科普｜磁共振温度测量

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科普｜磁共振温度测量

质子密度

根据玻尔兹曼分布方程，质子密度与平衡态的纵向磁化矢量M0成反线性关系

其中N是总的氢核个数，γ是旋磁比，hbar是普朗克常量，I是自旋量子数（氢核是1/2），B0是主磁场磁通密度，μ0是自由空间通透性，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，χ0是磁化率。根据居里定律，χ0与温度之间的关系是

由于M0大小与玻尔兹曼热平衡分布有关，所以可以通过质子密度加权图像来评价温度变化。需要注意的是组织内部的质子数量或者密度本身并不随着温度变化而变化，而是影响了磁化率，引起平行（高能态）和反平行（低能态）两种状态的氢核比例变化。

在37℃~80℃之间，每升高1摄氏度通常带来的M0值改变只有−0.30 ± 0.01%，要求非常高的信噪比。此外，还需要与T1弛豫时间带来的变化相区分，我们需要非常长达10s的TR 。这些原因导至该方法难以实现温度的实时测量和反馈。

氢质子T1弛豫时间

T1弛豫时间的温度依赖特性最早由Bloembergen等人发现，其关系为

在一个很小的温度范围内，T1与T呈线性关系，而且不同组织的T1及其与T的数学关系各不相同。据文献报道，每升高1摄氏度带来的T1值改变大约为1%，例如牛肉1.4%/℃，肝脏1~2%/℃，脂肪0.97%/℃。

该方法依赖于准确的T1值测量和推算。目前常见的T1值测量方法如饱和恢复和翻转恢复都非常费时，不适合实时测量，新兴的序列如TOMROP可以在4分钟内完成温度测量。由于脂肪T1值与温度之间的敏感关系与其他组织不同，通常还需同时使用脂肪抑制。

使用T1弛豫时间测量来对温度变化进行定量非常困难的原因还在于每种组织的温度敏感系数不尽相同而且目前仍没有公认的数据。不同组织对热效应的不同反应将影响到定量结果。例如在43℃组织发生凝固后，T1值将不再与温度呈线性关系。由于以上原因，T1加权图像多用于快速的定性判断，而难以做出精确的温度控制。

此外，虽然随着场强增加，T1值延长，T1值随着温度的变化增大，但是T1对比度降低，所以T1加权图像测量温度多用于低场磁共振将更敏感。

氢质子T2弛豫时间

在水溶液中可以观察到随着温度升高，T2弛豫时间延长。然而人体组织与纯水不一样的是T2值的温度敏感特性可能会被其他因素掩盖，例如由于热凝固引起组织不可逆损伤后，T2值反而缩短。此外，T2值与温度之间的数学关系并非线性。

弥散系数——布朗分子运动

该方法基于弥散系数D是温度敏感的，两者的关系为

其温度敏感性为2%/℃。水分子弥散状态受到组织间的屏障影响，如细胞结构、蛋白质、细胞膜，热消融术导至蛋白凝固，病理改变如脑缺血等都会改变D值，而且D对温度依赖的数学关系将呈非线性。

在各向异性组织中，如肌纤维等，需要进行DTI扫描；与T1值类似，需要进行脂肪抑制，该方法采集时间长，对运动敏感。

磁化传递

由于磁化传递交换过程是温度依赖的，可以用于温度测量。但该方法应用非常有限，只能对含有特定的大分子蛋白组织有效。

氢质子共振频率位移法

氢质子共振频率的温度敏感性最早在1966年由Hindman研究水分子之间的氢键时发现。后来先后应用于磁共振波谱MRS和磁共振测温（Ishihara等）。

氢质子的共振频率由它周围的局部磁场环境决定，这就是化学位移现象

file:///C:\Users\repacs\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps329D.tmp.png由于化学位移的存在，使得氢质子共振频率随着温度变化而规律变化，在20~100℃范围内表现出线性规律。PRF测温方法分为MRS和Phase Mapping两种。

MRS

通过测量随着温度变化的水峰位置和不随温度变化的质子（如脂肪或NAA）的共振峰位置之间的差值，这种使用内部参照物的MRS方法可以减少磁场漂移和运动的影响，并能测量绝对温度。但由于MRS时间和空间分辨率比较低，限制了其在实时温度测量领域的应用。

Phase Mapping

由于温度改变会导至质子共振频率变化，经过一定时间的累积将导至相位变化。该方法是用多回波GRE序列，具有扫描速度快的特点。它通过计算相位的差值及所经过的时间进而求得频率的差值，逆推出温度的变化分布

file:///C:\Users\repacs\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps329E.tmp.png除了脂肪以外，该方法不受组织类型的影响，温度敏感性达到0.01ppm/℃。

温度敏感性对比剂

近年来新兴的温度敏感性对比剂也提供了磁共振测温的新途径，包括顺磁性温度敏感性脂质体由脂质体膜包裹钆或者锰组成，顺磁性镧系配合物如DOTMA−、TmDOTMA−，及测量化学交换饱和传递的PARACEST对比剂等

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