4DMRI for organ motion management in lung cancer treated with proton therapy : evaluating image reconstruction, visual feedback and 4D dose calculation

Purpose: To develop a novel algorithm for the retrospective reconstruction of continuous respiratory-correlated magnetic resonance (4DMR) volumes from a set of 2D images acquired with a cine imaging sequence and evaluate its clinical potential in proton therapy on a clinical dataset of lung cancer patients. Method: The acquisition of a navigator slice at a fixed anatomical position is used to derive an image-based respiratory surrogate for stacking interleaved 2D images that repeatedly sweep across the field of view. The series of cine-MR navigators is used to track the anatomical changes by comparing time frames using a metric based on deformable image registration. Corresponding 2D images are stacked into volumes, resolving ambiguities in slice selection and interpolating missing data. The 4DMRI is reconstructed for seven free-breathing (FB) lung cancer patients; a second scan with visual feedback (VF) was provided for two of them. The resulting 4DMR dataset is used to validate the reconstruction method using cine-MR of navigators ground truth and explore its use in clinical applications. In particular, motion analysis with respect to standard 4DCT imaging, the impact of VF on breathing parameters, the implication on treatment safety margins and dose calculation under the conditions of motion are studied. Results: The motion from the reconstructed 4DMR has a median difference withing 1.59 mm (worst case) of a validated method for 2D tracking in cine-MR. In our dataset, the discrepancy between the 4DMRI and the corresponding 4DCT was as high as 22%, thus confirming that the latter is only an approximate description of organ motion. However, this results in only marginal refinement of the treatment target volume. Breath-to-breath variability compromises clinical decisions based on 4DCT alone, leading to considerable decrease in tumor coverage and dose homogeneity confirmed by 4D dose calculations. The introduction of VF effectively reduces amplitude variability while affecting other parameters such as breathing period. Conclusions: Time-resolved (4D) MRI provides high-quality anatomical images at high temporal resolution that can be used for motion modelling and treatment planning. The demonstrated potential for imaging organ motion variability makes 4DMR a valuable complement to standard 4DCT imaging.

Obiettivo: Sviluppare un nuovo metodo per la ricostruzione retrospettiva di sequenze di volumi di risonanza magnetica (4DMR) a partire da dati 2D cine-MRI, e valutare il suo potenziale nella radioterapia con protoni su dati clinici di pazienti con tumore al polmone. Metodo: Immagini cine-MR ad una definita posizione anatomica (navigators) sono utilizzate per ricavare un surrogato respiratorio secondo cui raggruppare immagini 2D acquisite ripetutamente lungo il campo visivo. La sequenza di navigators è utilizzata per tracciare i cambiamenti anatomici attraverso una metrica basata sulla registrazione deformabile di immagini. Le immagini 2D che risultano corrispondenti vengono selezionate e raggruppate in volumi, completati con l’interpolazione di quelle mancanti. La 4DMRI è stata ricostruita per sette pazienti con tumore al polmone in respiro libero. Per due di questi, è stata eseguita una seconda acquisizione con respiro guidato. Il set di 4DMR è stato utilizzato per convalidare il metodo di ricostruzione confrontandolo con la ground truth cine-MR ed esplorare possibili applicazioni cliniche. Sono stati studiati la descrizione del movimento rispetto allo standard clinico (4DCT), l’impatto del feedback visivo sulla respirazione, l’implicazione sui margini di sicurezza del trattamento e il calcolo della dose in condizioni di movimento. Risultati: La differenza tra il movimento dalla 4DMR ricostruita rispetto al ground truth cine-MR ha una mediana di 1.59 mm nel caso peggiore. La discrepanza tra la 4DMRI e la 4DCT corrispondente ha raggiunto il 22%, confermando che quest’ultima fornisce solo una descrizione approssimativa del movimento dell’organo. Tuttavia, ciò si traduce solo in un affinamento marginale del volume del target. La variabilità tra respiri compromette le decisioni cliniche basate esclusivamente sulla 4DCT e causa una riduzione della copertura tumorale e dell’omogeneità della dose confermata dai calcoli di dose in 4D. L’introduzione di un feedback visivo riduce efficacemente la variabilità dell’ampiezza, influendo su altri parametri come il periodo di respirazione. Conclusioni: La 4DMR fornisce immagini anatomiche di alta qualità e risoluzione temporale. La potenzialità di rappresentare la variabilità del movimento degli organi la rende un valido complemento alla CT standard per lo studio del movimento e la pianificazione del trattamento.