提高生物组织磁声电特性成像质量的方法研究*

林俊杰,王玉恒,聂羽慧,殷涛,刘志朋,张顺起

(中国医学科学院北京协和医学院 生物医学工程研究所,天津 300192)

0 引言

生物组织的电特性与其类型、病理状态密切相关[1]。研究发现,癌变后细胞的介电常数和正常细胞有显著差异,如乳腺肿瘤、肝肿瘤、前列腺肿瘤和骨骼肌瘤等,其组织的电导率高于相应的正常值。Chaudhary等[2]研究了恶性乳房组织,其介电常数接近正常组织的5倍,并且其导电率接近正常组织的4.7倍。因此,生物组织电特性成像有助于癌症等疾病的早期诊断,近年来引起了人们极大的关注[3]。

1 技术原理

近几十年来,科研人员研究了不同的电磁成像方法来测量生物组织的电特性,包括电阻抗断层扫描(electrical impedance tomography,EIT)、磁感应断层扫描(magnetic induction tomography,MIT)、磁共振电阻抗断层扫描(magnetic resonance electrical impedance tomography,MREIT)等[4]。然而由于EIT技术逆问题病态、MIT技术分辨率较低、MREIT技术借助MRI机器的成本高昂等问题,限制了这些技术的应用。

磁声成像结合了EIT成像和超声成像的优点,不仅可以给出功能性图像结果,还可以获得较高的空间分辨率[5]。其原理是,当对处于静磁场中的生物组织施加交变电场时,介质内部质点会受到洛伦兹力的作用发生位移,从而形成振动,产生超声信号。在介质外部通过超声换能器接收声信号响应,并对声信号进行图像重建,还原组织内部的电导率分布情况,其原理见图1。

图1 磁声成像原理

磁声成像满足波动方程为[4]:

(1)

其中,p(r,t)为r处声信号;J为电流密度;B0为静磁场的磁感应强度;cs为介质内部声传播速度。若激励为s(t),则上式改写为:

(2)

由格林函数求解波动方程,介质外部声信号为[4]:

(3)

磁声成像信噪比主要受信号衰减、超声干扰、电磁干扰三方面影响。

生物组织中超声衰减主要由声束反射、散射、扩散和组织吸收等因素产生,而其中吸收衰减又分为黏滞吸收、弛豫吸收和热传导吸收[7-8]。不同生物组织的超声信号,衰减强度不同,超声波在人体组织中的平均衰减系数见表1。

表1 超声波在人体组织中的平均衰减系数[7]

超声设备的干扰主要包含随机噪声与相关噪声。随机噪声主要包含热噪声,其幅值一般为5～10 μV;相关噪声指多余的界面乱反射、探头的无用振动、旁瓣的声辐射、生物组织的生理活动干扰,以及多次反射波等。

电磁干扰指通过导电介质或通过空间把一个信号耦合到另一个电网络的信号干扰,分为传导干扰和辐射干扰。由于电磁干扰的存在,导致采集信号的信噪比降低,影响磁声成像的质量。

2 提升磁声成像质量的方法

为改善图像质量,研究者们提出一系列方法,包括增强电磁激励以提高检测信号的强度;通过提高检测精度、提升信噪比,提高采集信号的质量;通过改变扫描方式、添加影像增强剂等方法提高图像质量。

2.1 优化激励方式

提高信噪比的常用处理方法是对波形进行平均,但通常使用102～103次的波形采集和平均,使得检测和成像非常耗时。因此,提升激励的方式是较为简单直接的增强信号的方法,Hu等[9]使用24 kV的峰值电压作为激励电压,研究对体外人肝肿瘤组织成像性能的实验,证明了磁感应磁声成像(magnetoacoustic tomography with magnetic induction,MAT-MI)方法能够以高空间分辨率区分肝肿瘤和正常组织的微小电特性差异。Sun等[10]利用峰值瞬时功率为39.54 dBm的电信号激励超声换能器,从理论上建立了线性调频超声激励与局部电流密度之间的相关性,最终获得了1 mm的轴向分辨率。刘志朋等[11]采用不同幅度、频率的单周期正弦脉冲作为激励信号,以铜导线为被测样本,检测磁声耦合效应产生的声信号。结果表明,检测系统对频率高度敏感,为使磁声信号提取更多信息,需提高检测电路的信噪比。Mariappan等[12]提出通过提高稳衡磁场来提高信噪比,用MAT-MI成像系统在9.4 T的静磁场中进行组织体模实验(结果见图2),诱发MAT-MI超声信号改善了约14倍。最终结果表明,在强磁场环境下,成像能为生物组织电导重建提供更好的成像对比度,且空间分辨率优于2 mm。

