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磁共振引导高强度聚焦超声生物学效应的实验研究

刘娟  
【摘要】: 研究背景 肿瘤热疗近年来颇受人们的关注,它包括温热疗法和高温原位灭活疗法两种。前者是加热肿瘤至42.5℃~45℃并保持一定的时间(数分钟至几十分钟)抑制肿瘤组织的生长以达到治疗的目的;后者则是加热到较高的温度(60℃或以上)达到肿瘤组织的完全坏死。高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)就是近些年来发展起来的一种新兴高温热原位灭活肿瘤的治疗技术。其原理是将HIFU聚焦于体内病灶组织产生局部高温导致肿瘤组织发生凝固性坏死,达到“切除”或热消融肿瘤的目的。为了实现HIFU治疗术前的准确定位、术中的实时监控和术后评价随访,选择一种有效的监控手段是非常重要的。磁共振(Magnetic resonance imaging,MRI)成像清晰,组织分辨率和空间分辨率高,无电离辐射,可以无创测温,作为HIFU治疗的一种新的监控手段逐渐被人们重视起来。本研究使用MRI导航聚焦超声体外消融系统(MR Imaging guided HIFU,MRIgHIFU)进行一系列离体和动物实验,观察MRI实时监控温度及MRI信号的变化规律,比较图像与大体损伤的一致性,验证MRI引导HIFU治疗的可行性。 目的 探讨MRI在HIFU辐照生物组织中的作用,研究MRI组织信号变化区域及MRI温度图中温度明显升高区域与实际损伤之间的关系,探索MRI在HIFU治疗中的作用和意义。 方法 1离体实验 1.1采用MRIgHIFU系统,治疗头频率1.0MHz,焦距150mm; 1.2离体实验对象:新鲜离体牛肝组织和人造生物体模; 1.3辐照方式:分别采用点、线、体扫描方式。点辐照参数设置为①声功率分别为200W、250W、300W,辐照时间20s,每组辐照10个点;②声功率为250W,辐照时间分别为10s、15s、20s,每组辐照10个点;③线辐照参数设置为声功率250W,线长20mm,扫描速度分别为1mm/s、2mm/s和3mm/s,辐照1遍(治疗头运动一个来回),每组辐照4条线;④体辐照方式选用连续点打和直线扫描,每种方式辐照5个3cm×3cm×3cm的体。HIFU辐照过程中动态观察MRI温度图变化,图中温度明显升高区以不同的颜色编码来表示(蓝色30℃~37℃,绿色37℃~45℃,黄色45℃~55℃,红色55℃~100℃),测量每个颜色的范围大小与实际组织损伤相比较。辐照结束后观察T2和质子加权(PD)图像靶区的信号变化并测量其大小,与实际组织损伤作比较,结果应用SPSS11.5统计软件包和Microsoft Excel软件进行分析。 2.活体实验 以正常新西兰大白兔作为实验对象,辐照参数为声功率250W,辐照时间15s,选择大腿肌组织为靶区行定点辐照,观察靶区表面皮肤损伤情况, HIFU辐照过程中观察MRI温度图变化,测定不同温度的颜色范围(蓝色45℃~50℃,绿色50℃~55℃,黄色55℃~60℃,红色60℃~100℃),辐照结束后观察T2和PD图像的信号变化并测量其范围大小,分别与实际组织损伤作比较,结果应用SPSS11.5统计软件包和Microsoft Excel软件进行分析。 结果 1.HIFU辐照离体牛肝50个点,98%组织形成细长的类椭圆形灰白色损伤灶;辐照人工体模共12条线,100%体模可见白色线状改变;辐照离体牛肝10个体,100%可见组织呈现一定厚度的灰白色损伤灶;点辐照正常兔大腿肌组织10个点,皮肤表面均可见点状充血水肿,解剖肌组织100%形成白色类圆形损伤灶。 2.HIFU辐照离体标本,T-MAP中靶区出现蓝→绿→黄→红的动态变化规律,即靶区温度从辐照开始迅速升高至辐照结束即刻达最高,随之以相反的规律迅速下降。辐照结束即刻温度图48%出现红色,94%出现黄色,统计分析得靶区黄色温度显示范围与实际组织损伤范围最一致。HIFU辐照兔大腿肌组织,T-MAP靶区温度动态变化规律与离体一致,辐照结束即刻温度图80%出现红色,100%出现黄色,统计分析得靶区黄色温度显示范围与实际组织损伤范围最一致。 3.HIFU辐照结束后,离体标本MRI二维解剖图像(PD和T2)靶区表现为低信号区,兔大腿肌组织PD和T2靶区表现为周围环绕高信号带的低信号区。二者靶区低信号区出现率均为100%,该区范围与组织实际损伤范围一致。 结论 1.利用MRIgHIFU系统辐照离体牛肝和正常兔大腿肌组织,可以形成肉眼可见的组织损伤,在人工体模中形成清晰可见的线状改变。 2.MRI可以实现无创实时监控HIFU辐照过程的动态温度变化,辐照结束即刻T-MAP中黄色温度显示范围可以较准确反应实际组织损伤情况。 3.通过MRI二维解剖图像中靶区的信号变化可以评价辐照后形成的组织损伤。 4.验证自主研发的MRI导航聚焦超声体外消融系统的作用和功能,结果显示行之有效,达到了设计要求。


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