间质结构中液态金属的磁声B扫成像研究*

赵筱赫,张文伟,夏 慧,刘国强,3

(1.河南工学院 电气工程与自动化学院,河南 新乡 453003;2.中国科学院 电工研究所,北京 100190;3.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院,北京 100190)

0 引言

作为生命复杂流体,生物体内组织间液的循环以间质结构为框架,实现物质、能量、信息的远程高效传输[1-3]。研究间质结构及其流体行为对建立新的生命医学理论体系,构建完善的生物体生命流体循环系统,改变传统给药方式,扩展部分重大疾病的诊疗思路具有重大意义[4-6]。当前对间质结构研究多采用标记-解剖手段,这种研究方法破坏了生物体的生命活动状态,而无法研究间质结构行为与生物体生命活动之间的联系。在体影像学技术具有不破坏生物体生命状态的特性,在临床疾病诊断与健康监护中发挥着重要的作用,也是研究间质结构流体行为的有效手段[7]。作为一种新型的功能性医学成像技术,磁声成像采用电磁场激励、声场检测的方式,对电导率敏感,且不存在电离辐射的风险,在间质结构检测中具有潜在的应用价值[8]。间质结构检测研究对象是健康生物体,故不存在由于病变引起的电导率异常区域,同时间质结构与周围组织结合紧密,电导率差异性较小,以目标体电导率为图像重建参数的磁声成像对比度偏低。针对这种情况,Zhao等提出采用镓基液态金属标记间质结构流体通道,构建流体通道高电导率环境[9],并开发了磁声位置成像方法,实现液态金属空间位置的重建,从而构建间质结构空间形态[10]。超声B扫成像以其算法简单,图像直观,成像速度快等优点,广泛应用于临床诊断中。在磁声成像发展过程中,以肿瘤检测为目标,研究者系统地探索了基于B扫的检测方式及成像方法[11],结果表明,磁声B扫成像不仅具有超声B扫成像的所有优点,同时具有电特性的参数对比度,在对动态目标体磁声检测中具有潜在的应用。由于间质流体的动态循环特性与生物体的行为密切相关,需要时效性更好的成像手段研究间质流体在不同生理、病理状态下的循环特性。基于此,本文拟对间质结构中液态金属的磁声B扫成像进行研究。

1 理论依据

在含液态金属的生物组织磁声检测问题中,由于生物组织与液态金属都具有流体特征,介质中仅有纵波传播,本文采用声压进行分析。若流体中的声速与质量密度分别为cs、ρ0,根据媒质中质点的运动方程、质量连续性方程及Hamilton方程,可导出在小幅声波扰动下,媒质中的声压波动方程[12]

(1)

根据磁声激励原理,当目标体处于磁感应强度为B的磁场中时,其内部的脉冲电流在磁场作用下,受到的洛伦兹力将引起局部质点振动从而激发声波。若目标体中的电流密度为J,洛伦兹力密度为J×B,即为磁声的偶极声源。补充偶极声源项,并按照微分运算法则整理得

(2)

2 数值计算结果的B扫成像分析

图1(a)为感应式激励的数值计算模型,模拟生物组织的圆柱体区域中包含三个不同形状尺寸的液态金属区域,采用一对脉冲线圈产生沿z轴方向的脉冲磁场,目标区的感应电流集中分布在液态金属外表面,提取z=0平面的感应电流分布,如图1(b)所示,当空间有沿z轴方向的均匀静磁场时,磁声偶极声源的指向沿液态金属外表面法向,如图中的红色箭头所示。

(a)电磁计算模型

根据层析成像的原理,提取z=0工作平面,进行时域声场计算。提取典型扫描路径上的声压数据,进行磁声B扫成像研究。

2.1 单一直线路径扫描B扫成像

提取数值计算结果中扫描路径上的原始声压数据,与超声换能器脉冲响应卷积后,生成B扫图像,如图2所示。单一直线路径扫描下,磁声B扫图像的目标体图像后方出现较强的反射伪影。

