邵雨卉 付 杰

MRI引導放射治療研究進展

邵雨卉 付 杰

MRI 引導放射治療可以實現(xiàn)最佳的影像診斷準確度和精準的治療效果。放射治療和MRI技術迅速發(fā)展使放射治療精確化、個體化成為現(xiàn)實。MRI 引導放射治療在靶區(qū)勾畫、治療計劃制定、在線實時引導及其設備、MRI引導質子治療等方面均得到廣泛研究。

磁共振成像；放射治療

近來MRI在放射治療的靶區(qū)勾畫、治療計劃制定、放療的在線引導等方面均得到廣泛研究、其目的是使放射治療更加精確化、個體化。本文匯集近年來文獻對MRI引導放射治療研究進展綜述如下。

MRI引導放射治療靶區(qū)勾畫

準確勾畫靶區(qū)是精確放療的基礎和保證，腫瘤靶區(qū)勾畫的準確性將直接影響腫瘤局部控制率和周圍關鍵器官毒副反應。CT對電子密度差異小的相鄰解剖結構分辨能力差(如腫瘤和軟組織之間)。MRI可以明顯改善軟組織分辨能力，且MRI為多參數(shù)成像，具有更豐富的信息；MRI可以更早期、更細致地顯示腫塊與周圍組織結構的解剖關系，從而清楚顯示腫瘤侵犯范圍，有利于靶區(qū)的確定及放射治療計劃的個體化。

MRI引導放射治療計劃計算

MRI/CT影像配準的系統(tǒng)誤差將會貫穿整個治療過程。MRI引導放射治療計劃計算的優(yōu)勢在于避免了該誤差的產生，減少CT掃描、簡化流程、降低費用，并減少輻射。由于MRI無法直接提供電子密度信息，需要從MRI數(shù)據(jù)中轉換出等效電子密度數(shù)據(jù)。方法主要有手工賦值法（manual bulk density assignment），圖譜賦值法（atlas methods）和像素轉換法（voxelwise conversion）。

1．手工賦值法（manual bulk density assignment）

對于解剖結構復雜的部位，手動勾畫不同解剖結構（骨、肺、軟組織等），并相應賦予不同的電子密度值可增加劑量計算的精確性。利用這種方法顱內腫瘤的劑量誤差大約為1%［1，2］，前列腺癌的劑量誤差大約在1%～2%之間［1，3］。對于胸部腫瘤，通過對軟組織和肺的電子密度賦值，也可實現(xiàn)劑量計算的高精確性［1］。該方法未能臨床廣泛應用主要原因在于耗時、費力、效率低。手工賦值法適用于單一均勻組織的MRI引導放療計劃制定。

Chin Comput Med Imag，2016，22∶491-494

Department of Radiation Oncology, The 6th People’s Hospital of Shanghai Jiaotong University

Address: 600 Yishan Rd, Shanghai 200233, P.R.C.

Address Correspondence to FU Jie (E-mail: fujieqing@hotmail.com)

2．圖譜賦值法

利用MRI圖像集自動生成電子密度數(shù)據(jù)，采用變形配準方法賦予患者MRI電子密度信息，其劑量計算結果與手工賦值法相仿。該方法的優(yōu)點是自動化完成、效率高。Dowling等人的研究表明圖譜賦值法在劑量計算上的誤差小于2%［4］。圖譜賦值法依賴于圖像配準方法，不適用于解剖結構分辨率低的解剖部位，配準還存在誤差問題。

3．體素轉換法（voxelwise conversion）

超短回波(ultrashort echotime，UTE)研究可以使MRI體素強度轉換為電子密度值。使用不同的回波時間區(qū)分具有不同T2、T1弛豫時間的組織。利用自動影像分割、手工密度賦值、連續(xù)或近于連續(xù)的基于模型的轉換來實現(xiàn)從UTE 圖像生成電子密度數(shù)據(jù)。該方法在顱內病變的中心點劑量差異均在+/-0．5%以內［5］。然而T2、T1與場強無線性相關，增大了轉換電子密度值的不確定性。另外成像范圍小，僅局限于頭部，仍需進一步研究。

MRI功能成像引導放射治療

MRI功能定量成像可一次成像提供解剖和功能信息，是評估腫瘤放射治療反應的重要工具。MRI功能定量成像可以用來量化放射治療引起的放射靶區(qū)和危及器官的功能變化，療前的功能變化數(shù)據(jù)可以用于檢測腫瘤的放射敏感性、評價療效，并進一步在放療過程中優(yōu)化放療計劃，如改變分割劑量，優(yōu)化治療靶區(qū)并提高靶區(qū)劑量［6］，從而獲得最佳的治療結果。

