Магнитно-резонансная томография (МРТ) широко признана за ее способность производить анатомические изображения с высоким разрешением, но ее роль в термометрии - измерении температуры неинвазивно - стала одинаково важной в современной интервенционной онкологии. Во время лечения гипертермии, где целенаправленное нагревание используется для повышения эффективности лучевой терапии или химиотерапии, мониторинг температуры в режиме реального времени необходим для обеспечения того, чтобы опухоль достигла цитотоксических температур (обычно 40-45 ° C) при сохранении окружающей здоровой ткани. Термометрия на основе МРТ предлагает уникальную комбинацию высокого пространственного разрешения, контраста мягких тканей и способности отображать изменения температуры в трех измерениях без ионизирующего излучения. В этой статье рассматривается основная физика термометрии МРТ, ее основные методы, проблемы, возникающие в клинической практике, и инновации, которые продолжают совершенствовать эту технику.

Основы МРТ и измерения температуры

МРТ использует магнитные свойства атомных ядер — чаще всего протонов водорода в воде и жире — для генерации сигнала. Пациент помещается в сильное статическое магнитное поле (B]0), которое выравнивает спины протона. Для отвода этих спинов от равновесия применяются радиочастотные (RF) импульсы, и по мере их прецессирования обратно они вызывают напряжение в катушках приемника. Частота прецессии регулируется уравнением Лармора:

ω = γB0

где ω — угловая частота, а γ — гиромагнитное отношение (≈ 42,58 МГц/Т для протонов). Температура влияет на несколько физических свойств, влияющих на сигнал МРТ: резонансную частоту протонов, коэффициент диффузии воды, время релаксации спин-решетки (T]1) и время релаксации спин-спина (T2). Термометрия МРТ использует эти зависимости для создания количественных температурных карт.

Принципы MRI термометрии

Изучены четыре основных класса температурно-чувствительных параметров МР:

  • Сдвиг частоты протонного резонанса (PRF): Наиболее широко используемый метод клинически. Он опирается на температурно-зависимое изменение электронного экранирования вокруг водных протонов, которое изменяет их резонансную частоту.
  • T1 Релаксометрия: T1 (релаксация спиновой решетки) увеличивается с температурой в чистой воде, хотя эффект зависит от ткани и часто менее линейный, чем PRF.
  • T2 Релаксометрия: T2 (спин-спин релаксация) также изменяется с температурой, но чувствительность ниже и более восприимчива к факторам смешения (например, отеку, некрозу).
  • Диффузионная взвешенная визуализация (DWI): Кажущийся коэффициент диффузии (ADC) воды увеличивается с температурой из-за броуновских изменений движения, обеспечивая косвенную термометрическую меру.

Среди них метод сдвига PRF предпочтителен при гипертермии из-за его линейной связи с температурой, отличным временным разрешением и относительной нечувствительности к типу ткани в богатых водой средах.Однако жировая ткань (жир) проявляет очень малое смещение PRF из-за различной химической среды протонов метилена, что делает метод в первую очередь подходящим для водных тканей.

Физика метода сдвига PRF

Сдвиг PRF возникает из вызванных температурой изменений водородной связи между молекулами воды. По мере повышения температуры водородные связи ослабевают, изменяя электронное облако вокруг атома кислорода и тем самым уменьшая местное магнитное экранирование, испытываемое протонами воды. Это уменьшает эффективное B]0, ощущаемое протонами, заставляя их частоту прецессии уменьшаться. Частотный сдвиг является линейным и обратимым в физиологическом температурном диапазоне (обычно 20–50 °C). Коэффициент температуры α составляет примерно –0,01 части на миллион на градус Цельсия (ppm/°C) для водной ткани, с отрицательным знаком, указывающим на снижение частоты с увеличением температуры.

Фаза сигнала MR чувствительна к этому сдвигу частоты.Приобретая градиентно-эхопоследовательность с умеренным временем эха (TE), накопленное фазовое изменение Δφ может быть связано с изменением температуры ΔT:

Δφ = γ · B0 · TE · α · ΔT

Это уравнение показывает, что изменение фазы линейно зависит от B0 и TE. Более высокие силы поля (например, 3 Т по сравнению с 1,5 Т) удваивают чувствительность фазы, в то время как более длительный TE увеличивает чувствительность, но также уменьшает отношение сигнал/шум (SNR) и увеличивает чувствительность к B0 дрейфу и движению. На практике температурные карты реконструируются из разницы между базовым фазовым изображением, полученным до нагрева, и серией фазовых изображений, полученных во время нагрева. Абсолютная температура не может быть измерена непосредственно от фазы; получены только изменения температуры относительно базовой линии. По этой причине термометрия на основе PRF классифицируется как относительный метод.

