磁共振多模態(tài)成像及融合技術在腦膠質瘤術后放療劑量優(yōu)化中的應用

王長福 王斌杰△ 王 智 楊 泉 賀 祥 周彥汝 姜澳田 蔣會娟

1)河南大學淮河醫(yī)院影像科 河南大學醫(yī)學影像研究所，河南 開封 475000 2)河南大學淮河醫(yī)院放療科，河南 開封 475000

一直以來，顱腦膠質瘤術后患者在放療前進行定位主要采用CT掃描圖像。CT圖像能夠較好地反映軟組織及骨組織的情況，但由于CT的軟組織分辨率低，對腫瘤的形態(tài)、邊界及水腫范圍等不能精確顯示。MR具有良好的軟組織分辨率，可清晰分辨殘留腫瘤及瘤周水腫，并能很好地判斷瘤周水腫范圍。近年來國內外部分醫(yī)院將CT與MR圖像的優(yōu)勢相結合，形成CT/MR融合圖像對腫瘤靶區(qū)進行勾畫，取得一定的成果，但方法較為單一。本研究旨在探討基于磁共振多模態(tài)成像與CT圖像融合基礎上膠質瘤術后靶區(qū)勾畫后對放射計量優(yōu)化的價值。

1 資料與方法

1．1一般資料選取河南大學淮河醫(yī)院2016-09-2018-08收治的腦膠質瘤手術治療患者23例，術后均經病理證實。男9例，女14例，年齡37～82歲；WHO分級Ⅲ級8例，Ⅳ級15例，均為單發(fā)病例；幕上21例，幕下2例；術后殘留5例。所有患者均有頭痛癥狀，6例伴視物模糊。

1．2設備與掃描參數(shù)CT檢查使用德國西門子公司16排螺旋CT掃描儀，取頭先進仰臥位，機架零角度，從顱頂掃描至延髓下緣行顱腦橫斷位掃描，重建層厚3 mm，層間距3 mm。MR檢查使用德國西門子公司3.0T Verio B17超導型磁共振儀，取頭先進仰臥位，以放療定位架、頭托及頭模對患者頭部進行固定，表面覆蓋腹部相控陣線圈，掃描范圍自顱頂上至延髓下緣，前后包括鼻尖及枕部后緣。顱腦橫軸位T2WI平掃：橫軸位用快速自旋回波序列(TSE)，TR 12 693 ms，TE 96 ms，層厚3 mm，層間距3 mm，矩陣320×320，視野(FOV)220 mm×220 mm，層數(shù)70層；橫軸位T1WI壓脂：快速小角度激發(fā)序列(Flash 2D)，TR 488 ms，TE 2.67 ms，層厚3 mm，層間距0 mm，矩陣320×320，F(xiàn)OV 220 mm×220 mm，層數(shù)24層。矢狀位T2WI平掃：TSE，TR 4 100 ms，TE 96 ms；MRP及增強掃描：采用高壓注射器經肘前靜脈注入造影劑釓噴酸葡胺(Gd-DTPA，康臣藥業(yè)生產)，速率4.0 mL/s，劑量0.2 mL/kg，PWI：TR 1 800 ms，TE 30 ms，層厚3 mm，層間距0 mm，矩陣128×128，F(xiàn)OV 230 mm×230 mm，層數(shù)24層；橫軸位增強掃描T1WI脂肪抑制：TR 488 ms，TE2.67 ms，層厚3 mm，層間距0 mm，矩陣320×320，F(xiàn)OV 230 mm×230 mm，層數(shù)70層。

1．3MR多模態(tài)圖像后處理將PWI原始圖像傳輸至磁共振后處理工作站獲得平均通過時間(MTT)、達峰時間(TTP)、腦血流量(rCBF)、腦血容量(rCBV)圖像，評估病變及其周圍區(qū)域血流灌注情況。并將CBV與MR增強T1WI脂肪抑制軸位圖像融合，了解膠質瘤術后邊界、殘留及水腫范圍。

