《Physica Medica》：Respiratory gated proton therapy for liver cancer: Setup and gating validation based on fiducial marker motion extracted from 2D kV projection images acquired during cone-beam CT
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目的：探讨利用锥形束CT（Cone-Beam CT，CBCT）投影图像改进肝癌呼吸门控质子治疗（Proton Therapy，PT）中摆位及门控验证的可行性。方法：回顾性分析15例接受外部标记块（RPM系统）引导呼吸门控质子治疗的肝癌患者资料，每例患者采集5次
目的：探讨利用锥形束CT（Cone-Beam CT，CBCT）投影图像改进肝癌呼吸门控质子治疗（Proton Therapy，PT）中摆位及门控验证的可行性。方法：回顾性分析15例接受外部标记块（RPM系统）引导呼吸门控质子治疗的肝癌患者资料，每例患者采集5次自由呼吸摆位CBCT，共75套。研究人员在CBCT二维kV投影图像中回顾性分割植入之 fiducial marker，重建三维 marker 轨迹并与同步记录的外部RPM信号匹配，进而评估：（1）在线手动CBCT marker配准之摆位精度；（2）CBCT采集期间内部运动幅度与计划四维CT（4DCT）运动之差异；（3）外部门控开启（gate on）期间内部靶区实际运动相对计划门控窗之偏差。结果：（1）在线marker配准误差均值为0.0?±?0.4?mm（左右，LR）、1.4?±?0.9?mm（头尾，CC）、?0.6?±?0.6?mm（前后，AP）。（2）CBCT采集期间marker全幅CC方向运动均值为17.7?±?4.4?mm，50百分位运动为5.6?±?2.4?mm；CBCT与4DCT全幅运动差值为5.8?±?4.0?mm，50百分位运动差值缩小至1.0?±?2.1?mm。（3）外部RPM门控开启期间，内部CC方向运动超出4DCT计划内50%门控窗大于3?mm的时间占比仅为1.2?±?2.6%。结论：对CBCT原始投影图像进行详细分析可为肝癌质子治疗提供重要的治疗前摆位确认与门控有效性验证，该方法具备在线实施之可行性。
论文解读——《Physica Medica》刊载研究：基于CBCT投影图像 fiducial marker 运动提取的肝癌呼吸门控质子治疗摆位与门控验证
一、研究背景与立题依据
肝细胞癌（Hepatocellular Carcinoma，HCC）患者若不适合手术或射频消融，放射治疗可获得约90%的局部控制率。但由于放射性肝损伤（Radiation-Induced Liver Disease，RILD）风险，常规光子放疗应用受限。质子治疗（Proton Therapy，PT）凭借Bragg峰特性可实现更好的正常肝组织保护，适用于HCC。然而质子治疗剂量分布对几何位置高度敏感，呼吸引起的肝脏肿瘤运动可造成显著剂量不确定度。呼吸门控（Respiratory Gating）技术——通常在呼气相附近以50%占空比（Duty Cycle）触发束流——可减小运动影响，但临床多依赖腹壁外部标记块（Real-time Position Management，RPM系统）间接推断内部靶区运动，其前提是内外运动相关性在治疗全程保持稳定，而这一点无法仅凭常规三维或四维CT（4DCT）及重建后CBCT（Cone-Beam CT）验证。此外，自由呼吸CBCT因运动模糊使 fiducial marker（植入式金/铂标记物）配准存在主观误差，且重建体数据丢失时间分辨信息，无法评估门控期真实内部运动。已有研究表明可从CBCT二维kV投影图像中分割 fiducial marker 并重建三维轨迹（Kilovoltage Intra-fraction Monitoring，KIM方法），本研究旨在验证该方法用于肝癌呼吸门控质子治疗日常摆位核查与门控一致性验证的临床价值。
二、主要关键技术方法
