陸正大，李春迎，謝 凱，孫鴻飛，林 濤，高留剛，眭建鋒，倪昕曄 *

(1.南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)院，江蘇 南京 210000；2.南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州第二人民醫(yī)院放療科，江蘇 常州 213003；3.南京醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 常州 213003；4.常州市醫(yī)學(xué)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213003)

放射治療(簡(jiǎn)稱放療)是治療惡性腫瘤的重要手段之一，臨床超過(guò)60%惡性腫瘤患者需要放療，亟需早期、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)腫瘤放療效果的影像學(xué)手段。目前常用放療流程如圖1，多以CT或MRI輔助治療及評(píng)價(jià)效果。傳統(tǒng)CT用于放射敏感器官及靶區(qū)確定存在明顯不足，特別是盆腔、脊髓、頭頸部、前列腺及其他軟組織區(qū)域腫瘤[1]軟組織對(duì)比度較低，不利于制定放療計(jì)劃；使用錐束CT作為定位手段在放療前或間期獲取患者靶區(qū)及周圍器官圖像難以區(qū)分腫瘤與周圍正常器官，且高頻率使用錐束CT易增加繼發(fā)腫瘤概率。MRI具有多方位、多參數(shù)、軟組織分辨率高且無(wú)輻射等特點(diǎn)，可通過(guò)調(diào)節(jié)成像對(duì)比度(如T1、T2和擴(kuò)散)突出特定器官或腫瘤。本文對(duì)MRI在腫瘤放療中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

圖1 基本放療流程

1 勾畫靶區(qū)

現(xiàn)代放療技術(shù)(如調(diào)強(qiáng)適形放療)劑量學(xué)精準(zhǔn)度提高，對(duì)勾畫放療靶區(qū)的準(zhǔn)確性提出了更高要求。為準(zhǔn)確治療腫瘤，需要精確定義腫瘤和危險(xiǎn)器官(organ at risk， OAR)，這也是MRI廣泛用于放療的主要原因。MRI具有優(yōu)越的軟組織對(duì)比度，且可獲得大量關(guān)于腫瘤特征信息，有助于識(shí)別腫瘤靶區(qū)[2]。佟鵬[3]比較CT和MRI測(cè)量原發(fā)性肝癌最大徑的準(zhǔn)確率，認(rèn)為對(duì)于直徑1～3 cm和<1 cm的腫瘤，MRI檢出率高于CT。FERNANDES等[4]分別采用四維CT(four dimensional CT, 4D-CT)和MR電影技術(shù)評(píng)估肝癌放療后的活動(dòng)度，發(fā)現(xiàn)MR電影所示外放邊界更大，以頭足方向明顯，較4D-CT平均增大3 mm。左偉等[5]分別利用CT和MRI勾畫非小細(xì)胞肺癌靶區(qū)，結(jié)果顯示CT勾畫的靶區(qū)體積明顯大于MRI，且基于勾畫靶區(qū)存在不重疊區(qū)域，目前尚無(wú)法判定何者更為準(zhǔn)確，提示臨床勾畫腫瘤靶區(qū)應(yīng)將CT和MRI均考慮在內(nèi)[6]。

2 多模態(tài)MRI在腫瘤放療中的應(yīng)用

多模態(tài)MRI即多種MRI技術(shù)的聯(lián)合，包括常規(guī)MRI和多模態(tài)功能MRI，后者包括擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging, DWI)、灌注加權(quán)成像(perfusion-weighted imaging, PWI)、MR波譜(MR spectroscopy, MRS)成像及血氧水平依賴性功能MRI(blood oxygen level dependent functional MRI, BOLD-fMRI)等。多模態(tài)功能MRI技術(shù)并非各種功能成像的簡(jiǎn)單疊加，而是對(duì)各種成像技術(shù)圖像及數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、辨析和綜合分析，綜合評(píng)估腫瘤浸潤(rùn)范圍并定位周圍重要組織，明確病變組織來(lái)源及各種病理生理特性。

