[論文レビュー] Multi-Institutional Audit of FLASH and Conventional Dosimetry with a 3D-Printed Anatomically Realistic Mouse Phantom

M. Ramish Ashraf, Stavros Melemenidis+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2023

Nuclear Physics and ApplicationsPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本多施設共同研究では、組織・骨・肺の密度に一致する材料を用いた二ノズル3Dプリンティングで作製された解剖学的にリアルなマウスホーン・フォーマットを用いて、FLASHおよび従来型電子線照射における線量計測ばらつきを評価した。ホーン・フォーマットは高い再現性を示し、ホーン・フォーマット間の線量差は0.5%未満であった。また、繰り返し測定における線量ばらつきは4.3%から1.2%に低下し、前臨床的FLASH研究の資格認定に活用できることが裏付けられた。

ABSTRACT

We conducted a multi-institutional audit of dosimetric variability between FLASH and conventional dose rate (CONV) electron irradiations by using an anatomically realistic 3D-printed mouse phantom. A CT scan of a live mouse was used to create a 3D model of bony anatomy, lungs, and soft tissue. A dual-nozzle 3D printer was used to print the mouse phantom using acrylonitrile butadiene styrene ($~1.02 g/cm^3$) and polylactic acid ($~1.24 g/cm^3$) simultaneously to simulate soft tissue and bone densities, respectively. The lungs were printed separately using lightweight polylactic acid ($~0.64 g/cm^3$). Hounsfield units (HU) and densities were compared with the reference CT scan of the live mouse. Print-to-print reproducibility of the phantom was assessed. Three institutions were each provided a phantom, and each institution performed two replicates of irradiations at selected mouse anatomic regions. The average dose difference between FLASH and CONV dose distributions and deviation from the prescribed dose were measured with radiochromic film. Compared to the reference CT scan, CT scans of the phantom demonstrated mass density differences of $0.10 g/cm^3$ for bone, $0.12 g/cm^3$ for lung, and $0.03 g/cm^3$ for soft tissue regions. Between phantoms, the difference in HU for soft tissue and bone was <10 HU from print to print. Lung exhibited the most variation (54 HU) but minimally affected dose distribution (<0.5% dose differences between phantoms). The mean difference between FLASH and CONV from the first replicate to the second decreased from 4.3% to 1.2%, and the mean difference from the prescribed dose decreased from 3.6% to 2.5% for CONV and 6.4% to 2.7% for FLASH. The framework presented here is promising for credentialing of multi-institutional studies of FLASH preclinical research to maximize the reproducibility of biological findings.

研究の動機と目的

• 標準化されたホーン・フォーマットを用いて、FLASHおよび従来型電子線照射における施設間の線量計測ばらつきを評価すること。
• 前臨床線量計測用に、組織同等の密度を持つ解剖学的にリアルな3Dプリントマウスホーン・フォーマットを開発すること。
• 複数施設におけるプリント間再現性および線量分布の一貫性を評価すること。
• 多施設共同FLASH前臨床研究の資格認定フレームワークを確立すること。

提案手法

• 生きたマウスのCTスキャンを用いて、骨構造、肺、軟部組織の3次元モデルを構築した。
• アクリロニトリルブダジエンスチロール（1.02 g/cm³）を軟部組織に、ポリラクティック酸（1.24 g/cm³）を骨に用いた二ノズル3Dプリンタでホーン・フォーマットを製造した。
• 低密度肺組織を再現するため、軽量のポリラクティック酸（0.64 g/cm³）を別途用いて肺部を3Dプリントした。
• Hounsfield単位（HU）および質量密度を、生きたマウスの参照CTスキャンと照合した。
• 選択された解剖的領域における、FLASHと従来型線量率の線量差を測定するために、放射線感受性フィルムを用いた。
• 3施設がそれぞれ2回の照射再現を実施し、各施設および条件間での線量分布を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3Dプリントマウスホーン・フォーマットは、実際のマウス解剖のHounsfield単位および質量密度をどの程度正確に再現しているか？
• RQ2 同じホーン・フォーマットを用いた場合、FLASHおよび従来型電子線ビームにおける施設間の線量投与ばらつきはどの程度か？
• RQ3 複数施設におけるホーン・フォーマットのプリント間再現性（HUおよび線量分布の観点）はどの程度か？
• RQ4 ホーン・フォーマットのばらつきが、FLASHおよび従来型照射における線量差に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 このホーン・フォーマットは、多施設共同の前臨床的FLASH研究の標準化された資格認定ツールとして機能できるか？

主な発見

• 参照CTスキャンと比較して、ホーン・フォーマットの質量密度は骨で0.10 g/cm³、肺で0.12 g/cm³、軟部組織で0.03 g/cm³の差異を示した。
• プリント間再現性では、軟部組織および骨でHounsfield単位に10 HU未満の差異が認められ、肺では54 HUのばらつきが見られたが、線量差への影響は最小限（<0.5%差）であった。
• FLASHと従来型線量分布間の平均線量差は、再現間で4.3%から1.2%に低下した。
• 所定線量からのずれは、従来型で3.6%から2.5%に、FLASHで6.4%から2.7%に減少した。
• フレームワークは高い再現性と低い施設間ばらつきを示し、多施設共同のFLASH前臨床研究における資格認定に活用可能であることが裏付けられた。
• 本研究では、標準化され、解剖学的にリアルなホーン・フォーマットが、前臨床的FLASH線量計測の整合性向上に有効なツールとして実証された。