1．4圖像融合及靶區(qū)勾畫將橫軸位CT平掃、磁共振T2WI平掃、軸位T1WI脂肪抑制增強、PWI-CBV圖像傳至圖像配準工作站(FocalFusion Workstation)，將橫軸位CT平掃分別與T2WI、T1WI脂肪抑制、PWI-CBV進行圖像配準融合(圖1A～C)。由放療科醫(yī)師、物理師及影像科醫(yī)師共同評估融合效果，生成CT/T2WI、CT/T1WI-FS及CT/CBV融合圖像，用于靶區(qū)勾畫。先由放療科醫(yī)師在CT圖像上勾畫臨床靶區(qū)(Clinica Target Volume，CTV)命名為CTVCT組，后由放療科醫(yī)師、物理師及影像科醫(yī)師在融合圖像CT/T1WI-FS、CT/T2WI、CT/CBV融合圖像上勾畫CTV(圖1D～F)命名為CTVCT/MRI，對腫瘤殘留區(qū)域及危險器官(organs at risk，OAR)如海馬、視神經走形區(qū)、腦干區(qū)域做相應修改。

1．5劑量計劃將完成靶區(qū)勾畫的CT文件傳至計劃系統(tǒng)作治療計劃(圖1G～I)。對于術后殘留病例，模擬兩種類型劑量計劃即60 Gy IMRT和64.2 GyIMRT-SIB)。60 Gy IMRT的治療計劃，GTVtb被定義為在T1WI增強圖像上可見的瘤床/術后殘腔，代表亞臨床腫瘤受累的臨床靶體積(CTV1)定義為GTVtb +20.0 mm，計劃目標體積(PTV1)定義為CTV1 + 3.0 mm范圍。劑量計算根據(jù)PTV1常規(guī)分割2 Gy×30次，總量60 Gy的常規(guī)處方進行。64.2 Gy IMRT-SIB治療計劃，GTVP被定義為殘存腫瘤T1WI增強同時CBV相對高灌注，PGTVp定義為GTVP + 3.0～5.0 mm范圍。劑量處方如下：在PTV1的劑量基礎上，PGTVp的64.2 Gy(SIB)以2.14 Gy×30次，總量64.2 Gy的同步加量處方進行。

1．6觀察指標按靶區(qū)勾畫圖像基礎分為2組，CT定位圖像組CTVCT及CT、MRI圖像融合組CTVCT/MRI，利用治療計劃系統(tǒng)上靶區(qū)勾畫體積計算功能分別計算CTVCT體積和CTVCT/MRI體積，觀察不同組間勾畫靶區(qū)體積的差異；評估兩種類型劑量計劃即60 Gy IMRT和64.2 Gy IMRT-SIB對術后殘留病例OAR的劑量差異。

圖1 A～C：在FocalFusion Workstation進行CT、MRI圖像融合配準；D～F：CT/MRI圖像融合用于臨床靶區(qū)勾畫，F(xiàn)為CT圖像；G～I：基于CT/MRI融合圖像勾畫靶區(qū)生成的放射治療計劃，G為CT/T2WI融合圖像，H為CT/CBV融合圖像小腦膠質瘤術后殘留，術區(qū)邊緣CBV為高灌注Figure 1 A-C：FocalFusion workstation for CT and MRI images fusion registration；D-F：CT and MRI fusion images for CTV delineation，figure F is CT image；G-I：Target volume delineation generated radiotherapy plan based on CT/MRI fusion，figure G is CT/T2WI fusion image，figure H is CT/CBV fusion image of postoperative residualcerebellar glioma，the edge of operative area showed high perfusion on CBV map

2 結果

由放療工作站計算生成兩組數(shù)據(jù)CTVCT和CTVCT/MRI體積[(324.83±68.78)cm3vs (308.51±70.52)cm3]比較，差異有統(tǒng)計學意義(t=2.482，P=0.021)。兩種類型劑量計劃即60 Gy IMRT和64.2 Gy IMRT-SIB對術后殘留病例OAR的劑量比較，視交叉的1%接收的最大劑量IMRT vs IMRT-SIB[(43.26±11.24)Gy vs (43.58±9.52)Gy]，差異無統(tǒng)計學意義(P=0.797)；腦干的1%接收的最大劑量IMRT vs IMRT-SIB[(44.16±13.00)Gy vs (44.44±13.98)Gy]，差異無統(tǒng)計學意義(P=0.700)。

