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质子光子联合处理脊索瘤
质子光子联合处理脊索瘤

  与传统的高能X射线放射治疗相比,质子治疗减少了正常组织的积分。近年来,质子放射治疗中心的数量有所增加。质子治疗仍然是一种有限的资源,提供给相对较少的癌症患者。问题是如何最佳地利用质子疗法。
   患者是否接受质子治疗通常是二元决定,即整个治疗仅用质子或光子传递。之前的研究解决了识别可能受益于质子治疗的患者的问题。具有质子设施的机构被整合到传统的放射治疗诊所中进行或研究联合治疗,即一部分分数用质子传递,其余部分用光子传递。随着医院安装单室质子治疗机,这些机构的数量可能会增加。问题在于如何在患者群体上分布有限的质子治疗槽总数。换句话说:为了最大限度地提高质子治疗对人群水平的临床益处,应该为每位患者分配多少质子分数?在达到收益递减点之前,给定患者需要多少质子分数?
   解决这些问题的必要步骤是研究一个尚未充分解决的更基本的问题:如何在手头的患者的组合质子光子治疗中最佳地使用给定数量的质子治疗槽?先前的计划研究和治疗方案手动指定了质子和光子计划的目标体积和处方剂量,两个计划分别创建。在这项工作中,研究人员通过同时优化IMRT和IMPT计划同时考虑分馏效应来改进这一点。
   研究人员考虑正常组织位于目标体积内或附近的情况,其仅可通过分馏来保护。不可能简单地递送大分割处理,其仅使用每分数较高剂量的质子级分。该IMRT必须使用分数来治疗目标体积中与危险器官重叠的部分。另一方面,由于质子减少了对正常组织的积分剂量,希望尽可能多地使用质子部分,即用质子传递过量的剂量。如果目标体积的一部分可以进行大分割,则这是可能的。质子可以将大部分剂量输送到这些区域。用X射线递送的剂量总量减少,导致健康组织的积分剂量减少。这产生了IMPT和IMRT计划的非平凡组合:每个计划向目标体积递送不均匀剂量,但两个计划组合产生规定的生物有效剂量。
   详细证明了骶骨脊索瘤患者的这一概念,这些肿瘤在一些机构中采用组合质子光子治疗。为了通过放射治疗局部控制脊索瘤,需要高剂量的放射。与光子疗法相比,质子疗法减少了输送到胃肠道的积分剂量,从而减少了副作用。该概念并非特定于骶骨脊索瘤。讨论部分概述了脊柱肿瘤的应用。
   (1)研究人员提出了一种治疗计划方法,同时优化IMRT和IMPT治疗计划,同时考虑分馏效应;(2)研究人员证明了联合优化的质子光子组合可以改进简单的组合,其中每种模态将每个部分的相同剂量递送到目标体积。GTV的体积为630毫升,邻接直肠,肠和膀胱。CTV大约是GTV的0-15mm扩展,尊重微观肿瘤侵入的解剖学边界。PTV是CTV的5mm扩展。对于该患者,大多数GTV可以用质子进行大分割,但是保护直肠,肠和膀胱依赖于分馏。
   一种新的治疗计划优化方法,以同时优化IMRT和IMPT计划。这是根据等式2的累积BED执行的。IMRT和IMPT的传统治疗计划优化基于针对物理剂量评估的客观和约束功能。应用相同的功能,区别在于这些功能是针对累积BED而不是物理剂量进行评估的。对于脊索瘤病例,为了量化优化的质子光子处理的益处,海外医疗网研究人员基于相同的目标函数优化单模态30分数IMRT计划和单模态30分数IMPT计划。从这些单一模态计划中研究人员生成一个参考计划,它代表单一模态计划的简单比例组合时代和IMRT计划与时俱进。研究人员优化了两个组合的质子光子计划。所有目标都被限制为不比参考计划中的值更差,即目标覆盖率和一致性不会恶化。对于优化组合,研究人员使用与生成单模态计划相同的加权目标总和。优化组合2强调积分剂量降低,并通过增加用于目标4和5十倍重量获得。
   对于本工作中假设的射束特性,与IMRT计划相比,IMPT计划在物理剂量方面通常更优越。特别是,IMPT计划避免了胃肠道中的剂量浴。
   使用10个IMPT和20个IMRT级分的优化的质子光子组合。累积的等效剂量EQDX并且说明质子和光子组合产生保形治疗计划,其将规定的BED递送至目标体积。参考剂量水平设定为对应于规定的PTV每级分剂量1.8戈瑞。在IMRT和IMPT级分中递送的每个级分的剂量分布。比较IMRT和IMPT剂量分布的DVH。观察到IMRT部分和IMPT部分向覆盖PTV的肠和直肠部分递送相似剂量。实现了接近均匀的分馏。
   在GTV中,光子部分提供1.7Gy的平均剂量,而质子部分提供3.6Gy的平均剂量。在参考计划中,每个部分提供2.3Gy的剂量。平均而言,质子分数提供约为光子分数剂量的两倍,DVH比较中看出。参考计划和优化组合中的剂量分布进一步说明与参考计划相比,优化组合中的IMRT剂量减少。优化组合中的IMPT分数向GTV的远端部分提供约4Gy,与参考计划中的2.3Gy相比大幅增加。
