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基于稳态前机械横波成像模式的磁共振弹性图术研究- docin.com豆丁网
2011年10月28日 – 此梯度的方向设置为质点运动的方向，质点沿着此方向的运动分量会累积一个相位差，即可通过MRl成像可以获得，再计算得到质点的位移。叠加的 ...
摘妻基于稳态前机械横波成像模式的磁共振弹性图术研究摘要传统医学磁共振成像技术对组织成像有三个参数，即Ｔ１，Ｔ２，质子密度（ｐｒｏｔｏｎｄｅｎｓｉｔｙ，ＰＤ）。１９９５年ＭａｙｏＣ１ｉｎｉｃ的Ｄｒ．Ｍｕｔｈｕｐｉｌｌａｉ在Ｓｃｉｅｎｃｅ上发表文章，提出磁共振弹性图术（ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ，ＭＲＥ），给ＭＲＩ成像提供另外一个参数，即组织的生物力学性质——弹性模量。ＭａｙｏＣｌｉｎｉｃ和其它ＭＲＥ研究小组的实验结果表Ｕ蝈ＭＲＥ在诸如软组织病灶检测等方面具有很好的应用前景。ＭＲＥ的实现过程是，首先在组织表面施加动态周期剪切外力，由此引起组织内部机械横波的传播；然后利用ＭＲＩ技术进行成像，获得外力作用下的机械横波图像，对此进行计算，从而获得组织的弹性模量。目前ＭＲＥ中的横波成像存在两种模式，分别为稳态横波成像模式和瞬态横波成像模式。本文详细分析了这两种横波成像模式，指出稳态横波成像模式的不足之处是当机械横波到达稳态时，在组织边界处会发生反射现象，干扰入射波，给弹性重建算法造成困难。瞬态横波成像模式不足之处是由于只有一个周期的外力施加，横波随着传播距离的增加很容易被衰减，且由于是非受迫振动，在组织中传播会出现非单一频率成份的横波，造成弹性计算误差。针对这两种成像模式的不足，本文完成了以下研究：１）首次提出稳态前横波成像模式。在稳态前横波成像模式下，横波一直处于稳态前的状态，且可以通过控制机械振动和运动敏感梯度的周期个数，来控制横波传播的距离，使得在横波到达组织边界之前完成成像，进而避免稳态成像模式下的横波反射问题；另外，在稳态前横波成像模式下，组织在周期外力作用下受迫振动，且可为多个周期，可克服瞬态横波成像模式的不足之处ａ２）首次在理论上推导了稳态前横波成像模式下的ＭＲＩ相位累积公式。在此模式下得到的横波图像，其波向量和稳态横波成像模式下得到的渡向量保持一致。设计并实现稳态前横波ＭＲＩ成像序列，此序列用于对稳态前的横波进行ＭＲＩ成像。序列中的运动敏感梯度和机械振动同时施加，保持同步，并且可以通过控
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ＭＲＩ扫描仪器保持电磁兼容，不会在ＭＲＩ成像过程中引入伪影。将该振动器原型和ＭＲＩ扫描仪集成，构建了ＭＲＥ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ＭＰＥ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ＭＲＥ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
Ⅱ
ＭＡＧＮＥＴＩＣＲＥＳＯＮＡＮＣＥＥＬＡＳＴＯＧＲＡＰＨＹＢＡＳＥＤｏＮＰＲＥ．ＳＴＥＡＤＹＳ１己ＡＴＥＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＳＨＥＡＲ、）ｌ，ＡＶＥＩＭＡＧＩＮＧＡＢＳ’１１乙～Ｃ’Ｉ’
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ｃｌｉｎｉｃＭＲＩ（ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｉｍａｇｉｎｇ）－－－－Ｔ１，Ｔ２ａｎｄＰＤ（ｐｒｏｔｏｎｄｅ璐ｉｔｙ）．Ｔｈｅｓｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｕｓｅｄｉｎｍｅｄｉｃａｌｄｉａｇｎｏｓｉｓ
ｆｏｒｄｅｃａｄｅｓ．ＭＲＥ（ｍａｇｎｅｔｉｃｍ￥ｏｕａｎｃｃｄａｓｔｏｇｒａｐｈｙ）ＷａＳｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎＳｃｉｅｎｃｅｂｙＤｒ．ＭｕｔｈｕｐｉｌｌａｉａｔＭａｙｏＣｌｉｎｉｃｉｎ１９９５，ｔｏｐｒｏｖｉｄｅＭＲｌｗｉｔｈａｎｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒ－－－ｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｂｙＭａｙｏＣｌｉｎｉｃａｎｄｏｔｈｅｒｇｒｏｕｐｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ
ＭＲＥｉｓ ｖｅｒｙｐｒｏｍｉｓｉｎｇｉｎ ｉｔｓ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．’ＭＲＥ ｆｉｒｓｔｌｙ
