MR模拟定位技术用于肿瘤放射治疗进展

李晓婷,朱海涛,陈伟梁,秦军军,孙应实*

(1.北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所医学影像科 恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室,北京 100142;2.上海联影医疗科技股份有限公司,上海 201807)

放射治疗(放疗)是治疗肿瘤的主要方法之一。适形调强放疗(intensity modulated radiation therapy, IMRT)、容积旋转调强放疗(volumetric modulated arc therapy, VMAT)及螺旋断层放疗均为高度适形的放疗手段,可在较好保护正常组织的同时有效增强针对肿瘤的放射剂量[1]。随着精准医疗时代的到来,使得临床对于放疗效率和精度的要求进一步提高,这意味着制定和实施放疗计划过程中需要应用更精准的解剖和功能图像来定位病灶及周围组织结构[2]。MRI具有良好软组织分辨力,可多平面和多参数成像,以判断病灶成分,显示病灶范围、定位其与周围脏器的关系,且可在一定时间内多次检查[3]。本文就MR模拟定位技术用于肿瘤放疗进展进行综述。

1 MR模拟定位技术

临床常采用常规模拟机、CT模拟定位机或MR模拟定位机获取影像,以确定放疗靶区和危及器官位置,进而勾画靶区、制定放疗计划。CT模拟定位机最为常用,通过CT值-相对电子密度曲线将组织CT值转换为电子密度,对不同密度的结构加以修正,以利于计算肿瘤靶区(gross tumor volume, GTV)和危及器官放疗剂量,多用于确定肿瘤位置及周围组织范围等信息。MR模拟定位机与CT模拟定位机类似,但更偏向于定位,其软组织结构分辨率更高,且多模态MRI能提供更多肿瘤特征及对于治疗的反应等信息,有助于更精准地勾画GTV;但MRI信号强度与氢质子分布有关,却不具有电子密度信息,无法反映不同结构之间的密度差异,故不能单独计算放射剂量,实际操作中需与CT图像融合应用。

1.1 扫描序列 多种MR序列已用于诊断恶性肿瘤。弥散加权成像(diffusion weighted imaging, DWI)已在显示受累淋巴结、确定病灶体积、定量反映治疗效果等方面均展现出重要价值[4-6]。此外,针对不同结构的特殊MR成像技术也逐渐被开发并进入临床应用阶段,如MR血管造影(MR angiography, MRA)、MR波谱成像、动态对比增强MRI、化学交换饱和转移成像及血氧水平依赖功能MRI等。T2WI和动态对比增强MRI有助于判断肿瘤潜在复发部位;MRA可显示血管结构和血流信号特征;多模态MRI技术不仅可为外科应用立体定向放射提供精确的靶向信息,还能敏感地反映病灶在放疗过程中的动态变化[7-10]。

如何降低MRI几何误差和剂量计算误差是MR放疗模拟定位的技术难点。利用真实稳态进动快速成像(true fast imaging with steady precession, TrueFISP)可于高速扫描前提下获取信噪比最佳的图像[1,11],其特点是施加重聚焦梯度,在3个梯度方向上进行相位补偿,成像时以恒定速度流动的质子不会在各周期中产生、累积而导致出现附加相移,故不因流动信号相位缺失而损失信号,适于自脑脊液或慢速流动的血液中提取信号;基于TrueFISP的ViewRay MR引导放疗系统已取得良好的模拟定位效果[12]。此外,使用放疗专用成像线圈及固定装置亦有助于减少MR模拟定位的几何误差[13]。

1.2 场强 目前关于MR模拟定位技术的最适场强尚无定论,1.5T和3.0T MR扫描仪均可用于放疗模拟。相比1.5T,3.0T MR仪能提供更多扫描序列和参数,获取高信噪比图像,时间和空间分辨率更高,可更敏感地反映组织形态和病理改变,有助于早期发现和精准诊断病变,且扫描速度更快、患者依从性更佳,更适用于科学探索和开展临床试验;其主要局限性在于金属及磁敏感伪影更明显,骨组织与软组织交界面伪影更大,水脂交界面化学位移伪影更严重,尤其在体质量指数高患者更为明显,且运动伪影较难控制,组织产热更多,患者自觉身体发热更明显。将MR模拟作为CT模拟的补充手段时,需根据实际情况选择设备场强。

