間質(zhì)結(jié)構(gòu)中液態(tài)金屬的磁聲B掃成像研究*

趙筱赫,張文偉,夏 慧,劉國強(qiáng),3

(1.河南工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.中國科學(xué)院 電工研究所,北京 100190;3.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院,北京 100190)

0 引言

作為生命復(fù)雜流體,生物體內(nèi)組織間液的循環(huán)以間質(zhì)結(jié)構(gòu)為框架,實(shí)現(xiàn)物質(zhì)、能量、信息的遠(yuǎn)程高效傳輸[1-3]。研究間質(zhì)結(jié)構(gòu)及其流體行為對(duì)建立新的生命醫(yī)學(xué)理論體系,構(gòu)建完善的生物體生命流體循環(huán)系統(tǒng),改變傳統(tǒng)給藥方式,擴(kuò)展部分重大疾病的診療思路具有重大意義[4-6]。當(dāng)前對(duì)間質(zhì)結(jié)構(gòu)研究多采用標(biāo)記-解剖手段,這種研究方法破壞了生物體的生命活動(dòng)狀態(tài),而無法研究間質(zhì)結(jié)構(gòu)行為與生物體生命活動(dòng)之間的聯(lián)系。在體影像學(xué)技術(shù)具有不破壞生物體生命狀態(tài)的特性,在臨床疾病診斷與健康監(jiān)護(hù)中發(fā)揮著重要的作用,也是研究間質(zhì)結(jié)構(gòu)流體行為的有效手段[7]。作為一種新型的功能性醫(yī)學(xué)成像技術(shù),磁聲成像采用電磁場(chǎng)激勵(lì)、聲場(chǎng)檢測(cè)的方式,對(duì)電導(dǎo)率敏感,且不存在電離輻射的風(fēng)險(xiǎn),在間質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[8]。間質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)研究對(duì)象是健康生物體,故不存在由于病變引起的電導(dǎo)率異常區(qū)域,同時(shí)間質(zhì)結(jié)構(gòu)與周圍組織結(jié)合緊密,電導(dǎo)率差異性較小,以目標(biāo)體電導(dǎo)率為圖像重建參數(shù)的磁聲成像對(duì)比度偏低。針對(duì)這種情況,Zhao等提出采用鎵基液態(tài)金屬標(biāo)記間質(zhì)結(jié)構(gòu)流體通道,構(gòu)建流體通道高電導(dǎo)率環(huán)境[9],并開發(fā)了磁聲位置成像方法,實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬空間位置的重建,從而構(gòu)建間質(zhì)結(jié)構(gòu)空間形態(tài)[10]。超聲B掃成像以其算法簡(jiǎn)單,圖像直觀,成像速度快等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于臨床診斷中。在磁聲成像發(fā)展過程中,以腫瘤檢測(cè)為目標(biāo),研究者系統(tǒng)地探索了基于B掃的檢測(cè)方式及成像方法[11],結(jié)果表明,磁聲B掃成像不僅具有超聲B掃成像的所有優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具有電特性的參數(shù)對(duì)比度,在對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)體磁聲檢測(cè)中具有潛在的應(yīng)用。由于間質(zhì)流體的動(dòng)態(tài)循環(huán)特性與生物體的行為密切相關(guān),需要時(shí)效性更好的成像手段研究間質(zhì)流體在不同生理、病理狀態(tài)下的循環(huán)特性?；诖?本文擬對(duì)間質(zhì)結(jié)構(gòu)中液態(tài)金屬的磁聲B掃成像進(jìn)行研究。

1 理論依據(jù)

在含液態(tài)金屬的生物組織磁聲檢測(cè)問題中,由于生物組織與液態(tài)金屬都具有流體特征,介質(zhì)中僅有縱波傳播,本文采用聲壓進(jìn)行分析。若流體中的聲速與質(zhì)量密度分別為cs、ρ0,根據(jù)媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程、質(zhì)量連續(xù)性方程及Hamilton方程,可導(dǎo)出在小幅聲波擾動(dòng)下,媒質(zhì)中的聲壓波動(dòng)方程[12]

(1)

根據(jù)磁聲激勵(lì)原理,當(dāng)目標(biāo)體處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中時(shí),其內(nèi)部的脈沖電流在磁場(chǎng)作用下,受到的洛倫茲力將引起局部質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)從而激發(fā)聲波。若目標(biāo)體中的電流密度為J,洛倫茲力密度為J×B,即為磁聲的偶極聲源。補(bǔ)充偶極聲源項(xiàng),并按照微分運(yùn)算法則整理得

(2)

