Zastosowanie druku 3D do modyfikacji wiązki w radioterapii protonowej

Abstract

W nowoczesnych ośrodkach radioterapii protonowej dysponujących najnowszą techniką formowania wiązki w ołówkową wiązkę skanującą PBS (ang. Pencil Beam Scanning) najniższa możliwa energia wiązki protonów wynosi zwykle od 60 do 100 MeV, co odpowiada zasięgowi około 3.1-7.5 cm w wodzie. Leczenie zmian powierzchniowych wymaga zastosowania dyskryminatora zasięgu RS (ang. Range Shifter) w celu zmniejszenia zasięgu protonów. RS zmniejsza zasięg wiązki, ale usytuowany w pewnej odległości od pacjenta, rozprasza również wiązkę, pogarszając jej parametry, a w konsekwencji pogarszając rozkład dawki w pacjencie. Jako alternatywne rozwiązanie w Instytucie Fizyki jądrowej w Krakowie zaproponowano zastosowanie kompensatora wiązki protonowej BC (ang. proton Beam Compensator) wykonanego w technologii druku 3D i spersonalizowanego dla pacjenta. Taki BC pozwala na całkowitą redukcję przerwy powietrznej pomiędzy dyskryminatorem, a pacjentem, ograniczając rozproszenie wiązki. Celem niniejszej pracy było przygotowanie i wdrożenie do praktyki klinicznej indywidualizowanych kompensatorów wiązki protonowej BC, pomocnych w leczeniu zmian powierzchniowych u dzieci. Przygotowano i porównano plany leczenia radioterapią protonową o modulowanej intensywności IMPT (ang. Intensity Modulated Proton Therapy) dla sześciorga dzieci z płytko położonymi zmianami nowotworowymi z użyciem dyskryminatorów zasięgu – RS i BC. Porównano rozkłady dawek, w tym pokrycie struktur tarczowych, a także dawki dla organów krytycznych OAR (ang. Organs At Risks). Przy współpracy w grupą EURADOS WG9 przeprowadzono pomiary porównawcze generowanego w dyskryminatorach promieniowania w CCB IFJ PAN. Zastosowano dwa fantomy antropomorficzne wieku dziecięcego (5 i 10 lat). Do pomiarów użyto zarówno detektorów aktywnych umieszczonych wewnątrz pokoju terapeutycznego, jak i detektorów pasywnych umieszczonych wewnątrz fantomów. Pomiary uzupełniono symulacjami Monte Carlo transportu promieniowania. Analiza porównawcza planów leczenia wykazała, że zastosowanie BC zredukowało obszary napromienione niskimi dawkami i poprawiło dopasowanie kształtu izodoz do leczonej struktury. Ponadto, we wszystkich przypadkach uzyskano zmniejszenie ekspozycji narządów krytycznych. Dawki promieniowania rozproszonego mierzone podczas eksperymentu wraz z grupą EURADOS WG9 zarówno od fotonów, jak i od neutronów wtórnych były niższe dla BC, niż dla RS. Najwyższy stosunek dawek RS/BC dla promieniowania rozproszonego fotonowego uzyskano dla piersi - 12.5 i 13.2 odpowiednio dla fantomu 5 i 10 lat. W przypadku narządów znajdujących się bliżej izocentrum, takich jak tarczyca, dawki neutronowe były niższe dla BC, ale dla narządów bardziej odległych, takich jak pęcherz – dla RS. W toku przeprowadzonych badań stwierdzono, że zastosowanie drukowanych kompensatorów BC, umieszczonych jak najbliżej pacjenta w leczeniu powierzchniowych zmian nowotworowych z zastosowaniem skanującej wiązki protonowej prowadzi do uzyskania bardziej konformalnego rozkładu dawki i nie wzmaga dawek od promieniowania wtórnego w porównaniu do RS, umieszczonego na wylocie wiązki w pewnej odległości od pacjenta. Drukowane kompensatory wiązki protonowej BC mogą być bezpiecznie stosowane u pacjentów pediatrycznych, a wprowadzenie ich do praktyki klinicznej przynosi zyski terapeutyczne.

In modern cyclotron based proton therapy facilities with Pencil Beam Scanning (PBS) technology the lowest energy of proton beam ranges typically between 60 and 100 MeV which corresponds to proton range in water of about 3.1-7.5 cm. The irradiation of superficial lesions usually requires application of a range shifter (RS) to further reduce range of protons. RS situated at a certain distance from the patient body increases the spot size causing wider lateral penumbra and lower plan conformity which may finally result in a decrease of the target coverage. As an alternative solution, a patient-specific 3D printed proton beam compensator (BC) can be applied. A BC enables further reduction of the air gap and consequently reduction of the beam scattering. The aim of this study was to prepare and implement individualized BC proton beam compensators into clinical practice to improve dose distribution for shallowly located tumours. Intensity Modulated Proton Therapy (IMPT) treatment plans for six children with shallow tumours with the use of pre-absorbers RS and BC were compared. For all patients dose distribution, including target coverage and doses to critical organs, were compared for these plans. Measurements radiation doses due to scattered radiation generated in pre-absorbers were performed with EURADOS WG9 in CCB IFJ. Two anthropomorphic phantoms - 5 and 10 years old – for a superficial target in the brain were applied. Both active detectors located inside the therapy room, and passive detectors placed inside the phantoms were used. Measurements were supplemented by Monte Carlo simulation of the radiation transport. The comparative analysis of treatment plans demonstrated that the application of BC reduced the areas irradiated with low doses and improved the isodose shape matching to the treated structure. Moreover, in all cases a reduction in exposure of critical organs was observed. Out-of-field doses measured during EURADOS WG9 experiment from both secondary photons and neutrons were lower for BC than for RS. Photon dose inside phantoms led to higher out-of-field doses for RS than BC to almost all organs with The highest RS/BC ratio of photon out-of-field doses was obtained for breasts - 12.5 and 13.2 for 5y and 10y old child phantoms, respectively. For organs closest to the isocentre such as the thyroid, neutron doses were lower for BC, but for more distant organs like bladder - for RS. It was found that the application of 3D printed BC placed in the near vicinity of patient in the treatment of superficial tumours led to the more conformal dose distribution as compared to RS placed at the nozzle and did not result in the increase of secondary radiation compared to the treatment with RS, placed far from the patient. Printed BC can be safely used for paediatric patients and their use into clinical practice brings clear therapeutic benefits.