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

Lorenzo Mercolli, Konstantinos Zeimpekis+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2023

Medical Imaging Techniques and ApplicationsMedicine被引用 3

一句话总结

本研究利用长轴向视野（LAFOV）PET/CT评估90Y肝放射栓塞术后的剂量学，比较蒙特卡洛模拟、Simplicit90Y（图像无关）和Hermes（基于图像的半蒙特卡洛算法，sMC）。结果表明，Hermes由于在小结构中PET定量性能较差，导致剂量低估；而Simplicit90Y与蒙特卡洛模拟结果高度一致，凸显了尽管LAFOV灵敏度有所提高，基于图像的剂量学仍存在局限性。

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.

研究动机与目标

• 评估在体模研究中使用长轴向视野（LAFOV）PET/CT进行90Y后处理剂量学的准确性。
• 比较图像无关剂量学方法（蒙特卡洛和Simplicit90Y）与基于Hermes软件的图像剂量学。
• 调查尽管90Y的正电子发射分支比低，LAFOV PET/CT是否能提高90Y剂量学的准确性。
• 确定Hermes软件中剂量低估的主要原因——活动量定量不足还是算法局限性。

提出的方法

• 在两个NEMA IEC体模中进行体模研究，其中含有90Y柠檬酸盐，球体和背景的活度为1.12 ± 0.17 GBq（扫描时测量）。
• 在多个扫描时间（50分钟UHS、20分钟HS、10分钟HS）获取LAFOV PET/CT图像，以评估图像质量对剂量学的影响。
• 使用FLUKA进行完整的蒙特卡洛剂量计算，作为基准参考，独立建模90Y衰变、粒子输运和剂量沉积。
• 使用Simplicit90Y的局部沉积模型进行剂量计算，独立于PET图像，假设β⁻能量均匀沉积。
• 使用Hermes的半蒙特卡洛（sMC）算法，基于重建的PET图像进行剂量映射，评估重建参数和扫描时间的影响。
• 生成合成PET图像，以分离Hermes中图像定量误差与算法局限性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统系统相比，LAFOV PET/CT是否能提高90Y后处理剂量学的准确性？
• RQ2 为何Hermes软件相比蒙特卡洛模拟系统性地低估90Y剂量？
• RQ3 图像重建参数和扫描时间在小结构中对Hermes剂量估计的影响程度如何？
• RQ4 图像无关方法（如Simplicit90Y和蒙特卡洛）在90Y微球剂量预测上表现如何？
• RQ5 Hermes中的剂量低估是源于sMC算法的局限性，还是PET图像中90Y活度定量不足？

主要发现

• 蒙特卡洛与Simplicit90Y的剂量计算在误差范围内高度一致，证实Simplicit90Y在大体积中的可靠性。
• Hermes在所有体模中均系统性地低估剂量，尤其在最小球体（直径10 mm）中偏差最大，表明小结构中定量性能差。
• Hermes中的剂量低估主要源于PET图像中活度定量不准确，而非sMC算法本身缺陷，合成图像分析已证实此点。
• 即使在较长扫描时间（50分钟UHS）下，Hermes的剂量估计也未显著改善，且由于误差条过大，趋势无统计学意义。
• 当将sMC算法应用于合成图像时，其在小球体中会高估剂量，但该效应在真实数据中被图像定量误差所掩盖。
• LAFOV PET/CT的恢复系数即使在最大球体中也未达到100%，证实了对小体积活度分布定量的局限性。