基于質(zhì)子共振頻率MR溫度成像監(jiān)控高強度聚焦超聲治療

彭玉紅綜述，李發(fā)琪審校

(重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 省部共建國家重點實驗室培育基地—重慶市超聲醫(yī)學(xué)工程重點實驗室重慶市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重點實驗室 重慶市微無創(chuàng)醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 400016)

綜述

基于質(zhì)子共振頻率MR溫度成像監(jiān)控高強度聚焦超聲治療

彭玉紅綜述，李發(fā)琪*審校

(重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 省部共建國家重點實驗室培育基地—重慶市超聲醫(yī)學(xué)工程重點實驗室重慶市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重點實驗室 重慶市微無創(chuàng)醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 400016)

高強度聚焦超聲(HIFU)作為一種熱消融療法，在治療過程中需有良好的監(jiān)控和實時精確的測溫技術(shù)以保證治療的安全性和有效性。MR溫度成像通過具有溫度敏感的參數(shù)進行測溫，如弛豫時間、質(zhì)子共振頻率(PRF)、擴散系數(shù)、磁化矢量轉(zhuǎn)移等，無創(chuàng)且無輻射，并可實時三維成像。其中，由于質(zhì)子共振頻率(PRF)對溫度具有良好的線性度，且與組織類型不相關(guān)?；赑RF的MR溫度成像成為中高場強(≥1T)系統(tǒng)應(yīng)用的首選，在低場強系統(tǒng)中也有應(yīng)用。本文對PRF MR溫度成像的基本原理及其在監(jiān)控HIFU治療方面的研究進展進行綜述。

高強度聚焦超聲消融術(shù)；磁共振溫度成像；質(zhì)子共振頻率

高強度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound, HIFU)是一種新興的消融治療方式，已被用于前列腺癌、子宮肌瘤、肝癌、轉(zhuǎn)移性骨腫瘤等各類良惡性腫瘤的治療[1]。HIFU治療的主要機制為熱機制，即通過組織對體外超聲波的吸收，將聲能轉(zhuǎn)換為熱能，使靶區(qū)溫度瞬間上升至60℃以上，從而產(chǎn)生不可逆的凝固性壞死[2]。與此同時，需保證其周圍健康組織的溫度維持在安全范圍。因此，治療過程中良好的監(jiān)控及實時精確的測溫對保證治療的安全性和有效性至關(guān)重要。

目前用于活體測溫的影像技術(shù)主要是超聲、MRI等。與超聲相比，MRI具有圖像分辨率高、成像質(zhì)量好、測溫精準等優(yōu)點。MR測溫被認為是最具發(fā)展前景的無創(chuàng)活體測溫技術(shù)之一。MR引導(dǎo)高強度聚焦超聲(MR guided high intensity focused ultrasound, MRgHIFU)是一種新型的無創(chuàng)監(jiān)控及治療方式。在HIFU治療過程中，通過MRI圖像可準確定位病變區(qū)域，還可根據(jù)組織的溫度分布圖及時調(diào)節(jié)所要投放的熱劑量。MR測溫的關(guān)鍵在于測溫精度和時空分辨率。目前有關(guān)MR測溫的技術(shù)研究主要集中在中高場MRI系統(tǒng)，而低場MRI系統(tǒng)研究較少。且在眾多基于MR的測溫方法中，質(zhì)子共振頻率(proton resonance frequency, PRF)測溫可在一較大溫度范圍內(nèi)提供信號與溫度的極優(yōu)線性度，且與組織類型不相關(guān)，尤其在中高場強下測溫表現(xiàn)良好。因此，基于PRF的測溫方法成為MR測溫應(yīng)用的首選，同樣也適用于HIFU治療過程的溫度監(jiān)控。本文介紹PRF MR溫度成像的基本原理及其在監(jiān)控HIFU治療方面的研究進展。