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！！竺壁苎！！！堂堡型！！！竺型一．．．ｎＴｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｌｙｐｒｏｐｏｓｅｓａ也ｉｒｄｓｈｅａｒｗａｖｅｉｍａｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｎａｍｅｄａｓｐｒｅ—ｓｔｅａｄｙＳｔａｔｅｓｈｅａｒｗａｖｅｉｍａｇｉｎｇｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｏｓｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅａｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｈｅａｒｗａｖｅｉｍａｇｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｓｈｅａｒｗａｖｅｓａｒｅｎｅｉｔｈｅｒｔｒａｎｓｉｅｎｔｎｏｒｉｎｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅ，ｂｕｔｉｎｐｒｅ－ｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅ．Ｗｅａｒｅａｂｌｅｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｃｙｃｌｅｎｕｍｂｅｒｏｆｍｏｔｉｏｎ－・
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ＭＲＩｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｉｓｉｓｔｈｅｍｓｔｒｅｐｏｒｔｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｅｔｕｐｆｏｒＭＲＥｉｎｍａｉｎｌａｎｄｃｈｉｎａ．４）ＴｈｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍｓＭＲＥｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓＯｉｌａｇａｒｏｓｅｇｅｌｐｈａｎｔｏｍｓ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｓｈｏｗｔｈｏｓｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｆｆｅｃｔｓｈｅａｒｗａｖｅｉｍａｇｅｓ，ｓｕｃｈａＳｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｍｏｔｉｏｎ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｇｒａｄｉｅｎｔｔｈｅｐｅｒｃｅｎｔｏｆａｇａｍｓｅｉｎｇｅｌａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄＷｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｓｈｅａｒｗａｖｅｓ．ＴｈｅｗｈｏｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｓｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＭＲＥｂａｓｅｄＯＵｐｒｅ－ｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅｓｈｅａｒｗａｖｅｉｍａｇｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏＲａｎｃｅｉｍａｇｉｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｈｅａｒｗａｖｅｉｍａｇｉｎｇ，ｓｈｅａｒｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ，ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃ，ａｇａｒｏｓｅｇｅｌｐｈａｎｔｏｍｓ．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：Ｅｌ期：Ｉ砚年倦月弓ＱＥｌ
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Ｅｔ期：。‘年ｑ月７０Ｅｔ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（ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｉｍａｇｉｎｇ，ＭＲＩ）只有三个参数，即Ｔ１，Ｔ２，ＰＤ（ｐｒｏｔｏｎｄｅｎｓｉｔｙ）。作为肌Ｉ技术的发展，最近出现的磁共振弹性图术（ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ，ＭＲＥ）给ＭＲＩ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。ＭＲＥ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］。１８９５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ＣＴ（ｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、ｇＳ（ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄｉｍａｇｉｎｇ）、传统ＭＲＩ（ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｉｍａｇｉｎｇ）、ＰＥＴ（ｐｏｓｉｔｒｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）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，Ｔｌ’Ｔ２、ＰＤ（ＰｒｏｔｏｎＤｅｎｓｉｔｙ）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１４１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９１．