磁共振测温用于椎体肿瘤热疗的可行性研究

陈硕　宋光泽　陈飞宇　史欣未　陈秉耀　韦兴　应葵

.临床研究与实践 Clinical research and practice.

磁共振测温用于椎体肿瘤热疗的可行性研究

陈硕宋光泽陈飞宇史欣未陈秉耀韦兴应葵

目的 对磁共振测温在椎体环境不同组织中测温的难点初步分析。方法 在 3 T Phillips 磁共振仪器中，分别采集 T1、T2图像，根据椎体肿瘤热疗的临床需求，结合解剖图分割出手术关心的区域；再用 PRF （proton resonance frequency）和谱估计两种方法分别对含水较多和水脂混合的组织区域进行温度测量，并以肌肉区域的温度对其余区域作场漂修正。结果 在重点关注区域中，分别选取 80～300 个像素点，对于PRF 方法，脊髓和椎间盘的温度误差平均值均＜0.2 ℃，温度标准差＜1.5 ℃；主动脉和上下腔静脉的温度误差平均值在 0.9 ℃～1.8 ℃，标准差＜1.7 ℃；椎体部分的温度误差平均值约 0.9 ℃，但标准差接近 12 ℃；对于谱估计方法，在水脂混合的椎体部分，温度标准差仍＞12 ℃。结论 磁共振测温在含水较多、均匀且流动较少的组织脊髓和椎间盘测温效果较好，在主动脉和静脉血管里的血液的温度因血液流动的干扰而难以用磁共振直接测得，椎体内由松质骨所引起的磁化率干扰会给磁共振测温带来较大偏差。

磁共振；骨肿瘤；温度感应；脊柱肿瘤；透热疗法；高温，诱发

近年来，椎体肿瘤发病患者越来越多，正严重地威胁着人类的健康和寿命［1］。椎体肿瘤周围的局部结构非常复杂，有脊髓、神经根、主动脉、上（下）腔静脉等重要结构。这些结构的损伤会导致非常严重甚至致命的后果，也给肿瘤切除手术带来了极大的困难，使得肿瘤边界难以被有效切除。尽管全椎体整块切除可以到达肿瘤边缘、提高肿瘤的局部控制率［2］，但该手术难度及创伤较大，手术时间长、出血多，且可能导致一些严重的并发症，如内植物失败及深部感染等。而对间室外的肿瘤，即便用全椎体整块切除仍有相当比例只能获得边缘或囊内切除［3］。

一种可替代的椎体肿瘤治疗方式是以射频、聚焦超声、微波和激光消融为代表的介入热疗［4］。将肿瘤热消融与开放减压内固定手术相结合，可同时实现神经减压、脊柱稳定和肿瘤消融的目的［5］。该方法在手术创伤、时间及术中出血等方面都优于全椎体切除手术。该方法目前主要的问题是：在肿瘤区达到足够的热消融温度和热消融范围的同时，如何保证肿瘤周围的重要结构不受到热损害？

为确保该技术的有效性和安全性，就必须在手术过程中对肿瘤区域进行实时的温度监控。磁共振温度成像 （magnetic resonance temperature mapping）利用水质子共振频率 （proton resonance frequency，PRF）或纵向弛豫时间 （T1）等参数与温度的相关性来进行温度测量，相比于其它测温方式，有着温度敏感性高，适用于多种生物组织，可同时得到高分辨率解剖图像和温度图像等优点，在手术过程中可有效地为医生提供导航［6］。

本研究首先对椎体局部环境进行了组织划分与成分分析，并选取适当的磁共振测温方法。然后设计了 2 次人体实验，对不同年龄的健康女性分别用单回波和多回波序列进行扫描，并分析各部位的测温结果。以此结果对磁共振在椎体部位的测温难点进行分析。

资料与方法

一、磁共振测温方法

根据对组织成分的分析，本研究选用两种基于PRF 的方法进行磁共振测温，包括 PRF 方法和以脂肪为内在参考的谱估计方法。

1. PRF 方法：原子核在磁场中的共振频率与其感受到的磁场强度成正比，该磁场强度由主磁场 B0和核外电子屏蔽作用共同决定。在水分子中，氢核核外电子屏蔽作用的大小与氢键的强弱有关，而氢键的强弱在一定温度范围内 （20 ℃～80 ℃）与温度存在线性依赖关系，因此温度变化可通过氢核共振频率的改变量来确定。在单梯度回波序列下回波时间 TE为固定值，通过不同图像帧之间的相位差 ΔΦ可替代频率差，以反映温度变化值：

