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Moglioni M, Kraan AC, Baroni G, Battistoni G, Belcari N, Berti A, Carra P, Cerello P, Ciocca M, De Gregorio A, De Simoni M, Del Sarto D, Donetti M, Dong Y, Embriaco A, Fantacci ME, Ferrero V, Fiorina E, Fischetti M, Franciosini G, Giraudo G, Laruina F, Maestri D, Magi M, Magro G, Malekzadeh E, Marafini M, Mattei I, Mazzoni E, Mereu P, Mirandola A, Morrocchi M, Muraro S, Orlandi E, Patera V, Pennazio F, Pullia M, Retico A, Rivetti A, Da Rocha Rolo MD, Rosso V, Sarti A, Schiavi A, Sciubba A, Sportelli G, Tampellini S, Toppi M, Traini G, Trigilio A, Valle SM, Valvo F, Vischioni B, Vitolo V, Wheadon R, Bisogni MG. In-vivo range verification analysis with in-beam PET data for patients treated with proton therapy at CNAO. Front Oncol 2022; 12:929949. [PMID: 36226070 PMCID: PMC9549776 DOI: 10.3389/fonc.2022.929949] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/27/2022] [Accepted: 06/20/2022] [Indexed: 11/13/2022] Open
Abstract
Morphological changes that may arise through a treatment course are probably one of the most significant sources of range uncertainty in proton therapy. Non-invasive in-vivo treatment monitoring is useful to increase treatment quality. The INSIDE in-beam Positron Emission Tomography (PET) scanner performs in-vivo range monitoring in proton and carbon therapy treatments at the National Center of Oncological Hadrontherapy (CNAO). It is currently in a clinical trial (ID: NCT03662373) and has acquired in-beam PET data during the treatment of various patients. In this work we analyze the in-beam PET (IB-PET) data of eight patients treated with proton therapy at CNAO. The goal of the analysis is twofold. First, we assess the level of experimental fluctuations in inter-fractional range differences (sensitivity) of the INSIDE PET system by studying patients without morphological changes. Second, we use the obtained results to see whether we can observe anomalously large range variations in patients where morphological changes have occurred. The sensitivity of the INSIDE IB-PET scanner was quantified as the standard deviation of the range difference distributions observed for six patients that did not show morphological changes. Inter-fractional range variations with respect to a reference distribution were estimated using the Most-Likely-Shift (MLS) method. To establish the efficacy of this method, we made a comparison with the Beam’s Eye View (BEV) method. For patients showing no morphological changes in the control CT the average range variation standard deviation was found to be 2.5 mm with the MLS method and 2.3 mm with the BEV method. On the other hand, for patients where some small anatomical changes occurred, we found larger standard deviation values. In these patients we evaluated where anomalous range differences were found and compared them with the CT. We found that the identified regions were mostly in agreement with the morphological changes seen in the CT scan.
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Affiliation(s)
- Martina Moglioni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
| | - Aafke Christine Kraan
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- *Correspondence: Aafke Christine Kraan,
| | - 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
| | - Andrea Berti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
- Istituto di Scienza e Tecnologie dell’Informazione, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Pisa, Italy
| | - Pietro Carra
- 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
| | - Angelica De Gregorio
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, 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
| | - Maria Evelina Fantacci
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, 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 Universit `a 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 Universit `a di Roma, Roma, Italy
| | - Giuseppe Magro
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
| | - Etesam Malekzadeh
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Department of Medical Physics, Tarbiat Modares University, Teheran, Iran
| | - 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 Pisa, Pisa, Italy
| | - Paolo Mereu
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, 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
| | - Ester Orlandi
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
| | - Vincenzo Patera
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universit `a di Roma, Roma, Italy
| | | | - Marco Pullia
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, 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 Universit `a di Roma, 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 Universit `a di Roma, Roma, Italy
| | - Adalberto Sciubba
- Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universit `a di Roma, Roma, Italy
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione dei Laboratori di Frascati, Frascati, 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 Universit `a di Roma, Roma, Italy
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione dei Laboratori di Frascati, Frascati, 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
| | - Antonio Trigilio
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, 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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