４％，ｘ线检查为７３．０％，Ｂ超检查为７６．６％，近红外扫描为６８．８％。ＤｉｒａｔｚｏｕｉａｎＨ等［５］对１９７０年到１９９８年１７５２例患Ｉ／１１分期乳腺癌的美国妇女进行调查的结果是：小于４０岁的妇女，其中４０％的病例是首先通过临床乳腺检查（ｃｌｉｎｉｃｂｒｅａｓｔｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ，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Ｓａｒｖａｚｙａｎ［６］对１６８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，ＭｃＫｎｉｇｈｔ［７］用ＭＲＥ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４．１８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ＣＴ、ＭＲＩ和ｕＳ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。）ａＲＥ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，ＭＲＥ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ｃＴ、常规ＭＲＩ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１．０５，骨为２左右。而人体组织剪切弹性模量的变化范围是卜１０”ＫＰａ。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，ｌＯ］。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。ＭＲＥ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［ＩＩ，１２］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ＢｕｌｋＭｏｄｕｌｉ（Ｐａ）ＳｈｅａｒＭｏｄｕｌｉ（Ｐａ）厂—］ＩＬｉｑｕｉｄＩＩ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一医习Ｉ．．．．．．．．．一［＝＝］ＳｏｆｔＴｉｓｓｕｅ固１．１生物组织的体积弹性模量和剪切弹性模量Ｆｉｇ１．１Ｓｈｅａｒｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｂｕｌｋｍｏｄｕｌｕｓｏｆｔｉｓｓｕｅｓ１．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［１３］。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∞】＿ｏ∞１－ｏｑ１＿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１１３１。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［８，１４】，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。ＩＩ．假定仿体是完全弹性的，即不考虑其粘性性质。
ⅡＩ．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。
Ⅳ．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（ＭＲＥ），实际上是弹性图术（ｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ，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Ｐａ（∥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／ｓＩ。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（ＭＲＩ）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（ｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＯＣＴ）和ＣＴ（ｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）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ｃＴ弹性囤。１９９１年Ｏｐｈｉｒ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
