磁共振成像技術(shù)新進(jìn)展

作為一種臨床診斷技術(shù)，磁共振成像為人體內(nèi)部疾病診斷提供了無(wú)與倫比的靈活性。

1977年，雷蒙德·達(dá)馬迪安（Raymond Damadian）、邁克爾·戈德史密斯（Michael Goldsmith）和勞倫斯·明科夫（Lawrence Minkoff）觀察到癌變組織和健康組織會(huì)產(chǎn)生不同的核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）信號(hào)，受到這一現(xiàn)象的啟發(fā)，他們對(duì)人體進(jìn)行了首次磁 共 振（magnetic resonance imaging，MRI）掃描。早期的臨床MRI掃描耗時(shí)幾個(gè)小時(shí)，并且空間分辨率很低，但是對(duì)于辨別健康組織和病變組織已不可或缺。問(wèn)世40年，MRI已成為大小醫(yī)院和診所的必備診斷工具，并且已應(yīng)用于圖像引導(dǎo)的干預(yù)和手術(shù)、放射治療、聚焦超聲等。同時(shí)，技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了MRI掃描儀性能的發(fā)展，提高了掃描速度和成像的空間分辨率。

在MRI技術(shù)發(fā)展的前沿，研究工作聚焦于快速、定量成像。除了解剖結(jié)構(gòu)外，臨床診斷對(duì)功能信息的需求日益增長(zhǎng)，如心肌收縮、腦活動(dòng)、腫瘤的化學(xué)濃度、進(jìn)出組織的血流等信息。新的MRI技術(shù)還必須保持患者的舒適性和安全性。眾所周知，MRI可以使患者免于電離輻射，但并非毫無(wú)危害。

MRI工作原理

把生物組織置于磁場(chǎng)中時(shí)，具有磁矩的原子核就會(huì)磁化。然后施加與原子核的共振頻率（又稱“拉莫爾頻率”）一致的射頻脈沖，使原子核的排列方向與外部磁場(chǎng)不一致，而繞著磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)的核反過(guò)來(lái)感應(yīng)出拉莫爾頻率的振蕩磁場(chǎng)，這些振蕩是通過(guò)在附近線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的法拉第感應(yīng)探測(cè)到。

實(shí)際上，許多原子核必須彼此同相進(jìn)動(dòng)才能產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)。進(jìn)動(dòng)核之間隨著時(shí)間產(chǎn)生的相位相干性損失稱為“T2弛豫”。在外部磁場(chǎng)的作用下，原子核的排列方向最終回到其平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱為“T1弛豫”。早期的NMR實(shí)驗(yàn)表明，各種組織具有不同的T1和T2弛豫時(shí)間。對(duì)于某些疾病，包括癌癥，T1和T2任一時(shí)間的變化都可以用來(lái)辨別病變組織和健康組織。當(dāng)病變組織與周圍健康組織對(duì)X射線的吸收相似的情況下，就難以使用X射線造影或X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）進(jìn)行檢測(cè)，這時(shí)NMR的這一特征就非常有用。

在NMR測(cè)量中，可以選擇施加射頻脈沖和讀出來(lái)自組織的射頻信號(hào)的時(shí)間，以便由最短T1弛豫時(shí)間的組織產(chǎn)生最強(qiáng)信號(hào)。以這種方式選擇時(shí)間的測(cè)量稱為“T1加權(quán)測(cè)量”?；蛘撸部梢赃x擇脈沖序列時(shí)序，使最強(qiáng)信號(hào)來(lái)自具有最長(zhǎng)T2弛豫時(shí)間的組織，這就是T2加權(quán)結(jié)果。

在組織中，氫核是數(shù)量最豐富的可磁化核。它的旋磁比為42.56 MHz / T，因此對(duì)于1.5 T和3 T 的MRI掃描儀，其運(yùn)轉(zhuǎn)的拉莫爾頻率分別約為64 MHz和128 MHz。目前，范圍介于0.2 T到7 T之間的磁體用于臨床掃描，在研究環(huán)境中則可以進(jìn)行高達(dá)10.5 T的人體掃描。

