CT-MRI 可兼容定位裝置在精準放療中的應用

劉佳（通信作者），麥燕華，房詩婷

廣東醫科大學附屬醫院 （廣東湛江 524000）

精準放療可分為3 部分，即精準定位、精準設計和精準治療，其中精準定位是精準放療的基礎。CT 大孔徑模擬定位是放療常用的定位方法，CT 可實現三維成像，包含豐富的解剖信息和電子密度信息，且幾何失真率低、空間分辨率高、掃描時間短。但其軟組織分辨率低，腫瘤和正常組織邊界模糊，導致靶區勾畫不精確，可能使正常組織并發癥發生率升高[1-3]，無法滿足精準放療的需求。隨著科技的發展，MRI 技術逐漸應用于放療定位。MRI 包括多種成像技術，圖像軟組織分辨率高且輻射小，能更清晰地區分腫瘤和正常組織邊界，利于腫瘤靶區的勾畫[4-6]。但MRI 圖像無電子密度信息，無法計算劑量，因此常需要與CT 圖像融合，利用融合后的圖像進行腫瘤靶區勾畫，以提高定位的精確度，滿足精準放療的需求[2]。由于常規MRI 掃描床板為曲面，放療定位床板為平面，且MRI 掃描所需的線圈（尤其是頭頸部）與CT 模擬定位固定裝置（包括定位體架、頭枕、熱塑膜等）互不兼容[4]，導致無法使用相同的定位體位進行掃描，進而影響圖像融合的效果，降低靶區勾畫的精確度。雖然放療專用MRI 定位機可解決此問題，但其價格昂貴，應用受限[7]。因此，CT-MRI 可兼容定位裝置的研制具有重要臨床意義。

1 CT-MRI 可兼容定位裝置的研究背景

1.1 研究意義

目前，精準放療常用的兩種定位方式是CT 模擬和MRI 模擬[8]。MRI 具有軟組織分辨率高、輻射小等優點，已被廣泛應用于臨床[9-12]。MRI 模擬定位包括兩種方式，一種是單獨使用MRI 模擬定位機進行定位，另一種是結合CT 模擬定位機進行定位[13-15]。這兩種定位方式各有特點，第一種配有放療專用線圈，專用于放療模擬定位，但MRI 圖像信號強度是質子密度與組織弛豫時間的函數，與電子密度無相關性?，F有的放療計劃基于電子密度信息計算劑量分布，MRI 圖像無法像CT 圖像一樣，基于電子密度準確計算組織的劑量分布，不可直接應用于放療計劃。放療專用的MRI 模擬定位費用較高，給患者帶來較大的經濟負擔，只適用于少數大醫院放療科，不適宜于基層醫院大范圍推廣。第二種是目前臨床常用的定位方式，將MRI 圖像與CT 圖像進行融合配準，利用融合后的圖像設計放療計劃[16-19]。1987 年，Fraass 等[20]曾提出利用MRI 與CT 圖像融合配準進行放療靶區定義和勾畫。此方法既可解決CT 圖像軟組織分辨率低的問題，又可解決MRI 圖像無電子密度信息，無法用于計算劑量分布的問題。由于常規MRI 掃描床為曲面，放療定位床板為平面，兩種模態圖像在進行圖像配準時易產生較大誤差，且圖像融合的算法也會影響圖像配準的精度[21-22]。因此，用同一種方式對患者進行體位固定，采用同時滿足CT 掃描和MRI 掃描的可兼容定位裝置，即可解決此問題。

