馬昌玉, 楊曉冬, 張 寅, 劉德森, 朱建兵

(1. 中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所, 江蘇 蘇州, 215163;2. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬蘇州九龍醫(yī)院, 江蘇 蘇州, 215028;3. 南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州科技城醫(yī)院, 江蘇 蘇州, 215153; 4. 蘇州科技城醫(yī)院, 江蘇 蘇州, 215153)

磁共振彈性成像(MRE)能直接顯示和量化組織的彈性，使“影像觸診”成為可能[1-4]。作為一種新型無創(chuàng)成像方法，MRE技術(shù)在乳腺癌檢測，肝硬化分期，動脈粥樣硬化斑塊、肌肉損傷、大腦疾病檢測等方面已經(jīng)獲得越來越廣泛的應(yīng)用[4-5]。用于MRE成像過程中成像組織剪切波發(fā)生源的磁共振彈性成像激勵裝置也在不斷發(fā)展，而如何根據(jù)磁共振彈性成像的要求開發(fā)適用的MRE激勵裝置成為一個難題[6-9]?，F(xiàn)有MRE成像用刺激裝置往往難以實現(xiàn)激勵信號控制精度與裝置使用靈活性的兼顧。本研究利用柔性繩不可伸縮且靈活布置的特點，提出基于柔性繩驅(qū)動的乳腺磁共振彈性成像用激勵裝置的開發(fā)研究，現(xiàn)報告如下。

1 MRE激勵裝置的設(shè)計要求

MRE的原理見圖1，典型的MRE系統(tǒng)包括MRE激勵裝置、磁共振成像系統(tǒng)和彈性圖重建算法3個部分，利用MRE激勵裝置與待成像組織或器官相互作用產(chǎn)生具有一定幅度和頻率的機械波，通過施加磁共振運動敏感梯度獲得組織內(nèi)質(zhì)點的相位分布信息，對獲得的相位圖施加彈性圖重建算法，從而獲得組織內(nèi)的彈性分布圖[10-14]。

圖1 磁共振彈性成像原理框圖

進行MRE成像，首先需要通過外部激勵裝置對待成像組織施加激勵，使組織內(nèi)產(chǎn)生一定頻率和振幅的機械波。穩(wěn)定、精確的MRE激勵裝置是獲得高分辨率組織彈性圖像的先決條件，由于MRE成像環(huán)境的特殊性以及磁共振成像原理的要求，MRE激勵裝置開發(fā)需要滿足相應(yīng)要求。

1.1 激勵裝置與MR設(shè)備磁兼容

MRE成像首先需要通過磁共振成像方法獲得在剪切波激勵條件下的生物組織相位信息，由于磁共振成像原理的限制，磁共振設(shè)備磁體腔一定范圍內(nèi)必須確保沒有磁性物質(zhì)的存在，因此MRE激勵裝置需要進行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計。激勵裝置中電子設(shè)備和含鐵磁性成分的部件必須放置在磁共振掃描室外，因功能需要，進入磁共振成像掃描室的元器件必須采用無磁材料，從而確保MRE激勵裝置和MR設(shè)備互不干擾，均能穩(wěn)定工作[15-16]。

1.2 機械波的類型、振幅及頻率

激勵裝置在成像組織內(nèi)產(chǎn)生機械波的類型、振幅和頻率均會對MRE成像結(jié)果有比較重要的影響。對于人體組織而言，進行剪切波(橫波)成像的對比度要遠大于縱波成像的對比度，因此激勵裝置產(chǎn)生的機械波以剪切波為宜[17-18]。剪切波頻率越高，圖像的信噪比越高，但隨著剪切波頻率的增加，剪切波在組織內(nèi)的衰減將加劇，同時MRE成像要求組織內(nèi)機械振動頻率必須與施加的運動敏感梯度保持同步，過高的剪切波頻率使得實現(xiàn)運動敏感梯度的難度增加。研究[19-21]表明, 50～1 000 HZ的剪切波可以滿足MRE成像的要求; 剪切波的振幅增大, MRE成像靈敏度增加，但振幅過大時會使質(zhì)點相位超過±180°范圍，造成相位卷褶[22-24], 同時過大的振幅會使患者耐受度變差，同時設(shè)備的實現(xiàn)難度也增大。理想的MRE成像激勵裝置需要實現(xiàn)剪切波激勵頻率、振幅及相位的精確可控[25-26]。

2 MRE激勵裝置開發(fā)

MRE刺激裝置的組成包括激勵源、激勵信號傳遞單元、執(zhí)行終端和防護裝置4個部分[24-26]。激勵源是激勵信號的產(chǎn)生源頭，一般包含磁性元件，因此激勵源與磁共振成像儀呈較遠距離放置; 激勵信號傳遞單元將激勵源產(chǎn)生的信號傳遞至執(zhí)行終端，從而帶動待檢測人體組織(乳腺)呈一定頻率的剪切運動，產(chǎn)生剪切波; 防護裝置將刺激裝置的運動部分與人體隔離，確保成像過程的安全性。