Методы диффузии и релаксометрии

Термометрия ADC основана на отношении Стокса-Эйнштейна, которое предсказывает, что коэффициент диффузии D пропорционален абсолютной температуре и обратно связан с вязкостью. in vivo ADC увеличивается примерно на 2-3% на °C. Этот метод менее чувствителен, чем PRF, и страдает от более длительного времени приобретения для стабильной количественной оценки ADC, но он имеет преимущество в том, что он в значительной степени независим от неоднородностей B]0 и может применяться в жировых тканях, где PRF неисправен. Основным недостатком является то, что изменения ADC также отражают перфузию тканей, отек клеток и некроз, что затрудняет изолирование температурных эффектов вблизи порогов термического повреждения.

T1 термометрия, с другой стороны, использует тот факт, что T1 увеличивается с температурой примерно на 1-2 % на °C во многих мягких тканях. Этот метод может быть выполнен со стандартными последовательностями насыщения-восстановления или инверсии-восстановления и обеспечивает абсолютные температурные карты (если известны значения T1].1 под влиянием состава ткани, кровотока и содержания жира, а температурная зависимость не всегда линейна в широком диапазоне, T2 термометрия показывает аналогичные ограничения с ещё более низкой чувствительностью и редко используется в качестве основного термометрического метода.

Проблемы и достижения в области термометрии МРТ

Несмотря на свои сильные стороны, термометрия на основе МРТ на основе PRF сталкивается с несколькими препятствиями, которые необходимо преодолеть для надежного клинического использования. Эти проблемы побудили обширные исследования в области усовершенствования оборудования, оптимизации последовательности и алгоритмов постобработки.

Артефакты движения и коррекция

Patient motion—whether from breathing, cardiac pulsation, or involuntary movements—causes misregistration between baseline and heating images, producing phase errors that mimic temperature changes. In abdominal or thoracic hyperthermia, respiratory motion is particularly problematic. Strategies to mitigate motion include:

  • Взятие и задержка дыхания: Ограничение приобретения до конкретных фаз дыхательного цикла снижает амплитуду движения, но продлевает время сканирования.
  • Навигатор Эхо: Отдельное МР-эхо низкого разрешения используется для отслеживания положения диафрагмы и обновления положения среза в реальном времени.
  • Регистрация изображений: Алгоритмы постобработки, основанные на взаимной информации или жестких/нежестких изображениях фазы регистрации, выравнивают фазовые изображения перед вычитанием.
  • Золотая стрелка радиального отбора: Эта схема непрерывного приобретения позволяет ретроспективно выбирать последовательные состояния движения, что позволяет реконструировать компенсируемое движением.

Передовые методы, такие как реконструкция на основе моделей и коррекция движения на основе глубокого обучения, становятся перспективными инструментами для дальнейшего сокращения остаточных артефактов.

Неоднородности магнитного поля

Несовершенства в главном магнитном поле (B]0) и интерфейсах восприимчивости тканей (например, вблизи костей или воздушных полостей) вводят фазовые смещения, которые не связаны с температурой. Эти статические смещения могут быть частично удалены путем вычитания изображения базовой фазы, но они могут изменяться с течением времени из-за дрейфа B0, дрейфующих от градиентного нагрева или движения субъекта. Для решения этой проблемы, многоэхо-подход может оценивать изменения B0, или эталонная протонная фаза может быть получена из области интереса, где не происходит нагрева (например, водяной фантом, расположенный вблизи цели). Более сложные методы включают в себя термометрию , на которую ссылаются , где фаза ненагретой фоновой области используется для коррекции дрейфа, или

Временное разрешение необходимо

Гипертермия, применяемая с сфокусированной ультразвуковой или радиочастотной абляцией, часто требует обновления температуры от миллисекунды до секунды, чтобы избежать перегрева. Однако получение карты температуры 3D с высоким разрешением с достаточным SNR требует времени. Существует фундаментальный компромисс между пространственным разрешением, временным разрешением и SNR. Для ускорения приобретения исследователи используют:

