[論文レビュー] Intra- and Inter-Fraction Relative Range Verification in Heavy-Ion Therapy Using Filtered Interaction Vertex Imaging

Devin Hymers, Eva Kasanda+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、16OビームがPMMAプローブで起こす二次粒子を用いて、重粒子線治療におけるリアルタイム内分数および分数間相対的範囲検証のためのフィルタリング処理を施した相互作用頂点イメージング（fIVI）を提案する。この手法は、相互作用頂点を再構築し、その深さ分布の端縁部をロジスティック関数でフィッティングすることで、Braggピーク位置のずれを検出する。その結果、平均の標準偏差220(10) μmというサブミリメートルの精度を達成した。

ABSTRACT

Heavy-ion therapy, particularly using scanned (active) beam delivery, provides a precise and highly conformal dose distribution, with maximum dose deposition for each pencil beam at its endpoint (Bragg peak), and low entrance and exit dose. To take full advantage of this precision, robust range verification methods are required; these methods ensure that the Bragg peak is positioned correctly in the patient and the dose is delivered as prescribed. Relative range verification allows intra-fraction monitoring of Bragg peak spacing to ensure full coverage with each fraction, as well as inter-fraction monitoring to ensure all fractions are delivered consistently. To validate the proposed filtered Interaction Vertex Imaging method for relative range verification, a ${}^{16}$O beam was used to deliver 12 Bragg peak positions in a 40 mm poly-(methyl methacrylate) phantom. Secondary particles produced in the phantom were monitored using position-sensitive silicon detectors. Events recorded on these detectors, along with a measurement of the treatment beam axis, were used to reconstruct the sites of origin of these secondary particles in the phantom. The distal edge of the depth distribution of these reconstructed points was determined with logistic fits, and the translation in depth required to minimize the $\chi^2$ statistic between these fits was used to compute the range shift between any two Bragg peak positions. In all cases, the range shift was determined with sub-millimeter precision, to a standard deviation of the mean of 220(10) $\mu$m. This result validates filtered Interaction Vertex Imaging as a reliable relative range verification method, which should be capable of monitoring each energy step in each fraction of a scanned heavy-ion treatment plan.

研究の動機と目的

• 重粒子線治療中のBraggピーク範囲の正確性を検証する非侵襲的でリアルタイムの手法を開発すること。
• 患者の動きや組織不均一性による一時的な範囲誤差を検出できる、ビームエネルギー供給の内分数モニタリングを可能にすること。
• 治療分数間の整合性を確認するため、異なる治療分数間のBraggピーク深さを比較すること。
• 絶対的範囲検証に依存することを減らすために、堅牢な相対的検証フレームワークを確立すること。
• 臨床的関連性の高いプローブ設定で16Oビームを用いて、fIVIが臨床的実用性を有する技術であることを検証すること。

提案手法

• 16Oビーム照射中に40 mmのPMMAプローブで発生する二次粒子を、位置に感度を持つシリコン検出器で記録する。
• 検出器の位置情報とビーム軸情報を用いて、二次粒子の3次元相互作用頂点を再構築する。
• バックグラウンドおよび誤って再構築されたイベントを除外するフィルタリングアルゴリズムを適用し、頂点分解能を向上させる。
• 再構築された頂点深さ分布の端縁部をロジスティック関数でフィッティングし、Braggピーク深さを特定する。
• 2つのBraggピーク位置間のずれを、ロジスティックフィットのχ²統計量の最小化によって計算する。
• ビームラインデータと治療計画座標を用いてビーム軸を追跡し、リアルタイムの検出器キャリブレーションを必要とせずにアライメントを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 fIVIは、重粒子線治療中に相対的Braggピーク深さのずれをサブミリメートルの精度で検出できるか？
• RQ2 fIVIは、患者の動きやビームエネルギーのドリフトによって生じる内分数の範囲ずれを検出できるか？
• RQ3 fIVIは、異なる治療分数間のBraggピーク位置を信頼性高く比較し、分数間の一貫性を確認できるか？
• RQ4 fIVIの性能は、臨床的ビーム強度およびイオン数の減少下でもどのようにスケーリングするか？
• RQ5 fIVIは、臨床環境で最小限のセットアップおよびアライメントのオーバーヘッドで実装可能か？

主な発見

• 16Oビーム実験において、Braggピーク位置間の210回の比較で、fIVIは220(10) μm（1σ）の範囲ずれ測定精度を達成した。
• PMMAプローブ内でのBraggピーク位置間の深さ差をサブミリメートルの精度で検出できることを示した。
• 微小な範囲ずれを解像できる十分な分解能で、二次粒子からの相互作用頂点を再構築できた。
• 高分解能の個々の粒子追跡を必要としないため、ハードウェア制約が軽減された。
• fIVIは、相対的測定を用いてリアルタイムの内分数モニタリングおよび分数間の一貫性確認の両方に有効であると示唆された。
• 検出器のアライメントとビーム軸追跡が計算的に管理可能であるため、fIVIは臨床的実装と整合性がある。