MRI引导的介入放射学 2008-03-21 14:38 介入

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MRI引导的介入放射学　  2008-03-21 14:38
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介入放射和微创治疗在相当程度上，得益于高科技设备、电子学和计算机的进步，并促使新概念、新术语形成，诸如：影像引导下的观测、治疗、计算机辅助、微创治疗等。这些有潜力的新方法，可使影像设备进入外科并用计算机改进或完善外科医师的能力以进行各项操作，如：监控定位和定向，制定治疗计划，提供最佳进入路径，在一定程度上降低了外科治疗所造成的损伤。放射学家的任务是灵活地运用影像方式，如：ＣＴ、超声和MRI去提供一个完整的解剖境界，以帮助介入放射学家、内窥镜学家或外科医师显示手术过程中的图象。根据各种影像装备的不同作用，可显示躯体的三维结构、勾划解剖和实时动态监控，MRI便是这潜在的一个实时观察设备，目前任何一种MRI机都能提供最佳组织特性，如：体温变化的灵敏度（利于热量的介入成像）和流动的敏感度（适用于脉管介入）。 MRI可作多平面和容积分析，能收集均质样本资料。
     介入性MRI必有具备：１、实时或接近实时影像显示。２、立体成像。３、交互式显示和立体影像数据的处理。４、在手术区内导向自主。５、结合影像进行治疗。如果完成了这些成像要求，MRI导向使介入或外科操作变得容易。最重要的需求不在于成像的本身，而是在结合影像系统进行治疗和手术部分。组织活检和微创介入的靶区定位需要影像导向，MRI必需用于这一过程的每一步骤，为活检发现靶点、引导和定位并监控微创的组织消融。

介入性MRI

     大家都知道，常规MRI系统的超导磁体的圆柱形结构阻碍了医生与病人的直接接触，克服这个问题最简单的方法是为作影像检查的病人采用开放性磁体，从而使医生能完全接触到病人。当前，已经研发了开放性结构，采用垂直裂隙结构很适合于介入操作，允许医师充分接触到手术显示的病人的解剖部位。在磁体系统的二个 “环形”静止磁体之间，外科医师可站着或坐着完成各种操作。病人在磁体内也可以取立、坐或卧位，平行或垂直于孔径的长轴（如图所示）。
     在传统的MRI中，病人不仅要被磁体梯度线圈所包围着，而且还要被头或躯体射频（ＲＦ）线圈所包围。而对于开放的磁体没有固定形状的体或头射频（ＲＦ）线圈，它带有一套射频线圈装置，每一线圈都是为某一特定部位特别设计的。这些射频（ＲＦ）线圈柔软、可塑，可以为某一解剖部位调整形状。它可以消毒并插入手术单内，使之达到全部影像容积。为各个特定的解剖器官设计最佳线圈能明显提高影像质量，因此，为介入性MRI设计的线圈具有重要的意义。
     因为MRI导向可为内窥镜、腹腔镜或开放性外科操作提供参考，所以介入磁共振室必需象手术室一样装备。由于大多数予约的手术都是微损治疗，这套装备更类似于一个门诊手术室。另外计算机设备、显像装置和综合性治疗系统致使介入性MRI设备成为一个独特的工作环境，即，介入性MRI装置必须由一个手术室、一套介入放射设备和MRI设备组合而成。
     介入性MRI系统应有与常规ＭＲ机同样的成像特性（静止磁场的均匀度、梯度强度和线性），图像质量必须比得上同样场强的、诊断用的磁共振机（分辨率、信噪比）。其开放性外貌，特殊的梯度线圈和可塑的射频（ＲＦ）线圈应有保证图像诊断质量的能力。然而覆盖较广的解剖器官，如：作腹部成像时，此柔软的射频（ＲＦ）线圈不能提供均一的信号强度，且在没有体线圈围绕时，不能获取整个腹部的横断层面。如果此装备主要用途是介入而不是诊断，那么这些特性就不能认为是缺点。MRI介入操作应在一个先作整个解剖体积诊断检查之后，在组织活检或其它介入的过程中，成像应该限制在边界清楚的靶区内。把可塑射频（ＲＦ）线圈放到靶区的最佳位置或其中一部分，能为介入操作提供高分辨率的路径图像。
     开放性磁体的特点是有获取骨骼肌功能性影像的潜在能力，这一独特的功能可能会改善各种关节疾病的临床诊断。最重要的诊断用途可能是腰骶椎神经的影像，传统神经影像是采用仰卧位，此时椎间盘没有承受患者体重的负荷，在负荷的条件所获取的影像在评价下背部疼痛上可较好地改善MRI潜在的诊断能力。介入性MRI的主要目的是为外科和介入操作提供影像导向，这一系统性的处理包括：成像、定位、改善进入途径和治疗能量传递的控制。

