基于MRI測溫的HIFU致離體生物組織凝固性壞死的熱劑量研究.pdf

1、研究背景：在腫瘤治療方面，HIFU作為非侵入性的腫瘤熱消融技術(shù)近年來發(fā)展迅速，其治療原理是將高強(qiáng)度的超聲能量聚焦在靶區(qū)腫瘤組織，焦點(diǎn)區(qū)域在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高溫，從而使腫瘤組織發(fā)生凝固性壞死，達(dá)到原位滅活或局部根治的目的;并且治療過程中可以不損傷非靶區(qū)的健康組織。目前HIFU已用于治療子宮肌瘤、骨肉瘤、肝癌等多種疾病，有良好的臨床應(yīng)用前景。
　　 HIFU作為一種熱消融療法，需要有良好的監(jiān)控及溫度測量技術(shù)來保證治療安全和治療療效。

2、MRI可用于監(jiān)控HIFU治療過程，優(yōu)點(diǎn)是MRI成像無電離輻射，有多種成像參數(shù)可選擇，對組織分辨率高，尤其是有溫度敏感的參數(shù)來用于實(shí)時(shí)測溫。為判斷HIFU熱消融形成的凝固性壞死范圍，目前主要采用傳統(tǒng)恒溫?zé)岑煹牡刃釀┝糠椒?，但HIFU的加熱及治療方式與恒溫?zé)岑煵煌?，對于HIFU熱效應(yīng)所致組織凝固性壞死的熱劑量閾值，目前仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。有部分學(xué)者以240EM(Equivalent Minutes，EM)等效熱劑量作為組織壞死的劑量標(biāo)準(zhǔn)，也

3、有學(xué)者認(rèn)為這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相對保守，并認(rèn)為更低的熱劑量就會使組織變性。
　　 如果控制HIFU聲輻照參數(shù)（頻率、脈沖重復(fù)頻率和占空比、聲強(qiáng)、輻照時(shí)間）可產(chǎn)生單純的熱效應(yīng)、熱效應(yīng)為主但有空化效應(yīng)參與甚至沸騰、單純的空化損傷。目前HIFU主要利用對生物組織的熱效應(yīng)進(jìn)行治療，但伴有空化效應(yīng)的參與，空化泡會嚴(yán)重?fù)p傷附近的生物組織細(xì)胞;當(dāng)組織液達(dá)到一定溫度，靶區(qū)會發(fā)生沸騰現(xiàn)象，空化和沸騰都會對組織形成不同程度的損傷，改變凝固性壞死的形態(tài)以及組織中

4、超聲能量的沉積效率，此時(shí)的HIFU治療劑量更加復(fù)雜，只用熱劑量來計(jì)算并不準(zhǔn)確。
　　 基于上述背景，本文利用MRI監(jiān)控的HIFU治療系統(tǒng)，使用盡可能單純熱效應(yīng)（不發(fā)生空化效應(yīng)和沸騰）的HIFU輻照參數(shù)輻照豬肝組織，通過MRI實(shí)時(shí)監(jiān)測HIFU輻照過程和輻照結(jié)束后焦平面溫度變化情況。應(yīng)用高斯函數(shù)擬合獲得焦平面橫向溫度空間變化情況，以彌補(bǔ)MRI測溫時(shí)的空間分辨率問題。然后通過熱劑量公式計(jì)算焦平面橫向上等效熱劑量值，獲得降溫結(jié)束時(shí)焦平面

5、橫向上等效熱劑量分布，并與輻照結(jié)束后解剖獲得的焦平面上凝固性壞死橫向尺寸進(jìn)行比對，當(dāng)?shù)刃釀┝糠秶扔诮蛊矫嫔夏绦詨乃罊M向尺寸時(shí)，最小等效熱劑量值即為HIFU輻照致離體生物組織熱凝固性壞死的熱劑量閾值。
　　 目的：
　　 1.利用高斯函數(shù)來擬合焦平面橫向上MRI測溫得到的各體素溫度，獲得焦平面橫向上溫度變化曲線。
　　 2.初步研究基于焦平面橫向上溫度變化曲線的HIFU致離體生物組織熱凝固性壞死的熱劑量閾值。

6、
　　 方法：
　　 1.實(shí)驗(yàn)材料:屠宰后6小時(shí)以內(nèi)的新鮮離體豬肝組織，用生理鹽水洗凈，置入生物組織脫氣缸脫氣處理40分鐘，取出切塊備用。
　　 2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備:磁共振導(dǎo)航高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)(MRIgHIFU)，重慶海扶(HIFU)技術(shù)有限公司和西門子聯(lián)合開發(fā)制造。(1)MAGNETOM Symphony，A Tim System1.5T磁共振成像系統(tǒng)（西門子有限公司），用于監(jiān)控及測溫;(2)與MRI系統(tǒng)軟硬件

