实时磁共振引导聚焦超声治疗疼痛性骨转移

摘要

磁共振可以在热消融治疗疼痛性骨转移时实时监测聚焦超声的位置和温度，无论癌症类型或既往局部治疗如何。我们创新的质量保证方法可以促进这种有效和安全的治疗方法的应用。

摘要

骨骼是癌症转移最常见的部位之一，通常会引起疼痛并损害生活质量。放射疗法联合阿片类药物是治疗疼痛性骨转移的标准方法。这种治疗可在 60-74% 的患者中有效控制疼痛，但对于放疗后复发或残留的疼痛性骨转移，治疗选择有限，益处有限。超过 40% 的患者在再次照射后仍会出现中度至重度骨痛。磁共振引导聚焦超声 （MRgFUS） 将实现骨转移热消融和后续疼痛减轻的高强度聚焦超声与实时磁共振 （MR） 测温法相结合，监测解剖 MR 图像的温度，精度为 1 °C，空间分辨率为 1 mm，时间分辨率在 3 s 以内。除了在临床上越来越多地用于控制转移性骨痛外，MRgFUS 在其他疾病中的应用也已得到测试。然而，使用 MR 软件作为温度计是验证软件准确性和确保能量输送的唯一可用技术。在这里，我们描述了我们开发的一种有效的质量保证方法，用于在每次 MRgFUS 治疗前进行热检测和能量输送，并提出了一种修改后的工作流程，以加快治疗过程并减轻患者在手术过程中的痛苦。

引言

骨骼是癌症转移最常见的部位之一，通常会引起疼痛并损害生活质量。放射疗法 （RT） 联合阿片类药物是治疗疼痛性骨转移的标准方法。这种治疗可有效控制 60-74% 的患者^{的疼痛 1}。然而，对于放疗后复发性或残留的转移性骨痛，可用的治疗选择有限。再放疗、手术干预、经皮冷冻消融或射频消融以及增加全身性阿片类药物和镇痛药的剂量是适应症有限的选择，并且通常有副作用。此外，这些二次治疗产生的结果并不令人满意：超过 40% 的患者在再次照射后继续出现中度至重度骨痛²。

高强度聚焦超声系统将来自多个角度的超声集成到一个点上，在超过 65 °C 的烧蚀温度下传递声能³。这种无创技术已用于不同部位的热消融和各种类型的病变 ^4,5。通常，聚焦超声系统产生频率为 200 kHz-4 MHz ^6,7 的声能，在焦点产生 100-10,000 W/cm² 的强度。在这些能级下，聚焦超声束会触发处理过的组织体积上的细胞温度升高。温升根据组织吸收系数而变化，使用 Arrhenius 分析或 Sapareto-Dewey 等效应热剂量关系预测。为了实现更好的控制和更快速的温度升高，建议每次超声处理的焦点体积为 0.2-5 mm³。因此，较大面积的烧蚀需要平铺多个超声处理，以覆盖较大的体积并产生均匀的热损伤。除了因热效应而造成损害外，聚焦超声还会由于物理因素（例如治疗区域中的整流扩散）而产生微气泡。当微泡的大小达到临界值时，它们最终会内爆，引起微冲击波并影响周围组织。这种平行的非热效应也会导致组织损伤和肿瘤坏死。

与超声成像等其他图像引导技术不同，磁共振 （MR） 成像提供解剖结构的三维图像，具有清晰分辨率的软组织图像和定量温度监测。定量 MR 测温法的映射软件可以计算以摄氏度为单位的热变化，然后将相应的位置叠加到解剖 MR 图像上⁸。通过检测水氢中的质子共振频移（相当于每摄氏度约 0.01 ppm），温度敏感 MR 序列可以控制能量沉积，测量热变化的精度为 1 °C，空间分辨率为 1 mm，时间分辨率在 3 s 以内 ^9,10.借助这款扩展软件，MR 设备可以在几秒钟内提供诊断图像并检测到热变化，并在整个治疗过程中将这些图像映射到解剖图像上。尽管开发了这种创新技术，但很少有文章描述每个疗程中的定性安全性。在这里，我们旨在分享我们与 MRgFUS 的协议和经验。

研究方案

这项研究获得了台北医学大学联合机构审查委员会的批准。

注意：在 Kao 等人 ¹¹ 中验证的相同方案已在 138 年至 2015 年间用于治疗 2019 例病例。治疗入组的纳入标准是 1） 存在孤立的可区分的疼痛性骨转移;2） 未对目标骨病灶进行先前的局部治疗;3） 使用 MRgFUS（材料表）进入目标骨病变的能力。排除即将发生病理性骨折的患者。材料 表中列出了详细的材料和设备。

