可兼容磁共振头颈线圈的新型固定装置应用于放疗的可行性研究

唐慧，李光俊，李长虎，白龙，胡臻尧，柏森

四川大学华西医院 放疗科，成都市，610041

0 引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）与CT相比，软组织分辨率高且无辐射，可提供丰富的解剖和功能生理代谢影像信息，目前广泛用于肿瘤鉴别诊断，放疗靶区勾画和疗效预测等方面。随着精确放疗的发展，优质的磁共振图像质量和精确的定位必不可少。放疗专用的头部分体式表面相控阵线圈代替头颈线圈解决了与放疗摆位装置不兼容问题，但也降低了MRI图像质量[1-3]。目前有研究显示可将放疗专用线圈结合其他表面线圈使用来扩大磁共振头部成像范围以改善图像质量，例如结合悬挂式胸部表面线圈[4]、心脏线圈结合体部线圈[5]或肢体相控阵线圈[6]等，但操作繁琐，线圈链接增多稳定性降低。影像诊断用的头颈联合线圈是硬质容积相控阵线圈，覆盖范围可包括整个脑部和颈段，图像均匀性高。该研究使用的24通道头颈联合相控阵线圈的信息采集通道数比现常用的6通道放疗表面线圈更多，成像效果更好，但以往因不兼容放疗摆位装置而未用于放疗。目前国内外没有关于可兼容头颈线圈的放疗固定装置设计的报道。本文基于现代流行的模具制作逆向工程技术[7]，研发了可兼容头颈线圈的新型固定装置，着重探讨该装置对MRI和CT图像质量、光子剂量衰减的影响，讨论其应用于放疗的可行性。实验流程如图1所示。

1 资料和方法

1.1 新型固定装置

新型固定装置分为两套，一套是与头颈联合线圈结合使用的体位固定板，用于MRI模拟定位，制作材料为凯夫拉纤维（又称芳纶，Kevlar），形状与头颈联合线圈内弧面相贴合。MRI模拟定位时，将体位固定板嵌入头颈联合线圈中，体位固定板上有结合热塑膜固定的卡扣用于患者体位固定。另一套装置用于CT定位室和治疗室，由碳纤维材料制成，其几何结构与MRI模拟室内使用的装置完全一致。该装置的制作流程是基于计算机逆向工程技术，使用三维激光扫描头颈联合线圈采集其三维数据，在Solidworks软件中重建三维图并进行再设计，在线圈内增加可兼容放疗摆位装置的体位固定板。根据再设计三维图进行机械加工制成该体位固定板和新型固定装置，如图2所示。两套装置的几何结构基于同一三维图设计，机械加工精度为±1 mm。

图1 实验流程图Fig.1 Experimental flow graph

图2 新固定装置三维图和实体图Fig.2 three-dimensional diagram and entity graph of new fix devices

1.2 新型固定装置对MRI图像的影响

依据AAPM 100号报告[8]MRI图像质量验收测试，使用GE 3 T定位MRI (Discovery 750 W)扫描有无覆盖该装置体位固定板的ACR模体，扫描参数： SE-T1轴位成像，TR=500 ms，TE1=20 ms，FOV=250 mm×250 mm，层厚=5 mm，层间距=5 mm，NSA=1，矩阵为256×256。SE-T2轴位成像，TR=2 000 ms，TE1=20 ms，TE2=80 ms，FOV=250 mm×250 mm，层厚=5 mm，层间距=5 mm，NSA=1，矩阵为256×256。每组图像扫描9次，使用GE图像后处理工作站测量MR图像高对比度分辨率、低对比度分辨率、图像均匀性和百分信号伪影比，具体测量方法和评估标准参照磁共振质量控制手册[9]用于分析体位固定板对MRI成像的影响。