3 討論

在顱腦膠質瘤的術后放射治療中，精確的靶點勾畫是有效治療的關鍵，對療效評估及減少術后并發(fā)癥至關重要。很長時間以來，由于受放療定位裝置多為金屬性的限制及CT操作的簡便性和快捷性，放療定位大多在CT機上進行[1]。但這種方法也有其局限性，CT的軟組織分辨率較低。大多時候顱腦正常結構與腫瘤之間密度相近，不能顯示腫瘤真實邊界，為最大程度包括腫瘤區(qū)域，實際工作中往往在原腫瘤區(qū)域的基礎上向外擴展一定范圍[2]，勾畫及外擴范圍受主觀因素影響較大。同時顱腦接近骨質的地方也易出現(xiàn)條紋狀偽影而影響腫瘤的觀察。治療過程中目標勾畫中的任何錯誤都有可能導致腫瘤區(qū)域的照射劑量過大或對關鍵部位的不必要照射，這些都是在治療過程中需要考慮的風險。為減少這種不確定性，尋找新的成像方法用于放療定位已成為必然。MR成像則有效避免了CT的缺點，由于其軟組織分辨率高，可以很好區(qū)分腫瘤病變與周圍結構的關系[3]，還可減少骨質對腦組織的影響，同時也避免輻射對患者帶來的危害，而且也可以很好發(fā)現(xiàn)顱腦微小轉移灶。但受磁共振、放療設備及磁共振成像技術的限制，使MR圖像一般不能直接用于放射治療計劃系統(tǒng)。將CT與MR優(yōu)勢相結合，則可以在放療定位中起到精確勾畫靶區(qū)、減少正常組織受量、提高腫瘤局部劑量的作用。因此，CT/MRI圖像融合技術近年來在放射治療術前定位中得到較為廣泛的應用[4-9]，其靶區(qū)勾畫的精確性、治療的高效性及減少并發(fā)癥已得到證實[10-14]。

但常規(guī)的CT/MRI圖像融合技術也由其局限性，即不能解決生物靶區(qū)的勾畫，因常規(guī)MR更多的是反映腫瘤的解剖特性，而無法了解靶區(qū)內部的生物學信息，如缺氧、增值等與腫瘤的區(qū)分[15]。對于膠質瘤顱內轉移來講，在外科手術治療后再手術的機會是不常見的。對于放射性腦病而言，其風險隨著放療靶區(qū)勾畫體積的增大而提高，一旦出現(xiàn)也不必要再次放療干預。對于復發(fā)性膠質瘤或顱內轉移，精確評估腫瘤的邊緣及區(qū)分腫瘤與水腫區(qū)也至關重要[16]。磁共振多模態(tài)成像則可以很好解決這些問題。本課題旨在利用磁共振多模態(tài)成像技術對顱腦膠質瘤術后區(qū)域及周圍結構進行評估，并將其與CT圖像融合指導CTV的精確勾畫，優(yōu)化放射治療計劃的制定，達到精準治療的目的。

磁共振多模態(tài)功能成像技術作為一種非創(chuàng)傷性、無輻射性評價腫瘤微血管及顱腦功能的技術，已成為當前腫瘤學及放射學的研究熱點并廣泛應用于臨床[17-18]。本研究采用腦灌注加權成像(PWI)對顱腦膠質瘤術后殘留及瘤周水腫進行判定。PWI是在分子水平反映組織微血管分布和腦血流灌注的一種功能性技術，高級別膠質瘤或轉移瘤實性部分新生血管豐富、密度大、異型性大、增殖活躍、新生血管結構不成熟，從而致微循環(huán)通透性高。我們通過測量腫瘤的rCBF、rCBV、MTT和TTP，可以間接反映腫瘤的血流動力學，進而反映腫瘤內皮細胞的增值和內皮的新生血管化[19-20]，從而提供有關腫瘤的功能信息。依靠rCBV圖可以更敏感的檢測到腫瘤的浸潤程度，精確的反映腫瘤真實邊界[21-23]，更有利于靶區(qū)精準勾畫，以達到精準治療的目的[24-25]。同時，利用腦灌注成像也有利于分別放射性壞死與腫瘤復發(fā)[26-29]，從而有利于放療計劃的制訂。

