图像融合技术在放疗靶区勾画中的应用进展

杨熙，徐子海

1.桂林医学院 研究生学院，广西 桂林541004；

2.中国人民解放军第三○三医院 放疗中心，广西 南宁 530021

图像融合技术在放疗靶区勾画中的应用进展

杨熙1，徐子海2

1.桂林医学院 研究生学院，广西 桂林541004；

2.中国人民解放军第三○三医院 放疗中心，广西 南宁 530021

准确的靶区勾画对提高肿瘤局部控制率及降低正常组织并发症率有着至关重要的意义，医学成像设备及图像融合技术的发展为准确定位放疗计划靶区提供了可能。本文综述了图像融合技术在放疗中的应用，并对解剖成像及功能成像的现状进行阐述，同时展望了多种融合图像应用于放疗技术的前景与挑战。

图像融合；靶区勾画；图像配准；正电子发射断层显像术；磁共振成像；体层摄影术；计算机断层扫描

随着肿瘤放射治疗学逐步从常规放疗向三维适形放疗（3D-CRT）、调强放疗（IMRT）、图像引导放疗（IGRT）、低分割分次少的立体定向放疗（SBRT）等精确放疗技术方向发展，精准的靶区范围的确定越来越受到人们关注。因此，将图像融合技术应用到肿瘤放射治疗的靶区勾画中对提高肿瘤的局部控制率和降低正常组织的并发症率有着积极的作用。本文就图像融合技术在肿瘤放射治疗中的应用进展做一综述。

1 图像融合及相关技术

计算机技术的发展实现了同一部位的不同显像模式的图像经过一定的预处理后进行融合叠加显示成像[1]。图像融合前需要先进行预处理和配准，配准是通过对选定的解剖标志或成像前体外预先放置的标志进行重合匹配[2]。图像配准的方法主要分为基于外部特征的配准和基于图像内部特征的配准两种。外部定位标志法的特点是定位简单，较准确，成像后可以全自动进行配准，对位参数易于计算，不需复杂的优化算法。由于外部定位标志法不能包含患者的相关图像信息，因此对位限制于刚体变换。内部特征法则从不同成像模式提取共有的体位标志诸如解剖标志、几何标志，局部点、线、表面轮廓特征及像素特征等进行对位，其包含患者自身图像的信息，已经成为配准算法研究的重心。图像融合的算法主要有两类，一是基于像素的灰度加权求和逐个处理法，二是基于图像特征的方法，前者相对简单，后者的原理较复杂，但效果较好，比如小波变换法、多分辨率形态滤波法等；融合图像的显示主要有伪彩显示法，以及使用三维数据进行体层显示和三维显示[3]。目前，医学图像融合的模式还只是停留在体层成像方面（如CT、MRI、PET等），对于非体层成像（如CR、DE、US等）目前的融合技术还未能涉及。

2 三种医学成像方式的临床应用特点

2.1 CT影像的临床应用特点

CT具有较好的空间分辨率，可以清晰显示解剖结构和病变组织，经计划系统得出的靶器官及重要器官的定位均有较高的精度，经计划设计好的射野，通过激光定位系统将射野形状的外轮廓和射野中心轴等投射到患者皮肤上并做好相关的标记。目前的放疗计划定位主要应用CT技术进行影像采集，由于多层螺旋CT采集影像数据时间短，受呼吸运动的影响小，定位图像一般不发生畸变，且CT值与组织密度值呈线性对应关系，可直接应用CT值大小进行放疗计划的计算，所以临床放疗计划设计大多以CT影像来确定肿瘤临床靶区，而且螺旋CT已经被列入治疗计划CT扫描的常规检查项目[4]。集放射诊断、放疗计划、模拟定位和模拟治疗于一体的CT模拟定位系统能够对高度不规则肿瘤制订精确的放疗计划，提供接近肿瘤实际形状的真正适形放疗[5]。但由于CT影像对软组织结构区分能力差，肿瘤边界模糊，即使采用增强CT仍有部分病灶显示不清或不显示，成为精确靶区勾画的难题。

