CT-MRI 可兼容定位装置在精准放疗中的应用

刘佳（通信作者），麦燕华，房诗婷

广东医科大学附属医院 （广东湛江 524000）

精准放疗可分为3 部分，即精准定位、精准设计和精准治疗，其中精准定位是精准放疗的基础。CT 大孔径模拟定位是放疗常用的定位方法，CT 可实现三维成像，包含丰富的解剖信息和电子密度信息，且几何失真率低、空间分辨率高、扫描时间短。但其软组织分辨率低，肿瘤和正常组织边界模糊，导致靶区勾画不精确，可能使正常组织并发症发生率升高[1-3]，无法满足精准放疗的需求。随着科技的发展，MRI 技术逐渐应用于放疗定位。MRI 包括多种成像技术，图像软组织分辨率高且辐射小，能更清晰地区分肿瘤和正常组织边界，利于肿瘤靶区的勾画[4-6]。但MRI 图像无电子密度信息，无法计算剂量，因此常需要与CT 图像融合，利用融合后的图像进行肿瘤靶区勾画，以提高定位的精确度，满足精准放疗的需求[2]。由于常规MRI 扫描床板为曲面，放疗定位床板为平面，且MRI 扫描所需的线圈（尤其是头颈部）与CT 模拟定位固定装置（包括定位体架、头枕、热塑膜等）互不兼容[4]，导致无法使用相同的定位体位进行扫描，进而影响图像融合的效果，降低靶区勾画的精确度。虽然放疗专用MRI 定位机可解决此问题，但其价格昂贵，应用受限[7]。因此，CT-MRI 可兼容定位装置的研制具有重要临床意义。

1 CT-MRI 可兼容定位装置的研究背景

1.1 研究意义

目前，精准放疗常用的两种定位方式是CT 模拟和MRI 模拟[8]。MRI 具有软组织分辨率高、辐射小等优点，已被广泛应用于临床[9-12]。MRI 模拟定位包括两种方式，一种是单独使用MRI 模拟定位机进行定位，另一种是结合CT 模拟定位机进行定位[13-15]。这两种定位方式各有特点，第一种配有放疗专用线圈，专用于放疗模拟定位，但MRI 图像信号强度是质子密度与组织弛豫时间的函数，与电子密度无相关性。现有的放疗计划基于电子密度信息计算剂量分布，MRI 图像无法像CT 图像一样，基于电子密度准确计算组织的剂量分布，不可直接应用于放疗计划。放疗专用的MRI 模拟定位费用较高，给患者带来较大的经济负担，只适用于少数大医院放疗科，不适宜于基层医院大范围推广。第二种是目前临床常用的定位方式，将MRI 图像与CT 图像进行融合配准，利用融合后的图像设计放疗计划[16-19]。1987 年，Fraass 等[20]曾提出利用MRI 与CT 图像融合配准进行放疗靶区定义和勾画。此方法既可解决CT 图像软组织分辨率低的问题，又可解决MRI 图像无电子密度信息，无法用于计算剂量分布的问题。由于常规MRI 扫描床为曲面，放疗定位床板为平面，两种模态图像在进行图像配准时易产生较大误差，且图像融合的算法也会影响图像配准的精度[21-22]。因此，用同一种方式对患者进行体位固定，采用同时满足CT 扫描和MRI 扫描的可兼容定位装置，即可解决此问题。

