圖像融合技術在放療靶區勾畫中的應用進展

楊熙，徐子海

1.桂林醫學院 研究生學院，廣西 桂林541004；

2.中國人民解放軍第三○三醫院 放療中心，廣西 南寧 530021

圖像融合技術在放療靶區勾畫中的應用進展

楊熙1，徐子海2

1.桂林醫學院 研究生學院，廣西 桂林541004；

2.中國人民解放軍第三○三醫院 放療中心，廣西 南寧 530021

準確的靶區勾畫對提高腫瘤局部控制率及降低正常組織并發癥率有著至關重要的意義，醫學成像設備及圖像融合技術的發展為準確定位放療計劃靶區提供了可能。本文綜述了圖像融合技術在放療中的應用，并對解剖成像及功能成像的現狀進行闡述，同時展望了多種融合圖像應用于放療技術的前景與挑戰。

圖像融合；靶區勾畫；圖像配準；正電子發射斷層顯像術；磁共振成像；體層攝影術；計算機斷層掃描

隨著腫瘤放射治療學逐步從常規放療向三維適形放療（3D-CRT）、調強放療（IMRT）、圖像引導放療（IGRT）、低分割分次少的立體定向放療（SBRT）等精確放療技術方向發展，精準的靶區范圍的確定越來越受到人們關注。因此，將圖像融合技術應用到腫瘤放射治療的靶區勾畫中對提高腫瘤的局部控制率和降低正常組織的并發癥率有著積極的作用。本文就圖像融合技術在腫瘤放射治療中的應用進展做一綜述。

1 圖像融合及相關技術

計算機技術的發展實現了同一部位的不同顯像模式的圖像經過一定的預處理后進行融合疊加顯示成像[1]。圖像融合前需要先進行預處理和配準，配準是通過對選定的解剖標志或成像前體外預先放置的標志進行重合匹配[2]。圖像配準的方法主要分為基于外部特征的配準和基于圖像內部特征的配準兩種。外部定位標志法的特點是定位簡單，較準確，成像后可以全自動進行配準，對位參數易于計算，不需復雜的優化算法。由于外部定位標志法不能包含患者的相關圖像信息，因此對位限制于剛體變換。內部特征法則從不同成像模式提取共有的體位標志諸如解剖標志、幾何標志，局部點、線、表面輪廓特征及像素特征等進行對位，其包含患者自身圖像的信息，已經成為配準算法研究的重心。圖像融合的算法主要有兩類，一是基于像素的灰度加權求和逐個處理法，二是基于圖像特征的方法，前者相對簡單，后者的原理較復雜，但效果較好，比如小波變換法、多分辨率形態濾波法等；融合圖像的顯示主要有偽彩顯示法，以及使用三維數據進行體層顯示和三維顯示[3]。目前，醫學圖像融合的模式還只是停留在體層成像方面（如CT、MRI、PET等），對于非體層成像（如CR、DE、US等）目前的融合技術還未能涉及。

2 三種醫學成像方式的臨床應用特點

2.1 CT影像的臨床應用特點

CT具有較好的空間分辨率，可以清晰顯示解剖結構和病變組織，經計劃系統得出的靶器官及重要器官的定位均有較高的精度，經計劃設計好的射野，通過激光定位系統將射野形狀的外輪廓和射野中心軸等投射到患者皮膚上并做好相關的標記。目前的放療計劃定位主要應用CT技術進行影像采集，由于多層螺旋CT采集影像數據時間短，受呼吸運動的影響小，定位圖像一般不發生畸變，且CT值與組織密度值呈線性對應關系，可直接應用CT值大小進行放療計劃的計算，所以臨床放療計劃設計大多以CT影像來確定腫瘤臨床靶區，而且螺旋CT已經被列入治療計劃CT掃描的常規檢查項目[4]。集放射診斷、放療計劃、模擬定位和模擬治療于一體的CT模擬定位系統能夠對高度不規則腫瘤制訂精確的放療計劃，提供接近腫瘤實際形狀的真正適形放療[5]。但由于CT影像對軟組織結構區分能力差，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，成為精確靶區勾畫的難題。