1.3 直线加速器 MR直线加速器的出现使MRI成为放射肿瘤学的主要焦点。该技术将MRI与直线加速器整合,具有优越的软组织对比度而无骨伪影、无辐射剂量,可任意方位断层(3D数据),支持多序列生物功能成像,无需体表标记,并可动态反映放疗过程中肿瘤及周围组织生物学行为变化等[14]。既往研究[13-16]表明,MRI引导放疗可用于治疗头颈部肿瘤、乳腺癌及肺癌,通过实时获取肿瘤在体内的运动图像并自适应地予以施照,能进一步提高治疗效率及其安全性。

2 MR模拟定位技术用于肿瘤放疗

近年MRI已越来越多地用于制定放疗计划、监测肿瘤在治疗过程中的反应及评估治疗后复发。用于放疗头颈部肿瘤、乳腺癌等时,MRI可提供较CT更为准确的GTV[17-18];用于放疗宫颈癌时,MRI可精准区分肿瘤组织与非瘤组织,常用于划定放疗轮廓[19]。一项CT和MRI用于放疗肝癌的对比研究[20]结果显示,多模态融合MRI可显著提高勾画GTV的观察者间一致性。放疗肺癌时,以MRI勾画肺癌致肺不张原发肿瘤轮廓的观察者间差异明显低于应用CT进行勾画[21]。另有研究[22]表明,MRI与PET、CT与PET用于勾画GTV的测量者间差异相似,但对于MRI与CT勾画GTV的差异尚不明确。此外,MRI和PET/MR融合图像已被证明均可用于勾画GTV[23],但一项针对放疗结直肠癌肝转移的研究[24]认为利用PET/MR融合图像勾画GTV可能影响其精确度,有待进一步分析证实。

GLIDE-HURST 等[25]认为目前MR模拟定位在放疗中的使用率明显偏低,导致患者需于短时间内接受多次CT扫描而面临高电离辐射风险。MRI模拟定位机在我国基层医院的普及率较低,MRI模拟定位在国内放疗中的整体使用率可能更低。

3 人工智能用于MR放疗模拟定位

制定放疗计划时,对于人工智能的需求主要体现在勾画器官和计算放疗剂量方面。利用基于U-net的深度学习(deep learning, DL)模型可用于计算前列腺癌患者所需IMRT剂量[26];卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)多器官分割方法已用于头颈癌放疗[27];以深度CNN与运动跟踪相结合,可实现动态计算肺肿瘤体积[28]。DL算法可用于评估放疗对正常器官的毒性和组织损伤,如ZHEN等[29]使用迁移学习策略预测宫颈癌放疗中直肠的剂量毒性;还可实现不同扫描设备图像间的转换,NIE等[30-31]使用3D CNN学习实现将MRI端到端非线性映射至CT图像,HAN等[32]开发的深度CNN模型利用传统单序列MRI合成CT图像,在测算精度和运算速度方面均具有优势,有望摆脱放疗计划对CT的依赖,消除MR-CT配准的不确定性。

4 小结与展望

未来MR模拟定位技术将会有更加广阔的应用前景。但目前对于放疗中应用MR模拟定位技术的使用条件尚未达成共识,应及时收集不同地区、不同级别医疗单位对于MRI和CT模拟定位机的使用情况、应用效果及临床反馈等信息,并开展相关临床研究评估将MR模拟定位技术整合入放疗工作流程中的有效性,以制定将MR模拟定位技术用于放疗不同肿瘤的策略。随着人工智能的发展,MR模拟定位系统的靶区划定、剂量计算和动态评估治疗疗效将更加精准;与CT模拟定位交替使用,可使放疗方案及疗效评价方式更加灵活。