基于国产设备的多模态影像引导放疗的一种不兼容问题及解决方案

殷云鹏 骆科林 谢 朝 胡金有 邹 炼

（四川省医学科学院四川省人民医院肿瘤中心 成都610072）

随着计算机、影像技术、放射生物学和医学物理等学科的快速发展，肿瘤放射治疗已进入了精确放疗时代。精准的靶区和正常组织的勾画是精确放疗的前提条件，并且对提高肿瘤局部控制率和降低正常组织的并发症有着决定性的影响。不同影像模态具有不同的成像特性，能够提供靶区与正常组织的不同维度的信息，利用多模态影像的融合实现精确放疗的引导已经成为临床单位的标准［1］。

计算机体层摄影（Computed Tomography，CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）以及正电子发射计算机断层显像（Positron Emission Computed Tomography，PET）是目前精确放疗临床应用最为主流的几种成像模态。CT 影像作为放疗方案设计的基础影像，提供了关键的精确几何信息和剂量计算算法所需的电子密度信息；MRI 以其优秀的软组织分辨能力，为临床上确定肿瘤区域的尺寸和边界提供了非常清晰的信息；PET 成像作为一种功能性成像手段，能够提供肿瘤组织的生理代谢等功能信息［2］。当然PET成像因为其成本和运行条件的限制，普及程度要远差于CT和MRI。

MRI/CT 影像融合在靶区和正常组织精确勾画中得到了非常广泛的运用。甘晓根等［3］对50例鼻咽癌患者分别在CT 及MRI/CT 融合图像下勾画的靶区进行比较，发现MRI/CT 图像融合技术进一步提高了鼻咽癌放疗靶区勾画的精确性；张海南等［4］同样对19 例盆腔肿瘤患者分别在CT、MRI、MRI/CT融合影像下勾画的靶区进行分析，发现MRI/CT 图像融合技术在盆腔肿瘤靶区的确定方面，提高了盆腔肿瘤靶区（Gross Tumor Volume，GTV）勾画的准确性；韦明炯等［5］在诊断软骨母细胞瘤的临床价值研究中发现，联合应用MRI/CT 两种技术有利于提高软骨母细胞瘤准确诊断率；李再升等［6］的研究表明，基于PET/MRI 脑分区计算的标准化摄取值比（Standard Uptake Value Ratio，SUVR）较基于PET 算出的结果变异系数更小，离散程度更低。同样，在PET/MRI脑部扫描中，研究结果表明基于MRI图像融合得到的脑区分割结果更精确［7］。

从医疗设备行业的历史统计数据来看，放射治疗设备和医疗影像设备作为高端医疗设备，进口设备一直占据着绝对的主导地位。近年来，随着国家对医疗器械行业的政策扶持［8］、对高端数字诊疗装备增大研发投入，以国产医用直线加速器、CT、MRI成像仪等为代表的高端医疗设备获得了长足的发展。国产直线加速器的各项主要性能已经满足开展三维适形放射治疗（Three Dimentional Conformal Radition Therapy，3DCRT）、调强放射治疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）等精确放疗的条件［9］。CT、MRI 成像仪等影像质量方面也已经获得很好的评价［10-11］。

国家新一轮的医改重点之一就是强基层。通过医联体、远程医疗系统的建设以及人才引入扶持等政策，促进各大三甲医院的高级人才下沉基层，对基层进行技术帮扶［12］。某基层医院作为四川省人民医院医联体建设的帮扶单位，新增了一套支持开展精确调强放射治疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）技术的国产医用直线加速器和一套国产MRI 影像设备。该MRI 影像设备除了支持诊断影像检查之外，还将与医用直线加速器配套，实现多模态影像引导的精确放疗。我们在放疗计划系统（FonicsPlan 系统）中进行多模态影像融合时（定位CT与MRI影像融合）出现了国产放疗系统与国产影像系统不兼容的情况。两类国产医疗设备，在满足各自基础应用场景时没有问题，一旦综合起来应用就出现不兼容问题，且两边厂家不能提供切实可行的解决方案。

