（生物医学工程专业论文）基于稳态前机械横波成像模式的磁共振弹性图术研究.pdf

上海交通太学博士论文 制运动敏感梯度的周期个数来保证在横波反射之前完成横波成像。 3 ) 设计和制造由压电陶瓷作为动力的机械振动器原型。此振动器原型和 m r i 扫描仪器保持电磁兼容，不会在m r i 成像过程中引入伪影。将该振动器原 型和m r i 扫描仪集成，构建了m r e 的安验设备和软件平台。这是国内首次报道 的磁共振弹性图术研究平台。 4 ) 对琼脂糖撤胶仿体进行m p , e 成像实验，讨论运动敏感梯度周期个数、 琼脂糖含量和机械振动频率对横波图像的影响，以及横波在凝胶仿体中的折射和 反射现象，实验表明稳态前横波成像模式可以克服稳态和瞬态横波成像模式的不 足之处，基于稳态前横波成像模式的m r e 研究是可行和有效的。 关键词：磁共振成像磁共振弹性图术横波成像弹性模量压电陶瓷琼脂糖凝 胶仿体 m a g n e t i cr e s o n a n c ee l a s t o g r a p h y b a s e do np r e s t e a d ys 1 己a t em e c h a n i c a l s h e a r 、) l ，a v ei m a g i n g a b s 1 1 乙c i t h e r ea r et h r e ep a r a m e t e r si nt r a d i t i o n a lc l i n i cm r i ( m a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ) - - - - t 1 ，t 2a n dp d ( p r o t o nd e 璐i t y ) t h e s ep a r a m e t e r sa r eu s e di nm e d i c a l d i a g n o s i sf o rd e c a d e s m r e ( m a g n e t i cm $ o u a n c cd a s t o g r a p h y ) w a sp r o p o s e di n s c i e n c eb yd r m u t h u p i l l a ia tm a y oc l i n i ci n1 9 9 5 ，t op r o v i d em r lw i t ha n o t h e r p a r a m e t e r - - - e l a s t i cm o d u l u s e x p e r i m e n t sb ym a y oc l i n i ca n do t h e rg r o u p ss h o w e d t h a tm r ei sv e r yp r o m i s i n gi ni t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s m r ef i r s t l ya p p l i e s m e c h , m i c a ls i n u s o i df o r c e sa tt h es t u f f a c eo ft i s s u e s , t h e nu s e sm r it oi m a g es h e a r w a v e sp r o p a g a t i n gi n s i d et i s s u e s ，a n dl a s t i yr e c o n s t r u c t se l a s t i cm o d u l u so ft i s s u e s f r o ms h e a rw a v ei m a g e s ，： t i l ln o w , t h e r ea r et w ok i n d so fs h e a rw a v ei m a g i n gm e t h o d s ，t h ef i r s to n ei s s t e a d ys t a t es h e a rw a v ei m a g i n g ，a n dt h es e c o n do n ei st r a n s i e n ts h e a rw a v ei m a g i n g b o t ho ft h e mh a v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s f o rs t e a d ys t a l es h e a rw ：t v c i m a g i n g t h ea d v a n t a g e sa r e ：f i r s t l yi ti ss e n s r i v et os h e a rw a v ei m a g i n g ；s e c o n d l y , s t e a d ys t a t ew a v ep r o p a g a t i n gi n s i d et h et h s u ed o e sn o tc