磁共振引導高強度聚焦超聲的乳腺射頻線圈研究進展

王湘杰，褚永華

浙江大學醫學院附屬第二醫院臨床醫學工程部 （浙江杭州 310009）

乳腺癌是全球女性發病率和病死率第1位的惡性腫瘤，也是我國女性發病率最高的惡性腫瘤。世界衛生組織(WHO)發布的國際腫瘤登記中心報告數據顯示，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、電化學療法、光動力治療和近距離放射治療等新技術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出了良好的應用前景[4-6]。

1 HIFU治療的優勢及不足

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

圖1 MRgHIFU系統框架

HIFU治療系統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域，使焦域溫度在短時間內升至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，從而達到微創治療目的[4]。HIFU治療系統的核心技術主要包括：在考慮到人體結構不均勻性的前提下對擬治療的體內病灶實現精準定位，對HIFU系統的聲輸出實現精準的時空控制，對從正常體溫到靶組織變性臨界溫度的全過程進行全程實時監視和引導，對靶組織發生凝固性壞死與否進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HIFU系統的主要缺點在于：不能實現無創測溫、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用于臨床，成為最具發展前景的一種體外無創測溫技術[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域，且可在發現治療位置偏離時及時予以糾正，從而實現實時監控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目標定位和溫度監控方法。

2 MRgHIFU的乳腺射頻線圈研究進展

MRgHIFU在國內外已應用于臨床。許永華和陳文直[14]對MRgHIFU治療完全消融子宮肌瘤后，進行了3年隨訪，結果顯示，MRgHIFU以其完善的治療前計劃、實時的溫度監測反饋及治療劑量控制、優異的解剖結構定位，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略合作協議，進一步完善MRgHIFU治療系統與西門子1.5T和3T MRI系統之間的兼容性[15]。MRgHIFU系統仍需進一步提高術中測溫精度，針對特定部位開發專用的射頻線圈。關于術中測溫問題，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系統的關鍵部件之一，分為發射線圈和接收線圈。發射線圈發射射頻脈沖激發人體內的質子發生共振，接收線圈以高信噪比接收靈敏區的信號。射頻磁場的均勻性和信噪比對MRI的圖像質量影響很大[18-19]。2013版《中國抗癌協會乳腺癌診治指南與規范》推薦采用1.5T及以上的高場磁共振系統進行乳腺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，以利于在側方進行MRI引導的介入操作[20]。

傳統用于治療乳腺癌患者的MRgHIFU系統，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公司研發的新型聚焦超聲腫瘤治療系統安裝在荷蘭烏得勒支大學醫學中心，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形射頻線圈，該系統的成像信噪比相對較低。美國猶他大學研制的乳腺專用MRgHIFU系統，其超聲換能器從側面發射超聲束，11通道的圓柱形射頻線圈相對于單通道圓環射頻線圈信噪比提高了1倍以上。該系統的不足在于：（1）系統總高度為17 cm，在常規60 cm孔徑的磁共振系統中，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]應用逆方法設計了半球型乳腺射頻線圈，采用Tikhonov正則化技術解決線性積分方程的高度病態問題，得到傅里葉系數的解，應用流函數技術得到半球型乳腺射頻線圈的繞線形狀。與常規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。逆方法設計MRgHIFU的半球形乳腺射頻線圈的流程如圖2所示。應用目標場方法求解分布于半球形表面的電流密度分布，采用Tikhonov正則化技術解決高度病態的積分方程，應用流函數技術得到線圈的繞線形狀。此部分仿真在Matlab環境中實現，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系統專用的乳腺射頻線圈設計是實現MRgHIFU術中高分辨力成像、術中溫度實時監控的基礎。現有的用于MRgHIFU系統的圓柱形乳腺射頻線圈不夠貼合乳腺形狀，信噪比較低。通過設計半球形乳腺射頻線圈，使得射頻線圈更加貼合乳腺，可進一步提高MRI信噪比。

圖2 乳腺射頻線圈設計流程