磁學(xué)溫度成像方法

靳 龍，王亞斌，溫旭琴，蘇日建

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，鄭州 450000）

0 引言

細(xì)胞能量代謝狀態(tài)的原位、高時(shí)空分辨檢測(cè)是生命科學(xué)研究的迫切需求。無(wú)論是細(xì)胞代謝過(guò)程中細(xì)胞信息的定量測(cè)量，還是觀測(cè)疾病導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)在狀態(tài)的改變以及腫瘤熱療等現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中，相關(guān)生物量的實(shí)時(shí)獲取均亟需一種細(xì)胞尺度的信息獲取手段，從而實(shí)現(xiàn)活體細(xì)胞內(nèi)生物信息的準(zhǔn)確描述。溫度是反應(yīng)生物活動(dòng)狀態(tài)的基本物理量，研究實(shí)現(xiàn)一種細(xì)胞尺度（0.1℃@10 μm）的高靈敏溫度成像方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞信息測(cè)量，而且具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

磁學(xué)測(cè)溫方式以其人體“磁透?jìng)鳌焙偷惋L(fēng)險(xiǎn)性等特性，在實(shí)現(xiàn)透過(guò)肌膚探測(cè)人體內(nèi)部的臟器溫度方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)學(xué)影像、醫(yī)學(xué)治療和生物科技研究領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。磁學(xué)溫度成像利用肌體組織或磁納米粒子的電磁參數(shù)與溫度之間的相關(guān)性，通過(guò)測(cè)量電磁特性參數(shù)再計(jì)算相應(yīng)的組織參數(shù)或材料特性，進(jìn)而求解相應(yīng)被測(cè)對(duì)象的溫度。目前磁學(xué)影像主要包括磁共振溫度成像和磁性納米粒子溫度成像兩大類。本文綜述了磁學(xué)溫度成像的實(shí)現(xiàn)方法，按照不同溫度敏感量可具體分為：質(zhì)子共振頻移溫度成像、縱向弛豫時(shí)間溫度成像、橫向弛豫時(shí)間溫度成像、質(zhì)子共振波譜溫度成像、溫度敏感造影劑溫度成像和磁納米粒子溫度成像。

1 磁共振溫度成像方法

1.1 質(zhì)子共振頻移溫度成像

質(zhì)子共振頻移溫度成像（proton resonance frequency shift temperature imaging，PRFSMI）是依據(jù)組織溫度與質(zhì)子共振頻率變化量的相關(guān)性進(jìn)行溫度變化的檢測(cè)。其數(shù)學(xué)描述為()=+ σ()。由于均勻主磁場(chǎng)上疊加了共振質(zhì)子周圍化學(xué)環(huán)境產(chǎn)生的局域磁場(chǎng)，導(dǎo)致回波信號(hào)中的相位信息( )=()TB變化，則相應(yīng)的溫度變化為Δ=(Φ()-Φ())/(αγTB)。

PRFSMI 的前提是假定溫度的變化只與水質(zhì)子相關(guān)，然而不同組織類型（如脂肪）、磁化率、主磁場(chǎng)漂移、呼吸及心臟脈動(dòng)等生理運(yùn)動(dòng)都會(huì)影響溫度的獲取精度及時(shí)空分辨率，研究者從不同角度開(kāi)展了工作。

Markus 等通過(guò)控制層析選擇梯度極性和射頻脈沖時(shí)間，使自旋回波序列對(duì)水或參照物（脂肪）具有頻率選擇性。通過(guò)采集對(duì)比參考圖像和水圖像，可實(shí)現(xiàn)溫度圖像的校正。當(dāng)脂肪組織占比小于20%時(shí)，可使誤差大大減少。為了避免多組織類型相互影響的問(wèn)題，Yuan 等采用改進(jìn)序列脈沖的方法抑制脂肪信號(hào)。

在水性組織中磁化率對(duì)溫度測(cè)量誤差的影響比較小，而在脂肪組織中磁化率的影響可達(dá)0.0039～0.0094 ppm/℃，特別是高脂肪組織，磁化率為主要的溫度測(cè)量誤差來(lái)源（圖1）。Baron等采用建立二維和三維曲線間最小化差異的模型修正高脂肪組織溫度成像中磁化率帶來(lái)的誤差，使溫度測(cè)量誤差從3.8 ℃降為2～2.3 ℃。

圖1 基于PRFS溫度圖像的水加熱實(shí)驗(yàn)

