MRI在放療中的應用進展

姚麗紅 王俊杰北京大學第三醫院腫瘤放療科，北京 1191

MRI在放療中的應用進展

姚麗紅 王俊杰#
北京大學第三醫院腫瘤放療科，北京 1001910

現代磁共振成像（MRI）技術已經迅速應用到放射治療領域的各個方面。本文旨在簡要介紹MRI技術的最新進展，介紹與放療相關的內容：腫瘤可視化和成像特點、模擬定位以及外放療中的影像引導作用。關注點在于還原放療中MRI技術的最新進展。

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。磁共振技術成果斐然的一個原因在于其高層次的技術創新，這個因素引領MRI成為了多功能醫學影像設備。本文將簡要介紹磁共振成像技術在放療中的應用進展。

1　MRI中腫瘤的可視化和成像特點

在影像學中，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。

在放療計劃的設計和實施中，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的優勢是提高了信噪比，但這是以增加運動敏感性和圖像獲取時間為代價的。穩態自由旋進成像方法實現了快速、高分辨率的圖像獲取和幾何穩定性［1］，但伴隨的缺點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，這些都會導致頻帶偽影［2］?？焖僮孕夭夹g可以產生預先定義的對比度，可對主磁場B0不均勻性自發修正，但缺點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）腦研究和彌散加權成像的主力，這種方法可以實現快速的數據收集和高信噪比成像［3］，但與放療中應用的設想還有很大的差距。原因是這種方法對磁場不均勻性的極端敏感會導致結構的嚴重扭曲，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，呼吸運動干擾了MRI影像質量，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，就會導致獲取影像的不連續性。對患者更友好的一個方法是使用MRI引導或外部呼吸壓力帶。這種方式可以在呼吸周期內實現連續相位的數據采集，避免了在成像過程中偽影的產生。采用這些技術，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信號可實現胸腔腫瘤的成像校正，如食管癌或是縱隔淋巴結等［7］。

除了高分辨率，腫瘤周圍高對比度在靶區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質腫瘤從正常組織中區分出來。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域。這種情況在頭頸部腫瘤中經常發生，表現為在T2相上的高信號，大多數情況下會高估腫瘤靶區（GTV）［10］。另外一種內生對比度是T2*，反映了某種誘發因素，如脫氧血紅蛋白造成的不均質性。血氧合度依賴（blood oxygenation level dependent，BOLD）成像正是利用了這種機制，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。大多數腫瘤的一個重要生理學特性是因為血管生成機制失衡導致的血管受損。為測量微血管參數的改變，可以使用一種外生的增強對比度藥劑，通過成像監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記血流的動脈自旋標記法，血液通過的時候可以引起組織器官信號強度的微弱變化。這種技術的主要優勢在于不需要注射對比劑，但與增強對比技術相比，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，彌散加權成像已經作為一種改善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，基于多參數量化的MRI自動分割技術可能是有幫助的。動力增強MR（Idynamic enhanced MRI，DCE-MRI）和彌散加權MRI （diffusion weighted imaging，DWI）是兩種廣泛應用的量化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生了改變。從DWI衍生的表觀擴散系數（apparent diffusion coefficient，ADC）反映了微觀水流動性，這關系到結構微環境［11］。對于腫瘤體素的自動分配，就要求更高的體素特異性。不同的參數一般不能表明相同的體素是腫瘤［12］。多參數映射的一個缺點是采集影像耗時長。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、定量MRI檢查。

最近，對更好的淋巴結影像的需求更加強烈。隨著局部腫瘤治療率的提高，淋巴結復發越來越突出［14］。通常，淋巴結復發和轉移是根據大小診斷的，但是經常會發現假陽性和假陰性淋巴結。頭頸部成像時，DWI對于亞厘米級別的陽性淋巴結具有高度敏感性和特異性［15］。然而，在盆腔部位，與常規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］。由于陰性淋巴結是由巨噬細胞組成的，USPIO粒子聚集在陰性淋巴結當中。由于鐵負荷，正常淋巴結MRI信號會在注射造影劑后約24 h消失，由于轉移性淋巴結的鐵吸收非常低，MRI信號的變化最小。盡管有可喜的結果以及精確診斷淋巴結的需求，但食品和藥監局仍然沒有發布批準使用USPIO的消息。

除了陽性淋巴結的診斷，選擇性放療高危區域淋巴結是臨床的常規實踐。CT是定義這些區域常用的方法，但是較小的淋巴結在CT上不能看到。因此，將發現的大部分淋巴結區域定義為解剖邊界。由于較高的對比度，MRI可能以更高的敏感度識別淋巴結，但需要與脂肪、血管和肌肉周圍組織鑒別診斷。這可以通過一個擴散加權的內在脈沖序列，如用在神經成像的序列就可實現［18］。

