Ion range estimation by using dual energy computed tomography - Hünemohr, Nora; Krauss, Bernhard; Dinkel, Julien; Gillmann, Clarissa; Ackermann, Benjamin; Jäkel, Oliver; Greilich, Steffen (Zeitschrift für medizinische Physik, 2013)
Inaccurate conversion of CT data to water-equivalent path length (WEPL) is one of the most important uncertainty sources in ion treatment planning. Dual energy CT (DECT) imaging might help to reduce CT number ambiguities with the additional information. In our study we scanned a series of materials (tissue substitutes, aluminum, PMMA, and other polymers) in the dual source scanner (Siemens Somatom Definition Flash). Based on the 80kVp/140SnkVp dual energy images, the electron densities ϱe and effective atomic numbers Zeff were calculated. We introduced a new lookup table that translates the ϱe to the WEPL. The WEPL residuals from the calibration were significantly reduced for the investigated tissue surrogates compared to the empirical Hounsfield-look-up table (single energy CT imaging) from (−1.0±1.8)% to (0.1±0.7)% and for non-tissue equivalent PMMA from −7.8% to −1.0%. To assess the benefit of the new DECT calibration, we conducted a treatment planning study for three different idealized cases based on tissue surrogates and PMMA. The DECT calibration yielded a significantly higher target coverage in tissue surrogates and phantom material (i.e. PMMA cylinder, mean target coverage improved from 62% to 98%). To verify the DECT calibration for real tissue, ion ranges through a frozen pig head were measured and compared to predictions calculated by the standard single energy CT calibration and the novel DECT calibration. By using this method, an improvement of ion range estimation from −2.1% water-equivalent thickness deviation (single energy CT) to 0.3% (DECT) was achieved. If one excludes raypaths located on the edge of the sample accompanied with high uncertainties, no significant difference could be observed. - Zusammenfassung - Die Ionenstrahl-Radiotherapie greift wie die meisten Teletherapieformen für die Planung auf Computertomographiedaten zurück. Die Umsetzung dieser Röntgenschwächungsinformation in Ionenreichweiten (“water equivalent path length”, WEPL) ist dabei aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungen allerdings mit einer Unsicherheit behaftet, die den besonders hohen Genauigkeitsanforderungen der Ionentherapie zuwiderläuft. Wir untersuchen daher in diesem Beitrag, ob und wieweit dieses Problem mit Hilfe eines neuen Zwei-Röhren-Computertomographen (“Dual-Energy CT”, DECT) minimiert werden kann. Dieser erlaubt es, bildbasiert auf Grundlage zweier CT-Zahlen die Elektronendichte und die effektive Ladungzahl anzugeben. Für den uns zur Verfügung stehenden Tomographen (Siemens Somatom Definition Flash, betrieben bei 80kVp/140SnkVp) wurde daher mit einer Reihe von Standardmaterialien (Gewebesurrogate, Aluminium, PMMA und Polymere) eine direkte Kalibration (Elektronendichte zu WEPL) durchgeführt. Hierdurch konnten die Unsicherheiten im Vergleich zu einer herkömmlichen empirischen Kalibration (CT-Zahl zu WEPL) signifikant reduziert werden, und zwar von (−1.0±1.8)% auf (0.1±0.7)%. Da das Vorgehen nicht wie bisher von der Wasser- bzw. Gewebeäquivalenz abhängt, war für Materialien wie z.B. PMMA der Gewinn am deutlichsten (Reduktion der Abweichung von −7,8% to −1,0%). Die Auswirkungen dieser direkten Kalibration wurden mit Hilfe einer Therapieplanungsstudie basierend auf Gewebesurrogaten und PMMA untersucht, wobei sich eine signifikant höhere Abdeckung des Zielvolumens zeigte (beispielsweise für einen PMMA-Zylinder: mittlere Targetabdeckung von 62% auf 98% verbessert). Um die neue Kalibration auf reales Gewebe anzuwenden, wurden Ionenreichweiten durch einen gefrorenen Schweinekopf experimentell bestimmt und mit Vorhersagen sowohl einer herkömmlichen als auch der DECT-Kalibration verglichen. Hierbei konnte eine Verbesserung von −2.1% Abweichung der Vorhersagen von der gemessenen wasseräquivalenten Dicke (single energy CT) auf 0.3% (DECT) erreicht werden. Jedoch gab es erhebliche Unsicherheiten im experimentellen Aufbau. Wenn man die mit Unsicherheiten behafteten Strahlpfade am Rand der Probe ausschließt, konnte keine signifikante Differenz beider Methoden beobachtet werden.
Gesehen am 16.11.2021