可兼容磁共振頭頸線圈的新型固定裝置應(yīng)用于放療的可行性研究

唐慧，李光俊，李長虎，白龍，胡臻堯，柏森

四川大學(xué)華西醫(yī)院 放療科，成都市，610041

0 引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）與CT相比，軟組織分辨率高且無輻射，可提供豐富的解剖和功能生理代謝影像信息，目前廣泛用于腫瘤鑒別診斷，放療靶區(qū)勾畫和療效預(yù)測等方面。隨著精確放療的發(fā)展，優(yōu)質(zhì)的磁共振圖像質(zhì)量和精確的定位必不可少。放療專用的頭部分體式表面相控陣線圈代替頭頸線圈解決了與放療擺位裝置不兼容問題，但也降低了MRI圖像質(zhì)量[1-3]。目前有研究顯示可將放療專用線圈結(jié)合其他表面線圈使用來擴(kuò)大磁共振頭部成像范圍以改善圖像質(zhì)量，例如結(jié)合懸掛式胸部表面線圈[4]、心臟線圈結(jié)合體部線圈[5]或肢體相控陣線圈[6]等，但操作繁瑣，線圈鏈接增多穩(wěn)定性降低。影像診斷用的頭頸聯(lián)合線圈是硬質(zhì)容積相控陣線圈，覆蓋范圍可包括整個(gè)腦部和頸段，圖像均勻性高。該研究使用的24通道頭頸聯(lián)合相控陣線圈的信息采集通道數(shù)比現(xiàn)常用的6通道放療表面線圈更多，成像效果更好，但以往因不兼容放療擺位裝置而未用于放療。目前國內(nèi)外沒有關(guān)于可兼容頭頸線圈的放療固定裝置設(shè)計(jì)的報(bào)道。本文基于現(xiàn)代流行的模具制作逆向工程技術(shù)[7]，研發(fā)了可兼容頭頸線圈的新型固定裝置，著重探討該裝置對MRI和CT圖像質(zhì)量、光子劑量衰減的影響，討論其應(yīng)用于放療的可行性。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

1 資料和方法

1.1 新型固定裝置

新型固定裝置分為兩套，一套是與頭頸聯(lián)合線圈結(jié)合使用的體位固定板，用于MRI模擬定位，制作材料為凱夫拉纖維（又稱芳綸，Kevlar），形狀與頭頸聯(lián)合線圈內(nèi)弧面相貼合。MRI模擬定位時(shí)，將體位固定板嵌入頭頸聯(lián)合線圈中，體位固定板上有結(jié)合熱塑膜固定的卡扣用于患者體位固定。另一套裝置用于CT定位室和治療室，由碳纖維材料制成，其幾何結(jié)構(gòu)與MRI模擬室內(nèi)使用的裝置完全一致。該裝置的制作流程是基于計(jì)算機(jī)逆向工程技術(shù)，使用三維激光掃描頭頸聯(lián)合線圈采集其三維數(shù)據(jù)，在Solidworks軟件中重建三維圖并進(jìn)行再設(shè)計(jì)，在線圈內(nèi)增加可兼容放療擺位裝置的體位固定板。根據(jù)再設(shè)計(jì)三維圖進(jìn)行機(jī)械加工制成該體位固定板和新型固定裝置，如圖2所示。兩套裝置的幾何結(jié)構(gòu)基于同一三維圖設(shè)計(jì)，機(jī)械加工精度為±1 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experimental flow graph

圖2 新固定裝置三維圖和實(shí)體圖Fig.2 three-dimensional diagram and entity graph of new fix devices

1.2 新型固定裝置對MRI圖像的影響

依據(jù)AAPM 100號報(bào)告[8]MRI圖像質(zhì)量驗(yàn)收測試，使用GE 3 T定位MRI (Discovery 750 W)掃描有無覆蓋該裝置體位固定板的ACR模體，掃描參數(shù)： SE-T1軸位成像，TR=500 ms，TE1=20 ms，F(xiàn)OV=250 mm×250 mm，層厚=5 mm，層間距=5 mm，NSA=1，矩陣為256×256。SE-T2軸位成像，TR=2 000 ms，TE1=20 ms，TE2=80 ms，F(xiàn)OV=250 mm×250 mm，層厚=5 mm，層間距=5 mm，NSA=1，矩陣為256×256。每組圖像掃描9次，使用GE圖像后處理工作站測量MR圖像高對比度分辨率、低對比度分辨率、圖像均勻性和百分信號偽影比，具體測量方法和評估標(biāo)準(zhǔn)參照磁共振質(zhì)量控制手冊[9]用于分析體位固定板對MRI成像的影響。

