C臂X线辅助前列腺癌内置金标志物辨识的可行性研究

牛向欣，赵明娟，田龙，胡逸民

1. 河北北方学院附属第一医院 医学影像科，河北 张家口 075000；2. 河北省人民医院 医学影像科，河北 石家庄 050000；3. 中国医学科学院肿瘤医院 放疗科，北京 100021

引言

基于MR图像的放疗计划具有诸多优势，如在区分前列腺肿瘤和危及器官的靶区勾画过程中软组织对比度远高于CT图像[1-5]。将MR图像联合内置金标志物（Gold Fiducial Marker，GFM）同时用于放疗中将显著提高计划设计和图像引导验证的准确度，具有重大临床应用意义和价值。但是，MR-T2加权图像（T2 Weighted Image，T2WI）在上述过程中应用时存在一个问题，即GFM在T2WI上显示为同钙化或出血点极为相似的信号空洞[6]，易造成混淆并影响放疗计划和验证。

为解决上述问题，必须借助其他方法辅助GFM辨识，例如通过图像融合和匹配将CT图像应用于基于MR图像的放疗计划中辅助辨识[7]。这是因为GFM在CT图像中会产生条状伪影[8]，因此容易区别于钙化或出血点。CT辅助辨识是目前各种方法中准确度最高的，但并非适合所有患者，尤其对不便接受反复扫描的ICU重症或其他行动困难的患者来说，移动式影像设备或许是可能的选择。

为了解决上述问题，本研究将C臂X线（C-arm X-ray，CX）设备联合GFM应用于基于T2WI的放疗计划和验证过程中。量化CX图像同MR数字重建射线影像（MRDigitally Reconstructured Radiograph，MR-DRR）上GFM的相对位移，并同CT辅助辨识进行比较，以期证实该位移足够小，从而验证移动式影像设备和相应辨识方法的可行性。

1 材料与方法

1.1 研究对象

纳入2018年9月至2021年3月于河北北方学院附属第一医院接受治疗的前列腺癌患者32例，年龄61～72岁，平均（65.5±4.1）岁，13例Gleason评分[9]≤ 6分、9例7分、10例≥8分。纳入标准：① 接受外照射放疗；② 体质量指数为18～25 kg/m2。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。本研究通过医学伦理委员会批准，所有患者签署知情同意书。

1.2 GFM置入

放疗前5 d所有患者排空膀胱及直肠后，将身体置于定位状态下真空塑形垫上，双腿放于支架上。采用Philips iU22彩色多普勒超声诊断仪（端扫式9-4 v直肠探头，探头频率为2～10 MHz）经直肠超声引导术（对直肠肛管进行局部麻醉并建立静脉通道，探头插入直肠抵近前列腺）[10]和细针抽吸术（采用5 mL注射器和18 G针头随超声探头进入直肠，穿直肠壁刺入前列腺体）将3枚IBA Visicoil helical线性金标志物（长5.0 mm、直径1.0 mm）置入靶区不同层面且间距≥15 mm。之后采用移动式Ziehm Vision FD Vario 3D CX设备（管电压为100 kV，管电流20 mAs），通过其臂上模拟量角器将其旋转至同检查床成0°角，并在统一定位条件下（坐标系和射野）拍摄盆部前后位图像。全部过程如图1所示。

图1 GFM置入与CX拍照

1.3 MR扫描

放疗前4 d，身体置于定位状态下真空塑形垫上的所有患者，在统一定位条件下，采用SIGNA Voyager 1.5 T MR（相位240 mm，层数28，层厚2.5 mm，采集矩阵512×512，像素尺寸0.75 mm×0.75 mm）采集轴位盆腔T2WI。之后使用软件Spectronic MR-Planner将T2WI上组织换算为CT值，即Houns field单位，获得基于T2WI的合成CT图像[11-12]。合成CT图像层数等不变，但像素尺寸变为0.3 mm×0.3 mm。之后使用Monaco治疗计划系统获取机架角0°时前后位DRR影像，获得T2WI-DRR。

