磁共振引導(dǎo)高強度聚焦超聲的乳腺射頻線圈研究進(jìn)展

王湘杰，褚永華

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)工程部 （浙江杭州 310009）

乳腺癌是全球女性發(fā)病率和病死率第1位的惡性腫瘤，也是我國女性發(fā)病率最高的惡性腫瘤。世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)布的國際腫瘤登記中心報告數(shù)據(jù)顯示，全球每年新增乳腺癌患者115萬例，占全部女性腫瘤患者的23%，死亡41萬例，占全部女性腫瘤死亡患者的14%[1]。聚焦超聲、射頻消融、聚焦微波熱療、冷凍治療、電化學(xué)療法、光動力治療和近距離放射治療等新技術(shù)治療乳腺癌患者的效果已初見端倪[2-3]。其中高強度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound, HIFU)被視為最有應(yīng)用潛力的非侵入式腫瘤治療新方法之一，其在前列腺、乳腺、子宮、肝、腎、胰、骨、腦等良惡性腫瘤的臨床研究中表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景[4-6]。

1 HIFU治療的優(yōu)勢及不足

磁共振引導(dǎo)HIFU（magnetic resonance guided HIFU，MRgHIFU）治療系統(tǒng)中的乳腺射頻線圈設(shè)計是高分辨力MRgHIFU術(shù)中成像、術(shù)中溫度監(jiān)控的基礎(chǔ)，可為聚焦超聲治療乳腺癌患者的劑量學(xué)模型建立和療效評價奠定關(guān)鍵硬件基礎(chǔ)。MRgHIFU系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 MRgHIFU系統(tǒng)框架

HIFU治療系統(tǒng)的基本原理是利用超聲聚焦作用將體外低能量的超聲聚焦到病灶區(qū)域，使焦域溫度在短時間內(nèi)升至65 ℃以上，從而使病變組織凝固性壞死，且最大限度地不損傷腫瘤周圍的其他正常組織，從而達(dá)到微創(chuàng)治療目的[4]。HIFU治療系統(tǒng)的核心技術(shù)主要包括：在考慮到人體結(jié)構(gòu)不均勻性的前提下對擬治療的體內(nèi)病灶實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，對HIFU系統(tǒng)的聲輸出實現(xiàn)精準(zhǔn)的時空控制，對從正常體溫到靶組織變性臨界溫度的全過程進(jìn)行全程實時監(jiān)視和引導(dǎo)，對靶組織發(fā)生凝固性壞死與否進(jìn)行在線檢測判斷的硬軟件及其功能[7]。

目前，臨床上常見的超聲引導(dǎo)HIFU系統(tǒng)的主要缺點在于：不能實現(xiàn)無創(chuàng)測溫、無實時溫度反饋、不能提供精確的治療效果評價。磁共振測溫已成功應(yīng)用于臨床，成為最具發(fā)展前景的一種體外無創(chuàng)測溫技術(shù)[8-9]。此外，與超聲圖像相比，磁共振圖像能夠更清晰地顯示病灶及周圍區(qū)域，且可在發(fā)現(xiàn)治療位置偏離時及時予以糾正，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控HIFU治療效果的目的[10-13]。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是目前用于HIFU腫瘤治療的最有效的圖像引導(dǎo)目標(biāo)定位和溫度監(jiān)控方法。

2 MRgHIFU的乳腺射頻線圈研究進(jìn)展

MRgHIFU在國內(nèi)外已應(yīng)用于臨床。許永華和陳文直[14]對MRgHIFU治療完全消融子宮肌瘤后，進(jìn)行了3年隨訪，結(jié)果顯示，MRgHIFU以其完善的治療前計劃、實時的溫度監(jiān)測反饋及治療劑量控制、優(yōu)異的解剖結(jié)構(gòu)定位，在子宮肌瘤患者的治療中極具潛力。Insightec公司與西門子簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，進(jìn)一步完善MRgHIFU治療系統(tǒng)與西門子1.5T和3T MRI系統(tǒng)之間的兼容性[15]。MRgHIFU系統(tǒng)仍需進(jìn)一步提高術(shù)中測溫精度，針對特定部位開發(fā)專用的射頻線圈。關(guān)于術(shù)中測溫問題，Celicanin等[16]分析了人體呼吸或其他生理運動造成的磁共振測溫誤差，提出了實時磁共振測溫運動補償方法。Hwang等[17]研究證明了采用更小的可移動射頻線圈進(jìn)行MRgHIFU治療，可提供更高信噪比的MRI圖像，從而提高測溫精度。