由于共振頻率與主磁場(chǎng)相關(guān)性及PRFS 測(cè)溫的參考組織相位相關(guān)性都使得磁場(chǎng)漂移對(duì)溫度測(cè)量的敏感性加劇，特別是在應(yīng)用強(qiáng)梯度場(chǎng)測(cè)量時(shí)，累積主磁場(chǎng)漂移可達(dá)0.01～0.06 ppm/minute，所以溫度測(cè)量中有必要考慮主磁場(chǎng)漂移帶來(lái)的測(cè)量誤差。Zou 等提出了一種基于有限差分的無(wú)參考溫度測(cè)量方法，減小了主磁場(chǎng)漂移帶來(lái)的測(cè)量誤差，并提高了PRFSMI 的實(shí)時(shí)性和魯棒性。Gellermann等采用外部參考源的方式進(jìn)行熱療過(guò)程的溫度檢測(cè)，將溫度測(cè)量誤差降到了2 ℃。Svedin等將自由感應(yīng)衰減相位引導(dǎo)回波插入到三維分段回波平面成像序列中，以修正每個(gè)K空間數(shù)據(jù)，進(jìn)而修訂溫度成像信息。

消除生理運(yùn)動(dòng)造成的溫度測(cè)量影響最直接的方法是縮短數(shù)據(jù)采集時(shí)間。Todd 等分別采用快速梯度回波和單次激勵(lì)多行采樣的方法消除生理運(yùn)動(dòng)對(duì)溫度測(cè)量的影響均取得一定的效果。Svedin 等則采用徑向或螺旋等非笛卡爾模式進(jìn)行K 空間數(shù)據(jù)采集，以獲得增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)抑制魯棒性和高效率。Peng 等采用同時(shí)多切片磁共振成像方式將數(shù)據(jù)采樣速度提高了3～4倍。上述方法最大的挑戰(zhàn)在于它們本質(zhì)上都是采用迭代的方式計(jì)算，無(wú)法實(shí)現(xiàn)磁共振溫度成像的實(shí)時(shí)應(yīng)用。

PRFSMI 是目前研究最多，同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛的溫度成像方式，然而其存在的多種組織類型差異、主磁場(chǎng)漂移、磁化率、生理運(yùn)動(dòng)等干擾因素，致使其至今在溫度精度及時(shí)空分辨率尚無(wú)法滿足臨床應(yīng)用的要求。

1.2 縱向弛豫時(shí)間（T1）溫度成像

圖2 T1弛豫時(shí)間隨溫度的變化

1.3 橫向弛豫時(shí)間（T2）溫度成像

圖3 加熱和冷卻過(guò)程中，T2弛豫時(shí)間隨溫度的變化

1.4 質(zhì)子磁共振波譜（MRS）溫度成像

質(zhì)子磁共振波譜溫度成像（PMRSTI）方法是利用頻譜中不同組織成分的質(zhì)子峰分離（化學(xué)頻移）是溫度的函數(shù)這一原理進(jìn)行溫度信息的獲取，與前述方法不同，該方法獲取的是絕對(duì)溫度信息。目前存在有不同的波譜成像方法，如單體素波譜成像，回波平面光譜成像（EPSI），以及線掃描回波平面波譜成像。但由于波譜成像需要在MRI 圖像增加一個(gè)維度，因此通常速度相對(duì)很慢，分辨率相對(duì)較低。3～4 mm 的空間分辨率和大約1 分鐘的時(shí)間分辨率已被證明。需要注意的是，波譜成像方法可能對(duì)體素內(nèi)場(chǎng)不均勻性敏感，影響波譜寬度，使確定峰位變得困難?？梢酝ㄟ^(guò)增加空間分辨率（獲取較小的體素）來(lái)緩解不均勻性影響，但代價(jià)是需要提高SNR 或掃描時(shí)間。提高場(chǎng)強(qiáng)也可能獲得良好的時(shí)間穩(wěn)定性和空間均勻性，甚至可用內(nèi)部參考可靠地檢測(cè)一些微弱的代謝信號(hào)。但在PMRSTI 中，需要復(fù)雜的后處理步驟。而且，盡管波譜溫度成像省去了對(duì)比參考圖像，但參考刻度依然需要。另外水信號(hào)和參考信號(hào)之間的化學(xué)移位差的絕對(duì)值可能受組織位置和參數(shù)的影響（圖4）。然而，它確實(shí)為潛在的絕對(duì)溫度測(cè)量提供了獨(dú)特的工具。

圖4 人類大腦的1H磁共振圖像和光譜

1.5 溫度敏感造影劑溫度成像

與PMRSTI一樣，溫度敏感造影劑溫度成像（sensitive contrast agent temperature imaging，SCATI）也是獲取絕對(duì)組織溫度，利用了各種脂質(zhì)體、自旋分子材料和順磁鑭系稀土化合物的熱敏感特性獲取溫度信息。

