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1、IGRT，影像引导放疗，除了 CBCT + Linac 和MVCT + Linac 这两种常见的配置之外， MRI + Linac 这种结构配置也早已在研发之中。在这里，我们把 MRI + Linac 称为 MRIgRTMRIgRT。因为 MRI 对软组织结构的成像分辨率比 XCT 高得多，使得放疗中对组织结构的识别更直观和简便，临床对MRIgRT 寄予了厚望。目前主要有四个机构在开展MRIgRT的研发工作：一个是美国ViewRay公司；一个是加拿大University of Alberta 的 Cross Cancer Institute（CCI），另一个是在荷兰的University Me
2、dical Centre Utrecht，另一个是悉尼大学的Keall MRIgRT方案。采用 Co60 投照系统。从目前可寻的资料显示，该系统似乎并未实现真正的在线式跟踪放疗功能，也未采用 IMAT 投照方式。CCI 的 MRIgRT 项目是先从低场 0.2T 头部治疗系统开始的。CCI 正在计划下一步的全身MRIgRT 系统研发工作。CCI 的 MRIgRT 系统的结构特点在于 Linac + 永磁体。在成像质量上可能与 1.5T 高场 MRI 有差距。荷兰 University Medical Centre 从 2000年开始研究 MRIgRT 系统。由于有 Elekta 和Philip
3、s Medical 这样的大公司的直接参与和联盟，Utrecht 的项目一开始就起点较高，直接从基于Philips Achieva 1.5T 全身 MRI 系统+ ElektaCompact 6 MeV Linac 起步。项目组已经基本完成系统原理设计、论证和研究工作，计划在 2008年底之前，完成原型机系统的构建，开始临床测试。1.高对比度，软组织成像明显高于CT；2.分子生物学和组织学诊断的提高；3.心脏、大血管形态和功能诊断的提高；4.无骨伪影；5.任意方位断层；6.无损检查。另外，由于MRI具有的纯电磁扫描特征，借助于强大的计算机实时处理能力，MRI 的实时运动成像为Intrafrac
4、tion 的跟踪放疗提供了基本手段。Utrecht 研究组综合了 Beaumont 和 PMH 对前列腺癌的 MRI 实时成像运动跟踪研究中发现，靠近直肠的 4 号观察位，即使在直肠清空的情况下，经过 5 分钟的时间，4 号位发生偏移量大于 3 mm。见下图所示。前列腺癌 MRI 实时跟踪研究。4 号位（中后位）在 5 分钟内位移超过 3 mm（实线：直肠充盈状态；虚线：直肠清空状态）然而，要把 1.5T 的 MRI 和 Linac 集成在一起并正常工作，确非易事。需要研究和解决下面三个系统集成的主要问题：1.MRI 的高场强磁场不能对 Linac （主要是电子枪和加速管）产生磁耦合作用；2.
5、Linac 发射的束流对 MRI 磁体的穿透性，应不受MRI 结构的影响；3.在 1.5T 磁场中的射线剂量分布特性，应不受 MRI 的影响。图示：Linac 所在位置的实测场强为 0）次生电子在洛伦兹力的作用下发生偏转，在体模-空气边界处回转再射入体模，导致在体模-空气边界处的剂量增高。研究小组研究了在 1.5T 场强下不同能量的射线发生 ERE 效应的回转半径，见下图。phantom体内放射模拟器：在放射学，指一种模拟放射线或者放射物质在体内沉积时所发生的情况，并能定量测量其效应的装置。图示： 1.1T 实验环境下，在带有空腔的体模中夹胶片测量 ERE 效应图示：体模-空气边界的 ERE
6、效应，引起局部剂量增高由 ERE 效应引起的体模（组织）-空气边界的局部剂量增高，是 MRIgRT 中一个非常重要的问题，这将影响到 射线在皮肤出口处的剂量会增高 体内空气腔（例如口鼻腔、气管、肺、直肠等）部位的剂量会增高。研究组发现，可以增加一个对侧野或者旋转照射来补偿ERE 效应引起的局部剂量增高的问题。增加一个对侧野，来补偿 ERE 效应引起的局部剂量增高的问题利用旋转照射的方法也能够起到补偿 ERE 的作用，含圆柱形空腔的体模，在互为对称的 4 个照射野时的剂量分布测试1.MRI 在线式的成像质量优异；2.由 MRI 的低温槽壁及线圈组件引起的射线散射，相当于常规楔形板的作用，在 TP