1 基于PRF的MR溫度成像原理

PRF法主要是基于1H核的化學(xué)位移會隨溫度的變化而改變，進而導(dǎo)致MRI信號產(chǎn)生相位移。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，水質(zhì)子的共振頻率會發(fā)生改變，且在一定的溫度范圍內(nèi)(-15 ℃～100 ℃)呈線性關(guān)系，據(jù)此利用MRI測量溫度。

根據(jù)拉莫爾定律：

ω0=γB0

(1)

式中的γ為旋磁比，B0為外部宏觀主磁場強度。但質(zhì)子的共振頻率與局部磁場相關(guān)。由于水分子中的電子核屏蔽效應(yīng)，質(zhì)子經(jīng)過的局部磁場B1較外部宏觀主磁場強度B0略小。該磁場導(dǎo)致的屏蔽效應(yīng)可表示為：

B1=(1-σ)B0

(2)

式中的σ表示屏蔽常數(shù)。質(zhì)子的共振頻率ω1可根據(jù)拉莫爾方程進行計算：

ω1=γB1=(1-σ)γB0

(3)

當(dāng)溫度升高時，質(zhì)子的電子屏蔽效應(yīng)增強。隨溫度變化的屏蔽常數(shù)可用一個簡單的線性關(guān)系描述：

Δσ(T)=αT

(4)

式中的α為屏蔽常數(shù)的溫度系數(shù)，約為-0.01 ppm/℃。

隨溫度增加的屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致局部磁場強度減小，并因此產(chǎn)生一個減小的PRF。水質(zhì)子共振頻率降低，采用梯度回波(gradient echo, GRE)序列即可通過計算加熱區(qū)域相位的變化得到質(zhì)子共振頻率的變化，相位變化的大小與TE呈正相關(guān)[3]。溫度變化ΔT(t)與相位差的關(guān)系可表示為：

(5)

其中Φ(t)和Φ0分別為當(dāng)前圖像(加熱后)和參考圖像(加熱前)的相位。如參考溫度T0已知，那么當(dāng)前溫度T(t)可通過公式計算獲得：

T(t)=T0+ΔT(t)

(6)

2 基于PRF MR溫度成像監(jiān)控HIFU治療的研究進展

PRF測溫的常規(guī)實現(xiàn)方法通常采用GRE成像序列，并利用得到的相位圖像信息表示溫度的空間分布。由于GRE脈沖序列的簡單性和相對較高的溫度敏感性，其在PRF溫度成像中最常見。此外，螺旋序列可單獨優(yōu)化分辨率、速度及精度。近年來出現(xiàn)的回波平面成像(echo planar imaging, EPI)由于其成像速度極快、分辨率較GRE更高，也在更快速和精確的PRF溫度成像中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2.1 在超導(dǎo)MRI系統(tǒng)下的研究 目前相關(guān)技術(shù)研究主要集中在超導(dǎo)MRI系統(tǒng)(1.5T、3.0T)。超導(dǎo)MRI系統(tǒng)具有成像質(zhì)量高、測溫精度高、信噪比高等優(yōu)點，可在HIFU治療過程中提供更加準確可靠的溫度圖像信息。Cornelis等[4]通過超導(dǎo)MRI系統(tǒng)引導(dǎo)HIFU輻照活體豬腎，基于PRF MR測溫，結(jié)果表明生物組織熱傳導(dǎo)理論模型與實驗得到的吸收率、熱擴散系數(shù)和灌注率基本一致。Roujol等[5]提出一種有效計算二維運動補償PRF測溫及在腹部運動器官熱劑量測量的方法，利用帶有EPI序列的掃描系統(tǒng)進行動態(tài)MR溫度成像，實現(xiàn)對腹部器官介入引導(dǎo)的實時MR測溫和劑量測量。Holbrook等[6]提出一種用于監(jiān)控HIFU消融治療的高分辨率和高速脈沖序列，并以3.0T MR掃描系統(tǒng)測試，結(jié)果表明該序列可在高幀速率下產(chǎn)生高分辨率溫度圖像，且能夠?qū)Ω闻K進行實時MR測溫。Lam等[7]提出一種用于腹壁肌肉和脂肪層表面的基于PRF位移的多梯度回波MR測溫方法，通過1.5T MR掃描系統(tǒng)獲取圖像，可從溫度測量中估計冷卻時間常數(shù)。

