Frontiers in Physics (Jan 2021)
Detection of Interfractional Morphological Changes in Proton Therapy: A Simulation and In Vivo Study With the INSIDE In-Beam PET
- Elisa Fiorina,
- Elisa Fiorina,
- Veronica Ferrero,
- Guido Baroni,
- Guido Baroni,
- Giuseppe Battistoni,
- Nicola Belcari,
- Nicola Belcari,
- Niccolo Camarlinghi,
- Niccolo Camarlinghi,
- Piergiorgio Cerello,
- Mario Ciocca,
- Micol De Simoni,
- Micol De Simoni,
- Marco Donetti,
- Yunsheng Dong,
- Yunsheng Dong,
- Alessia Embriaco,
- Marta Fischetti,
- Marta Fischetti,
- Gaia Franciosini,
- Gaia Franciosini,
- Giuseppe Giraudo,
- Aafke Kraan,
- Francesco Laruina,
- Francesco Laruina,
- Carmela Luongo,
- Carmela Luongo,
- Davide Maestri,
- Marco Magi,
- Giuseppe Magro,
- Etesam Malekzadeh,
- Carlo Mancini Terracciano,
- Carlo Mancini Terracciano,
- Michela Marafini,
- Michela Marafini,
- Ilaria Mattei,
- Enrico Mazzoni,
- Paolo Mereu,
- Riccardo Mirabelli,
- Riccardo Mirabelli,
- Riccardo Mirabelli,
- Alfredo Mirandola,
- Matteo Morrocchi,
- Matteo Morrocchi,
- Silvia Muraro,
- Alessandra Patera,
- Vincenzo Patera,
- Vincenzo Patera,
- Vincenzo Patera,
- Francesco Pennazio,
- Alessandra Retico,
- Alessandra Retico,
- Angelo Rivetti,
- Manuel Dionisio Da Rocha Rolo,
- Valeria Rosso,
- Valeria Rosso,
- Alessio Sarti,
- Alessio Sarti,
- Alessio Sarti,
- Angelo Schiavi,
- Angelo Schiavi,
- Adalberto Sciubba,
- Adalberto Sciubba,
- Adalberto Sciubba,
- Elena Solfaroli Camillocci,
- Elena Solfaroli Camillocci,
- Elena Solfaroli Camillocci,
- Giancarlo Sportelli,
- Giancarlo Sportelli,
- Sara Tampellini,
- Marco Toppi,
- Marco Toppi,
- Giacomo Traini,
- Giacomo Traini,
- Serena Marta Valle,
- Francesca Valvo,
- Barbara Vischioni,
- Viviana Vitolo,
- Richard Wheadon,
- Maria Giuseppina Bisogni,
- Maria Giuseppina Bisogni
Affiliations
- Elisa Fiorina
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
- Elisa Fiorina
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Veronica Ferrero
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, 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, Universitá di Pisa, Pisa, Italy
- Niccolo Camarlinghi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Niccolo Camarlinghi
- Dipartimento di Fisica, Universitá 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
- Micol De Simoni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Micol De Simoni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Marco Donetti
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Yunsheng Dong
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, Milano, Italy
- Yunsheng Dong
- Dipartimento di Fisica, Universitá di Milano, Milano, Italy
- Alessia Embriaco
- 0Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Pavia, Italy
- Marta Fischetti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Marta Fischetti
- 1Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Gaia Franciosini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Universitá 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
- Aafke Kraan
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Francesco Laruina
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Francesco Laruina
- Dipartimento di Fisica, Universitá di Pisa, Pisa, Italy
- Carmela Luongo
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Carmela Luongo
- 2Dipartimento di Chimica, Universitá di Pisa, Pisa, Italy
- Davide Maestri
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Marco Magi
- 1Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Giuseppe Magro
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Etesam Malekzadeh
- 3Medical Physics Department, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
- Carlo Mancini Terracciano
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Carlo Mancini Terracciano
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- 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
- Riccardo Mirabelli
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Riccardo Mirabelli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Riccardo Mirabelli
- 4Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche “E. Fermi”, Roma, 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, Universitá 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
- Vincenzo Patera
- 1Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Vincenzo Patera
- 4Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche “E. Fermi”, Roma, Italy
- Francesco Pennazio
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, Torino, Italy
- Alessandra Retico
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Alessandra Retico
- Dipartimento di Fisica, Universitá 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, Universitá di Pisa, Pisa, Italy
- Alessio Sarti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Alessio Sarti
- 1Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Alessio Sarti
- 4Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche “E. Fermi”, Roma, Italy
- Angelo Schiavi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Angelo Schiavi
- 1Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Adalberto Sciubba
- 1Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Adalberto Sciubba
- 4Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche “E. Fermi”, Roma, Italy
- Adalberto Sciubba
- 5Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione dei Laboratori di Frascati, Roma, Italy
- Elena Solfaroli Camillocci
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Elena Solfaroli Camillocci
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, Roma, Italy
- Elena Solfaroli Camillocci
- 6Scuola di Specializzazione in Fisica Medica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy
- Giancarlo Sportelli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, Pisa, Italy
- Giancarlo Sportelli
- Dipartimento di Fisica, Universitá di Pisa, Pisa, Italy
- Sara Tampellini
- Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, Pavia, Italy
- Marco Toppi
- 1Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, Sapienza Universitá di Roma, Roma, Italy
- Marco Toppi
- 5Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione dei Laboratori di Frascati, Roma, 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
- 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, Universitá di Pisa, Pisa, Italy
- DOI
- https://doi.org/10.3389/fphy.2020.578388
- Journal volume & issue
-
Vol. 8
Abstract
In particle therapy, the uncertainty of the delivered particle range during the patient irradiation limits the optimization of the treatment planning. Therefore, an in vivo treatment verification device is required, not only to improve the plan robustness, but also to detect significant interfractional morphological changes during the treatment itself. In this article, an effective and robust analysis to detect regions with a significant range discrepancy is proposed. This study relies on an in vivo treatment verification by means of in-beam Positron Emission Tomography (PET) and was carried out with the INSIDE system installed at the National Center of Oncological Hadrontherapy (CNAO) in Pavia, which is under clinical testing since July 2019. Patients affected by head-and-neck tumors treated with protons have been considered. First, in order to tune the analysis parameters, a Monte Carlo (MC) simulation was carried out to reproduce a patient who required a replanning because of significant morphological changes found during the treatment. Then, the developed approach was validated on the experimental measurements of three patients recruited for the INSIDE clinical trial (ClinicalTrials.gov ID: NCT03662373), showing the capability to estimate the treatment compliance with the prescription both when no morphological changes occurred and when a morphological change did occur, thus proving to be a promising tool for clinicians to detect variations in the patients treatments.
Keywords
- proton therapy
- in vivo treatment verification
- in-beam pet
- range monitoring
- Monte Carlo simulation
- adaptive therapy