CT-MRI同體位放療模擬定位裝置的研制

鐘青松，劉煒焜，陳嘉偉，張俊德

南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院 放療科，廣東 廣州 510282

引言

放射治療是癌癥治療的三大手段之一[1-2]。隨著科技水平的不斷提高，放射治療已從傳統(tǒng)的二維常規(guī)放療發(fā)展到現(xiàn)在的三維數(shù)字化精確放療，精確放射治療技術(shù)的實(shí)施是以精確的靶區(qū)勾畫為基礎(chǔ)，為了提高靶區(qū)勾畫的精確度，近年來(lái)CT、MRI圖像配準(zhǔn)融合技術(shù)在放射治療定位中得到較為廣泛的應(yīng)用[3-8]，其利用CT圖像的空間分辨率高、電子-物理密度線性對(duì)應(yīng)、可用于劑量計(jì)算，結(jié)合MRI圖像的軟組織分辨率高等特點(diǎn)，在融合之后的圖像上，能清晰地顯示出腫瘤靶區(qū)位置及范圍大小，利于靶區(qū)勾畫，CT、MRI圖像配準(zhǔn)融合技術(shù)提高靶區(qū)勾畫的精確度也已得到證實(shí)[9-12]。然而由于常規(guī)MRI孔徑比CT孔徑小，MRI掃描床是凹形的，且機(jī)房有高磁場(chǎng)，對(duì)放療定位固定裝置的要求較高[13]，加上MRI掃描所需線圈（特別是頭部）的安裝與CT模擬定位固定裝置（包括定位體架、塑料頭枕和熱塑膜）互不兼容，導(dǎo)致無(wú)法使用CT模擬定位的固定裝置來(lái)進(jìn)行常規(guī)MRI掃描，而CT模擬定位的體位和常規(guī)MRI掃描的體位不一致，會(huì)嚴(yán)重影響CT、MRI圖像配準(zhǔn)的精確度，因此無(wú)法有效地提高放療靶區(qū)勾畫的精確度。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，大孔徑MRI模擬定位機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，但是大孔徑MRI模擬定位機(jī)價(jià)格昂貴（需要3000萬(wàn)元人民幣），國(guó)內(nèi)只有幾家知名度很高的大型腫瘤?？漆t(yī)院已購(gòu)買該設(shè)備，應(yīng)用普及度小。截至目前，國(guó)內(nèi)放療單位普遍還是采用CT模擬定位結(jié)合常規(guī)MRI掃描的方法，融合CT定位圖像與常規(guī)MRI掃描圖像來(lái)進(jìn)行靶區(qū)勾畫[14]。為解決因體位的不同而造成CT模擬定位圖像與常規(guī)MRI掃描圖像配準(zhǔn)出現(xiàn)的較大偏差問(wèn)題，提高放療靶區(qū)勾畫精確度，研究并制作一套CT-MRI同體位放療模擬定位裝置，具有一定的臨床意義。

1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)CT模擬定位和MRI掃描的工作流程及原理，綜合考慮兩者的安全性和兼容性，研究設(shè)計(jì)的CT-MRI同體位放療定位裝置必須滿足以下要求：① 能與CT模擬定位固定裝置實(shí)現(xiàn)一致的體位固定；② 能搭配MRI掃描所需的線圈順利進(jìn)入MRI掃描孔洞；③ 制作材料不影響MRI成像質(zhì)量；④ 制作材質(zhì)需堅(jiān)硬、耐壓、抗沖擊和不受磁場(chǎng)作用。

2 設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)測(cè)量

測(cè)量得到GE公司的Discovery CT590孔徑大小為直徑80 cm，平面床長(zhǎng)217.5 cm，寬53 cm；飛利浦公司的Ingenia 3.0TMR孔徑大小為直徑70 cm，凹面床長(zhǎng)213 cm，寬65 cm；體部線圈規(guī)格長(zhǎng)70 cm，寬55 cm，高6 cm；目前所使用的科萊瑞迪公司的CT模擬定位體架，型號(hào)：R609-VFCF/SFCF，長(zhǎng)125 cm，寬61 cm，厚度2.5 cm。

2.2 選用材料

本設(shè)計(jì)選用凱夫拉[15]、ABS塑料、尼龍螺絲三種材料作為制造該裝置的首選材料，各自特性如下：① 凱夫拉，化學(xué)名稱為聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺，密度低、強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫，其強(qiáng)度為同等質(zhì)量鋼鐵的5倍，但密度僅為鋼鐵的五分之一；② ABS塑料，化學(xué)名稱為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，耐化學(xué)腐蝕、耐熱，并具有一定的表面硬度，具有高彈性和韌性，原料易得、綜合性能良好、價(jià)格便宜；③ 尼龍螺絲有著絕緣、無(wú)磁、耐腐蝕、美觀、永不生銹等優(yōu)質(zhì)特性。經(jīng)測(cè)試，上述三種材料均可安全地進(jìn)行MRI掃描，且不影響MRI成像質(zhì)量。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CT-MRI同體位放療模擬定位裝置主要包括三部分：MRI模擬定位體架、凹面床的平板適配床板和MRI體部掃描線圈拱形支撐架（由于MRI頭部掃描線圈太小，無(wú)法搭配熱塑膜甚至枕頭和定位體架一起使用，所以選用體部線圈進(jìn)行設(shè)計(jì)），見(jiàn)圖1。

