永磁MRI系统上基于混合PRF/T1的测温方法研究

摘要

磁共振成像是一种断层及立体成像技术，主要是利用原子核的磁共振现象产生磁共振信号，再用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。相对于其他的成像技术如X线、CT(ComputedTomography)和超声成像技术等，具有成像参数多、可任意方向断层、对人体无电离辐射伤害等优点。而且可对人体或生物体的内部组织的结构和功能进行无创的成像，因此，磁共振成像在临床上得到广泛应用，并成为医学诊断领域和科学研究领域中最重要的方法之一。目前，随着医疗技术的不断进步，对于肿瘤的治疗开始采用微创和无创手术技术，因此针对肿瘤的热消融术受到人们极大地关注。热消融术是通过加热使病变组织温度升高并将其杀死。在肿瘤热消融过程中，需要对靶区温度实时监控以达到杀死肿瘤细胞并保护周围正常组织的目的。因此，如何快速、精确地测量病变组织在治疗过程中温度的变化成为人们研究的重点。
　　 随着近代科技的发展尤其是物理加热技术的发展，热疗进入了一个新的发展时期。首先是加热技术手段的多样化，如射频、微波、超声、激光、红外线和磁感应等新技术的出现，使得肿瘤热疗技术有了飞速的发展。其次肿瘤热消融术具有创伤小，术后复发率低等优点，这使得其在前列腺瘤、子宫肌瘤等肿瘤的治疗中应用越来越广泛。目前在热消融过程中，用于温度监控的成像方法主要有3种:CT成像、超声成像以及MR成像。与其它两种技术相比，MR成像是一种多参数、高对比度成像，可提供详尽的解剖图谱，而且无电离辐射，对人体无损害。更重要的是，人体内部组织温度的变化会引起多个MRI参数的变化，如质子共振频率（proton resonance frequency, PRF）、自旋晶格弛豫时间(T1)、水分子扩散系数、MR波谱等，而测量这些参数的变化可以反映人体组织温度的变化。MRI温度测量技术不仅能对目标区域进行精确定位，而且还能对治疗过程中的温度变化进行定量测量，甚至还可以对坏死区域进行预测。虽然超导系统具有成像质量高、速度快等优点，但存在生产和维护成本高、开放度有限等问题。而永磁MRI成像系统开放性好，便于医生实施介入手术操作，而且生产和维护成本较低，所以研究永磁MRI系统上的稳定可靠的温度测量方法具有非常重要的意义。
　　 在MRI温度测量技术中，水分子扩散系数方法需要较高的梯度场强，而且信号比较低，就会造成测温误差比较大。MR波谱方法可以获得绝对温度值且测量误差较小，但其数据采集时间较长，不利于进行实时的温度测量。PRF方法是利用温度的变化会导致质子共振频率的变化，进而使得图像的相位改变，再利用相位变化转化为对应的温度变化进行测温，而且不依赖于组织的特性（除脂肪），测温的线性度比较好，温度敏感度系数与主磁场强度成正比，场强越高其测温精度越高，在超导MRI系统上是当前最常用的MRI测温方法，但在低场永磁MRI系统中由于其温度敏感度系数低导致其测温精度不高。T1测温方法主要依赖图像的幅度信息进行T1参数估计，其对主磁场强度变化不敏感，即使在永磁中其温度敏感度系数也比较高，在较宽的温度范围内T1的变化与温度的变化呈现出非线性的关系，而在较窄的温度范围内T1的变化与温度之间基本呈线性的关系，利用这个线性关系我们就可以实现温度的测量，但是在T1值测量的过程中受很多因素的影响，比如B1场的不均匀性以及T1值对组织的特性的依赖性，以及用传统方法测量T1值需要很长的时间，使得对T1值的测量带来误差，最终导致在测温上产生误差。综上所述，在永磁MRI系统上，由于受主磁场强度的限制和磁场漂移等因素的影响，使得上述几种方法都不能很好的满足肿瘤热消融测温的需要，但我们从上述也不难看出PRF方法利用的是图像的相位信息来进行测温，T1方法利用的是图像的幅度信息进行测温，如果将这两种方法结合在一起就综合利用了图像的幅度信息和相位信息，这样就有可能达到更好的测温效果，进一步满足临床的需求。
　　 最近Nick Tood等人提出一种混合PRF/T1方法，由于PRF方法对脂肪组织不敏感，不能对脂肪组织进行测温，而混合PRF/T1方法就解决了PRF方法在含有脂肪的组织中测温的问题，该方法是对组织中含有水的部分用PRF方法测温，对于含有脂肪的部分则用T1方法测温，最终将这两种测温融合在一起。它能够通过一次采集数据实现PRF和T1方法的同时测温，而且同时利用了图像的相位和幅值信息，在超导MRI系统中取得了很好的测温结果。因此本文想借鉴这种混合PRF/T1方法的思想，通过综合利用图像的相位信息和幅度信息进行测温，来克服单独用PRF或T1方法在永磁MRI系统上测温误差大的缺点，并对混合PRF/T1方法进行改进，在测温结果上进行混合平均，以提高永磁MRI系统上测温的准确度与稳定性。
　　 本文实验中用琼脂凝胶仿真肝脏组织做成体模，实验设备为宁波鑫高益有限公司的XGY-OPER-0.3T永磁型MRI设备。采用的扫描序列是扰相梯度回波序列(spoiled gradient recalled，SPGR)，将体模放在水浴中加热到65℃，然后放入MRI扫描仪中，由于MRI兼容性的要求，采用精度为0.5℃的酒精玻璃温度计测量体模的温度，在加热体模四周放置4个已在屏蔽房静置3小时以上（温度与屏蔽房温度相同）的用于磁场漂移校正的小的琼脂凝胶。然后温度每降低1℃采集一次MRI数据，并记录此时的温度计读数。当温度降到36℃时，采集最后一次数据。然后分别提取采集的数据的相位值和幅值信息，对于相位值采用相邻参考相位的方式处理，并将其转化为温度实现PRF方法的测温。对于幅值信息利用变化的翻转角（variable flip angle，VFA）方法计算T1值，然后转化为温度实现T1方法的测温。最后将两种方法的测温结果平均作为最后的测温结果。
　　 本文所做的研究工作就是在永磁MRI系统上，利用混合PRF/T1平均方法研究其测温效果，该方法综合运用了图像的幅值信息和相位信息，实现了PRF和T1方法的同时测温，并将PRF和T1的测温结果求平均作为最后的测温结果，这样可以用两种方法的测温结果相互补偿降低测温结果的误差，从结果分析上来看混合PRF/T1平均方法的误差较小，测温误差可以达到±3℃，克服了用PRF或T1一种方法测温误差较大的缺点，而且其COV为2.63％说明其可重复性比较高。结果证明在永磁MRI系统上采用改进的混合PRF/T1方法比单一用PRF或T1方法的测温准度高且可重复性好，可以更好的满足肿瘤热消融需求。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 磁共振成像概述

