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剂量率优化有利于FLASH质子治疗对健康组织的保护

2021/1/7 作者:质子中国

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放射治疗的主要目的是向肿瘤细胞提供大剂量的照射,同时保护周围的健康组织。近来的研究表明,FLASH治疗可以通过向肿瘤组织提供超高剂量率的照射,降低健康组织的毒性反应,从而提高治疗比。详情请见往期报道《预见未来——专家畅谈Flash治疗的临床应用》《FLASH放疗:从临床前愿景到首例人体治疗》


提供FLASH所需的超高剂量率的一个方法是使用质子治疗。当质子穿过组织时,将大部分能量沉积在射程末端。通过确保最大照射剂量沉积在特定靶区内,FLASH质子治疗可以进一步提高治疗比。详情请见往期报道《质子FLASH治疗:杀伤肿瘤同时更好的保护正常组织》《宾夕法尼亚大学董雷教授:质子FLASH治疗》


在治疗开始前,治疗计划系统 (TPS)内严格的计算助于确定最佳治疗计划。治疗计划优化过程还需考虑如何将总照射剂量划分为多个治疗分次——超分割(hyperfractionation)。


目前,TPS优化算法只优化剂量而不考虑剂量率。然而,递送的剂量率对FLASH治疗的疗效有显著影响。为了解决这个问题,Dr. Gao和他在埃默里大学Winship癌症研究所和山东大学的同事们合作开发了一种同时优化剂量和剂量率的方法(Simultaneous dose and dose rate optimization, SDDRO)。


剂量率优化


Dr. Gao及其团队在对比了仅优化剂量和使用SDDRO对治疗计划质量的影响。他们比较了对3例肺癌患者,使用SDDRO和传统调强质子治疗(IMPT)计划(仅优化剂量)两者剂量和剂量率的分布。使用1、3、5、9和17个束流进行治疗,分次处方剂量为2、6和10 Gy。

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多个治疗束的剂量和剂量率分布图:左图为IMPT(左),右图为同时优化剂量和剂量率(SSDRO),分次剂量为10 Gy。使用9个束流的SDDRO方法的治疗计划质量最佳。


SDDRO方法包括了对靶区体积和危及器官(OAR)的常规剂量限制。在感兴趣区(region-of-interest, ROI),处理剂量限制,还实施剂量率限制。选择围绕临床靶区(CTV) 的环形扩展区为ROI。剂量率限制可确保大部分ROI获得所需的FLASH剂量速率(≥40 Gy/s)。


提高剂量率覆盖


与IMPT计划产生的剂量和剂量率分布相比,SDDRO在FLASH剂量率覆盖(dose-rate coverage)方面有了显著改善。所有SDDRO计划都满足了剂量率限制(98%的ROI获得所需的剂量率)。在优化过程中考虑到多个治疗束流时,无论是剂量分布还是剂量率分布,总体治疗计划的质量都得到了提高。


当治疗计划使用9个束流和10 Gy的分次剂量进行治疗时,可获得最佳FLASH剂量率覆盖。这表明SSDRO的计划质量可以通过增加每分次的剂量(低分次大分割, hypofractionation)得到进一步提高。


研究人员还表示,使用和不使用剂量率优化产生的剂量分布具有相当的CTV覆盖率。Dr. Gao认为,“在保护正常组织的同时保证剂量分布方面,与IMPT相比,SDDRO可以显著提高FLASH的剂量率覆盖”。


未来SDDRO的应用


此项研究提出的SDDRO方法可以实现剂量率限制。为了将来应用这一方法,Dr. Gao建议“剂量率-体积限制应以类似剂量-体积限制的方式来规定”。


研究人员表示,SDDRO方法的应用仍需要进一步开发,未来,SDDRO可能成为FLASH治疗计划的常规方法。“与剂量-体积限制已经根据临床终点建立对应的各种定量指标不同,剂量率-体积限制是新的概念,需要为此将建立新的定量指标,”Dr. Gao说。

质子专区介绍:
相比传统放疗,质子治疗作为“精准治疗”的新一代代表,利用质子射线所具有的独特物理特性,以极快的速度、很小的放射剂量进入人体,迅速到达肿瘤组织并释放全部剂量,而肿瘤后方和侧方的正常组织及器官受到的照射剂量几乎为零,从而实现以最大的照射剂量杀伤肿瘤组织的同时又最大限度地避免了周围组织及器官的损伤,实现更加精确的“精准治疗”。
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关键词

质子放疗FLASH应用

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