[论文解读] Skewness and kurtosis as measures of range mixing in time resolved diode dosimetry

B. Gottschalk|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2014

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文提出使用时间分辨二极管信号的偏度和峰度作为统计指标，以检测质子治疗中的射程混叠现象，仅通过扫描射束数据即可识别不可靠的二极管测量结果。通过将测得的矩与无混叠时的自然值进行比较，该方法计算出偏离的独立概率，其乘积 $p_{\text{both}}$ 有效区分了受射程混叠影响的二极管与报告可信 $ olimits_t$ 值的二极管。

ABSTRACT

Technical Note describing studies, in 2011, of time resolved diode dosimetry in an anthropomorphic phantom at the Francis H. Burr Proton Therapy Center, Massachusetts General Hospital, Boston, MA. This technique measures the water equivalent path length (WEPL) to a diode dosimeter with sub-millimeter precision, using very little dose. It may allow one to use the proton stopping point (otherwise too uncertain) to cut between tissue to be treated and tissue to be spared, in cases (such as the prostate) where a diode can be placed in a cavity (the rectum) distal to the target. A potential problem is range mixing, where (because of scattering) protons may arrive at a diode with different energy-loss histories. The WEPL reported by such a diode is meaningless and must be ignored. We therefore use an array of diodes, of which some are likely to be at more favorable locations. In addition to the overall analysis of time resolved data, this Note describes in detail how range mixed diodes can be identified by looking at the skewness and kurtosis of the time dependent signal.

研究动机与目标

• 开发一种无需依赖剂量衰减测量的时序分辨二极管剂量测量中射程混叠的检测方法。
• 仅利用扫描射束数据识别其 $ olimits_t$ 值受射程混叠影响的二极管。
• 提供一个统计框架，量化由于射程混叠导致观测矩偏离的可能程度。
• 通过已知射程混叠效应的受控实验验证该方法。
• 通过在治疗前标记易受射程混叠影响的二极管，实现实时质量保证。

提出的方法

• 在扫描射束照射期间测量时间分辨二极管信号，以提取 $ olimits_t$、偏度 $s$ 和峰度 $k$。
• 从无射程混叠的干净、未受损运行（09MAR11）中建立 $s(\sigma_t)$ 和 $k(\sigma_t)$ 的自然依赖关系。
• 将临床运行（15JUN11）中测得的 $s$ 和 $k$ 与它们的自然值进行比较，以计算超出部分的矩。
• 从相同数据中推导出超出 $s$ 和 $k$ 的误差估计，以计算 $p_{\text{ES}}$ 和 $p_{\text{EK}}$，即由于统计波动导致此类偏离的概率。
• 将 $p_{\text{ES}}$ 和 $p_{\text{EK}}$ 组合为 $p_{\text{both}} = p_{\text{ES}} \times p_{\text{EK}}$，作为射程混叠的联合指标，利用偏度与峰度的统计独立性。
• 使用 $p_{\text{both}}$ 标记其矩偏离不太可能由随机因素引起、表明存在射程混叠的二极管。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用二极管脉冲串的偏度和峰度检测质子治疗剂量测量中的射程混叠？
• RQ2 当发生射程混叠时，偏度与峰度与自然值的偏离是否具有统计显著性？
• RQ3 $p_{\text{both}}$ 能否作为可靠且独立的指标，用于识别受射程混叠影响的二极管？
• RQ4 在不同射野配置（开放野、挡块+补偿器、固体水）下，$ olimits_t$、$s$ 和 $k$ 的统计特性如何相关？
• RQ5 该方法能否在不知晓二极管在体模中位置的情况下检测射程混叠？

主要发现

• 09MAR11 次运行成功提取了 DFLR1600 二极管在无射程混叠条件下的自然 $s(\sigma_t)$ 和 $k(\sigma_t)$ 函数。
• 15JUN11 次运行显示，$d(\sigma_t)$（来自扫描射束）与 $d_{80}$（来自剂量衰减）之间存在紧密相关性，与 S. Tang 的先前发现一致。
• 在受射程混叠影响的二极管中观察到超出的偏度与峰度，$p_{\text{ES}}$ 和 $p_{\text{EK}}$ 由数据导出的误差估计计算得出。
• 乘积 $p_{\text{both}} = p_{\text{ES}} \times p_{\text{EK}}$ 有效区分了剂量衰减正常的二极管与受射程混叠影响的二极管。
• 该方法仅通过扫描射束数据即可识别射程混叠的二极管，而无需知晓其在体模中的位置。
• 目前 $d(\sigma_t)$ 与 $d_{80}$ 之间约 1 mm 的差异尚未解决，但预计随着测量精度提高将得以减小。