a l l s ef r e q u e n c yd i s p e r s i o n d u et ot h ef o r c e dv f b r a d o n t h ed i s a d v a n t a g eo fs t e a d ys t a t es h e a rw a v ei m a g i n gi s t h a ts h e a rw a v e sr e f l e ad nt h eb o r d e ro ft i s s u e s ，w h i c hc a u s e sc o m p l e x i t yf o rm r e f o rt r a n s i e n ts h e a rw a v ei m a g i n g t h ea d v a n t a g ei st h a ti tc a nu s et i m ew i n d o wt o i m a g et h es h e a rw a v ew i t h i n j u s to n ep e r i o d s oi tc a l lc o n t r o lt h ei m a g i n gt i m ea n d b e a b l et 。f i n i s h i m a g i n g t h es h e a rw a v eb e f o r et h em f l e c d e nh a p p e n s 。t h e d i s a d v a n t a g e so f t r a n s i e n ts h e a rw a v ei m a g i n ga r e ：f i r s t l yi ta t t e n u a t e sr a p i d r yb e c a u s e o f o n l yo n ep e r i o d i c a lw a v e ；s e c o n d l y , t r a n s i e n tw a v ew i l lc a u s ef r e q u e n c yd i s p e r s i o n d u et ot h en o n - f o r e e dv i b r a t i o n t h ef o l l o w i n gm a i ns u b j e c t sa r ei n c l u d e d ： i i i ! ! 竺壁苎! ! ! 堂堡型! ! ! 竺型 一 nt h i sd i s s e r t a t i o ni n n o v a t i v e l yp r o p o s e sa 也i r ds h e a rw a v ei m a g i n gm e t h o d , n a m e da sp r e s t e a d ys t a t es h e a rw a v ei m a g i n g , t oo v e r c o m et h o s ed i s a d v a n t a g e so f s t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n ts h e a rw a v ei m a g i n g i nt h i sm e t h o d , s h e a rw a v e sa r en e i t h e r t r a n s i e n tn o ri ns t e a d ys t a t e ，b u ti np r e - s t e a d ys t a t e w ea r ea b l et oc o n t r o lt h ec y c l e n u m b e ro fm o t i o n - s e n s i t i v eg r a d i e n tt om a k es h e a rw a v e st oa c h i e v eap r e - s t e a d y s t a t e i nt h i sc a s e 。s h e a rw a v e sa r ea b l et ob ci m a g e db e f o r et h er e f l e c t i o nh a p p e n s , s o i ta v o i d st h ed i s a d v a n t a g e so ft h es t e a d ys t a t em e t h o d a n db e c a u s eo ft h ef o r c e d v i b r a t i o n ，t h i sm e t h o da l s oo v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e so f t r a u s i e n tm e t h o d 2 1t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sp h a s es h i f