《Frontiers in Neuroscience》：Comparison of subject-to-template registration schemes using CT and MR radiotherapy images with brain lesions
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摘要引言：近年来，体素分析（Voxel-based analyses）在放疗中应用更为广泛。本研究旨在比较八种将图像配准至模板空间的方法，以用于此类分析。研究人员提出了一种同时使用CT和MR数据的新方法。方法：来自CoDe-B-Rad研究（NCT0646672
摘要引言：近年来，体素分析（Voxel-based analyses）在放疗中应用更为广泛。本研究旨在比较八种将图像配准至模板空间的方法，以用于此类分析。研究人员提出了一种同时使用CT和MR数据的新方法。方法：来自CoDe-B-Rad研究（NCT06466720）的85名参与者的CT和MR脑图像被配准至一个年龄特异性模板。所使用的配准方案包括：sCT-模板（线性和非线性）；MR-模板（线性、非线性、掩膜和镜像）；以及双模板（线性和非线性）。研究人员通过定性（评分1至5，5为最高）和定量（Jaccard系数、平均表面距离（ASD）和95%豪斯多夫距离（HD95））方法，将配准结果与模板MR图像进行比较。结果：定性方面，最佳配准方案为双模板-非线性配准，有60名参与者评分高于4。其次为MR-模板-镜像配准，有53名参与者评分高于4。定量方面，双模板-非线性方法在ASD和HD95的均值（±标准差）上表现最优，分别为0.918（±0.1774）和2.965（±0.5392）。ASD的差异与其他方法相比具有统计学意义（p=0.03）。MR-模板-掩膜方法在Jaccard均值（±标准差）、中位数（四分位距）和ASD上表现最优，分别达到0.567（±0.0557）、0.555（0.055）和0.808（0.162）。双模板-非线性与MR-模板-掩膜及非线性方法在HD95中位数上结果相同，均为2.639。所有线性方案在定量和定性上均表现不足。所有非线性配准方案均存在组织与标志点变形问题，但双模板方案的变形最小。结论：双模板-非线性配准方案是一种将病变脑图像配准至模板空间的新方法，用于放疗中的体素级技术，它同时利用了CT和MR图像数据。该方案提供了底层软组织及周围颅骨的保真度，最小化了解剖和剂量学变形。
论文解读文章
在脑部放疗领域，近年来体素分析（Voxel-based analyses, VBA）如体素病变症状映射（Voxel-based Lesion Symptom Mapping, VLSM）和体素形态测量学（Voxel-based Morphometry, VBM）的应用日益广泛。这些方法利用正常组织对辐射的响应，替代传统的剂量体积直方图（Dose-Volume Histogram, DVH）方法，以进行群体水平的统计分析。然而，进行此类分析需要将不同参与者的图像配准至一个共同模板空间，当图像中存在脑部病变（如肿瘤或水肿）时，配准过程面临显著挑战。病变会严重干扰配准算法，引入额外伪影，导致解剖结构扭曲。传统方法多仅使用MR图像，但MR图像缺乏骨骼信息，且软组织对比度易受病变影响。此外，线性配准虽常用，但无法处理局部解剖变形；非线性配准则存在组织过度拉伸或压缩的风险，尤其在颅骨和病变区域。因此，亟需一种既能利用MR软组织对比度优势，又能保留CT骨骼解剖精度，同时最小化非线性变形的新配准方法。本研究比较了八种不同的配准方案，并首次提出了一种同时使用CT和MR图像的双模板（Dual-Template）配准方法，旨在为放疗中的群体体素分析提供更鲁棒的配准策略。该研究发表在《Frontiers in Neuroscience》。
