CT图像与其它模态医学图像的融合在放射医学中的实现

CT图像与其它模态医学图像的融合在放射医学中的实现

随着计算机技术和医学影像工程的不断发展,帮写硕士毕业论文三十多年来出现了许多先进的成像设备,如CT、MRI、SPECT、PET等,这为临床诊断提供了多种模态的医学图像。医学图像融合技术作为信息融合技术的一个极具特色的应用领域,它不但将各种医学影像信息有机结合,同时给现代医学临床诊断和治疗开拓了新思维、提供了新标准。医学图像融合技术一个非常重要的应用领域就是肿瘤的放射治疗。近年来,随着国内外三维适形放疗( three-dimensional conformal radiationtherapy, 3DCRT)和调强放疗( intensity-modulated radiationtherapy, IMRT)的全面实施,肿瘤靶体积勾画的准确性愈来愈重要。对放疗计划系统,患者数据逐渐从单一的X光模拟透视、CT图像到CT图像与其它模态医学图像的融合,如MRI提供的解剖图像,MRSI、SPECT、PET提供的功能图像,融合后的图像对肿瘤放射治疗中靶区的确定有着非常重要的意义[1]。

1　医学图像融合技术

1.1　医学图像融合的分类一个完整的医学图像融合系统应该是各种成像设备、处理设备与融合软件的总和。由于融合图像的应用目的不同,决定了医学图像融合具有各种各样的形式。根据被融合图像成像方式不同,可分为同类方式融合和交互方式融合。同类方式融合(也称单模融合,mono-modality)是指相同成像方式的图像融合,如SPECT图像间融合、MRI图像间融合等;交互方式融合(也称多模融合,multimodality)是指不同成像方式的图像融合,如SPECT与MRI图像融合、PET与CT图像融合等。按融合对象不同,可分为单样本时间融合、单样本空间融合以及模板融合。单样本时间融合:跟踪某一病人在一段时间内对同一脏器所做的同种检查图像进行融合,可用于对比跟踪病情发展和确定该检查对该疾病的特异性;单样本空间融合:将某个病人在同一时间内(临床上将一周左右的时间视为同时)对同一脏器所做几种检查的图像进行融合,有助于综合利用多种信息,对病情做出更确切的诊断;模板融合:是将病人的检查图像与电子图谱或模板图像进行融合,有助于研究某些疾病的诊断标准。另外,还可以将图像融合分为短期图像融合(如跟踪肿瘤的发展情况时在1-3个月内做的检查图像进行融合)与长期图像融合(如治疗效果评估时进行的治疗后2-3年的图像与治疗后当时的图像进行融合)。综上所述,依据不同的分类原则,医学图像融合有多种方式,在实际应用中,临床医师还可以根据各种不同的诊断与治疗目的不断设计出更多的融合方式[2-3]。

1.2　医学图像融合的主要技术方法与步骤医学图像融合的过程是一个渐进的过程,不同的融合方法有各自具体的操作和处理。但是,不管应用何种技术方法,图像融合一般都要经过三大主要的步骤来完成,分别是图像预处理、图像配准和融合图像的创建。

1.2.1　图像预处理　医学图像预处理是指对获取的各种图像数据做去除噪声、对比度增强、感兴趣区域分割等处理,统一各种数据的格式、图像大小和分辨率,对于有条件的图像还可以进行重新断层分层以确保图像在空间分辨率和空间方位上的大体接近。在此基础上,还可根据目标特点或不同应用目的建立适当的数学模型。

1.2.2　医学图像配准　医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种或一系列空间变换,使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致。这种一致是指人体上的同一解剖点在两幅匹配图像上有相同的空间位置,配准的结果应使两幅图像上所有的解剖点,或至少是所有具有诊断意义的点及手术感兴趣的点都达到匹配。图像配准是图像融合的先决条件与关键,图像配准精度的高低直接决定着融合结果的质量[4]。

1.2.3　融合图像的创建　融合图像的创建分为图像数据的融合与融合图像的显示两部分来完成[5]。①图像数据融合在当前的研究中,主要有两类方法:以像素为基础的方法和以图像特征为基础的方法。以像素为基础的方法,即点对点的方法。以图像特征为基础的方法,要对图像进行特征提取、目标分割等处理,用到的算法原理复杂,但是实现效果却比较理想,能够满足诊断的要求;②融合图像的显示融合图像有多种直观的显示方法,常用的有伪彩色显示法、断层显示法和三维显示法等。由于人眼对彩色图像的分辨能力是灰度图像的几千倍,因此对融合图像采用伪彩色显示可大大提高观察者对图像特征的识别能力。融合图像的伪彩色显示往往是以某个图像为基准,该图像用灰度色阶显示,另一幅图像叠加在基准图像上用彩色色阶显示。对于某些图像可以将融合后的三维数据以横断面、冠状面和矢状面断层图像同步地显示便于观察者进行诊断,这种显示要求观察者对于图像三维层面特征有丰富的经验,称为断层显示法。将融合后的三维数据以三维图像的形式显示,使观察者可更直观地观察病灶的空间解剖位置,称为三维显示法。融合图像的显示在放疗计划制订中有重要意义。

