殷云鵬 駱科林 謝 朝 胡金有 鄒 煉

（四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院四川省人民醫(yī)院腫瘤中心 成都610072）

隨著計(jì)算機(jī)、影像技術(shù)、放射生物學(xué)和醫(yī)學(xué)物理等學(xué)科的快速發(fā)展，腫瘤放射治療已進(jìn)入了精確放療時(shí)代。精準(zhǔn)的靶區(qū)和正常組織的勾畫是精確放療的前提條件，并且對(duì)提高腫瘤局部控制率和降低正常組織的并發(fā)癥有著決定性的影響。不同影像模態(tài)具有不同的成像特性，能夠提供靶區(qū)與正常組織的不同維度的信息，利用多模態(tài)影像的融合實(shí)現(xiàn)精確放療的引導(dǎo)已經(jīng)成為臨床單位的標(biāo)準(zhǔn)［1］。

計(jì)算機(jī)體層攝影（Computed Tomography，CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）以及正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像（Positron Emission Computed Tomography，PET）是目前精確放療臨床應(yīng)用最為主流的幾種成像模態(tài)。CT 影像作為放療方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)影像，提供了關(guān)鍵的精確幾何信息和劑量計(jì)算算法所需的電子密度信息；MRI 以其優(yōu)秀的軟組織分辨能力，為臨床上確定腫瘤區(qū)域的尺寸和邊界提供了非常清晰的信息；PET 成像作為一種功能性成像手段，能夠提供腫瘤組織的生理代謝等功能信息［2］。當(dāng)然PET成像因?yàn)槠涑杀竞瓦\(yùn)行條件的限制，普及程度要遠(yuǎn)差于CT和MRI。

MRI/CT 影像融合在靶區(qū)和正常組織精確勾畫中得到了非常廣泛的運(yùn)用。甘曉根等［3］對(duì)50例鼻咽癌患者分別在CT 及MRI/CT 融合圖像下勾畫的靶區(qū)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)MRI/CT 圖像融合技術(shù)進(jìn)一步提高了鼻咽癌放療靶區(qū)勾畫的精確性；張海南等［4］同樣對(duì)19 例盆腔腫瘤患者分別在CT、MRI、MRI/CT融合影像下勾畫的靶區(qū)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)MRI/CT 圖像融合技術(shù)在盆腔腫瘤靶區(qū)的確定方面，提高了盆腔腫瘤靶區(qū)（Gross Tumor Volume，GTV）勾畫的準(zhǔn)確性；韋明炯等［5］在診斷軟骨母細(xì)胞瘤的臨床價(jià)值研究中發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合應(yīng)用MRI/CT 兩種技術(shù)有利于提高軟骨母細(xì)胞瘤準(zhǔn)確診斷率；李再升等［6］的研究表明，基于PET/MRI 腦分區(qū)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化攝取值比（Standard Uptake Value Ratio，SUVR）較基于PET 算出的結(jié)果變異系數(shù)更小，離散程度更低。同樣，在PET/MRI腦部掃描中，研究結(jié)果表明基于MRI圖像融合得到的腦區(qū)分割結(jié)果更精確［7］。

從醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，放射治療設(shè)備和醫(yī)療影像設(shè)備作為高端醫(yī)療設(shè)備，進(jìn)口設(shè)備一直占據(jù)著絕對(duì)的主導(dǎo)地位。近年來，隨著國(guó)家對(duì)醫(yī)療器械行業(yè)的政策扶持［8］、對(duì)高端數(shù)字診療裝備增大研發(fā)投入，以國(guó)產(chǎn)醫(yī)用直線加速器、CT、MRI成像儀等為代表的高端醫(yī)療設(shè)備獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。國(guó)產(chǎn)直線加速器的各項(xiàng)主要性能已經(jīng)滿足開展三維適形放射治療（Three Dimentional Conformal Radition Therapy，3DCRT）、調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）等精確放療的條件［9］。CT、MRI 成像儀等影像質(zhì)量方面也已經(jīng)獲得很好的評(píng)價(jià)［10-11］。