图2 单一直线路径磁声B扫图像

2.2 多条直线路径扫描B扫成像

由上节单一直线路径扫描结果可知,B扫图像中在液态金属后方存在反射伪影,影响对液态金属分布范围的识别与判断,为解决这一问题,本文提出多路径扫描叠加的方法增强有效磁声信号,抑制反射伪影。图3(a,b)所示为换能器轴线与x轴方向平行,扫描路径(如图中箭头所示)分别在目标区左侧与右侧对称位置沿直线路径扫描时,液态金属的磁声B扫图像。由图可知,单一直线路径扫描中,反射伪影位于液态金属区远离扫描路径方向的一侧。将两次扫描数据叠加后,液态金属边界的磁声信号增强,同时反射伪影增多,但幅值无变化,能够有效区分液态金属信号与伪影,如图3(c)所示。由于对向双路径扫描中不改变换能器轴线指向,对平行于轴线方向的边界无法识别,因此有必要添加垂直方向的对向扫描,图3(d,e,f)所示为换能器沿y方向的双向扫描及图像叠加结果,显示液态金属区y方向上的边界信息。图3(g)为样品在四个扫描方向上的B扫结果叠加,随着扫描方向增多,目标区的边界信息更加丰富,从而在一定程度上解决超声换能器横向分辨率不足的问题。

图3 多向扫描图像叠加抑制反射伪影

2.3 圆周扫描路径磁声B扫成像

根据上节分析,多向直线扫描方式可以获取更多方向上的边界信息,当多向直线扫描的步进角度减小并覆盖全部圆周,各角度上的采样点数为1时,即为圆周扫描。在圆周扫描中,换能器轴线方向随采样点位置变化,能够获得圆周各方向的边界信息。

在环形扫描路径上提取图1中模型的磁声信号,扫描半径为2.7cm,采样时长与扫描半径上的声波传播时长相等,角度步长为2.5°,共提取143组数据。环形扫描的B扫图像能够准确地反映覆盖扫描中心或处于中心附近的目标体,且无反射伪影,与直线扫描相比,环形扫描的B扫成像结果能够获得更多方向的边界信息,如图4中的A区。而对于位于扫描中心一侧的偏心目标体,如图4中的B、C区域,图像中出现较强的伪影,且伪影有向圆心偏移的趋势。这是因为磁声检测中常用的非聚焦换能器,其检测区是以采样点为中心的锥形区域,该区域中任何位置声源发射的声波信号,都能被换能器检测到,而B扫成像中换能器对应的图像单元是以采样点所处半径为中心轴、圆心角对应扫描步长的扇形区域,如图4(b)所示。对于图中所示处于换能器图像单元外的目标体,也将在其图像单元中形成伪影,这种由换能器的指向性引起的伪影,在本文中称为指向伪影。根据偏心声源的几何关系,指向伪影一般向扫描中心偏移。

(a)圆周扫描B扫图像

综合以上分析,通过优化扫描路径能够在一定程度上提升B扫成像质量,但是不能完全解决磁声B扫成像的伪影问题。实际操作中,需要针对不同的检测部位及扫描空间的几何特征,选取合适的扫描方法。检测人员结合超声换能器的先验知识,通过B扫图像,能够较准确地判断目标体的空间分布及形状特点。

2.4 腿部模型的圆周B扫成像

图5(a)为人腿部的横截面结构示意图,最外层为皮肤,在皮肤与肌肉之间有一层皮下脂肪,血管被脂肪层包裹,零散分布于截面中,肌肉被间质结构分割成多个肌肉群,股骨位于软组织中部,被肌肉群包裹,各肌肉群被间质结构分割、包裹。

液态金属在间质中单点注射后,在间隙负压的作用下沿间质结构走向纵向扩散,形成纵向片状或线状分布形态,在横断面上,液态金属在间质结构空间呈条索状或点状分布。基于此,在仿真中仅考虑单一间质通道中含有液态金属的情况,简化的下肢截面模型如图5(b)所示,本文仅考察方框中间质含有液态金属的情况。

(a)腿部解剖示意图

在脉冲磁场激励下,根据腿部几何形状特点,采用圆周扫描方式检测磁声信号。图6为圆周扫描下间质中液态金属的B扫图像,能够较准确地反映液态金属形状,在靠近圆心的位置包含伪影,但不影响对液态金属形状的判断。