2　模擬定位

照射野的確定需要精確的幾何數據，這一數據將通過患者在固定的放療體位下獲得。應用MRI定位時有兩方面需要注意：MRI容易發生幾何和灰度畸變，現在的MRI掃描機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生矛盾。單獨使用MRI做放療計劃是不可行的，而應用MRI和CT的融合數據是一種可行的方法。這種方法的優點在于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發生影像失真的嚴重程度也不同。對MRI影像失真的研究可追溯到20世紀80年代，在歐洲的一項多中心研究中，Lerski等［19］觀察到機器相關的幾何失真可達13 mm。MRI影像中的幾何失真主要來自靜態磁場的不均勻性和梯度的非線性。靜磁場和梯度系統的缺陷是由相關的系統失真引起的，如今大多數現代MRI機器的后期處理工具即可校正。越靠近影像的邊緣，梯度和靜態場失真越嚴重。以往的MRI放療模擬系統，如全景0.23 T（飛利浦），小射野邊緣失真不受控制。在大多數臨床情況下，腫瘤將被定位在靠近中心的位置，系統相關的失真將被最小化，現代MRI系統失真可控制在亞毫米范圍內。

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構相關。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，必須采用數值方法。Bhagwandien等［20］開發了一種基于有限差分法來計算3D物體內部和周圍的磁場分布，并將其應用于人體。事實上，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頭內鼻竇附近。所得圖像失真依賴于讀出梯度的強度，如典型讀出梯度強度在-5～5 mm（1.5 mT的M-1在1.5 T）。這些易感的相關錯誤與梯度強度是成反比的，而梯度相關的錯誤是獨立于梯度強度的。因此，相對信噪比更加需要考慮幾何保真度時，建議采用最強的讀出梯度，與3.0 T的系統相比，1.5 T的系統更容易控制?？捎妹}沖序列獲得無失真的影像，脈沖序列僅應用在MRI信號的相位編碼，即所謂的單點成像。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成像，另一種方法是測量磁場誤差，并用此誤差來校準MRI影像。對于所有的正常成像應用，易發生相關的錯誤能夠被減少到亞毫米級。有一個特殊的DWI序列有望實現功能成像。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加權二維快速自旋回波（TSE）序列和高分辨率三維穩態自由進動（SSFP）序列。勾畫的腫瘤靶區可被保存在該高分辨率三維穩態自由進動影像集上，SSFP影像集與CT數據配準后用于治療時患者擺位。影像共配準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可提供器官運動的信息［21］，電影MRI可以以亞秒的級別提供呼吸相關信息，而不涉及任何輻射劑量。這些常規技術使用分級技術，從而通過后處理的方式提供4D信息?，F代技術試圖通過2D的方式獲得MRI實時數據［22］，目前還可通過3D的方式提供評估靶區邊界和指導治療所需的數據［23-24］。

3　MRI在外放療中的圖像引導作用

MRI具有優良的軟組織對比度，實時的成像能力和無電離輻射，理論上，MRI用于治療引導可實現靶區直視。它可以使患者在擺位時依據患者的實際體位、形狀和運動特點進行，在照射過程中也可實現實時的運動追蹤。運動追蹤可用于實時治療引導，但是不能用于記錄劑量重建和累及的解剖結構改變，這樣就為治療過程中提供了獨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展一種新的放療技術。光子束治療系統是不受磁場影響的，但會影響二次電子的產生，此影響的大小取決于磁場強度和磁場相關的入射束的方向。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，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

綜上所述，現代MRI對放療過程的影響是巨大的。基于MRI的模擬定位機的應用正在成為臨床常規的一部分，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。

［1］Patz S，Hawkes RC.The application of steady-state free precession to the study of very slow fluid flow［J］.Magn Reson Med，1986，3（1）：140-145.

［2］Wang J，He L，Zheng H，et al.Optimizing the magnetization-prepared rapid gradient-echo（MP-RAGE）sequence ［J］.PLoS One，2014，9（5）：e96899.

［3］Chilla GS，Tan CH，Xu C，et al.Diffusion weighted magnetic resonance imaging and its recent trend-a survey［J］. Quant Imaging Med Surg，2015，5（3）：407-422.

［4］Schakel T，Hoogduin JM，Terhaard CH，et al.Diffusion weighted MRI in head-and-neck cancer：geometrical accuracy［J］.Radiother Oncol，2013，109（3）：394-397.

