基于质子共振频率理论的MRI测温方法的准确性研究

基于质子共振频率理论的MRI测温方法的准确性研究

【摘要】 对仿组织透明体模进行超声辐照使其发生温度变化，并通过光纤温度传感器和磁共振成像(MRI)测温序列对其进行同步监控研究，以探讨基于质子共振频率(PRF)理论的MRI测温方法的可行性，结果显示该方法能够测量靶区温度变化，但是其测温精度和测温速度均有待进一步提高。

【关键词】 磁共振测温;光纤温度传感器;温度序列;聚焦超声;温度监控

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

　　磁共振成像作为一种成像技术，具有无创无电离辐射等优点，除此之外，由于其多个参数与温度相关，因此，MRI还具有无创测温功能。这使得MRI能够对各种肿瘤热治疗过程进行影像和温度的双重监控，也使得MRI的应用范围得到进一步的拓宽。

　　2 基于PRF理论的MRI测温原理

　　MRI测温的原理主要分为三种：(1)利用温度与扩散系数之间的依赖关系;(2)利用温度与质子共振频率(PRF)的化学位移(chemical shift，CS)之间的依赖关系;(3)利用温度与纵向弛豫时间T1的依赖关系[1-3]。相对其他两种测温方法，PRF方法是目前研究最为成熟的一类方法[4-5]，该方法通过测量梯度回波(gradient-recalled echo，GRE)序列的相位改变值ΔΦ来估计相应的温度变化ΔT并获得温度分布图，二者之间的数学关系为：ΔT=ΔΦγ·α·β0·TE(1)。其中γ为旋磁比，α=-0.01ppm/℃为温度和水质子化学位移之间的比例系数，简称温度系数;B0为主磁场强度，TE为GRE序列的回波时间，ΔΦ则为温度变化过程中的GRE序列的相位改变大小[6]。从(1)式可以看出，温度变化量ΔT与相位改变ΔΦ之间呈线性比例关系。由于PRF法具有良好的线性，以及温度系数与组织种类无关等优点，因此，它有着最广泛的应用前景。不过，PRF方法也有不足之处：从公式(1)可以看出，温度对于相位移动的影响非常小，也就是说灵敏度很小，只有0.01 ppm/℃，因此任何量级在0.01 ppm的B0的波动，或者其他系统不稳定因素，都会影响相位移动的大小，从而产生温度误差，所以，基于PRF的MR无创测温法的准确性还受到质疑，需要对其进一步验证[6-7]。职称论文

　　用温度传感器和MR进行同步测量，是一个很好的检验MR测温的方法，但是由于MRI的强电磁场环境，因此，传统的温度传感器，如热电偶、热敏电阻等无法在其中使用，否则会导致传感器以及MRI装置都无法正常工作。

　　 3 荧光光纤温度计测温原理

　　经比较研究，本实验选定的是FOT Lab?Kit(Lux

　　?tron,CA,USA)荧光光纤温度传感器作为同步测温元件。该温度计由多模光纤和在其顶部安装的基于荧光技术的测温探头组成。荧光测温探头在受到特定波长的光的激励后，会辐射出荧光能量;激励撤消后，荧光余晖也将逐渐衰减(见图1)，而该衰减就和环境温度密切相关，据此原理，就可测出环境温度。其最大的特点在于测温探头为非金属，因此不产生电磁干扰，特别适合在高电磁场等恶劣场合工作。温度信号通过滤波放大、模数转换等处理后，可以在计算机上进行实时显示和监控。

　　图1 荧光测温原理示意图

　　Fig 1 Schematic diagram of fluoroptic thermometry

4 同步测温验证实验

　　4.1 实验对象

　　以仿组织透明体模作为实验对象，该体模主要由40%(W/V)丙烯酰胺、过硫酸铵、脱气水和从新鲜鸡蛋中获取的蛋清混合而成。它具有与人体软组织相似的导热系数及生物学效应，能进行超声辐照加热试验，并能够在MRI上成像。

　　4.2 实验仪器

　　采用西门子和重庆海扶研发的MRgHIFU系统，该系统由MRI和高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统两部分融合改进而成。MRI可实现解剖成像以及基于PRF方法的温度测量与成像，测温序列为GRE-TMap;而HIFU装置则用于对体模靶区进行辐照加热，以产生温度变化。同步测温装置采用FOT Lab-Kit光纤传感器。

　　4.3 实验方法

　　在盛放25℃脱气水的容器中放入体模，并安放MRI Body Matrix线圈，然后置入HIFU系统水囊内;测温探针插入到体模中，另一端则引出MR室外并经信号处理后与计算机相连，见图2。

