殷云鵬 駱科林 謝 朝 胡金有 鄒 煉

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

隨著計算機、影像技術、放射生物學和醫(yī)學物理等學科的快速發(fā)展，腫瘤放射治療已進入了精確放療時代。精準的靶區(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)影像的融合實現精確放療的引導已經成為臨床單位的標準［1］。

計算機體層攝影（Computed Tomography，CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）以及正電子發(fā)射計算機斷層顯像（Positron Emission Computed Tomography，PET）是目前精確放療臨床應用最為主流的幾種成像模態(tài)。CT 影像作為放療方案設計的基礎影像，提供了關鍵的精確幾何信息和劑量計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］。當然PET成像因為其成本和運行條件的限制，普及程度要遠差于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用。甘曉根等［3］對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)進行比較，發(fā)現MRI/CT 圖像融合技術進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)進行分析，發(fā)現MRI/CT 圖像融合技術在盆腔腫瘤靶區(qū)的確定方面，提高了盆腔腫瘤靶區(qū)（Gross Tumor Volume，GTV）勾畫的準確性；韋明炯等［5］在診斷軟骨母細胞瘤的臨床價值研究中發(fā)現，聯合應用MRI/CT 兩種技術有利于提高軟骨母細胞瘤準確診斷率；李再升等［6］的研究表明，基于PET/MRI 腦分區(qū)計算的標準化攝取值比（Standard Uptake Value Ratio，SUVR）較基于PET 算出的結果變異系數更小，離散程度更低。同樣，在PET/MRI腦部掃描中，研究結果表明基于MRI圖像融合得到的腦區(qū)分割結果更精確［7］。

從醫(yī)療設備行業(yè)的歷史統(tǒng)計數據來看，放射治療設備和醫(yī)療影像設備作為高端醫(yī)療設備，進口設備一直占據著絕對的主導地位。近年來，隨著國家對醫(yī)療器械行業(yè)的政策扶持［8］、對高端數字診療裝備增大研發(fā)投入，以國產醫(yī)用直線加速器、CT、MRI成像儀等為代表的高端醫(yī)療設備獲得了長足的發(fā)展。國產直線加速器的各項主要性能已經滿足開展三維適形放射治療（Three Dimentional Conformal Radition Therapy，3DCRT）、調強放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）等精確放療的條件［9］。CT、MRI 成像儀等影像質量方面也已經獲得很好的評價［10-11］。

國家新一輪的醫(yī)改重點之一就是強基層。通過醫(yī)聯體、遠程醫(yī)療系統(tǒng)的建設以及人才引入扶持等政策，促進各大三甲醫(yī)院的高級人才下沉基層，對基層進行技術幫扶［12］。某基層醫(yī)院作為四川省人民醫(yī)院醫(yī)聯體建設的幫扶單位，新增了一套支持開展精確調強放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）技術的國產醫(yī)用直線加速器和一套國產MRI 影像設備。該MRI 影像設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，實現多模態(tài)影像引導的精確放療。我們在放療計劃系統(tǒng)（FonicsPlan 系統(tǒng)）中進行多模態(tài)影像融合時（定位CT與MRI影像融合）出現了國產放療系統(tǒng)與國產影像系統(tǒng)不兼容的情況。兩類國產醫(yī)療設備，在滿足各自基礎應用場景時沒有問題，一旦綜合起來應用就出現不兼容問題，且兩邊廠家不能提供切實可行的解決方案。

為了解決上述困境，我們應用Python 編程語言自主開發(fā)了一個校正軟件工具，在臨床流程中增加一個影像校正環(huán)節(jié)，最終實現了全國產設備應用場景中的多模態(tài)影像引導精確放射治療。后續(xù)內容我們將詳細介紹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驗參照，為國產設備的提升提供臨床應用評價反饋。

1 材料和方法

1.1 國產醫(yī)療設備

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

2）國產放療計劃系統(tǒng)（新華醫(yī)療的FonicsPlan）：FonicsPlan 是一款已經在基層醫(yī)院廣泛使用的三維適形調強放療計劃系統(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算算法，支持三維適形和調強放療計劃的方案設計。

