MR模擬定位技術(shù)用于腫瘤放射治療進(jìn)展

李曉婷,朱海濤,陳偉梁,秦軍軍,孫應(yīng)實(shí)*

(1.北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所醫(yī)學(xué)影像科 惡性腫瘤發(fā)病機(jī)制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100142;2.上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司,上海 201807)

放射治療(放療)是治療腫瘤的主要方法之一。適形調(diào)強(qiáng)放療(intensity modulated radiation therapy, IMRT)、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療(volumetric modulated arc therapy, VMAT)及螺旋斷層放療均為高度適形的放療手段,可在較好保護(hù)正常組織的同時(shí)有效增強(qiáng)針對腫瘤的放射劑量[1]。隨著精準(zhǔn)醫(yī)療時(shí)代的到來,使得臨床對于放療效率和精度的要求進(jìn)一步提高,這意味著制定和實(shí)施放療計(jì)劃過程中需要應(yīng)用更精準(zhǔn)的解剖和功能圖像來定位病灶及周圍組織結(jié)構(gòu)[2]。MRI具有良好軟組織分辨力,可多平面和多參數(shù)成像,以判斷病灶成分,顯示病灶范圍、定位其與周圍臟器的關(guān)系,且可在一定時(shí)間內(nèi)多次檢查[3]。本文就MR模擬定位技術(shù)用于腫瘤放療進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 MR模擬定位技術(shù)

臨床常采用常規(guī)模擬機(jī)、CT模擬定位機(jī)或MR模擬定位機(jī)獲取影像,以確定放療靶區(qū)和危及器官位置,進(jìn)而勾畫靶區(qū)、制定放療計(jì)劃。CT模擬定位機(jī)最為常用,通過CT值-相對電子密度曲線將組織CT值轉(zhuǎn)換為電子密度,對不同密度的結(jié)構(gòu)加以修正,以利于計(jì)算腫瘤靶區(qū)(gross tumor volume, GTV)和危及器官放療劑量,多用于確定腫瘤位置及周圍組織范圍等信息。MR模擬定位機(jī)與CT模擬定位機(jī)類似,但更偏向于定位,其軟組織結(jié)構(gòu)分辨率更高,且多模態(tài)MRI能提供更多腫瘤特征及對于治療的反應(yīng)等信息,有助于更精準(zhǔn)地勾畫GTV;但MRI信號強(qiáng)度與氫質(zhì)子分布有關(guān),卻不具有電子密度信息,無法反映不同結(jié)構(gòu)之間的密度差異,故不能單獨(dú)計(jì)算放射劑量,實(shí)際操作中需與CT圖像融合應(yīng)用。

1.1 掃描序列 多種MR序列已用于診斷惡性腫瘤。彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging, DWI)已在顯示受累淋巴結(jié)、確定病灶體積、定量反映治療效果等方面均展現(xiàn)出重要價(jià)值[4-6]。此外,針對不同結(jié)構(gòu)的特殊MR成像技術(shù)也逐漸被開發(fā)并進(jìn)入臨床應(yīng)用階段,如MR血管造影(MR angiography, MRA)、MR波譜成像、動態(tài)對比增強(qiáng)MRI、化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像及血氧水平依賴功能MRI等。T2WI和動態(tài)對比增強(qiáng)MRI有助于判斷腫瘤潛在復(fù)發(fā)部位;MRA可顯示血管結(jié)構(gòu)和血流信號特征;多模態(tài)MRI技術(shù)不僅可為外科應(yīng)用立體定向放射提供精確的靶向信息,還能敏感地反映病灶在放療過程中的動態(tài)變化[7-10]。

如何降低MRI幾何誤差和劑量計(jì)算誤差是MR放療模擬定位的技術(shù)難點(diǎn)。利用真實(shí)穩(wěn)態(tài)進(jìn)動快速成像(true fast imaging with steady precession, TrueFISP)可于高速掃描前提下獲取信噪比最佳的圖像[1,11],其特點(diǎn)是施加重聚焦梯度,在3個(gè)梯度方向上進(jìn)行相位補(bǔ)償,成像時(shí)以恒定速度流動的質(zhì)子不會在各周期中產(chǎn)生、累積而導(dǎo)致出現(xiàn)附加相移,故不因流動信號相位缺失而損失信號,適于自腦脊液或慢速流動的血液中提取信號;基于TrueFISP的ViewRay MR引導(dǎo)放療系統(tǒng)已取得良好的模擬定位效果[12]。此外,使用放療專用成像線圈及固定裝置亦有助于減少M(fèi)R模擬定位的幾何誤差[13]。

1.2 場強(qiáng) 目前關(guān)于MR模擬定位技術(shù)的最適場強(qiáng)尚無定論,1.5T和3.0T MR掃描儀均可用于放療模擬。相比1.5T,3.0T MR儀能提供更多掃描序列和參數(shù),獲取高信噪比圖像,時(shí)間和空間分辨率更高,可更敏感地反映組織形態(tài)和病理改變,有助于早期發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)診斷病變,且掃描速度更快、患者依從性更佳,更適用于科學(xué)探索和開展臨床試驗(yàn);其主要局限性在于金屬及磁敏感偽影更明顯,骨組織與軟組織交界面?zhèn)斡案?水脂交界面化學(xué)位移偽影更嚴(yán)重,尤其在體質(zhì)量指數(shù)高患者更為明顯,且運(yùn)動偽影較難控制,組織產(chǎn)熱更多,患者自覺身體發(fā)熱更明顯。將MR模擬作為CT模擬的補(bǔ)充手段時(shí),需根據(jù)實(shí)際情況選擇設(shè)備場強(qiáng)。