ta c c u m u l a t i o nf o r m u l aw i t hm 砒p c i m a g i n gm e t h o df o rp r e s l e a d ys t a t es h e a rw a v ei m a g i n g i ts h o w st h a tw f l v ev e c t o ri s t h es a m ew i _ 【l it h a to fs t e a d ys t a t es h e a rw a v ei m a g i n g a n dt h e nd i s c u s s e st h em r j s e q u e n c ed e s i g nf o rp r e f l c a d ys t a t es h e a rw a v ei m a g i n g i nt h es e q u e n c e ，t h ec y c l e n u m b e r o f m o t i o n - s e n s i t i z i n g g r a d i e n tc a n b ec h a n g e d t oc o n t r o l t h ed i s t m a e co fs h e a r w a v e p r o p a g a t i n g 3 ) t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h ed e s i g no fa ne l e c t r i cm a g a c t i cc o m p a t i b l e m e c h a n i c a la c t u a t o r , a n dd i s c u s s e st h ei n t e g r a t i o no ft h ea c t u a t o rw i t ht h em r i s y s t e m t h i si st h em s tr e p o r t e de x p e r i m e n ts e t u pf o rm r e i nm a i n l a n dc h i n a 4 ) t h ed i s s e r t a t i o np e r f o r m sm r ee x p e r i m e n t so i la g a r o s eg e lp h a n t o m s ，a n d d i s c u s s e sh o wt h o s ep a r a m e t e r sa f f e c ts h e a rw a v ei m a g e s ，s u c ha st h en u m b e ro f m o t i o n s e n s i t i v eg r a d i e n t , t h ep e r c e n to fa g a m s ei ng e la n dt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y , a n dw ea l s od i s c u s st h er e f l e c t i o na n dt h er e f r a c t i o no fs h e a rw a v e s t h ew h o l e e x p e r i m e n ts h o w st h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fm r eb a s e do up r e - s t e a d ys t a t e s h e a rw a v ei m a g i n g k e yw o r d s ：m a g n e t i cr e s o r a n c ei m a g i n g , m a g n e t i cr e s o n a n c ee l a s t o g r a p h y , m e c h a n i c a ls h e a rw a v ei m a g i n g ，s h e a re l a s t i cm o d u l u s ，p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，a g a r o s e g e lp h a n t o m s 1 、， 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： e l 期：i 砚年倦月弓qe l 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：乍弘後 e t 期：。年q 月7 0e t 指导教师潞荔疋苌 嘞乙一k 留杪日 上海交通夫学博士学位论文 第1 章序论 第1 章序论 1 1 课题研究的意义 传统医学磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) 只有三个参数， 即t 1 ，t 2 ，p d ( p r o t o nd e n s i t y ) 。