《Frontiers in Oncology》：Prior information-based subtraction radiography for enhanced tumor visibility in image-guided radiotherapy
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本文提出了一种创新的成像技术——基于先验信息的减影（PIBS）X射线成像，用于增强传统二维X射线图像中的肿瘤可见性。该方法利用来自计划CT的先验解剖信息，从治疗日X射线图像中减去非必需（NE）组织的信号贡献，从而显著提升了肺部肿瘤的对比度。研究通过体模实验验证了其可行性，结果表明PIBS X射线能在所有投照角度和肿瘤位置下提供更好的肿瘤可视化效果，为精准的实时肿瘤运动追踪和患者摆位带来了新希望。该技术无需额外成像剂量，有望整合到现有临床工作流，改善肺癌放射治疗的准确性和疗效。
在图像引导放射治疗中，二维X射线成像因解剖结构重叠导致肿瘤可视性有限。为了克服这一挑战，一种名为“基于先验信息的减影”成像的新方法被提出，旨在通过利用计划CT中提供的解剖先验知识，增强二维X射线图像中的肿瘤可视化。
引言
放射治疗利用在轨成像技术，将患者摆位与计划CT的设定对齐，以确保肿瘤在每日治疗中精确位于预先优化的放射野内。然而，X射线成像，特别是二维X射线，由于软组织对比度低和解剖结构重叠，在肿瘤可视化方面存在显著局限。虽然锥形束CT提供了更好的内部解剖视图，但其成像剂量更高、采集速度较慢，不适合实时追踪肿瘤运动。因此，直接在二维X射线上增强肿瘤可见性具有重要的临床价值，例如更低的成像剂量、更快的采集速度，以及实现连续二维X射线成像对肿瘤运动的直接追踪，而非依赖替代物的运动信号。
目前的研究方向主要包括基于双能X射线成像和人工智能的方法。双能成像利用不同X射线能量下骨骼和软组织的衰减系数差异来抑制骨骼信号，但当肿瘤与软组织重叠时，对比度提升有限。AI方法则通过训练模型从常规X射线图像预测肿瘤形状和位置，但缺乏在个体患者身上验证预测准确性的有效手段。针对这些不足，本研究提出了基于先验信息的减影成像技术。其核心原理是通过移除在整个放射治疗过程中保持相对稳定的“非必需”组织的信号贡献，来增强肿瘤的可视性。这些NE组织可以从计划CT中识别出来，作为治疗日的已知先验信息。对于肺癌，胸腔外的组织可被视为NE组织。相比于双能方法，PIBS X射线能同时移除骨骼和软组织信号，从而获得更好的肿瘤增强效果；而与AI方法相比，它纯粹通过成像提升可视性，不存在模型预测的不确定性。
材料与方法
本研究详细阐述了PIBS X射线的工作流程与技术细节。研究者以肺癌为例，因其NE组织易于识别，且实体肺肿瘤相对于肺组织具有良好的对比度。
PIBS X射线成像概述
如所示，工作流程始于计划CT。从计划CT中，通过分割整个肺（包括肺肿瘤）并将其CT值覆盖为空气值，得到NE组织的CT影像。基于此，可以生成与治疗室几何设置匹配的NE组织模拟X射线图像。在治疗日，患者先通过室内激光初步摆位，然后通过锥形束CT或二维X射线图像获取其初始位置。利用高对比度结构（如骨骼、膈肌）进行三维/三维或二维/二维配准，计算并应用治疗床位移，使治疗日的NE组织与计划CT中的位置对齐。在此对齐位置采集一组X射线图像。最后，从治疗日的X射线图像中减去预先模拟的NE组织X射线图像，即可得到肿瘤对比度增强的PIBS X射线图像。
实验设置