1.3 直線加速器 MR直線加速器的出現(xiàn)使MRI成為放射腫瘤學(xué)的主要焦點(diǎn)。該技術(shù)將MRI與直線加速器整合,具有優(yōu)越的軟組織對比度而無骨偽影、無輻射劑量,可任意方位斷層(3D數(shù)據(jù)),支持多序列生物功能成像,無需體表標(biāo)記,并可動態(tài)反映放療過程中腫瘤及周圍組織生物學(xué)行為變化等[14]。既往研究[13-16]表明,MRI引導(dǎo)放療可用于治療頭頸部腫瘤、乳腺癌及肺癌,通過實(shí)時(shí)獲取腫瘤在體內(nèi)的運(yùn)動圖像并自適應(yīng)地予以施照,能進(jìn)一步提高治療效率及其安全性。

2 MR模擬定位技術(shù)用于腫瘤放療

近年MRI已越來越多地用于制定放療計(jì)劃、監(jiān)測腫瘤在治療過程中的反應(yīng)及評估治療后復(fù)發(fā)。用于放療頭頸部腫瘤、乳腺癌等時(shí),MRI可提供較CT更為準(zhǔn)確的GTV[17-18];用于放療宮頸癌時(shí),MRI可精準(zhǔn)區(qū)分腫瘤組織與非瘤組織,常用于劃定放療輪廓[19]。一項(xiàng)CT和MRI用于放療肝癌的對比研究[20]結(jié)果顯示,多模態(tài)融合MRI可顯著提高勾畫GTV的觀察者間一致性。放療肺癌時(shí),以MRI勾畫肺癌致肺不張?jiān)l(fā)腫瘤輪廓的觀察者間差異明顯低于應(yīng)用CT進(jìn)行勾畫[21]。另有研究[22]表明,MRI與PET、CT與PET用于勾畫GTV的測量者間差異相似,但對于MRI與CT勾畫GTV的差異尚不明確。此外,MRI和PET/MR融合圖像已被證明均可用于勾畫GTV[23],但一項(xiàng)針對放療結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移的研究[24]認(rèn)為利用PET/MR融合圖像勾畫GTV可能影響其精確度,有待進(jìn)一步分析證實(shí)。

GLIDE-HURST 等[25]認(rèn)為目前MR模擬定位在放療中的使用率明顯偏低,導(dǎo)致患者需于短時(shí)間內(nèi)接受多次CT掃描而面臨高電離輻射風(fēng)險(xiǎn)。MRI模擬定位機(jī)在我國基層醫(yī)院的普及率較低,MRI模擬定位在國內(nèi)放療中的整體使用率可能更低。

3 人工智能用于MR放療模擬定位

制定放療計(jì)劃時(shí),對于人工智能的需求主要體現(xiàn)在勾畫器官和計(jì)算放療劑量方面。利用基于U-net的深度學(xué)習(xí)(deep learning, DL)模型可用于計(jì)算前列腺癌患者所需IMRT劑量[26];卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network, CNN)多器官分割方法已用于頭頸癌放療[27];以深度CNN與運(yùn)動跟蹤相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)動態(tài)計(jì)算肺腫瘤體積[28]。DL算法可用于評估放療對正常器官的毒性和組織損傷,如ZHEN等[29]使用遷移學(xué)習(xí)策略預(yù)測宮頸癌放療中直腸的劑量毒性;還可實(shí)現(xiàn)不同掃描設(shè)備圖像間的轉(zhuǎn)換,NIE等[30-31]使用3D CNN學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)將MRI端到端非線性映射至CT圖像,HAN等[32]開發(fā)的深度CNN模型利用傳統(tǒng)單序列MRI合成CT圖像,在測算精度和運(yùn)算速度方面均具有優(yōu)勢,有望擺脫放療計(jì)劃對CT的依賴,消除MR-CT配準(zhǔn)的不確定性。

4 小結(jié)與展望

未來MR模擬定位技術(shù)將會有更加廣闊的應(yīng)用前景。但目前對于放療中應(yīng)用MR模擬定位技術(shù)的使用條件尚未達(dá)成共識,應(yīng)及時(shí)收集不同地區(qū)、不同級別醫(yī)療單位對于MRI和CT模擬定位機(jī)的使用情況、應(yīng)用效果及臨床反饋等信息,并開展相關(guān)臨床研究評估將MR模擬定位技術(shù)整合入放療工作流程中的有效性,以制定將MR模擬定位技術(shù)用于放療不同腫瘤的策略。隨著人工智能的發(fā)展,MR模擬定位系統(tǒng)的靶區(qū)劃定、劑量計(jì)算和動態(tài)評估治療療效將更加精準(zhǔn);與CT模擬定位交替使用,可使放療方案及療效評價(jià)方式更加靈活。