作为肌i 技术的发展，最近出现的磁共振弹性 图术( m a g n e t i cr e s o n a n c ee l a s t o g r a p h y ，m r e ) 给m r i 成像提供了另外一个参 数，即组织的生物力学性露一弹性模量。m r e 是一种可以对生物组织内部的生 物力学性质进行无创伤测量的成像技术 1 ，2 。 1 8 9 5 年伦琴发现x 射线，给人类的医学诊断领域带来了革命性的变化，自此 医学成像的理论和技术在物理、数学、化学、电子学、计算机等交叉学科发展的 带动下，不断向前发展，为人类的医学进步做出了巨大贡献。医学成像技术由于 成像对象为人类，因而具有其自身的特殊性，即在获得人体正常或者病变组织的 足够的诊断信息的情况下，尽量避免对生物组织的创伤。目前临床使用的成像模 式诸如c t ( c o m p u t e d t o m o g r a p h y ) 、g s ( u l t r a s o u n d i m a g i n g ) 、传统m r i ( m a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ) 、p e t ( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ) 和红外成像等可以 在无创伤的情况下获取人体内部正常组织和病变组织的信息，如x 射线衰减系数， t l t 2 、p d ( p r o t o nd e n s i t y ) 加权图像，新陈代谢信息等，以满足疾病诊断的 需要。然而要直接获取活体生物组织的另一个重要参数生物力学力学性质 3 ，这些成像模式还部无能为力。 利用生物组织的生物力学性质弹性模量的变化来进行疾病的诊断已经 被证明是一个非常有效的方法。这是触诊( 在触诊检查中，医生或病人通过自己 的手去感触病变组织部位的弹性变化) 在医学诊断上有上千年应用历史的原因一 一因为它很有效。在一项对乳腺癌检查手段进行临床评价的实验中 4 ，实验对 象是经过病理组织学诊断为乳腺癌的1 4 1 例女性，结果显示触诊在乳腺癌的检查 过程中的阳性率最高，为9 1 4 ，x 线检查为7 3 0 ，b 超检查为7 6 6 ，近红外 扫描为6 8 8 。d i r a t z o u i a nh 等 5 对1 9 7 0 年到1 9 9 8 年1 7 5 2 例患i 1 1 分期乳腺癌 的美国妇女进行调查的结果是：小于4 0 岁的妇女，其中4 0 的病例是首先通过临 床乳腺检查( c l i n i cb r e a s te x a m i n a t i o n ，包括望诊和触诊) ，而非乳腺x 线成 上海交通大学博士学位论文 第1 章序论 像发现的。另一方面，软组织生物力学性质的变化和疾病有紧密的相关性已经被 现代医学证明，例如s a r v a z y a n 6 对1 6 8 例不同乳腺组织进行离体测量r 发现各 种乳腺癌组织的弹性系数比正常组织的弹性系数明显增大，m c k n i g h t 7 用m r e 测量发现，已知肿瘤位置的乳腺组织剪切弹性模量非常之大，其平均值为周围组 织平均值的4 1 8 倍。 我们知道人们对材料力学性质的研究已经有上百年的历史，其测量是在实验 室里用机械载荷试验获得的，测量装置( 测力，测应变) 和被测材料直接接触 8 。 然而这种方法是很难应用于活体生物组织的生物力学性质测量，因为它需要和被 测生物组织直接接触。如果要测量组织内部的力学性质，这势必要造成对组织的 创伤。而现有常用的医学成像技术，如c t 、m r i 和u s 都不能直接对组织力学性质 的测量。所以在医院的临床诊断中，触诊是目前晟常用的组织力学性质( 弹性模 量) 评估手段。 在触诊的应用中，有二个不足。第一，由于医生或者病人凭手的经验去判断 组织的力学性质，所以触诊带有很强的主观性；第二，手触摸不到人体的深层组 织，所以触诊受人体内部组织的深度限制。因此人们希望发展客观的力学测量手 段和仪器来对人体内部组织的力学性质进行无刨伤测量。) a r e 可克服触诊以上的 不足之处，对组织弹性模量进行测量，且不受组织深度的限制 作为对生物组织力学性质进行活体测量的技术，m r e 出现的意义是，将使得 医生可以通过生物组织力学性质这一参数进行临床诊断。前而已经讲到几个利用 力学性质进行有效临床诊断的例子。而且由于生物组织力学性质( 弹性模量) 的 变化范圈比c t 、常规m r i 和超声波成像模式的有关参数的可能变化范围大，例如 组织对x 一线的线性衰减系数如以水为l ，典型的软组织约为1 0 5 ，骨为2 左右。而 人体组织剪切弹性模量的变化范围是卜1 0 ”k p a 。图1 1 为生物组织的体积弹性模 量和剪切弹性模量的分布 9 ，l o 。因此以弹性模量为对比度进行医学成像在医 学诊断上具有很好的发展和应用潜力。 