磁共振彈性成像激勵(lì)裝置的研究進(jìn)展

馬昌玉, 吳振洲, 朱建兵, 劉可夫, 劉德森, 楊曉冬

(1. 中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所, 江蘇 蘇州, 215163; 2. 蘇州科技城醫(yī)院, 江蘇 蘇州, 215153; 3. 南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州醫(yī)院, 江蘇 蘇州, 215153)

彈性(或硬度)是人體組織物理特性中一種非常重要的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，人體組織的彈性系數(shù)各不相同，其分布范圍在(1～1×108) kPa。通過(guò)測(cè)量彈性進(jìn)行成像的方法可獲得更高對(duì)比度的組織圖像，優(yōu)于其他傳統(tǒng)影像技術(shù)所體現(xiàn)出的組織物理參數(shù)對(duì)比度，如X射線成像的組織密度，磁共振成像的弛豫時(shí)間和超聲成像的聲波反射系數(shù)等[1]。對(duì)于人體同一部位肌體組織，病變發(fā)生前和病變發(fā)生過(guò)程中的不同階段，往往伴隨著彈性性質(zhì)的規(guī)律性改變[2-4], 因此通過(guò)對(duì)組織彈性特性的測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)疾病的診斷，具有很好的發(fā)展?jié)摿Α３晱椥猿上衲壳耙呀?jīng)取得了較為廣泛的應(yīng)用，但較低的空間分辨率是其固有缺陷，且檢查結(jié)果容易受到檢查者操作技術(shù)的影響[5-11]。相比之下，磁共振彈性成像(MRE)可充分結(jié)合磁共振成像技術(shù)分辨率高的優(yōu)勢(shì)，很好地彌補(bǔ)超聲彈性成像較低空間分辨率的缺點(diǎn)，對(duì)深入了解正常和病變組織的生物學(xué)特性、對(duì)身體組織疾病的早期發(fā)現(xiàn)和診斷具有較好的指導(dǎo)價(jià)值[12-16]。

MRE的原理見(jiàn)圖1, 典型的MRE系統(tǒng)包括MRE激勵(lì)裝置、磁共振成像系統(tǒng)和彈性圖重建算法3個(gè)部分，利用MRE激勵(lì)裝置與待成像組織或器官相互作用產(chǎn)生具有一定幅度和頻率的機(jī)械波，通過(guò)施加磁共振運(yùn)動(dòng)敏感梯度獲得組織內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的相位分布信息，對(duì)獲得的相位圖施加彈性圖重建算法，從而獲得組織內(nèi)的彈性分布圖[17-18]。

1 MRE激勵(lì)裝置的設(shè)計(jì)要求

進(jìn)行MRE成像，首先需要通過(guò)外部激勵(lì)裝置對(duì)待成像組織施加激勵(lì)，使組織內(nèi)產(chǎn)生一定頻率和振幅的機(jī)械波。穩(wěn)定、精確的MRE激勵(lì)裝置是獲得高分辨率組織彈性圖像的先決條件，由于MRE成像環(huán)境的特殊性以及磁共振成像原理的要求, MRE激勵(lì)裝置開(kāi)發(fā)需要滿(mǎn)足如下要求。

1.1 激勵(lì)裝置與MR設(shè)備磁兼容

磁共振成像過(guò)程中，磁共振設(shè)備通過(guò)主磁場(chǎng)、梯度場(chǎng)、射頻場(chǎng)與人體組織中的質(zhì)子相互作用而生成圖像，生成圖像的質(zhì)量依賴(lài)于上述3個(gè)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確度，為了不和其他電磁設(shè)備相互干擾，保證最終獲得的磁共振圖像質(zhì)量，通常將MR設(shè)備放置在電磁屏蔽室內(nèi)。進(jìn)行MRE成像時(shí), MRE激勵(lì)裝置需要與人體組織相互作用并在組織內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械波，必須部分或者全部放置于電磁屏蔽室中，因此需要對(duì)MRE激勵(lì)裝置進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)[19-20], 激勵(lì)裝置的材料需要選擇磁兼容的材料，激勵(lì)裝置中的電子設(shè)備和含鐵磁性成分的部件必須放置在距離1～2 m的屏蔽室，同時(shí)所有的輸入、輸出電纜必須采用低通濾波器濾波，從而確保MRE激勵(lì)裝置和MR設(shè)備互不干擾，均能穩(wěn)定的工作。

