• 汇集公众科学智慧交流科学思想见解
  • 点燃科学智慧火花构建互动交流平台
科学智慧火花
科学视点

医学影像技术的新发展——多物理场耦合成像

作者: 吴石增 【字号: 访问量:

医学影像技术已成为临床诊断、治疗和医学研究的一个重要研究领域,各种各样的医学影像设备应运而生,使疾病的诊断水平发生了质的飞跃。近几十年来,在医院临床应用的医学影像设备主要是X射线断层成像(X-ray Computed Tomography,X-CT)、超声成像(Ultrasonic Tomography)、磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)等。它们的广泛应用,为广大患者病情的诊断起到了举世公认的作用。与此同时,它们自身也不断发展和完善,性能和功能不断改进和提高,使得医学图像从形态到功能,从静态到动态,从平面到立体,从局部到整体获得了很快的发展。

世界上的事物总是一分为二的,任何成像技术都不是万能的,以上得以广泛应用的每一种成像技术在显示其优势的同时,都存在某些方面的缺陷和不足。特别是,对于早期的病变,当组织形态尚未发生明显变化时它们是无能为力的。近年来,科技人员通过不懈的探索和研究,发展了利用电、磁、声、热等多种物理场耦合的医学成像的方法,可以弥补上述传统成像方法对早期病变诊断能力的不足。本文对这些医学影像的发展状况及其前景进行讨论。

一、医学影像诊断仪器的性能指标

医学影像诊断仪性能的指标有2个,一个是分辨率,另一个是对比度。

1、 分辨率

医学影像仪器的分辨率有两个含义:

(1)显示屏幕的性能指标:指仪器显示屏幕单位长度内包含的像素点的数量,它的单位通常为像素/英寸(ppi)。分辨率决定了图像细节的精细程 度。通常情况下,图像的分辨率越高,所包含的像素就越多,图像就越清晰。以分辨率为1024×768的屏幕来说,即每一条水平线上包含有1024个像素点,共有768条线,即扫描列数为1024列,行数为768行。

(2)对人体组织最小尺寸的识别力:指用以成像的电磁波或超声波对人体组织最小单元的识别力,分辨率越高,识别的最小单元越小,对人体组织疾病的识别力越高。仪器的实际分辨率取决于高频电磁波或超声波的波长,所识别最小单元的尺寸等于所用波长的1/2。根据医学影像仪器所使用电磁波的波长,就可以判断对人体组织识别力的高低。

几种常用医学影像诊断仪器的分辨率如下:

X-射线成像仪:X-射线的频率范围是3×1016 至 3×1020 Hz, 波长范围为10nm至0.001nm。X-射线成像仪的最大波长是10nm,则所识别人体组织最大的最小单元为5nm,其分辨率是相当高的。

超声影像诊断仪:超声诊断仪的分辨率取决于所使用超声波的波长。医用超声诊断仪的频率多为1.25MHz至20MHz,其波长范围为1.2mm至0.075mm,其分辨率的最小单元为0.075mm/2=0.00375mm=3.75μm,因此其分辨率也是相当高的。从成像分辨率的角度看,超声波极适用于医用成像技术。

核磁共振成像仪(MRI):核磁共振的分辨率主要取决于所使用外加磁场强度的梯度,不同的磁场梯度分辨率有所不同。不过,目前医院所广泛使用的核磁共振,在磁场梯度设计上都有一定的范围,使其分辨率大都保持在1毫米左右。另外,核磁共振对患者病区的扫描视野也是与分辨率相关因素之一,再外加磁场梯度不变的情况下,扫描视野越小,其分辨率也就越高。例如,当扫描视野为16cm*16cm时,若其分辨率为1mm,当扫描视野为8cm*8cm时,则其分辨率可提高到0.5mm。

2、 对比度

对比度指的是屏幕上同一点最亮时(白色)与最暗时(黑色)的亮度的比值,对比度是颜色之间的对比程度,对比度越高,各颜色之间的分别越明显。特别是黑与白之间对比越明显。

医学影像仪器的对比度也包含两层意思:

(1)显示屏幕的性能指标:也就是显示屏对图像的显示能力,它表示对不同颜色之间的分别和显示能力,特别是对其明暗区域最亮的白色和最暗的黑色之间不同亮度的差异比值,能否达到所期望的数值。

(2)对人体组织颜色的识别力:人体内部不同组织的颜色不同,组织正常与病变颜色也会不同。对比度高的影像设备的探测物质,对人体组织的不同颜色会有高的识别能力,从而显示在影像设备的显示屏上。如果对比度低,则病变组织与正常组织混在一起,难以区分。对比度越高,越容易识别混在一起病变组织和正常组织。

