磁共振測溫用于椎體腫瘤熱療的可行性研究

陳碩　宋光澤　陳飛宇　史欣未　陳秉耀　韋興　應(yīng)葵

.臨床研究與實踐 Clinical research and practice.

磁共振測溫用于椎體腫瘤熱療的可行性研究

陳碩宋光澤陳飛宇史欣未陳秉耀韋興應(yīng)葵

目的 對磁共振測溫在椎體環(huán)境不同組織中測溫的難點初步分析。方法 在 3 T Phillips 磁共振儀器中，分別采集 T1、T2圖像，根據(jù)椎體腫瘤熱療的臨床需求，結(jié)合解剖圖分割出手術(shù)關(guān)心的區(qū)域；再用 PRF （proton resonance frequency）和譜估計兩種方法分別對含水較多和水脂混合的組織區(qū)域進行溫度測量，并以肌肉區(qū)域的溫度對其余區(qū)域作場漂修正。結(jié)果 在重點關(guān)注區(qū)域中，分別選取 80～300 個像素點，對于PRF 方法，脊髓和椎間盤的溫度誤差平均值均＜0.2 ℃，溫度標準差＜1.5 ℃；主動脈和上下腔靜脈的溫度誤差平均值在 0.9 ℃～1.8 ℃，標準差＜1.7 ℃；椎體部分的溫度誤差平均值約 0.9 ℃，但標準差接近 12 ℃；對于譜估計方法，在水脂混合的椎體部分，溫度標準差仍＞12 ℃。結(jié)論 磁共振測溫在含水較多、均勻且流動較少的組織脊髓和椎間盤測溫效果較好，在主動脈和靜脈血管里的血液的溫度因血液流動的干擾而難以用磁共振直接測得，椎體內(nèi)由松質(zhì)骨所引起的磁化率干擾會給磁共振測溫帶來較大偏差。

磁共振；骨腫瘤；溫度感應(yīng)；脊柱腫瘤；透熱療法；高溫，誘發(fā)

近年來，椎體腫瘤發(fā)病患者越來越多，正嚴重地威脅著人類的健康和壽命［1］。椎體腫瘤周圍的局部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有脊髓、神經(jīng)根、主動脈、上（下）腔靜脈等重要結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的損傷會導(dǎo)致非常嚴重甚至致命的后果，也給腫瘤切除手術(shù)帶來了極大的困難，使得腫瘤邊界難以被有效切除。盡管全椎體整塊切除可以到達腫瘤邊緣、提高腫瘤的局部控制率［2］，但該手術(shù)難度及創(chuàng)傷較大，手術(shù)時間長、出血多，且可能導(dǎo)致一些嚴重的并發(fā)癥，如內(nèi)植物失敗及深部感染等。而對間室外的腫瘤，即便用全椎體整塊切除仍有相當比例只能獲得邊緣或囊內(nèi)切除［3］。

一種可替代的椎體腫瘤治療方式是以射頻、聚焦超聲、微波和激光消融為代表的介入熱療［4］。將腫瘤熱消融與開放減壓內(nèi)固定手術(shù)相結(jié)合，可同時實現(xiàn)神經(jīng)減壓、脊柱穩(wěn)定和腫瘤消融的目的［5］。該方法在手術(shù)創(chuàng)傷、時間及術(shù)中出血等方面都優(yōu)于全椎體切除手術(shù)。該方法目前主要的問題是：在腫瘤區(qū)達到足夠的熱消融溫度和熱消融范圍的同時，如何保證腫瘤周圍的重要結(jié)構(gòu)不受到熱損害？

為確保該技術(shù)的有效性和安全性，就必須在手術(shù)過程中對腫瘤區(qū)域進行實時的溫度監(jiān)控。磁共振溫度成像 （magnetic resonance temperature mapping）利用水質(zhì)子共振頻率 （proton resonance frequency，PRF）或縱向弛豫時間 （T1）等參數(shù)與溫度的相關(guān)性來進行溫度測量，相比于其它測溫方式，有著溫度敏感性高，適用于多種生物組織，可同時得到高分辨率解剖圖像和溫度圖像等優(yōu)點，在手術(shù)過程中可有效地為醫(yī)生提供導(dǎo)航［6］。

本研究首先對椎體局部環(huán)境進行了組織劃分與成分分析，并選取適當?shù)拇殴舱駵y溫方法。然后設(shè)計了 2 次人體實驗，對不同年齡的健康女性分別用單回波和多回波序列進行掃描，并分析各部位的測溫結(jié)果。以此結(jié)果對磁共振在椎體部位的測溫難點進行分析。