1.3 新型固定装置对CT图像的影响

使用 SIEMENS 128排定位CT（SOMATOM Definition AS）扫描有无覆盖该装置的Catphantom504圆柱模体。模体内含检测CT密度值线性的CTP404模块和检测图像均匀性及噪声的CTP486模块。扫描参数：120 kV，250 mA，螺距=0.8，FOV=388 mm，层厚=3 mm。将该装置的头部、肩部和胸部层面分别对应模体内不同模块行CT扫描，选取对应模块中心连续6层图像，在图像后处理工作站上测量各组CT图像的噪声、均匀性和CT值线性，具体测量方法和评估指标参照AAPM TG 66号报告[10]和国家标准[11-12]，每个指标在每层图像上测量三次取平均值。

1.4 新型固定装置对剂量衰减的影响

扫描有无使用该固定装置固定的SUN NUCLEAR ArcCheck 模体内的有机玻璃多插件模体的CT定位图像，将图像导入放疗计划系统。基于该装置固定下扫描的CT图设计剂量计算时纳入与不纳入装置外轮廓的两组放疗计划。基于无该装置固定下扫描的CT图设计相同优化条件的计划，测量射线穿过装置表层、装置单层结构和双层结构三种情况下的射线衰减率。射野分布如下：区域一（肩部表层）：80o～104o和256o～280o，6o/野；区域二（双层结构）：104o～110o和250o～256o，6o/野；区域三（单双层交界）：110o～142o和218o～250o，8o/野；区域四（单层结构）：161o～218o，19o/野。射野大小为5×5 cm2，能量为6 MV，100 MU/野。在Varian Edge加速器上使用PTW31010型0.125 cm3指型电离室测量该装置不同区域的剂量衰减率，测量前使用CBCT进行图像引导摆位，每个射野测量三次取平均值。射线衰减率计算公式为[1-(DoseDevice/Dosephantom)]×100%。DoseDevice和Dosephantom分别为使用和未使用该装置固定下实际测量/计划计算的中心点剂量。

1.5 统计方法

采用SPSS 23.0软件对使用该装置与否扫描的MR图像均匀性、百分信号伪影比、CT图像噪声、均匀性和测量CT值与标称值差异测量结果进行配对t检验，对实际测量衰减率与计划计算衰减率结果进行Mann-Whitney秩和检验统计学分析。P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 MR图像

结合体位固定板与否扫描的MRI图像高对比度分辨率均为1 mm；低对比度分辨率测量中的低对比轮辐数总和平均值均为38；图像均匀性的PIU平均值为0.88和0.87，百分信号伪影比平均值分别为0.000 365和0.000 267，差异均不具有统计学意义（P＞0.05）且满足磁共振质量控制手册要求[9]。

2.2 CT图像

该固定装置对CT图像噪声影响结果，如表1所示；图像均匀性结果，如表2所示。结果显示胸组和头组层面测量的噪声和均匀性分别与未覆盖该装置的参考组比较均不具有统计学差异。肩部层面测量的噪声值和均匀性均具有显著性差异（t=10.19，P＜0.05；t=4.99， P＜0.05），肩部均匀性偏差大于4 HU，不满足临床要求和国家标准。

表1 新固定装置对CT图像噪声的影响Tab.1 The noise of CT image with new fixed device

表2 新固定装置对CT图像均匀性影响Tab.2 The homogeneity of CT image with new fixed device

CT值线性结果见图3。将密度插件的X线性衰减系数和测量的CT值拟合得到CT-密度曲线，比较每条曲线的对比度：即曲线的斜率倒数。根据我国军队暂行标准[13]，对比度要求为（1.9±0.1）×10-4，各组均符合标准。表3为测量CT值和标称CT值间的差异。结果显示该装置各层面测量的CT值和标称CT值间的差异与参考组比较均不具有统计学差异。

图3 CT-密度曲线Fig.3 CT-Density curve

2.3 剂量衰减

6 MV光子在区域1～4的实际平均剂量衰减率分别为7.11%、1.17%、1.19%、1.58% ，Plan A+计算的平均衰减率为6.68%、1.25%、1.07%、0.79%， Plan A为0.38%、3.21%、0.71%、0.6%。表4和图4为实际测量和两个计划计算的剂量衰减结果比较。结果显示实际测量的剂量衰减率仅与Plan A计算的剂量衰减率比较具有显著性差异（Z=-2.58，P=0.01）。Plan A+的衰减率与实际衰减率更接近。