动态MRI

MRI介导治疗是采用脉冲、取样、重建和动态显示一系列图像来完成的。动态ＭＲ成像与常规MRI成像不同之处是动态MRI采用连续采集影像数据而快速、成功地获取大量图像。过去几年里，介入和功能ＭＲ成像的需求促使了动态MRI方法的发展。在临床应用上，如：ＭＲ心脏血管造影，克服心脏和呼吸的生理运动是对动态ＭＲ扫描的一个挑战。介入MRI可能对成像技术的时间和空间分辨率提出了最苛刻的要求，因为它需要将多因素合并在一起，如：改变影像平面的定向，在扫描野内（ＦＯＶ）手术和治疗的结果、贴近或就在扫描野内的生理运动、因造影剂或治疗引起扫描野内的信号强度的变化，或需要三维容积信息使施加或监控治疗更加安全和有效。
     动态MRI的方法分成２个主要的类别：非适配的和适配的。非适配的动态MRI的方法包括４种方法，所有设计的目的是为了增加MRI瞬时分辨率：１、快速脉冲序列，２、不采用先前的知识减少Ｋ－空间样本，３、利用先前的知识减少Ｋ－空间样本，４、采用模型基础上的重建减少Ｋ－空间样本。
快速脉冲序列是试图采用快速操纵磁场梯度脉冲和射频（ＲＦ）脉冲在短时间内获得尽可能多的空间编码信息，其灵敏度能区别不同的物理特性（Ｔ１弛豫、Ｔ２弛豫、易感性、弥散、化学位移）。快速脉冲序列包括快速自旋回波，如：弛豫增强的快速取样（ＲＡＲＥ），快速小角度转换梯度重复回波技术，ＢＵＲＳＴ，梯度自旋回波（ＧＲＡＳＥ）成像，平面回波成像，和螺旋扫描法。快速脉冲序列方法可受到低组织对比、降低空间分辨率或低信噪比等的影响。
     降低Ｋ－空间样本的方法包括傅利叶编码锁眼成像，ＭＲ透视，螺旋扫描，和随机Ｋ－空间脉冲调制方法。在锁眼影像中，高空间频率数据可从基准影像中获取一次，如扫描野（ＦＯＶ）发生变换，能动态地获得较低的空间频率数据。ＭＲ透视结合快速ＭＲ脉冲序列和为影像重建用的特殊硬件的数据采集技术，采用降低Ｋ－空间样本的图像会造成低空间分辨率、伪影、低组织对比，仅能用于小扫描野。利用先前的采样知识而降低Ｋ空间采集样本的方法已经有效地显示同一解剖。
动态MRI扫描常用于团注造影剂后增强变化的观察，主要用于脑和肝脏肿瘤的定性，也已用于心脏、胃肠道和上呼吸道和大脑机能的成像研究。一个新的应用是用图像来监控加热和降温所诱发组织的热损伤的过程。这些动态研究已用于平面回波成像，小角度激发梯度回波技术，或弛豫增强快速取样技术，时间分辨率从每分钟１幅图像到每秒５幅图像。
     尽管在设计非编程成像方法上有所进展，研究减少过多的数据取样方法的设计上正处于起始阶段。在最大ＭＲ数据取样率的快速非适配成像技术已经成功，可以减少多余的数据取样，适配方法具有提供空间和时间分辨率潜在能力。
     可改编MRI方法不同点是那些在图像数据采集策略是根据现在的和最近采集图像的信息进行动态修正。按照这个定义，严格地说来在当前普遍应用的方法中没有哪种是可改编的，但有几种试图获得动态信息的方法，在通常情况下这些活动导致图像伪影可在后处理时加以校正。呼吸节律相的编码（ＲＯＰＥ）适应先前了解的呼吸相和重复节律时相编码的连续步骤，这一方法应用有限。
     可改编成像方法可经修改扫描野（ＦＯＶ）的空间编码、改变算法，在脉冲序列制定空间编码指令或结合这两种方法来完成。当空间编码达到扫描野（ＦＯＶ）的最佳状态时，在每一幅图像采样前需要作另外的运算。如果空间编码指令的算法在脉冲序列指令是动态修正，获取后一个或更多的获取数据需要立即分析。在快速脉冲序列方面履行编程方法，象平面回波或快速梯度回波脉冲序列，在数据获取上目前所运用的不多。
     这三种动态编程MRI方法是小波转换编码MRI，单值分解编码MRI和编程傅利叶转换编码MRI。小波转换和单值分解编码技术根本不同于标准傅利叶转换MRI，因为它们采用空间选择射频（ＲＦ）激发以编码两正交基集之一中的数据。在两种方法中，利用先前影像信息用以减少冗余的数据采集。小波转换编码数据的多分辨结构能自动定位和有选择分辨图像中改变的区域。单值分解编码MRI提供接近最佳空间编码，它适合多分辨编程，在锁眼傅利叶MRI方面也类似使用锁眼实时修正方法。编程傅利叶转换编码MRI与标准傅利叶MRI不同点在于Ｋ空间重复采集数据的需要是由使过度采样达到最小的动态确定。

