靶区和危及器官的勾画是脑肿瘤三维适形 放疗的首要且重要环节。有研究表明^{[1, 2, 3, 4]}，若单 纯依据CT图像较难定义临床靶区（clinical target volume，CTV）和大体肿瘤靶区（gross target volume，GTV），从而影响放疗疗效；而MR图 像对脑肿瘤的确定较CT具有独特优势尤其是对靠 近颅底的病变，但因缺少电子密度信息，无法直 接用于剂量计算，故在放疗计划的制定上受到限 制。若将两者结合，进行图像配准、融合，可提 高靶区和危及器官勾画的精确性。由于CT和MR 成像原理的不同，常用于脑肿瘤放疗图像配准的 体外标志在以上两种模态下成像需作更换，导致 坐标的位移，而影响配准精度和靶区勾画的准确 性。为克服上述不足，本研究自制双模外标志并 用于脑肿瘤放疗CT-MR图像配准，配准结果均达 三维适形放疗的临床需求。 1 资料与方法 1.1 设备

CT和MR分别采用Philips Mx8000 Quad多层螺旋CT及Philips Eclipse 1.5 T 超导型磁共振成像 仪；部分病例采用GE lightspeed VCT 128层CT 及SIEMENS verio 3.0T超导型磁共振成像仪。图 像配准采用Varian工作站（Eclipse External Beam Planning 6.5）。 1.2 双模外标志的制作 1.2.1 稀释液及混合液的配制^[5]

（1）Gd-DTPA 稀释液筛选：取Gd-DTPA静脉注射液0.05、0.10、 0.25、0.5、1和2 ml，分别加纯净水配制成80 ml稀 释液（浓度分别为0.232、0.464、1.61、2.32、4.64 和9.27 mg/ml）6瓶；取上述稀释液各10ml分装6 瓶并依次标签，设10 ml 纯净水对照。将7瓶溶液 放入正交头线圈内行T1WI、T2WI和FLAIR成像。 （2）混合液筛选：选择信号强度在T1WI序列中 最高者与碘海醇按4：1、5：1、6：1、7：1和8：1的 比例，分别配制成5瓶10ml混合溶液并依次标签， 设立10 ml 纯净水对照。将不同比例的混合液行 MR、CT两种模态成像。将以上实验重复3次。 1.2.2 双模外标志所具备的条件

对于MR图像， 一般采用T1WI的增强图像作为待配准的浮动图像 （CT图像为模板图像），T2WI和FLAIR图像可作 为CTV、GTV勾画的参考。因此，作为图像配准 的体外标志应在T1WI上信号强度呈高信号并清楚 可辨，在T2WI和FLAIR图像也应呈较高信号也较 易识别；在CT图像中，体外标志应呈高密度，CT 值近似骨组织（因密度太高易形成伪影，较低又 不易识别）。 1.2.3 双模外标志的体模评估

将符合要求的混 合液密封于直径为2 mm，长度为30~40 mm的细 塑料管中，作体模检测；然后按放疗计划设计要 求，交叉固定在定位热塑面罩的模拟校准线上作 临床初步应用。交叉点为放疗专用常规模拟定位 机所确定的等中心体外定位参考点，共4点，即3 个共面点和1个非共面点。 1.3 临床应用 1.3.1 一般资料

脑肿瘤患者15例，其中男11 例，女4例。脑转移瘤9例，脑肿瘤术后6例。将佩 戴定位热塑面罩的患者按放疗计划要求，分别行 CT、MR扫描，将数据经网络传至Varian工作站作 放疗计划。 1.3.2 图像配准

在Varian工作站上行Match points 配准。首先将体外标志包括3个共面点和1个非共 面点从图像系列中识别出来，确定用于配准的相 应坐标，然后利用对应点计算出最佳变换并检测 基础配准平均误差和最大误差，经微调后使图像 达精确配准。 1.4 数据测量和分析

（1）数据测量：在每一成 像序列的3个连续层面上分别取3个大小为25mm 2的 感兴趣区测量；（2）数据分析：采用SPSS16.0 统 计软件包进行数据处理。数据用平均值±标准差表 示。 2 结果

不同浓度Gd-DTPA稀释液在3种成像序列中 信号强度改变，见图1；各比例混合液的信号强 度改变，见图2；浓度为1.61 mg/ml稀释液与碘海 醇按4 ：1、5 ：1、6：1、7 ：1、8 ：1混合的混合液 在CT上扫描，所测CT值分别为（1233.22±6.17） Hu、（961.95±8.53）Hu、（841.99±2.03）Hu、 （720.13±3.88）Hu、（592.64±2.82）Hu。