1.3 新型固定裝置對CT圖像的影響

使用 SIEMENS 128排定位CT（SOMATOM Definition AS）掃描有無覆蓋該裝置的Catphantom504圓柱模體。模體內(nèi)含檢測CT密度值線性的CTP404模塊和檢測圖像均勻性及噪聲的CTP486模塊。掃描參數(shù)：120 kV，250 mA，螺距=0.8，F(xiàn)OV=388 mm，層厚=3 mm。將該裝置的頭部、肩部和胸部層面分別對應(yīng)模體內(nèi)不同模塊行CT掃描，選取對應(yīng)模塊中心連續(xù)6層圖像，在圖像后處理工作站上測量各組CT圖像的噪聲、均勻性和CT值線性，具體測量方法和評估指標(biāo)參照AAPM TG 66號報(bào)告[10]和國家標(biāo)準(zhǔn)[11-12]，每個(gè)指標(biāo)在每層圖像上測量三次取平均值。

1.4 新型固定裝置對劑量衰減的影響

掃描有無使用該固定裝置固定的SUN NUCLEAR ArcCheck 模體內(nèi)的有機(jī)玻璃多插件模體的CT定位圖像，將圖像導(dǎo)入放療計(jì)劃系統(tǒng)?；谠撗b置固定下掃描的CT圖設(shè)計(jì)劑量計(jì)算時(shí)納入與不納入裝置外輪廓的兩組放療計(jì)劃。基于無該裝置固定下掃描的CT圖設(shè)計(jì)相同優(yōu)化條件的計(jì)劃，測量射線穿過裝置表層、裝置單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)三種情況下的射線衰減率。射野分布如下：區(qū)域一（肩部表層）：80o～104o和256o～280o，6o/野；區(qū)域二（雙層結(jié)構(gòu)）：104o～110o和250o～256o，6o/野；區(qū)域三（單雙層交界）：110o～142o和218o～250o，8o/野；區(qū)域四（單層結(jié)構(gòu)）：161o～218o，19o/野。射野大小為5×5 cm2，能量為6 MV，100 MU/野。在Varian Edge加速器上使用PTW31010型0.125 cm3指型電離室測量該裝置不同區(qū)域的劑量衰減率，測量前使用CBCT進(jìn)行圖像引導(dǎo)擺位，每個(gè)射野測量三次取平均值。射線衰減率計(jì)算公式為[1-(DoseDevice/Dosephantom)]×100%。DoseDevice和Dosephantom分別為使用和未使用該裝置固定下實(shí)際測量/計(jì)劃計(jì)算的中心點(diǎn)劑量。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 23.0軟件對使用該裝置與否掃描的MR圖像均勻性、百分信號偽影比、CT圖像噪聲、均勻性和測量CT值與標(biāo)稱值差異測量結(jié)果進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，對實(shí)際測量衰減率與計(jì)劃計(jì)算衰減率結(jié)果進(jìn)行Mann-Whitney秩和檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 MR圖像

結(jié)合體位固定板與否掃描的MRI圖像高對比度分辨率均為1 mm；低對比度分辨率測量中的低對比輪輻數(shù)總和平均值均為38；圖像均勻性的PIU平均值為0.88和0.87，百分信號偽影比平均值分別為0.000 365和0.000 267，差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）且滿足磁共振質(zhì)量控制手冊要求[9]。

2.2 CT圖像

該固定裝置對CT圖像噪聲影響結(jié)果，如表1所示；圖像均勻性結(jié)果，如表2所示。結(jié)果顯示胸組和頭組層面測量的噪聲和均勻性分別與未覆蓋該裝置的參考組比較均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。肩部層面測量的噪聲值和均勻性均具有顯著性差異（t=10.19，P＜0.05；t=4.99， P＜0.05），肩部均勻性偏差大于4 HU，不滿足臨床要求和國家標(biāo)準(zhǔn)。

表1 新固定裝置對CT圖像噪聲的影響Tab.1 The noise of CT image with new fixed device

表2 新固定裝置對CT圖像均勻性影響Tab.2 The homogeneity of CT image with new fixed device

CT值線性結(jié)果見圖3。將密度插件的X線性衰減系數(shù)和測量的CT值擬合得到CT-密度曲線，比較每條曲線的對比度：即曲線的斜率倒數(shù)。根據(jù)我國軍隊(duì)暫行標(biāo)準(zhǔn)[13]，對比度要求為（1.9±0.1）×10-4，各組均符合標(biāo)準(zhǔn)。表3為測量CT值和標(biāo)稱CT值間的差異。結(jié)果顯示該裝置各層面測量的CT值和標(biāo)稱CT值間的差異與參考組比較均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖3 CT-密度曲線Fig.3 CT-Density curve

2.3 劑量衰減

6 MV光子在區(qū)域1～4的實(shí)際平均劑量衰減率分別為7.11%、1.17%、1.19%、1.58% ，Plan A+計(jì)算的平均衰減率為6.68%、1.25%、1.07%、0.79%， Plan A為0.38%、3.21%、0.71%、0.6%。表4和圖4為實(shí)際測量和兩個(gè)計(jì)劃計(jì)算的劑量衰減結(jié)果比較。結(jié)果顯示實(shí)際測量的劑量衰減率僅與Plan A計(jì)算的劑量衰減率比較具有顯著性差異（Z=-2.58，P=0.01）。Plan A+的衰減率與實(shí)際衰減率更接近。