手术计划与手术中的导向

动态MRI方法和导向为外科导向和治疗靶点及监控提供了基本的影像学工具，这些工具增强了外科医师的计划能力和通过术前及术中所采用的计算机产生的三维影像来完成介入，为医师创造逼真的三维环境，包括病人的相应解剖能被定向、勾画及人机对话处理图像。
横断二维图像有利于诊断目的。通常，尽管没有三维成像，放射科医师仍然可作出诊断。如果三维成像可以为诊断提供有利条件时，象在复杂的脊椎或骨盆骨折，一般都可以有足够的时间来完成三维重建图像。同样，三维影像重建为手术前期，模拟和术中导向，所需断层的影像重建时间并不十分重要。如果在术中需要行三维成像，无论如何影像处理必须实时或接近实时，两者都需要有效的计算办法。这样才可扩大微创治疗的应用范围，缩短病人痊愈的时间。三维计划和引导的计算机方法常采用下列步骤：１、影像分节，２演绎，３、病人解剖的影像记录，４、显示，５、外科医师和显示信息的相互作用。
     影像分节经计算机处理，开始于对不同组织阶层的识别或选择。第一步，如果是自动化，则需要高效能计算机和高速计算使之基本上达到立即显示彩色编码数字解剖。分节通常是根据交互式识别解剖部位，用手工或自动的方法，以卷积获取的图像资料变换为所属的解剖图像。数据的三维演绎，可通过计算机显示解剖结构等，可采用多种技术完成。在这些最初的分解和步骤后，三维图像必须通过计算机或投影仪显示，将病人在手术中需要定位（强化真实度）的相应解剖区域定向，互相对照。精确测定几何图形转变与图像正确匹配，称之为病人或病人的记录。这在许多影像导向操作是极端重要的，没有正确的记录，图像不能为操作提供正确的路径。
     尽管外科医师在人体的解剖范围内不能自由地操作，为外科治疗计划所采用的准真实人机对话和强化真实度显示，可以为介入放射学专家从三维分节、处理和演绎影像中在实际数据形式内灵活地进行导向或移动。在影像空间内能跟踪手术和介入工具（针、钳、刀），并把它们作为参考位置来获取不同角度的影像层面，选择图像角度，可以进行不仅实时而且完成正确的操作。

