MRI在放疗中的应用进展

姚丽红 王俊杰北京大学第三医院肿瘤放疗科，北京 1191

MRI在放疗中的应用进展

姚丽红 王俊杰#
北京大学第三医院肿瘤放疗科，北京 1001910

现代磁共振成像（MRI）技术已经迅速应用到放射治疗领域的各个方面。本文旨在简要介绍MRI技术的最新进展，介绍与放疗相关的内容：肿瘤可视化和成像特点、模拟定位以及外放疗中的影像引导作用。关注点在于还原放疗中MRI技术的最新进展。

MRI；放疗；成像

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在过去的30年中成为现代诊断用影像的主要组成部分，广泛用于解决临床问题。磁共振技术成果斐然的一个原因在于其高层次的技术创新，这个因素引领MRI成为了多功能医学影像设备。本文将简要介绍磁共振成像技术在放疗中的应用进展。

1　MRI中肿瘤的可视化和成像特点

在影像学中，某种成像方法的诊断价值是其存在的主要意义。但在肿瘤的放疗过程中，却是能准确地勾画肿瘤轮廓。此时，影像最重要的特征是高分辨率及肿瘤和周围组织器官较高的对比度。

在放疗计划的设计和实施中，为了获得更高的空间分辨率和各向同性的影像，需要使用三维（three dimensional，3D）MRI。3D MRI的优势是提高了信噪比，但这是以增加运动敏感性和图像获取时间为代价的。稳态自由旋进成像方法实现了快速、高分辨率的图像获取和几何稳定性［1］，但伴随的缺点是这些图像显示出混合的T1和T2对比以及对主磁场B0各向异性的怀疑，这些都会导致频带伪影［2］。快速自旋回波技术可以产生预先定义的对比度，可对主磁场B0不均匀性自发修正，但缺点是耗时长且对瑕疵的敏感性差。一种特殊的影像获取方法叫作回波平面成像，这是磁共振功能成像（fMRI）脑研究和弥散加权成像的主力，这种方法可以实现快速的数据收集和高信噪比成像［3］，但与放疗中应用的设想还有很大的差距。原因是这种方法对磁场不均匀性的极端敏感会导致结构的严重扭曲，特别是在空气-组织对比度大的部位，如头颈部［4］。

对于胸腹部的器官，呼吸运动干扰了MRI影像质量，此时，最简单的解决办法是抑制呼吸，但控制呼吸限制了时间的测量，同时限制了影像的分辨率［5］。另外，如果呼吸抑制的位置难以再现，就会导致获取影像的不连续性。对患者更友好的一个方法是使用MRI引导或外部呼吸压力带。这种方式可以在呼吸周期内实现连续相位的数据采集，避免了在成像过程中伪影的产生。采用这些技术，可以使胰腺、肝脏和胃部的肿瘤有效地成像［6］。使用心脏搏动作为激发信号可实现胸腔肿瘤的成像校正，如食管癌或是纵隔淋巴结等［7］。

除了高分辨率，肿瘤周围高对比度在靶区的精确勾画中也非常重要。MRI的长处在于通过脉冲序列参数的处理可以建立与生物体不同的对比度［8］。最重要的非依赖对比机制是T1和T2延迟相以及水分子弥散相［9］。T1和T2相本身的对比度就可以将实质肿瘤从正常组织中区分出来。另外，水和包绕组织器官的脂肪对比明显，这有助于定义肿瘤边界。由于肿瘤周围感染或血管受阻和淋巴倒流的原因，肿瘤周围会形成水肿区域。这种情况在头颈部肿瘤中经常发生，表现为在T2相上的高信号，大多数情况下会高估肿瘤靶区（GTV）［10］。另外一种内生对比度是T2*，反映了某种诱发因素，如脱氧血红蛋白造成的不均质性。血氧合度依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）成像正是利用了这种机制，脱氧血红蛋白引起T2*信号的降低，所以BOLD磁共振可以表示肿瘤的氧合状态。大多数肿瘤的一个重要生理学特性是因为血管生成机制失衡导致的血管受损。为测量微血管参数的改变，可以使用一种外生的增强对比度药剂，通过成像监测组织摄取这种药剂的量，从而获取血流信息；测量血流信息的另外一种方法是基于磁化标记血流的动脉自旋标记法，血液通过的时候可以引起组织器官信号强度的微弱变化。这种技术的主要优势在于不需要注射对比剂，但与增强对比技术相比，其敏感性相对较低。