根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)成品規(guī)格分三類：① 定位體架：長(zhǎng)125 cm，寬61 cm，厚度2.5 cm（與CT模擬定位體架一樣）；② 適配床板：長(zhǎng)213 cm，寬53 cm，厚度2.5 cm；③ 線圈拱形支撐架：長(zhǎng)60 cm，寬31.5 cm，最高點(diǎn)43 cm。

圖1 CT-MRI同體位放療模擬定位裝置

2.3.1 MRI模擬定位體架

由于CT模擬定位體架的材料碳纖維，在MRI掃描的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱問(wèn)題，容易引起患者的恐慌甚至造成生命危險(xiǎn)，而選用凱夫拉材料制作MRI模擬定位體架能避免此類醫(yī)療事故的發(fā)生。此MRI模擬定位體架的形狀、尺寸、體架上的孔洞位置及大小與CT模擬定位體架完全一致，以實(shí)現(xiàn)同體位固定，見(jiàn)圖2。

圖2 MRI模擬定位體架

2.3.2 MRI適配床板

CT床面是平面，而MRI床面是凹形且左右兩側(cè)邊緣分別有凹形槽，這容易造成CT、MRI兩種圖像的體位不一致，通過(guò)選用ABS塑料制作一個(gè)MRI適配床板安裝在MRI床上使凹形床面變成平面，以實(shí)現(xiàn)體位一致。適配床板正面左右兩側(cè)邊緣配備四對(duì)螺絲孔，反面配備四個(gè)卡槽長(zhǎng)6.4 cm，寬1.4 cm，深1 cm，四對(duì)對(duì)應(yīng)大小的尼龍螺絲和四個(gè)尼龍卡銷，結(jié)構(gòu)、位置和形狀如圖3～4所示。MRI定位時(shí)，將卡銷卡進(jìn)MRI適配床板反面的卡槽和MRI床面邊的凹形槽內(nèi)，然后用八個(gè)尼龍螺絲固定。

圖3 MRI適配床板

圖4 尼龍卡銷和尼龍螺絲

2.3.3 MRI線圈拱形支撐架

根據(jù)MRI床面寬度尺寸和MRI孔徑大小，選用ABS塑料設(shè)計(jì)出MRI線圈拱形支撐架和放置MRI體部線圈的可升降托架，拱形的設(shè)計(jì)和可升降的托架有利于節(jié)省空間，避免因空間狹小導(dǎo)致體部線圈壓迫患者，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

（1）用熱塑面膜將患者以舒適的體位（仰臥位）固定在CT掃描機(jī)床板上進(jìn)行CT模擬定位掃描，獲取CT定位圖像傳到Monaco5.1放射治療計(jì)劃系統(tǒng)。

（2）MRI模擬定位時(shí)，先把將卡銷卡進(jìn)MRI適配床板反面的卡槽，正面擰上尼龍螺絲，再將安裝好卡銷的MRI適配床板放置在MRI凹形床面上，卡銷卡進(jìn)MRI床面兩邊的凹形槽內(nèi)，固定床板，防止滑動(dòng)。

圖5 MRI線圈拱形支撐架

（3）在安裝好的適配床板上面放置MRI模擬定位體架，挪動(dòng)體架使體架中線與適配床板中線位置一致，安裝上定位所需的塑料頭枕。

（4）讓患者按照CT模擬定位時(shí)的體位，躺在MRI定位體架上，扣上熱塑膜。

（5）在患者所需掃描的部位上方放置MRI線圈拱形支撐架，再將MRI體部線圈放置在可升降線圈托架上，調(diào)整好線圈離患者身體的合適距離，避免壓迫，同時(shí)保證MRI成像質(zhì)量，進(jìn)行MRI模擬定位，獲取MRI定位圖像傳到Monaco5.1放射治療計(jì)劃系統(tǒng)。

（6）將兩種機(jī)器掃描得到的同體位圖像在Monaco5.1放射治療計(jì)劃系統(tǒng)里使用系統(tǒng)自帶的圖像融合功能進(jìn)行圖像配準(zhǔn)融合，融合圖像質(zhì)量由2名放射科和2名放療科有經(jīng)驗(yàn)的高年資醫(yī)師組成的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合DICE系數(shù)和豪斯多夫距離對(duì)圖像融合效果進(jìn)行評(píng)估。

