[논문 리뷰] Multi-Institutional Audit of FLASH and Conventional Dosimetry with a 3D-Printed Anatomically Realistic Mouse Phantom

M. Ramish Ashraf, Stavros Melemenidis외 23명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 28.

Nuclear Physics and ApplicationsPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 다기관 연구는 3D 프린팅으로 제작된 해부학적으로 정확한 마우스 흉부 투상도를 사용하여 프라시프(FLASH) 및 전통적인 전자 방사선 조사에서의 선량 측정 변동성을 평가한다. 이 투상도는 조직, 뼈, 폐의 밀도를 반영한 재료를 사용해 이중 노즐 3D 프린팅으로 제작되었으며, 투상도 간 높은 재현성과 0.5% 미만의 선량 차이를 보였고, 복제 간 선량 변동성이 4.3%에서 1.2%로 감소하여, 임상 이전 프라시프 연구의 자격 기준 설정에 활용될 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준화된 투상도를 사용하여 프라시프 및 전통적인 전자 방사선 조사에서 기관 간 선량 측정 변동성을 평가하기 위해.
• 임상 이전 선량 측정을 위한 조직 등가 밀도를 가진 3D 프린팅 해부학적으로 정확한 마우스 투상도를 개발하기 위해.
• 다양한 기관 간 프린팅 간 재현성 및 선량 분포 일관성 평가하기 위해.
• 다기관 프라시프 임상 이전 연구의 자격 기준 설정 틀을 수립하기 위해.

제안 방법

• 생체 마우스의 CT 스캔을 이용해 뼈 구조, 폐 및 연조직의 3D 모델을 생성하였다.
• 이중 노즐 3D 프린터를 사용해 연조직에 대해 1.02 g/cm³ 밀도의 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 뼈에 대해 1.24 g/cm³ 밀도의 폴리락티드산(PLA)을 사용해 투상도를 제작하였다.
• 저밀도 폐 조직을 반영하기 위해 경량 폴리락티드산(0.64 g/cm³)을 사용해 별도로 폐를 프린팅하였다.
• 혼스필드 단위(HU) 및 질량 밀도는 생체 마우스의 기준 CT 스캔과 비교하여 검증하였다.
• 선택된 해부학적 부위에서 프라시프 및 전통적 선량률 간 선량 차이를 측정하기 위해 라디오크로믹 필름을 사용하였다.
• 세 기관에서 각각 두 번의 방사선 조사 복제를 수행하였으며, 기관 간 및 조건 간 선량 분포를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 프린팅 마우스 투상도는 실제 마우스 해부학의 혼스필드 단위와 질량 밀도를 얼마나 정확하게 재현하는가?
• RQ2 동일한 투상도를 사용할 때 프라시프 및 전통적 전자 빔 간 기관 간 선량 투여 변동성은 어떠한가?
• RQ3 HU 및 선량 분포 측면에서 여러 기관 간 프린팅 간 재현성은 어떠한가?
• RQ4 투상도의 변동성이 프라시프 및 전통적 조사에서 선량 차이에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 이 투상도는 다기관 프라시프 임상 이전 연구의 표준화된 자격 기준 도구로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 기준 CT 스캔 대비 뼈의 질량 밀도는 0.10 g/cm³, 폐는 0.12 g/cm³, 연조직은 0.03 g/cm³의 차이를 보였다.
• 프린팅 간 재현성은 연조직 및 뼈에서 혼스필드 단위(HU) 차이가 10 이내였으며, 폐는 54 HU의 변동이 있었지만 선량에 미치는 영향은 최소(<0.5% 차이)였다.
• 프라시프 및 전통적 선량 분포 간 평균 선량 차이는 복제 간 4.3%에서 1.2%로 감소하였다.
• 예상 선량에서의 편차는 전통적 조사에서 복제 간 3.6%에서 2.5%로 감소하였고, 프라시프 조사에서는 6.4%에서 2.7%로 감소하였다.
• 이 틀은 높은 재현성과 낮은 기관 간 변동성을 보였으며, 다기관 프라시프 임상 이전 연구의 자격 기준 설정에 활용될 수 있음을 시사한다.
• 본 연구는 표준화되고 해부학적으로 정확한 투상도를 개발하여 임상 이전 프라시프 선량 측정의 일관성을 향상시키는 데 실용적인 도구로 활용 가능함을 입증하였다.