虽然对比度得到了改善，但肿瘤的精确勾画仍然是困难的，弥散加权成像已经作为一种改善CTV清晰度的新工具被提出来。

肿瘤勾画的不精确是放疗不精确的主要原因。为了改善这一点，基于多参数量化的MRI自动分割技术可能是有帮助的。动力增强MR（Idynamic enhanced MRI，DCE-MRI）和弥散加权MRI （diffusion weighted imaging，DWI）是两种广泛应用的量化MRI方法。DCE-MRI可提供微血管的信息，如血管渗透性、血流和细胞外空间，由于肿瘤中存在血管生成，这些因素在肿瘤组织中都发生了改变。从DWI衍生的表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）反映了微观水流动性，这关系到结构微环境［11］。对于肿瘤体素的自动分配，就要求更高的体素特异性。不同的参数一般不能表明相同的体素是肿瘤［12］。多参数映射的一个缺点是采集影像耗时长。最近，有研究提出一个新的概念为MRI指纹，定量图像采集和处理方法［13］，可快速、重复、定量MRI检查。

最近，对更好的淋巴结影像的需求更加强烈。随着局部肿瘤治疗率的提高，淋巴结复发越来越突出［14］。通常，淋巴结复发和转移是根据大小诊断的，但是经常会发现假阳性和假阴性淋巴结。头颈部成像时，DWI对于亚厘米级别的阳性淋巴结具有高度敏感性和特异性［15］。然而，在盆腔部位，与常规MRI相比，DWI不会增加任何的诊断价值［16］。对于乳腺和前列腺癌应用超小超顺磁性氧化铁（ultra-small super-paramagnetic iron oxide，USPIO）可以获得很好的效果［17］。由于阴性淋巴结是由巨噬细胞组成的，USPIO粒子聚集在阴性淋巴结当中。由于铁负荷，正常淋巴结MRI信号会在注射造影剂后约24 h消失，由于转移性淋巴结的铁吸收非常低，MRI信号的变化最小。尽管有可喜的结果以及精确诊断淋巴结的需求，但食品和药监局仍然没有发布批准使用USPIO的消息。

除了阳性淋巴结的诊断，选择性放疗高危区域淋巴结是临床的常规实践。CT是定义这些区域常用的方法，但是较小的淋巴结在CT上不能看到。因此，将发现的大部分淋巴结区域定义为解剖边界。由于较高的对比度，MRI可能以更高的敏感度识别淋巴结，但需要与脂肪、血管和肌肉周围组织鉴别诊断。这可以通过一个扩散加权的内在脉冲序列，如用在神经成像的序列就可实现［18］。

2　模拟定位

照射野的确定需要精确的几何数据，这一数据将通过患者在固定的放疗体位下获得。应用MRI定位时有两方面需要注意：MRI容易发生几何和灰度畸变，现在的MRI扫描机都有扫描床和与患者匹配的不同类型射频线圈，这些都可能与放疗摆位发生矛盾。单独使用MRI做放疗计划是不可行的，而应用MRI和CT的融合数据是一种可行的方法。这种方法的优点在于CT可以在一个较大的视野下提供几何精确性，为剂量计算提供组织电子密度，同时，MRI可以放大肿瘤体积并提供详细的勾画和表征信息。

无论选择什么方法，在放疗计划中引入MRI之前，认真研究MRI图像失真的原因和影响是必要的。

MRI影像可以通过许多的脉冲序列得到。由于采用的脉冲序列和检查部位不同，MRI发生影像失真的严重程度也不同。对MRI影像失真的研究可追溯到20世纪80年代，在欧洲的一项多中心研究中，Lerski等［19］观察到机器相关的几何失真可达13 mm。MRI影像中的几何失真主要来自静态磁场的不均匀性和梯度的非线性。静磁场和梯度系统的缺陷是由相关的系统失真引起的，如今大多数现代MRI机器的后期处理工具即可校正。越靠近影像的边缘，梯度和静态场失真越严重。以往的MRI放疗模拟系统，如全景0.23 T（飞利浦），小射野边缘失真不受控制。在大多数临床情况下，肿瘤将被定位在靠近中心的位置，系统相关的失真将被最小化，现代MRI系统失真可控制在亚毫米范围内。

