Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SC (전자공학회논문지SC)

The Institute of Electronics and Information Engineers (대한전자공학회)
권호 표지

In-Vivo Heat Transfer Measurement using Proton Resonance Frequency Method of Magnetic Resonance Imaging

자기 공명영상 시스템의 수소원자 공명 주파수법을 이용한 생체 내 열 전달 관찰

  • 조지연 (인제대학교 의용공학과) ;
  • 조종운 (인제대학교 의용공학과) ;
  • 이현용 (부산백병원 진단방사선과) ;
  • 신운재 (부산백병원 진단방사선과) ;
  • 은충기 (인제대학교 의과대학 진단방사선과) ;
  • 문치웅 (인제대학교 의용공학과)
  • Published : 2003.05.01
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

The purpose of this study is to observe the heat transfer process in in-vivo human muscle based on Proton Resonance Frequency(PRF) method in Magnetic Resonance Imaging(MRI). MRI was obtained to measure the temperature variation according to the heat transfer in phantom and in-vivo human calf muscle. A phantom(2% agarose gel) was used in this experiment. MR temperature measurement was compared with the direct temperature measurement using a T-type thermocouple. After heating agarose gel to more than 5$0^{\circ}C$ in boiling hot water, raw data were acquired every 3 minutes during one hour cooling period for a phantom case. For human study heat was forced to deliver into volunteer's calf muscle using hot pack. Reference data were once acquired before a hot pack emits heat and raw data were acquired every 2 minutes during 30minutes. Acquired raw data were reconstructed to phase-difference images with reference image to observe the temperature change. Phase-difference of the phantom was linearly proportional to the temperature change in the range of 34.2$^{\circ}C$ and 50.2$^{\circ}C$. Temperature resolution was 0.0457 radian /$^{\circ}C$(0.0038 ppm/$^{\circ}C$) in phantom case. In vivo-case, mean phase-difference in near region from the hot pack is smaller than that in far region. Different temperature distribution was observed in proportion to a distance from heat source.

본 연구에서는 자기공명영상(MRI)에서 수소 원자핵의 공명주파수(PRF) 방법을 기반으로 인체 종아리 근육 외부의 열원에 의해 근육 내부로 열원이 전달되는 과정을 비침습적으로 관찰하는 방법을 제시한다. 열전달과정을 온도 변화로 측정하였는데 온도 영상의 안정성 및 보정 실험은 phantom을 이용하였고 온도의 변화는 phantom과 인체 모두에서 측정하였다. Phantom 실험은 agarose gel을 중탕하여 약 50℃까지 가열시킨 후 1시간의 냉각과정 동안 매 3분마다 데이터를 획득하였다. 인체 실험에서는 지원자의 종아리(the calf)에 hot pack을 이용하여 열을 전달하였다. Hot pack을 발열시키기 전에 기준 데이터를 1번 획득하고, 발열시킨 후부터 매 2분마다 30분 동안 데이터를 획득하였다. 획득된 영상 데이터는 위상차 영상으로 재구성된 다음 각 ROI에서의 평균 위상차를 관측하였다. 온도를 34.2∼50.2℃의 범위에서 변화시켰을 때 phantom의 위상차는 온도 변화에 대해 선형적으로 변하였다. 이 범위에서 측정된 온도의 해상도는 0.0457 radian/℃(0.0038 ppm/℃)였다. 인체 실험에서는 각 영상에서 hot pack과 가까운 위치의 평균 위상차가 hot pack과 먼 위치의 평균 위상차보다 작은 값을 나타냈다 이를 통해 같은 영상 단면에서도 열원(heat source)과의 거리에 따라서 온도 변화가 다르게 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구를 통해 PRF방법을 이용하여 MRI에서도 비침습적으로 인체 내부의 열전달과정을 관측하였고 이로서 온열치료 시 MRI가 임상적 이용 가능성이 있음을 확인하였다.

Keywords

References

  1. Y. Ishihara et al, 'A presice and fast temperature mapping using water proton chemical shift', Magn. reson. med., vol.34, no.6, pp. 814-823, 1915 https://doi.org/10.1002/mrm.1910340606
  2. R.M. Botnar et al, 'Temperature quantification using the proton frequency shift technique: in vitro and in vivo validation in an open 0.5 tesla interventional MR scanner during RF ablation', J. magn. reson imaging, vol.13, no.3, pp. 437-444, 2001 https://doi.org/10.1002/jmri.1063
  3. Q. Zhang et al, 'A method for simultaneous RF ablation and MRI', J. magn. reson. imaging, vol.8, no.1, pp. 110-114, 1998 https://doi.org/10.1002/jmri.1880080122
  4. B. Quesson et al, 'Magnetic resonance temperature imaging for guidance of thermotherapy', J. magn. reson. imaging, vol.12, no.4, pp. 525-533, 2000 https://doi.org/10.1002/1522-2586(200010)12:4<525::AID-JMRI3>3.0.CO;2-V
  5. J. De Poorter et al, 'The proton-resonance-frequency-shift method compared with molecular diffusion for quantitative measurement of two-dimensional time-dependent temperature distribution in a phantom', J. magn, reson. Series B, vol.103, no.3, pp. 234-241, 1994 https://doi.org/10.1006/jmrb.1994.1035
  6. Y.C. Chung et al, 'Temperature measurement using Echo-Shifted FLASH at low field for interventional MRI,' J. magn. reson. imaging, vol.9, no.l, pp. 138-145, 1999 https://doi.org/10.1002/(SICI)1522-2586(199901)9:1<138::AID-JMRI18>3.0.CO;2-A
  7. Shankaranarayanan, A. et al, 'Developing a multichannel temperature probe for interventional MRI', J. magn. reson. imaging., vol.8, no.1, pp. 197-202, 1998 https://doi.org/10.1002/jmri.1880080133
  8. R.Y. Mulkern et al, 'Tissue temperature monitoring with multiple Gradient-echo imaging sequence', J. magn. reson. imaging, vol.8, no.2, pp. 493-502, 1998 https://doi.org/10.1002/jmri.1880080234
  9. A.H. Chung et al, 'Optimization of Spoiled Gradient-Echo phase imaging for in vivo localization of a focused ultrasound beam' Magn, reson. med., vol.36, no.5, pp. 745-752, 1995 https://doi.org/10.1002/mrm.1910360513
  10. R.D. Peters et al, 'Heat-source orientation and geometry dependence in proton-resonance frequency shift magnetic resonance thermometry', Magn. reson. med, vol.41, no.5, pp. 909-918, 1999 https://doi.org/10.1002/(SICI)1522-2594(199905)41:5<909::AID-MRM9>3.0.CO;2-N
  11. J. De Poorter et al, 'Noninvasive MRI thermometry with the proton resonance frequency(PRF) method: in vivo results in human muscle', Magn, reson. med., vol,33, no.1, pp. 74-81, 1995 https://doi.org/10.1002/mrm.1910330111
  12. J.A. De Zwart et al, 'On-line correction and visualization of motion during MRI -controlled hyperthermia', Magn, reson. med, vol.45, no.1, pp. 128-137, 2001 https://doi.org/10.1002/1522-2594(200101)45:1<128::AID-MRM1017>3.0.CO;2-M
  13. J.A. De Zwart et ai, 'Fast lipid-suppressed MR temperature mapping with Echo-Shifted Gradient-Echo imaging and Spectral-Spatial Excitation', Magn, reson. med., vol.42, no.1, pp. 53-59, 1999 https://doi.org/10.1002/(SICI)1522-2594(199907)42:1<53::AID-MRM9>3.0.CO;2-S