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Physics‐informed patient‐specific calibration for monocular visual‐based dose reconstruction in breast cancer radiotherapy

迭代重建 成像体模 校准 核医学 Tikhonov正则化 人工智能 医学 医学影像学 放射治疗 计算机科学 计算机视觉 乳腺癌 单眼 剂量学 图像配准 主成分分析 数学 相关系数 代数重建技术 特征(语言学) 基准标记 加速度 还原(数学)
作者
Y F Deng,Xuecen Wang,Ruiwan Chen
出处
期刊:Medical Physics [Wiley]
卷期号:53 (7): e70533-e70533
标识
DOI:10.1002/mp.70533
摘要

BACKGROUND: Interfractional anatomical variations during breast cancer radiotherapy can significantly deviate the delivered dose from the treatment plan. Standard image guidance via Cone-Beam CT (CBCT) is typically sparse due to radiation and workflow constraints, leaving daily geometric changes unmonitored. PURPOSE: To bridge this gap, we propose a physics-informed framework that utilizes monocular surface vision for continuous, non-ionizing 3D dose reconstruction. METHODS: The system utilizes the weekly CBCT scans from the first 2 weeks of treatment (Week 1 and Week 2) for patient-specific calibration. Surface features are extracted via a hybrid HOG-CNN descriptor, while 3D deformation vector fields (DVFs) are compressed into a low-dimensional latent space via Principal Component Analysis (PCA). A linear mapping from surface topography to PCA coefficients is optimized using physics-informed Tikhonov regularization, incorporating an eigenvalue-based penalty matrix to suppress high-order non-physical modes. Post-calibration, the model reconstructs 3D dose distributions for subsequent fractions in real time using only monocular input. RESULTS: Validated on 29 patients (87 fractions), the framework achieved a deformation coefficient correlation of R = 0.796. Reconstructed doses yielded a mean Gamma passing rate (3%/3 mm) of 93.8% ± 3.1% and a dose correlation of 0.940 ± 0.037. Ablation studies demonstrated that removing physics constraints or PCA reduction significantly degraded performance (ΔGPR = -8.5% and -22.1%, respectively; p < 0.001). End-to-end latency was 42 ± 5 ms per fraction, representing a ∼124-fold acceleration over commercial deformable registration solutions. CONCLUSIONS: This framework transforms routine weekly CBCTs into robust "calibration anchors" for continuous visual dose monitoring. It provides clinical-grade accuracy with negligible computational overhead and no additional ionizing dose, offering a practical solution for real-time adaptive radiotherapy.
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