DWI是利用平面回波成像原理和加自旋回波所產(chǎn)生的一種特殊T2成像，可通過(guò)表觀擴(kuò)散系數(shù)輔助判斷腫瘤良惡性[7-11]，能指導(dǎo)勾畫膠質(zhì)瘤術(shù)后靶區(qū)。李偉等[12]利用3.0T高分辨率MR平掃聯(lián)合DWI實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確判斷直腸癌病灶形態(tài)和位置，評(píng)估T分期，判斷術(shù)前環(huán)周切緣狀態(tài)，完善治療計(jì)劃。目前DWI已用于前列腺癌、宮頸癌、中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤和頭頸部腫瘤放療[13-14]，但用于其他臟器的相關(guān)報(bào)道尚少。

PWI采用快速成像技術(shù)，通過(guò)注射外源性對(duì)比劑或利用人體內(nèi)源性對(duì)比劑測(cè)量血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)反映組織血流灌注及滲透情況，主要包括MR動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)掃描、MR動(dòng)態(tài)磁敏感對(duì)比增強(qiáng)和動(dòng)脈自旋標(biāo)記[15-16]。閻曉宇等[17]發(fā)現(xiàn)3D動(dòng)脈自旋標(biāo)記灌注成像可確定缺血半暗帶，并指導(dǎo)臨床治療、改善預(yù)后；對(duì)于無(wú)缺血半暗帶患者，也可利用磁敏感加權(quán)血管成像進(jìn)行溶栓治療。在消化系統(tǒng)疾病中，PWI可顯著提高鑒別診斷胰腺癌、肝細(xì)胞肝癌等惡性腫瘤的敏感度及特異度[18-20]。目前臨床主要通過(guò)PWI和BOLD-fMRI等無(wú)創(chuàng)MRI技術(shù)多次測(cè)定組織氧分壓，監(jiān)測(cè)腫瘤乏氧狀態(tài)等變化[21]。MRS可動(dòng)態(tài)反映神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和能量代謝狀態(tài)，觀察腦梗死的病理生理過(guò)程和腦梗死區(qū)代謝物的變化規(guī)律，如外傷性腦梗死的梗死中心區(qū)及其周邊缺血半暗帶區(qū)出現(xiàn)不同程度N-乙?；扉T氨酸降低，膽堿及乳酸升高，但乳酸升高程度較輕[22]。此外，多模態(tài)MRI對(duì)評(píng)估放療療效、探測(cè)放射損傷等也有一定作用。

3 MRI數(shù)據(jù)合成CT

目前以MRI作為唯一成像形式引導(dǎo)放療成為研究熱點(diǎn)，可不再將圖像和單獨(dú)計(jì)劃CT進(jìn)行配準(zhǔn)，進(jìn)一步消除圖像配準(zhǔn)的不確定性[23]；新興混合MRI和線性加速器技術(shù)進(jìn)一步促進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展[24]，且能對(duì)腫瘤進(jìn)行門控和實(shí)時(shí)跟蹤、重新定位和劑量輸送。然而MRI引導(dǎo)放療時(shí)確定放療劑量仍屬難題，主要原因在于MRI如何反映電子密度并進(jìn)行劑量計(jì)算，故希望得到賦予CT信息的MRI，這種基于MRI的等效斷層掃描數(shù)據(jù)通常被稱為假CT或合成CT(synthetic CT, synCT)[25]。

