医療用リニアックのためのオンボードSPECT/スペクトラルCT/BCTイメージャーの実現可能性を調査するためのモンテカルロ研究

A Monte Carlo study to investigate the feasibility of an on-board SPECT/spectral-CT/CBCT imager for medical linear accelerator.

• Hui Wang
• Ke Nie
• Jacqueline Chang
• Yu Kuang

抄録

目的:

オンボードのフラットパネルCBCTは、現在のオンライン画像誘導放射線治療（IGRT）のための分子/機能情報を欠いている。適応型放射線治療（ART）、特に生物学的に誘導された腫瘍の描出と標的化のためには、放射線治療の過程で変化したり歪んだりする可能性があるため、適切ではないかもしれない。シングルフォトンカウンティングディテクター（PCD）パネルを使用して、シングルフォトンエミッションコンピューター断層撮影（SPECT）、エネルギー分解スペクトルCT、従来のコーンビームCT（CBCT）のトリプルオンボードイメージングを実現するために、Linacのガントリー搭載型オンボードイメージャー（OBI）が提案された。

PURPOSE: The on-board flat-panel CBCT lacks molecular/functional information for current online image-guided radiation therapy (IGRT). It might not be adequate for adaptive radiation therapy (ART), particularly for biologically guided tumor delineation and targeting which might be shifted and/or distorted during the course of RT. A Linac gantry-mounted on-board imager (OBI) was proposed using a single photon counting detector (PCD) panel to achieve single photon emission computed tomography (SPECT), energy-resolved spectral CT, and conventional cone-beam CT (CBCT) triple on-board imaging, which might facilitate online ART with an addition of volumetric molecular/functional imaging information.

方法:

このシステムは、GATEモンテカルロ・プラットフォームを用いて設計・評価を行った。kVビーム源とCZT検出器を含むOBIシステムは、MVビーム方向に直交する医療用リニアック（Linac）上に設置され、CBCT, スペクトルCT, SPECTの3モードイメージングをオンラインで取得できるように設計されていた。OBIシステムの空間分解能は、シミュレーションされたファントムを撮像することによって決定された。CBCTイメージングは、模擬造影ファントムによって評価された。ガドリニウムを含むPMMAファントムをイメージングし、システムのスペクトル-CT/BCTの定量的なイメージングを実証した。模擬PMMA内のガドリニウム,金,カルシウムを区別するための3つの異なるスペクトルCTイメージング法と放射性Tc分布をイメージするためのSPECTを用いて、OBIのトリモーダルイメージングの能力を実証した。模擬ファントムのKidney1挿入部のヨウ素コントラスト率と仮想非コントラスト(VNC)組織電子密度の放射線治療関連パラメータを、1回のスキャンでOBIのコントラスト強化CBCT/スペクトラルCTを行うためのベイジアン・イーゲント組織分解法を用いて分解し、本システムのデュアルアイソトープSPECTイメージングを評価した。

METHODS: The system was designed and evaluated in the GATE Monte Carlo platform. The OBI system including a kV-beam source and a pixelated cadmium zinc telluride (CZT) detector panel mounted on a medical linear accelerator (Linac) orthogonally to the MV beam direction was designed to obtain online CBCT, spectral CT and SPECT tri-modal imaging of patients in the treatment room. The spatial resolutions of the OBI system were determined by imaging simulated phantoms. The CBCT imaging was evaluated by a simulated contrast phantom. A PMMA phantom containing gadolinium was imaged to demonstrate quantitative imaging of spectral-CT/CBCT of the system. The capability of tri-modal imaging of the OBI was demonstrated using three different spectral CT imaging methods to differentiate gadolinium, gold, calcium within simulated PMMA and the SPECT to image radioactive Tc distribution. The dual-isotope SPECT imaging of the system was also evaluated by imaging a phantom containing Tc and I. The radiotherapy-related parameters of iodine contrast fraction and virtual non-contrast (VNC) tissue electron density in the Kidney1 inserts of a simulated phantom were decomposed using the Bayesian eigentissue decomposition method for contrast-enhanced CBCT/spectral-CT of the OBI in a single scan.

結果:

OBIのCBCTとSPECTの空間分解能は、10%MTFで15.1lp/cm、回転半径10～40cmで4.8～12mmであった。造影ファントムのCBCT画像では、軟部組織挿入部の大部分が十分な空間構造の詳細を伴って確認できた。ガドリニウムのCBCT画像と比較して、スペクトルCT画像では、より高い画像コントラストが得られた。カルシウム、ガドリニウム、および金は、スペクトルCT材料のイメージング方法を使用することにより、よく分離された。再構成されたTcの分布は、ファントム内の空間位置と一致していた。2つの同位体は、OBIのデュアルアイソトープSPECTイメージングで互いに分離された。ヨウ素分率とVNC電子密度は、ヨウ素強化Kidney1組織の挿入物において、合理的なRMS誤差で推定された。また、3モーダルイメージングを用いたオンラインARTワークフローの主要な手順を、新たな機能を含めて紹介した。

RESULTS: The spatial resolutions of CBCT and SPECT of the OBI were determined to be 15.1 lp/cm at 10% MTF and 4.8 - 12 mm for radii of rotation of 10 - 40 cm, respectively. In CBCT image of the contrast phantom, most of the soft-tissue inserts were visible with sufficient spatial structure details. As compared to the CBCT image of gadolinium, the spectral CT image provided higher image contrasts. Calcium, gadolinium, and gold were separated well by using the spectral CT material imaging methods. The reconstructed distribution of Tc agreed with the spatial position within the phantom. The two isotopes were separated from each other in dual-isotope SPECT imaging of the OBI. The iodine fractions and the VNC electron densities were estimated in the iodine-enhanced Kidney1 tissue inserts with reasonable RMS errors. The main procedures of the tri-modal imaging guided online ART workflow were presented with new functional features included.

結論:

シングルフォトンカウンティング CZT 検出器パネルを使用して、オンボード SPECT、スペクトル CT、CBCT の 3 次元イメージングを Linacs で実現できます。提案されたオンライン ART のための新しい OBI から得られるオンライン分子/機能イメージングを追加することで、放射線治療の提供精度をさらに向上させることができます。

CONCLUSIONS: Using a single photon counting CZT detector panel, an on-board SPECT, spectral CT and CBCT tri-modal imaging could be realized in Linacs. With the added online molecular/functional imaging obtained from the new OBI for the online ART proposed, the accuracy of radiation treatment delivery could be further improved.

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