　　4.3.1 在MRI上设置代表温度范围的伪彩色：蓝色(50-55℃)，绿色(55-60℃)，黄色(60-65℃)，红色(65-110℃)。

　　4.3.2 Localizer序列预扫描，以确定探针位置(靶区位置)位于超声换能器焦点范围内。

　　4.3.3启动光纤测温监控程序，而后对靶区进行定点超声辐照，辐照功率300 W，辐照时间10 s;辐照即刻扫描MR的GRE测温序列;辐照结束120 s后停止GRE序列温度监控和光纤温度监控。改变探针位置，每组重复辐照12次，辐照3组。

　　5 结果与分析

　　5.1 靶区温度分布图

　　MRI的GRE序列能够显示靶区的温度分布示意图(见图3);在每组实验中，随着辐照开始，靶区开始升温，靶区颜色也会由低温色端向高温色段变　Fig 3 Temperature map of target region during HIFU exposure化，辐照停止后，靶区温度下降，颜色也相应变化至低温色段，直至最后彩色全部消失，实验结果说明基于PRF原理的MRI测温能够反映靶区温度变化情况，此外还能够对各温度范围的面积大小予以数字显示。

　　5.2 同步测温数据对比

　　基于PRF的MRI测温方法除了能得到表征靶区温度分布的伪彩色图外，还可以2 mmⅹ2 mmⅹ2 mm大小区域为一个测温单元，进行温度值的测量。图4所示是焦点处的MRI与光纤的温度值测量结果对比(取其中2次结果)，从图中以及其他各组中都可以发现，在靶区温度变化较为缓慢时，二者的测量结果较为一致，而在温度急剧变化区域，则差距较大。现将温度变化速度Vt与测温差值ΔT之间的关系进行对比(见表1，取12次实验结果)，结果显示如果靶区温度变化速度小于1℃/s，则测温温差控制在3℃以内，而当温度变化速度更快时，则有可能出现平均达6℃以上的温差。

　　出现这样的结果与目前MRI测温的速度有很大关系，目前MRI测温速度约为1.5s/次，这样的速度还无法准确反映出快速的温度变化。而本实验中，体模受到HIFU辐照后会在几秒钟内就产生几十度的温度变化，所以，这时MRI测温就会出现较大误差。

　　5.3 同步测温结果的配对t检验

　　为进一步考察MRI测温的可靠性，将MRI和光纤同步测温的结果分别进行了统计学分析。即用配对t检验法对两组结果进行比较，当在显著性水平α=0.05下，若P<0.05，则认为二者的平均值差异有统计学意义(即存在显著性差异)，反之，二者无显著性差异。经Excel计算分析，总共有近30%的t检验结果显示光纤与MRI的测温结果间存在显著性差异，其他组则无显著性差异，实验结果说明MRI对靶区进行温度测量具有一定的可行性，但是其可靠性尚需提高。

　　6 结论

　　基于PRF理论的MRI测温能够为各种高低温热治疗肿瘤(例如HIFU治疗)提供实时的温度监控，这样既有利于保证靶区组织产生凝固性坏死，同时又防止过度加热对正常周边组织的损害[1]，是一项非常有发展前景的无创测温技术。从上述实验结果可以看出，该方法可以动态显示靶区的温度分布图，为热疗提供一定参考，不过其测量精确度还有待改善。提高MR的测温速度是一个很有效的改善途径;此外，适当减小测温单元的单位体积，以增强MR测温的精准度，也可以进一步优化测温效果。

【参考文献】
　[1]高翔, 高上凯. 利用磁共振成像实现肿瘤热疗中实时无创测温的方法[J]. 生物医学工程学杂志, 2006, 23(3): 674-677.

　　[2]姜立新，胡 兵. 高强度聚焦超声作用下的组织温度场测量技术的研究进展[J]. 声学技术, 2006, 25(1):43-46.

　　[3]林征宇, 邓秀芬, 武乐斌. MR无创测温的原理及临床应用[J]. 医学影像学杂志, 2005,15(11): 1004-1007.

　　[4]Nathan M, Clare MT, Fiona MF, et al. Uterine Leiomyomas: MRI Imaging-based thermometry and thermal dosimetry during focused ultrasound thermal ablation[J]. Radiology, 2006, 240(1): 263-272.

　　[5]Kopelman D, Inbar Y, Hanannel A, et al. Magnetic resonance guided focused ultrasound surgery. Ablation of soft tissue at bone-muscle interface in a porcine model[J]. European Journal of Clinical Investigation,2008, 38(4):268-275.

　　[6]Bruno Quesson, PhD, Jacco A. de Zwart,et al. Magnetic resonance temperature imaging for guidance of thermotherapy[J]. Journal of Magnetic Resonance Imaging, 2000,12(4):525-533.

　　[7]John De Poorter, MSc, Carlos De Wagter,et al. Noninvasive MRI thermometry with the proton resonance frequency (PRF) method: in vivo results in human muscle[J]. Magnetic Resonance in Medicine, 2005, 33(1): 74-81.

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