2.2 MRI影像的臨床應用特點

磁共振成像（MRI）具有多參數成像、高對比度成像、多方位成像等特點能夠對人體能量代謝進行研究（不同的序列如T1、T2、增強脂肪抑制序列），有較高的組織分辨率和血管血液的流空效應，因此能清楚顯示腫瘤病變與周圍結構的關系。惡性腫瘤的早期，在血管的侵犯以及腫瘤的分期等方面優于CT。總的來說，MRI的圖像質量顯著優于CT[6]。Shuto等[7]對多排螺旋CT懷疑食管術后淋巴結轉移的47個病變進行彌散加權成像（DWI）和PET對比，結果顯示，DWI和PET敏感性（95％ VS 97％）和整體準確率（81％ VS 87％）差異無統計學意義。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，加上空間分辨率低、掃描時間長和缺少固定裝置，使MRI圖像容易形成偽影。所以，MRI的圖像一般不能單獨用于治療計劃系統[8-9]。

2.3 PET影像的臨床應用特點

PET是以正電子發射核素（如18F、11C、15O等）標記的生物活性分子諸如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等，通過示蹤原理反映生物活體內的生化改變和代謝信息的核醫學顯像技術，作為一種分子功能影響技術，PET在多種腫瘤的診斷、分期及療效評價、預后預測等方面顯示出優于傳統解剖學影像的潛能[10-11]。以18F標記的脫氧葡萄糖（FDG），是在腫瘤正電子成像中應用最為廣泛也最成熟的示蹤劑，FDG-PET在NSCLC（非小細胞肺癌）診斷和分期中的應用價值己得到越來越廣泛的認可 ,已有不少學者嘗試將PET提供的淋巴結信息用于指導NSCLC放療計劃的設計。初步的劑量學研究顯示,將FDG-PET影像提供的功能信息整合到NSCLC放療計劃的設計可能有助于提高腫瘤控制率和降低正常組織并發癥發生率[12-13]。PET由于可以利用多種示蹤劑從分子水平反應腫瘤細胞的生化代謝、增殖能力、乏氧水平等信息，可以在生物靶區的勾畫中發揮重要作用[14]，雖然18F-FDG PET/CT對惡性腫瘤組織的攝取及空間分辨能力有其獨特的優勢，對于鼻咽癌放療后腫瘤殘留和復發的敏感性、特異性和符合率高于MRI；對于頸淋巴結轉移的診斷和特異性明顯高于MRI[15]，但對合并壞死或直徑太小的淋巴結轉移的檢測存在一定局限性，另外PET圖像組織分辨率并不及MRI，尤其是邊緣的模糊效應使依據PET圖像信息準確勾畫腫瘤邊界受到限制[16]。

3 圖像融合技術的臨床應用

局部精確放療技術三維適形放療（3DCRT）、逆向調強放療（IMRT）、立體定向放療（SBRT）及圖像引導放療（IGRT）的發展，高效率、高精度放療從物理方面實現了最大程度的提高腫瘤靶區劑量和減少正常組織放射受量的目標，為提高放療的增益比提供了日趨完善的技術支持。放療技術的進步提高了放療的精確性，但如果靶區本身不準確，再精確的放療技術亦難以提高放療療效[17]。腫瘤靶區邊界和正常組織輪廓定義的精確與否己成為腫瘤放療計劃優劣的基礎和評估的依據。

