磁共振引导高强度聚焦超声的乳腺射频线圈研究进展

2019-09-12王湘杰褚永华

医疗装备 2019年17期

王湘杰，褚永华

浙江大学医学院附属第二医院临床医学工程部（浙江杭州 310009）

乳腺癌是全球女性发病率和病死率第1位的恶性肿瘤，也是我国女性发病率最高的恶性肿瘤。世界卫生组织(WHO)发布的国际肿瘤登记中心报告数据显示，全球每年新增乳腺癌患者115万例，占全部女性肿瘤患者的23%，死亡41万例，占全部女性肿瘤死亡患者的14%[1]。聚焦超声、射频消融、聚焦微波热疗、冷冻治疗、电化学疗法、光动力治疗和近距离放射治疗等新技术治疗乳腺癌患者的效果已初见端倪[2-3]。其中高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU)被视为最有应用潜力的非侵入式肿瘤治疗新方法之一，其在前列腺、乳腺、子宫、肝、肾、胰、骨、脑等良恶性肿瘤的临床研究中表现出了良好的应用前景[4-6]。

1 HIFU治疗的优势及不足

磁共振引导HIFU（magnetic resonance guided HIFU，MRgHIFU）治疗系统中的乳腺射频线圈设计是高分辨力MRgHIFU术中成像、术中温度监控的基础，可为聚焦超声治疗乳腺癌患者的剂量学模型建立和疗效评价奠定关键硬件基础。MRgHIFU系统框架如图1所示。

图1 MRgHIFU系统框架

HIFU治疗系统的基本原理是利用超声聚焦作用将体外低能量的超声聚焦到病灶区域，使焦域温度在短时间内升至65 ℃以上，从而使病变组织凝固性坏死，且最大限度地不损伤肿瘤周围的其他正常组织，从而达到微创治疗目的[4]。HIFU治疗系统的核心技术主要包括：在考虑到人体结构不均匀性的前提下对拟治疗的体内病灶实现精准定位，对HIFU系统的声输出实现精准的时空控制，对从正常体温到靶组织变性临界温度的全过程进行全程实时监视和引导，对靶组织发生凝固性坏死与否进行在线检测判断的硬软件及其功能[7]。

目前，临床上常见的超声引导HIFU系统的主要缺点在于：不能实现无创测温、无实时温度反馈、不能提供精确的治疗效果评价。磁共振测温已成功应用于临床，成为最具发展前景的一种体外无创测温技术[8-9]。此外，与超声图像相比，磁共振图像能够更清晰地显示病灶及周围区域，且可在发现治疗位置偏离时及时予以纠正，从而实现实时监控HIFU治疗效果的目的[10-13]。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是目前用于HIFU肿瘤治疗的最有效的图像引导目标定位和温度监控方法。

2 MRgHIFU的乳腺射频线圈研究进展

MRgHIFU在国内外已应用于临床。许永华和陈文直[14]对MRgHIFU治疗完全消融子宫肌瘤后，进行了3年随访，结果显示，MRgHIFU以其完善的治疗前计划、实时的温度监测反馈及治疗剂量控制、优异的解剖结构定位，在子宫肌瘤患者的治疗中极具潜力。Insightec公司与西门子签订战略合作协议，进一步完善MRgHIFU治疗系统与西门子1.5T和3T MRI系统之间的兼容性[15]。MRgHIFU系统仍需进一步提高术中测温精度，针对特定部位开发专用的射频线圈。关于术中测温问题，Celicanin等[16]分析了人体呼吸或其他生理运动造成的磁共振测温误差，提出了实时磁共振测温运动补偿方法。Hwang等[17]研究证明了采用更小的可移动射频线圈进行MRgHIFU治疗，可提供更高信噪比的MRI图像，从而提高测温精度。

射频线圈是MRgHIFU系统的关键部件之一，分为发射线圈和接收线圈。发射线圈发射射频脉冲激发人体内的质子发生共振，接收线圈以高信噪比接收灵敏区的信号。射频磁场的均匀性和信噪比对MRI的图像质量影响很大[18-19]。2013版《中国抗癌协会乳腺癌诊治指南与规范》推荐采用1.5T及以上的高场磁共振系统进行乳腺MRI检查，以获得较好的信噪比和脂肪抑制效果，并建议采用相控阵线圈、开放式线圈以及并行采集技术，以利于在侧方进行MRI引导的介入操作[20]。

传统用于治疗乳腺癌患者的MRgHIFU系统，如以色列Insightec公司的ExAblate机型，其超声换能器位于机架下方，在治疗的同时，超声束可能会对肋骨、心脏和肺等器官造成损伤。Philips公司研发的新型聚焦超声肿瘤治疗系统安装在荷兰乌得勒支大学医学中心，8个超声换能器围绕在乳腺周围，避免了超声束从底部向上发射对正常器官造成的损伤。由于仅采用1个靠近人体胸壁的环形射频线圈，该系统的成像信噪比相对较低。美国犹他大学研制的乳腺专用MRgHIFU系统，其超声换能器从侧面发射超声束，11通道的圆柱形射频线圈相对于单通道圆环射频线圈信噪比提高了1倍以上。该系统的不足在于：（1）系统总高度为17 cm，在常规60 cm孔径的磁共振系统中，不适用于部分身形高大或肥胖的患者；（2）超声换能器必须手动操作；（3）圆柱形乳腺射频线圈需要为超声束预留通道，不能完全覆盖整个乳腺组织，且不够贴合乳腺形状，因而成像信噪比仍有较大的提升空间[21-23]。张鞠成等[24]应用逆方法设计了半球型乳腺射频线圈，采用Tikhonov正则化技术解决线性积分方程的高度病态问题，得到傅里叶系数的解，应用流函数技术得到半球型乳腺射频线圈的绕线形状。与常规圆柱形射频线圈相比，半球形射频线圈的磁场分布更为均匀。逆方法设计MRgHIFU的半球形乳腺射频线圈的流程如图2所示。应用目标场方法求解分布于半球形表面的电流密度分布，采用Tikhonov正则化技术解决高度病态的积分方程，应用流函数技术得到线圈的绕线形状。此部分仿真在Matlab环境中实现，然后在CST Design Studio 软件中建模仿真，分析半球型乳腺射频线圈的磁场分布均匀性和信噪比。