MRI-CT图像融合技术在颈椎肿瘤靶区勾画中的应用
2022-05-31张冬艳薛雁山许芳宋晓婕颜宝云
张冬艳,薛雁山,许芳,宋晓婕,颜宝云
1.山西中医药大学附属医院影像科,山西太原 030024;2.山西医科大学第二医院影像科,山西太原 030000;3.山西中医药大学附属医院肿瘤科,山西太原 030024
前言
脊柱肿瘤在临床较为罕见,尤其是颈椎肿瘤较胸椎和腰骶椎肿瘤更难治疗,主要原因在于颈椎的结构更为复杂,同时还毗邻许多重要的血管以及神经,完全切除颈椎肿瘤难度非常大[1-3]。颈椎肿瘤手术切除对患者身体创伤较大,同时对于麻醉以及手术者的要求都非常高,对普通医院而言较难执行。随着外科治疗理念的不断更替,颈椎肿瘤更大程度上不再完全依赖于手术治疗,而更多会选择进行放疗。放疗不仅可以达到缓解疼痛的目的,同时还能够在一定程度上减少并发症,但放疗最为依赖的就是影像学技术[2]。CT 能够最大程度地分辨肿瘤周围器官和骨组织,但是对于软组织的分辨率较差,在制定放疗计划时对于肿瘤已侵犯的软组织边界界定不够精确。MRI 对人体软组织分辨率极高,当MRI 与CT进行图像融合时,能够很好地弥补CT缺点。国内外诸多学者已将MRI 技术应用到各肿瘤放疗的靶区勾画中,取得较为理想的放疗效果[4-5]。本研究旨在于探讨MRI-CT 图像融合技术与CT 图像在颈椎肿瘤靶区勾画和剂量参数上的差异。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取山西中医药大学附属医院2019年1月至2020年1月收治的颈椎原发性肿瘤放疗患者11 例,其中骨巨细胞瘤5 例,脊索瘤5 例,侵袭性骨母细胞瘤1 例;未手术治疗者5 例,术后复发者6 例;所有患者肿瘤均已出现骨质破坏以及软组织浸润。年龄35~65岁,平均(43.24±3.35)岁。
1.2 纳入与排除标准
纳入标准:(1)确诊为颈椎原发性肿瘤;(2)能全程耐受放疗;(3)影像学资料完整。排除标准:(1)全身多发性肿瘤;(2)颈椎远处转移瘤;(3)全身合并重要脏器功能障碍。
1.3 方法
1.3.1 影像学资料所有患者取仰卧位躺于CT 检查床上,扫描范围由眶上缘至胸椎第4 椎体,包括全颈椎以及所有附件,厚度3 mm。扫描后影像学图像传输至德国西门子公司TPS 进行靶区勾画以及放疗计划制定。所有患者于放疗计划开始前1 周内行颈椎增强MRI 扫描,厚度3 mm。扫描结束后将图像传输至德国西门子公司TPS工作站。在TPS工作站中,选取MRI中T1加权、T1增强以及T2加权图像,与同一ID患者CT 图像进行配对。将CT 图像中骨窗像与MRI图像通过融合软件进行融合,选取各个方向旋转进行融合,软件自动融合不够理想者可行人工手动融合。融合完成后图像由1名肿瘤放射治疗医师以及1名高年资放射科医师共同审核。
1.3.2 靶区勾画定义GTV 为影像学中可见具有一定大小及形状的肿瘤病变范围。首先在CT 扫描图像上进行勾画,勾画出GTVCT及脊髓CT;再在MRI-CT融合图像上进行勾画出GTVMRI-CT及脊髓MRI-CT;定义CTV 为GTVMRI-CT勾画中适当向外扩展至肿瘤侵犯椎体;PTV 为CTV 再向外扩展0.5 cm;PGTV 为GTV 向外扩展0.5 cm。再由其余4 名肿瘤放疗医师分别进行GTVCT、脊髓CT、GTVMRI-CT及脊髓MRI-CT勾画。