1. 治疗前咨询和治疗点的 CT 模拟

1. MRgFUS 适应症患者的评估
   1. 评估患者是否适合 MRgFUS 治疗转移性骨痛。向患者和家属解释程序和相关信息。记录每日镇痛药物和服药前后疼痛评分。
   2. 让放射肿瘤科医生和放射科医生根据治疗前计算机断层扫描 （CT） 或磁共振成像 （MRI） 扫描找到病变和附近的解剖结构。
      注意：由于可能对脊髓或马尾神经造成损伤，因此排除了脊柱转移。躯干病变应从背侧而不是腹侧治疗，以防止损伤主要血管和器官。
2. 在 MRgFUS 前 1 天通过 CT 模拟确认治疗点。
   1. 将患者仰卧、头部先放在沙发上，并在 3 mm 切片厚度的治疗区域进行螺旋 CT 扫描（120 kV，400 mAs/切片）。调整并倾斜患者在沙发中央的位置，以定位病变。
   2. 将 CT 标记 1 cm 导丝放置在皮肤表面，垂直最靠近病灶，然后再次进行螺旋 CT 扫描（120 kV，400 mAs/切片）以确认患者的位置和 CT 标记的位置。用记号笔标记 CT 标记的位置，并拍下患者位置的照片。
      注意：在 MRgFUS 之前精确确认治疗点和位置可以促进 MRgFUS 期间的定位过程。

2. 患者在治疗当天为 MRgFUS 做准备

1. 根据带照片的身份证明验证患者的身份。确认患者在扫描前移除了所有金属物体和磁性设备。
2. 治疗前开具局部和全身镇痛药。
   1. 在预定治疗时间前 1 小时，将利多卡因乳膏涂抹在半径为 10 厘米的标记皮肤上。治疗前 10 分钟小心去除乳膏。
   2. 治疗前 30 分钟，静脉滴注 5 mg 地塞米松和 50 mL 生理盐水 10 分钟，30 mg 酮咯酸和 50 mL 生理盐水 10 分钟。将外周静脉输液管设置在与病变相对的一侧的手、前臂、腿或脚上。
3. 在将患者送出治疗前 5 分钟检查患者的生命体征（心率、血压、呼吸频率和血氧饱和度）。

