[論文レビュー] A Comparison of Proton Stopping Power Measured with Proton CT and x-ray CT in Fresh Post-Mortem Porcine Structures

Don F. DeJongh, Ethan A. DeJongh+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 33被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、新鮮な死体由来のブタ頭部および胸部組織を用い、プロトンCT（pCT）で測定したプロトン停止力（RSP）と、レントゲンCTで導出されたRSPを直接比較した。プロトタイプの臨床用pCTシステム（単一プロトントラッキング搭載）を用いて、軟部組織ではRSPの一致が1〜2%以内であり、頑丈な骨では最大7%の差異が認められた。また、副鼻腔のような複雑な空洞部では最大40%の誤差が生じた。これらの結果は、pCTがプロトン治療における照射範囲の不確実性を低減する可能性を示しており、より低い線量でタイトなマージンを設定可能な治療計画が可能になることを示している。

ABSTRACT

Purpose: Currently, calculations of proton range in proton therapy patients are based on a conversion of CT Hounsfield Units of patient tissues into proton relative stopping power. Uncertainties in this conversion necessitate larger proximal and distal planned target volume margins. Proton CT can potentially reduce these uncertainties by directly measuring proton stopping power. We aim to demonstrate proton CT imaging with complex porcine samples, to analyze in detail three-dimensional regions of interest, and to compare proton stopping powers directly measured by proton CT to those determined from x-ray CT scans. Methods: We have used a prototype proton imaging system with single proton tracking to acquire proton radiography and proton CT images of a sample of porcine pectoral girdle and ribs, and a pig's head. We also acquired close in time x-ray CT scans of the same samples, and compared proton stopping power measurements from the two modalities. In the case of the pig's head, we obtained x-ray CT scans from two different scanners, and compared results from high-dose and low-dose settings. Results: Comparing our reconstructed proton CT images with images derived from x-ray CT scans, we find agreement within 1% to 2% for soft tissues, and discrepancies of up to 6% for compact bone. We also observed large discrepancies, up to 40%, for cavitated regions with mixed content of air, soft tissue, and bone, such as sinus cavities or tympanic bullae. Conclusions: Our images and findings from a clinically realistic proton CT scanner demonstrate the potential for proton CT to be used for low-dose treatment planning with reduced margins.

研究の動機と目的

• 臨床的に関連する生物学的組織において、プロトンCT（pCT）がプロトン停止力（RSP）をx線CTと比較してどの程度正確に測定できるかを評価すること。
• 直接的なRSP測定により、pCTがプロトン治療における範囲不確実性を低減し、より小さな治療マージンを可能にする可能性を評価すること。
• 副鼻腔や鼓室体などの複雑な解剖的領域におけるpCTとx線CTの間のRSP測定差異を調査すること。
• 臨床的に現実的な環境下で、pCTを用いた低線量・高精度な治療計画の実現可能性を示すこと。
• デジタル再構成レントゲン（DRR）からの比較により、プロトンレントゲノグラフィ（pRad）が日常的な範囲確認にどの程度有効であるかを検討すること。

提案手法

• ノースウエスタン・マディシン・シカゴプロトンセンターで、単一プロトントラッキングを搭載したプロトタイプ臨床用プロトン画像化システムを用いて、プロトンCT（pCT）画像を取得した。
• トラッキング検出器およびマルチステージレンジ検出器を用いて、個々のプロトンの軌道と残存レンジを測定し、3次元RSPマップを再構成した。
• 直接比較を可能にするために、pCTスキャンの直前または直後に同じブタ組織のx線CTスキャンを取得した。
• pCT再構成を可能にするために、複数のプロトンエネルギーと90度の角度配分（4度の刻み）を用いたビーム照射を実施した。
• 取得中にリアルタイムでデータを処理するソフトウェアプラットフォームを用いて、オフラインでのpCTデータ再構成を実施した。
• 範囲確認の可能性を評価するために、pRad画像とx線CTからのデジタル再構成レントゲン（DRR）の差分マップを作成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軟部組織および頑丈な骨において、pCTで測定したプロトン停止力（RSP）は、x線CTから導出された値とどの程度一致するか？
• RQ2 副鼻腔や鼓室体のような複雑な解剖的領域において、pCTとx線CTの間のRSP測定差異はどの程度か？
• RQ3 現在のx線CTベースの計画法と比較して、pCTはプロトン治療における範囲不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ4 計画用CTからのDRRと比較することで、プロトンレントゲノグラフィ（pRad）が体内でのプロトン範囲を効果的に確認できるか？
• RQ5 x線CTスキャナーの設定（高線量 vs. 低線量）の違いが、pCTと比較してRSPの一貫性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 軟部組織では、pCTで測定したプロトン停止力（RSP）が、x線CTから導出された値と1〜2%の範囲内で一致した。
• 頑丈な骨では、pCTとx線CTの結果を比較したところ、RSPの差異が最大7%に達した。
• 副鼻腔や鼓室体のような混合組織・空気・骨を含む空洞部では、最大40%の差異が観察された。
• pRad画像は、x線CTからのDRRと比較することで、範囲の不一致を明らかにすることができ、日常的な範囲確認の強力な可能性を示した。
• 本研究では、pCTが低線量で高精度なRSPマッピングを実現できることを示した。これは、低線量治療計画への応用を支持するものである。
• 結果から、特に解剖学的に複雑な領域では、pCTが治療マージンの大幅な縮小を可能にする可能性があることが示唆された。