多模態(tài)磁共振成像及融合技術在顱腦惡性腫瘤放療靶區(qū)勾畫中的應用

王長福 王斌杰 王 智 周彥汝 賀 祥 石曉瑩 姜澳田

河南大學淮河醫(yī)院影像科 河南大學醫(yī)學影像研究所，河南 開封 475000

膠質瘤和轉移瘤是顱內常見惡性腫瘤，手術切除和(或)術后放療是首選的治療方案。一直以來，計算機斷層掃描(computed tomography，CT)圖像仍是放療中靶區(qū)和危及器官勾畫的最佳圖像資源，但由于CT的軟組織分辨率較差，腫瘤邊界模糊，即使采用CT增強仍會有部分病灶顯示不清或不顯示，對于瘤周水腫范圍、水腫區(qū)有無腫瘤病灶及是否將神經纖維勾畫進去等，CT圖像更是無能為力。近年來，國內外利用CT-MRI圖像融合技術對顱腦惡性腫瘤進行精確勾畫的臨床研究已逐步展開，并取得一定有信服力的成果，但方法較為單一。本研究通過CT-MR圖像融合技術并結合磁共振多模態(tài)成像對瘤區(qū)進行精確勾畫，以探討該技術在顱腦惡性腫瘤在放療中的作用及價值。

1 資料與方法

1．1 一般資料

本組病例是河南大學淮河醫(yī)院2017-09—2018-08收治的腦膠質瘤患者14例，男6例，女8例；年齡50～73歲。患者為單發(fā)病變，均已行全切或不全切手術，KPS評分≥70分。WHO分級Ⅲ級3例，Ⅳ級11例，均有術后放療指征。

1．2 設備和掃描參數

CT檢查使用德國西門子公司產16排螺旋CT掃描儀，患者取仰臥位，機架零角度行顱腦橫斷位掃描，從延髓下緣掃描至顱頂，層厚3 mm，無間隔掃描。磁共振檢查使用德國西門子公司產3.0T Verio超導型磁共振掃描儀，取仰臥位，用放療定位架、頭托及頭模對頭部進行固定，用腹部相控陣線圈覆蓋頭部。掃描范圍自顱頂至延髓下緣，行顱腦平掃，橫軸位用快速自旋回波序列(TSE) T2WI (TR 12 693 ms，TE 96 ms)，層厚3 mm，層間距0 mm，矩陣320×320，視野(FOV)220 mm×220 mm，層數70層；快速小角度激發(fā)序列(flash 2d)T1WI壓脂(TR 488 ms，TE 2.67 ms)，層厚3 mm，層間距0 mm，矩陣320×320，視野(FOV)220 mm×220 mm，層數24層。同時輔以快速自旋回波序列(TSE) T2WI (TR 4 100 ms，TE 96 ms)矢狀位成像。灌注及增強掃描，采用高壓注射器經肘前靜脈注入造影劑釓噴酸葡胺(Gd-DTPA)，速率4.0 mL/s，劑量0.2 mL/kg。后行磁共振全腦灌注掃描及增強掃描，灌注掃描參數PWI (TR 1 800 ms，TE 30 ms)，層厚3 mm，層間距0 mm，矩陣128×128 視野(FOV)230 mm×230 mm，層數24層；增強掃描參數，在T1WI脂肪抑制序列行橫軸位掃描，T1WI (TR 1 400 ms，TE 2.67 ms)，層厚3 mm，層間距0 mm，矩陣320×320 視野(FOV)230 mm×230 mm，層數70層。

1．3 MR多模態(tài)圖像后處理

將磁共振波譜原始圖像傳輸至磁共振工作站，經專用軟件后處理后獲得CBV(腦血容量)、CBF(腦血流量)、MTT(平均通過時間)、TTP(達峰時間)圖像，觀察病變及周圍區(qū)域血流灌注情況。并將CBV與MR增強軸位圖像融合，了解腫瘤術后邊界及水腫范圍。