空間編碼

使用來(lái)自組織的NMR信號(hào)進(jìn)行臨床診斷，需要將信號(hào)在三維空間進(jìn)行定位才能成像，MRI掃描儀中的三組電磁梯度線圈完成了該任務(wù)。每個(gè)電磁梯度線圈分別沿三個(gè)正交軸產(chǎn)生線性變化的磁場(chǎng)，并且可以根據(jù)所施加的電流來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉每個(gè)梯度，以產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度。梯度場(chǎng)疊加在主磁場(chǎng)（通常為1.5 T或3 T）上，從而產(chǎn)生隨空間位置變化的拉莫爾頻率。如果在一段時(shí)間應(yīng)用了某一梯度然后關(guān)閉，則所有信號(hào)都具有相同的頻率，但是信號(hào)在梯度打開(kāi)期間累積的相對(duì)相位會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)樾盘?hào)的相位會(huì)根據(jù)在梯度軸上的位置而變化。

頻率編碼（當(dāng)應(yīng)用梯度場(chǎng)時(shí)采集NMR信號(hào)）在一個(gè)空間維度上產(chǎn)生隨空間位置變化的共振頻率。相位編碼是沿一個(gè)軸施加梯度場(chǎng)一段時(shí)間，然后在采集NMR信號(hào)之前消除梯度場(chǎng)。在MRI中，沿著相互垂直的兩個(gè)軸分別進(jìn)行頻率編碼和相位編碼，從而在二維空間對(duì)信號(hào)進(jìn)行定位。

梯度還可以對(duì)組織的斷層掃描切層進(jìn)行選擇性成像。通過(guò)在切層平面上施加正交磁場(chǎng)梯度，可以改變?cè)雍说墓舱耦l率，以便僅將感興趣切層中的共振頻率與用于激發(fā)組織的入射射頻磁脈沖的頻率匹配。許多臨床MRI使用該方法。當(dāng)依次進(jìn)行面內(nèi)頻率和相位編碼以及數(shù)據(jù)讀出時(shí)，只有那些在所需位置且在所選切層厚度內(nèi)的核才會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。

早期的MRI使用各種技術(shù)在空間上排列信號(hào)以產(chǎn)生圖像。但是，保羅·勞特布爾（Paul Lauterbur）和彼得·曼斯菲爾德（Peter Mans field）開(kāi)發(fā)的空間編碼方法已成為當(dāng)今臨床MRI的標(biāo)準(zhǔn)，他們?cè)?003年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。磁共振掃描通常是涉及切層選擇性激發(fā)的迭代過(guò)程，然后進(jìn)行相位編碼、頻率編碼和信號(hào)檢測(cè)，如此這般重復(fù)數(shù)百次，才產(chǎn)生一張組織的切層圖像。每次，臨床醫(yī)生使用不同的相位編碼梯度強(qiáng)度，采集每個(gè)周期內(nèi)組織發(fā)出的射頻波形，然后將其存儲(chǔ)在稱為“k空間”的矩陣的一行中，該矩陣以波數(shù)或空間頻率命名。

梯度空間編碼具有將來(lái)自組織的信號(hào)變化分解為空間頻率的傅立葉級(jí)數(shù)的效果。所采集的射頻波形表示信號(hào)強(qiáng)度的空間頻率，并且k空間數(shù)據(jù)的2D傅立葉逆變換可以產(chǎn)生組織的二維圖像。使用快速傅立葉變換技術(shù)，可以快速高效進(jìn)行MRI圖像重建，并且在掃描完成后幾乎立即會(huì)在屏幕上顯示數(shù)十乃至數(shù)百?gòu)垐D像。

在MRI掃描中，射頻發(fā)射器、接收器和梯度線圈的激發(fā)次數(shù)和相對(duì)時(shí)間形成脈沖序列。該序列是確定所采集信號(hào)量和編碼在圖像中的NMR信息類型（例如對(duì)比度加權(quán)）的配方。

由訓(xùn)練有素的放射科醫(yī)生對(duì)加權(quán)圖像進(jìn)行定性評(píng)估是有效的診斷工具（示例參見(jiàn)圖1），但是為了改善診斷，醫(yī)生越來(lái)越關(guān)注組織參數(shù)的定量測(cè)量。水?dāng)U散率和化學(xué)濃度可以定量測(cè)量。但是，T1和T2加權(quán)圖像中的信號(hào)強(qiáng)度通常是相對(duì)的，不能表示成像組織中T1或T2弛豫時(shí)間的絕對(duì)定量測(cè)量。這樣的測(cè)量是可能的，并且進(jìn)行該測(cè)量的有效技術(shù)是研究的熱門領(lǐng)域。圖2顯示了正常和囊性纖維化患病肺組織的定量T1測(cè)量值的差異。由于信號(hào)水平本來(lái)就很低，因此很難使用定性MRI對(duì)肺組織進(jìn)行成像，但是定量T1圖可清晰顯示疾病。

