MRI引導放射治療設備研究進展

毛玲麗，劉紅冬，陽 露，裴 曦*，徐 榭

(1.中國科學技術大學物理學院，安徽 合肥 230025；2.廣州醫科大學附屬腫瘤醫院放療中心，廣東 廣州 510095)

MRI具有較好的軟組織成像對比度，可進行功能成像且無電離輻射，已成為現代診斷成像的重要手段[1]。實時MRI引導放射治療(MRI-guided radiotherapy， MRIgRT)系統由MR掃描儀及用于放射治療的電子直線加速器(或其他類型的放射治療機)組成，按照系統集成度可分為兩種[2]：①分離系統；②一體化系統。分離系統無法在治療過程中對組織器官成像，且會帶來運動偽影及系統誤差，臨床放射治療中傾向于使用一體化MRIgRT系統，即MR掃描儀和直線加速器完全集成為一體的混合MR治療單元。目前關于MRI引導光子放射治療系統已有較多研究。本文主要對全球各中心設計和安裝的實時MRI引導光子放射治療設備最新進展進行綜述。

表1 MRIgRT裝置的簡單參數比較

圖1 MRI和Linac配置方式示意圖 A.從Linac發出的束流與MRI主磁場的方向平行，為MRIgRT的平行配置模式; B.從Linac發出的束流與MRI主磁場的方向垂直，為MRIgRT的垂直配置模式 (紅箭表示MRI主磁場方向，黃實線表示從Linac射出的束流方向)

1 MRIgRT的技術優勢

未來放射治療的發展方向為小范圍、高劑量精準放射治療[3]。放射治療實施的精準性受靶區勾畫、擺位誤差、分次和單次治療中器官變形、運動和旋轉等因素影響，而以圖像引導放射治療(image-guided radiotherapy, IGRT)可減少這些不確定性。目前臨床上基于X射線成像的IGRT設備有電子射野影像裝置(electronic portal imaging device, EPID)、 MV級和kV級錐形束CT(cone-beam CT, CBCT)等，主要在放射治療前或分次治療間獲取圖像，通過圖像配準實現精準放射治療，但尚無法真正實現實時圖像引導放射治療。

與基于X射線成像的影像設備相比， MRI雖然缺少電子密度信息、掃描時間長、易幾何失真，卻有以下優勢[4]：①高軟組織對比度；②能直接獲得多方位的原生三維斷面圖像；③無損檢查，不會對人體產生電離輻射；④多參數成像，可探測更精細、更豐富的信息用于診斷；⑤多對比度成像，可獲取多種不同加權特性的圖像，提高診斷質量；⑥無骨性偽影。MRIgRT能更精確地勾畫靶區和危及器官，以實現增加腫瘤放射劑量且減少正常組織放射劑量的放射治療目標。更重要的是，傳統放射治療過程是基于計劃靶區(planning target volume, PTV)優化的初始治療計劃進行分次治療，而MRIgRT在放射治療過程中可以實時獲得靶區的解剖和生理信息，從而為每次分次治療提供在線劑量計劃優化以及自適應再計劃[5]。因此，MRIgRT技術被臨床寄予厚望。

2 MRIgRT系統介紹

MRIgRT系統主要由MR掃描儀、放射治療機以及自適應放射治療計劃系統(adaptive radiotherapy treatment planning system，ART-TPS)組成。目前國際上主要有4個機構在開展 MRIgRT 設備的研發工作,其主要參數見表1。其中束流與磁場方向的平行模式和垂直模式示意圖見圖1。

