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基于質(zhì)子共振頻率理論的MRI測溫方法的準確性研究
【摘要】 對仿組織透明體模進(jìn)行超聲輻照使其發(fā)生溫度變化，并通過(guò)光纖溫度傳感器和磁共振成像(MRI)測溫序列對其進(jìn)行同步監控研究，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，結果顯示該方法能夠測量靶區溫度變化，但是其測溫精度和測溫速度均有待進(jìn)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(wú)創(chuàng )無(wú)電離輻射等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，由于其多個(gè)參數與溫度相關(guān)，因此，MRI還具有無(wú)創(chuàng )測溫功能。這使得MRI能夠對各種腫瘤熱治療過(guò)程進(jìn)行影像和溫度的雙重監控，也使得MRI的應用范圍得到進(jìn)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之間的依賴(lài)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(lài)關(guān)系;(3)利用溫度與縱向弛豫時(shí)間T1的依賴(lài)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(lèi)方法[4-5]，該方法通過(guò)測量梯度回波(gradient-recalled echo，GRE)序列的相位改變值ΔΦ來(lái)估計相應的溫度變化ΔT并獲得溫度分布圖，二者之間的數學(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，簡(jiǎn)稱(chēng)溫度系數;B0為主磁場(chǎng)強度，TE為GRE序列的回波時(shí)間，ΔΦ則為溫度變化過(guò)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(xiàn)性比例關(guān)系。由于PRF法具有良好的線(xiàn)性，以及溫度系數與組織種類(lèi)無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，因此，它有著(zhù)最廣泛的應用前景。不過(guò)，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(dòng)的影響非常小，也就是說(shuō)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(dòng)，或者其他系統不穩定因素，都會(huì )影響相位移動(dòng)的大小，從而產(chǎn)生溫度誤差，所以，基于PRF的MR無(wú)創(chuàng )測溫法的準確性還受到質(zhì)疑，需要對其進(jìn)一步驗證[6-7]。職稱(chēng)論文
用溫度傳感器和MR進(jìn)行同步測量，是一個(gè)很好的檢驗MR測溫的方法，但是由于MRI的強電磁場(chǎng)環(huán)境，因此，傳統的溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻等無(wú)法在其中使用，否則會(huì )導致傳感器以及MRI裝置都無(wú)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(shí)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(cháng)的光的激勵后，會(huì )輻射出熒光能量;激勵撤消后，熒光余暉也將逐漸衰減(見(jiàn)圖1)，而該衰減就和環(huán)境溫度密切相關(guān)，據此原理，就可測出環(huán)境溫度。其最大的特點(diǎn)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(chǎng)等惡劣場(chǎng)合工作。溫度信號通過(guò)濾波放大、模數轉換等處理后，可以在計算機上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監控。
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(shí)驗
4.1 實(shí)驗對象
以仿組織透明體模作為實(shí)驗對象，該體模主要由40%(W/V)丙烯酰胺、過(guò)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熱系數及生物學(xué)效應，能進(jìn)行超聲輻照加熱試驗，并能夠在MRI上成像。
4.2 實(shí)驗儀器
采用西門(mén)子和重慶海扶研發(fā)的MRgHIFU系統，該系統由MRI和高強度聚焦超聲(HIFU)治療系統兩部分融合改進(jìn)而成。MRI可實(shí)現解剖成像以及基于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進(jìn)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(shí)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(xiàn)圈，然后置入HIFU系統水囊內;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(jiàn)圖2。
4.3.1 在MRI上設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序列預掃描，以確定探針位置(靶區位置)位于超聲換能器焦點(diǎn)范圍內。
4.3.3啟動(dòng)光纖測溫監控程序，而后對靶區進(jìn)行定點(diǎn)超聲輻照，輻照功率300 W，輻照時(shí)間10 s;輻照即刻掃描MR的GRE測溫序列;輻照結束120 s后停止GRE序列溫度監控和光纖溫度監控。改變探針位置，每組重復輻照12次，輻照3組。
5 結果與分析
5.1 靶區溫度分布圖
MRI的GRE序列能夠顯示靶區的溫度分布示意圖(見(jiàn)圖3);在每組實(shí)驗中，隨著(zhù)輻照開(kāi)始，靶區開(kāi)始升溫，靶區顏色也會(huì )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，靶區溫度下降，顏色也相應變化至低溫色段，直至最后彩色全部消失，實(shí)驗結果說(shuō)明基于PRF原理的MRI測溫能夠反映靶區溫度變化情況，此外還能夠對各溫度范圍的面積大小予以數字顯示。
5.2 同步測溫數據對比
基于PRF的MRI測溫方法除了能得到表征靶區溫度分布的偽彩色圖外，還可以2 mmⅹ2 mmⅹ2 mm大小區域為一個(gè)測溫單元，進(jìn)行溫度值的測量。圖4所示是焦點(diǎn)處的MRI與光纖的溫度值測量結果對比(取其中2次結果)，從圖中以及其他各組中都可以發(fā)現，在靶區溫度變化較為緩慢時(shí)，二者的測量結果較為一致，而在溫度急劇變化區域，則差距較大�，F將溫度變化速度Vt與測溫差值ΔT之間的關(guān)系進(jìn)行對比(見(jiàn)表1，取12次實(shí)驗結果)，結果顯示如果靶區溫度變化速度小于1℃/s，則測溫溫差控制在3℃以?xún)�，而當溫度變化速度更快時(shí)，則有可能出現平均達6℃以上的溫差。
出現這樣的結果與目前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(wú)法準確反映出快速的溫度變化。而本實(shí)驗中，體模受到HIFU輻照后會(huì )在幾秒鐘內就產(chǎn)生幾十度的溫度變化，所以，這時(shí)MRI測溫就會(huì )出現較大誤差。
5.3 同步測溫結果的配對t檢驗
為進(jìn)一步考察MRI測溫的可靠性，將MRI和光纖同步測溫的結果分別進(jìn)行了統計學(xué)分析。即用配對t檢驗法對兩組結果進(jìn)行比較，當在顯著(zhù)性水平α=0.05下，若P<0.05，則認為二者的平均值差異有統計學(xué)意義(即存在顯著(zhù)性差異)，反之，二者無(wú)顯著(zhù)性差異。經(jīng)Excel計算分析，總共有近30%的t檢驗結果顯示光纖與MRI的測溫結果間存在顯著(zhù)性差異，其他組則無(wú)顯著(zhù)性差異，實(shí)驗結果說(shuō)明MRI對靶區進(jìn)行溫度測量具有一定的可行性，但是其可靠性尚需提高。
6 結論
基于PRF理論的MRI測溫能夠為各種高低溫熱治療腫瘤(例如HIFU治療)提供實(shí)時(shí)的溫度監控，這樣既有利于保證靶區組織產(chǎn)生凝固性壞死，同時(shí)又防止過(guò)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(wú)創(chuàng )測溫技術(shù)。從上述實(shí)驗結果可以看出，該方法可以動(dòng)態(tài)顯示靶區的溫度分布圖，為熱療提供一定參考，不過(guò)其測量精確度還有待改善。提高M(jìn)R的測溫速度是一個(gè)很有效的改善途徑;此外，適當減小測溫單元的單位體積，以增強MR測溫的精準度，也可以進(jìn)一步優(yōu)化測溫效果。
【參考文獻】
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