CT/MRI影像融合對肺癌腦轉移放射治療靶區勾畫的影響

李洋 李香蘭 王業偉 周洋

肺癌為腦轉移最常見的原發腫瘤，約占全部腦轉移瘤的30%-40%且為升高趨勢[1]，自然中位生存期僅為1個月-2個月[2]。計算機斷層掃描（computed tomography,CT）圖像一直是放療中靶區和危及器官勾畫的最佳圖像資源，但由于對軟組織結構區分的能力差，腫瘤邊界模糊，即使采用增強CT仍有部分病灶顯示不清或不顯示，腦轉移瘤常多發且伴有水腫，使得通過CT及參考常規的核磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）膠片勾畫靶區時很難界定腫瘤區（gross tumor volume, GTV）邊界，往往造成靶區勾畫過大、靶區勾畫不確定。本研究通過對比影像融合前后勾畫的靶區，探討CT/MRI圖像融合技術在肺癌腦轉移靶區勾畫中的作用。

1 資料與方法

1.1 研究對象 本組病例為2011年1月-2012年5月哈爾濱醫科大學附屬第三醫院收治的肺癌腦轉移患者，共31例，均經病理證實。其中男性15例，女性16例，年齡48歲-73歲；鱗癌8例，腺癌16例，小細胞癌7例；單發23例，多發8例，其中幕上25例，幕下5例，幕上及幕下轉移1例。對于伴有明顯顱高壓癥狀者掃描前均行降顱壓藥物治療，且CT及MRI掃描間隔盡量縮短。對于CT和MRI均呈陰性的病例，如腦膜轉移，因融合技術優勢不明顯，且腦膜轉移多采用全腦照射，本研究并未納入相關病例。

1.2 CT/MRI檢查 全部病例均在仰臥位予熱塑面罩固定后行橫斷面CT增強掃描，采用菲利浦大孔徑模擬定位機（Phylips Brilliance Big Bore），圖像軸面掃描基線采取眶耳線（外眥至外耳道連線），直至顱頂骨，厚度為5 mm，冠狀面掃描基線為冠狀線垂直眶耳線，掃描層厚為5 mm。所有病例在CT掃描前后3天內均接受MRI掃描，MRI采用Phillips Achieva 1.5T機，掃描時均采用頭頸聯合線圈。由于受MRI機孔徑限制，掃描時未能予熱塑面罩固定，掃描范圍同CT掃描范圍，層厚5 mm。

1.3 圖像融合方法及靶區勾畫 掃描后將CT及MRI圖像經局域網傳輸至治療計劃系統（VARIN Eclipse version 10.0），本系統可根據CT圖像及MRI圖像分別重建三維圖像，采用Point Match法，選擇基底動脈、晶體、視神經、腦干等作為參考點進行融合，融合最大誤差、平均誤差均控制在2 mm以內，完成后由一位高年資放療科醫師分別對每例患者增強CT圖像及CT/MRI融合后的圖像進行靶區勾畫。紅色為GTVCT，綠色為GTVCT/MRI，利用VARIN治療計劃系統上靶區體積計算功能分別計算出各例患者基于CT/MRI融合圖像及增強CT圖像所勾畫的GTV體積并計算比值，若比值介于0.9-1.1，為兩種靶區勾畫方法體積接近；比值≤0.9或≥1.1均為兩種靶區勾畫方法差異明顯。最大平均誤差用兩組GTV邊界相差最大值的均數來表示。

1.4 瘤周水腫情況 水腫分度：無水腫，腫瘤周圍無明確水腫帶；輕度，水腫范圍＜腫瘤最大徑的1/2；中度，水腫范圍在腫瘤最大徑的1/2至腫瘤最大徑之間；重度，水腫范圍＞腫瘤最大徑。如果為多發腦轉移的患者，以水腫最嚴重的病灶統計。本組31例患者中，無水腫5例，輕度5例，中度9例，重度12例。

1.5 統計方法 數據處理采用SPSS 13.0統計軟件，GTV體積比較采用t檢驗，多組之間比較采用方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 GTV體積比較 增強CT靶區的平均體積為23.17 cm3，明顯大于CT/MRI融合靶區的11.15 cm3，CT圖像上勾畫的GTV平均值為（23.17±3.46）cm3，CT/MRI融合圖像上勾畫的GTV平均值為（11.15±1.93）cm3，兩者差異有統計學意義（t=3.021, P=0.004）。基于CT/MRI融合圖像與增強CT圖像所分別勾畫的GTV體積比較見表1。

