磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲治療系統(tǒng)治療前的質(zhì)量控制檢測(cè)

【作 者】邊祥兵，秦勤，張興文，齊葉青，張德康，張帥

解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心，北京市，100853

0 引言

磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲系統(tǒng)（transcranial magnetic resonance-guided focused ultrasound surgery，TcMRgFUS，俗稱“磁波刀”）將磁共振成像技術(shù)和高強(qiáng)度聚焦超聲技術(shù)融合在閉環(huán)過程中，對(duì)腦組織行熱消融干預(yù)處理，同時(shí)對(duì)腦組織實(shí)時(shí)溫度變化的監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位圖像顯示，實(shí)現(xiàn)能量沉積反饋，目前是最具潛力的腦腫瘤、功能神經(jīng)外科、中風(fēng)及靶向給藥等經(jīng)顱治療的新技術(shù)[1]。我院新投入使用的我國(guó)首臺(tái)“磁波刀”頭部治療系統(tǒng)（EXABLATE TcMRgFUS）已開展臨床治療患者多例。本研究對(duì)磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)及質(zhì)量流程控制進(jìn)行闡述。

1 設(shè)備和方法

1.1 治療系統(tǒng)和成像設(shè)備

磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲治療系統(tǒng)EXABLATE 4000（650 kHz）由聚焦超聲換能器系統(tǒng)、可拆卸式治療床、前端機(jī)柜，操作員工作站、設(shè)備柜和水冷系統(tǒng)構(gòu)成。聚焦超聲換能器包含1 024個(gè)電子相位陣列元件，超聲波頻率為620～720 kHz，從5 s到60 s不等的超聲脈沖對(duì)靶區(qū)進(jìn)行多次超聲波處理（sonications）。

磁共振成像儀（Discovery MR 750 3.0 T，GE Medical system,USA）采集序列是美國(guó)放射學(xué)會(huì)ACR（American College of Radiology,ACR）推薦的TIWI軸位，11層，SE序列，TR=500 ms，TE＝20 ms，F(xiàn)OV=25 cm，層厚＝5 mm，層間隔＝5 mm，矩陣＝256×256，激勵(lì)次數(shù)（NEX）＝1。

1.2 檢測(cè)內(nèi)容、要求及參考指南

治療前檢測(cè)內(nèi)容和要求主要包括：①磁共振成像儀評(píng)價(jià)包括系統(tǒng)通用性能指標(biāo)的檢查和圖像質(zhì)量控制指標(biāo)；②磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲治療系統(tǒng)EXABLATE 4000日常質(zhì)量保證（daily quality assurance,DQA）程序。參考指南主要為：①美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（National Electrical Manufactures Association，NEMA）制定的多種指標(biāo)的檢測(cè)方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]；②美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家學(xué)會(huì)（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）第1號(hào)報(bào)告[3]；③美國(guó)放射學(xué)會(huì)（ACR）的指導(dǎo)性手冊(cè)[4]；④衛(wèi)生部發(fā)布的《醫(yī)用磁共振成像設(shè)備影像質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)規(guī)范》（WS/T 263-2006）[5]；⑤美國(guó)放射學(xué)院體模測(cè)試指南[6]。

測(cè)試模體：ACR標(biāo)準(zhǔn)體模，大小為 190 mm×190 mm×148 mm的圓柱體。

1.2.1 系統(tǒng)通用性能的檢查

具體檢查項(xiàng)目為：機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、安全警報(bào)裝置、視頻/音頻監(jiān)控系統(tǒng)、脈搏血氧監(jiān)護(hù)儀、應(yīng)急系統(tǒng)、液氦壓力及水平、水冷機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等。

1.2.2 圖像質(zhì)量控制檢測(cè)

①按使用說明將ACR標(biāo)準(zhǔn)體模放置于線圈內(nèi)，使用水平儀進(jìn)行調(diào)節(jié)水平，激光燈對(duì)準(zhǔn)在體模“NOSE”處刻度線；位置清零，進(jìn)床至磁體等中心位置即可。軸位采集11層。從ACR體模的最下端45o楔形邊相交的頂點(diǎn)開始，到最上端45o楔形邊相交的頂點(diǎn)結(jié)束。

② 預(yù)掃描階段，MR系統(tǒng)通常會(huì)自動(dòng)確定中心頻率，記錄中心頻率及RF發(fā)射的衰減量或增加量。

③掃描結(jié)束，測(cè)量體模直徑，分析圖像質(zhì)量。按ACR推薦的圖像質(zhì)量控制檢測(cè)方法進(jìn)行記錄。

1.3 磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲治療系統(tǒng)EXABLATE 4000日常質(zhì)量保證程序

將換能器的快速耦合器電纜和水系統(tǒng)電纜連接到治療床上。將凝膠放置于換能器的中心點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)檢查并啟動(dòng)校準(zhǔn)程序。

