Articolo in rivista, 2022, ENG, 10.3389/fonc.2022.929949

In-vivo range verification analysis with in-beam PET data for patients treated with proton therapy at CNAO

Moglioni M.; Christine Kraan A.; Baroni G.; Battistoni G.; Belcari N.; Berti A.; Carra P.; Cerello P.; Ciocca M.; De Gregorio A.; De Simoni M.; Del Sarto D.; Donetti M.; Dong Y.; Embriaco A.; Fantacci M.E.; Ferrero V.; Fiorina E.; Fischetti M.; Franciosini G.; Giraudo G.; Laruina F.; Maestri D.; Magi M.; Magro G.; Malekzadeh E.; Marafini M.; Mattei I.; Mazzoni E.; Mereu P.; Mirandola A.; Morrocchi M.; Muraro S.; Orlandi E.; Patera V.; Pennazio F.; Pullia M.; Retico A.; Rivetti A.; Da Rocha Rolo M.D.; Rosso V.; Sarti A.; Schiavi A.; Sciubba A.; Sportelli G.; Tampellini S.; Toppi M.; Traini G.; Trigilio A.; Valle S.M.; Valvo F.; Vischioni B.; Vitolo V.; Wheadon R.; Bisogni M.G.

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Politecnico di Milano, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy; CNR-ISTI, Pisa, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Dipartimento di Fisica, Sapienza, Università di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy; Dipartimento di Fisica, Sapienza, Università di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy; 0 Dipartimento di Fisica, Università di Milano, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Pavia, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy; Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy; Dipartimento di Fisica, Sapienza, Università di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Department of Medical Physics, Tarbiat Modares University, Teheran, Iran; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy; Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche "E. Fermi", Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy; Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy; Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy; Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy; Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione dei Laboratori di Frascati, Frascati, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione dei Laboratori di Frascati, Frascati, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy; Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche "E. Fermi", Roma, Italy; Dipartimento di Fisica, Sapienza, Università di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy;

Morphological changes that may arise through a treatment course are probably one of the most significant sources of range uncertainty in proton therapy. Non- invasive in-vivo treatment monitoring is useful to increase treatment quality. The INSIDE in-beam Positron Emission Tomography (PET) scanner performs in-vivo range monitoring in proton and carbon therapy treatments at the National Center of Oncological Hadrontherapy (CNAO). It is currently in a clinical trial (ID: NCT03662373) and has acquired in-beam PET data during the treatment of various patients. In this work we analyze the in-beam PET (IB-PET) data of eight patients treated with proton therapy at CNAO. The goal of the analysis is twofold. First, we assess the level of experimental fluctuations in inter-fractional range differences (sensitivity) of the INSIDE PET system by studying patients without morphological changes. Second, we use the obtained results to see whether we can observe anomalously large range variations in patients where morphological changes have occurred. The sensitivity of the INSIDE IB-PET scanner was quantified as the standard deviation of the range difference distributions observed for six patients that did not show morphological changes. Inter- fractional range variations with respect to a reference distribution were estimated using the Most-Likely-Shift (MLS) method. To establish the efficacy of this method, we made a comparison with the Beam's Eye View (BEV) method. For patients showing no morphological changes in the control CT the average range variation standard deviation was found to be 2.5 mm with the MLS method and 2.3 mm with the BEV method. On the other hand, for patients where some small anatomical changes occurred, we found larger standard deviation values. In these patients we evaluated where anomalous range differences were found and compared them with the CT. We found that the identified regions were mostly in agreement with the morphological changes seen in the CT scan.

Frontiers in oncology

Keywords

Proton therapy, In-beam PET imaging, In-vivo treatment verification, Morphological changes, Inter-fractional range differences, Clinical trial

CNR authors

Berti Andrea

CNR institutes

ISTI – Istituto di scienza e tecnologie dell'informazione "Alessandro Faedo"

ID: 471573

Year: 2022

Type: Articolo in rivista

Creation: 2022-10-03 11:01:22.000

Last update: 2022-10-27 09:38:20.000

CNR authors

External IDs

CNR OAI-PMH: oai:it.cnr:prodotti:471573

DOI: 10.3389/fonc.2022.929949

Scopus: 2-s2.0-85139477533

ISI Web of Science (WOS): 000868622100001