國(guó)家新一輪的醫(yī)改重點(diǎn)之一就是強(qiáng)基層。通過醫(yī)聯(lián)體、遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的建設(shè)以及人才引入扶持等政策，促進(jìn)各大三甲醫(yī)院的高級(jí)人才下沉基層，對(duì)基層進(jìn)行技術(shù)幫扶［12］。某基層醫(yī)院作為四川省人民醫(yī)院醫(yī)聯(lián)體建設(shè)的幫扶單位，新增了一套支持開展精確調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）技術(shù)的國(guó)產(chǎn)醫(yī)用直線加速器和一套國(guó)產(chǎn)MRI 影像設(shè)備。該MRI 影像設(shè)備除了支持診斷影像檢查之外，還將與醫(yī)用直線加速器配套，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)影像引導(dǎo)的精確放療。我們?cè)诜暖熡?jì)劃系統(tǒng)（FonicsPlan 系統(tǒng)）中進(jìn)行多模態(tài)影像融合時(shí)（定位CT與MRI影像融合）出現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)放療系統(tǒng)與國(guó)產(chǎn)影像系統(tǒng)不兼容的情況。兩類國(guó)產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備，在滿足各自基礎(chǔ)應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)沒有問題，一旦綜合起來應(yīng)用就出現(xiàn)不兼容問題，且兩邊廠家不能提供切實(shí)可行的解決方案。

為了解決上述困境，我們應(yīng)用Python 編程語言自主開發(fā)了一個(gè)校正軟件工具，在臨床流程中增加一個(gè)影像校正環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)了全國(guó)產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景中的多模態(tài)影像引導(dǎo)精確放射治療。后續(xù)內(nèi)容我們將詳細(xì)介紹FonicsPlan 系統(tǒng)中CT 與MRI 影像融合不兼容問題解決的過程，以及提出的解決方案，以期為基層單位同行提供經(jīng)驗(yàn)參照，為國(guó)產(chǎn)設(shè)備的提升提供臨床應(yīng)用評(píng)價(jià)反饋。

1 材料和方法

1.1 國(guó)產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備

1）國(guó)產(chǎn)直線加速器（新華醫(yī)療的XHA600E）：XHA600E 作為一款全數(shù)字化雙光子醫(yī)用直線加速器，具有多檔兆伏級(jí)X射線及多檔能量的電子線，可對(duì)深部腫瘤和淺表腫瘤進(jìn)行放射治療。全數(shù)字化控制后，加速器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件精度非常高，束流系統(tǒng)也非常穩(wěn)定，能夠很好地滿足開展IMRT 精確放療的技術(shù)要求。

2）國(guó)產(chǎn)放療計(jì)劃系統(tǒng)（新華醫(yī)療的FonicsPlan）：FonicsPlan 是一款已經(jīng)在基層醫(yī)院廣泛使用的三維適形調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃系統(tǒng)。具備多模態(tài)影像融合（例如CT/MRI、CT/PET 影像融合等），高精度的電子束及光子束的劑量計(jì)算算法，支持三維適形和調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃的方案設(shè)計(jì)。

3）國(guó)產(chǎn)MRI成像系統(tǒng)（東軟醫(yī)療的NSM-S15）：NSM-S15是東軟醫(yī)療推出的超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)作為一款成熟的國(guó)產(chǎn)設(shè)備（全球范圍內(nèi)裝機(jī)近千臺(tái)），能夠?qū)θ梭w組織進(jìn)行精確的核磁共振成像，具有良好的成像性能。

1.2 多模態(tài)影像引導(dǎo)不兼容問題

醫(yī)院在沒有引入東軟NSM-S15 核磁共振成像儀之前，已經(jīng)順利開展CT/MRT 融合引導(dǎo)的精確放療技術(shù)（基于外院MRI 影像數(shù)據(jù)）。醫(yī)院引入國(guó)產(chǎn)核磁共振后，該核磁共振儀除了滿足常規(guī)患者診斷需求之外，還將承擔(dān)為精確放療患者提供MRI定位成像的功能。圖1展示了首次利用東軟NSM-S15型MRI 定位的放療患者多模態(tài)影像引導(dǎo)時(shí)的錯(cuò)誤。FonicsPlan計(jì)劃系統(tǒng)不能夠?qū)朐摶颊叩腗RI影像來實(shí)現(xiàn)CT影像與MRI影像融合。該患者的MRI影像能夠在MRI 控制臺(tái)工作站以及醫(yī)院的醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication Systems，PACS）中正常查看。

圖1 FonicsPlan計(jì)劃系統(tǒng)啟動(dòng)融合報(bào)錯(cuò)Fig.1 Error report of fusion start in FonicsPlan planning system