3）國產MRI成像系統(tǒng)（東軟醫(yī)療的NSM-S15）：NSM-S15是東軟醫(yī)療推出的超導磁共振成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)作為一款成熟的國產設備（全球范圍內裝機近千臺），能夠對人體組織進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，已經順利開展CT/MRT 融合引導的精確放療技術（基于外院MRI 影像數據）。醫(yī)院引入國產核磁共振后，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)影像引導時的錯誤。FonicsPlan計劃系統(tǒng)不能夠導入該患者的MRI影像來實現CT影像與MRI影像融合。該患者的MRI影像能夠在MRI 控制臺工作站以及醫(yī)院的醫(yī)學影像信息系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication Systems，PACS）中正常查看。

圖1 FonicsPlan計劃系統(tǒng)啟動融合報錯Fig.1 Error report of fusion start in FonicsPlan planning system

1.3 不兼容問題分析

為了進一步甄別不兼容問題的根源，將四川省人民醫(yī)院進口的放療計劃系統(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，完成相應的測試。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控模體的測試影像，完成以下兩項測試：1）在FonicsPlan 中新建一個測試例，先導入CT 影像，然后再導入Magnetom Aera 上采集的MRI影像，進行圖像融合；2）在Eclipse 系統(tǒng)新建一個測試例，先導入CT影像，然后再導入NSM-S15上采集的MRI影像，進行圖像融合。上述兩項測試都非常成功，都能實現多模態(tài)影像融合的精確放療?；谏鲜鼋Y果，我們可以推定：國產MRI（NSM-S15）生成的影像序列與進口設備生成的影像序列存在著某個方面的不一致；國產放療計劃系統(tǒng)（FonicsPlan）在處理多模態(tài)影像的異構性方面存在某種不足。

不管是CT 影像還是MRI 影像，不管是進口設備掃描的影像還是國產設備掃描的影像，都是遵循醫(yī)學數字成像和通信（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）影像格式的文件。DICOM影像標準中規(guī)定了患者、研究、序列、圖像4 個層次的醫(yī)學圖像信息結構，以及由這些層次組成的信息對象［14-15］。通過深入解析各影像序列中的DICOM 標簽，能夠比商業(yè)軟件獲取更多的底層信息用于更進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 虛擬模體設計軟件［16］。因為其開放性的框架、插件式的功能擴展能力，目前已經演化成我們實驗室用于醫(yī)學物理相關研究的平臺性工具，支持基于DICOM 3.0 標準的多模態(tài)醫(yī)學影像分析，可用于放療新設備的臨床應用評價、放療新技術的研究、放療影像引導設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：由東軟NSM-S15 掃描的影像序列中，相鄰兩個層面的間距與掃描界面設定的層間距出現了隨機的偏移（偏移量約在0.01 mm）。每個層面圖像的位置值（Position Z）在單位為mm 的情況下，坐標值的小數點后的數字位數在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格與掃描界面設定的層間距相等的。盡管每個層面圖像的位置值在單位為mm 的情況下，也是小數點后有8位以上的數字，但是每個層面位置值中，從小數點后第二位起所有數字都是一致的，其他方面沒有發(fā)現明顯的差異。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、重復時間TR（Time of Repetition）與縱向持續(xù)時間（T1）的比率、模體層定位設置的準直、層選與射頻脈沖之間的共面性及靜磁場的均勻性等［17］。也許國產MRI 設備在機械運動和控制精度方面與進口設備有一定的差異，但是從相鄰層面間距偏移量處于0.01 mm量級的情況來看，我們更傾向于認為MRI設備賦值每個層面圖像位置值時，沒有考慮到數值的物理意義，最后因為系統(tǒng)累積的數值誤差導致了相鄰層面間距出現非常小的偏離。

經過與FonicsPlan 計劃系統(tǒng)的研發(fā)人員核實，證實了上述判斷。在FonicsPlan 系統(tǒng)中，為了避免導入錯誤的影像序列，系統(tǒng)在導入DICOM 格式的多模態(tài)影像之前會嚴格校驗影像層間距，影像層間距完全相等則正常導入，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?。?。

經過多次與兩個廠家工程師溝通，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切實可行的解決方案。為了讓基層單位開展多模態(tài)引導精確放療的流程更為流暢，我們提出一個可操作性強的方案來解決兩套國產系統(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）在應用FonicsPlan計劃系統(tǒng)進行多模態(tài)影像融合操作之前，增加一個多模態(tài)影像的審查環(huán)節(jié)；2）在MagicPhantom框架下開發(fā)一個多模態(tài)影像校正模塊用于多模態(tài)影像的審查，并提供相應的影像層面位置校正的功能。

