圖像融合在現(xiàn)代放療技術(shù)中的應(yīng)用進展

韋軍葆 余彬彬

摘要：三維適形調(diào)強放射治療（3DCRT-IMRT）、立體定向放射治療（SRS-SBRT）等現(xiàn)代放射治療技術(shù)已經(jīng)成為放射治療的主流，精準勾畫靶區(qū)范圍成為治療的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，單純依靠定位CT圖像已經(jīng)不能滿足精準放射治療的需要。醫(yī)學(xué)圖像融合技術(shù)特別是定位CT融合磁共振圖像、定位CT融合PET/CT圖像的發(fā)展促進了精準放射治療的發(fā)展，而定位CT和MRI彌散加權(quán)序列融合，因其功能影像的優(yōu)點以及價格低廉，易于推廣，有望為現(xiàn)代放射治療提供新的研究視角。本文綜述圖像融合在現(xiàn)代放療技術(shù)中的應(yīng)用進展及不同醫(yī)學(xué)影像融合技術(shù)在放射治療中的作用。

關(guān)鍵詞：放射治療;圖像融合;功能影像

中圖分類號：R730.55;R738.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.23.010

文章編號：1006-1959（2019）23-0039-03

Progress in the Application of Image Fusion in Modern Radiotherapy Technology

WEI Jun-bao，YU Bin-bin

（Department of Radiation Therapy，Affiliated Tumor Hospital，Guangxi Medical University，Nanning 530021，Guangxi，China）

Abstract：Modern radiotherapy techniques such as three-dimensional conformal intensity modulated radiation therapy （3DCRT-IMRT） and stereotactic radiotherapy （SRS-SBRT） have become the mainstream of radiation therapy. Accurately delineating the target range has become the basis and key to treatment. The image is no longer sufficient for precise radiotherapy. The development of medical image fusion technology， especially the positioning of CT fusion magnetic resonance images and localized CT fusion PET/CT images， has promoted the development of precision radiotherapy， while the localization of CT and MRI diffusion-weighted sequence fusion， due to the advantages of its functional image and low price， easy to promote， it is expected to provide a new research perspective for modern radiation therapy. This article reviews the application of image fusion in modern radiotherapy technology and the role of different medical image fusion techniques in radiation therapy.

Key words：Radiation therapy;Image fusion;Functional imaging

放療是治療惡性腫瘤的重要手段，半數(shù)以上的患者在治療的整個過程中需要進行不同程度的放射治療[1]。目前三維適形調(diào)強放射治療（3DCRT-IMRT）、立體定向放射治療（SRS-SBRT）等現(xiàn)代放射治療技術(shù)是放射治療的主要手段，治療的基礎(chǔ)和關(guān)鍵是能精準勾畫靶區(qū)范圍。螺旋CT掃描速度快，圖像畸變小，受器官移動影響小，加上CT值和人體密度為線性關(guān)系，可以直接用于放療劑量的運算，放射治療的計劃以CT定位影像為基礎(chǔ)[2]，但CT的缺點在于其對人體軟組織邊界分辨率差，不能準確界定腫瘤區(qū)域，因此單純依靠定位CT圖像已經(jīng)不能滿足治療的需要。研究顯示不同影像間的融合發(fā)展為腫瘤放射治療提供一種新的發(fā)展方向，本文將對圖像融合在現(xiàn)代放療技術(shù)中的應(yīng)用進行分析與總結(jié)。

1圖像融合基本理念

圖像融合技術(shù)主要是對某種醫(yī)學(xué)影像圖像進行空間轉(zhuǎn)換后，與另一種醫(yī)學(xué)影像學(xué)圖像進行匹配，使兩者在三維空間上盡量達到一致，也就是盡量讓解剖學(xué)上人體中的同一個解剖結(jié)構(gòu)在三維空間上具有一致性[3]。預(yù)處理和配準是放射治療圖像融合之前首先要進行的工作。預(yù)處理的主要目的用去噪、提高對比度等方法統(tǒng)一備選圖像的大小、格式以及分辨率，進而建立圖像融合所需要的數(shù)學(xué)模型。預(yù)處理后即可通過預(yù)定的解剖學(xué)標(biāo)志或體內(nèi)、體外金屬標(biāo)記進行圖像融合的配準，其精度是圖像融合技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[4]。圖像融合技術(shù)可以是以圖像特征為基礎(chǔ)的方式，也可以是點對點的方式，前者可以對感興趣的目標(biāo)結(jié)構(gòu)進行圖像分割并獲取其特征性圖像。融合后的醫(yī)學(xué)圖像可以是斷層顯示，也可以是偽彩色顯示或者更為全面的三維顯示，斷層顯示只能顯示單一的軸位、矢狀位和冠狀位圖像，除了可以融合同一時間掃描的不同影像學(xué)圖像外，還可以對不同時間獲得的影像學(xué)資料進行空間的融合，甚至可以按照治療的需求將所獲得的圖像和計算機中原本內(nèi)置的模版進行融合。

