锥形束CT后处理方法在前列腺癌在线自适应质子治疗中的比较研究

《Physics and Imaging in Radiation Oncology》：Comparison of cone beam computed tomography post-processing methods for online adaptive proton therapy of prostate cancer

本研究针对锥形束CT(CBCT)在在线自适应质子治疗(OAPT)中CT值精度不足的问题，比较了四种CBCT后处理方法的剂量计算准确性。研究发现高端的HyperSight CBCT系统可直接用于质子剂量计算，所有方法均显示OAPT相比非自适应治疗的剂量学优势，为CBCT引导的质子治疗临床应用提供了重要依据。

　　

在放射治疗领域，精准投照始终是追求的目标。光子放疗已通过在线自适应技术实现每日计划调整，但质子治疗这一更精准的武器却因成像瓶颈而难以发挥全部潜力。质子束对组织密度变化极为敏感，需要精确的CT值来推算质子射程，而传统锥形束CT(CBCT)的图像伪影和CT值不准确问题，成为在线自适应质子治疗(OAPT)临床推广的主要障碍。

目前OAPT依赖室内CT成像，但大多数质子中心受空间限制无法安装。虽然CBCT可安装在质子治疗机架上，但其图像质量尚不能满足质子剂量计算要求。尽管已有多种CBCT校正方法被研究，但均未获得FDA或MDR批准用于质子治疗。这种困境促使研究人员探索高精度CBCT系统在前列腺癌质子治疗中的应用潜力。

这项发表在《Physics and Imaging in Radiation Oncology》的研究，由苏黎世联邦理工学院团队领衔，首次系统评估了FDA批准的在线自适应放疗CBCT系统用于质子剂量计算的可行性。研究团队创新性地比较了四种CBCT后处理策略，为CBCT引导的质子治疗提供了重要证据。

研究采用的关键技术方法包括：基于HyperSight高端CBCT系统的直接剂量计算、直方图匹配校正、形变图像配准以及含空腔校正的形变CT技术。研究纳入了10例原本接受5次在线自适应光子放疗的前列腺癌患者队列，使用蒙特卡洛剂量引擎MOQUI进行评估，同时模拟了非适应性和在线适应性两种治疗场景。

图像校准和后处理方法研究比较了四种CBCT后处理策略：临床CBCT应用专用的HLUT_CBCT校准、直方图校正匹配计划CT、形变CT配准以及含空腔校正的形变CT。HyperSight系统采用扩大X射线面板和先进散射校正技术，使图像质量接近扇形束CT水平。每种方法都采用特定的校准流程，确保比较的公平性。

剂量计算和治疗模拟结果显示，所有CBCT策略在非适应性治疗模拟中均表现出相似的剂量分布趋势，与计划剂量相比，靶区覆盖度下降而直肠剂量增加。CBCT_clinical方法显示出最大的偏差，特别是在偏离校准几何形状的肥胖患者中观察到明显的剂量差异。3%/3mm伽马通过率平均达到98.6%以上，证明大多数情况下剂量计算具有可比性。

CBCT策略对剂量计算的影响分析显示，不同体重患者的响应存在显著差异。正常体重患者各种方法结果一致，而肥胖患者中CBCT_clinical计算的剂量出现明显过高估计，导致靶区剂量不足。这种差异在质子束末端范围区域尤为明显，最大差异达15Gy(RBE)，凸显了患者几何形状对CBCT校准的重要性。

CBCT策略对计划适应的影响评估表明，在线自适应质子治疗能够有效恢复计划质量。各方法适应的计划在靶区覆盖和器官保护方面均优于非适应性治疗。然而，当将不同方法适应的计划在参考方法dCT_{air, corr}上重新计算时，CBCT_clinical优化的计划出现靶区过量照射，反映了基于次优图像适应的风险。

研究讨论部分深入分析了各种方法的优劣平衡。形变方法保持高CT值精度但仅部分代表当日解剖结构，直方图校正CBCT准确反映解剖但仅模拟计划CT的CT值。CBCT_clinical直接反映当日解剖，但CT值稳定性受患者体型影响。对于接近校准体模几何形状的患者，直接CBCT剂量计算和适应具有优势，而存在显著解剖变化时则需要专门的空腔校正方法。

该研究的创新之处在于首次使用临床批准的CBCT系统评估质子剂量计算，为OAPT的临床转化提供了实用指导。研究表明，高端CBCT系统能够满足前列腺癌质子治疗的精度要求，而针对特殊患者群体的补充校正技术可进一步提升适应效益。这一发现为克服质子治疗空间限制、推动CBCT引导的自适应质子治疗临床应用奠定了重要基础，将有助于更多患者受益于精准质子治疗技术。

未来，随着能谱CT等先进成像技术的发展，结合光束硬化校正算法，有望进一步克服CBCT的局限性。同时，针对不同临床场景选择适当的校正策略，并配合范围鲁棒性优化，将最大化在线自适应质子治疗的临床价值。这项研究为质子治疗领域的下一阶段发展指明了方向，标志着精准放射治疗向个性化、自适应化迈出了重要一步。