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フラッシュ放射線治療のリアルタイム線量測定のための電離放射線音響イメージング（iRAI）技術
An Ionizing Radiation Acoustic Imaging (iRAI) Technique for Real-Time Dosimetric Measurements for FLASH Radiotherapy.
PMID: 32592212 DOI: 10.1002/mp.14358.
抄録
目的:
FLASH放射線治療（FLASH-RT）は、従来の放射線治療（CONV-RT）と同等の腫瘍細胞除去効果を維持しながら、正常組織を温存する能力を高めることが可能な超高線量率（40Gy/s以上）の新しい照射モダリティです。FLASH-RTは非常に高線量率であるため、臨床応用にはリスクの高い照射法であることと、現在の線量測定装置の制限により、深部組織の線量をリアルタイムで正確に測定できないことが問題となっている。本研究では、電離放射線音響イメージング（iRAI）をFLASH-RT中のリアルタイム深部組織線量測定のための有望な画像誘導モダリティとして調査することを目的としている。その根底にある仮説は、iRAIによって、リニアック(リニアック)パルスの精度で周囲の組織に対する線量沈着のマッピングがリアルタイムで可能になるというものである。本研究では、iRAIの信号応答と線量沈着の関係を調べ、超音波とiRAIのデュアルモダリティイメージングシステムを用いて、解剖学的に治療ビームの共焦点化を行うことの実現可能性を検証した。
PURPOSE: FLASH radiotherapy (FLASH-RT) is a novel irradiation modality with ultra-high dose rates (>40Gy/s) that have shown tremendous promise for its ability to enhance normal tissue sparing while maintaining comparable tumor cell eradication to conventional radiotherapy (CONV-RT). Due to its extremely high-dose rates, clinical translation of FLASH-RT is hampered by risky delivery and current limitations in dosimetric devices, which cannot accurately measure, in real-time, dose at deeper tissue. This work aims to investigate ionizing radiation acoustic imaging (iRAI) as a promising image-guidance modality for real-time deep tissue dose measurements during FLASH-RT. The underlying hypothesis is that iRAI can enable mapping of dose deposition with respect to surrounding tissue with a single linear accelerator (linac) pulse precision in real time. In this work, the relationship between iRAI signal response and deposited dose was investigated as well as the feasibility of using a proof-of-concept dual-modality imaging system of ultrasound and iRAI for treatment beam co-localization with respect to underlying anatomy.
方法:
改良型バリアンクリナックの6MeV電子を用いたFLASH-RTのためのiRAIの実現可能性を調べるために、2つの実験セットアップを行った。第一に、単素子集束トランスデューサーを用いてゼラチンファントム内の一連のポイント測定を行い、GAFクロミックフィルムを用いた独立した線量測定と比較した。次に、超音波とiRAIのデュアルモダリティイメージングシステムを使用して、超音波Bモード画像と同様に、フェイズドアレイ変換器を使用して、2DのiRAI信号振幅画像を共登録し、単一のリニアックパルス精度で、ex-vivoウサギ肝臓モデルにおける周囲の解剖学的な線量沈着をマップするために使用した。
METHODS: Two experimental setups were used to study the feasibility of iRAI for FLASH-RT using 6 MeV electrons from a modified Varian Clinac. First, experiments were conducted using a single element focused transducer to take a series of point measurements in a gelatin phantom, which was compared with independent dose measurements using GAFchromic film. Secondly, an ultrasound and iRAI dual-modality imaging system utilizing a phased array transducer was used to take co-registered 2D iRAI signal amplitude images as well as ultrasound B-mode images, to map the dose deposition with respect to surrounding anatomy in an ex-vivo rabbit liver model with a single linac pulse precision.
結果:
単一素子変換器を用いたiRAI測定では、GAFクロミックフィルムを用いた線量測定と比較して、iRAI信号振幅とパルスあたりのリニアック線量（r = 0.9998）との間に非常に直線的な関係があり、再現性の精度は1%であり、線量分解能の誤差は2.5%以下であることを示した。これらのファントムの結果は、iRAI信号応答とパルスあたりの送達線量との間の検量線を作成するために使用されました。その後、キャリブレーションに関する測定条件の偏差を考慮して補正係数を使用して、RMSEが0.0243のフィルム測定値と一致する正規化された深度線量曲線を生成した。ウサギ肝臓のex-vivoモデルでの実験では、1回のリニアックパルスから2DのiRAI画像を生成することに成功し、Bモード超音波画像と融合させることで、周囲の解剖学的構造に対するビーム位置の情報をリアルタイムで提供できることが実証されました。
RESULTS: Using a single element transducer, iRAI measurements showed a highly linear relationship between the iRAI signal amplitude and the linac dose per pulse (r = 0.9998) with a repeatability precision of 1% and a dose resolution error less than 2.5% in a homogenous phantom when compared to GAFchromic film dose measurements. These phantom results were used to develop a calibration curve between the iRAI signal response and the delivered dose per pulse. Subsequently, a normalized depth dose curve was generated that agreed with film measurements with an RMSE of 0.0243, using correction factors to account for deviations in measurement conditions with respect to calibration. Experiments on the ex-vivo rabbit liver model demonstrated that a 2D iRAI image could be generated successfully from a single linac pulse, which was fused with the B-mode ultrasound image to provide information about the beam position with respect to surrounding anatomy in real time.
結論:
本研究では、FLASH-RTのリアルタイム深部組織線量評価にiRAIを用いることの可能性を実証した。その結果、iRAIの信号は線量に比例して直線的であり、軟部組織の解剖学的な観点から送達された放射線量を正確にマッピングできることが示された。iRAIは周囲の軟部組織内の任意の場所で個々のリニアックパルスの線量を測定し、その線量が解剖学的にどこに到達しているかをリアルタイムで特定できるので、FLASH-RTの安全かつ効率的な臨床応用を可能にするために不可欠なツールとなり得る。
CONCLUSION: This work demonstrates the potential of using iRAI for real-time deep tissue dosimetry in FLASH-RT. Our results show that iRAI signals are linear with dose and can accurately map the delivered radiation dose with respect to soft tissue anatomy. With its ability to measure dose for individual linac pulses at any location within surrounding soft tissue while identifying where that dose is being delivered anatomically in real time, iRAI can be an indispensable tool to enable safe and efficient clinical translation of FLASH-RT.
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