1.3 不兼容問題分析

為了進(jìn)一步甄別不兼容問題的根源，將四川省人民醫(yī)院進(jìn)口的放療計(jì)劃系統(tǒng)（Eclipse TPS 系統(tǒng)）［13］以及影像系統(tǒng)（西門子Magnetom Aera 1.5 T）引入作為參照，完成相應(yīng)的測(cè)試。分別在西門子定位CT、NSM-S15磁共振儀與Magnetom Aera磁共振儀上采集一套質(zhì)控模體的測(cè)試影像，完成以下兩項(xiàng)測(cè)試：1）在FonicsPlan 中新建一個(gè)測(cè)試?yán)?，先?dǎo)入CT 影像，然后再導(dǎo)入Magnetom Aera 上采集的MRI影像，進(jìn)行圖像融合；2）在Eclipse 系統(tǒng)新建一個(gè)測(cè)試?yán)?，先?dǎo)入CT影像，然后再導(dǎo)入NSM-S15上采集的MRI影像，進(jìn)行圖像融合。上述兩項(xiàng)測(cè)試都非常成功，都能實(shí)現(xiàn)多模態(tài)影像融合的精確放療?；谏鲜鼋Y(jié)果，我們可以推定：國(guó)產(chǎn)MRI（NSM-S15）生成的影像序列與進(jìn)口設(shè)備生成的影像序列存在著某個(gè)方面的不一致；國(guó)產(chǎn)放療計(jì)劃系統(tǒng)（FonicsPlan）在處理多模態(tài)影像的異構(gòu)性方面存在某種不足。

不管是CT 影像還是MRI 影像，不管是進(jìn)口設(shè)備掃描的影像還是國(guó)產(chǎn)設(shè)備掃描的影像，都是遵循醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）影像格式的文件。DICOM影像標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了患者、研究、序列、圖像4 個(gè)層次的醫(yī)學(xué)圖像信息結(jié)構(gòu)，以及由這些層次組成的信息對(duì)象［14-15］。通過深入解析各影像序列中的DICOM 標(biāo)簽，能夠比商業(yè)軟件獲取更多的底層信息用于更進(jìn)一步的分析不兼容原因。我們采用自主研發(fā)的軟件MagicPhantom 作為深入分析的工具。MagicPhantom 原本是一款基于Python 語言開發(fā)的3D 虛擬模體設(shè)計(jì)軟件［16］。因?yàn)槠溟_放性的框架、插件式的功能擴(kuò)展能力，目前已經(jīng)演化成我們實(shí)驗(yàn)室用于醫(yī)學(xué)物理相關(guān)研究的平臺(tái)性工具，支持基于DICOM 3.0 標(biāo)準(zhǔn)的多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像分析，可用于放療新設(shè)備的臨床應(yīng)用評(píng)價(jià)、放療新技術(shù)的研究、放療影像引導(dǎo)設(shè)備的影像重建算法研究等。

利用MagicPhantom 分析兩套MRI 影像序列發(fā)現(xiàn)：由東軟NSM-S15 掃描的影像序列中，相鄰兩個(gè)層面的間距與掃描界面設(shè)定的層間距出現(xiàn)了隨機(jī)的偏移（偏移量約在0.01 mm）。每個(gè)層面圖像的位置值（Position Z）在單位為mm 的情況下，坐標(biāo)值的小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字位數(shù)在8 位以上。由Magnetom Aera掃描得到的影像序列中，相鄰兩層面的間距是嚴(yán)格與掃描界面設(shè)定的層間距相等的。盡管每個(gè)層面圖像的位置值在單位為mm 的情況下，也是小數(shù)點(diǎn)后有8位以上的數(shù)字，但是每個(gè)層面位置值中，從小數(shù)點(diǎn)后第二位起所有數(shù)字都是一致的，其他方面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的差異。影響層厚及層間距的因素很多，主要包括梯度場(chǎng)均勻性、射頻脈沖均勻性、層選梯度脈沖和讀出脈沖共面性、重復(fù)時(shí)間TR（Time of Repetition）與縱向持續(xù)時(shí)間（T1）的比率、模體層定位設(shè)置的準(zhǔn)直、層選與射頻脈沖之間的共面性及靜磁場(chǎng)的均勻性等［17］。也許國(guó)產(chǎn)MRI 設(shè)備在機(jī)械運(yùn)動(dòng)和控制精度方面與進(jìn)口設(shè)備有一定的差異，但是從相鄰層面間距偏移量處于0.01 mm量級(jí)的情況來看，我們更傾向于認(rèn)為MRI設(shè)備賦值每個(gè)層面圖像位置值時(shí)，沒有考慮到數(shù)值的物理意義，最后因?yàn)橄到y(tǒng)累積的數(shù)值誤差導(dǎo)致了相鄰層面間距出現(xiàn)非常小的偏離。