7、S 的优化设计中可以避免；3.ERE 电子回转效应引起的局部剂量增加的现象，必须给予解决；可通过改进投照模式，例如 IMRT、旋转投照等，得到改善；4.MR 成像的几何误差问题，目前用来纠正 B0 场与梯度场的几何误差的补偿校正算法能够保持 12mm 的精度。通过进一步的改进，研究组希望把校正精度提高到亚毫米级，使 MR 成像能够正确地引导射线投照。类似加拿大 Alberta University CCI 的总体结构方案，经过适当改进和增强，增加自己研发的新技术、新功能，而形成具有自己特色的 MRIgRT 设备。当加速器治疗束平行于主磁场 B0 方向，称为方向，如上面左图所示；当加速器治疗束垂
8、直于主磁场 B0 方向，称为方向，如上面右图所示。从上述各种性能的对比中可以非常容易地看出，选择 In-line 平行结构构建未来的 MRIgRT 设备，对于减低设备构造复杂性、降低建造成本、减少应用的复杂性等等方面，都是有利的；也有利于在未来激烈的商业竞争中，保持竞争力。若从结构完整性上来说，未来这款MRIgRT 设备完全可以分为三种型号：第一种型号即为 In-line 平行结构；第二种型号可以是 In-line 平行和 Perpendicular 垂直的共享结构；第三种型号将是专门适配质子放疗系统的。从美国 Stanford University 所发表的有关研究论文和申请的专利中都可看出
9、，作为项目开发者之一，Stanford 方面已经放弃针对结构 MRIgRT 的研究，全部都是只针对 结构的研究。因此现在可以明确的是，KeallMRIgRT 的结构最终只会有这唯一种结构存在。上图示意，病人在设备结构中有两种选择，一是，病人平躺而旋转磁体和同步旋转束流；另一种选择，固定磁体和束流而旋转病人。这两种旋转方式都符合原理要求。明显地，如果创造一个能适应病人旋转的固定系统，而令沉重的磁体和束流系统固定不动，那么又向实用性前进了一大步。好在，可借鉴国际上有关机构已先行发明的“病人固定旋转系统”，见下图示。与诊断 MRI 设备一样，主磁场强度大小与图像信噪比有关。磁场场强越高，图像信噪比越
10、高，图像分辨力越清晰。研发小组参考了目前市场上常见的各种场强的 MRI 的图像质量，结合已确定的分体式磁体结构的要求，最终认为，选择 1T 场强的分体磁体，既体现了成本优势，也能获得足够清晰的图像质量。1.MRI 主磁场 B0 的方向，与 Linac 束流方向 平行；2.设备的 MRI 和 Linac 主体结构固定不动，病人固定在可旋转的治疗床上；3.MRI 磁体是分体式、超导型 1T 场强。上图是 Keall 团队挑选的 Agilent MRI 的磁体结构示意图。其技术指标要求很低：双体 1T主动屏蔽：沿主磁场 B0 方向低干扰50cm 间距空隙 82cm 孔径磁体磁场均匀度 5ppm 30
11、cm DSV/0.5ppm 20cm DSVSydney University MRIgRTKeall MRIgRT 研发项目中的两个设备主体MRI 和Linac均来自于 Varian 或 Varian 的技术，可以毫不犹豫地认为，Keall MRIgRT 项目实际上就是 Varian 的 MRIgRT项目。但是有意的避开了EPID问题。Keall MRIgRT 项目中的 平行 In-line，这一学术性选择，的确给人印象深刻！1.由于 TPS 的计算基础是 CT 密度值，在 MRIgRT 系统中怎样获得 CT 图像？还是利用 Tomotherapy MVCT 模式在 Linac 切换到较低能
12、量输出时，进行ConeBeam MVCT 成像？并且这个 MVCT 图像将与一系列的 MR 图像进行基于骨性标记的配准？2.在 Intrafraction 运动跟踪过程中，需使用 Adaptive RT 循变放疗新技术。在ART 的 on-line 监视过程中，MRI 与 CT 图像需进行一系列的配准运算以及TPS 的校正，不可避免地将引入系统误差。需要进一步研究这个系统误差在多大的范围里。3.MRIgRT 系统的 RT 投照模式必是 IMAT 无疑。4.由于系统结构引起的射线剂量分布特征，可在 Monte Carlo 算法下获得最优化的精度。但运算消耗是多少？与目前商用 TPS 的计算精度的
13、比较？5.MRIgRT 的重要意义在于，基于而发展了 Tomotherapy 的原理，除了在Interfraction 校正功能之外，在动态的 Intrafraction 运动监视跟踪投照方面，将比 Tomotherapy 更进一步。6.随着 fMRI （功能性 MRI）在肿瘤诊断上的快速发展，在高场强（3T）环境下可实现更精确的微观级的肿瘤定位。Utrecht 的项目在进行开发时，已经为未来的 3T MRI 做好了准备。可以乐观地预计，MRIgRT 将为放疗带来十分美好的未来。7.毫无疑问， MRIgRT 系统在完成商业化工程后，市场价格将是创记录的。估计至少在 400500 万美元左右。谢谢大家