圖1 T1加權(quán)（左）和T2加權(quán)（右）的大腦MRI

圖2 健康志愿者（左）和囊性纖維化（CF）患者（右）的肺部定量T1 MRI

T1是指使組織中的原子核在磁場(chǎng)中恢復(fù)到其平衡排列狀態(tài)所需的時(shí)間，而T2是指原子核失去其相位相干性所需的時(shí)間?？梢赃x擇射頻脈沖的時(shí)間，使MRI信號(hào)來(lái)自具有最短T1時(shí)間或最長(zhǎng)T2時(shí)間的組織。這些不同的脈沖時(shí)間形成的圖像說(shuō)明：在同一組織中，如何調(diào)節(jié)MRI以產(chǎn)生不同的信號(hào)強(qiáng)度。充滿液體的心室（箭頭）在T1加權(quán)圖像上比大腦組織暗，在T2加權(quán)圖像上比大腦組織亮。

CF患者肺部的T1值較低，表明流向瘢痕肺組織的血流減少。研究人員希望使用這些T1的測(cè)量值來(lái)監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展和治療效果。

造影增強(qiáng)

在X射線成像中，放射科醫(yī)生可以使用造影劑（例如鋇和碘）填充血管、腸道等難以看見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。在血液中流動(dòng)的造影劑會(huì)極大減弱輻射，并使血管本身的成像以及組織中血液輸送位置的確定變得非常容易。

在MRI中，主要的造影劑是釓，它能與各種分子結(jié)合以防止與人體發(fā)生毒性相互作用。游離的Gd3+離子與Ca2+代謝競(jìng)爭(zhēng)。順磁性的釓核形成強(qiáng)大的局部磁場(chǎng)，并大大縮短附近氫核的T1弛豫時(shí)間。結(jié)果，如圖3所示，液體或組織中的釓造影劑增加了T1加權(quán)MRI的局部亮度。

腫瘤（箭頭）在沒(méi)有造影劑的情況下只是輕微可見(jiàn)。腫瘤中形成的新血管導(dǎo)致大量吸入造影劑，使得腫瘤在造影增強(qiáng)的圖像中更加明顯可見(jiàn)。

圖3 沒(méi)有（左）和有（右）釓造影劑的大腦的T1加權(quán)圖像

幾種商業(yè)的釓類造影劑常常用于所有身體部位疾病的MRI檢查中，兩個(gè)主要的安全問(wèn)題是螯合物的穩(wěn)定性和造影劑在組織中的殘留。經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間后，大多數(shù)螯合物最終會(huì)分解并釋放出游離的Gd3+離子。如果此過(guò)程的持續(xù)時(shí)間比造影劑從體內(nèi)清除的時(shí)間長(zhǎng)得多，則不用考慮安全問(wèn)題。但是，如果造影劑在組織中保留的時(shí)間足以使螯合物分解，則毒性確實(shí)會(huì)成為問(wèn)題。最近的研究表明，某些組織保留釓類造影劑的時(shí)間，可能比人們以前懷疑的時(shí)間要長(zhǎng)得多。

快速成像

在MRI中，獲取圖像需要時(shí)間，每個(gè)圖像通常需要2-5分鐘。采集掃描數(shù)據(jù)時(shí)，患者經(jīng)常必須以不自然的姿勢(shì)躺著不動(dòng)。某些掃描受到患者非自愿運(yùn)動(dòng)（心跳或腸道蠕動(dòng)）的影響，為了捕獲那些運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的清晰圖像，快速掃描至關(guān)重要。醫(yī)生可以指導(dǎo)患者控制呼吸和吞咽，但是患者能確實(shí)屏住呼吸或保持靜止的時(shí)間有限。

為了縮短掃描時(shí)間，可以犧牲很多圖像質(zhì)量參數(shù)，但是這樣做可能會(huì)限制醫(yī)生做出自信診斷的能力?？s短掃描時(shí)間還會(huì)降低空間分辨率，生成顆粒狀有斑點(diǎn)的圖像。所謂的“并行成像技術(shù)”提高掃描速度的方法是：使用置于感興趣的組織周圍不同位置的射頻接收器線圈的相控陣列。為了縮短掃描時(shí)間，采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)少于空間分辨率掃描視野（ field of view，F(xiàn)OV）通常所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

