CT-MRI同体位放疗模拟定位装置的研制

CT-MRI同体位放疗模拟定位装置的研制

钟青松,刘炜焜,陈嘉伟,张俊德

南方医科大学珠江医院 放疗科,广东 广州 510282

[摘 要] 目的 为了提高CT模拟定位图像与常规MRI扫描图像配准的精确度,使放疗靶区勾画的精确度提高,研制一套CT-MRI同体位放疗模拟定位装置。方法 测量CT模拟定位固定装置的规格大小和MRI扫描机的床面大小、孔径大小等相关数据,根据测量数据选用凯夫拉、ABS塑料、尼龙螺丝材料设计并制造出CT-MRI同体位放疗模拟定位装置,包括MRI模拟定位体架、凹面床的平板适配床板和MRI体部扫描线圈拱形支撑架,分别用CT模拟定位固定装置、CT-MRI同体位放疗模拟定位装置对患者进行CT模拟定位和MRI模拟定位扫描,观察两组图像的配准融合效果。结果 利用该装置安全、顺利完成MRI模拟定位扫描,经10例临床试验,CT-MRI同体位放疗模拟定位均能得到较好的图像配准融合效果。体位头部DICE:0.988,HD:3.340 mm;非同位头部DIC:0.947,HD:6.445 mm。同体位颈部DICE:0.847,HD:3.803 mm;非同体位颈部DICE:0.829,HD:4.679 mm。结论 此CT-MRI同体位放疗模拟定位装置,能有效提高图像配准精确度,提高靶区勾画精确度,满足临床放疗要求。

[关键词] 精确放疗;图像融合;靶区勾画;同体位放疗定位装置

引言

放射治疗是癌症治疗的三大手段之一[1-2]。随着科技水平的不断提高,放射治疗已从传统的二维常规放疗发展到现在的三维数字化精确放疗,精确放射治疗技术的实施是以精确的靶区勾画为基础,为了提高靶区勾画的精确度,近年来CT、MRI图像配准融合技术在放射治疗定位中得到较为广泛的应用[3-8],其利用CT图像的空间分辨率高、电子-物理密度线性对应、可用于剂量计算,结合MRI图像的软组织分辨率高等特点,在融合之后的图像上,能清晰地显示出肿瘤靶区位置及范围大小,利于靶区勾画,CT、MRI图像配准融合技术提高靶区勾画的精确度也已得到证实[9-12]。然而由于常规MRI孔径比CT孔径小,MRI扫描床是凹形的,且机房有高磁场,对放疗定位固定装置的要求较高[13],加上MRI扫描所需线圈(特别是头部)的安装与CT模拟定位固定装置(包括定位体架、塑料头枕和热塑膜)互不兼容,导致无法使用CT模拟定位的固定装置来进行常规MRI扫描,而CT模拟定位的体位和常规MRI扫描的体位不一致,会严重影响CT、MRI图像配准的精确度,因此无法有效地提高放疗靶区勾画的精确度。针对这个问题,大孔径MRI模拟定位机应运而生,但是大孔径MRI模拟定位机价格昂贵(需要3000万元人民币),国内只有几家知名度很高的大型肿瘤专科医院已购买该设备,应用普及度小。截至目前,国内放疗单位普遍还是采用CT模拟定位结合常规MRI扫描的方法,融合CT定位图像与常规MRI扫描图像来进行靶区勾画[14]。为解决因体位的不同而造成CT模拟定位图像与常规MRI扫描图像配准出现的较大偏差问题,提高放疗靶区勾画精确度,研究并制作一套CT-MRI同体位放疗模拟定位装置,具有一定的临床意义。

1 设计要求

根据CT模拟定位和MRI扫描的工作流程及原理,综合考虑两者的安全性和兼容性,研究设计的CT-MRI同体位放疗定位装置必须满足以下要求:① 能与CT模拟定位固定装置实现一致的体位固定;② 能搭配MRI扫描所需的线圈顺利进入MRI扫描孔洞;③ 制作材料不影响MRI成像质量;④ 制作材质需坚硬、耐压、抗冲击和不受磁场作用。

2 设计

2.1 数据测量

测量得到GE公司的Discovery CT590孔径大小为直径80 cm,平面床长217.5 cm,宽53 cm;飞利浦公司的Ingenia 3.0TMR孔径大小为直径70 cm,凹面床长213 cm,宽65 cm;体部线圈规格长70 cm,宽55 cm,高6 cm;目前所使用的科莱瑞迪公司的CT模拟定位体架,型号:R609-VFCF/SFCF,长125 cm,宽61 cm,厚度2.5 cm。

2.2 选用材料

本设计选用凯夫拉[15]、ABS塑料、尼龙螺丝三种材料作为制造该装置的首选材料,各自特性如下:① 凯夫拉,化学名称为聚对苯二甲酰对苯二胺,密度低、强度高、韧性好、耐高温,其强度为同等质量钢铁的5倍,但密度仅为钢铁的五分之一;② ABS塑料,化学名称为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,耐化学腐蚀、耐热,并具有一定的表面硬度,具有高弹性和韧性,原料易得、综合性能良好、价格便宜;③ 尼龙螺丝有着绝缘、无磁、耐腐蚀、美观、永不生锈等优质特性。经测试,上述三种材料均可安全地进行MRI扫描,且不影响MRI成像质量。

