磁共振引导经颅聚焦超声治疗系统治疗前的质量控制检测

【作 者】边祥兵，秦勤，张兴文，齐叶青，张德康，张帅

解放军总医院第一医学中心，北京市，100853

0 引言

磁共振引导经颅聚焦超声系统（transcranial magnetic resonance-guided focused ultrasound surgery，TcMRgFUS，俗称“磁波刀”）将磁共振成像技术和高强度聚焦超声技术融合在闭环过程中，对脑组织行热消融干预处理，同时对脑组织实时温度变化的监测及实时动态定位图像显示，实现能量沉积反馈，目前是最具潜力的脑肿瘤、功能神经外科、中风及靶向给药等经颅治疗的新技术[1]。我院新投入使用的我国首台“磁波刀”头部治疗系统（EXABLATE TcMRgFUS）已开展临床治疗患者多例。本研究对磁共振引导经颅聚焦超声系统的预防性维护及质量流程控制进行阐述。

1 设备和方法

1.1 治疗系统和成像设备

磁共振引导经颅聚焦超声治疗系统EXABLATE 4000（650 kHz）由聚焦超声换能器系统、可拆卸式治疗床、前端机柜，操作员工作站、设备柜和水冷系统构成。聚焦超声换能器包含1 024个电子相位阵列元件，超声波频率为620～720 kHz，从5 s到60 s不等的超声脉冲对靶区进行多次超声波处理（sonications）。

磁共振成像仪（Discovery MR 750 3.0 T，GE Medical system,USA）采集序列是美国放射学会ACR（American College of Radiology,ACR）推荐的TIWI轴位，11层，SE序列，TR=500 ms，TE＝20 ms，FOV=25 cm，层厚＝5 mm，层间隔＝5 mm，矩阵＝256×256，激励次数（NEX）＝1。

1.2 检测内容、要求及参考指南

治疗前检测内容和要求主要包括：①磁共振成像仪评价包括系统通用性能指标的检查和图像质量控制指标；②磁共振引导经颅聚焦超声治疗系统EXABLATE 4000日常质量保证（daily quality assurance,DQA）程序。参考指南主要为：①美国电气制造商协会（National Electrical Manufactures Association，NEMA）制定的多种指标的检测方法和技术标准[2]；②美国医学物理学家学会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）第1号报告[3]；③美国放射学会（ACR）的指导性手册[4]；④卫生部发布的《医用磁共振成像设备影像质量检测与评价规范》（WS/T 263-2006）[5]；⑤美国放射学院体模测试指南[6]。

测试模体：ACR标准体模，大小为 190 mm×190 mm×148 mm的圆柱体。

1.2.1 系统通用性能的检查

具体检查项目为：机器运行状态、安全警报装置、视频/音频监控系统、脉搏血氧监护仪、应急系统、液氦压力及水平、水冷机运行状态等。

1.2.2 图像质量控制检测

①按使用说明将ACR标准体模放置于线圈内，使用水平仪进行调节水平，激光灯对准在体模“NOSE”处刻度线；位置清零，进床至磁体等中心位置即可。轴位采集11层。从ACR体模的最下端45o楔形边相交的顶点开始，到最上端45o楔形边相交的顶点结束。

② 预扫描阶段，MR系统通常会自动确定中心频率，记录中心频率及RF发射的衰减量或增加量。

③扫描结束，测量体模直径，分析图像质量。按ACR推荐的图像质量控制检测方法进行记录。

1.3 磁共振引导经颅聚焦超声治疗系统EXABLATE 4000日常质量保证程序

将换能器的快速耦合器电缆和水系统电缆连接到治疗床上。将凝胶放置于换能器的中心点，进行系统检查并启动校准程序。

（1）准备程序：MR扫描仪控制台上，预设好并执行DQA计划的图像采集。运行换能器自动跟踪程序，并获取质子共振频率。换能器的焦点位置务必定位在体模的中心。

（2）绘制及计划：在工作站上使用矢状位图像勾画感兴趣区。系统可自动在轴位和冠状位图像上生成相应位置的标志线。设置DQA治疗验证方案的成像序列。清晰边缘上至少放置一个基准标记。

（3）验证及治疗：验证阶段分为位置验证和剂量验证。使用不同的参数预定义5个靶点，行低剂量、亚致死性能量水平超声聚焦毁损靶点Sonication。使用下一个Sonication在预定义的靶点间进行切换。每次Sonication后可生成实时的温度监控图，位置验证分别在三个方位图像上进行：在矢状位图像上，通过对预设治疗点和实际治疗点的位置对比，行前后位置调整；在冠状位图像上，做治疗点的上下位置的验证；在轴位图像上，做治疗点的左右位置的验证。如果预设点的位置距离靶点大于1.5 mm，则需要重新调整位置并重复进行声处理，最终与实时监控图一致。在位置验证准确完成后进行剂量验证，验证使用实际治疗状态时的能量与目标温度符合度，并显示温度变化曲线，质子共振频率（PRF）MR温度计实时显示，使用不同颜色的伪彩值代表不同温度实时显示到温度监测图上。

