毛玲麗，劉紅冬，陽 露，裴 曦*，徐 榭

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽 合肥 230025；2.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療中心，廣東 廣州 510095)

MRI具有較好的軟組織成像對(duì)比度，可進(jìn)行功能成像且無電離輻射，已成為現(xiàn)代診斷成像的重要手段[1]。實(shí)時(shí)MRI引導(dǎo)放射治療(MRI-guided radiotherapy， MRIgRT)系統(tǒng)由MR掃描儀及用于放射治療的電子直線加速器(或其他類型的放射治療機(jī))組成，按照系統(tǒng)集成度可分為兩種[2]：①分離系統(tǒng)；②一體化系統(tǒng)。分離系統(tǒng)無法在治療過程中對(duì)組織器官成像，且會(huì)帶來運(yùn)動(dòng)偽影及系統(tǒng)誤差，臨床放射治療中傾向于使用一體化MRIgRT系統(tǒng)，即MR掃描儀和直線加速器完全集成為一體的混合MR治療單元。目前關(guān)于MRI引導(dǎo)光子放射治療系統(tǒng)已有較多研究。本文主要對(duì)全球各中心設(shè)計(jì)和安裝的實(shí)時(shí)MRI引導(dǎo)光子放射治療設(shè)備最新進(jìn)展進(jìn)行綜述。

表1 MRIgRT裝置的簡單參數(shù)比較

圖1 MRI和Linac配置方式示意圖 A.從Linac發(fā)出的束流與MRI主磁場(chǎng)的方向平行，為MRIgRT的平行配置模式; B.從Linac發(fā)出的束流與MRI主磁場(chǎng)的方向垂直，為MRIgRT的垂直配置模式 (紅箭表示MRI主磁場(chǎng)方向，黃實(shí)線表示從Linac射出的束流方向)

1 MRIgRT的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

未來放射治療的發(fā)展方向?yàn)樾》秶?、高劑量精?zhǔn)放射治療[3]。放射治療實(shí)施的精準(zhǔn)性受靶區(qū)勾畫、擺位誤差、分次和單次治療中器官變形、運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等因素影響，而以圖像引導(dǎo)放射治療(image-guided radiotherapy, IGRT)可減少這些不確定性。目前臨床上基于X射線成像的IGRT設(shè)備有電子射野影像裝置(electronic portal imaging device, EPID)、 MV級(jí)和kV級(jí)錐形束CT(cone-beam CT, CBCT)等，主要在放射治療前或分次治療間獲取圖像，通過圖像配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放射治療，但尚無法真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)放射治療。

與基于X射線成像的影像設(shè)備相比， MRI雖然缺少電子密度信息、掃描時(shí)間長、易幾何失真，卻有以下優(yōu)勢(shì)[4]：①高軟組織對(duì)比度；②能直接獲得多方位的原生三維斷面圖像；③無損檢查，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生電離輻射；④多參數(shù)成像，可探測(cè)更精細(xì)、更豐富的信息用于診斷；⑤多對(duì)比度成像，可獲取多種不同加權(quán)特性的圖像，提高診斷質(zhì)量；⑥無骨性偽影。MRIgRT能更精確地勾畫靶區(qū)和危及器官，以實(shí)現(xiàn)增加腫瘤放射劑量且減少正常組織放射劑量的放射治療目標(biāo)。更重要的是，傳統(tǒng)放射治療過程是基于計(jì)劃靶區(qū)(planning target volume, PTV)優(yōu)化的初始治療計(jì)劃進(jìn)行分次治療，而MRIgRT在放射治療過程中可以實(shí)時(shí)獲得靶區(qū)的解剖和生理信息，從而為每次分次治療提供在線劑量計(jì)劃優(yōu)化以及自適應(yīng)再計(jì)劃[5]。因此，MRIgRT技術(shù)被臨床寄予厚望。