2 CT與MRI圖像融合在現(xiàn)代放療技術(shù)中的應(yīng)用

憑借其高對比度、多方位、不同參數(shù)的成像特點，以及動靜脈血液的流空效應(yīng)和軟組織高分辨率，磁共振成像（MRI）可以較清晰的分辨癌組織和周邊軟組織。但因檢查時間較長、缺少相應(yīng)的固定設(shè)備，以及缺乏物理計算放療劑量所需的相關(guān)參數(shù)如組織密度、阻止本領(lǐng)比等，磁共振圖像很少獨自應(yīng)用在放射治療的計劃制定中。定位CT和MRI不同序列的融合不但可以把磁共振圖像的優(yōu)點在放射治療計劃制定中的優(yōu)勢充分體現(xiàn)出來，還可以縮小不同醫(yī)師主觀閱片差異導(dǎo)致的靶區(qū)勾畫差別[5]。Oinam AS等[6]以各類不同的復(fù)發(fā)惡性腫瘤為研究對象，當(dāng)單純應(yīng)用CT勾畫靶區(qū)時，腫瘤邊界難以準確勾畫，但根據(jù)CT融合磁共振的圖像勾畫靶區(qū)，勾畫的精度明顯提高。由于頭頸部腫瘤、腦部腫瘤可以利用骨性標(biāo)記將CT圖像MRI配準，融合的精度較高（誤差<2 mm）[7]，圖像融合技術(shù)首先在腦部及頭頸部腫瘤中得到了較為廣泛的應(yīng)用。郭守娟等[8]使用CT與MRI的融合技術(shù)對腦膠質(zhì)瘤患者勾畫靶區(qū)，結(jié)果提示定位CT融合MRI圖像比單獨應(yīng)用磁共振或CT圖像進行靶區(qū)勾畫都更加準確。CT融合磁共振圖像還可以縮小照射范圍，減少正常組織器官的照射體積劑量，從而減少放射治療損傷。陳慧兵等[9]使用CT融合MRI圖像設(shè)計了臨床邊界難以界定的膠質(zhì)瘤患者的照射范圍，發(fā)現(xiàn)融合后的靶區(qū)體積比融合前明顯減少。楊金山等[10]以腦轉(zhuǎn)移瘤患者為研究對象，也得出了相似的結(jié)果，單純根據(jù)定位圖像確定腫瘤靶區(qū)明顯大于采用定位CT融合MRI圖像勾畫的靶區(qū)，進一步分析說明因為CT圖像不能很好的區(qū)分顱內(nèi)水腫區(qū)域的腫瘤界限，放療醫(yī)師為了避免靶區(qū)遺漏，大都主觀的擴大了靶區(qū)的邊界。在盆腔和腹腔腫瘤的研究中，也得到了相同的結(jié)果。有研究采用CT融合MRI圖像勾畫CTV，和單純依靠定位CT勾畫相比，靶區(qū)差別大都位于前列腺尖部，勾畫體積縮小了19.40%，減少了腸道、膀胱、股骨頭等正常組織器官放療副反應(yīng)發(fā)生的幾率，提高了患者的生存質(zhì)量[11-14]。

3 CT與功能影像融合在現(xiàn)代放療技術(shù)中的應(yīng)用

功能成像技術(shù)能夠顯示細胞和組織中物質(zhì)代謝、細胞增殖、組織乏氧、腫瘤血供、癌細胞浸潤、甚至細胞凋亡的影像，可以全面檢查癌組織的生物代謝情況。目前在醫(yī)學(xué)圖像融合技術(shù)中研究較多的是PET-CT融合技術(shù)。因癌細胞繁殖速率快，代謝旺盛，可以使用含有放射性核素的造影劑對其進行顯像。PET可以依據(jù)造影劑在不同組織器官內(nèi)的不同濃聚，對比分析增殖速率以及生物代謝情況不同的組織細胞攝取造影劑的程度。PET-CT融合技術(shù)和現(xiàn)代精準放射治療技術(shù)結(jié)合，有可能使臨床放療計劃中靶區(qū)勾畫更加精準，進而進一步優(yōu)化放射治療高、低劑量區(qū)域的分布[15]。