2 结果

2.1 检测结果

按ACR推荐的质量控制检测方法，磁共振成像仪系统通用性能指标的检查和图像质量控制指标的记录检测内容及数据，如表1所示。

表1 几何畸变及图像质量检测指标测量值 Tab.1 Geometric distortion and image quality indicator measurement resluts

2.2 超声处理结果

D Q A 系统校验流程的5 个超声处理（Sonication）过程均顺利完成：第一个超声处理见图1(a)设置扫描方向：Ax AP验证了RL方向位置准确性（相位编码方向）。图1(b)是第一个超声处理实时测温结果。第二个超声处理图1(c)设置扫描方向：Sag AP验证了SI方向位置准确性。图1(d)是第二个超声处理实时测温结果。第三个超声处理。图1(e)设置扫描方向：Ax RL，验证了AP方向位置准确性。图1(f)是第三个超声处理实时测温结果。第四个超声处理。图1(g)：验证超声换能器变焦性能，由图可见焦点位置发生了变化。第五个超声处理，如图1(h)所示：验证了空化检测安全机制，由图可见焦点位置又回到了中心，且功率升高到了250 W，引起空化效应产生。图1(i)是第五个超声处理实时测温结果：最高温度70 ℃，系统未检测到空化事件。

5个超声处理执行的过程结果，如图1所示。

图1 5个超声处理结果Fig.1 Five ultrasound treatment results

日常质量保证测试程序分别验证了系统在RL、SI、AP三个方向的聚焦准确性，验证了超声换能器的变焦性能，最后验证了空化检测安全机制，所有过程均顺利完成。

3 讨论

磁共振引导经颅聚焦超声治疗系统每个阶段都需要MR图像的引导[7]。TcMRgFUS是在MR实时温度监测及实时动态定位图像引导下，利用超声波穿透人体组织并使其能量聚集，使温度瞬间升高，热消融组织结构达到灭活病灶的目的，同时病灶周围及声波路径上的组织结构无损，而磁共振成像的实时监测与定位为这种选择性治疗提供准确的引导与帮助。这种治疗方法包含两项关键的技术：特定组织敏感的超声消融束(热熔疗法)和实时磁共振图像及温度[8-9]。治疗特发性震颤通常采用中等频率，生物组织在短时间内吸收声波，在微观尺度上摩擦产热局部组织产生较高热量，导致蛋白质凝固，即利用热效应，使热暴露区温度达到 56oC以上并维持 2 s即可让组织细胞发生不可逆性坏死[10]。2016年7月美国食品药品管理局批准了TcMRgFUS难治性特发性震颤[11]，在帕金森病、强迫症、重度抑郁症和神经痛等疾病中的临床应用，在欧洲部分国家也获得了许可。MOSER等[12]评估了TcMRgFUS在功能性神经疾病治疗中的精度，治疗范围与术前规划区之间的误差仅为 0.7 mm。MR引导治疗技术在临床应用越来越广泛，保证主磁场系统和射频系统的稳定性极为关键。MRI脉冲序列的设计和编辑，参数调整复杂，并与图像质量密切相关[13]。本研究对磁共振引导经颅聚焦超声治疗前对磁共振系统进行质量控制检测，应用ACR标准测试磁共振扫描系统的基本性能。

目前AAPM及ACR等相关报告仅给出了磁共振系统检查使用每日质量控制检测标准，没有给出磁共振引导经颅聚焦超声每次治疗前磁共振系统的质量控制标准。为保证磁共振引导经颅聚焦超声治疗的准确性及安全性，每次治疗前按ACR标准序列对每日质量控制检测项目进行检测，并全面分析其可行性。通过系统测试并进行记录，可作为日后日常质量保证的参考依据。每次开机后扫描固定序列可监测中心频率，发射增益和接收增益。中心频率的变化反应静磁场的稳定性，发射增益、接收增益与线圈的稳定性相关。引起图像几何畸变的原因较复杂，包括静磁场的不均匀性、梯度非线性、场切换的涡流效应、脉冲序列类型和图像参数等，通过参数设置对形变校准[14]。本研究使用的ACR认证的体模，其内置多种扫描插件，可完成图像质量指标的综合测试。未来需开发专用的测试模体，以全面测试功能和定量指标的精度。磁共振引导经颅聚焦超声治疗系统对磁共振系统的技术指标基本要求为：信噪比≥190；图像的均匀性≥75%；具有测量温度系统，治疗同时可以测量温度，并显示温度变化曲线；换能器自动跟踪程序高对比度空间分辨率≤1.2 mm；定位精度：目标标记与实际焦点的偏差应不大于3 mm；测温精度要求：质子共振频率（PRF）测温要求与独立的温度电热偶的偏差不高于5oC 。

为保证每次治疗的准确性和安全性，亟待制定每次治疗前进行预防性维护和质量控制的相关制度和技术标准如下：①使用标准的检测体模；②使用标准的检测程序和分析方法；③制定标准的临床质量控制流程，并规范制定相应的技术质量控制方案，最终建立一个标准化的预防性维护和质量控制流程；④定期规范化培训从事质量控制工作的人员。