[論文レビュー] Phantom study for 90Y post-treatment dosimetry with a long axial field-of-view PET/CT

Lorenzo Mercolli, Konstantinos Zeimpekis+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2023

Medical Imaging Techniques and ApplicationsMedicine被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、長軸視野（LAFOV）PET/CTを用いた90Y肝塞栓療法後の線量測定を評価し、モンテカルロシミュレーション、画像に依存しないSimplicit90Y、および画像に基づくsMCアルゴリズムを用いたHermesを比較した。Hermesは小領域におけるPETの定量的精度が低いことにより線量を低く見積もっているのに対し、Simplicit90Yとモンテカルロシミュレーションは良好に一致しており、画像に基づく線量測定法の限界が、LAFOV感度の向上にもかかわらず顕在化していることを示している。

ABSTRACT

Purpose: The physical properties of yttrium-90 (90Y) allow for imaging with positron emission tomography/computed tomography (PET/CT). The increased sensitivity of long axial field-of-view (LAFOV) PET/CT scanners possibly allows to overcome the small branching ratio for positron production from 90Y decays and to improve for the post-treatment dosimetry of 90Y of selective internal radiation therapy. Methods: For the challenging case of an image quality body phantom, we compare a full Monte Carlo (MC) dose calculation with the results from the two commercial software packages Simplicit90Y and Hermes. The voxel dosimetry module of Hermes relies on the 90Y images taken with a LAFOV PET/CT, while the MC and Simplicit90Y dose calculations are image independent. Results: The resulting doses from the MC calculation and Simplicit90Y agree well within the error margins. The image-based dose calculation with Hermes, however, consistently underestimates the dose. This is due to the mismatch of the activity distribution in the PET images and the size of the volume of interest. Furthermore, there are likely limitations of Hermes' dose calculation algorithm for 90Y. We found that only for the smallest phantom sphere there is a statistically significant dependence of the Hermes dose on the image reconstruction parameters and scan time. Conclusion: Our study shows that Simplicit90Y's local deposition model can provide a reliable dose estimate. On the other hand, the image based dose calculation requires further benchmarks and verification in order to take full advantage of LAFOV PET/CT systems.

研究の動機と目的

• 長軸視野（LAFOV）PET/CTを用いた90Y後処置線量測定の正確性を、ファントム研究を通じて評価すること。
• 画像に依存しない線量測定法（モンテカルロとSimplicit90Y）と、Hermesソフトウェアを用いた画像に基づく線量測定法を比較すること。
• 陽イオン放出の分岐比が低いにもかかわらず、LAFOV PET/CTが90Y線量測定の正確性を向上させるかどうかを検討すること。
• Hermesソフトウェアが90Y線量を系統的に低く見積もる主な要因を特定すること—活動量の定量的誤差か、アルゴリズム的制限か。

提案手法

• 90Yシトラートを含む2つのNEMA IECボディファントムを用いたファントム研究を実施し、スキャン時における活動量は1.12 ± 0.17 GBqであった。
• 複数のスキャン時間（50分UHS、20分HS、10分HS）でLAFOV PET/CT画像を取得し、画像品質が線量測定に与える影響を評価した。
• FLUKAを用いた完全なモンテカルロ線量計算を実施し、画像とは独立して90Yの崩壊、粒子輸送、線量沈着をモデル化することで、基準線量としての役割を果たした。
• Simplicit90Yの局所沈着モデルを用いて線量計算を実施し、PET画像に依存せず、β⁻線量の均一分布を仮定した。
• 再構成済みPET画像を用いてHermesの半モンテカルロ（sMC）アルゴリズムを適用し、再構成パラメーターやスキャン時間への感受性を評価した。
• 合成PET画像を生成することで、Hermesにおける画像定量的誤差とアルゴリズム的制限の影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LAFOV PET/CTは、従来のシステムと比較して、90Y後処置線量測定の正確性を向上させるか？
• RQ2 Hermesソフトウェアは、モンテカルロシミュレーションと比較して、なぜ90Y線量を系統的に低く見積もるのか？
• RQ3 画像再構成パラメーターやスキャン時間は、小領域におけるHermesの線量推定にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 画像に依存しない手法（Simplicit90Yとモンテカルロ）は、90Yマイクロスフィアの線量予測において、どのように一致するか？
• RQ5 Hermesにおける線量低く見積もられることは、sMCアルゴリズムの欠陥に起因するのか、それともPET画像における90Y活動量の定量的誤差に起因するのか？

主な発見

• モンテカルロとSimplicit90Yの線量計算は誤差範囲内で良好に一致しており、Simplicit90Yの信頼性が確認された。
• Hermesは全ファントムで一貫して線量を低く見積もっており、特に最小の球体（直径10 mm）で最大の乖離を示しており、小領域における定量的精度の低さが原因であることが示された。
• 合成画像解析により、Hermesの線量低く見積もられることは、sMCアルゴリズム自体の欠陥よりも、PET画像における活動量の不正確な定量的評価に起因していることが判明した。
• 50分UHSの長時間スキャンでも、Hermesの線量推定値は著しく改善せず、誤差範囲が大きいため、統計的に有意な改善は得られなかった。
• 合成画像にsMCアルゴリズムを適用した場合、小球体では線量を過大に見積もる傾向があるが、実データではこの効果は画像定量的誤差に押しのけられていた。
• LAFOV PET/CTにおける回収係数は、最大の球体に対しても100%に達しないことから、小体積における活動量分布の定量的評価に限界があることが確認された。