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Kraan AC, Berti A, Retico A, Baroni G, Battistoni G, Belcari N, Cerello P, Ciocca M, De Simoni M, Del Sarto D, Donetti M, Dong Y, Embriaco A, Ferrero V, Fiorina E, Fischetti M, Franciosini G, Giraudo G, Laruina F, Maestri D, Magi M, Magro G, Mancini Terracciano C, Marafini M, Mattei I, Mazzoni E, Mereu P, Mirabelli R, Mirandola A, Morrocchi M, Muraro S, Patera A, Patera V, Pennazio F, Rivetti A, Da Rocha Rolo MD, Rosso V, Sarti A, Schiavi A, Sciubba A, Solfaroli Camillocci E, Sportelli G, Tampellini S, Toppi M, Traini G, Valle SM, Valvo F, Vischioni B, Vitolo V, Wheadon R, Bisogni MG. Localization of anatomical changes in patients during proton therapy with in-beam PET monitoring: A voxel-based morphometry approach exploiting Monte Carlo simulations. Med Phys 2021; 49:23-40. [PMID: 34813083 PMCID: PMC9303286 DOI: 10.1002/mp.15336] [Citation(s) in RCA: 2] [Impact Index Per Article: 0.7] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 03/06/2021] [Revised: 06/30/2021] [Accepted: 10/11/2021] [Indexed: 12/21/2022] Open
Abstract
Purpose In‐beam positron emission tomography (PET) is one of the modalities that can be used for in vivo noninvasive treatment monitoring in proton therapy. Although PET monitoring has been frequently applied for this purpose, there is still no straightforward method to translate the information obtained from the PET images into easy‐to‐interpret information for clinical personnel. The purpose of this work is to propose a statistical method for analyzing in‐beam PET monitoring images that can be used to locate, quantify, and visualize regions with possible morphological changes occurring over the course of treatment. Methods We selected a patient treated for squamous cell carcinoma (SCC) with proton therapy, to perform multiple Monte Carlo (MC) simulations of the expected PET signal at the start of treatment, and to study how the PET signal may change along the treatment course due to morphological changes. We performed voxel‐wise two‐tailed statistical tests of the simulated PET images, resembling the voxel‐based morphometry (VBM) method commonly used in neuroimaging data analysis, to locate regions with significant morphological changes and to quantify the change. Results The VBM resembling method has been successfully applied to the simulated in‐beam PET images, despite the fact that such images suffer from image artifacts and limited statistics. Three dimensional probability maps were obtained, that allowed to identify interfractional morphological changes and to visualize them superimposed on the computed tomography (CT) scan. In particular, the characteristic color patterns resulting from the two‐tailed statistical tests lend themselves to trigger alarms in case of morphological changes along the course of treatment. Conclusions The statistical method presented in this work is a promising method to apply to PET monitoring data to reveal interfractional morphological changes in patients, occurring over the course of treatment. Based on simulated in‐beam PET treatment monitoring images, we showed that with our method it was possible to correctly identify the regions that changed. Moreover we could quantify the changes, and visualize them superimposed on the CT scan. The proposed method can possibly help clinical personnel in the replanning procedure in adaptive proton therapy treatments.
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Affiliation(s)
| | - Andrea Berti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy.,Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
| | | | - Guido Baroni
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy.,Politecnico di Milano, Milano, Italy
| | | | - Nicola Belcari
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy.,Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
| | | | - Mario Ciocca
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
| | - Micol De Simoni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy.,Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
| | - Damiano Del Sarto
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy.,Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
| | - Marco Donetti
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
| | - Yunsheng Dong
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy.,Dipartimento di Fisica, Università di Milano, Milano, Italy
| | - Alessia Embriaco
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Pavia, Italy
| | - Veronica Ferrero
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
| | - Elisa Fiorina
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy.,Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
| | - Marta Fischetti
- 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
| | - Gaia Franciosini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy.,Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
| | - Giuseppe Giraudo
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
| | - Francesco Laruina
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy.,Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
| | - Davide Maestri
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
| | - Marco Magi
- Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy
| | - Giuseppe Magro
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
| | - Carlo Mancini Terracciano
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy.,Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
| | - Michela Marafini
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy.,Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche "E. Fermi", Roma, Italy
| | - Ilaria Mattei
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy
| | - Enrico Mazzoni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy
| | - Paolo Mereu
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
| | - Riccardo Mirabelli
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy.,Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy.,Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche "E. Fermi", Roma, Italy
| | | | - Matteo Morrocchi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy.,Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
| | - Silvia Muraro
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy
| | - Alessandra Patera
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
| | - Vincenzo Patera
- 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.,Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche "E. Fermi", Roma, Italy
| | | | - Angelo Rivetti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
| | | | - Valeria Rosso
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy.,Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
| | - Alessio Sarti
- 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.,Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche "E. Fermi", Roma, Italy
| | - Angelo Schiavi
- 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
| | - Adalberto Sciubba
- Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l'Ingegneria, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy.,Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche "E. Fermi", Roma, Italy.,Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione dei Laboratori di Frascati, Frascati, RM, Italy
| | - Elena Solfaroli Camillocci
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy.,Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
| | - Giancarlo Sportelli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy.,Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
| | | | - Marco Toppi
- 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, RM, Italy
| | - Giacomo Traini
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy.,Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche "E. Fermi", Roma, Italy
| | | | | | | | - Viviana Vitolo
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
| | - Richard Wheadon
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
| | - Maria Giuseppina Bisogni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy.,Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
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