本組研究通過對23例顱腦膠質瘤術后放療靶區(qū)勾畫的分析顯示，利用CT/MRI多模態(tài)圖像融合技術明顯優(yōu)于單純的CT圖像。本組病例中CT圖像上勾畫的CTVCT值(324.83±68.78)cm3，CT/MRI多模態(tài)融合圖像上勾畫的CTVCT/MRI值(308.51±70.52)cm3，兩者差異有統(tǒng)計學意義。CT/MRI多模態(tài)融合圖像上勾畫的CTVCT/MRI體積明顯精確于單純CT圖像上勾畫的CTVCT體積，顱腦內的重要固定解剖結構，如腦動脈、視神經、神經纖維束等在CT/MRI融合圖像中也能清晰地分辨顯示，靶區(qū)勾畫時可有意識避開這些重要結構，治療效果令患者滿意。這些都揭示了該項技術的可靠性及有效性，也為顱腦膠質瘤術后患者在進一步放射治療時提供了很好的放療前精準定位方法。

圖像融合成功的關鍵是CT圖像、MR橫斷位T2WI圖像、T1WI-FS增強圖像及MR灌注圖像的空間配準。首先，對患者進行常規(guī)CT定位掃描，然后利用定位架、頭托及頭模對頭部固定進行MR掃描，相同的定位架、角度、層厚、層間距及利用紅外線校準正中定位是保證圖像融合的關鍵。MRI掃描時利用腹部線圈而不是頭部線圈覆蓋頭部，主要是頭部線圈較小不能將定位架一同覆蓋，而腹部線圈則很好地解決了這個問題。覆蓋腹部線圈時要將線圈周圍用沙袋固定，使之盡量貼近顱腦，以保證成像圖像質量。圖像配準在放療科FocalFusion工作站完成，然后在FocalPro工作站生成CT/MRI-T2WI、CT/MRI-T1WI-FS及CT/MRI-rCBV融合圖像，用于靶區(qū)勾畫。在此過程中，由于腫瘤的異質性致不同可使腫瘤呈現(xiàn)不同的形態(tài)及位置，MRI圖像分辨率的降低可導致腫瘤邊界顯示不夠清晰，患者的不配合可導致圖像化學偽影，CT與MRI圖像掃描不規(guī)范會導致圖像精準融合困難等，這些都會因不確定性增加而影響腫瘤的精準勾畫，因此規(guī)范操作流程、統(tǒng)一掃描參數(shù)、注重細節(jié)顯得尤為重要。在圖像融合前，也要對磁共振rCBV圖像、彌散圖像(DWI)、T2WI圖像及T1WI壓脂增強圖像進行詳細閱讀，以精確判斷腫瘤的實性部分、囊變壞死、腫瘤邊緣、周圍浸潤、水腫范圍及鄰近重要神經和血管結構，確保圖像勾畫的準確性[30-33]。

磁共振多模態(tài)功能成像結合CT與MRI圖像融合技術在顱腦膠質瘤術后放射治療計劃中準確提供了腫瘤組織分布的細節(jié)情況，提高了放療靶區(qū)勾畫的精準度，減少了主觀因素差異性，從而達到了優(yōu)化放射治療劑量、提高放射治療療效、減少放射治療并發(fā)癥的效果，也大大降低了腫瘤的復發(fā)率。同時多模態(tài)成像技術也可用于放射腫瘤效果的評估和腫瘤復發(fā)的監(jiān)測，因而具有很好的臨床應用意義。