Impact of dual-layer spectral CT-derived stopping power ratio on single-energy CT-based carbon-ion treatment planning for thoracic cancer.

چکیده اصلی

PURPOSE: To evaluate the impact of stopping-power ratio (SPR) predictions derived from dual-layer detector-based spectral CT (DLCT) on conventional single-energy CT (SECT)-based carbon-ion treatment planning for thoracic cancer. METHODS: Twenty patients with thoracic cancer who underwent non-contrast DLCT were retrospectively included. DLCT-based SPR images were generated from effective atomic number and relative electron density maps using the Bethe equation. SECT-based SPR was derived using a Hounsfield unit look-up table generated via stoichiometric calibration of a commercial electron density phantom. Using the same phantom, a phantom-based prediction assessment was performed by comparing SECT- and DLCT-based SPR predictions with theoretical SPR values for the inserts. For patient analysis, normal-tissue SPR values derived from SECT and DLCT were compared. Carbon-ion treatment plans were first generated based on SECT images and then recalculated using DLCT-derived SPR images. Range differences in the beam's-eye view and dose-volume histogram parameters for the planning target volume and organs at risk were evaluated. RESULTS: In the phantom-based assessment, the root-mean-square error relative to the theoretical SPR was 5.57% for SECT and 2.83% for DLCT. In patient images, mean SPR differences between SECT and DLCT were 3.62% for the lungs, 1.93% for the esophagus, 0.04% for the heart, 0.93% for the spinal cord, and 1.53% for the ribs. Across the patient cohort, the mean recalculated range difference was 0.71 ± 0.89 mm, corresponding to a relative difference of 0.60 ± 0.67%. No statistically significant differences were observed in target dose metrics, whereas selected organ-at-risk metrics showed statistically significant differences between SECT-based plans and DLCT-based recalculations. CONCLUSION: DLCT-derived SPR prediction showed better agreement with theoretical phantom SPR values in the phantom-based prediction assessment and produced tissue-dependent SPR differences in thoracic patient images compared with conventional SECT-based prediction. Recalculation on DLCT-derived SPR maps resulted in modest but systematic range differences and limited changes in selected dose metrics. These results may inform the implementation and future independent validation of patient-specific DLCT-based SPR workflows in carbon-ion treatment planning for thoracic cancer.

ترجمه فارسی چکیده

هدف: ارزیابی تأثیر پیش‌بینی نسبت قدرت توقف (SPR) حاصل از اسپکترومتری CT لایه‌دو (DLCT) بر برنامه‌ریزی درمان کربن‌یونی مبتنی بر CT تک‌انرژی (SECT) برای سرطان قفسه سینه. روش‌ها: ۲۰ بیمار مبتلا به سرطان قفسه سینه که اسپکترومتری CT لایه‌دو بدون کنتراست دریافت کرده بودند، به صورت بازگشتی وارد مطالعه شدند. تصاویر SPR مبتنی بر DLCT با استفاده از نقشه‌های عدد اتمی مؤثر و چگالی الکترونی نسبی و معادله Bethe تولید شدند. SPR مبتنی بر SECT با استفاده از یک جدول جستجوی واحد Hounsfield تولید شده از طریق کالیبراسیون استیکیومتری فانتوم الکترونی چگالی تجاری به دست آمد. با استفاده از همان فانتوم، ارزیابی پیش‌بینی مبتنی بر فانتوم با مقایسه پیش‌بینی‌های SPR مبتنی بر SECT و DLCT با مقادیر SPR نظری برای ورودی‌ها انجام شد. برای تحلیل بیمار، مقادیر SPR بافت نرمال حاصل از SECT و DLCT مقایسه شدند. برنامه‌های درمان کربن‌یونی ابتدا بر اساس تصاویر SECT و سپس با استفاده از تصاویر SPR مبتنی بر DLCT بازمحاسبه شدند. تفاوت‌های برد در نمای دید پرتو و پارامترهای نمودار دوز-حجم برای حجم هدف و اعضای در معرض خطر ارزیابی شدند. نتایج: در ارزیابی مبتنی بر فانتوم، خطای مربع میانگین ریشه نسبت به SPR نظری برای SECT ۵.۵۷٪ و برای DLCT ۲.۸۳٪ بود. در تصاویر بیمار، میانگین تفاوت‌های SPR بین SECT و DLCT برای ریه‌ها ۳.۶۲٪، برای مری ۱.۹۳٪، برای قلب ۰.۰۴٪، برای نخاع نخاعی ۰.۹۳٪ و برای دنده‌ها ۱.۵۳٪ بود. میانگین تفاوت برد بازمحاسبه شده در کل گروه بیمار ۰.۷۱ ± ۰.۸۹ میلی‌متر بود که معادل تفاوت نسبی ۰.۶۰ ± ۰.۶۷٪ بود. تفاوت‌های معنادار آماری در شاخص‌های دوز هدف مشاهده نشد، در حالی که شاخص‌های منتخب اعضای در معرض خطر تفاوت‌های معنادار آماری بین برنامه‌های مبتنی بر SECT و بازمحاسبات مبتنی بر DLCT نشان دادند. نتیجه‌گیری: پیش‌بینی SPR مبتنی بر DLCT همگرایی بهتری با مقادیر SPR فانتوم نظری در ارزیابی مبتنی بر فانتوم نشان داد و تفاوت‌های SPR وابسته به بافت را در تصاویر بیمار قفسه سینه نسبت به پیش‌بینی مبتنی بر SECT سنتی تولید کرد. بازمحاسبه بر روی نقشه‌های SPR مبتنی بر DLCT منجر به تفاوت‌های برد متوسط اما سیستماتیک و تغییرات محدود در شاخص‌های دوز منتخب شد. این نتایج ممکن است در پیاده‌سازی و آینده‌سازی اعتبارسنجی مستقل کاربردهای SPR مبتنی بر DLCT مخصوص بیمار در برنامه‌ریزی درمان کربن‌یونی برای سرطان قفسه سینه راهنمایی کنند.

متن کامل اصلی