[논문 리뷰] Phantom study for 90Y post-treatment dosimetry with a long axial field-of-view PET/CT

Lorenzo Mercolli, Konstantinos Zeimpekis외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 28.

Medical Imaging Techniques and ApplicationsMedicine인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 장축 시야(長軸視野, LAFOV) PET/CT를 사용하여 90Y 간선 방사선동역학 치료 후의 선량 측정을 평가하며, 몬테카를로 시뮬레이션, 이미지에 의존하지 않는 Simplicit90Y, 그리고 이미지 기반 sMC 알고리즘을 사용한 Hermes 소프트웨어를 비교한다. 연구 결과, Hermes는 작은 구조에서 PET 정량화의 열악함으로 인해 선량을 과소평가하는 것으로 나타났으며, Simplicit90Y와 몬테카를로 시뮬레이션 간의 높은 일치도는 이미지 기반 선량 측정의 한계를 드러내며, 심지어 개선된 LAFOV 감도를 가진 시스템이라도 여전히 한계가 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장축 시야(LAFOV) PET/CT를 사용한 후처리 90Y 선량 측정의 정확도를 펌프 모형 연구를 통해 평가하기.
• 이미지에 의존하지 않는 선량 측정 방법(Monte Carlo 및 Simplicit90Y)과 이미지 기반 선량 측정(Hermes 소프트웨어)을 비교하기.
• 낮은 양성자 방출 분획비에도 불구하고 LAFOV PET/CT가 90Y 선량 측정 정확도를 향상시키는지 조사하기.
• Hermes 소프트웨어에서 선량 과소평가의 주요 원인을 특정하기 — 활성도 정량화의 열악함인지 또는 알고리즘적 한계인지.

제안 방법

• 90Y 시트레이트를 포함한 두 개의 NEMA IEC 신체 펌프 모형을 사용하여, 스캔 시점 기준 1.12 ± 0.17 GBq의 활성도를 측정한 펌프 모형 연구를 수행하였다.
• 다양한 스캔 시간(50분 UHS, 20분 HS, 10분 HS)에서 LAFOV PET/CT 영상을 확보하여 영상 품질이 선량 측정에 미치는 영향을 평가하였다.
• FLUKA를 사용하여 전체 몬테카를로 선량 계산을 수행하여 기준값으로 삼았으며, 이는 영상과 무관하게 90Y 붕괴, 입자 이동 및 선량 침착을 모델링하였다.
• Simplicit90Y의 국소 침착 모델을 사용하여 PET 영상에 의존하지 않는 선량 계산을 수행하였으며, 균일한 β⁻ 에너지 침착을 가정하였다.
• 재구성된 PET 영상을 사용하여 Hermes의 준 몬테카를로(sMC) 알고리즘을 적용하여 선량 맵핑을 수행하였으며, 재구성 파rameter 및 스캔 시간에 대한 민감도를 평가하였다.
• 실제 데이터의 이미지 정량화 오류와 알고리즘적 한계를 분리하기 위해 합성 PET 영상을 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 시스템에 비해 LAFOV PET/CT는 90Y 후처리 선량 측정 정확도를 향상시키는가?
• RQ2 Hermes 소프트웨어는 몬테카를로 시뮬레이션에 비해 체계적으로 90Y 선량을 과소평가하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 이미지 재구성 파rameter와 스캔 시간은 작은 구조에서 Hermes의 선량 추정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 Simplicit90Y와 몬테카를로와 같은 이미지에 의존하지 않는 방법은 90Y 마이크로스피어의 선량 예측에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 Hermes에서의 과소평가 현상은 sMC 알고리즘의 한계 때문인가, 아니면 PET 영상에서 90Y 활성도 정량화의 열악함 때문인가?

주요 결과

• 몬테카를로와 Simplicit90Y의 선량 계산 결과는 오차 범위 내에서 잘 일치하여, Simplicit90Y가 큰 부위에서 신뢰할 수 있음을 확인하였다.
• Hermes는 모든 펌프 모형에서 일관되게 선량을 과소평가하며, 가장 작은 구조(지름 10 mm)에서 가장 큰 격리가 발생하여 작은 부위에서의 정량화 열악함이 확인되었다.
• 합성 영상 분석을 통해 Hermes의 과소평가 원인은 sMC 알고리즘의 본질적 결함기니라기보다는 PET 영상에서의 활성도 정량화의 정확성 부족에 기인한 것으로 밝혀졌다.
• 50분 UHS와 같은 장시간 스캔이라도 Hermes의 선량 추정치는 유의미하게 향상되지 않았으며, 큰 오차 범위로 인해 통계적 유의성은 없었다.
• 합성 영상에 대해 sMC 알고리즘은 작은 구조에서 선량을 과대평가하는 경향이 있었지만, 실제 데이터에서는 이 효과가 이미지 정량화 오류에 의해 압도되었다.
• LAFOV PET/CT의 복구 계수는 가장 큰 구조에서도 100%에 도달하지 못하여, 작은 부위의 활성도 분포 정량화에 대한 한계를 확인하였다.