楊熙，徐子海

1.桂林醫(yī)學(xué)院 研究生學(xué)院，廣西 桂林541004；

2.中國人民解放軍第三○三醫(yī)院 放療中心，廣西 南寧 530021

圖像融合技術(shù)在放療靶區(qū)勾畫中的應(yīng)用進展

楊熙1，徐子海2

1.桂林醫(yī)學(xué)院 研究生學(xué)院，廣西 桂林541004；

2.中國人民解放軍第三○三醫(yī)院 放療中心，廣西 南寧 530021

準(zhǔn)確的靶區(qū)勾畫對提高腫瘤局部控制率及降低正常組織并發(fā)癥率有著至關(guān)重要的意義，醫(yī)學(xué)成像設(shè)備及圖像融合技術(shù)的發(fā)展為準(zhǔn)確定位放療計劃靶區(qū)提供了可能。本文綜述了圖像融合技術(shù)在放療中的應(yīng)用，并對解剖成像及功能成像的現(xiàn)狀進行闡述，同時展望了多種融合圖像應(yīng)用于放療技術(shù)的前景與挑戰(zhàn)。

圖像融合；靶區(qū)勾畫；圖像配準(zhǔn)；正電子發(fā)射斷層顯像術(shù)；磁共振成像；體層攝影術(shù)；計算機斷層掃描

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

1 圖像融合及相關(guān)技術(shù)

計算機技術(shù)的發(fā)展實現(xiàn)了同一部位的不同顯像模式的圖像經(jīng)過一定的預(yù)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(yù)處理和配準(zhǔn)，配準(zhǔn)是通過對選定的解剖標(biāo)志或成像前體外預(yù)先放置的標(biāo)志進行重合匹配[2]。圖像配準(zhǔn)的方法主要分為基于外部特征的配準(zhǔn)和基于圖像內(nèi)部特征的配準(zhǔn)兩種。外部定位標(biāo)志法的特點是定位簡單，較準(zhǔn)確，成像后可以全自動進行配準(zhǔn)，對位參數(shù)易于計算，不需復(fù)雜的優(yōu)化算法。由于外部定位標(biāo)志法不能包含患者的相關(guān)圖像信息，因此對位限制于剛體變換。內(nèi)部特征法則從不同成像模式提取共有的體位標(biāo)志諸如解剖標(biāo)志、幾何標(biāo)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(jīng)成為配準(zhǔn)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(quán)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(fù)雜，但效果較好，比如小波變換法、多分辨率形態(tài)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(shù)據(jù)進行體層顯示和三維顯示[3]。目前，醫(yī)學(xué)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(shù)還未能涉及。

2 三種醫(yī)學(xué)成像方式的臨床應(yīng)用特點

2.1 CT影像的臨床應(yīng)用特點

CT具有較好的空間分辨率，可以清晰顯示解剖結(jié)構(gòu)和病變組織，經(jīng)計劃系統(tǒng)得出的靶器官及重要器官的定位均有較高的精度，經(jīng)計劃設(shè)計好的射野，通過激光定位系統(tǒng)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(guān)的標(biāo)記。目前的放療計劃定位主要應(yīng)用CT技術(shù)進行影像采集，由于多層螺旋CT采集影像數(shù)據(jù)時間短，受呼吸運動的影響小，定位圖像一般不發(fā)生畸變，且CT值與組織密度值呈線性對應(yīng)關(guān)系，可直接應(yīng)用CT值大小進行放療計劃的計算，所以臨床放療計劃設(shè)計大多以CT影像來確定腫瘤臨床靶區(qū)，而且螺旋CT已經(jīng)被列入治療計劃CT掃描的常規(guī)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(tǒng)能夠?qū)Ω叨炔灰?guī)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(jié)構(gòu)區(qū)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(qū)勾畫的難題。

2.2 MRI影像的臨床應(yīng)用特點

磁共振成像（MRI）具有多參數(shù)成像、高對比度成像、多方位成像等特點能夠?qū)θ梭w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(yīng)，因此能清楚顯示腫瘤病變與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)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(yōu)于CT?？偟膩碚f，MRI的圖像質(zhì)量顯著優(yōu)于CT[6]。Shuto等[7]對多排螺旋CT懷疑食管術(shù)后淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的47個病變進行彌散加權(quán)成像（DWI）和PET對比，結(jié)果顯示，DWI和PET敏感性（95％ VS 97％）和整體準(zhǔn)確率（81％ VS 87％）差異無統(tǒng)計學(xué)意義。但由于MRI非線性的磁場和體內(nèi)不同組織的磁化系數(shù)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(lǐng)比等參數(shù)，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(tǒng)[8-9]。

