基于MRI测温的HIFU致离体生物组织凝固性坏死的热剂量研究

发布时间：2016-12-16 08:43

  本文关键词：基于MRI测温的HIFU致离体生物组织凝固性坏死的热剂量研究，由笔耕文化传播整理发布。

《重庆医科大学》 2013年

基于MRI测温的HIFU致离体生物组织凝固性坏死的热剂量研究

李雅芬  

【摘要】：研究背景 在肿瘤治疗方面，HIFU(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU)作为非侵入性的肿瘤热消融技术近年来发展迅速，其治疗原理是将高强度的超声能量聚焦在靶区肿瘤组织，焦点区域在极短的时间内产生高温，从而使肿瘤组织发生凝固性坏死，达到原位灭活或局部根治的目的；并且治疗过程中可以不损伤非靶区的健康组织。目前HIFU已用于治疗子宫肌瘤、骨肉瘤、肝癌等多种疾病，有良好的临床应用前景。*HIFU作为一种热消融疗法，需要有良好的监控及温度测量技术来保证治疗安全和治疗疗效。MRI可用于监控HIFU治疗过程，优点是MRI成像无电离辐射，有多种成像参数可选择，对组织分辨率高，尤其是有温度敏感的参数来用于实时测温。为判断HIFU热消融形成的凝固性坏死范围，目前主要采用传统恒温热疗的等效热剂量方法，但HIFU的加热及治疗方式与恒温热疗不同，对于HIFU热效应所致组织凝固性坏死的热剂量阈值，目前仍没有统一的标准。有部分学者以240EM(Equivalent Minutes，EM)等效热剂量作为组织坏死的剂量标准，也有学者认为这个标准相对保守，并认为更低的热剂量就会使组织变性。 如果控制HIFU声辐照参数（频率、脉冲重复频率和占空比、声强、辐照时间）可产生单纯的热效应、热效应为主但有空化效应参与甚至沸腾、单纯的空化损伤。目前HIFU主要利用对生物组织的热效应进行治疗，但伴有空化效应的参与，空化泡会严重损伤附近的生物组织细胞；当组织液达到一定温度，靶区会发生沸腾现象，空化和沸腾都会对组织形成不同程度的损伤，改变凝固性坏死的形态以及组织中超声能量的沉积效率，此时的HIFU治疗剂量更加复杂，只用热剂量来计算并不准确。 基于上述背景，本文利用MRI监控的HIFU治疗系统，使用尽可能单纯热效应（不发生空化效应和沸腾）的HIFU辐照参数辐照猪肝组织，通过MRI实时监测HIFU辐照过程和辐照结束后焦平面温度变化情况。应用高斯函数拟合获得焦平面横向温度空间变化情况，以弥补MRI测温时的空间分辨率问题。然后通过热剂量公式计算焦平面横向上等效热剂量值，获得降温结束时焦平面横向上等效热剂量分布，并与辐照结束后解剖获得的焦平面上凝固性坏死横向尺寸进行比对，当等效热剂量范围等于焦平面上凝固性坏死横向尺寸时，最小等效热剂量值即为HIFU辐照致离体生物组织热凝固性坏死的热剂量阈值。 目的 1.利用高斯函数来拟合焦平面横向上MRI测温得到的各体素温度，获得焦平面横向上温度变化曲线。 2.初步研究基于焦平面横向上温度变化曲线的HIFU致离体生物组织热凝固性坏死的热剂量阈值。 方法 1．实验材料：屠宰后6小时以内的新鲜离体猪肝组织，用生理盐水洗净，置入生物组织脱气缸脱气处理40分钟，取出切块备用。 2．实验设备：磁共振导航高强度聚焦超声治疗系统（MRIgHIFU），重庆海扶（HIFU）技术有限公司和西门子联合开发制造。（1）MAGNETOM Symphony, A Tim System1.5T磁共振成像系统（西门子有限公司），用于监控及测温；（2）与MRI系统软硬件兼容的HIFU治疗系统，采用壳式自聚焦HIFU治疗换能器，频率1.1MHz，焦距180mm，开口直径160mm。 3.实验方法： （1）采用辐射压力法测量HIFU换能器的声功率。 （2）采用50W声功率辐照生物组织，通过MRI测温和被动空化监测，当焦域处温度达到55℃，且宽带噪声没有出现时停止辐照，，记录辐照时间，保证此辐照参数下HIFU所致生物组织凝固性坏死尽可能仅是热效应参与。 （3）HIFU辐照前，通过MRI扫描序列对离体组织扫描焦平面定位像。采用基于PRF(Proton Resonance Frequency，PRF)的方法进行MRI测温，测温序列扫描开始后进行HIFU辐照，当靶区显示最高温度达到55℃时停止辐照。当靶区降温至40℃后停止MRI测温序列的扫描。 （4）同时，在HIFU辐照前以及靶区降温至40℃后采用T1、T2和PD序列扫描靶区。 （5）辐照结束后，平行于冠状面（即焦平面）将靶区组织切成1~2mm的薄片，找到最大面积的凝固性坏死，测量并加标尺拍照记录。 （6）通过grayval软件对最大面积的凝固性坏死面照片按标尺比例测量面积及过坏死中心的最大坏死直径。 （7）通过RTTSviewer软件导出辐照过程及降温过程中靶区焦域处及其周围组织各体素的温度值。对焦平面横向上每一测温时刻的温度数据进行高斯拟合，得到不同测温时刻焦平面横向上的温度拟合曲线，对离散温度数据与拟合温度曲线的拟合程度做拟合优度检验。 （8）根据热剂量公式和不同测温时刻的拟合温度曲线，计算出焦平面横向上温度对时间累积的热剂量曲线。确定最大坏死面积的直径对应的坏死边缘点位置，根据焦平面横向的热剂量曲线可以得到坏死边缘点的热剂量值。 结果 1.辐照声功率为50W，MRI测温显示焦域处最高温度为55℃时停止辐照，平均辐照时间为31.9±5.1s。 2.离体组织上单个辐照点的凝固性坏死形态为均匀的椭球体，焦平面上凝固性坏死最大面为圆形，平均面积为11.9±3mm~2。 3.焦平面横向上每一时刻的温度数据变化趋势均是中心温度最高，沿着横向两侧远离中心方向的温度逐渐降低，且两侧的温度变化趋势相近。 4.对MRI测得焦平面横向上每个体素的温度数据进行高斯拟合，每一时刻焦平面横向的温度数据与拟合曲线，相关系数R2均大于95%，表明通过拟合获得的温度数据能反映实际温度。 5.焦平面横向上的热剂量曲线，中心位置的热剂量值非常高，接近焦域边缘时热剂量值相比中心点下降非常快。 6.停止辐照时，焦域处的温度达到最高随后缓慢降低，而停止辐照后热剂量值仍在增加，逐渐达到稳定值。对应坏死边缘点的平均热剂量值即为离体猪肝组织的坏死热剂量阈值，为27.2±4.9EM。热剂量阈值对应的坏死面积与解剖坏死面积无统计学差异。 7.凝固性坏死区域在T1图像中表现为高信号，在T2像和PD像中表现为低信号。PD像中坏死区域与周围正常组织对比相对明显。 结论 1.被动空化检测和测温表明，采用声功率50W的HIFU辐照生物组织，当焦域处最高温度为55℃时停止辐照，此辐照参数下形成凝固性坏死与热效应有关。 2. MRI测温得到的是每个体素的平均温度值，体素大小限制了MRI测温空间上的精度。通过高斯函数对焦平面横向上MRI测得的各体素温度值进行拟合，获得的拟合温度曲线与离散温度值的拟合程度良好，因此可以用高斯拟合温度曲线反映焦平面横向上的温度变化情况，以弥补MRI测温的空间精度。 3.采用声功率50W的HIFU辐照生物组织，当焦域处最高温度为55℃时停止辐照，此时HIFU在离体猪肝组织中焦平面上形成的凝固性坏死最大面积为11.9±3mm~2，热剂量阈值为27.2±4.9EM，热剂量阈值对应的坏死面积与解剖坏死面积无统计学差异，表明热剂量阈值面积可用于反映实际凝固性坏死的大小。

【关键词】：
【学位授予单位】：重庆医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R730.55
【目录】：

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