其中 γ 为旋磁比，α 为温度系数 （常用值为-0.01 ppm / ℃）。

2. 以脂肪为内在参考的谱估计方法：PRF 方法用不同帧的图像相减，容易受到运动、场漂等因素的干扰。一种改进方式是用周围无温度变化区域的相位进行插值，得到温度变化区的背景参考相位。另一种方式则是用对温度不敏感的脂肪质子频率作为参考频率，得到同像素点的 PRF 变化量，从而计算出温度变化。该方法需通过多回波序列得到同一时间点的多幅图像，然后利用现代谱估计的方法计算出 PRF f水和脂肪质子共振频率 f脂，并由其频率差反映出温度值：

其中 β 可由未加热时的图像标定得到。

由于不同年龄段椎体骨髓的脂肪含量有明显区别，本研究选取 21 岁的年轻女性和 49 岁的中年女性作为实验对象。两个实验均在一台飞利浦 3 T 的磁共振扫描仪 （Philips Healthcare，Best，Netherland）上完成。

二、实体测温

实验 1：21 岁健康女性 （A 组）：实验选用 15通道脊柱线圈 （SENSE-Spine-15）。Griffith 等［7］报告，年轻女性椎体骨髓的脂肪含量约为 27.5%，因此选择 PRF 方法对应的 FFE 序列进行数据采集。图像采集参数如下：TE 10 ms，TR 140 ms，Acqusition BW 402 Hz，Flip Angle 30°，FOV 200×200 mm2，Slice thickness 4 mm，Voxel size 0.81×1.00 mm2，number of frames 5。

实验 2：49 岁健康女性 （B 组）：从实验 1 的结果 （表1）中可以看出，由于椎体部位结构复杂，存在脂肪、松质骨等干扰组织，PRF 方法在该部位测温存在较大误差。而水脂按一定比例混合正是谱估计方法适合的模型，因此本研究选取了脂肪比例更高的中年女性作为实验对象。将采集序列修改为mFFE，同时图像采集参数修改如下：TE0 2.40 ms，ΔTE 1.8 ms，TR 151 ms，Acqusition BW 1439.1 Hz，Flip Angle 40°，FOV 120 mm×120 mm，Slice thickness 5 mm，Voxel size 1.60 mm×1.59 mm。

表1 脊柱部位横断面不同 ROI 的温度计算结果 （℃）Tab.1 Temperature of the ROI in different sections of the spine （℃）

结　果

A 组数据处理分析过程中，先将多通道信号按平方和 （sum of square，SOS）的方法进行合并，以第一帧图像作为参考图像来计算相位差，从而计算得到温度差 （图1）。从横断面不同层的温度结果来看，磁共振测温在脊髓、椎间盘 （图1 上图中心）、肌肉组织和主要血管处都能取得较为均匀的结果，但在椎体部位 （图1 下图中心）效果较差。由于肌肉组织不是热疗过程中需要关注温度的区域 （region of interest，ROI），因此可将其不同帧的温度变化用于对磁场漂移干扰因素的修正。对椎体、脊髓等ROI，以及肌肉和椎间盘组织各选取 80～300 个像素点，计算其温度平均值和标准差，并得到修正场漂后的温度均值 （结果如表1）。在重点关注区域中，脊髓、主动脉和上下腔静脉的标准差均＜1.7 ℃，但血管温度平均值在修正后仍存在一定偏差。另外，椎体连接处的椎间盘的标准差＜1.5 ℃。

B 组数据分析过程中，先将不同线圈信号合并，得到一个时间帧的 16 个回波信号，然后利用现代谱估计 Prony 方法计算出椎体部位的温度图。如图2 所示，椎体部位在第 5 个回波后信噪比 （signal to noise ratio，SNR）就很差了，使得功率谱估计存在较大误差，得到温度图的结果较差 （标准差为 12.61 ℃）。

图1 脊柱部位不同层横断面温度图a：椎间盘；b：椎体图2 a：mFFE 不同回波图像；b：谱估计方法温度图像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）

讨　论

一、椎体局部环境组织分析

根据生物传热学中经典的 Pennes 方程［8］，肿瘤热疗方案的选择与组织对热量的吸收率、传导率及血液的灌注量等参数有着重要依赖关系。同时，磁共振测温方法对组织成分也有一定要求：PRF 方法适合含水较多的组织［9］、T1方法适合含脂肪较多的组织［10］、以脂肪为内在参考的方法则需要组织具有适当的水脂比例［11］。因此，了解椎体局部环境的组织成分非常重要。

椎体局部环境可分为几个部分：椎体、脊髓、血管和肌肉；对于肿瘤患者还有肿瘤区。椎体内主要成分是黄骨髓 （含脂肪较多）、红骨髓 （含水较多）和松质骨，正常人的椎体骨髓中脂肪含量随着年龄的增加而逐渐升高 （约 20%～70%）［7］。肿瘤区内主要是含水较多的肿瘤细胞。脊髓的主要成分是灰质和白质，灰质内主要含运动细胞和感觉细胞，而白质内是大量的神经纤维，这些细胞内都富含水。同样的，肌肉组织主要富含水的肌肉细胞组成，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较多。