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果的B掃成像分析

圖1(a)為感應(yīng)式激勵(lì)的數(shù)值計(jì)算模型,模擬生物組織的圓柱體區(qū)域中包含三個(gè)不同形狀尺寸的液態(tài)金屬區(qū)域,采用一對(duì)脈沖線圈產(chǎn)生沿z軸方向的脈沖磁場(chǎng),目標(biāo)區(qū)的感應(yīng)電流集中分布在液態(tài)金屬外表面,提取z=0平面的感應(yīng)電流分布,如圖1(b)所示,當(dāng)空間有沿z軸方向的均勻靜磁場(chǎng)時(shí),磁聲偶極聲源的指向沿液態(tài)金屬外表面法向,如圖中的紅色箭頭所示。

(a)電磁計(jì)算模型

根據(jù)層析成像的原理,提取z=0工作平面,進(jìn)行時(shí)域聲場(chǎng)計(jì)算。提取典型掃描路徑上的聲壓數(shù)據(jù),進(jìn)行磁聲B掃成像研究。

2.1 單一直線路徑掃描B掃成像

提取數(shù)值計(jì)算結(jié)果中掃描路徑上的原始聲壓數(shù)據(jù),與超聲換能器脈沖響應(yīng)卷積后,生成B掃圖像,如圖2所示。單一直線路徑掃描下,磁聲B掃圖像的目標(biāo)體圖像后方出現(xiàn)較強(qiáng)的反射偽影。

圖2 單一直線路徑磁聲B掃圖像

2.2 多條直線路徑掃描B掃成像

由上節(jié)單一直線路徑掃描結(jié)果可知,B掃圖像中在液態(tài)金屬后方存在反射偽影,影響對(duì)液態(tài)金屬分布范圍的識(shí)別與判斷,為解決這一問題,本文提出多路徑掃描疊加的方法增強(qiáng)有效磁聲信號(hào),抑制反射偽影。圖3(a,b)所示為換能器軸線與x軸方向平行,掃描路徑(如圖中箭頭所示)分別在目標(biāo)區(qū)左側(cè)與右側(cè)對(duì)稱位置沿直線路徑掃描時(shí),液態(tài)金屬的磁聲B掃圖像。由圖可知,單一直線路徑掃描中,反射偽影位于液態(tài)金屬區(qū)遠(yuǎn)離掃描路徑方向的一側(cè)。將兩次掃描數(shù)據(jù)疊加后,液態(tài)金屬邊界的磁聲信號(hào)增強(qiáng),同時(shí)反射偽影增多,但幅值無變化,能夠有效區(qū)分液態(tài)金屬信號(hào)與偽影,如圖3(c)所示。由于對(duì)向雙路徑掃描中不改變換能器軸線指向,對(duì)平行于軸線方向的邊界無法識(shí)別,因此有必要添加垂直方向的對(duì)向掃描,圖3(d,e,f)所示為換能器沿y方向的雙向掃描及圖像疊加結(jié)果,顯示液態(tài)金屬區(qū)y方向上的邊界信息。圖3(g)為樣品在四個(gè)掃描方向上的B掃結(jié)果疊加,隨著掃描方向增多,目標(biāo)區(qū)的邊界信息更加豐富,從而在一定程度上解決超聲換能器橫向分辨率不足的問題。

圖3 多向掃描圖像疊加抑制反射偽影

2.3 圓周掃描路徑磁聲B掃成像

根據(jù)上節(jié)分析,多向直線掃描方式可以獲取更多方向上的邊界信息,當(dāng)多向直線掃描的步進(jìn)角度減小并覆蓋全部圓周,各角度上的采樣點(diǎn)數(shù)為1時(shí),即為圓周掃描。在圓周掃描中,換能器軸線方向隨采樣點(diǎn)位置變化,能夠獲得圓周各方向的邊界信息。

在環(huán)形掃描路徑上提取圖1中模型的磁聲信號(hào),掃描半徑為2.7cm,采樣時(shí)長(zhǎng)與掃描半徑上的聲波傳播時(shí)長(zhǎng)相等,角度步長(zhǎng)為2.5°,共提取143組數(shù)據(jù)。環(huán)形掃描的B掃圖像能夠準(zhǔn)確地反映覆蓋掃描中心或處于中心附近的目標(biāo)體,且無反射偽影,與直線掃描相比,環(huán)形掃描的B掃成像結(jié)果能夠獲得更多方向的邊界信息,如圖4中的A區(qū)。而對(duì)于位于掃描中心一側(cè)的偏心目標(biāo)體,如圖4中的B、C區(qū)域,圖像中出現(xiàn)較強(qiáng)的偽影,且偽影有向圓心偏移的趨勢(shì)。這是因?yàn)榇怕暀z測(cè)中常用的非聚焦換能器,其檢測(cè)區(qū)是以采樣點(diǎn)為中心的錐形區(qū)域,該區(qū)域中任何位置聲源發(fā)射的聲波信號(hào),都能被換能器檢測(cè)到,而B掃成像中換能器對(duì)應(yīng)的圖像單元是以采樣點(diǎn)所處半徑為中心軸、圓心角對(duì)應(yīng)掃描步長(zhǎng)的扇形區(qū)域,如圖4(b)所示。對(duì)于圖中所示處于換能器圖像單元外的目標(biāo)體,也將在其圖像單元中形成偽影,這種由換能器的指向性引起的偽影,在本文中稱為指向偽影。根據(jù)偏心聲源的幾何關(guān)系,指向偽影一般向掃描中心偏移。