2 MRIgRT系統(tǒng)介紹

MRIgRT系統(tǒng)主要由MR掃描儀、放射治療機(jī)以及自適應(yīng)放射治療計(jì)劃系統(tǒng)(adaptive radiotherapy treatment planning system，ART-TPS)組成。目前國際上主要有4個(gè)機(jī)構(gòu)在開展 MRIgRT 設(shè)備的研發(fā)工作,其主要參數(shù)見表1。其中束流與磁場(chǎng)方向的平行模式和垂直模式示意圖見圖1。

2.1 第一臺(tái)商業(yè)MRIgRT系統(tǒng) Viewray公司開發(fā)的商業(yè)MRIgRT系統(tǒng)(MRIdian?或ViewRay System)[6]由3部分組成：①雙環(huán)超導(dǎo)磁體組成的開口直徑為70 cm的0.35T 全身 MRI 裝置，成像野50 cm，全身射頻發(fā)射線圈直徑為75 cm并覆蓋磁鐵間隙;②放射治療系統(tǒng)，由3個(gè)相距120°的Co60源組成，放射源安裝于雙環(huán)超導(dǎo)磁體之間的環(huán)形機(jī)架上，且距離等中心點(diǎn)105 cm；③高性能ART-TPS，基于蒙特卡羅劑量計(jì)算方法，具有魯棒性且運(yùn)算速度快，能在30 s內(nèi)完成9個(gè)野治療計(jì)劃，完全實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)自適應(yīng)放射治療[6]。Viewray公司新設(shè)計(jì)的“MRIdian Linac”系統(tǒng)由6 MV直線加速器、0.35 T MRI和ART-TPS組成[7]。

2.2 典型MRIgRT系統(tǒng) 加拿大阿爾伯塔大學(xué)交叉癌癥研究所(cross cancer institute, CCI)于2008年建成首個(gè)MRIgRT原型系統(tǒng)，由一個(gè)雙平面的0.2 T MRI系統(tǒng)和6 MV直線加速器構(gòu)成，其機(jī)架處于固定狀態(tài)[8]。2013年CCI開始安裝臨床級(jí)全身MRI-Linac系統(tǒng)—Aurora RTTM，其硬件由一對(duì)雙平面0.6T MRI系統(tǒng)和一個(gè)6 MV的直線加速器構(gòu)成，機(jī)架可360°旋轉(zhuǎn)，治療時(shí)加速器和MR掃描儀一同圍繞患者旋轉(zhuǎn)，治療束與主磁場(chǎng)平行；所用磁場(chǎng)由高溫超導(dǎo)材料提供[9]。與其他MRIgRT系統(tǒng)不同，Aurora RTTM系統(tǒng)設(shè)有低溫冷卻器，在不使用低溫液體的情況下也能保持超導(dǎo)溫度[10]。Aurora RTTM系統(tǒng)采用自動(dòng)腫瘤勾畫算法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的腫瘤位置預(yù)測(cè)算法，以及多葉準(zhǔn)直器(multi leaf collimator, MLC)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，以在放射治療過程中實(shí)現(xiàn)腫瘤適形[10]。

2.3 多方合作的MRIgRT系統(tǒng) 荷蘭烏特勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心(university medical centre utrecht， UMC)自2012年開始與醫(yī)科達(dá)、飛利浦公司合作，開發(fā)了一個(gè)完全集成的MRIgRT裝置Elekta Unity。該裝置中，1.5T MR上安裝有環(huán)形機(jī)架及7 MV直線加速器的所有部件，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)架和磁體，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放射治療[11]。飛利浦公司已經(jīng)開發(fā)出基于蒙特卡羅算法和MRI-only的實(shí)時(shí)自適應(yīng)治療計(jì)劃系統(tǒng)。2017年采用該系統(tǒng)成功對(duì)一組脊柱轉(zhuǎn)移瘤患者進(jìn)行了治療[12]。

