Πολυπαραγοντική μελέτη προστασίας του ιπποκάμπου κατά την προφυλακτική ολοκρανιακή ακτινοβόληση ασθενών με μικροκυτταρικό καρκίνο του πνεύμονα

Abstract

Hippocampus protection, as an organ at risk (OAR) in brain radiotherapy, may contribute to preserving patients’ quality of life. Prophylactic cranial irradiation (PCI) has been traditionally used in patients with small cell lung cancer (SCLC) as it improves survival rates. However, PCI is associated with neurocognitive impairment, primarily attributed to hippocampal irradiation. The Hippocampal Avoidance–PCI (HA-PCI) technique introduces the concept of sparing the hippocampus during irradiation, aiming to preserve cognitive function without compromising oncological efficacy. The present study aimed to identify the factors contributing to successful PCI with simultaneous hippocampal sparing using three different linear accelerators. For this purpose, treatment plans were generated for 45 SCLC patients, employing three half arcs on three linear accelerators (ELEKTA Infinity, Synergy, and Axesse) with different radiation field sizes and multileaf collimator (MLC) leaf thickness characteristics. The prescribed dose was 25 Gy in 10 fractions. Hippocampal dose constraints were calculated based on the Radiation Therapy Oncology Group 0933 (RTOG 0933) guidelines. Planning and treatment system templates were common across all three linear accelerators. Plan evaluation was based on target coverage by the 95% isodose, the maximum plan dose, the conformity index, the degree of plan modulation, and the gamma pass rate quality assurance (QA) with a 3%/3 mm criterion. Additionally, machine learning models were developed and evaluated to classify dosimetric outcomes and predict plan quality. Model accuracy, sensitivity, and specificity were assessed using ROC-AUC analysis, confusion matrices, and bootstrap methodology. Complementarily, the impact of the PCI technique on patients’ quality of life was examined using the EORTC QLQ-C30 and QLQ-BN20 questionnaires. The study results revealed significant differences in dosimetric performance among the three accelerators while simultaneously confirming the feasibility of applying machine learning techniques for plan quality assessment. The HA-PCI technique demonstrates a favourable profile in preserving quality of life, offering an attractive balance between therapeutic effectiveness and neurocognitive protection.

Η προστασία του ιπποκάμπου, ως όργανο κινδύνου (OAR) στην ακτινοθεραπεία εγκεφάλου, μπορεί να συμβάλλει στη διατήρηση της ποιότητας ζωής των ασθενών. Η προφυλακτική ολοκρανιακή ακτινοθεραπεία (PCI) έχει χρησιμοποιηθεί παραδοσιακά σε ασθενείς με μικροκυτταρικό καρκίνο πνεύμονα (SCLC), καθώς αυξάνει το ποσοστό επιβίωσης. Ωστόσο, η PCI συνδέεται με νευρογνωστική επιβάρυνση, η οποία αποδίδεται κυρίως στην ακτινοβόληση του ιπποκάμπου. Η τεχνική Hippocampal Avoidance–PCI (HA-PCI) εισάγει την έννοια της προστασίας του ιπποκάμπου κατά την ακτινοβόληση, επιδιώκοντας τη διατήρηση της γνωσιακής λειτουργίας, χωρίς να θυσιάζεται η ογκολογική αποτελεσματικότητα. Η παρούσα μελέτη είχε ως στόχο να εντοπίσει τους παράγοντες που συμβάλλουν στην επιτυχημένη PCI με ταυτόχρονη προστασία του ιπποκάμπου, χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικούς γραμμικούς επιταχυντές. Για το σκοπό αυτό, σχεδιάστηκαν θεραπευτικά πλάνα για 45 ασθενείς με SCLC, χρησιμοποιώντας τρεις ημιπεριφέρειες σε τρεις γραμμικούς επιταχυντές (ELEKTA Infinity, Synergy και Axesse) με διαφορετικά μεγέθη πεδίου ακτινοβολίας και χαρακτηριστικά πάχους φύλλων του πολύφυλλου κατευθυντήρα (MLC). Η συνταγογραφημένη δόση ήταν 25 Gy σε 10 κλάσματα. Τα όρια δόσης για τον ιππόκαμπο υπολογίστηκαν βάσει των περιορισμών δόσης της Radiation Therapy Oncology Group 0933 (RTOG 0933). Τα πρότυπα σχεδιασμού και συστήματος θεραπείας ήταν κοινά και για τους τρεις γραμμικούς επιταχυντές. Η αξιολόγηση των πλάνων βασίστηκε στην κάλυψη του στόχου από την ισοδοσιακή 95%, τη μέγιστη δόση του πλάνου, τον δείκτη συμμόρφωσης (conformity index), τον βαθμό διαμόρφωσης του πλάνου και το ποσοστό επιτυχίας gamma pass rate με κριτήριο 3%/3 mm. του ποιοτικού ελέγχου των πλάνων θεραπείας (QA). Επιπλέον, αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν μοντέλα μηχανικής μάθησης για την ταξινόμηση των δοσιμετρικών αποτελεσμάτων και την πρόβλεψη της ποιότητας σχεδιασμού των πλάνων. Η ακρίβεια, η ευαισθησία και η ειδικότητα των μοντέλων αξιολογήθηκαν μέσω ROC-AUC ανάλυσης, Confusion Matrix και Bootstrap μεθοδολογίας. Συμπληρωματικά, μελετήθηκε η επίδραση της τεχνικής PCI στην ποιότητα ζωής των ασθενών, με χρήση των ερωτηματολογίων EORTC QLQ-C30 και QLQ-BN20. Τα αποτελέσματα της μελέτης ανέδειξαν σημαντικές διαφορές στη δοσιμετρική απόδοση μεταξύ των τριών επιταχυντών, ενώ ταυτόχρονα επιβεβαίωσαν τη δυνατότητα εφαρμογής τεχνικών μηχανικής μάθησης για την αξιολόγηση της ποιότητας σχεδιασμού. Η τεχνική HA-PCI εμφανίζει ευνοϊκό προφίλ ως προς τη διατήρηση της ποιότητας ζωής, προσφέροντας μια ελκυστική ισορροπία μεταξύ θεραπευτικής αποτελεσματικότητας και προστασίας της νευρογνωστικής λειτουργίας.