ФИЗИКА ПЛАНИРОВАНИЯ ПРОТОННОЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Важнейшим этапом лучевой терапии онкологических заболеваний является планирование лучевого лечения. Этот сложный процесс применительно к протонной терапии предлагается условно разделить на медицинское и физическое планирование. В конвенциальной терапии фотонами и электронами последнее обычно называют дозиметрическим планированием, однако в приложении к протонной лучевой терапии этот этап включает существенно более широкий круг задач, связанных с модификацией и сканированием пучка протонов, расширением спектра и компенсацией пробегов, учетом при планировании неопределенностей и конечности пробегов протонов, уменьшением вклада в дозу вторичных нейтронов, созданием устойчивых к погрешностям алгоритмов оптимизации дозиметрических планов и, наконец, прецизионным расчетом дозовых распределений. Рассмотрены основные этапы и проблемы физического планирования протонной лучевой терапии. Особое внимание уделяется вопросам формирования расширенной области высокой дозы («расширенный пик Брэгга») с использованием метода рассеяния и сканирования, а также алгоритмам расчета дозовых распределений, создаваемых протонами в системах рассеяния и сканирования пучка. Наиболее подробно рассмотрены разные варианты метода тонкого луча протонов, позволяющие повысить точность расчета дозы и учесть поперечное рассеяние и флуктуации в потерях энергии протонов, особенно в конце пробега (эффект гало), аналитические и численные методы. Проведен анализ основных способов подведения дозы в системах сканирования (PBS), которые разделяются на три основных технологии: однородное сканирование, однородная доза единичного поля (SFUD), однородная доза многопольного облучения (MFUD), часто называемая протонной терапией с модуляцией интенсивности (IMPT). Проанализированы актуальные проблемы учета движения органов при планировании облучения и неопределенности в определении длин пробегов и оптимизации планов облучения. В частности, обсуждаются особенности, проблемы и современные походы к оптимизации дозиметрических планов протонной лучевой терапии. Отмечается, что одно из наиболее перспективных практических решений учета неопределенностей в определении длин пробега протонов при оптимизации заключается во включении в целевую функцию оптимизационного алгоритма возможных погрешностей. Этот прием позволяет гарантировать, что оптимизированный план облучения более надежно защитит от переоблучения нормальные ткани и критические органы, примыкающие к мишени облучения.

Ключевые слова:
лучевая терапия, протоны, рассеяние протонов, модуляция пробегов, тонкий луч, доза, движение органов, неопределенность пробегов, оптимизация планирования
Список литературы

1. Gottschalk B. Lectures (BGtalks.zip) and a draft textbook (PBS.pdf in BGdocs.zip) available for free download at http://physics.harvard.edu/~gottschalk or the Particle Therapy Co-Operative Group (PTCOG) website: http://ptcog.web.psi.ch/

2. Gottschalk B. Physics of Proton Interactions in Matte. In: Proton Therapy Physics. Ed. H. Paganetti. Taylor & Francis Group. 2012. P. 20-59.

3. Lu H-M, Flanz J. Characteristics of Clinical Proton Beams. In: Proton Therapy Physics. Ed. H. Paganetti. Taylor & Francis Group. 2012. P. 103-24.

4. Engelsman M. Physics of Treatment Planning for Single-Field Uniform dose. In: Proton Therapy Physics. Ed. H. Paganetti. Taylor & Francis Group. 2012. P. 305-35.

5. Bortfeld T. An analytical approximation of the Bragg curve for therapeutic proton beams. Med Phys. 1997;24(12):2024-33.

6. Abramowitz M, Stegun IA. Eds. Handbook of Mathematical Functions. Dover, New York. 1972.

7. Boon SN. Dosimetry and quality control of scanning beams. Thesis. 1998. Groningen.

8. Koehler AM, Schneider RJ, Sisterson J. Range modulator for proton and heavy ions. Nucl Instrum Methods. 1975;131:437-40.

9. Smith AR. Proton therapy. Med Phys. 2009;36(2):556-68.

10. Hogstrom KR, Mills MD, Almond PR. Electron beam dose calculations. Phys Med Biol. 1981;26:445-59.

11. Hong L, Gotein M, Buccuilini M et al. Pencil beam algorithm for proton dose calculations. Phys Med Biol. 1996;41:1305-30.

12. Szymanowski H, Oelfke U. 2D pencil beam scaling: an improved proton dose algorithm for heterogeneous media. Phys Med Biol. 2002;47:3313-31.

13. Westerly DC, Mo X, Tome WA et al. A generalized 2D pencil beam scaling algorithm for proton dose calculation in heterogeneous slab geometries. Med Phys. 2013;40: 061706. DOI:https://doi.org/10.1118/1.4804055.

14. Clasie B, Paganetti H, Kooy HM. Dose Calculation Algorithms. In: Proton Therapy Physics. Ed. H. Paganetti. Taylor & Francis Group. 2012. P. 382-411.

15. Eyges L. Multiple scattering with energy loss. Phys Rev. 1948;74:1534.

16. Pelowitz DB. MCNPX User’s Manual, Version 2.7.0. Los Alamos National Laborator. 2011.

17. Agostinelli S, Allison J, Amako K, Apostolakis J. Geant4 - a simulation toolkit. Nucl Instrum Methods. A. 2003;506:250-303.

18. Paganetti H. Monte Carlo simulation. In: Proton Therapy Physics. Ed. H. Paganetti. Taylor & Francis Group. 2012. P. 266-304.

19. Lu HM, Brett K, Shapr G et al. A respiratory-gated treatment system for proton therapy. Med Phys. 2007;34:3273-78.

20. Furukawa T, Inaniwa T, Sato S et al. Design study of a raster scanning system for moving target irradiation in heavy-ion therapy. Med Phys. 2007;34:1085-97.

21. Bert C, Laito N, Schmidt A. Target motion tracking with scanned particle beam. Med Phys. 2007;34:4768-71.

22. Bert C, Durante M. Motion in radiotherapy: particle therapy. Phys Med Biol. 2011;56:R113-R144.

23. Pflugfelder D, Wilkens JJ, Oelfke U. Worst case optimization: A method to account for uncertainties in the optimization of intensity modulated proton therapy. Phys Med Biol. 2008;53:1689-700.

24. Liao L, Lim GJ, Li Y. Robust Optimization for intensity modulated proton therapy plans with multi-isocenter large fields. Int J Particle Ther. 2016;4:305-11.

Войти или Создать
* Забыли пароль?