【Reference Reading】评估多模态影像(CT, MRI和PET)在phantom和头颈部癌症患者的配准程序:准确性，重现性和一致性
论文：Evaluation of a multimodality image (CT, MRI and PET) coregistration procedure on phantom and head and neck cancer patients: accuracy, reproducibility and consistency（2003）
Abstract
Background and purpose:在头颈部肿瘤的放疗计划中，各种解剖(如CT和MRI)和功能(如PET)图像的配准是一种很有前途的方法，以提高目标体积的轮廓。在这篇论文中，我们报告了在一组原发性头颈部肿瘤患者中，一个特别设计的phantom交互配准程序的准确性、重复性和一致性的数据。
Patients and methods:采用CT扫描(作为参考图像)、MRI (T1和t2加权序列)和PET(透射和FDG发射)对1例phantom，和一组4例咽-喉肿瘤患者进行成像。采用一种基于交互式曲面分割的交互式刚性配准方法对图像进行配准（方法原理？？）。测量了相对于参考CT的平移和旋转位移，并以准确性、再现性(观察者间和观察者内变化)和一致性(T1和T2 加权MRI之间)来表达。
Results:phantom和患者的配准精度分别为0.8-6.2 mm和1.2-4.6 mm。准确性在z方向上稍差，并且与成像方式的空间分辨率显著相关，至少对phantom来说是这样。观察者之间和观察者内部的变异非常小，总是远低于剩余方差（residual variance）。除了y方向上的一致性是完美的。
Conclusion:只要选择适当的设备，就可以获得头颈部CT、MR和fd - pet图像的精确配准。配准在观察者间是一致和高度重复的。
1. Introduction
新的三维(3D)剂量计算算法的发展，以及能够传送强度调制辐射束的计算机驱动的直线加速器，使得精确地雕刻辐射剂量到几乎任何形状的目标体积[28]成为可能。这种被称为intensity-modulated radiation therapy(IMRT)的程序所获得的物理剂量分布的改善，提出了在三维基础上目标体积选择和描绘的准确性问题（the accuracy of target volume selection and delineation on a 3D basis）。IMRT逐渐进入常规临床实践，在放射肿瘤学领域引发了一场深刻的“革命”。放射肿瘤学家必须逐步将病人的解剖结构从2D转化为3D，包括需要准确地可视化外部和各种内部轮廓。在这方面，计算机断层扫描(CT扫描)已经成为治疗计划的参考成像方式，无论是技术上还是逻辑上的原因。它广泛可得，没有几何畸变，并有关于电子密度图的固有资料，这些资料用于剂量计算的算法。然而，使用CT扫描，肌肉结构和肿瘤之间的对比并不总是显著的。在喉部肿瘤中，这种限制导致观察者之间和观察者内部对大体肿瘤体积(GTV)的描述存在较大差异。此外，由于波束硬化伪影的存在，使得CT扫描的图像很大程度上受到牙齿充填物的影响，这可能限制了对口咽或口腔肿瘤的评估。
在头颈部肿瘤中，不同序列的磁共振成像(MRI)(如T1或T2增强或不增强、脂肪抑制序列)在评估软组织或骨髓延伸方面已被证明比CT扫描更准确。在靠近颅底的有限系列肿瘤中，这种优势转化为与CT扫描相比，观察者间GTV轮廓的差异更小。此外,MRI可以在矢状面或冠状面获得，这可能有助于评估颅尾肿瘤的扩展情况。然而,MRI可能存在几何畸变的视野的边缘,不准确地想象外部轮廓(如皮肤)和骨结构,和没有任何固有的电子密度的信息组织,（T1和T2 value不算吗？）因此限制了其特定的使用治疗计划的目的。
除了解剖成像外，还有功能成像、2-[18F]氟-2-脱氧-d -葡萄糖(FDG)正电子发射断层扫描(PET)已逐步纳入癌症患者的治疗。使用FDG的潜在假设是癌细胞与正常组织相比葡萄糖代谢的增加。临床研究表明，FDG-PET在诊断、分期、评估肿瘤部位等方面具有重要价值。在治疗计划方面，在肺部肿瘤中，CT扫描和FDG-PET的联合应用比单纯CT扫描能更好地勾画出GTV。在本研究中，这种改善导致了所选患者的辐射肺容量的实质性减少。然而，在头颈部肿瘤的治疗中，FDG-PET相对于CT或MRI的附加值有限，仍需要进一步的临床评价。它对头颈部GTV的描绘价值尚不清楚，但显然值得评价，因为FDG-PET是一种高度敏感的成像方式，可能可以更好地显示肿瘤的扩张。然而，PET不能提供任何关于外部和内部轮廓的准确信息，这妨碍了它作为治疗计划目的的单一成像方式的使用。
在这个框架下，结合三种模式似乎可以更准确地描绘GTV，同时保留必要的病人解剖信息。当使用对同一物体的多重成像研究时，它们必须在空间上配准，这样一种模态的每一个体素在其他模态中都可以有对应的体素。一些图像配准的方法已经被描述，从交互式到完全自动化，基于landmarks，surface或voxel coregistration，并使用rigid或warping算法。我们开发了一种基于半自动表面分割的交互式刚性配准方法，用于头颈部肿瘤患者CT、MRI和PET图像的配准。本方法将用于评价MRI、PET及CT对咽喉鳞状细胞癌患者GTV勾画的附加值。
很少有研究小组[21,25,31]报道了这项技术的可行性。但是，在能够证明一种成像方式比其他成像方式有任何附加价值之前，对整个配准程序进行全面的质量保证(QA)评估是至关重要的。实际上，结合多模态成像的目的是潜在地提高GTV描绘的精度，有必要验证整个配准程序不会引入远远大于额外预期精度的误差，即几毫米的量级。目前为止，在头颈区域还没有这样的评估报告，而在大脑区域已经有一些研究发表。
在这篇手稿中，我们报告的数据验证交互式配准程序使用专用的phantom和一组原发性头颈部鳞状细胞癌患者。
2. Materials and methods
2.1. Phantom object and patients
phantom物体是为QA程序的目的而专门设计的。由空透明合成树脂缸与树脂玻璃对象计算颈部结构:295立方厘米缸添满了石膏的脊椎,充满空气的55个cm3缸模仿喉和气管,两个55个cm3气缸模仿原发性肿瘤和6个2cm3气缸模拟入侵节点(图1)。