プロトン療法における潜在的なフィールドおよびフィールド外毒性領域を評価するためのツールとしてのマイクロドジメトリック測定

相対生物学的有効性（RBE）の変動は、電荷粒子を使用した腫瘍治療中の予期しない正常組織毒性の主要な原因の1つであると考えられています。RBE加重用量に基づいて治療計画が最適化されている炭素療法とは異なり、現在1.1の一定のRBE値がプロトン療法で使用されています。均一な値が腫瘍だけでなく、周囲の正常な組織にも、均一または過剰な投与につながる可能性があると仮定する。RBEの変更は、用量/分数、生物学的エンドポイント、およびビーム特性とリンクされています。放射線の質と関連するRBEを理解することで、正常組織毒性の予測を改善できます。この研究では、陽子療法内の放射線の品質を特徴付けるために微小化学量測定を利用し、20（ビームエッジ）、50（フィールド外）、100（フィールド外）mmで20（ビームエッジ）、100（遠い）mmでオフビームを実現しました。152 MEVプロトンを照射した水ファントムの系統エネルギーyスペクトルを測定しました。そこからは、物理的な用量を得ることができました。線形二次モデルと微小化学運動モデルの修正バージョンを活用して、微小化学データを、細胞生存率RBEおよびRBE重量の用量を評価するためのヒト唾液腺腫瘍細胞の放射性パラメーター（αおよびβ）と組み合わせました。結果は、60 Gyの投与量がピークに配信された場合、ビームエッジは最大6 Gyを受信し、近接および遠く離れた地域はそれぞれ10-3 Gyおよび10-4 Gyのオーダーで投与を受けることを示しています。RBE推定内のビームは、入口チャネルの1.0±0.2から尾の2.51±0.15の範囲の大きな変動を示しています。ビームエッジは同様の傾向に従いますが、ブラッグピーク深度で計算されたRBEは2.27±0.17、つまりRBEインビームの2倍（1.05±0.15）です。フィールド外では、推定RBEは常に1.1よりも大幅に高く、横方向の距離が増加すると増加し、深さ206 mmと10 mmの横方向距離で全体的な最高値が3.4±0.3に達します。生物学的用量へのRBEと用量の組み合わせは、潜在的な毒性のリスクが最も高い領域としてのビームエッジと範囲内のビームを指します。

Relative biological effectiveness (RBE) variations are thought to be one of the primary causes of unexpected normal-tissue toxicities during tumor treatments with charged particles. Unlike carbon therapy, where treatment planning is optimized on the basis of the RBE-weighted dose, a constant RBE value of 1.1 is currently used in proton therapy. Assuming a uniform value can lead to under- or over-dosage, not just to the tumor but also to surrounding normal tissue. RBE changes have been linked with dose/fraction, the biological endpoint and beam properties. Understanding radiation quality and the associated RBE can improve the prediction of normal-tissue toxicities. In this study, we exploited microdosimetry for characterizing radiation quality in proton therapy in-field, and off-beam at 20 (beam edge), 50 (close out-of-field) and 100 (far out-of-field) mm from the beam center. We measured the lineal energy y spectra in a water phantom irradiated with 152 MeV protons, from which beam quality as well as the physical dose could be obtained. Taking advantage of the linear quadratic model and a modified version of the microdosimetric kinetic model, the microdosimetric data were combined with radiobiological parameters (α and β) of human salivary gland tumor cells for assessing cell survival RBE and RBE-weighted dose. The results indicate that if a dose of 60 Gy is delivered to the peak, the beam edge receives up to 6 Gy while the close and far out-of-field regions receive doses on the order of 10-3 Gy and 10-4 Gy, respectively. The RBE estimate in-beam shows large variations, ranging from 1.0 ± 0.2 at the entrance channel to 2.51 ± 0.15 at the tail. The beam edge follows a similar trend but the RBE calculated at the Bragg peak depth is 2.27 ± 0.17, i.e. twice the RBE in-beam (1.05 ± 0.15). Out-of-field, the estimated RBE is always significantly higher than 1.1 and increases with increasing lateral distance, reaching the overall highest value of 3.4 ± 0.3 at a depth of 206 mm and a lateral distance of 10 mm. The combination of RBE and dose into the biological dose points to the beam edge and the end-of-range in-beam as the areas with the highest risk of potential toxicities.