Virtual 4DCT from 4DMRI in gated particle radiation therapy : validation on phantom and application to lung cancer patients

Purpose: To validate a method for virtual 4DCT generation from 4DMRI data for lung cancers on a porcine lung phantom, and to evaluate its use in particle therapy (PT) of the thoracic site in a clinical scenario. Methods: Deformable image registration is used to: (a) register each respiratory phase of the 4DMRI to the end-exhale MRI; (b) register the reference end-exhale CT to the end-exhale MRI volume; (c) generate the virtual 4DCT by warping the registered CT according to the obtained deformation fields. A carbon ion and proton treatment plan were optimized on the reference CT and the corresponding dose distribution was recalculated on both the virtual and ground truth (GT) 4DCTs. The method was validated on a physical phantom and tested on patients with lung tumors treated with PT using respiratory gating at end-exhale. For the phantom, a GT dataset was available to assess the method performances from the geometrical and dosimetric standpoints. For the patients, the clinical plans adopted at CNAO (Pavia, Italy) were considered and the dose distribution was recomputed on the verification and virtual 4DCTs. By comparing the two datasets, the impact of organ motion was assessed. Results: In the phantom, the method exhibits a geometrical accuracy within the maximum resolution of the MRI and Dose Volume Histograms deviations up to 5% for target D95%. Although the 4DCT cannot be completely considered as a GT, as variations between the 4DCT and 4DMRI scans are present, the phantom represent a realistic patient-like data and accurate results are obtained. For most of the patients, the virtual and the verification 4DCTs show good agreement, with limited errors on tumors D95% within the gating window up to 2%. However, for one patient dose variations up to 10% were observed due to inter-fraction anatomo-pathological changes that occurred between the planning and verification 4DCTs. Organ at risks D2% were quantified and the highest variations were found in the heart. Conclusions: In this study, results obtained on the physical phantom showed that the virtual 4DCT method was accurate, allowing us to apply it also on patients’ data for testing within a clinical scenario.

Obiettivo: Validare un metodo per la generazione della 4DCT virtuale a partire dai dati di 4DMRI per tumori al polmone su un fantoccio costituito da polmoni di suino e valutare il suo uso nella radioterapia con particelle (PT) del distretto toracico. Metodi: La registrazione di immagini deformabile è stata usata per: (a) registrare ogni fase respiratoria della 4DMRI alla fase di fine espirazione (end-exhale) della MRI; (b) registrare la fase di end-exhale della CT di riferimento alla fase di end-exhale della MRI; (c) generare la 4DCT virtuale deformando la CT appena registrata secondo i campi di deformazione ottenuti. Dei piani carbonio e protoni sono stati ottimizzati sulla CT di riferimento e le relative mappe di dose sono state ricalcolate sia sulla 4DCT virtuale che su quella di ground truth (GT). Il metodo è stato convalidato su un fantoccio fisico e testato su pazienti con lesioni al polmone sottoposti alla PT con gating respiratorio alla fase di end-exhale. Per il fantoccio, era disponibile un dataset di GT per valutare le prestazioni del metodo dal punto di vista geometrico e dosimetrico. Per i pazienti, sono stati usati i piani di trattamento clinico adottati presso il CNAO (Pavia, Italia) e la distribuzione di dose è stata ricalcolata sulla 4DCT di verifica e sulla 4DCT virtuale. I due dataset sono poi stati confrontati. Risultati: Nel fantoccio, il metodo mostra una precisione geometrica entro la risoluzione della MRI ed uno scostamento degli istogrammi dose/volume fino al 5% per il target D95%. Sebbene la 4DCT non possa essere del tutto considerata come un GT, il fantoccio rappresenta un dato realistico e sono stati ottenuti risultati accurati. Nei pazienti la 4DCT di verifica e quella virtuale mostrano una buona concordanza, con errori limitati nella finestra di gating, fino al 2%. Tuttavia, per un paziente sono state osservate variazioni di dose fino al 10% per modifiche anatomo-patologiche verificatesi tra l’acquisizione della 4DCT di pianificazione e di verifica. Sono state quantificate le D2% degli organi a rischio e registrate le variazioni maggiori nel cuore. Conclusioni: In questo studio, i risultati ottenuti sul fantoccio fisico hanno mostrato che il metodo della 4DCT virtuale è accurato, consentendoci di applicarlo anche sui dati dei pazienti, al fine di testare uno scenario clinico.