CN104224180B - 一种用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法，包括非实时参数测定阶段和实时温度测量阶段，其中：在非实时参数测定阶段，得到平衡磁化矢量和纵向弛豫率；在实时温度测量阶段，以固定的扫描时间和不变的翻转角，在间隔时间段相同的条件下进行扫描，并利用扫描得到的数据以及非实时参数测定阶段得到的平衡磁化矢量和纵向弛豫率，计算得到某一时刻所对应的温度值。本发明继承了现有利用磁共振成像的T1测温方法的准确性，并且在实时性方面加以改进，使得在体脂肪的温度测量能够快速准确。

Description

一种用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法

技术领域

本发明涉及组织测温技术领域，具体涉及一种用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法。

背景技术

组织测温技术主要应用在利用热效应对生物组织造成影响的手术或实验过程中，组织测温的作用多为检测温度变化、分析热效应功效等。

目前的组织测温方法有很多种：根据对组织的影响大小，可分为有损测温和无损测温；根据测温方法的实时性，又可分为实时测温和非实时测温。

有损测温由于对组织伤害较大，主要用于离体组织测温，如利用测温针等，其最大的优点是测量精度高。无损测温包括红外测温、核磁共振测温、超声测温等。

利用医学成像等技术对组织内部温度进行测量，测量精度和实时性均各有不同，可根据实际需要应用于不同方案中，例如核磁共振测温技术可用于高强度聚焦超声手术治疗，兼有图像引导、温度监控和疗效评估等作用。

在现有的组织测温技术当中，有损测温方法最为直接，一般是将测温针等器械插入到组织当中，利用温度传感器测量其周围的温度，而测温探头进入组织的各种方案一般都无法避免对原有组织造成伤害，测温设备本身对温度的影响较大，在组织中，尤其是在体组织中应用受限较多，因此多用于离体组织测温。

红外测温技术利用组织在不同温度下分子辐射红外线的特点来测量温度，具有响应快、使用安全等优点，一般用于绘制物体表面的热像图。

超声成像技术的基础是超声波，该技术利用组织在不同温度下对超声波表现出的物理性质的不同，根据成像结果反推出组织的温度值，能够测量一定深度的温度值，但作为一项非实时的测温技术，分辨率有限，测温精度不高，不能很好的满足对组织测温的实时性要求和精度要求。

核磁共振测温技术主要分为T1测温方法和质子共振频率测温方法。

传统的T1测温方法利用不同翻转角之下的信号大小经拟合后推算出T1值，进而得到温度值，因此要获得某一时刻的温度值时，需要大于或等于两组的信号，且数量越多，精度越高，测温的实时性和准确度不可兼得。

基于核磁共振成像的T1测温方法的实时性和测温精度很难平衡，如果要求较高的测温精度，计算某一点处的某一个温度值需要在较多的翻转角之下进行扫描，非常费时；如果要求较高的实时性，又要求对某一点处的某一个温度值的扫描次数尽可能的少。除此之外，T1测温技术在似水组织中的精确度不及质子共振频率测温方法，因此，传统的T1测温方法应用场景并不多。

质子共振频率测温方法是基于水分子之间的氢键对温度变化的敏感性，利用不同温度下质子共振频率的变化值来推算出温度变化，在似水组织中的测量精度较高，是目前应用较为广泛的实时组织测温手段。

质子共振频率测温方法在似水组织中的测温精度较高，对于一次温度计算只需要一次扫描，与基准值比较之后即可计算得到温度。但是，该方法受运动伪影、主磁场稳定性等的影响较大，而且在脂肪组织中由于没有似水组织中丰富的氢键，因此精度较低，无法保证在体脂肪测温的准确性。

综上所述，现有技术中的组织测温方法均无法兼顾在体测量的准确性和实时性。

发明内容

本发明提供了一种用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法，继承了现有利用磁共振成像的T1测温方法的准确性，并且在实时性方面加以改进，使得在体脂肪的温度测量能够快速准确。

