Ion range estimation by using dual energy computed tomography

Die Ionenstrahl-Radiotherapie greift wie die meisten Teletherapieformen für die Planung auf Computertomographiedaten zurück. Die Umsetzung dieser Röntgenschwächungsinformation in Ionenreichweiten (“water equivalent path length”, WEPL) ist dabei aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungen allerdings mit einer Unsicherheit behaftet, die den besonders hohen Genauigkeitsanforderungen der Ionentherapie zuwiderläuft. Wir untersuchen daher in diesem Beitrag, ob und wieweit dieses Problem mit Hilfe eines neuen Zwei-Röhren-Computertomographen (“Dual-Energy CT”, DECT) minimiert werden kann. Dieser erlaubt es, bildbasiert auf Grundlage zweier CT-Zahlen die Elektronendichte und die effektive Ladungzahl anzugeben. Für den uns zur Verfügung stehenden Tomographen (Siemens Somatom Definition Flash, betrieben bei 80 kVp/140Sn kVp) wurde daher mit einer Reihe von Standardmaterialien (Gewebesurrogate, Aluminium, PMMA und Polymere) eine direkte Kalibration (Elektronendichte zu WEPL) durchgeführt. Hierdurch konnten die Unsicherheiten im Vergleich zu einer herkömmlichen empirischen Kalibration (CT-Zahl zu WEPL) signifikant reduziert werden, und zwar von (−1.0 ± 1.8)% auf (0.1 ± 0.7)%. Da das Vorgehen nicht wie bisher von der Wasser- bzw. Gewebeäquivalenz abhängt, war für Materialien wie z.B. PMMA der Gewinn am deutlichsten (Reduktion der Abweichung von −7,8% to −1,0%). Die Auswirkungen dieser direkten Kalibration wurden mit Hilfe einer Therapieplanungsstudie basierend auf Gewebesurrogaten und PMMA untersucht, wobei sich eine signifikant höhere Abdeckung des Zielvolumens zeigte (beispielsweise für einen PMMA-Zylinder: mittlere Targetabdeckung von 62% auf 98% verbessert). Um die neue Kalibration auf reales Gewebe anzuwenden, wurden Ionenreichweiten durch einen gefrorenen Schweinekopf experimentell bestimmt und mit Vorhersagen sowohl einer herkömmlichen als auch der DECT-Kalibration verglichen. Hierbei konnte eine Verbesserung von −2.1% Abweichung der Vorhersagen von der gemessenen wasseräquivalenten Dicke (single energy CT) auf 0.3% (DECT) erreicht werden. Jedoch gab es erhebliche Unsicherheiten im experimentellen Aufbau. Wenn man die mit Unsicherheiten behafteten Strahlpfade am Rand der Probe ausschließt, konnte keine signifikante Differenz beider Methoden beobachtet werden.