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评估正电子发射体在患者数据中分布的分析预测算法,用于碳离子治疗的 PET 监测:一项模拟研究。

Evaluating an analytical prediction algorithm of positron emitter distributions in patient data for PET monitoring of carbon ion therapy: A simulation study.

机构信息

Department of Medical Physics, Faculty of Physics, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU Munich), Garching b. München, Germany; Department of Physics, University of Trento, Trento, Italy.

Department of Medical Physics, Faculty of Physics, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU Munich), Garching b. München, Germany.

出版信息

Appl Radiat Isot. 2024 Nov;213:111479. doi: 10.1016/j.apradiso.2024.111479. Epub 2024 Aug 22.

DOI:10.1016/j.apradiso.2024.111479
PMID:39226628
Abstract

In vivo treatment monitoring in ion therapy is one of the key issues for improving the treatment quality assurance procedures. Range verification is one of the most relevant and yet complex task used for in vivo treatment monitoring. In carbon ion therapy, positron emission tomography is the most widely used method. This technique exploits the β-activity of positron emitters created by nuclear interactions between the incoming beam and the irradiated tissue. Currently, high computational efforts and time-consuming Monte Carlo simulation platforms are typically used to predict positron emitter distributions. In order to avoid time-consuming simulations, an extended filtering approach was suggested to analytically predict positron emitter profiles from depth dose distributions in carbon ion therapy. The purpose of this work is to investigate such an analytical prediction model in patient anatomies of varying complexity, highlighting its potential and the need of further improvements, especially in highly heterogeneous anatomies where many air cavities are present in the beam path. The accuracy of range verification showed a mean relative error of ∼3% and a deviation between the simulation and the prediction below 2mm for the three patient cases analysed: a brain case and two head and neck cases. Additional investigations demonstrated the region of applicability of the method for cases of patient data. The analytical method enables range verification in carbon ion therapy by replacing computing-intensive Monte Carlo simulations and thus minimize the PET monitoring burden on the clinical workflow.

摘要

在离子治疗中的体内治疗监测是提高治疗质量保证程序的关键问题之一。 范围验证是用于体内治疗监测的最相关但最复杂的任务之一。 在碳离子治疗中,正电子发射断层扫描是最广泛使用的方法。 该技术利用了入射束与辐照组织之间的核相互作用产生的正电子发射体的β活性。 目前,通常使用高计算工作量和耗时的蒙特卡罗模拟平台来预测正电子发射体的分布。 为了避免耗时的模拟,提出了一种扩展的滤波方法,从碳离子治疗的深度剂量分布中分析预测正电子发射体轮廓。 这项工作的目的是研究这种在不同复杂程度的患者解剖结构中的分析预测模型,突出其潜力和进一步改进的必要性,特别是在存在许多空气腔的高度不均匀解剖结构中。 范围验证的准确性显示,对于分析的三个患者病例(一个脑部病例和两个头颈部病例),平均相对误差约为 3%,模拟和预测之间的偏差低于 2mm。 进一步的研究证明了该方法对于患者数据病例的适用性。 该分析方法通过替代计算密集型蒙特卡罗模拟来实现碳离子治疗中的范围验证,从而最小化了对临床工作流程的 PET 监测负担。

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