利用磁共振成像技术中的T1值测量组织温度的原理如下：

一般情况下，电子围绕氢原子的运动形成了氢原子沿Z轴方向的磁化矢量，受到射频脉冲激发之后，原先处于Z轴方向的氢原子磁化矢量发生偏转，导致投影到XY平面上的横向磁化矢量不再为零，然后在主磁场的作用下，磁化矢量向原先的位置恢复，在这个恢复的过程中，氢原子的横向磁化矢量逐渐减为零，纵向磁化矢量逐渐恢复至最大。

90°射频脉冲下纵向磁化矢量恢复至原先的63％所花费的时间为T1，温度与T1之间的关系如下所示：

式中：E_a(T1)为分子扩散运动的活化能，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。如果T1可以准确测量，那么温度值T也就可以准确得出。

本发明在T1测温的基础上，将温度测量划分为两个阶段，即非实时参数测定阶段和实时温度测量阶段，在这两个阶段中除翻转角之外，其余的测量参数均相同，具体的步骤如下：

一种用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法，包括非实时参数测定阶段和实时温度测量阶段，其中：

在非实时参数测定阶段，得到平衡磁化矢量和纵向弛豫率；

在实时温度测量阶段，以固定的扫描时间和不变的翻转角，在间隔时间段相同的条件下进行扫描，并利用扫描得到的数据以及非实时参数测定阶段得到的平衡磁化矢量和纵向弛豫率，计算得到某一时刻所对应的温度值。

所述的非实时参数测定阶段包括以下步骤：

1-1、在体温恒定阶段，扫描得到若干组{θ,S(θ)}数据，其中θ为翻转角，S(θ)为翻转角θ对应的信号强度；

1-2、利用所得到的若干组{θ,S(θ)}数据，计算得到平衡磁化矢量m₀和纵向弛豫率R1₀。

在扫描的目标区域内的任意一点的信号强度S(θ)的计算公式如下：

式中：E₁₀＝exp(-TR*R1₀)；TR为扫描时间；R1₀＝1/T1₀；T1₀为注射造影剂之前的T1值；θ为翻转角；S(θ)为翻转角θ对应的信号强度；m₀为平衡磁化矢量。

对上式进行变换可得：

利用消融治疗前在体脂肪近乎恒温的不长的一段时间内得到若干组{θ,S(θ)}数据，然后利用得到的若干组{θ,S(θ)}数据以及公式

采用拟合算法，计算得到平衡磁化矢量m₀和纵向弛豫率R1₀。

消融治疗前在体脂肪近乎恒温的不长的一段时间即为所述的体温恒定阶段，也即非实时参数测定阶段，在该阶段需要保证在体脂肪的温度不出现明显波动，才能确保得到的准确的平衡磁化矢量m₀和纵向弛豫率R1₀。

所述拟合算法采用现有技术，例如最简单地采用最小二乘法。

所述的实时温度测量阶段中，计算某一时刻t所对应的温度值T_(t)的公式如下：

T_(t)＝T_(t-1)+ΔT_C

式中：T_(t-1)为t-1时刻所对应的温度值；

ΔT_C为由t-1时刻到t时刻的温度变化量，ΔT_C计算公式如下：

ΔT_C＝Ratio*T1_(t)

式中：Ratio为常数，T1_(t)的计算公式如下：

式中：TR为扫描时间；

θ为翻转角；

A(t)的计算公式如下：

式中：S(t)为t时刻的翻转角对应的信号强度；

S(0)的计算公式为

该式中θ为实时温度测量阶段的翻转角，S(0)对应时刻的温度值作为基准温度；

式中：E₁₀＝exp(-TR*R1₀)；TR为扫描时间；R1₀＝1/T1₀；T1₀为注射造影剂之前的T1值；

m₀为非实时的参数测定阶段得到的平衡磁化矢量；

B的计算公式如下：

非实时参数测定阶段为实时温度测量阶段的铺垫，用以得到计算时必要的参数，理论上实时温度测量阶段中，间隔的时间长短需要大于单次扫描时间和单次计算时间之和，以保证在每次扫描完成并获得对应的温度值之后，再进行下一次扫描。

实时温度测量阶段中，扫描时间为1～5s(此处为单次连续扫描的时间，对于扫描的次数没有特殊限定，可以根据需要进行选择)，优选地，扫描时间为1～3s；间隔的时间段为0～5s(即两个单次连续扫描的时间间隔)，优选地，间隔的时间段为0～3s；翻转角为3～60度，优选地，翻转角为5～40度。