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

圖2 多模態(tài)影像融合引導放療的臨床流程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影像文件的基礎函數庫為pydicom軟件包。影像編輯模塊實現的功能包括：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序列影像的任意層面顯示，并直觀地顯示出各層面的坐標位置和層厚；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值偏差的功能；5）對比相同層面修正前和修正后影像。

2 結果和討論

為了臨床流程的流暢，所有影像設備都是通過網絡（DICOM協議）與放療系統(tǒng)進行數據交換，影像設備傳送過來的影像序列都存儲在放療計劃系統(tǒng)工作站的一個指定文件夾。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控制板上選擇指定文件夾后，軟件會自動歷遍文件夾和子文件夾，并按照影像序列UID（Unique Identifier）歸類。在當前病人的下拉菜單項中選擇相應的影像序列后，可以方便地交互選擇不同的影像層面進行審查。界面上非常直觀地呈現影像層面的位置信息，如果層面間距存在不一致的層面，軟件將會加高亮顯示。如果需要修正影像序列中存在的層面間距數值偏差，可以通過右側的控制面板，選擇保留的小數點后的位數進行一鍵修正，并選擇好輸出路徑進行保存。

MagicalPhantom 中基于pydicom 所開發(fā)的多模態(tài)影像分析工具已經經受住了多年的實踐檢驗，是影像編輯模塊開發(fā)的可靠基礎功能。在影像序列層間距修正的操作中，軟件僅對序列中每層影像的DICOM文件中的影像位置值的Z坐標值，進行小數點后指定有效位數的歸整。這種數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。影像序列完成數值偏離修正后，將會保存到獨立的一個文件，便于進行修正前和修正后影像序列的對比查看。對影像編輯模塊進行嚴格的測試之后，用于臨床流程中的影像審查風險是可控的。

對影像編輯模塊完成嚴格測試后，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據經新工作流程后，在FonicsPlan 計劃系統(tǒng)中完成的MRI/CT 影像融合。由圖4，其與Eclipse計劃系統(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)，平均每個病例的處理時間可以控制在2 min以內。增加影像審查環(huán)節(jié)后，有效地解決了國產放療系統(tǒng)與國產影像系統(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 結語

從本文的案例可以獲得三個基本結論：

1）不管是國產放療設備還是國產影像設備，性能上整體都有了很大的提升，因其高性價比的優(yōu)勢，非常適合用于增強基層醫(yī)療機構的服務水平；

2）國產相關設備在很多細節(jié)上的處理，較進口領跑品牌產品還是存在差距。不管是國產放療設備還是影像設備，只要有一方考慮到影像相關參數的物理意義而不僅僅是數值，那么這種不兼容問題就不會產生；

3）不管是從解決具體臨床問題的角度，還是對國產醫(yī)療設備研發(fā)促進的角度，國產醫(yī)療設備的臨床應用更是需要高水平的醫(yī)學物理人員的參與。

高端醫(yī)療設備的國產化是國家大力推進的方向，我國醫(yī)療器械行業(yè)也正處在高速發(fā)展的道路上，然而醫(yī)療設備的演進是受多方面因素影響的，其中來自于臨床應用的反饋是非常重要且有價值的。由于歷史發(fā)展階段的原因，往往配置國產醫(yī)療設備的基層單位醫(yī)學物理人員的水平相對要低些，對國產醫(yī)療設備的臨床應用的評價反饋相對就更弱。在接下來的研究工作中，我們將利用我院建設醫(yī)聯體下沉基層的時機，針對醫(yī)聯體基層成員單位的國產放療設備開展多方面的對比研究工作。對比研究工作將以我院進口領跑品牌產品為參照，以臨床應用功能模塊為焦點，進行綜合評價，尋找出國產設備的短板，并給出臨床技術開展的指導意見。對于基層單位同行來說，經驗的分享將使其在提供臨床服務時采取一些可操作性的措施，盡量避開設備的短板；對于設備廠家來說，臨床應用的評價反饋更具有針對性，能夠幫助廠家更好地提升設備性能，完成產品迭代。