經(jīng)過與FonicsPlan 計(jì)劃系統(tǒng)的研發(fā)人員核實(shí)，證實(shí)了上述判斷。在FonicsPlan 系統(tǒng)中，為了避免導(dǎo)入錯(cuò)誤的影像序列，系統(tǒng)在導(dǎo)入DICOM 格式的多模態(tài)影像之前會(huì)嚴(yán)格校驗(yàn)影像層間距，影像層間距完全相等則正常導(dǎo)入，如果有偏離則判定為無效影像序列（沒有考慮層間距偏移量的大小）。

經(jīng)過多次與兩個(gè)廠家工程師溝通，盡管不兼容的原因非常明確，但是雙方都不能給臨床提供一個(gè)切實(shí)可行的解決方案。為了讓基層單位開展多模態(tài)引導(dǎo)精確放療的流程更為流暢，我們提出一個(gè)可操作性強(qiáng)的方案來解決兩套國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)不兼容問題。

1.4 不兼容問題解決方案

我們提出的解決方案是：1）在應(yīng)用FonicsPlan計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行多模態(tài)影像融合操作之前，增加一個(gè)多模態(tài)影像的審查環(huán)節(jié)；2）在MagicPhantom框架下開發(fā)一個(gè)多模態(tài)影像校正模塊用于多模態(tài)影像的審查，并提供相應(yīng)的影像層面位置校正的功能。

圖2展示了一個(gè)應(yīng)用多模態(tài)影像融合引導(dǎo)放療的臨床流程。在影像審查環(huán)節(jié)，利用MagicPhantom查看每個(gè)模態(tài)的影像序列，確認(rèn)好每個(gè)影像序列層間距是否完全一致（是否存在數(shù)值偏差）。如果影像序列層間距完全一致，則自然進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)；如果影像序列層間距存在數(shù)值偏差，則在MagicPhantom程序中予以校正，然后再進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)。

圖2 多模態(tài)影像融合引導(dǎo)放療的臨床流程Fig.2 Clinical flowchart of multimodal image fusion guided radiotherapy

MagicPhantom 的影像編輯模塊將繼續(xù)采用Python語言編程，處理DICOM影像文件的基礎(chǔ)函數(shù)庫為pydicom軟件包。影像編輯模塊實(shí)現(xiàn)的功能包括：1）方便查看各種模態(tài)的影像序列；2）可以交互地選取某個(gè)序列影像的任意層面顯示，并直觀地顯示出各層面的坐標(biāo)位置和層厚；3）提供快捷按鈕審查相鄰影像層面間距是否一致；4）提供快捷修正層面位置數(shù)值偏差的功能；5）對(duì)比相同層面修正前和修正后影像。

2 結(jié)果和討論

為了臨床流程的流暢，所有影像設(shè)備都是通過網(wǎng)絡(luò)（DICOM協(xié)議）與放療系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，影像設(shè)備傳送過來的影像序列都存儲(chǔ)在放療計(jì)劃系統(tǒng)工作站的一個(gè)指定文件夾。MagicPhantom 的影像編輯模塊用戶界面如圖3所示。在影像編輯模塊的左側(cè)控制板上選擇指定文件夾后，軟件會(huì)自動(dòng)歷遍文件夾和子文件夾，并按照影像序列UID（Unique Identifier）歸類。在當(dāng)前病人的下拉菜單項(xiàng)中選擇相應(yīng)的影像序列后，可以方便地交互選擇不同的影像層面進(jìn)行審查。界面上非常直觀地呈現(xiàn)影像層面的位置信息，如果層面間距存在不一致的層面，軟件將會(huì)加高亮顯示。如果需要修正影像序列中存在的層面間距數(shù)值偏差，可以通過右側(cè)的控制面板，選擇保留的小數(shù)點(diǎn)后的位數(shù)進(jìn)行一鍵修正，并選擇好輸出路徑進(jìn)行保存。

MagicalPhantom 中基于pydicom 所開發(fā)的多模態(tài)影像分析工具已經(jīng)經(jīng)受住了多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，是影像編輯模塊開發(fā)的可靠基礎(chǔ)功能。在影像序列層間距修正的操作中，軟件僅對(duì)序列中每層影像的DICOM文件中的影像位置值的Z坐標(biāo)值，進(jìn)行小數(shù)點(diǎn)后指定有效位數(shù)的歸整。這種數(shù)值偏離歸整所代表的物理尺寸角度上的變化是可以忽略的。影像序列完成數(shù)值偏離修正后，將會(huì)保存到獨(dú)立的一個(gè)文件，便于進(jìn)行修正前和修正后影像序列的對(duì)比查看。對(duì)影像編輯模塊進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試之后，用于臨床流程中的影像審查風(fēng)險(xiǎn)是可控的。