表 1 CT/MRI融合圖像與增強CT圖像勾畫的GTV體積比較Tab 1 The comparison between GTV volume of CT/MRI image registration and enhanced CT image

2.2 瘤周水腫對靶區勾畫的影響 無水腫的最大平均誤差為（0.34±0.02）cm，因1例GTVCT/MRI大于GTVCT，考慮為CT靶區勾畫偏小，不在比較范圍而將其排除。瘤周水腫對于靶區勾畫影響較大，瘤周水腫程度越大，靶區勾畫準確度越低（表2）。多組之間比較差異有統計學意義（F=3.572, P=0.041），兩兩之間比較顯示無水腫靶區勾畫的最大平均誤差與中度水腫和重度水腫靶區勾畫的最大平均誤差存在統計學差異（P=0.015, P=0.012）。

表 2 轉移灶不同水腫程度的靶區勾畫最大平均誤差比較Tab 2 The comparison among maximum average errors of various degrees of tumor edema

3 討論

肺癌是腦轉移中最常見的原發腫瘤，約占全部腦轉移瘤的30%-40%[1]，CT平掃多表現為顱內單發或多發的等密度、低密度和高密度，瘤灶周圍明顯水腫是轉移瘤的一個明顯特征， 呈低密度區，水腫常累及白質，而較少累及灰質，典型的水腫呈指狀分布，但部分腦轉移瘤CT平掃呈等密度，而病灶周圍又無腦水腫，因此很難發現（圖1）。

MRI成像取決于物質的質子密度，對軟組織特別是對浸潤性腫瘤比較敏感，圖像邊界清晰，較CT影像能夠更精確地描述腫塊大小，并減少觀察之間和觀察者自身對腫瘤范圍理解上的差異[3]，MRI對于腦轉移瘤的診斷和GTV的確定明顯優于CT，但由于MRI非線性的磁場和體內不同組織的磁化系數不同，存在著圖像的失真問題，更重要的是MRI不能提供劑量所需的諸如電子密度、 阻止本領比等參數，加上掃描時間長和缺少固定裝置，所以，MRI的圖像一般不能用于治療計劃系統。

圖 1 增強CT圖像（A）和MRI圖像（B）Fig 1 Enhanced CT image (A) and MRI image (B)

圖 2 幕上轉移灶（A：增強CT圖像；B：MRI圖像；C：CT/MRI融合圖像）。Fig 2 Supratentorial metastasis.(A: Enhanced CT image; B: MRI image; C: CT/MRI fusion image).

醫學圖像融合技術是20世紀90年代出現的一種圖像后處理方法，充分發揮了MRI和CT各自的優勢，在一定程度上彌補了MRI變形、失真的不足，而對腫瘤邊界的顯示則更加清晰。目前該技術在鼻咽癌、腦膠質瘤中研究較多，尚未見應用于腦轉移瘤中的報道。張蕾等[4]收集了19例腦膠質瘤患者進行了術前術后CT與MRI的融合，發現靶區的勾畫單靠CT或者MRI都沒有兩者融合的效果好，顯示CT/MRI融合圖像明顯優于單獨MRI圖像。李丹明等[5]也得出了相似結論。本組病例中CT圖像上勾畫的GTV平均值（23.17±3.46）cm3，CT/MRI融合圖像上勾畫的GTV平均值（11.15±1.93）cm3，兩者差異有統計學意義，CT圖像上勾畫的GTV明顯大于CT/MRI融合圖像上勾畫的GTV，這主要是因為：①CT圖像無法完整清晰地顯示腫瘤邊界；②為了不遺漏靶區，主觀上外擴了靶區范圍，而CT/MRI融合后圖像具備了兩種影像技術的優勢，因此縮小了靶區范圍。本研究重點探討融合前后靶區范圍的比較，因此對亞臨床的轉移和轉移灶的亞臨床浸潤即CTV并未做比較。在圖像融合過程中，筆者應用治療計劃系統中的融合軟件包進行圖像配準和融合處理。沒有采用外部定位標記，而選取顱腦內部標志點作為參考點，主要因為顱腦內的一些解剖結構位置固定并且容易在CT和MRI圖像中識別，如大腦基底動脈、視交叉點、晶體、視神經等，均可在CT和MRI圖像中清晰顯示，且融合結果的優劣由一位影像醫師及一位放療醫師共同判定。采用體表標記法，雖然可以為融合提供更好的位置標準，但在患者活動及行掃描時均存在標記物發生移動的可能，即使很小的位移也會導致融合時出現較大的誤差。

