DINOMotion：利用DINOv2在二维电影MRI引导的放射治疗中实现的高级鲁棒组织运动追踪

《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》：DINOMotion: Advanced Robust Tissue Motion Tracking With DINOv2 in 2D-Cine MRI-Guided Radiotherapy

DINOMotion基于DINOv2与LoRA构建，通过自动检测影像对应landmark实现高效、可解释的实时运动跟踪，有效处理大幅位移问题，实验显示其Dice分数达92.07%-95.23%，处理速度约30ms，显著优于现有方法。

　　

摘要：

在2D-Cine MRI引导的放射治疗中，精确的组织运动跟踪对于确保治疗效果和安全性至关重要。这通常是通过序列图像的配准来实现的，但现有方法常常面临较大的错位问题和缺乏可解释性的挑战。在本文中，我们介绍了一种名为DINOMotion的新深度学习框架，该框架基于DINOv2并结合了低秩适应（LoRA）层，以实现稳健、高效且可解释的运动跟踪。DINOMotion能够自动检测对应的标志点，从而得出最优的图像配准结果，并通过提供序列图像之间的明确视觉对应关系来提高可解释性。LoRA层的集成减少了可训练参数的数量，提高了训练效率；而DINOv2强大的特征表示能力使其能够抵御较大的错位。与基于迭代优化的方法不同，DINOMotion在测试时直接计算图像配准结果。我们在志愿者和患者数据集上的实验表明，该方法在估计线性和非线性变换方面均表现出色，肾脏的Dice分数达到了92.07%，肝脏为90.90%，肺部为95.23%，相应的Hausdorff距离分别为5.47毫米、8.31毫米和6.72毫米。DINOMotion处理每张扫描图像的时间大约为30毫秒，并且始终优于现有的最先进方法，尤其是在处理较大错位时表现更佳。这些结果凸显了其在2D-Cine MRI引导的放射治疗中作为稳健且可解释的运动跟踪解决方案的潜力。

引言

医学成像技术的最新进展使得MRI引导的放射治疗得以商业化，可能为临床实践中的图像引导治疗树立新的标准[1]、[2]。这项创新将用于外照射放疗的直线加速器与磁共振成像（MRI）扫描仪结合在一起，允许在治疗过程中实时可视化肿瘤及其周围器官[3]、[4]。2D-Cine MRI的实时采集提供了连续的成像，能够捕捉到目标组织和周围器官的各种运动，如缓慢的漂移和突然的位移[5]。这一能力使得能够监测移动的肿瘤和风险器官，极大地提高了治疗的准确性、有效性和安全性。在临床环境中，对这些区域的精确运动跟踪对于精确的放射剂量传递至关重要。这通常是通过在不同时间点获取的图像进行配准来实现的。通过自动将序列图像与参考模板对齐，可以准确检测和量化患者的运动，确保放射线精确地照射肿瘤而不伤害健康组织。这种实时运动跟踪对于调整放射剂量传递至关重要[6]，从而改善临床效果。虽然2D-Cine MRI为实时运动提供了关键信息，但有效的运动管理不仅需要成像技术，还需要快速、可靠且稳健的定位技术。在这项工作中，我们专注于通过先进的基于定位的图像配准方法来增强运动跟踪能力，实现患者运动的连续和自动化跟踪，以便及时调整放射剂量。