[論文レビュー] Relationship between mass density, electron density, and elemental composition of body tissues for Monte Carlo simulation in radiation treatment planning

Nobuyuki Kanematsu|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2015

Advanced Radiotherapy TechniquesPhysics and Astronomy参考文献 25被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、CT番号の補正を必要としない正確なモンテカルロ治療計画法を実現するため、人体組織の質量密度、電子密度、元素組成の不変な多角形関係を定式化した。ICRP Publication 110に記載された標準組織の質量加重平均を用いることで、密度範囲にわたる一貫性があり、患者固有の組織モデルを提供するが、低密度のスポンジ骨組織におけるC、N、Oでは精度にやや欠ける。

ABSTRACT

Purpose: For Monte Carlo simulation of radiotherapy, x-ray CT number of every system needs to be calibrated and converted to mass density and elemental composition. This study aims to formulate material properties of body tissues for practical two-step conversion from CT number. Methods: We used the latest compilation on body tissues that constitute reference adult male and female. We formulated the relations among mass, electron, and elemental densities into polylines to connect representative tissues, for which we took mass-weighted mean for the tissues in limited density regions. We compared the polyline functions of mass density with a bi-line for electron density and broken lines for elemental densities, which were derived from preceding studies. Results: There was generally high correlation between mass density and the other densities except of C, N, and O for light spongiosa tissues occupying 1% of body mass. The polylines fitted to the dominant tissues and were generally consistent with the bi-line and the broken lines. Conclusions: We have formulated the invariant relations between mass and electron densities and from mass to elemental densities for body tissues. The formulation enables Monte Carlo simulation in treatment planning practice without additional burden with CT-number calibration.

研究の動機と目的

• モンテカルロ治療計画における繰り返しのCT番号補正の必要性をなくすために、不変な組織密度関係を確立すること。
• 標準化されたICRP 110組織データを用いて、放射線治療シミュレーションにおける組織モデルの精度と一貫性を向上させること。
• 既存の変換関数が装置依存であり、CTスキャナ間で移行できないという限界を是正すること。
• CT番号から電子密度へ、次に組織固有の有効密度へと2段階に分かれた変換プロセスを、追加補正なしに信頼性高く実装できることを可能にすること。

提案手法

• ICRP Publication 110に記載された、基準男性および女性 phantomにおける53種の標準組織データを用い、質量密度、電子密度、元素密度を導出する。
• 密度区間（例：0.90–1.00 g/cm³、1.00–1.07 g/cm³）内での組織特性の質量加重平均を用いて、地域的代表組織を定義する。
• 質量密度から電子密度および元素密度（H、C、N、O、P、Ca）への関係を多角形関数として構築し、従来の2次線形および折れ線近似を置き換える。
• 密度の変動する領域における組織混合物を、代表組織間の線形補間を用いてモデル化し、密度セグメント間での連続性を確保する。
• 主要元素分析で明示的に追跡されていない微量元素を補償するため、残渣質量および平均残渣原子番号（Z_res）を組み込む。
• 既存のSBSおよびHünemohrモデルと比較して多角形関数の妥当性を検証し、組織種別および密度範囲にわたる整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量加重組織データを用いることで、CT番号から組織特性への一貫性があり、装置に依存しない変換が達成可能か？
• RQ2 異なる人体組織種別および密度範囲において、質量密度、電子密度、元素組成の関係はどのように変化するか？
• RQ3 既存の2次線形および折れ線モデルが、最新のICRP 110組織データとどの程度一致するか？
• RQ4 低質量・低密度組織（例：スポンジ骨）が、密度変換関数の精度に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 CT番号 → 電子密度 → 組織固有の有効密度という2段階変換プロセスを、追加補正なしに信頼性高く実装できるか？

主な発見

• 電子密度および元素密度の多角形関数は、ほとんどの組織種別および密度範囲においてSBSの折れ線モデルおよびHünemohrの2次線形モデルと高い一貫性を示した。
• 2次線形モデルとの最大偏差は、0.90 g/cm³（脂肪）および2.75 g/cm³（歯）で発生し、それぞれ-1.7%および-1.3%であったが、多角形関数により連続性が回復された。
• 質量密度と電子密度の相関は強く、スポンジ骨含有組織（体積の1%）における炭素、窒素、酸素を除いては一貫していたが、これらでは未区別な包含による不整合が生じた。
• 残渣質量および平均残渣原子番号（Z_res）は、歯で12.0から甲状腺で20.6まで変動し、全球平均は15.95であった。これは硫黄（S）に近く、微量元素の妥当な近似であることを示した。
• この定式化により、異なるCTシステムに対しても再補正なしにモンテカルロシミュレーションに直接適用可能となり、臨床的治療計画におけるセットアップ負荷を顕著に低減した。
• 導出された多角形関数を用いることで、電子密度から全元素組成への変換が可能となり、正確で患者固有のボリュームメッシュモデリングを支援した。