基于短脈沖磁聲電成像檢測系統(tǒng)設(shè)計、驗證及改進方法研究

戴 明，劉瑩瑩，徐金鋒，袁輝洲，孫 通，羅 慧，穆明道，陳 昕

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院人工智能學(xué)院，廣東深圳 518055；2.深圳市人民醫(yī)院（暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院）超聲科，廣東深圳 518020；3.深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東深圳 518060；4.香港中文大學(xué)生物醫(yī)學(xué)學(xué)院，香港 999077）

0 引 言

目前，全球癌癥病例呈迅猛增長態(tài)勢，據(jù)2014年世衛(wèi)組織的全球癌癥報告可知，未來20年，每年新發(fā)癌癥病例將達2 200 萬，癌癥死亡數(shù)將上升到1 300 萬例[1]。2018年全球癌癥新發(fā)病例共有1 810萬，死亡病例960萬[2]，其中我國新增病例數(shù)380.4萬、死亡病例229.6萬[3]。2017年中國癌癥中心發(fā)表最新報告：國內(nèi)347家癌癥登記點中每天約1萬人被確診，顯示患癌風(fēng)險高達36%。然而目前對癌癥進行診斷的方法有限，傳統(tǒng)影像技術(shù)主要有CT（Computed Tomography,CT）、超聲成像、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI），正電子發(fā)射計算機斷層掃描（Positron Emission Computed Tomography,PET）、內(nèi)窺鏡成像等方法。其中CT分辨率高，對比度好，但基于電離輻射效應(yīng)，影響健康；超聲價格低，成像速度快，但受限于成像區(qū)域，只有在病灶組織形態(tài)病變發(fā)生后才能呈現(xiàn)在影像中；MRI通過共振信號重建人體質(zhì)子密度分布圖，沒有輻射，可獲分子水平動態(tài)生理、生化功能圖，但MRI空間分辨率和成像時間均不如CT，呼吸、心跳等導(dǎo)致的運動偽影會降低圖像質(zhì)量，且MRI造價高、使用和維護費用昂貴、需專業(yè)人士操作；PET為無創(chuàng)診斷技術(shù)，但PET易使人體遭受放射性物質(zhì)危害，且費用高。內(nèi)窺鏡用于體內(nèi)病變組織檢查，可準(zhǔn)確確定病變部位和范圍。但受自然腔道尺寸、位置等限制，整個過程較為痛苦，且上述傳統(tǒng)影像技術(shù)均難以實現(xiàn)早期診斷，因而迫切需要對組織進行無創(chuàng)、高對比度、高分辨率、造價低廉、能夠定量測量的方法和儀器。由于不同生理和病理狀態(tài)下生物組織具有不同的電特性[4]，如在癌癥發(fā)展過程中，細胞外基質(zhì)、細胞液濃度和細胞膜通透性會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致組織電特性發(fā)生變化，且癌癥在生長過程中，周邊血管豐富，其血流的改變往往早于結(jié)構(gòu)變化，而血流的改變往往跟腫瘤周圍電阻率有關(guān)[4-5]。因此，當(dāng)人體組織發(fā)生早期病變，且尚未表現(xiàn)于形態(tài)結(jié)構(gòu)時，組織內(nèi)的各類化學(xué)物質(zhì)及其空間分布會首先發(fā)生變化，其在宏觀上往往表現(xiàn)為病變組織的電學(xué)特性的明顯變化。因此，通過對生物組織內(nèi)電導(dǎo)率變化進行測量即可無損地對病變情況進行早期檢測，達到對病變組織早期診斷和監(jiān)測的目的[4-7]，故展開電阻抗成像研究對癌癥預(yù)防具有重要意義[8]。