传统的磁声成像系统需要更高的功率和更大的瞬时电流,存在一定的安全隐患,还增加了设备仪器的成本。Gao等[13]提出一种低功率磁声层析的成像系统,其功率放大器的峰值功率仅为30 W。与传统的大功率激励相比,该系统使用脉冲激励序列,通过谐振获得能量积累,具有低成本、低功耗、安全经济的特点。

图2 在9.4 T静磁场中比较先前实验和该实验所产生的MAT-MI超声信号强度[12]

除了高功率激励信号带来的安全性问题,高功率脉冲射频放大对硬件设备的要求也更苛刻,增加了成像系统的复杂性。因此,有研究探索从信号检测角度来改善图像质量。

2.2 优化信号检测方法

在优化信号检测方面,Zhang等[14]使用锁相放大器测量连续波电刺激下的磁声信号,利用磁声信号的相位来提取声源位置。初步实验结果表明,该系统幅值精度可提高到1 μPa以下,声源的定位精度可达到毫米级。2021年,郑姣姣等[15]利用高灵敏度的声波探头,并选用锁相放大器放大微弱信号,研制了基于ARM的多通道微弱信号的数据采集系统,实现了微弱信号的检测,明显改善了信噪比。Mai等[16]使用频率为20 kHz的连续正弦波来刺激样本,利用锁相放大器检测稳恒磁场下样本中产生的磁声信号,提取声源的二维分布。结果表明,在0.01 A量级的电刺激下,可在离体猪脑中实现毫米级精度的二维表面声源位置的非侵入性测量,微弱磁声信号的测量精度可达10-7Pa。

由于锁相放大是基于励磁同步参考信号的频率检测,因此,有研究只提取了20 kHz的磁声信号进行分析[16]。为解决单个频率采集信息的有限性,还需要借助多频域甚至宽带域的测量方法,才能提取生物组织更深度的信息。同时,由于信号检测和处理过程比较复杂,还需要研究效率更高的信号处理方法。

2.3 优化信号处理方法

脉冲编码激励技术作为一种新型的信号处理方法开始用于克服锁相放大采集单频信息有限的问题,并提高信号检测效率及信噪比。Deng等[17]从理论上推导了基于编码的磁声电成像(magneto-acoustic-electric tomography, MAET)原理,分析了不同脉冲压缩技术的性能。选取了13位Barker编码,并用不同形状和电导率的仿体模型对该方法进行了验证。Yu等[18-19]的实验结果表明,与单周期正弦激励相比,采用13位Barker编码激励时,驱动信号的幅值明显降低,信噪比提高10 dB。卢振等[20]将MAET原理与脉冲编码压缩理论相结合,推导了Golay脉冲激励下的磁声电公式,讨论了码元长度对磁声电检测的信噪比增益的影响。结果表明, Golay单脉冲激励的MAE信号可准确定位组织边界,能够反映电导率变化的幅度和极性。

由于Barker编码和Golay编码均存在最大码长,Barker编码最长为13位,而Golay编码最长为16位,码长无法进一步增加。为提高磁声信号信噪比,提出了其他相位编码码型。