1．2 研究背景

1．3 本文的主要工作

1．4 本文的结构

第二章 磁共振成像的基本原理

2．1 核磁共振原理

2．1．1 原子核的自旋特性

2．1．2 静磁场对原子核磁矩的作用

2．1．3 核磁共振现象

2．2 磁共振信号

2．2．1 弛豫

2．2．2 磁共振信号的检测

2．3 磁共振成像的空间定位

2．3．1 梯度磁场

2．3．2 层面选择

2．3．3 空间编码与图像重建

2．4 磁共振成像脉冲序列

第三章 磁共振测温

3．1 肿瘤热疗概述

3．2 MRI测温的方法

3．2．1 基于质子共振频率(PRF)的测温方法

3．2．2 基于水质子T1弛豫时间的测温方法

3．2．3 基于平衡磁化M0的测温方法

3．2．4 基于水质子T2弛豫时间的测温方法

3．2．5 基于水分子扩散系数的温度测温方法

3．2．6 基于MR波谱的测温方法

3．3 测温方法的分析讨论

第四章 永磁MRI系统上基于混合PRF／T1的改进测温方法

4．1 引言

4．2 测温原理

4．2．1 PRF测温方法

4．2．2 T1测温方法

4．2．3 混合PRF／T1测温方法

4．3 实验材料和过程

4．3．1 体模制作与实验设备

4．3．2 FA校准实验

4．3．3 校准T1和温度之间的系数实验

4．3．4 测温实验

4．4 实验结果与分析

4．4．1 FA校正结果

4．4．2 T1和温度之间的系数校准结果

4．4．3 温度的测量结果

4．5 讨论

4．6 结论

第五章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间成果

致谢

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