Abstract
Purpose Proton therapy can deliver an optimal dose to tumor while reducing unnecessary dose to normal tissue as compared the conventional photon therapy. As proton beams are irradiated into tissue, various positron emitters are produced via nuclear fragmentation reactions. These positron emitters could be used for the dose verification by using PET. However, the short half-life of the radioisotopes makes it hard to obtain the enough amounts of events. The aim of this study is to investigate the effect of off-line PET imaging scan time on the PET image quality. Materials and Methods The various diameters of spheres (D=37, 28, 22 mm) filled with distilled water were inserted in a 2001 IEC body phantom. Then proton beams (100 MU) were irradiated into the center of the each sphere using the wobbling technique with the gantry angle of $0^{\circ}$. The modulation widths of the spread out bragg peak were 16.4, 14.7 and 9.3 cm for the spheres of 37, 28 and 22 mm in diameters respectively. After 5 min of the proton irradiation, the PET images of the IEC body phantom were obtained for 50 min. The PET images with different time courses (0-10 min, 11-20 min, 21-30 min, 31-40 min and 41-50 min) were obtained by dividing the frame with a duration of 10 min. In order to evaluate the off-line PET image quality with the different time courses, the contrast-to-noise ratio (CNR) of the PET image calculated for each sphere. Results The CNRs of the sphere (D=37 mm) were 0.43, 0.42, 0.40, 0.31 and 0.21 for the time courses of 0-10 min, 11-20 min, 21-30 min, 31-40 min and 41-50 min respectively. The CNRs of the sphere (D=28 mm) were 0.36, 0.32, 0.27, 0.19 and 0.09 for the time courses of 0-10 min, 11-20 min, 21-30 min, 31-40 min and 41-50 min respectively. The CNR of 37 mm sphere was decreased rapidly after 30 min of the proton irradiation. In case of the spheres of 28 mm and 22 mm, the CNR was decreased drastically after 20 min of the irradiation. Conclusion The off-line PET imaging time is an important factor for the monitoring of the proton therapy. In case of the lesion diameter of 22 mm, the off-line PET image should be obtained within 25 min after the proton irradiation. When it comes to small size of tumor, the long PET imaging time will be beneficial for the proton therapy treatment monitoring.
양성자선을 이용한 치료는 기존의 광자를 이용하였을 때 보다 병소 주위 정상 조직에 영향을 거의 주지 않고 암세포를 치료할 수 있는 정밀한 방사선 치료법이다. 양성자선 조사 시 인체 내 조직과의 상호작용으로 양전자 방출 핵종이 발생하며 양전자 방출 단층촬영은 이러한 특성을 이용하여 양성자 치료 후 그 효과를 확인하는데 이용된다. 그러나 이 때 발생하는 소멸복사선은 짧은 반감기로 인하여 영상 획득 시간에 어려움이 발생하게 된다. 본 논문에서는 양성자선 조사 후 영상 획득 시간에 따른 영상의 차이를 비교하여 그 효율성을 알아보고자 한다. 증류수를 가득 채운 2001 IEC body 모형에 37, 28, 22 mm 구체를 삽입하고 구체의 중심에 양성자선이 조사되도록 CT로 치료 계획을 수립하였다. 양성자선은 wobbling technique, gantry $0^{\circ}$, 100 MU, 구체 크기별로 범위는 각각 16.4, 14.7, 9.3 cm로 조사하였다. 조사를 마친 모형은 약 5분의 거리를 이동하여 PET/CT로 1 분씩 50 개의 영상을 획득하여 1에서 10. 11에서 21, 21에서 30, 31에서 40, 41에서 50으로 10개씩 영상을 합산하여 재구성 하였다. 합산된 영상에서 열소 부위와 배후 방사능에 ROI를 그린 후 방사능 농도 값을 산출하고 대조도 잡음비를 계산하여 영상의 질을 평가하였다. 전체 영상의 CNR은 37 mm 구체에서 0.43, 0.42, 0.40, 0.31, 0.21로 나타났으며, 28 mm 구체는 0.36, 0.32, 0.27, 0.19, 0.09로 측정되었다. 22 mm의 구체는 0.25, 0.25, 0.19, 0.11, 0.08로 측정되었다. CNR은 37 mm 구체에서는 30분 이후에 빠르게 감소하였고, 28 mm와 22 mm 에서는 20분 이후에 급격히 감소하였다. 치료 효과 확인을 위한 PET 촬영에서 양성자선 조사 후 데이터의 획득 시점과 총 획득 시간이 매우 중요하다. 실험 결과에서 병소의 크기가 22 mm 이상이라고 가정한다면 영상 획득은 조사 후 25분 내에 완료될 수 있도록 진행하는 것이 바람직하다. 종양의 크기가 작거나 저 선량이 조사될 경우에는 보다 긴 영상 획득 시간을 적용한다면 도움을 될 것으로 사료된다.