M序列可实现无限长的码长,有助于提升磁声信号信噪比。Zhang等[21-22]提出在未进行波形叠加平均条件下,相比于单脉冲激励方式,7、31和127 bit M序列编码处理方法可分别提高磁声信号信噪比19.4、29.6和40.4 dB,证明了M序列编码激励的磁声成像信号处理方法可改善成像质量,其实验样本及结果见图3[22],A为实验样品; B为M序列码激励下磁声信号信噪比的改善; C为猪肉前后边界的重建图像,其中(a)为使用单脉冲激励(不进行波形平均)重建;(b)(c)(d)(e)(f)分别为7、15、31、63、127 bit的M序列编码激励的重建图像[22]。

图3 实验结果[22]Fig.3 The results of experiment

采用Barker编码、Golay编码和M序列编码的方式均可提升磁声信号的信噪比,但由于这些均为相位编码,激励信号在+1和-1编码跳变位置产生的波形畸变,将会影响处理后信号脉冲的识别。并且,M序列编码的码长只能是固定的2n-1,因此,广泛应用于医学超声成像检测和雷达技术中的Chirp编码激励方法被采用。2022年,Zhang等[23-25]提出Chirp脉冲编码激励的磁声成像信号处理方法,通过仿真计算和磁声信号的实验测量,对不同脉冲宽度Chirp信号编码激励的磁声信号进行了研究。结果表明,Chirp编码激励明显提高了磁声信号信噪比,在10、50、100 μs的Chirp激励下,磁声信号信噪比相比于单脉冲激励分别提高了7.65、42和90.1倍。同时处理时间明显缩短,100 μs的Chirp激励下,处理时间相比于单脉冲平均方法缩短了1.2%。

2.4 优化扫描方式

超声信号的质量受换能器的聚焦分布和扫描方式的影响,扫描方式的改进与提升图像质量密切相关。Zhao等[26]通过旋转扫描方式研究了注入电流式磁声成像(magnetoacoustic tomography with current injection, MAT-CI)中电导率渐变对声场特性的影响。Zywica等[27]利用旋转扫描方式对三层低电导率目标的MAT-MI问题进行了研究,详细探讨了MAT-MI扫描分辨率和噪声对图像重建质量的影响。Sun等[28]利用平面波沿横向的机械扫描重建每个旋转角的投影,显著缩短了成像时间。

传统的磁声成像扫描方式采取圆周扫描,需要对整个待测物体旋转一周扫描后,进行图像重建。虽然圆周扫描采集可以获得较大的数据量,但扫描采集系统占用空间大、成像较为耗时。因此,平移步进的B模式扫描成像方式被提出。Dai等[29]利用聚焦探头进行平移步进扫描,设计并实现了一种采用线性调频脉冲激励方法的MAET系统以提高成像分辨率。同年,该研究团队又利用平移B模式扫描方式设计了低成本、数字化的磁声电导率检测系统,通过仿体实验,获得了与实际物理尺寸一致的均匀仿体电导率曲线[30]。Dai等[31]为提高系统分辨率,提出了一种B扫描算法,通过对比分析,验证了B扫描算法可提高电导率的分辨率。

由于平移步进扫描方向单一且数据量有限,Wang等[3]研究采用平移和圆形扫描交替的扫描方式得到声源图像,此扫描模式可改进检测单元的灵敏度,并提高声源图像的成像效率和精度。

由于相控阵探头可以在介质中形成稳定的声场,为缩短成像时间、方便操作,且令聚焦点设置更加灵活。郝鹏慧等[32]提出了相控阵探头加扇形扫描的方式,同时利用基于平面波的旋转扫描方式和滤波逆投影算法来重建电导率图像。赵筱赫等[33]提出多向扫描叠加与圆周扫描的方法抑制反射伪影,解决了在液态金属磁声正问题上图像出现伪影的问题。同时,该团队还对比了单一直线、多条直线、圆周扫描路径扫描磁声B扫成像的区别,证明了通过优化扫描路径可在一定程度上提升B扫成像质量。

2.5 注入影像增强剂

近年来,研究人员提出注入高磁导率介质提高成像物体的局部磁场,改善图像质量。磁性纳米粒子(magnetic naopaticles, MNPs)作为造影剂被广泛应用于各种临床和分子成像模型中。