1.4 CT扫描

放疗前3 d，身体置于定位状态下真空塑形垫上的所有患者，在统一定位条件下，采用Philips Big Bore大孔径CT（管电压120 kV，管电流300 mAs，层厚3 mm，采集矩阵512×512，像素尺寸0.3 mm×0.3 mm）采集轴位盆腔CT平扫图像。之后使用Monaco治疗计划系统获取机架角0°时前后位DRR，获得CT-DRR。

1.5 图像缩放

由于DICOM格式的CX图像不包含像素尺寸信息，因此需要使用自行编制的MATLAB程序对其进行双立方插值缩放，使其缩放至与T2WI-DRR相同像素尺寸。通过测量CX图像和T2WI-DRR中耻骨联合距离DCX和DT2WI-DRR（起止点分别位于两侧闭孔内缘最靠中线处）并计算缩放比例，将CX图像缩放至T2WI-DRR像素尺寸。

1.6 图像处理与计算

对缩放后CX图像进行处理：选取一个包含所有GFM骨盆中心部位的矩形兴趣区域。对该兴趣区域依次进行归一处理、反转处理和使用选择的阈值二值化处理，从而消除非GFM信号影响。通过计算每枚GFM头脚和左右方向所有像素坐标平均值而确定CX图像上GFM中心坐标集合。

对T2WI-DRR进行处理：选取一个和CX图像上完全相同的包含所有GFM骨盆中心部位的矩形兴趣区域。之后对该区域使用选择的阈值进行二值化。通过计算每枚GFM头脚和左右方向所有像素坐标平均值而确定T2WI-DRR上GFM中心坐标集合。

之后，使用以均方距离最小值为优化指标的迭代最近点算法对2个GFM中心坐标集合进行刚性匹配[13]，计算3枚GFM中心坐标头脚和左右方向相对位移平均绝对值ΔY和ΔX，并利用公式计算二维平面位移ΔS。在CT辅助辨识中，由于CT-DRR和T2WI-DRR像素尺寸相同，因此省去图像缩放过程，其他同上述过程。

1.7 统计学分析

2 结果

2.1 图像缩放

图像缩放过程如图2所示（以13号患者为例）。首先获取已知像素尺寸的T2WI-DRR图像，等中心截取图像规格为14 cm×14 cm，DT2WI-DRR为3.96 cm。之后获取未知像素尺寸的CX图像，等中心截取图像规格为14 cm×14 cm，DT2WI-DRR为7.20 cm。因此，缩放比例为7.20/3.96，即1.82（由此可知缩放前CX图像像素尺寸为0.55 mm×0.55 mm）。最后将该值输入双立方差值缩放过程，将CX图像缩放至与T2WI-DRR像素相同尺寸，通过基于骨骼手动登记叠加于之上并手动选取共同兴趣区域。

图2 13号患者图像缩放

2.2 图像处理与计算

由于篇幅限制，此处仅展示13号患者CX辅助辨识结果。承接图2结果，对两种图像共同兴趣区域截图后获得相应处理结果：T2WI-DRR图像上3枚GFM自左至右坐标分别为（-0.564，-0.495），（-0.849，0.118），（-0.380，0.097）；缩 放后CX图像上坐标分别为（-0.543，-0.507），（-0.831，0.099），（-0.371，0.075），单位cm。坐标集合刚性匹配结果：相对位移绝对值ΔY为0.46 mm，ΔX为0.55 mm，ΔS为0.72 mm（图3）。

