每個人的不同研究人員旨在通過結合與腫瘤和高危器官的獨特放射敏感性相關的因素，為放射治療計劃提供更加個性化的方法。(禮貌：Shutterstock/Mark Kostich)
放射治療的目標是向腫瘤目標提供規(guī)定的輻射劑量，同時限制對周圍正常組織的損傷。目前，這是使用基于人群的治療計劃優(yōu)化來實現的，該優(yōu)化基于預先定義的基于劑量的目標和風險器官 (OAR) 限制，這些限制是從廣泛的患者群體對輻射的聚合反應中發(fā)展而來的。不幸的是，這種標準化治療計劃的有效性和毒性各不相同，因為患者及其腫瘤具有個體生物學特征。
為了提供更加個性化的放射治療計劃方法，密歇根大學的研究人員開發(fā)了一種新的調強放射治療 (IMRT) 優(yōu)化策略，該策略直接將患者特定的劑量反應模型納入計劃過程。他們在醫(yī)學物理學中描述的技術基于最大化整體治療效用的預測值——定義為局部控制的概率減去毒性概率的加權和。
這種稱為優(yōu)先效用優(yōu)化 (PUO) 的新規(guī)劃方法通過結合與腫瘤和 OAR 的放射敏感性相關的個性化因素來增強標準方法。例如，OAR 的放射性毒性會受到年齡、吸煙狀況、基因表達、分子標記和心臟病等既往疾病的影響。其他同時進行的治療也可能影響放射治療的效果。
研究人員：主要作者 Daniel Polan(左)和首席研究員 Martha Matuszak。(禮貌：D波蘭)
為了驗證他們的策略，首席研究員Martha Matuszak及其同事使用 PUO 方法為五名非小細胞肺癌 (NSCLC) 患者制定了 IMRT 計劃。他們報告說，與用于治療的傳統計劃相比，PUO 計劃改善了所有患者的局部控制。
“非小細胞肺癌患者代表了一個高度異質的群體，疾病的范圍和定位存在差異，”主要作者丹尼爾波蘭解釋說。“結合其他解剖變異性，這些因素會極大地影響治療計劃，包括不同優(yōu)化方法的預期收益。因此，對于我們方法的初步可行性測試，我們選擇了五個案例來代表患者大小、腫瘤大小、位置和側向性的多樣性，以及影響預測結果的劑量協變量的多樣性。”
為了創(chuàng)建針對患者的 IMRT 計劃，研究人員首先使用商業(yè)治療計劃系統來計算基于小束劑量對感興趣區(qū)域貢獻的影響矩陣的劑量。然后，他們解決了兩個優(yōu)化問題，以生成可以導入回 TPS 的最佳子束權重。
第一個優(yōu)化問題通過基于個體化劑量反應模型優(yōu)化療效和毒性之間的權衡，使總體計劃效用最大化，從而受到典型臨床劑量限制。第二個最小化傳統的基于劑量的目標，受到與第一個相同的劑量約束，同時保持從第一個優(yōu)化確定的最佳效用。
對于所有五名患者，PUO 方法成功地生成了最佳的子束權重，在保持基于劑量的約束的同時最大化了效用。在這項研究中，研究人員將這些 PUO IMRT 計劃與臨床交付的 3D 適形放射治療 (CRT) 計劃以及回顧性生成的僅劑量優(yōu)化 (DOO) IMRT 和體積調制弧治療 (VMAT) 計劃進行了比較。
劑量學比較：兩個肺癌患者的僅劑量優(yōu)化(DOO，虛線)和優(yōu)先效用優(yōu)化(PUO，實線)計劃的絕對和相對劑量體積直方圖。對于一名患者(左圖)，PUO 導致計劃目標體積 (PTV) 的劑量大幅增加，而食道和臍帶劑量的增加較小。對于另一名患者(右圖)，PUO 略微提高了 PTV 覆蓋率并降低了肺和食道劑量。(禮貌：Med. Phys. 10.1002/mp.15940)
與 3DCRT、VMAT 和 DOO IMRT 計劃相比，PUO 方法分別平均提高了 40%、32% 和 31% 的計劃效用。PUO 計劃表明，局部控制平均提高了 17%，毒性與傳統計劃相似。
正如預期的那樣，PUO IMRT 計劃的獲益程度因患者而異。Polan 報告說，對于一名患者，與傳統 DOO 相比，PUO 的效用提高了 70%。“這相當于預測的無進展生存概率絕對提高了 32%，而輻射引起的肺毒性的預測概率僅增加了 2%，”他說。“這種實質性的權衡有可能大大提高疾病的生存能力，同時最大限度地減少對患者治療后生活質量的影響。”
然而，對于另一位患有大腫瘤的患者來說，改善是微乎其微的。Polan 解釋說，對于較大的腫瘤，由于整體劑量要求增加和避免與正常組織接壤的能力下降，治療計劃通常會受到更多限制。
AI框架使用醫(yī)學圖像個性化放療劑量
該團隊強調，PUO 方法提供了一種定量方法，可根據患者特定的臨床因素和生物標志物，確定哪些患者可能受益于劑量遞增或重新分配，同時還考慮了患者的幾何形狀和 OAR 劑量限制。
研究人員目前正在進行大規(guī)模回顧性研究，目標是開發(fā)一項采用 PUO 治療計劃策略的前瞻性臨床試驗。他們的研究圍繞將患者數據和個性化結果預測直接整合到放射治療計劃中，目前重點關注肝癌、肺癌和頭頸癌，在這些癌癥中平衡放射治療的積極和消極影響可能會顯著影響患者的整體質量-生活。