2.1 激勵源

激勵源是激勵信號產(chǎn)生的源頭，其目的是產(chǎn)生一定頻率和振幅的原始往復(fù)運動信號，一般由旋轉(zhuǎn)馬達與運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)組成。運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)馬達的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運動輸出，常見的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運動的機構(gòu)主要包括曲柄滑塊機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等。凸輪機構(gòu)運動傳遞過程需要保證凸輪與凸輪桿時刻保持接觸，運動傳遞過程中摩擦損耗大，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，因此本研究選擇結(jié)構(gòu)相對簡單的曲柄滑塊機構(gòu)作為運動轉(zhuǎn)化中介。曲柄滑塊機構(gòu)主要包括曲柄、連桿、滑塊等核心元件及裝置本體、回轉(zhuǎn)軸承等輔助連接件。曲柄的長度決定往復(fù)運動的振幅，綜合考慮振幅對成像靈敏度及患者診斷舒適性的影響，本研究選擇曲柄長度即曲柄偏心距為0.5 mm, 曲柄滑塊機構(gòu)中連桿的長度主要影響滑塊運動極限位置與曲柄中心的距離。激勵裝置在滿足裝配要求的前提下，要求整個裝置結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，因此綜合考慮曲柄及連桿安裝空間，選擇連桿長度45 mm, 滑塊與裝置本體通過直線軸承連接，從而最大可能減小運動傳遞過程摩擦損耗，減小能量損失。旋轉(zhuǎn)馬達的選型主要考慮激勵裝置要實現(xiàn)的激勵頻率及設(shè)備負載，本裝置設(shè)定激勵頻率為0～100 Hz, 最終選擇馬達型號為安川SGM7J-02A, 該電機最大功率200 W, 最大轉(zhuǎn)速6 000轉(zhuǎn)/min, 可滿足激勵裝置的要求，最終完成的激勵源結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

2.2 激勵信號傳遞單元

激勵信號傳遞單元是激勵信號的傳遞樞紐，其主要功能為接收激勵源的振動信號，并將其傳遞至執(zhí)行終端，從而帶動待檢測人體組織(乳腺)按一定頻率和振幅做剪切運動?？紤]到激勵源和執(zhí)行終端遠距離放置和信號傳遞結(jié)構(gòu)靈活布置的要求，本研究選擇不可壓縮/伸長柔性繩作為激勵信號傳遞的媒介，通過變向滑輪改變?nèi)嵝岳K的走向。柔性繩選擇質(zhì)量輕、強度高的尼龍繩，變向滑輪材料選擇無磁性尼龍塑料，柔性繩一端與激勵源輸出端連接，根據(jù)走線路徑的需要，通過變向滑輪改變走向后另一端通過無磁性材料制作的彈簧與磁共振掃描床固定端連接，合理控制無磁彈簧的拉力，從而保證信號傳遞過程中柔性繩始終處于繃緊狀態(tài)，確保信號的無損傳遞。

2.3 執(zhí)行終端

執(zhí)行終端與待檢測生物組織(乳腺)直接接觸，將激勵信號傳遞結(jié)構(gòu)傳遞來的激勵信號傳導(dǎo)至乳腺組織，其設(shè)計需要保證執(zhí)行終端和待檢測組織的充分接觸，并保證激勵過程中患者的舒適性，同時考慮激勵裝置能量傳遞的要求，執(zhí)行終端要盡量輕便。激勵結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，執(zhí)行終端與乳腺接觸部位采用弧形結(jié)構(gòu)設(shè)置，從而保證與乳腺組織的充分接觸。執(zhí)行終端采用碳纖維材料制作，碳纖維材料強度高、密度低，從而保證激勵裝置在小負載條件下運行，降低對激勵源功率的要求。

圖3 激勵裝置執(zhí)行終端

2.4 防護裝置

MRE成像過程中，激勵裝置呈高頻往復(fù)運動，必須對有可能與患者身體接觸的部分，如柔性繩、變向滑輪等進行防護，從而保證患者的絕對安全，因此必須設(shè)計對應(yīng)的防護裝置，從而隔絕激勵裝置與患者身體。本研究防護裝置根據(jù)磁共振掃描床體結(jié)構(gòu)設(shè)計，放置在掃描床表面，同時防護裝置內(nèi)設(shè)有柔性繩走線路徑和變向滑輪安裝槽，從而保證柔性繩布置的需要。

3 小 結(jié)

本研究最終完成了基于柔性繩驅(qū)動的乳腺MRE激勵裝置的設(shè)計開發(fā)，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。該MRE激勵裝置可根據(jù)MRE成像對磁屏蔽及放置空間的需求，靈活調(diào)整柔性繩長度及路徑，可實現(xiàn)刺激頻率調(diào)節(jié)范圍0～100 Hz, 激勵振幅0.5 mm, 且可根據(jù)刺激強度需要，更換激勵源曲軸部件實現(xiàn)激勵振幅0～0.5 mm可調(diào)。柔性繩驅(qū)動的乳腺MRE激勵裝置克服了傳統(tǒng)激勵裝置難于實現(xiàn)的設(shè)備使用靈活性與剪切波精度控制的難題，可為高精度MRE的成像提供設(shè)備支持。