本組病例中，無水腫5例，輕度水腫5例，中度水腫9例，重度水腫12例。其中無水腫患者的最大平均誤差為（0.34±0.02）cm（因1例GTVCT/MRI大于GTVCT，考慮為CT靶區勾畫偏小，不在比較范圍而將其排除），中度和重度水腫患者的最大平均誤差分別為（0.95±0.13）cm、（1.02±0.11）cm，無水腫患者的最大平均誤差與中、重度水腫患者的最大平均誤差有統計學差異（P＜0.05）。由此可見靶區勾畫的誤差大小與腦水腫程度成正比，即腦水腫程度越大，靶區勾畫越不準確（圖2）。主要因為瘤周水腫雖然可以判定轉移瘤的大致位置，但由于邊界不清，且瘤體大小常與瘤周水腫程度不成比例，即表現為“小病灶，大水腫”，為避免遺漏靶區，往往造成靶區勾畫過大，本組重度水腫患者的靶區勾畫最大平均誤差達到1 cm以上。另外對于幕下等部位的瘤灶，雖然受水腫影響很小，但由于缺乏密度對比，病灶邊緣亦顯示不理想，無法滿足對于靶區高精度的要求。從圖3可見增強CT對于小腦病灶顯示不清，CT/MRI融合后的圖像則可以較好地顯示瘤灶邊界，兩者最大誤差達到1.34 cm。因此建議對于水腫明顯或者增強CT顯示不清的病灶，盡量應用圖像融合技術，以減少誤差。

多發腦轉移在肺癌中占有一定比例，本組病例為25.8%（8/31），轉移灶多呈散發且體積較小，瘤周水腫常不明顯，因此CT平掃很難完全顯示。CT/MRI圖像融合技術具備了MRI的成像特點，對于多發小病灶特別是微小病灶和后顱窩病變具有明顯優勢。本組病例中單發23例，多發8例，因兩者病例數相差較多，未作統計學比較，但筆者發現通過影像融合技術可以更準確地判定病灶位置，大大降低了在CT圖像上尋找病灶的難度，減少了主觀誤差（圖4）。

圖 3 幕下轉移灶 （A：增強CT圖像；B：MRI圖像；C：CT/MRI融合圖像）。Fig 3 Infratentorial metastasis (A:Enhanced CT image ; B: MRI image; C:CT/MRI fusion image).

圖 4 多發轉移灶（A：增強CT圖像；B：MRI圖像；C：CT/MRI融合圖像）。圖2-圖4中A、B、C分別為同一患者的增強CT、腦MRI、CT/MRI融合圖像，GTVCT用紅色線顯示，GTVCT/MRI用綠色線顯示。Fig 4 Multiple metastases (A: Enhanced CT image; B: MRI image; C: CT/MRI fusion image). The diagrams (Fig 2 to Fig 4) of A, B, C respectively for the same patients with enhanced CT, brain MRI,CT/MRI fusion images, GTVCT with red line display, GTVCT/MRI green line display.

目前肺癌腦轉移率呈升高趨勢，如何更好地改善臨床癥狀、控制局部病灶、提高影像識別的準確率以及靶區勾畫的精確度是關鍵。本研究顯示，單獨應用CT勾畫GTV的體積明顯大于應用CT/MRI融合圖像勾畫GTV的體積，而主要原因是MRI較CT能夠更清楚地顯示腫瘤邊緣的信息。通過CT/MRI圖像融合技術將MRI和CT的優勢結合起來，使靶區勾畫相對容易，并且提高了靶區勾畫的一致性，減少了主觀誤差。有報道[6]顯示不同醫師之間根據CT/MRI圖像融合勾畫的靶區，由于主觀認識上的差異引起的差別小于CT靶區的差別。本研究雖未進行上述比較，但CT/MRI圖像融合對于腦轉移靶區勾畫的一致性應該存在積極意義。目前CT/MRI融合技術尚不能解決生物靶區的勾畫，因為常規MRI無法了解靶區內部的生物學信息，如乏氧、增殖等，目前PET-CT是解決上述問題的主要手段，然而PET-CT對于腦轉移的成像效果不佳，無法清晰顯示腫瘤邊界，且存在一定的誤診及漏診，因此，如何將CT、MRI、PET-CT的優勢結合在一起或許是解決生物靶區問題的一條途徑。本研究仍存在一些待解決的問題，如CT定位時雖均采用B型頭枕以接近MRI掃描的體位但并不是完全一致，以及病例數較少沒有針對各個病理類型進行比較，研究小組將進一步完善研究，探尋CT/MRI融合技術在臨床應用的價值。