C臂X線輔助前列腺癌內(nèi)置金標(biāo)志物辨識的可行性研究

牛向欣，趙明娟，田龍，胡逸民

1. 河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，河北 張家口 075000；2. 河北省人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，河北 石家莊 050000；3. 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院 放療科，北京 100021

引言

基于MR圖像的放療計劃具有諸多優(yōu)勢，如在區(qū)分前列腺腫瘤和危及器官的靶區(qū)勾畫過程中軟組織對比度遠(yuǎn)高于CT圖像[1-5]。將MR圖像聯(lián)合內(nèi)置金標(biāo)志物（Gold Fiducial Marker，GFM）同時用于放療中將顯著提高計劃設(shè)計和圖像引導(dǎo)驗(yàn)證的準(zhǔn)確度，具有重大臨床應(yīng)用意義和價值。但是，MR-T2加權(quán)圖像（T2 Weighted Image，T2WI）在上述過程中應(yīng)用時存在一個問題，即GFM在T2WI上顯示為同鈣化或出血點(diǎn)極為相似的信號空洞[6]，易造成混淆并影響放療計劃和驗(yàn)證。

為解決上述問題，必須借助其他方法輔助GFM辨識，例如通過圖像融合和匹配將CT圖像應(yīng)用于基于MR圖像的放療計劃中輔助辨識[7]。這是因?yàn)镚FM在CT圖像中會產(chǎn)生條狀偽影[8]，因此容易區(qū)別于鈣化或出血點(diǎn)。CT輔助辨識是目前各種方法中準(zhǔn)確度最高的，但并非適合所有患者，尤其對不便接受反復(fù)掃描的ICU重癥或其他行動困難的患者來說，移動式影像設(shè)備或許是可能的選擇。

為了解決上述問題，本研究將C臂X線（C-arm X-ray，CX）設(shè)備聯(lián)合GFM應(yīng)用于基于T2WI的放療計劃和驗(yàn)證過程中。量化CX圖像同MR數(shù)字重建射線影像（MRDigitally Reconstructured Radiograph，MR-DRR）上GFM的相對位移，并同CT輔助辨識進(jìn)行比較，以期證實(shí)該位移足夠小，從而驗(yàn)證移動式影像設(shè)備和相應(yīng)辨識方法的可行性。

1 材料與方法

1.1 研究對象

納入2018年9月至2021年3月于河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院接受治療的前列腺癌患者32例，年齡61～72歲，平均（65.5±4.1）歲，13例Gleason評分[9]≤ 6分、9例7分、10例≥8分。納入標(biāo)準(zhǔn)：① 接受外照射放療；② 體質(zhì)量指數(shù)為18～25 kg/m2。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 前列腺嚴(yán)重鈣化或出血；② 嚴(yán)重直腸息肉或痔瘡。本研究通過醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)，所有患者簽署知情同意書。

1.2 GFM置入

放療前5 d所有患者排空膀胱及直腸后，將身體置于定位狀態(tài)下真空塑形墊上，雙腿放于支架上。采用Philips iU22彩色多普勒超聲診斷儀（端掃式9-4 v直腸探頭，探頭頻率為2～10 MHz）經(jīng)直腸超聲引導(dǎo)術(shù)（對直腸肛管進(jìn)行局部麻醉并建立靜脈通道，探頭插入直腸抵近前列腺）[10]和細(xì)針抽吸術(shù)（采用5 mL注射器和18 G針頭隨超聲探頭進(jìn)入直腸，穿直腸壁刺入前列腺體）將3枚IBA Visicoil helical線性金標(biāo)志物（長5.0 mm、直徑1.0 mm）置入靶區(qū)不同層面且間距≥15 mm。之后采用移動式Ziehm Vision FD Vario 3D CX設(shè)備（管電壓為100 kV，管電流20 mAs），通過其臂上模擬量角器將其旋轉(zhuǎn)至同檢查床成0°角，并在統(tǒng)一定位條件下（坐標(biāo)系和射野）拍攝盆部前后位圖像。全部過程如圖1所示。

圖1 GFM置入與CX拍照

1.3 MR掃描

放療前4 d，身體置于定位狀態(tài)下真空塑形墊上的所有患者，在統(tǒng)一定位條件下，采用SIGNA Voyager 1.5 T MR（相位240 mm，層數(shù)28，層厚2.5 mm，采集矩陣512×512，像素尺寸0.75 mm×0.75 mm）采集軸位盆腔T2WI。之后使用軟件Spectronic MR-Planner將T2WI上組織換算為CT值，即Houns field單位，獲得基于T2WI的合成CT圖像[11-12]。合成CT圖像層數(shù)等不變，但像素尺寸變?yōu)?.3 mm×0.3 mm。之后使用Monaco治療計劃系統(tǒng)獲取機(jī)架角0°時前后位DRR影像，獲得T2WI-DRR。

