基于柔性繩驅(qū)動(dòng)的乳腺磁共振彈性成像用激勵(lì)裝置的開發(fā)

馬昌玉, 楊曉冬, 張 寅, 劉德森, 朱建兵

(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. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬蘇州九龍醫(yī)院, 江蘇 蘇州, 215028;3. 南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州科技城醫(yī)院, 江蘇 蘇州, 215153; 4. 蘇州科技城醫(yī)院, 江蘇 蘇州, 215153)

磁共振彈性成像(MRE)能直接顯示和量化組織的彈性，使“影像觸診”成為可能[1-4]。作為一種新型無(wú)創(chuàng)成像方法，MRE技術(shù)在乳腺癌檢測(cè)，肝硬化分期，動(dòng)脈粥樣硬化斑塊、肌肉損傷、大腦疾病檢測(cè)等方面已經(jīng)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[4-5]。用于MRE成像過(guò)程中成像組織剪切波發(fā)生源的磁共振彈性成像激勵(lì)裝置也在不斷發(fā)展，而如何根據(jù)磁共振彈性成像的要求開發(fā)適用的MRE激勵(lì)裝置成為一個(gè)難題[6-9]。現(xiàn)有MRE成像用刺激裝置往往難以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)控制精度與裝置使用靈活性的兼顧。本研究利用柔性繩不可伸縮且靈活布置的特點(diǎn)，提出基于柔性繩驅(qū)動(dòng)的乳腺磁共振彈性成像用激勵(lì)裝置的開發(fā)研究，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 MRE激勵(lì)裝置的設(shè)計(jì)要求

MRE的原理見圖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[10-14]。

圖1 磁共振彈性成像原理框圖

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)裝置開發(fā)需要滿足相應(yīng)要求。

1.1 激勵(lì)裝置與MR設(shè)備磁兼容

MRE成像首先需要通過(guò)磁共振成像方法獲得在剪切波激勵(lì)條件下的生物組織相位信息，由于磁共振成像原理的限制，磁共振設(shè)備磁體腔一定范圍內(nèi)必須確保沒(méi)有磁性物質(zhì)的存在，因此MRE激勵(lì)裝置需要進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。激勵(lì)裝置中電子設(shè)備和含鐵磁性成分的部件必須放置在磁共振掃描室外，因功能需要，進(jìn)入磁共振成像掃描室的元器件必須采用無(wú)磁材料，從而確保MRE激勵(lì)裝置和MR設(shè)備互不干擾，均能穩(wěn)定工作[15-16]。

1.2 機(jī)械波的類型、振幅及頻率

激勵(lì)裝置在成像組織內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械波的類型、振幅和頻率均會(huì)對(duì)MRE成像結(jié)果有比較重要的影響。對(duì)于人體組織而言，進(jìn)行剪切波(橫波)成像的對(duì)比度要遠(yuǎn)大于縱波成像的對(duì)比度，因此激勵(lì)裝置產(chǎn)生的機(jī)械波以剪切波為宜[17-18]。剪切波頻率越高，圖像的信噪比越高，但隨著剪切波頻率的增加，剪切波在組織內(nèi)的衰減將加劇，同時(shí)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實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)敏感梯度的難度增加。研究[19-21]表明, 50～1 000 HZ的剪切波可以滿足MRE成像的要求; 剪切波的振幅增大, 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[22-24], 同時(shí)過(guò)大的振幅會(huì)使患者耐受度變差，同時(shí)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)難度也增大。理想的MRE成像激勵(lì)裝置需要實(shí)現(xiàn)剪切波激勵(lì)頻率、振幅及相位的精確可控[25-26]。

2 MRE激勵(lì)裝置開發(fā)

MRE刺激裝置的組成包括激勵(lì)源、激勵(lì)信號(hào)傳遞單元、執(zhí)行終端和防護(hù)裝置4個(gè)部分[24-26]。激勵(lì)源是激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生源頭，一般包含磁性元件，因此激勵(lì)源與磁共振成像儀呈較遠(yuǎn)距離放置; 激勵(lì)信號(hào)傳遞單元將激勵(lì)源產(chǎn)生的信號(hào)傳遞至執(zhí)行終端，從而帶動(dòng)待檢測(cè)人體組織(乳腺)呈一定頻率的剪切運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生剪切波; 防護(hù)裝置將刺激裝置的運(yùn)動(dòng)部分與人體隔離，確保成像過(guò)程的安全性。