1.2 研究現狀

以放療專用線圈替代頭頸線圈，可解決放療擺位裝置不兼容問題，但也會降低MRI 圖像質量。為提高MRI 圖像質量，唐慧等[23]基于現代流行的模具制作逆向工程技術，率先在國內研發出可兼容頭頸線圈的新型固定裝置，并探討了其對MRI 和CT 圖像質量、光子劑量衰減的影響，以及應用于放療的可行性，證明其研發的可兼容新型頭頸線圈可用于顱內腫瘤放療。放療專用的MRI 模擬定位機掃描時需使用擺位輔助裝置進行固定，患者的舒適度低于MRI 掃描。為提高患者的舒適度、縮短MRI 掃描時間，陳辛元等[24]改裝兩片式16 通道柔性線圈，建立了頭頸部模擬定位高通道線圈掃描方案，并證實此方案可滿足臨床需要，顯著提高圖像的信噪比；在保證圖像質量相近的前提下，可支持更快的并行采集方案，顯著縮短掃描時間。為解決放療專用線圈掃描圖像質量差的問題，胡臻堯等[25]研發了可兼容頭頸聯合線圈的新型放療輔助固定裝置，驗證了此裝置可滿足臨床需求，并可在臨床應用中獲得質量較高的圖像。為了提高CT 模擬定位圖像與常規MRI 掃描圖像配準及放療靶區勾畫的精確度，鐘青松等[7]研制出一套CT-MRI 同體位放療模擬定位裝置，并驗證此裝置可有效提高CT 和MRI圖像配準及靶區勾畫的精確度，滿足臨床放療要求。

2 可兼容固定裝置的材料及特點

目前，CT-MRI 可兼容定位裝置常用的材料包括玻璃纖維、凱夫拉[23]（又稱芳綸）、ABS 塑料、聚甲醛熱塑性結晶聚合物（polyformaldehyde，POM）、尼龍等。（1）玻璃纖維：一種無機非金屬材料，種類繁多，性能優異，絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好、機械強度高，單絲直徑為幾微米至20 多微米，相當于一根頭發絲的1/20 ～1/5，但其缺點為性脆、耐磨性較差，常被用作復合材料中的增強材料。（2）凱夫拉：化學名稱為聚對苯二甲酰對苯二胺，其密度低、強度高、韌性好、可耐高溫，強度為同等質量鋼鐵的5 倍，但密度僅為鋼鐵的1/5。（3）ABS 塑料：化學名稱為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，其耐化學腐蝕、耐熱，具有一定的表面硬度、高彈性和韌性；其原料易得、綜合性能好、價格便宜。（4）POM：又稱聚氧亞甲基，是一種聚合物，被譽為“超鋼”或“賽鋼”；具有耐疲勞、耐蠕變、耐磨、耐熱、耐沖擊等優良性能，且摩擦系數小，自潤滑性好，不易吸濕，在潮濕的環境中穩定性強。（5）尼龍：具有絕緣、無磁、耐腐蝕、美觀、永不生銹等優良特性。

3 可兼容固定裝置的基本結構

CT-MRI 可兼容定位裝置可分為3 部分，即可兼容床板、可兼容模擬定位體架、頭部/體部線圈支架。可兼容床板為平面床板，可嵌套在MRI 床板上使用，能夠滿足CT 掃描時體位固定的需求?？杉嫒菽M定位體架既可置于可兼容床板上進行MRI掃描，又可作為體位固定體架進行CT 掃描。頭部/體部線圈支架可調節上下高度和側向滑動幅度，便于更好地進行體位固定。CT-MRI 可兼容定位裝置組裝后的結構如圖1 所示?？杉嫒荽舶?、可兼容模擬定位體架、頭部/體部線圈支架的尺寸可結合具體MRI 型號及該地區患者身高、體型特征進行定制。

圖1 CT-MRI 可兼容定位裝置結構圖

3.1 可兼容床板

MRI 掃描床面底部為凹型，兩側邊緣設有凹形槽，而CT 掃描床面為平面，兩者床面不同導致體位固定方式不一致，難以實現精準放療。為解決此問題，可兼容床板頂部和底部兩側各有1 個限位塊，先將頂部2 個限位塊直接對準MRI 掃描床板頂部兩側邊緣的凹形槽，再調節底部限位塊，使其與MRI 掃描床板底部凹形槽匹配，直至可兼容床板能直接嵌套于MRI 掃描床板上。擰緊螺釘，使MRI 掃描床板由凹形板變為平面板?？杉嫒荽舶宕笮cMRI型號相匹配，采用纖維增強復合材料（凱夫拉和玻璃纖維），以滿足MRI 掃描的需求。

3.2 可兼容模擬定位體架

CT 模擬定位體架主要為玻璃纖維材質，但玻璃纖維進入磁場時容易發熱，從而引發患者恐懼心理，甚至帶來生命危險，體驗不佳。為解決發熱問題，可兼容模擬定位體架采用以凱夫拉為主的復合材料，可避免發熱，減輕患者恐懼心理，為其提供舒適、健康的模擬定位環境?？杉嫒菽M定位體架大小與CT 模擬定位體架尺寸保持一致，可借助螺釘嵌套在可兼容床板上，以便與CT 模擬定位保持相同體位。