2.1 第一臺商業MRIgRT系統 Viewray公司開發的商業MRIgRT系統(MRIdian?或ViewRay System)[6]由3部分組成：①雙環超導磁體組成的開口直徑為70 cm的0.35T 全身 MRI 裝置，成像野50 cm，全身射頻發射線圈直徑為75 cm并覆蓋磁鐵間隙;②放射治療系統，由3個相距120°的Co60源組成，放射源安裝于雙環超導磁體之間的環形機架上，且距離等中心點105 cm；③高性能ART-TPS，基于蒙特卡羅劑量計算方法，具有魯棒性且運算速度快，能在30 s內完成9個野治療計劃，完全實現在線實時自適應放射治療[6]。Viewray公司新設計的“MRIdian Linac”系統由6 MV直線加速器、0.35 T MRI和ART-TPS組成[7]。

2.2 典型MRIgRT系統 加拿大阿爾伯塔大學交叉癌癥研究所(cross cancer institute, CCI)于2008年建成首個MRIgRT原型系統，由一個雙平面的0.2 T MRI系統和6 MV直線加速器構成，其機架處于固定狀態[8]。2013年CCI開始安裝臨床級全身MRI-Linac系統—Aurora RTTM，其硬件由一對雙平面0.6T MRI系統和一個6 MV的直線加速器構成，機架可360°旋轉，治療時加速器和MR掃描儀一同圍繞患者旋轉，治療束與主磁場平行；所用磁場由高溫超導材料提供[9]。與其他MRIgRT系統不同，Aurora RTTM系統設有低溫冷卻器，在不使用低溫液體的情況下也能保持超導溫度[10]。Aurora RTTM系統采用自動腫瘤勾畫算法、基于人工神經網絡的腫瘤位置預測算法，以及多葉準直器(multi leaf collimator, MLC)實時控制系統，以在放射治療過程中實現腫瘤適形[10]。

2.3 多方合作的MRIgRT系統 荷蘭烏特勒支大學醫學中心(university medical centre utrecht， UMC)自2012年開始與醫科達、飛利浦公司合作，開發了一個完全集成的MRIgRT裝置Elekta Unity。該裝置中，1.5T MR上安裝有環形機架及7 MV直線加速器的所有部件，通過旋轉機架和磁體，可實現連續旋轉調強放射治療[11]。飛利浦公司已經開發出基于蒙特卡羅算法和MRI-only的實時自適應治療計劃系統。2017年采用該系統成功對一組脊柱轉移瘤患者進行了治療[12]。

2.4 最新MRIgRT系統 澳大利亞團隊開發的MRIgRT系統以1.0 T MRI和6 MV直線加速器為基礎，并采用類似CCI的總體結構方案，經適當改進，形成獨具特色的MRIgRT設備[13]：①主磁場方向與治療束方向平行，減低了設備構造復雜性、降低建造成本；②MR和直線加速器主體結構固定不動，而將患者固定在可旋轉的治療床上，雖然更具實用性，但旋轉會造成患者內部組織和器官變形；③主磁體為分體式超導磁體，場強大小為1.0T，成像更清晰。2018年該團隊在MRIgRT上使用特制射頻(radio frequency, RF)線圈獲得了MR圖像[14]。

國內四川大學[15-16]較早開展了對MRI引導放射治療劑量分布的蒙特卡羅研究工作，主要集中在使用GEANT 4軟件模擬光子治療束以及電子治療束在均勻橫向磁場下水箱模型中的束流特性。中國科學技術大學醫學物理團隊已經開發了在磁場下使用的基于圖形處理單元(graphics processing unit, GPU)加速的蒙特卡羅算法軟件ARCHER[17]，利用該軟件磁場下的乳腺癌治療計劃僅需數十秒；該團隊還利用TOPAS軟件計算和分析多個能量下質子束在不同強度磁場中的劑量分布情況[18]，并發明了一種基于MRI-only的三維劑量驗證方法[19]。