(a)圓周掃描B掃圖像

綜合以上分析,通過優(yōu)化掃描路徑能夠在一定程度上提升B掃成像質(zhì)量,但是不能完全解決磁聲B掃成像的偽影問題。實(shí)際操作中,需要針對(duì)不同的檢測(cè)部位及掃描空間的幾何特征,選取合適的掃描方法。檢測(cè)人員結(jié)合超聲換能器的先驗(yàn)知識(shí),通過B掃圖像,能夠較準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)體的空間分布及形狀特點(diǎn)。

2.4 腿部模型的圓周B掃成像

圖5(a)為人腿部的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖,最外層為皮膚,在皮膚與肌肉之間有一層皮下脂肪,血管被脂肪層包裹,零散分布于截面中,肌肉被間質(zhì)結(jié)構(gòu)分割成多個(gè)肌肉群,股骨位于軟組織中部,被肌肉群包裹,各肌肉群被間質(zhì)結(jié)構(gòu)分割、包裹。

液態(tài)金屬在間質(zhì)中單點(diǎn)注射后,在間隙負(fù)壓的作用下沿間質(zhì)結(jié)構(gòu)走向縱向擴(kuò)散,形成縱向片狀或線狀分布形態(tài),在橫斷面上,液態(tài)金屬在間質(zhì)結(jié)構(gòu)空間呈條索狀或點(diǎn)狀分布?；诖?在仿真中僅考慮單一間質(zhì)通道中含有液態(tài)金屬的情況,簡(jiǎn)化的下肢截面模型如圖5(b)所示,本文僅考察方框中間質(zhì)含有液態(tài)金屬的情況。

(a)腿部解剖示意圖

在脈沖磁場(chǎng)激勵(lì)下,根據(jù)腿部幾何形狀特點(diǎn),采用圓周掃描方式檢測(cè)磁聲信號(hào)。圖6為圓周掃描下間質(zhì)中液態(tài)金屬的B掃圖像,能夠較準(zhǔn)確地反映液態(tài)金屬形狀,在靠近圓心的位置包含偽影,但不影響對(duì)液態(tài)金屬形狀的判斷。

圖6 腿部模型的磁聲B掃成像

3 磁聲掃描實(shí)驗(yàn)的B掃成像

3.1 掃描實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

搭建基于永磁體的運(yùn)動(dòng)掃描磁聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái),靜磁場(chǎng)B0由沿軸向磁化的釹鐵硼永磁體產(chǎn)生,在超聲換能器掃描平面上測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2T,線圈中通入波形如圖7(a)所示的脈沖電流i(t),產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)B(t),且B0與B(t)同向。結(jié)合3D直線掃描平臺(tái)與樣品旋轉(zhuǎn)托盤,進(jìn)行不同方向的磁聲掃描實(shí)驗(yàn)。

(a)掃描實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

3.2 典型樣品的B掃成像

在電導(dǎo)率為0.2S/m的瓊脂凝膠上開不同形狀的槽,注入液態(tài)金屬,如圖8所示。其中樣品(a)中的液態(tài)金屬為圓柱形分布,直徑為8mm,樣品(b)中的液態(tài)金屬包括兩個(gè)區(qū)域:半徑為8mm的圓柱區(qū)及長(zhǎng)寬分別為15mm、5mm的鼓形區(qū)。

圖8 實(shí)驗(yàn)樣品

圖9為各樣品的直線掃描的B掃成像結(jié)果。單一路徑掃描下,在垂直于換能器軸線方向上,B掃圖像能夠明確顯示樣品邊界信息,但由于聲波的反射,圖像中伴隨較嚴(yán)重的反射偽影。將對(duì)側(cè)雙向掃描結(jié)果疊加后,液態(tài)金屬邊界信號(hào)得到增強(qiáng),且反射偽影得到有效抑制。另外,由于實(shí)驗(yàn)中使用的平面壓電式超聲換能器,其橫向分辨率遠(yuǎn)低于縱向分辨率,對(duì)橫向目標(biāo)體識(shí)別能力較差,因此不能識(shí)別與軸線平行的邊界信息,并且引入了較強(qiáng)的指向性偽影。