2　融合技术在放疗中的应用

2. 1　CT与MRI融合CT图像是精确放疗计划设计的基本图像,它对高密度组织比较敏感,其图像定位一般不发生变形,但对软组织尤其是浸润性肿瘤无法清晰地显示边界;而MRI扫描原理与CT不同,它以较高的空间分辨率提供了脏器的解剖结构、氢核分布等形态结构信息,对软组织尤其是浸润性肿瘤比较敏感,图像边界清晰。对大部分肿瘤,MRI图像显示的体积与CT图像是一致的,并且位置和形状也是吻合的,在这些病例中,单纯CT定位提供的图像信息勾画大体肿瘤体积(grosstumor volume,GTV)是足够的,增加MRI信息意义不大,同时也增加了患者的经济负担。但是,某些部位的肿瘤,如脑部、头颈部、前列腺肿瘤等,依据MRI勾画的GTV与依据CT勾画的GTV并不完全一致,CT和MRI融合图像提供了互补的信息,有助于医师确定肿瘤边界,勾画出更精确的靶区,为精确放疗的实施奠定基础。Weltens C等[6]对5例脑肿瘤依据MRI和CT融合图像勾画了靶区,平均体积69. 5cm3,比单纯CT的平均体积59. 4cm3要大; 9个不同勾画者之间依据融合图像勾画的靶区更趋一致,靶体积差值无统计学意义。对于脑肿瘤患者,多数研究仅仅是进行模拟而没有用于放疗。

最近的临床研究集中于前列腺癌的MRI定位,认为MRI能够清晰显示精囊腺和前列腺顶部,依据MRI勾画的靶体积比CT小,减少了直肠等危险器官的受照体积。Sannazzari GL等[7]对8例前列腺腺癌患者拟行的精确放疗计划进行研究,放疗前在放疗体位下进行CT和MRI扫描,分别依据CT和MRI图像勾画GTV,借助剂量体积直方图(dose volume histo-gram,DVH)对直肠、膀胱、股骨头的体积进行了比较,结果GTVCT比GTVMRI平均增加了34%,在前后径和上下径方向, CT图像比MRI长5mm;通过DVH分析,依据MRI勾画靶区制定治疗计划直肠能减少10%的受照体积,膀胱和股骨头分别减少约5%。虽然MRI定位能减少危险器官的受照体积,但作者考虑到器官在放疗过程中的运动和依据CT定义靶体积取得的良好疗效,放射治疗时仅对靶区进行了有限度的缩小。由此可见,MRI与CT图像融合技术对确定肿瘤的边界方面有优势,但许多研究可能是基于MRI在个别病例中的价值产生的主观印象而不能提供量化的数据。另外,MRI由于非线性的磁场和体内不同组织的磁化系数不同,也存在着图像的失真问题,MRI也不能提高组织的电子密度以供计划系统作计算的不均匀校正。因此,依据MRI勾画靶体积应参考CT,不能完全替代CT,只能相互补充。

2. 2　CT与MRSI融合传统胶质瘤的放疗方法,通常是以MRI显示的范围再外放2-3cm作为靶区,用3DCRT技术给予50-60Gy的剂量。可结果令人失望,大多数患者肿瘤局部未控或复发。很明显,提高肿瘤剂量很有必要,然而由于正常脑组织的受量限制又不可能提高整体肿瘤的受量,新的照射方法的提出就显得很有意义。MRSI比MRI更能准确地显示脑肿瘤的位置和形状,在显示解剖图像的同时显示病变胆碱(Cho)、肌酸(Cr)及柠檬酸盐(Cit)等代谢水平的信息。Chang等[8]和Nelson等[9]的研究表明对于脑肿瘤,胆碱和肌酸代谢水平的比值(Cho/Cr)能反映肿瘤的严重程度。Chang等[8]对12例胶质瘤患者作CT与MRSI融合研究,按胶质瘤Cho/Cr值大小不同将瘤体分为不同区域: Cho/Cr值小于1的区域,为0级,认为是正常组织;大于等于1且小于2的,为1级,记CTV1,需要作预防量54Gy照射;大于等于2且小于3的,为2级,记CTV2,需要作治疗量59. 4Gy照射;大于等于3,为3级,记CTV3,需要作拔高量70. 2Gy照射。CTV1、CTV2、CTV3分别加10mm、5mm、3mm构成PTV1、PTV2、PTV3,DVH图比较显示正常脑组织受量不高于传统技术,而Cho/Cr值越高的区域受量越高。目前上述方法用于前列腺癌的外照射治疗还没有文献报道,有不少MRSI用于前列腺癌插植治疗的研究。Zaider等[10]根据MRSI波谱图像进行了前列腺癌粒子植入的研究,将肿瘤区分为三种类型: Cho+Cr/Cit小于0. 76的区域称为健康外围带( healthy peripheral zone,H);大于等于0. 76小于0. 86的区域称为可疑癌(suspicious forcancer, SC);大于等于0. 86的区域称为非常可疑癌(verysuspicious for cancer,VC)。其研究结果显示根据MRSI波谱图像进行前列腺癌粒子植入,比较MRI,有可