为了解决上述困境，我们应用Python 编程语言自主开发了一个校正软件工具，在临床流程中增加一个影像校正环节，最终实现了全国产设备应用场景中的多模态影像引导精确放射治疗。后续内容我们将详细介绍FonicsPlan 系统中CT 与MRI 影像融合不兼容问题解决的过程，以及提出的解决方案，以期为基层单位同行提供经验参照，为国产设备的提升提供临床应用评价反馈。

1 材料和方法

1.1 国产医疗设备

1）国产直线加速器（新华医疗的XHA600E）：XHA600E 作为一款全数字化双光子医用直线加速器，具有多档兆伏级X射线及多档能量的电子线，可对深部肿瘤和浅表肿瘤进行放射治疗。全数字化控制后，加速器的机械运动部件精度非常高，束流系统也非常稳定，能够很好地满足开展IMRT 精确放疗的技术要求。

2）国产放疗计划系统（新华医疗的FonicsPlan）：FonicsPlan 是一款已经在基层医院广泛使用的三维适形调强放疗计划系统。具备多模态影像融合（例如CT/MRI、CT/PET 影像融合等），高精度的电子束及光子束的剂量计算算法，支持三维适形和调强放疗计划的方案设计。

3）国产MRI成像系统（东软医疗的NSM-S15）：NSM-S15是东软医疗推出的超导磁共振成像系统，该成像系统作为一款成熟的国产设备（全球范围内装机近千台），能够对人体组织进行精确的核磁共振成像，具有良好的成像性能。

1.2 多模态影像引导不兼容问题

医院在没有引入东软NSM-S15 核磁共振成像仪之前，已经顺利开展CT/MRT 融合引导的精确放疗技术（基于外院MRI 影像数据）。医院引入国产核磁共振后，该核磁共振仪除了满足常规患者诊断需求之外，还将承担为精确放疗患者提供MRI定位成像的功能。图1展示了首次利用东软NSM-S15型MRI 定位的放疗患者多模态影像引导时的错误。FonicsPlan计划系统不能够导入该患者的MRI影像来实现CT影像与MRI影像融合。该患者的MRI影像能够在MRI 控制台工作站以及医院的医学影像信息系统（Picture Archiving and Communication Systems，PACS）中正常查看。

图1 FonicsPlan计划系统启动融合报错Fig.1 Error report of fusion start in FonicsPlan planning system

1.3 不兼容问题分析

为了进一步甄别不兼容问题的根源，将四川省人民医院进口的放疗计划系统（Eclipse TPS 系统）［13］以及影像系统（西门子Magnetom Aera 1.5 T）引入作为参照，完成相应的测试。分别在西门子定位CT、NSM-S15磁共振仪与Magnetom Aera磁共振仪上采集一套质控模体的测试影像，完成以下两项测试：1）在FonicsPlan 中新建一个测试例，先导入CT 影像，然后再导入Magnetom Aera 上采集的MRI影像，进行图像融合；2）在Eclipse 系统新建一个测试例，先导入CT影像，然后再导入NSM-S15上采集的MRI影像，进行图像融合。上述两项测试都非常成功，都能实现多模态影像融合的精确放疗。基于上述结果，我们可以推定：国产MRI（NSM-S15）生成的影像序列与进口设备生成的影像序列存在着某个方面的不一致；国产放疗计划系统（FonicsPlan）在处理多模态影像的异构性方面存在某种不足。

不管是CT 影像还是MRI 影像，不管是进口设备扫描的影像还是国产设备扫描的影像，都是遵循医学数字成像和通信（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）影像格式的文件。DICOM影像标准中规定了患者、研究、序列、图像4 个层次的医学图像信息结构，以及由这些层次组成的信息对象［14-15］。通过深入解析各影像序列中的DICOM 标签，能够比商业软件获取更多的底层信息用于更进一步的分析不兼容原因。我们采用自主研发的软件MagicPhantom 作为深入分析的工具。MagicPhantom 原本是一款基于Python 语言开发的3D 虚拟模体设计软件［16］。因为其开放性的框架、插件式的功能扩展能力，目前已经演化成我们实验室用于医学物理相关研究的平台性工具，支持基于DICOM 3.0 标准的多模态医学影像分析，可用于放疗新设备的临床应用评价、放疗新技术的研究、放疗影像引导设备的影像重建算法研究等。