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第１章序论出组织的弹性模量，他第一次提出了弹性图术（Ｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ）的概念［１５］。此后发表了很多关于超声波弹性图的文献，如对肌肉［１５］，乳房［１６—２０］，血管［２１－３１］进行超声波弹性成像等，Ｋｏｎｏｆａｇｏｕ［３２］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［３３］。Ｐｒｅｄｍａｎ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ＴＣＴ弹性图术，用于对肺部进行弹性成像［３４］。由于Ｆｒｅｄｍａｎ在组织形变前后使用ｃＴ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。Ｃｈｍｉｔｔ利用ＯｃＴ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ＯＣＴ弹性图术可以应用到医学领域［３５］。此后ＯＣＴ技术逐步应用到了弹性罔术中［３６－４１］，但是ＯＣＴ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。１９９５年磁共振成像（ＭＲＩ）技术开始应用到弹性图术领域，Ｍｕｔｈｕｐｉｌｌａｉ在Ｓｃｉｅｎｃｅ发表文章，第一次提出磁共振弹性图（ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ，脓Ｅ）这一术语，并利用相位对比（ｐｈａｓｅｃｏｎｔｒａｓｔ）方法实现ＭＲＩ对机械横波的测量，测得琉脂祷凝胶仿体的剪切弹性模量［４２］。同年Ｆｏｗｌｋｅｓ提出利用自旋标记（ｓｐｉｎｔａｇｇｉｎｇ）技术实现：ＭＲＩ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［４３］。由于ＭＲＩ测量精度商，可以在亚微米［４４］和纳米尺度［４５］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ＭＲＩ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［４ｆｉ一６０］。ＭＲＥ的实验研究对象主要有琼脂塘凝胶仿体［４２］、乳房［７，６１－６７］、肌肉［６８—７３］、软骨［７４］和肾［７５］等，这些实验的结果表明其具有很好的应用潜力。但是ＭＲＥ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ＭＲＥ在临床上的应用造成了很大的挑战性。６
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（ａ）Ｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ流程肭‘｛．焉焉测量控术６超声波ＣＴ光学应变图应变圈应变图应变图应变图波动图（ｅ）ＥｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙｑｈＩ坝ｌＪ！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Ｆｉ９１．２ＴｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＥｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙａｎｄｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｏｒｏｅｓａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎ
Ｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ，一，ｌ‘０一一ｍ㈣Ｍ
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ｃＴ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。１１． 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。ＩＩＩ．
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［７６］）和被动（机械外力１７７】）之分；又有准静态（施加频率为１Ｈｚ左右）【２９，７６—７９】和动态之分，其中动态分为简谐（５０．１０００Ｈｚ）外力激励［８０．ｓｚ］，和瞬态外力激励［５０，５４，８３－９０１。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ｆ９１—９４１），也可以作用在组织内部（如用针插入研究对象的内部【５６，９５】，用超声波技术引起组织内部质点的低频振动［８８，８９，９６，９７】）。外力施加会引起组织的力学响应，然后利用起声波、ＣＴ，光学测量或者ＭＩＬｌ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［６５，９７，９８］，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【３５，９９—１１１】，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ＭＲ／或者ＵＳ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１０３以下到ｌＯ”以上；而软组织的体积弹性模量变化范围只有２０Ｇ［４３］，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２０摄氏度的温度下，声波在水中的传播速度为１５８０ｍ／ｓ，如果在ｌｋＨｚ的频率下，则波长约为Ｉ．Ｓｉｎ，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０１ｎ１，ｓ～１０ｍ／ｓ左右，在１００Ｈｚ的频率下，波长为１０１～１０１ｍ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。１．４ＭＲＥ概述和研究现状磁共振成像（ＭＲＩ）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。２００４年文献报道全世界约有２．２万台ＭＲＩ扫描仪在使用中，每年有５０００多万项检查和研究采用ＭＲＩ技术［１１２］，而且还在不断增加中。