1.4 CT掃描

放療前3 d，身體置于定位狀態(tài)下真空塑形墊上的所有患者，在統(tǒng)一定位條件下，采用Philips Big Bore大孔徑CT（管電壓120 kV，管電流300 mAs，層厚3 mm，采集矩陣512×512，像素尺寸0.3 mm×0.3 mm）采集軸位盆腔CT平掃圖像。之后使用Monaco治療計劃系統(tǒng)獲取機(jī)架角0°時前后位DRR，獲得CT-DRR。

1.5 圖像縮放

由于DICOM格式的CX圖像不包含像素尺寸信息，因此需要使用自行編制的MATLAB程序?qū)ζ溥M(jìn)行雙立方插值縮放，使其縮放至與T2WI-DRR相同像素尺寸。通過測量CX圖像和T2WI-DRR中恥骨聯(lián)合距離DCX和DT2WI-DRR（起止點(diǎn)分別位于兩側(cè)閉孔內(nèi)緣最靠中線處）并計算縮放比例，將CX圖像縮放至T2WI-DRR像素尺寸。

1.6 圖像處理與計算

對縮放后CX圖像進(jìn)行處理：選取一個包含所有GFM骨盆中心部位的矩形興趣區(qū)域。對該興趣區(qū)域依次進(jìn)行歸一處理、反轉(zhuǎn)處理和使用選擇的閾值二值化處理，從而消除非GFM信號影響。通過計算每枚GFM頭腳和左右方向所有像素坐標(biāo)平均值而確定CX圖像上GFM中心坐標(biāo)集合。

對T2WI-DRR進(jìn)行處理：選取一個和CX圖像上完全相同的包含所有GFM骨盆中心部位的矩形興趣區(qū)域。之后對該區(qū)域使用選擇的閾值進(jìn)行二值化。通過計算每枚GFM頭腳和左右方向所有像素坐標(biāo)平均值而確定T2WI-DRR上GFM中心坐標(biāo)集合。

之后，使用以均方距離最小值為優(yōu)化指標(biāo)的迭代最近點(diǎn)算法對2個GFM中心坐標(biāo)集合進(jìn)行剛性匹配[13]，計算3枚GFM中心坐標(biāo)頭腳和左右方向相對位移平均絕對值ΔY和ΔX，并利用公式計算二維平面位移ΔS。在CT輔助辨識中，由于CT-DRR和T2WI-DRR像素尺寸相同，因此省去圖像縮放過程，其他同上述過程。

1.7 統(tǒng)計學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 圖像縮放

圖像縮放過程如圖2所示（以13號患者為例）。首先獲取已知像素尺寸的T2WI-DRR圖像，等中心截取圖像規(guī)格為14 cm×14 cm，DT2WI-DRR為3.96 cm。之后獲取未知像素尺寸的CX圖像，等中心截取圖像規(guī)格為14 cm×14 cm，DT2WI-DRR為7.20 cm。因此，縮放比例為7.20/3.96，即1.82（由此可知縮放前CX圖像像素尺寸為0.55 mm×0.55 mm）。最后將該值輸入雙立方差值縮放過程，將CX圖像縮放至與T2WI-DRR像素相同尺寸，通過基于骨骼手動登記疊加于之上并手動選取共同興趣區(qū)域。

圖2 13號患者圖像縮放

2.2 圖像處理與計算

由于篇幅限制，此處僅展示13號患者CX輔助辨識結(jié)果。承接圖2結(jié)果，對兩種圖像共同興趣區(qū)域截圖后獲得相應(yīng)處理結(jié)果：T2WI-DRR圖像上3枚GFM自左至右坐標(biāo)分別為（-0.564，-0.495），（-0.849，0.118），（-0.380，0.097）；縮 放后CX圖像上坐標(biāo)分別為（-0.543，-0.507），（-0.831，0.099），（-0.371，0.075），單位cm。坐標(biāo)集合剛性匹配結(jié)果：相對位移絕對值ΔY為0.46 mm，ΔX為0.55 mm，ΔS為0.72 mm（圖3）。

圖3 13號患者圖像處理與計算

所有患者CX輔助辨識中最大位移為11號患者最靠近頭側(cè)GFM頭腳方向位移（6.30 mm）。所有患者CT輔助辨識中最大位移為2號患者最靠近頭側(cè)GFM頭腳方向位移（2.60 mm）。兩種辨識方法各向差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），詳細(xì)結(jié)果如表1所示。CX輔助辨識方法各項數(shù)據(jù)均大于CT輔助辨識方法，但差距較小。由于本試驗(yàn)在GFM置入時，間距設(shè)定為≥15 mm，而CX辨識方法中ΔS平均值遠(yuǎn)小于15 mm，基本可以忽略不計。因此認(rèn)為本研究中除11號患者最靠頭側(cè)GFM外，其他所有GFM成功辨識。由于所有患者不存在鈣化或出血點(diǎn)，因此認(rèn)為11號患者GFM辨識失敗原因?yàn)橥獠恳蛩貙?dǎo)致的GFM顯著位移?？傊?，排除該特例后，其他所有患者GFM辨識率為100%，CX圖像可以用來輔助T2WI-DRR上GFM的辨識。