1．4 圖像融合

分別將CT圖像及磁共振平掃T2WI、增強軸位T1WI-FS、灌注CBV圖像經院內局域網分別傳送至放療科FocalFusion工作站，將磁共振圖像分別與CT定位圖像進行圖像配準融合(圖1A～C)，先進行匹配粗融合，再根據系統(tǒng)矯正功能對融合圖像進行精細融合，使人體外輪廓、解剖結構及骨性標志等基本重合。融合效果由放療科醫(yī)師、物理師及影像科醫(yī)師共同評估確定。最終生成CT/MRI-T2WI、CT/MRI-T1WI-FS及CT/MRI-CBV融合圖像，用于靶區(qū)勾畫。

1．5 靶區(qū)勾畫

先由放療科醫(yī)師在CT圖像上對病變的放療范圍進行定位勾畫。后由放療科醫(yī)師、物理師及影像科醫(yī)師依據磁共振多模態(tài)圖像提供的信息在CT/MRI-T2WI融合圖像上勾畫臨床靶區(qū)(clinical target volume，CTV)(圖1D～F)，在CT/MRI-T1WI-FS、CT/MRI-CBV融合圖像(圖2B～C)、腫瘤浸潤的天然屏障及重要部位(如視神經走形區(qū)、海馬、腦干)處適當修改(圖2A)。CT定位圖上勾畫的CTV命名為CTVCT，CT/MRI-T2WI圖上勾畫的CTV命名為CTVCT/MRI。將完成靶區(qū)勾畫的CT文件傳至計劃系統(tǒng)作治療計劃，然后再將治療計劃回傳至FocalFusion工作站結合磁共振圖像對治療計劃進行二次評估(圖2D～F)。

1．6 觀察指標

按圖像分為CT定位圖像組與CT/MRI圖像融合組，利用治療計劃系統(tǒng)上靶區(qū)勾畫體積計算功能分別計算CTV體積，觀察不同組間靶區(qū)體積勾畫的差異。

1．7 統(tǒng)計學方法

2 結果

放療科醫(yī)師勾畫CTVCT和CTVCT/MRI體積[(342.54±63.22)cm3vs(311.03±70.84)cm3]比較，差異有統(tǒng)計學意義(t=3.89，P=0.002)。

3 討論

目前國際上放射治療計劃系統(tǒng)大部分是在立體定向、三維適形及靜動態(tài)調強等方面進行的研究開發(fā)，并結合最新的計算機技術和快速精準的三維計量計算方法，以及多目標理論和算法開發(fā)精確放療系統(tǒng)。這些計劃系統(tǒng)所基于的2D/3D解剖結構圖像，能夠有效減少對解剖區(qū)域的放射損傷，最大限度減少輻射劑量，但不能保證對周圍重要功能區(qū)域的保護進行可視化的精確指導。本課題旨在利用磁共振多模態(tài)技術對中樞神經系統(tǒng)腫瘤本身及周圍神經結構及功能區(qū)進行可視化顯示，并將其與CT圖像融合，從而對病變區(qū)進行精確勾畫，指導放射治療計劃的制定，達到精準放療并有效保護正常組織的目的功能異常[1-2]，同時也可以有效避免單純MR圖像的失真[3]。

圖1 A～C：FocalFusion圖像融合工作站進行CT/MRI圖像融合配準；D～F：CT/MRI圖像融合用于靶區(qū)勾畫作治療計劃Figure 1 A-C：FocalFusion image fusion workstation for CT/MRI image fusion registration；D-F：CT/MRI image fusion for target area delineation