ⅥＲＩ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（ＴＩ，Ｔ２）造成的。表１．１列出几种不同组织在１．５Ｔｅｓｌａ磁感应强度下的Ｔ１和Ｔ２弛豫时间［１１３］。如果组织发生病变，则其Ｔ１和Ｔ２弛豫时间一般也发生变化，这是ＭＲＩ进行疾病诊断的依据。例如大韶分的脑组织病变会导致Ｔｌ和Ｔ２的增加，在Ｔｌ加权和Ｔ２加权的ＭＲＩ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＂ｒｅｓｌａ下不同组织的弛豫时间Ｔａｂ１．１
Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎｔｉｍｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｓｓｕｅｓａｔａｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ１ ５Ｔｅｓｌａ组织 Ｔｌ（ｍｓ）
Ｔ２（硼ｓ）灰质 ‘ ８２５ ｌｌＯ白质 ６８７ １０７骨头 １０３ ２８脂肪 ２５０
８０随着医学诊断的需要，人们发展了传统的ＭＲＩ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ＭＲＩ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ＭＲＩ图像的Ｔ１和Ｔ２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Ｔｌ，Ｔ２值往往只有～个数量级，例如表１．２列出的一些组织的Ｔ１值和剪切弹性模量［１１３］。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Ｔ１值和剪切弹性模量１．ａｂ１．２ＴｌＴｅｌａｘａｔｉｏｎｔｉｍｅａｎｄＳｈｅａｒｍｏｄｕｌｕｓｏｆｄｉｆｆｃｒｃ；ｌｔｔｉｓｓｕｅｓ组织
Ｔ１血ｓ） 剪切弹性模量（ｋＰａ）关节软骨 ２０００ １０００—５０００骨骼肌 ６００—１０００ １５０—６００乳房 ８２５
０．５—１从医学成像所用能量的角度看，可以大致了解ＭＲＥ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。ＭＲＥ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ＭＲＩ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ＲＦ（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）脉冲；第二，原子核在磁场中进动所发出的ＲＦ信号，此信号被接收线圈接收，用于）ＩＲＩ图像的重建。而ｈＩＲＥ使用机械波的频率基本处于可听阈范围之内，为１一１０００ｔｌｚ，还可以进一步分为准静态（频率为１Ｈｚ左右）和动态１０
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第１章序论（频率５０～１０００Ｈｚ）。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。Ｌｏｇ瞌砸ｈｔｌｗａ怫
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１０．２＿３１０－４１０（ａ）Ｅ１ｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓ
（ｂ）Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ？／ａｖｅ５圜１．３医学成像能量的分布Ｆ唾１３Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅｓｆｏｒｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｉｎｇ驴舻妒‰胪舻铲舻
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第１章序论田１４医学成像模式及其利用的能量Ｆｉ９１．４Ｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｉｎｇｍｏｄａｌｉｔｉｅｓａｎｄｅｎｅｒｇｙｓｏｕｆｃｅ￥如前所述，弹性图术的实现过程有三个步骤。ＭＰＥＮ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ＭＲＥ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ＭＰｄ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，ＭＫＥ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ｊＪ起低频振动达到这～Ｂ的［４５．
