[论文解读] A Comparison of Proton Stopping Power Measured with Proton CT and x-ray CT in Fresh Post-Mortem Porcine Structures

Don F. DeJongh, Ethan A. DeJongh+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 33被引用 30

一句话总结

本研究直接比较了在新鲜尸体检体的头部和胸部组织中，通过质子CT（pCT）测得的质子停止本领（RSP）与从X射线CT推导出的RSP。利用配备单个质子追踪的原型临床pCT系统，作者发现，对于软组织，RSP的一致性在1%-2%以内；而对于致密骨，最大差异达7%；在诸如鼻窦等复杂含气腔室区域，误差最高可达40%。结果表明，pCT有潜力降低质子治疗中的射程不确定性，从而实现更低剂量的治疗计划并采用更小的靶区 margins。

ABSTRACT

Purpose: Currently, calculations of proton range in proton therapy patients are based on a conversion of CT Hounsfield Units of patient tissues into proton relative stopping power. Uncertainties in this conversion necessitate larger proximal and distal planned target volume margins. Proton CT can potentially reduce these uncertainties by directly measuring proton stopping power. We aim to demonstrate proton CT imaging with complex porcine samples, to analyze in detail three-dimensional regions of interest, and to compare proton stopping powers directly measured by proton CT to those determined from x-ray CT scans. Methods: We have used a prototype proton imaging system with single proton tracking to acquire proton radiography and proton CT images of a sample of porcine pectoral girdle and ribs, and a pig's head. We also acquired close in time x-ray CT scans of the same samples, and compared proton stopping power measurements from the two modalities. In the case of the pig's head, we obtained x-ray CT scans from two different scanners, and compared results from high-dose and low-dose settings. Results: Comparing our reconstructed proton CT images with images derived from x-ray CT scans, we find agreement within 1% to 2% for soft tissues, and discrepancies of up to 6% for compact bone. We also observed large discrepancies, up to 40%, for cavitated regions with mixed content of air, soft tissue, and bone, such as sinus cavities or tympanic bullae. Conclusions: Our images and findings from a clinically realistic proton CT scanner demonstrate the potential for proton CT to be used for low-dose treatment planning with reduced margins.

研究动机与目标

• 评估质子CT（pCT）在临床相关生物组织中测量质子停止本领（RSP）的准确性，与X射线CT进行对比。
• 通过直接测量RSP，评估pCT在减少质子治疗中射程不确定性的潜力，从而实现更小的治疗靶区 margins。
• 研究在鼻窦和鼓室鼓泡等复杂解剖区域中，pCT与X射线CT在RSP测量值之间的差异。
• 证明pCT在临床实际环境中实现低剂量、高精度治疗计划的可行性。
• 探索质子成像（pRad）在每日射程验证中的实用性，通过将pRad与来自计划CT的数字化重建X射线片（DRRs）进行比较。

提出的方法

• 在西北医学芝加哥质子中心，使用配备单个质子追踪的原型临床质子成像系统获取质子CT（pCT）图像。
• 利用追踪探测器和多级射程探测器测量单个质子轨迹及其剩余射程，以重建三维RSP图。
• 在pCT扫描前后立即获取相同猪组织样本的X射线CT扫描，以便进行直接比较。
• 采用多能量质子束和90个角度投影（每4°一个）以实现pCT重建。
• 使用软件平台对pCT数据进行离线重建，该平台可在采集过程中实时处理数据。
• 生成pRad图像与来自X射线CT的数字化重建X射线片（DRRs）之间的差异图，以评估射程验证的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在软组织和致密骨中，pCT测得的质子停止本领（RSP）与X射线CT推导出的RSP相比如何？
• RQ2 在鼻窦腔等复杂解剖区域（如鼻窦腔和鼓室鼓泡）中，pCT与X射线CT在RSP测量值之间存在多大差异？
• RQ3 与当前基于X射线CT的计划相比，pCT在多大程度上可减少质子治疗中的射程不确定性？
• RQ4 质子成像（pRad）能否通过与计划CT生成的DRRs进行比较，有效实现体内质子射程的每日验证？
• RQ5 X射线CT扫描仪设置的变化（高剂量与低剂量）对RSP一致性的影响如何，与pCT相比？

主要发现

• 在软组织中，pCT测得的质子停止本领（RSP）与X射线CT推导出的值一致，误差在1%至2%之间。
• 在致密骨中，pCT与X射线CT结果的RSP差异最高达7%。
• 最大的差异——高达40%——出现在含有混合组织、空气和骨组织的含腔区域，如鼻窦腔和鼓室鼓泡。
• pRad图像在与X射线CT的DRRs比较时，显示出在揭示射程差异方面的强大潜力，表明其在每日射程验证中的应用前景。
• 本研究证明，pCT可在低辐射剂量下实现高精度的RSP映射，支持其在低剂量治疗计划中的应用。
• 结果表明，pCT有望显著减小治疗靶区 margins，特别是在解剖结构复杂的区域。