目前對電導(dǎo)率測量的方法主要有電阻抗成像，磁聲成像和磁聲電成像（Magneto-Acoustic-Electrical Tomography,MAET），但電阻抗成像靈敏度不高，探測深度不夠，磁聲成像分辨率低，重建算法復(fù)雜，而磁聲電成像將聲場、磁場與電場耦合，克服了傳統(tǒng)單一物理場限制，兼具超聲成像高分辨率和傳統(tǒng)電阻抗成像高對比度優(yōu)勢[6]，且對磁體場強要求低，成本較低，同時采用超聲激勵，電極檢測，后續(xù)處理方法相對簡單。然而國內(nèi)外對磁聲電成像研究尚處于初始階段[9]，雖取得一些進展，但檢測精度有限，很少提出磁聲電檢測前端的改進方法，對影響電導(dǎo)率分辨率因素的研究也少有報道。因此，基于上述考慮，本文首先設(shè)計了一種低成本、無創(chuàng)磁聲電檢測系統(tǒng)，并通過該系統(tǒng)對磁聲電信號進行了驗證。其次，為提高磁聲電檢測系統(tǒng)分辨率，本文對磁聲電檢測前端進行了優(yōu)化和完善。隨后提出電導(dǎo)率B掃描算法，并通過該算法對中間縫隙1 mm均勻仿體進行分辨率成像實驗，驗證了電導(dǎo)率B掃描算法的有效性。最后通過電導(dǎo)率B掃描實驗，證明本磁聲電檢測系統(tǒng)的縱向分辨率可達1 mm。

1 磁聲電成像原理及相關(guān)計算

1.1 磁聲電成像原理

在磁聲電成像中，通過探頭發(fā)射一束超聲波激勵成像體，使成像體內(nèi)局部粒子振動，由于振動的帶電粒子在靜磁場作用下受洛倫茲力作用產(chǎn)生電荷分離，從而在成像體中形成局部電流源，進而形成電場，因而可通過緊貼成像體表面的電極來接收微弱磁聲電信號[10-11]，并通過移動探頭激勵位置，獲得不同位置激勵下的電導(dǎo)率曲線，進而重構(gòu)出電導(dǎo)率圖像，磁聲電成像原理如圖1所示。

圖1 磁聲電檢測的成像原理Fig.1 The principle of MAET imaging

1.2 磁聲電成像相關(guān)計算

根據(jù)Wen等提出的霍爾效應(yīng)成像理論，電極檢測到的電壓值可表示為[12]

再根據(jù)線性無粘力方程[13]有：

2 短脈沖激勵磁聲電成像系統(tǒng)設(shè)計

本磁聲電檢測平臺由磁聲激勵、磁聲電信號檢測及探頭運動控制三部分組成，其中磁聲激勵部分由C形靜磁體、檢測水槽、信號發(fā)生器﹑功率放大器和單陣元功率探頭等組成。磁聲電信號檢測部分則由兩級差分放大器、自制切比雪夫帶通濾波器，DPO5054B數(shù)字示波器等組成，探頭運動控制部分則由觸摸控制顯示系統(tǒng)、MC600 A控制器及其三維運動平臺等組成，其系統(tǒng)連接如圖2所示。

3 磁聲電信號驗證

為對磁聲電信號進行驗證，闡明磁聲電信號特征及磁聲電成像機理，本部分采用如圖3（a）所示的磁聲電檢測前端，將長寬厚為5.5 cm×2.8 cm×0.1 cm的弧形銅片（中間較為平坦，兩邊向下彎曲成拱形形狀）嵌入長寬厚為7.5×3.5×3.0 cm的均勻仿體中，并將該仿體固定在檢測水槽內(nèi)，其固定后實物圖如圖3（b）所示。隨后將激勵探頭固定放置在離仿體內(nèi)銅片中心位置約5.4 cm位置，將幅值為300 mV、激勵個數(shù)為3個、激勵頻率為2.5 MHz的正弦波短脈沖作為激勵信號源，并經(jīng)53 dB功率放大器放大后送給超聲水浸功率探頭，放置于靜磁場中的被測樣本表面因洛倫茲力作用而形成電流源，隨后將檢測電極接收后的電壓信號送給總增益為80 dB兩級差分放大器PXPA6放大，經(jīng)自制切比雪夫帶通濾波器濾波后，再通過DPO5054B數(shù)字示波器來實現(xiàn)磁聲電信號均值處理、采集、顯示和存儲。

在本實驗中，首先將含有弧形銅片的均勻仿體放入靜磁場電導(dǎo)率成像檢測區(qū)域（見圖3（a）），并通過本磁聲電檢測系統(tǒng)進行超聲激勵和采集，并在DPO5054B數(shù)字示波器上進行3 500次均值處理后獲得電極電壓信號。隨后撤掉靜磁場，并使其他條件（如探頭位置、探頭到銅片距離）與之前置于靜磁場中時一致，通過Matlab對上述兩次實驗所測電極電壓信號進行數(shù)字信號處理。未加靜磁場的檢測前端實物如圖3（b）所示，加有靜磁體激勵時獲得的電極檢測信號及撤掉靜磁體后所檢測到的電極檢測信號對比如圖4所示。

