MIM软件的图像形变配准可靠性研究

胡海生，樊文慧，石慧烽，冯琨，毕帆，涂文勇

上海交通大学医学院附属第九人民医院 口腔颌面头颈肿瘤科，上海 200001

引言

现阶段，放射治疗计划主要基于CT图像进行靶区以及正常器官的勾画。CT具有成像速度快，能够提供解剖结构断层扫描信息，电子密度可直接用于辐射剂量计算等优点。虽然基于磁共振图像的计划系统已经面世，但是技术尚不成熟，因此CT还是目前用于放疗计划设计的主流图像。由于CT图像对于软组织成像对比度不高，尤其在头颈肿瘤方面存在肿瘤范围不明确等问题，CT图像与其他多模态图像的配准及融合对于放射治疗靶区的精确勾画非常重要[1-2]，如CT与MRI、CT与PET/CT的图像配准融合。由于成像设备的转换，CT与其他扫描设备成像的体位不同，使得图像配准存在一定的困难。且在放疗期间，有的病人存在肿瘤退缩、体重减轻等问题[3]，必须根据实际情况重新进行CT扫描，但是在新的CT图像上没有病人之前治疗剂量等信息，如果前后CT图像不能很好地配准，就会存在对病人整体治疗不能很好地评估等问题。MIM（Medical Image Merge）是一款应用于放射治疗中，具有多模态图像配准、剂量叠加等功能的图像处理系统，其配准模式包括刚性配准和形变配准，可将MRI或PET/CT的图像通过形变融合到定位CT图像上，在MRI或PET/CT图像上勾画肿瘤靶区和正常器官并映射到CT图像上，为放疗计划的设计提供正确的依据。不同于刚性配准，形变配准涉及到图像的拉伸、扭转，在此过程中其内部的组织器官能否到达正确的位置非常令人关注。本研究以内嵌金属点和印模膏且可自由弯曲形变的凝胶材料作为研究对象，对MIM软件的形变配准的准确性在坐标轴的各个方向上进行实验验证，探讨MIM软件三维形变配准的准确性，为临床上使用MIM软件进行日常工作提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

GE公司Lightspeed 4排大孔径定位CT，MIM Software公司的MIM软件（6.4.1版本），LAP的移动激光灯。

1.2 模体制作

本研究采用的弹性模体由凝胶加金属点和印模膏制作而成（图1a），其中凝胶由2%的琼脂糖加98%的去离子水制备。模体内嵌4个金属点（R1、R2、R3、R4），在琼脂糖凝胶受热凝固前将4个金属点排列成一排，置入琼脂糖凝胶中，同时使用印模膏提前捏制成型的三个具有不同立体形状的物体（R5、R6、R7）置于琼脂糖凝胶中，形成本研究所采用的弹性模体。

图1 弹性模体及其CT图像

1.3 模体图像的获取

将模体以平直状态和弯曲状态分别做CT螺旋断层扫描，扫描采用头部序列，扫描层距1.25 mm，扫描层厚为1.25 mm，管电压120 kV，管电流260 mA，将获得的图像数据通过局域网传入MIM软件中。

1.4 弹性模体平直状态和弯曲状态的MIM配准

在MIM软件上，将传入平直状态的CT图像和弯曲状态的CT图像利用MIM提供的形变配准功能，以弹性模体平直状态的CT图像为基准，根据其内部密度值的不同，将弹性模体弯曲状态的CT图像经过平移、旋转、扭曲等操作，与弹性模体平直状态的CT图像进行自动配准生成融合状态的CT图像，弹性模体的三种状态CT图像见图1b。然后在弹性模体平直状态的CT图像和融合状态的CT图像上分别勾画金属点和印模膏体的轮廓，勾画均采用MIM软件自带的密度区域增长方式，以减少人为误差，获得平直状态图像勾画的金属点（R1、R2、R3、R4）、印模膏（R5、R6、R7）以及融合状态图像勾画的金属点（T1、T2、T3、T4）、印模膏（T5、T6、T7），勾画了金属点的平直状态和融合状态CT图像见图1c。根据MIM软件自带的空间坐标轴，得到R1、R2、R3、R4矩心以及T1、T2、T3、T4矩心在X轴、Y轴和Z轴的值。将各金属点平直和融合两状态下三维坐标值对应相减（如：R1矩心的X轴坐标值减T1的X轴坐标值），取其绝对值，用于表征各金属点配准前后的位置偏差。计算印模膏R5、R6、R7分别与T5、T6、T7的相似性系数：Dice系数、Jaccard系数、Hausdorff距离。Dice系数是勾画中两个集合（记作A和B，下同）的交集体积乘以2再除以两个集合的体积和，即：D=|A∩B|×2/(|A|+|B|)。Jaccard系数是两个勾画的交集体积除以两个勾画的并集体积，即：J=|A∩B|/|A∪B|。从定义可知，Dice系数和Jaccard系数越接近1代表勾画的两个物体越相似。Hausdorff距离是两个图形间边缘上点的最大距离。Hausdorff距离越大，两幅图像的差距越大[4]。在本实验中，重复5次形变配准的步骤，共得到的5组数据进行分析。

