Development of a CT-number parameterization method and validation for Monte Carlo simulation of carbon-ion radiotherapy; A Preliminary study

CT-物質変換手法の開発と炭素線治療のモンテカルロシミュレーションによる検証; 予備研究

Chang, W.*; 古場 裕介*; 古田 琢哉   ; 米内 俊祐*; 橋本 慎太郎  ; 松本 真之介*; 佐藤 達彦   

Chang, W.*; Koba, Yusuke*; Furuta, Takuya; Yonai, Shunsuke*; Hashimoto, Shintaro; Matsumoto, Shinnosuke*; Sato, Tatsuhiko

放射線治療の計画装置では、計算時間の短縮を図るため、全ての物質を水に置換して、密度のみを変化させた計算がしばしば行われる。一方、治療を模擬したモンテカルロシミュレーションでは、患者のCT画像データから元素組成と密度の分布を導出する必要がある。特に、炭素線治療の二次がんリスクの評価においては、入射炭素イオンと体内物質との核反応によって生じる二次粒子が重要となるため、物質の違いが本質的な問題となる。そこで、治療計画を適切に再現し、二次粒子の輸送を正確に記述するモンテカルロシミュレーションを実行する目的で、治療計画装置で採用された水置換と一貫するCT値から元素組成と物質密度を導出する手法を考案した。ここでは、生体組織の元素組成はICRP Publication 110を参照し、炭素線の生体組織内での阻止能を治療計画装置の水阻止能表に一致するようにCT値に対応する生体組織の密度を決定する。9種類の異なる生体組織に対して、治療計画装置による計算結果とPHITSを用いたモンテカルロシミュレーションの計算結果を比較したところ、全ての物質において1mm以内で炭素線の飛程が一致し、本手法の妥当性が確認できた。

In the treatment planning system (TPS) for radiotherapy, approximate calculation by replacing all materials with water and accounting only the density variation is adopted to reduce the computational cost. On the other hand, conversion from patient CT data to elemental compositions and densities is required to conduct Monte Carlo simulation. Especially for the assessment of secondary cancer risk in carbon therapy, secondary particles produced in the nuclear reaction between incident carbons and human tissues are important so that the difference of the elemental compositions is essential. We have therefore developed a method to convert CT number to human tissues keeping the consistency with the water stopping power table embedded in TPS. We applied this conversion method to 9 different human tissues and confirmed the range of carbon beams are reproduced within 1 mm precision for all the materials.