m r e 的另一个意义是，可以无创伤的获得人体内部组织的生物力学性质，从 而给生物力学研究领域提供丰富的组织力学数据，建立更符合实际的力学模型， 提供逼真的力学反馈，使得虚拟人和外科手术模拟 i i ，1 2 技术更加逼真，从而 达到更好的虚拟现实效果。 2 上海交通大学博士学位论文第1 章序论 b u l km o d u l i ( p a )s h e a rm o d u l i ( p a ) 厂 i l i q u i d i i一 医习 i 一 = = s o f tt i s s u e 固1 1 生物组织的体积弹性模量和剪切弹性模量 f i g1 1s h e a r m o d u l u sa n db u l k m o d u l u s o f t i s s u e s 1 z 生物力学概述 由于本文涉及到生物力学方面的知识，因此有必要在此对生物力学方而的一 些概念进行简单介绍。力学是研究物质运动规律的科学，生物学是研究生命的科 学，因而生物力学是研究与生命有关的物质性质及其运动规律的科学，它涉及到 从亚细胞、细胞、组织、器官到整个生物体的物质构成和运动，以及与环境的相 互关系 1 3 。研究生物组织的生物力学性质，即以生物组织为对象，以力学为理 论工具进行研究。对生物组织的力学研究有其特殊性，第一是很难获得生物组织 在活体情况下的测量数据，因为一旦离开活体其性能会发生很大的变化，而且在 体内测量难度很高；第二生物组织是非常复杂的非人工合成材料通常具有非线 性粘弹性、各向异性非均匀的力学性质，而且其本身还参与新陈代谢活动，受生 】-o_。1_o】_o1-oq 1_o。1_o仉1_o_o。 上海交通太学博士学位论文 第1 章序论 理活动的影响，不同生理状态下的组织力学性质差异很大1 1 3 1 。这些是都是力学 应用到生物组织上的一些不可避免的问题。 完全考虑生物组织的这些复杂影响因素，建立力学模型将是一个长期和复杂 的研究过程。由于本文主要对磁共振弹性图的波动成像理论和方法进行研究，所 以暂时不考虑生物组织以上所述的复杂力学性质，而使用琼脂糖凝胶仿体来代替 生物组织为研究对象，并且参考弹性力学研究方法 8 ，1 4 】，合理地提出琼脂糖凝 胶仿体的筒化力学模型。 除文中另有说明，本文采用的简化力学模型，包括以下几点： i 假定仿体是连续的，也就是被考察的部分被介质所填满，不留下任何空 隙。这样应力、应变、位移才能是连续的，才能用连续函数或者分段联 系函数表示它们的运动规律。 i i 假定仿体是完全弹性的，即不考虑其粘性性质。 i 假定仿体是均匀的，或者分段均匀的，即整个仿体中的物质是均匀的， 或者仿体的每一个部分中的物质是均匀的。 假定仿体是各项同性的，也就是说。其弹性模量不随方向改变。 v 假定位移和形变是微小的，仿体受多卜力以后应变和转角都远远小于l 、， 这样可以近似考虑其为线性体，不用考虑其非线性性质。 4 上海交通大学博士学位论文 第1 章序论 1 3 弹性图术概述 前面介绍的磁共振弹性图术( m r e ) ，实际上是弹性图术( e l a s t o g r a p h y ，或 称弹性成像技术) 的一种。为了更好的理解本文所研究之磁共振弹性囤术的理论 和方法，有必要对弹性图术进行一般性的概述。 弹性图术是对生物组织力学性质( 弹性) 进行测量的医学成像技术。这里的 弹性指的是生物组织的弹性模量( 也称为弹性系数) ，包括体积弹性模量( 肋， 剪切弹性模量( o 和杨氏弹性模量( d 8 。 杨氏弹性模量指物体在被单向拉伸时，轴向应力口和轴向应变s 之间的比值： e = 口s ；剪切弹性模量指物体在受到剪切力作用时，剪应力f 和剪应变y 之问 的比值；g = r ，y ：体积弹性模量指物体在被单向压缩时，平均应力妒和体应变 口之问的比值：k = 咿目。弹性模量的单位都为p a ( 彳) 。在物体被单向拉伸时， 其横向应变( s ) 和轴向应变比值的绝对值为泊松比；，爿一s i 。 从弹性模量的定义可以看出，若要测量组织的弹性模量，首先要对组织施加 一定形式的外力，使得组织在外力作用下产生力学响应( 应变，应力) ，然后通 过其它测量手段获得应变和应力值，最后计算得到组织的弹性模量。弹性图术通 过医学成像手段可以获得组织在外力作用下的力学响应，但是只能获得应变值， 而很难获得应力值。如果应力无法测量，弹性图术只能获得组织的相对弹性模缝， 或者只是以得到组织的应变图为目标，这一般是发生在准静态外力作用下的情 况。而利用动态简谐外力对组织施加外力，在不测应力的情况下，也可以获得组 织的绝对弹性模量。 在现有的医学成像手段中，除了用磁共振成像( m r i ) 对力学响应( 包括波 动、位移或者应变：由于应力无法测量，本文以后章节均不包括应力) 进行测量 或成像外，还有用超声波技术、光学相干成像( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ， o c t ) 和c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 等对外力引起的组织质点力学响应进行测量 或成像，从而计算获得组织的弹性摸量。相应地，它们被分别称为磁共振弹性图、 超声波弹性图、光学弹性图和c t 弹性囤。 