表1 兩種辨識方法各向統(tǒng)計學(xué)結(jié)果（mm，±s）

表1 兩種辨識方法各向統(tǒng)計學(xué)結(jié)果（mm，±s）

方向 辨識方法 t值 P值CX輔助辨識 CT輔助辨識ΔX 0.83±0.71 0.53±0.46 -1.89 0.019 ΔY 0.91±0.85 0.69±0.55 -3.13 0.007 ΔS 1.54±1.41 1.14±0.73 2.37 0.042

3 討論與總結(jié)

本研究比較了前列腺癌放療中CX圖像同CT圖像輔助MRI上GFM辨識的效果，取得了較理想結(jié)果。與本研究相近的國外研究較多，如Gustafsson等[11]的研究中，通過采用多回波梯度序列在無外部因素導(dǎo)致的GFM顯著位移情況下，T2WI中GFM的敏感度、特異性和辨識準(zhǔn)確度分別為98%、94%和97%，其他類似試驗(yàn)結(jié)果在93%～98%[6-8,11-15]，但均未達(dá)到100%。同CT輔助辨識比較，GFM位移平均絕對值在0.6～1.2 mm[11-15]，同本研究結(jié)果非常接近，這再次證明了本研究結(jié)果的可信度和有效性。

目前，國內(nèi)相關(guān)研究極少，僅有的研究集中于CT-MR圖像融合[4]和CT圖像輔助辨識。然而，并不是所有患者均適合進(jìn)行CT輔助辨識，如ICU重癥和其他行動困難且接受前列腺癌立體定向放射治療的患者，頻繁地由高層病房移動至CT機(jī)房顯然十分不便。而本研究提出的CX輔助辨識不僅在準(zhǔn)確度上同CT相差無幾，而且其可移動性有效地解決了此類患者的不便。另外，緊張的日常臨床工作導(dǎo)致GFM辨識QA不可能總依賴CT，而準(zhǔn)確度高且方便靈活的CX設(shè)備顯然是更好的選擇。總之，本研究不僅多樣化了輔助辨識方法而且方便了患者，也增加了CX設(shè)備的功能和利用率，具有一定臨床意義。

CX輔助辨識方法各項結(jié)果均大于CT輔助辨識方法的原因有以下幾點(diǎn)：① 患者躺在定位設(shè)備上時，雙腿抬升導(dǎo)致誤差；②C臂同機(jī)床角度誤差也會導(dǎo)致成像誤差；③CX圖像縮放過程中進(jìn)行距離測量時起始點(diǎn)的選取誤差，會導(dǎo)致縮放比例誤差；④ 外部因素，如器官充盈度或位置變化所導(dǎo)致的顯著GFM位移誤差。針對原因①，研究未做深入研究和評價，但從結(jié)果來看影響較小；針對原因②，使用外部量角器測量發(fā)現(xiàn)，3名患者分別存在1°、3°和5°的成像誤差，且5°誤差發(fā)生于11號患者。因此該原因?qū)υ囼?yàn)結(jié)果影響較大；針對原因③，T2WI-DRR上骨組織細(xì)節(jié)數(shù)量和幾何真實(shí)度可能劣于CT-DRR。對此，本研究邀請了5名具有副高級職稱的放射診斷醫(yī)師對同一名患者縮放系數(shù)進(jìn)行計算，誤差小于1%。因此該原因?qū)ρ芯拷Y(jié)果影像也較??；針對原因④，外部因素導(dǎo)致的顯著GFM位移誤差，對結(jié)果影響較大。

另外，兩種方法頭腳方向位移均大于左右方向的原因?yàn)镸RI掃描層厚影響。頭腳方向?qū)雍瘢?.5 mm）限制了GFM空間分辨率，從而造成誤差。增加掃描時間、降低掃描層厚將會顯著降低該誤差。最后，當(dāng)位移誤差過大時則GFM辨識失敗，需重新分析MR圖像，以明確GFM信號空洞附近是否存在鈣化或出血點(diǎn)。若不存在則考慮原因①～④所導(dǎo)致的GFM位移。這種情況下聯(lián)合多回波梯度MRI序列進(jìn)行分析是非常有效的[11]。

本研究僅對頭腳、左右方向和二維平面位移進(jìn)行了研究，未進(jìn)行CX正交拍照以獲取前后方向和三維空間位移數(shù)據(jù)。未來需進(jìn)行CX正交拍照并增加樣本數(shù)量以優(yōu)化研究結(jié)果。