2.3 PET影像的臨床應(yīng)用特點

PET是以正電子發(fā)射核素（如18F、11C、15O等）標(biāo)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(nèi)的生化改變和代謝信息的核醫(yī)學(xué)顯像技術(shù)，作為一種分子功能影響技術(shù)，PET在多種腫瘤的診斷、分期及療效評價、預(yù)后預(yù)測等方面顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)解剖學(xué)影像的潛能[10-11]。以18F標(biāo)記的脫氧葡萄糖（FDG），是在腫瘤正電子成像中應(yīng)用最為廣泛也最成熟的示蹤劑，F(xiàn)DG-PET在NSCLC（非小細胞肺癌）診斷和分期中的應(yīng)用價值己得到越來越廣泛的認可 ,已有不少學(xué)者嘗試將PET提供的淋巴結(jié)信息用于指導(dǎo)NSCLC放療計劃的設(shè)計。初步的劑量學(xué)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(shè)計可能有助于提高腫瘤控制率和降低正常組織并發(fā)癥發(fā)生率[12-13]。PET由于可以利用多種示蹤劑從分子水平反應(yīng)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(qū)的勾畫中發(fā)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(yōu)勢，對于鼻咽癌放療后腫瘤殘留和復(fù)發(fā)的敏感性、特異性和符合率高于MRI；對于頸淋巴結(jié)轉(zhuǎn)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(jié)轉(zhuǎn)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(yīng)使依據(jù)PET圖像信息準(zhǔn)確勾畫腫瘤邊界受到限制[16]。

3 圖像融合技術(shù)的臨床應(yīng)用

局部精確放療技術(shù)三維適形放療（3DCRT）、逆向調(diào)強放療（IMRT）、立體定向放療（SBRT）及圖像引導(dǎo)放療（IGRT）的發(fā)展，高效率、高精度放療從物理方面實現(xiàn)了最大程度的提高腫瘤靶區(qū)劑量和減少正常組織放射受量的目標(biāo)，為提高放療的增益比提供了日趨完善的技術(shù)支持。放療技術(shù)的進步提高了放療的精確性，但如果靶區(qū)本身不準(zhǔn)確，再精確的放療技術(shù)亦難以提高放療療效[17]。腫瘤靶區(qū)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(yōu)劣的基礎(chǔ)和評估的依據(jù)。

3.1 CT與MRI圖像融合技術(shù)在放療靶區(qū)勾畫中的應(yīng)用

將CT與MRI優(yōu)勢相結(jié)合，應(yīng)用在放療定位中起到精確勾畫靶區(qū)、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(fù)發(fā)的各類腫瘤的近距離放療的計劃系統(tǒng)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(qū)的確定，在剛性解剖部位（如顱腦腫瘤）利用骨性標(biāo)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及CT與MRI在這些復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)分辨率的差異，使得CT、MRI圖像融合技術(shù)在鼻咽癌靶區(qū)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(cè)組淋巴結(jié)、顱底骨質(zhì)破壞及枕骨斜坡的診斷和勾畫上有很大優(yōu)勢。有報道[20]顯示不同醫(yī)師之間根據(jù)CT/MRI圖像融合勾畫的靶區(qū)，由于主觀認識上的差異引起的差別小于CT靶區(qū)的差別。鼻咽癌的準(zhǔn)確勾畫除同放療計劃設(shè)計有關(guān)同時也是預(yù)測預(yù)后的一個重要因素。李丹明等[21]對9例原發(fā)腫瘤位于腦實質(zhì)內(nèi)難以定界的膠質(zhì)瘤患者術(shù)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(jù)術(shù)前MRI在CT定位圖像上勾畫CTV的方法可能會造成靶區(qū)偏大，導(dǎo)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(zhì)瘤患者進行了術(shù)前術(shù)后CT與MRI的融合，發(fā)現(xiàn)靶區(qū)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(yōu)于單獨MRI圖像。李洋等[8]對31例肺癌腦轉(zhuǎn)移患者勾畫的靶區(qū)比較，發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(qū)，在主觀上外擴了靶區(qū)范圍。任志剛等[23]的研究提示圖像融合對肝臟交界區(qū)腫瘤測量有應(yīng)用價值，能精確定位、減少靶區(qū)體積。對于盆腔組織結(jié)構(gòu)的顯示，MRI圖像能夠更加清晰顯示盆腔的泌尿生殖系統(tǒng)、腸道結(jié)構(gòu)以及前列腺包膜與精囊的受侵[24]。在前列腺癌的靶區(qū)勾畫中，通過融合CT與MRI圖像的放療靶區(qū)位點,能顯著的改善放射治療質(zhì)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(jié)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(qū)勾畫的準(zhǔn)確性,降低直腸、膀胱等危及器官毒副反應(yīng)的發(fā)生率[27]。因此，在準(zhǔn)確的靶區(qū)勾畫方面，CT與MRI圖像融合技術(shù)具有巨大的優(yōu)勢。