1 9 9 1 年o p h i r 利用超声波技术测量了软组织被压缩前后的轴向应变，并计算 5 上海交通大学博+ 学位论文 第1 章序论 出组织的弹性模量，他第一次提出了弹性图术( e l a s t o g r a p h y ) 的概念 1 5 。此 后发表了很多关于超声波弹性图的文献，如对肌肉 1 5 ，乳房 1 6 2 0 ，血管 2 1 - 3 1 进行超声波弹性成像等，k o n o f a g o u 3 2 利用超声波弹性图对人的心肌应 变进行了活体研究，心脏的运动被看作成外力的施加，结果表明超声波弹性图可 以很好地获得心脏运动的信息从而对心脏的功能进行评价。但是超声波成像的横 向空间分辨率不理想，这限制了超声波弹性图的应用 3 3 。p r e d m a n 提出由于超 声波在诸如肺部等多孔组织成像的缺陷，他提出t c t 弹性图术，用于对肺部进行 弹性成像 3 4 。由于f r e d m a n 在组织形变前后使用c t 成像，这加大了x 射线的剂量， 从而增加了人体受到的辐射危害。c h m i t t 利用o c t 技术对生物组织在应力作用下 的内部微小应变( 微米级) 进行了测量，从而说明o c t 弹性图术可以应用到医学 领域 3 5 。此后o c t 技术逐步应用到了弹性罔术中 3 6 - 4 1 ，但是o c t 受到测量范 围的限制，不能对人体深层的内部组织进行测量。1 9 9 5 年磁共振成像( m r i ) 技 术开始应用到弹性图术领域，m u t h u p i l l a i 在s c i e n c e 发表文章，第一次提出磁共 振弹性图( m a g n e t i cr e s o n a n c ee l a s t o g r a p h y ，脓e ) 这一术语，并利用相位对 比( p h a s ec o n t r a s t ) 方法实现m r i 对机械横波的测量，测得琉脂祷凝胶仿体的 剪切弹性模量 4 2 。同年f o w l k e s 提出利用自旋标记( s p i nt a g g i n g ) 技术实现 ： m r i 对在准静态外力下组织位移的成像，从而实现对组织的弹性成像 4 3 。由于 m r i 测量精度商，可以在亚微米 4 4 和纳米尺度 4 5 上测量组织内部质点的位移， 而且成像方向可以根据需要设定，所以利用m r i 作为力学响应( 波动、位移或应 变) 测量方法的弹性图术发展迅速，并成为弹性成像的一个主要实现技术 4 f i 一6 0 。m r e 的实验研究对象主要有琼脂塘凝胶仿体 4 2 、乳房 7 ，6 1 - 6 7 、肌 肉 6 8 7 3 、软骨 7 4 和肾 7 5 等，这些实验的结果表明其具有很好的应用潜力。 但是m r e 目前还不能成为临床中的应用技术，仍然处于实验室研究阶段。最主要 的原因是，在人体组织中传播的机械波非常复杂，如机械波的反射，衰减等；而 且人体组织的力学性质也很复杂，具有粘弹性、非线性等性质。这些因素对m r e 在临床上的应用造成了很大的挑战性。 6 圭查奎墨查兰堕主兰堡丝皇j l 尘旦：! 兰 土 输出 ( a ) e l a s t o g r a p h y 流程 肭 焉焉 测量控术6 超声波 c t 光学 应变图 应变圈 应变图 应变图 应变图 波动图 ( e ) e l a s t o g r a p h y q h i 坝, l j ! 技术分类 图1 2 弹性图实现的流程囤及外力和测量技术的分类 f i 9 1 2t h ep r o g r e s so fe l a s t o g r a p h ya n dt h ec l a s s i f i c a t i o no ff o r o e sa n dm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e si ne l a s t o g r a p h y ， 一，l0 一 一 m m 上海交遇丈学博士学位论文 第l 章序论 在以上介绍的磁共振弹性图、超声波弹性图、光学弹性图和c t 弹性图的实现 技术中，不管是哪一种测量手段，其基本的步骤是相同的，即； i 在被测组织表面施加外力。 1 1 测量由此引起的组织内部质点的力学响应，得到波动图或者应变图。 i i i 对测量得到的力学响应，进行力学反演计算，得到组织的力学性质，如弹 性模量，衰减系数等。 其中外力施加方法有主动( 如心脏跳动 7 6 ) 和被动( 机械外力1 7 7 】) 之分； 又有准静态( 施加频率为1 h z 左右) 【2 9 ，7 6 7 9 】和动态之分，其中动态分为简谐 ( 5 0 1 0 0 0 h z ) 外力激励 8 0 s z ，和瞬态外力激励 5 0 ，5 4 ，8 3 - 9 0 1 。在弹性图术实 现中基本考虑用机械舟力作用，因为易于控制。机械外力可作用在组织表面( 力 作用位置在组织表面f 9 1 9 4 1 ) ，也可以作用在组织内部( 如用针插入研究对象的 内部【5 6 ，9 5 】，用超声波技术引起组织内部质点的低频振动 8 8 ，8 9 ，9 6 ，9 7 】) 。