PET/CT圖像分割技術(shù)在肺癌放療計(jì)劃中的應(yīng)用

彭瑩瑩，張書旭，余輝，張國前，周露，周祥

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療中心， 廣東 廣州 510095

PET/CT圖像分割技術(shù)在肺癌放療計(jì)劃中的應(yīng)用

彭瑩瑩，張書旭，余輝，張國前，周露，周祥

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療中心， 廣東 廣州 510095

目的 探討PET/CT圖像分割技術(shù)對肺癌放療計(jì)劃制定的影響。方法 對12例無轉(zhuǎn)移的肺癌患者行PET/CT掃描。采用自主編寫的基于PCNN模型的自動分割程序?qū)ET靶區(qū)進(jìn)行分割處理，再分別以CT圖像、PET/CT圖像為依據(jù)采用目測法手動勾畫腫瘤靶區(qū)，以相同參數(shù)制定調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃，對比分析靶區(qū)體積和劑量分布。結(jié)果 PET自動分割靶區(qū)與PET手動勾畫靶區(qū)之間未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P>0.05），分割方法準(zhǔn)確可靠；與CT手動勾畫靶區(qū)之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），前者<后者，PET/CT圖像較CT能更準(zhǔn)確的區(qū)分腫瘤與肺不張。與基于CT的放療計(jì)劃相比，PET計(jì)劃正常肺組織V20、V30均有顯著降低，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。脊髓、心臟和食管的受量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。結(jié)論 PET/CT圖像分割技術(shù)提高了腫瘤靶區(qū)勾畫的準(zhǔn)確性，依據(jù)分割靶區(qū)制訂的放療計(jì)劃能降低正常組織受照范圍，減少并發(fā)癥的發(fā)生率。

PET/CT；圖像分割；肺癌；調(diào)強(qiáng)放療治療；脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；靶區(qū)勾畫

0 前言

精確放療技術(shù)飛速發(fā)展，三維適形放射治療（3-Dimensional Conformal Radiation Therapy，3D-CRT）、調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）等技術(shù)發(fā)揮著非常重要的作用。靶區(qū)勾畫是精確放療的基礎(chǔ)。長期以來，放療主要采用CT進(jìn)行腫瘤靶區(qū)的勾畫。當(dāng)肺癌伴有肺不張、阻塞性肺炎時，CT難以區(qū)分腫瘤的確切邊界[1]。

PET/CT功能顯像在放射治療中具有重要作用。PET/CT代謝靶區(qū)可以指導(dǎo)傳統(tǒng)CT靶區(qū)勾畫，精確界定腫瘤靶區(qū)范圍[2-4]；依據(jù)PET/CT靶區(qū)制訂放療計(jì)劃可以防止腫瘤野內(nèi)復(fù)發(fā)且減少正常組織損傷。PET/CT能很好地區(qū)分腫瘤組織和周圍正常肺組織，適用于肺癌靶區(qū)勾畫。但是PET/CT靶區(qū)手工分割耗時長、精確性差，臨床迫切需要PET/CT圖像靶區(qū)的自動分割方法。脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Pulse Coupled Neural Network，PCNN）能產(chǎn)生跟人眼視覺類似的識別效果，對低分辨率的圖像有較好的分割效果。本文利用基于PCNN模型的圖像分割技術(shù)分割PET/CT靶區(qū)，對比CT靶區(qū)探討其對放療計(jì)劃設(shè)計(jì)及正常組織劑量的影響。

1 資料

1.1 病人資料

篩選2013年5月～2014年1月本院12例肺癌患者，其中男7例，女5例，年齡52～70歲，中位年齡61歲?；颊呔?jīng)病理學(xué)確診，病理類型為鱗癌4例、腺癌7例、小細(xì)胞癌1例，均無轉(zhuǎn)移。

1.2 圖像獲取

患者空腹6 h以上，常規(guī)測量血糖濃度在正常范圍內(nèi)，靜脈注射370～555 MBq18F-脫氧葡萄糖（18F-FDG），平靜休息60 min，在平靜呼吸下采用相同體位應(yīng)用GE DiscoveryTMST-16型PET/CT設(shè)備行CT和PET全身掃描，范圍從頭頂至足底。PET圖像與CT圖像同機(jī)融合，將圖像數(shù)據(jù)傳輸至飛利浦公司的PINNACLE V9.2放射治療計(jì)劃系統(tǒng)。

2 方法

2.1 圖像分割方法

采用自主編寫的PCNN分割算法對PET/CT圖像進(jìn)行自動分割，分割得出的靶區(qū)命名為GTV-PETauto。具體步驟：① 圖像去噪；② 設(shè)置PCNN參數(shù)的初始值；③ 對每個神經(jīng)元的鄰域進(jìn)行PCNN迭代，得到分割結(jié)果；④ 判斷分割結(jié)果是否滿足最優(yōu)分割判定準(zhǔn)則；⑤ 取滿足最優(yōu)分割判定準(zhǔn)則的分割結(jié)果圖作為最終分割結(jié)果。