介入性MRI的导向和靶点
放射诊断的定位基于相关的解剖。空间结构操作，使用或不使用多幅图像，要有参照图。两者间作相应的对照，了解他们所使用的器械与相关解剖的位置。既往立体定向技术仅被神经外科所采用，但是目前采用同样的原理进行全身活检取材的精确定位。体内切除或消融肿瘤的微创治疗减少了所需要的病检材料，破坏了原始肿瘤的解剖边界。唯一解决这个问题的方法是确定肿瘤的生物学特性和在影像监控下进行一系列细微的活检来确定肿瘤的确实的范围。这被认为立体定向是处理肿瘤诊断和治疗十分重要的理由。设备的应用，尤其MRI是解决获得正确的病理样本和微创处理两者矛盾的唯一途径。我们应采用最佳的影像设备，或多种设备的综合应用来识别靶点和确定它的空间范围。影像综合技术能改善靶点的清晰度和定性。MRI和ＣＴ的联合使用、正电子发射断层扫描、单光子发射计算机断层扫描、或血管成像对肿瘤的特性和范围确定有极大的帮助。
     安装在仪器上的传感器起辅助定位作用，需要他们提供位置信息计算出清晰的轨迹。在开放性磁体系统中，能用无框架的立体结构方法来确定靶点位置。立体定向开始是用于神经外科，是在一个工具或仪器（在活检时，针架）表层安装发光二极管（ＬＥＤｓ）作为定位用。这些发光二极管（ＬＥＤｓ）产生不可见的红外线，由三个传感器（距发光二极管ＬＥＤｓ约１ｍ处）检出，并经简单的三角法进行定位。据此跟踪的方法，介入性MRI计算机控制台跟踪针尖仪器的位置和腔内仪器轴线的连续信息。
     如果能与发光二极管（ＬＥＤ）和位于成像区上方的传感器之间建立直接光学连接，就可以对任何工具或器械进行跟踪。有一种方法，在常规ＭＲ的轴位－冠状位－矢状位层面上可产生对准确定仪器针尖的位置。而另一种方法是像超声探头一样的工具，影像光学跟踪工具的轴向产生。这一装置的最大优点是：由ＰＩＸＳＹＳ仪器轴确定的图像层面可以在无需移动工具本身的情况下进行变换。用通话器与技师联系，医师能获得在０度、９０度或垂直于工具轴平面任何角度的图像。光学跟踪工具的位置和选择相关图像平面提供交互式的方法去确定靶点、分辨出轨迹、选择可改变的进入路径。例如在做活检中，经确定包括进入、靶点的层面，在解剖上没有问题时穿刺针即可进入靶点。
采用影像引导作一次性定位及到达靶点是无框架立体结构的重要特征。在开放性磁体采用ＰＩＸＳＹＳ时，不需要多个步骤记录病人的解剖影像，确定轨迹、完成活检的标记图像。在这简化的操作中，通过影像容积作间隔扫描，采用附加发光二极管（ＬＥＤｓ）的仪器，直到发现适合的图像或轨迹。当仪器是一个组织活检针柄时，如：需要立即根据针的行径在图像上连续显示而作靶点定位。因为在组织活检中对针柄作了定位，针将在图像上处于同一平面（尽管组织活检针的弯曲可能导致一些失真）。
     肿瘤可通过交互式图像层面取样和采用针尖像靶点来定位。观察与针轴相关垂直层面可以得到围绕穿刺针径路周围组织的正确解剖情况。穿刺针予置计划或模拟轨迹可以用作进针时靶点定向，随后比较实际进针途径和计划轨迹。进针时虚拟成像不仅有机会作轨迹纠正，而且可代替在无横断面监控的活检情况下代替深度测量。绝大多数的组织活检时的成像是采用每１到２秒重复一次的梯度回波，意味着足够的分辨率。
     较早描述的ＰＩＸＳＹＳ跟踪方法仅适应于刚硬的设备，至少有一部分位于体外，在该处，仪器固定的发光二极管（ＬＥＤｓ）可被传感器跟踪。采用光学的方法是不可能跟踪易弯的针尖设备（导管、引流管、可弯曲的内窥镜）。Ｄｕｍｏｕｌｉｎ等开发了一种在MRI系统内可跟踪易弯的设备或仪器的一种ＭＲ特性跟踪方法。用一小金属线环贴在导管的尖端或其它可改变形状的可弯曲设备上，作为ＲＦ接收线圈在连续矩形判读磁场梯度脉冲时担当一个射频（ＲＦ）接收线圈和测知组织周围空间特殊射频（ＲＦ）。针尖设备的进展能被此MRI针尖显示在先前获取的影像平面内显示。也许，针尖的位置可以用来动态地选择图像平面。外科策略的改进直接关系到最佳进入路径和为治疗采用能量控制损伤的空间范围。介入放射各种类型的MRI引导设备（包括外科遥控设备、计算机辅助介入工具、能量释放装置）这些设备运作的反馈极大程度上依赖于图像引出的信息。

