光学的表面画像技術に基づくリアルタイム呼吸運動追跡の精度とゲーティング放射線治療の時間遅延

Accuracy of real-time respiratory motion tracking and time delay of gating radiotherapy based on optical surface imaging technique.

• Li Chen
• Sen Bai
• Guangjun Li
• Zhibin Li
• Qing Xiao
• Long Bai
• Changhu Li
• Lixun Xian
• Zhenyao Hu
• Guyu Dai
• Guangyu Wang

抄録

背景:

表面誘導放射線治療(SGRT)は、放射線治療中の患者表面運動モニタリングのために非侵襲的なリアルタイム光学表面画像法(OSI)を採用している。本研究の主な目的は、呼吸運動に対するSGRTのリアルタイムトラッキング精度を検証し、ゲーティングの時間遅れを検出するためのフィッティング手法を提供することである。

BACKGROUND: Surface-guided radiation therapy (SGRT) employs a non-invasive real-time optical surface imaging (OSI) technique for patient surface motion monitoring during radiotherapy. The main purpose of this study is to verify the real-time tracking accuracy of SGRT for respiratory motion and provide a fitting method to detect the time delay of gating.

方法:

呼吸運動ファントムは、様々な周期と振幅を持つ17のコサイン呼吸パターン曲線を用いて呼吸運動をシミュレートするために利用されました。ファントムの運動追跡は、Catalyst™システムによって実行された。システムのトラッキング精度(周期と振幅の変化を伴う)は、調整された決定係数(A_R)と二乗平均誤差(RMSE)を分析することで評価された。さらに、規則的なパターンと不規則なパターンに分類された13の呼吸曲線を選択し、ファントムによるシミュレーションを行った。呼吸曲線にフーリエ変換を適用し、ピアソン相関係数(PCC)を用いた曲線類似度の定量分析により追跡精度を比較した。さらに、Elekta Versa-HDとVarian Edgeリニアックのフィルム線量計を用いて、様々なビームホールド時間を持つOSIシステムに基づく振幅ベースの呼吸ゲーティング放射線治療の時間遅延を試験した。ビームオンとビームオフの時間遅延を正確に測定するために、線量コンボリューションフィット法が提供された。

METHODS: A respiratory motion phantom was utilized to simulate respiratory motion using 17 cosine breathing pattern curves with various periods and amplitudes. The motion tracking of the phantom was performed by the Catalyst™ system. The tracking accuracy of the system (with period and amplitude variations) was evaluated by analyzing the adjusted coefficient of determination (A_R) and root mean square error (RMSE). Furthermore, 13 actual respiratory curves, which were categorized into regular and irregular patterns, were selected and then simulated by the phantom. The Fourier transform was applied to the respiratory curves, and tracking accuracy was compared through the quantitative analyses of curve similarity using the Pearson correlation coefficient (PCC). In addition, the time delay of amplitude-based respiratory-gating radiotherapy based on the OSI system with various beam hold times was tested using film dosimetry for the Elekta Versa-HD and Varian Edge linacs. A dose convolution-fitting method was provided to accurately measure the beam-on and beam-off time delays.

結果:

余弦曲線のA_RとRMSEは1sから10sまでの期間で0.9990-0.9996と0.110-0.241mm、3mmから15mmまでの振幅で0.9990-0.9994と0.059-0.175mmであった。実際の呼吸曲線のPCCは0.9955～0.9994の範囲であり、呼吸パターンによって有意な影響を受けなかった。ゲーティング放射線治療では、平均ビームオン時間遅延およびビームオフ時間遅延は、Versa-HDで1664±72および25±30ms、Edgeで303±45および34±25msであった。時間遅延は、ビームホールド時間が長くなるにつれて比較的安定していた。

RESULTS: A_R and RMSE for the cosine curves were 0.9990-0.9996 and 0.110-0.241 mm for periods ranging from 1 s to 10 s and 0.9990-0.9994 and 0.059-0.175 mm for amplitudes ranging from 3 mm to 15 mm. The PCC for the actual respiratory curves ranged from 0.9955 to 0.9994, which was not significantly affected by breathing patterns. For gating radiotherapy, the average beam-on and beam-off time delays were 1664 ± 72 and 25 ± 30 ms for Versa-HD and 303 ± 45 and 34 ± 25 ms for Edge, respectively. The time delay was relatively stable as the beam hold time increased.

結論:

OSI法は呼吸器運動追跡のための高精度を提供する。提案した線量畳み込みフィット法は、呼吸器ゲーティング放射線治療の時間遅延を正確に測定することができる。OSI法を用いた場合、ビームオンの時間遅延はビームオフよりもかなり長くなることがわかった。

CONCLUSIONS: The OSI technique provides high accuracy for respiratory motion tracking. The proposed dose convolution-fitting method can accurately measure the time delay of respiratory-gating radiotherapy. When the OSI technique is used for respiratory-gating radiotherapy, the time delay for the beam-on is considerably longer than the beam-off.