基于患者特异性呼吸曲线与动态拟人化胸部体模评估环形机架快扫锥束计算机断层成像（fast ring-gantry cone-beam computed tomography，fast ring-gantry CBCT）的肿瘤定位精度

《Physics and Imaging in Radiation Oncology》：Evaluation of tumor localization accuracy on fast ring-gantry cone-beam computed tomography using patient-specific breathing curves and a dynamic anthropomorphic thorax phantom

　　

背景与目的：环形机架系统上的快速锥束计算机断层成像（cone-beam computed tomography，CBCT）可改善图像质量并实现6秒快速采集。然而，6秒采集可能对移动肺肿瘤的靶区勾画及完整运动范围捕捉带来挑战，尤其对于呼吸周期慢（周期＞6 s）或不规则呼吸的患者，未必能保证捕获完整肿瘤运动。材料与方法：本研究利用本实验室具备同步成像能力的动态拟人化胸部体模，评估6秒与60秒CBCT扫描的靶区定位及体积精度。体模按正弦曲线及四条患者来源呼吸模式（含规律、慢呼吸及不规则呼吸）进行扫描。将6秒与60秒CBCT采集所得靶区位置及体积与参考的时间平均四维计算机断层成像（four-dimensional computed tomography，4DCT）重建的真值勾画进行比较，以评估6秒采集是否足以准确捕捉肿瘤运动。结果：对于正弦及规律患者来源运动模式，6秒与60秒CBCT采集均可捕获靶区运动（与4DCT相比Dice相似系数Dice Similarity Coefficient，DSC＞0.9）。大振幅情况下，仅三分之一的6秒扫描完整捕获靶区运动（DSC＞0.85）。对于慢呼吸及不规则患者来源呼吸模式，与4DCT相比，6秒采集出现最高达10.3 mm的定位误差及119%的体积差异，而60秒采集在定位及体积精度上均更优。结论：对于规律呼吸模式，6秒方案结果准确且可捕获完整靶区运动。对于呈现慢呼吸（周期＞6 s）或不规则呼吸的患者，建议采用考虑患者特异性呼吸周期及不规则性的自适应方案。

利用动态拟人化胸部体模与患者特异性呼吸曲线评估环形机架快扫锥束CT（HyperSight-CBCT）肺肿瘤定位与体积精度——论文解读

该研究发表于《Physics and Imaging in Radiation Oncology》。

一、研究背景与立题依据

在放射治疗中，四维计算机断层成像（four-dimensional computed tomography，4DCT）用于考量肿瘤运动并勾画内靶区（internal target volume，ITV），以补偿运动不确定度。在直线加速器上通常采用锥束计算机断层成像（cone-beam computed tomography，CBCT）进行摆位验证，但传统CBCT约需60秒采集，易受运动伪影影响。近年环形机架（ring-gantry）系统集成的快速CBCT（如Varian Halcyon搭载的HyperSight-CBCT，简称HS-CBCT）可在约6秒内完成采集，改善CT值精度使之可用于剂量计算，并为在线自适应放疗（online adaptive radiotherapy，OART）提供条件。然而，胸腹部肿瘤随呼吸运动，6秒短采集能否涵盖完整呼吸运动范围存疑——若患者呼吸周期长于6秒（约10%肺癌患者）或呼吸幅度高度不规则，可能致ITV定义偏差。既往研究结论尚不一致，且多用简易活塞推动球体模拟运动，解剖逼真度有限。因此，研究人员使用含真实肺解剖结构的动态拟人化（anthropomorphic）胸部体模，驱动以患者来源呼吸曲线，系统评估6秒与60秒HS-CBCT对肺肿瘤定位及体积测量的准确性。

二、主要关键技术方法

研究人员采用第二代动态拟人化胸部体模（Lustermans et al. 2024），由3D打印模拟骨、脂肪、肌肉、心脏及含内置肿瘤与支气管结构的压缩肺构成，配胸部运动系统（chest motion system，CMS）与肺压缩系统（lung compression system，LCS），并由实时反馈系统实现与射线触发同步的运动控制。选用五条呼吸曲线驱动体模：①理想化cos⁶正弦曲线（周期4.0 s，振幅15 mm）；②～⑤四例肺癌患者来源呼吸曲线——规律呼吸（周期4.4±0.4 s，振幅11.3±0.8 mm）、大振幅规律呼吸（周期6.2±0.6 s，振幅23.0±1.2 mm）、慢呼吸（周期9.7±1.9 s，振幅9.6±2.1 mm）、大振幅变异不规则呼吸（周期4.2±1.0 s，振幅10.5±5.1 mm，峰谷值5～28 mm）。参考4DCT于Siemens SOMATOM Definition Drive扫描仪采集，幅值分箱重建8个时相及平均强度投影（average intensity projection，AIP）。实验组CBCT于Halcyon环形机架以HS-CBCT协议采集：快扫模式6秒（管电压125 kV，曝光348 mAs，CTDI_vol6.6 mGy）与慢扫模式60秒（564 mAs，CTDI_vol10.7 mGy），均采用iCBCT Acuros迭代重建。HS-CBCT与平均4DCT行刚体配准后，由两名勾画者手动勾画左肺下球形实体肿瘤（体积3.49 cm³）并取轮廓均值。评估指标包括：头脚方向（superior-inferior，SI）质心偏移量（Δ_com）、绝对及相对体积差异（ΔV）、Dice相似系数（Dice Similarity Coefficient，DSC）。