1．彌散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI ）

可以從分子水平早期監(jiān)測放療療效并評估預后。已有研究表明［7-10］，在頭頸部腫瘤、前列腺癌、婦科腫瘤中，DWI能非創(chuàng)傷性地早期敏感地評估放療療效和預后。

2．灌注成像（perfusion weighted imaging，PWI）

能夠在活體上快速而幾乎無創(chuàng)的量化反映腫瘤微血管生成及分布情況，從而達到評價惡性程度及放療反應的目的。

3．磁共振波譜成像(magnetic resonance spectroscopy imaging， MRS)

由于代謝異常通常早于結構變化，可以在放療計劃的制定和實施過程中更科學地確定靶區(qū)的范圍，在腫瘤放療后的進展觀察、反應評估以及預后的評價也有積極的意義。Rock等采用MRS來鑒別放射性壞死和腫瘤復發(fā)，并在MRS檢查后48 h內行立體定向活檢證實，Cho/Cr和Lip-Lac/Cho可以用于鑒別腫瘤和壞死組織［11］。Tarnawski等的研究證實對于惡性膠質瘤，Lac/NAA是重要的預后因子［12］。

4．其他

研究發(fā)現(xiàn)動態(tài)對比－增強MRI(dynamic contrast-enhanced MRI，DCE- MRI)可以用于檢測宮頸癌的氧合水平及放射治療后療效的評估［13-15］。Hoskin等［16］發(fā)現(xiàn)，BOLD-MRI檢測前列腺腫瘤內缺氧具有高靈敏度和低特異性。BOLD效應還受血流量、血紅蛋白水平和脈管等因素的影響。

MRI功能定量成像應用在放射治療的評估中還存在以下挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)可復性、生物標記解讀、圖像質量和數(shù)據(jù)分析等。功能定量MRI引導放療發(fā)展還需要全面的研究。

MRI在線引導放療設備進展

MRI在線引導放療（magnetic resonanceguided radiotherapy，MRgRT）設備研發(fā)的主要挑戰(zhàn)是磁場與射線的相互作用，3個主要技術障礙是MRI磁場干擾、射頻干擾和射線在磁場中的傳輸。2009年Raaymakers B W 等研究顯示在放療同時進行高品質的MRI是可行的［17］。

1．設備

迄今為止，已有5種MRgRT設備解決方案（表1，圖1）［18］。

2．磁場和射線的相互影響

2．1場強的影響：高場強產生高信噪比(signal to noise ratio ，SNR)，提高時間或空間分辨率，提高對比度，提供信息豐富的高質量圖像。但也會增加偽影，引起幾何失真。 Baldwin及Crijns等為MRgRT系統(tǒng)研發(fā)了專用于放射治療的MRI幾何校正算法［20，21］。

2．2磁場對劑量分布的影響：射線次生電子會受磁場影響，影響的大小決定于場強和入射射束的方向。垂直于射束的磁場，會導致建成距離縮短和不對稱半影，主要發(fā)生在組織－空氣界面。受磁場影響，次生電子將因受洛倫茲力而返回，導致界面局部劑量增加，即電子折返效應（electron return effect ，ERE）。ERE的程度取決于放射野的大小、磁場強度和表面方向。Raaymakers 等認為對穿野照射可以抵消電子折返效應的影響［22］，當IMRT使用多個對穿野時可以補償電子折返效應［23］。平行于射束的磁場，對組織－空氣界面的影響較小，然而，來自輻射源和空氣柱的污染電子，通過平行磁場被光子束捕獲，可潛在增加入射時的劑量［24，25］。對于現(xiàn)實MRI雜散磁場，這種影響可能是有限的［26］，有待進一步調查研究。

磁場會影響劑量探測器的準確性，特別是電離室。通過蒙特卡羅模擬的NE2571 Farmer-type電離室［27］實驗顯示，取決于1．5 T磁場的方向的不同，響應變化最大可達11%。

2．3輻射對磁共振RF線圈的影響：研究顯示MRI接收線圈尺寸小，可忽略其對射野的影響［28］。Burke等研究表明低強度磁場中RF線圈受照射可產生輻射感應電流［29］。Hoogcarspel等研究顯示在1．5T（64兆赫）時，照射RF線圈不會降低信噪比［28］。

