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图像融合在现代放疗技术中的应用进展

时间:2022-04-17 10:07:16 浏览次数:

摘要:三维适形调强放射治疗(3DCRT-IMRT)、立体定向放射治疗(SRS-SBRT)等现代放射治疗技术已经成为放射治疗的主流,精准勾画靶区范围成为治疗的基础和关键,单纯依靠定位CT图像已经不能满足精准放射治疗的需要。医学图像融合技术特别是定位CT融合磁共振图像、定位CT融合PET/CT图像的发展促进了精准放射治疗的发展,而定位CT和MRI弥散加权序列融合,因其功能影像的优点以及价格低廉,易于推广,有望为现代放射治疗提供新的研究视角。本文综述图像融合在现代放疗技术中的应用进展及不同医学影像融合技术在放射治疗中的作用。

关键词:放射治疗;图像融合;功能影像

中图分类号:R730.55;R738.1                           文献标识码:A                           DOI:10.3969/j.issn.1006-1959.2019.23.010

文章编号: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

放療是治疗恶性肿瘤的重要手段,半数以上的患者在治疗的整个过程中需要进行不同程度的放射治疗[1]。目前三维适形调强放射治疗(3DCRT-IMRT)、立体定向放射治疗(SRS-SBRT)等现代放射治疗技术是放射治疗的主要手段,治疗的基础和关键是能精准勾画靶区范围。螺旋CT扫描速度快,图像畸变小,受器官移动影响小,加上CT值和人体密度为线性关系,可以直接用于放疗剂量的运算,放射治疗的计划以CT定位影像为基础[2],但CT的缺点在于其对人体软组织边界分辨率差,不能准确界定肿瘤区域,因此单纯依靠定位CT图像已经不能满足治疗的需要。研究显示不同影像间的融合发展为肿瘤放射治疗提供一种新的发展方向,本文将对图像融合在现代放疗技术中的应用进行分析与总结

1图像融合基本理念

图像融合技术主要是对某种医学影像图像进行空间转换后,与另一种医学影像学图像进行匹配,使两者在三维空间上尽量达到一致,也就是尽量让解剖学上人体中的同一个解剖结构在三维空间上具有一致性[3]。预处理和配准是放射治疗图像融合之前首先要进行的工作。预处理的主要目的用去噪、提高对比度等方法统一备选图像的大小、格式以及分辨率,进而建立图像融合所需要的数学模型。预处理后即可通过预定的解剖学标志或体内、体外金属标记进行图像融合的配准,其精度是图像融合技术的基础和关键[4]。图像融合技术可以是以图像特征为基础的方式,也可以是点对点的方式,前者可以对感兴趣的目标结构进行图像分割并获取其特征性图像。融合后的医学图像可以是断层显示,也可以是伪彩色显示或者更为全面的三维显示,断层显示只能显示单一的轴位、矢状位和冠状位图像,除了可以融合同一时间扫描的不同影像学图像外,还可以对不同时间获得的影像学资料进行空间的融合,甚至可以按照治疗的需求将所获得的图像和计算机中原本内置的模版进行融合。

2 CT与MRI图像融合在现代放疗技术中的应用

凭借其高对比度、多方位、不同参数的成像特点,以及动静脉血液的流空效应和软组织高分辨率,磁共振成像(MRI)可以较清晰的分辨癌组织和周边软组织。但因检查时间较长、缺少相应的固定设备,以及缺乏物理计算放疗剂量所需的相关参数如组织密度、阻止本领比等,磁共振图像很少独自应用在放射治疗的计划制定中。定位CT和MRI不同序列的融合不但可以把磁共振图像的优点在放射治疗计划制定中的优势充分体现出来,还可以缩小不同医师主观阅片差异导致的靶区勾画差别[5]。Oinam AS等[6]以各类不同的复发恶性肿瘤为研究对象,当单纯应用CT勾画靶区时,肿瘤边界难以准确勾画,但根据CT融合磁共振的图像勾画靶区,勾画的精度明显提高。由于头颈部肿瘤、脑部肿瘤可以利用骨性标记将CT图像MRI配准,融合的精度较高(误差<2 mm)[7],图像融合技术首先在脑部及头颈部肿瘤中得到了较为广泛的应用。郭守娟等[8]使用CT与MRI的融合技术对脑胶质瘤患者勾画靶区,结果提示定位CT融合MRI图像比单独应用磁共振或CT图像进行靶区勾画都更加准确。CT融合磁共振图像还可以缩小照射范围,减少正常组织器官的照射体积剂量,从而减少放射治疗损伤。陈慧兵等[9]使用CT融合MRI图像设计了临床边界难以界定的胶质瘤患者的照射范围,发现融合后的靶区体积比融合前明显减少。杨金山等[10]以脑转移瘤患者为研究对象,也得出了相似的结果,单纯根据定位图像确定肿瘤靶区明显大于采用定位CT融合MRI图像勾画的靶区,进一步分析说明因为CT图像不能很好的区分颅内水肿区域的肿瘤界限,放疗医师为了避免靶区遗漏,大都主观的扩大了靶区的边界。在盆腔和腹腔肿瘤的研究中,也得到了相同的结果。有研究采用CT融合MRI图像勾画CTV,和单纯依靠定位CT勾画相比,靶区差别大都位于前列腺尖部,勾画体积缩小了19.40%,减少了肠道、膀胱、股骨头等正常组织器官放疗副反应发生的几率,提高了患者的生存质量[11-14]。