順磁性鑭系化合物表現(xiàn)出比質(zhì)子要高得多的溫度依賴性，實(shí)驗(yàn)證明其化學(xué)移位比水中的質(zhì)子大300 倍。因此，這類鑭系的化合物對(duì)于高精度、高分辨率、溫度變化較小的應(yīng)用特別適宜。這類化合物的最大問(wèn)題是其化學(xué)移位與pH 值和鈣的含量有一定的關(guān)系。Hekma?tyar 等對(duì)基于銩的化合物TmDOTMA-研究發(fā)現(xiàn)其化學(xué)移位約為水質(zhì)子的60倍，并且與pH值和鈣無(wú)關(guān)。因此，基于順磁性鑭系化合物表現(xiàn)出非常好的技術(shù)前景。

2 磁性納米粒子溫度成像方法

磁性納米粒子溫度成像（MNPTI）的優(yōu)勢(shì)在于其產(chǎn)生的與溫度相關(guān)的宏觀磁化矢量要遠(yuǎn)高于同等激勵(lì)下氫原子的宏觀磁化矢量，相對(duì)于磁共振測(cè)溫更容易獲取高精度的溫度測(cè)量。Reeves和Perreard 等分別采用幅值、頻率掃描的方法測(cè)量弛豫時(shí)間，然后通過(guò)布朗方程計(jì)算出溫度信息，精度可達(dá)0.3 ℃和0.42 ℃。近幾年，劉文中團(tuán)隊(duì)在磁性納米粒子溫度測(cè)量方面做了很多工作，目前已經(jīng)掌握了磁性納米粒子有效弛豫時(shí)間及交流磁化強(qiáng)度奇次諧波進(jìn)行溫度測(cè)量的方法，同時(shí)，通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)研究明確了不同頻率低頻場(chǎng)下磁流體團(tuán)聚分離溫度點(diǎn)，可消除測(cè)量中因磁流體團(tuán)聚帶來(lái)的誤差。分析了磁性納米粒子溫度測(cè)量硬件系統(tǒng)的誤差源，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)確定系統(tǒng)參數(shù)，使得當(dāng)信號(hào)交流偏置率在80 dB 時(shí)，測(cè)量誤差小于0.1 K。通過(guò)增加交流激勵(lì)信號(hào)采樣反饋，減小功率放大器的非線性波動(dòng)，從而獲取穩(wěn)定的測(cè)量信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)響應(yīng)波動(dòng)小于0.04%。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上述不同溫度成像方法的總結(jié)，可以得出表1 所示的上述各種溫度成像方法的對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)質(zhì)子共振頻移、縱向弛豫時(shí)間和橫向弛豫時(shí)間溫度成像方式獲取的都是相對(duì)于標(biāo)定溫度變化信息，而非被測(cè)對(duì)象的絕對(duì)溫度。質(zhì)子磁共振波譜、溫度敏感造影劑和磁納米粒子溫度成像方式獲取的是被測(cè)對(duì)象的絕對(duì)溫度。但就目前而言，上述方法在細(xì)胞尺寸溫度信息獲取方面均需進(jìn)一步完善。

表1 磁學(xué)溫度成像方法對(duì)比

上述磁學(xué)溫度成像技術(shù)在溫度測(cè)量精度和空間分辨率單一尺度實(shí)現(xiàn)了較高的分辨率，但實(shí)現(xiàn)細(xì)胞尺寸（0.1℃@10 μm）分辨率溫度成像還需進(jìn)一步探究。其中，基于超順磁性納米粒子的溫度成像技術(shù)最具研究潛力，超順磁納米粒子是目前已知最高效的磁溫敏感材料，信號(hào)強(qiáng)度相比氫質(zhì)子提高3～6個(gè)數(shù)量級(jí)，具備0.1℃以上分辨率。針對(duì)微米尺度目標(biāo)定位問(wèn)題，研究人員指出，加大梯度磁場(chǎng)后，在零磁場(chǎng)點(diǎn)周圍可以形成一種微米尺度的等磁場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)，通過(guò)該磁場(chǎng)內(nèi)對(duì)應(yīng)的磁共振頻率便可實(shí)現(xiàn)共振定位。如10 T/m梯度場(chǎng)中，零磁場(chǎng)點(diǎn)（FFP）附近1 高斯等位面將坍縮為10 μm 的橢球面。即微米尺度的目標(biāo)定位是可實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)而言之，基于超順磁性納米粒子的溫度成像技術(shù)具備實(shí)現(xiàn)細(xì)胞尺寸分辨率溫度成像的潛力。隨著溫度成像技術(shù)研究的深入發(fā)展，細(xì)胞尺寸分辨率溫度成像有望為生物醫(yī)學(xué)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。