基于质子共振频率MR温度成像监控高强度聚焦超声治疗

彭玉红综述，李发琪审校

(重庆医科大学生物医学工程学院 省部共建国家重点实验室培育基地—重庆市超声医学工程重点实验室重庆市生物医学工程学重点实验室 重庆市微无创医学协同创新中心，重庆 400016)

综述

基于质子共振频率MR温度成像监控高强度聚焦超声治疗

彭玉红综述，李发琪*审校

(重庆医科大学生物医学工程学院 省部共建国家重点实验室培育基地—重庆市超声医学工程重点实验室重庆市生物医学工程学重点实验室 重庆市微无创医学协同创新中心，重庆 400016)

高强度聚焦超声(HIFU)作为一种热消融疗法，在治疗过程中需有良好的监控和实时精确的测温技术以保证治疗的安全性和有效性。MR温度成像通过具有温度敏感的参数进行测温，如弛豫时间、质子共振频率(PRF)、扩散系数、磁化矢量转移等，无创且无辐射，并可实时三维成像。其中，由于质子共振频率(PRF)对温度具有良好的线性度，且与组织类型不相关。基于PRF的MR温度成像成为中高场强(≥1T)系统应用的首选，在低场强系统中也有应用。本文对PRF MR温度成像的基本原理及其在监控HIFU治疗方面的研究进展进行综述。

高强度聚焦超声消融术；磁共振温度成像；质子共振频率

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU)是一种新兴的消融治疗方式，已被用于前列腺癌、子宫肌瘤、肝癌、转移性骨肿瘤等各类良恶性肿瘤的治疗[1]。HIFU治疗的主要机制为热机制，即通过组织对体外超声波的吸收，将声能转换为热能，使靶区温度瞬间上升至60℃以上，从而产生不可逆的凝固性坏死[2]。与此同时，需保证其周围健康组织的温度维持在安全范围。因此，治疗过程中良好的监控及实时精确的测温对保证治疗的安全性和有效性至关重要。

目前用于活体测温的影像技术主要是超声、MRI等。与超声相比，MRI具有图像分辨率高、成像质量好、测温精准等优点。MR测温被认为是最具发展前景的无创活体测温技术之一。MR引导高强度聚焦超声(MR guided high intensity focused ultrasound, MRgHIFU)是一种新型的无创监控及治疗方式。在HIFU治疗过程中，通过MRI图像可准确定位病变区域，还可根据组织的温度分布图及时调节所要投放的热剂量。MR测温的关键在于测温精度和时空分辨率。目前有关MR测温的技术研究主要集中在中高场MRI系统，而低场MRI系统研究较少。且在众多基于MR的测温方法中，质子共振频率(proton resonance frequency, PRF)测温可在一较大温度范围内提供信号与温度的极优线性度，且与组织类型不相关，尤其在中高场强下测温表现良好。因此，基于PRF的测温方法成为MR测温应用的首选，同样也适用于HIFU治疗过程的温度监控。本文介绍PRF MR温度成像的基本原理及其在监控HIFU治疗方面的研究进展。

1 基于PRF的MR温度成像原理

PRF法主要是基于1H核的化学位移会随温度的变化而改变，进而导致MRI信号产生相位移。当温度发生变化时，水质子的共振频率会发生改变，且在一定的温度范围内(-15 ℃～100 ℃)呈线性关系，据此利用MRI测量温度。

根据拉莫尔定律：

ω0=γB0

(1)

式中的γ为旋磁比，B0为外部宏观主磁场强度。但质子的共振频率与局部磁场相关。由于水分子中的电子核屏蔽效应，质子经过的局部磁场B1较外部宏观主磁场强度B0略小。该磁场导致的屏蔽效应可表示为：

B1=(1-σ)B0

(2)

式中的σ表示屏蔽常数。质子的共振频率ω1可根据拉莫尔方程进行计算：

ω1=γB1=(1-σ)γB0

(3)

当温度升高时，质子的电子屏蔽效应增强。随温度变化的屏蔽常数可用一个简单的线性关系描述：

Δσ(T)=αT

(4)

式中的α为屏蔽常数的温度系数，约为-0.01 ppm/℃。

随温度增加的屏蔽效应导致局部磁场强度减小，并因此产生一个减小的PRF。水质子共振频率降低，采用梯度回波(gradient echo, GRE)序列即可通过计算加热区域相位的变化得到质子共振频率的变化，相位变化的大小与TE呈正相关[3]。温度变化ΔT(t)与相位差的关系可表示为：

(5)

其中Φ(t)和Φ0分别为当前图像(加热后)和参考图像(加热前)的相位。如参考温度T0已知，那么当前温度T(t)可通过公式计算获得：

T(t)=T0+ΔT(t)

(6)

2 基于PRF MR温度成像监控HIFU治疗的研究进展

PRF测温的常规实现方法通常采用GRE成像序列，并利用得到的相位图像信息表示温度的空间分布。由于GRE脉冲序列的简单性和相对较高的温度敏感性，其在PRF温度成像中最常见。此外，螺旋序列可单独优化分辨率、速度及精度。近年来出现的回波平面成像(echo planar imaging, EPI)由于其成像速度极快、分辨率较GRE更高，也在更快速和精确的PRF温度成像中得到越来越广泛的应用。