2.2 靶區(qū)勾畫

在PINNACLE V9.2放療計(jì)劃系統(tǒng)上，由有經(jīng)驗(yàn)的放療科醫(yī)生分別依據(jù)CT圖像和PET/CT圖像，對橫斷面上的腫瘤邊界進(jìn)行逐層勾畫，所得到的大體腫瘤靶區(qū)分別表示為GTV-CT（CT手動勾畫靶區(qū)）和GTV-PET（PET/CT手動勾畫靶區(qū)）。

2.3 放療計(jì)劃設(shè)計(jì)

由有經(jīng)驗(yàn)的物理師分別依據(jù)GTV-CT和GTV-PETauto采用PINNACLE V9.2計(jì)劃系統(tǒng)制定調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃。放療計(jì)劃設(shè)計(jì)均采用相同參數(shù)。大體腫瘤靶區(qū)GTV邊界外擴(kuò)0.7 cm形成臨床靶區(qū)CTV，CTV邊界外擴(kuò)0.6 cm形成計(jì)劃靶區(qū)PTV。制定計(jì)劃時采用相同的等中心點(diǎn)，均采用5野共面設(shè)計(jì)。所有計(jì)劃均采用Varian直線加速器6 MV X射線照射。處方劑量為60 Gy（2 Gy/次，5 次/周，共30次）。靶區(qū)劑量要求：90%等劑量曲線包繞PTV。危及器官劑量要求：雙肺V20≤30%，脊髓Dmax≤40 Gy，食管Dmax≤45 Gy，心臟D1/3≤50 Gy。通過劑量直方體積圖DVH評估靶區(qū)和危及器官的劑量。

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對3種不同勾畫方式的GTV靶區(qū)平均體積分別進(jìn)行兩兩配對t檢驗(yàn)，并對基于GTV-CT和GTV-PETauto的放療計(jì)劃劑量行配對t檢驗(yàn)，P≤0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

3 結(jié)果

3.1 靶區(qū)體積大小比較

選取1例患者數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。GTV-PETauto、GTV-PET和GTV-CT靶區(qū)，見圖1。紅色線表示GTV-PETauto，黃色線表示GTV-PET，綠色線表示GTV-CT。由圖中可以看出紅線和黃線幾乎重合，GTV-PETauto與GTV-PET差異較小。GTV-PETauto、GTV-PET均＜GTV-CT。

圖1（a）3種方式勾畫的靶區(qū)（b）靶區(qū)局部放大圖

軟件計(jì)算得出3種勾畫方式的靶區(qū)體積GTV，12例患者平均GTV，見表1。GTV-PETauto與GTV-PET兩者之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P > 0.05）。GTV-PETauto、GTV-PET均＜GTV-CT，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P < 0.05）。進(jìn)一步驗(yàn)證了以上結(jié)論。

表1 不同勾畫方式下的靶區(qū)體積比較（±s）cm3

表1 不同勾畫方式下的靶區(qū)體積比較（±s）cm3

勾畫方式CT圖像靶區(qū)體積PET圖像靶區(qū)體積t值P值醫(yī)生手動勾畫GTV-CT（161．43±139．30）GTV-PET（146．20±101．32）3．431＜0．05 PCNN自動分割GTV-PETauto（142．54±120．73）3．049＜0．05 t值0．763 P值＞0．05

3.2 劑量評估與比較

基于GTV-CT和GTV-PETauto的放療計(jì)劃的劑量分布，見圖2。圖2（a）為基于CT靶區(qū)的調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃。圖2（b）為基于PET靶區(qū)的調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃?？梢钥闯龌赑ET靶區(qū)的計(jì)劃肺正常組織受量明顯較小，其他正常組織的受量也有所降低。

圖2 不同靶區(qū)對應(yīng)的放療計(jì)劃

兩組放療計(jì)劃的正常組織劑量對比，見表2。對比可知，在給予腫瘤靶區(qū)相同劑量60 Gy時，PET靶區(qū)的計(jì)劃相對于CT靶區(qū)計(jì)劃，肺組織V20、V30明顯降低，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.05）。脊髓最大劑量，心臟、食管平均劑量的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