3 MRIgRT系統面臨的主要難點

3.1 MRI和Linac部件之間的耦合 MLC電機產生的RF噪聲會干擾RF線圈信號，同時MLC鎢合金葉片會影響MRI磁場的均勻性，從而降低MR成像質量；MRI邊緣磁場也會引起MLC的電機故障[9，20]。此外，由于洛倫茲力的作用，MR磁場還可使Linac電子槍[21]和加速管[22]中的電子束發生偏轉。為解決磁場干擾和射頻干擾問題，Elekta Unity系統做了以下改動[11]：①采用MR主動磁屏蔽，在橫向中央平面產生一個低環向場；②將鋁制低溫恒溫器壁設計為法拉第筒的一部分，加速器位于法拉第筒外部，MR放置在法拉第筒內部。CCI團隊的研究表明[23]，通過銅盒可有效屏蔽MLC電機引起的RF噪音。澳大利亞團隊Brendan[24]重新設計電子槍和加速管結構，將電子槍陰極直接放在加速管第一加速腔內，利用加速管的RF源直接加速電子。澳大利亞團隊Liney等[25]的研究表明，可以通過感興趣體積內動態勻場過程減弱MLC和加速器對主磁場均勻性的影響。

3.2 快速在線治療計劃和自適應再計劃策略 實時圖像引導需要快速的在線治療計劃和自適應再計劃策略。安裝GPU和高性能計算系統可提高治療流程速度。自適應放射治療應完全或部分自動，以提高計算速度[26]。劑量計算算法必須處理電子密度不能直接從MRI獲取的問題[27]，最有效的方法是使用偽CT，即MRI是放射治療工作流程中使用的唯一模態的MRI-only放射治療技術[28]。Elekta Unity的TPS系統采用基于MRI-only技術的商業軟件包MRCAT(已獲得FDA認證)[29]，以單個“mDIXON”的MR序列和專有算法來生成電子密度信息。理想的在線MR成像序列應足夠快，且不易受圖像幾何失真的影響。此外，改進的fMRI通過瞄準生物相關子區來考慮腫瘤異質性時，應做到不需延長采集時間而能產生相關信息，從而達到“解剖學”和“生物學”上的實時圖像引導自適應放射治療。

3.3 考慮磁場對次級帶電粒子影響 不同組織界面處的電子返回效應(electron return effect, ERE)會導致劑量分布的翹曲或高低密度交界面劑量的熱點和冷點[30]，因此計算劑量時必須考慮磁場對次級電子的影響。通過蒙特卡羅程序[31-32]或專用的確定性方法[33]，ERE可在IMRT優化過程中得到補償，甚至可能被用來增加靶區的劑量適形度。由于肺部易感性偽影和密度變化，故需考慮磁場對次級電子的影響。

3.4 磁場中的劑量測定和質量保證(quality assurance, QA) QA設備須與MR磁場兼容。用于機器劑量測定的QA設備須考慮磁場對用于絕對劑量測定的電離室中次級電子的影響。因此，MRIgRT系統需引入臨床專用的QA設備和調試協議。Mcdonald等[34]研究表明，輻射變色和聚合物凝膠劑量計可用于MRIgRT系統的端到端調試。Magphan RT體模、 DYNAMIC PHANTOM體模、QUASAR MRID3D體模均可用于MRIgRT系統劑量測定和QA。Klein等[35]列出了成像和治療等中心之間每日容差指南，非立體定向治療≤2 mm，立體定向治療≤1 mm，需對MRIgRT機器QA給予重視。對于自適應放射治療中患者QA也需要重新定義，而在線驗證工具在臨床中也將越來越重要。

4 小結

MRIgRT系統能在動態的分次治療過程中實時跟蹤靶區運動，并進行在線治療計劃和自適應再計劃，有望大幅提高放射治療的精確性。國際上數家大型研究機構已經解決了MRIgRT設備面臨的部分技術難點，如MR成像設備與放射治療設備的兼容性問題、快速在線TPS和自適應放射治療流程的開發以及劑量計算與QA等。目前MRIgRT系統的臨床試驗剛剛起步，期望MRIgRT技術在未來的放射治療實踐中得到廣泛使用，使腫瘤放射治療進入新時代。