MRI在放療中的應(yīng)用進(jìn)展

姚麗紅 王俊杰北京大學(xué)第三醫(yī)院腫瘤放療科，北京 1191

MRI在放療中的應(yīng)用進(jìn)展

姚麗紅 王俊杰#
北京大學(xué)第三醫(yī)院腫瘤放療科，北京 1001910

現(xiàn)代磁共振成像（MRI）技術(shù)已經(jīng)迅速應(yīng)用到放射治療領(lǐng)域的各個方面。本文旨在簡要介紹MRI技術(shù)的最新進(jìn)展，介紹與放療相關(guān)的內(nèi)容：腫瘤可視化和成像特點(diǎn)、模擬定位以及外放療中的影像引導(dǎo)作用。關(guān)注點(diǎn)在于還原放療中MRI技術(shù)的最新進(jìn)展。

MRI；放療；成像

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在過去的30年中成為現(xiàn)代診斷用影像的主要組成部分，廣泛用于解決臨床問題。磁共振技術(shù)成果斐然的一個原因在于其高層次的技術(shù)創(chuàng)新，這個因素引領(lǐng)MRI成為了多功能醫(yī)學(xué)影像設(shè)備。本文將簡要介紹磁共振成像技術(shù)在放療中的應(yīng)用進(jìn)展。

1　MRI中腫瘤的可視化和成像特點(diǎn)

在影像學(xué)中，某種成像方法的診斷價值是其存在的主要意義。但在腫瘤的放療過程中，卻是能準(zhǔn)確地勾畫腫瘤輪廓。此時，影像最重要的特征是高分辨率及腫瘤和周圍組織器官較高的對比度。

在放療計劃的設(shè)計和實(shí)施中，為了獲得更高的空間分辨率和各向同性的影像，需要使用三維（three dimensional，3D）MRI。3D MRI的優(yōu)勢是提高了信噪比，但這是以增加運(yùn)動敏感性和圖像獲取時間為代價的。穩(wěn)態(tài)自由旋進(jìn)成像方法實(shí)現(xiàn)了快速、高分辨率的圖像獲取和幾何穩(wěn)定性［1］，但伴隨的缺點(diǎn)是這些圖像顯示出混合的T1和T2對比以及對主磁場B0各向異性的懷疑，這些都會導(dǎo)致頻帶偽影［2］?？焖僮孕夭夹g(shù)可以產(chǎn)生預(yù)先定義的對比度，可對主磁場B0不均勻性自發(fā)修正，但缺點(diǎn)是耗時長且對瑕疵的敏感性差。一種特殊的影像獲取方法叫作回波平面成像，這是磁共振功能成像（fMRI）腦研究和彌散加權(quán)成像的主力，這種方法可以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)收集和高信噪比成像［3］，但與放療中應(yīng)用的設(shè)想還有很大的差距。原因是這種方法對磁場不均勻性的極端敏感會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重扭曲，特別是在空氣-組織對比度大的部位，如頭頸部［4］。

對于胸腹部的器官，呼吸運(yùn)動干擾了MRI影像質(zhì)量，此時，最簡單的解決辦法是抑制呼吸，但控制呼吸限制了時間的測量，同時限制了影像的分辨率［5］。另外，如果呼吸抑制的位置難以再現(xiàn)，就會導(dǎo)致獲取影像的不連續(xù)性。對患者更友好的一個方法是使用MRI引導(dǎo)或外部呼吸壓力帶。這種方式可以在呼吸周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)相位的數(shù)據(jù)采集，避免了在成像過程中偽影的產(chǎn)生。采用這些技術(shù)，可以使胰腺、肝臟和胃部的腫瘤有效地成像［6］。使用心臟搏動作為激發(fā)信號可實(shí)現(xiàn)胸腔腫瘤的成像校正，如食管癌或是縱隔淋巴結(jié)等［7］。