   使用与单模态计划相同的目标函数生成上面讨论的最优组合1。对参考计划的改进分布在多个计划目标上。通过将大部分收益转移到积分BED的减少,优化组合2在单模态质子计划中实现了78%的BED减少,与参考计划相比,没有降低目标覆盖率和一致性。比较了针对所有5个计划评估的等效剂量EQD1.8的DVH。尽管质子计划和最佳组合1在参考计划方面有所改进,但所有计划在目标覆盖范围方面都相似。所有计划在肠和直肠的高剂量区域中是相似的,其与PTV重叠。在肠的低剂量区域观察到主要差异,其中优化的质子光子组合在参考计划上改善。
   在1到20之间的30分数处理中改变质子分数的数量。肠中BED的平均减少量。具有5个IMPT部分的优化组合1和2实现了36%和66%的BED减少,这将需要11和20个IMPT分数,在单模态计划的简单比例组合中。
   如何最好地利用少量质子分数的问题是重要且及时的。首先,许多国家和健康保险公司目前正在制定质子治疗报销指南。其次,许多癌症中心正在安装集成到传统放射治疗部门的单室质子机器,联合治疗是切实可行的,并且质子治疗槽的分配问题无处不在。
   结合IMRT和IMPT计划的简单方法是分别优化两个计划,以便每个计划向目标体积提供规定的剂量。可以改进这种简单的组合。如果剂量限制性正常组织覆盖仅能通过分级保护的目标体积,则该方法是适用的,而目标体积的部分可以是大分级的。IMPT可以将大部分剂量递送至可以进行大分割的目标体积的部分,而IMRT主要用于治疗与剂量限制性正常组织重叠的目标体积的部分。光子剂量浴减少,并且该方法更好地利用质子减少积分剂量的能力。
   骶骨脊索瘤代表了该概念的第一临床应用的可能候选者,因为由于质子治疗槽的有限可用性,这些肿瘤目前正在马萨诸塞州综合医院用简单的质子光子治疗进行治疗。遵循相同的基本原理还存在优化的质子光子组合的其他可能应用。SBRT对硬膜外受累的脊柱转移的概念。硬膜外受累需要一定程度的分次以改善目标与脊髓的BED比率。没有硬膜外受累的脊柱转移瘤可以用单组分SBRT治疗。在附录B的补充材料中提供了关于进一步细节和讨论。另一个潜在的应用是邻接肠,胃或十二指肠的大肝肿瘤。保护这些正常组织需要分馏,而用质子对GTV进行大分割将允许非侵袭性肝脏中的平均剂量减少。未来的工作将进行额外的治疗计划研究量化优化的质子光子治疗对不同治疗部位的益处。
   这里提出的组合质子光子处理的类型暗示每个分数的剂量在目标体积内以及质子和光子分数之间变化。假设BED模型可以描述这种情况的分馏效应。即使不清楚BED模型是否具有恒定性a/B-value可以充分描述从极端大分割到超分割的每个分数的整个剂量范围内的分馏效应,研究人员认为这通常不会质疑所提出的概念。对于使用10个IMPT和20个IMRT级分的脊索瘤实例,GTV中每个级分的剂量大约在1Gy到5Gy的范围内变化,这接近临床应用的分级方案。可以扩展治疗计划方法以解决BED模型有效性的限制。一个微不足道的扩展是增加对目标体积中每个分数的剂量的限制。可以添加约束以强制IMRT部分递送至少指定的最小剂量,并且IMPT部分递送至多指定的最大剂量。每个分数的剂量范围可以调节到BED模型可信的范围。更详细的讨论如何a/B的补充材料中提供了实践中规定的值。研究人员指出以下几个方面:其他机构之前已经应用了为IMRT计划添加质子或碳离子增强的概念。这些先前的工作手动指定两个计划的所需剂量分布。通过使用数学算法真正优化两种模态的组合来改进。这里介绍的工作涉及一个称为时空分馏的概念,其目的是通过在不同的部分中提供不同的剂量分布来最佳地利用分馏效应。组合IMRT和IMPT计划的治疗计划在单个优化程序中同时进行。规划此类处理不会大大增加规划工作。需要进一步的工作来解决范围和设置不确定性的问题。可以应用直接将不确定性纳入治疗计划优化的稳健优化技术。基于BED的IMRT和IMPT计划的同时优化的广泛应用要求该方法在商业治疗计划系统中实施。作为证明此处建议的联合质子光子治疗类型的初步临床可行性的下一步,此类治疗计划可以在研究软件中生成,并随后在商业计划系统中复制。
   考虑了分馏背景下的组合质子光子处理。如何将有限数量的IMPT组分与IMRT组分结合,以最佳地利用质子减少正常组织整体剂量的能力。最好的多模态处理是质子和光子的非平凡组合,其中IMRT和IMPT分数均提供不均匀的目标剂量分布。设计这些计划使得IMRT和IMPT级分将每个级分的相似剂量递送至目标体积内或附近的剂量限制性正常组织,从而最佳地利用分级效应。质子将大部分剂量输送到可以进行大分割的目标区域,从而减少X射线照射的剂量导致正常组织中剂量浴的净减少。

 
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