【摘要】：磁共振成像是一種斷層成像技術(shù)。磁共振成像原理是基于處于靜磁場中既有磁矩又有角動量的原子核系統(tǒng)與特定頻率(與靜磁場強度相對應的拉莫爾頻率)的射頻電磁波相互作用產(chǎn)生核磁共振,射頻脈沖作用后,原子核系統(tǒng)會發(fā)生弛豫,產(chǎn)生磁共振信號,通過探測生物體內(nèi)經(jīng)梯度場作用產(chǎn)生的包含空間信息的磁共振信號以獲取物體內(nèi)原子核的相對空間位置,這些信號通過譜儀和計算機系統(tǒng)處理后可以得到物體的圖像。因而磁共振技術(shù)可用于研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu),被廣泛應用于生命科學研究、臨床醫(yī)學診斷等領(lǐng)域中。 與其它常用于臨床的醫(yī)學影像技術(shù)相比,磁共振成像具有很多優(yōu)勢：.第一,磁共振可進行任意方向斷層成像,因而可以很方便的顯示觀察解剖結(jié)構(gòu)或病變；第二,磁共振對軟組織成像等精細結(jié)構(gòu)成像好；第三,磁共振成像的成像視野廣、空間分辨力好；第四,可用于磁共振中成像的參數(shù)豐富,因而能夠提供各類有價值的診斷信息；第五,磁共振圖像不會產(chǎn)生骨偽影；最后,磁共振是基于射頻電磁場激發(fā)氫質(zhì)子在高、低能態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,決定了人體做磁共振檢查不存在電離輻射損傷,對人體相對更安全。 高強度聚焦超聲是近年來興起的一種無創(chuàng)的局部熱消融技術(shù),可用于良、惡性腫瘤的治療。高強度聚焦超聲的基本原理是將體外低能量的超聲波束聚焦到體內(nèi)靶區(qū),使靶區(qū)溫度在短時間升高到60攝氏度甚至更高,導致腫瘤細胞不可逆損傷、組織凝固性壞死同時對靶區(qū)周圍的正常組織不造成損傷。 磁共振成像中,基于質(zhì)子共振頻率(proton resonance frequency, PRF)、擴散系數(shù)(D)、縱向弛豫時間(T1)、橫向弛豫時間(T2)以及溫度敏感對比劑等與溫度敏感參數(shù)的成像方法,都能重建計算得到人體組織的溫度分布。目前高場下的測溫精度可以達到1攝氏度,磁共振無創(chuàng)測溫的特點以及現(xiàn)有的測溫精度非常適合用來引導監(jiān)控無創(chuàng)的熱消融手術(shù)。 磁共振引導的高強度聚焦超聲集磁共振成像對軟組織分辨率高、無創(chuàng)監(jiān)測靶區(qū)組織溫度以及高強度聚焦超聲對病患無創(chuàng)傷治療的優(yōu)點于一體,同時磁共振技術(shù)的引入可以進行術(shù)后成像,可以用來評估治療后的損傷。2004年,美國食品和藥品管理局批準InSightec公司用于治療子宮肌瘤的磁共振引導的高強度聚焦超聲系統(tǒng)。磁共振引導的高強度聚焦超聲已成為國內(nèi)外研究熱點,在無創(chuàng)治療固定器官例如子宮、前列腺、腦部等多個器官的腫瘤已經(jīng)應用于臨床,對于受呼吸運動影響的器官治療的研究也在開展。 磁共振成像隨著主磁體場強的升高,具有更優(yōu)的空間、時間分辨率以及更好的信噪比等顯著優(yōu)勢,高場磁共振設(shè)備逐漸廣泛應用于臨床,其在神經(jīng)、血管、骨關(guān)節(jié)等人體精細結(jié)構(gòu)成像展現(xiàn)出明顯的診斷優(yōu)勢因而高場具有很好的臨床應用價值,更高場強的磁共振主磁體成為磁共振系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。目前,臨床上場強為1.5T以及場強為3.0T的磁共振系統(tǒng)已經(jīng)比較普及,7T磁共振系統(tǒng)甚至更高場強成為當前國內(nèi)外研究磁共振熱點。 然而,高場和超高場磁共振也存在著一些缺點。人體的組織器官具有復雜的解剖結(jié)構(gòu),不同的組織器官具的電磁參數(shù)、密度差異很大,當組織電磁參數(shù)各異的人體加載到磁共振系統(tǒng)中時,磁共振系統(tǒng)的射頻發(fā)射線圈發(fā)射射頻電磁波,不同的組織器官具的電磁參數(shù)、密度差異很大導致射頻電磁波在人體不同部位產(chǎn)生衰減的程度不同。另外,隨著主磁場場強的升高,對應的拉莫爾共振頻率也升高,射頻電磁波在人體內(nèi)波長變短,射頻電磁波在人體內(nèi)傳播時,入射電磁波與反射電磁波疊加會產(chǎn)生駐波效應�？闺娦婉v波效應兩種效應共同作用,使得在高場、超高場下射頻線圈在加載人體負載后,B1場的分布往往會變得不均勻。B1場分布的不均勻會降低圖像的信噪比、對比度,對成像的質(zhì)量產(chǎn)生影響；其次,抗電效應和駐波效應會影響電磁波在人體內(nèi)的傳輸,會導致射頻能量被人體局部吸收過多,可能引起熱損傷。國際上常采用射頻能量比吸收率來衡量人體接受磁共振掃描時的安全性,國際電工委員會針對不同的掃描條件規(guī)定有相應的安全標準。