目前几种医院广泛应用的几种医学影像诊断仪,X射线胸透仪和X-CT其对比度都比较高,超声影像诊断仪对比度较低,核磁共振成像仪对比度比较高。

3、 几种常用医学影像仪器的优势和缺点

仪器

优势

缺点

X-射线成像

分辨率高,对比度高,对人体组织和器官疾病有比较高的分辨力。

电离辐射作用强,对人体有伤害作用。

超声影像

分辨率高,对人体内的微小组织和有较高的分辨力,对人体没有伤害的负面影响。

对比度比较差,图像清晰度受到限制,不能诊断含空气多的人体组织,例如肺。

核磁共振成像

分辨率高,对比度高,对人体组织和器官疾病有比较高的分辨力。

技术复杂,价格昂贵,体积庞大笨重,推广受到一定的限制。

其共同缺点是,它们均属于形态解剖学成像技术,只有当人体组织和器官发生形态病变后才能诊断出来,不能对患者的病情进行早期诊断。

从病理学可知,人体组织和器官的病变其功能的病变先于形态上的病变。为了改变这种现状,能够使医学影像仪器对人体疾病进行早期诊断,为早期治疗创造条件,具有功能成像特性的成像技术进入了科学家的研究领域。

二、人体功能成像——电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)

功能成像技术首先进入人们视野的是电阻抗成像技术。人体组织的电特性(电阻抗或电导率)与组织的结构、功能、生理、病理等状况息息相关,不同组织和器官具有不同的阻抗特性,更重要的是某些组织和器官的电阻抗特性随其功能状态而改变。电阻抗成像(EIT)技术就是以人体内部电阻(电导)率的分布为成像目标的医学成像技术。其基本原理是:在人体体表配置电极阵列,通过电极向人体施加电流(或电压),并测量体表的电压(或电流),通过一定的算法可以重建人体内部组织电阻抗分布的图像。

自上世纪70年代美国威斯康星大学的一位教授提出电阻抗成像的设想以来,美国多家大学先后开展了这方面的研究,建立相应的物理模型试验系统。英国、比利时等国也先后开展了这方面的研究。我国的第四军医大学、重庆大学、中国医学科学院也于上世纪90年代开始了这方面的研究,其中第四军医大学做得比较好,已做成了实验样机,在医院进行临床试验。

电阻抗成像的优势在于,它可以对人体内组织或器官进行功能成像,以便对病情进行早期诊断;无电离辐射,设备成本低廉、体积小、操作方便。但是这种技术也有明显的缺点:由于可用电极数目有限,分辨率低,对人体疾病的识别力低;由于在成像时总需要通过电极对人体注入电流,如果控制不好,也存在安全隐患。这些缺点和不足,构成了EIT成像技术迟迟不能实用化的重要障碍。

三、多物理场耦合成像技术

电阻抗成像具有对人体疾病早期诊断的性能,但分辨率低下,难以实用化。针对这些问题,结合超声成像高分辨率的优势,科学家们提出了电磁场和超声场相结合的磁声成像技术。

传感器技术、阵列式测量技术、信息处理技术的迅速发展,带动了微弱信号检测技术的发展。现代计算机技术的发展也使多场耦合分析、逆问题的快速求解成为可能,由此引发了多物理场成像技术的快速发展。目前已经发展了一系列医学多物理场耦合成像方法,如微波热声成像、磁声成像、磁热声成像等。

1、微波热声成像

微波热声成像结合了超声成像和微波成像二者的优势。科学家在1978年提出了微波成像的设想,它具有对比度高和无损成像安全的优点,但是由于它的技术难度比较大,主要体现在微波信号的多通道检测,穿透深度浅和空间分辨率低等三个方面,很难实用化。

微波激励生物组织热声成像(即微波热声成像)技术是基于一种新的原理——微波激励热声效应。当对生物体进行微波辐射时,部分微波能量迅速被组织吸收并转换成热量,使组织内部温度升高,相对组织表面形成温度梯度。由于电磁波传播速度远大于声波的传播速度,微波照射导致的热膨胀在瞬间发生,使生物组织产生应变力,从而产生向外传播的热声波。被激发出的热声波携带着关于被辐射组织微波吸收特性的信息。这种热声信号同热声波对生物组织作用的对比度紧密相关,它能真实地反映较宽范围的电磁波的频率。超声传感器对这些热声信号进行检测,供计算机的数据采集系统进行量化和采集,采用成像算法对数据进行处理,重建出生物组织的图像。

微波热声成像虽然实现了微波成像和超声成像高对比度和高分辨率的优势互补,但是穿透深度浅的缺点仍无法消除。因为微波是300MHz以上的电磁波,它对生物组织的热效应比较强,对含水量高的生物组织的穿透深度小于3.2cm,无法对深层次组织成像,这一缺点使其也很难实用化。

2、感应式磁声成像(Magnetoacoustic tomography with magnetic induction, MAT-MI)

感应式磁声成像技术是美国明尼苏达大学的Bin He、Yuan Xu等人在2005年首先提出的。它是将传统电阻抗成像技术、磁感应成像技术、超声成像技术三者相结合的一种新型成像技术。它以电导率为成像参数,兼具对比度好、分辨率高等优点。按照检测方式,它还可以分为超声检测式电磁检测式两类:

超声检测式磁声成像的原理如图1所示。对置于静磁场中的物体施加交变电磁激励,用电极向物体注入交变电流,或用线圈在物体内部感应电流。注入或感应电流与静磁场作用产生洛仑兹力,在物体内形成声源,向外辐射超声。通过物体周围的若干个换能器测量超声信号,利用时间反演算法重建声源图像,进一步利用电磁场逆问题算法重建物体的电导率图像。

