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质子CT vs 双能CT:谁在质子治疗计划中更胜一筹?

2019/11/28 作者:质子中国

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质子CT (pCT)被认为是一种替代x射线CT的方法,用于获得质子治疗计划中使用的相对阻止本领(RSP)图。与此同时,研究已经表明,双能x射线CT (DECT)比传统的单能x射线CT提高了RSP的计算精度。


日前,慕尼黑大学的研究团队与其在质子CT领域的合作伙伴首次针对质子CT与双能CT两种方法开展了直接的实验比较。

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“在一些机构中双能CT的发展已经提高了RSP的临床准确性,”文章共同作者Guillaume Landry说道,“尽管如此,寻找评估RSP的其他方法对于持续改善治疗的适应性是很重要的。作为射程不确定性问题的最终解决方案,质子CT改进了治疗计划,并提供了不受金属制品影响的低剂量预处理验证。从长远来看,这可能是首选的解决方案。”


研究方法

这个国际研究小组比较了美国西北大学医学院芝加哥质子治疗中心的二期临床前质子CT扫描仪原型和目前最先进的诊断双能CT系统。为了评估RSP的准确性,他们使用这两种系统对含有已知RSP值的模拟组织插入物模体进行扫描成像,并应用Geant4蒙特卡罗代码得到真实和理想化的pCT探测器模拟结果。

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芝加哥质子治疗中心临床235 MeV质子束线上的二期质子CT扫描仪原型

 

研究结果

在得到的实验性质子CT扫描结果中,除三种插入模体(聚甲基戊烯、德林和特氟隆,误差分别为1.08%、-1.16%和-1.31%)以外,其他所有插入模体的RSP测量精度均优于1%。在双能CT扫描中,只有皮质骨和特氟隆的误差超过1%(分别为1.17%和2.38%)。在所有13个插入模体的RSP中,质子CT扫描仪原型的平均绝对误差(MAPE)为0.55%,双能CT为0.67%;如果不包括特氟隆模体,两者的MAPE值分别降低到0.49%和0.53%。

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左列是实验质子CT得到的重建后相对阻止本领图,中间列是测量得到的双能CT数据,右列是被测模体(内有不同材料的插入物)。

 

在真实的全探测器质子CT蒙特卡罗模拟中,由于将扫描仪中质子径迹模块之间的间隙简化为空气的缘故,这三个中心位置处插入模体的RSP值的误差大于1%。原始MAPE为0.69%,在不考虑中心插入模体的情况下降至0.50%,这个结果与测量值一致。在理想的质子CT模拟中(对质子的确切位置、方向和能量进行记录),RSP MAPE值为0.17%。


虽然研究人员没有在本研究中探讨双能CT的成像剂量限制,但他们预计质子CT的体积RSP成像吸收剂量远低于双能CT(并且可能具有生物学效应)。“这种剂量上的差异可能对于患者摆位和治疗计划(再程计划)中频繁使用的容积等中心成像情况至关重要,”文章共同作者Katia Parodi指出。


伪影评估

与理想情况下的质子CT仿真结果相比,实验和实际情况下模拟的质子CT图像含有降低RSP MAPE值的环状伪影。在实验扫描中,RSP中最大的环状伪影超过2%,主要表现为RSP值的高估。在真实的仿真模拟中,伪影达到了2%,且大多RSP值被低估。

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重建的质子CT图像。左列的图像由实验数据重建得到,中间列是真实情况模拟得到的图像,右列是理想情况下模拟得到的数据。


研究人员认为,当质子穿过水等效路径(WEPL)中误差较大的区域时,就会出现环状伪影。这些低精度的WEPL值产生于能量—WEPL校准曲线的不准确性,这是由于能量探测器的不同阶段之间的插值(interpolation),以及能量探测器、束流和校准模体之间的相互作用。


“我们用楔形板替换了原来的校准模体,这使得环状伪影大致减少到RSP值的1%,”文章第二作者Reinhard Schulte说,“一个理想的解决方案是避免测量步骤间的相互影响以及将扫描的成像射野用基于已知模体厚度的扫描铅笔束覆盖,通过调整束流能量使得束流总是停在单个阶段(能量调制质子CT)上。我们目前正在研究这个解决方案。”


依据真实情况模拟的质子CT图像显示,在等中心处水模体的中心有一个黑色(低RSP)的伪影区域。这个伪影的产生是由于模拟中的径迹间隙相对于实验设置变大了,而且当水模体移动后,这个间隙是静止的。当模拟在径迹间隙使用硅取代空气后,黑斑区域几乎消失了。


研究人员得出的结论是,这种RSP精度的直接比较表明,与最先进的双能CT扫描仪相比,质子CT原型机具有竞争力。接下来,他们计划研究更真实的组织样本。


“我们的最终目标是将这项技术推向临床使用,将成像系统的硬件和软件改进与我们最近提出的通量调制成像相结合,这可能为进一步减少剂量创造机会,”文章第一作者George Dedes说,“我们在理想状况下的模拟表明,后续的质子CT开发周期有望超过目前最新一代的双能CT扫描仪。”


更多关于质子CT与双能CT的讨论请见往期报道《世界上首台质子CT成像设备研发成功,并成功为一块羊排采集了质子CT图像》、《可用于质子CT的二极管阵列研发成功》、《临床用质子CT即将揭开面纱》、《质子CT的研发正顺利进行》、《质子CT能够简化质子治疗计划制定》、《质子治疗的图像引导技术(一):治疗计划的成像技术》、《质子治疗的图像引导技术(四):质子CT和质子成像系统》、《第57届PTCOG学术会议开幕,物理场辩论成亮点》。


质子专区介绍:
相比传统放疗,质子治疗作为“精准治疗”的新一代代表,利用质子射线所具有的独特物理特性,以极快的速度、很小的放射剂量进入人体,迅速到达肿瘤组织并释放全部剂量,而肿瘤后方和侧方的正常组织及器官受到的照射剂量几乎为零,从而实现以最大的照射剂量杀伤肿瘤组织的同时又最大限度地避免了周围组织及器官的损伤,实现更加精确的“精准治疗”。
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