在肿瘤热疗过程中的 ROI 有：热疗对象肿瘤所在的椎体区域 （图3 蓝色框内），主要保护对象脊髓 （图3 绿色框内）、神经根和血管 （图3 红色框内）等。从正常人的解剖图与磁共振图像的对比（图3）［12］中可以看出，因受分辨率和组织对比度的限制，在磁共振图像中可以区分出椎体、脊髓、主动脉和上下腔静脉等重要组织，但无法分辨出神经根。因此在下面实验中，主要关注椎体、脊髓和主要血管的测温。

图3 a～b：脊柱解剖图［12］；c～d：MRI T1w 图像；e～f：T2w 图像对比Fig.3 Spinal anatomy［12］（a， b）， MRI T1w （c， d）and T2w image （e， f）

二、共振温度成像用于椎体肿瘤热疗中的可行性

由于此次研究目的仅在于难点研究与可行性分析。本研究首先根据肿瘤热疗中所关注的区域进行组织划分与成份分析，然后基于组织成份选取了 PRF和谱估计这两种磁共振测温方法。考虑到椎体内组织成份比例随年龄有较大变化，本研究选取 21 岁和49 岁两名健康女性分别用单回波和多回波序列进行了磁共振扫描，并对不同部位进行温度计算。

从实验 1 的结果可知，在热疗关注区域中，脊髓、主动脉和上下腔静脉都可以得到标准差较小的相对温度结果，但血管内由血液运动造成的相位变化会带来温度估计上的偏差。而椎体部位由于脂肪和磁化率等因素的干扰，难以得到精准温度。因此仅有脊髓可以直接通过 PRF 方法得到温度图像。另外，ROI 周围的椎间盘和肌肉组织均可以得到较为精确的相对温度，肌肉所得温度可用于场漂修正，而椎间盘的温度则可用于插值外推。

由于谱估计方法相比于 PRF 方法的最大优势在于能够去除脂肪、场漂等因素的干扰，因此在实验 2 重点分析了椎体部位的测温情况。从实验结果中可以看出，磁化率所造成的场不均匀性大大减小了信号的有效横向弛豫时间 T2*值 （主磁场 B0 无法达到绝对的均匀，因为氢原子旋转频率与 B0 的强度相关，不均匀的 B0 就会导致不同位置的氢原子旋转频率不一样，因此氢原子的旋转就会不同步，这样就加速了Mxy 的衰减，这个衰减也是指数衰减，其时间常数为 T2*），使信号快速衰减，从而即便是用不受脂肪干扰的谱估计方法也难以得出精准温度。

三、共振温度成像在椎体肿瘤热疗中的应用中的难点

共振温度成像用于椎体肿瘤热疗有 3 个难点：（1）主动脉血管里的血液的温度因血液流动的干扰而难以用磁共振直接测得；（2）椎体内由松质骨所引起的磁化率干扰会给磁共振测温带来较大偏差；（3）最后由于热疗过程中需要温度的实时反馈，射频、微波和激光等作为热源的介入式热疗需在开放式磁共振仪器里做手术，这时手术仪器的磁兼容性也会成为一个必须面对的难题。

尽管磁共振测温在椎体肿瘤热疗应用中存在诸多困难，在多个关注区域仅能直接得到脊髓的温度，但仍不可轻易否定其潜在的可能性。2010 年有学者提出运用分子间多量子相干的方法来进行磁共振温度测量［13］，该方法能有效消除磁化率在温度测量中的干扰，其目前的主要局限性在于成像速度较慢、信噪比较低，如果能对该方法速度的成像质量进行一定优化，则有可能实现在椎体部位的直接测温。另外，有研究者通过建立椎体局部环境的有限元模型，来对椎体骨肿瘤热疗进行温度预测与手术方案提供［14］。该方法在生物热传导模型的建立过程中，仅通过热电偶提供几个关键点的温度，如果能将磁共振所测得二维甚至三维的温度融入到生物热传导模型中，也许可以有效提高模型预测温度的精确性。

本研究仅为对磁共振测温在椎体骨肿瘤热疗应用中的初步尝试，磁共振测温序列参数还能进一步优化和修改，以提高测温的精度和速度。对磁共振所测温度是否能融入到生物热传导模型中，也仍需要进一步探究。

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（本文编辑：李贵存）

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，清华大学工程物理系粒子技术与辐射成像教育部重点实验室 （陈硕、应葵），清华大学医学院生物医学工程系 （陈飞宇、史欣未）；100048北京，解放军总医院第一附属医院骨科，北京市骨科植入医疗器械工程技术研究中心 （宋光泽、陈秉耀、韦兴）

韦兴，Email： wxing304@hotmail.com

2015-01-29）