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1、分类号：三l 墨：鱼U D C ：密级：重庆医科大学硕士学位论文论文题目作者姓名基于M R I 测温的H I F U 致离体生物组织凝固性坏 死的热剂量研究李雅芬指导教师姓名( 职称、单位名称)李发琪教授重庆医科大学生物医学工程学院超声医学工程省部共建国家重点实验室超声医学工程重庆市市级重点实验室重庆医科大学医学超声工程研究所申请学位级别硕士学科、专业名称生物医学工程论文答辩年月2 0 1 3 年5 月2 0 1 3 年5 月重庆医科大学研究生学位论文独创性声明本人申明所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他
2、人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆医科大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。学位论文作者签名：夸难务日期：如限f 2学位论文版权使用授权书本人完全了解重庆医科大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属重庆医科大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为重庆医科大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密内容
3、除外) ，并编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他手段保存论文。保密论文在解密后适用本授权书。论文作者签名：李雅芬 指导教师签名：獬日期：2 口限b - 2962帅0嵋-4Z洲Y目录英汉缩略语名词对照。1中文摘要。2英文摘要8基于M R I 测温的H I F U 致离体生物组织凝固性坏死的热剂量研究1 4前言1 4月qi 署1 4第一章H I F U 热剂量研究的相关基础1 61H I F U 治疗中的温度测量1 62 热致细胞坏死的热剂量。2 03 高斯拟合原理2 14 本章小结2 3第二章基于M R I 测温的H I F U 热剂量的离体实验研究2 41 实验材料与设备2 42
4、实验方法2 43 结果。2 84 讨论3 35 本章小结3 5全文总结。3 6参考文献。3 8文献综述。4 5致谢5 1攻读硕士期间撰写和发表的学术论文5 2重庆医科大学硕士研究生学位论文 = 一一英汉缩略语名词对照英文缩写H 职U 删M P I g r n F U田DE MP C DP I 讧T lD英文全称H i g hI n t e n s i t yF o c u s e dU l t r a s o u n dM a g n e t i cR e s o n a n c eI m a g i n gM R Ig u i d e dH I F UT h e r m a ld o s e
5、E q u i v a l e n tM i n u t e sP a s s i v eC a v i t a t i o nD e t e c t i o nP r o t o nR e s o n a n c eF r e q u e n c yT lr e l a x a t i o nt i m eD i f r u s i o nc o e f f i c i e n t中文全称高强度聚焦超声磁共振成像磁共振引导高强度聚焦超声热剂量等效分钟数被动空化检测质子共振频率自旋晶格纵向弛豫时间扩散系数重庆医科大学硕士研究生学位论文基于M 砒测温的H I F U 致离体生物组织凝固性坏死的
6、热剂量研究摘要研究背景在肿瘤治疗方面，H I F U ( H i g hI n t e n s i t yF o c u s e dU l t r a s o u n d ，H I F U )作为非侵入性的肿瘤热消融技术近年来发展迅速，其治疗原理是将高强度的超声能量聚焦在靶区肿瘤组织，焦点区域在极短的时间内产生高温，从而使肿瘤组织发生凝固性坏死，达到原位灭活或局部根治的目的；并且治疗过程中可以不损伤非靶区的健康组织。目前H I F U 已用于治疗子宫肌瘤、骨肉瘤、肝癌等多种疾病，有良好的临床应用前景。H I F U 作为一种热消融疗法，需要有良好的监控及温度测量技术来保证治疗安全和治疗疗效。M
7、 R I 可用于监控H I F U 治疗过程，优点是M R I 成像无电离辐射，有多种成像参数可选择，对组织分辨率高，尤其是有温度敏感的参数来用于实时测温。为判断H I F U 热消融形成的凝固性坏死范围，目前主要采用传统恒温热疗的等效热剂量方法，但H I F U 的加热及治疗方式与恒温热疗不同，对于H I F U 热效应所致组织凝固性坏死的热剂量阈值，目前仍没有统一的标准。有部分学者以2 4 0 E M ( E q u i v a l e n tM i n u t e s ，E M ) 等效热剂量作为组织坏死的剂量标准，也有学者认为这个标准相对保守，并认为更低的热剂量就会使组织变【基金项目】