3.2 PET與CT圖像融合技術(shù)在放療靶區(qū)勾畫中的應(yīng)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(jié)構(gòu)的對照,不利于病變的準(zhǔn)確定位,因此,在將PET用于放療計劃設(shè)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P(guān)ET/CT一體機的出現(xiàn)和發(fā)展免除了多次掃描的不便減少了圖像配準(zhǔn)的誤差，使得生物功能靶區(qū)和解剖結(jié)構(gòu)靶區(qū)能有機地結(jié)合和直觀展示，能更便捷地用于臨床放療計劃中靶區(qū)的精確勾畫、引導(dǎo)放療高劑量區(qū)的設(shè)置，有助于提升靶區(qū)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(fù)發(fā)，顯示解剖組織密度結(jié)構(gòu)變化的CT很難將它們與治療后的結(jié)構(gòu)改變進行分辨，而FDG-PET具有突出的優(yōu)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(fā)現(xiàn)采用CT-GTV和PET-GTV相加的復(fù)合GTV更適合用于調(diào)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(yōu)勢，對于鼻咽癌放療后腫瘤殘留和復(fù)發(fā)的敏感性、特異性和符合率均高于MRI；對于頸淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的診斷和特異性明顯高于MRI[31]。目前，國內(nèi)外對PET/CT融合圖像對非小細胞肺癌的靶區(qū)勾畫研究多見，當(dāng)伴有肺不張、胸水或阻塞性肺炎時CT很難判定腫瘤靶區(qū)的實際位置和大小而主要依賴PET所顯示的活性高聚區(qū)來勾畫靶區(qū),且通常是縮小的靶體積，其結(jié)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(fā)現(xiàn)PET能發(fā)現(xiàn)約40％的CT陰性縱膈淋巴結(jié)為陽性表現(xiàn)。De Ruysscher等[35]進行的僅對PET陽性縱膈淋巴結(jié)照射的前瞻性研究顯示，在計劃靶區(qū)外的腫瘤復(fù)發(fā)概率降低。對于復(fù)發(fā)或術(shù)后的殘留的婦科腫瘤，應(yīng)用18FDG PET/CT圖像勾畫的GTV比常規(guī)的CT影像勾畫的要小，能提高婦科腫瘤放療計劃的準(zhǔn)確性[36]。目前，PET/CT主要應(yīng)用于腫瘤的早期診斷和放化療后的療效評估，其應(yīng)用于放療計劃靶區(qū)勾畫作用還是有限，國內(nèi)外在NSCLC的靶區(qū)勾畫研究多見，如何更好地利用其優(yōu)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(shù)可以為放療計劃設(shè)計提供更豐富的信息，對臨床診斷及精確放療的實現(xiàn)起到積極的推動作用。目前圖像融合技術(shù)還不太成熟，還有一些問題尚待解決，比如沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，不同信息間的兼容受限制，圖像配準(zhǔn)的方法等都需要進一步研究。盡管PET/CT儀的應(yīng)用日益成熟并拓展到眾多領(lǐng)域，但由于MRI磁場的特殊性，PET/MRI和CT/MRI一體機在硬件發(fā)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(yīng)用于放療靶區(qū)勾畫還存在眾多限制，但其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷的優(yōu)勢已嶄露頭角。CT/MRI融合圖像廣泛應(yīng)用于臨床各種疾病的診斷，其對提高放療計劃靶區(qū)勾畫準(zhǔn)確性上有很大的推動。在如何提高異機融合圖像配準(zhǔn)精度的問題上有廣泛的研究前景，國內(nèi)外已有不少學(xué)者通過設(shè)計標(biāo)記物提高掃描圖像的融合精度并取得一定進展[37]?，F(xiàn)階段CT/MRI和PET/CT融合技術(shù)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(yīng)用于放療計劃設(shè)計還是顯現(xiàn)出潛在的優(yōu)勢，有望成為放射治療領(lǐng)域新的研究方向，隨著融合技術(shù)的不斷完善，其優(yōu)勢必將在未來的放射治療中得到更好的應(yīng)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(xué)基金項目（2012GXNSFAA053166）。

徐子海，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師。

通訊作者郵箱：flzx99@vip．sina．com