Frontiers in Oncology (Sep 2022)
In-vivo range verification analysis with in-beam PET data for patients treated with proton therapy at CNAO
- Martina Moglioni,
- Martina Moglioni,
- Aafke Christine Kraan,
- Guido Baroni,
- Guido Baroni,
- Giuseppe Battistoni,
- Nicola Belcari,
- Nicola Belcari,
- Andrea Berti,
- Andrea Berti,
- Andrea Berti,
- Pietro Carra,
- Pietro Carra,
- Piergiorgio Cerello,
- Mario Ciocca,
- Angelica De Gregorio,
- Angelica De Gregorio,
- Micol De Simoni,
- Micol De Simoni,
- Damiano Del Sarto,
- Damiano Del Sarto,
- Marco Donetti,
- Yunsheng Dong,
- Yunsheng Dong,
- Alessia Embriaco,
- Maria Evelina Fantacci,
- Maria Evelina Fantacci,
- Veronica Ferrero,
- Elisa Fiorina,
- Elisa Fiorina,
- Marta Fischetti,
- Marta Fischetti,
- Gaia Franciosini,
- Gaia Franciosini,
- Giuseppe Giraudo,
- Francesco Laruina,
- Francesco Laruina,
- Davide Maestri,
- Marco Magi,
- Giuseppe Magro,
- Etesam Malekzadeh,
- Etesam Malekzadeh,
- Michela Marafini,
- Michela Marafini,
- Ilaria Mattei,
- Enrico Mazzoni,
- Paolo Mereu,
- Alfredo Mirandola,
- Matteo Morrocchi,
- Matteo Morrocchi,
- Silvia Muraro,
- Ester Orlandi,
- Vincenzo Patera,
- Vincenzo Patera,
- Francesco Pennazio,
- Marco Pullia,
- Alessandra Retico,
- Angelo Rivetti,
- Manuel Dionisio Da Rocha Rolo,
- Valeria Rosso,
- Valeria Rosso,
- Alessio Sarti,
- Alessio Sarti,
- Angelo Schiavi,
- Angelo Schiavi,
- Adalberto Sciubba,
- Adalberto Sciubba,
- Giancarlo Sportelli,
- Giancarlo Sportelli,
- Sara Tampellini,
- Marco Toppi,
- Marco Toppi,
- Giacomo Traini,
- Giacomo Traini,
- Antonio Trigilio,
- Antonio Trigilio,
- Serena Marta Valle,
- Francesca Valvo,
- Barbara Vischioni,
- Viviana Vitolo,
- Richard Wheadon,
- Maria Giuseppina Bisogni,
- Maria Giuseppina Bisogni
Affiliations
- Martina Moglioni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Martina Moglioni
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
- Aafke Christine Kraan
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Guido Baroni
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Guido Baroni
- Politecnico di Milano, Milano, Italy
- Giuseppe Battistoni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy
- Nicola Belcari
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Nicola Belcari
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
- Andrea Berti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Andrea Berti
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
- Andrea Berti
- 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
- Pietro Carra
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
- Piergiorgio Cerello
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
- Mario Ciocca
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Angelica De Gregorio
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy
- Angelica De Gregorio
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Micol De Simoni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy
- Micol De Simoni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Damiano Del Sarto
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Damiano Del Sarto
- 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
- Yunsheng Dong
- 0Dipartimento di Fisica, Università di Milano, Milano, Italy
- Alessia Embriaco
- 1Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Pavia, Italy
- Maria Evelina Fantacci
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Maria Evelina Fantacci
- 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
- Elisa Fiorina
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
- Marta Fischetti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Marta Fischetti
- 2Dipartimento 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
- Gaia Franciosini
- 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
- Francesco Laruina
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
- Davide Maestri
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Marco Magi
- 2Dipartimento 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
- Etesam Malekzadeh
- 3Department of Medical Physics, Tarbiat Modares University, Teheran, Iran
- Michela Marafini
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Michela Marafini
- 4Museo 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
- Alfredo Mirandola
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Matteo Morrocchi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Matteo Morrocchi
- 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
- Vincenzo Patera
- 2Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universit `a di Roma, Roma, Italy
- Francesco Pennazio
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
- Marco Pullia
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Alessandra Retico
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Angelo Rivetti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
- Manuel Dionisio Da Rocha Rolo
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
- Valeria Rosso
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Valeria Rosso
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
- Alessio Sarti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Alessio Sarti
- 2Dipartimento 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
- Angelo Schiavi
- 2Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universit `a di Roma, Roma, Italy
- Adalberto Sciubba
- 2Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universit `a di Roma, Roma, Italy
- Adalberto Sciubba
- 5Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione dei Laboratori di Frascati, Frascati, Italy
- Giancarlo Sportelli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Giancarlo Sportelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
- Sara Tampellini
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Marco Toppi
- 2Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universit `a di Roma, Roma, Italy
- Marco Toppi
- 5Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione dei Laboratori di Frascati, Frascati, Italy
- Giacomo Traini
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Giacomo Traini
- 4Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche “E. Fermi”, Roma, Italy
- Antonio Trigilio
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy
- Antonio Trigilio
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Serena Marta Valle
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy
- Francesca Valvo
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Barbara Vischioni
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, 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
- Maria Giuseppina Bisogni
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa, Italy
- DOI
- https://doi.org/10.3389/fonc.2022.929949
- Journal volume & issue
-
Vol. 12
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.
Keywords
- proton therapy
- in-beam PET imaging
- in-vivo treatment verification
- morphological changes
- inter-fractional range differences
- clinical trial