[논문 리뷰] Technical Note: A prototype clinical proton radiography system

Ethan A. DeJongh, Don F. DeJongh외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 10.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 빠른 스크린티레이터 기술과 다중 multiplexed SiPMs를 사용하여 효율적인 신호 읽기 기능을 갖춘 저비용·소형 프로톤 단층촬영 프로토타입을 제시한다. 환자별 맞춤 스캔 패턴과 다중 입사 에너지를 활용하고, 16-PMT 잔류 에너지 검출기의 校정을 통해 시스템은 과도한 방사선 선량을 최소화하면서 정확한 프로톤 범위 영상 촬영을 실현하여 프로톤 치료 검증을 위한 임상적 적용 가능성을 확보한다.

ABSTRACT

Purpose: To demonstrate a proton imaging system based on well-established fast scintillator technology to achieve high performance with low cost and complexity, with the potential of a straightforward translation into clinical use. Methods: The system tracks individual protons through one (X, Y) scintillating fiber tracker plane upstream and downstream of the object and into a 13 cm-thick scintillating block residual energy detector. The fibers in the tracker planes are multiplexed into silicon photomultipliers (SiPMs) to reduce the number of electronics channels. The light signal from the residual energy detector is collected by 16 photomultiplier tubes (PMTs). Only four signals from the PMTs are output from each event, which allows for fast signal readout. A robust calibration method of the PMT signal to residual energy has been developed to obtain accurate proton images. The development of patient-specific scan patterns using multiple input energies allows for an image to be produced with minimal excess dose delivered to the patient. Results: The calibration of signals in the energy detector produces accurate residual range measurements limited by intrinsic range straggling. The use of patient-specific scan patterns using multiple input energies enables imaging with a compact range detector. Conclusions: We have developed a prototype clinical proton radiography system for pretreatment imaging in proton radiation therapy. We have optimized the system for use with pencil beam scanning systems and have achieved a reduction of size and complexity compared to previous designs.

연구 동기 및 목표

• 기존 설계 대비 크기와 복잡성을 줄인 임상적으로 실현 가능한 프로톤 단층촬영 시스템을 개발하기 위해.
• 높은 성능과 신뢰성을 확보하기 위해 잘 정립된 빠른 스크린티레이터 기술을 활용하기 위해.
• 다중 입사 프로톤 에너지를 사용한 환자별 맞춤 스캔 패턴을 통해 환자 선량을 최소화하기 위해.
• PMT 신호를 에너지 침착도에 대해 철저히 校정하여 잔류 범위 측정의 정확성을 확보하기 위해.
• SiPMs를 통해 섬유 트래커 신호를 다중화하고, 이벤트당 네 개의 PMT 출력만 선택하여 신호 읽기 프로세스를 단순화하기 위해.

제안 방법

• 물체의 상류 및 하류에 위치한 두 개의 섬유 트래커 평면을 사용하여 프로톤의 X 및 Y 방향 이동을 추적한다.
• 섬유 신호는 실리콘 광다이오드 다이오드(SiPMs)에 다중화되어 필요한 전자 회로 채널 수를 감소시킨다.
• 13cm 두께의 스크린티레이터 블록이 잔류 에너지 검출기로 기능하며, 빛은 16개의 광전자 배율관(PMTs)에 의해 수집된다.
• 빠른 읽기 기능을 확보하고 데이터 부담을 줄이기 위해 이벤트당 네 개의 PMT 신호만 출력된다.
• PMT 신호를 잔류 프로톤 에너지에 연계하는 철저한 校정 방법을 통해 정확한 범위 측정이 가능하다.
• 다중 입사 에너지를 사용한 환자별 맞춤 스캔 패턴을 통해 최소한의 선량으로 고해상도 프로톤 영상 재구성 가능.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존에 잘 정립된 스크린티레이터 및 SiPM 기술을 활용해 임상용으로 사용 가능한 소형·저비용 프로톤 단층촬영 시스템을 개발할 수 있는가?
• RQ2 교정된 16-PMT 스크린티레이터 블록 검출기를 사용할 경우, 잔류 프로톤 범위를 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 다중 입사 에너지를 사용한 환자별 맞춤 스캔 패턴을 통해 선량을 얼마나 줄일 수 있으며, 영상 품질은 유지되는가?
• RQ4 SiPMs를 통한 신호 다중화 및 선택적 PMT 출력을 통해 시스템의 복잡성을 줄일 수 있는가, 성능에 영향을 주지 않는가?
• RQ5 이 프로토타입 시스템에서 고유의 범위 산산이 영향을 미치는 정도는 어떠한가?

주요 결과

• PMT 신호를 잔류 에너지에 校정함으로써 정확한 프로톤 범위 측정이 가능하며, 이는 고유의 범위 산산에 의해 제한된다.
• 다중 입사 에너지를 사용한 환자별 맞춤 스캔 패턴을 통해 소형 잔류 에너지 검출기로도 고해상도 영상 촬영이 가능하다.
• SiPMs를 통한 신호 다중화로 전자 회로 채널 수가 크게 감소하여 시스템 설계가 단순화된다.
• 이벤트당 네 개의 PMT 신호만 출력함으로써 빠른 읽기 기능이 확보되어 실시간 성능을 유지한다.
• 기존의 프로톤 영상 프로토타입 대비 크기와 복잡성이 뚜렷하게 감소하였다.
• 프로톤 치료 전 영상 촬영에 대한 실현 가능성을 입증하였으며, 과도한 추가 선량 없이도 최소한의 선량으로 가능하다.