2.3 结构设计

CT-MRI同体位放疗模拟定位装置主要包括三部分:MRI模拟定位体架、凹面床的平板适配床板和MRI体部扫描线圈拱形支撑架(由于MRI头部扫描线圈太小,无法搭配热塑膜甚至枕头和定位体架一起使用,所以选用体部线圈进行设计),见图1。

根据上述测量数据分析,设计成品规格分三类:① 定位体架:长125 cm,宽61 cm,厚度2.5 cm(与CT模拟定位体架一样);② 适配床板:长213 cm,宽53 cm,厚度2.5 cm;③ 线圈拱形支撑架:长60 cm,宽31.5 cm,最高点43 cm。

图1 CT-MRI同体位放疗模拟定位装置

2.3.1 MRI模拟定位体架

由于CT模拟定位体架的材料碳纤维,在MRI扫描的过程中会出现发热问题,容易引起患者的恐慌甚至造成生命危险,而选用凯夫拉材料制作MRI模拟定位体架能避免此类医疗事故的发生。此MRI模拟定位体架的形状、尺寸、体架上的孔洞位置及大小与CT模拟定位体架完全一致,以实现同体位固定,见图2。

图2 MRI模拟定位体架

2.3.2 MRI适配床板

CT床面是平面,而MRI床面是凹形且左右两侧边缘分别有凹形槽,这容易造成CT、MRI两种图像的体位不一致,通过选用ABS塑料制作一个MRI适配床板安装在MRI床上使凹形床面变成平面,以实现体位一致。适配床板正面左右两侧边缘配备四对螺丝孔,反面配备四个卡槽长6.4 cm,宽1.4 cm,深1 cm,四对对应大小的尼龙螺丝和四个尼龙卡销,结构、位置和形状如图3~4所示。MRI定位时,将卡销卡进MRI适配床板反面的卡槽和MRI床面边的凹形槽内,然后用八个尼龙螺丝固定。

图3 MRI适配床板

图4 尼龙卡销和尼龙螺丝

2.3.3 MRI线圈拱形支撑架

根据MRI床面宽度尺寸和MRI孔径大小,选用ABS塑料设计出MRI线圈拱形支撑架和放置MRI体部线圈的可升降托架,拱形的设计和可升降的托架有利于节省空间,避免因空间狭小导致体部线圈压迫患者,结构如图5所示。

2.4 实验方法

(1)用热塑面膜将患者以舒适的体位(仰卧位)固定在CT扫描机床板上进行CT模拟定位扫描,获取CT定位图像传到Monaco5.1放射治疗计划系统。

(2)MRI模拟定位时,先把将卡销卡进MRI适配床板反面的卡槽,正面拧上尼龙螺丝,再将安装好卡销的MRI适配床板放置在MRI凹形床面上,卡销卡进MRI床面两边的凹形槽内,固定床板,防止滑动。

图5 MRI线圈拱形支撑架

(3)在安装好的适配床板上面放置MRI模拟定位体架,挪动体架使体架中线与适配床板中线位置一致,安装上定位所需的塑料头枕。

(4)让患者按照CT模拟定位时的体位,躺在MRI定位体架上,扣上热塑膜。

(5)在患者所需扫描的部位上方放置MRI线圈拱形支撑架,再将MRI体部线圈放置在可升降线圈托架上,调整好线圈离患者身体的合适距离,避免压迫,同时保证MRI成像质量,进行MRI模拟定位,获取MRI定位图像传到Monaco5.1放射治疗计划系统。

(6)将两种机器扫描得到的同体位图像在Monaco5.1放射治疗计划系统里使用系统自带的图像融合功能进行图像配准融合,融合图像质量由2名放射科和2名放疗科有经验的高年资医师组成的团队进行评价,并结合DICE系数和豪斯多夫距离对图像融合效果进行评估。

图6 CT-MRI同体位模拟定位装置使用示意图

3 实验结果

使用此CT-MRI同体位放疗模拟定位装置进行了10例临床MRI模拟定位试验,获取的MRI图像清晰,图像质量未受装置影响,与CT模拟定位图像的配准融合效果良好,对比观察CT模拟定位图像和融合后的图像,融合后的图像能清晰地显示出肿瘤靶区的位置和大小,而在CT模拟定位图像上相同的地方是十分模糊的,见图7~8。此外,再将使用此CT-MRI同体位放疗模拟定位装置定位的CT-MRI融合后的图像与常规MRI模拟定位的CT-MRI融合后的图像进行比较,能明显地观察到颈部的配准出现较大的位置偏差,见图9;并且分别运用了重叠率(DICE)和豪斯多夫距离(HD)算法来评价配准的精确度,得到同体位头部的DICE数据结果为0.988,HD数据结果为3.340 mm,非同位头部的DICE数据结果为0.947,HD数据结果为6.445 mm;同体位颈部的DICE数据结果为0.847,HD数据结果为3.803 mm,非同体位颈部的DICE数据结果为0.829,HD数据结果为4.679 mm。结果显示使用此CT-MRI同体位定位装置能有效地提高CT-MRI模拟定位图像的配准精度。

