いた簡素化されたシミュレーションパイプラインは、実現可能か？
• RQ5 最適化されたFLASH計画における達成可能な線量率はどの程度か？また、FLASH効果に関連する40 Gy/sのしきい値を満たしているか？

主な発見

• 最適化された範囲調整器の幾何形状は、非常に最適に近く、非対称なピラミッド型構造が最適化プロセスから自然に出現した。
• FLASH計画における線量適合性は、完全なIMPTと比較して著しく劣化しており、主に被動的ビームエネルギー低下の物理的制限に起因する。
• 評価された頭頸部がん症例では、PBS線量率が40 Gy/sのしきい値に達しなかったが、走査長が主な制限要因であった。
• ボクセル化調整器設計により、CT内への直接統合が可能になり、パrameter化された幾何形状を有する複雑な外部モンテカルロシミュレーションの必要がなくなった。
• 本手法は、同じ範囲シフターを用いた単一フィールドIMPT計画と非常に近い線量分布を達成しており、線量供給の高精度性を示した。
• 粗い1×1×1 mm³解像度のおかげで、機械的安定性と製造性が向上するため、本手法は3Dプリントに非常に適している。

Figure 3: Experimental setup for the right part of the tumor. From nozzle to patient: range modulator (PMMA), range shifter (aluminium), and aperture (tungsten).