3. MRgFUS 前的日常质量保证 （DQA）

1. DQA 设置
   1. 将诊断床更换为带有聚焦超声换能器的 MRgFUS 治疗床，并将诊断床连接到系统。
      注意：工作人员在进入 MRI 室之前必须取下所有金属物品和电子设备，包括戒指、手表、钢笔、手机或磁性 ID 卡。
   2. 将超声透射凝胶（~1 mm 厚）和脱气水涂抹在聚焦超声换能器的表面面板上。
      注意： 在此过程中，小心不要刮伤塑料面板。
   3. 小心地用塑料窗帘覆盖面板，避免窗帘在面板区域上出现任何褶皱。加入脱气水，使其达到与沙发上的 MR 线圈一样高的水平。
      注意： 小心不要在面板、透射凝胶、帘布和脱气水之间产生任何气泡。
   4. 缓慢而小心地将凝胶垫放在面板上，在此过程中不要产生任何气泡。将 DQA 模型放在凝胶垫上，不要产生任何气泡。
   5. 将 MR 线圈放在沙发上，并将线圈连接到 MRI 设备。按 MRI 控制面板上的 Landmark ，将红色激光与线圈上的黑色条纹对齐。然后，按 高级 扫描 在 MRI 控制面板上。
2. DQA 预扫描
   1. 单击 MRI 系统上的 Idle 以创建新的 MR 扫描。输入 DQA 作为患者姓名，并输入 50 kg 作为体重。选择 Supine （仰卧） 和 Feet First （脚优先 ） 作为扫描参数。
   2. 选择扫描协议作为 ExAblate - Plan - Bone。然后单击 Save Series |下载 |扫描。检查显示器上的扫描图像以检查是否有任何气泡。
      注意： 如果发现任何气泡，请再次设置 DQA 以将其删除。
3. DQA 程序
   1. 单击 MRgFUS 系统上的 Bone Tumors ，然后单击 Calibrate 启动 DQA。单击 MR Scan 并确认检查编号与 MRI 系统中的相同。
   2. 调整探头在轴向和矢状图像中的位置，以使超声处理场覆盖体模。单击 Load （加载 ） 以加载 MRI 图像。然后单击 Sag |选择 全部 以选择所有图像。单击 Ax |再次选择 All （全部 ）。
   3. 单击 Draw 定义超声处理区域。单击 Skin Line （蒙皮线 ） 以绘制 Phantom 和 Gel pad 之间的表面轮廓。单击 Copy 将蒙皮线复制到图像的所有矢状和轴向切片。然后调整并确认每张图像中的蒙皮线是正确的。
   4. 单击 Treat Area （治疗区域 ） 以在模型中为三个连续切片绘制治疗区域的轮廓。单击 协议 选择 Bone 15 ，然后单击 应用。单击 Fiducial 并选择虚拟中的一个点作为参考点。
4. DQA 规划
   1. 单击 计划 |验证 以继续。单击 Add Sonication （添加超声处理 ） 以在模型中添加一个超声处理点。确认超声处理场在每个矢状和轴向切片的体模内。
   2. 设置扫描参数：direction = Coronal 和 number slice = 5 ，预设能量输出。单击 Sonication 开始。
5. 校准
   1. 超声处理后，监测 MRgFUS 系统会显示温度图像。确认加热点并单击 Center 标记该点。使用鼠标检查加热点和其他不同的点，以比较热曲线以定位伪影或背景信号。
   2. 该系统以毫米为单位显示 3 个轴向的传感器位置的调整。单击 Accept（接受 ），然后单击 Back（返回） 以再次执行超声处理，并将能量增加 20%。确认^{第 2 次} 调整在 1 mm 以内，然后单击 Reject（拒绝）。
   3. 设置扫描参数：方向 = 轴向 ，数字切片 = 5 ，预设能量输出。按照步骤 3.5.1 和 3.5.2 中的说明进行轴向调整。单击 Exit 退出 DQA 并删除虚拟。

4. 患者定位和治疗前 MR 扫描

1. 患者体位
   1. 将患者放在 MRgFUS 沙发上，与步骤 1.2 中之前的模拟位置相同。将皮肤上的标记与凝胶垫的中心对齐。
   2. 使用安全带将患者固定在沙发上，并教患者如何使用紧急按钮。将手指脉搏血氧仪放在一根食指上。
   3. 将 MR 线圈放在沙发上并对齐线圈。然后按 高级 扫描 在 MRI 控制面板上。
2. 治疗前 MR 扫描
   1. 创建新的 MR 扫描并输入患者的信息。选择 Supine （仰卧位 ） 和 Feet First （脚优先 ） 作为扫描参数，扫描协议为 ExAblate - Plan - Bone （ExAblate - Plan - Bone）。
   2. 获取三平面 T2 图像，然后单击 View Edit 确认扫描区域。单击 Save |下载 |自动预扫描。在预扫描后确认扫描区域，然后单击 Scan（ 扫描）。
3. 确认病变和患者位置。
   1. 再次确认病灶、MR 扫描区域和患者位置。
      注意：MR 扫描区域应位于治疗区域上方并覆盖超声换能器。
   2. 检查皮肤表面和凝胶垫之间是否有任何气泡。如果存在任何气泡，请重新定位患者。

5. 治疗轮廓和规划

1. 导入 MR 图像
   1. 单击 MRgFUS 系统上的 Bone Tumors 。单击 轮廓 |MR 扫描 并确认检查编号与 MRI 系统中的相同。
   2. 单击 加载 以加载在步骤 4.2 中收集的 MRI 图像。Click 下垂 |选择 All（全部）。然后单击 Ax |再次选择 All （全部 ）。
2. 轮廓
   1. 单击 Draw 定义超声处理区域。单击 Skin Line 以绘制蒙皮表面的轮廓。单击 Copy 将蒙皮线复制到图像的所有矢状和轴向切片。调整并确认每张图像中的蒙皮线是正确的。
      注意：必须使用超声换能器在每个 MR 图像切片上绘制皮肤线轮廓。
   2. 单击 Bone （骨骼） 以绘制骨骼表面的轮廓。单击 Block（阻止 ）以勾勒重要器官（如神经、血管或肠道）的轮廓，以防止超声处理穿过这些区域。单击 Fiducial 并选择病变附近的一个点作为参考点。
3. 规划
   1. 单击 计划 |验证 以在所有轮廓绘制完成后继续。查看治疗计划并根据需要调整超声处理。
      注意：超声处理的途径应从换能器通过皮肤表面到达病变。