從圖4（a）可看出，在5.4 cm處可明顯看到一凸起的電壓峰值信號，其幅值為4.42 mV。由于探頭到銅片距離為5.4 cm，其實測5.4 cm位置凸起的磁聲電壓信號與超聲束從探頭到銅片表面實際距離吻合，因此該信號即為銅片在磁場、電場及聲場共同作用下產(chǎn)生的磁聲電信號。此外，由于銅片與仿體間電導(dǎo)率差異大，故在10.7 cm位置接收到幅值為76.13 mV的信號是探頭發(fā)出并被銅片反射回去后探頭接收到的電磁干擾信號，又由于仿體上界面4.47 cm和仿體下界面7.45 cm位置與去離子水間的電導(dǎo)率變化差異小，因此在上述兩界面位置獲得的磁聲電信號幅值并不明顯。

圖2 磁聲電檢測系統(tǒng)連接圖Fig.2 Connection diagram of MAET detection system

圖3 檢測現(xiàn)場的實物圖Fig.3 Physical images of the test site

圖4 磁聲電信號驗證結(jié)果Fig.4 Verification results of MAE signals

當(dāng)撤掉靜磁場后，在先前5.4 cm位置凸起的電壓信號消失。而開始激勵位置的電磁干擾信號及界面反射引起的電磁干擾信號并未因靜磁場的撤去而消失，在11.04 cm位置接收到幅值為 52.19 mV的信號實為探頭發(fā)出并經(jīng)銅片反射后探頭接收到的電磁干擾信號。重新將含有銅片的被測仿體放入靜磁場中，又可在5.4 cm位置獲得凸起的磁聲電信號，且實測距離跟聲束傳播到達銅片的距離一致。單撤掉靜磁體或撤掉超聲聲場，其他設(shè)置條件保持不變，重復(fù)上述實驗均無法檢測到銅片位置的磁聲電信號，而開始激勵位置及銅片反射引起的電磁干擾信號并沒有消除，因此驗證了銅片位置產(chǎn)生的電壓信號為聲場、磁場和電場共同作用引起的磁聲電信號。此外，從圖4（a）可看出，被測仿體放入靜磁場后，電極接收到的探頭瞬間激勵引起的電磁干擾信號幅值為168.9 mV，撤去靜磁場，該電磁干擾信號減小為50.38 mV，銅片來回反射引起的電磁干擾信號也由76.13 mV降為52.19 mV。上述結(jié)果表明靜磁場的加入可在一定程度上增大電磁干擾信號的幅值。

4 檢測前端改進

由于電極接收到的磁聲電信號幅值很微弱，且極易受零時刻探頭產(chǎn)生的電磁干擾信號及界面來回反射引起的電磁干擾信號影響，因而從毫伏級電磁干擾信號中分離出微伏級磁聲電信號，獲得高信噪比磁聲電信號是磁聲電系統(tǒng)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵[14]。為進一步提高磁聲電信號的信噪比，本文對上述磁聲電檢測前端進行了改進和完善，首先將磁體空間由100 mm×100 mm×40 mm增大到240 mm×240 mm×60 mm，中心場強由0.45 T增大到0.78 T，其次由于高電壓激勵探頭瞬間產(chǎn)生毫伏級電磁脈沖干擾信號，會影響磁聲電信號接收，本文采用磁屏蔽探頭并對模擬檢測前端進行磁屏蔽處理?？紤]到被測仿體中含有NaCl，且被測樣本放置在超聲耦合去離子水中易被稀釋，因此為提高磁聲電信號檢測的準(zhǔn)確性，同時減小由于界面反射引起的電磁干擾信號，本文采用磁屏蔽效果更好的絕緣油作為超聲耦合劑，并重新設(shè)計、制作了新的夾具及檢測水槽，并使用透聲硅膠材料制作了一個電磁屏蔽盒，且將硅膠盒浸泡在盛有絕緣油的水槽中，并將被測樣本及電極緊固在硅膠屏蔽盒中。由于上述方法可減弱電磁波信號在探頭與電極間的傳播，從而可在減小電磁干擾信號的同時增加磁聲電信號的信噪比，進而獲得高分辨率磁聲電成像圖，改進后的磁聲電檢測前端實物如圖5所示。