  • Echo-Planar Imaging (EPI): EPI с одним выстрелом может создать 2D-карту температуры в 50-100 мс, но страдает от низкого пространственного разрешения и геометрических искажений.
  • Сжатое восприятие: При недостаточной выборке k-пространства и использовании итеративной реконструкции с ограничениями редкости время приобретения может быть уменьшено факторами 3-8 без значительной потери точности.
  • Параллельное изображение (например, GRAPPA, SENSE): Использование нескольких катушек приемника для ускорения получения, как правило, в 2-4 раза.
  • Одновременный мультирезультат (SMS): Захват и приобретение нескольких ломтиков одновременно для увеличения объемного покрытия за единицу времени.

Комбинирование этих методов позволяет проводить 2D-термометрию в режиме реального времени (< 1 секунда на обновление) и 3D-термометрию в режиме реального времени, что достаточно для большинства клинических протоколов гипертермии.

Применение в лечении гипертермии

Термометрия МРТ в настоящее время используется в нескольких модальностях гипертермии, включая сфокусированное ультразвуковое исследование (FUS или HIFU), радиочастотную абляцию (RFA), микроволновую абляцию и лазерную интерстициальную термическую терапию (LITT). Карты температуры обеспечивают обратную связь, которая направляет врача в контроле осаждения энергии и мониторинге тепловой дозы.

Мониторинг нагрева

Во время сфокусированной ультразвуковой гипертермии (обычно в диапазоне 40-45 ° C в течение 30-60 минут) термометрия на основе PRF используется для проверки того, что целевая область достигает предписанной температуры и что в окружающих тканях, таких как ребра, кишечник или кожа, не развиваются горячие точки. Та же техника используется во время термической абляции (≥ 55 ° C), чтобы гарантировать, что некротический край покрывает всю опухоль с запасом прочности 5-10 мм. Температурные карты часто накладываются на анатомические изображения, и оператор может регулировать мощность, продолжительность звука или положение преобразователя в реальном времени на основе распределения температуры.

Одним из ключевых показателей, полученных из термометрии, является термальная доза , обычно количественно измеряемая в кумулятивных эквивалентных минутах при 43 °C (CEM43). Интегрируя историю температурного времени для каждого вокселя, клиницист может предсказать области гибели клеток. Это особенно важно для конформной гипертермии, где цель состоит в том, чтобы доставить точную тепловую дозу опухоли, избегая при этом повреждения критических структур.

Планирование лечения и обратная связь

Планирование предварительной обработки использует исходные данные МРТ (анатомия, диффузия, перфузия) в сочетании с акустическим или электромагнитным моделированием для прогнозирования распределения температуры. Во время лечения измеренные температурные карты могут использоваться для обновления параметров моделирования - метод, известный как метод управления обратной связью на основе модели . Например, если измеренная температура в определенном месте ниже, чем прогнозировалось, система может автоматически увеличить мощность или изменить фокус для компенсации. Аналогично, если повышение температуры обнаруживается в чувствительной структуре (например, зрительный нерв во время гипертермии головного мозга или стенка матки во время фиброзной абляции), система может приостановить или перенаправить доставку энергии. Эта адаптация в реальном времени значительно повышает безопасность и согласованность лечения.

В дополнение к направляющей терапии, термометрия МРТ также помогает в оценке эффективности лечения. После лечения контрастно-усиленные T1-взвешенные изображения могут показывать неперфузные объемы, которые коррелируют с тепловыми дозами карт, обеспечивая немедленное подтверждение пределов абляции. Для гипертермии, доставленной до лучевой терапии, температурные карты могут использоваться для оценки коэффициента теплового усиления (TER), который количественно определяет увеличение гибели клеток из-за тепла и может быть учтен в общем плане лечения.

Будущие направления

Область термометрии МРТ быстро развивается, что обусловлено необходимостью более точных, быстрых и надежных измерений температуры. Несколько новых тенденций обещают расширить ее клиническую полезность.