利用MagicPhantom 分析两套MRI 影像序列发现：由东软NSM-S15 扫描的影像序列中，相邻两个层面的间距与扫描界面设定的层间距出现了随机的偏移（偏移量约在0.01 mm）。每个层面图像的位置值（Position Z）在单位为mm 的情况下，坐标值的小数点后的数字位数在8 位以上。由Magnetom Aera扫描得到的影像序列中，相邻两层面的间距是严格与扫描界面设定的层间距相等的。尽管每个层面图像的位置值在单位为mm 的情况下，也是小数点后有8位以上的数字，但是每个层面位置值中，从小数点后第二位起所有数字都是一致的，其他方面没有发现明显的差异。影响层厚及层间距的因素很多，主要包括梯度场均匀性、射频脉冲均匀性、层选梯度脉冲和读出脉冲共面性、重复时间TR（Time of Repetition）与纵向持续时间（T1）的比率、模体层定位设置的准直、层选与射频脉冲之间的共面性及静磁场的均匀性等［17］。也许国产MRI 设备在机械运动和控制精度方面与进口设备有一定的差异，但是从相邻层面间距偏移量处于0.01 mm量级的情况来看，我们更倾向于认为MRI设备赋值每个层面图像位置值时，没有考虑到数值的物理意义，最后因为系统累积的数值误差导致了相邻层面间距出现非常小的偏离。

经过与FonicsPlan 计划系统的研发人员核实，证实了上述判断。在FonicsPlan 系统中，为了避免导入错误的影像序列，系统在导入DICOM 格式的多模态影像之前会严格校验影像层间距，影像层间距完全相等则正常导入，如果有偏离则判定为无效影像序列（没有考虑层间距偏移量的大小）。

经过多次与两个厂家工程师沟通，尽管不兼容的原因非常明确，但是双方都不能给临床提供一个切实可行的解决方案。为了让基层单位开展多模态引导精确放疗的流程更为流畅，我们提出一个可操作性强的方案来解决两套国产系统不兼容问题。

1.4 不兼容问题解决方案

我们提出的解决方案是：1）在应用FonicsPlan计划系统进行多模态影像融合操作之前，增加一个多模态影像的审查环节；2）在MagicPhantom框架下开发一个多模态影像校正模块用于多模态影像的审查，并提供相应的影像层面位置校正的功能。

图2展示了一个应用多模态影像融合引导放疗的临床流程。在影像审查环节，利用MagicPhantom查看每个模态的影像序列，确认好每个影像序列层间距是否完全一致（是否存在数值偏差）。如果影像序列层间距完全一致，则自然进入下一个环节；如果影像序列层间距存在数值偏差，则在MagicPhantom程序中予以校正，然后再进入下一个环节。

图2 多模态影像融合引导放疗的临床流程Fig.2 Clinical flowchart of multimodal image fusion guided radiotherapy

MagicPhantom 的影像编辑模块将继续采用Python语言编程，处理DICOM影像文件的基础函数库为pydicom软件包。影像编辑模块实现的功能包括：1）方便查看各种模态的影像序列；2）可以交互地选取某个序列影像的任意层面显示，并直观地显示出各层面的坐标位置和层厚；3）提供快捷按钮审查相邻影像层面间距是否一致；4）提供快捷修正层面位置数值偏差的功能；5）对比相同层面修正前和修正后影像。