图1 Gd-DTPA稀释液信号强度随成像序列改变情况 Figure 1 Changes of signal intensity of Gd-DTPA diluents in imaging sequences

图2 各比例混合液信号强度随成像序列改变情况 Figure 2 Signal intensities of intermixture with different proportions

由上述图可知，0.25ml Gd-DTPA静脉注射液 所配浓度为1.61 mg/ml稀释液在T1WI上信号强度达 (874.44±5.72)，较其他浓度高，而在T2WI和FLAIR 上也呈较高信号；该浓度的稀释液与碘海醇按6：1 混合后，在T1WI上信号强度为(654.80±9.81)，高 于其他比例混合液，在T2WI和FLAIR上也呈较高 信号。上述比例的混合液在CT上呈现高密度，其 CT达(841.99±2.03) Hu。浓度为1.61 mg/ml稀释液 与碘海醇按6：1混合的混合液，比照双模外标志所具备的条件，可选其制作双模外标志。

将筛选出的混合液密封于细塑料管中作体模 检测，在CT、MR两种模态下成像均能清楚显示， 见图3。15例脑肿瘤患者CT-MRI图像配准结果， 见表1，配准平均误差为(1.35 ± 0.22) mm，最大误 差平均为(1.36 ± 0.09) mm，完全符合头部肿瘤 误差< 2 mm的临床要求。

图3 双模外标志体模测试 Figure 3 Phantom test of dual-mode external markers

表1(Table 1)

表1 15例患者CT-MRI图像配准结果 Table 1 CT-MRI image registration results of 15 patients with brain tumor

表1 15例患者CT-MRI图像配准结果 Table 1 CT-MRI image registration results of 15 patients with brain tumor

在脑肿瘤的三维适形放疗过程中，靶区和危 及器官轮廓的勾画是实施放疗的首要且重要环 节。通过勾画的轮廓，可以显示肿瘤和危及器官 的三维立体形状和体积，再通过三维剂量计算模 型的计算和剂量评估，以达治疗方案的最优化和 放疗疗效最大化的目的。

由于CT图像对不同X线吸收特征或电子密度 的组织结构具有一定的分辨能力，且放射剂量在 体内的分布与组织的电子密度直接相关，因此， 目前放疗计划系统均是基于CT图像的CT值进行精 确计算的。然而，CT图像对软组织或具有相似电 子密度的组织区分能力有限，对病变边界的显示 欠佳，若单纯依据CT图像较难定义CTV和GTV。 对脑肿瘤，常因肿瘤占位效应及水肿区域所致正 常解剖结构的改变，更增加了CTV和GTV的不 确定性。MR图像的成像原理不同于CT，可明确 区分具有相似电子密度的不同软组织结构，对脑 肿瘤和水肿区域的界定尤具优势，但因缺乏电子 密度信息，无法直接用于剂量计算，故在放疗计 划的制定上受到限制。若将两者结合，进行图像 配准、融合，可提高靶区和危及器官勾画的精确 性。闫婧等^[1]对25例脑瘤患者分别使用CT和MRI 进行三维适形放疗定位，结果在显示病灶数目 上，有23例显示病灶数目相同，2例显示病灶数目 不同；在GTV的判定上，两者均存在差异，其中 CT较MRI所勾画GTV增大者l0例，缩小者15例。 经以MRI确定的靶区作为GTV，以CT图像提供的 CT值进行剂量计算，制定放疗计划，放疗结束后 完全缓解（CR）2例、部分缓解（PR）14例。李 丹明等^[2] 采用CT和MRI图像融合对9例颅内胶质瘤 术后放疗临床靶区（CTV）的研究显示，9例患者 中8例融合界面勾画的CTV比CT图像的CTV减小 13.85%～73.59%，1例体积增大10.35%。总之， CT与MRI的配准、融合，可明显提高脑肿瘤或肿 瘤术后放疗CTV、GTV的准确性、适形放疗的精 度和放疗疗效。 3.2 图像配准的基础