除了高分辨率，腫瘤周圍高對比度在靶區(qū)的精確勾畫中也非常重要。MRI的長處在于通過脈沖序列參數(shù)的處理可以建立與生物體不同的對比度［8］。最重要的非依賴對比機(jī)制是T1和T2延遲相以及水分子彌散相［9］。T1和T2相本身的對比度就可以將實(shí)質(zhì)腫瘤從正常組織中區(qū)分出來。另外，水和包繞組織器官的脂肪對比明顯，這有助于定義腫瘤邊界。由于腫瘤周圍感染或血管受阻和淋巴倒流的原因，腫瘤周圍會形成水腫區(qū)域。這種情況在頭頸部腫瘤中經(jīng)常發(fā)生，表現(xiàn)為在T2相上的高信號，大多數(shù)情況下會高估腫瘤靶區(qū)（GTV）［10］。另外一種內(nèi)生對比度是T2*，反映了某種誘發(fā)因素，如脫氧血紅蛋白造成的不均質(zhì)性。血氧合度依賴（blood oxygenation level dependent，BOLD）成像正是利用了這種機(jī)制，脫氧血紅蛋白引起T2*信號的降低，所以BOLD磁共振可以表示腫瘤的氧合狀態(tài)。大多數(shù)腫瘤的一個重要生理學(xué)特性是因?yàn)檠苌蓹C(jī)制失衡導(dǎo)致的血管受損。為測量微血管參數(shù)的改變，可以使用一種外生的增強(qiáng)對比度藥劑，通過成像監(jiān)測組織攝取這種藥劑的量，從而獲取血流信息；測量血流信息的另外一種方法是基于磁化標(biāo)記血流的動脈自旋標(biāo)記法，血液通過的時候可以引起組織器官信號強(qiáng)度的微弱變化。這種技術(shù)的主要優(yōu)勢在于不需要注射對比劑，但與增強(qiáng)對比技術(shù)相比，其敏感性相對較低。

雖然對比度得到了改善，但腫瘤的精確勾畫仍然是困難的，彌散加權(quán)成像已經(jīng)作為一種改善CTV清晰度的新工具被提出來。

腫瘤勾畫的不精確是放療不精確的主要原因。為了改善這一點(diǎn)，基于多參數(shù)量化的MRI自動分割技術(shù)可能是有幫助的。動力增強(qiáng)MR（Idynamic enhanced MRI，DCE-MRI）和彌散加權(quán)MRI （diffusion weighted imaging，DWI）是兩種廣泛應(yīng)用的量化MRI方法。DCE-MRI可提供微血管的信息，如血管滲透性、血流和細(xì)胞外空間，由于腫瘤中存在血管生成，這些因素在腫瘤組織中都發(fā)生了改變。從DWI衍生的表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）反映了微觀水流動性，這關(guān)系到結(jié)構(gòu)微環(huán)境［11］。對于腫瘤體素的自動分配，就要求更高的體素特異性。不同的參數(shù)一般不能表明相同的體素是腫瘤［12］。多參數(shù)映射的一個缺點(diǎn)是采集影像耗時長。最近，有研究提出一個新的概念為MRI指紋，定量圖像采集和處理方法［13］，可快速、重復(fù)、定量MRI檢查。

最近，對更好的淋巴結(jié)影像的需求更加強(qiáng)烈。隨著局部腫瘤治療率的提高，淋巴結(jié)復(fù)發(fā)越來越突出［14］。通常，淋巴結(jié)復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移是根據(jù)大小診斷的，但是經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)假陽性和假陰性淋巴結(jié)。頭頸部成像時，DWI對于亞厘米級別的陽性淋巴結(jié)具有高度敏感性和特異性［15］。然而，在盆腔部位，與常規(guī)MRI相比，DWI不會增加任何的診斷價值［16］。對于乳腺和前列腺癌應(yīng)用超小超順磁性氧化鐵（ultra-small super-paramagnetic iron oxide，USPIO）可以獲得很好的效果［17］。由于陰性淋巴結(jié)是由巨噬細(xì)胞組成的，USPIO粒子聚集在陰性淋巴結(jié)當(dāng)中。由于鐵負(fù)荷，正常淋巴結(jié)MRI信號會在注射造影劑后約24 h消失，由于轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)的鐵吸收非常低，MRI信號的變化最小。盡管有可喜的結(jié)果以及精確診斷淋巴結(jié)的需求，但食品和藥監(jiān)局仍然沒有發(fā)布批準(zhǔn)使用USPIO的消息。