表3 测量CT值和标准CT值差异Tab.3 The difference between measured and standard CT value

表4 实际测量和计划计算衰减率Tab.4 The measured and calculated percent attenuation

图4 实际测量与Body纳入装置轮廓计算（Plan A+）剂量衰减率Fig.4 The percent attenuation of measured and calculated

3 讨论

放疗表面线圈由两片柔软线圈组成，扫描时置于患者两侧，理论上更贴近患者表面，人体浅表组织的信噪比优于容积头颈联合线圈[14]，但近线圈效应使图像均匀性降低，距离线圈越近信号越高，距离越远则信号越低[3,15]，进行校准后图像质量仍略差于头颈联合线圈扫描图像[16]，对于个别体重较大患者，在图像中心信噪比会较低[17]。因表面线圈面积有限导致线圈无法覆盖整个扫描区域，头脚方向信号低于左右两侧，颈部覆盖不足，成像效果差，图像质量有待提高[2-3]。

该装置的制作材料为放疗固定装置常用材料。放疗CT定位室和治疗室的床板、头枕材料以碳纤维为主，但碳纤维可作为导体使MRI扫描时产热，干扰射频信号，可能会改变磁化率引起图像几何变形[18]。所以MRI模拟定位室常使用凯夫拉纤维或玻璃纤维床板，其形状规格与CT定位室及治疗室一致[19]。研究结果显示凯夫拉纤维为主体制作的体位固定板对MRI成像不存在明显影响，与实际情况相符合。

CT成像结果显示，该装置的头部和胸部层面对CT成像图像质量无明显影响，胸部层面主要为单层材料，头部层面主要为双层材料，二者平均剂量衰减率均小于3%。但肩部层面的噪声和均匀性与参考组比较存在显著性差异，剂量衰减超过3%，衰减最大区域为肩部表层，原因可能是射线在90o和270o左右时穿过肩部表层，表层设计为实心结构使射线穿射路径增加或材料内含有杂质。将装置沿中心每隔5o旋转扫描等效人体组织头模CT图像，待装置旋转至20o～30o时肩部层面图像质量改善，未见明显伪影，证实未含杂质。根据放射生物学的理论要求剂量的精确性为3%～5%， AAPM TG176号报告建议固定装置造成的剂量衰减较大时应将其包含在计划设计范围内和射束剂量计算中[20]。与本文计划设计时考虑装置轮廓计算的剂量衰减与实际衰减测量更接近结果相符合。该研究存在许多不足，首先，该实验对象为模体，无法代替实际病人，后续将开展临床验证。其次，部分实验测量数据有限，因为认为某些实验和结果具有高度可重复性，相对较小的样本量可以代表一个令人信服的结果。研究结果显示该装置可用于MRI模拟定位，其胸部和头部层面对影像成像质量无明显影响且剂量衰减小于3%，认为其可用于颅内肿瘤放疗。研究结果提示，肩部表层因增加了射线穿射路径造成CT图像噪声和剂量衰减增加，该层面在实际患者中一般对应颈部区域，可能会降低颈部个别层面的CT图像质量。CT图像噪声不能彻底消除，但可通过技术手段将其减轻，例如目前有很多降低CT图像噪声的优化算法等方式可以将图像所受干扰降到最小，或适当调整窗宽和窗位，使其在诊断的窗宽、窗位范围内不显示出来，或调整结构设计比如镂空和倾斜等可以减少射线穿透路径从而改善CT图像质量，通过这一系列的方式也许能最大限度地降低其对颈部病灶CT成像质量的影响，使其应用范围在未来能扩展至头颈肿瘤放疗。后续将开展端对端测试和临床实验验证其定位精度，图像配准精度和结合功能磁共振成像应用的优势。