1.2 研究现状

以放疗专用线圈替代头颈线圈，可解决放疗摆位装置不兼容问题，但也会降低MRI 图像质量。为提高MRI 图像质量，唐慧等[23]基于现代流行的模具制作逆向工程技术，率先在国内研发出可兼容头颈线圈的新型固定装置，并探讨了其对MRI 和CT 图像质量、光子剂量衰减的影响，以及应用于放疗的可行性，证明其研发的可兼容新型头颈线圈可用于颅内肿瘤放疗。放疗专用的MRI 模拟定位机扫描时需使用摆位辅助装置进行固定，患者的舒适度低于MRI 扫描。为提高患者的舒适度、缩短MRI 扫描时间，陈辛元等[24]改装两片式16 通道柔性线圈，建立了头颈部模拟定位高通道线圈扫描方案，并证实此方案可满足临床需要，显著提高图像的信噪比；在保证图像质量相近的前提下，可支持更快的并行采集方案，显著缩短扫描时间。为解决放疗专用线圈扫描图像质量差的问题，胡臻尧等[25]研发了可兼容头颈联合线圈的新型放疗辅助固定装置，验证了此装置可满足临床需求，并可在临床应用中获得质量较高的图像。为了提高CT 模拟定位图像与常规MRI 扫描图像配准及放疗靶区勾画的精确度，钟青松等[7]研制出一套CT-MRI 同体位放疗模拟定位装置，并验证此装置可有效提高CT 和MRI图像配准及靶区勾画的精确度，满足临床放疗要求。

2 可兼容固定装置的材料及特点

目前，CT-MRI 可兼容定位装置常用的材料包括玻璃纤维、凯夫拉[23]（又称芳纶）、ABS 塑料、聚甲醛热塑性结晶聚合物（polyformaldehyde，POM）、尼龙等。（1）玻璃纤维：一种无机非金属材料，种类繁多，性能优异，绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，单丝直径为几微米至20 多微米，相当于一根头发丝的1/20 ～1/5，但其缺点为性脆、耐磨性较差，常被用作复合材料中的增强材料。（2）凯夫拉：化学名称为聚对苯二甲酰对苯二胺，其密度低、强度高、韧性好、可耐高温，强度为同等质量钢铁的5 倍，但密度仅为钢铁的1/5。（3）ABS 塑料：化学名称为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，其耐化学腐蚀、耐热，具有一定的表面硬度、高弹性和韧性；其原料易得、综合性能好、价格便宜。（4）POM：又称聚氧亚甲基，是一种聚合物，被誉为“超钢”或“赛钢”；具有耐疲劳、耐蠕变、耐磨、耐热、耐冲击等优良性能，且摩擦系数小，自润滑性好，不易吸湿，在潮湿的环境中稳定性强。（5）尼龙：具有绝缘、无磁、耐腐蚀、美观、永不生锈等优良特性。

3 可兼容固定装置的基本结构

CT-MRI 可兼容定位装置可分为3 部分，即可兼容床板、可兼容模拟定位体架、头部/体部线圈支架。可兼容床板为平面床板，可嵌套在MRI 床板上使用，能够满足CT 扫描时体位固定的需求。可兼容模拟定位体架既可置于可兼容床板上进行MRI扫描，又可作为体位固定体架进行CT 扫描。头部/体部线圈支架可调节上下高度和侧向滑动幅度，便于更好地进行体位固定。CT-MRI 可兼容定位装置组装后的结构如图1 所示。可兼容床板、可兼容模拟定位体架、头部/体部线圈支架的尺寸可结合具体MRI 型号及该地区患者身高、体型特征进行定制。

图1 CT-MRI 可兼容定位装置结构图

3.1 可兼容床板

MRI 扫描床面底部为凹型，两侧边缘设有凹形槽，而CT 扫描床面为平面，两者床面不同导致体位固定方式不一致，难以实现精准放疗。为解决此问题，可兼容床板顶部和底部两侧各有1 个限位块，先将顶部2 个限位块直接对准MRI 扫描床板顶部两侧边缘的凹形槽，再调节底部限位块，使其与MRI 扫描床板底部凹形槽匹配，直至可兼容床板能直接嵌套于MRI 扫描床板上。拧紧螺钉，使MRI 扫描床板由凹形板变为平面板。可兼容床板大小应与MRI型号相匹配，采用纤维增强复合材料（凯夫拉和玻璃纤维），以满足MRI 扫描的需求。

3.2 可兼容模拟定位体架

CT 模拟定位体架主要为玻璃纤维材质，但玻璃纤维进入磁场时容易发热，从而引发患者恐惧心理，甚至带来生命危险，体验不佳。为解决发热问题，可兼容模拟定位体架采用以凯夫拉为主的复合材料，可避免发热，减轻患者恐惧心理，为其提供舒适、健康的模拟定位环境。可兼容模拟定位体架大小与CT 模拟定位体架尺寸保持一致，可借助螺钉嵌套在可兼容床板上，以便与CT 模拟定位保持相同体位。