除了陽性淋巴結(jié)的診斷，選擇性放療高危區(qū)域淋巴結(jié)是臨床的常規(guī)實(shí)踐。CT是定義這些區(qū)域常用的方法，但是較小的淋巴結(jié)在CT上不能看到。因此，將發(fā)現(xiàn)的大部分淋巴結(jié)區(qū)域定義為解剖邊界。由于較高的對比度，MRI可能以更高的敏感度識別淋巴結(jié)，但需要與脂肪、血管和肌肉周圍組織鑒別診斷。這可以通過一個擴(kuò)散加權(quán)的內(nèi)在脈沖序列，如用在神經(jīng)成像的序列就可實(shí)現(xiàn)［18］。

2　模擬定位

照射野的確定需要精確的幾何數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)將通過患者在固定的放療體位下獲得。應(yīng)用MRI定位時有兩方面需要注意：MRI容易發(fā)生幾何和灰度畸變，現(xiàn)在的MRI掃描機(jī)都有掃描床和與患者匹配的不同類型射頻線圈，這些都可能與放療擺位發(fā)生矛盾。單獨(dú)使用MRI做放療計劃是不可行的，而應(yīng)用MRI和CT的融合數(shù)據(jù)是一種可行的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于CT可以在一個較大的視野下提供幾何精確性，為劑量計算提供組織電子密度，同時，MRI可以放大腫瘤體積并提供詳細(xì)的勾畫和表征信息。

無論選擇什么方法，在放療計劃中引入MRI之前，認(rèn)真研究MRI圖像失真的原因和影響是必要的。

MRI影像可以通過許多的脈沖序列得到。由于采用的脈沖序列和檢查部位不同，MRI發(fā)生影像失真的嚴(yán)重程度也不同。對MRI影像失真的研究可追溯到20世紀(jì)80年代，在歐洲的一項(xiàng)多中心研究中，Lerski等［19］觀察到機(jī)器相關(guān)的幾何失真可達(dá)13 mm。MRI影像中的幾何失真主要來自靜態(tài)磁場的不均勻性和梯度的非線性。靜磁場和梯度系統(tǒng)的缺陷是由相關(guān)的系統(tǒng)失真引起的，如今大多數(shù)現(xiàn)代MRI機(jī)器的后期處理工具即可校正。越靠近影像的邊緣，梯度和靜態(tài)場失真越嚴(yán)重。以往的MRI放療模擬系統(tǒng)，如全景0.23 T（飛利浦），小射野邊緣失真不受控制。在大多數(shù)臨床情況下，腫瘤將被定位在靠近中心的位置，系統(tǒng)相關(guān)的失真將被最小化，現(xiàn)代MRI系統(tǒng)失真可控制在亞毫米范圍內(nèi)。