Shi等[34-35]提出了一种基于磁性纳米粒子浓度的感应式磁声成像方法——感应式磁声磁粒子浓度成像(magneto-acoutic concentration tomography with magnetic induction,MACT-MI)。实验结果表明,声压波形反映了MNPs区域的大小和位置。从重建图像中,可以清晰区分出不同浓度和不同大小的MNPs区域。闫孝姮等[36-37]提出一种加入相同极性永磁体的MACT-MI新思路,研究结果表明,加入相同极性永磁体后,MNPs受到的磁力更强,激发出信噪比更大的磁声信号,有利于声信号的获取。Mariappan等[38-39]使用MAT方法对超顺磁性氧化铁纳米颗粒的分布进行了成像。该方法具有良好的分辨率和成像深度,成像分辨率优于2 mm,在软组织内肿瘤成像中具有潜在的应用价值。Lin等[40]提出了一种磁动势超声横波弹性成像方法,该方法利用磁性纳米颗粒与外加磁场之间的磁力产生剪切波。结果表明,该方法可同时检测到MNPs的分布和周围组织的弹性信息,在疾病诊断中具有潜在的应用前景。Friedrich等[41]研究了磁电传感器对磁性纳米粒子成像系统的性能,该研究推导了一种更稳健地重建空间粒子分布的算法,从而提高了其成像能力。

由于磁性纳米粒子团簇之间的相互作用会影响磁场分布的均匀性。因此,需要进一步研究磁性纳米粒子的排列对磁场的影响,包括磁场梯度和叠加磁场强度,以进一步增强磁声信号[39]。相比于磁性纳米粒子,液态金属(liquid metal, LM)可以形成片状或线状分布形态[33],在间质结构的筋膜空间中具有良好的流动性,并有可能在特定深度将LM有效地传递到靶区[42]。

2.6 镓基液态金属改善图像质量

镓基液态金属作为一种新型的生物医学功能材料受到了广泛关注,其在常温下呈液态、具有金属特性,并具有与其他柔性材料不同的表面特性和理化特性[43],比如优异的导热性、导电性和柔韧性[44]。并且,镓基液态金属性质稳定[45]、不易挥发,安全且无毒,可作为影像增强剂提高成像质量。Wang等[46]发现液态金属灌注组的血管与周围组织的对比度明显高于传统的碘海醇剂组,见图4(a);在猪肾照片中,该团队观察到了0.1 mm的微小血管,见图4(b)。Lu等[42]证明LM能通过肿瘤包膜抑制移植性肝癌的生长。并在体内实现了肿瘤成像和LM分布成像,这验证了LM具有作为MRI造影剂的潜力。同时,LM也可以作为一种新的导电介质来提高MAT的成像质量。Zhu等[47]研究了一种具有高载药量和多模式成像的多功能微球,该微球具有计算机断层扫描、磁共振成像和B超下的多模式成像功能,有助于进行栓塞过程中的位置跟踪。赵筱赫等[33]研究了在LM标记下的间质结构实时检测,准确描绘出LM所在间质的位置及形状,结合局部解剖结构,确认间质结构在软组织中的位置及走向,为影像增强打下了基础,证实了镓基液态金属在影像增强方向的可行性。

图4 液态金属的成像能力

上述研究证实了镓基液态金属性质稳定,且具备安全性、流动性、导电性等,可作为造影剂实现医学影像增强。

3 总结与展望

尽管近年来磁声电特性成像取得了许多技术进步,但目前提升成像质量的方法在激励强度、采集方式和重建算法方面仍然存在局限性,需要进一步改进才能使其更加适用于临床。

本文总结了提升磁声电特性成像质量方法的最新进展,并重点总结了镓基液态金属作为造影剂的成像应用。此外,镓基液态金属作为造影剂的技术在未来仍会面临许多挑战,目前一些研究已经证明了液态金属的生物安全性。然而,还缺乏关于异物对人体长期影响的研究。其次,液态金属材料及其在各种生理变化扰动下对电学和力学特性的影响还需要一系列研究来验证[55-56]。