資料與方法

一、磁共振測溫方法

根據(jù)對組織成分的分析，本研究選用兩種基于PRF 的方法進行磁共振測溫，包括 PRF 方法和以脂肪為內(nèi)在參考的譜估計方法。

1. PRF 方法：原子核在磁場中的共振頻率與其感受到的磁場強度成正比，該磁場強度由主磁場 B0和核外電子屏蔽作用共同決定。在水分子中，氫核核外電子屏蔽作用的大小與氫鍵的強弱有關(guān)，而氫鍵的強弱在一定溫度范圍內(nèi) （20 ℃～80 ℃）與溫度存在線性依賴關(guān)系，因此溫度變化可通過氫核共振頻率的改變量來確定。在單梯度回波序列下回波時間 TE為固定值，通過不同圖像幀之間的相位差 ΔΦ可替代頻率差，以反映溫度變化值：

其中 γ 為旋磁比，α 為溫度系數(shù) （常用值為-0.01 ppm / ℃）。

2. 以脂肪為內(nèi)在參考的譜估計方法：PRF 方法用不同幀的圖像相減，容易受到運動、場漂等因素的干擾。一種改進方式是用周圍無溫度變化區(qū)域的相位進行插值，得到溫度變化區(qū)的背景參考相位。另一種方式則是用對溫度不敏感的脂肪質(zhì)子頻率作為參考頻率，得到同像素點的 PRF 變化量，從而計算出溫度變化。該方法需通過多回波序列得到同一時間點的多幅圖像，然后利用現(xiàn)代譜估計的方法計算出 PRF f水和脂肪質(zhì)子共振頻率 f脂，并由其頻率差反映出溫度值：

其中 β 可由未加熱時的圖像標定得到。

由于不同年齡段椎體骨髓的脂肪含量有明顯區(qū)別，本研究選取 21 歲的年輕女性和 49 歲的中年女性作為實驗對象。兩個實驗均在一臺飛利浦 3 T 的磁共振掃描儀 （Philips Healthcare，Best，Netherland）上完成。

二、實體測溫

實驗 1：21 歲健康女性 （A 組）：實驗選用 15通道脊柱線圈 （SENSE-Spine-15）。Griffith 等［7］報告，年輕女性椎體骨髓的脂肪含量約為 27.5%，因此選擇 PRF 方法對應(yīng)的 FFE 序列進行數(shù)據(jù)采集。圖像采集參數(shù)如下：TE 10 ms，TR 140 ms，Acqusition BW 402 Hz，F(xiàn)lip Angle 30°，F(xiàn)OV 200×200 mm2，Slice thickness 4 mm，Voxel size 0.81×1.00 mm2，number of frames 5。

實驗 2：49 歲健康女性 （B 組）：從實驗 1 的結(jié)果 （表1）中可以看出，由于椎體部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在脂肪、松質(zhì)骨等干擾組織，PRF 方法在該部位測溫存在較大誤差。而水脂按一定比例混合正是譜估計方法適合的模型，因此本研究選取了脂肪比例更高的中年女性作為實驗對象。將采集序列修改為mFFE，同時圖像采集參數(shù)修改如下：TE0 2.40 ms，ΔTE 1.8 ms，TR 151 ms，Acqusition BW 1439.1 Hz，F(xiàn)lip Angle 40°，F(xiàn)OV 120 mm×120 mm，Slice thickness 5 mm，Voxel size 1.60 mm×1.59 mm。

表1 脊柱部位橫斷面不同 ROI 的溫度計算結(jié)果 （℃）Tab.1 Temperature of the ROI in different sections of the spine （℃）

結(jié)　果

A 組數(shù)據(jù)處理分析過程中，先將多通道信號按平方和 （sum of square，SOS）的方法進行合并，以第一幀圖像作為參考圖像來計算相位差，從而計算得到溫度差 （圖1）。從橫斷面不同層的溫度結(jié)果來看，磁共振測溫在脊髓、椎間盤 （圖1 上圖中心）、肌肉組織和主要血管處都能取得較為均勻的結(jié)果，但在椎體部位 （圖1 下圖中心）效果較差。由于肌肉組織不是熱療過程中需要關(guān)注溫度的區(qū)域 （region of interest，ROI），因此可將其不同幀的溫度變化用于對磁場漂移干擾因素的修正。對椎體、脊髓等ROI，以及肌肉和椎間盤組織各選取 80～300 個像素點，計算其溫度平均值和標準差，并得到修正場漂后的溫度均值 （結(jié)果如表1）。在重點關(guān)注區(qū)域中，脊髓、主動脈和上下腔靜脈的標準差均＜1.7 ℃，但血管溫度平均值在修正后仍存在一定偏差。另外，椎體連接處的椎間盤的標準差＜1.5 ℃。