EDMUND等[26]將基于MRI數(shù)據(jù)的synCT的研究方法分為3種，即體素法、圖譜法和混合法。混合法是將體素與基于圖譜的方法相結(jié)合；體素法主要以MRI中體素強(qiáng)度(對(duì)比度)信息指定電子密度，目前主要基于機(jī)器學(xué)習(xí)，將部分MRI數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練優(yōu)化模型，其余數(shù)據(jù)用來(lái)預(yù)測(cè)CT數(shù)據(jù)；圖譜法側(cè)重于將患者M(jìn)RI體素位置與圖譜中MRI體素的相應(yīng)位置配準(zhǔn)，但其效果取決于圖譜數(shù)據(jù)集和患者數(shù)據(jù)集之間非剛性配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性[27-28]。同樣基于機(jī)器學(xué)習(xí)概念，通過(guò)對(duì)圖譜數(shù)據(jù)集的集中監(jiān)督訓(xùn)練，可先導(dǎo)出一個(gè)能夠?qū)RI體素強(qiáng)度或圖像塊和HU數(shù)相關(guān)聯(lián)的映射函數(shù)，映射包括回歸函數(shù)、隨機(jī)森林建?；蚨嗳蝿?wù)學(xué)習(xí)等[2]。HAN[29]采用具有27個(gè)卷積層的離散余弦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural networks, CNN)自動(dòng)從大量MR-CT數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)多個(gè)級(jí)別的信息，近乎實(shí)時(shí)地從常規(guī)單序列MRI中產(chǎn)生高精度synCT。JIANG等[30]則提出一種基于多任務(wù)最大熵聚類算法自動(dòng)生成synCT的方法用于有效分割腦MRI，經(jīng)檢驗(yàn)具有臨床應(yīng)用價(jià)值。

目前臨床已實(shí)施僅基于MRI引導(dǎo)的放療。KORHONEN等[31]使用基于體素的前列腺雙回歸方法治療1 502例前列腺癌。HSU等[32]使用基于體素的概率方法，針對(duì)腦組織使用模糊CT均值，目前已分別治療30例全腦病變和153例局灶性腦病變患者。

放療中圖像幾何失真可直接導(dǎo)致放射劑量偏差，且MRI幾何保真度較低，其所產(chǎn)生的synCT將繼承原MRI中存在的幾何失真，故用于synCT仍存在問(wèn)題，需進(jìn)一步研究，以提高M(jìn)RI采集方案的幾何精度[29]。

4 4D-MRI在放療中的應(yīng)用

呼吸運(yùn)動(dòng)易使腫瘤部位發(fā)生移動(dòng)而影響劑量分布，目前主要利用4D-CT定量分析患者特異性呼吸運(yùn)動(dòng)，并確定靶體積大小，由此減少呼吸運(yùn)動(dòng)偽影[33]。研究[34]顯示，呼吸運(yùn)動(dòng)周期振幅小于0.75 cm不利于4D錐束CT算法準(zhǔn)確定位呼吸周期內(nèi)靶的位置，降低運(yùn)動(dòng)位置精確性而影響圖像配準(zhǔn)；而振幅為3 cm時(shí)則產(chǎn)生較大運(yùn)動(dòng)偽影，放療過(guò)程中將增加非靶區(qū)照射劑量而影響靶區(qū)勾畫的準(zhǔn)確性。4D-MRI可于任意方向成像，相比CT更加靈活，可用于描述腫瘤的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而精確勾畫靶區(qū)，提高腫瘤局部控制率；但4D-MRI和4D-CT圖像采集的時(shí)間均較長(zhǎng)[35]。

目前4D-MRI技術(shù)主要包括2種。一種稱為實(shí)時(shí)4D-MRI技術(shù)，引入并行成像技術(shù)和回波共享技術(shù)，采用快速3D MR序列采集實(shí)時(shí)的容積圖像；受軟硬件限制，目前很難獲得高分辨率和高質(zhì)量4D-MRI，主要原因在于缺乏空間分辨率及運(yùn)動(dòng)偽影，使快速運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)模糊。另一種回顧式4D-MRI技術(shù)，利用快速2D-MRI掃描序列連續(xù)采集所有呼吸時(shí)相圖像，然后根據(jù)呼吸相位對(duì)采集圖像進(jìn)行回顧性分類，相較實(shí)時(shí)4D-MRI技術(shù)，利用快速圖像采集使成像速度更快、體素尺寸更小，運(yùn)動(dòng)偽影降低，圖像質(zhì)量提高，其缺點(diǎn)在于需要獲取呼吸信號(hào)進(jìn)行呼吸重排，這也是目前研究的重點(diǎn)。

綜上所述，MRI具有良好的對(duì)比分辨率，已越來(lái)越多地用于放療計(jì)劃，特別是在引入MR線性加速器系統(tǒng)之后，將在實(shí)施放療和評(píng)估治療反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。