Respiratory-correlated (4D) cone-beam CT in moving targets treated with particle therapy : a feasibility study for the custom in-room imaging system at CNAO

Hadrontherapy is an advanced radiotherapy technique that requires accurate identification of the three-dimensional position of the target tissue during dose delivery. The National Center of Oncological Hadrontherapy of Pavia (CNAO) has a custom in-room device for CBCT imaging. Currently, it is mainly used for patient position correction before the start of the hadrontherapy treatment session. This technology has additional applications, such as the respiratory correlated (4D) CBCT imaging, instrumental in ensuring the accuracy of methodologies for evaluating or adapting gated hadrontherapy treatment plans. The objective of this work is to evaluate the quality of 4D CBCT imaging obtained at CNAO with the aim of establishing an acquisition protocol compatible with the environment and with the clinical procedure. First, a repetition of the fast acquisition mode currently in clinical use at CNAO for 3D CBCT was compared with the state-of-the-art standard for 4D CBCT acquisitions, hereby called slow. Subsequently, analyses were conducted to establish number of acquisitions and binning window width to achieve optimal 4D CBCT image quality. Six acquisitions of the digital anatomical phantom XCAT were simulated, deforming its anatomy based on three respiratory surrogates of increasing irregularity. Subsequently, two sessions of acquisitions of the geometric phantom ANZAI were performed at CNAO, varying its type of movement. For both phantoms, volumes were reconstructed at end-inhale, end-exhale, 30% inhale and 30% exhale phases, progressively adding the contribution of each acquisition. Each volume was reconstructed using three binning windows to assess the extent of residual anatomical movement. For each progressive reconstruction, the quality of the imaging was evaluated, calculating some global metrics on volumetric ROIs. The results obtained showed that the fast acquisitions obtainable at CNAO would be able to produce reconstructions with a better imaging quality than the slow ones, if properly synchronized. Second, imaging quality analysis of XCAT and ANZAI phantoms suggests that the best imaging dose/imaging quality ratio can be achieved by capturing volume three times, appropriately synchronizing the start of acquisitions with the initial phase of breathing, and reconstructing using a binning window of 15 projections per cluster. CNAO technicians can immediately have a 4D CBCT acquisition method for qualitative assessments of the patient's anatomy. This tool will also pave the way for further studies in adaptive radiotherapy.

L’adroterapia è una tecnica di radioterapia avanzata che necessita di un’identificazione accurata della posizione tridimensionale del tessuto bersaglio durante la somministrazione della dose. Il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica di Pavia (CNAO) dispone di un dispositivo custom in-room per l’imaging CBCT. Attualmente è principalmente utilizzato per la correzione della posizione del paziente prima dell’inizio della sessione di trattamento adroterapico. Questa tecnologia ha ulteriori applicazioni, come nel respiratory correlated (4D) CBCT imaging, strumentale nel garantire la precisione di metodologie di valutazione o adattamento di piani di trattamento adroterapici gated. L’obiettivo di questo lavoro è valutare la qualità dell’imaging 4D CBCT ottenuta a CNAO con lo scopo di stabilire un protocollo di acquisizione compatibile con l’ambiente e con la procedura clinica. In primo luogo si è messa a confronto la ripetizione di acquisizioni fast attualmente in uso clinico a CNAO per la 3D CBCT con lo standard dallo stato dell’arte per le acquisizioni 4D CBCT, qui definito slow. Successivamente sono state condotte delle analisi per stabilire il numero di acquisizioni e l’ampiezza della finestra di binning per ottenere una qualità dell’imaging 4D CBCT ottimale. Sono state simulate sei acquisizioni del fantoccio anatomico digitale XCAT, deformandone l’anatomia sulla base di tre surrogati respiratori di irregolarità crescente. Successivamente sono state eseguite due sessioni di acquisizioni del fantoccio geometrico ANZAI presso CNAO, variandone il tipo di movimento. Per entrambi i fantocci sono stati ricostruiti i volumi delle fasi end-inhale, end-exhale, 30% inhale e 30% exhale, aggiungendo progressivamente il contributo di ogni acquisizione. Ogni volume è stato ricostruito utilizzando tre finestre di binning per valutare l’entità del movimento anatomico residuo. Per ogni ricostruzione progressiva si è valutata la qualità dell’imaging, calcolando alcune metriche globali su delle ROI volumetriche. I risultati ottenuti hanno evidenziato come le acquisizioni fast ottenibili a CNAO sarebbero in grado di produrre ricostruzioni con una qualità dell’imaging migliore rispetto a quelle slow, se opportunamente sincronizzate. In secondo luogo, l’analisi sulla qualità dell’imaging dei fantocci XCAT e ANZAI suggerisce che il miglior rapporto dose di imaging/qualità dell’imaging si possa ottenere acquisendo il volume tre volte, sincronizzando in maniera opportuna l’inizio delle acquisizioni con la fase iniziale del respiro, e ricostruendo utilizzando una finestra di binning di 15 proiezioni per cluster. I tecnici di CNAO possono disporre nell’immediato di un metodo di acquisizione 4D CBCT per valutazioni qualitative dell’anatomia del paziente. Questo strumento aprirà, inoltre, la strada a ulteriori studi per approcci di radioterapia adattiva.