研究人员纳入2022年4月至2023年9月间于奥胡斯大学医院接受笔形束扫描质子治疗（Varian ProBeam系统）之HCC患者，按伦理批准方案（NCT05203120）植入2–3枚Visicoil fiducial marker，行10时相2?mm层厚4DCT规划。排除数据不全者后共15例，每例取5次治疗前自由呼吸CBCT（共75套）。回顾性从CBCT约700帧原始二维kV投影图像中自动分割 fiducial marker 位置，经人工核查校正后用KIM概率法估算三维 marker 质心（centroid）运动轨迹；同时从RPM日志提取外部腹压块前后（AP）向运动，借助附着于RPM块的钨球在CBCT投影中可见性完成内–外运动时序同步。基于此同步数据集分别分析：（1）将轨迹推导之最优呼气末配准位移与实际在线手动CBCT marker配位所用床移比较得摆位配准误差；（2）CBCT采集期全幅及单呼吸周期内部运动幅度与4DCT运动比较；（3）外部RPM门控开启期内内部运动超计划4DCT 50百分位（即iCTV内运动）门控窗之时间比例。
三、研究结果
3.1 Acquired motion data
CBCT投影中 marker 全程在视野内的平均有效轨迹长度为30.6?±?9.9?s，75次CBCT共识别448个独立呼吸周期。
3.2 Setup accuracy
在线手动CBCT marker配准误差均值（±标准差）为LR方向0.0?±?0.4?mm（最大1.4?mm）、CC方向1.4?±?0.9?mm（最大3.7?mm）、AP方向?0.6?±?0.6?mm（最大2.5?mm），三维矢量误差均值1.7?±?0.8?mm（最大4.4?mm），90百分位三维误差为2.9?mm。表明尽管存在呼气相运动模糊及主观判断因素，现行手动配准精度临床可接受，但有轻微系统性颅向过移（1.4?mm）。
3.3 Motion during free-breathing CBCT acquisition compared with planning 4DCT
CBCT采集期间 marker 全幅CC方向运动均值17.7?±?4.4?mm，4DCT全幅CC运动均值11.9?±?3.2?mm，二者差5.8?±?4.0?mm；而取50百分位（对应50%门控占空比）运动时CBCT为5.6?±?2.4?mm，4DCT为4.6?±?2.0?mm，差值降至1.0?±?2.1?mm。单呼吸周期运动与4DCT接近（CC分别为13.6?mm与11.9?mm）。说明全幅运动日间变异较大，但呼气相附近运动较稳定，呼吸门控可有效减小计划–治疗间运动差异。
3.4 Internal motion during CBCT acquisition when the external RPM gate was on
外部RPM门控开启期内内部CC方向运动均值7.7?±?2.5?mm，较非门控全幅17.7?mm降低56%，平均较4DCT计划50百分位门控窗大3.0?±?2.3?mm。门控开启期中内部CC向运动超出计划4DCT 50百分位门控窗之时间占比：>0?mm为15.0?±?13.5%、>1?mm为7.7?±?8.6%、>2?mm为3.4?±?5.0%、>3?mm为1.2?±?2.6%、>5?mm为0.1?±?0.4%。LR与AP方向类似规律，LR因本底运动极小对微小偏移敏感。总体而言外部–内部门控一致性基本满足临床要求，极少时间出现显著超限。
四、讨论与结论总结
讨论指出，自由呼吸CBCT重建图像中 fiducial marker 因呼吸运动产生模糊影，手动配准具主观性，本研究证实其误差在临床允许范围但有改进空间，建议发展基于投影图像轨迹之自动配准。CBCT与4DCT全幅呼吸幅度存在差异系4DCT仅采样单一呼吸周期所致，而50百分位（近呼气相）运动变异性明显更小，佐证呼气相门控不仅缩减运动幅度也减小计划–治疗间变异。外部RPM门控与内部运动非完全线性关联，但通过CBCT投影图像同步内外运动可定量验证门控一致性，本研究中超限时间极少。此方法无需专用透视设备，可利用既有CBCT投影数据实现摆位核实与门控校验，未来结合可靠自动 marker 分割可在线应用。研究亦提及 fiducial marker 可致质子束微小扰动（空心Visicoil影响小于实心柱形标记），且未涉及治疗中子束出束期持续监测及剂量学后果。
结论（翻译）：研究人员发现，对CBCT原始投影图像进行详细分析，可为肝癌呼吸门控质子治疗提供重要的治疗前摆位确认与门控有效性验证。受运动模糊影响在线手动 marker 配准存在不确定度但误差可接受。以50%占空比行呼气相呼吸门控可显著降低运动幅度及相对于计划4DCT的运动变异。外部与内部运动具可接受的一致性，治疗前CBCT采集期间外部RPM门控开启时内部运动超出计划4DCT 50%门控窗之时间极少。该方法具备在线实施可行性，有望提升日常CBCT成像在质子治疗中的效用。