圖9 直線掃描B掃成像

圖10為圖8中各樣品的圓周掃描的成像結(jié)果。圓周掃描方式能夠有效解決換能器橫向分辨率不足的問題。當(dāng)目標(biāo)體位于掃描中心附近或關(guān)于掃描中心對(duì)稱時(shí),B掃成像能夠準(zhǔn)確反映目標(biāo)體形狀,如圖10(a)所示;而當(dāng)目標(biāo)體不對(duì)稱或處于掃描區(qū)偏心位置時(shí),B掃圖像能夠準(zhǔn)確分辨沿掃描半徑方向的目標(biāo)體邊界位置,但對(duì)半徑垂直方向的邊界卻無法識(shí)別,另外,受換能器指向角影響,B掃圖像具有一定程度偏向于圓心的指向偽影,如圖10(b)所示。

圖10 圓周掃描B掃成像

3.3 模擬腿部間質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品的B掃成像

根據(jù)圖5中腿部橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖,制作模擬腿部部分間質(zhì)的仿體樣品。如圖11(a)所示,以瓊脂凝膠模擬腿部軟組織,將雞腿骨嵌入凝膠模擬腿部骨骼,在凝膠中構(gòu)建模擬間質(zhì)結(jié)構(gòu)的流體溝道,將液態(tài)金屬注入溝道以模擬間質(zhì)結(jié)構(gòu)中的片狀液態(tài)金屬斷面形態(tài)。

實(shí)驗(yàn)中,未加入液態(tài)金屬前,采用超聲換能器自發(fā)自收模式對(duì)樣品進(jìn)行超聲環(huán)形掃描,如圖11(b)所示,超聲B掃圖像可以較清晰地顯示樣品中軟組織及骨骼的位置,為液態(tài)金屬磁聲圖像提供基本位置參考。加入液態(tài)金屬后,采用磁聲方式進(jìn)行圓周掃描檢測(cè),其B掃圖像如圖11(c)所示,圖中能夠顯示條索狀液態(tài)金屬基本輪廓,由于聲波反射作用,向心位置出現(xiàn)較嚴(yán)重的偽影,覆蓋了骨骼的位置信息。以超聲掃描圖像作為生物組織結(jié)構(gòu)空間分布的參考,將液態(tài)金屬的磁聲圖像與之對(duì)比,即可準(zhǔn)確描繪出液態(tài)金屬所在間質(zhì)的位置及形狀,結(jié)合局部解剖結(jié)構(gòu),確認(rèn)間質(zhì)結(jié)構(gòu)在軟組織中的位置及走向。

(a)待測(cè)樣品 (b)超聲B掃圖像 (c)液態(tài)金屬磁聲B掃圖像

4 結(jié)論與討論

在液態(tài)金屬呈軸對(duì)稱分布、條帶狀分布和隨機(jī)分布等不同模型下,提取了多掃描路徑上的聲壓數(shù)據(jù),進(jìn)行B掃成像。B掃圖像存在偽影與邊界形狀畸變,其原因在于:液態(tài)金屬與生物組織界面上的聲壓多次反射造成反射偽影,在聲程核算中未進(jìn)行聲速補(bǔ)償,導(dǎo)致被液態(tài)金屬遮擋部分的邊界出現(xiàn)形狀畸變。在此基礎(chǔ)上,提出了多向直線掃描疊加B掃成像、環(huán)形掃描B掃成像方法,通過采用多路徑掃描疊加、優(yōu)化掃描路徑的方法抑制反射偽影,并修正圖像畸變,以顯示有效的目標(biāo)體邊界信息。最后,搭建運(yùn)動(dòng)掃描磁聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)多種含液態(tài)金屬的凝膠樣品進(jìn)行磁聲掃描實(shí)驗(yàn),并提取其B掃圖像。結(jié)果表明,多向直線掃描疊加B掃成像能夠有效抑制液態(tài)金屬的反射偽影,突出有效邊界信息;圓周掃描方式能夠獲得目標(biāo)體更多方向的邊界信息,且能夠有效抑制反射偽影。由于實(shí)驗(yàn)中所采用的平面式超聲換能器不具備單指向性,造成B掃成像中有一定程度的指向性偽影,所以對(duì)目標(biāo)體形狀的判斷需要系統(tǒng)先驗(yàn)知識(shí)。