［5］Mirsadraee S，van Beek EJ.Functional imaging：computed tomography and MRI［J］.Clin Chest Med，2015，36（2）：349-363.

［6］Marin D，Husarik DB，Boll DT，et al.Abdominal magnetic resonance imaging at 3 T：oncological applications［J］.Top Magn Reson Imaging，2010，21（3）：149-156.

［7］Riddell AM，Davies DC，Allum WH，et al.High-resolution MRI in evaluation of the surgical anatomy of the esophagus and posterior mediastinum［J］.AJR Am J Roentgenol，2007，188（1）：W37-43.

［8］Plewes DB，Kucharczyk W.Physics of MRI：a primer［J］.J Magn Reson Imaging，2012，35（5）：1038-1054.

［9］Bottomley PA，Hardy CJ，Argersinger RE，et al.A review of 1H nuclear magnetic resonance relaxation in pathology：are T1 and T2 diagnostic？［J］.Med Phys，1987，14（1）：1-37.

［10］Caldas-Magalhaes J，Kasperts N，Kooij N，et al.Validation of imaging with pathology in laryngeal cancer：accuracy of the registration methodology［J］.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2012，82（2）：e289-298.

［11］Padhani AR，Liu G，Koh DM，et al.Diffusion-weighted magnetic resonance imaging as a cancer biomarker：consensus and recommendations［J］.Neoplasia，2009，11（2）：102-125.

［12］Groenendaal G，van den Berg CA，Korporaal JG，et al.Simultaneous MRI diffusion and perfusion imaging for tumor delineation in prostate cancer patients［J］.Radiother Oncol，2010，95（2）：185-190.

［13］European Society of Radiology（ESR）.Magnetic Resonance Fingerprinting-a promising new approach to obtain standardized imaging biomarkers from MRI［J］.Insights Imaging，2015，6（2）：163-165.

［14］Gill BS，Kim H，Houser CJ，et al.MRI-guided high-doserate intracavitary brachytherapy for treatment of cervical cancer：the University of Pittsburgh experience［J］.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2015，91（3）：540-547.

［15］Payne KF，Haq J，Brown J，et al.The role of diffusionweighted magnetic resonance imaging in the diagnosis，lymph node staging and assessment of treatment response of head and neck cancer［J］.Int J Oral Maxillofac Surg，2015，44（1）：1-7.

［16］Klerkx WM，Veldhuis WB，Spijkerboer AM，et al.The value of 3.0Tesla diffusion-weighted MRI for pelvic nodal staging in patients with early stage cervical cancer［J］.Eur J Cancer，2012，48（18）：3414-3421.

［17］Harisinghani MG，Saksena MA，Hahn PF，et al.Ferumoxtran-10-enhanced MR lymphangiography：does contrastenhanced imaging alone suffice for accurate lymph node characterization？［J］.AJR Am J Roentgenol，2006，186（1）：144-148.

［18］Devic S.MRI simulation for radiotherapy treatment planning［J］.Med Phys，2012，39（11）：6701-6711.

［19］Lerski RA，McRobbie DW，Straughan K，et al.Multi-center trial with protocols and prototype test objects for the assessment of MRI equipment.EEC Concerted Research Project［J］.Magn Reson Imaging，1988，6（2）：201-214.

［20］Bhagwandien R，Moerland MA，Bakker CJ，et al.Numerical analysis of the magnetic field for arbitrary magnetic susceptibility distributions in 3D［J］.Magn Reson Imaging，1994，12（1）：101-107.

［21］McBain CA，Khoo VS，Buckley DL，et al.Assessment of bladder motion for clinical radiotherapy practice using cine-magnetic resonance imaging［J］.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2009，75（3）：664-671.

［22］Bauer RW，Radtke I，Block KT，et al.True real-time cardiac MRI in free breathing without ECG synchronization using a novel sequence with radial k-space sampling and balanced SSFP contrast mode［J］.Int J Cardiovasc Imaging，2013，29（5）：1059-1067.

［23］Kim YC，Lebel RM，Wu Z，et al.Real-time 3D magnetic resonance imaging of the pharyngeal airway in sleep apnea ［J］.Magn Reson Med，2014，71（4）：1501-1510.

［24］Paulson ES，Bradley JA，Wang D，et al.Internal margin assessment using cine MRI analysis of deglutition in head and neck cancer radiotherapy［J］.Med Phys，2011，38（4）：1740-1747.

R730. 4

A

10.11877/j.issn.1672-1535.2016.14.05.01

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

2016-01-25）