Dynamic proton arc therapy sequencing optimization algorithm for brain stereotactic radiosurgery.

چکیده اصلی

Objective.Proton arc (PAT) therapy combines the dosimetric advantages of protons with the efficiency of arc delivery, but current planning algorithms are based on a static delivery sequence. The discrepancy between the static plan and the actual delivery can result in dosimetric deviations during stereotactic radiosurgery (SRS), where precision is critical.Approach.A dynamic arc delivery sequencing optimization framework was developed, consisting of three steps: (1) static irradiation and dynamic arc delivery time calculation, (2) incorporation of timing information into static control points, and (3) spot-weighting fine-tuning. Eight multi-metastatic brain cases were retrospectively selected to validate the framework. Plan quality, delivery accuracy, and efficiency were evaluated by reconstructing the delivered dose from virtual logfiles and comparing dosimetric parameters and treatment times.Main Results.Sequencing optimization maintained nominal plan quality, with no significant differences in target coverage (D98) or normal brain sparing (V12, V8) compared with static-control-point PAT. Delivery accuracy improved substantially. For the total gross tumor volume, mean absoluteD98 deviation decreased from 62.9 ± 70.1 cGyE (3.4 ± 3.8%) with static-control-point PAT to 11.0 ± 7.4 cGyE (0.6 ± 0.6%) with sequencing optimization. For the worst metastasis, deviations were reduced from 116.4 ± 89.1 cGyE (6.3 ± 5.3%) to 79.4 ± 69.2 cGyE (3.6 ± 3.0%). Delivery efficiency was preserved, with minimal changes in spot number, energy layers, and total treatment time.Significance.Dynamic sequencing optimization significantly improves the dosimetric fidelity of PAT therapy for brain SRS while maintaining efficiency. By addressing machine-specific timing and mechanical constraints, this framework bridges the gap between nominal planning and clinical delivery, representing an essential step toward routine PAT implementation.

ترجمه فارسی چکیده

هدف: درمان آرک پروتون (PAT) مزایای دوزیمتری پروتون‌ها را با کارایی تحویل آرک ترکیب می‌کند، اما الگوریتم‌های فعلی بر اساس توالی تحویل ثابت هستند. اختلاف بین طرح ثابت و تحویل واقعی می‌تواند منجر به انحرافات دوزیمتری در رادیوتراپی استریوتاکسیک (SRS) شود، جایی که دقت حیاتی است. روش: یک چارچوب بهینه‌سازی توالی‌دهی تحویل آرک پویا توسعه یافت که شامل سه مرحله بود: (1) محاسبه زمان تحویل پرتوگیری ثابت و آرک پویا، (2) ادغام اطلاعات زمانی در نقاط کنترلی ثابت، و (3) تنظیم دقیق وزن نقطه‌ای. هشت مورد متاستاز مغزی به صورت پس‌رونده انتخاب شدند تا چارچوب را ارزیابی کنند. کیفیت طرح، دقت تحویل و کارایی با بازسازی دوز تحویل شده از فایل‌های مجازی و مقایسه پارامترهای دوزیمتری و زمان‌های درمان ارزیابی شدند. نتایج اصلی: بهینه‌سازی توالی‌دهی کیفیت طرح نامناسب را حفظ کرد و اختلاف معنی‌داری در پوشش هدف (D98) یا محافظت از مغز طبیعی (V12، V8) نسبت به PAT نقاط کنترلی ثابت نداشت. دقت تحویل به طور قابل توجهی بهبود یافت. برای حجم کل تومور خوش‌خیم، انحراف متوسط مطلق D98 از 62.9 ± 70.1 cGyE (3.4 ± 3.8%) با PAT نقاط کنترلی ثابت به 11.0 ± 7.4 cGyE (0.6 ± 0.6%) با بهینه‌سازی توالی کاهش یافت. برای بدترین متاستاز، انحرافات از 116.4 ± 89.1 cGyE (6.3 ± 5.3%) به 79.4 ± 69.2 cGyE (3.6 ± 3.0%) کاهش یافت. کارایی تحویل حفظ شد و تغییرات حداقلی در تعداد نقطه، لایه‌های انرژی و زمان کل درمان مشاهده شد. اهمیت: بهینه‌سازی توالی پویا به طور قابل توجهی وفاداری دوزیمتری درمان PAT را برای SRS مغز بهبود می‌بخشد در حالی که کارایی را حفظ می‌کند. با حل محدودیت‌های زمانی و مکانیکی خاص دستگاه، این چارچوب شکاف بین طرح نامناسب و تحویل بالینی را پر می‌کند.

متن کامل اصلی