MR-Thermometrie bei 1,5 Tesla zur thermischen Ablation mittels laserinduzierter Thermotherapie

Zusammenfassung

Ziel: Verifizierung der MR-Thermometrie mit verschiedenen MR-Sequenzen für die laserinduzierte Thermotherapie mittels fluoroptischer Temperaturmessung bei 1,5 Tesla bei Temperaturen bis 80 Grad Celsius. Material und Methodik: Bei Ex-vivo-Schweineleber und Agarose-Phantomen wurde unter MR-Bildgebung eine laserinduzierte Thermotherapie (LITT) durchgeführt. Die angewendete Laserleistung wurde von 3 bis 15 Watt variiert. Die Temperaturdarstellung basierte auf der Änderung der Protonenresonanzfrequenz (PRF) oder der longitudinalen Relaxationszeit (T1). Die PRF wurde mit einer Gradientenecho-Sequenz gemessen. Bei der T1-Methode wurden vier verschiedene MR-Sequenzen eingesetzt: eine konventionelle Gradientenecho-(GE-)Sequenz, eine TrueFISP-(TRUFI-)Sequenz, eine schnelle Gradientenecho-Sequenz namens Saturation Recovery Turbo-FLASH (SRTF) und eine Abwandlung davon, genannt Inversion-Recovery-Turbo-FLASH-(IRTF-)Sequenz. Die Temperatur wurde zur Kontrolle mit einem faseroptischen Thermometer gemessen und mit der am MRT geschätzten Temperatur korreliert. Es wurden Temperaturen von über 80 Grad Celsius am Ort der Temperatursonden erreicht und dargestellt. Ergebnisse: Bis zu einer Temperatur von 60 Grad wurde bei nahezu allen Methoden eine gute lineare Korrelation zwischen der am MRT geschätzten und der faseroptisch gemessenen Temperatur erreicht. Bei den Kalibrierungen der T1-Methoden lagen die Bestimmtheitsmaße der linearen Regressionen R² bei Agarosegel zwischen 0,977 und 0,997, bei Schweineleber zwischen 0,958 und 0,995. Die IRTF-Sequenz wies die größte Temperatursensitivität mit einem Temperaturkoeffizienten von 0,99 bzw. 1,19 bei Agarose und Leber auf. Bei der Laserbehandlung zeigte die TRUFI-Sequenz vor allem beim Agarosegel ein starkes nichtlineares Verhalten mit einem R² von 0,809. Die bei der Erwärmung auf 80 Grad Celsius erreichten mittleren Temperaturgenauigkeiten betrugen 3,86 bis 11,38 Grad Celsius bei Agarose und 5,7 bis 12,16 Grad Celsius bei Leber. Die SRTF- und IRTF-Sequenzen wiesen die größten linearen Korrelationen mit der Temperatur auf, waren aber stärker von der Art der Gewebe abhängig. Schlussfolgerung: Die erreichte Temperaturgenauigkeit der Methoden ist ausreichend, um die Ausbreitung der Koagulationszone bei der LITT zu kontrollieren. Die PRF-Methode ist aufgrund der besten linearen Korrelation zur fluoroptisch gemessenen Temperatur vorzuziehen. Unter den T1-Sequenzen ist die FLASH-Sequenz in Hinsicht auf Gewebeunterschiede am robustesten.

Abstract

Purpose: Evaluation of thermometry with fast MR sequences for laser-induced interstitial laser therapy (LITT) and verification of the thermometric results with a fiber-optic thermometer. Method and Materials: In vitro experiments were conducted using an agarose gel mixture and pig liver lobes. MR-guided LITT was performed using a laser power between 3 and 15 watts. Thermometry was performed using longitudinal relaxation time T1 and proton resonance frequency shift (PRF) methods under acquisition of amplitude and phase shift images. PRF was measured with a fast spoiled GRE sequence. Four different sequences were used for T1 thermometry: gradient echo (GE), TrueFISP (TRUFI), Saturation Recovery Turbo-FLASH (SRTF) and Inversion Recovery Turbo-FLASH (IRTF) sequences. The temperature was controlled using a fiber-optic Luxtron device and correlated with the MR temperature. The range of applied and monitored temperatures exceeded 80 degrees Celsius. Results: The temperature dependence showed a good linear relationship up to 60 degrees Celsius. Calibration experiments for the T1 method delivered coefficients of determination from 0.977 to 0.997 for agarose and from 0.958 to 0.995 for the pig liver samples. The IRTF sequence had the highest temperature sensitivity (agarose 0.99, liver 1.19). During LITT the TRUE-FISP sequence exhibited a strong nonlinear relationship. R² of this sequence was 0.809 in the agarose experiments. The average temperature errors when heated up to 80 degrees Celsius were 3.86 - 11.38 degrees Celsius for Agarose gel and 5.7 - 12.16 degrees Celsius for the liver tissue. SRTF and IRTF sequences exhibited the most linear relationship with temperature but were more dependent on tissue differences. Conclusion: The accuracy of the temperature measurement is sufficient for controlling the coagulation area of the LITT. PRF is the method of choice since it shows the best linear correlation with fiber-optic temperature. If only T1 sequences are concerned, the FLASH sequence is preferred. It is the most robust, though not the most accurate, T1 sequence.

Key words

magnetic resonance - thermometry - thermotherapy - LITT - MRT

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