Sprotno prilagajanje načrta protonske in radioterapije

Rak in njegovo zdravljenje predstavljata osrednji zdravstveni izziv v svetu. Po podatkih Svetovne zdravstvene organizacije je rak drugi najpogostejši vzrok smrti v svetu in je v letu 2018 povzročil 9.6 milijona smrti (1 od 6), pri čemer je bilo v istem letu za rakom na novo diagnosticiranih 17 milijonov ljudi. Slovenija te črne obete in izzive med drugim naslavlja z gradnjo centra za protonsko terapijo do leta 2023, hkrati pa je še toliko bolj pomembno ustvariti podporno okolje in domače znanje preko znanstveno-razvojnega sodelovanja pri inovacijah in izboljšavah v zdravljenju raka. Več kot 50% bolnikov z rakom je zdravljenih z radioterapijo (RT), ki ima cilj v večih frakcijah dostaviti čim višjo dozo v tumor in čim manjšo v okoliško tkivo. Tumor in bolnika lahko precej točno lokaliziramo s slikovno podprto RT v operacijski sobi, mnogo bolj zahtevno pa je prilagoditi obsevanje naključnim dnevnim anatomskim spremembam. Uveljavljen pristop je s povečanjem varnostnega roba tumorja, vendar to poveča izpostavljenost kritičnih organov (OAR). Osredotočili se bomo na sprotno prilagajanje načrta RT (online ART), ki s CBCT slikanjem v operacijski dvorani izvede lokalizacijo bolnika, kvantitativno vrednotenje ustreznosti načrta in, v primeru kritičnih odstopanj, prilagoditev načrta in njegovo vrednotenje, vse v roku 5 minut, medtem ko je bolnik nepremično vpet na operacijsko mizo. Neposredne prednosti so izboljšana kvaliteta RT za različne tipe rakov, zmanjšanje varnostnega roba, izpostavljenosti OAR, toksičnosti in/ali zmožnost povečanja obsevalne doze tumorja. Navkljub očitnim prednostim je uvajanje sprotne ART v klinično rutino izjemno zahtevno. Poleg skrčene časovnice igrajo pomembno vlogo pomanjkanje integriranih RT, slikovnih in obsevalnih sistemov, in omejena interoperabilnost komercialnih sistemov za načrtovanje RT in opreme. To so razlogi zakaj se sprotna ART izvaja le v peščici RT centrov po svetu (okoli 6%). V tem predlogu bomo premostili pomembne raziskovalne in izvedbene ovire z razvojem in vrednotenjem celotne verige naprednih računskih orodij, ki so potrebna za dejansko vzpostavitev sprotne RT v kliničnem okolju. Predlagani projekt ima 11 pričakovanih rezultatov, ki vključujejo (D1) zajete in ročno označene planirne CT/MR slike, CBCT slike pred vsako frakcijo in CT/MR slike med frakcijama in (D2) zbirko pridruženih kliničnih izidov kot so simptomi, toksičnost, ponovitev in preživetje. Za sprotno ART bomo razvili (D3) nov avtomatski postopek CT-MR in CT-CBCT poravnave in (D4) deformabilno CT-CBCT poravnavo, in sicer z uporabo genetskega algoritma s spodbujanim učenjem. Temu sledi sinteza CT iz CBCT slike in njena (D5) samodejna razgradnja na področje tumorja in OAR, z uporabo globokega učenja. Razvili bomo (D6) nove napovedne modele za indikacijo ART, ki bo temeljila na merjenju geometrijskih in dozni odstopkov. Slednje bomo pridobili z deformabilno CT-CBCT poravnavo in (D7) simulacijskimi izračuni doze. Če je prilagajanje načrta potrebno, potem se bo ustvaril (D8) nov načrt s pomočjo napovedi doze iz slike in inveznim modeliranjem in optimizacijo načrta za obsevalno napravo. Poleg (D11) pričakovanih vplivnih znanstvenih publikacij sta v projektu dva osrednja cilja: (D10) razvoj in prospektivno vrednotenje postopka načrtovanja RT in (D10) integracija razvitih orodij v polno zmogljiv sistem za sprotno ART in njegovo vrednotenje v prospektivni klinični študiji za bolnike z rakom glave in vratu in prostate, v centrih za protonsko in fotonsko RT. Izvedljivost projekta zagotavljajo ugledni partnerji, ki združujejo štiri ključne dejavnike: klinične in industrijske izkušnje v vseh aspektih RT, in vrhunske raziskovalce s področja medicinskih slikovnih tehnologij in računalništva.