外力 施加会引起组织的力学响应，然后利用起声波、c t ，光学测量或者m i l l 技术对 质点的位移、应变或者波动进行成像图。通过对位移，应变或者波动i 蛋进行力学 反演计算，得到组织的力学性质参数，即弹性模量或者衰减系数 6 5 ，9 7 ，9 8 ，统 称为弹性图。图1 2 为弹性图这三个步骤的示意图及其分类。 前面提到，因为无法获得组织的应力分布情况，弹性图术只能获得组织的相 对弹性模量，或者有的技术只是为获取应变图作为目标【3 5 ，9 9 1 1 1 】，而并没有去 计算组织的力学性质，因为组织的应变图可以部分地反映其力学性质的变化。例 如组织硬度大的部分，其应变要小于组织软的部分。但是这样一来造成的问题是 由于人体组织的力学性质很复杂，应变图往往不能完全反映人体组织的力学性 质。 而利用动态简谐外力对组织施加外力，以引起机械波在组织内部的传播，然 后利用成像手段对机械波进行成像，在不测应力的情况下，利用波动数据，可以 获得组织的绝对弹性模量。所以弹性图现在研究热点之一是对利用m r 或者u s 对组织进行波动图成像，从而通过对被动图像的计算获得组织的力学性质参数， 如剪切弹性模量和体积弹性模量。其基本的原理是病变组织可以导致弹性模量参 数的变化，而弹性模量的变化又导致波动图像中波动参数的变化，如波长的变化 等。因而通过对波长的计算可以推算出组织的弹性模量。 上海交通大学博士学位论文 第l 章序论 一般机械波在组织内部传播的类型可分为：机械横波( 剪切波，无散波) 和 机械纵波( 压缩波，无旋波) 。从横波图像中可以计算出组织的剪切弹性模量。 从纵波图像中可以计算出体积弹性模量。在弹性图术中，一般考虑对组织的剪切 弹性模量为研究参数。原因是组织中病变部位的剪切弹性模量和正常部位有明显 的差异，且组织的弹性变化范围大：从1 0 3 以下到l o ”以上；而软组织的体积弹性 模量变化范围只有2 0 g 4 3 ，这在医学诊断中的特异性不够。另外，纵波的传播 速度和波长很大，一般认为在组织中传播的纵波( 声波) 的波速近似于在水中传 播的波速，在2 0 摄氏度的温度下，声波在水中的传播速度为1 5 8 0 m s ，如果在l k h z 的频率下，则波长约为i s i n ，这么大的波速对成像模式的时间分辨率有很高的要 求，而且波长过大不容易在一个波长范围内获取组织的位移信息。但横波的波 速和波长要小很多，在一般的软组织中，横波的波速的范围01 n 1 ，s 1 0 m s 左右， 在1 0 0 h z 的频率下，波长为1 0 1 1 0 1 m 左右，而且频率越高，波长越小，这有 利于探测几何尺寸小的病变组织，有利于发现组织的早期病变。 1 4m r e 概述和研究现状 磁共振成像( m r i ) 技术一项安全的非创伤医学成像模式，磁共振扫描仪已经 成为现代医院不可缺少的配置。2 0 0 4 年文献报道全世界约有2 2 万台m r i 扫描仪在 使用中，每年有5 0 0 0 多万项检查和研究采用m r i 技术 1 1 2 ，而且还在不断增加中。 r i 可以对身体内部组织进行成像，成像的方向可以根据诊断需要任意设置，而 且没有电离辐射。勰l 对软组织成像的对比度好于其它不用显影剂的成像模式。 慨i 图像的对比度是由于不同组织的弛豫时间( t i ，t 2 ) 造成的。表1 1 列出几种 不同组织在1 5t e s l a 磁感应强度下的t 1 和t 2 弛豫时间 1 1 3 。如果组织发生病 变，则其t 1 和t 2 弛豫时间一般也发生变化，这是m r i 进行疾病诊断的依据。例如 大韶分的脑组织病变会导致t l 和t 2 的增加，在t l 加权和t 2 加权的m r i 组织对比度 图像中分别表现出高信号区和低信号区。 9 上海交通大学博士学位论文 第1 章序论 袭1 1 在1 5 r e s l a 下不同组织的弛豫时间 t a b1 1r e l a x a t i o nt i m eo fd i f f e r e n tt i s s u e sa tam a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ho f15t e s l a 组织t l ( m s ) t 2 ( 硼s ) 灰质 8 2 5l l o 白质 6 8 71 0 7 骨头 1 0 32 8 脂肪 2 5 08 0 随着医学诊断的需要，人们发展了传统的m r i 成像，以便有效进行疾病的诊 断。磁共振弹性图就是其中种，它对组织的生物力学性质( 弹性) 进行成像， 从而为m r i 提供另外一种成像参数。如前所述，一方面组织的弹性模量可以对一 些疾病进行有效的诊断。另一方面，相对于m r i 图像的t 1 和t 2 值，组织的剪切弹 性模量的变化范围很大，有好几个数量级，而t l ，t 2 值往往只有个数量级，例 如表1 2 列出的一些组织的t 1 值和剪切弹性模量 1 1 3 。因此利用组织剪切弹性模 量有利于进行疾病的诊断。 