3.3 頭部/體部線圈支架

頭部/體部線圈支架采用ABS/POM 材質，頭部線圈支架由體架、托架、解鎖裝置及固定座組成，體部線圈支架主要由弧形架、基座及鎖緊結構組成。線圈支架可通過弧形架調節高度和前后距離，確保線圈靠近人體時不會產生壓迫感，是可獨立安裝的結構，對固定裝置和床板無限制，具有良好的兼容性。

4 可兼容固定裝置的使用步驟

（1）體位固定及CT 掃描：根據患者的靶區位置選擇合適的體位固定方式，進行CT 掃描，再將掃描的CT 圖像上傳至相應的放療治療計劃系統。（2）安裝MRI 可兼容床板：將可兼容床板頂部的限位塊對準MRI 床板頂部邊緣的凹槽，調節可兼容床板底部的限位塊，使其完全嵌套于MRI 床板，再擰緊螺釘，防止其滑動。（3）安裝可兼容模擬定位體架：根據可兼容床板的中線位置放置定位體架，使兩者的中線位置保持一致，并利用卡銷固定可兼容模擬定位體架。（4）放置體位固定所用的模具：將體位固定需要的模具置于患者體表，體位固定同CT 掃描。（5）放置線圈支架及線圈：在患者所需掃描部位放置線圈支架，將線圈支架鎖緊結構的壓舌板正確卡入可兼容體位固定架底座的適配條內，再將調節扳手撥至鎖緊側；根據弧形結構調節線圈支架的高度和前后距離，確保其與CT 掃描體位固定方式一致；最后將MRI 掃描需要的線圈置于線圈支架上，以備MRI 掃描。（6）MRI 掃描及圖像融合：將MRI 掃描的圖像上傳至放射治療計劃系統，與CT 掃描圖像融合，保存CT 圖像、MRI 圖像及融合后的圖像后，將其導入計劃系統。

5 存在的問題

CT 和MRI 可兼容固定裝置可實現同體位固定，利用CT 和MRI 圖像融合技術可實現精準放療。雖然較多研究表明，同體位固定利用圖像融合技術可明顯提高靶區勾畫的精確度并準確進行劑量計算，實現精準放療，但精準放療應用過程中仍存在以下問題。（1）MRI 圖像失真：由于掃描時間長，如患者在MRI 掃描過程中不配合，可能導致MRI 圖像出現偽影和失真，降低圖像融合的精確度；掃描時參數設置不當（如MRI 序列參數設置不當），也會影響MRI 圖像清晰度，進而降低圖像融合的精確度[26]。（2）MRI 無法使用激光定位系統：現有的MRI 診斷系統無法使用放療專用的激光定位系統進行激光定位標記，也給重復性擺位帶來一定困難，可能增大CT 和MRI 同體位掃描的誤差，也可能降低圖像融合的精確度[3]。（3）圖像融合配準的精度不高：目前采用的圖像融合配準大多是在放療計劃設計系統或第三方專用的勾畫軟件（如MIM 等軟件）中完成的，這對物理師的圖像配準技術提出了較高要求，還與臨床醫師勾畫靶區及正常組織的習慣有一定聯系；物理師與臨床醫師配合度不高也會降低圖像融合配準的精度[27]。（4）缺乏統一的評價規范：目前通常根據臨床醫師的要求評價圖像融合配準后的結果，臨床醫師的習慣存在差異，圖像融合配準評價尚無統一標準，可能導致圖像配準結果差異化嚴重[27]。

綜上所述，CT-MRI 可兼容固定裝置可實現CT和MRI 同體位固定，利用圖像融合技術使融合圖像保留CT 和MRI 圖像的優點，提高精準放療過程中靶區和正常組織勾畫的精確性，減少圖像邊界不清晰或勾畫習慣不統一導致的差異，具有一定的臨床價值；同時，為無放療專用MRI 模擬定位機的醫院節約了成本，減輕了患者的經濟負擔。但實際應用中依然存在一定的問題，如MRI 圖像失真、MRI 無激光定位系統、圖像融合配準精度不高、無統一評價標準等[27-28]，有待未來進一步完善。