1.2 機(jī)械波的類(lèi)型、振幅及頻率

MRE成像首先需要通過(guò)激勵(lì)裝置在待檢測(cè)組織內(nèi)產(chǎn)生一定振幅和頻率的機(jī)械波，然后通過(guò)MR設(shè)備對(duì)組織施加運(yùn)動(dòng)敏感梯度，獲得組織的相位信息，以相位信息為輸入，進(jìn)一步通過(guò)彈性圖重建算法，獲得組織內(nèi)彈性分布圖像?？v波的傳播主要受組織體積彈性模量的影響，剪切波(橫波)的傳播主要受組織剪切模量的影響，對(duì)于人體組織而言，剪切模量對(duì)比度遠(yuǎn)大于體積彈性模量對(duì)比度，因此機(jī)械波的類(lèi)型以剪切波為宜[20]; 剪切波振幅增加, MRE成像靈敏度增加，但振幅過(guò)大時(shí)會(huì)使質(zhì)點(diǎn)相位超過(guò)±180°范圍，造成相位卷褶[21], 同時(shí)過(guò)大的振幅會(huì)使患者的耐受度變差，設(shè)備的實(shí)現(xiàn)難度也增加。剪切波頻率越高，圖像信噪比越高，但隨著頻率的增加，剪切波在組織內(nèi)衰減加劇，而且MRE成像要求組織內(nèi)機(jī)械振動(dòng)頻率必須與施加的運(yùn)動(dòng)敏感梯度保持同步，過(guò)高的剪切波頻率使得運(yùn)動(dòng)敏感梯度的實(shí)現(xiàn)難度增加。研究[20]表明50～1 000 Hz的剪切波可以滿(mǎn)足MRE成像的要求。

2 MRE激勵(lì)裝置研究進(jìn)展

根據(jù)MRE對(duì)激勵(lì)裝置的要求，國(guó)內(nèi)外研究工作者開(kāi)發(fā)出了各式各樣的MRE激勵(lì)裝置，并開(kāi)展了MRE成像實(shí)驗(yàn)，按照激勵(lì)裝置中激勵(lì)源與成像組織相對(duì)位置關(guān)系，可分為遠(yuǎn)距離激勵(lì)和直接激勵(lì)兩個(gè)大類(lèi)。

2.1 遠(yuǎn)距離激勵(lì)

遠(yuǎn)距離激勵(lì)型MRE激勵(lì)裝置的特點(diǎn)在于激勵(lì)源與磁共振設(shè)備有相當(dāng)一段距離，激勵(lì)執(zhí)行端與待檢測(cè)組織直接接觸，激勵(lì)源與激勵(lì)執(zhí)行端通過(guò)足夠長(zhǎng)度的柔性或剛性傳動(dòng)件相連，激勵(lì)源通過(guò)傳動(dòng)件將振動(dòng)信號(hào)傳導(dǎo)至與身體直接接觸的被動(dòng)振動(dòng)裝置，使待檢測(cè)組織產(chǎn)生剪切波。 這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于降低了對(duì)激勵(lì)源磁兼容性能的要求。

梅奧診所[22]設(shè)計(jì)的氣動(dòng)MRE激勵(lì)裝置是遠(yuǎn)距離激勵(lì)裝置的代表，該裝置采用音頻揚(yáng)聲器作為激勵(lì)源，激勵(lì)源放置在磁共振屏蔽室外以防止電磁干擾，揚(yáng)聲器的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)一個(gè)與之相連的密閉軟管和一個(gè)與人體組織直接接觸的被動(dòng)裝置傳導(dǎo)至人體組織。由于空氣的可壓縮性，振動(dòng)傳播過(guò)程中不可避免帶來(lái)振動(dòng)相位的延滯，增加了同步控制的難度。

為克服振動(dòng)傳播相位延滯的問(wèn)題, Sack等[23]、Klatt D等[24]對(duì)上述氣動(dòng)裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，用一個(gè)剛性的碳纖維棒代替密閉軟管，該裝置解決了氣動(dòng)方案中相位延滯的問(wèn)題，但剛性桿的連接方式使設(shè)備只能在特定方向進(jìn)行工作，同時(shí)直桿連接需要揚(yáng)聲器設(shè)置在與待測(cè)組織相同的高度，裝置的靈活性較低。

