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Kraan AC, Moglioni M, Battistoni G, Bersani D, Berti A, Carra P, Cerello P, Ciocca M, Ferrero V, Fiorina E, Mazzoni E, Morrocchi M, Muraro S, Orlandi E, Pennazio F, Retico A, Rosso V, Sportelli G, Vischioni B, Vitolo V, Bisogni MG. Using the gamma-index analysis for inter-fractional comparison of in-beam PET images for head-and-neck treatment monitoring in proton therapy: A Monte Carlo simulation study. Phys Med 2024; 120:103329. [PMID: 38492331 DOI: 10.1016/j.ejmp.2024.103329] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Submit a Manuscript] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/15/2023] [Revised: 02/13/2024] [Accepted: 03/07/2024] [Indexed: 03/18/2024] Open
Abstract
GOAL In-beam Positron Emission Tomography (PET) is a technique for in-vivo non-invasive treatment monitoring for proton therapy. To detect anatomical changes in patients with PET, various analysis methods exist, but their clinical interpretation is problematic. The goal of this work is to investigate whether the gamma-index analysis, widely used for dose comparisons, is an appropriate tool for comparing in-beam PET distributions. Focusing on a head-and-neck patient, we investigate whether the gamma-index map and the passing rate are sensitive to progressive anatomical changes. METHODS/MATERIALS We simulated a treatment course of a proton therapy patient using FLUKA Monte Carlo simulations. Gradual emptying of the sinonasal cavity was modeled through a series of artificially modified CT scans. The in-beam PET activity distributions from three fields were evaluated, simulating a planar dual head geometry. We applied the 3D-gamma evaluation method to compare the PET images with a reference image without changes. Various tolerance criteria and parameters were tested, and results were compared to the CT-scans. RESULTS Based on 210 MC simulations we identified appropriate parameters for the gamma-index analysis. Tolerance values of 3 mm/3% and 2 mm/2% were suited for comparison of simulated in-beam PET distributions. The gamma passing rate decreased with increasing volume change for all fields. CONCLUSION The gamma-index analysis was found to be a useful tool for comparing simulated in-beam PET images, sensitive to sinonasal cavity emptying. Monitoring the gamma passing rate behavior over the treatment course is useful to detect anatomical changes occurring during the treatment course.
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Affiliation(s)
- Aafke Christine Kraan
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy
| | - Martina Moglioni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy.
| | - Giuseppe Battistoni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Via Giovanni Celoria 16, Milano, 20133, Italy
| | - Davide Bersani
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Via Pietro Giuria 1, Torino, 10125, Italy
| | - Andrea Berti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy
| | - Pietro Carra
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy
| | - Piergiorgio Cerello
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Via Pietro Giuria 1, Torino, 10125, Italy
| | - Mario Ciocca
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Strada Privata Campeggi 53, Pavia, 27100, Italy
| | - Veronica Ferrero
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Via Pietro Giuria 1, Torino, 10125, Italy
| | - Elisa Fiorina
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Via Pietro Giuria 1, Torino, 10125, Italy
| | - Enrico Mazzoni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy
| | - Matteo Morrocchi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy
| | - Silvia Muraro
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Via Giovanni Celoria 16, Milano, 20133, Italy
| | - Ester Orlandi
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Strada Privata Campeggi 53, Pavia, 27100, Italy
| | - Francesco Pennazio
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Via Pietro Giuria 1, Torino, 10125, Italy
| | - Alessandra Retico
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy
| | - Valeria Rosso
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy
| | - Giancarlo Sportelli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy
| | - Barbara Vischioni
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Strada Privata Campeggi 53, Pavia, 27100, Italy
| | - Viviana Vitolo
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Strada Privata Campeggi 53, Pavia, 27100, Italy
| | - Maria Giuseppina Bisogni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Largo Bruno Pontecorvo 3, Pisa, 56127, Italy
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