磁共振弹性成像激励装置的研究进展

马昌玉, 吴振洲, 朱建兵, 刘可夫, 刘德森, 杨晓冬

(1. 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州, 215163; 2. 苏州科技城医院, 江苏 苏州, 215153; 3. 南京医科大学附属苏州医院, 江苏 苏州, 215153)

弹性(或硬度)是人体组织物理特性中一种非常重要的力学性质参数，人体组织的弹性系数各不相同，其分布范围在(1～1×108) kPa。通过测量弹性进行成像的方法可获得更高对比度的组织图像，优于其他传统影像技术所体现出的组织物理参数对比度，如X射线成像的组织密度，磁共振成像的弛豫时间和超声成像的声波反射系数等[1]。对于人体同一部位肌体组织，病变发生前和病变发生过程中的不同阶段，往往伴随着弹性性质的规律性改变[2-4], 因此通过对组织弹性特性的测量可以实现疾病的诊断，具有很好的发展潜力。超声弹性成像目前已经取得了较为广泛的应用，但较低的空间分辨率是其固有缺陷，且检查结果容易受到检查者操作技术的影响[5-11]。相比之下，磁共振弹性成像(MRE)可充分结合磁共振成像技术分辨率高的优势，很好地弥补超声弹性成像较低空间分辨率的缺点，对深入了解正常和病变组织的生物学特性、对身体组织疾病的早期发现和诊断具有较好的指导价值[12-16]。

MRE的原理见图1, 典型的MRE系统包括MRE激励装置、磁共振成像系统和弹性图重建算法3个部分，利用MRE激励装置与待成像组织或器官相互作用产生具有一定幅度和频率的机械波，通过施加磁共振运动敏感梯度获得组织内质点的相位分布信息，对获得的相位图施加弹性图重建算法，从而获得组织内的弹性分布图[17-18]。

1 MRE激励装置的设计要求

进行MRE成像，首先需要通过外部激励装置对待成像组织施加激励，使组织内产生一定频率和振幅的机械波。稳定、精确的MRE激励装置是获得高分辨率组织弹性图像的先决条件，由于MRE成像环境的特殊性以及磁共振成像原理的要求, MRE激励装置开发需要满足如下要求。

1.1 激励装置与MR设备磁兼容

磁共振成像过程中，磁共振设备通过主磁场、梯度场、射频场与人体组织中的质子相互作用而生成图像，生成图像的质量依赖于上述3个磁场的准确度，为了不和其他电磁设备相互干扰，保证最终获得的磁共振图像质量，通常将MR设备放置在电磁屏蔽室内。进行MRE成像时, MRE激励装置需要与人体组织相互作用并在组织内产生机械波，必须部分或者全部放置于电磁屏蔽室中，因此需要对MRE激励装置进行特殊设计[19-20], 激励装置的材料需要选择磁兼容的材料，激励装置中的电子设备和含铁磁性成分的部件必须放置在距离1～2 m的屏蔽室，同时所有的输入、输出电缆必须采用低通滤波器滤波，从而确保MRE激励装置和MR设备互不干扰，均能稳定的工作。

1.2 机械波的类型、振幅及频率

MRE成像首先需要通过激励装置在待检测组织内产生一定振幅和频率的机械波，然后通过MR设备对组织施加运动敏感梯度，获得组织的相位信息，以相位信息为输入，进一步通过弹性图重建算法，获得组织内弹性分布图像。纵波的传播主要受组织体积弹性模量的影响，剪切波(横波)的传播主要受组织剪切模量的影响，对于人体组织而言，剪切模量对比度远大于体积弹性模量对比度，因此机械波的类型以剪切波为宜[20]; 剪切波振幅增加, MRE成像灵敏度增加，但振幅过大时会使质点相位超过±180°范围，造成相位卷褶[21], 同时过大的振幅会使患者的耐受度变差，设备的实现难度也增加。剪切波频率越高，图像信噪比越高，但随着频率的增加，剪切波在组织内衰减加剧，而且MRE成像要求组织内机械振动频率必须与施加的运动敏感梯度保持同步，过高的剪切波频率使得运动敏感梯度的实现难度增加。研究[20]表明50～1 000 Hz的剪切波可以满足MRE成像的要求。