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第１章序论９６１。由于外部机械装置易于控制，ＭＲＥ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：Ｆｏｗｌｋｃｓ［４３］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：Ｐｌｃｗｅｓ［６３］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ＭＲＩ病床上。属于“动态周期外力”的代表性研究有；Ｍｕｔｈｕｐｉｌｌａｉ［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动态周期外力，外力的方向平行于组织表面，从而引起机械横波在组织内部的传播，在横波传播路径上的质点在其平衡位置进行振动。由于信号发生器可由ＭＲＩ脉冲序列激发，所以外力的施加时间可以得到到精确的控制，但由于电机是借铜线圈中的电流利用ＭＲＩ主磁场ＢＯ产生的洛仑兹力而产生振动，使得振动器对主磁场造成干扰，为了避免这一干扰，电机被放在了远离成像区域的位置，这造成了使用的不便。目前ＭＲＥ研究中的机械振动器全部都是各个研究小组实验室自己设计和制造的原型，还没有出现一个商品化的产品。如何设计恰当的机械振动器是ＭＲＥ实验和研究中的一个重要问题。ＭＲＥ对机械振动器有特殊的要求，即机械振动器在工作时必须保持和ＭⅪ扫描仪的电磁兼容，不能影响ＭＲＩ的成像质量；而且还要保证机械振动器易于安装在狭小的ＭＲＩ磁体腔中。本文设计和制造出由压电陶瓷作为动力的机械振动系统，因为压电陶瓷振动器全部由非铁磁性材料组成，从而使得振动器和Ｍｌｕ设备保持电磁兼容，不会在ＩＶｌＲＩ成像过程中引入伪影。另外由于压电陶瓷尺寸小，整个振动系统可以做
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第１章序论的紧凑灵巧，容易设计出针对人体不同部位的振动系统。１．４．２成像方法的研究现状施加在组织表面的外力引起组织内部力学响应，准静态外力可以引起组织内部质点的位移和应变：面动态外力组织表面施加后，会引起机械波在组织内部的传播，在传播路径上的质点在其平衡位置进行振动。根据准静态和动态之分，可以将ＭＲＩ对力学响应的成像分为对位移或者应变的成像（准静态情况下）以及对机械波动的成像（动态外力情况下，本质也是对质点位移的成像）。在前面已经说到，由于横波比纵波各个方面的优越性，ＭＲＥ基本考虑利用机械横波实现弹性图术，因此在动态外力作用下，ＭＲＥ利用ＭＲｌ对组织内部的机械横波进行成像。（１）ＭＲｌ对准静态力学响应成像准静态外力施加在组织表面后，会引起组织内部质点的力学响应，包括位移和应变，由于运动处于准静态（１Ｈｚ左右）情况下，变化缓慢，现有的ＭＲＩ钡ｒ／位移和运动的技术都可以应用§ＵＭＲＥ研究中。可分为基于自旋标记（ｓｐｉｎｔａｇｇｉｎｇ）的方法和基于相位对比（ｐｈａｓｅｃｏｎｔｒａｓｔ）的方法。（１．，）自旋标记法该法最先Ｉ由Ｚｅｒｈｏｕｎｉ［１１４］于１９８８年提出，用于对心脏壁的运动进行测量。１９９５年Ｆｏｗｌｋｅｓｆ４３１把它应用于对准静态外力引起的组织内部质点位移进行测量。自旋标记图像中有一些人为设计的纹理形状，如正交网格，点源射线等（ＭＲＩ图像中表现为低信号区），这些纹理是附着在组织上的，因此组织的位移和形变表现为纹理的空间位置变化。在ｓｐｉｎｔａｇｇｉｎｇ的实现中，先施第一个９０度射频脉冲，让满足磁共振条件的那些核子（在纹理空间位置）的磁化向量偏转９０度，处于饱和状态。接着在相隔很短的时间后，实施第二个射频脉冲，此时由第一个射频脉冲饱和的那些纹理空间位置上的核子的纵向磁化矢量（ｚ方向）恢复很少，因此被第二个射频脉冲翻转到ｘ．ｙ平面的磁化矢量非常小，从而在ＭＲｊ图像上形成非常低的信号区，而纹理空间之外的那些核子可以正常成像，所得ＭＲｌ图像称为磁共振标记图像（ｔａｇｇｅｄＭＲＩｍａｇｅｓ）。在纹理消失之前，根据不同时间采集的相１４
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第】章序论同成像区域的磁共振标记图像中的纹理变化，可以计算出成像区域各个质点的位移图。Ｆｏｗｌｋｅｓ［４３１利用磁共振标记图像跟踪准静态外力引起的软组织的变形，从而得到感兴趣区域的位移图，并且以此重建出软组织的磁共振弹性图（ＭＩＬＥ）。然而磁共振标记图每次只能得到软组织的二维位移图像，而且其空间分辨率受标记网格尺寸的限制。（１．２）相位对比法对准静态力学响应成像的另一个技术是相位对比法，其基本原理是，在主磁场Ｂｏ上叠加一个磁场梯度．此梯度的方向设置为质点运动的方向，质点沿着此方向的运动分量会累积一个相位差，即可通过ＭＲｌ成像可以获得，再计算得到质点的位移。叠加的磁场梯度称为运动敏感梯度（ｍｏｔｉｏｎ．ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｇｒａｄｉｅｏｔ，ＭＳＧ）。Ｐｌｅｗｅｓ［１１５１在ＳＥ（ｓｐｉｎｅｃｈｏ）序列中增加两个运动敏感梯度脉冲．分别放在回波脉冲的两边，在ＲＦ脉冲和第一个梯度脉冲之间对组织进行压缩，并在第二个梯度脉冲之前释放压缩组织的力，获得第一幅相位图；重复具有相同脉冲序列的实验，但是不让组织有任何外力影响。得到第二幅相位图。其中两幅相位图相减，可以得到相位差图像，从而得到组织的位移图。因为相位差和质点的位移成正比关系。ｍ０）２眠Ａｔｕ（ｘ），其中Ｇｏ为运动敏感梯度的幅值，Ａｔ为两个运动敏感梯度脉冲之间的间隔时间，”例为质点的位移。Ｃｈｅｎｅｖｅｒｔ［１ｔ６ｌ使用激发回波技术
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