采用超低剂量体积4D-CT结合帧平均技术进行高保真呼吸运动评估并提升图像质量的可行性

《MEDICAL PHYSICS》：Feasibility of ultra-low-dose volumetric 4D-CT with frame averaging for high-fidelity respiratory motion assessment and improved image quality

超低剂量体积4D-CT成像结合回溯帧平均技术可有效提升图像质量并准确捕捉肿瘤呼吸运动，为放疗规划提供非侵入性解决方案。

　　

摘要

背景

精确模拟呼吸引起的肿瘤运动对于放疗计划至关重要，尤其是在治疗胸部和腹部恶性肿瘤时。虽然四维计算机断层扫描（4D-CT）仍然是运动评估的临床标准方法，但它无法实现真正的动态成像。相比之下，超低剂量体积4D-CT（v4D-CT）通过扩展轴向视野并在较长的采集时间内分散辐射剂量，实现了真正的动态成像。然而，这种技术通常会产生次优的、无法用于诊断的图像质量。

目的

本研究评估了一种新型的超低剂量v4D-CT成像协议，旨在通过回顾性帧平均技术准确捕捉肿瘤运动并提高图像质量。

方法

使用宽场体积CT系统，在一个固定位置进行了30秒的连续超低剂量扫描。使用Catphan 504模体（用于图像质量评估）和QUASAR运动模体（用于运动分析），并添加了扩展环以模拟大型患者解剖结构，在20 mA的辐射剂量下进行成像。在图像空间（IS-FA）和投影空间（PS-FA）中进行了帧平均处理，以提高图像质量。使用Catphan模块评估了关键的图像质量指标，包括CT数值均匀性、噪声、空间分辨率、信噪比（SDNR）和Hounsfield单位（HU）的准确性，并与300 mA和700 mA的参考扫描结果进行了对比。通过QUASAR模体的球形插入物（直径：0.5、1.0、2.0和3.0厘米）进行运动跟踪和分割准确性评估，这些插入物模拟了患者信号的1厘米峰峰值运动。准确性通过决定系数（r²）和DICE相似系数进行量化。

结果

帧平均显著改善了所有评估的图像质量指标。IS-FA在噪声抑制和对比度增强方面表现优异，尽管空间分辨率略有下降。相比之下，PS-FA保持了空间分辨率，其噪声特性与参考扫描结果在统计学上无显著差异（p > 0.4），接近300 mA和700 mA时的图像质量。在20 mA的辐射剂量下，可以清晰地观察到肿瘤并实现运动跟踪，对于直径≥2.0厘米的插入物，分割准确性与真实值具有高度相关性（r² > 0.99）和分割准确性（DICE > 0.95）。

结论

超低剂量v4D-CT结合回顾性帧平均技术能够提供准确的呼吸运动特征描述，并显著提高图像质量。这种技术为放疗计划中的患者特异性运动建模提供了一种可行的、非侵入性的替代方法。

利益冲突声明

Hatem Mehrez是Canon Medical Systems的员工。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向相应作者提出合理请求后获取。