2.2 MRI影像的临床应用特点

磁共振成像（MRI）具有多参数成像、高对比度成像、多方位成像等特点能够对人体能量代谢进行研究（不同的序列如T1、T2、增强脂肪抑制序列），有较高的组织分辨率和血管血液的流空效应，因此能清楚显示肿瘤病变与周围结构的关系。恶性肿瘤的早期，在血管的侵犯以及肿瘤的分期等方面优于CT。总的来说，MRI的图像质量显著优于CT[6]。Shuto等[7]对多排螺旋CT怀疑食管术后淋巴结转移的47个病变进行弥散加权成像（DWI）和PET对比，结果显示，DWI和PET敏感性（95％ VS 97％）和整体准确率（81％ VS 87％）差异无统计学意义。但由于MRI非线性的磁场和体内不同组织的磁化系数不同，存在着图像的失真问题，更重要的是MRI不能提供剂量所需的诸如电子密度、阻止本领比等参数，加上空间分辨率低、扫描时间长和缺少固定装置，使MRI图像容易形成伪影。所以，MRI的图像一般不能单独用于治疗计划系统[8-9]。

2.3 PET影像的临床应用特点

PET是以正电子发射核素（如18F、11C、15O等）标记的生物活性分子诸如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等，通过示踪原理反映生物活体内的生化改变和代谢信息的核医学显像技术，作为一种分子功能影响技术，PET在多种肿瘤的诊断、分期及疗效评价、预后预测等方面显示出优于传统解剖学影像的潜能[10-11]。以18F标记的脱氧葡萄糖（FDG），是在肿瘤正电子成像中应用最为广泛也最成熟的示踪剂，FDG-PET在NSCLC（非小细胞肺癌）诊断和分期中的应用价值己得到越来越广泛的认可 ,已有不少学者尝试将PET提供的淋巴结信息用于指导NSCLC放疗计划的设计。初步的剂量学研究显示,将FDG-PET影像提供的功能信息整合到NSCLC放疗计划的设计可能有助于提高肿瘤控制率和降低正常组织并发症发生率[12-13]。PET由于可以利用多种示踪剂从分子水平反应肿瘤细胞的生化代谢、增殖能力、乏氧水平等信息，可以在生物靶区的勾画中发挥重要作用[14]，虽然18F-FDG PET/CT对恶性肿瘤组织的摄取及空间分辨能力有其独特的优势，对于鼻咽癌放疗后肿瘤残留和复发的敏感性、特异性和符合率高于MRI；对于颈淋巴结转移的诊断和特异性明显高于MRI[15]，但对合并坏死或直径太小的淋巴结转移的检测存在一定局限性，另外PET图像组织分辨率并不及MRI，尤其是边缘的模糊效应使依据PET图像信息准确勾画肿瘤边界受到限制[16]。

3 图像融合技术的临床应用

局部精确放疗技术三维适形放疗（3DCRT）、逆向调强放疗（IMRT）、立体定向放疗（SBRT）及图像引导放疗（IGRT）的发展，高效率、高精度放疗从物理方面实现了最大程度的提高肿瘤靶区剂量和减少正常组织放射受量的目标，为提高放疗的增益比提供了日趋完善的技术支持。放疗技术的进步提高了放疗的精确性，但如果靶区本身不准确，再精确的放疗技术亦难以提高放疗疗效[17]。肿瘤靶区边界和正常组织轮廓定义的精确与否己成为肿瘤放疗计划优劣的基础和评估的依据。