在放射治療實施過程中，靶區(qū)確定是首要且關鍵的步驟，醫(yī)學影像技術是確定靶區(qū)的重要工具。CT成像一直以來都是放療定位的重要工具，但由于其軟組織分辨率較低，其對病灶的顯示及對病變周圍水腫范圍的判斷往往不準確。MR成像取決于物質的質子分布，對軟組織特別是浸潤性癌的顯示更敏感，圖像邊界相對清晰，較CT影像能跟精確地描述腫塊大小，對于腫瘤區(qū)級水腫區(qū)的判斷也明顯優(yōu)于CT，并減少觀察之間和觀察者自身對腫瘤范圍理解上的差異[4-10]。MRI對于腦轉移瘤的診斷和GTV的確定明顯優(yōu)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，存在圖像的失真問題，更重要的是，MRI不能提供劑量所需的電子密度、阻止本領比等參數，加上掃描時間長和缺少固定裝置，所以一直以來不用于治療計劃系統(tǒng)。而利用圖像融合方式則充分發(fā)揮了MRI和CT的各自優(yōu)勢，對腫瘤的勾畫更精細、更嚴謹[11-18]。

圖2 A：在磁共振圖像上對視神經、腦干重要結構進行劑量保護區(qū)域勾畫；B～C：CT與磁共振灌注圖像融合，用于判定有無腫瘤殘留區(qū)域修訂靶區(qū)；D～F：基于CT/MRI融合圖像勾畫靶區(qū)生成的放射治療計劃Figure 2 A：Dose protection area for important structures of optic nerve and brainstem on magnetic resonance image Delineation；B-C：CT and magnetic resonance perfusion image fusion，used to determine the presence or absence of tumor residual area revised target area；D-F：based on CT /MRI fusion image delineation target area generated radiotherapy plan

目前所指的多模態(tài)磁共振成像技術，包括磁共振擴散加權成像、擴散張量成像、灌注成像、波譜成像及血氧水平依賴的功能磁共振成像等，臨床上可以根據需要對多模態(tài)成像技術進行自由組合及選擇，以了解病變及周圍組織的綜合信息[19-30]。磁共振多模態(tài)成像與放射治療計劃系統(tǒng)相結合就是要充分利用計算機技術、人體組織解剖與功能的可視化、劑量計算手段、優(yōu)化理論和算法、控制方法等，解決治療計劃的優(yōu)化、劑量計算的快速精確、治療過程的精確定位，并保證目標劑量的準確實施等問題，因此，磁共振多模態(tài)成像在放射治療計劃的制定方面有重要價值。

本研究采用腦灌注成像對顱腦腫瘤進行判定。該成像通過反映組織的微循環(huán)特點可以準確判斷腫瘤性病變與非腫瘤性病變(如放射性腦病等)，同時精確判斷病變的大小、位置及邊緣，了解其與神經纖維束的關系，以便精確勾畫，準確定位，以達到對腫瘤進行精確放射治療的同時能有效保護周圍正常組織目的[31]。

本研究顯示，利用CT-MRI融合技術并結合磁共振多模態(tài)成像勾畫的計劃放療范圍明顯精確于單純CT圖像[32-35]，且利用CT-MR多模態(tài)融合圖像可以更有效地尋找腫瘤的邊界、水腫范圍、水腫區(qū)內有無腫瘤病灶及有效避開神經纖維束，最大程度避免放療對海馬的影響，其準確性和精確性均得到很大的提高，減少了因CT圖像顯示的腫瘤邊界不清導致放療靶區(qū)較實際靶區(qū)小的因素，從而是腫瘤放療的局控率有了較大的提高[36-40]。

本研究創(chuàng)新點是在原有放療計劃基礎上集成多模態(tài)神經成像，并用來修正放療計劃，在精準放射治療，減少放射治療并發(fā)癥方面有重要意義。當前衛(wèi)生部已把MR與CT圖像融合用來指導放療計劃的制定列入一些中樞系統(tǒng)腫瘤的標準化治療方案中，因此，磁共振多模態(tài)成像的對放射治療計劃的制定有重要意義。目前磁共振多模態(tài)成像技術，如MRI加權技術[41-43]、波譜技術[44-46]、彌散張量技術[47-51]及多模態(tài)3D打印技術[52]等已經廣泛應用于腦腫瘤的精確診斷中，將這些技術與常規(guī)MR圖像及與CT圖像融合用于腦腫瘤放射治療靶區(qū)勾畫并護互為補充，將會使靶區(qū)勾畫更精確、對人體造成的危害更小。