图像配准是实现图像融合的前提。图像配准 就是通过寻找某种空间变换，使两幅图像的对应 点达到空间位置和解剖结构上的完全一致。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感兴趣的点都达到匹配。 图像配准方法基本上可分为两类^{[3, 6]}：基于体素相 似性的方法和基于特征的方法。前者不需提取图 像间对应的解剖特征，通过优化目标函数来计算 所有体素灰度值对的对应性。后者既可以是患者本身解剖特征的内部点，也可以是人工标识的外 部点。体外标志属外部点法，它适用于任何模态 图像的配准，是精确配准的基础。有学者^[7]将10% 泛影葡胺和甘油用作CT、MR图像配准的外标志， 也有报道^[8]将硫酸铜溶液密封于用有机玻璃制成的 小正方体中作为配准外标志，由于CT和MR成像原 理的差异，在以上两种模态下成像需作更换，导 致坐标的位移，而影响图像配准的精度和靶区勾 画的准确性。因此，设计在3种MRI序列及CT上均 能清楚识别的坐标标志即双模外标志是本研究的 目的之一。 3.3 双模外标志的设计与临床初步应用

众所周知，MR信号强度的高低不仅取决于质 子的密度，而且还与参与成像物质的弛豫时间相 关。当质子密度一定时，T1或T2的长短就决定信 号强度。Gd-DTPA是广泛用于临床的MR顺磁性 对比剂，对T1和T2的影响因浓度而异，信号强度 也随浓度的高低而不同^{[5, 9]}。低浓度时，Gd-DTPA 的主要是缩短T1，因而在T1WI上呈现高信号。在 较高浓度时，对缩短T2占主导，致使信号强度下 降，在T2WI上呈现低信号。由于用于待配准的浮 动图像一般采用T1WI的增强MR图像（CT图像为 模板图像），T2WI和FLAIR图像作为勾画CTV、 GTV的参考。因此，筛选在T1WI上较其他浓度信 号强度高的Gd-DTPA稀释液便成为体外标志设计 的关键。笔者在预实验的基础上，以0.25 ml 为中 心，取Gd-DTPA静脉注射液0.05、0.10、0.25、 0.5、1和2 ml，加纯净水配制成浓度分别为0.232、 0.464、1.61、2.32、4.64和9.27mg/ml的稀释液， 依据各浓度稀释液在T1WI、T2WI和FLAIR上信号 强度，筛选出浓度为1.61mg/ml Gd-DTPA稀释液符 合在MR成像序列中均呈高信号的要求，尤其是在 T1WI上（见图1）。CT值的高低主要反映了参与 成像物质密度，且CT对高密度的物质较为敏感因此，将Gd-DTPA稀释液与CT对比剂如碘海醇按 恰当的比例混合，可实现体外标志在T1WI上呈高 信号并清楚可辨，在T2WI和FLAIR图像也呈较高 信号较易识别，在CT图像上呈高密度的设想（见 图2，表1）。本研究结果表明，1.61mg/ml GdDTPA稀释液与碘海醇按6∶1混合可满足图像配准 体外标志的选择标准；将该比例混合液密封于细 塑料管中作为双模外标志经体模检测，在3种MR 成像序列及CT上均能清楚显示（见图3）。

在临床应用上，图像配准、融合的效果评价 方法有信息熵、互信息、均方值、峰值信噪比和 平均梯度等^{[10, 11]}。但是对于不同的用途，难以给 出一个通用评价流程和标准。在基于特征的配准 方法中，配准误差或配准精度分析几乎都以影像 解剖结构上的多个刚性标记点作为参考，其配准 和评价过程较为繁杂，加上两种模态成像体位的 改变、扫描角度的不同等因素，增加了临床实际 操作的难度和不便。笔者将双模外标志固定于定 位热塑面罩上，在两种模态的成像中无需更换， 所有患者在相应模态下成像均保持与放疗体位一 致；在配准过程上，只需将外标志的3个共面点和 1个非共面点从图像系列中识别出来即可，避免 因对影像解剖结构的主观认识不足造成的配准误 差，有效提高了临床操作配准的准确性和效率。 本研究结果显示，在15例脑肿瘤放疗图像配准中 采用双模外标志，初次配准的平均误差为(1.35 ± 0.22)mm，最大误差平均为(1.36 ± 0.09)mm，与李 丹明等^{[2, 12]}采用标点法进行CT和MRI图像配准精 度基本一致，完全符合头部肿瘤误差<2 mm的临 床要求；在初次配准的基础上经微调，可达到两 种模态图像的位置一致，角度一致，大小一致， 配准结果均达脑肿瘤三维适形放疗的需求（见图4, 5, 6）。

图4 脑肿瘤放疗图像配准 Figure 4 Images registration for brain tumor radiotherapy erapy

图5 CT模式下射野路径图：剂量图和REV(room eye view)图 Figure 5 Beam path diagrams in CT mode:dose distributions and REV(room eye view)

图6 MRI模式下射野路径图（图5同一病例） Figure 6 Beam path diagrams in MRI mode(The same case of figure5)