在一定的温度范围内，T1的变化量与温度的变化量之间的比例具有稳定的经验值，即公式中Ratio具有确定值，Ratio取值0.0913℃/ms(即0.0913℃/毫秒)或Ratio在手术前进行测定。

为了保证Ratio具有稳定取值，因此，实时温度测量阶段的测温范围为30～80℃，即在该范围内，能够保证温度测量的准确性，优选地，实时温度测量阶段的测温范围为40～70℃。

本发明提供的方法应用于在体脂肪测温领域，能够同时保证实时性和准确性，作为一项无损测温技术，除了占据有损测温技术所不具备的无创优势之外，较之于其他无损测温技术也在不同方面具有不同的优点。

本发明在在体脂肪测温的准确性方面继承了T1测温方法的先天优势，而另一主流MRI测温方法，即质子共振频率方法，其主要的测温应用领域在似水组织，应用在在体脂肪组织测温方面精确度较低，且受制于高磁场强度下主磁场稳定性等因素。

在实时性方面，本发明将传统的T1测温方法拆分成非实时参数测定阶段和实时温度测量阶段，在MRI技术中，对于36cm*36cm*10cm的扫描范围，扫描一个翻转角下的一组数据所需要的时间为4秒左右，传统的T1测温技术每测得一个时刻的温度，理论上在一个翻转角下至少需要扫描两组数据，为达到较高的测温精度，则需要两到三个翻转角，对应的测量时间至少为8～24秒，而在快速T1测温方法的实时测温阶段，每测得一个时刻的温度，仅需扫描一个翻转角时间，耗时约4秒，即每4秒即可测温一次，由此可以看出，快速T1测温方法在实时性方面的性能提高尤为突出。

此外，本发明提供的方法能够与各种热疗技术中的监控、评估等功能有机结合，例如，HIFU(高强度聚焦超声)技术的部分功能模块均以MRI技术为支撑，如靶区精确定位、手术计划制定和疗效评估等，本发明与这些技术分时共享MRI技术，形成互补关系，提高了MRI资源的利用率。

附图说明

图1为本发明用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法的流程图；

图2为光纤测温针、本发明所提供的测温方法、以及传统双翻转角测温扫描技术获得的温度变化信息的对比结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法做详细描述。

如图1所示，一种用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法，包括非实时参数测定阶段和实时温度测量阶段，其中：

非实时参数测定阶段包括以下步骤：

1-1、在体温恒定阶段，扫描得到若干组{θ,S(θ)}数据，其中θ为翻转角，S(θ)为翻转角θ对应的信号强度；

1-2、利用所得到的若干组{θ,S(θ)}数据，以及公式

采用最小二乘法拟合，计算得到平衡磁化矢量m₀和纵向弛豫率R1₀。

{θ,S(θ)}的组数依据需要进行选择，组数越多，得到的平衡磁化矢量m₀和纵向弛豫率R1₀越准确，但是在得到{θ,S(θ)}时，需要保证测量的在体脂肪的区域没有显著的温度变化。

实时温度测量阶段包括以下步骤：

2-1、在实时温度测量阶段，间隔相同的时间段，并以固定的扫描时间和不变的翻转角进行扫描。

本实施例中，扫描时间为3s，间隔的时间段为0s，翻转角为15°。

2-2、利用下式计算得到t时刻所对应的温度值T_(t)：

T_(t)＝T_(t-1)+ΔT_C

式中：T_(t-1)为t-1时刻所对应的温度值；

ΔT_C为由t-1时刻到t时刻的温度变化量，ΔT_C计算公式如下：

ΔT_C＝Ratio*T1_(t)