對(duì)影像編輯模塊完成嚴(yán)格測(cè)試后，啟用圖2 所示的全新臨床工作流程。圖4第二行展示的是觸發(fā)不兼容情況的患者影像數(shù)據(jù)經(jīng)新工作流程后，在FonicsPlan 計(jì)劃系統(tǒng)中完成的MRI/CT 影像融合。由圖4，其與Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)中完成的MRI/CT融合沒有任何明顯差別（圖4的第一行）。新增的影像審查環(huán)節(jié)，平均每個(gè)病例的處理時(shí)間可以控制在2 min以內(nèi)。增加影像審查環(huán)節(jié)后，有效地解決了國(guó)產(chǎn)放療系統(tǒng)與國(guó)產(chǎn)影像系統(tǒng)不兼容的問題。

圖3 MagicPhantom影像編輯模塊用戶界面Fig.3 Graphic user interface of MagicPhantom image editing module

圖4 校正后的MRI影像與CT影像在Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)中融合后的橫斷面(a)、矢狀面(b)及冠狀面(c)；校正后的MRI與CT影像在FonicsPlan計(jì)劃系統(tǒng)中融合后的橫斷面(d)、矢狀面(e)及冠狀面(f)Fig.4 The cross-sectional(a),sagittal planes(b)and coronal planes(c)of the corrected MRI and CT images after fusion in the Eclipse planning system.The cross-sectional(d),sagittal planes(e)and coronal planes(f)of the corrected MRI and CT images after fusion in the FonicsPlan planning system

3 結(jié)語

從本文的案例可以獲得三個(gè)基本結(jié)論：

1）不管是國(guó)產(chǎn)放療設(shè)備還是國(guó)產(chǎn)影像設(shè)備，性能上整體都有了很大的提升，因其高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，非常適合用于增強(qiáng)基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)的服務(wù)水平；

2）國(guó)產(chǎn)相關(guān)設(shè)備在很多細(xì)節(jié)上的處理，較進(jìn)口領(lǐng)跑品牌產(chǎn)品還是存在差距。不管是國(guó)產(chǎn)放療設(shè)備還是影像設(shè)備，只要有一方考慮到影像相關(guān)參數(shù)的物理意義而不僅僅是數(shù)值，那么這種不兼容問題就不會(huì)產(chǎn)生；

3）不管是從解決具體臨床問題的角度，還是對(duì)國(guó)產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備研發(fā)促進(jìn)的角度，國(guó)產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備的臨床應(yīng)用更是需要高水平的醫(yī)學(xué)物理人員的參與。

高端醫(yī)療設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化是國(guó)家大力推進(jìn)的方向，我國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)也正處在高速發(fā)展的道路上，然而醫(yī)療設(shè)備的演進(jìn)是受多方面因素影響的，其中來自于臨床應(yīng)用的反饋是非常重要且有價(jià)值的。由于歷史發(fā)展階段的原因，往往配置國(guó)產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備的基層單位醫(yī)學(xué)物理人員的水平相對(duì)要低些，對(duì)國(guó)產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備的臨床應(yīng)用的評(píng)價(jià)反饋相對(duì)就更弱。在接下來的研究工作中，我們將利用我院建設(shè)醫(yī)聯(lián)體下沉基層的時(shí)機(jī)，針對(duì)醫(yī)聯(lián)體基層成員單位的國(guó)產(chǎn)放療設(shè)備開展多方面的對(duì)比研究工作。對(duì)比研究工作將以我院進(jìn)口領(lǐng)跑品牌產(chǎn)品為參照，以臨床應(yīng)用功能模塊為焦點(diǎn)，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，尋找出國(guó)產(chǎn)設(shè)備的短板，并給出臨床技術(shù)開展的指導(dǎo)意見。對(duì)于基層單位同行來說，經(jīng)驗(yàn)的分享將使其在提供臨床服務(wù)時(shí)采取一些可操作性的措施，盡量避開設(shè)備的短板；對(duì)于設(shè)備廠家來說，臨床應(yīng)用的評(píng)價(jià)反饋更具有針對(duì)性，能夠幫助廠家更好地提升設(shè)備性能，完成產(chǎn)品迭代。