在一類并行MRI技術(shù)中，放射科醫(yī)生保持空間分辨率，但對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行欠采樣以節(jié)省時(shí)間，這一過(guò)程產(chǎn)生的視野較小。他可能會(huì)合并一組較小的視野以產(chǎn)生較大的視野，在這種情況下，陣列中的每個(gè)線圈都需要校準(zhǔn)。這些靈敏度編碼（SENSE）方法為空間編碼提供了新功能：組織在多個(gè)接收器線圈中產(chǎn)生的相對(duì)信號(hào)、補(bǔ)充頻率和相位編碼的信息。在另一類并行MRI技術(shù)中，在掃描過(guò)程中省略一些k空間數(shù)據(jù)以節(jié)省時(shí)間，在重建之前進(jìn)行合成。

并行成像可加快采集實(shí)現(xiàn)良好空間分辨率所需的所有樣本的過(guò)程，壓縮感知?jiǎng)t可以進(jìn)一步加快掃描速度。該技術(shù)完全省去部分采樣以節(jié)省掃描時(shí)間，數(shù)據(jù)用離散余弦和小波變換來(lái)處理，該方法廣泛應(yīng)用于數(shù)字?jǐn)z影和視頻的圖像壓縮。這些數(shù)據(jù)變換會(huì)生成所需空間分辨率的MR圖像，但是從通常需要的部分測(cè)量數(shù)據(jù)中生成MR圖像。實(shí)質(zhì)上，較小的數(shù)據(jù)集包含了 MR圖像的壓縮版本；在圖像重建時(shí)，該壓縮版本使用這些數(shù)據(jù)變換進(jìn)行解壓。

通過(guò)將并行成像與壓縮感知相結(jié)合，無(wú)需患者屏住呼吸即可進(jìn)行高質(zhì)量的肝臟或肺部掃描?，F(xiàn)在掃描跳動(dòng)心臟的圖像可以比以前更快、質(zhì)量更高。

乳腺M(fèi)RI

近來(lái)，由于政府和專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)篩查各種女性群體的乳腺癌的建議存在分歧，用于乳腺癌篩查的乳腺 X 射線攝影已引起爭(zhēng)議。MRI長(zhǎng)期以來(lái)一直用于完善乳腺癌的診斷，在高風(fēng)險(xiǎn)人群（乳房密實(shí)或有乳腺癌家族史的女性中），MRI是一種成功的篩查手段。

MRI通常可以在更早可治療的階段檢測(cè)出癌癥，這些癌起初很小，但具有侵襲性、快速增長(zhǎng)且更容易轉(zhuǎn)移。乳腺X 射線攝影最適合對(duì)相比周圍組織致密，包含鈣化或使周圍組織變形的腫瘤進(jìn)行成像。這些大的結(jié)構(gòu)變化不太可能在早期癌癥中顯現(xiàn)出來(lái)，并且一些證據(jù)表明，侵襲性癌癥甚至可能在擴(kuò)散之前未發(fā)展出組織變化。使用注射的釓造影劑，MRI可以突出早期癌癥的微觀組織變化，例如T2的變化、水?dāng)U散率的變化或血液流向某些位置。

乳腺M(fèi)RI的高靈敏度將為所有需要篩查的患者帶來(lái)福音，但由于成本和時(shí)間的限制，廣泛的篩查從未實(shí)現(xiàn)過(guò)。進(jìn)行乳腺M(fèi)RI篩查的診所通常借用診斷問(wèn)題求解工作中的方案。這意味著花費(fèi)20-40分鐘掃描患者，就可以獲取具有幾種不同對(duì)比度加權(quán)的圖像，可以獲得造影劑注入組織后的圖像，最佳確定病變的位置、大小、類型和預(yù)后。

這些掃描產(chǎn)生了龐大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)集。放射科醫(yī)生從每個(gè)圖像系列中辨別出待診斷的病變是惡性還是良性，并評(píng)估其侵襲性。在一個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，乳腺放射科醫(yī)生通?？梢越庾x數(shù)十張乳腺X 射線攝影照片，卻只能進(jìn)行少量MRI檢查。