射頻線圈是MRgHIFU系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，分為發(fā)射線圈和接收線圈。發(fā)射線圈發(fā)射射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)的質(zhì)子發(fā)生共振，接收線圈以高信噪比接收靈敏區(qū)的信號。射頻磁場的均勻性和信噪比對MRI的圖像質(zhì)量影響很大[18-19]。2013版《中國抗癌協(xié)會乳腺癌診治指南與規(guī)范》推薦采用1.5T及以上的高場磁共振系統(tǒng)進(jìn)行乳腺MRI檢查，以獲得較好的信噪比和脂肪抑制效果，并建議采用相控陣線圈、開放式線圈以及并行采集技術(shù)，以利于在側(cè)方進(jìn)行MRI引導(dǎo)的介入操作[20]。

傳統(tǒng)用于治療乳腺癌患者的MRgHIFU系統(tǒng)，如以色列Insightec公司的ExAblate機型，其超聲換能器位于機架下方，在治療的同時，超聲束可能會對肋骨、心臟和肺等器官造成損傷。Philips公司研發(fā)的新型聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)安裝在荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心，8個超聲換能器圍繞在乳腺周圍，避免了超聲束從底部向上發(fā)射對正常器官造成的損傷。由于僅采用1個靠近人體胸壁的環(huán)形射頻線圈，該系統(tǒng)的成像信噪比相對較低。美國猶他大學(xué)研制的乳腺專用MRgHIFU系統(tǒng)，其超聲換能器從側(cè)面發(fā)射超聲束，11通道的圓柱形射頻線圈相對于單通道圓環(huán)射頻線圈信噪比提高了1倍以上。該系統(tǒng)的不足在于：（1）系統(tǒng)總高度為17 cm，在常規(guī)60 cm孔徑的磁共振系統(tǒng)中，不適用于部分身形高大或肥胖的患者；（2）超聲換能器必須手動操作；（3）圓柱形乳腺射頻線圈需要為超聲束預(yù)留通道，不能完全覆蓋整個乳腺組織，且不夠貼合乳腺形狀，因而成像信噪比仍有較大的提升空間[21-23]。張鞠成等[24]應(yīng)用逆方法設(shè)計了半球型乳腺射頻線圈，采用Tikhonov正則化技術(shù)解決線性積分方程的高度病態(tài)問題，得到傅里葉系數(shù)的解，應(yīng)用流函數(shù)技術(shù)得到半球型乳腺射頻線圈的繞線形狀。與常規(guī)圓柱形射頻線圈相比，半球形射頻線圈的磁場分布更為均勻。逆方法設(shè)計MRgHIFU的半球形乳腺射頻線圈的流程如圖2所示。應(yīng)用目標(biāo)場方法求解分布于半球形表面的電流密度分布，采用Tikhonov正則化技術(shù)解決高度病態(tài)的積分方程，應(yīng)用流函數(shù)技術(shù)得到線圈的繞線形狀。此部分仿真在Matlab環(huán)境中實現(xiàn)，然后在CST Design Studio 軟件中建模仿真，分析半球型乳腺射頻線圈的磁場分布均勻性和信噪比。

3 討論

MRgHIFU系統(tǒng)專用的乳腺射頻線圈設(shè)計是實現(xiàn)MRgHIFU術(shù)中高分辨力成像、術(shù)中溫度實時監(jiān)控的基礎(chǔ)。現(xiàn)有的用于MRgHIFU系統(tǒng)的圓柱形乳腺射頻線圈不夠貼合乳腺形狀，信噪比較低。通過設(shè)計半球形乳腺射頻線圈，使得射頻線圈更加貼合乳腺，可進(jìn)一步提高M(jìn)RI信噪比。

圖2 乳腺射頻線圈設(shè)計流程