MRI引導的質子放療

Bragg峰帶來的陡峭的劑量梯度變化導致質子比光子放療更需要實時解剖定位，迫切要求高精度圖像引導以發(fā)揮質子放療的優(yōu)勢，減少正常組織受照射。質子本身為帶電粒子，光束軌跡會受磁場影響發(fā)生偏移，這可以通過計算分析［30］。因為磁場中的次生電子在質子放療中相對于光子放療中的相對能量更低，其影響可以忽略不計［31］。目前MRI引導的質子放療還處于早期研究階段。

展 望

表1　MRgRT設備解決方案

圖1　荷蘭的烏德勒支大學醫(yī)學中心、醫(yī)科達和飛利浦公司共同研發(fā)的MRgRT設備示意圖［19］。

MRI在放療計劃制定和實施過程中更精準地確定靶區(qū)的范圍；在腫瘤放療過程中的監(jiān)測腫瘤變化、評估治療反應以及預后；MRI可減少近距離治療過程操作者依賴，量化并增加治療的精確性；MRI在線引導放射治療將對目前放療產生巨大的影響。雖然這些技術尚未常規(guī)應用于臨床，但潛在地可能改變放射治療方式，值得深入開展研究。

［ 1 ］Jonsson JH, Karlsson MG, Karlsson M, et al. Treatment planning using MRI data: An analysis of the dose calculation accuracy for different treatment regions. Radiat Oncol,2010,5:62.

［ 2 ］Stanescu T, Jans HS, Pervez N, et al. A study on the magnetic resonance imaging (MRI)-based radiation treatment planning of intracranial lesions. Phys Med Biol. 2008,53:3579-93.

［ 3 ］Kim J, Garbarino K, Schultz L, et al. Dosimetric evaluation of synthetic CT relative to bulk density assignment-based magnetic resonance-only approaches for prostate radiotherapy. Radiat Oncol，2015,10:239.

［ 4 ］Dowling JA, Lambert J, Parker J, et al. An atlas-based electron density mapping method for magnetic resonance imaging (MRI)-alone treatment planning and adaptive MRI-based prostate radiation therapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2012,83: e5-11.

［ 5 ］Jonsson JH, Johansson A, S?derstr?m K, et al. Treatment planning of intracranial targets on MRI derived substitute CT data. Radiother Oncol, 2013,108:118-22.

［ 6 ］van der Heide UA, Houweling AC, Groenendaal G, et al. Functional MRI for radiotherapy dose painting. Magn Reson Imaging, 2012,30:1216-1223.

［ 7 ］Hamstra DA, Galbán CJ, Meyer CR, et al. Functional diffusion map as an early imaging biomarker for high-grade glioma: correlation with conventional radiologic response and overall survival. J Clin Oncol,2008,26:3387-3394.

［ 8 ］King AD, Chow KK, Yu KH, et al. Head and neck squamous cell carcinoma: diagnostic performance of diffusion-weighted MR imaging for the prediction of treatment response. Radiology,2013,266:531-538.

［ 9 ］Vargas HA, Akin O, Franiel T, et al. Diffusion-weighted endorectal MR imaging at 3 T for prostate cancer: tumor detection and assessment of aggressiveness. Radiology,2011,259:775-84.

［10］Mayr NA, Huang Z, Wang JZ, et al. Characterizing tumor heterogeneity with functional imaging and quantifying high-risk tumor volume for early prediction of treatment outcome: cervical cancer as a mode. Int J Radiat Oncol Biol Phys,2012,83:972-9.

［11］Rock JP, Hearshen D, Scarpace L, et al. Correlations between magnetic resonance spectroscopy and image-guided histopathology, with special attention to radiation necrosis. Neurosurgery,2002,51:912-919.

［12］Tarnawski R, Sokol M, Pieniazek P, et al. 1H-MRS in vivo predicts the early treatment outcome of postoperative radiotherapy for malignant gliomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys,2002,52:1271-1276.

［13］Horsman MR, Mortensen LS, Petersen JB, et al. Imaging hypoxia to improve radiotherapy outcome. Nat Rev Clin Oncol,2012,9:674-687.

［14］Cooper RA, Carrington BM, Loncaster JA, et al. Tumour oxygenation levels correlate with dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging parameters in carcinoma of the cervix. Radiother Oncol,2000,57:53-59.