3.1 CT与MRI图像融合技术在放疗靶区勾画中的应用

将CT与MRI优势相结合，应用在放疗定位中起到精确勾画靶区、减少正常组织受量、提高肿瘤局部剂量作用。Krempien等[18]在对16例复发的各类肿瘤的近距离放疗的计划系统中采用CT和MRI融合图像，融合精度达（1.8±0.9）mm。而单独使用CT，肿瘤则很难界定。图像融合的精度直接影响肿瘤靶区的确定，在刚性解剖部位（如颅脑肿瘤）利用骨性标记进行CT与MRI图像融合精度较高（误差＜2 mm）[19]。由于头颈部组织结构的复杂性以及CT与MRI在这些复杂组织结构分辨率的差异，使得CT、MRI图像融合技术在鼻咽癌靶区勾画及放疗计划中得到了较广泛运用。在鼻咽癌的诊断中，融合图像对咽后外侧组淋巴结、颅底骨质破坏及枕骨斜坡的诊断和勾画上有很大优势。有报道[20]显示不同医师之间根据CT/MRI图像融合勾画的靶区，由于主观认识上的差异引起的差别小于CT靶区的差别。鼻咽癌的准确勾画除同放疗计划设计有关同时也是预测预后的一个重要因素。李丹明等[21]对9例原发肿瘤位于脑实质内难以定界的胶质瘤患者术后MRI和定位CT图像进行对比勾画，显示CT图像的CTV（Clinical Targel Volume，临床靶体积）比融合图像的CTV平均高估了47.3l％，表明根据术前MRI在CT定位图像上勾画CTV的方法可能会造成靶区偏大，导致正常脑组织受量过多，使放射性脑损伤的概率增加。张蕾等[22]收集了19例脑胶质瘤患者进行了术前术后CT与MRI的融合，发现靶区的勾画单靠CT或者MRI都没有两者融合的效果好，显示CT/MRI融合图像明显优于单独MRI图像。李洋等[8]对31例肺癌脑转移患者勾画的靶区比较，发现CT图像上勾画的GTV（Gross Tumor Volume，大体肿瘤体积）明显大于CT/MRI融合图像上勾画的GTV，CT影像在颅内水肿占位的病灶不能清楚地显示肿瘤边界，勾画者为了不遗漏靶区，在主观上外扩了靶区范围。任志刚等[23]的研究提示图像融合对肝脏交界区肿瘤测量有应用价值，能精确定位、减少靶区体积。对于盆腔组织结构的显示，MRI图像能够更加清晰显示盆腔的泌尿生殖系统、肠道结构以及前列腺包膜与精囊的受侵[24]。在前列腺癌的靶区勾画中，通过融合CT与MRI图像的放疗靶区位点,能显著的改善放射治疗质量[25]。有研究[26]采用MRl和CT融合图像勾画CTV，并与单纯CT勾画的CTV比较。结果显示CTVCT-MRI与CTVCT相比平均小19.40％，差异主要在前列腺尖部，从而提高靶区勾画的准确性,降低直肠、膀胱等危及器官毒副反应的发生率[27]。因此，在准确的靶区勾画方面，CT与MRI图像融合技术具有巨大的优势。

3.2 PET与CT图像融合技术在放疗靶区勾画中的应用

由于PET图像是一种低信噪比的图像,其空间分辨率较低（4～7 mm）,缺乏正常解剖结构的对照,不利于病变的准确定位,因此,在将PET用于放疗计划设计时,需要将PET图像与高空间分辨率（＜ l mm）的CT图像进行融合。2000年PET/CT一体机的出现和发展免除了多次扫描的不便减少了图像配准的误差，使得生物功能靶区和解剖结构靶区能有机地结合和直观展示，能更便捷地用于临床放疗计划中靶区的精确勾画、引导放疗高剂量区的设置，有助于提升靶区剂量和降低正常组织照射剂量[28]。对于检测局部未控、残留和复发，显示解剖组织密度结构变化的CT很难将它们与治疗后的结构改变进行分辨，而FDG-PET具有突出的优势，其敏感性和特异性相对较高。PET/CT融合图像对肿瘤分期和治疗计划具有潜在影响[29]。

