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Abstract

Proton therapy is a promising form of brain radiotherapy due to its characteristic Bragg peak profile sparing normal tissue. However, late side effects have been observed and the underlying mechanisms are not fully understood. An end-to-end pipeline was first proposed to investigate late brain tissue-specific radiation-induced effects associated with the central nervous system (CNS) as a function of dose and linear energy transfer (LET) at the single-cell level in 3D for a well-established preclinical experiment mimicking patient treatment. This pipeline includes Monte Carlo-based dose and LET calculation, target delivery verification, image processing tasks in- cluding preprocessing, local-affine multi-step registrations, a topology-preserving segmentation, and analysis modules using 2-point density correlation functions, the Riemann elastic metric, and the CNS network size to measure compactness, shape and size heterogeneity. As a proof of principle, the pipeline was applied to investigate the observed radiation-induced astrogliosis segmented with a Dice coefficient of 0.86, achieving a maximum dose and LET uncertainty of 2.5 Gy and 2 keV/mum. In conclusion, the analysis reveals that the process of astrogliosis can be considered as a functional acting unit showing a radiation-induced late effect as a function of the brain tissue type, dose and LET indicating a variable relative biological effectiveness.

Translation of abstract (German)

Die Protonentherapie ist aufgrund ihres charakteristischen Bragg-Peak-Profils, das normales Gewebe besonders schont, eine vielversprechende Form der Hirnbestrahlung. Es wurden jedoch späte Nebenwirkungen beobachtet, und die zugrunde liegenden Mechanismen sind nicht vollständig geklärt. Wir haben erstmalig eine End-to-End- Pipeline entwickelt, um späte hirngewebsspezifische strahleninduzierte Effekte im Zusammenhang mit dem Zentralnervensystem (ZNS) als Funktion der Dosis und des linearen Energietransfers (LET) auf Einzelzellebene in 3D für ein etabliertes präklinisches Experiment, das die Patientenbehandlung nachahmt, zu untersuchen. Die Pipeline umfasst Monte-Carlo-basierte Dosis- und LET-Berechnungen, Zielverifi- zierung, Bildverarbeitungsaufgaben einschließlich Bildvorverarbeitung, lokal-affine mehrstufige Registrierungen, topologieerhaltende Segmentierung und Analysemodule unter Verwendung von 2-Punkt-Dichtekorrelationsfunktionen, der Riemannschen Elastizitätsmetrik und der ZNS-Netzwerkgröße zur Messung von Kompaktheit, Form und Größenheterogenität. Als proof of principle wurde die Pipeline verwendet, um die beobachtete strahleninduzierte Astrogliose zu untersuchen, segmentiert mit einem Dice-Koeffizienten von 0.86, mit einer maximalen Dosis und LET-Unsicherheit von 2.5 Gy und 2 keV/mum. Zusammenfassend zeigt die Analyse, dass der Prozess der Astrogliose als eine funktionelle Einheit verstanden werden kann, die einen strah- leninduzierten Späteffekt als Funktion des Hirngewebetyps, der Dosis und der LET aufweist, was auf eine variable relative biologische Wirksamkeit hinweist.