研究人員一直在努力克服乳腺M(fèi)RI的這些局限性，讓更廣泛的人群接受乳腺M(fèi)RI篩查。要實(shí)現(xiàn)乳腺M(fèi)RI篩查的大規(guī)模應(yīng)用，就要在重新設(shè)計(jì)成像方案上取得突破，要著眼于檢測(cè)靈敏度和速度，同時(shí)避免表征腫瘤通常所需的額外掃描。

在快速篩查乳腺M(fèi)RI時(shí)，同時(shí)對(duì)雙乳進(jìn)行單次掃描；注入釓造影劑，然后重復(fù)相同的掃描。從第二張圖像中減去第一張圖像，理想情況下，這樣就將第二張掃描圖像中含有造影劑位置之外的所有組織從視圖中去掉。使用所謂的“最大強(qiáng)度投影技術(shù)”（maximum intensity projection，MIP）將成像組織的各個(gè)切層融合成立體圖像。這種融合使放射科醫(yī)生可以查看偽3D切層中的所有造影劑流信息，而無(wú)需滾動(dòng)查看單個(gè)切層的圖像（參見(jiàn)圖4和本文標(biāo)題頁(yè)上的圖像）。因此，在進(jìn)行3分鐘的MRI掃描后，放射科醫(yī)生可以在幾秒鐘內(nèi)輕松檢測(cè)出吸收新血流的腫瘤。

圖4 快速篩查乳腺M(fèi)RI

a.在沒(méi)有造影劑的T1加權(quán)圖像中，看不到明顯異常。

b.將造影劑注入組織后，這張T1加權(quán)圖像顯示了容易看到的大病變（箭頭）。

c.圖b減去圖a后的圖像改善了腫瘤的可見(jiàn)度和致密腺體組織的亮度。

d.所有相減后的切層（例如圖c）的所謂最大強(qiáng)度投影顯示了其他小的病變（箭頭），包括對(duì)側(cè)乳腺中的病變。放射科醫(yī)生通過(guò)查看這種類型的一張圖像，可以比逐一查看數(shù)十張切層圖像更快檢測(cè)到所有可疑病變。

磁共振指紋

磁共振指紋（magnetic resonance fingerprinting，MRF）是最近的一項(xiàng)進(jìn)步，它采用了截然不同的方法來(lái)快速獲取和處理信號(hào)數(shù)據(jù)。平時(shí)，MRI掃描通常僅用于檢測(cè)和定位可能的疾病，而最終的診斷則取決于活檢和組織病理學(xué)分析。放射科醫(yī)生借助更強(qiáng)大的工具來(lái)表征組織，可以直接從MRI掃描中進(jìn)行明確的診斷，從而能減少不必要的侵入性活檢。這樣做既可以節(jié)省時(shí)間和成本，還可以避免病人的痛苦和可能的并發(fā)癥。

MRF技術(shù)在概念上類似于執(zhí)法機(jī)構(gòu)用來(lái)識(shí)別人的指紋技術(shù)。人指尖上的脊紋不包含關(guān)于個(gè)人的有趣或有用細(xì)節(jié)。但是，它是獨(dú)一無(wú)二的，可以與數(shù)據(jù)庫(kù)中的人員信息進(jìn)行匹配，獲得一套更豐富的人員識(shí)別信息。

MRF的操作方式如下：合成一個(gè)脈沖序列，其參數(shù)諸如脈沖之間的重復(fù)時(shí)間和施加到組織的射頻功率等偽隨機(jī)變化。（在常規(guī)MRI中，在生成和讀取空間編碼信號(hào)時(shí)，保持這些參數(shù)恒定非常重要。）給定組織的T1和T2弛豫時(shí)間，計(jì)算機(jī)模擬組織根據(jù)脈沖序列理論上產(chǎn)生的信號(hào)。然后用NMR布洛赫方程計(jì)算組織的響應(yīng)，該方程描述了組織的磁化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。

根據(jù)數(shù)值各異的眾多T1和T2組合，創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)模型的響應(yīng)庫(kù)。響應(yīng)可能不代表真實(shí)的身體組織，但每個(gè)響應(yīng)都在數(shù)學(xué)上代表T1和T2值的唯一組合的物理響應(yīng)。MRF掃描使用合成MRF脈沖序列掃描患者（通過(guò)空間編碼生成圖像），記錄實(shí)際MRF信號(hào)并將其與響應(yīng)庫(kù)中的信號(hào)進(jìn)行比較。對(duì)于每個(gè)像素，確定記錄的MRF信號(hào)與庫(kù)中的響應(yīng)之間的最佳匹配，并將庫(kù)匹配的T1和T2值分配給該像素。