6. 验证和处理

1. 镇痛药和镇静剂
   1. 在验证和治疗前 10 分钟，静脉滴注 25 mg 哌替啶和 7.5 mg 咪达唑仑和 50 mL 生理盐水 10 分钟。
   2. 如果患者在治疗过程中抱怨疼痛，则以 30 分钟的间隔静脉滴注 7.5 毫克吗啡和 50 毫升生理盐水 10 分钟。
      注意：医生可能会根据临床情况调整镇痛药和镇静药物。
   3. 在超声处理之间定期检查脉搏和血氧计。
      注意：如果患者非常紧张或需要陪伴，护士或工作人员可以在超声处理期间留在室内。MR 和超声波不会对附近的其他人员造成辐射或伤害。
2. 验证
   1. 选择一种具有预设参数的超声处理，然后单击 Sonication 开始。监测加热点以及参考点的温升和热曲线，以检查是否有伪影或背景信号。增加能量输出并对同一位置重复超声处理。
   2. 对同一位置重复超声处理，直到温度超过 65 °C 以达到热消融。
      注意：不同的人具有不同的体重、不同的位置和不同的组织，会有不同的能量吸收和热变化。使用较低的能耗进行验证是必要的。
      注：在短时间内反复加热同一点或附近区域可能会影响 MR 测温。因此，如果超声处理间隔太近，请允许系统暂停。
3. 治疗
   1. 单击 Sonication 以使用步骤 6.2 中描述的经过验证的能量输出开始处理。
   2. 监测加热点的温升和热曲线，并增加能量输出重复超声处理，直到温度超过 65 °C。 完成治疗区域的所有超声处理。

7. 治疗后评估

1. 治疗后 MR 扫描
   1. 如步骤 4.2 和 4.3 所示，对所有系列进行 MRgFUS 后扫描。
   2. 以 4-5 mL/s 的速率静脉注射造影剂，并作为步骤 7.1.1 进行对比 MR 扫描。
      注意：造影剂的体积基于体重（即每 1 公斤 0.2 mL）。
2. 通过治疗后 MRI 评估治疗/热效应。如果热消融不能治疗整个病灶，则重复超声处理。

结果

2012 年 10 月，一名 68 岁的男性患者被诊断为肝细胞癌 （HCC）。他于 2012 年 10 月 18 日接受了左肺叶切除术，病理报告肝细胞癌 8.8 cm。手术后，他出现腰痛和酸痛，2012 年 11 月 2 日的 MRI 显示一个涉及左骶骨、髂骨和臀软组织的大转移性肿块。由于肿瘤压迫和疼痛达到视觉模拟量表 （VAS） 的 6 分，他于 2012 年 11 月接受了 45 Gy 的 RT，分 15 次，并规...

讨论

几项研究表明，MRgFUS 对于控制 RT 后复发性或残留骨转移引起的疼痛是安全有效的^12,13。对于 64.3-72.0% 的患者，RT 和阿片类药物后转移性骨痛持续存在。研究还确定 MRgFUS 的毒性有限且治疗过程可耐受。

MRgFUS 于 2011 年获得 Conformité Européenne 和 2012 年美国食品和药物管理局的批准，用于治疗转移性骨痛。除了...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1L degasseed water pouch	InSightec	ASM001480	for good ultrasound beam transmission
CT scan	Philips	Brilliance Big Bore 16 Slice CT, 7387	Acquire CT images for positioning
EXABLATE	InSightec	EXABLATE 2000	System for non-invasive tumor ablation through Focal Ultrasound (FUS) treatment under Magnetic Resonance (MR) guidance
Gel Pad ASSY	InSightec	SET999014	Transmission gel pad for single Body treatment.
MR scan	GE	HDxT	Acquire MR images for contouring and planning
MRI contrast	Guerbet	Dotarem	Enhance MR for acquiring images
Patient accessory kit	InSightec	SET000016	clinical applications single use treatment kit
Patient plastic drape	InSightec	DTP000067	Cover the panel of ultrasound transducer. Deposible, hygiene use
Pelvic RF coil	GE	ASM000956	Enhance MR for acquiring images
phantom	ATS Labs ATS Labs Inc	Model TxS-100	for calibration
ultrasound transmission gel	InSightec	SET000885	gel for calibration prior MR-guided FUS treatment