［15］Halle C, Andersen E, Lando M, et al. Hypoxia-induced gene expression in chemoradioresistant cervical cancer revealed by dynamic contrastenhanced MRI. Cancer Res,2012,72:5285-5295.

［16］Hoskin PJ, Carnell DM, Taylor NJ, et al. Hypoxia in prostate cancer: correlation of BOLD-MRI with pimonidazole immunohistochemistryinitial observations . Int J Radiat Oncol Biol Phys,2007,68:1065-1071.

［17］Raaymakers BW, Lagendijk JJ, Overweg J, et al. Integrating a 1.5 T MRI scanner with a 6 MV accelerator: proof of concept.Phys Med Biol, 2009,54:N229-237.

［18］Ménard C, van der Heide U. Introduction: Systems for magnetic resonance image guided radiation therapy. Semin Radiat Oncol,2014,24:192.

［19］Lagendijk JJ, Raaymakers BW, van Vulpen M. The magnetic resonance imaging-linac system. Semin Radiat Oncol,2014,24:207-209.［20］Baldwin LN, Wachowicz K, Fallone BG.A two-step scheme for distortion rectification of magnetic resonance images. Med Phys, 2009,36:3917-3926.

［21］Crijns SP, Raaymakers BW, Lagendijk JJ.Proof of concept of MRI-guided tracked radiation delivery: tracking one-dimensional motion. Phys Med Biol,2012,57:7863-7872.

［22］Raaymakers BW, Raaijmakers AJ, Kotte AN, et al. Integrating a MRI scanner with a 6 MV radiotherapy accelerator: dose deposition in a transverse magnetic field. Phys Med Biol,2004,49:4109-4118.

［23］Raaijmakers AJ, Raaymakers BW, Lagendijk JJ. Magnetic-fieldinduced dose effects in MR-guided radiotherapy systems: dependence on the magnetic field strength. Phys Med Biol, 2008,53:909-923.

［24］St Aubin J, Santos DM, Steciw S, et al.Effect of longitudinal magnetic fields on a simulated in-line 6 MV linac . Med Phys,2010,37:4916-4923.

［25］Oborn BM, Metcalfe PE, Butson MJ, et al. Electron contamination modeling and skin dose in 6 MV longitudinal field MRIgRT: Impact of the MRI and MRI fringe field. Med Phys,2012,39:874-890.

［26］Keyvanloo A, Burke B, Warkentin B, et al. Skin dose in longitudinal and transverse linac-MRIs using Monte Carlo and realistic 3D MRI field models. Med Phys, 2012,39:6509-6521.

［27］Meijsing I, Raaymakers BW, Raaijmakers AJ, et al. Dosimetry for the MRI accelerator: the impact of a magnetic field on the response of a Farmer NE2571 ionization chamber. Phys Med Biol,2009,54:2993-3002.

［28］Hoogcarspel SJ, Crijns SP, Lagendijk JJ, et al. The feasibility of using a conventional flexible RF coil for an online MR-guided radiotherapy treatment. Phys Med Biol, 2013,58:1925-1932.

［29］Burke B, Wachowicz K, Fallone BG, et al. Effect of radiation induced current on the quality of MR images in an integrated linac-MR system. Med Phys, 2012,39:6139-6147.

［30］Wolf R, Bortfeld T. An analytical solution to proton Bragg peak deflection in a magnetic field. Phys Med Biol,2012,57:N329-337.

［31］Raaymakers BW, Raaijmakers AJ, Lagendijk JJ. Feasibility of MRI guided proton therapy: magnetic field dose effects. Phys Med Biol, 2008,53:5615-5622.

Progress of Magnetic Resonance Imagine Guided Radiotherapy

SHAO Yu-hui,FU Jie

MRI guided radiotherapy is capable of providing the most precise image diagnosis and outstanding performance of treatment. With the significant development of the technique nowadays, it is possible to apply accurate customized radiotherapy treatment with MRI. The potential applications of MRI in tumor contouring, treatment planning, online-IGRT, and proton therapy has been under active investigation.

MRI,Radiation therapy

R8144.42

B

1006-5741（2016）-05-0491-04

中國醫(yī)學計算機成像雜志，2016，22∶491-494

∶上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院腫瘤放療科

通信地址：上海市徐匯區(qū)宜山路600號腫瘤放療科 ，上海 200233

∶付杰(電子郵箱∶fujieqing@hotmail.com)

2016.08.31；修回時間：2016.09.02)