基于回波平移和同时多层成像技术的磁共振温度成像研究

发布时间：2020-06-21 11:29

【摘要】：研究背景高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)提供了一个可精确聚焦治疗肿瘤却没有皮肤切口的非侵入式治疗方式。在其治疗过程中,良好的影像监控对保证治疗的安全性和有效性是至关重要的。目前,超声(Ultrasound,US)和磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)是主要的监控手段。相比US监控,MRI因其具有良好的软组织对比度及独特的实时无创温度成像能力而成为监控HIFU治疗的首选成像方式。对于实时MR温度成像,在保证良好测温精度的同时,应尽可能提高时间分辨率和扩大空间覆盖率。传统的GRE和EPI序列是最常用的测温序列。其中,GRE序列具有相对较高的信噪比,但其扫描时间过长。EPI序列具有较高的时间分辨率,但其图像容易发生畸变或产生伪影,进而影响测温精度。且目前大多数温度监控只是单个层面,有文献报道过HIFU可能导致组织界面和远场区域的不必要的加热,这就容易损伤正常的组织。为能更安全、高效地监控HIFU治疗,在保证良好测温精度的同时,应进一步提高MR温度成像的时间分辨率及扩大空间覆盖率。因此,本文探究基于回波平移射频损毁梯度回波(Echo-shifted RF-spoiled GRE)序列与同时多层(Simultaneous multi-slice,SMS)成像技术进行MR温度成像。目的1.探究echo-shifted RF-spoiled GRE序列的可行性及其测温精度的标定;与传统的射频损毁梯度回波(RF-spoiled GRE)序列对比,突出echo-shifted RF-spoiled GRE序列低温度不确定度的优势。2.实现SMS技术并探究echo-shifted RF-spoiled GRE序列结合SMS技术在温度监控中的应用,证明提出的序列技术在保证测温精度的同时,能提高时间分辨率和扩大空间覆盖率。方法1.Echo-shifted RF-spoiled GRE序列的探究通过设置不同翻转角扫描标准仿体,测试echo-shifted RF-spoiled GRE序列的信号强度与翻转角(Flip angle,FA)之间的关系是否符合理论推导值;采用1.2%的琼脂粉(SIGMA-ALDRICH)和0.5%的氯化钠及纯水制作仿体,并在仿体中插入荧光光纤温度计(INDIGO PRECISION,FOTS-DINA-1000-S,测温精度为±0.05°C)探究仿体的降温过程,用于标定echo-shifted RF-spoiled GRE序列的测温精度。进行常温离体猪肉对比实验,找到echo-shifted RF-spoiled GRE和RF-spoiled GRE序列能达到最优信噪比的翻转角;对比相同时间分辨率下,echo-shifted RF-spoiled GRE序列与传统RF-spoiled GRE序列的温度不确定度。2.SMS技术的实现及在温度监控中的应用设计多频带脉冲将SMS技术与echo-shifted RF-spoiled GRE序列相结合,采用灵敏度编码(Sensitivity encoding,SENSE)重建算法展开SMS混叠图像,并进行仿体降温实验用荧光光纤温度计标定echo-shifted RF-spoiled GRE结合SMS技术同时扫描两个层面的测温精度;进行HIFU加热离体猪肝组织实验,对比echo-shifted RF-spoiled GRE结合SMS扫描两个层面和echo-shifted RF-spoiled GRE单独扫描对应相同两个位置层面的温度变化情况。HIFU治疗频率为0.8 MHz,输入电功率为25 W,使用西门子商用4通道小柔线圈。所有实验均在西门子3 T磁共振扫描仪(Siemens,MAGNETOM,Erlangen,Germany)下进行,数据后处理用MATLAB(Mathworks 2015a,Natick,MA)和Origin(Origin 8.5,Origin Lab,USA)完成。结果1.Echo-shifted RF-spoiled GRE序列的探究通过改变翻转角,得到信号强度与翻转角之间的关系基本符合理论推导值;仿体降温实验中用光纤温度计标定echo-shifted RF-spoiled GRE序列的测温误差为-0.02±0.10°C,单次扫描时间为1.35 s。在离体猪肉组织中,设定相同的扫描参数,echo-shifted RF-spoiled GRE和RF-spoiled GRE序列能达到最优信噪比的翻转角均为10°。在相同的时间分辨率下,虽然echo-shifted RF-spoiled GRE的信噪比小于RF-spoiledGRE序列,但前者的温度变化不确定度小于后者(分别为1.04°C和2.75°C)。2.SMS技术的实现及在温度监控中的应用用SENSE重建算法实现了SMS技术;echo-shifted RF-spoiled GRE序列结合SMS技术测量仿体降温实验中,用光纤温度计标定得到两个层面的测温误差分别为:-0.01±0.06°C和0.01±0.06°C;HIFU加热实验中,单次扫描时间为0.86 s。采用echo-shifted RF-spoiled GRE结合SMS得到两个层面的温度变化结果与echo-shifted RF-spoiled GRE单独扫描对应相同位置层面得到的温度变化结果较为一致。结论研究表明echo-shifted RF-spoiled GRE序列具有较高的测温精度及较高的时间分辨率。相同时间分辨率下,与传统的RF-spoiled GRE序列相比,echo-shifted RF-spoiled GRE序列具有更低的温度不确定度。使用SMS技术后,在保证测温精度的同时不仅提高了时间分辨率,而且增大了空间覆盖率。
【学位授予单位】：重庆医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R445.2
【图文】：

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图 1-1 高强度聚焦超声（HIFU）治疗肿瘤原理示意图 1-1 Diagram for the principle of High intensity focused ultrasound (HIFU) for tumor treatm共振成像引导 HIFU 治疗FU 治疗中，为了能精确地将超声能量投放到靶区，及时地评估治疗引导和监控显得尤为重要。只有实时精确监控 HIFU 治疗过程中靶区和范围，才能达到安全、高效的治疗目的[11]。超声（Ultrasound, US像（Magnetic resonance imaging, MRI）是主要的监控 HIFU 治疗手IFU 是根据治疗过程中实时靶区组织的灰度变化来判断治疗效果的。以靶区出现团块状高回声改变或整体灰度明显增加认为靶区的组织坏死。有研究报道显示，HIFU 治疗过程中 US 监控未观察到灰度变时也已经发生了凝固性坏死，而当监控中出现强回声时，靶区可能度治疗。可见US影像监控HIFU治疗和判断损伤程度的方法存在局限

序列图,序列图

图 2-1 Echo-shifted RF-spoiled GRE 序列图。Fig. 2-1 Diagram of echo-shifted RF-spoiledGRE sequence..3 SMS 技术同时激发和采集多个层面的可能优势是在 MRI 的发展早期中实现的[52]。在的成像技术中，一组回波只包含单个层面的图像信息，当使用 SMS 技术时[5组回波可以包含多个层面的图像信息[54]。基于 CAIPIRINHA 技术[50]的 SMS过同时激发和采集多层图像的混叠信号，再通过接收线圈的空间灵敏度差异叠的多层图像进行重建，从而加快磁共振成像的扫描速度，减少扫描时间[55于对混叠区域作出平移，使得线圈灵敏度在空间上显示出较大差异，线圈 g-fa起的信噪比下降并不明显[56]。据有关报道，SMS 成像已为各种 MR 应用提供数据采集和减少 RF 能量沉积[57]。最初在脑功能成像中引入 SMS 技术，其使[58,59]

【参考文献】