电磁检测式磁声成像的原理如图2所示。对置于静磁场中的物体施加超声激励,用物体周围的若干个换能器依次发射超声。物体内部离子随超声传播而振动,在静磁场作用下,受到洛伦兹力发生正负电荷分离,形成局部的动生电源,在物体内产生电流分布。通过电极或线圈测量电信号,利用电磁场逆问题算法重建物体的电导率图像。

图1 超声检测式磁声成像                   图2 电磁检测式磁声成像

从成像原理看,两类成像互为反模式。前者用静磁场和交变电磁场产生超声信号,后者用静磁场和超声产生电信号。从能量转换的角度看,前者是电能转换为机械能,可以看作广义电动机,后者是机械能转换为电能,可以看作广义发电机。

磁声成像是声学和电磁学在成像领域的交叉,作为一种新兴的检测技术,对于生物媒质,可以近似为低电导率流体或准流体,涉及到媒质的导电特性和场耦合特性,声场和电磁场为弱耦合,媒质的流体属性和导电特性分别决定了声场传播特性和电磁场分布特性。

磁声成像在生物医学领域有广泛的应用前景。超声检测式磁声成像,可获取高分辨率的病变组织电导率图像,实现疾病的早期诊断。电磁检测式磁声成像,可与超声弹性成像联合,形成同时获取生物组织粘弹性系数和电导率参数的双模成像方法。

磁声成像的主要优势是:留了电阻抗成像的功能成像功能,能够对人体疾病能进行早期诊断;保留了超声成像分辨率高特点和电阻抗成像对比度高的特点,对人体疾病有较高的识别力;采用感应式对人体作用,具有较高的安全性;相对磁共振仪器,设备成本低廉、体积小、操作方便。

磁声成像技术目前仍在研发过程中,还不能临床应用。

美国明尼苏达大学的Bin He、Yuan Xu等人在2005年提出感应式磁声成像技术之后,2006年,中国科学院电工研究所刘国强研究员就开始了该项技术的研究。十年来,在国家自然科学基金(包括1项重点基金、1项仪器专项)支持下,技术上取得了很大进展,已处于国际先进地位,目前正在致力于人体疾病早期诊断技术的实用化研究。此外,中国医学科学研究院的医学工程研究所和南京师范大学也先后开展了研究,取得了不少实验数据,推动了该技术研究的发展。

3、感应式热声成像

为了解决微波热声成像穿透深度浅无法实用化的缺陷,新加坡南洋理工大学zheng研究小组于2013年提出了感应式热声成像方法,将低于20MHz的射频电磁场是加到高电导率的金属铜上,研究了该方法对高电导率目标题成像的可行性。该方法的原理图如图3所示。它也是一种基于热声效应的电阻抗成像方法,热声效应是利用电磁波辐射生物组织,生物组织吸收电磁能量而产生热膨胀,伴随着热膨胀产生超声信号,超声信号的强度取决于生物组织所吸收电磁波能量的多少。由于正常组织与病变组织对电磁能量的吸收特性存在差异,进而所产生的超声信号的强度也是不同,因此它可以用来区分正常组织与病变组织。

图3 感应式热声成像原理图

2014年,中科院电工所工程电磁场及其应用研究部就开始了感应式热声成像方法的研究,在对其方法的原理进行研究之后,随之就搭建了图4实验原理图所表示的实验装置(图5),进行了一系列实验工作,采用20MHz以下的脉冲激励源对接近人体的生物目标体进行了实验。实验结果表明该实验对生物组织的穿透深度比微波热声成像大大加深,可达到15cm。该实验表明可实现生物组织深层内部组织(如肺、肝脏)病变的早期诊断和检测。磁热声成像技术融合了热声成像技术和电阻抗成像技术,兼具热声成像高分辨率和电阻抗成像高对比度的优势。所以磁热声成像在医学成像领域一旦实用化,其应用前景非常好。

图4 磁热声成像的实验原理图

图5 磁热声成像的实验照片

四、结束语

医用多物理场耦合成像技术是近十几年来发展起来的一类新型医学影像技术,具有功能成像的能力,弥补了X-射线成像、超声成像和核磁共振成像等传统形态解剖学成像技术的不足,能够帮助对人体疾病进行早期诊断。感应式磁声成像技术和热声成像技术,具有良好的发展前景。这两种新技术一旦实用化,就能对人体疾病进行早期诊断,为人体疾病的早期治疗提供可靠的依据,给人类健康带来极大的福祉。


作者简介:吴石增,中科院电工研究所研究员 ,中科院老科协电工所分会理事长。上世纪80年代初起从事计算机技术与医用仪器相结合的研究,曾研制成功微波治疗机并获中科院科技进步奖。之后一直从事生物电磁学的研究,与同事合作撰写《生物电磁特性及其应用》一书(北京工业大学出版社出版),2009年获首届中国大学出版社图书(优秀学术著作)一等奖。