2 结果和讨论

为了临床流程的流畅，所有影像设备都是通过网络（DICOM协议）与放疗系统进行数据交换，影像设备传送过来的影像序列都存储在放疗计划系统工作站的一个指定文件夹。MagicPhantom 的影像编辑模块用户界面如图3所示。在影像编辑模块的左侧控制板上选择指定文件夹后，软件会自动历遍文件夹和子文件夹，并按照影像序列UID（Unique Identifier）归类。在当前病人的下拉菜单项中选择相应的影像序列后，可以方便地交互选择不同的影像层面进行审查。界面上非常直观地呈现影像层面的位置信息，如果层面间距存在不一致的层面，软件将会加高亮显示。如果需要修正影像序列中存在的层面间距数值偏差，可以通过右侧的控制面板，选择保留的小数点后的位数进行一键修正，并选择好输出路径进行保存。

MagicalPhantom 中基于pydicom 所开发的多模态影像分析工具已经经受住了多年的实践检验，是影像编辑模块开发的可靠基础功能。在影像序列层间距修正的操作中，软件仅对序列中每层影像的DICOM文件中的影像位置值的Z坐标值，进行小数点后指定有效位数的归整。这种数值偏离归整所代表的物理尺寸角度上的变化是可以忽略的。影像序列完成数值偏离修正后，将会保存到独立的一个文件，便于进行修正前和修正后影像序列的对比查看。对影像编辑模块进行严格的测试之后，用于临床流程中的影像审查风险是可控的。

对影像编辑模块完成严格测试后，启用图2 所示的全新临床工作流程。图4第二行展示的是触发不兼容情况的患者影像数据经新工作流程后，在FonicsPlan 计划系统中完成的MRI/CT 影像融合。由图4，其与Eclipse计划系统中完成的MRI/CT融合没有任何明显差别（图4的第一行）。新增的影像审查环节，平均每个病例的处理时间可以控制在2 min以内。增加影像审查环节后，有效地解决了国产放疗系统与国产影像系统不兼容的问题。

图3 MagicPhantom影像编辑模块用户界面Fig.3 Graphic user interface of MagicPhantom image editing module

图4 校正后的MRI影像与CT影像在Eclipse计划系统中融合后的横断面(a)、矢状面(b)及冠状面(c)；校正后的MRI与CT影像在FonicsPlan计划系统中融合后的横断面(d)、矢状面(e)及冠状面(f)Fig.4 The cross-sectional(a),sagittal planes(b)and coronal planes(c)of the corrected MRI and CT images after fusion in the Eclipse planning system.The cross-sectional(d),sagittal planes(e)and coronal planes(f)of the corrected MRI and CT images after fusion in the FonicsPlan planning system

3 结语

从本文的案例可以获得三个基本结论：

1）不管是国产放疗设备还是国产影像设备，性能上整体都有了很大的提升，因其高性价比的优势，非常适合用于增强基层医疗机构的服务水平；

2）国产相关设备在很多细节上的处理，较进口领跑品牌产品还是存在差距。不管是国产放疗设备还是影像设备，只要有一方考虑到影像相关参数的物理意义而不仅仅是数值，那么这种不兼容问题就不会产生；

3）不管是从解决具体临床问题的角度，还是对国产医疗设备研发促进的角度，国产医疗设备的临床应用更是需要高水平的医学物理人员的参与。

高端医疗设备的国产化是国家大力推进的方向，我国医疗器械行业也正处在高速发展的道路上，然而医疗设备的演进是受多方面因素影响的，其中来自于临床应用的反馈是非常重要且有价值的。由于历史发展阶段的原因，往往配置国产医疗设备的基层单位医学物理人员的水平相对要低些，对国产医疗设备的临床应用的评价反馈相对就更弱。在接下来的研究工作中，我们将利用我院建设医联体下沉基层的时机，针对医联体基层成员单位的国产放疗设备开展多方面的对比研究工作。对比研究工作将以我院进口领跑品牌产品为参照，以临床应用功能模块为焦点，进行综合评价，寻找出国产设备的短板，并给出临床技术开展的指导意见。对于基层单位同行来说，经验的分享将使其在提供临床服务时采取一些可操作性的措施，尽量避开设备的短板；对于设备厂家来说，临床应用的评价反馈更具有针对性，能够帮助厂家更好地提升设备性能，完成产品迭代。