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基于質(zhì)子共振頻率理論的MRI測溫方法的準(zhǔn)確性研究
【摘要】 對仿組織透明體模進行超聲輻照使其發(fā)生溫度變化，并通過光纖溫度傳感器和磁共振成像(MRI)測溫序列對其進行同步監(jiān)控研究，以探討基于質(zhì)子共振頻率(PRF)理論的MRI測溫方法的可行性，結(jié)果顯示該方法能夠測量靶區(qū)溫度變化，但是其測溫精度和測溫速度均有待進一步提高。
【關(guān)鍵詞】 磁共振測溫;光纖溫度傳感器;溫度序列;聚焦超聲;溫度監(jiān)控
Accuracy Study of Magnetic Resonance Thermometry
based on Proton Resonance Frequency TheoryFAN Hua, ZOU Jianzhong, WANG Zhilong, LIU Yingjiang
(Department of Biomedical Engineering, Chongqing Medical University,
Chongqing Key Laboratory of Ultrasound Medical Engineering, Chongqing 400016, China)
Abstract：The selected fiber optic thermometer and MRI temperature sequence were used to synchronously monitor the temperature change of tissue-mimicking phantom during ultrasound exposure to investigate the feasibility of the MRI thermometry based on PRF theory. The result of experiments illustrates that this method can measure the temperature of target, but the accuracy and velocity of the method should need to improve further.
Key words：MR thermometry; Fiber optic thermometer; Temperature sequence; Focused ultrasound; Temperature monitoring
1 引 言
磁共振成像作為一種成像技術(shù)，具有無創(chuàng)無電離輻射等優(yōu)點，除此之外，由于其多個參數(shù)與溫度相關(guān)，因此，MRI還具有無創(chuàng)測溫功能。這使得MRI能夠?qū)Ω鞣N腫瘤熱治療過程進行影像和溫度的雙重監(jiān)控，也使得MRI的應(yīng)用范圍得到進一步的拓寬。
2 基于PRF理論的MRI測溫原理
MRI測溫的原理主要分為三種：(1)利用溫度與擴散系數(shù)之間的依賴關(guān)系;(2)利用溫度與質(zhì)子共振頻率(PRF)的化學(xué)位移(chemical shift，CS)之間的依賴關(guān)系;(3)利用溫度與縱向弛豫時間T1的依賴關(guān)系[1-3]。相對其他兩種測溫方法，PRF方法是目前研究最為成熟的一類方法[4-5]，該方法通過測量梯度回波(gradient-recalled echo，GRE)序列的相位改變值ΔΦ來估計相應(yīng)的溫度變化ΔT并獲得溫度分布圖，二者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：ΔT=ΔΦγ·α·β0·TE(1)。其中γ為旋磁比，α=-0.01ppm/℃為溫度和水質(zhì)子化學(xué)位移之間的比例系數(shù)，簡稱溫度系數(shù);B0為主磁場強度，TE為GRE序列的回波時間，ΔΦ則為溫度變化過程中的GRE序列的相位改變大小[6]。從(1)式可以看出，溫度變化量ΔT與相位改變ΔΦ之間呈線性比例關(guān)系。由于PRF法具有良好的線性，以及溫度系數(shù)與組織種類無關(guān)等優(yōu)點，因此，它有著最廣泛的應(yīng)用前景。不過，PRF方法也有不足之處：從公式(1)可以看出，溫度對于相位移動的影響非常小，也就是說靈敏度很小，只有0.01 ppm/℃，因此任何量級在0.01 ppm的B0的波動，或者其他系統(tǒng)不穩(wěn)定因素，都會影響相位移動的大小，從而產(chǎn)生溫度誤差，所以，基于PRF的MR無創(chuàng)測溫法的準(zhǔn)確性還受到質(zhì)疑，需要對其進一步驗證[6-7]。職稱論文
用溫度傳感器和MR進行同步測量，是一個很好的檢驗MR測溫的方法，但是由于MRI的強電磁場環(huán)境，因此，傳統(tǒng)的溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻等無法在其中使用，否則會導(dǎo)致傳感器以及MRI裝置都無法正常工作。
3 熒光光纖溫度計測溫原理
經(jīng)比較研究，本實驗選定的是FOT Lab?Kit(Lux
?tron,CA,USA)熒光光纖溫度傳感器作為同步測溫元件。該溫度計由多模光纖和在其頂部安裝的基于熒光技術(shù)的測溫探頭組成。熒光測溫探頭在受到特定波長的光的激勵后，會輻射出熒光能量;激勵撤消后，熒光余暉也將逐漸衰減(見圖1)，而該衰減就和環(huán)境溫度密切相關(guān)，據(jù)此原理，就可測出環(huán)境溫度。其最大的特點在于測溫探頭為非金屬，因此不產(chǎn)生電磁干擾，特別適合在高電磁場等惡劣場合工作。溫度信號通過濾波放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后，可以在計算機上進行實時顯示和監(jiān)控。