1.3.3 靶区体积测定和放射剂量计算在MRI-CT 融合图像基础上完成目标靶区剂量计算(图1),目标靶区包括GTV、CTV、PTV 及PGTV。计算放疗总量PTV为44 Gy,2 Gy/次,共22次;同时PGTV同步剂量为60 Gy,2.7 Gy/次,共22 次,设定脊髓Dmax<45 Gy。在TPS 工作站中计算获取5 名医师所勾画的GTVCT、脊髓CT、GTVMRI-CT以及脊髓MRI-CT剂量参数。
图1 MRI-CT图像融合用于治疗计划靶区勾画Figure 1 MRI-CT image fusion for target delineation for treatment planning
1.4 观察指标
(1)统计比较所有患者所勾画靶区体积指标,主要包括GTV、脊髓MRI-CT、脊髓CT、体积重叠指数(VOI)以及变异系数(CV);(2)统计比较所有患者靶区剂量参数指标,主要包括PGTV V100%、V105%、脊髓Dmax以及D2cm3。
1.5 统计学方法
采用SPSS 26.0 软件进行统计学分析,计量资料用均数±标准差表示,用t检验;计数资料用率表示,采用χ2检验,所有勾画靶体积以及剂量学参数行单因素方差分析,组内相关系数(ICC)可靠性分析。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 勾画靶区体积指标比较
由1 名肿瘤放疗医师所勾画靶区体积GTVMRI-CT显著大于GTVCT(t=6.024,P=0.002),脊髓MRI-CT体积显著小于脊髓CT(t=9.783,P=0.000),见表1;5 名肿瘤放疗医师所勾画靶区体积比较差异与1 名肿瘤放疗医师趋势一致,不同影像为基础的靶区勾画VOI 为0.83±0.15,见表2。
表1 1名肿瘤放疗医师勾画靶区体积比较(cm3)Table 1 Comparison of the target area volume delineated by a tumor radiotherapy physician(cm3)
表2 5名肿瘤放疗医师勾画靶区体积比较Table 2 Comparison of the target area volume delineated by 5 tumor radiotherapy physicians
2.2 靶区勾画体积组间比较
靶区勾画体积组间比较显示,5 名肿瘤放疗医师所勾画靶区存在组间差异。GTV 和脊髓的CVMRI-CT均小于CVCT;ICC 在GTV 中分别为0.97 与0.95,在脊髓为0.83与0.82。见表3。
2.3 靶区剂量参数比较
MRI-CT与CT图像靶区剂量参数指标比较,GTV剂量MRI-CT Dmax显著低于CT Dmax(t=8.783,P=0.000),脊髓剂量MRI-CT D2cm3同样显著低于CT D2cm3(t=6.732,P=0.002),见表4。
3 讨论
肿瘤目前是全球威胁人类健康的杀手之一,对于肿瘤治疗采用较多的为手术治疗,但并非全身所有肿瘤均能够采取手术治疗,尤其是颈椎肿瘤,手术难度大,危险程度高[6-7]。放疗能否取得理想效果,关键依赖于放疗前的计划制定以及剂量计算[8]。CT 是目前应用较为广泛的影像学技术,但CT 最大缺陷在于对肿瘤已侵犯的软组织成像不够清晰,导致放疗前计划制定时出现范围过小,使得最终放疗效果欠佳,复发率较高[9]。据相关报道,仅凭CT为基础影像进行放疗计划制定,术后肿瘤复发率高达75.4%,使得放疗医师对于CT 的应用颇有争议[10]。MRI 出现以及MRI 技术的不断成熟和改进解决了CT 对于软组织成像不够清晰的缺陷,将MRI 与CT 图像进行融合,使得肿瘤无论是自身还是已浸润的软组织,都能够显示清楚,在计划制定时能够最大限度地将所有肿瘤组织包括在内[11]。TPS 融合软件能通过圈定局部以及四维度刚性配准达到较高质量的融合图像[12]。相关研究显示MRI-CT 融合配准后对鼻咽癌患者肿瘤靶区的勾画辨识度更高,在剂量方面也能够达到最佳剂量放射,同时还能够对周围组织起到一定保护作用[13]。已有研究发现MRI-CT 图像下勾画的前列腺癌靶区体积较CT 图像下的体积增加30%,还能够发现被癌细胞浸润的精囊,同时还可以在实际临床使用中观察到后期的不良反应[14]。
