对比T2WI与T2*WI用于前列腺癌放射治疗计划的效果

田 龙，范学武，许 蕊，赵 鑫，胡逸民

(1.河北北方学院附属第一医院放疗科，河北 张家口 075000；2.河北省人民医院心血管内科导管室，河北 石家庄 050000；3.国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科，北京 100021)

基于图像融合技术放射治疗(简称放疗)前列腺癌(prostate cancer, PCa)具有诸多优势[1-3]，CT-MR图像融合应用较为广泛[4-5]；但图像融合过程易受靶区运动影响[6-7]，需内置黄金基准标志物(gold fiducial marker, GFM)进行登记匹配[8]。何种MRI更适用于勾画放疗靶区是当前研究热点[9-12]。本研究比较观察基于T2WI与T2*WI对经GFM 标记的PCa行CT-MR图像融合和勾画放疗靶区的效果。

1 体外实验

1.1 线性测试假体实验 采用GE线性测试假体(linearity test object, LTB)，体积440 mm ×270 mm×360 mm，由内部充水的三维正交管道组成，见图1。以GE Signa Voyager 1.5T MR仪采集LTB的轴位、冠状位及矢状位T2WI和T2*WI。主要参数：T2WI，TR 7 210 ms，TE 110 ms，像素0.75 mm×0.75 mm，采集时间3 min，重建矩阵320 mm×320 mm；T2*WI，TR 550 ms，TE 24 ms，像素0.47 mm×0.47 mm，采集时间6 min；以下参数相同，FOV 240 mm×240 mm，层数28，矩阵320 mm×320 mm。扫描结束后行三维重建，重建矩阵均为512 mm×512 mm。由1名具有20年MR诊断经验的主任医师评价2种图像有无几何失真,并以公式(1)计算2种三维重建图像中LTB中心的空间位移(Da)：

(1)

其中X、Y、Z分别为三维重建图像上LTB中心点在左右、头足及腹背方向上的坐标。

1.2 凝胶实验 将Sigma-Aldrich凝胶(猪凝胶，100 g/L，40 cm3)注入3 cm×4 cm×5 cm容器中，以模拟前列腺；再于同一水平置入3枚Visicoil helical GFM(IBA，0.8 mm×0.8 mm×1.0 mm，GFM1、GFM2、GFM3)，如图2。采用Philips Big Bore CT机和GE Signa Voyager 1.5T MR仪在容器横轴(即3枚GFM连线方向)与纵轴激光中线垂直的条件下对凝胶行轴位、冠状位及矢状位扫描，分别采集CT、T2WI及T2*WI；CT扫描管电压120 kV，管电流300 mAs，层厚0.5 mm，T2WI及T2*WI参数同前。调整容器横轴与纵轴激光中线成角为60°后再行CT及MR扫描。之后重建3种三维图像。由上述医师识别3种图像中的GFM，统计准确识别数量。应用公式(2)计算2种MR重建图像中的GFM中心相对CT重建图像的空间位移(Db)：

(2)

其中X、Y、Z分别为三维重建图像上GFM中心点在左右、头足、腹背方向上的坐标。

2 临床试验

2.1 一般资料 选取2019年8月—2021年8月10例于河北北方学院附属第一医院就诊并经病理证实的PCa患者，年龄51～73岁，平均(62.7±5.5)岁。纳入标准：①接受外照射治疗；②体质量指数18～25 kg/m2；③体内无磁性内置物。排除标准：①前列腺严重钙化或出血；②严重直肠息肉或痔疮。本研究通过医院伦理委员会批准(批准号：W2021012)，治疗前患者均签署知情同意书。

2.2 仪器与方法 以Philips iU22彩色多普勒超声诊断仪为引导设备，配备端扫式9-4v直肠探头，频率2～10 MHz，行经直肠超声引导下细针抽吸术。嘱患者侧卧，双腿屈曲，双手抱膝；以利多卡因行直肠肛管局麻后，随超声探头将5 ml注射器和18G介入穿刺针(八光PTC-B)送入直肠，经直肠前壁穿刺前列腺，并将3枚GFM(同体外实验)以间距≥15 mm置入前列腺靶区的不同层面[8]。

于同日嘱患者排空膀胱、直肠后行盆腔轴位CT和MR扫描。CT扫描范围自L4至闭孔下缘，参数同凝胶实验；MR扫描以前列腺为中心，范围包括整个盆腔，扫描参数同LTB实验。由3名具有10年工作经验的副主任放疗医师(radiotherapy physician, RTP)以Elekta Monaco 5.19.02软件(瑞典医科达公司)对3种图像集合间隔2周以上依次勾画PCa靶区；之后以MIM 6.6.8软件自动测量其两两之间基于3种图像上放疗等中心处同一层面勾画靶区的豪斯多夫距离、戴斯相似系数(dice similarity coefficient, DSC)和Cohen's Kappa系数，计算各参数平均值，评价3种图像形变匹配度。由3名RTP中的1名依次识别各种图像中的GFM，记录其准确识别GFM的总数量。

2.3 统计学分析 采用SPSS 19.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料，组间行单因素方差分析，多重比较采用LSD-t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