3 CT与功能影像融合在现代放疗技术中的应用

功能成像技术能够显示細胞和组织中物质代谢、细胞增殖、组织乏氧、肿瘤血供、癌细胞浸润、甚至细胞凋亡的影像,可以全面检查癌组织的生物代谢情况。目前在医学图像融合技术中研究较多的是PET-CT融合技术。因癌细胞繁殖速率快,代谢旺盛,可以使用含有放射性核素的造影剂对其进行显像。PET可以依据造影剂在不同组织器官内的不同浓聚,对比分析增殖速率以及生物代谢情况不同的组织细胞摄取造影剂的程度。PET-CT融合技术和现代精准放射治疗技术结合,有可能使临床放疗计划中靶区勾画更加精准,进而进一步优化放射治疗高、低剂量区域的分布[15]。

对于术后、放射治疗后局部区域复发的病变组织,PET-CT的生物成像功能更加具有优势,相对于传统的非功能影像技术,其特异性以及敏感性都得到进一步提高[16]。针对手术后残留或者复发的妇科恶性肿瘤,定位CT融合PET/CT图像设计照射靶区比单纯应用CT图像的范围小,可以进一步增加妇科恶性肿瘤放射治疗的增益比[17]。其次当肿瘤组织被多种非肿瘤的病变包绕,例如伴随胸腔积液、肺不张和/或阻塞性肺部炎症的胸腔恶性肿瘤,传统的非功能影像难以准确界定肿瘤靶区的边界和范围,依靠PET-CT提示的造影剂高浓聚区域勾画放射治疗靶区更加精准[18,19]。在纵隔恶性肿瘤的放射治疗中也得出同样的结果,单纯根据定位图像确定肿瘤靶区明显大于采用定位CT融合PET/CT图像勾画的靶区,融合技术的应用降低了放射性肺损伤发生的几率[20,21]。

4展望

不同影像融合使得放射治疗照射范围的确定更加直观准确,为精准放射治疗的实现奠定了扎实的基础。但是现阶段图像融合技术仍然需要解决很多问题,如提高图像配准精度、解决图像的兼容问题以及制定统一评价规范等。人体组织与细胞的繁殖、缺氧、代谢、血供以及局部转移浸润等生物学行为,能够被正电子发射计算机断层显像、单光子发射计算机断层扫描等功能影像技术所反映,从而可以从生物代谢水平鉴别恶性肿瘤与正常的人体器官组织,但是这些检查价格通常比较昂贵。非功能成像磁共振和定位CT图像融合,虽然具有很好的分辨率,可以较好的鉴别脉管、肌肉以及恶性肿瘤界限,对于鉴别软组织病变明显优于单纯CT,但当应用于鉴别手术后恶性肿瘤复发或残留、手术疤痕和炎性组织时特异性仍然较低,特别当小体积的肿瘤混杂于手术后的纤维瘢痕组织中时,鉴别仍有较大难度。磁共振成像/扩散加权成像是恶性肿瘤影像学新的热点,已经成为常规MR的有力补充,主要根据水分子在不同组织细胞中的活动情况鉴别具体的组织类型,能够通过测量表观弥散系数(ADC)的数值来定量分析DWI成像结果,其对正常组织以及肿瘤组织的成像为分子水平,可以更加便捷准确的对疾病进行鉴别诊断,已经在鉴别术后残留/复发肿瘤病灶特别是体积较小的恶性病灶中体现出优势,且价格相对低廉即便基层医院也可轻易推广。文献报道恶性肿瘤内细胞的密度和核磁共振弥散加权成像表观弥散系数(apparent diffusion coeffecient,ADC)为线性相关,恶性肿瘤组织细胞中密度最大的区域就是表观扩散系数最小的部分[22]。在肺部肿瘤中,肺恶性肿瘤磁共振扩散加权成像和CT扫描所勾画的的肿瘤大体体积存在明显差异,前者在界定肺不张中的肿瘤组织中优势明显,可以有效的区分正常肺组织和肿瘤组织,减少了放射性肺炎发生概率[23]。同样的结果用于区分宫颈癌和正常宫颈组织,DWI结合磁共振非功能显像序列检测宫颈癌敏感性更高[24]。在脑部肿瘤中,倪春霞等[25]发现,磁共振加权成像可以明确间变性胶质细胞瘤、胶质母细胞瘤术后改变和术后残留/复发病灶,更准确的设计脑瘤术后放射治疗的照射范围。

综上所述,磁共振加强成像可以很好的指导放射治疗靶区勾画,将会是未来图像融合配准在现代放疗技术中的应用的新热点。功能磁共振成像和定位CT图像的融合技术,在放射治疗中具备良好的前景,有希望为现代放射治疗提供新的研究视角,随着不同图像之间的融合进一步完善提高,功能磁共振成像的诊断特点将会在现代恶性肿瘤的放射治疗中发挥更重要的作用,拥有广阔的应用前景。

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收稿日期:2019-6-10;修回日期:2019-9-18

编辑/肖婷婷

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