研究使用CIRS动态胸部体模来验证PIBS X射线的可行性。该体模包含模拟人体胸腔的拟人化躯干和包含球形靶点的肺等效棒，可模拟呼吸引起的靶点运动。首先，获取模拟计划CT的图像。随后，将体模在六个维度上重新定位，模拟治疗日的初始摆位，并采集三个不同呼吸位置的治疗日CT图像。使用3D Slicer软件进行图像处理，包括分割、配准、生成数字重建影像以及图像减影操作。为模拟临床场景，研究者评估了两种配准方式：三维/三维配准（模拟配备CBCT的系统）和二维/二维配准（模拟仅配备二维X射线成像能力的系统）。此外，还评估了不同投照角度下的成像效果，如所示。PIBS X射线图像与常规X射线图像进行比较，以评估其对肺部肿瘤可视化的增强能力。
结果
研究结果表明，无论采用三维/三维配准还是二维/二维配准，PIBS X射线在所有测试的投照角度和肿瘤位置下，均能显著提升肺部肿瘤的可视性。在三维/三维配准的场景下，如所示，尽管在某些角度下（如150°），肺肿瘤在常规X射线上因与椎体重叠而完全无法分辨，但在PIBS X射线上却清晰可见。对于仅配备二维X射线成像能力的系统，在45°和135°这两个最常见的正交投照角度下，PIBS X射线同样表现出显著的肿瘤可视化增强效果，如图4所示。
研究还初步验证了PIBS X射线用于肿瘤运动追踪的潜力。利用肿瘤位于不同呼吸位置（吸气末、吸气中、呼气末）的三个治疗日CT，在NE组织对齐后生成PIBS X射线图像。如所示，在最具挑战性的150°投照角度下，肺肿瘤在常规X射线上几乎不可见，但在PIBS X射线上却呈现出清晰的对比度，且在不同呼吸位置间的移动清晰可辨。
讨论
PIBS X射线技术通过利用先验信息移除常规X射线中NE组织（包括骨骼和治疗期间保持稳定的软组织）的信号贡献，为实时肿瘤运动可视化与追踪提供了一个切实可行的纯成像解决方案。这为基于肿瘤实际位置而非替代物位置的运动管理策略提供了可能，有望改善肿瘤剂量覆盖并降低危及器官受量。PIBS X射线天然适用于肺癌，因为肺肿瘤相对于肺组织对比度高，且胸腔外组织易于定义为NE组织。对于腹部肿瘤等更复杂的情况，则需要进一步研究其适用性。
该技术的性能依赖于NE组织的精确对齐。临床上，NE组织中的骨骼结构在CBCT和二维X射线上均可清晰显影，基于骨骼的配准是常规操作。一旦骨骼对齐，整个NE组织即被认为与计划CT对齐，从而可以进行减影操作。PIBS X射线利用了现有标准诊疗流程中采集的常规X射线和计划CT图像，无需额外成像，因此不会增加患者的额外辐射剂量。它为临床决策提供了全新的肿瘤位置信息，是对现有成像能力的有力补充。
本研究也存在一定局限性。首先，优势主要通过定性评估展现，由于肿瘤与骨骼重叠时感兴趣区域放置的主观性，定量评估面临挑战。其次，该技术的可行性目前通过体模研究得以验证。在真实的临床患者研究中，可能面临NE组织非完全刚性、患者组织异质性更强、治疗过程中解剖结构变化等复杂情况，这可能给NE组织对齐带来挑战，并可能因配准不完美在肺组织边界附近产生伪影。然而，这些伪影预期远离肿瘤，可能不影响肿瘤可视化。在PIBS X射线图像上投影计划靶区轮廓，可以帮助区分肿瘤与残留伪影。即使在因伪影过多而效果不佳的极端情况下，临床仍可依赖常规X射线图像，因此联合使用PIBS X射线与常规成像，至少能保持现有成像能力，并可能在多数情况下带来显著改善。
结论
本研究引入了一种增强放射治疗在轨二维X射线成像中肿瘤可视化的新方法，并通过体模研究验证了其可行性。所提出的PIBS X射线技术通过利用计划CT的先验信息，有效消除了非必需组织的信号干扰，显著提升了肺部肿瘤的成像对比度。这项技术为实现更精准的患者摆位和实时肿瘤运动追踪、从而优化肺癌放射治疗提供了新的可能。未来，将该技术整合到临床工作流程中并通过患者研究验证其性能，将是推动其从潜力迈向临床应用的关键。