2 MRE激励装置研究进展

根据MRE对激励装置的要求，国内外研究工作者开发出了各式各样的MRE激励装置，并开展了MRE成像实验，按照激励装置中激励源与成像组织相对位置关系，可分为远距离激励和直接激励两个大类。

2.1 远距离激励

远距离激励型MRE激励装置的特点在于激励源与磁共振设备有相当一段距离，激励执行端与待检测组织直接接触，激励源与激励执行端通过足够长度的柔性或刚性传动件相连，激励源通过传动件将振动信号传导至与身体直接接触的被动振动装置，使待检测组织产生剪切波。 这种设计的优势在于降低了对激励源磁兼容性能的要求。

梅奥诊所[22]设计的气动MRE激励装置是远距离激励装置的代表，该装置采用音频扬声器作为激励源，激励源放置在磁共振屏蔽室外以防止电磁干扰，扬声器的振动信号通过一个与之相连的密闭软管和一个与人体组织直接接触的被动装置传导至人体组织。由于空气的可压缩性，振动传播过程中不可避免带来振动相位的延滞，增加了同步控制的难度。

为克服振动传播相位延滞的问题, Sack等[23]、Klatt D等[24]对上述气动装置进行了改进设计，用一个刚性的碳纤维棒代替密闭软管，该装置解决了气动方案中相位延滞的问题，但刚性杆的连接方式使设备只能在特定方向进行工作，同时直杆连接需要扬声器设置在与待测组织相同的高度，装置的灵活性较低。

Lewa等[25]开发了一个通过振动器连接刚性杆驱动体模产生剪切波振动的装置，该装置振动器中含有永久磁铁，因此装置的激励源需要远离磁共振主机以避免干扰，同时刚性杆传动方案也存在灵活性差的问题。

2.2 直接激励

直接激励型MRE激励装置的激励源和激励执行终端均设置于磁共振磁体腔中或磁体腔附近。这种设计的优势在于激励装置具有比较紧凑的结构，更有利于设备的小型化，其缺陷在于对激励源的磁兼容性要求很高，满足条件的激励源往往成本高昂。

Plewes等[26]采用超声马达作为激励源，开发了一套用于乳腺MRE成像的激励装置，该装置使用的马达及齿轮传动机构均具有很好的磁兼容性能，但由于超声马达功率及转速的性能所限，装置只能实现1～2 Hz的准静态弹性成像，难以实现高频激励。

Uffmannn K等[27]开发了一套基于压电堆栈的MRE激励装置，该装置最高可产生频率高达500 Hz、振幅1 mm的振动，装置本体部分均采用无磁性材料，具有很好的磁兼容性，但设备成本高昂，同时压电堆栈工作中需要上百伏的电压驱动，有给患者带来危险的隐患。

Braun等[28]利用电磁感应原理，开发了一种基于电磁线圈的MRE激励装置，该装置利用通电线圈作为激励源，通电线圈在交变磁场中会因受到交变转矩而产生周期性振动，配合一套振动传递机构，可将振动传导至振动执行终端，根据待检测组织的需要，该装置可以产生与磁共振主磁场不同角度方向的剪切波，装置结构简单，易于实现，但通电电磁线圈会对磁共振成像造成影响，磁兼容性较差。

3 总 结

磁共振弹性成像可定量化地显示生物组织的力学特性信息，使“影像触诊”成为了可能，作为MRE成像过程中剪切波发生源, MRE激励装置是获得高分辨率MRE图像的先决条件, MRE激励装置的设计需要在满足磁兼容性要求的前提下，提供给待检测组织具有一定频率和振幅的剪切波。根据激励源与MR设备的相对位置远近，现有MRE激励装置可分为远距离激励和直接激励两个大类，远距离激励装置激励源远离MR设备，对激励源的磁兼容性要求较低，但现有远距离MRE激励装置难以实现设备使用灵活性与剪切波精度的兼顾，后续发展应充分借鉴现有气动装置高灵活性的设计思路，选用压缩性好的振动传播介质(液体介质或者不可压缩绳等)，借助于巧妙的结构设计，实现振动的远距离高精度传播。直接激励型MRE激励装置结构紧凑，可实现对待检测组织的直接激励，但对激励源的磁兼容性要求很高，现有商用成熟产品很难满足MRE激励装置对激励源高功率的要求，进一步的发展有待于高功率、低成本的磁兼容激励源的技术突破。