表2 不同放療計(jì)劃正常組織劑量分布參數(shù)比較（±s）

表2 不同放療計(jì)劃正常組織劑量分布參數(shù)比較（±s）

注：Vx為接受xGy照射的體積占總體積百分比。

劑量分布參數(shù)CTPET/CTt值P值雙肺V20（%）26．45±4．72 23．43±5．11 6．668＜0．01雙肺V30（%）19．46±3．07 17．76±3．41 2．299＜0．05脊髓最大劑量（cGy）3654±4683447±4201．258＞0．05心臟平均劑量（cGy）1682±9371619±9030．725＞0．05食管平均劑量（cGy）3057±5482839±6610．916＞0．05

4 討論

結(jié)合功能影像信息和解剖信息的PET/CT廣泛應(yīng)用于精確放療。相對于常用的CT、MR影像，PET/CT影像在確定腫瘤范圍、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中更具優(yōu)勢。有研究表明，PET/ CT用于勾畫肺腫瘤靶區(qū)，在伴有肺不張和阻塞性肺炎時可降低GTV，從而更好地保護(hù)正常肺組織[5-6]；檢測縱膈淋巴結(jié)敏感性較CT高[7]，可檢出在CT上顯示正常大小的轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)，使GTV勾畫更加準(zhǔn)確。采用PET/CT靶區(qū)引導(dǎo)的精確放療計(jì)劃，有望避免靶區(qū)漏射的風(fēng)險(xiǎn)，且能更好地保護(hù)正常組織，有助于提高患者的局控率、減少并發(fā)癥。

盡管PET/CT已顯示出在腫瘤放療計(jì)劃設(shè)計(jì)中的重要價值，但由于PET/CT采集時間長，受呼吸、心跳等影響嚴(yán)重，圖像分辨率低，限制了PET/CT在放療中的應(yīng)用。圖像對比度低導(dǎo)致腫瘤靶區(qū)難以與周邊組織區(qū)分開，即使對于有經(jīng)驗(yàn)的臨床醫(yī)師，手工分割PET/CT圖像也是困難且耗時的工作。因此臨床迫切需要PET/CT圖像靶區(qū)的自動分割方法。林琳等[8]比較了3種勾畫肺癌靶區(qū)的方法：40%閾值法、SUV=2.5勾畫法和公式法，但這些方法不具有通用性。PCNN能產(chǎn)生跟人眼視覺類似的識別效果，適用于低分辨率的圖像分割，因此本文采用自主編寫的基于PCNN模型的圖像分割方法對PET/CT圖像進(jìn)行自動分割。所得結(jié)果GTV-PETauto平均值為（142.54±120.73） cm3，PET手動勾畫靶區(qū)GTV-PET平均值為（146.20±101.32） cm3。兩者之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），說明此方法可靠精確。

PET/CT顯像對肺癌靶區(qū)范圍的確定具有重要的臨床價值。王天祿等[9]分別依據(jù)36例肺癌患者的PET/CT圖像和CT圖像勾畫腫瘤靶區(qū)，發(fā)現(xiàn)21例放療靶區(qū)發(fā)生不同程度的改變。12例因區(qū)分腫瘤和肺不張而靶區(qū)減小，7例靶區(qū)增大。Elisabeth等[10]分析了92例放療前行PET/CT定位掃描的肺癌患者，發(fā)現(xiàn)45例發(fā)生了明顯改變。本文研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)PET/CT圖像分割程序所得靶區(qū)GTVPET-auto＜CT手動勾畫靶區(qū)。其中GTV-PETauto平均值為（142.54±120.73） cm3，GTV-CT平均值為（161.43±139.30）cm3，兩者之間差異顯著，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。12例患者中有8例靶區(qū)縮小的原因是PET/ CT圖像很好地區(qū)分了腫瘤和肺不張組織。本研究顯示PET/ CT勾畫肺癌靶區(qū)比單純CT圖像勾畫更為精確，適用于精確放療且能減少正常組織損傷。

PET/CT圖像帶來了腫瘤靶區(qū)的變化，必然也會影響放療計(jì)劃以及腫瘤和正常組織的受照劑量。Van Der Wel等[11]發(fā)現(xiàn)PET/CT圖像改變了放療計(jì)劃，GTV、雙肺、食管等的劑量都有顯著降低，腫瘤控制率得到提高。Elisabeth等[10]研究結(jié)果顯示PET引導(dǎo)的放療計(jì)劃相對于傳統(tǒng)CT，雙肺V20增加的有15例，減小的有22例；心臟V36增加的有8例，減小的有14例。Bradley等[12]研究顯示PET/CT引起的靶區(qū)變化顯著改變了正常組織的劑量分布，GTV減小導(dǎo)致肺和食管劑量降低，GTV增大導(dǎo)致肺和食管劑量提高。本文分別依據(jù)PET/CT自動分割靶區(qū)和CT勾畫靶區(qū)制定了兩種不同的調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃，發(fā)現(xiàn)PET/CT自動分割靶區(qū)引導(dǎo)的放療計(jì)劃中雙肺在不同劑量梯度V20和V30均有顯著降低。其中V20由（26.45±4.72）%降低至（23.43±5.11）%，V30由（19.46±3.07）%降低至（17.76±3.41）%，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），說明PET/CT的引入有助于降低腫瘤周圍正常肺組織的受照劑量，減少潛在性的放射性肺損傷。此外，研究結(jié)果顯示脊髓、心臟、食管的受照量也都有所降低，很好地保護(hù)了正常組織，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。上述結(jié)果表示的是12例患者正常組織接受的平均照射劑量有所降低，并不代表所有患者正常組織受重均有降低。本文12例患者中10例符合上述結(jié)論，另有2例差異不明顯。本文結(jié)果顯示PET圖像自動分割方法通過更精確的腫瘤靶區(qū)定位，可影響放療計(jì)劃和正常組織受量，減少肺癌并發(fā)癥的發(fā)生率，有利于引導(dǎo)放療劑量的提升。