2.4 最新MRIgRT系統(tǒng) 澳大利亞團(tuán)隊(duì)開發(fā)的MRIgRT系統(tǒng)以1.0 T MRI和6 MV直線加速器為基礎(chǔ)，并采用類似CCI的總體結(jié)構(gòu)方案，經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)，形成獨(dú)具特色的MRIgRT設(shè)備[13]：①主磁場(chǎng)方向與治療束方向平行，減低了設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜性、降低建造成本；②MR和直線加速器主體結(jié)構(gòu)固定不動(dòng)，而將患者固定在可旋轉(zhuǎn)的治療床上，雖然更具實(shí)用性，但旋轉(zhuǎn)會(huì)造成患者內(nèi)部組織和器官變形；③主磁體為分體式超導(dǎo)磁體，場(chǎng)強(qiáng)大小為1.0T，成像更清晰。2018年該團(tuán)隊(duì)在MRIgRT上使用特制射頻(radio frequency, RF)線圈獲得了MR圖像[14]。

國內(nèi)四川大學(xué)[15-16]較早開展了對(duì)MRI引導(dǎo)放射治療劑量分布的蒙特卡羅研究工作，主要集中在使用GEANT 4軟件模擬光子治療束以及電子治療束在均勻橫向磁場(chǎng)下水箱模型中的束流特性。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)醫(yī)學(xué)物理團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)了在磁場(chǎng)下使用的基于圖形處理單元(graphics processing unit, GPU)加速的蒙特卡羅算法軟件ARCHER[17]，利用該軟件磁場(chǎng)下的乳腺癌治療計(jì)劃僅需數(shù)十秒；該團(tuán)隊(duì)還利用TOPAS軟件計(jì)算和分析多個(gè)能量下質(zhì)子束在不同強(qiáng)度磁場(chǎng)中的劑量分布情況[18]，并發(fā)明了一種基于MRI-only的三維劑量驗(yàn)證方法[19]。

3 MRIgRT系統(tǒng)面臨的主要難點(diǎn)

3.1 MRI和Linac部件之間的耦合 MLC電機(jī)產(chǎn)生的RF噪聲會(huì)干擾RF線圈信號(hào)，同時(shí)MLC鎢合金葉片會(huì)影響MRI磁場(chǎng)的均勻性，從而降低MR成像質(zhì)量；MRI邊緣磁場(chǎng)也會(huì)引起MLC的電機(jī)故障[9，20]。此外，由于洛倫茲力的作用，MR磁場(chǎng)還可使Linac電子槍[21]和加速管[22]中的電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。為解決磁場(chǎng)干擾和射頻干擾問題，Elekta Unity系統(tǒng)做了以下改動(dòng)[11]：①采用MR主動(dòng)磁屏蔽，在橫向中央平面產(chǎn)生一個(gè)低環(huán)向場(chǎng)；②將鋁制低溫恒溫器壁設(shè)計(jì)為法拉第筒的一部分，加速器位于法拉第筒外部，MR放置在法拉第筒內(nèi)部。CCI團(tuán)隊(duì)的研究表明[23]，通過銅盒可有效屏蔽MLC電機(jī)引起的RF噪音。澳大利亞團(tuán)隊(duì)Brendan[24]重新設(shè)計(jì)電子槍和加速管結(jié)構(gòu)，將電子槍陰極直接放在加速管第一加速腔內(nèi)，利用加速管的RF源直接加速電子。澳大利亞團(tuán)隊(duì)Liney等[25]的研究表明，可以通過感興趣體積內(nèi)動(dòng)態(tài)勻場(chǎng)過程減弱MLC和加速器對(duì)主磁場(chǎng)均勻性的影響。

