We summarize recent results and ongoing activities in mathematical algorithms and computer science methods related to proton computed tomography (pCT) and intensity-modulated particle therapy (IMPT) treatment planning. Proton therapy necessitates a high level of delivery accuracy to exploit the selective targeting imparted by the Bragg peak. For this purpose, pCT utilizes the proton beam itself to create images. The technique works by sending a low-intensity beam of protons through the patient and measuring the position, direction, and energy loss of each exiting proton. The pCT technique allows reconstruction of the volumetric distribution of the relative stopping power (RSP) of the patient tissues for use in treatment planning and pre-treatment range verification. We have investigated new ways to make the reconstruction both efficient and accurate. Better accuracy of RSP also enables more robust inverse approaches to IMPT. For IMPT, we developed a framework for performing intensity-modulation of the proton pencil beams. We expect that these developments will lead to additional project work in the years to come, which requires a regular exchange between experts in the fields of mathematics, computer science, and medical physics. We have initiated such an exchange by organizing annual workshops on pCT and IMPT algorithm and technology developments. This report is, admittedly, tilted toward our interdisciplinary work and methods. We offer a comprehensive overview of results, problems, and challenges in pCT and IMPT with the aim of making other scientists wanting to tackle such issues and to strengthen their interdisciplinary collaboration by bringing together cutting-edge know-how from medicine, computer science, physics, and mathematics to bear on medical physics problems at hand.


翻译:我们总结了与质子计算断层学和强度调制粒子治疗规划有关的数学数学算法和计算机科学方法的最新结果和当前活动;质子疗法需要高水平的交付准确度,以利用布拉格峰值所显示的选择性目标;为此,质子光束本身利用质子光束来创造图像;通过病人发送低强度质子波束和测量每个退出质子的位置、方向和能量损失的技术工作;pCT技术允许重建病人组织相对停止力(RSP)的体积分布,用于治疗规划和预处理范围核查;我们调查了使重建既有效又准确的新方法;PCT利用质子束本身来创造图像;对于IMPT来说,我们开发了一个对质子子子核磁力调节器的系统;我们开发了一个框架,用来通过测量质子核元子铅笔的强度调整;我们预计这些发展将在未来几年里导致更多的项目工作,这需要在数学、计算机、数学和物理学领域进行定期的专家交流;我们从数学、计算机、数学和物理学领域开始了这种研究、数学和数学研究方法,我们从组织了一个关于这种理论和数学的理论的周期性研究,我们从组织了一个框架到一个研究,我们从研究到了一个关于这种理论学和数学和数学和物理学的研究和物理学的研究和物理学的研究。

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