글로벌 연구동향
의학물리학
- 2024년 05월호
[Med Phys .] Range shift verification in spot scanning proton therapy using gamma electron vertex imaging감마 버텍스 영상 장치를 이용한 스팟 스캐닝 양성자 치료 빔의 비정 변화 검증한양대 / 김성훈, 김찬형*
- 출처
- Med Phys .
- 등재일
- 2024 Mar
- 저널이슈번호
- 51(3):1985-1996. doi: 10.1002/mp.16739. Epub 2023 Sep 18.
- 내용
-
Abstract
Background: In proton therapy, a highly steep distal dose penumbra can be utilized for dose conformity, given the Bragg peak characteristic of protons. However, the location of the Bragg peak in patients (i.e., the beam range) is very sensitive to range uncertainty. Even a small shift of beam range can produce a significant variation of delivered dose to tumor and normal tissues, thus degrading treatment quality and threatening patient safety. This range uncertainty issue, therefore, is one of the important aspects to be managed in proton therapy.Purpose: For better management of range uncertainty, range verification has been widely studied, and prompt gamma imaging (PGI) is considered one of the promising methods in that effort. In this context, a PGI system named the gamma electron vertex imaging (GEVI) system was developed and recently upgraded for application to pencil-beam scanning (PBS) proton therapy. Here, we report the first experimental results using the therapeutic spot scanning proton beams.
Methods: A homogeneous slab phantom and an anthropomorphic phantom were employed. Spherical and cubic planning target volumes (PTVs) were defined. Various range shift scenarios were introduced. Prompt gamma (PG) measurement was synchronized with beam irradiation. The measured PG distributions were aggregated to improve the PG statistics. The range shift was estimated based on the relative change of the centroid in the measured PG distribution. The estimated range shifts were analyzed by range shift mapping, confidence interval (CI) estimation, and statistical hypothesis testing.
Results: The range shift mapping results showed an obvious measured range shift tendency following the true shift values. However, some fluctuations were found for spots that had still-low PG statistics after spot aggregation. The 99% CI distributions showed clearly distributed range shift measurement data. The overall accuracy and precision for all investigated scenarios were 0.36 and 0.20 mm, respectively. The results of one-sample t-tests confirmed that every shift scenario could be observed up to 1 mm of shift. The ANOVA results proved that the measured range shift data could be discriminated from one another, except for 16 (of 138) comparison cases having 1-2 mm shift differences.
Conclusions: This study demonstrated the feasibility of the GEVI system for measurement of range shift in spot scanning proton therapy. Our experimental results showed that the proton beam can be measured up to 1 mm of range shift with high accuracy and precision. We believe that the GEVI system is one of the most promising PGI systems for in vivo range verification. Further research for application to more various cases and patient treatments is planned.

스팟 스캐닝 양성자 치료 빔의 비정을 변화시키고 이를 GEVI 장치로 측정한 결과입니다. X축의 비정 변화 참값을 따라, Y축의 측정값들이 비례하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었습니다.
Affiliations
Sung Hun Kim 1, Jong Hwi Jeong 1, Youngmo Ku 2, Se Byeong Lee 1, Dongho Shin 1, Young Kyung Lim 1, Haksoo Kim 1, Chan Hyeong Kim 2
1Center for Proton Therapy, National Cancer Center, Gyeonggi-do, Republic of Korea.
2Department of Nuclear Engineering, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea.
- 키워드
- beam range verification; prompt gamma imaging; proton therapy.
- 연구소개
- 양성자 치료에서 비정 불확실성(range uncertainty)은 양성자 치료의 질적 한계를 설정하는 주요 인자로 평가되고 있습니다. 따라서 환자 체내에서 빔 비정을 검증함으로써 비정 불확실성을 최소화시키는 것이 매우 중요합니다. 감마 버텍스 영상(gamma electron vertex imaging, GEVI) 장치는 환자 체내에서 양성자 빔 비정을 측정하고자 개발된 즉발 감마 영상(prompt gamma imaging) 장치입니다. 본 논문에서는 스팟 스캐닝 양성자 빔의 비정 변화를 GEVI 장치를 이용해 측정하는 연구를 발표했습니다. 연구 결과로, 빔 비정의 변화는 1-2 mm의 정확도와 정밀도로 측정 가능했습니다. 뿐만 아니라, 스팟 스캐닝 양성자 치료를 구성하는 개별 양성자 스팟에 대해서도 비정 변화 측정이 충분히 가능한 것을 검증하였습니다. 현재 양성자 치료에서 적용되고 있는 비정 불확도가 심부 종양에서 1 cm 수준까지도 이를 수 있는 것을 고려했을 때, GEVI 장치를 이용해 양성자 치료를 모니터링한다면 비정 불확실성을 현저히 감소시킬 수 있음을 입증할 수 있었습니다. 최근 국내에서도 양성자 치료기 도입이 확대되고 있기 때문에 비정 불확실성의 중요성에 대한 인식이 더 커질 것으로 사료됩니다. 이에 즉발 감마 영상 및 GEVI에 대한 연구가 앞으로도 더 많은 관심을 받고 활발히 진행될 것이라 생각합니다.
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편집위원
본 논문은 양성자 치료에서 환자 치료 정확성을 높일 수 있는 즉발감마 이미징 시스템인 GEVI에 대하여 치료용 spot scanning 양성자빔 실험의 결과를 다루고 있다. 이 연구의 결과는 치료용 양성자빔에 대해서 GEVI가 하나의 유망한 선량 검증 시스템이 될 수 있음을 시사하여 그 학술적 가치가 높다고 할 수 있다.
덧글달기닫기2024-05-03 14:36:04
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편집위원2
양성자 방사선치료시 에너지에 따른 bragg-peak의 위치 및 빔 range를 실시간 확인하는 것은 중요하다. 본 논문에서는 프롬프트 감마선의 위치를 측정하는 GEVI 장치를 사용하여 range를 추정하는 방법을 개발하였다. NCC의 양성자 치료기를 사용하여 실험적으로 확인하였으며 1 mm의 위치 변화를 감지할 수 있음을 확인하였다. 국내에서도 양성자 치료기 도입이 증가할 전망이어서 본 연구가 실제 환자 치료에 적용되기를 바란다.
덧글달기닫기2024-05-03 14:36:46
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