CT-MR圖像融合在腦膠質瘤術后放療中的應用

柏正璐，李軍，田書暢

1. 江蘇省蘇北人民醫(yī)院 放療中心，江蘇 揚州 225000；2. 南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院 醫(yī)療設備處，江蘇 南京 210006

引言

腦膠質瘤是顱內常見的惡性腫瘤，我國腦膠質瘤的發(fā)生率占顱內腫瘤的 35%～60%[1-2]。目前，腦膠質瘤的治療以外科手術為基礎，但由于腦功能的特殊性和腦膠質瘤的浸潤性生長的特點，臨床上很難徹底切除腫瘤，需輔以術后放療[3]。精確的靶區(qū)勾畫是提高治療效果的關鍵，CT定位圖像是用于放射治療勾畫靶區(qū)的主要圖像，但由于水腫帶的存在，且腦膠質瘤術后易導致正常解剖結構改變，即使采用增強CT仍有部分病灶顯像不清晰，辨識度不高，使腦膠質瘤術后放療靶區(qū)的勾畫存在誤差[4]。MR圖像對軟組織特別是對腫瘤與組織水腫邊界比較敏感[5]，能清楚的顯示腫瘤病變和周圍結構的關系，在顱內腫瘤靶區(qū)勾畫方面有明顯的優(yōu)勢，但MR圖像不能單獨用于治療計劃系統(tǒng)。因此CT和MR圖像的融合應用可以提供互補信息，更加精確地確定腫瘤浸潤的范圍，精確勾畫靶區(qū)，從而提高腫瘤局部劑量，減少正常組織受量[6]。

前期報道關于CT-MR圖像融合對顱內膠質瘤術后放療的影響主要集中在靶區(qū)勾畫方面，而有關融合前后放療劑量學參數(shù)變化方面研究較少。本研究著重顱內膠質瘤術后放療病例，將CT和MR圖像融合后在三維治療計劃系統(tǒng)（Treatment Plan System，TPS）中進行靶區(qū)勾畫，比較CT-MR融合后的靶區(qū)和CT圖像上靶區(qū)的差異，以及劑量學的改變。

1 材料和方法

1.1 病例入組

選取我院2019年1月至2020年3月診治的高級別腦膠質瘤術后放療患者10例，Ⅲ級4例，Ⅳ6例，年齡33～72歲（中位年齡45歲），男性6例，女性4例。

1.2 影像獲取

1.2.1 定位CT圖像掃描

所有患者均為放療仰臥位平躺于固定底板，頭枕B/C枕，頭頸肩熱塑膜低溫固定，在面膜上勾畫好定位線，貼好金屬標記點。使用GE大孔徑CT進行增強CT掃描，層厚2.5 mm，掃描范圍為全腦，掃描條件：120 kV，180 mAs。掃描后圖像經(jīng)網(wǎng)絡傳至Varian Eclipse治療計劃系統(tǒng)。

1.2.2 腦部增強MR圖像獲取

患者于放療定位前1周內至我院放射科掃描腦部增強核磁（GE 1.5 T），層厚：2.5 mm，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，掃描包括T2-FLAIR和T1WI序列。根據(jù)醫(yī)師要求選取合適序列的斷層圖像經(jīng)由PACS系統(tǒng)經(jīng)網(wǎng)絡傳至Eclipse治療計劃工作站。

1.3 圖像融合和靶區(qū)勾畫

使用Eclipse TPS工作站的圖像融合功能，選取合適的感興趣病灶區(qū)域進行融合。由于頭部圖像的信息量相對較少，且形變也小，一般系統(tǒng)自動融合后能達到較理想的融合效果，最后再根據(jù)醫(yī)生的臨床要求手動微調，CT-MR融合示例見圖1。融合完成后，由3名有工作經(jīng)驗5年以上的腫瘤科醫(yī)生對10例患者分別在CT和CT-MR融合圖像上勾畫大體腫瘤區(qū)（Gross Tumor Volume，GTV），范圍為術后殘留腫瘤或術腔，臨床腫瘤區(qū)（Clinical Target Volume，CTV）范圍為GTV外擴2.5～3 cm，分別記為CTVCT和CTVCT-MR，同時分別勾畫危及器官OARs（包括左右晶狀體、腦干、海馬），標方法記同類比。