式中：Ratio为常数，Ratio取值0.0913℃/ms；T1_(t)的计算公式如下：

式中：TR为扫描时间；

θ为翻转角；

A(t)的计算公式如下：

式中：S(t)为t时刻的翻转角对应的信号强度；

S(0)的计算公式为

该式中θ为实时温度测量阶段的翻转角，S(0)对应时刻的温度值作为基准温度；

式中：E₁₀＝exp(-TR*R1₀)；TR为扫描时间；R1₀＝1/T1₀；T1₀为注射造影剂之前的T1值；

m₀为非实时的参数测定阶段得到的平衡磁化矢量；

B的计算公式如下：

本发明中利用字母S表示翻转角对应的信号强度，S后面括号中的内容若为翻转角θ，即为翻转角θ对应的信号强度，S后面括号中的内容若为时刻t，即为时刻t对应的信号强度。

在实际磁共振扫描实验中，用动物脂肪作为标准样品，观察射频针对脂肪的加热及降温过程，对比光纤测温针(Neoptix,Canada)，本发明所提供的多翻转角快速测温技术，以及传统双翻转角测温扫描技术获得温度变化信息，对比结果如图2所示。

其中，多翻转角快速测温技术的扫描参数为：预扫描：3D-fSPGR，TR：1.6ms，TE：3.9ms，flip angle：3°，6°，9°，12°，15°，Scan Matrix：192x192；Bandwidth：15kHz，扫描层数：3层，扫描时间：4s/期。测温扫描：flip angle：15°，其它参数同预扫描参数。

传统T1测量序列，扫描参数：flip angle：4°，14°，扫描时间：10s/期，其它扫描参数同多反转角快速测温技术。

图2中，横坐标为时间，纵坐标为摄氏度，“Optical Fiber”为光纤测温针实测温度，“VFA”为本发明多翻转角快速测温技术，2FLIP T1MAP为传统双翻转角测温扫描技术。由图2可以看出，本发明提供的测温方法具有与现有技术相同的准确性，同时可以将采样速度提高1倍以上，满足在实际工作中快速测温的需求。

实施本发明方法时，注意在硬件上防止测温设备与其他设备之间的电磁干扰。本发明方法能够满足HIFU手术中实时精确测温的要求，除了必要的MRI扫描机和电磁干扰防护设备等以外，不需要搭建其他硬件环境，在实时测温之前，本发明要求对各项参数的测定力求准确。

Claims (5)

1.一种用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法，其特征在于，包括非实时参数测定阶段和实时温度测量阶段，其中：

在非实时参数测定阶段，包括以下步骤：

1-1、在体温恒定阶段，扫描得到若干组{θ,S(θ)}数据，其中θ为翻转角，S(θ)为翻转角θ对应的信号强度；

1-2、利用所得到的若干组{θ,S(θ)}数据以及公式

式中：E₁₀＝exp(-TR*R1₀)；TR为扫描时间，采用拟合算法，计算得到平衡磁化矢量m₀和纵向弛豫率R1₀；

在实时温度测量阶段，以固定的扫描时间和不变的翻转角，在间隔时间段相同的条件下进行扫描，并利用扫描得到的数据以及非实时参数测定阶段得到的平衡磁化矢量和纵向弛豫率，计算某一时刻t所对应的温度值T_(t)的公式如下：

T_(t)＝T_(t-1)+ΔT_C

式中：T_(t-1)为t-1时刻所对应的温度值；

ΔT_C为由t-1时刻到t时刻的温度变化量，ΔT_C计算公式如下：

ΔT_C＝Ratio*T1_(t)

式中：Ratio为常数，取值0.0913℃/ms，T1_(t)的计算公式如下：

T1₀＝1/R1₀，T1₀为注射造影剂之前的T1值；

式中：TR为扫描时间；

θ为翻转角；

A(t)的计算公式如下：

式中：S(t)为t时刻的翻转角对应的信号强度；

S(0)的计算公式为

式中：E₁₀＝exp(-TR*R1₀)；TR为扫描时间；

m₀为非实时的参数测定阶段得到的平衡磁化矢量；

B的计算公式如下：

2.如权利要求1所述的用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法，其特征在于，实时温度测量阶段的测温范围为30～80℃。

3.如权利要求1所述的用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法，其特征在于，实时温度测量阶段中，扫描时间为1～5s。

4.如权利要求1所述的用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法，其特征在于，实时温度测量阶段中，间隔时间段为0～5s。

5.如权利要求1所述的用于在体脂肪的基于磁共振成像的测温方法，其特征在于，实时温度测量阶段中，翻转角为3～60度。

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