然而，高場下基于PRF測溫在技術(shù)上還存在較多的問題，如脂肪質(zhì)子的存在、磁場的漂移、磁化率的變化及運動偽影等的干擾下，其測溫精度和時空分辨率具有一定的局限性。隨著HIFU技術(shù)的進一步成熟，MR快速成像和超高速成像技術(shù)的發(fā)展，針對這些干擾因素，近年來有學(xué)者[8]提出減小高場下MRI引導(dǎo)HIFU治療測溫誤差的改良方法。Shmatukha等[9]提出一種使用脂肪信號修正磁場干擾的方法。Salomir等[10]描述了無參考PRF位移MR測溫技術(shù)，該方法可緩解由于組織運動產(chǎn)生的偽影及磁場干擾的影響。Marx等[11]提出一種高帶寬PRF位移多回波測溫技術(shù)，采用螺旋采樣權(quán)衡分辨率、速度及測量精度。Marx等[12]提出一種用MASTER序列進行體積MR測溫的新技術(shù)，可提高梯度回波多層面MR測溫的速度和精度。

2.2 在低場MRI系統(tǒng)下的研究 目前由于超導(dǎo)MRI系統(tǒng)仍存在一些限制，如儀器昂貴、運行和維護費用高等，且超導(dǎo)系統(tǒng)主要應(yīng)用于臨床診斷，開放性小，不利于HIFU在治療過程中實施監(jiān)控。此外，在高場和超高場下，由于人體組織的相互電磁作用，可能會對患者產(chǎn)生安全性問題。而低場系統(tǒng)設(shè)備價格低廉、維護費用低、開放度高，便于實施術(shù)中監(jiān)控。然而低場系統(tǒng)也存在信噪比低、成像速度慢及圖像質(zhì)量低等缺點。但隨著技術(shù)的發(fā)展，低場系統(tǒng)在成像技術(shù)上已有較大的改進，因此基于低場MRI系統(tǒng)的測溫研究也取得了一定的進展。Rieke等[13]提出一種在低場下基于PRF的MR溫度測量中可減小由于脂肪所引起的測溫誤差的回波組合方法。Vogl等[14]在0.2T磁場強度下，應(yīng)用快速MR序列評估體外激光誘導(dǎo)熱療測量的溫度精度和時間分辨率。李大為[15]對低場MRI導(dǎo)引的HIFU超聲系統(tǒng)進行研究，利用組織的溫度與PRF化學(xué)位移之間的關(guān)系進行MRI測溫，通過測量GRE序列的相位改變值(ΔΦ)估計相應(yīng)的溫度變化(ΔT)[16]。

2.3 臨床應(yīng)用MRgHIFU已經(jīng)用于子宮肌瘤的臨床治療，并應(yīng)用于腎臟腫瘤的研究[17-18]及原發(fā)性肝癌和胰腺癌的臨床研究[19-20]。此外，MRgHIFU治療子宮肌瘤及治療骨轉(zhuǎn)移瘤已分別獲得美國和歐盟相關(guān)機構(gòu)的批準[21]。目前用于臨床治療的MRgHIFU系統(tǒng)主要是重慶海扶醫(yī)療科技股份有限公司與Siemens公司合作研發(fā)的JM2.5CHIFU系統(tǒng)，也有Insightec-Txsonics公司與GE公司合作研發(fā)的Exablat系統(tǒng)。