該方法使得臨床醫(yī)生從單次掃描中就能完全確定T1和T2值。組織響應(yīng)與響應(yīng)庫(kù)信號(hào)的匹配過(guò)程對(duì)噪聲相對(duì)不敏感。因此，非?？焖俚腗RF采集可以可靠提供穩(wěn)定的定量結(jié)果，而無(wú)需更長(zhǎng)的掃描時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)高信噪比。

從MRF庫(kù)中提取每個(gè)體素的T1和T2值后，這些值可以顯示為定量圖。（圖5顯示了一個(gè)示例。）此外，可以計(jì)算每個(gè)體素對(duì)常規(guī)MRI脈沖序列的響應(yīng)，因此MRF數(shù)據(jù)可用于合成常規(guī)的T1或T2加權(quán)圖像，而無(wú)需花費(fèi)額外的掃描時(shí)間來(lái)獲得加權(quán)圖像。

在這張人的心臟圖像中，MRF技術(shù)提供了T1、T2和質(zhì)子密度的定量圖。三張圖像都來(lái)自同一次掃描，而常規(guī)MRI需要至少三次單獨(dú)的掃描才能采集同樣的信息。目前正在進(jìn)行臨床MRF研究，來(lái)衡量疾病和損傷對(duì)這三個(gè)參數(shù)的影響。

圖5 磁共振指紋

使用組織的定量圖像，臨床醫(yī)生就有可能在常規(guī)加權(quán)圖像上，補(bǔ)充他們對(duì)解剖學(xué)和病理學(xué)表現(xiàn)的定性評(píng)估。加上其他研究，他們就可能使用MRF直接和明確確定具體的疾病特征。該過(guò)程將簡(jiǎn)化根據(jù)定性表現(xiàn)和定量測(cè)量結(jié)果鑒定疾病或判斷其嚴(yán)重程度的任務(wù)。

放射治療

在治療癌癥和其他疾病時(shí)，圖像引導(dǎo)放射治療（Image-guided radiation therapy，IGRT）越來(lái)越依賴MRI，IGRT的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是治療計(jì)劃和治療過(guò)程的在線圖像引導(dǎo)。治療計(jì)劃利用治療前掃描的圖像來(lái)確定放射束的位置，施以有針對(duì)性的劑量，進(jìn)而破壞病變。在在線圖像引導(dǎo)中，現(xiàn)代治療儀利用在治療期間拍攝的圖像來(lái)修正靶向，并考慮到患者的運(yùn)動(dòng)以及腫瘤形狀和位置的變化。

為了在保護(hù)健康組織的同時(shí)，向腫瘤施以大量而精確的輻射，放射治療需要有關(guān)組織環(huán)境的詳細(xì)信息。在這方面，CT很有用，因?yàn)樗膱D像是光子衰減圖。臨床醫(yī)生通過(guò)掃描校準(zhǔn)體模來(lái)測(cè)量掃描儀的響應(yīng)，并使用患者的CT圖像來(lái)模擬治療將在何處沉積能量。然后可以模擬和優(yōu)化治療方法，以破壞腫瘤并避免對(duì)周圍組織的損害。

CT圖像是確定輻射劑量在治療區(qū)域沉積情況的良好模型，但它們通常無(wú)法清晰顯示腫瘤本身。然而，當(dāng)放射腫瘤學(xué)家在確定如何靶向治療時(shí)，腫瘤的可見(jiàn)度至關(guān)重要。MRI克服了這一難題：有很多對(duì)比度加權(quán)選項(xiàng)可以控制組織顯示的明暗程度，幾乎總是有方法可以將腫瘤與周圍的軟組織區(qū)分開(kāi)。

遺憾的是，沒(méi)有將MRI圖像翻譯成輻射衰減圖的直接方法。NMR信號(hào)產(chǎn)生于原子核的磁性行為，而磁性行為與控制X射線吸收和散射的軌道電子行為之間的關(guān)聯(lián)性很差。因此，MRI圖像雖然能最好顯示靶點(diǎn)病變，但要用它對(duì)輻射劑量分布進(jìn)行精確建模卻非常困難。