B 組數(shù)據(jù)分析過程中，先將不同線圈信號合并，得到一個時間幀的 16 個回波信號，然后利用現(xiàn)代譜估計 Prony 方法計算出椎體部位的溫度圖。如圖2 所示，椎體部位在第 5 個回波后信噪比 （signal to noise ratio，SNR）就很差了，使得功率譜估計存在較大誤差，得到溫度圖的結(jié)果較差 （標準差為 12.61 ℃）。

圖1 脊柱部位不同層橫斷面溫度圖a：椎間盤；b：椎體圖2 a：mFFE 不同回波圖像；b：譜估計方法溫度圖像Fig.1 Image of temperature in spine sections （Intervertebral disc，up； vertebra body， down）Fig.2 Images of mFFE with different echo （a）. Image of temptation by spectrum estimation method （b）

討　論

一、椎體局部環(huán)境組織分析

根據(jù)生物傳熱學(xué)中經(jīng)典的 Pennes 方程［8］，腫瘤熱療方案的選擇與組織對熱量的吸收率、傳導(dǎo)率及血液的灌注量等參數(shù)有著重要依賴關(guān)系。同時，磁共振測溫方法對組織成分也有一定要求：PRF 方法適合含水較多的組織［9］、T1方法適合含脂肪較多的組織［10］、以脂肪為內(nèi)在參考的方法則需要組織具有適當?shù)乃壤?1］。因此，了解椎體局部環(huán)境的組織成分非常重要。

椎體局部環(huán)境可分為幾個部分：椎體、脊髓、血管和肌肉；對于腫瘤患者還有腫瘤區(qū)。椎體內(nèi)主要成分是黃骨髓 （含脂肪較多）、紅骨髓 （含水較多）和松質(zhì)骨，正常人的椎體骨髓中脂肪含量隨著年齡的增加而逐漸升高 （約 20%～70%）［7］。腫瘤區(qū)內(nèi)主要是含水較多的腫瘤細胞。脊髓的主要成分是灰質(zhì)和白質(zhì)，灰質(zhì)內(nèi)主要含運動細胞和感覺細胞，而白質(zhì)內(nèi)是大量的神經(jīng)纖維，這些細胞內(nèi)都富含水。同樣的，肌肉組織主要富含水的肌肉細胞組成，而血管中的血液主要成分是水，因此脊髓、肌肉和血管中都含水較多。

在腫瘤熱療過程中的 ROI 有：熱療對象腫瘤所在的椎體區(qū)域 （圖3 藍色框內(nèi)），主要保護對象脊髓 （圖3 綠色框內(nèi)）、神經(jīng)根和血管 （圖3 紅色框內(nèi)）等。從正常人的解剖圖與磁共振圖像的對比（圖3）［12］中可以看出，因受分辨率和組織對比度的限制，在磁共振圖像中可以區(qū)分出椎體、脊髓、主動脈和上下腔靜脈等重要組織，但無法分辨出神經(jīng)根。因此在下面實驗中，主要關(guān)注椎體、脊髓和主要血管的測溫。

圖3 a～b：脊柱解剖圖［12］；c～d：MRI T1w 圖像；e～f：T2w 圖像對比Fig.3 Spinal anatomy［12］（a， b）， MRI T1w （c， d）and T2w image （e， f）

二、共振溫度成像用于椎體腫瘤熱療中的可行性

由于此次研究目的僅在于難點研究與可行性分析。本研究首先根據(jù)腫瘤熱療中所關(guān)注的區(qū)域進行組織劃分與成份分析，然后基于組織成份選取了 PRF和譜估計這兩種磁共振測溫方法。考慮到椎體內(nèi)組織成份比例隨年齡有較大變化，本研究選取 21 歲和49 歲兩名健康女性分別用單回波和多回波序列進行了磁共振掃描，并對不同部位進行溫度計算。

從實驗 1 的結(jié)果可知，在熱療關(guān)注區(qū)域中，脊髓、主動脈和上下腔靜脈都可以得到標準差較小的相對溫度結(jié)果，但血管內(nèi)由血液運動造成的相位變化會帶來溫度估計上的偏差。而椎體部位由于脂肪和磁化率等因素的干擾，難以得到精準溫度。因此僅有脊髓可以直接通過 PRF 方法得到溫度圖像。另外，ROI 周圍的椎間盤和肌肉組織均可以得到較為精確的相對溫度，肌肉所得溫度可用于場漂修正，而椎間盤的溫度則可用于插值外推。