Интеграция с машинным обучением

Модели глубокого обучения разрабатываются для улучшения нескольких аспектов термометрии: (1) обезвреживание изображений фазы с низким SNR, (2) коррекция артефактов движения в реальном времени, (3) реконструкция температурных карт из данных с высокой недостаточной выборкой и (4) прогнозирование эволюции температуры из частичных измерений. Эти модели могут быть обучены на синтетических или ретроспективных клинических данных для изучения сложных отношений между необработанными данными k-пространства и базовым распределением температуры. Ранние результаты показывают, что нейронные сети могут соответствовать или превосходить обычные методы реконструкции при сокращении времени получения на порядок. Кроме того, алгоритмы обучения усилению предлагают потенциал для полностью автономной доставки гипертермии замкнутого цикла, где система изучает оптимальные модели соникации для достижения целевого распределения температуры.

Гибридная мультимодальная визуализация

Сочетание МРТ с другими методами может преодолеть присущие ей ограничения. Например, ультразвуковая термометрия (на основе эхо-временных сдвигов) может обеспечить дополнительную информацию в тканях, где термометрия МРТ является сложной, например, в присутствии металлических имплантатов или околовоздушных интерфейсов. Оптические методы, такие как ближняя инфракрасная спектроскопия, могут использоваться для мониторинга температуры кожи во время поверхностной гипертермии. Путем слияния данных от нескольких датчиков с использованием байесовских подходов или машинного обучения, можно реконструировать более полную и надежную температурную карту. Некоторые исследовательские системы теперь интегрируют одновременное руководство МРТ и КТ, хотя доза излучения остается проблемой.

Advanced Pulse Sequences и аппаратное обеспечение

Продолжают появляться новые последовательности МРТ, адаптированные для термометрии.Исследование применения 3D-EPI с подавлением жира, многоэхо-градиент-эхо и сбалансированной устойчивой свободной прецессии (bSSFP) проводится для улучшения SNR и уменьшения артефактов. На аппаратной стороне выделенные поверхностные катушки только для приема, расположенные вблизи от нагреваемой области, могут повысить SNR, в то время как высокопроизводительные градиентные системы позволяют быстрее получать. Ультравысокополевая МРТ (7 Т) обеспечивает более высокую фазовую чувствительность для PRF, но она также вводит повышенные проблемы неоднородности и удельной скорости поглощения (SAR). Гибридные системы, которые сочетают 1,5 Т МРТ с высокоинтенсивным сфокусированным ультразвуковым преобразователем, уже коммерчески доступны (например, система Соналлеве) и продемонстрировали клиническую эффективность для миомы матки и метастазов в кости.

Абсолютная температурная карта

Одним из основных ограничений термометрии PRF является ее неспособность измерять абсолютную температуру без исходного уровня. Исследователи изучают методы для преодоления этого, такие как использование зависящих от температуры T1 специфических макромолекул или химического сдвига определенных метаболитов (например, N-ацетиласпартат-метиловый пик в спектроскопии мозга). Если в сканирование включено эталонное вещество с известным температурным ответом — либо эндогенное (например, внутримиоклеточные липиды) или экзогенное (например, чувствительный к температуре контрастный агент) — возможно калибровать сигнал PRF и получать абсолютные температуры. Это может упростить рабочие процессы, особенно в процедурах, где базовое приобретение невозможно (например, во время экстренной абляции).

Низкополюсная и портативная МРТ

Системы МРТ с низким уровнем поля (0,1-1,0 Т) привлекают внимание из-за их более низкой стоимости, портативности и снижения SAR. В то время как шкалы чувствительности PRF с B0, системы с низким уровнем поля все еще могут достичь полезной термометрии, используя более длительные эхо-времени или альтернативные методы, такие как термометрия на основе T1 или ADC. Разработка портативных МРТ-сканеров может принести гипертермию с изображением в меньшие клиники или даже операционные комнаты, расширяя доступ к этой технологии.

В целом, термометрия на основе МРТ является сложным и незаменимым инструментом для мониторинга лечения гипертермии. Ее основа в физике протонного резонанса, диффузии и релаксации позволяет клиницистам визуализировать температуру с высокой точностью. В то время как такие проблемы, как движение, неоднородности полей и временное разрешение сохраняются, постоянные достижения в приобретении, реконструкции и искусственном интеллекте неуклонно повышают надежность и скорость этих измерений. По мере развития поля термометрия МРТ будет играть еще большую роль в создании безопасной, эффективной и широко принятой терапии рака.