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图像融合在放疗中的应用

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随着三维适形放疗(3DCRT)、适形调强放疗(IMRT)、立体定向放疗(SBRT)及图像引导放疗(IGRT)技术的发展,实现了最大程度提高肿瘤靶区剂量和减少正常组织受量的目标,为提高放疗的增益比提供了日趋完善的技术支持。但肿瘤靶区确认的准确性至关重要,它是评估肿瘤放疗计划优劣的基础和依据。

图像融合算法主要有两类,一是基于像素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,后者原理较复杂,但效果较好。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。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。

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,由于多层螺旋 CT 采集影像数据时间短,受呼吸运动影响小,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。但 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。


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,有较高的组织分辨率和血管血液的流空效应,能清楚显示肿瘤病变与周围结构的关系。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。


PET 是以正电子发射核素标记诸如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等生物活性分子、通过示踪原理反映生物活体内生化改变和代谢信息的核医学显像技术,在肿瘤诊断、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。

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,在生物靶区的勾画中发挥重要作用,但是 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。


将 CT 与 MRI 优势相结合,可精确勾画靶区、从而减少正常组织受量、提高肿瘤局部剂量。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 < 2mm)。如 CT、MRI 图像融合技术在鼻咽癌诊断、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有很大优势。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的 CT 图像进行融合,CT 在检测局部未控、残留和复发,显示解剖组织密度结构变化等方面较为困难,而 FDG-PET 具有突出优势,其敏感性和特异性相对较高。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。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还需要大量的探索和研究。


总结

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。但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。