I en Best-in-Physics-præsentation på AAPM årsmøde, Sihao Chen beskrev, hvordan en enkelt MR-scanning kan bruges til bevægelsesstyring under MR-guidet strålebehandling
in vivo respiratorisk kurve (a). Data fra de første 200 eger (markeret med rødt) blev brugt til kortscannede MR-rekonstruktioner: ved at bruge MCNUFFT uden bevægelseskorrektion (b) og ved at bruge MOTIF med P2P (c). Rekonstruktionen ved hjælp af MOTIF med MCNUFFT fra almindelig scanning MRI (2000 eger) fungerer som guldstandarden (d). (Med høflighed: Sihao Chen)” width=”635″ højde=”347″>
Åndedrætsbevægelser kan påvirke effektiviteten og sikkerheden af strålebehandling i thorax og mave. Til behandlinger, der anvender en MRI-styret linac, er fri-åndende 4D-MRI et lovende alternativ til 4D-CT til bevægelsesstyring, der giver fremragende bløddelskontrast uden ioniserende stråling. MR-billeder af høj kvalitet fri for bevægelsesartefakter er nødvendige for at afgrænse læsioner fra normalt væv. I øjeblikket kræver MR-baserede tilgange dog flere scanninger med betydelige scanningstider.
For at imødekomme disse behov, Sihao Chen, Hongyu An og kolleger ved Washington University i St. Louis er ved at udvikle en måde at bruge en enkelt MR-scanning til bevægelsesdetektion, bevægelsesløst 4D-MRI og bevægelsesintegreret 3D-MRI-rekonstruktion. Chen talte på sidste uges AAPM-årsmøde, at dette er muligt med en indsamlingstid på mindre end et minut ved at bruge en selvnavigeret MR-metode med dyb læringsbaseret billedrekonstruktion.
Tre-trins teknikken begynder med en selvnavigeret respiratorisk bevægelsesdetektionssekvens kaldet CAPTURE, som er en variant af stack-of-stars MRI-sekvensen. Forskerne implementerede CAPTURE på 0.35 T ViewRay MRI-guidede linac og evaluerede deres foreslåede teknik ved at afbilde et respiratorisk bevægelsesfantom og 12 raske frivillige. De udførte regelmæssige MR-scanninger ved hjælp af 2000 radiale eger, med en optagelsestid på 5-7 min. De evaluerede den fulde scanning (2000 radiale eger) såvel som de første 10 % af dataene, som tog kun 30-40 s.
Chen delte nogle eksempler på CAPTURE-detekterede respiratoriske kurver, som demonstrerede CAPTURE's evne til at detektere respiratoriske bevægelser på trods af forskellige respirationsmønstre mellem forsøgspersoner og under individuelle scanninger. De tilsvarende frekvensspektre identificerede klart de enkelte frekvenskomponenter.
Derefter brugte holdet de målte respiratoriske signaler til at skabe 4D-MRI'er via tre rekonstruktionsteknikker: multi-coil ikke-ensartet invers hurtig Fourier-transformation (MCNUFFT); komprimeret sensing; og deep learning-baseret Phase2Phase (P2P) rekonstruktion.
I en bevægelsesfantom-undersøgelse rekonstruerede holdet 4D-MR-billeder ved hjælp af enten 5 min eller 30 sek. data. CAPTURE-bevægelsesdetekteringen forbedrede synligheden af indlejrede kugler i fantomet til det niveau, der ses i jordsandhedsbilleder. I den korte MR-scanning genoprettede P2P-rekonstruktion billedskarphed og reducerede undersampling-artefakter sammenlignet med den ikke-korrigerede baseline.
Til patientscanningerne brugte forskerne de første 200 eger til kort-scanning (30 s) rekonstruktion, idet de observerede, at P2P klart overgik de to andre metoder til 4D-MRI-rekonstruktion. De brugte derefter 4D-MRI'er skabt fra både 30 s og 5 min scanninger til at udlede bevægelsesvektorfelter. Chen bemærkede, at forskellen mellem de to var "moderat sammenlignet med det samlede bevægelsesområde".
I det sidste trin anvendes disse bevægelsesvektorfelter til at rekonstruere 3D-MRI'er ved hjælp af en motion-integreret rekonstruktionsmodel (MOTIF). 3D-MR-billeder af fantomet demonstrerede, at MOTIF reducerede bevægelsesartefakter og forbedrede billedkvaliteten. I patientundersøgelsen havde kortscannede billeder (200 eger) rekonstrueret af MOTIF bedre signal-til-støj-forhold og færre bevægelsesartefakter end den ikke-korrigerede baseline og viste "beskeden billedkvalitet" sammenlignet med almindelige scanningsbilleder (2000) eger) rekonstrueret af MOTIF.
Bedst i fysik: multidimensionel MRI og FLASH protonterapi
Holdet udførte også en blindet radiologisk gennemgang af de 12 forsøgspersoner. Billeder rekonstrueret af MOTIF ved hjælp af hele datasættet scorede over 8/10 point, når de blev vurderet for skarphed, kontrast og mangel på artefakter. "For korte scanninger modtog MOTIF med P2P en relativt tilfredsstillende vurderingsscore på 5/10, hvorimod ingen bevægelseskorrektion scorede mindre end 3/10," sagde Chen.
Chen konkluderede, at en hurtig enkelt MR-scanning, brugt med CAPTURE, P2P og MOTIF, kan generere højkvalitets 4D-MR-billeder til bestemmelse af læsionsbevægelsesområde og 3D-MR-billeder til læsionsafgrænsning på en lavfelt MRI-styret linac.