放射腫瘤學(xué)家通過(guò)兼用CT和MRI掃描患者來(lái)尋求兩全其美。盡管圖像融合技術(shù)利用剛性結(jié)構(gòu)（如骨頭）對(duì)齊多個(gè)圖像，但是，把在MRI圖像上確定的靶點(diǎn)投影到CT圖像集上來(lái)制定放射治療計(jì)劃時(shí)，兩次掃描中患者姿勢(shì)或呼吸運(yùn)動(dòng)之間的細(xì)微差異可能會(huì)產(chǎn)生誤差。在放射治療中，即使是幾毫米的未對(duì)準(zhǔn)都可能會(huì)嚴(yán)重傷害健康組織，或使部分侵襲性腫瘤得不到治療。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，醫(yī)生和科學(xué)家正轉(zhuǎn)向機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，從多個(gè)MRI圖像集中提取信息，不用X射線圖像就能確定組織的輻射衰減。這些算法中的許多算法都可以根據(jù)MRI數(shù)據(jù)重建“偽CT”圖像（光子衰減圖）。該方法通過(guò)一次掃描即可提供腫瘤可見(jiàn)度和輻射劑量分布，不會(huì)因?qū)⒒颊咧匦路旁诹硪慌_(tái)掃描儀上而帶來(lái)失誤。

在制定治療計(jì)劃期間難以使用X射線成像看到的腫瘤，也難以在實(shí)時(shí)治療期間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。放射治療的趨勢(shì)是在每個(gè)治療階段對(duì)腫瘤施以更高、更集中的輻射劑量。這樣做減少了出現(xiàn)誤差的空間余量，更加重視管理運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。在治療過(guò)程中對(duì)靶點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像和跟蹤是一種強(qiáng)大的方法，而MRI具有顯著的成像優(yōu)勢(shì)。

在放射治療期間對(duì)患者進(jìn)行MRI也帶來(lái)了基本挑戰(zhàn)。直線加速器是現(xiàn)代放射療法的常用工具，但磁場(chǎng)會(huì)干擾其運(yùn)行，實(shí)際上，強(qiáng)磁場(chǎng)可以完全切斷電子束。為了研制第一臺(tái)MRI引導(dǎo)的商用放射治療儀，工程師轉(zhuǎn)向放射治療的早期支柱——鈷-60遠(yuǎn)程治療儀。磁場(chǎng)的存在不會(huì)影響鈷-60中的γ射線產(chǎn)生，儀器設(shè)計(jì)人員能夠集中精力解決其他問(wèn)題，例如集成成像、治療設(shè)備以及定制機(jī)械元件在磁體內(nèi)部的功能。

將系統(tǒng)安裝到診所和醫(yī)院后，放射腫瘤學(xué)家就可以使用在治療室獲得的MRI掃描來(lái)治療患者，而醫(yī)學(xué)物理學(xué)家專注的問(wèn)題則是在強(qiáng)磁場(chǎng)中測(cè)量和校準(zhǔn)治療束，以及了解劑量分布變化。特別是，當(dāng)治療束被吸收或在組織中發(fā)生散射時(shí)，會(huì)釋放高能電子，它們通常被附近的組織吸收，在治療計(jì)劃中要考慮這種結(jié)果。在磁場(chǎng)中，這些電子的路徑會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且必須在治療計(jì)劃中對(duì)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行建模，以確定準(zhǔn)確的輻射劑量。

MRI引導(dǎo)的鈷-60療法為MRI引導(dǎo)的放射治療打開(kāi)了大門，但是許多使用直線加速器進(jìn)行的治療無(wú)法在鈷-60系統(tǒng)上進(jìn)行。對(duì)開(kāi)發(fā)集成式MR引導(dǎo)直線加速器的追求，催生了世界各地研究中心的創(chuàng)新系統(tǒng)，并且商業(yè)系統(tǒng)現(xiàn)已投放市場(chǎng)。

物理學(xué)家已經(jīng)能夠在治療室中產(chǎn)生用于實(shí)時(shí)MRI的強(qiáng)大而均勻的磁場(chǎng)，同時(shí)消除對(duì)附加的直線加速器的磁場(chǎng)干擾。盡管在放射治療過(guò)程中如何優(yōu)化MRI掃描以達(dá)到最佳治療效果，還有很多知識(shí)要學(xué)習(xí)，但是，該技術(shù)在身體各個(gè)部位和各種疾病類型的放射治療和放射外科手術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用。

資料來(lái)源 Physics Today