田 龍，范學(xué)武，許 蕊，趙 鑫，胡逸民

(1.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院放療科，河北 張家口 075000；2.河北省人民醫(yī)院心血管內(nèi)科導(dǎo)管室，河北 石家莊 050000；3.國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院放療科，北京 100021)

基于圖像融合技術(shù)放射治療(簡稱放療)前列腺癌(prostate cancer, PCa)具有諸多優(yōu)勢[1-3]，CT-MR圖像融合應(yīng)用較為廣泛[4-5]；但圖像融合過程易受靶區(qū)運(yùn)動(dòng)影響[6-7]，需內(nèi)置黃金基準(zhǔn)標(biāo)志物(gold fiducial marker, GFM)進(jìn)行登記匹配[8]。何種MRI更適用于勾畫放療靶區(qū)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)[9-12]。本研究比較觀察基于T2WI與T2*WI對經(jīng)GFM 標(biāo)記的PCa行CT-MR圖像融合和勾畫放療靶區(qū)的效果。

1 體外實(shí)驗(yàn)

1.1 線性測試假體實(shí)驗(yàn) 采用GE線性測試假體(linearity test object, LTB)，體積440 mm ×270 mm×360 mm，由內(nèi)部充水的三維正交管道組成，見圖1。以GE Signa Voyager 1.5T MR儀采集LTB的軸位、冠狀位及矢狀位T2WI和T2*WI。主要參數(shù)：T2WI，TR 7 210 ms，TE 110 ms，像素0.75 mm×0.75 mm，采集時(shí)間3 min，重建矩陣320 mm×320 mm；T2*WI，TR 550 ms，TE 24 ms，像素0.47 mm×0.47 mm，采集時(shí)間6 min；以下參數(shù)相同，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，層數(shù)28，矩陣320 mm×320 mm。掃描結(jié)束后行三維重建，重建矩陣均為512 mm×512 mm。由1名具有20年MR診斷經(jīng)驗(yàn)的主任醫(yī)師評價(jià)2種圖像有無幾何失真,并以公式(1)計(jì)算2種三維重建圖像中LTB中心的空間位移(Da)：

(1)

其中X、Y、Z分別為三維重建圖像上LTB中心點(diǎn)在左右、頭足及腹背方向上的坐標(biāo)。

1.2 凝膠實(shí)驗(yàn) 將Sigma-Aldrich凝膠(豬凝膠，100 g/L，40 cm3)注入3 cm×4 cm×5 cm容器中，以模擬前列腺；再于同一水平置入3枚Visicoil helical GFM(IBA，0.8 mm×0.8 mm×1.0 mm，GFM1、GFM2、GFM3)，如圖2。采用Philips Big Bore CT機(jī)和GE Signa Voyager 1.5T MR儀在容器橫軸(即3枚GFM連線方向)與縱軸激光中線垂直的條件下對凝膠行軸位、冠狀位及矢狀位掃描，分別采集CT、T2WI及T2*WI；CT掃描管電壓120 kV，管電流300 mAs，層厚0.5 mm，T2WI及T2*WI參數(shù)同前。調(diào)整容器橫軸與縱軸激光中線成角為60°后再行CT及MR掃描。之后重建3種三維圖像。由上述醫(yī)師識別3種圖像中的GFM，統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確識別數(shù)量。應(yīng)用公式(2)計(jì)算2種MR重建圖像中的GFM中心相對CT重建圖像的空間位移(Db)：

(2)

其中X、Y、Z分別為三維重建圖像上GFM中心點(diǎn)在左右、頭足、腹背方向上的坐標(biāo)。

2 臨床試驗(yàn)

2.1 一般資料 選取2019年8月—2021年8月10例于河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院就診并經(jīng)病理證實(shí)的PCa患者，年齡51～73歲，平均(62.7±5.5)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①接受外照射治療；②體質(zhì)量指數(shù)18～25 kg/m2；③體內(nèi)無磁性內(nèi)置物。排除標(biāo)準(zhǔn)：①前列腺嚴(yán)重鈣化或出血；②嚴(yán)重直腸息肉或痔瘡。本研究通過醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號：W2021012)，治療前患者均簽署知情同意書。