研究人员开展了以下研究：从CoDe-B-Rad研究（NCT06466720）中纳入85名参与者，包括34例脑膜瘤和51例脑转移瘤患者，均接受立体定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery, SRS）治疗。所有参与者均接受CT扫描和T1加权MR扫描（来自1.5T和3T不同厂商设备），临床放疗剂量分布也用于掩膜创建。采用年龄特异性模板（Rorden et al., 2012），并基于其T1模板生成合成CT（synthetic CT, sCT）版本。使用医学图像配准工具包（Medical Image Registration Toolkit, MIRTK）进行配准，优化能量函数采用局部归一化互相关（Local Normalized Cross-Correlation, CC）和薄板弯曲正则化能量（Bending Energy, BE）。比较了八种方案：sCT-模板-线性、sCT-模板-非线性、MR-模板-线性、MR-模板-非线性、MR-模板-掩膜（使用15Gy剂量阈值掩膜）、MR-模板-镜像（使用对侧健康组织替换病变）、双模板-线性、双模板-非线性。所有非线性配准均受限于脑掩膜。定性评估由一名经验丰富的放射治疗临床科学家进行，对每例配准结果与模板MR的脑室、脑干、胼胝体、全脑、颅骨、中线、直窦等结构进行1-5分评分。定量评估包括Jaccard系数、平均表面距离（Average Surface Distance, ASD）和95%豪斯多夫距离（Hausdorff Distance 95%, HD95），基于30个脑结构标签（包括28个皮质和皮质下结构、脑外区域和骨骼）。还进行了Jacobian行列式分析以评估非线性变形程度，并检验了时间消耗。
主要研究结果如下：
**3.1 配准方案的定性评估**
双模板-非线性配准在定性评分中表现最佳，60名参与者评分≥4。其次为MR-模板-镜像配准（53名参与者评分≥4）和MR-模板-掩膜配准（50名参与者评分≥4）。所有线性方案均无参与者评分高于3。非线性方案中，双模板-非线性方案的解剖变形最小，而其他非线性方案在脑中线、胼胝体、直窦和颅骨形状上出现明显扭曲。MR-模板-镜像方案评分不一致，部分配准评分5分，部分仅1分，尤其当病变位于或跨过中线时。
**3.2 配准方案的定量评估**
对于30个结构的总体中位数，MR-模板-掩膜方案在Jaccard系数（中位数0.555，IQR 0.055）和ASD（中位数0.808，IQR 0.162）上表现最优，双模板-非线性方案与之非常接近（Jaccard中位数0.554，IQR 0.054；ASD中位数0.829，IQR 0.129）。在HD95中位数上，MR-模板-非线性、MR-模板-掩膜和双模板-非线性方案均为2.639。对于骨骼结构，sCT-模板-非线性和双模板-非线性方案在Jaccard、ASD和HD95上均显著优于其他方案。线性方案在所有定量指标上均显著差于非线性方案（p<0.001）。MR-模板-镜像方案的标准差和四分位距最大，显示其不一致性。双模板-非线性方案在ASD和HD95上的均值（±标准差）分别为0.918（±0.1774）和2.965（±0.5392），ASD与其他方法差异显著（p=0.03）。所有非线性方案均存在一定变形，但双模板-非线性方案的Jacobian行列式分析显示，在病变区域内其值范围最小，且无负Jacobian值（即无折叠变形），而sCT-模板-非线性方案有6名参与者出现负Jacobian值。双模板-非线性方案平均耗时202秒/患者，较MR-模板-非线性（90秒）和sCT-模板-非线性（123秒）更长。
**讨论与结论**
讨论部分指出，双模板-非线性配准方案在定性上明显优于其他方法，在定量上非劣于MR-模板-掩膜方案，且具有更一致的性能。该方案同时利用CT和MR数据，既保留了MR的软组织对比度，又通过CT确保了颅骨和脑室解剖的准确性，从而最小化了非线性变形。相比之下，仅使用MR的非线性方案容易导致颅骨和脑结构的扭曲，而仅使用CT的方案则缺乏软组织对比度。使用放疗剂量分布自动创建掩膜（而非手动勾画）的方法减少了用户依赖性，提高了可重复性，但需注意剂量阈值选择（15Gy）对病变边界的影响。年龄特异性模板的使用改善了配准质量。研究局限性包括单中心、单名评估者可能存在的观察者偏倚，以及未评估水肿、既往手术等因素对配准性能的影响。结论部分翻译如下：双模板-非线性配准方案在定性上具有优越性。定量上，该方案非劣于MR-模板-掩膜方案。将CT加入MR-模板配准中，在颅骨等区域提供了更高保真度，并最小化了脑内非线性变形。当旨在对脑部病变群体进行群体水平统计分析，尤其是在放疗中，研究人员建议使用双模板-非线性配准作为将参与者数据配准至共同模板空间的最鲁棒方法。
