[논문 리뷰] Proton radiographs using position-sensitive silicon detectors and high-resolution scintillators

J. A. Briz, A. N. Nerio외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 16.

Radiation Therapy and Dosimetry참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 암 치료를 위한 정확한 프로톤 영상 가능성을 입증하기 위해 위치 감지 실리콘 검출기(DSSD)와 고해상도 시나라스코프 어레이를 사용한 프로톤 단층촬영 시스템의 프로토타입을 제시한다. 시스템은 2 mm 이내의 공간 해상도를 확보하였으며, 알루미늄과 PMMA의 10-mm 두께를 구분해내어, 치료 계획 수립 및 선량 검증을 향상시키기 위한 프로톤 CT로의 첫 걸음으로서의 잠재력을 입증하였다.

ABSTRACT

Proton therapy is a cancer treatment technique currently in growth worldwide. It offers advantages with respect to conventional X-ray and $\gamma$-ray radiotherapy, in particular, a better control of the dose deposition allowing to reach a higher conformity in the treatments. Therefore, it causes less damage to the surrounding healthy tissue and less secondary effects. However, in order to take full advantage of its potential, improvements in treatment planning and dose verification are required. A new prototype of proton Computed Tomography scanner is proposed to design more accurate and precise treatment plans for proton therapy. Here, results obtained from an experiment performed using a 100-MeV proton beam at the CCB facility in Krakow (Poland) are presented. Proton radiographs of PMMA samples of 50-mm thickness with spatial patterns in aluminum were taken. Their properties were studied, including reproduction of the dimensions, spatial resolution and sensitivity to different materials. They demonstrate the capabilities of the system to produce images with protons. Structures of up to 2 mm are nicely resolved and the sensitivity of the system was enough to distinguish thicknesses of 10 mm of aluminum or PMMA. This constitutes a first step to validate the device as a proton radiography scanner previous to the future tests as a proton CT scanner.

연구 동기 및 목표

• 위치 감지 실리콘 검출기와 시나라스코프를 사용한 프로톤 단층촬영 시스템을 개발하고 검증함으로써 프로톤 치료 영상의 향상을 도모한다.
• X선 CT에서의 환자 조영도 단위(Hounsfield Units)를 상대 정지력(Relative Stopping Powers, RSP)으로 변환하는 데 기인한 프로톤 경로 추정 불확실성을 해결한다.
• 고공간 해상도 및 고에너지 해상도를 갖춘 프로톤 영상 기술의 가능성을 입증하여 X선 CT 기반 계획 수립에 대한 의존도를 줄인다.
• 시스템이 임상적 프로톤 치료에 관련된 미세한 구조와 두께 차이를 구분할 수 있는 능력을 검증한다.
• 임상적 조건에서의 비드 조건 하에서 이미지 품질과 검출기 성능을 테스트하여 향후 프로톤 CT 재구성 기반의 기초를 마련한다.

제안 방법

• 폴란드 크라쿠프에 소재한 CCB 시설에서 90–120 MeV 프로톤 비드를 사용하였으며, 원래 230 MeV에서 에너지를 낮춘 상태로 시행하였다.
• 정확한 프로톤 경로 추적과 궤적 복원을 위해 이중면 실리콘 스트립 검출기(DSSD) 두 대를 사용하였다.
• 잔류 프로톤 에너지를 측정하고 정지력 결정을 향상시키기 위해 라운산 브로마이드(LaBr3) 시나라스코프 어레이를 통합하였다.
• 95, 100, 120 MeV 프로톤 비드를 사용해 에너지 캘리브레이션을 수행하였으며, 상세한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
• 다양한 크기(1–5 mm)와 간격을 갖는 알루미늄 패턴을 내장한 PMMA 시료의 프로톤 단층영상을 확보하였다.
• 1D 강도 프로파일과 수퍼가우시안 피팅을 사용해 공간 해상도와 치수 정확도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DSSD와 시나라스코프를 사용한 프로톤 단층촬영 시스템이 2 mm 이하 크기의 구조를 해상도로 구분할 수 있는가?
• RQ2 알루미늄과 PMMA와 같은 재료의 두께 차이에 대해 시스템의 감도는 어떠한가?
• RQ3 내장된 시험 패턴의 실제 치수를 시스템이 얼마나 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ4 작은 특징(예: 1 mm 구멍)에 대해 공간 해상도가 얼마나 떨어지는가?
• RQ5 잔류 에너지 침착량을 기반으로 하여 알루미늄, PMMA 등의 다른 재료의 10-mm 두께를 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 2 mm 이내의 공간 해상도를 확보하여, 알루미늄 패턴의 5-mm, 3-mm, 2-mm 지름의 구멍을 성공적으로 해상도로 구분하였다.
• 1-mm 구멍은 명확히 해상도로 구분되지 않아, 시스템의 해상도 한계가 1 mm와 2 mm 사이임을 시사한다.
• 잔류 에너지 스펙트럼에서 세 개의 명확한 에너지 피크가 관찰되어, 알루미늄, PMMA, 공기의 10-mm 두께를 시스템이 정확히 구분할 수 있음을 확인하였다.
• 十字형 및 정규 패턴 시료의 측정된 치수는 실제 물리적 치수와 양호한 일치를 보였으며, 수퍼가우시안 함수 피팅을 통해 높은 정확도를 확보하였다.
• 5-mm, 3-mm, 2-mm 구멍 행의 강도 프로파일은 각각의 구멍 수에 해당하는 명확한 최소값을 보여 구조적 해상도를 확인하였다.
• 결과적으로 이 프로토타입은 작동 가능한 프로톤 단층촬영 스캐너로서, 향후 완전한 프로톤 CT 도입을 위한 핵심적인 첫걸음임을 입증하였다.