图3 13号患者图像处理与计算

所有患者CX辅助辨识中最大位移为11号患者最靠近头侧GFM头脚方向位移（6.30 mm）。所有患者CT辅助辨识中最大位移为2号患者最靠近头侧GFM头脚方向位移（2.60 mm）。两种辨识方法各向差异均具有统计学意义（P＜0.05），详细结果如表1所示。CX辅助辨识方法各项数据均大于CT辅助辨识方法，但差距较小。由于本试验在GFM置入时，间距设定为≥15 mm，而CX辨识方法中ΔS平均值远小于15 mm，基本可以忽略不计。因此认为本研究中除11号患者最靠头侧GFM外，其他所有GFM成功辨识。由于所有患者不存在钙化或出血点，因此认为11号患者GFM辨识失败原因为外部因素导致的GFM显著位移。总之，排除该特例后，其他所有患者GFM辨识率为100%，CX图像可以用来辅助T2WI-DRR上GFM的辨识。

表1 两种辨识方法各向统计学结果（mm，±s）

表1 两种辨识方法各向统计学结果（mm，±s）

方向 辨识方法 t值 P值CX辅助辨识 CT辅助辨识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 讨论与总结

本研究比较了前列腺癌放疗中CX图像同CT图像辅助MRI上GFM辨识的效果，取得了较理想结果。与本研究相近的国外研究较多，如Gustafsson等[11]的研究中，通过采用多回波梯度序列在无外部因素导致的GFM显著位移情况下，T2WI中GFM的敏感度、特异性和辨识准确度分别为98%、94%和97%，其他类似试验结果在93%～98%[6-8,11-15]，但均未达到100%。同CT辅助辨识比较，GFM位移平均绝对值在0.6～1.2 mm[11-15]，同本研究结果非常接近，这再次证明了本研究结果的可信度和有效性。

目前，国内相关研究极少，仅有的研究集中于CT-MR图像融合[4]和CT图像辅助辨识。然而，并不是所有患者均适合进行CT辅助辨识，如ICU重症和其他行动困难且接受前列腺癌立体定向放射治疗的患者，频繁地由高层病房移动至CT机房显然十分不便。而本研究提出的CX辅助辨识不仅在准确度上同CT相差无几，而且其可移动性有效地解决了此类患者的不便。另外，紧张的日常临床工作导致GFM辨识QA不可能总依赖CT，而准确度高且方便灵活的CX设备显然是更好的选择。总之，本研究不仅多样化了辅助辨识方法而且方便了患者，也增加了CX设备的功能和利用率，具有一定临床意义。

CX辅助辨识方法各项结果均大于CT辅助辨识方法的原因有以下几点：① 患者躺在定位设备上时，双腿抬升导致误差；②C臂同机床角度误差也会导致成像误差；③CX图像缩放过程中进行距离测量时起始点的选取误差，会导致缩放比例误差；④ 外部因素，如器官充盈度或位置变化所导致的显著GFM位移误差。针对原因①，研究未做深入研究和评价，但从结果来看影响较小；针对原因②，使用外部量角器测量发现，3名患者分别存在1°、3°和5°的成像误差，且5°误差发生于11号患者。因此该原因对试验结果影响较大；针对原因③，T2WI-DRR上骨组织细节数量和几何真实度可能劣于CT-DRR。对此，本研究邀请了5名具有副高级职称的放射诊断医师对同一名患者缩放系数进行计算，误差小于1%。因此该原因对研究结果影像也较小；针对原因④，外部因素导致的显著GFM位移误差，对结果影响较大。

另外，两种方法头脚方向位移均大于左右方向的原因为MRI扫描层厚影响。头脚方向层厚（2.5 mm）限制了GFM空间分辨率，从而造成误差。增加扫描时间、降低扫描层厚将会显著降低该误差。最后，当位移误差过大时则GFM辨识失败，需重新分析MR图像，以明确GFM信号空洞附近是否存在钙化或出血点。若不存在则考虑原因①～④所导致的GFM位移。这种情况下联合多回波梯度MRI序列进行分析是非常有效的[11]。

本研究仅对头脚、左右方向和二维平面位移进行了研究，未进行CX正交拍照以获取前后方向和三维空间位移数据。未来需进行CX正交拍照并增加样本数量以优化研究结果。