5 B掃描算法及成像分辨率測試實驗

5.1 B掃描算法

本文采用兩種B模式重建算法分別對磁聲電信號進行處理，其中B模式成像算法，是對不同激勵位置所獲上千次均值計算（Mean Calculation,MC）處理后的磁聲電導(dǎo)率信號預(yù)處理，再進行B模式成像，并采用線性插值算法（Linear Interpolation,LI）對B模式成像圖進行后處理。而電導(dǎo)率B掃描重建算法是對上述不同激勵位置經(jīng)均值計算后的磁聲電信號再進行維納濾波（Wiener Filtering,WF）、希爾伯特變換（Hilbert Transform,HT），再結(jié)合激勵位置重建出電導(dǎo)率B模式圖，并采用線性插值算法對電導(dǎo)率B模式圖進行后處理，最終獲得電導(dǎo)率B掃描圖。兩種B模式重建算法如圖6所示。

圖5 檢測現(xiàn)場前端的實物圖Fig.5 Physical picture at the front end of test site

圖6 兩種B模式重建算法Fig.6 Two B-mode reconstruction algorithms

5.2 分辨率測試實驗

為檢測磁聲電檢測系統(tǒng)在縱軸方向上的檢測分辨率及磁聲電特性，采用特定模具制成仿體厚度為4.85 cm、中間窄縫長3.5 cm、窄縫寬度為1 mm的被測均勻仿體，如圖7（a）所示。隨后將探頭放置在仿體表面中間位置，使超聲束經(jīng)過4個電導(dǎo)率變化界面，并通過磁聲電檢測系統(tǒng)對上述1 mm窄縫均勻仿體進行準(zhǔn)確性測試實驗。經(jīng)均值處理后獲得的磁聲電導(dǎo)率曲線如圖7（b）所示，可清晰地看到四個電導(dǎo)率變化的界面位置，且四個被測界面位置與實際仿體界面位置一致。隨后對該磁聲電信號進行維納濾波及希爾伯特變換處理，上述實驗所測仿體中間窄縫分別為0.66（MC結(jié)果）、0.67（WF結(jié)果）、0.67 mm（HT結(jié)果），與實驗前測得的1 mm距離相當(dāng)，其主要誤差是由于被測仿體泡在絕緣油中，發(fā)生一定的膨脹及變形所致[14]，這恰好證明了本檢測系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性，隨后通過超聲探頭在x軸步進激勵35次，且x軸步長設(shè)置為1 mm，通過35次不同位置電導(dǎo)率曲線數(shù)據(jù)及B模式算法（MC+LI）處理后，1 mm縫隙均勻仿體所獲得B模式圖如圖7（c）所示。再對上述35次不同位置電導(dǎo)率曲線進行電導(dǎo)率B掃描重建算法處理（MC+WF+HF+LI），1 mm縫隙仿體所獲電導(dǎo)率B掃描圖如圖7（d）所示。從圖7可知，電導(dǎo)率B掃描重建算法可提高磁聲電檢測分辨率，本檢測系統(tǒng)可清晰地檢測出仿體內(nèi)1 mm窄縫，表明該檢測系統(tǒng)在z軸方向檢測分辨率可達1 mm。

圖7 被測仿體及其分辨率實驗結(jié)果Fig.7 The detected phantom and its resolution experimental results

6 結(jié) 論

本文介紹了一種數(shù)字化、低成本磁聲電檢測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計并制成了原型系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)驗證了磁聲電信號需在磁場和聲場共同作用下才能產(chǎn)生，并對檢測前端進行了改進和優(yōu)化。隨后通過電導(dǎo)率B掃描算法對中間窄縫為1mm的均勻仿體進行分辨率測試實驗，驗證了電導(dǎo)率B掃描算法的有效性，證明了本磁聲電檢測系統(tǒng)的縱向分辨率可達1 mm。該系統(tǒng)在生物組織仿體電導(dǎo)率測量方面，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、無創(chuàng)的電導(dǎo)率檢測，有望在癌癥早期診斷領(lǐng)域及癌變組織康復(fù)期監(jiān)測方面具有較大的應(yīng)用前景。