图7 横断位定位图像

注:a. CT;b. MRI。

图8 CT-MRI同体位融合后的横断位图像

图9 MRI模拟定位下CT-MRI融合后的矢状位图像

注:a. 同体位MRI;b. 常规MRI。

4 讨论

关于设计CT-MRI同体位定位装置的文献很少,杨熙[16]的研究结果表明,应用头枕及设置标记的方法扫描得到的图像近似匹配度高,确立了摆位一致的重要性,体位一致扫描得到的CT与MR图像更具融合意义,但是此种方法,由于没有热塑膜的固定,患者在扫描过程中的活动可能性较大,容易影响图像质量;而杨述根等[17]利用MR机与CT机以及自制的热塑网自动成型器融合定位装置,研究得出MR与恰当的热塑网融合模拟定位提高了放疗定位的精确度,其使用的方法是在MRI模拟定位时,再制作一个与CT模拟定位体位一样的热塑网,虽然这在一定程度上保持了体位,但是会影响到摆位的重复性。

本文通过选用凯夫拉、ABS塑料、尼龙螺丝材料,以Discovery CT590和Ingenia 3.0TMR为设备基础,设计的CT-MRI同体位放疗模拟定位装置,结合CT模拟定位头枕和热塑膜进行MRI模拟定位,能最大程度地避免体位不一致带来的干扰,提高CT、MRI图像融合配准精度,提高靶区勾画精度。

虽然得到了较好的研究结果,但是目前此研究主要应用在头颈部肿瘤的放疗定位,还需对胸部、腹部等其他部位的放疗定位进行充分的研究,同时在研究过程中也发现了一些可以改善的地方和需要解决的问题:① 激光灯定位系统无法在MRI模拟定位中使用;② 空间有限,体型肥胖的患者使用此装置困难。因此还需进一步完善CT-MRI同体位放疗模拟定位装置的设计与使用。

5 结论

CT/MRI同体位放疗定位固定装置的研制,解决了CT模拟定位和常规MRI模拟定位图像体位一致性的问题,能有效提高CT、MRI图像的配准精度,提高图像融合效果,得到准确的定位信息,更为精确地显示出靶区的位置、形状和大小,提高了靶区勾画精度,实现精准放疗,提高肿瘤控制率,使患者得到更好的治疗效果和生活质量。同时能充分发挥现有的医疗成像设备的价值,节省不必要的耗材与资金,用最低的成本实现与大孔径MRI模拟定位机同样的功效,创造更高的社会效益和经济效益,这种新技术操作简单易行,耗时短,只要有磁共振设备的医院就可以开展,值得推广。

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Development of CT-MRI Orthotopic Radiotherapy Positioning Device

ZHONG Qingsong,LIU Weikun,CHEN Jiawei,ZHANG Junde
Department of Radiotherapy, Zhujiang Hospital of Southern Medical University, Guangzhou Guangdong 510282, China

Abstract: Objective In order to improve the accuracy of registration between CT simulated positioning image and conventional MRI scanning image, and improve the accuracy of delineation of radiotherapy target area, a set of CT-MRI simulative positioning device for radiotherapy in the same body position was developed. Methods Design the device by measuring the relevant data which include the specification of CT simulation positioning fixture, bed surface size and aperture size of MRI scanner. Based on the measurement data, Kevlar, ABS plastic, and nylon screws were selected to manufacture CT-MRI orthotopic radiotherapy positioning device, which consists of a body MRI simulation positioning frame, a flat bed adapting bed plate for a concave bed, and an arch support frame of MRI body scanning coil. In the end, CT simulated positioning fixture and CT-MRI orthotopic radiotherapy positioning device were used to perform CT simulated positioning and MRI simulated positioning for patients respectively, to observe the registration and fusion eff ect of CT and MRI images. Results The CT-MRI orthotopic radiotherapy positioning device achieved the MRI simulation positioning scan successfully and safely. And the device can obtain better image registration and fusion results after 10 clinical trials.DICE: 0.988, HD: 3.340 mm; Non-isotopic head DIC: 0.947, HD: 6.445 mm. DICE in neck with the same body position: 0.847, HD:3.803 mm; DICE in neck with non-consomatic position: 0.829, HD: 4.679 mm. Conclusion The CT-MRI orthotopic radiotherapy positioning device satisfy clinical radiotherapy requirements, which can improve the precision of image registration eff ectively and improve the accuracy of the target delineation significantly.

Key words: precise radiotherapy; image fusion; target delineation; positioning device of same body position in radiotherapy

收稿日期:2020-02-28

作者邮箱:2986225316@qq.com

[中图分类号]R815

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2021.01.010

[文章编号]1674-1633(2021)01-0053-04

本文编辑 崔丽君