3.3 头部/体部线圈支架

头部/体部线圈支架采用ABS/POM 材质，头部线圈支架由体架、托架、解锁装置及固定座组成，体部线圈支架主要由弧形架、基座及锁紧结构组成。线圈支架可通过弧形架调节高度和前后距离，确保线圈靠近人体时不会产生压迫感，是可独立安装的结构，对固定装置和床板无限制，具有良好的兼容性。

4 可兼容固定装置的使用步骤

（1）体位固定及CT 扫描：根据患者的靶区位置选择合适的体位固定方式，进行CT 扫描，再将扫描的CT 图像上传至相应的放疗治疗计划系统。（2）安装MRI 可兼容床板：将可兼容床板顶部的限位块对准MRI 床板顶部边缘的凹槽，调节可兼容床板底部的限位块，使其完全嵌套于MRI 床板，再拧紧螺钉，防止其滑动。（3）安装可兼容模拟定位体架：根据可兼容床板的中线位置放置定位体架，使两者的中线位置保持一致，并利用卡销固定可兼容模拟定位体架。（4）放置体位固定所用的模具：将体位固定需要的模具置于患者体表，体位固定同CT 扫描。（5）放置线圈支架及线圈：在患者所需扫描部位放置线圈支架，将线圈支架锁紧结构的压舌板正确卡入可兼容体位固定架底座的适配条内，再将调节扳手拨至锁紧侧；根据弧形结构调节线圈支架的高度和前后距离，确保其与CT 扫描体位固定方式一致；最后将MRI 扫描需要的线圈置于线圈支架上，以备MRI 扫描。（6）MRI 扫描及图像融合：将MRI 扫描的图像上传至放射治疗计划系统，与CT 扫描图像融合，保存CT 图像、MRI 图像及融合后的图像后，将其导入计划系统。

5 存在的问题

CT 和MRI 可兼容固定装置可实现同体位固定，利用CT 和MRI 图像融合技术可实现精准放疗。虽然较多研究表明，同体位固定利用图像融合技术可明显提高靶区勾画的精确度并准确进行剂量计算，实现精准放疗，但精准放疗应用过程中仍存在以下问题。（1）MRI 图像失真：由于扫描时间长，如患者在MRI 扫描过程中不配合，可能导致MRI 图像出现伪影和失真，降低图像融合的精确度；扫描时参数设置不当（如MRI 序列参数设置不当），也会影响MRI 图像清晰度，进而降低图像融合的精确度[26]。（2）MRI 无法使用激光定位系统：现有的MRI 诊断系统无法使用放疗专用的激光定位系统进行激光定位标记，也给重复性摆位带来一定困难，可能增大CT 和MRI 同体位扫描的误差，也可能降低图像融合的精确度[3]。（3）图像融合配准的精度不高：目前采用的图像融合配准大多是在放疗计划设计系统或第三方专用的勾画软件（如MIM 等软件）中完成的，这对物理师的图像配准技术提出了较高要求，还与临床医师勾画靶区及正常组织的习惯有一定联系；物理师与临床医师配合度不高也会降低图像融合配准的精度[27]。（4）缺乏统一的评价规范：目前通常根据临床医师的要求评价图像融合配准后的结果，临床医师的习惯存在差异，图像融合配准评价尚无统一标准，可能导致图像配准结果差异化严重[27]。

综上所述，CT-MRI 可兼容固定装置可实现CT和MRI 同体位固定，利用图像融合技术使融合图像保留CT 和MRI 图像的优点，提高精准放疗过程中靶区和正常组织勾画的精确性，减少图像边界不清晰或勾画习惯不统一导致的差异，具有一定的临床价值；同时，为无放疗专用MRI 模拟定位机的医院节约了成本，减轻了患者的经济负担。但实际应用中依然存在一定的问题，如MRI 图像失真、MRI 无激光定位系统、图像融合配准精度不高、无统一评价标准等[27-28]，有待未来进一步完善。