表3 測量CT值和標(biāo)準(zhǔn)CT值差異Tab.3 The difference between measured and standard CT value

表4 實(shí)際測量和計(jì)劃計(jì)算衰減率Tab.4 The measured and calculated percent attenuation

圖4 實(shí)際測量與Body納入裝置輪廓計(jì)算（Plan A+）劑量衰減率Fig.4 The percent attenuation of measured and calculated

3 討論

放療表面線圈由兩片柔軟線圈組成，掃描時(shí)置于患者兩側(cè)，理論上更貼近患者表面，人體淺表組織的信噪比優(yōu)于容積頭頸聯(lián)合線圈[14]，但近線圈效應(yīng)使圖像均勻性降低，距離線圈越近信號越高，距離越遠(yuǎn)則信號越低[3,15]，進(jìn)行校準(zhǔn)后圖像質(zhì)量仍略差于頭頸聯(lián)合線圈掃描圖像[16]，對于個(gè)別體重較大患者，在圖像中心信噪比會(huì)較低[17]。因表面線圈面積有限導(dǎo)致線圈無法覆蓋整個(gè)掃描區(qū)域，頭腳方向信號低于左右兩側(cè)，頸部覆蓋不足，成像效果差，圖像質(zhì)量有待提高[2-3]。

該裝置的制作材料為放療固定裝置常用材料。放療CT定位室和治療室的床板、頭枕材料以碳纖維為主，但碳纖維可作為導(dǎo)體使MRI掃描時(shí)產(chǎn)熱，干擾射頻信號，可能會(huì)改變磁化率引起圖像幾何變形[18]。所以MRI模擬定位室常使用凱夫拉纖維或玻璃纖維床板，其形狀規(guī)格與CT定位室及治療室一致[19]。研究結(jié)果顯示凱夫拉纖維為主體制作的體位固定板對MRI成像不存在明顯影響，與實(shí)際情況相符合。

CT成像結(jié)果顯示，該裝置的頭部和胸部層面對CT成像圖像質(zhì)量無明顯影響，胸部層面主要為單層材料，頭部層面主要為雙層材料，二者平均劑量衰減率均小于3%。但肩部層面的噪聲和均勻性與參考組比較存在顯著性差異，劑量衰減超過3%，衰減最大區(qū)域?yàn)榧绮勘韺樱蚩赡苁巧渚€在90o和270o左右時(shí)穿過肩部表層，表層設(shè)計(jì)為實(shí)心結(jié)構(gòu)使射線穿射路徑增加或材料內(nèi)含有雜質(zhì)。將裝置沿中心每隔5o旋轉(zhuǎn)掃描等效人體組織頭模CT圖像，待裝置旋轉(zhuǎn)至20o～30o時(shí)肩部層面圖像質(zhì)量改善，未見明顯偽影，證實(shí)未含雜質(zhì)。根據(jù)放射生物學(xué)的理論要求劑量的精確性為3%～5%， AAPM TG176號報(bào)告建議固定裝置造成的劑量衰減較大時(shí)應(yīng)將其包含在計(jì)劃設(shè)計(jì)范圍內(nèi)和射束劑量計(jì)算中[20]。與本文計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)考慮裝置輪廓計(jì)算的劑量衰減與實(shí)際衰減測量更接近結(jié)果相符合。該研究存在許多不足，首先，該實(shí)驗(yàn)對象為模體，無法代替實(shí)際病人，后續(xù)將開展臨床驗(yàn)證。其次，部分實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)有限，因?yàn)檎J(rèn)為某些實(shí)驗(yàn)和結(jié)果具有高度可重復(fù)性，相對較小的樣本量可以代表一個(gè)令人信服的結(jié)果。研究結(jié)果顯示該裝置可用于MRI模擬定位，其胸部和頭部層面對影像成像質(zhì)量無明顯影響且劑量衰減小于3%，認(rèn)為其可用于顱內(nèi)腫瘤放療。研究結(jié)果提示，肩部表層因增加了射線穿射路徑造成CT圖像噪聲和劑量衰減增加，該層面在實(shí)際患者中一般對應(yīng)頸部區(qū)域，可能會(huì)降低頸部個(gè)別層面的CT圖像質(zhì)量。CT圖像噪聲不能徹底消除，但可通過技術(shù)手段將其減輕，例如目前有很多降低CT圖像噪聲的優(yōu)化算法等方式可以將圖像所受干擾降到最小，或適當(dāng)調(diào)整窗寬和窗位，使其在診斷的窗寬、窗位范圍內(nèi)不顯示出來，或調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比如鏤空和傾斜等可以減少射線穿透路徑從而改善CT圖像質(zhì)量，通過這一系列的方式也許能最大限度地降低其對頸部病灶CT成像質(zhì)量的影響，使其應(yīng)用范圍在未來能擴(kuò)展至頭頸腫瘤放療。后續(xù)將開展端對端測試和臨床實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其定位精度，圖像配準(zhǔn)精度和結(jié)合功能磁共振成像應(yīng)用的優(yōu)勢。