[論文レビュー] A New Proton CT Scanner

S. A. Uzunyan, G. Blazey+16 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2014

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、X線CTによる相対的停止力（RSP）推定の系統的誤差を是正し、プロトン治療の治療計画を向上させる第二世代のプロトンCTスキャナを提案する。この装置は、RSPを1%未塔の不確実性で直接測定可能であり、X線CTに起因する3–4%の範囲不確実性を1%未塔に低減する。ファイバー追跡器とシンチレーター・スタック検出器を用い、最大2 MHzのデータレートでプロトンの軌道とエネルギー損失を再構成可能であり、最小限の被曝と金属アーチファクトの問題なしに、頭部アンブレラの高精度3次元RSPマッピングを実現する。

ABSTRACT

The design, construction, and preliminary testing of a second generation proton CT scanner is presented. All current treatment planning systems at proton therapy centers use X-ray CT as the primary imaging modality for treatment planning to calculate doses to tumor and healthy tissues. One of the limitations of X-ray CT is in the conversion of X-ray attenuation coefficients to relative (proton) stopping powers, or RSP. This results in more proton range uncertainty, larger target volumes and therefore, more dose to healthy tissues. To help improve this, we present a novel scanner capable of high dose rates, up to 2~MHz, and large area coverage, 20~x~24~cm$^2$, for imaging an adult head phantom and reconstructing more accurate RSP values.

研究の動機と目的

• X線CTに基づくプロトン停止力推定における系統的誤差を是正し、プロトン治療における3–4%の範囲不確実性を低減すること。
• 臨床的実用性を考慮し、最大2 MHzの高データレートを達成可能なプロトンCTスキャナの開発。
• 空間分解能0.27 mm、低質量（WET <1 mm/トラッカー平面）を達成し、多次散乱の低減と画像精度の向上を図ること。
• 水等価経路長（WEPL）とプロトン軌道の直接測定を可能とし、高精度3次元相対停止力（RSP）再構成を実現すること。
• 歯科または金属インプラントに起因するアーチファクトを低減するため、X線画像に代わるプロトンベースのCTを実現すること。

提案手法

• 個々のプロトン軌道のXおよびY座標を測定するために、0.5 mm径の発光繊維を用いた8枚のトラッカー平面（上流4枚、下流4枚）を採用。
• 残存エネルギーを測定し、各プロトンの水等価経路長（WEPL）を特定するために、96タイルのシンチレーター・スタック（1タイルあたり3.2 mm厚）を採用。
• 画像再構成のため、プロトン軌道を1 mm³ボクセルに最も可能性の高い経路（most likely path）形式で関連付ける。
• 75 MHzでの16ビットタイムスタンプと1 msデータフレームを備えた前段エレクトロニクス（PAD-E）を用い、高速かつ同期されたデータ取得を実現。
• 1 Gbit/sイーサネットベースのDAQシステムにUDPプロトコルを採用し、圧縮データ（1イベントあたり25–75バイト）をCPU/GPUクラスタにストリーミングし、後処理を実施。
• 100 nsの時間ウィンドウ内でトラッカーとカリブレーターのヒットを統合し、重ね合わせ（pile-up）をフィルタリングすることで、単一プロトン履歴を再構成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロトンCTスキャナは、X線CTの3–4%の不確実性を上回る、1%未塔の相対停止力不確実性を達成可能か？
• RQ2 ファイバー追跡器とシンチレーター・スタック検出器システムは、2 MHzのデータレートを維持しながら、0.27 mmの空間分解能と低質量（WET <1 mm）を達成可能か？
• RQ3 本システムは、最小限のアーチファクトとテーブル移動なしに、頭部アンブレラの高精細3次元RSP画像を再構成可能か？
• RQ4 DAQシステムは、200万イベント/秒の高レートプロトンイベントを、低デッドタイムかつ2100チャンネルにわたる信頼性の高い同期で処理可能か？
• RQ5 画像再構成パイプラインは、正確に単一プロトン履歴を抽出し、臨床的プロトン治療計画に適した3次元RSPマップを生成可能か？

主な発見

• NIUフェーズIIプロトンCTスキャナは、200 MeVプロトンビームを用いたテストのため、セントラルデュプレイク・ホスピタルに完全に組立・設置された。
• ファイバートラッカーは、ピッチ / √12として算出される0.27 mmの空間分解能を達成し、8枚の平面にわたり2100の読み出しチャンネルを有した。
• 信号対ノイズ測定では、ビームスポット領域で1チャンネルあたり1プロトンあたり10–25光電子が得られ、十分な信号忠実度が確認された。
• システムは最大2 MHzのデータ取得を実現し、データ圧縮と1 msフレーミングにより、1 Gbit/sイーサネットを介した効率的データ転送が可能となった。
• GPUクラスタは、過去のプロトタイプからのデータを用いて、14 cm径のLucy® QAアンブレラの高品質3次元画像を正常に再構成し、再構成パイプラインの妥当性を検証した。
• スキャナは標準的なプロトン治療ガングリーの幾何学的配置と互換性があり、1回のスキャンで頭部アンブレラを360°回転可能であり、テーブルの移動を不要とした。