3 结果

3.1 LTB实验 T2WI所示LBT管道笔直且连续，端口面外形圆润，无几何失真(图3)。T2*WI示LBT管道笔直，局部断续，端口面外形轻微不圆润且存在伪影，存在轻微几何失真(图4)。T2WI与T2*WI三维重建图像中LTB的中心坐标(X，Y，Z)分别为(0，-0.11，0.01)和(0.01，0，0)，Da值为0.11 mm，小于1个最小像素(0.47 mm×0.47 mm)。

3.2 凝胶实验 根据3种图像对GFM的准确识别率均为6/6(100%)；T2*WI上GFM的可视性明显优于T2WI(图5)。容器横轴与纵轴激光中线垂直时，相对CT重建图像，T2WI三维重建图像上3枚GFM中心的Db分别为GFM10.23 mm、GFM20.28 mm、GFM30.26 mm，3枚GFM平均Db值为0.26 mm；T2*WI三维重建图像上3枚GFM中心的位移Db分别为GFM10.19 mm、GFM20.21 mm、GFM30.21 mm，3枚GFM平均Db值为0.20 mm；3枚GFM中心的空间位移均小于最小像素，即2种MRI均可用于CT-MR图像融合，而T2*WI融合精度高于T2WI。容器横轴与纵轴激光中线60°成角时，相对CT重建图像，T2WI和T2*WI三维重建图像上各GFM中心的Db值与容器横轴与纵轴激光中线垂直时一致，但T2*WI所示GFM无信号区增大(图6)。

3.3 临床试验 根据CT图像识别GFM的准确率为30/30(100%)，T2WI为3/30(10.00%)，T2*WI为29/30(96.67%)，见图7。3名RTP基于3种图像勾画靶区的豪斯多夫距离、DSC和Cohen's Kappa系数差异均具有统计学意义(P均<0.001)，两两比较差异亦均有统计学意义(P均<0.05)，见表1。

表1 3名RTP基于3种图像勾画PCa放疗靶区的图像形变匹配度参数比较(n=10，±s)

表1 3名RTP基于3种图像勾画PCa放疗靶区的图像形变匹配度参数比较(n=10，±s)

注：*：与CT比较，P<0.05；#：与T2WI比较，P<0.05

图像豪斯多夫距离(mm)DSCCohen's Kappa系数CT5.01±0.140.95±0.040.92±0.06T2WI4.09±0.27*0.97±0.08*0.94±0.10*T2*WI3.61±0.21*#0.97±0.11*#0.95±0.09*#F值 12.365 3.398 4.109P值<0.001<0.001<0.001

4 讨论

将基于GFM的CT-MR图像融合技术用于PCa放疗具有显著优势，而不同MRI影响图像融合和勾画靶区效果。T2WI基于快速自旋回波序列采集，可清晰显示前列腺内部结构，常用于临床诊断；T2*WI则基于梯度回波序列采集，可放大特殊点周围信号丢失。

本研究体外LTB实验结果显示，T2WI与T2*WI三维重建图像中LTB中心的Da值为0.11 mm，小于1个最小像素，提示磁场稳定；T2*WI存在轻微几何失真，原因在于局部磁场不均匀导致信号丢失，而轻微几何失真并不影响图像融合，特殊点(如GFM)信号丢失而呈无信号区时，T2*WI可通过对连续回波的平均化处理而增强该处的信噪比，使无信号区大于实际物体体积，此时如特殊点中心未发生明显位移，相当于“放大”特殊点[10]，使轻微几何失真被包含并掩盖于放大的无信号区中。体外凝胶实验提示2种MRI均可用于融合CT-MR图像。T2*WI显示GFM受到影响的原因可能在于其所依赖的信号丢失随GFM相对磁场方向和TE等的变化而增加；其中磁敏感性的作用尚不明了，有待继续观察[13]。

本研究临床试验结果显示，T2WI中GFM的可准确识别率低，影响其对于图像融合的价值。对于图像形变匹配度，豪斯多夫距离越小、DSC和Cohen's Kappa系数越高，则靶区勾画差异越小。本研究中3名RTP基于CT图像勾画靶区的豪斯多夫距离最大而DSC和Cohen's Kappa系数最低，基于T2*WI的豪斯多夫距离最小、DSC和Cohen's Kappa系数最低，即以CT图像勾画靶区差异最大，而以T2*WI勾画靶区差异最小，提示T2*WI更适用于靶区勾画，与既往研究[9-12]结果相符。相比T2WI，T2*WI软组织对比度更高，可为设计放疗计划软件及基于MRI引导放疗的发展与优化提供重要基础[9]。

本研究的主要局限性：高龄PCa患者多存在轻、中度前列腺钙化，CT表现为不规则高亮影，T2*WI表现为不规则无信号区，影响准确识别GFM；自动融合CT和T2*WI时，钙化灶对于准确识别GFM影响较大[14]，有待进一步完善。

综上，制定PCa放疗计划时，相比T2WI，T2*WI更适用于基于GFM融合CT-MR图像和靶区勾画。