图6 腿部模型的磁声B扫成像

3 磁声扫描实验的B扫成像

3.1 扫描实验平台

搭建基于永磁体的运动扫描磁声实验平台,静磁场B0由沿轴向磁化的钕铁硼永磁体产生,在超声换能器扫描平面上测得磁感应强度为0.2T,线圈中通入波形如图7(a)所示的脉冲电流i(t),产生脉冲磁场B(t),且B0与B(t)同向。结合3D直线扫描平台与样品旋转托盘,进行不同方向的磁声扫描实验。

(a)扫描实验平台示意图

3.2 典型样品的B扫成像

在电导率为0.2S/m的琼脂凝胶上开不同形状的槽,注入液态金属,如图8所示。其中样品(a)中的液态金属为圆柱形分布,直径为8mm,样品(b)中的液态金属包括两个区域:半径为8mm的圆柱区及长宽分别为15mm、5mm的鼓形区。

图8 实验样品

图9为各样品的直线扫描的B扫成像结果。单一路径扫描下,在垂直于换能器轴线方向上,B扫图像能够明确显示样品边界信息,但由于声波的反射,图像中伴随较严重的反射伪影。将对侧双向扫描结果叠加后,液态金属边界信号得到增强,且反射伪影得到有效抑制。另外,由于实验中使用的平面压电式超声换能器,其横向分辨率远低于纵向分辨率,对横向目标体识别能力较差,因此不能识别与轴线平行的边界信息,并且引入了较强的指向性伪影。

图9 直线扫描B扫成像

图10为图8中各样品的圆周扫描的成像结果。圆周扫描方式能够有效解决换能器横向分辨率不足的问题。当目标体位于扫描中心附近或关于扫描中心对称时,B扫成像能够准确反映目标体形状,如图10(a)所示;而当目标体不对称或处于扫描区偏心位置时,B扫图像能够准确分辨沿扫描半径方向的目标体边界位置,但对半径垂直方向的边界却无法识别,另外,受换能器指向角影响,B扫图像具有一定程度偏向于圆心的指向伪影,如图10(b)所示。

图10 圆周扫描B扫成像

3.3 模拟腿部间质结构样品的B扫成像

根据图5中腿部横断面结构示意图,制作模拟腿部部分间质的仿体样品。如图11(a)所示,以琼脂凝胶模拟腿部软组织,将鸡腿骨嵌入凝胶模拟腿部骨骼,在凝胶中构建模拟间质结构的流体沟道,将液态金属注入沟道以模拟间质结构中的片状液态金属断面形态。

实验中,未加入液态金属前,采用超声换能器自发自收模式对样品进行超声环形扫描,如图11(b)所示,超声B扫图像可以较清晰地显示样品中软组织及骨骼的位置,为液态金属磁声图像提供基本位置参考。加入液态金属后,采用磁声方式进行圆周扫描检测,其B扫图像如图11(c)所示,图中能够显示条索状液态金属基本轮廓,由于声波反射作用,向心位置出现较严重的伪影,覆盖了骨骼的位置信息。以超声扫描图像作为生物组织结构空间分布的参考,将液态金属的磁声图像与之对比,即可准确描绘出液态金属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。

(a)待测样品 (b)超声B扫图像 (c)液态金属磁声B扫图像

4 结论与讨论

在液态金属呈轴对称分布、条带状分布和随机分布等不同模型下,提取了多扫描路径上的声压数据,进行B扫成像。B扫图像存在伪影与边界形状畸变,其原因在于:液态金属与生物组织界面上的声压多次反射造成反射伪影,在声程核算中未进行声速补偿,导致被液态金属遮挡部分的边界出现形状畸变。在此基础上,提出了多向直线扫描叠加B扫成像、环形扫描B扫成像方法,通过采用多路径扫描叠加、优化扫描路径的方法抑制反射伪影,并修正图像畸变,以显示有效的目标体边界信息。最后,搭建运动扫描磁声实验平台,对多种含液态金属的凝胶样品进行磁声扫描实验,并提取其B扫图像。结果表明,多向直线扫描叠加B扫成像能够有效抑制液态金属的反射伪影,突出有效边界信息;圆周扫描方式能够获得目标体更多方向的边界信息,且能够有效抑制反射伪影。由于实验中所采用的平面式超声换能器不具备单指向性,造成B扫成像中有一定程度的指向性伪影,所以对目标体形状的判断需要系统先验知识。