磁共振彈性成像激勵裝置的研究進展

馬昌玉, 吳振洲, 朱建兵, 劉可夫, 劉德森, 楊曉冬

(1. 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所, 江蘇 蘇州, 215163; 2. 蘇州科技城醫院, 江蘇 蘇州, 215153; 3. 南京醫科大學附屬蘇州醫院, 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性質參數，人體組織的彈性系數各不相同，其分布范圍在(1～1×108) kPa。通過測量彈性進行成像的方法可獲得更高對比度的組織圖像，優于其他傳統影像技術所體現出的組織物理參數對比度，如X射線成像的組織密度，磁共振成像的弛豫時間和超聲成像的聲波反射系數等[1]。對于人體同一部位肌體組織，病變發生前和病變發生過程中的不同階段，往往伴隨著彈性性質的規律性改變[2-4], 因此通過對組織彈性特性的測量可以實現疾病的診斷，具有很好的發展潛力。超聲彈性成像目前已經取得了較為廣泛的應用，但較低的空間分辨率是其固有缺陷，且檢查結果容易受到檢查者操作技術的影響[5-11]。相比之下，磁共振彈性成像(MRE)可充分結合磁共振成像技術分辨率高的優勢，很好地彌補超聲彈性成像較低空間分辨率的缺點，對深入了解正常和病變組織的生物學特性、對身體組織疾病的早期發現和診斷具有較好的指導價值[12-16]。

MRE的原理見圖1, 典型的MRE系統包括MRE激勵裝置、磁共振成像系統和彈性圖重建算法3個部分，利用MRE激勵裝置與待成像組織或器官相互作用產生具有一定幅度和頻率的機械波，通過施加磁共振運動敏感梯度獲得組織內質點的相位分布信息，對獲得的相位圖施加彈性圖重建算法，從而獲得組織內的彈性分布圖[17-18]。

1 MRE激勵裝置的設計要求

進行MRE成像，首先需要通過外部激勵裝置對待成像組織施加激勵，使組織內產生一定頻率和振幅的機械波。穩定、精確的MRE激勵裝置是獲得高分辨率組織彈性圖像的先決條件，由于MRE成像環境的特殊性以及磁共振成像原理的要求, MRE激勵裝置開發需要滿足如下要求。

1.1 激勵裝置與MR設備磁兼容

磁共振成像過程中，磁共振設備通過主磁場、梯度場、射頻場與人體組織中的質子相互作用而生成圖像，生成圖像的質量依賴于上述3個磁場的準確度，為了不和其他電磁設備相互干擾，保證最終獲得的磁共振圖像質量，通常將MR設備放置在電磁屏蔽室內。進行MRE成像時, MRE激勵裝置需要與人體組織相互作用并在組織內產生機械波，必須部分或者全部放置于電磁屏蔽室中，因此需要對MRE激勵裝置進行特殊設計[19-20], 激勵裝置的材料需要選擇磁兼容的材料，激勵裝置中的電子設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激勵裝置和MR設備互不干擾，均能穩定的工作。

1.2 機械波的類型、振幅及頻率

MRE成像首先需要通過激勵裝置在待檢測組織內產生一定振幅和頻率的機械波，然后通過MR設備對組織施加運動敏感梯度，獲得組織的相位信息，以相位信息為輸入，進一步通過彈性圖重建算法，獲得組織內彈性分布圖像?？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，對于人體組織而言，剪切模量對比度遠大于體積彈性模量對比度，因此機械波的類型以剪切波為宜[20]; 剪切波振幅增加, MRE成像靈敏度增加，但振幅過大時會使質點相位超過±180°范圍，造成相位卷褶[21], 同時過大的振幅會使患者的耐受度變差，設備的實現難度也增加。剪切波頻率越高，圖像信噪比越高，但隨著頻率的增加，剪切波在組織內衰減加劇，而且MRE成像要求組織內機械振動頻率必須與施加的運動敏感梯度保持同步，過高的剪切波頻率使得運動敏感梯度的實現難度增加。研究[20]表明50～1 000 Hz的剪切波可以滿足MRE成像的要求。

2 MRE激勵裝置研究進展

根據MRE對激勵裝置的要求，國內外研究工作者開發出了各式各樣的MRE激勵裝置，并開展了MRE成像實驗，按照激勵裝置中激勵源與成像組織相對位置關系，可分為遠距離激勵和直接激勵兩個大類。

