《Radiation Oncology》：Metal artifact reduction for 3 T MRI-only prostate radiotherapy in patients with hip prostheses: impact on target definition, synthetic CT generation, dose calculation, and fiducial marker identification
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摘要
背景：磁共振成像（MRI）具有优异的软组织对比度，且仅MRI放疗（RT）工作流程消除了与计算机断层扫描（CT）至MRI图像配准相关的不确定性。对于髋关节假体患者，仅MRI放疗工作流程仍具挑战性，因为靶区勾画、合成CT（sCT）生成和标记物识别理想情况下
摘要
背景：磁共振成像（MRI）具有优异的软组织对比度，且仅MRI放疗（RT）工作流程消除了与计算机断层扫描（CT）至MRI图像配准相关的不确定性。对于髋关节假体患者，仅MRI放疗工作流程仍具挑战性，因为靶区勾画、合成CT（sCT）生成和标记物识别理想情况下依赖于对失真敏感的MR图像。金属伪影消除序列（MARS）可减轻金属失真，但常常使金标记物显示不清。本研究旨在为髋关节假体前列腺癌患者展示一项概念验证性的3 T仅MRI放疗工作流程，仅使用MARS MAVRIC-SL（GE HealthCare）进行靶区勾画、sCT生成和基准标记物识别。
方法：五名具有单侧或双侧髋关节假体及前列腺内基准标记物的前列腺癌患者接受了CT、标准3 T MRI及额外的MAVRIC-SL MRI扫描。所有影像均回顾性使用，不影响患者治疗。靶区勾画和sCT生成使用MAVRIC-SL完成。由于伪影抑制，前列腺内标记物在MAVRIC-SL图像中不可见；作为替代，原始数据被重建为频谱分箱图像以手动识别标记物。为阻止入射辐射穿过植入物并降低剂量计算和治疗实施中的相关不确定性，研究人员应用了射束回避扇区（AS）。基于CT的常规回避扇区被配准至sCT并定义为AS1。MAVRIC-SL中假体诱导的信号空洞被用于定义AS2。每位患者分别使用AS1和AS2生成两个治疗计划（42.7 Gy，7次分割）。通过剂量-体积直方图（DVH）参数比较计划。AS2计划在配准后的CT上重新计算以进行DVH比较，并执行γ分析（2%/2 mm和1%/1 mm，10%剂量阈值）。
结果：使用MAVRIC-SL成功完成靶区勾画、标记物识别和sCT生成。AS1与AS2之间的中位剂量差异对于PTV保持在±0.1%以内，而危及器官（OAR）指标范围为?0.4%至+0.7%。在CT上重新计算的AS2计划显示，PTV剂量差异≤0.9%，OAR≤1%。中位γ通过率分别为99.1%（2%/2 mm）和96.4%（1%/1 mm）。
结论：本研究证明了对于髋关节假体前列腺癌患者，在3 T场强下仅MRI放疗工作流程的可行性，使得从单次MAVRIC-SL采集即可实现靶区勾画、sCT生成、剂量计算和标记物识别。
临床试验编号：不适用。
**MRI-only放疗工作流程在金属植入物患者中的应用：基于MAVRIC-SL的3 T前列腺癌治疗概念验证**
**一、研究背景与目的**
前列腺癌是瑞典男性中最常见的恶性肿瘤，约占所有男性癌症病例的29%，发病率峰值出现在75-79岁年龄段。放射治疗（Radiotherapy, RT）是前列腺癌的标准治疗手段之一，约50%的患者接受放疗。磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）具有优异的软组织对比度，相比计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）能够实现更精确的靶区勾画，并可能降低危及器官（Organs at Risk, OARs）的辐射剂量。传统放疗工作流程依赖CT-MRI图像配准，该过程会引入几何不确定性。而在仅MRI放疗（MRI-only RT）工作流程中，由MR图像生成的合成CT（synthetic CT, sCT）取代CT图像，消除了图像配准的不确定性，且包括sCT生成、基准标记物识别和靶区勾画在内的所有步骤均可在同一图像几何体系内完成。
然而，瑞典有相当比例的患者接受髋关节假体置换术，这一群体中同样存在前列腺癌患者。对于携带金属髋关节假体的患者，放疗计划需要避免射束穿过金属植入物。在CT图像中，假体的几何范围可直接显示；而在MR图像中，金属表现为信号空洞，其体积与假体真实几何不完全匹配。此外，金属会引起几何失真和信号堆积，产生超出假体真实边界的伪影。带有金属植入物患者的临床常规放疗通常采用基于CT或CT-MRI联合的工作流程，而金属的存在对仅MRI放疗工作流程构成重大挑战。金属诱导的伪影可能通过错误的亨斯菲尔德单位（Hounsfield Unit, HU）赋值影响sCT生成，进而影响剂量计算。