3.1 CT與MRI圖像融合技術在放療靶區勾畫中的應用

將CT與MRI優勢相結合，應用在放療定位中起到精確勾畫靶區、減少正常組織受量、提高腫瘤局部劑量作用。Krempien等[18]在對16例復發的各類腫瘤的近距離放療的計劃系統中采用CT和MRI融合圖像，融合精度達（1.8±0.9）mm。而單獨使用CT，腫瘤則很難界定。圖像融合的精度直接影響腫瘤靶區的確定，在剛性解剖部位（如顱腦腫瘤）利用骨性標記進行CT與MRI圖像融合精度較高（誤差＜2 mm）[19]。由于頭頸部組織結構的復雜性以及CT與MRI在這些復雜組織結構分辨率的差異，使得CT、MRI圖像融合技術在鼻咽癌靶區勾畫及放療計劃中得到了較廣泛運用。在鼻咽癌的診斷中，融合圖像對咽后外側組淋巴結、顱底骨質破壞及枕骨斜坡的診斷和勾畫上有很大優勢。有報道[20]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。鼻咽癌的準確勾畫除同放療計劃設計有關同時也是預測預后的一個重要因素。李丹明等[21]對9例原發腫瘤位于腦實質內難以定界的膠質瘤患者術后MRI和定位CT圖像進行對比勾畫，顯示CT圖像的CTV（Clinical Targel Volume，臨床靶體積）比融合圖像的CTV平均高估了47.3l％，表明根據術前MRI在CT定位圖像上勾畫CTV的方法可能會造成靶區偏大，導致正常腦組織受量過多，使放射性腦損傷的概率增加。張蕾等[22]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。李洋等[8]對31例肺癌腦轉移患者勾畫的靶區比較，發現CT圖像上勾畫的GTV（Gross Tumor Volume，大體腫瘤體積）明顯大于CT/MRI融合圖像上勾畫的GTV，CT影像在顱內水腫占位的病灶不能清楚地顯示腫瘤邊界，勾畫者為了不遺漏靶區，在主觀上外擴了靶區范圍。任志剛等[23]的研究提示圖像融合對肝臟交界區腫瘤測量有應用價值，能精確定位、減少靶區體積。對于盆腔組織結構的顯示，MRI圖像能夠更加清晰顯示盆腔的泌尿生殖系統、腸道結構以及前列腺包膜與精囊的受侵[24]。在前列腺癌的靶區勾畫中，通過融合CT與MRI圖像的放療靶區位點,能顯著的改善放射治療質量[25]。有研究[26]采用MRl和CT融合圖像勾畫CTV，并與單純CT勾畫的CTV比較。結果顯示CTVCT-MRI與CTVCT相比平均小19.40％，差異主要在前列腺尖部，從而提高靶區勾畫的準確性,降低直腸、膀胱等危及器官毒副反應的發生率[27]。因此，在準確的靶區勾畫方面，CT與MRI圖像融合技術具有巨大的優勢。

3.2 PET與CT圖像融合技術在放療靶區勾畫中的應用

由于PET圖像是一種低信噪比的圖像,其空間分辨率較低（4～7 mm）,缺乏正常解剖結構的對照,不利于病變的準確定位,因此,在將PET用于放療計劃設計時,需要將PET圖像與高空間分辨率（＜ l mm）的CT圖像進行融合。2000年PET/CT一體機的出現和發展免除了多次掃描的不便減少了圖像配準的誤差，使得生物功能靶區和解剖結構靶區能有機地結合和直觀展示，能更便捷地用于臨床放療計劃中靶區的精確勾畫、引導放療高劑量區的設置，有助于提升靶區劑量和降低正常組織照射劑量[28]。對于檢測局部未控、殘留和復發，顯示解剖組織密度結構變化的CT很難將它們與治療后的結構改變進行分辨，而FDG-PET具有突出的優勢，其敏感性和特異性相對較高。PET/CT融合圖像對腫瘤分期和治療計劃具有潛在影響[29]。

