肿瘤放射
放疗体位固定装置材料对MR模拟定位影像的影响
发布时间:2021-04-30

精确放疗是目前放射治疗的发展趋势,而提供优质的医学影像是保证精确放疗的基础。现有的外照射治疗程序通常是在计算机断层扫描(CT)影像下,获取肿瘤解剖位置以及电子密度的信息,来进行靶区和危及器官(OARs)的勾画。


随着磁共振成像(MRI)系统的出现,越来越多的医院机构使用MR来模拟定位。由于MR是基于氢质子密度成像,能够提供更清晰的影像,可以有效分辨出肿瘤的边界和正常组织的最佳边界,对比CT影像,MR具有更加良好的软组织分辨率。


另外,MR采用射频电磁波来激发氢质子拉莫尔进动频率,对人体正常组织无任何电离辐射作用。再有,MR还能提供功能影像进行定量或半定量分析评估。因此,对比CT模拟定位来说,MR模拟定位有很多突出的临床应用优势,近年在肿瘤放射治疗中得到快速普及。


前列腺癌,放疗

图1


由于MR设备昂贵,目前专用MR模拟定位机还局限于区域肿瘤医院或大型三甲医院方可以配置,更多的放疗中心仅能通过改造诊断MR来实现放疗模拟定位,但是,不同于诊断用的MR影像,放疗模拟定位影像需要一些特殊要求:


01 MR模拟定位影像的精度要求

与普通诊断类磁共振不同的是,MR模拟定位更加注重影像精度,影像失真、伪影等都会影响到放疗计划的设计精度。美国放射协会(ACR)发布的MR质控手册里就包含了对MR影像的几何精度、伪影等方面的质控要求,在使用MR模拟定位时,这种要求会更加严格。


因为,物理师是参考这个影像去做放疗计划的,影像精度都不够,存在误差和偏差,最终将会影响到放射治疗的效果。因此在应用MR模拟定位时,扫描体位不仅要求与CT模拟定位相同,还需要选择合适的线圈、扫描序列及MR兼容的体位固定方案进行扫描,确保对MR影像的精度不会造成影响。


我们知道,在CT模拟定位中最常用的体位固定架是碳纤维材料,这是由于碳纤维复合材料具有密度低和良好的射线穿透率特性,能减少体位固定架对CT影像的影响,可降低束流照射误差。


但是,这些CT模拟定位用到的碳纤维床板、固定架不能在MR模拟定位里使用,原因是碳纤维材料具有导电性,能够反射、吸收电磁波,使碳纤维固定架会产生比较强的电磁屏蔽效应,当碳纤维固定架置于MR的磁场中,射频信号透过碳纤维时的传递能量会因屏蔽效应而逐渐衰减,从而造成如(图2)这种阴影失真的现象,称为射频阴影。


放射治疗,肿瘤放射

图2 


因此,在设计MR模拟定位的床板或者体位固定方案时,需要考虑能够兼容MR的材料。


02 基于材料磁化特性的MR兼容性要求


磁化率这一概念对MR兼容材料的选择和产品开发至关重要。所谓磁化率,是表征磁介质属性的物理量,等于磁化强度M与磁场强度H之比,即χ=M/H(χ:体积磁化率;M:磁化强度,指的是材料单位体积中原子磁矩的矢量和;H:外加磁场强度)公式来定义。


定义磁化率的意义在于我们可依据物质的磁化率特性,把我们身边的物质大致区分为抗磁性、顺磁性、铁磁性物质,这种物质特性是自身原子内部微观磁矩所决定的,原子核、电子自旋会产生磁矩,由于抗磁性物质核外电子已经配对,对外部磁场几乎无影响,像铜、工程塑料等会表现出抗磁性的特性;


顺磁性物质的核外存在没有配对电子,会增加外磁场效应,像常见的像铝、钛合金等会表现出顺磁性;而铁磁性的物质会明显改变外磁场的磁场通量。通过了解上述磁化率概念,有关MR兼容性,我们可以从两个方面来讨论。


磁共振,MR


图3 不同磁化特性的表现


首先是安全性要求,即任何设备在磁共振环境下不会引起安全风险,不会引起磁力和扭矩的变化。这是因为磁共振成像会使用到非常大的静磁场,如果是有铁磁性的东西带进去就会吸进去造成安全风险,因此FDA针对MR相关套件设备的磁共振安全性发布了标识,表示能不能在MR环境下安全使用。


放疗治疗,治疗案例

图4


MR RT,MR固定方案


图5


另外就是MR影像质量的要求,由于不同的磁化特性,在磁共振环境下会表现对磁场不同的影响。如铁磁性的物质在磁共振环境静磁场B0的影响下,会磁化感生附加磁场,从而改变主磁场和梯度磁场的均匀度,导致各个相位编码位置的改变,造成如图7一样MR影像的伪影和变形。


MR RT,MR固定方案

图6 垂直于y轴磁场切面不平整,成薯片形状


MR RT,MR固定方案

图7 插了金属片橘子的CT图(左)和MR扫描影像(右) 


03 MR模拟定位中附加装置的选择要求


在MR模拟定位中使用到的附加装置和设施(扫描床板、线圈支架、体位固定架、定位膜、真空袋等),需要关注这些装置和设施对核磁兼容材料的选择。


参考美国ASTM材料协会以及美国ACR协会的指南资料,可以在磁共振环境应用的核磁兼容性材料包括顺磁性和抗磁性的物质,一方面出于安全性考虑,即保证在MR磁场的影响下,不会形成力矩吸过去造成安全事故。另一方面,则需要考虑装置对MR图像质量的影响,保证MR图像的清晰度、几何精度和均匀度等。


另外参考部分文献,在MRI成像区域内,选用的材料最好是抗磁性,还需和水或者人体组织的磁化率(-9.032×10-6)相近,保证MR的影像质量不会发生实质性的退化。如(图8)所示就是MR兼容的磁化率范围,物质磁化率在此范围内都能够很好地为MR影像高质量获取提供保障。


MR RT,MR固定方案,C磁化

图8 核磁兼容的磁化率范围


04 MR模拟定位中附加装置的验证和评判


对应用到MR模拟定位的附加装置(扫描床板、线圈支架、体位固定架、定位膜、真空袋等),设计定型前通常都需要通过最终的磁共振成像来进行测试和验证,避免降低MR的影像质量,如前所述,目前我们主要以AAPM报告、ACR指南提供的标准来制定测试和验证方案,目的在于对最终定型成品做以下评估:


1) 评判制作扫描床板、固定架等装置用料的磁化率,这些装置所选材料是否能够避免影响到磁共振的梯度磁场或者射频磁场,不改变MR成像的信噪比(SNR);


2) 评判改造的扫描平板床、线圈固定支架、体位固定方案等附件装置与MR设备组合成模拟定位系统后的兼容性,测试能否让线圈紧靠患者扫描部位,能否保证MR射频线圈获得良好的信噪比,能否保证与CT模拟定位相同固定的精度等。


综上,我们通过严谨的材料基础特性研究,为产品设计提供材料选择依据,产品设计完成后对MR模拟定位附加装置成品进行系统性验证,作为产品设计定型的判定依据,这样方能保证这些装置在MR模拟定位应用中的安全性,方能满足放疗计划设计的高精度影像要求,实现精确定位、精确计划、精确治疗的最终目标。


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