既往研究已在1.5 T场强下证明了金属髋关节假体存在时sCT生成和仅MRI放疗工作流程的可行性，因为1.5 T下金属诱导伪影较3 T轻微。但髋关节表面置换植入物在T2加权（T2-weighted, T2w）涡轮自旋回波（Turbo Spin-Echo, SE）序列中，金属诱导伪影的平均直径从1.5 T时的77 mm增加至3 T时的93 mm，提示3 T场强下的仅MRI放疗可能面临更大挑战。目前，3 T场强下金属髋关节假体前列腺癌患者的仅MRI放疗工作流程性能在很大程度上仍未得到探索，构成重要的知识空白。
为减轻金属诱导伪影，已有多种技术被开发，包括视角倾斜（View Angle Tilting, VAT）、金属伪影校正切片编码（Slice Encoding for Metal Artifact Correction, SEMAC）以及多采集可变共振图像组合（Multi-Acquisition with Variable-Resonance Image Combination, MAVRIC）。MAVRIC-SL是一种混合方法，将MAVRIC的频谱分箱与SEMAC的3D切片编码相结合，可同时更有效地减少层内和层间伪影。研究人员假设，对于伴有髋关节假体的前列腺癌患者，3 T场强下仅MRI放疗工作流程是可行的。本研究旨在使用单一MAVRIC-SL序列进行靶区和OAR勾画、sCT生成及基准标记物识别，展示该工作流程的概念验证。
**二、研究方法概述**
本研究获得区域伦理审查委员会批准（Dnr 2020-06380），纳入五名具有单侧或双侧髋关节假体及前列腺内基准标记物的前列腺癌患者，另纳入五名无髋关节假体患者用于勾画比较。所有患者均接受CT、常规3 T MRI（包括多回波梯度回波MEGRE序列和三个平面的T2w PROPELLER序列）及额外的MAVRIC-SL MRI扫描，所有扫描均在放疗治疗体位下于3 T GE Architect扫描仪上完成。数据回顾性使用，不影响患者治疗。sCT由MAVRIC-SL图像通过基于深度学习的MRI Planner软件生成，并使用GRADE体模评估几何失真。由于MAVRIC-SL的伪影抑制机制导致基准标记物不可见，研究人员对原始数据进行离线重建，获得个体频谱分箱图像用于手动识别标记物，并以MEGRE图像作为补充指导，随后将单个高密度体素手动插入sCT中对应标记物位置，用于患者定位验证。
在治疗计划方面，研究人员在MAVRIC-SL图像上对假体诱导的信号空洞进行勾画，通过CT-MR配准和体模测量评估假体真实范围与信号空洞的差异，据此在假体远侧柄区域（股骨头下方）对信号空洞先施加5 mm外扩，再额外施加7 mm均匀外扩，定义基于MR的回避扇区AS2；同时沿用基于CT的假体轮廓均匀外扩7 mm定义AS1。治疗计划在sCT上使用容积旋转调强放疗（Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT）全弧照射生成，处方剂量42.7 Gy分7次，采用10 MV光子束和各项异性解析算法（Anisotropic Analytical Algorithm, AAA）进行剂量计算。通过剂量-体积直方图（Dose-Volume Histogram, DVH）参数比较AS1与AS2计划；AS2计划在配准后的CT上重新计算以进行DVH比较和γ分析。
**三、研究结果**
**合成CT生成与几何失真评估。**使用MAVRIC-SL图像成功生成合成CT图像。在MAVRIC-SL图像中，金属植入物的存在引起信号空洞，导致sCT中相应区域出现错误的HU赋值。由于治疗计划期间不允许入射辐射穿过这些区域，未对信号空洞区域内的HU值进行校正。GRADE体模测量的几何失真在所有距等中心距离处均保持在2 mm以下，与既往MRI引导放疗文献中报道的几何精度水平一致。
**基准标记物识别。**个体频谱分箱图像结合MEGRE补充图像，使得每位患者的三个标记物均可被识别。频谱分箱图像与MEGRE图像之间标记物交叉验证的距离在所有病例中均≤2 mm，与既往报道的MRI基准标记物定位不确定性（约1-2 mm）一致。
**假体勾画。**限于假体区域的刚性CT-MR配准显示，金属植入物在远侧柄区域（股骨头下方）超出MR信号空洞范围。跨患者数据集中，植入物超出信号空洞的中位范围为4 mm（范围2-5 mm）。值得注意的是，与植入物物理范围对应的区域在MR上并非一致地表现为信号空洞，而可能与来自周围组织的信号堆积伪影区域重合。体模测量同样证实了柄区域植入物超出MR信号空洞的现象，中位超出范围为4 mm（范围2-5 mm）。