1.4 靶體積測量和劑量計算

利用Eclipse治療計劃系統(tǒng)分別讀取CT組和CT-MR組臨床靶區(qū)和危及器官的體積，觀察勾畫差異，并比較三位不同醫(yī)師間靶區(qū)勾畫的差異性。并以CT-MR融合圖像勾畫完成的靶區(qū)和危及器官作為物理師設計放療計劃的目標，全部模擬劑量CTV為50 Gy，2 Gy/次，共25次，采用5野調強計劃滿足處方要求。TPS中不改變射野強度分布的條件下重新計算得到CTVCT、CTVCT-MR、腦干CT、腦干CT-MR和海馬CT、海馬CT-MR的劑量學參數(shù)[2]。其中危及器官要求腦干 Dmax＜54 Gy，海馬 Dmax＜24 Gy，晶體 Dmax＜8 Gy。

圖1 1例腦膠質瘤術后患者圖像融合示例

1.5 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)結果進行統(tǒng)計學分析處理，不同醫(yī)師在CT組和CT-MR融合圖像中勾畫靶區(qū)的差異結果用變異系數(shù)CV%=（s/）×100%來評價。

2 結果

2.1 CT圖像和CT-MR融合圖像為基礎的靶區(qū)和危及器官勾畫結果

2.1.1 影像融合對靶區(qū)勾畫體積的影響

3名醫(yī)師對10例患者分別在CT圖像和CT-MR融合圖像上勾畫靶區(qū)體積的情況詳見圖2。圖中橫坐標值代表CT組靶區(qū)體積，縱坐標值代表CT-MR組靶區(qū)體積，虛線表示CT圖像中勾畫靶區(qū)的體積和CT-MR融合圖像中勾畫靶區(qū)的體積相等。圖例代表不同醫(yī)師勾畫的數(shù)據(jù)，若散點位于虛線下方，則說明影像融合后靶區(qū)體積小于相對應的CT靶區(qū)。由圖2可見，CT-MR影像融合后靶區(qū)體積減少占比較高，為80%，說明CT-MR影像融合后勾畫靶區(qū)的體積結果較CT圖像勾畫的靶區(qū)結果存在差異。這10名腦膠質瘤術后患者的CTVCT體積平均值為（264.99±66.78）cm3，CTVCT-MR體積平均值為（248.59±57.06）cm3，平均CTVCT體積值大于平均CTVCT-MR體積值（t=4.403，P=0.002），結果有統(tǒng)計學差異。

圖2 三位醫(yī)師分別在CT和CT-MR圖像上勾畫的靶區(qū)體積

2.1.2 影像融合對危及器官勾畫體積的影響

由表1可見，左右晶狀體及腦干在融合前后勾畫的體積無明顯變化，差異無統(tǒng)計學意義（P>0.05）。器官勾畫海馬在CT-MR融合后體積小于CT，差異有統(tǒng)計學意義（P=0.000）。

表1 CT組和MR-CT融合圖像中OARs體積比較（±s，cm3）

表1 CT組和MR-CT融合圖像中OARs體積比較（±s，cm3）

項目 CT CT-MR t值 P值左晶狀體 0.32±0.13 0.31±0.12 0.643 0.537右晶狀體 0.33±0.11 0.32±0.11 0.836 0.425腦干 23.24±4.55 23.13±4.11 0.568 0.584海馬 5.10±0.34 3.79±0.39 17.024 0.000

2.2 CT圖像和CT-MR融合圖像為基礎的靶區(qū)勾畫體積的組間差異

3名醫(yī)師的靶區(qū)勾畫存在組間差異，CT組3位醫(yī)師勾畫靶區(qū)體積的平均變異系數(shù)CV值為（5.20±2.56）%，CT-MR組3名醫(yī)師勾畫靶區(qū)體積的平均變異系數(shù)CV值為（1.7±1.09）%，前者大于后者，差異有統(tǒng)計學意義（t=3.987，P=0.003）。MR-CT融合影像為基礎勾畫靶區(qū)不同醫(yī)師間的一致性好、組間差異小。