圖6 CT-MRI同體位模擬定位裝置使用示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用此CT-MRI同體位放療模擬定位裝置進(jìn)行了10例臨床MRI模擬定位試驗(yàn)，獲取的MRI圖像清晰，圖像質(zhì)量未受裝置影響，與CT模擬定位圖像的配準(zhǔn)融合效果良好，對(duì)比觀察CT模擬定位圖像和融合后的圖像，融合后的圖像能清晰地顯示出腫瘤靶區(qū)的位置和大小，而在CT模擬定位圖像上相同的地方是十分模糊的，見(jiàn)圖7～8。此外，再將使用此CT-MRI同體位放療模擬定位裝置定位的CT-MRI融合后的圖像與常規(guī)MRI模擬定位的CT-MRI融合后的圖像進(jìn)行比較，能明顯地觀察到頸部的配準(zhǔn)出現(xiàn)較大的位置偏差，見(jiàn)圖9；并且分別運(yùn)用了重疊率（DICE）和豪斯多夫距離（HD）算法來(lái)評(píng)價(jià)配準(zhǔn)的精確度，得到同體位頭部的DICE數(shù)據(jù)結(jié)果為0.988，HD數(shù)據(jù)結(jié)果為3.340 mm，非同位頭部的DICE數(shù)據(jù)結(jié)果為0.947，HD數(shù)據(jù)結(jié)果為6.445 mm；同體位頸部的DICE數(shù)據(jù)結(jié)果為0.847，HD數(shù)據(jù)結(jié)果為3.803 mm，非同體位頸部的DICE數(shù)據(jù)結(jié)果為0.829，HD數(shù)據(jù)結(jié)果為4.679 mm。結(jié)果顯示使用此CT-MRI同體位定位裝置能有效地提高CT-MRI模擬定位圖像的配準(zhǔn)精度。

圖7 橫斷位定位圖像

圖8 CT-MRI同體位融合后的橫斷位圖像

圖9 MRI模擬定位下CT-MRI融合后的矢狀位圖像

4 討論

關(guān)于設(shè)計(jì)CT-MRI同體位定位裝置的文獻(xiàn)很少，楊熙[16]的研究結(jié)果表明，應(yīng)用頭枕及設(shè)置標(biāo)記的方法掃描得到的圖像近似匹配度高，確立了擺位一致的重要性，體位一致掃描得到的CT與MR圖像更具融合意義，但是此種方法，由于沒(méi)有熱塑膜的固定，患者在掃描過(guò)程中的活動(dòng)可能性較大，容易影響圖像質(zhì)量；而楊述根等[17]利用MR機(jī)與CT機(jī)以及自制的熱塑網(wǎng)自動(dòng)成型器融合定位裝置，研究得出MR與恰當(dāng)?shù)臒崴芫W(wǎng)融合模擬定位提高了放療定位的精確度,其使用的方法是在MRI模擬定位時(shí)，再制作一個(gè)與CT模擬定位體位一樣的熱塑網(wǎng)，雖然這在一定程度上保持了體位，但是會(huì)影響到擺位的重復(fù)性。

本文通過(guò)選用凱夫拉、ABS塑料、尼龍螺絲材料，以Discovery CT590和Ingenia 3.0TMR為設(shè)備基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的CT-MRI同體位放療模擬定位裝置，結(jié)合CT模擬定位頭枕和熱塑膜進(jìn)行MRI模擬定位，能最大程度地避免體位不一致帶來(lái)的干擾，提高CT、MRI圖像融合配準(zhǔn)精度，提高靶區(qū)勾畫精度。

雖然得到了較好的研究結(jié)果，但是目前此研究主要應(yīng)用在頭頸部腫瘤的放療定位，還需對(duì)胸部、腹部等其他部位的放療定位進(jìn)行充分的研究，同時(shí)在研究過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些可以改善的地方和需要解決的問(wèn)題：① 激光燈定位系統(tǒng)無(wú)法在MRI模擬定位中使用；② 空間有限，體型肥胖的患者使用此裝置困難。因此還需進(jìn)一步完善CT-MRI同體位放療模擬定位裝置的設(shè)計(jì)與使用。

5 結(jié)論

CT/MRI同體位放療定位固定裝置的研制，解決了CT模擬定位和常規(guī)MRI模擬定位圖像體位一致性的問(wèn)題，能有效提高CT、MRI圖像的配準(zhǔn)精度，提高圖像融合效果，得到準(zhǔn)確的定位信息，更為精確地顯示出靶區(qū)的位置、形狀和大小，提高了靶區(qū)勾畫精度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放療，提高腫瘤控制率，使患者得到更好的治療效果和生活質(zhì)量。同時(shí)能充分發(fā)揮現(xiàn)有的醫(yī)療成像設(shè)備的價(jià)值，節(jié)省不必要的耗材與資金，用最低的成本實(shí)現(xiàn)與大孔徑MRI模擬定位機(jī)同樣的功效，創(chuàng)造更高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，這種新技術(shù)操作簡(jiǎn)單易行，耗時(shí)短，只要有磁共振設(shè)備的醫(yī)院就可以開展，值得推廣。