8、国家重点基础研究发展计划( 2 0 1 1 C B 7 0 7 9 0 2 ) 和国家自然科学基金 ( 8 1 1 2 7 9 0 1 ，1 1 2 7 4 4 0 4 ) 资助重庆医科大学硕士研究生学位论文性。如果控制H I F U 声辐照参数( 频率、脉冲重复频率和占空比、声强、辐照时间) 可产生单纯的热效应、热效应为主但有空化效应参与甚至沸腾、单纯的空化损伤。目前H I F U 主要利用对生物组织的热效应进行治疗，但伴有空化效应的参与，空化泡会严重损伤附近的生物组织细胞；当组织液达到一定温度，靶区会发生沸腾现象，空化和沸腾都会对组织形成不同程度的损伤，改变凝固性坏死的形态以及组织中超声能
9、量的沉积效率，此时的H I F U 治疗剂量更加复杂，只用热剂量来计算并不准确。基于上述背景，本文利用M 监控的H I F U 治疗系统，使用尽可能单纯热效应( 不发生空化效应和沸腾) 的H I F U 辐照参数辐照猪肝组织，通过M R I 实时监测H I F U 辐照过程和辐照结束后焦平面温度变化情况。应用高斯函数拟合获得焦平面横向温度空间变化情况，以弥补M R I 测温时的空间分辨率问题。然后通过热剂量公式计算焦平面横向上等效热剂量值，获得降温结束时焦平面横向上等效热剂量分布，并与辐照结束后解剖获得的焦平面上凝固性坏死横向尺寸进行比对，当等效热剂量范围等于焦平面上凝固性坏死横向尺寸时，最小
10、等效热剂量值即为H I F U 辐照致离体生物组织热凝固性坏死的热剂量阈值。目的1 利用高斯函数来拟合焦平面横向上M R I 测温得到的各体素温度，获得焦平面横向上温度变化曲线。2 初步研究基于焦平面横向上温度变化曲线的H I F U 致离体生物1重庆医科大学硕士研究生学位论文组织热凝固性坏死的热剂量阈值。方法1 实验材料：屠宰后6 小时以内的新鲜离体猪肝组织，用生理盐水洗净，置入生物组织脱气缸脱气处理4 0 分钟，取出切块备用。2 实验设备：磁共振导航高强度聚焦超声治疗系统( M R I g H I F U ) ，重庆海扶( H I F U ) 技术有限公司和西门子联合开发制造。( 1 )M
11、 A G N E T O MS y m p h o n y ，AT i mS y s t e m1 5 T 磁共振成像系统( 西门子有限公司) ，用于监控及测温；( 2 ) 与M R 系统软硬件兼容的H I F U 治疗系统，采用壳式自聚焦H I F U 治疗换能器，频率1 1 M H z ，焦距1 8 0m m ，开口直径1 6 0m l T l 。3 实验方法：( 1 ) 采用辐射压力法测量H I F U 换能器的声功率。( 2 ) 采用5 0 W 声功率辐照生物组织，通过M R I 测温和被动空化监测，当焦域处温度达到5 5 。C ，且宽带噪声没有出现时停止辐照，记录辐照时间，保证此辐照
12、参数下H I F U 所致生物组织凝固性坏死尽可能仅是热效应参与。( 3 ) H I F U 辐照前，通过M 扫描序列对离体组织扫描焦平面定位像。采用基于P R F ( P r o t o nR e s o n a n c eF r e q u e n c y ，P I 讧) 的方法进行M R I测温，测温序列扫描开始后进行H I F U 辐照，当靶区显示最高温度达到5 5 。C 时停止辐照。当靶区降温至4 0 。C 后停止M 甜测温序列的扫描。( 4 ) 同时，在H I F U 辐照前以及靶区降温至4 0 。C f 舌采用T l 、T 2和P D 序列扫描靶区。4重庆医科大学硕士研究生学位论
13、文( 5 ) 辐照结束后，平行于冠状面( 即焦平面) 将靶区组织切成l 2 m m 的薄片，找到最大面积的凝固性坏死，测量并加标尺拍照记录。( 6 ) 通过g r a y v a l 软件对最大面积的凝固性坏死面照片按标尺比例测量面积及过坏死中心的最大坏死直径。( 7 ) 通过R T T S v i e w e r 软件导出辐照过程及降温过程中靶区焦域处及其周围组织各体素的温度值。对焦平面横向上每一测温时刻的温度数据进行高斯拟合，得到不同测温时刻焦平面横向上的温度拟合曲线，对离散温度数据与拟合温度曲线的拟合程度做拟合优度检验。( 8 ) 根据热剂量公式和不同测温时刻的拟合温度曲线，计算出焦平面
14、横向上温度对时间累积的热剂量曲线。确定最大坏死面积的直径对应的坏死边缘点位置，根据焦平面横向的热剂量曲线可以得到坏死边缘点的热剂量值。结果1 辐照声功率为5 0 W ，M R I 测温显示焦域处最高温度为5 5 。C 时停止辐照，平均辐照时间为3 1 9 5 1 s 。2 离体组织上单个辐照点的凝固性坏死形态为均匀的椭球体，焦平面上凝固性坏死最大面为圆形，平均面积为1 1 9 _ _ + 3 m m 2 。3 焦平面横向上每一时刻的温度数据变化趋势均是中心温度最高，沿着横向两侧远离中心方向的温度逐渐降低，且两侧的温度变化趋势相近。4 对M R I 测得焦平面横向上每个体素的温度数据进行高斯拟合，每一时刻焦平面横向的温度数据与拟合曲线，相关系数R 2 均大于气重庆医科大学硕士研究生学位论文9 5 ，表明通过拟合获得的温度数据能反映实际温度。5 焦平面横向上的热剂量曲线，中心位置的热剂量值非常高，接近焦域边缘时热剂量值