由于譜估計方法相比于 PRF 方法的最大優(yōu)勢在于能夠去除脂肪、場漂等因素的干擾，因此在實驗 2 重點分析了椎體部位的測溫情況。從實驗結(jié)果中可以看出，磁化率所造成的場不均勻性大大減小了信號的有效橫向弛豫時間 T2*值 （主磁場 B0 無法達到絕對的均勻，因為氫原子旋轉(zhuǎn)頻率與 B0 的強度相關(guān)，不均勻的 B0 就會導(dǎo)致不同位置的氫原子旋轉(zhuǎn)頻率不一樣，因此氫原子的旋轉(zhuǎn)就會不同步，這樣就加速了Mxy 的衰減，這個衰減也是指數(shù)衰減，其時間常數(shù)為 T2*），使信號快速衰減，從而即便是用不受脂肪干擾的譜估計方法也難以得出精準溫度。

三、共振溫度成像在椎體腫瘤熱療中的應(yīng)用中的難點

共振溫度成像用于椎體腫瘤熱療有 3 個難點：（1）主動脈血管里的血液的溫度因血液流動的干擾而難以用磁共振直接測得；（2）椎體內(nèi)由松質(zhì)骨所引起的磁化率干擾會給磁共振測溫帶來較大偏差；（3）最后由于熱療過程中需要溫度的實時反饋，射頻、微波和激光等作為熱源的介入式熱療需在開放式磁共振儀器里做手術(shù)，這時手術(shù)儀器的磁兼容性也會成為一個必須面對的難題。

盡管磁共振測溫在椎體腫瘤熱療應(yīng)用中存在諸多困難，在多個關(guān)注區(qū)域僅能直接得到脊髓的溫度，但仍不可輕易否定其潛在的可能性。2010 年有學(xué)者提出運用分子間多量子相干的方法來進行磁共振溫度測量［13］，該方法能有效消除磁化率在溫度測量中的干擾，其目前的主要局限性在于成像速度較慢、信噪比較低，如果能對該方法速度的成像質(zhì)量進行一定優(yōu)化，則有可能實現(xiàn)在椎體部位的直接測溫。另外，有研究者通過建立椎體局部環(huán)境的有限元模型，來對椎體骨腫瘤熱療進行溫度預(yù)測與手術(shù)方案提供［14］。該方法在生物熱傳導(dǎo)模型的建立過程中，僅通過熱電偶提供幾個關(guān)鍵點的溫度，如果能將磁共振所測得二維甚至三維的溫度融入到生物熱傳導(dǎo)模型中，也許可以有效提高模型預(yù)測溫度的精確性。

本研究僅為對磁共振測溫在椎體骨腫瘤熱療應(yīng)用中的初步嘗試，磁共振測溫序列參數(shù)還能進一步優(yōu)化和修改，以提高測溫的精度和速度。對磁共振所測溫度是否能融入到生物熱傳導(dǎo)模型中，也仍需要進一步探究。

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（本文編輯：李貴存）

A feasibility study of MR thermometry in vertebra tumor thermotherapy

CHEN Shuo， SONG Guang-ze， CHEN Fei-yu， SHI Xin-wei， CHEN Bing-yao， WEI Xing， YING Kui. Particle Technology and Radiation Imaging Laboratory，Department of Engineering Physics， Qinghua Uviversity， Beijing， 100084， PRC

WEI Xing， Email： wxing304@hotmail.com

ObjectiveTo analyze diffculties of temperature measuring by MR thermometry in different types of tissues near vertebra. MethodRegions of interest （ROI）were segmented into several parts based on clinical needs and T1/ T2maps were acquired in a 3T Phillips scanner. Proton Resonance Frequency （PRF）and spectrum estimation were used separately to measure the temperature in water-domain and water-fat mixed tissues， with feld drift correction using muscles as background tissues. ResultsEighty-three hundred pixels were chosen in each ROI for PRF method. The mean error value of the spinal cord and intervertebral disk was below 0.2 ℃， and the standard deviation was below 1.5 ℃. The mean error value of the aorta and vena cava was 0.9 ℃-1.8 ℃， while the standard deviation was below 1.7 ℃. The mean error value of the vertebra was around 0.9 ℃， while the standard deviation was near 12 ℃. The standard deviation of the vertebra water-fat mixed region was still above 12 ℃ by using spectrum estimation method. ConclusionsMR thermometry nas good performances in regions of water-domain and less blood fow， while the blood fow in aorta and vena caca can induce disturbances in temperature measuring. Susceptibility caused by cancellous bone can also bring errors into temperature results.

Magnetic resonance imaging；Bone neoplasms；Thermosensing；Spinal neoplasms diathermy；Hyperthermia， induced

10.3969/j.issn.2095-252X.2015.11.015

R738.1

100084北京，清華大學(xué)工程物理系粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點實驗室 （陳碩、應(yīng)葵），清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 （陳飛宇、史欣未）；100048北京，解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院骨科，北京市骨科植入醫(yī)療器械工程技術(shù)研究中心 （宋光澤、陳秉耀、韋興）

韋興，Email： wxing304@hotmail.com

2015-01-29）