圖1 熒光測溫原理示意圖
Fig 1 Schematic diagram of fluoroptic thermometry
4 同步測溫驗證實驗
4.1 實驗對象
以仿組織透明體模作為實驗對象，該體模主要由40%(W/V)丙烯酰胺、過硫酸銨、脫氣水和從新鮮雞蛋中獲取的蛋清混合而成。它具有與人體軟組織相似的導(dǎo)熱系數(shù)及生物學(xué)效應(yīng)，能進行超聲輻照加熱試驗，并能夠在MRI上成像。
4.2 實驗儀器
采用西門子和重慶海扶研發(fā)的MRgHIFU系統(tǒng)，該系統(tǒng)由MRI和高強度聚焦超聲(HIFU)治療系統(tǒng)兩部分融合改進而成。MRI可實現(xiàn)解剖成像以及基于PRF方法的溫度測量與成像，測溫序列為GRE-TMap;而HIFU裝置則用于對體模靶區(qū)進行輻照加熱，以產(chǎn)生溫度變化。同步測溫裝置采用FOT Lab-Kit光纖傳感器。
4.3 實驗方法
在盛放25℃脫氣水的容器中放入體模，并安放MRI Body Matrix線圈，然后置入HIFU系統(tǒng)水囊內(nèi);測溫探針插入到體模中，另一端則引出MR室外并經(jīng)信號處理后與計算機相連，見圖2。
4.3.1 在MRI上設(shè)置代表溫度范圍的偽彩色：藍色(50-55℃)，綠色(55-60℃)，黃色(60-65℃)，紅色(65-110℃)。
4.3.2 Localizer序列預(yù)掃描，以確定探針位置(靶區(qū)位置)位于超聲換能器焦點范圍內(nèi)。
4.3.3啟動光纖測溫監(jiān)控程序，而后對靶區(qū)進行定點超聲輻照，輻照功率300 W，輻照時間10 s;輻照即刻掃描MR的GRE測溫序列;輻照結(jié)束120 s后停止GRE序列溫度監(jiān)控和光纖溫度監(jiān)控。改變探針位置，每組重復(fù)輻照12次，輻照3組。
5 結(jié)果與分析
5.1 靶區(qū)溫度分布圖
MRI的GRE序列能夠顯示靶區(qū)的溫度分布示意圖(見圖3);在每組實驗中，隨著輻照開始，靶區(qū)開始升溫，靶區(qū)顏色也會由低溫色端向高溫色段變 Fig 3 Temperature map of target region during HIFU exposure化，輻照停止后，靶區(qū)溫度下降，顏色也相應(yīng)變化至低溫色段，直至最后彩色全部消失，實驗結(jié)果說明基于PRF原理的MRI測溫能夠反映靶區(qū)溫度變化情況，此外還能夠?qū)Ω鳒囟确秶拿娣e大小予以數(shù)字顯示。
5.2 同步測溫數(shù)據(jù)對比
基于PRF的MRI測溫方法除了能得到表征靶區(qū)溫度分布的偽彩色圖外，還可以2 mmⅹ2 mmⅹ2 mm大小區(qū)域為一個測溫單元，進行溫度值的測量。圖4所示是焦點處的MRI與光纖的溫度值測量結(jié)果對比(取其中2次結(jié)果)，從圖中以及其他各組中都可以發(fā)現(xiàn)，在靶區(qū)溫度變化較為緩慢時，二者的測量結(jié)果較為一致，而在溫度急劇變化區(qū)域，則差距較大�，F(xiàn)將溫度變化速度Vt與測溫差值ΔT之間的關(guān)系進行對比(見表1，取12次實驗結(jié)果)，結(jié)果顯示如果靶區(qū)溫度變化速度小于1℃/s，則測溫溫差控制在3℃以內(nèi)，而當(dāng)溫度變化速度更快時，則有可能出現(xiàn)平均達6℃以上的溫差。
出現(xiàn)這樣的結(jié)果與目前MRI測溫的速度有很大關(guān)系，目前MRI測溫速度約為1.5s/次，這樣的速度還無法準(zhǔn)確反映出快速的溫度變化。而本實驗中，體模受到HIFU輻照后會在幾秒鐘內(nèi)就產(chǎn)生幾十度的溫度變化，所以，這時MRI測溫就會出現(xiàn)較大誤差。
5.3 同步測溫結(jié)果的配對t檢驗
為進一步考察MRI測溫的可靠性，將MRI和光纖同步測溫的結(jié)果分別進行了統(tǒng)計學(xué)分析。即用配對t檢驗法對兩組結(jié)果進行比較，當(dāng)在顯著性水平α=0.05下，若P<0.05，則認為二者的平均值差異有統(tǒng)計學(xué)意義(即存在顯著性差異)，反之，二者無顯著性差異。經(jīng)Excel計算分析，總共有近30%的t檢驗結(jié)果顯示光纖與MRI的測溫結(jié)果間存在顯著性差異，其他組則無顯著性差異，實驗結(jié)果說明MRI對靶區(qū)進行溫度測量具有一定的可行性，但是其可靠性尚需提高。
6 結(jié)論
基于PRF理論的MRI測溫能夠為各種高低溫?zé)嶂委熌[瘤(例如HIFU治療)提供實時的溫度監(jiān)控，這樣既有利于保證靶區(qū)組織產(chǎn)生凝固性壞死，同時又防止過度加熱對正常周邊組織的損害[1]，是一項非常有發(fā)展前景的無創(chuàng)測溫技術(shù)。從上述實驗結(jié)果可以看出，該方法可以動態(tài)顯示靶區(qū)的溫度分布圖，為熱療提供一定參考，不過其測量精確度還有待改善。提高MR的測溫速度是一個很有效的改善途徑;此外，適當(dāng)減小測溫單元的單位體積，以增強MR測溫的精準(zhǔn)度，也可以進一步優(yōu)化測溫效果。
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