三、研究结果

3. 再现性测试（Reproducibility testing）

研究人员在Trace 5不规则呼吸相同时间戳自动触发三次6秒HS-CBCT扫描，结果显示质心差异0.38～1.18 mm，DSC 0.87～0.92，表明成像流程与体模运动具良好再现性。

4. 临床工作流模拟——随机启动快扫（Fifteen fast-HS scans randomly during Trace 5）

研究人员在Trace 5中随机起始十五次6秒HS-CBCT采集以模拟日常治疗分次中不同成像时机，结果显示质心偏移范围为－10.3～1.7 mm；肿瘤体积较平均4DCT平均高估29%，最大高估170%；DSC 0.51～0.94。将十五次勾画按半数以上重叠 voxel取并集平均后，定位误差改善至－0.7 mm，体积差异16%，DSC 0.91。表明单次6秒CBCT在不规则大幅变呼吸下靶区勾画波动大，多帧融合可改善一致性，但日常单次扫描仍存肿瘤体积高估致正常组织过量照射风险。

5. 规律呼吸模式结果（Trace 1–3）

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  Trace 1（cos⁶正弦，周期4 s）：三次6秒扫描DSC均达0.90，质心差0.6～1.4 mm，体积差－2.6%～7.2%；60秒扫描DSC 0.94，均可捕获完整运动范围。快扫中出现局部CT值低至－1000 HU的伪影区。
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  Trace 2（规律患者呼吸，周期4.4 s）：6秒扫描质心差0.7～1.3 mm，体积差－7.8%～2.9%，DSC 0.91～0.93；60秒扫描质心差0.6 mm，体积差－6.5%，DSC 0.95，二者均准确。
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  Trace 3（大振幅规律呼吸，振幅≈23 mm，周期6.2 s）：6秒扫描体积差9%～25%，质心差0.5～2.1 mm，DSC降至0.83～0.88，出现明显运动模糊与球形靶区失真；60秒扫描质心差－0.3 mm，体积差6%，DSC 0.94。说明即便规律呼吸，大振幅时6秒短采集因不完全采样致几何畸变增大。

6. 慢呼吸与不规则呼吸代表性时段结果（Trace 4 & Trace 5 timed acquisitions）

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  Trace 4（慢呼吸，周期≈9.7 s）：仅采呼气相或仅采吸气相的6秒CBCT分别致质心偏移5.2 mm及相近偏差，体积低估－31%，DSC 0.76～0.79；跨越最大吸气至最大呼气的6秒扫描改善为体积差－12%，DSC 0.89；60秒扫描体积差－13%，DSC 0.91。证实呼吸周期超扫描时长时，若6秒窗口未覆盖全幅运动则定位与体积严重偏差。
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  Trace 5（不规则振幅变异）：对应于小、中、大幅度时段的6秒扫描分别致质心偏移1.8 mm、－4.0 mm、－10.3 mm，体积高估6%、38%、119%，DSC依次为0.89、0.76、0.57；60秒扫描质心偏移－2 mm，体积高估24%，DSC 0.86，定位较6秒稳定。显示不规则大幅呼吸下6秒CBCT可严重低估或高估靶区位置与体积。

四、讨论与结论总结

研究人员指出，对于周期＜6秒的规律呼吸，6秒HS-CBCT可充分捕获靶区完整运动范围，定位与体积精度可接受；但对于呼吸周期超过6秒或呼吸幅度高度不规则的患者，6秒采集依起始相位不同可能仅采样部分呼吸行程，致质心偏移最高＞10 mm、体积误差＞100%。此与Zhao等人所述相位依赖性相符。大振幅规律呼吸时6秒CBCT也出现较明显运动模糊使靶区形状失真。作者建议对慢/不规则呼吸患者监测采集时呼吸信号或采用屏气技术，并考虑启用更长采集时间（如60秒）或患者特异性呼吸周期判定的自适应成像协议。研究局限含体模暂缺可扩张肋骨及多向肿瘤运动模拟、仅以平均4DCT为参照、未评估中间扫描时长（如15秒）及腹盆部位适用性。

原文结论翻译如下：

6秒采集方案在规律呼吸模式下显示出准确结果，可捕获完整靶区运动。对于呈现慢呼吸（呼吸周期＞6秒）或不规则呼吸的患者，推荐采用考虑患者特异性呼吸周期及不规则性的自适应方案。

Data availability：研究数据集存于Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.17256015)。