[논문 리뷰] Analysis of time-profiles with in-beam PET monitoring in charged particle therapy

A. Kraan, S. Muraro외 15명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 28.

Radiation Therapy and Dosimetry참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 130 MeV 프로톤을 조사한 후 즉시 방출되는 양성자 방출 동위원소(11C, 15O, 10C)의 시간 프로파일을 분석하여 입자선 치료에서의 인비움 PET 모니터링을 평가한다. FLUKA 몬테카를로 시뮬레이션과 130 MeV 프로톤으로 조사한 투과체에서의 실험 데이터를 사용하여 측정된 공간 분포와 붕괴 속도 프로파일이 양호한 일치를 보였으며, 특히 고밀도 폴리에틸렌 투과체에서 10C의 과잉이 관측되어 짧은 수명 동위원소에 대한 핵 반응 모델의 잠재적 한계를 드러낸다.

ABSTRACT

Background: Treatment verification with PET imaging in charged particle therapy is conventionally done by comparing measurements of spatial distributions with Monte Carlo (MC) predictions. However, decay curves can provide additional independent information about the treatment and the irradiated tissue. Most studies performed so far focus on long time intervals. Here we investigate the reliability of MC predictions of space and time (decay rate) profiles shortly after irradiation, and we show how the decay rates can give an indication about the elements of which the phantom is made up. Methods and Materials: Various phantoms were irradiated in clinical and near-clinical conditions at the Cyclotron Centre of the Bronowice proton therapy centre. PET data were acquired with a planar 16x16 cm$^2$ PET system. MC simulations of particle interactions and photon propagation in the phantoms were performed using the FLUKA code. The analysis included a comparison between experimental data and MC simulations of space and time profiles, as well as a fitting procedure to obtain the various isotope contributions in the phantoms. Results and conclusions: There was a good agreement between data and MC predictions in 1-dimensional space and decay rate distributions. The fractions of $^{11}$C, $^{15}$O and $^{10}$C that were obtained by fitting the decay rates with multiple simple exponentials generally agreed well with the MC expectations. We found a small excess of $^{10}$C in data compared to what was predicted in MC, which was clear especially in the PE phantom.

연구 동기 및 목표

• 130 MeV 프로톤 조사 직후 투과체 내에서 발생하는 양성자 방출 동위원소(11C, 15O, 10C)의 공간 및 시간 붕괴 프로파일을 예측하는 FLUKA 몬테카를로 시뮬레이션의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 다중 지수 회귀를 통해 실험적 붕괴 곡선에서 상대적 동위원소 분율을 추출하여 조직 성분 추론을 가능하게 하기 위해.
• 특히 고밀도 폴리에틸렌 같은 탄소 기반 물질에서 측정된 값과 시뮬레이션 간의 10C 기여도 차이를 조사하기 위해.
• 미래의 생물학적 및 선량 측정 응용을 위한 짧은 시간 간격 PET 데이터를 활용하여 이so토프 분포(15O, 11C, 10C)의 공간 및 시간 맵핑 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 130 MeV 프로톤 펜치 비ーム(10^10 입자, 5초 노출)으로 고르게 분포된 투과체 세 개(PMMA, 고밀도 PE, 물)와 비균일한 제바 투과체(PMMA/PE 층)를 조사하였다.
• 시간 해상도가 높은 PET 데이터를 평면형 16×16 cm² LYSO 기반 시스템(DoPET)을 사용하여 확보하였으며, 동시에 공간적 및 시간적 이벤트 재구성에 비표준적인 단순 재구성 방법(SRA)을 적용하였다.
• 입자 이동 및 광자 전파를 모의하기 위해 FLUKA를 사용하여 활성도 분포를 공간 및 시간적으로 예측하였으며, 동위원소 특화 붕괴 기여도를 포함하였다.
• 조사 후 8–300초 간의 실험적 붕괴 곡선을 3개의 지수 함수의 합으로 피팅하여 15O(t₁/₂=2 min), 11C(t₁/₂=20 min), 10C(t₁/₂=19 s)의 상대 분율을 추출하였다.
• 다양한 투과체에서 측정된 1차원 z-프로파일과 붕괴 속도를 비교하였으며, 투과체를 2 mm 간격의 z-스탭으로 잘라 이소토프 기여도의 공간 맵을 생성하였다.
• 무시된 동위원소(예: 5B, 14O, 13N)가 선택된 시간 창 내 총 활성도의 2% 미만을 차지함을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 130 MeV 프로톤으로 조사한 투과체에서 FLUKA 시뮬레이션은 11C, 15O, 10C의 공간 및 시간 붕괴 프로파일을 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ2 조사 후 첫 5분 내 측정된 붕괴 속도는 몬테카를로 시뮬레이션에서 예상되는 동위원소 분율을 어느 정도 반영하는가?
• RQ3 왜 고밀도 폴리에틸렌에서 실험 데이터에 10C 기여도가 지속적으로 과잉으로 나타나는가?
• RQ4 시간 해상도가 높은 PET 데이터를 사용하여 비균일한 투과체 내에서 다양한 양성자 방출 동위원소(15O, 11C, 10C)의 공간 분포를 맵핑할 수 있는가?
• RQ5 관측된 10C 불일치는 인비움 PET에서 조직 성분 분석 및 생물학적 모델링에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 측정된 활성도 1차원 z-프로파일과 FLUKA 예측 간 양호한 일치가 관찰되었으며, 제바 투과체의 층 구조는 PMMA와 PE에서의 15O 생성 차이로 인해 명확히 식별되었다.
• 실험 데이터에서 10C의 상대 분율은 항상 FLUKA 시뮬레이션보다 높았으며, 고밀도 폴리에틸렌 투과체에서 20.7%의 데이터 분율 대비 14.3%의 MC 예측으로 나타났다.
• 물과 PMMA 투과체에서는 10C 분율이 데이터에서 높게 나타났다(각각 1.6% 대비 2.4% MC, 8.8% 대비 6.6% MC), 비록 PE에서만큼은 두드러지지 않았다.
• 15O 분율은 FLUKA에 의해 잘 예측되었으며(물에서 89.4% 데이터 대비 91.5% MC), 산소 기반 조직 상호작용의 정확한 모델링을 확인하였다.
• 이소토프의 공간 맵핑은 명확한 패atters를 보였다: 15O는 PMMA 영역에 다량 존재했지만 PE에서는 존재하지 않았고, 10C는 균일하게 분포했지만 짧은 반감기로 빠르게 붕괴되었다.
• 실험 데이터의 10C 맵에서 MC 시뮬레이션과의 불일치가 특히 투과체 깊은 곳에서 두드러져, 밀도 높은 물질에서 짧은 수명 동위원소의 생성 또는 이동을 모의하는 데 모델의 한계가 있을 수 있음을 시사한다.