2.2 儀器與方法 以Philips iU22彩色多普勒超聲診斷儀為引導(dǎo)設(shè)備，配備端掃式9-4v直腸探頭，頻率2～10 MHz，行經(jīng)直腸超聲引導(dǎo)下細(xì)針抽吸術(shù)。囑患者側(cè)臥，雙腿屈曲，雙手抱膝；以利多卡因行直腸肛管局麻后，隨超聲探頭將5 ml注射器和18G介入穿刺針(八光PTC-B)送入直腸，經(jīng)直腸前壁穿刺前列腺，并將3枚GFM(同體外實(shí)驗(yàn))以間距≥15 mm置入前列腺靶區(qū)的不同層面[8]。

于同日囑患者排空膀胱、直腸后行盆腔軸位CT和MR掃描。CT掃描范圍自L4至閉孔下緣，參數(shù)同凝膠實(shí)驗(yàn)；MR掃描以前列腺為中心，范圍包括整個(gè)盆腔，掃描參數(shù)同LTB實(shí)驗(yàn)。由3名具有10年工作經(jīng)驗(yàn)的副主任放療醫(yī)師(radiotherapy physician, RTP)以Elekta Monaco 5.19.02軟件(瑞典醫(yī)科達(dá)公司)對3種圖像集合間隔2周以上依次勾畫PCa靶區(qū)；之后以MIM 6.6.8軟件自動(dòng)測量其兩兩之間基于3種圖像上放療等中心處同一層面勾畫靶區(qū)的豪斯多夫距離、戴斯相似系數(shù)(dice similarity coefficient, DSC)和Cohen's Kappa系數(shù)，計(jì)算各參數(shù)平均值，評價(jià)3種圖像形變匹配度。由3名RTP中的1名依次識別各種圖像中的GFM，記錄其準(zhǔn)確識別GFM的總數(shù)量。

2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料，組間行單因素方差分析，多重比較采用LSD-t檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 LTB實(shí)驗(yàn) T2WI所示LBT管道筆直且連續(xù)，端口面外形圓潤，無幾何失真(圖3)。T2*WI示LBT管道筆直，局部斷續(xù)，端口面外形輕微不圓潤且存在偽影，存在輕微幾何失真(圖4)。T2WI與T2*WI三維重建圖像中LTB的中心坐標(biāo)(X，Y，Z)分別為(0，-0.11，0.01)和(0.01，0，0)，Da值為0.11 mm，小于1個(gè)最小像素(0.47 mm×0.47 mm)。

3.2 凝膠實(shí)驗(yàn) 根據(jù)3種圖像對GFM的準(zhǔn)確識別率均為6/6(100%)；T2*WI上GFM的可視性明顯優(yōu)于T2WI(圖5)。容器橫軸與縱軸激光中線垂直時(shí)，相對CT重建圖像，T2WI三維重建圖像上3枚GFM中心的Db分別為GFM10.23 mm、GFM20.28 mm、GFM30.26 mm，3枚GFM平均Db值為0.26 mm；T2*WI三維重建圖像上3枚GFM中心的位移Db分別為GFM10.19 mm、GFM20.21 mm、GFM30.21 mm，3枚GFM平均Db值為0.20 mm；3枚GFM中心的空間位移均小于最小像素，即2種MRI均可用于CT-MR圖像融合，而T2*WI融合精度高于T2WI。容器橫軸與縱軸激光中線60°成角時(shí)，相對CT重建圖像，T2WI和T2*WI三維重建圖像上各GFM中心的Db值與容器橫軸與縱軸激光中線垂直時(shí)一致，但T2*WI所示GFM無信號區(qū)增大(圖6)。

3.3 臨床試驗(yàn) 根據(jù)CT圖像識別GFM的準(zhǔn)確率為30/30(100%)，T2WI為3/30(10.00%)，T2*WI為29/30(96.67%)，見圖7。3名RTP基于3種圖像勾畫靶區(qū)的豪斯多夫距離、DSC和Cohen's Kappa系數(shù)差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.001)，兩兩比較差異亦均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，見表1。