主磁場B0的誤差主要來源于磁共振掃描儀，如上文所述這種誤差可以被糾正，但主磁場B0誤差也可來源于患者。由于人體磁敏度分布是干擾該磁場的主要因素，這些幾何變形與患者解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)。由于組織和空氣之間相對較大的敏感性差異，考慮圖像最大失真發(fā)生在組織-空氣界面。磁場分布和簡單的圖像（如圓柱體或球體）失真已解決。對于患者周圍的磁場，必須采用數(shù)值方法。Bhagwandien等［20］開發(fā)了一種基于有限差分法來計算3D物體內(nèi)部和周圍的磁場分布，并將其應(yīng)用于人體。事實(shí)上，磁場擾動在組織-空氣交界面是最大的，如頭外-5～6 ppm和-6～5 ppm頭內(nèi)鼻竇附近。所得圖像失真依賴于讀出梯度的強(qiáng)度，如典型讀出梯度強(qiáng)度在-5～5 mm（1.5 mT的M-1在1.5 T）。這些易感的相關(guān)錯誤與梯度強(qiáng)度是成反比的，而梯度相關(guān)的錯誤是獨(dú)立于梯度強(qiáng)度的。因此，相對信噪比更加需要考慮幾何保真度時，建議采用最強(qiáng)的讀出梯度，與3.0 T的系統(tǒng)相比，1.5 T的系統(tǒng)更容易控制?？捎妹}沖序列獲得無失真的影像，脈沖序列僅應(yīng)用在MRI信號的相位編碼，即所謂的單點(diǎn)成像。然而，相位編碼是耗時的且不常用于臨床MRI成像。壓縮感知可以加速單點(diǎn)成像，另一種方法是測量磁場誤差，并用此誤差來校準(zhǔn)MRI影像。對于所有的正常成像應(yīng)用，易發(fā)生相關(guān)的錯誤能夠被減少到亞毫米級。有一個特殊的DWI序列有望實(shí)現(xiàn)功能成像。通常DWI是基于回波平面成像（echo planar imaging，EPI）序列的，由于在相位編碼方向上的低寬帶像素，誤差可達(dá)厘米量級，因此EPI序列對于易感性錯誤高度敏感。必須采用認(rèn)真計劃磁場的方式來校正這些失真。

對于具有較高帶寬和序列的功能成像（DCEMRI和DWI）掃描序列一般包括T2加權(quán)二維快速自旋回波（TSE）序列和高分辨率三維穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動（SSFP）序列。勾畫的腫瘤靶區(qū)可被保存在該高分辨率三維穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動影像集上，SSFP影像集與CT數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后用于治療時患者擺位。影像共配準(zhǔn)在很多方面都是有可能的，并且正在成為一種新的趨勢［21］。

正如4D CT、MRI可提供器官運(yùn)動的信息［21］，電影MRI可以以亞秒的級別提供呼吸相關(guān)信息，而不涉及任何輻射劑量。這些常規(guī)技術(shù)使用分級技術(shù)，從而通過后處理的方式提供4D信息?，F(xiàn)代技術(shù)試圖通過2D的方式獲得MRI實(shí)時數(shù)據(jù)［22］，目前還可通過3D的方式提供評估靶區(qū)邊界和指導(dǎo)治療所需的數(shù)據(jù)［23-24］。

3　MRI在外放療中的圖像引導(dǎo)作用

MRI具有優(yōu)良的軟組織對比度，實(shí)時的成像能力和無電離輻射，理論上，MRI用于治療引導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)靶區(qū)直視。它可以使患者在擺位時依據(jù)患者的實(shí)際體位、形狀和運(yùn)動特點(diǎn)進(jìn)行，在照射過程中也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時的運(yùn)動追蹤。運(yùn)動追蹤可用于實(shí)時治療引導(dǎo)，但是不能用于記錄劑量重建和累及的解剖結(jié)構(gòu)改變，這樣就為治療過程中提供了獨(dú)特的擺位和劑量確定性。為了得到這種混合的MRI，在圖像重建的不同階段還需要發(fā)展一種新的放療技術(shù)。光子束治療系統(tǒng)是不受磁場影響的，但會影響二次電子的產(chǎn)生，此影響的大小取決于磁場強(qiáng)度和磁場相關(guān)的入射束的方向。在MRI中，信號一般是通過一種放在患者身上的射頻線圈收集的，這種線圈的最佳位置難免要在照射野內(nèi)，而射頻線圈可使射線衰減，也可造成潛在的圖像劣化。

4　小結(jié)

綜上所述，現(xiàn)代MRI對放療過程的影響是巨大的。基于MRI的模擬定位機(jī)的應(yīng)用正在成為臨床常規(guī)的一部分，提高了放療介入放射的成功率，但仍存在許多問題尚待探討。

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R730. 4

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10.11877/j.issn.1672-1535.2016.14.05.01

（corresponding author），郵箱：junjiewang_e du@sina.cn

2016-01-25）