Paulino等[30]在对40例头颈部肿瘤病例的研究中发现采用CT-GTV和PET-GTV相加的复合GTV更适合用于调强计划。18F-FDG PET/CT对恶性肿瘤组织的摄取及空间分辨能力有其独特的优势，对于鼻咽癌放疗后肿瘤残留和复发的敏感性、特异性和符合率均高于MRI；对于颈淋巴结转移的诊断和特异性明显高于MRI[31]。目前，国内外对PET/CT融合图像对非小细胞肺癌的靶区勾画研究多见，当伴有肺不张、胸水或阻塞性肺炎时CT很难判定肿瘤靶区的实际位置和大小而主要依赖PET所显示的活性高聚区来勾画靶区,且通常是缩小的靶体积，其结果是肺、食管、心脏和脊髓等重要器官的受照体积和剂量降低[32-33]。Bradley等[34]也发现PET能发现约40％的CT阴性纵膈淋巴结为阳性表现。De Ruysscher等[35]进行的仅对PET阳性纵膈淋巴结照射的前瞻性研究显示，在计划靶区外的肿瘤复发概率降低。对于复发或术后的残留的妇科肿瘤，应用18FDG PET/CT图像勾画的GTV比常规的CT影像勾画的要小，能提高妇科肿瘤放疗计划的准确性[36]。目前，PET/CT主要应用于肿瘤的早期诊断和放化疗后的疗效评估，其应用于放疗计划靶区勾画作用还是有限，国内外在NSCLC的靶区勾画研究多见，如何更好地利用其优势于更多的肿瘤放疗计划还需要大量的探索和研究。

4 期待与展望

综上所述，图像融合技术可以为放疗计划设计提供更丰富的信息，对临床诊断及精确放疗的实现起到积极的推动作用。目前图像融合技术还不太成熟，还有一些问题尚待解决，比如没有统一的评价标准，不同信息间的兼容受限制，图像配准的方法等都需要进一步研究。尽管PET/CT仪的应用日益成熟并拓展到众多领域，但由于MRI磁场的特殊性，PET/MRI和CT/MRI一体机在硬件发展上存在一定滞后，我们也可以开展更多的研究工作。PET/MRI融合图像虽应用于放疗靶区勾画还存在众多限制，但其在神经系统疾病诊断的优势已崭露头角。CT/MRI融合图像广泛应用于临床各种疾病的诊断，其对提高放疗计划靶区勾画准确性上有很大的推动。在如何提高异机融合图像配准精度的问题上有广泛的研究前景，国内外已有不少学者通过设计标记物提高扫描图像的融合精度并取得一定进展[37]。现阶段CT/MRI和PET/CT融合技术用于放疗计划还存在不少问题，但与单纯的CT定位图像相比，融合图像应用于放疗计划设计还是显现出潜在的优势，有望成为放射治疗领域新的研究方向，随着融合技术的不断完善，其优势必将在未来的放射治疗中得到更好的应用。

[1]朱朝晖,周前,崔瑞雪．PET图像与CT、MR I图像比较与融合的研究[J]．中华核医学杂志,2001,21（5）：261-262．

[2]Turkington TG,Hoffman JM,Jaszczak RI,et al．Accuracy of surface fit registration for PET and MR brain images using full and incomplete brain surfaces[J]．J Comput Assist Tomogr,1995,19（1）：117-124．

[3]宋建华,赵晋华,乔文礼．PET-MR I图像融合技术的发展及临床应用[J]．国际放射医学核医学杂志,2011,35（3）：133-137．

[4]Chang CC,Chen MK,Liu MT,et a1．Effect of primary tumour volumes in early T-stage Nasopharyngeal Carcinoma[J]．J otolaryngology,2003,32（2）：87-92．

[5]黄生鹏,杨振,雷明军,等．CT模拟在适形调强放射治疗中的应用研究[J]．中国医学工程,2005,13（3）：284-286,289．

[6]陈泽龙,赵春雷,王志敏,等．PET/CT图像伪影初探[J]．中国医疗设备,2014,29（3）：164-167．

[7]Shuto K,Saito H,Ohira G,et al．Diffusion-weighted MR imaging for postoperative nodal recurrence of esophageal squamous cell cancer in comparison w ith FDG-PET[J]．Gan To Kagaku Ryoho,2009,36（12）：2468-2470．