表1 3名RTP基于3種圖像勾畫PCa放療靶區(qū)的圖像形變匹配度參數(shù)比較(n=10，±s)

表1 3名RTP基于3種圖像勾畫PCa放療靶區(qū)的圖像形變匹配度參數(shù)比較(n=10，±s)

注：*：與CT比較，P<0.05；#：與T2WI比較，P<0.05

圖像豪斯多夫距離(mm)DSCCohen's Kappa系數(shù)CT5.01±0.140.95±0.040.92±0.06T2WI4.09±0.27*0.97±0.08*0.94±0.10*T2*WI3.61±0.21*#0.97±0.11*#0.95±0.09*#F值 12.365 3.398 4.109P值<0.001<0.001<0.001

4 討論

將基于GFM的CT-MR圖像融合技術(shù)用于PCa放療具有顯著優(yōu)勢，而不同MRI影響圖像融合和勾畫靶區(qū)效果。T2WI基于快速自旋回波序列采集，可清晰顯示前列腺內(nèi)部結(jié)構(gòu)，常用于臨床診斷；T2*WI則基于梯度回波序列采集，可放大特殊點(diǎn)周圍信號丟失。

本研究體外LTB實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，T2WI與T2*WI三維重建圖像中LTB中心的Da值為0.11 mm，小于1個(gè)最小像素，提示磁場穩(wěn)定；T2*WI存在輕微幾何失真，原因在于局部磁場不均勻?qū)е滦盘杹G失，而輕微幾何失真并不影響圖像融合，特殊點(diǎn)(如GFM)信號丟失而呈無信號區(qū)時(shí)，T2*WI可通過對連續(xù)回波的平均化處理而增強(qiáng)該處的信噪比，使無信號區(qū)大于實(shí)際物體體積，此時(shí)如特殊點(diǎn)中心未發(fā)生明顯位移，相當(dāng)于“放大”特殊點(diǎn)[10]，使輕微幾何失真被包含并掩蓋于放大的無信號區(qū)中。體外凝膠實(shí)驗(yàn)提示2種MRI均可用于融合CT-MR圖像。T2*WI顯示GFM受到影響的原因可能在于其所依賴的信號丟失隨GFM相對磁場方向和TE等的變化而增加；其中磁敏感性的作用尚不明了，有待繼續(xù)觀察[13]。

本研究臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示，T2WI中GFM的可準(zhǔn)確識別率低，影響其對于圖像融合的價(jià)值。對于圖像形變匹配度，豪斯多夫距離越小、DSC和Cohen's Kappa系數(shù)越高，則靶區(qū)勾畫差異越小。本研究中3名RTP基于CT圖像勾畫靶區(qū)的豪斯多夫距離最大而DSC和Cohen's Kappa系數(shù)最低，基于T2*WI的豪斯多夫距離最小、DSC和Cohen's Kappa系數(shù)最低，即以CT圖像勾畫靶區(qū)差異最大，而以T2*WI勾畫靶區(qū)差異最小，提示T2*WI更適用于靶區(qū)勾畫，與既往研究[9-12]結(jié)果相符。相比T2WI，T2*WI軟組織對比度更高，可為設(shè)計(jì)放療計(jì)劃軟件及基于MRI引導(dǎo)放療的發(fā)展與優(yōu)化提供重要基礎(chǔ)[9]。

本研究的主要局限性：高齡PCa患者多存在輕、中度前列腺鈣化，CT表現(xiàn)為不規(guī)則高亮影，T2*WI表現(xiàn)為不規(guī)則無信號區(qū)，影響準(zhǔn)確識別GFM；自動(dòng)融合CT和T2*WI時(shí)，鈣化灶對于準(zhǔn)確識別GFM影響較大[14]，有待進(jìn)一步完善。

綜上，制定PCa放療計(jì)劃時(shí)，相比T2WI，T2*WI更適用于基于GFM融合CT-MR圖像和靶區(qū)勾畫。