Точные профили дозы для высокоточной протонной терапии с использованием сильно сфокусированных протонных пучков

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 18919 (2022) Ссылаться на эту статью

1854 г. Доступы

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Основная цель лучевой терапии — использовать лечебный потенциал ионизирующего излучения, причиняя при этом минимальное радиационно-индуцированное повреждение здоровым тканям и чувствительным органам. Протонно-лучевая терапия была разработана для облучения опухоли с более высокой точностью и согласованностью дозы по сравнению с обычным рентгеновским облучением. Соответствие дозы этого метода лечения можно дополнительно улучшить, если использовать более узкие пучки протонов. Однако это ограничено многократным кулоновским рассеянием протонов через ткань. Основной целью этой работы была разработка методов получения узких протонных пучков и исследование получаемых профилей доз. Мы представили и оценили три различных метода формирования протонного пучка: (1) металлические коллиматоры (100/150 МэВ), (2) фокусировка обычных (100/150 МэВ) и (3) фокусировка высокоэнергичных (350 МэВ, сквозные) протонные пучки. Фокусировка определялась начальным значением параметра Твисса \(\alpha\) (\(\alpha _0\)), и может быть реализована с помощью оптики магнитного ускорителя частиц. Распределение дозы в воде было рассчитано с помощью моделирования Монте-Карло с использованием Geant4 и оценено по отношению дозы от мишени к поверхности (TSDR) в дополнение к поперечному размеру луча (\(\sigma _T\)) на мишени. Цель определялась как местоположение пика Брэгга или фокусной точки. Различные методы показали сильно различающиеся профили доз, при этом фокусировка давала значительно более высокую относительную целевую дозу и эффективное использование первичных протонов. Металлические коллиматоры с радиусами \(<\,2~\mathrm{мм}\) давали низкие значения TSDR (\(<~0,7\)) и большие \(\sigma _T\)(\(>~3,6~\hbox {мм }\)). Напротив, сфокусированный луч обычной энергии (\(150~\hbox {МэВ}\)) давал очень высокий TSDR (\(>~80\)) с таким же \(\sigma _T\) как и коллимированный луч. Сфокусированные лучи высокой энергии смогли создать TSDR \(>~100\) и \(\sigma _T\) около 1,5 мм. Результаты этого исследования показывают, что очень привлекательно использовать магнитно-фокусированные протонные пучки для лучевой терапии небольших поражений или опухолей в непосредственной близости от здоровых органов, находящихся в зоне риска. Это также может привести к изменению парадигмы пространственно-фракционной лучевой терапии. Магнитная фокусировка облегчит FLASH-облучение из-за низких потерь первичных протонов.

Лучевая терапия (ЛТ) является одним из наиболее часто используемых методов радикального и паллиативного лечения рака1. Для дистанционной лучевой терапии (ДЛТ) чаще всего используются высокоэнергетические рентгеновские лучи. В качестве альтернативы можно использовать заряженные частицы, такие как электроны, протоны и тяжелые ионы, из-за их различных профилей доз. Протоны или тяжелые ионы вынесут большую дозу в пределах последних нескольких миллиметров своего радиуса действия. Эта область пиковой дозы известна как пик Брэгга2. Эта особенность тяжелых заряженных частиц повышает соответствие дозы лучевой лучевой терапии по сравнению с рентгеновскими лучами, обеспечивая лучшее сохранение нормальных тканей3. Таким образом, протоны особенно полезны для лечения детского рака, объемных гипоксических опухолей и поражений вблизи органов риска (OAR)4,5. Использование протонов для лечения рака — не новая концепция. В 1946 году Роберт Р. Уилсон впервые предложил использовать для лечения пучки протонов высоких энергий6, а первый пациент был пролечен в 1954 году в радиационной лаборатории Беркли7. Однако в последние два десятилетия протонная терапия приобрела значительный интерес.

Обнажение здоровых тканей во время ДЛТ неизбежно. За последние несколько лет был внедрен и изучен ряд подходов к лучевой терапии, таких как мини-лучи8, микролучи9, GRID10 и FLASH11, с использованием протонных пучков для повышения эффективности этих экспериментальных методов лечения. Современные методы сканирования протонных пятен используют магнитную фокусировку для формирования карандашного пучка с поперечным радиусом обычно 5 мм и магнитное свипирование для покрытия цели. Более совершенные методы формирования луча с использованием улучшенной системы доставки луча гарантированно создают небольшое пятно дозы радиации на глубоко расположенной цели, чтобы уменьшить неблагоприятные побочные эффекты EBRT. Однако облучение небольшой глубоко расположенной опухоли без воздействия значительной дозы на окружающие здоровые ткани по-прежнему является сложной задачей из-за многократного кулоновского рассеяния (MCS), которое вызывает расширение пучка и потерю первичных протонов. Узкие лучи также являются важным элементом пространственно-фракционной лучевой терапии (SFRT; также известной как GRID), целью которой является использование эффекта «доза-объем» для уменьшения осложнений со стороны нормальных тканей12.