綜上,在高場和超高場下,射頻電磁場在與人體組織相互電磁作用時,B1場的分布往往會變得不均勻使得圖像質(zhì)量降低以及可能導致射頻能量在人體內(nèi)沉積,引起局部或全身溫度升高,可能會對接受磁共振檢查的人體產(chǎn)生安全問題。 磁共振系統(tǒng)中研究射頻B,場和比吸收率要解決的是電磁場在人體內(nèi)如何分布的問題。求解電磁場問題的計算一般很復雜,待求解物體形狀的復雜、構(gòu)成物體的電磁屬性差異大等。時域有限差分法是一種將電磁場中的電場和磁場的分量在時間和空間上采取交替的方式進行離散化,用差分方程組代替麥克斯韋微分方程組,采用這種替換后就可以得到各場值分量的有限差分式的計算方法。通過離散的方式可以很方便的對每個網(wǎng)格的介電常數(shù)和電導率以及密度進行賦值,因而時域有限差分法具備建立復雜結(jié)構(gòu)以及復雜電磁屬性的模型的能力。針對人體不同組織具有不同的介電常數(shù),采用時域有限差分法建立人體電磁模型很容易,針對不同組織密度和電導率不同,采用時域有限差分法計算SAR值也很方便。因此,時域有限差分法適合用來仿真計算射頻線圈與人體所組成系統(tǒng)的電磁場分布。同時時域有限差分法借助傅里葉變換可以對數(shù)據(jù)進行頻率響應的分析,因此時域有限差分法可以用來模擬射頻線圈的調(diào)諧以及匹配。時域有限差分法具有如上有點使得其在提出后射頻電磁場的仿真中得到廣泛應用,本文也采用時域有限差分法對加載人體的射頻系統(tǒng)進行射頻B1場和比吸收率分布的仿真計算。 在磁共振射頻系統(tǒng)仿真中,計算人體組織與射頻線圈的相互作用,有了射頻發(fā)射線圈后還需要建立人體電磁模型。對加載人體電磁模型的射頻線圈采用FDTD仿真計算,可以得到人體內(nèi)電磁場以及比吸收率SAR的分布。結(jié)合MRI系統(tǒng)向高場和超高場的發(fā)展趨勢以及磁共振引導聚焦超聲(Magnetic Resonance Imaging guide Focus ultrasound surgery, MRgFUS)應用于治療子宮肌瘤的重要臨床應用價值,本文在小組建立的女性盆腔電磁模型基礎(chǔ)上,建立了超聲聚焦熱消融作用時盆腔的溫度模型,用來模擬一次熱消融作用時盆腔的溫度分布。從Clare研究的溫度圖上可以得到,熱消融時靶區(qū)中心區(qū)域溫度相對人體正常體溫升高約35度,靶區(qū)附近組織相對正常體溫升高約25度,在靶區(qū)周圍的地方,相對正常體溫升高約8度�；谏鲜鰷囟确植�,建立大、小2個同軸的橢球體,短軸長分別為13mm、11mm,長軸長分別為27mm、25mm,以兩個橢球體中心為球心,作一個半徑4.5cm的球體,用橢球體模擬熱消融時靶區(qū)的組織,橢球體外的球形區(qū)域模擬熱消融時靶區(qū)周圍的組織,在Pro/ENGINEERE軟件中建立上述球、橢球體模型,將該模型導入到正常的女性盆腔電磁模型中,對同種組織不同溫度加以區(qū)分,賦予各組織相應溫度下的介電常數(shù)和電導率,這樣就得到了一次熱消融時的溫度梯度模型。 為了探究在超高場磁共振引導下的高強度聚焦超聲手術(shù)(MRIgHIFU)中射頻電磁場B1場勻場技術(shù)及人體組織比吸收率(SAR)安全性,本文采用時域有限差分算法分別仿真計算在正常模型勻場系數(shù)激勵以及在溫度梯度模型的勻場系數(shù)激勵下的射頻電磁場B,場的均勻性和局部比吸收率(Local SAR)。仿真結(jié)果表明,對包含溫度梯度的女性盆腔模型采用正常模型的勻場系數(shù)激勵,組織局部SAR最大值達到10.24W/kg,超出了國際電工委員會(International Electrotechnical Commission, IEC)對局部SAR值在正常模式下規(guī)定的10W/kg的安全閾值；對包含溫度梯度的女性盆腔模型采用溫度梯度模型的勻場系數(shù)激勵,組織局部SAR最大值為9.65W/kg在IEC的安全閾值內(nèi)。因此,在進行超高場磁共振引導下的高強度聚焦超聲手術(shù)時,由于人體組織的介電常數(shù)和電導率隨溫度發(fā)生變化,需要考慮超聲能量在人體形成的溫度分布,超聲能量使得人體組織介電常數(shù)和電導率發(fā)生改變,導致正常勻場系數(shù)激勵時SAR值會超出安全標準,在溫度梯度的基礎(chǔ)上重新進行勻場優(yōu)化,可以將組織局部SAR值降低到安全閾值內(nèi)。
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【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R445.2

【參考文獻】

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1 林平春;;對CT圖像的特點及質(zhì)量的認識[J];中外醫(yī)療;2010年02期

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本文編號：2312275