[논문 리뷰] A Comparison of Proton Stopping Power Measured with Proton CT and x-ray CT in Fresh Post-Mortem Porcine Structures

Don F. DeJongh, Ethan A. DeJongh외 14명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 11.

Radiation Therapy and Dosimetry참고 문헌 33인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 신선한 사체 porcine 머리 및 흉부 조직에서 x-ray CT로 유도된 프로톤 정지력(RSP)과 직접적으로 프로톤 CT(pCT)로 측정된 프로톤 정지력을 비교한다. 단일 프로톤 트래킹을 갖춘 프로토타입 임상 pCT 시스템을 사용하여, 저밀도 조직에서는 1-2% 이내의 RSP 일치도를 확인하였고, 경직된 뼈에서는 최대 7%의 이질성이 있었으며, 부비동과 같은 복잡한 공극이 있는 부위에서는 최대 40%의 오차가 관찰되었다. 결과적으로 pCT는 프로톤 치료에서 범위 불확실성을 줄일 잠재력을 보여주며, 더 낮은 용량의 치료 계획과 더 좁은 치료 마진을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Purpose: Currently, calculations of proton range in proton therapy patients are based on a conversion of CT Hounsfield Units of patient tissues into proton relative stopping power. Uncertainties in this conversion necessitate larger proximal and distal planned target volume margins. Proton CT can potentially reduce these uncertainties by directly measuring proton stopping power. We aim to demonstrate proton CT imaging with complex porcine samples, to analyze in detail three-dimensional regions of interest, and to compare proton stopping powers directly measured by proton CT to those determined from x-ray CT scans. Methods: We have used a prototype proton imaging system with single proton tracking to acquire proton radiography and proton CT images of a sample of porcine pectoral girdle and ribs, and a pig's head. We also acquired close in time x-ray CT scans of the same samples, and compared proton stopping power measurements from the two modalities. In the case of the pig's head, we obtained x-ray CT scans from two different scanners, and compared results from high-dose and low-dose settings. Results: Comparing our reconstructed proton CT images with images derived from x-ray CT scans, we find agreement within 1% to 2% for soft tissues, and discrepancies of up to 6% for compact bone. We also observed large discrepancies, up to 40%, for cavitated regions with mixed content of air, soft tissue, and bone, such as sinus cavities or tympanic bullae. Conclusions: Our images and findings from a clinically realistic proton CT scanner demonstrate the potential for proton CT to be used for low-dose treatment planning with reduced margins.

연구 동기 및 목표

• 임상적으로 관련성이 있는 생물학적 조직에서 x-ray CT에 비해 프로톤 CT(pCT)가 프로톤 정지력(RSP) 측정 정확도를 평가하기 위해.
• 직접적으로 RSP를 측정함으로써 pCT가 프로톤 치료에서 범위 불확실성을 줄일 잠재력을 평가하여 더 작은 치료 마진을 가능하게 하기 위해.
• 부비동 및 중이부비동과 같은 복잡한 해부학적 부위에서 pCT와 x-ray CT 간 RSP 측정치의 이질성 원인을 조사하기 위해.
• 임상적으로 현실적인 환경에서 낮은 용량, 고정밀도 치료 계획 수립을 위한 pCT의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 계획용 CT에서 유도된 디지털 재구성 레이저도(DRRs)와 비교하여 프로톤 단면도(pRad)가 매일 범위 검증에 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 노스웨스턴 메디슨 시카고 프로톤 센터에서 단일 프로톤 트래킹 기능을 갖춘 프로토타입 임상 프로톤 영상 시스템을 사용하여 프로톤 CT(pCT) 영상을 확보하였다.
• 트래킹 검출기와 다단계 범위 검출기를 사용하여 개별 프로톤 궤적과 잔류 범위를 측정하고, 3차원 RSP 지도를 재구성하였다.
• pCT 스캔 이전 또는 이후에 동일한 porcine 샘플에 대해 x-ray CT 스캔을 실시하여 직접 비교를 수행하였다.
• pCT 재구성을 가능하게 하기 위해 다수의 프로톤 에너지와 90개의 각도 프로젝션(4° 간격)을 사용하여 빔을 투과하였다.
• 실시간 데이터 수집 중 처리가 가능한 소프트웨어 플랫폼을 사용하여 pCT 데이터의 오프라인 재구성 작업을 수행하였다.
• x-ray CT에서 유도된 디지털 재구성 레이저도(DRRs)와 pRad 영상 간의 차이 지도를 생성하여 범위 검증 잠재력 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pCT로 측정한 프로톤 정지력(RSP)은 소프트 텍스처와 경직된 뼈에서 x-ray CT로 유도된 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 부비동과 같은 공극이 있는 복잡한 해부학적 부위에서 pCT와 x-ray CT 간 RSP 측정치의 이질성은 어떤가?
• RQ3 현재 x-ray CT 기반 계획법에 비해 pCT는 프로톤 치료에서 범위 불확실성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 계획용 CT에서 유도된 DRRs와 비교하여 프로톤 단면도(pRad)가 실제로 환자 내에서 프로톤 범위를 효과적으로 검증할 수 있는가?
• RQ5 x-ray CT 스캐너 설정의 변화(고용량 대 저용량)가 pCT에 비해 RSP 일관성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• pCT로 측정한 프로톤 정지력(RSP)은 소프트 텍스처에서 x-ray CT로 유도된 값과 1%에서 2% 이내로 일치하였다.
• pCT와 x-ray CT 결과를 비교할 때, 경직된 뼈에서는 RSP 측정치의 이질성이 최대 7%에 이르렀다.
• 공극이 있는 복합 조직, 즉 부비동과 중이부비동과 같은 공기, 조직, 뼈가 혼합된 부위에서는 최대 40%의 가장 큰 이질성이 관찰되었다.
• pRad 영상에서 DRRs와 비교했을 때 범위 불일치를 명확히 드러내어 매일 범위 검증 잠재력이 매우 높게 나타났다.
• 이 연구는 pCT가 낮은 방사선 용량으로도 고정밀도 RSP 지ap을 구현할 수 있음을 입증하여, 저용량 치료 계획에서의 활용 가능성을 뒷받침하였다.
• 결과적으로 pCT는 특히 해부학적으로 복잡한 부위에서 치료 마진을 크게 줄일 수 있을 것으로 제안된다.