Advances in 4D radiation therapy for managing respiration: Part I – 4D imaging

Techniques for managing respiration during imaging and planning of radiation therapy are reviewed, concentrating on free-breathing (4D) approaches. First, we focus on detailing the historical development and basic operational principles of currently-available “first generation” 4D imaging modalities: 4D computed tomography, 4D cone beam computed tomography, 4D magnetic resonance imaging, and 4D positron emission tomography. Features and limitations of these first generation systems are described, including necessity of breathing surrogates for 4D image reconstruction, assumptions made in acquisition and reconstruction about the breathing pattern, and commonly-observed artifacts. Both established and developmental methods to deal with these limitations are detailed. Finally, strategies to construct 4D targets and images and, alternatively, to compress 4D information into static targets and images for radiation therapy planning are described.

ZusammenfassungDieser Übersichtsartikel beschreibt Techniken, die Atembewegungen während der Bildgebung und Bestrahlungsplanung berücksichtigen mit Schwerpunkt auf normaler Atemexkursion (4D). Es werden Entwicklungen und Methoden der zurzeit verfügbaren 4D-Bildgebung (4D-Computertomographie, 4D-Cone-Beam-Computertomographie, 4D-Magnetresonanztomographie und 4D-Positronenemissionstomographie) vorgestellt. Des Weiteren werden Eigenschaften und Limitierungen von 4D-Bildgebungsverfahren erläutert, einschließlich der Notwendigkeit für Surrogatmarker zur 4D-Bildrekonstruktion, häufig beobachtete Bildgebungsartefakte und notwendige Annahmen über den Atmungsverlauf während der Bildakquisition und -rekonstruktion. Abschließend werden etablierte und experimentelle Methoden zur Verbesserung der Bildqualität diskutiert und Strategien vorgestellt, die die Konstruktion von 4D-Zielstrukturen und 4D-Bildgebung beschreiben, oder, alternativ, die 4D-Information in statische Daten komprimieren.