3.2 快速在線治療計(jì)劃和自適應(yīng)再計(jì)劃策略 實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)需要快速的在線治療計(jì)劃和自適應(yīng)再計(jì)劃策略。安裝GPU和高性能計(jì)算系統(tǒng)可提高治療流程速度。自適應(yīng)放射治療應(yīng)完全或部分自動(dòng)，以提高計(jì)算速度[26]。劑量計(jì)算算法必須處理電子密度不能直接從MRI獲取的問題[27]，最有效的方法是使用偽CT，即MRI是放射治療工作流程中使用的唯一模態(tài)的MRI-only放射治療技術(shù)[28]。Elekta Unity的TPS系統(tǒng)采用基于MRI-only技術(shù)的商業(yè)軟件包MRCAT(已獲得FDA認(rèn)證)[29]，以單個(gè)“mDIXON”的MR序列和專有算法來生成電子密度信息。理想的在線MR成像序列應(yīng)足夠快，且不易受圖像幾何失真的影響。此外，改進(jìn)的fMRI通過瞄準(zhǔn)生物相關(guān)子區(qū)來考慮腫瘤異質(zhì)性時(shí)，應(yīng)做到不需延長采集時(shí)間而能產(chǎn)生相關(guān)信息，從而達(dá)到“解剖學(xué)”和“生物學(xué)”上的實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)自適應(yīng)放射治療。

3.3 考慮磁場(chǎng)對(duì)次級(jí)帶電粒子影響 不同組織界面處的電子返回效應(yīng)(electron return effect, ERE)會(huì)導(dǎo)致劑量分布的翹曲或高低密度交界面劑量的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)[30]，因此計(jì)算劑量時(shí)必須考慮磁場(chǎng)對(duì)次級(jí)電子的影響。通過蒙特卡羅程序[31-32]或?qū)Ｓ玫拇_定性方法[33]，ERE可在IMRT優(yōu)化過程中得到補(bǔ)償，甚至可能被用來增加靶區(qū)的劑量適形度。由于肺部易感性偽影和密度變化，故需考慮磁場(chǎng)對(duì)次級(jí)電子的影響。

3.4 磁場(chǎng)中的劑量測(cè)定和質(zhì)量保證(quality assurance, QA) QA設(shè)備須與MR磁場(chǎng)兼容。用于機(jī)器劑量測(cè)定的QA設(shè)備須考慮磁場(chǎng)對(duì)用于絕對(duì)劑量測(cè)定的電離室中次級(jí)電子的影響。因此，MRIgRT系統(tǒng)需引入臨床專用的QA設(shè)備和調(diào)試協(xié)議。Mcdonald等[34]研究表明，輻射變色和聚合物凝膠劑量計(jì)可用于MRIgRT系統(tǒng)的端到端調(diào)試。Magphan RT體模、 DYNAMIC PHANTOM體模、QUASAR MRID3D體模均可用于MRIgRT系統(tǒng)劑量測(cè)定和QA。Klein等[35]列出了成像和治療等中心之間每日容差指南，非立體定向治療≤2 mm，立體定向治療≤1 mm，需對(duì)MRIgRT機(jī)器QA給予重視。對(duì)于自適應(yīng)放射治療中患者QA也需要重新定義，而在線驗(yàn)證工具在臨床中也將越來越重要。

4 小結(jié)

MRIgRT系統(tǒng)能在動(dòng)態(tài)的分次治療過程中實(shí)時(shí)跟蹤靶區(qū)運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行在線治療計(jì)劃和自適應(yīng)再計(jì)劃，有望大幅提高放射治療的精確性。國際上數(shù)家大型研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)解決了MRIgRT設(shè)備面臨的部分技術(shù)難點(diǎn)，如MR成像設(shè)備與放射治療設(shè)備的兼容性問題、快速在線TPS和自適應(yīng)放射治療流程的開發(fā)以及劑量計(jì)算與QA等。目前MRIgRT系統(tǒng)的臨床試驗(yàn)剛剛起步，期望MRIgRT技術(shù)在未來的放射治療實(shí)踐中得到廣泛使用，使腫瘤放射治療進(jìn)入新時(shí)代。