4D-in-beam-PET für periodisch bewegte Phantome bei Bestrahlung mit einem mitbewegten 12C-Strahl

Fragestellung
In-beam-PET ist die bislang einzige Methode zur in vivo und in situ Überwachung der Dosisapplikation bei der Ionenstrahltherapie. Sie wurde in einem Pilotprojekt am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt bei der 12C-Bestrahlung von über 400 Patienten mit unbeweglichen Tumoren im Kopf-Halsbereich erfolgreich eingesetzt. Die geplante Anwendung der Ionenstrahltherapie auf, v. a. atmungsbedingt, intrafraktionell bewegliche Tumoren erfordert eine Erweiterung der in-beam-PET-Datenrekonstruktion. Die Notwendigkeit einer zeitaufgelösten (4D) Auswertung und die Qualität der damit reproduzierbaren Aktivitätsverteilung werden anhand experimenteller Daten dargestellt.

Methodik
Ein PMMA-Phantom wurde mittig im Gesichtsfeld des Doppelkopf-PET-Scanners BASTEI am ehemaligen medizinischen Bestrahlungsplatz der GSI positioniert und senkrecht zur Einstrahlrichtung periodisch (sinusförmig, Amplitude = 10 mm, Periode ≈ 3,5 s) ausgelenkt. Mit einem monoenergetischen 12C-Bleistiftstrahl wurde eine im Bereich des Bragg-Peaks homogene, linienförmige Dosisverteilung parallel zur Bewegungsrichtung im Target appliziert. Für die Bestrahlung wurde ein neuartiges Tracking-System benutzt, welches die Strahlrichtung der aktuellen Phantomauslenkung anpasst. Im Verlauf der Bestrahlung entsteht durch Kernfragmentierungen eine der Dosisverteilung ähnliche +-Aktivitätsverteilung aus v. a. 11C und 15O. Die entsprechende Annihilationsstrahlung sowie die Targetbewegung werden während der Bestrahlung (≈ 85 s) und weitere 5 min danach detektiert. Die gemessenen Ereignisse werden unter Berücksichtigung der Detektoreffektivität und einer Schwächungskorrektur rückprojiziert und mit einer Referenzaktivität aus einer zweiten, identischen Bestrahlung und Aktivitätsmessung jedoch ohne Phantombewegung verglichen. Für eine 4D-Auswertung werden zuerst in einem zusätzlichen Zwischenschritt die Koinzidenzen entsprechend der Bewegungsamplitude oder -phase sortiert und die einzelnen Rückprojektionen werden anschließend zusammengeführt.

Ergebnis
Ohne Berücksichtigung der Phantombewegung ist die Aktivitätsverteilung entlang der Bewegungsrichtung über die Targetgrenzen hinaus verschmiert. Sie weicht im Hochdosisbereich bis zu 22 % von der statischen Referenz ab und die Breite des lateralen 80–20%-Aktivitätsabfalls vergrößert sich von 7,6 mm für die Referenz auf 17,2 mm. Bei der 4D-in-beam-PET bleibt diese mit 8,3 mm innerhalb der Fehlergrenzen erhalten und der maximale Unterschied zur Referenz beträgt nur 4 %.

Schlussfolgerung
Bereits bei geringen Bewegungsamplituden ist eine 4D-Rekonstruktion erforderlich, da andernfalls nicht die tatsächlich applizierte Dosisverteilung verifiziert werden kann. Bei genauer Kenntnis des Bewegungsverlaufes reproduziert die vorgestellte 4D-in-beam-PET die Aktivitätsverteilung im Phantom innerhalb statistischer Schwankungen. Weitere Experimente für komplexe Targetgeometrien, Dosisverteilungen und Bewegungsabläufe sind erforderlich.