主磁场B0的误差主要来源于磁共振扫描仪，如上文所述这种误差可以被纠正，但主磁场B0误差也可来源于患者。由于人体磁敏度分布是干扰该磁场的主要因素，这些几何变形与患者解剖结构相关。由于组织和空气之间相对较大的敏感性差异，考虑图像最大失真发生在组织-空气界面。磁场分布和简单的图像（如圆柱体或球体）失真已解决。对于患者周围的磁场，必须采用数值方法。Bhagwandien等［20］开发了一种基于有限差分法来计算3D物体内部和周围的磁场分布，并将其应用于人体。事实上，磁场扰动在组织-空气交界面是最大的，如头外-5～6 ppm和-6～5 ppm头内鼻窦附近。所得图像失真依赖于读出梯度的强度，如典型读出梯度强度在-5～5 mm（1.5 mT的M-1在1.5 T）。这些易感的相关错误与梯度强度是成反比的，而梯度相关的错误是独立于梯度强度的。因此，相对信噪比更加需要考虑几何保真度时，建议采用最强的读出梯度，与3.0 T的系统相比，1.5 T的系统更容易控制。可用脉冲序列获得无失真的影像，脉冲序列仅应用在MRI信号的相位编码，即所谓的单点成像。然而，相位编码是耗时的且不常用于临床MRI成像。压缩感知可以加速单点成像，另一种方法是测量磁场误差，并用此误差来校准MRI影像。对于所有的正常成像应用，易发生相关的错误能够被减少到亚毫米级。有一个特殊的DWI序列有望实现功能成像。通常DWI是基于回波平面成像（echo planar imaging，EPI）序列的，由于在相位编码方向上的低宽带像素，误差可达厘米量级，因此EPI序列对于易感性错误高度敏感。必须采用认真计划磁场的方式来校正这些失真。

对于具有较高带宽和序列的功能成像（DCEMRI和DWI）扫描序列一般包括T2加权二维快速自旋回波（TSE）序列和高分辨率三维稳态自由进动（SSFP）序列。勾画的肿瘤靶区可被保存在该高分辨率三维稳态自由进动影像集上，SSFP影像集与CT数据配准后用于治疗时患者摆位。影像共配准在很多方面都是有可能的，并且正在成为一种新的趋势［21］。

正如4D CT、MRI可提供器官运动的信息［21］，电影MRI可以以亚秒的级别提供呼吸相关信息，而不涉及任何辐射剂量。这些常规技术使用分级技术，从而通过后处理的方式提供4D信息。现代技术试图通过2D的方式获得MRI实时数据［22］，目前还可通过3D的方式提供评估靶区边界和指导治疗所需的数据［23-24］。

3　MRI在外放疗中的图像引导作用

MRI具有优良的软组织对比度，实时的成像能力和无电离辐射，理论上，MRI用于治疗引导可实现靶区直视。它可以使患者在摆位时依据患者的实际体位、形状和运动特点进行，在照射过程中也可实现实时的运动追踪。运动追踪可用于实时治疗引导，但是不能用于记录剂量重建和累及的解剖结构改变，这样就为治疗过程中提供了独特的摆位和剂量确定性。为了得到这种混合的MRI，在图像重建的不同阶段还需要发展一种新的放疗技术。光子束治疗系统是不受磁场影响的，但会影响二次电子的产生，此影响的大小取决于磁场强度和磁场相关的入射束的方向。在MRI中，信号一般是通过一种放在患者身上的射频线圈收集的，这种线圈的最佳位置难免要在照射野内，而射频线圈可使射线衰减，也可造成潜在的图像劣化。

4　小结

综上所述，现代MRI对放疗过程的影响是巨大的。基于MRI的模拟定位机的应用正在成为临床常规的一部分，提高了放疗介入放射的成功率，但仍存在许多问题尚待探讨。

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R730. 4

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10.11877/j.issn.1672-1535.2016.14.05.01

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

2016-01-25）