對于術(shù)后、放射治療后局部區(qū)域復(fù)發(fā)的病變組織，PET-CT的生物成像功能更加具有優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)的非功能影像技術(shù)，其特異性以及敏感性都得到進一步提高[16]。針對手術(shù)后殘留或者復(fù)發(fā)的婦科惡性腫瘤，定位CT融合PET/CT圖像設(shè)計照射靶區(qū)比單純應(yīng)用CT圖像的范圍小，可以進一步增加婦科惡性腫瘤放射治療的增益比[17]。其次當(dāng)腫瘤組織被多種非腫瘤的病變包繞，例如伴隨胸腔積液、肺不張和/或阻塞性肺部炎癥的胸腔惡性腫瘤，傳統(tǒng)的非功能影像難以準確界定腫瘤靶區(qū)的邊界和范圍，依靠PET-CT提示的造影劑高濃聚區(qū)域勾畫放射治療靶區(qū)更加精準[18，19]。在縱隔惡性腫瘤的放射治療中也得出同樣的結(jié)果，單純根據(jù)定位圖像確定腫瘤靶區(qū)明顯大于采用定位CT融合PET/CT圖像勾畫的靶區(qū)，融合技術(shù)的應(yīng)用降低了放射性肺損傷發(fā)生的幾率[20，21]。

4展望

不同影像融合使得放射治療照射范圍的確定更加直觀準確，為精準放射治療的實現(xiàn)奠定了扎實的基礎(chǔ)。但是現(xiàn)階段圖像融合技術(shù)仍然需要解決很多問題，如提高圖像配準精度、解決圖像的兼容問題以及制定統(tǒng)一評價規(guī)范等。人體組織與細胞的繁殖、缺氧、代謝、血供以及局部轉(zhuǎn)移浸潤等生物學(xué)行為，能夠被正電子發(fā)射計算機斷層顯像、單光子發(fā)射計算機斷層掃描等功能影像技術(shù)所反映，從而可以從生物代謝水平鑒別惡性腫瘤與正常的人體器官組織，但是這些檢查價格通常比較昂貴。非功能成像磁共振和定位CT圖像融合，雖然具有很好的分辨率，可以較好的鑒別脈管、肌肉以及惡性腫瘤界限，對于鑒別軟組織病變明顯優(yōu)于單純CT，但當(dāng)應(yīng)用于鑒別手術(shù)后惡性腫瘤復(fù)發(fā)或殘留、手術(shù)疤痕和炎性組織時特異性仍然較低，特別當(dāng)小體積的腫瘤混雜于手術(shù)后的纖維瘢痕組織中時，鑒別仍有較大難度。磁共振成像/擴散加權(quán)成像是惡性腫瘤影像學(xué)新的熱點，已經(jīng)成為常規(guī)MR的有力補充，主要根據(jù)水分子在不同組織細胞中的活動情況鑒別具體的組織類型，能夠通過測量表觀彌散系數(shù)（ADC）的數(shù)值來定量分析DWI成像結(jié)果，其對正常組織以及腫瘤組織的成像為分子水平，可以更加便捷準確的對疾病進行鑒別診斷，已經(jīng)在鑒別術(shù)后殘留/復(fù)發(fā)腫瘤病灶特別是體積較小的惡性病灶中體現(xiàn)出優(yōu)勢，且價格相對低廉即便基層醫(yī)院也可輕易推廣。文獻報道惡性腫瘤內(nèi)細胞的密度和核磁共振彌散加權(quán)成像表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coeffecient，ADC）為線性相關(guān)，惡性腫瘤組織細胞中密度最大的區(qū)域就是表觀擴散系數(shù)最小的部分[22]。在肺部腫瘤中，肺惡性腫瘤磁共振擴散加權(quán)成像和CT掃描所勾畫的的腫瘤大體體積存在明顯差異，前者在界定肺不張中的腫瘤組織中優(yōu)勢明顯，可以有效的區(qū)分正常肺組織和腫瘤組織，減少了放射性肺炎發(fā)生概率[23]。同樣的結(jié)果用于區(qū)分宮頸癌和正常宮頸組織，DWI結(jié)合磁共振非功能顯像序列檢測宮頸癌敏感性更高[24]。在腦部腫瘤中，倪春霞等[25]發(fā)現(xiàn)，磁共振加權(quán)成像可以明確間變性膠質(zhì)細胞瘤、膠質(zhì)母細胞瘤術(shù)后改變和術(shù)后殘留/復(fù)發(fā)病灶，更準確的設(shè)計腦瘤術(shù)后放射治療的照射范圍。

綜上所述，磁共振加強成像可以很好的指導(dǎo)放射治療靶區(qū)勾畫，將會是未來圖像融合配準在現(xiàn)代放療技術(shù)中的應(yīng)用的新熱點。功能磁共振成像和定位CT圖像的融合技術(shù)，在放射治療中具備良好的前景，有希望為現(xiàn)代放射治療提供新的研究視角，隨著不同圖像之間的融合進一步完善提高，功能磁共振成像的診斷特點將會在現(xiàn)代惡性腫瘤的放射治療中發(fā)揮更重要的作用，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]朗錦義，王培，吳大可，等.2015年中國大陸放療基本情況調(diào)查研究[J].中華放射腫瘤學(xué)雜志，2016，25（6）：541-543.