裹1 2 一些组织的t 1 值和剪切弹性模量 1 a b1 2t lt e l a x a t i o nt i m ea n ds h e a rm o d u l u so f d i f f c r c ；l tt i s s u e s 组织t 1 血s )剪切弹性模量( k p a ) 关节软骨 2 0 0 01 0 0 0 5 0 0 0 骨骼肌6 0 0 1 0 0 01 5 0 6 0 0 乳房8 2 50 5 1 从医学成像所用能量的角度看，可以大致了解m r e 在医学成像技术中的位置。 图1 3 和图l4 表示医学成像所用的能量及其频谱，从中可以看出目前医学成像技 术利用的能量大部分都是电磁能量，超声波成像是目前临床上唯一使用机械能量 的成像模式。m r e 同时利用了电磁波和机械波的能量，其中电磁渡在两种情况下 在m r i 成像过程中使用：第一，用于激发原子核在一定磁场下产生共振的射频r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 脉冲；第二，原子核在磁场中进动所发出的r f 信号，此信 号被接收线圈接收，用于) , i r i 图像的重建。而h i r e 使用机械波的频率基本处于可听 阈范围之内，为1 一1 0 0 0 t l z ，还可以进一步分为准静态( 频率为1 h z 左右) 和动态 1 0 上海变通大学博士学位论文第1 章序论 ( 频率5 0 1 0 0 0 h z ) 。脓e 同时使用两种能量，这是可以理解的，因为测量组织的 力学性质，必须用能够和这一性质起作用的能量，机械波可以做到，但电磁波则 对物质的力学特性没有任何作用。这两种能量起的作用分别是：机械波在组织内 部传播的过程中由于组织内部质点的力学响应，而携带当地组织的力学特性i 电磁波对机械波进行成像，获得机械波的图像( 在准静态情况下为位移图，或者 应变图。在动态情况下为波动图) 。利用弹性重建算法对机械波图像进行计算， 得出组织的弹性模量。 l o g 瞌砸h t l w a 怫 铀e a r w a , , e v - 帆- - | s g o 嘶r r 。s 怒凶器裂瑞脚唧( m 蜘v 吨5 l 呐( 删”1 1 0 1 0 1 2 9 1 0 7 i 一 1 0 2 _ 3 1 0 - 4 1 0 ( a ) e 1 e c t r o m a g n e t i cw a v e s( b ) m e c h a n i c a l ? a v e 5 圜1 3 医学成像能量的分布 f 唾13 t h e d i s t r i b u t i o no f e n e r g y s o u r c e s f o r m e d i c a l i m a g i n g 驴 舻 妒胪 舻 铲 舻 上海交通大学博士学位论文第1 章序论 田14 医学成像模式及其利用的能量 f i 9 1 4m e d i c a li m a g i n gm o d a l i t i e sa n de n e r g ys o u f c e $ 如前所述，弹性图术的实现过程有三个步骤。m p , e n 样也需要通过这三个步 骤来实现。因此本文按照这三个步骤对m r e 的研究现状进行说明：第一，如何 利用振动器对组织施加外力，从而引起组织内部的质点力学响应( 应变，波动) ， 即外力施加方法的研究现状；第二，如何利用m p d 技术对质点力学响应( 应变， 波动) 进行成像，即成像方法的研究现状；第三，如何用弹性重建算法对应变围 或者波动图进行计算，从而最终获得组织内部的弹性分布，即重建算法的研究现 状。 1 4 1 外力施加方法的研究现状 为了引起组织内部质点的力学响应，m k e 研究通常使用外部机械装置对组织 表面施加外力，也可以用调制超声波在组织内部j j 起低频振动达到这b 的 4 5 上海交通大学博士学位论文 第1 章序论 9 6 1 。由于外部机械装置易于控制，m r e 大部分利用外部机械装置进行外力施加。 本文着重对外力施加在组织表面这一方法进行说明，它有“准静态外力”和“动 态外力”两种。其中，准静态外力的作用方向一般垂直于组织表面，以对组织进 行压缩；而动态外力的作用方向一般平行于组织表面，以引起机械横波在组织内 部的传播。 属于“准静态外力”的代表性研究有：f o w l k c s 4 3 等利用上下两块平板构成 一个机械振动系统，对仿体进行准静态外力施压，平板之间的运动通过联结在两 者之间的注射器液压系统实现，从而实现组织内部质点的位移和应变。由于机械 振动装置包含液压系统，使振动装置结构复杂，不利子应用：p l c w e s 6 3 等利用 超声波马达通过皮带带动一个机械摇臂系统对组织表面施加准静态外力，实现组 织内部质点的位移和应变。由于需要将超声波马达的圆周运动转化成某一个方向 上的直线运动，同样使得整个振动系统过于复杂，也不利于安装在狭小磁体腔中 的m r i 病床上。 属于“动态周期外力”的代表性研究有；m u t h u p i l l a i 2 使用信号发生器产生 低频周期信号，经过功率放大器放大后，送入铜线圈绕制的电机，引起激发器动 态周期的振动，通过与之联结的平板对组织表面施加