2.1 遠距離激勵

遠距離激勵型MRE激勵裝置的特點在于激勵源與磁共振設備有相當一段距離，激勵執行端與待檢測組織直接接觸，激勵源與激勵執行端通過足夠長度的柔性或剛性傳動件相連，激勵源通過傳動件將振動信號傳導至與身體直接接觸的被動振動裝置，使待檢測組織產生剪切波。 這種設計的優勢在于降低了對激勵源磁兼容性能的要求。

梅奧診所[22]設計的氣動MRE激勵裝置是遠距離激勵裝置的代表，該裝置采用音頻揚聲器作為激勵源，激勵源放置在磁共振屏蔽室外以防止電磁干擾，揚聲器的振動信號通過一個與之相連的密閉軟管和一個與人體組織直接接觸的被動裝置傳導至人體組織。由于空氣的可壓縮性，振動傳播過程中不可避免帶來振動相位的延滯，增加了同步控制的難度。

為克服振動傳播相位延滯的問題, Sack等[23]、Klatt D等[24]對上述氣動裝置進行了改進設計，用一個剛性的碳纖維棒代替密閉軟管，該裝置解決了氣動方案中相位延滯的問題，但剛性桿的連接方式使設備只能在特定方向進行工作，同時直桿連接需要揚聲器設置在與待測組織相同的高度，裝置的靈活性較低。

Lewa等[25]開發了一個通過振動器連接剛性桿驅動體模產生剪切波振動的裝置，該裝置振動器中含有永久磁鐵，因此裝置的激勵源需要遠離磁共振主機以避免干擾，同時剛性桿傳動方案也存在靈活性差的問題。

2.2 直接激勵

直接激勵型MRE激勵裝置的激勵源和激勵執行終端均設置于磁共振磁體腔中或磁體腔附近。這種設計的優勢在于激勵裝置具有比較緊湊的結構，更有利于設備的小型化，其缺陷在于對激勵源的磁兼容性要求很高，滿足條件的激勵源往往成本高昂。

Plewes等[26]采用超聲馬達作為激勵源，開發了一套用于乳腺MRE成像的激勵裝置，該裝置使用的馬達及齒輪傳動機構均具有很好的磁兼容性能，但由于超聲馬達功率及轉速的性能所限，裝置只能實現1～2 Hz的準靜態彈性成像，難以實現高頻激勵。

Uffmannn K等[27]開發了一套基于壓電堆棧的MRE激勵裝置，該裝置最高可產生頻率高達500 Hz、振幅1 mm的振動，裝置本體部分均采用無磁性材料，具有很好的磁兼容性，但設備成本高昂，同時壓電堆棧工作中需要上百伏的電壓驅動，有給患者帶來危險的隱患。

Braun等[28]利用電磁感應原理，開發了一種基于電磁線圈的MRE激勵裝置，該裝置利用通電線圈作為激勵源，通電線圈在交變磁場中會因受到交變轉矩而產生周期性振動，配合一套振動傳遞機構，可將振動傳導至振動執行終端，根據待檢測組織的需要，該裝置可以產生與磁共振主磁場不同角度方向的剪切波，裝置結構簡單，易于實現，但通電電磁線圈會對磁共振成像造成影響，磁兼容性較差。

3 總 結

磁共振彈性成像可定量化地顯示生物組織的力學特性信息，使“影像觸診”成為了可能，作為MRE成像過程中剪切波發生源, MRE激勵裝置是獲得高分辨率MRE圖像的先決條件, MRE激勵裝置的設計需要在滿足磁兼容性要求的前提下，提供給待檢測組織具有一定頻率和振幅的剪切波。根據激勵源與MR設備的相對位置遠近，現有MRE激勵裝置可分為遠距離激勵和直接激勵兩個大類，遠距離激勵裝置激勵源遠離MR設備，對激勵源的磁兼容性要求較低，但現有遠距離MRE激勵裝置難以實現設備使用靈活性與剪切波精度的兼顧，后續發展應充分借鑒現有氣動裝置高靈活性的設計思路，選用壓縮性好的振動傳播介質(液體介質或者不可壓縮繩等)，借助于巧妙的結構設計，實現振動的遠距離高精度傳播。直接激勵型MRE激勵裝置結構緊湊，可實現對待檢測組織的直接激勵，但對激勵源的磁兼容性要求很高，現有商用成熟產品很難滿足MRE激勵裝置對激勵源高功率的要求，進一步的發展有待于高功率、低成本的磁兼容激勵源的技術突破。