基于图像形变配准的自适应放疗技术研究进展

陈毅如（通讯作者）李宝生

(山东省肿瘤医院放六科山东济南250117)

【摘要】有效的治疗计划通常需要整合各方面与肿瘤和正常组织特征相关的数据，包括所处的位置、结构形状、密度、体积和位置的4D变化以及在FDG-PET图像或其他相关影像检查中发现的生物活性等。对初始治疗计划中各个数据的变动进行检测、识别及及时的校正的系统性的方法称为适应性放疗（ART）。本文就近期基于图像形变配准的自适应放疗技术研究进展做一简要综述。

【中图分类号】R730.5【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2015）21-0011-02

1.自适应放疗的定义及特征

ART不仅仅包括用于对肿瘤的位置和解剖结构改变予以校正的机制，还通过系统性的检测放疗过程中患者及治疗位置和体积的变化，理论上，最佳的ART系统应该能够监控原始治疗计划中所有的肿瘤及正常组织特征，并在实施每次放疗前能够根据这些变化快速调整放疗计划。尽管已经取得了显著的进展，但实现上述目标仍存在诸多挑战。目前应用ART可以即时实现的目标包括通过校正摆位误差缩小初始PTV的外放边界，通过监测肿瘤及正常组织在治疗过程中的动度特征对PTV边界予以相应调整，以及根据治疗过程中的解剖结构变化对照射野、光栅及照射计划作出调整。在目前的实际工作中，ART主要用于以下两个方面：（1）发现系统的位置及动度变化，对日常摆位和PTV边界外放的范围进行校正[1]；（2）发现治疗过程中的解剖结构的变化并根据此对治疗计划作出相应的调整[2,3]。

2.图像形变配准的概述

图像配准是放疗计划制定和实施各个环节的中心。通过识别与处理不同影像间存在的差异，可以实现同一患者不同模式图像间的融合，图像配准提高了多模式影像之间融合的准确性与操作便捷性，从而可以最大限度地利用患者的所有影像检查资料协助制定治疗方案。随着图像配准技术的精确度越来越高，甚至可以以像素为单位对图像进行比较。形变配准或可助于提高靶区勾画的准确度，因为形变配准可以降低多种影像融合过程中的不确定性。接下来是实施治疗：在线影像评估是应用形变配准或可进一步提高肿瘤引导的准确性。最后，在准确治疗反应随访环节，通过应用形变配准比较治疗前与治疗后的随访影像可以改善对肿瘤治疗疗效和正常组织变化的评估。常见的计算基准点对应方法有三种：点配准、表面配准、图像信号配准。点配准法中首先确定3个非共面的点，此时应尽可能降低个点的残留误差，所谓残留误差是指经校正后仍然存在的位置偏移。图像信号强度配准法中相似度的计算方法有多种，最常用的三种方法是方差求和、交叉关联和交互信息。关于形变配准法，人体结构的运动形式是非线性的，由于体内的生理活动和患者的位置变化，身体会发生一定程度的形变，进而对肿瘤和正常组织产生影响。正在讨论的方法有多种，最近发表的两篇论文利用体膜[4]和临床数据[5]对几种方法进行了比较。流体法，目前数个研究小组正在探讨发方法在4D-CT配准、腔内近距离放疗和脑部治疗方面的应用。光流法，利用影像间的差异和梯度作为图像配准的驱动，同时尽可能地应用相似性度量方法。该方法已在头颈部和前列腺部位对该算法进行了研究，自适应放疗要求在放疗过程中根据肿瘤和危机器官(organsatrisk)的变化来更新放疗计划。集成在加速器上的CBCT可以获取在线3维CT影像。快速准确的配准在线CBCT影像和计划影像是在线自适应放疗的关键。它是从计划影像到在线影像的器官映射、重新优化计划和后期评估计算累积剂量的基础。对于在线的临床应用，即要求足够精确的配准结果，又要求较短的计算时间。有许多方法已经被开发来完成准确快速的配准工作，比如surfacebasedmethods,demons方法，freeformdeformationviacalculusofvariations等。Surfacebasedmethods对有些器官和肿瘤，准确的自动分割相当的复杂。Demons方法和freeformdeformationviacalculusofvariations都是基于密度信息的配准算法。这类配准算法不需要事先分割，但是因为计算量很大，足够精度的临床图像配准在过去通常需要很长的计算时间。最近三四年，快速发展的GPU并行计算技术使桌面电脑的计算能力大大增强。只有很少的文章进行了CBCT和FBCT影像间3维变形配准的研究。最近，Chenet.al.开发了一种基于demons方法的，对不同器官设置不同约束的配准算法，并将其应用于前列腺CBCT和FBCT图像间变形配准[6]。由于CBCT固有的由于电子散射的原因使得重建图像的质量较差，会直接影响到那些基于密度的配准算法在进行CBCT和FBCT图像配准时的配准精度。目前没有相关的文章调查这种密度不准确对这些配准算法配准精度的影响到底有多大。

3.自适应放疗未来发展趋势

适应性控制原则在联系靶区对位和患者计划调整方面有着广泛的应用前景。目前来看，在临床治疗开始后，重新制定放疗计划并不常用，不仅仅是因为需要投入大量的人力和时间，而且通常缺乏调整计划所需要的完整解剖信息。此外，对许多疾病，重新制定放疗计划的最佳频率及是否存在这样的临床必要性还尚不得知。实施在线评估和调整似乎非常诱人，但需要权衡的是仅为了取得些微小的临床获益是否有必要达到亚毫米的照射技术精度，以及为了获得如此精度可能需要在临床计划、治疗实施及评估过程中额外增加大量工作。此外还需考虑到管理和读取海量影像信息的计算机网络和数据存储系统的建设，技术的发展将有助于利用有限的资源在有限的时间内完成相关操作。决策支持工具和高校校准算法的发展亦将有助于执行更为复杂的适应性引导策略。

【参考文献】

[1]YanD,LockmanD,MartinezA,WongJ,BrabbinsD,ViciniF,LiangJ,andKestinL.(2005).Computedtomographyguidedmanagementofinterfractionalpatientvariation.SeminRadiatOncol,15(3),168-179.

[2]BarkerJLJr,GardenAS,AngKK,etal:Quantificationofvolumetricandgeometricchangesoccurringduringfractionatedradiotherapyforhead-andneckcancerusinganintegratedCT/linearacceleratorsystem.IntJRadiatOncolBiolPhys,2004,59:960-970.

[3]KuoYC,WuTH,ChungTS,etal.Effectofregressionofenlargednecklymphnodesonradiationdosesreceivedbyparotidglandsduringintensity-modulatedradiotherapyforheadandneckcancer.AmJClinOncol.2006,2:600-605.

[4]KashaniR,HubM,BalterJM,etal.Objectiveassessmentofdeformableimageregistrationinradiotherapy:amulti-institutionstudy.MedPhys.2008Dec;35(12):5944-53.

[5]BrockKK1;DeformableRegistrationAccuracyConsortium.Resultsofamulti-institutiondeformableregistrationaccuracystudy(MIDRAS).IntJRadiatOncolBiolPhys.2010Feb1;76(2):583-96.

[6]J.LiandL.Xing,“Inverseplanningincorporatingorganmotion,”Med.Phys.27,1573-1578(2000).