表3 靶区勾画体积组间差异比较Table 3 Comparison of inter-group differences in target volume delineation between groups
表4 靶区剂量参数指标比较(Gy)Table 4 Comparison of target dose parameters(Gy)
本研究主要通过对比MRI-CT 和CT 两种不同的基础图像下进行靶区勾画以及剂量计算。首先进行靶区勾画体积指标间比较,结果显示由1 名或5 名肿瘤放疗医师所勾画靶区体积GTVMRI-CT显著大于GTVCT,脊髓MRI-CT体积显著小于脊髓CT。同时,引入VOI 概念,当VOI 值越接近1 表明MRI-CT 图像的重叠性越好。本研究中VOI 值为0.84,提示MRI-CT 融合图像对于颈椎肿瘤患者的靶区勾画范围更为精准,避免了遗漏情况发生。MRI-CT 融合图像不仅能够提高GTV 的靶区勾画准确性,还能够对于脊髓的勾画提供重要的影像学帮助和补充。MRI-CT 图像下所勾画的靶区体积较CT 图像下大,主要原因在于其能够将周围已被肿瘤破坏和浸润的软组织一并勾画进入,使得体积明显增大,同时保证了后期放疗的准确性以及有效性[15]。但也有相关文献报道在脑肿瘤中CT 图像下所勾画的体积显著大于MRI-CT,其主要原因在于考虑到CT 图像肿瘤病灶周围软组织分辨不清晰,而将周围一部分水肿带一并勾画,导致体积增大,但同时也增加了放疗的并发症[16]。
以MRI-CT 为影像学基础勾画体积,不同医师间勾画一致性较好,组间差异小。放疗计划的制定,不论是靶区体积的勾画还是靶区剂量的计算,关键环节仍在于肿瘤放疗医师,不同肿瘤放疗医师对于同一患者的靶区体积勾画以及剂量计算不完全相同,但以MRI-CT 为影像学基础进行勾画,所有医师之间的差异较小,一致性较高,可见MRI-CT 在实际临床工作使用中能够发挥更好作用[17]。再加上TPS 自动融合软件的应用,同时辅以手动调整方式进行图像融合配准,可将精确度进一步提高,达到理想的配准效果[18]。
MRI-CT 与CT 图像靶区剂量参数指标比较,GTV 剂量MRI-CT Dmax显著低于CT Dmax,脊髓剂量MRI-CT D2cm3同样显著低于CT D2cm3,提示MRI-CT 可以获得更好的剂量参数,降低最大单点剂量。放射剂量的把控是放疗的关键步骤,剂量过低达不到治疗效果,但剂量过大又易引发其他组织的放射性损伤[19]。MRI-CT 融合技术能够更精确地勾画靶区体积,在剂量使用方面,同样能够较为精确地分辨出肿瘤组织以及周围软组织,在剂量计算时可以克服笼统的按一种组织进行剂量计算,使得放疗剂量更加精确,达到杀灭肿瘤细胞的作用,又不会造成过量的放射损伤[20]。
综上所述,颈椎肿瘤在临床工作中较为罕见,目前主要以放疗为主。MRI-CT 图像融合技术能够更加精确地勾画靶区体积以及准确地计算放射剂量,不易造成靶区漏照,同时MRI-CT 图像融合技术在不同医师间差异较小,提高了靶区勾画的一致性和可靠性,值得在临床推广使用。