由于PRF位移對溫度具有良好的線性度，且與組織類型不相關(guān)，在臨床主要采用PRF位移MR測溫法監(jiān)控HIFU治療。2003年Tempany等[22]報道采用MRgHIFU治療設(shè)備進行子宮肌瘤的臨床治療試驗，基于PRF位移溫度成像監(jiān)控HIFU治療，結(jié)果表明MRgHIFU治療子宮肌瘤安全可行。Voogt等[23]評估體積MRgHIFU消融子宮肌瘤的安全性和可行性，采用PRF位移MR測溫技術(shù)監(jiān)控加熱區(qū)域，結(jié)果也表明體積MRgHIFU消融子宮肌瘤安全、可行。而Deckers等[24]采用MRgHIFU系統(tǒng)消融乳腺腫瘤，結(jié)果顯示其具有較好精度的消融結(jié)果。

3 小結(jié)與展望

基于PRF的MR測溫可為HIFU治療提供實時的溫度監(jiān)控，可根據(jù)組織的溫度分布信息及時調(diào)節(jié)所要投放的熱劑量，既有利于保證病變區(qū)域產(chǎn)生凝固性壞死，同時又可防止過渡加熱對周圍正常組織的損傷，是一項有發(fā)展前景且安全有效的無創(chuàng)測溫技術(shù)。

[1] Kim YS. Advances in MR image-guided high-intensity focused ultrasound therapy. Int J Hyperthermia， 2015,31(3):225-232.

[2] Wu F, Chen WZ, Bai J, et al. Pathological changes in human malignant carcinoma treated with high-intensity focused ultrasound. Ultrasound Med Biol， 2001，27(8):1099-1106.

[3] Zou C, Shen H, He M, et al. A fast referenceless PRFS-based MR thermometry by phase finite difference. Phys Med Biol, 2013,58(16):5735-5751.

[4] Cornelis F, Grenier N, Moonen CT, et al. In vivo characterization of tissue thermal properties of the kidney during local hyperthermia induced by MR-guided high-intensity focused ultrasound. NMR Biomed, 2011,24(7):799-806.

[5] Roujol S, Ries M, Quesson B, et al. Real-time MR-thermometry and dosimetry for interventional guidance on abdominal organs. Magnet Reson Med, 2010,63(4):1080-1087.

[6] Holbrook AB, Santos JM, Kaye E, et al. Real-time MR thermometry for monitoring HIFU ablations of the liver. Magnet Reson Med, 2010,63(2):365-373.

[7] Lam MK, de Greef M, Bouwman JG, et al. Multi-gradient echo MR thermometry for monitoring of the near-field area during MR-guided high intensity focused ultrasound heating. Phys Med Biol, 2015,60(19):7729-7746.

[8] 劉莉莉.基于磁共振溫度成像的HIFU治療熱劑量研究.重慶：重慶醫(yī)科大學(xué),2009：13-51.

[9] Shmatukha AV, Harvey PR, Bakker CJ. Correction of proton resonance frequency shift temperature maps for magnetic field disturbances using fat signal. J Magn Reson Imaging, 2007,25(3):579-587.

[10] Salomir R, Viallon M, Kickhefel A, et al. Reference-free PRFS MR-thermometry using near-harmonic 2-D reconstruction of the background phase. IEEE Trans Med Imaging, 2012,31(2):287-301.

[11] Marx M, Butts Pauly K. Improved MRI thermometry with multiple-echo spirals. Magn Reson Med, 2016,76(3):747-756.

[12] Marx M, Plata J, Pauly KB. Toward volumetric MR thermometry with the MASTER sequence. IEEE Trans Med Imaging, 2015,34(1):148-155.

[13] Rieke V, Butts Pauly K. Echo combination to reduce proton resonance frequency (PRF) thermometry errors from fat. J Magn Reson Imaging, 2008,27(3):673-677.

[14] Vogl TJ, Huebner F, Naguib NN, et al. MR-based thermometry of laser induced thermotherapy: Temperature accuracy and temporal resolution in vitro at 0.2 and 1.5 T magnetic field strengths. Lasers Surg Med, 2012,44(3):257-265.