MRI引导热量治疗

影像导向是一个广泛的概念，适用于各种各样受控的介入操作和治疗方法。在肿瘤治疗上，破坏性的能量沉积的交互式控制至今是一个未解决的问题，特别是在能量消融，如间隙激光外科、冷冻治疗和聚焦超声的病例中。在既往，直接测量或绘制组织体温分布图只能采用多个测温探针。插入体内的热电偶或体温敏感纤维光学装置可造成局部组织损伤。插入很少的体温敏感探针，常不足以提供时空热分布的精确观察。
     MRI能提供热治疗的计划、监控和管理所需要的信息，确保介入性MRI作为未来热治疗的重要工具。值得注意的是，除MRI外没有那种常规影像方式能够提出热治疗程序的终点和引起组织坏死或不可逆的组织损伤的移行期。适当的组织温度监控和温度诱发的组织改变是在安全进行热治疗和控制热量在组织内蓄积是十分必要的。
     在影像热量外科中 MRI有双重作用：１、在显示正常组织一过性温度升高时，把热量限制在靶点上；２、用信号告知靶组织内已出现不可逆的热量传递（细胞坏死）。可视MRI对组织的可逆性和肿瘤组织的不可逆改变相提供控制（终止或连续）能量蓄积的重要信息。因此，MRI能为热量消除治疗提供所需要的反馈控制。高温治疗是基于少量温度升高（大约４１度），需要精确的三维温度图形去完成实体肿瘤的均质治疗。温度敏感MRI序列可满足这个要求。
     在临界温度内，各种MRI的温度敏感参数（Ｔ１、弥散、化学位移）能为探测体温变化而被利用。相对于高温治疗，热外科采用比５６度至６０度还要高的温度。在那个温度下，蛋白质变性和热量凝固的结果导致不可逆的组织损伤。适合的MRI序列能发现围绕不足以造成细胞坏死的界限，更重要的是可以区别组织状态的转变过程。无论如何，在温度达到５０度以上是不可能做出精确热图，因为在５０度以上时组织发生严重的新陈代谢、生理和结构变化。
     典型的高温消除操作是间质激光外科。此方法可以在组织活检继续，因为光学纤维能通过活检针孔。实验性和临床间质激光治疗都可以用磁共振不间断地进行监控热能传递对组织发生的变化。冷冻治疗是一个用于像靶点活检的低温方法，第一步是将冰冻探头引入肿瘤。冰冻的组织能在MRI上清晰显示，这是因为在操作过程中组织水变成固态冰状晶体的缘故。冰状晶体无MRI测量信号，扩大的凝固区域在MRI上表现无信号区增加。最有效的热消除方法是焦点超声加热。相对于上述间质激光外科和冷冻治疗，焦点超声热能不需要损伤性探针。焦点超声束被位于体外的换能器确定靶点，使组织杀伤性剂量局限在体内某一点而不会使周围或介入组织发生损害。此项技术不需要切开皮肤依据换能器的移动来完成空间控制。在目前有效的影像导向系统中，仅MRI为监测焦点超声治疗能提供温度敏感的监测。
     MRI 引导的焦点超声治疗是为了今后的肿瘤摘除，因为焦点超声热在MRI系统内进行，热蓄积的范围能被MRI所监测和控制。从计算机工作站水压机械控制使换能器能进行全方位操作。即使有关的能量很低，但在焦点的温度轻微升高时可以在MRI上检测出来。采用体温敏感MRI取样序列可以对组织内病灶进行定位。起始的热能蓄积不会造成不可逆的组织损伤，故可为靶点治疗所利用。当确定靶点，能量水平可增加至较高的温度（６０度至９０度）导致细胞蛋白的变性。这种能量传递形式是安全的且精确度在几毫米内。在兔脑焦点超声热量试验中，能够传递热量到小于１ｍｍ的病变。由此可见，MRI系统的空间分辨率可与聚焦超声系统的正确性相比，而超声就像一个优秀的外科医师的手一样精确。MRI监控聚焦超声热疗是数种成像系统完美结合治疗的一个很好的范例。这种结合是影像引导治疗的先决条件：定位和能量的反馈控制都要求有一个完整的设施。

结 论

我们进入一个高技术的医疗应用的崭新领域，如前描述，一个众多的治疗方式，器械操作和成像系统正在被确认和定型，但仍然有一些未解决的问题。虽然有少数个案完成了一些可行性研究，但还没有做出这些技术的临床研究资料。在科学性、技术性和医学方法对介入性MRI和微创治疗的未来正逐渐明朗。MRI监控介入放射学是一个边缘学科的领域，它不仅是放射学家的，而且也是外科医师、计算机专家、工程师和物理学家共同开发的结果，这也需要在学术界和工业之间强大的协作。我们的最终目的是将这些高技术MRI、治疗系统和计算机带进手术室。