[논문 리뷰] Optimization of patient-specific range modulators for conformal FLASH proton therapy

Sylvain Deffet, Kevin Souris외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 15.

Radiation Therapy and DosimetryMedicine인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 조여진 프로톤 치료를 위한 혁신적인 역계획법을 제안하며, 환자별 맞춤형 비oxel화된 범위 조절기와 펜치 비임의 스캐닝 스포트 가중치를 동시에 최적화한다. 빠른 몬테카를로 기반의 기울기 추정기를 사용하여 선제적 제약 조건 하에서 범위 조절기 형상과 스포트 가중치를 직접 최적화함으로써, IMPT에 가까운 선량 분포를 달성하면서도 3D 프린팅이 가능한 CT 호환 설계와 단순화된 시뮬레이션 워크플로우를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 조여진 프로톤 치료 접근법에서 범위 조절기의 직접 최적화 부족 문제를 해결한다.
• 사전에 계산된 IMPT 계획과 외부 몬테카를로 엔진에 의존하는 선량 모방 최적화의 한계를 극복한다.
• IMPT 역계획과 유사한 통합 최적화 프레임워크를 범위 조절기 형상과 PBS 스포트 가중치 양자 모두에 적용한다.
• CT 기반의 직접 통합이 가능한 3D 프린팅 가능한 비oxel화된 범위 조절기를 통해 실용적 구현을 가능하게 한다.
• 조여진 선량률 제약 조건 하에서 복잡한 두경부 종양 환자에 대해 방법의 타당성과 선량 적합도를 평가한다.

제안 방법

• 비oxel화된 범위 조절기는 CT 내에 직접 삽입되는 3차원 고도 지도(1×1×1 mm³ 해상도)로 정의된다.
• 일阶 최적화 방법이 동시에 조절기의 고도 값과 PBS 스포트 가중치를 업데이트한다.
• 수정된 몬테카를로 선량 엔진이 각 비oxel의 높이에 대한 느슨한 선량 제약 조건의 기울기를 계산한다.
• IMPT 역계획과 유사하게 환자 정의의 목표 부위 및 위험 부위에 대한 선량 제약 조건 하에서 최적화가 수행된다.
• CT 기반의 조절기를 사용함으로써 외부 매개변수화된 기하학 엔진을 회피하여 시뮬레이션 파이프라인을 단순화한다.
• 순차적 또는 분리된 절차를 피하기 위해 조절기 형상과 스포트 가중치를 직접 통합 최적화할 수 있다.

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.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 범위 조절기 형상과 PBS 스포트 가중치를 동시에 최적화하는 것이 순차적 또는 선량 모방 방법에 비해 조여진 프로톤 치료에서 선량 적합도를 향상시키는가?
• RQ2 단일 에너지 층을 사용할 경우 수동 비례선량 감소의 물리적 제약이 조여진 선량 적합도에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 비oxel화된 조절기 설계는 기존의 리지 필터에 비해 기하학적 유연성과 3D 프린팅 가능성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 매개변수화된 기하학 기반의 외부 몬테카를로 엔진을 대체할 수 있는 CT 기반 조절기를 사용한 단순화된 시뮬레이션 파이프라인은 얼마나 유용한가?
• RQ5 최적화된 조여진 계획에서 달성 가능한 선량률은 얼마이며, 조여진 효과와 연관된 40 Gy/s 기준을 충족하는가?

주요 결과

• 최적화된 범위 조절기 형상은 최적에 매우 가까웠으며, 비대칭 피라미드형 구조가 최적화 과정에서 자연스럽게 유도되었다.
• IMPT에 비해 조여진 계획에서 선량 적합도가 크게 떨어졌는데, 주로 수동 비례선량 감소의 물리적 제약 때문이었다.
• 평가된 두경부 환자에서 PBS 선량률은 40 Gy/s 기준에 도달하지 못했으며, 스캐닝 길이가 주요 제약 요소였다.
• 비oxel화된 조절기 설계 덕분에 선량 계산을 위한 CT 내 직접 통합이 가능해졌고, 복잡한 외부 매개변수화된 몬테카를로 시뮬레이션의 필요성을 제거했다.
• 동일한 범위 이격기로 사용된 단일 필드 IMPT 계획과 매우 유사한 선량 분포를 달성하여 선량 전달의 높은 정밀도를 입증했다.
• 1×1×1 mm³ 해상도로 인해 기계적 안정성과 제작 가능성이 향상되어 3D 프린팅에 매우 적합한 것으로 나타났다.

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