[논문 리뷰] Feasibility Study of Hybrid Inverse Planning with Transmission Beams and Single-energy Spread-out Bragg Peaks for Proton Flash Radiotherapy

Chaoqiong Ma, Xiaofeng Yang외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 14.

Advanced Radiotherapy Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전파형 비례기반 방사선 치료에서 정상 조직 보호를 향상시키기 위해 전달 비피(Transmission Beams, TBs)와 단일 에너지 확산 브라그 피크(Single-Energy Spread-Out Bragg Peaks, SESOBPs)를 조합한 하이브리드 역행성 프로톤 치료 계획 방법을 제안한다. 범위 이동자와 바 리지 필터를 사용하여 SESOBPs를 생성하고, 필드별 비피 선택 및 가중치 조정을 최적화함으로써, 이 방법은 척수 D1.2cc를 41% 감소시키고, TB-단독 계획 대비 폐 조직 보호를 향상시켰으며, 목표 부위의 균형성과 프ラ시티프(FLASH) 선량률 제공 능력은 유사하게 유지하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정상 조직 보호에 한계가 있는 전달 비피 단독(TB-only) 프라시티프 프로톤 치료의 문제점을 해결하기 위해.
• 단일 에너지 확산 브라그 피크(SESOBPs)를 전달 비피와 융합하여 기관위험부위(OAR) 보호를 향상시키는 가능성을 조사하기 위해.
• TB와 SESOBPs를 위한 자동 비피 선택 및 가중치 조정을 가능하게 하는 하이브리드 역행성 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 역행성 최적화 기반의 하이브리드 방법이 TB-단독 및 TB-BP(비피 쌍) 계획과 비교하여 선량 분포 및 선량률 제공 능력 측면에서 유효성을 검증하기 위해.
• 임상 현장에서의 적응형 방사선 치료에 있어 이 하이브리드 방법의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 균일한 목표 부위 커버리지를 달성하기 위해 사전 설계된 바 리지 필터와 범위 이동자를 사용하여 SESOBPs를 생성하고, 전달 비피(TBs)를 활용하였다.
• TB와 SESOBPs를 모두 포함한 필드별 완전한 샘플링을 적용한 역행성 강도조절 프로톤 치료(IMPT) 최적화를 사용하였다.
• 역행성 최적화를 통해 자동으로 스폟 선택 및 비피 가중치 조정을 실현하여 최적의 선량 분포를 확보하였다.
• SESOBPs를 중심 목표 부위에 위치시키기 위해 범위 이동자를 적용하여 확산 브라그 피크 특성을 구현하였다.
• 3차원 선량 및 선량률 분석을 통해 다섯 건의 임상적 폐암 사례를 대상으로 하이브리드 방법의 유효성을 검증하였다.
• 표준 선량측정 지표와 프라시티프 선량률 기준을 사용하여 TB-SESOBP 계획을 TB-단독 및 TB-BP 계획과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TB-단독 계획 대비 SESOBPs를 전달 비피와 융합함으로써 프로톤 프라시티프 방사선 치료에서 정상 조직 보호가 향상되는가?
• RQ2 기존의 TB-BP 계획과 비교할 때 하이브리드 TB-SESOBP 접근법은 목표 부위 선량 균형성과 OAR 보호 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 이 하이브리드 방법은 목표 부위 및 OAR에서 프라시티프 선량률(≥40 Gy/s)을 얼마나 잘 유지할 수 있는가?
• RQ4 특히 적응형 방사선 치료 환경에서 하이브리드 TB-SESOBP 방법은 임상 적용에 실현 가능한가?
• RQ5 프라시티프 프로톤 치료 맥락에서 전통적인 브라그 피크에 비해 SESOBPs의 선량측정적 이점은 무엇인가?

주요 결과

• TB-SESOBP 계획은 TB-단독 계획 대비 평균 척수 D1.2cc를 41% 감소시켜 척수 보호 효과를 뚜렷이 향상시켰다.
• TB-SESOBP 계획에서는 폐 V7Gy와 V7.4Gy가 최대 17% 감소하여 폐 조직 보호가 향상됨을 나타냈다.
• TB-단독 계획 대비 TB-SESOBP 계획에서 목표 부위 선량 균형성이 약간 향상되었으며, TB-BP 계획과 유사한 수준을 유지하였다.
• 상대적으로 큰 목표 부위를 가진 사례에서는 TB-SESOBP 계획이 TB-BP 계획에 비해 폐 조직 보호가 뛰어났다.
• 세 계획(TB-단독, TB-BP, TB-SESOBP) 모두 목표 부위에서 V40Gy/s = 100%를 달성하여 전체적인 프라시티프 선량률 커버리지가 확보됨을 확인하였다.
• TB-SESOBP 방법은 OAR에서 V40Gy/s > 85%를 유지하여 중요한 구조물 전역에 걸쳐 견고한 프라시티프 선량률 제공 능력을 입증하였다.