低酸素腫瘍のプロトン療法における生物学的に重み付けされた用量計算のためのOERモデルと組み合わせたFlukaモンテカルロコード

はじめに：高酸素細胞と比較した低酸素細胞の放射線耐性の増加は、酸素増強比（OER）によって定量化されます。この研究では、プロトン療法における生物学的加重用量（ROWD）計算にOERと相対生物学的有効性（RBE）の両方を含めるためのFluka Monte Carloベースのツールを作成し、これを適用して低酸素症の影響を調査しました。 方法：RBE加重用量は、線形エネルギー伝達（LET）に加えて、RBEモデルパラメーターをOERに依存させることにより、低酸素に適応しました。OERは、部分酸素圧（PO2）に依存し、LETに依存します。モデルのパフォーマンスを実証するために、強く低酸素から正常酸素（0.01-30 mmHg）までのPO2の範囲で、水透過性のスプレッドアウトブラッグピーク（SOBP）、および[18F] -EF5 PETを使用してボクセル-by-voxelのRBEおよびPO2の推定値1.1およびPO2の推定値で最適化された頭頸部がんプロトンプランで計算を行いました。ROWD計算には、1.1とRørvikRBEモデルが使用されました。 結果：水中のSOBPは、PO2の減少とともにrowdを減少させていました。酸素化を説明する計画では、ターゲットの中央値は、OERを考慮していない対応する計画よりも約1.1低い因子でした。低酸素症の適応ターゲットrowdは、RBE1.1加重用量よりもかなり不均一でした。 結論：rowdを計算するためのモンテカルロベースのツールを実現しました。RBEモデルを選択した柔軟性を備えた患者PO2の読み込みとROWDの推定が達成され、低酸素誘導粒子療法の将来の臨床応用に役立つ可能性のあるツールが提供されました。

INTRODUCTION: The increased radioresistance of hypoxic cells compared to well-oxygenated cells is quantified by the oxygen enhancement ratio (OER). In this study we created a FLUKA Monte Carlo based tool for inclusion of both OER and relative biological effectiveness (RBE) in biologically weighted dose (ROWD) calculations in proton therapy and applied this to explore the impact of hypoxia. METHODS: The RBE-weighted dose was adapted for hypoxia by making RBE model parameters dependent on the OER, in addition to the linear energy transfer (LET). The OER depends on the partial oxygen pressure (pO2) and LET. To demonstrate model performance, calculations were done with spread-out Bragg peaks (SOBP) in water phantoms with pO2 ranging from strongly hypoxic to normoxic (0.01-30 mmHg) and with a head and neck cancer proton plan optimized with an RBE of 1.1 and pO2 estimated voxel-by-voxel using [18F]-EF5 PET. An RBE of 1.1 and the Rørvik RBE model were used for the ROWD calculations. RESULTS: The SOBP in water had decreasing ROWD with decreasing pO2. In the plans accounting for oxygenation, the median target doses were approximately a factor 1.1 lower than the corresponding plans which did not consider the OER. Hypoxia adapted target ROWDs were considerably more heterogeneous than the RBE1.1-weighted doses. CONCLUSION: We realized a Monte Carlo based tool for calculating the ROWD. Read-in of patient pO2 and estimation of ROWD with flexibility in choice of RBE model was achieved, giving a tool that may be useful in future clinical applications of hypoxia-guided particle therapy.