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近年來發(fā)展迅速，其治療原理是將高強度的超聲能量聚焦在靶區(qū)腫瘤組織，焦點區(qū)域在極短的時間內產生高溫，從而使腫瘤組織發(fā)生凝固性壞死，達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)來用于實時測溫。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)恒溫熱療的等效熱劑量方法，但HIFU的加熱及治療方式與恒溫熱療不同，對于HIFU熱效應所致組織凝固性壞死的熱劑量閾值，目前仍沒有統(tǒng)一的標準。有部分學者以240EM(Equivalent Minutes，EM)等效熱劑量作為組織壞死的劑量標準，也

3、有學者認為這個標準相對保守，并認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、脈沖重復頻率和占空比、聲強、輻照時間）可產生單純的熱效應、熱效應為主但有空化效應參與甚至沸騰、單純的空化損傷。目前HIFU主要利用對生物組織的熱效應進行治療，但伴有空化效應的參與，空化泡會嚴重損傷附近的生物組織細胞;當組織液達到一定溫度，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，此時的HIFU治療劑量更加復雜，只用熱劑量來計算并不準確。
　　 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（不發(fā)生空化效應和沸騰）的HIFU輻照參數(shù)輻照豬肝組織，通過MRI實時監(jiān)測HIFU輻照過程和輻照結束后焦平面溫度變化情況。應用高斯函數(shù)擬合獲得焦平面橫向溫度空間變化情況，以彌補MRI測溫時的空間分辨率問題。然后通過熱劑量公式計算焦平面橫向上等效熱劑量值，獲得降溫結束時焦平面

5、橫向上等效熱劑量分布，并與輻照結束后解剖獲得的焦平面上凝固性壞死橫向尺寸進行比對，當?shù)刃釀┝糠秶扔诮蛊矫嫔夏绦詨乃罊M向尺寸時，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.實驗材料:屠宰后6小時以內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.實驗設備:磁共振導航高強度聚焦超聲治療系統(tǒng)(MRIgHIFU)，重慶海扶(HIFU)技術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.實驗方法
　　 (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測溫和被動空化監(jiān)測，當焦域處溫度達到55℃，且寬帶噪聲沒有出現(xiàn)時停止輻照，記錄輻照時間，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)的方法進行MRI測溫，測溫序列掃描開始后進行HIFU輻照，當靶區(qū)顯示最高溫度達到55℃時停止輻照。當靶區(qū)降溫至40℃后停止MRI測溫序列的掃描。
　　 (4)同時，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刻的溫度數(shù)據(jù)進行高斯擬合，得到不同測溫時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。
　　 (8)根據(jù)熱劑量公式和不同測溫時刻的擬合溫度曲線，計算出焦平面橫向上溫度對時間累積的熱劑量曲線。確定最大壞死面積的直徑對應的壞死邊緣點位置，根據(jù)焦平面橫向的熱劑量曲線可以得到壞死邊緣點的熱劑量值。
　　 結果：
　　 1.輻照聲功率為50W，MRI測溫顯示焦域處最高溫度為55℃時停止輻照，平均輻照時間為31.9±5.1s。
　　 2.離體組織上單個輻照點的凝固性壞死形態(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，沿著橫向兩側遠離中心方向的溫度逐漸降低，且兩側的溫度變化趨勢相近。
　　 4.對MRI測得焦平面橫向上每個體素的溫度數(shù)據(jù)進行高斯擬合，每一時刻焦平面橫向的溫度數(shù)據(jù)與擬合曲線，相關系數(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，接近焦域邊緣時熱劑量值相比中心點下降非?？?。
　　 6.停止輻照時，焦域處的溫度達到最高隨后緩慢降低，而停止輻照后熱劑量值仍在增加，逐漸達到穩(wěn)定值。對應壞死邊緣點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。熱劑量閾值對應的壞死面積與解剖壞死面積無統(tǒng)計學差異。
　　 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。
　　 結論：
　　 1.被動空化檢測和測溫表明，采用聲功率50W的HIFU輻照生物組織，當焦域處最高溫度為55℃時停止輻照，此輻照參數(shù)下形成凝固性壞死與熱效應有關。
　　 2.MRI測溫得到的是每個體素的平均溫度值，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