因此，研究人员对超出信号空洞的植入物部分施加了5 mm外扩。
**MAVRIC-SL靶区勾画。**在五名无髋关节假体患者的比较中，MAVRIC-SL与T2w SE图像靶区勾画的中位Dice相似系数（Dice Similarity Coefficient, DSC）为0.89（范围0.8-0.92），中位表面Dice相似系数（surface DSC, sDSC，3 mm容差）为0.92（范围0.7-0.98），中位95百分位豪斯多夫距离（95th percentile Hausdorff distance, HD95）为2.5 mm（范围1.0-2.8 mm）。最低sDSC值（0.70）出现在一个显示采集间轻微位置差异的患者数据集中。该一致性水平与既往跨模态前列腺勾画及AI与手动方法间比较的报道值相当。
**AS1与AS2计划比较。**在sCT上使用AS1和AS2生成的计划之间，PTV D95%剂量差异较小，中位数为处方剂量的-0.1%（范围-0.3%至0.2%），OAR指标差异范围为-0.4%至+0.7%。两种计划均满足相同的临床标准。这表明较大的回避扇区（AS2）并未实质性地影响靶区覆盖或OAR剂量，未导致整体计划质量的临床相关恶化。
**sCT与CT计划比较。**sCT计划与CT重计算计划之间的PTV平均剂量差异约为1%，中位数为0.8%（范围0.4-1.1%）；PTV剂量差异≤0.9%，OAR≤1%。γ分析在所有剂量差（DD）和距离一致性（DTA）标准下均显示超过96%的通过率，中位γ通过率分别为99.1%（2%/2 mm）和96.4%（1%/1 mm）。这些结果与Koivula等人报道的在1.5 T场强下评估髋关节假体存在时基于sCT剂量计算的γ通过率相当。
**四、讨论与结论总结**
讨论部分指出，MAVRIC-SL产生的金属诱导信号空洞比T2w SE图像上观察到的伪影范围更小。尽管序列间存在差异，MAVRIC-SL上的靶区勾画在所有评估指标上与T2w SE轮廓高度一致。MAVRIC-SL的采集时间（约9分钟）长于标准T2w SE序列（约4分钟），但在采集前进行金属分析序列可将其缩短至约7分钟。MAVRIC-SL目前与GE Architect扫描仪上T2w快速自旋回波（Fast Spin-Echo, FSE）序列可用的AI重建方法AirReconDL不兼容，但采集时间仍与AI重建引入前的报道时间相当。
MRI Planner目前优化用于从T2w SE图像而非MAVRIC-SL图像生成sCT，但基于MAVRIC-SL的sCT剂量分布与CT重计算结果一致性良好。即使MAVRIC-SL回波时间相对较短（16 ms），其组织对比度足以识别器官边界，这有利于准确的剂量计算。总体而言，这些发现证明了MAVRIC-SL用于单侧和双侧髋关节假体患者sCT生成的可行性，观察到的微小剂量差异不太可能具有临床意义。既往研究表明，此类差异主要由残余配准不确定性和MR-CT采集间的解剖差异驱动，而非sCT中HU值不准确所致。
AS1与AS2计划的DVH参数仅存在微小差异，较大的AS2回避扇区未对靶区覆盖或OAR剂量产生实质性影响，与Koivula等人的研究结果一致。确定适当的患者特异性回避扇区可能具有挑战性，因为真实植入物范围超出MR信号空洞边界。本研究因此施加了金属物理范围与信号空洞之间观测到的最大差异（最多5 mm）。未来方向可包括开发确定患者特异性回避扇区的方法。
本研究的局限性包括队列规模较小（5例患者）。然而，结果表明髋关节假体存在时仅MRI前列腺放疗工作流程是可行的。该流程可能也适用于其他带有金属植入物的盆腔治疗部位，前提是MAVRIC-SL图像提供足够的图像质量和软组织对比度。由于髋关节假体在尺寸和成分上存在差异，5 mm外扩的适用性需在更大队列中评估。本研究中基准标记物通过离线重建的个体频谱分箱图像识别，但频谱分箱图像包含与其采集偏移对应的频率位移且未校正，限制了标记物评估仅限于同一频谱分箱图像内。本概念验证研究需要额外的原始数据离线重建步骤，临床常规实施时，更倾向于在控制台直接存储个体频谱分箱图像的MAVRIC-SL版本，但这需要软件修改。此外，本方法具有厂商特异性，其他MARS技术不提供个体频谱分箱图像，因此该识别方法不适用于其他厂商的系统。最后，尽管从MAVRIC-SL数据生成sCT在技术上可行，但目前超出制造商批准的预期用途，开发专用于MAVRIC-SL图像sCT生成的MRI Planner版本将是有益的。
**研究结论。**本研究支持了使用单一MAVRIC-SL采集对髋关节假体前列腺癌患者实施3 T仅MRI放疗工作流程的概念验证可行性。所有步骤，包括靶区和OAR勾画、回避扇区定义、sCT生成、剂量计算和基准标记物识别，均可在单一图像几何体系内完成。
本文发表于《Radiation Oncology》。
