Monte Carlo-studier for prototypeutvikling av sporingskalorimeter for proton CT ved doseplanlegging av protonterapi

Innen dagens kreftbehandling har protonterapi en stor rolle. I Norge skal man bygge to sentre i Bergen og Oslo som kan tilby slik behandling: Da får man en mer nøyaktig bestråling av kreftsvulster og en lavere stråledose til friskt vev, sammenliknet med foton-basert stråleterapi som i dag tilbys ved sykehus i Norge. Da er det svært viktig med høy nøyaktighet på diagnostikken. Med økt nøyaktighet kommer også økte krav til planlegging og behandling. Bruk av røntgen CT fører til usikkerheter i behandlingen på opptil 1 cm i behandlingen. Hovedårsaken til usikkerheten er at fysikken bak diagnostikk og behandling har grunnleggende forskjeller. En proton CT kan redusere usikkerheten ved å gi et mer nøyaktig estimat på proton-stoppekraften til pasienten. Proton CT fungerer ved at man observerer hvordan en høyenergetisk protonstråle påvirkes av å passere gjennom pasienten, og ved hjelp av volumetriske rekonstruksjoner kan man regne ut proton-stoppekraften til pasienten. Det finnes ennå ingen proton CT til klinisk bruk i verden. I dette prosjektet har man vurdert en eksisterende detektor som kan forbedre proton CT, og gjøre veien mot klinikken kortere. I søknaden til doktorgradsarbeidet ble det stilt flere sentrale spørsmål som berørte de sentrale bestanddelene av oppbygningen til en foreslått proton CT detektor. De enkelte protonenes bane gjennom detektoren må skilles fra hverandre og rekonstrueres. Utviklingen av en slik algoritme har vært sentral i denne oppgaven, og har resultert i flere publikasjoner, og presentasjoner og pågående masteroppgaver. Algoritmen var sentral under prosjektets første og største artikkel (Pettersen et al. (2017) Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 860C 51–61.), hvor målinger av en prototype ble utført og monte carlo-simulert, og den fulle analysen av hvert proton ble sammenliknet. Selve banerekonstruksjonsalgoritmen ble presentert ved konferansen Connecting the Dots i Seattle i 2018, hvor en egen konferanseartikkel er akseptert for publikasjon. En presentasjon av prosjektet i sin helhet ved konferansen Electronic Patient Imaging 2016 i St. Louis, USA ledet til en pris for beste abstrakt. I tillegg ble det i prosjektbeskrivelsen etterspurt modeller for hvordan protonene vekselvirker med elektronikken og detektoren, spesielt med tanke på hvor mange piksler som aktiveres rundt protonbanen, og hvordan dybdedose-kurven best kan modelleres og brukes for å bestemme hvert protons rekkevidde. Modeller for den førstnevnte problemstillingen har blitt utviklet i samarbeid med masterstudenter fra NTNU og Høgskulen på Vestlandet og er beskrevet i avhandlingen. Den sistnevnte problemstillingen har også ledet til konferansepresentasjoner (PTCOG56, Yokohama, Japan, 2017) og en publikasjon (Pettersen et al (2018) Rad. Phys. Chem. 144 295–97). Arbeidets siste fase dreide seg om å utvikle et designforslag til den neste prototypen av en proton CT detektor basert på de samme prinsippene. Monte carlo-studier av mange ulike design ble utført, og har resultert i flere designspesifikasjoner: bl.a. materialvalg for de første sporingslagene for å minimere partikkelspredning (og økt usikkerhet i pasientens stoppekraft) samt hvor mye materiale som bør plasseres mellom hvert sensorlag for å bremse ned protonene—et kompromiss mellom høy nøyaktighet i protonenes rekkevidde, detektorstørrelse og økonomi. Dette arbeidet er beskrivet i avhandlingen, i en konferanseposter (PTCOG56, Yokohama, Japan, 2017) samt et manuskript sendt inn til Physica Medica. Jeg har også publisert et populærvitenskapelig bidrag i fagtidsskriftet til Norsk Fysisk Selskap "Fra Fysikkens Verden" (nr 4, 2017) som beskriver protonterapi og introduserer behovet for nøyaktig diagnostikk gjennom proton CT. De regionale helseforetakene forbereder for tiden for protonterapi i klinisk operasjon i Oslo og Bergen med oppstart i 2023-24. Ved protonterapi blir i dag doseplanleggingen, som omfatter inntegning av anatomi og målvolum (tumor med marginer) samt doseberegning, utført på bakgrunn av røntgen-CT-bilder av pasienten. For å beregne hvordan protonene avsetter dose i pasienten, trenger man pasient- og vevsspesifikk informasjon om protoners stoppekraft. Ved å benytte røntgen-CT må man omregne protoners stoppekraft fra svekkelse av røntgenstråling i pasienten, en prosess som innebærer en usikkerhet tilknyttet beregnet proton-stoppekraft og dermed en usikkerhet i beregnet rekkevidde for protoner i kroppen, altså hvor i kroppen strålingsdosen avsettes. For å ta høyde for til en slik usikkerhet må man bestråle friskt vev i området rundt tumoren gjennom en såkalt behandlingsmargin, ofte opp til 1 cm rundt tumoren. En proton CT vil eliminere marginen som i dag må anvendes for å ta høyde for omregning fra svekkelse av røntgenstråling til proton-stoppekraft. Det endelige målet til doktorgradsprosjektet har vært å utvikle verktøy for en klinisk proton CT for protonterapi. En slik proton CT vil kunne tilby: Nøyaktig og oppdatert informasjon om vevets stoppekraft for protoner i den enkelte pasient. Slik informasjon kan brukes i et doseplanleggingssystem for å planlegge strålebehandlingen med høyere nøyaktighet og lavere usikkerheter enn med bruk av røntgen-CT: slik kan pasientens friske vev og organer skånes under strålebehandlingen. Reduksjon av stråling til friskt vev fører til en reduksjon av bivirkninger man ofte ser etter stråleterapi, som for eksempel stråleindusert kreft. Avbildningen er forventet å ta i underkant av ett minutt med det planlagte systemet, og gi mindre strålingsdose sammenliknet med røntgenbasert CT. Bruk av proton CT til doseplanlegging er knyttet til en reduksjon av metallartefakter, som eller kunne ha ført til doseplaner med lavere kvalitet grunnet den dårlige bildekvaliteten. Høy nøyaktighet i beregning og levering av doseplanen muliggjør også såkalt hypofraksjonering, dvs. å levere den nødvendige dosen til tumor i løpet av færre fraksjoner over en kortere tid. I tillegg vil det med en proton CT være mulig å levere en kontinuerlig oppdatert (adaptiv) behandling ved å følge pasientens daglige anatomiske endringer og posisjon. En slik avbildning kan gjøres som et proton-radiografi med én enkelt projeksjon, i løpet av mindre enn ett sekund og med svært lite strålingsdose. En slik optimalisert behandling tilpasset på bakgrunn av endring av vevets stoppeevne for protoner er i dag ikke tilgjengelig, siden røntgen-avbildningsutstyret man har tilgjengelig i behandlingsrommet gir for store rekkevidde-usikkerheter. Doktorgradsprosjektet har sørget for å videreutvikle proton CT generelt, og den Bergensbaserte prototypen spesielt, mot det endelige målet om å utføre protonterapi mer treffsikkert og med reduserte marginer, noe som gir redusert stråling til friskt vev samtidig som målvolumet blir bestrålt med ønsket dose i henhold til målet med kreftbehandlingen.