7、兼容的HIFU治療系統(tǒng)，采用殼式自聚焦HIFU治療換能器，頻率1.1MHz，焦距180mm，開口直徑160 mm。
　　 3.實(shí)驗(yàn)方法
　　 (1)采用輻射壓力法測量HIFU換能器的聲功率。
　　 (2)采用50W聲功率輻照生物組織，通過MRI測溫和被動(dòng)空化監(jiān)測，當(dāng)焦域處溫度達(dá)到55℃，且寬帶噪聲沒有出現(xiàn)時(shí)停止輻照，記錄輻照時(shí)間，保證此輻照參數(shù)下HIFU所致生物組織凝固性壞死盡可能僅是熱效應(yīng)參與。
　　

8、(3) HIFU輻照前，通過MRI掃描序列對離體組織掃描焦平面定位像。采用基于PRF(Proton Resonance Frequency，PRF)的方法進(jìn)行MRI測溫，測溫序列掃描開始后進(jìn)行HIFU輻照，當(dāng)靶區(qū)顯示最高溫度達(dá)到55℃時(shí)停止輻照。當(dāng)靶區(qū)降溫至40℃后停止MRI測溫序列的掃描。
　　 (4)同時(shí)，在HIFU輻照前以及靶區(qū)降溫至40℃后采用T1、T2和PD序列掃描靶區(qū)。
　　 (5)輻照結(jié)束后，平行于冠狀面（

9、即焦平面）將靶區(qū)組織切成1～2mm的薄片，找到最大面積的凝固性壞死，測量并加標(biāo)尺拍照記錄。
　　 (6)通過grayval軟件對最大面積的凝固性壞死面照片按標(biāo)尺比例測量面積及過壞死中心的最大壞死直徑。
　　 (7)通過RTTSviewer軟件導(dǎo)出輻照過程及降溫過程中靶區(qū)焦域處及其周圍組織各體素的溫度值。對焦平面橫向上每一測溫時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合，得到不同測溫時(shí)刻焦平面橫向上的溫度擬合曲線，對離散溫度數(shù)據(jù)與擬合溫度曲

10、線的擬合程度做擬合優(yōu)度檢驗(yàn)。
　　 (8)根據(jù)熱劑量公式和不同測溫時(shí)刻的擬合溫度曲線，計(jì)算出焦平面橫向上溫度對時(shí)間累積的熱劑量曲線。確定最大壞死面積的直徑對應(yīng)的壞死邊緣點(diǎn)位置，根據(jù)焦平面橫向的熱劑量曲線可以得到壞死邊緣點(diǎn)的熱劑量值。
　　 結(jié)果：
　　 1.輻照聲功率為50W，MRI測溫顯示焦域處最高溫度為55℃時(shí)停止輻照，平均輻照時(shí)間為31.9±5.1s。
　　 2.離體組織上單個(gè)輻照點(diǎn)的凝固性壞死形態(tài)

11、為均勻的橢球體，焦平面上凝固性壞死最大面為圓形，平均面積為11.9±3mm2。
　　 3.焦平面橫向上每一時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)變化趨勢均是中心溫度最高，沿著橫向兩側(cè)遠(yuǎn)離中心方向的溫度逐漸降低，且兩側(cè)的溫度變化趨勢相近。
　　 4.對MRI測得焦平面橫向上每個(gè)體素的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合，每一時(shí)刻焦平面橫向的溫度數(shù)據(jù)與擬合曲線，相關(guān)系數(shù)R2均大于95％，表明通過擬合獲得的溫度數(shù)據(jù)能反映實(shí)際溫度。
　　 5.焦平面橫向上的熱

12、劑量曲線，中心位置的熱劑量值非常高，接近焦域邊緣時(shí)熱劑量值相比中心點(diǎn)下降非?？?。
　　 6.停止輻照時(shí)，焦域處的溫度達(dá)到最高隨后緩慢降低，而停止輻照后熱劑量值仍在增加，逐漸達(dá)到穩(wěn)定值。對應(yīng)壞死邊緣點(diǎn)的平均熱劑量值即為離體豬肝組織的壞死熱劑量閾值，為27.2±4.9EM。熱劑量閾值對應(yīng)的壞死面積與解剖壞死面積無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
　　 7.凝固性壞死區(qū)域在T1圖像中表現(xiàn)為高信號，在T2像和PD像中表現(xiàn)為低信號。PD像中壞死區(qū)域與

13、周圍正常組織對比相對明顯。
　　 結(jié)論：
　　 1.被動(dòng)空化檢測和測溫表明，采用聲功率50W的HIFU輻照生物組織，當(dāng)焦域處最高溫度為55℃時(shí)停止輻照，此輻照參數(shù)下形成凝固性壞死與熱效應(yīng)有關(guān)。
　　 2.MRI測溫得到的是每個(gè)體素的平均溫度值，體素大小限制了MRI測溫空間上的精度。通過高斯函數(shù)對焦平面橫向上MRI測得的各體素溫度值進(jìn)行擬合，獲得的擬合溫度曲線與離散溫度值的擬合程度良好，因此可以用高斯擬合溫度曲線反