磁共振弹性成像激励装置的研究进展

Journal of Clinical Medicine in Practice

临床医药杂志

医工结合研究专题

磁共振弹性成像激励装置的研究进展

Research advance of magnetic resonance

elastography excitation device

马昌玉1吴振洲\\朱建兵2,3,刘可夫3，

刘德森2’3,杨晓冬1

(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)

关键词：磁共振弹性成像；剪切波；激励频率；磁兼容中图分类号：R445.2 文献标志码：

A 文章编号：1672-2353(2019)01-005-03 D0I: 10.7619/jcmp.201901002

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（〜1xl08) 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 成像的组织密度，磁共振成像的 成像的声波 系数[1]。对于人体同一 体组织，病变发生前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 现疾病的诊断， 力 。 弹性成像 前 得 ， 的 分 率是其

的发展

的，

图1

磁共振弹性成像原理框图

对待成像组织 激励，使组织内产生一定频率振幅的 波。稳定、精确的MRE激励 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 开发需要满足 1. 1 激励装置与MR设备磁兼容

要求。

容 技术的影响[5-11]。相比 ，磁共振弹性成像（MRE)可充分 磁共振成像技术分辨率高的优势，彳. 性成像 分 率的 ， 对

弹

常

病变组织的生物学特性、对身体组织疾病的早 发现 的 [12 — 16]。MRE的原理见图1，： 的MRE系统 ‘、磁共振成像系统和弹性图重法3个部分，利用MRE激励 成像组织或相 生一 度和频率的 ：波，通过 磁共振 度获得组织内质的相位分布 ，对获得的相位图 弹性图重 法，从而获得组织内的弹性分布图[17 -1]。1

MRE激励

磁共振成像过程中，磁共振设备通过主磁场、

度场、射频场与人体组织中的质子相 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 在电磁屏蔽室内。进行MRE成像时，MRE激 励

需要与人体组织相 并在组织 生波，必须部分或者全部放置于电磁屏蔽室中， 需要对MRE激励 进行特殊设计[19—20]，

的材料需要选择磁兼容的材料，激励装

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

收稿日期：2018-11 -13 通信作者：杨晓冬，

录用日期：2018-12-23

激励

中的电子设备和含铁磁性成分的部件必须放置 在距离1〜2m的屏蔽室，同时所有的输入、输出

基金项目：江苏省自然科学基金面上项目（BK20181179);江苏省妇幼保健协会2017年科研项目（FYX201714)

E - mail: xiaodong. yang@ sibet. ac. cn

• 6 •实用临床医药杂志第23卷

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

为克服振动传播相位延滞的问题，Sack 等[23]、Klatt D等[2]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[5]开发了一个通过振动器连接刚性

体模 生剪切波振 的

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 ，

振

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[2]; 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™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[2]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 同步 的 度。

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。

Plwe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。

Uffmanim 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，

的。

Braun等[2]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

， 可将振 传 振 行终 ， 据测组织的需要，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 。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

第1期刘德森等：磁共振弹性成像激励装置的研究进展• 7 •

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 modeling [ C ]//Biomedical Engineering ( ICBME )， 2010 17th Iranian Conference of IEEE, 2010： 1-4.

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