（1）準(zhǔn)備程序：MR掃描儀控制臺(tái)上，預(yù)設(shè)好并執(zhí)行DQA計(jì)劃的圖像采集。運(yùn)行換能器自動(dòng)跟蹤程序，并獲取質(zhì)子共振頻率。換能器的焦點(diǎn)位置務(wù)必定位在體模的中心。

（2）繪制及計(jì)劃：在工作站上使用矢狀位圖像勾畫感興趣區(qū)。系統(tǒng)可自動(dòng)在軸位和冠狀位圖像上生成相應(yīng)位置的標(biāo)志線。設(shè)置DQA治療驗(yàn)證方案的成像序列。清晰邊緣上至少放置一個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記。

（3）驗(yàn)證及治療：驗(yàn)證階段分為位置驗(yàn)證和劑量驗(yàn)證。使用不同的參數(shù)預(yù)定義5個(gè)靶點(diǎn)，行低劑量、亞致死性能量水平超聲聚焦毀損靶點(diǎn)Sonication。使用下一個(gè)Sonication在預(yù)定義的靶點(diǎn)間進(jìn)行切換。每次Sonication后可生成實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控圖，位置驗(yàn)證分別在三個(gè)方位圖像上進(jìn)行：在矢狀位圖像上，通過對(duì)預(yù)設(shè)治療點(diǎn)和實(shí)際治療點(diǎn)的位置對(duì)比，行前后位置調(diào)整；在冠狀位圖像上，做治療點(diǎn)的上下位置的驗(yàn)證；在軸位圖像上，做治療點(diǎn)的左右位置的驗(yàn)證。如果預(yù)設(shè)點(diǎn)的位置距離靶點(diǎn)大于1.5 mm，則需要重新調(diào)整位置并重復(fù)進(jìn)行聲處理，最終與實(shí)時(shí)監(jiān)控圖一致。在位置驗(yàn)證準(zhǔn)確完成后進(jìn)行劑量驗(yàn)證，驗(yàn)證使用實(shí)際治療狀態(tài)時(shí)的能量與目標(biāo)溫度符合度，并顯示溫度變化曲線，質(zhì)子共振頻率（PRF）MR溫度計(jì)實(shí)時(shí)顯示，使用不同顏色的偽彩值代表不同溫度實(shí)時(shí)顯示到溫度監(jiān)測(cè)圖上。

2 結(jié)果

2.1 檢測(cè)結(jié)果

按ACR推薦的質(zhì)量控制檢測(cè)方法，磁共振成像儀系統(tǒng)通用性能指標(biāo)的檢查和圖像質(zhì)量控制指標(biāo)的記錄檢測(cè)內(nèi)容及數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 幾何畸變及圖像質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)測(cè)量值 Tab.1 Geometric distortion and image quality indicator measurement resluts

2.2 超聲處理結(jié)果

D Q A 系統(tǒng)校驗(yàn)流程的5 個(gè)超聲處理（Sonication）過程均順利完成：第一個(gè)超聲處理見圖1(a)設(shè)置掃描方向：Ax AP驗(yàn)證了RL方向位置準(zhǔn)確性（相位編碼方向）。圖1(b)是第一個(gè)超聲處理實(shí)時(shí)測(cè)溫結(jié)果。第二個(gè)超聲處理圖1(c)設(shè)置掃描方向：Sag AP驗(yàn)證了SI方向位置準(zhǔn)確性。圖1(d)是第二個(gè)超聲處理實(shí)時(shí)測(cè)溫結(jié)果。第三個(gè)超聲處理。圖1(e)設(shè)置掃描方向：Ax RL，驗(yàn)證了AP方向位置準(zhǔn)確性。圖1(f)是第三個(gè)超聲處理實(shí)時(shí)測(cè)溫結(jié)果。第四個(gè)超聲處理。圖1(g)：驗(yàn)證超聲換能器變焦性能，由圖可見焦點(diǎn)位置發(fā)生了變化。第五個(gè)超聲處理，如圖1(h)所示：驗(yàn)證了空化檢測(cè)安全機(jī)制，由圖可見焦點(diǎn)位置又回到了中心，且功率升高到了250 W，引起空化效應(yīng)產(chǎn)生。圖1(i)是第五個(gè)超聲處理實(shí)時(shí)測(cè)溫結(jié)果：最高溫度70 ℃，系統(tǒng)未檢測(cè)到空化事件。

5個(gè)超聲處理執(zhí)行的過程結(jié)果，如圖1所示。

圖1 5個(gè)超聲處理結(jié)果Fig.1 Five ultrasound treatment results

日常質(zhì)量保證測(cè)試程序分別驗(yàn)證了系統(tǒng)在RL、SI、AP三個(gè)方向的聚焦準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了超聲換能器的變焦性能，最后驗(yàn)證了空化檢測(cè)安全機(jī)制，所有過程均順利完成。