Lewa等[25]開(kāi)發(fā)了一個(gè)通過(guò)振動(dòng)器連接剛性桿驅(qū)動(dòng)體模產(chǎn)生剪切波振動(dòng)的裝置，該裝置振動(dòng)器中含有永久磁鐵，因此裝置的激勵(lì)源需要遠(yuǎn)離磁共振主機(jī)以避免干擾，同時(shí)剛性桿傳動(dòng)方案也存在靈活性差的問(wèn)題。

2.2 直接激勵(lì)

直接激勵(lì)型MRE激勵(lì)裝置的激勵(lì)源和激勵(lì)執(zhí)行終端均設(shè)置于磁共振磁體腔中或磁體腔附近。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于激勵(lì)裝置具有比較緊湊的結(jié)構(gòu)，更有利于設(shè)備的小型化，其缺陷在于對(duì)激勵(lì)源的磁兼容性要求很高，滿(mǎn)足條件的激勵(lì)源往往成本高昂。

Plewes等[26]采用超聲馬達(dá)作為激勵(lì)源，開(kāi)發(fā)了一套用于乳腺M(fèi)RE成像的激勵(lì)裝置，該裝置使用的馬達(dá)及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均具有很好的磁兼容性能，但由于超聲馬達(dá)功率及轉(zhuǎn)速的性能所限，裝置只能實(shí)現(xiàn)1～2 Hz的準(zhǔn)靜態(tài)彈性成像，難以實(shí)現(xiàn)高頻激勵(lì)。

Uffmannn K等[27]開(kāi)發(fā)了一套基于壓電堆棧的MRE激勵(lì)裝置，該裝置最高可產(chǎn)生頻率高達(dá)500 Hz、振幅1 mm的振動(dòng)，裝置本體部分均采用無(wú)磁性材料，具有很好的磁兼容性，但設(shè)備成本高昂，同時(shí)壓電堆棧工作中需要上百伏的電壓驅(qū)動(dòng)，有給患者帶來(lái)危險(xiǎn)的隱患。

Braun等[28]利用電磁感應(yīng)原理，開(kāi)發(fā)了一種基于電磁線圈的MRE激勵(lì)裝置，該裝置利用通電線圈作為激勵(lì)源，通電線圈在交變磁場(chǎng)中會(huì)因受到交變轉(zhuǎn)矩而產(chǎn)生周期性振動(dòng)，配合一套振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)，可將振動(dòng)傳導(dǎo)至振動(dòng)執(zhí)行終端，根據(jù)待檢測(cè)組織的需要，該裝置可以產(chǎn)生與磁共振主磁場(chǎng)不同角度方向的剪切波，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但通電電磁線圈會(huì)對(duì)磁共振成像造成影響，磁兼容性較差。

3 總 結(jié)

磁共振彈性成像可定量化地顯示生物組織的力學(xué)特性信息，使“影像觸診”成為了可能，作為MRE成像過(guò)程中剪切波發(fā)生源, MRE激勵(lì)裝置是獲得高分辨率MRE圖像的先決條件, MRE激勵(lì)裝置的設(shè)計(jì)需要在滿(mǎn)足磁兼容性要求的前提下，提供給待檢測(cè)組織具有一定頻率和振幅的剪切波。根據(jù)激勵(lì)源與MR設(shè)備的相對(duì)位置遠(yuǎn)近，現(xiàn)有MRE激勵(lì)裝置可分為遠(yuǎn)距離激勵(lì)和直接激勵(lì)兩個(gè)大類(lèi)，遠(yuǎn)距離激勵(lì)裝置激勵(lì)源遠(yuǎn)離MR設(shè)備，對(duì)激勵(lì)源的磁兼容性要求較低，但現(xiàn)有遠(yuǎn)距離MRE激勵(lì)裝置難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備使用靈活性與剪切波精度的兼顧，后續(xù)發(fā)展應(yīng)充分借鑒現(xiàn)有氣動(dòng)裝置高靈活性的設(shè)計(jì)思路，選用壓縮性好的振動(dòng)傳播介質(zhì)(液體介質(zhì)或者不可壓縮繩等)，借助于巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的遠(yuǎn)距離高精度傳播。直接激勵(lì)型MRE激勵(lì)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢測(cè)組織的直接激勵(lì)，但對(duì)激勵(lì)源的磁兼容性要求很高，現(xiàn)有商用成熟產(chǎn)品很難滿(mǎn)足MRE激勵(lì)裝置對(duì)激勵(lì)源高功率的要求，進(jìn)一步的發(fā)展有待于高功率、低成本的磁兼容激勵(lì)源的技術(shù)突破。