[8]李洋,李香兰,王业伟,等．CT/MR I影像融合对肺癌脑转移放射治疗靶区勾画的影响[J]．中国肺癌杂志,2012,15（8）：476-480．

[9]鹿红,李兵,朱锡旭．医学图像融合技术在肿瘤放射治疗中的应用[J]．现代肿瘤医学,2009,17（8）：1571-1574．

[10]Von Schulthess GK．Positron em ission tomography（PET）-current state of the art and future perspectives[J]．Praxis（Bern 1994）,2005,94（35）：1331-1337．

[11]Fanti S,Franchi R,Battista G,et al．PET and PET-CT．State of the art and future prospects[J]．Radiol Med（Torino）,2005,110（1-2）：1-15．

[12]Van Der W el A,Nusten S,Hochstenbag M,et al．Increase therapeutic ratio by18FDG-PET-CT planning in patinents w ith clinical CT stage N 2-N 3MO non-small cell lung cancer：a modeling study[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys,2005,61（3）：649-655．

[13]De Duysscher D,W anders S,M inken A,et al．Effects o f radiotherapy planning w ith a dedicated combined PETCT-simulator of patients w ith non-small cell lung cancer on dose lim iting normal tissues and radiation dose-escalation：A planning study[J]．Radiother Oncol,2005,77（1）：5-10．

[14]Ling CC,Humm J,Larson S,et al．Towards multidimensional radiotherapy（MD-CRT）：biological imaging and biological conformality[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys,2000,47（3）：551-560．

[15]沈国华,周绿漪,贾志云,等．最新PET/MRI成像的研制进展[J]．中国医疗设备,2014,29（1）：59-62．

[16]杨凤姣,吴湘纬,谢爱民,等．MR I、PET/CT对NO期鼻咽癌GTV的影响[J]．现代肿瘤学,2009,17（5）：836-838．

[17]张碧媛,王梅．PET及PET/CT在非小细胞肺癌放疗靶区确定中存在的问题及研究现状[J]．青岛大学医学院学报,2011, 47（5）：465-467．

[18]Krempien RC,Daeuber S,Hensley FW,et a1．Image fusion of CT and MRI data enables improved target volume definition in 3D-brachytherapy treatment planning[J]．Brachytherapy,2003,2（3）：164-171．

[19]Khoo VS,Adam s EJ,Saran F,et a1．A com parison of clinical target volumes determined by CT and MRI for the radiotherapy planning of base of skull meningiomas[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys,2000,46（5）：1309-1317．

[20]陈建武,潘建基,柏鹏刚,等．MRI/CT影像融合对鼻咽癌靶区勾画的影响[J]．肿瘤,2009,29（1）：61-64．

[21]李丹明,朱锡旭,武新虎．不同MR I与CT图像融合对脑胶质瘤术后放疗靶区勾画的稳定性研究[J]．中国癌症杂志,2008, 18（1）：46-50．

[22]张蕾,兰胜民,邢晓汾,等．应用CT-MR I图像融合技术准确设定脑胶质瘤肿瘤靶区体积的研究[J]．肿瘤研究与临床,2010, 22（4）：225-227．

[23]任志刚,胡伟刚,陈颢,等．CT与MRI图像融合技术确定原发性肝癌三维适形放疗靶区应用研究[J]．中华放射肿瘤学杂志,2009, 18（1）：11-14．

[24]Heenan SD．M agnetic resonance imaging in prostate cancer[J]．Prostate Cancer Prostatic Dis,2004,7（4）：282-288．

[25]Hanvey S,Sadozye AH,M cJury M,et al．The influence of MR I scan position on image registration accuracy, target delineation and calculated dose in prostatic radiotherapy[J]．Br J Radiol,2012, 85（1020）：1256-1262．