[2]彭順有，謝寶君.模擬定位機影像工作站在三維適形放射治療計劃射野位置驗證中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2015，3（30）：98-100.

[3]Seppala T，Visapaa H，Collan J，et al.Converting from CT-to MRI-only-based target definition in radiotherapy of localized prostate cancer：A comparison between two modalities[J].Strahlentherapie und Onkologie，2015，191（11）：862-868.

[4]張洋，張寧，張國義，等.應(yīng)用PET-CT圖像融合技術(shù)勾畫復(fù)發(fā)鼻咽癌靶區(qū)[C]//中華醫(yī)學(xué)會，中國醫(yī)藥教育協(xié)會.2015臨床急重癥經(jīng)驗交流第二次高峰論壇.2015：1-2.

[5]廖福錫.CT/MRI圖像融合技術(shù)在鼻咽癌靶區(qū)勾畫中的應(yīng)用[J].醫(yī)療裝備，2015（9）：25-26.

[6]Oinam AS，Tomar P，Patel FD，et al.CT and MR image fusion of tandem and ring applicator using rigid registration in intracavitary brachytherapy planning[J].Journal of Applied Clinical Medical Physics，2014，15（2）：191-204.

[7]Lan C，Wu CS，Chen GS，et al.1054 poster Impact of MRI/CT co-registration on target volume definition and radiotherapy planning of tumours located close to the base of skull[C].Grouting &Deep Mixing，ASCE，2014.

[8]郭守娟，李國文，程鵬.CT/MRI融合圖像對顱內(nèi)腫瘤精確放療靶區(qū)勾畫的影響[J].中國醫(yī)師進修雜志，2015，38（4）：300-303.

[9]陳慧兵，范琴.CT-磁共振成像圖像融合技術(shù)在腦膠質(zhì)瘤術(shù)后放療靶區(qū)勾畫中的應(yīng)用價值[J].醫(yī)療裝備， 2018，31（10）：30-31.

[10]楊金山，魏永兵，侯超，等.CT/MRI診斷影像融合對非小細胞肺癌腦轉(zhuǎn)移瘤靶區(qū)及三維適形治療影響[J]. 中國醫(yī)學(xué)創(chuàng)新，2014（29）：22-24.

[11]Counago F，Del Cerro E，Díaz-Gavela AA，et al.Endorectal magnetic resonance imaging for risk classification of localized prostate cancer：Radiographic findings and influence on treatment decisions[J].Urol Oncol，2016，34（10）：477-478.

[12]Bjurlin MA，Mendhiratta N，Wysock JS，et al.Multiparametric MRI and targeted prostate biopsy： Improvements in cancer detection，localization，and risk assessment[J].Central European Journal of Urology，2016，69（1）：9-18.

[13]Panje C，Panje T，Putora P，et al.Guidance of treatment decisions in risk-adapted primary radiotherapy for prostate cancer using multiparametric magnetic resonance imaging：a single center experience[J].Radiation Oncology，2015，10（1）：47.

[14]王財，瞿述根，王曉莉.MRI與CT圖像融合技術(shù)在前列腺癌調(diào)強放療中的應(yīng)用[J].實用臨床醫(yī)學(xué)[J]，2017，16（7）：82-84.

[15]Arslan S，Abakay CD，Sen F，et al.Role of PET/CT in treatment planning for head and neck cancer patients undergoing definitive radiotherapy[J].Asian Pac J Cancer Prev，2014，15（24）：10899-10903.

[16]Hao Peng，Lei Chen，Ling-Long Tang，et al.18F-FDG-PET/CT在診斷接受調(diào)強放射治療的鼻咽癌患者頸部小淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移中的重要價值[J].癌癥，2018，37（6）：240-250.

[17]Vees H，Casanova N，Zilli T，et al.Impact of 18F-FDG PET/CT on target volume delineation in recurrent or residual gynaecologic carcinoma[J].Radiat Oncol，2012（7）：176.