1.5 统计学分析

测量结果应用SPSS 20.0软件进行统计学分析，数据以s表示，分析坐标轴X轴、Y轴、Z轴方向上对MIM软件形变配准精度的影响。

2 结果

四个金属点位置偏差，见图2。矩心在X、Y、Z轴的三个方向上的偏移均小于1.1 mm。四个金属点的在三个方向的具体差异性，见表1，其中在Z方向各点的偏差差异性较大。三个印模膏的相似性系数，见表2。

图2 金属点配准后位置误差

表1 金属点配准后位置误差（， mm）

表1 金属点配准后位置误差（， mm）

images/BZ_90_1282_2147_2242_2201.pngX轴 0.66±0.19 0.76±0.19 0.63±0.28 0.11±0.07 Y轴 0.52±0.15 0.58±0.05 0.43±0.05 0.20±0.07 Z轴 0.43±0.21 0.74±0.34 0.57±0.19 0.40±0.07

表2 印模膏在形变配准后的相似性系数（

表2 印模膏在形变配准后的相似性系数（

R5 (T5) R6 (T6) R7 (T7)Dice系数 0.94±0.01 0.94±0.01 0.92±0.01 Hausdorff距离 (mm) 2.03±0.04 1.28±0.16 1.69±0.22 Jaccard系数 0.89±0.02 0.88±0.02 0.86±0.02

3 讨论

放射治疗的根本目标是在给予靶区足够的精确剂量，同时使得周围危及器官的受照射量尽可能少[5]，在提高肿瘤的局部控制率的同时，减少正常组织的放疗并发症。随着计算机技术、图像技术、放射生物学等多学科的发展与交叉融合，使得放射治疗迈入了全新的阶段——精确放射治疗阶段，对放疗根本目标的进一步实现起到了至关重要的作用。其中医学图像配准技术是实现精准放疗的关键技术，为病情诊断、靶区勾画、精准摆位和精准治疗提供了重要依据[6-8]。

对于头颈肿瘤来说，组织结构复杂，肿瘤周围往往包绕着许多重要的神经、血管及正常器官，处理不好会极大的影响病人的生活质量[9-10]。而肿瘤靶区勾画不准确已被认为是实行放射治疗的主要误差来源[11-12]，靶区勾画的不准确性对肿瘤和危及器官受照射剂量产生很大影响，从而导致最终放疗效果变差甚至失败[13]，肿瘤及正常结构勾画的一致性对优化放疗十分重要[14]。利用多模态图像配准技术精确融合图像，更加准确勾画靶区，在既不遗漏肿瘤、减少复发的同时，又能避免靶区勾画过大而带来并发症增加。

目前临床使用的治疗计划系统自带刚性配准功能，配准精度也能符合临床要求，但由于缺乏形变配准手段，无法满足精确放疗的高精度要求[15]。MIM软件对于主流DICOM文件以及治疗计划系统的图像，具有兼容性好、配准精确度高、能进行剂量叠加等优点。对于放疗过程中靶区发生较快退缩、体重变化较大以及再次放疗的病人等情况，MIM软件可以根据剂量叠加的结果设置正常组织的限制剂量[16]，可以更好地针对病人的具体情况进行靶区勾画，在给予病人靶区治疗剂量的同时更好的保护重要器官，提高病人的生存质量。但MIM的配准精度研究目前多见于刚性配准方面，有文献[17]报道MIM刚性配准精度在三个方向上均小于1 mm，但刚性配准只能针对X、Y、Z轴方向上平移和平面小角度旋转，对于柔性物体的扭曲没有办法达到很好的配准效果。石慧烽等[16]采取人体颈椎作为研究对象，因为颈椎在头颈部放疗过程中存在活动度大、定位难等问题，利用MIM软件形变配准及剂量叠加方式对在体的人体颈椎进行形变配准，但是该研究并未对MIM软件形变配准本身的精度做进一步的探讨。

本研究利用制备的弹性模体分别勾画形变前后的金属标记点和虚拟组织块，以矩心在X、Y、Z轴方向上的偏移、Dice系数、Hausdorff距离以及Jaccard系数进行评价，来探讨MIM软件的形变配准的精度。从图2的结果得出，MIM软件配准后金属点的矩心在X、Y、Z轴方向上的偏移均在1.1 mm以内，各个标记点的偏移的差异性中，Z方向（垂直方向）显示差异性相对较大，原因在于在本实验中，弹性模体采用的是垂直弯曲变形，各标记点在X和Y方向位移较小，在形变融合中显示的差异性也相对较小，而在垂直方向上金属标记点位移相对较大，最终显示的形变配准的差异也相对其他两个方向稍大。3个印模膏在MIM形变配准后Dice系数接近1，Jaccard系数也均在0.85以上，Hausdorff距离最大为2.1 mm，说明形变材料的形变经过MIM软件配准后，与形变前重合度极高，偏移较小，证明MIM的形变配准是极为有效的，能够满足临床的精度要求，为多模态图像在放疗计划设计中的应用提供可靠的依据。