[15] 李大為.低場永磁MRI導(dǎo)引高強度聚焦超聲消融系統(tǒng)的研究.聲學(xué)技術(shù)，2014,33(4):326-330.

[16] Ding YY, Wu PX. MRI non-invasive temperature measurement application in high intensity focused ultrasound tumor therapy. Modern J Integrated, 2011,20(33):4316-4318.

[17] Quesson B, Laurent C, Maclair G, et al. Real-time volumetric MRI thermometry of focused ultrasound ablation in vivo: A feasibility study in pig liver and kidney. NMR Biomed, 2011,24(2):145-153.

[19] Okada A, Murakami T, Mikami K, et al. A case of hepatocellular carcinoma treated by MR-guided focused ultrasound ablation with respiratory gating. Magn Reson Med Sci, 2006,5(3):167-171.

[21] 江云,龔蘭.治療性超聲技術(shù)的臨床應(yīng)用進展.中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2016,32(1):150-153.

[22] Tempany CM, Stewart EA, McDannold N, et al. MR imaging-guided focused ultrasound surgery of uterine leiomyomas: A feasibility study. Radiology, 2003,226(3):897-905.

[23] Voogt MJ, Trillaud H, Kim YS, et al. Volumetric feedback ablation of uterine fibroids using magnetic resonance-guided high intensity focused ultrasound therapy. Eur Radiol, 2011,22(2):411-417.

[24] Deckers R, Merckel LG, Denis de Senneville B, et al. Performance analysis of a dedicated breast MR-HIFU system for tumor ablation in breast cancer patients. Phys Med Biol, 2015,60(14):5527-5542.

MR temperature mapping based on proton resonance frequency for monitoring high-intensity focused ultrasound therapy

PENGYuhong,LIFaqi*

(CollegeofBiomedicalEngineering,ChongqingMedicalUniversity;KeyLaboratoryofUltrasoundEngineeringinMedicineCo-foundedbyChongqingandtheMinistryofScienceandTechnology;ChongqingKeyLaboratoryofBiomedicalEngineering;ChongqingCollaborativeInnovationCenterforMinimally-InvasiveandNoninvasiveMedicine,Chongqing400016,China)

As a kind of thermal ablation therapy, high-intensity focused ultrasound (HIFU) can achieve more satisfied safety and efficacy of the treatment with excellent monitoring and real-time accurate temperature measurement technology during the therapy. Temperature measurement is feasible with MRI based on temperature sensitive parameters, such as relaxation times, proton resonance frequency (PRF), diffusion coefficient and magnetization transfer. MRI temperature measurement technique is noninvasive and non-ionizing radiation, and also capable for real-time three-dimensional imaging. Among these temperature sensitive parameters, PRF has excellent linearity of temperature. Moreover， PRF is independent of tissue type. PRF based phase mapping methods is the preferred choice for medium and high field strength (≥1T) applications. It is also used for low-field MR system. The rationale of MR temperature mapping and the progresses of MR temperature mapping for monitoring HIFU treatment based on PRF technology were reviewed in this article.

High-intensity focused ultrasound ablation; Magnetic resonance temperature mapping; Proton resonance frequency

國家自然科學(xué)基金(81127901、11574039、11274404)。

彭玉紅(1993-)，女，江西贛州人，在讀碩士。研究方向：低場磁共振溫度成像監(jiān)控高強度聚焦超聲治療。

E-mail: 18983762017@163.com

李發(fā)琪，重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院省部共建國家重點實驗室培育基地—重慶市超聲醫(yī)學(xué)工程重點實驗室 重慶市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重點實驗室 重慶市微無創(chuàng)醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，400016。E-mail: lifaqi70@163.com

2016-08-31

2017-01-08

10.13929/j.1003-3289.201608138

R445.1; R445.2

A

1003-3289(2017)04-0612-04