Paulino等[30]在對40例頭頸部腫瘤病例的研究中發現采用CT-GTV和PET-GTV相加的復合GTV更適合用于調強計劃。18F-FDG PET/CT對惡性腫瘤組織的攝取及空間分辨能力有其獨特的優勢，對于鼻咽癌放療后腫瘤殘留和復發的敏感性、特異性和符合率均高于MRI；對于頸淋巴結轉移的診斷和特異性明顯高于MRI[31]。目前，國內外對PET/CT融合圖像對非小細胞肺癌的靶區勾畫研究多見，當伴有肺不張、胸水或阻塞性肺炎時CT很難判定腫瘤靶區的實際位置和大小而主要依賴PET所顯示的活性高聚區來勾畫靶區,且通常是縮小的靶體積，其結果是肺、食管、心臟和脊髓等重要器官的受照體積和劑量降低[32-33]。Bradley等[34]也發現PET能發現約40％的CT陰性縱膈淋巴結為陽性表現。De Ruysscher等[35]進行的僅對PET陽性縱膈淋巴結照射的前瞻性研究顯示，在計劃靶區外的腫瘤復發概率降低。對于復發或術后的殘留的婦科腫瘤，應用18FDG PET/CT圖像勾畫的GTV比常規的CT影像勾畫的要小，能提高婦科腫瘤放療計劃的準確性[36]。目前，PET/CT主要應用于腫瘤的早期診斷和放化療后的療效評估，其應用于放療計劃靶區勾畫作用還是有限，國內外在NSCLC的靶區勾畫研究多見，如何更好地利用其優勢于更多的腫瘤放療計劃還需要大量的探索和研究。

4 期待與展望

綜上所述，圖像融合技術可以為放療計劃設計提供更豐富的信息，對臨床診斷及精確放療的實現起到積極的推動作用。目前圖像融合技術還不太成熟，還有一些問題尚待解決，比如沒有統一的評價標準，不同信息間的兼容受限制，圖像配準的方法等都需要進一步研究。盡管PET/CT儀的應用日益成熟并拓展到眾多領域，但由于MRI磁場的特殊性，PET/MRI和CT/MRI一體機在硬件發展上存在一定滯后，我們也可以開展更多的研究工作。PET/MRI融合圖像雖應用于放療靶區勾畫還存在眾多限制，但其在神經系統疾病診斷的優勢已嶄露頭角。CT/MRI融合圖像廣泛應用于臨床各種疾病的診斷，其對提高放療計劃靶區勾畫準確性上有很大的推動。在如何提高異機融合圖像配準精度的問題上有廣泛的研究前景，國內外已有不少學者通過設計標記物提高掃描圖像的融合精度并取得一定進展[37]。現階段CT/MRI和PET/CT融合技術用于放療計劃還存在不少問題，但與單純的CT定位圖像相比，融合圖像應用于放療計劃設計還是顯現出潛在的優勢，有望成為放射治療領域新的研究方向，隨著融合技術的不斷完善，其優勢必將在未來的放射治療中得到更好的應用。

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Application Progress of Image Fusion Technology in the Target Delineation of Radiotherapy

YANG Xi1, XU Zi-hai2
1.Graduate School of Guilin Medical University, Guilin Guangxi 541004, China；2.Radiation Therapy Center, No. 303 Hospital of Chinese People’s Liberation Army, Nanning Guangxi 530021, China

The accuracy of target volume delineation prior to radiotherapy is essential for improving the local control rate of tumors as well as reducing the complication probability of normal tissues. Medical imaging equipment and image fusion technologies are useful to accurately delineate the target volume in the planning of radiation therapy. This study reviewed the application of image fusion technologies in radiotherapy, and the status quo of anatomical imaging and functional imaging was clarified. Finally this paper discussed the prospects and challenges of a variety of image fusion technologies in the application of radiotherapy.

image fusion；target volume delineation；image registration；positron-em ission tomography；magnetic resonance imaging；tomography；computed tomography

R730.55

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.10.022

1674-1633（2015）10-0079-04

2015-03-16

2015-03-22

廣西自然科學基金項目（2012GXNSFAA053166）。

徐子海，主任醫師，碩士生導師。

通訊作者郵箱：flzx99@vip．sina．com