Development of the Innovative Positron Emission Tomography for Beam Range Monitoring in Proton Radiotherapy

Abstract

Radioterapia protonowa jest jedną z metod radioterapii, w której stosuje się wiązki protonów przyspieszonych do energii od 60 MeV do 250 MeV. Radioterapia protonowa pozwala uzyskać bardzo dobry rozkład przestrzenny dawki, a w konsekwencji zredukować dawki do organów krytycznych, zwiększyć w razie potrzeby dawki w targecie i zmniejszyć późne efekty uboczne leczenia. Jedną z największych wad radioterapii protonowej jest niepewność zasięgu protonów w czasie napromieniania pacjenta. Niepewności te mogą prowadzić do znaczącego obniżenia dawki w objętości tarczowej lub jej zawyżenia dla organów krytycznych. W literaturze znanych jest kilka metod mających na celu zredukowanie tego efektu poprzez monitorowanie faktycznego zasięgu wiązki protonowej podczas radioterapii. Jedna z metod wykorzystuje β+ promieniotwórcze radioizotopy, powstające w wyniku oddziaływania protonów z tkanką, których rozpad może być zmierzony przy użyciu skanera pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Celem pracy było zbadanie możliwości wykorzystania systemu PET rozwijanego na Uniwersytecie Jagiellońskim, wykorzystującego nowatorskie detektory zbudowane w oparciu o scyntylatory plastikowe do monitorowania zasięgu terapeutycznej wiązki protonowej. W ramach pracy przygotowano sześć konfiguracji skanera PET na bazie 24, 48 oraz 72 modułów J-PET w formie skanerów cylindrycznych oraz dwugłowicowych. Opracowano metodę badań uwzględniającą obliczenia Monte Carlo z użyciem oprogramowania GATE oraz rekonstrukcję danych PET z użyciem oprogramowania CASToR. Dla każdej konfiguracji geometrycznej skanera wyznaczono współczynnik wydajności η. Ostatnia część pracy polegała na oszacowaniu niepewności wyznaczenia zasięgu oraz optymalizacji parametrów rekonstrukcji: liczby iteracji algorytmu Maximum Likelihood Estimation-Maximization (MLEM) oraz filtru wygładzania. Metodologia rekonstrukcji danych PET została zwalidowana z użyciem fantomu wodnego wypełnionego jednorodną aktywnością radioizotopu β+. Symulacje Monte Carlo wariancji zasięgu aktywności PET w fantomie PMMA pokazały dokładność oceny zasięgu pojedynczej ołówkowej wiązki protonowej na poziomie 0.82-1.25 mm. Stwierdzono, że kompromisem pomiędzy jakością obrazu PET, dokładnością oszacowania zasięgu oraz technologiczną możliwością zintegrowania skanera w pokoju leczenia jest dwuwarstwowy układ dwugłowicowy. Przeprowadzone symulacje oraz rekonstrukcja danych PET z użyciem zanonimizowanych danych pacjenta leczonego w Centrum Cyklotronowym Bronowice, pokazały możliwość rekonstrukcji mapy aktywności PET w sytuacji klinicznej. W celu znalezienia optymalnego filtru wygładzania tej mapy obliczono współczynnik korelacji Pearson’a pomiędzy zrekonstruowaną a symulowaną mapą aktywności. Analiza wykazała, że optymalnym filtrem jest filtr Gaussowski z jądrem 1x1x1. Technologia J-PET jest technologią tańszą, lżejszą, wykazującą się większym polem widzenia oraz z mniejszą ilością elektroniki, w porównaniu do standardowych systemów PET, co czyni ją obiecującą techniką do zastosowania do pomiaru zasięgu w hadronoterapii.

Proton therapy is a radiation therapy technique where the proton beams accelerated to between 60 MeV and 250 MeV are applied. It enables excellent dose conformity leading to reduction of the dose in the Organs at Risk (OAR), increasing the dose to target volume and reducing late side effects. The high dose conformity achievable thanks to the steep distal dose fall-off at the end of the Bragg peak is, however, a source of uncertainty of proton range in a patient. This may lead to underexposure of the target or overexposure of an OAR. This disadvantage may be overcome by applying range monitoring, which is currently still not available in the clinical routine. In one of the proposed methods, β+ radioisotopes originating from proton interactions with tissue could be detected with a Positron Emission Tomography (PET) and used to monitor the range of the proton beam. The aim of the work was to investigate the feasibility of the Jagiellonian Positron Emission Tomography (J-PET) system based on the plastic scintillators for range monitoring of therapeutic scanning proton beams. The workflow consisting of the Monte Carlo transport calculations with GATE and PET data reconstruction with CASToR software was proposed. Six geometrical configurations of PET scanners based on 24, 48 and 72 J-PET modules arranged in the barrel and dual-head setup configurations were investigated. The efficiency factor η was derived to determine the efficiency of each specific setup. The range detection uncertainty and the optimisation of the PET image reconstruction parameters was based on the Maximum Likelihood Expectation-Maximization (MLEM) iterations and dedicated smoothing filters. The reconstruction methodology was validated for a water phantom with uniformly distributed activity. Monte Carlo studies of PET detected activity range in PMMA phantom revealed that the accuracy for a range assessment of the single proton beam was at the level of 0.82 - 1.25 mm. The double layer dual-head configuration was found a compromise of the image quality, range estimation precision and the ability to integrate the detector in the treatment room. The modelling of PET signal detected by the J-PET system for a patient treated at the Cyclotron Centre Bronowice (CCB) proton therapy centre demonstrated that it is possible to reconstruct the activity distribution maps produced in patients. The Pearson Correlation Coefficient (PCC) was used as a metric to determine the optimal smoothing approach for PET images. It was shown that optimal filtering of the activity maps can be performed using the Gaussian filtering with a 1x1x1 kernel size. The results demonstrate the feasibility of the J-PET technology for the in-room range monitoring for proton radiotherapy. The proposed system with larger FOV, lighter, with minimized electronic read-out and lower price makes the J-PET technology cost-effective and promising system for proton beam range monitoring in hadrontherapy.