3 討論

磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲治療系統(tǒng)每個(gè)階段都需要MR圖像的引導(dǎo)[7]。TcMRgFUS是在MR實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位圖像引導(dǎo)下，利用超聲波穿透人體組織并使其能量聚集，使溫度瞬間升高，熱消融組織結(jié)構(gòu)達(dá)到滅活病灶的目的，同時(shí)病灶周圍及聲波路徑上的組織結(jié)構(gòu)無損，而磁共振成像的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定位為這種選擇性治療提供準(zhǔn)確的引導(dǎo)與幫助。這種治療方法包含兩項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)：特定組織敏感的超聲消融束(熱熔療法)和實(shí)時(shí)磁共振圖像及溫度[8-9]。治療特發(fā)性震顫通常采用中等頻率，生物組織在短時(shí)間內(nèi)吸收聲波，在微觀尺度上摩擦產(chǎn)熱局部組織產(chǎn)生較高熱量，導(dǎo)致蛋白質(zhì)凝固，即利用熱效應(yīng)，使熱暴露區(qū)溫度達(dá)到 56oC以上并維持 2 s即可讓組織細(xì)胞發(fā)生不可逆性壞死[10]。2016年7月美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)了TcMRgFUS難治性特發(fā)性震顫[11]，在帕金森病、強(qiáng)迫癥、重度抑郁癥和神經(jīng)痛等疾病中的臨床應(yīng)用，在歐洲部分國(guó)家也獲得了許可。MOSER等[12]評(píng)估了TcMRgFUS在功能性神經(jīng)疾病治療中的精度，治療范圍與術(shù)前規(guī)劃區(qū)之間的誤差僅為 0.7 mm。MR引導(dǎo)治療技術(shù)在臨床應(yīng)用越來越廣泛，保證主磁場(chǎng)系統(tǒng)和射頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性極為關(guān)鍵。MRI脈沖序列的設(shè)計(jì)和編輯，參數(shù)調(diào)整復(fù)雜，并與圖像質(zhì)量密切相關(guān)[13]。本研究對(duì)磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲治療前對(duì)磁共振系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量控制檢測(cè)，應(yīng)用ACR標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試磁共振掃描系統(tǒng)的基本性能。

目前AAPM及ACR等相關(guān)報(bào)告僅給出了磁共振系統(tǒng)檢查使用每日質(zhì)量控制檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，沒有給出磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲每次治療前磁共振系統(tǒng)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。為保證磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲治療的準(zhǔn)確性及安全性，每次治療前按ACR標(biāo)準(zhǔn)序列對(duì)每日質(zhì)量控制檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，并全面分析其可行性。通過系統(tǒng)測(cè)試并進(jìn)行記錄，可作為日后日常質(zhì)量保證的參考依據(jù)。每次開機(jī)后掃描固定序列可監(jiān)測(cè)中心頻率，發(fā)射增益和接收增益。中心頻率的變化反應(yīng)靜磁場(chǎng)的穩(wěn)定性，發(fā)射增益、接收增益與線圈的穩(wěn)定性相關(guān)。引起圖像幾何畸變的原因較復(fù)雜，包括靜磁場(chǎng)的不均勻性、梯度非線性、場(chǎng)切換的渦流效應(yīng)、脈沖序列類型和圖像參數(shù)等，通過參數(shù)設(shè)置對(duì)形變校準(zhǔn)[14]。本研究使用的ACR認(rèn)證的體模，其內(nèi)置多種掃描插件，可完成圖像質(zhì)量指標(biāo)的綜合測(cè)試。未來需開發(fā)專用的測(cè)試模體，以全面測(cè)試功能和定量指標(biāo)的精度。磁共振引導(dǎo)經(jīng)顱聚焦超聲治療系統(tǒng)對(duì)磁共振系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)基本要求為：信噪比≥190；圖像的均勻性≥75%；具有測(cè)量溫度系統(tǒng)，治療同時(shí)可以測(cè)量溫度，并顯示溫度變化曲線；換能器自動(dòng)跟蹤程序高對(duì)比度空間分辨率≤1.2 mm；定位精度：目標(biāo)標(biāo)記與實(shí)際焦點(diǎn)的偏差應(yīng)不大于3 mm；測(cè)溫精度要求：質(zhì)子共振頻率（PRF）測(cè)溫要求與獨(dú)立的溫度電熱偶的偏差不高于5oC 。

為保證每次治療的準(zhǔn)確性和安全性，亟待制定每次治療前進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)和質(zhì)量控制的相關(guān)制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：①使用標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)體模；②使用標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)程序和分析方法；③制定標(biāo)準(zhǔn)的臨床質(zhì)量控制流程，并規(guī)范制定相應(yīng)的技術(shù)質(zhì)量控制方案，最終建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)防性維護(hù)和質(zhì)量控制流程；④定期規(guī)范化培訓(xùn)從事質(zhì)量控制工作的人員。