2.1 激勵(lì)源

激勵(lì)源是激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的源頭，其目的是產(chǎn)生一定頻率和振幅的原始往復(fù)運(yùn)動(dòng)信號(hào)，一般由旋轉(zhuǎn)馬達(dá)與運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)組成。運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)輸出，常見的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)主要包括曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等。凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程需要保證凸輪與凸輪桿時(shí)刻保持接觸，運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程中摩擦損耗大，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此本研究選擇結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化中介。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)主要包括曲柄、連桿、滑塊等核心元件及裝置本體、回轉(zhuǎn)軸承等輔助連接件。曲柄的長(zhǎng)度決定往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振幅，綜合考慮振幅對(duì)成像靈敏度及患者診斷舒適性的影響，本研究選擇曲柄長(zhǎng)度即曲柄偏心距為0.5 mm, 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中連桿的長(zhǎng)度主要影響滑塊運(yùn)動(dòng)極限位置與曲柄中心的距離。激勵(lì)裝置在滿足裝配要求的前提下，要求整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，因此綜合考慮曲柄及連桿安裝空間，選擇連桿長(zhǎng)度45 mm, 滑塊與裝置本體通過(guò)直線軸承連接，從而最大可能減小運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程摩擦損耗，減小能量損失。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的選型主要考慮激勵(lì)裝置要實(shí)現(xiàn)的激勵(lì)頻率及設(shè)備負(fù)載，本裝置設(shè)定激勵(lì)頻率為0～100 Hz, 最終選擇馬達(dá)型號(hào)為安川SGM7J-02A, 該電機(jī)最大功率200 W, 最大轉(zhuǎn)速6 000轉(zhuǎn)/min, 可滿足激勵(lì)裝置的要求，最終完成的激勵(lì)源結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

2.2 激勵(lì)信號(hào)傳遞單元

激勵(lì)信號(hào)傳遞單元是激勵(lì)信號(hào)的傳遞樞紐，其主要功能為接收激勵(lì)源的振動(dòng)信號(hào)，并將其傳遞至執(zhí)行終端，從而帶動(dòng)待檢測(cè)人體組織(乳腺)按一定頻率和振幅做剪切運(yùn)動(dòng)?？紤]到激勵(lì)源和執(zhí)行終端遠(yuǎn)距離放置和信號(hào)傳遞結(jié)構(gòu)靈活布置的要求，本研究選擇不可壓縮/伸長(zhǎng)柔性繩作為激勵(lì)信號(hào)傳遞的媒介，通過(guò)變向滑輪改變?nèi)嵝岳K的走向。柔性繩選擇質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的尼龍繩，變向滑輪材料選擇無(wú)磁性尼龍塑料，柔性繩一端與激勵(lì)源輸出端連接，根據(jù)走線路徑的需要，通過(guò)變向滑輪改變走向后另一端通過(guò)無(wú)磁性材料制作的彈簧與磁共振掃描床固定端連接，合理控制無(wú)磁彈簧的拉力，從而保證信號(hào)傳遞過(guò)程中柔性繩始終處于繃緊狀態(tài)，確保信號(hào)的無(wú)損傳遞。

2.3 執(zhí)行終端

執(zhí)行終端與待檢測(cè)生物組織(乳腺)直接接觸，將激勵(lì)信號(hào)傳遞結(jié)構(gòu)傳遞來(lái)的激勵(lì)信號(hào)傳導(dǎo)至乳腺組織，其設(shè)計(jì)需要保證執(zhí)行終端和待檢測(cè)組織的充分接觸，并保證激勵(lì)過(guò)程中患者的舒適性，同時(shí)考慮激勵(lì)裝置能量傳遞的要求，執(zhí)行終端要盡量輕便。激勵(lì)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，執(zhí)行終端與乳腺接觸部位采用弧形結(jié)構(gòu)設(shè)置，從而保證與乳腺組織的充分接觸。執(zhí)行終端采用碳纖維材料制作，碳纖維材料強(qiáng)度高、密度低，從而保證激勵(lì)裝置在小負(fù)載條件下運(yùn)行，降低對(duì)激勵(lì)源功率的要求。

圖3 激勵(lì)裝置執(zhí)行終端

2.4 防護(hù)裝置

MRE成像過(guò)程中，激勵(lì)裝置呈高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，必須對(duì)有可能與患者身體接觸的部分，如柔性繩、變向滑輪等進(jìn)行防護(hù)，從而保證患者的絕對(duì)安全，因此必須設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的防護(hù)裝置，從而隔絕激勵(lì)裝置與患者身體。本研究防護(hù)裝置根據(jù)磁共振掃描床體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，放置在掃描床表面，同時(shí)防護(hù)裝置內(nèi)設(shè)有柔性繩走線路徑和變向滑輪安裝槽，從而保證柔性繩布置的需要。

3 小 結(jié)

本研究最終完成了基于柔性繩驅(qū)動(dòng)的乳腺M(fèi)RE激勵(lì)裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。該MRE激勵(lì)裝置可根據(jù)MRE成像對(duì)磁屏蔽及放置空間的需求，靈活調(diào)整柔性繩長(zhǎng)度及路徑，可實(shí)現(xiàn)刺激頻率調(diào)節(jié)范圍0～100 Hz, 激勵(lì)振幅0.5 mm, 且可根據(jù)刺激強(qiáng)度需要，更換激勵(lì)源曲軸部件實(shí)現(xiàn)激勵(lì)振幅0～0.5 mm可調(diào)。柔性繩驅(qū)動(dòng)的乳腺M(fèi)RE激勵(lì)裝置克服了傳統(tǒng)激勵(lì)裝置難于實(shí)現(xiàn)的設(shè)備使用靈活性與剪切波精度控制的難題，可為高精度MRE的成像提供設(shè)備支持。