2.3 CT圖像和CT-MR融合圖像為基礎的靶區(qū)勾畫致劑量學差異

以CT-MR融合圖像勾畫完成的靶區(qū)和危及器官為目標設計治療計劃，其劑量學參數(shù)存在差異。CTV的VCT-MR100%和VCT100%分別為(95.34±1.28)%和(92.68±3.31)%，海馬DmaxMR-CT和DmaxCT分別為(22.34±3.43)Gy和(24.56±3.71)Gy，腦干DmaxMR-CT和DmaxCT分別為(46.92±4.62)Gy和(51.24±5.31)Gy。我們發(fā)現(xiàn)以CT-MR融合結果為目標的計劃設計可使實際靶區(qū)獲得較好的劑量分布，且實際腦干和海馬的最大單點劑量也可降低。

3 討論

放射治療逐步進入精確精準時代，腫瘤靶區(qū)的準確勾畫是保證放射治療效果的首要因素，多影像技術融合的發(fā)展彌補了CT影像中軟組織顯像有限，和MR影像中解剖結構不夠準確的缺點。不同圖像之間的空間配準，可以將圖像的解剖與功能有效的結合起來，為醫(yī)生勾畫腫瘤靶區(qū)提供更多的影像信息。

本研究分析腦膠質瘤術后患者的靶區(qū)和危及器官的勾畫，發(fā)現(xiàn)多數(shù)基于CT-MR融合圖像上的靶區(qū)體積小于基于CT圖像上勾畫的體積，差異具有統(tǒng)計學意義。結果表明CT圖像易高估腫瘤本身的病變范圍，可能原因是因病灶邊界在CT圖像顯示不清，且存在易干擾的水腫帶，部分醫(yī)師怕遺漏瘤體，故靶區(qū)勾畫偏大[6-7]。若單純以CT圖像為指導勾畫的靶區(qū)和危及器官來設計放療計劃，會擴大腫瘤部位的照射范圍，使正常腦組織受量過多，真實靶區(qū)的劑量適形度大大下降，增加放射性腦損傷的概率[8]。且會高估危及器官的受量，不利于腫瘤臨床劑量的提升。

另外，不同醫(yī)師對腫瘤的認識以及對解剖知識的熟悉程度不同會導致靶區(qū)勾畫的范圍大小存在差異本研。研究結果發(fā)現(xiàn)在CT-MR融合圖像的指導下所勾畫的腫瘤靶區(qū)體積的變異系數(shù)小于在CT圖像指導下，說明相較單純的CT圖像，融合后圖像提供的信息量可減少不同醫(yī)生勾畫靶區(qū)的差異性。

盡管CT-MR圖像融合對腦膠質瘤術后靶區(qū)的勾畫有顯著的優(yōu)勢，但圖像融合效果的好壞會直接導致腫瘤靶區(qū)勾畫的準確性。常用的Eclipse治療計劃系統(tǒng)的融合功能主要分為外部標記法和基于圖像內部特征融合兩種，外部標記法對CT和MR兩種掃描體位和外部標記點放置的精確性有很高的要求，且標點法未考慮患者相對面膜的不自主運動，因此一般不適用于臨床應用[9]。臨床常用的融合功能為基于圖像內部解剖結構的融合方法，其融合精度至關重要?？偨Y影響圖像融合精度的幾個主要因素：① 患者在定位CT和MR掃描時，體位很難保證高度一致，且MR掃描時間長，患者若發(fā)生移動易產生偽影，因此應在掃描前選擇一個舒適的體位；② 對患者進行CT和MR掃描時，盡量選擇相同的層厚，調整MR掃描范圍磁場的均勻性[10-12]；③ 融合前手動調節(jié)CT和MR圖像的窗寬窗位，提高組織細節(jié)的顯示，使兩組待融合圖像的灰度值相近可進一步提高融合精度[13]；④ 有文獻指出Eclipse計劃系統(tǒng)的融合算法中采用的最大互信息算法利用信息論中的互信息作為兩幅配準圖像之間的相似性測度[14]，圖像的邊緣對融合結果存在一定的影響，融合時感興趣范圍盡量包含體表輪廓[15]。

綜上，將靶區(qū)勾畫和用于治療計劃設計最佳來源的CT圖像和軟組織顯像清晰的MR圖像相融合，最終得到的CTVCT-MR可滿足腦膠質瘤術后調強放療計劃對精確靶區(qū)的要求，并利于腫瘤臨床劑量的提升。