受试者运动及采集时间对圆锥束CT引导的自适应治疗的影响：新型6秒快速扫描方案的应用

《MEDICAL PHYSICS》：Effects of subject motion and acquisition time on cone-beam CT-guided adaptive therapy for novel 6 second fast scanning protocols

　　本研究评估了快速锥束CT（CBCT）成像中患者运动对放射治疗计划的影响，对比了16.6秒和6秒CBCT系统与诊断用扇形束CT（FBCT）的几何畸变、自动轮廓精度及剂量分布。结果表明，快速CBCT在运动中仍能保持较高几何精度，但6秒系统在减少图像模糊方面优于16.6秒系统，同时需注意运动周期与成像时间的匹配。

　　

摘要

背景

锥形束CT（CBCT）技术的最新进展显著提高了图像质量，从而促进了基于CBCT的在线自适应放疗（ART）的应用。然而，患者运动对这些新型快速采集方法对ART的影响尚未完全了解。

目的

本研究旨在评估患者运动对CBCT引导ART关键任务的影响，通过比较新型快速CBCT采集协议与不同时空采样模式下的诊断用扇形束CT（FBCT）来进行分析。

方法

使用两种快速CBCT系统（Halcyon，Varian Medical Systems；HyperSight，Varian Medical Systems）对两个模型进行了成像，以研究运动对图像质量的影响：一个是仿真人体腹部模型，另一个是带有材料插件的圆柱形模型。这两种系统的采集时间分别为16.6秒（记为CB-16.6）和6秒（记为CB-6）；同时还使用了一个扇形束CT（FB-0.5）系统（Brilliance BigBore，Philips）进行对比。对于仿真人体模型，通过将每张图像与静止模型的FB-0.5扫描结果进行变形配准，并分析所得到的运动矢量场（MVF）来评估几何失真。所有图像均采用经过验证的深度学习方法进行自动轮廓提取，并通过Dice相似系数（DSC）进行评估。通过基于CBCT的模拟自适应规划研究，评估了合成CT工作流程的剂量输送精度，比较了模拟剂量分布的Paddick一致性指数（CI）。对于圆柱形模型，通过测量和计算插件的边缘扩散函数（ESF）和圆度误差，来评估更符合复杂患者运动特征的3D运动模式。

结果

与FB-0.5相比，CB-16.6和CB-6在存在周期性及非周期性运动的情况下表现出更低的几何失真。在周期性运动条件下，使用FB-0.5进行自动轮廓提取时，平均DSC值最高（范围为0.78–0.99），其次是CB-6（0.67–0.86），然后是CB-16.6（0.62–0.86）。在非周期性运动条件下，使用FB-0.5进行自动轮廓提取时，平均DSC值同样最高（范围为0.72–0.80），其次是CB-6（0.67–0.80），然后是CB-16.6（0.64–0.84）。对于周期性运动，FB-0.5系统的CI差异最大，分别为-0.249、-0.007和-0.002；对于非周期性运动，FB-0.5的变化也最大，其次是CB-16.6和CB-6，CI值分别为-0.122、-0.040和-0.002。对于圆柱形模型，CB-6在降低模糊和条纹伪影方面表现更好，无论是低对比度还是高对比度的边缘，其边缘清晰度都得到了显著提升。

结论

CB-16.6和CB-6为ART提供了高质量的图像。与FB-0.5相比，快速CBCT在运动存在的情况下虽然会导致更多的模糊和条纹现象，但几何失真显著降低，从而在模拟的ART工作流程中减少了剂量输送误差。复杂的3D运动模型研究结果支持了一维平移模型研究观察到的趋势。更快的CBCT采集速度（6秒对比16.6秒）减少了模糊现象，提高了自动轮廓提取的性能，无论是在周期性还是非周期性运动情况下；但必须仔细管理运动周期与6秒图像采集时间之间的关系。

利益冲突声明

D.A.从Voximetry Inc.获得咨询费用；D.A.、A.L.、K.T.、J.S.、A.S.和W.H.从Varian Medical Systems获得资助；T.L.在Varian Medical Systems任职；M.S.受邀参加2024年Siemens创新研讨会和关于HyperSight的网络研讨会。

数据可用性声明

研究数据存储在机构仓库中，可根据相应作者的要求提供。