[26]Hentsehel B,Oehler W,Strauss D,et al．Definition of the CTV prostate in CT and MRI by using CT-MRI image fusion in IMRT planning for prostate cancer[J]．Strahlenther Onko1,2011,187（3）：183-190．

[27]胡玉兰,徐海荣．刘佳宾．CT与M R I融合图像在前列腺癌调强放疗靶区勾画中的应用研究[J]．实用医学杂志,2013, 29（11）：53-56．

[28]Ciernik IF,Dizendorf E,Baumert BG,et al．Radiation treatment planning w ith an integrated positron em ission and computer tomography（PET/CT）：A feasibility study[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys,2003,57（3）：853-863．

[29]Deantonio L,BeldìD,Gambaro G,et al．FDG-PET/CT imaging for staging and radiotherapy treatment planning of head and neck carcinoma[J]．Radiat Oncol,2008,3：29．

[30]Paulino AC,Johnstone PA．FDG-PET in radiotherapy treatment planning：Pandora’s box？[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys,2004,59（1）：4-5．

[31]胡伟汉,张国义,刘立志,等．PET-CT与MRI诊断鼻咽癌淋巴结转移的对比研究[J]．癌症,2005,24（7）：855-860．

[32]Mah K,Caldwell CB,Ung YC,et al．The impact of（18）FDGPET on target and critical organs in CT-based treatment planning of patients w ith poorly defined non-small-cell lung carcinoma：aprospective study[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys,2002, 52（2）：339-350．

[33]van Der W el A,N ijsten S,Hochstenbag M,et al．Increased therapeutic ratio by18FDG-PET CT planning in patients w ithclinical CT stage N 2-N 3M 0 non-small-cell lung cancer：a modeling study[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys,2005,61（3）：649-655．

[34]Bradley JD,Perez CA,Dehdashti F,et al．Implementing biologic target volumes in radiation treatment planning for non-small cell lung cancer [J]．J Nucl Med,2004,45（suppl 1）：96S-101S．

[35]De Ruysscher D,W anders S,van Haren E,et al．Selective mediastinal node irradiation on the basis of the FDG-PET scan in patients w ith NSCLC is safe：results of a prospective clinical study[J]．Int J Radiat Oncol Biol Phys,2005,62（4）：988-994．

[36]Vees H,Casanova N,Zilli T,et al．Impact of18F-FDG PET/CT on target volume delineation in recurrent or residual gynaecologic carcinoma[J]．Radiat Oncol,2012,7：176．

[37]Guo L,Shen S,Harris E,et al．A tri-modality image fusion method for target delineation of brain tumors in radiotherapy[J]．PLoS One,2014,9（11）：e112187．

Application Progress of Image Fusion Technology in the Target Delineation of Radiotherapy

YANG Xi1, XU Zi-hai2
1.Graduate School of Guilin Medical University, Guilin Guangxi 541004, China；2.Radiation Therapy Center, No. 303 Hospital of Chinese People’s Liberation Army, Nanning Guangxi 530021, China

The accuracy of target volume delineation prior to radiotherapy is essential for improving the local control rate of tumors as well as reducing the complication probability of normal tissues. Medical imaging equipment and image fusion technologies are useful to accurately delineate the target volume in the planning of radiation therapy. This study reviewed the application of image fusion technologies in radiotherapy, and the status quo of anatomical imaging and functional imaging was clarified. Finally this paper discussed the prospects and challenges of a variety of image fusion technologies in the application of radiotherapy.

image fusion；target volume delineation；image registration；positron-em ission tomography；magnetic resonance imaging；tomography；computed tomography

R730.55

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.10.022

1674-1633（2015）10-0079-04

2015-03-16

2015-03-22

广西自然科学基金项目（2012GXNSFAA053166）。

徐子海，主任医师，硕士生导师。

通讯作者邮箱：flzx99@vip．sina．com