2.1 在超导MRI系统下的研究 目前相关技术研究主要集中在超导MRI系统(1.5T、3.0T)。超导MRI系统具有成像质量高、测温精度高、信噪比高等优点，可在HIFU治疗过程中提供更加准确可靠的温度图像信息。Cornelis等[4]通过超导MRI系统引导HIFU辐照活体猪肾，基于PRF MR测温，结果表明生物组织热传导理论模型与实验得到的吸收率、热扩散系数和灌注率基本一致。Roujol等[5]提出一种有效计算二维运动补偿PRF测温及在腹部运动器官热剂量测量的方法，利用带有EPI序列的扫描系统进行动态MR温度成像，实现对腹部器官介入引导的实时MR测温和剂量测量。Holbrook等[6]提出一种用于监控HIFU消融治疗的高分辨率和高速脉冲序列，并以3.0T MR扫描系统测试，结果表明该序列可在高帧速率下产生高分辨率温度图像，且能够对肝脏进行实时MR测温。Lam等[7]提出一种用于腹壁肌肉和脂肪层表面的基于PRF位移的多梯度回波MR测温方法，通过1.5T MR扫描系统获取图像，可从温度测量中估计冷却时间常数。

然而，高场下基于PRF测温在技术上还存在较多的问题，如脂肪质子的存在、磁场的漂移、磁化率的变化及运动伪影等的干扰下，其测温精度和时空分辨率具有一定的局限性。随着HIFU技术的进一步成熟，MR快速成像和超高速成像技术的发展，针对这些干扰因素，近年来有学者[8]提出减小高场下MRI引导HIFU治疗测温误差的改良方法。Shmatukha等[9]提出一种使用脂肪信号修正磁场干扰的方法。Salomir等[10]描述了无参考PRF位移MR测温技术，该方法可缓解由于组织运动产生的伪影及磁场干扰的影响。Marx等[11]提出一种高带宽PRF位移多回波测温技术，采用螺旋采样权衡分辨率、速度及测量精度。Marx等[12]提出一种用MASTER序列进行体积MR测温的新技术，可提高梯度回波多层面MR测温的速度和精度。

2.2 在低场MRI系统下的研究 目前由于超导MRI系统仍存在一些限制，如仪器昂贵、运行和维护费用高等，且超导系统主要应用于临床诊断，开放性小，不利于HIFU在治疗过程中实施监控。此外，在高场和超高场下，由于人体组织的相互电磁作用，可能会对患者产生安全性问题。而低场系统设备价格低廉、维护费用低、开放度高，便于实施术中监控。然而低场系统也存在信噪比低、成像速度慢及图像质量低等缺点。但随着技术的发展，低场系统在成像技术上已有较大的改进，因此基于低场MRI系统的测温研究也取得了一定的进展。Rieke等[13]提出一种在低场下基于PRF的MR温度测量中可减小由于脂肪所引起的测温误差的回波组合方法。Vogl等[14]在0.2T磁场强度下，应用快速MR序列评估体外激光诱导热疗测量的温度精度和时间分辨率。李大为[15]对低场MRI导引的HIFU超声系统进行研究，利用组织的温度与PRF化学位移之间的关系进行MRI测温，通过测量GRE序列的相位改变值(ΔΦ)估计相应的温度变化(ΔT)[16]。

2.3 临床应用MRgHIFU已经用于子宫肌瘤的临床治疗，并应用于肾脏肿瘤的研究[17-18]及原发性肝癌和胰腺癌的临床研究[19-20]。此外，MRgHIFU治疗子宫肌瘤及治疗骨转移瘤已分别获得美国和欧盟相关机构的批准[21]。目前用于临床治疗的MRgHIFU系统主要是重庆海扶医疗科技股份有限公司与Siemens公司合作研发的JM2.5CHIFU系统，也有Insightec-Txsonics公司与GE公司合作研发的Exablat系统。

由于PRF位移对温度具有良好的线性度，且与组织类型不相关，在临床主要采用PRF位移MR测温法监控HIFU治疗。2003年Tempany等[22]报道采用MRgHIFU治疗设备进行子宫肌瘤的临床治疗试验，基于PRF位移温度成像监控HIFU治疗，结果表明MRgHIFU治疗子宫肌瘤安全可行。Voogt等[23]评估体积MRgHIFU消融子宫肌瘤的安全性和可行性，采用PRF位移MR测温技术监控加热区域，结果也表明体积MRgHIFU消融子宫肌瘤安全、可行。而Deckers等[24]采用MRgHIFU系统消融乳腺肿瘤，结果显示其具有较好精度的消融结果。

3 小结与展望

基于PRF的MR测温可为HIFU治疗提供实时的温度监控，可根据组织的温度分布信息及时调节所要投放的热剂量，既有利于保证病变区域产生凝固性坏死，同时又可防止过渡加热对周围正常组织的损伤，是一项有发展前景且安全有效的无创测温技术。

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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

国家自然科学基金(81127901、11574039、11274404)。

彭玉红(1993-)，女，江西赣州人，在读硕士。研究方向：低场磁共振温度成像监控高强度聚焦超声治疗。

E-mail: 18983762017@163.com

李发琪，重庆医科大学生物医学工程学院省部共建国家重点实验室培育基地—重庆市超声医学工程重点实验室 重庆市生物医学工程学重点实验室 重庆市微无创医学协同创新中心，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