5 結(jié)論

PET/CT圖像有助于精確界定放療靶區(qū)的邊界，為精確放療奠定基礎(chǔ)[13-14]?？焖贉?zhǔn)確分割PET/CT靶區(qū)是精確放療的關(guān)鍵。本文探討了PET/CT圖像分割技術(shù)在腫瘤靶區(qū)確定和放療計(jì)劃中的作用。初步研究顯示該技術(shù)可以提高腫瘤的局部控制率，降低正常組織并發(fā)癥的發(fā)生率。進(jìn)一步研究適合于臨床的PET/CT圖像自動分割技術(shù)，將在肺癌精確放療中發(fā)揮重要作用。

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醫(yī)學(xué)期刊中常用的統(tǒng)計(jì)學(xué)符號

按GB 3358-82《統(tǒng)計(jì)學(xué)名詞及符號》的有關(guān)規(guī)定，統(tǒng)計(jì)學(xué)符號一律采用斜體書寫。

（1） 樣本的算術(shù)平均數(shù)用英文小寫 x；中位數(shù)用 M。

（2） 標(biāo)準(zhǔn)差用英文小寫 s，標(biāo)準(zhǔn)誤用英文小寫 sx。

（3） t 檢驗(yàn)用英文小寫 t。

（4） F 檢驗(yàn)用英文大寫 F。

（5） 卡方檢驗(yàn)用希文小寫 χ2。

（6） 相關(guān)系數(shù)用英文小寫 r。

（7） 自由度用希文小寫 υ。

（8） 概率用英文大寫 P。

Application of PET/CT Image Segmentation Technology in Formulating Radiotherapy Plan of Lung Cancer

PENG Ying-ying, ZHANG Shu-xu, YU Hui, ZHANG Guo-qian, ZHOU Lu, ZHOU Xiang

Radiotherapy Center, Cancer Center of Guangzhou Medical University, Guangzhou Guangdong 510095, China

Objective To investigate the infuence on radiotherapy planning of lung cancer with the PET/ CT segmentation technology. Methods 12 patients with non-metastatic lung cancer were scanned by PET/CT. The PET targets were segmented by automatic segmenting program written independently based on PCNN model. According to CT images and PET/CT images, the tumor targets were delineated manually by ocular estimating, radiotherapy planning was formulated with the same parameters, the targets volume and dose distribution were compared and analyzed. Results The differences between automatic segmentation target area and manual delineation target area of PET weren’t of statistical signifcance (P＞0.05), which proved the PET automatic segmentation method was more accurate and reliable. Statistically signifcant differences (P＜0.05) existed between the PET automatic segmentation target area and CT manual delineation target area, and the former was less than the latter, which proved that PET/CT images were more accurate in distinguishing between the tumor and the atelectasis. Compared with the radiotherapy planning based on CT, PET planning signifcantly reduced the V20 and V30 normal lung tissues, statistically signifcant differences (P＜0.05) were discovered between them. However, there were no statistical significances (P＞0.05) in the quantity difference of spinal cords, hearts and esophaguses. Conclusion PET/CT image segmentation improves the accuracy of tumor target delineation. The radiotherapy planning based on target segmentation can reduce the illuminated scope of normal tissues and the incidence rate of complications.

PET/CT; image segmentation; lung cancer; radiotherapy planning; pulse coupled neural network; target volume delineation

R734.2；TP391.4

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.06.061

1674-1633(2014)06-0160-04

2014-03-10

2014-05-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81170078），廣東省教育廳科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2013KJCX152），廣州醫(yī)科大學(xué)青年科研項(xiàng)目（2013A42）。

本文作者：彭瑩瑩，碩士，研究方向：腫瘤放射物理、醫(yī)學(xué)圖像處理。

張書旭，博士，教授，博士生導(dǎo)師。

作者郵箱：pengying108@163．com