戴 明，劉瑩瑩，徐金鋒，袁輝洲，孫 通，羅 慧，穆明道，陳 昕

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院人工智能學(xué)院，廣東深圳 518055；2.深圳市人民醫(yī)院（暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院）超聲科，廣東深圳 518020；3.深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東深圳 518060；4.香港中文大學(xué)生物醫(yī)學(xué)學(xué)院，香港 999077）

0 引 言

目前，全球癌癥病例呈迅猛增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，據(jù)2014年世衛(wèi)組織的全球癌癥報(bào)告可知，未來(lái)20年，每年新發(fā)癌癥病例將達(dá)2 200 萬(wàn)，癌癥死亡數(shù)將上升到1 300 萬(wàn)例[1]。2018年全球癌癥新發(fā)病例共有1 810萬(wàn)，死亡病例960萬(wàn)[2]，其中我國(guó)新增病例數(shù)380.4萬(wàn)、死亡病例229.6萬(wàn)[3]。2017年中國(guó)癌癥中心發(fā)表最新報(bào)告：國(guó)內(nèi)347家癌癥登記點(diǎn)中每天約1萬(wàn)人被確診，顯示患癌風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)36%。然而目前對(duì)癌癥進(jìn)行診斷的方法有限，傳統(tǒng)影像技術(shù)主要有CT（Computed Tomography,CT）、超聲成像、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI），正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（Positron Emission Computed Tomography,PET）、內(nèi)窺鏡成像等方法。其中CT分辨率高，對(duì)比度好，但基于電離輻射效應(yīng)，影響健康；超聲價(jià)格低，成像速度快，但受限于成像區(qū)域，只有在病灶組織形態(tài)病變發(fā)生后才能呈現(xiàn)在影像中；MRI通過(guò)共振信號(hào)重建人體質(zhì)子密度分布圖，沒(méi)有輻射，可獲分子水平動(dòng)態(tài)生理、生化功能圖，但MRI空間分辨率和成像時(shí)間均不如CT，呼吸、心跳等導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)偽影會(huì)降低圖像質(zhì)量，且MRI造價(jià)高、使用和維護(hù)費(fèi)用昂貴、需專業(yè)人士操作；PET為無(wú)創(chuàng)診斷技術(shù)，但PET易使人體遭受放射性物質(zhì)危害，且費(fèi)用高。內(nèi)窺鏡用于體內(nèi)病變組織檢查，可準(zhǔn)確確定病變部位和范圍。但受自然腔道尺寸、位置等限制，整個(gè)過(guò)程較為痛苦，且上述傳統(tǒng)影像技術(shù)均難以實(shí)現(xiàn)早期診斷，因而迫切需要對(duì)組織進(jìn)行無(wú)創(chuàng)、高對(duì)比度、高分辨率、造價(jià)低廉、能夠定量測(cè)量的方法和儀器。由于不同生理和病理狀態(tài)下生物組織具有不同的電特性[4]，如在癌癥發(fā)展過(guò)程中，細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞液濃度和細(xì)胞膜通透性會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致組織電特性發(fā)生變化，且癌癥在生長(zhǎng)過(guò)程中，周邊血管豐富，其血流的改變往往早于結(jié)構(gòu)變化，而血流的改變往往跟腫瘤周圍電阻率有關(guān)[4-5]。因此，當(dāng)人體組織發(fā)生早期病變，且尚未表現(xiàn)于形態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)，組織內(nèi)的各類化學(xué)物質(zhì)及其空間分布會(huì)首先發(fā)生變化，其在宏觀上往往表現(xiàn)為病變組織的電學(xué)特性的明顯變化。因此，通過(guò)對(duì)生物組織內(nèi)電導(dǎo)率變化進(jìn)行測(cè)量即可無(wú)損地對(duì)病變情況進(jìn)行早期檢測(cè)，達(dá)到對(duì)病變組織早期診斷和監(jiān)測(cè)的目的[4-7]，故展開(kāi)電阻抗成像研究對(duì)癌癥預(yù)防具有重要意義[8]。

目前對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量的方法主要有電阻抗成像，磁聲成像和磁聲電成像（Magneto-Acoustic-Electrical Tomography,MAET），但電阻抗成像靈敏度不高，探測(cè)深度不夠，磁聲成像分辨率低，重建算法復(fù)雜，而磁聲電成像將聲場(chǎng)、磁場(chǎng)與電場(chǎng)耦合，克服了傳統(tǒng)單一物理場(chǎng)限制，兼具超聲成像高分辨率和傳統(tǒng)電阻抗成像高對(duì)比度優(yōu)勢(shì)[6]，且對(duì)磁體場(chǎng)強(qiáng)要求低，成本較低，同時(shí)采用超聲激勵(lì)，電極檢測(cè)，后續(xù)處理方法相對(duì)簡(jiǎn)單。然而國(guó)內(nèi)外對(duì)磁聲電成像研究尚處于初始階段[9]，雖取得一些進(jìn)展，但檢測(cè)精度有限，很少提出磁聲電檢測(cè)前端的改進(jìn)方法，對(duì)影響電導(dǎo)率分辨率因素的研究也少有報(bào)道。因此，基于上述考慮，本文首先設(shè)計(jì)了一種低成本、無(wú)創(chuàng)磁聲電檢測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)磁聲電信號(hào)進(jìn)行了驗(yàn)證。其次，為提高磁聲電檢測(cè)系統(tǒng)分辨率，本文對(duì)磁聲電檢測(cè)前端進(jìn)行了優(yōu)化和完善。隨后提出電導(dǎo)率B掃描算法，并通過(guò)該算法對(duì)中間縫隙1 mm均勻仿體進(jìn)行分辨率成像實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電導(dǎo)率B掃描算法的有效性。最后通過(guò)電導(dǎo)率B掃描實(shí)驗(yàn)，證明本磁聲電檢測(cè)系統(tǒng)的縱向分辨率可達(dá)1 mm。

1 磁聲電成像原理及相關(guān)計(jì)算

1.1 磁聲電成像原理

在磁聲電成像中，通過(guò)探頭發(fā)射一束超聲波激勵(lì)成像體，使成像體內(nèi)局部粒子振動(dòng)，由于振動(dòng)的帶電粒子在靜磁場(chǎng)作用下受洛倫茲力作用產(chǎn)生電荷分離，從而在成像體中形成局部電流源，進(jìn)而形成電場(chǎng)，因而可通過(guò)緊貼成像體表面的電極來(lái)接收微弱磁聲電信號(hào)[10-11]，并通過(guò)移動(dòng)探頭激勵(lì)位置，獲得不同位置激勵(lì)下的電導(dǎo)率曲線，進(jìn)而重構(gòu)出電導(dǎo)率圖像，磁聲電成像原理如圖1所示。

圖1 磁聲電檢測(cè)的成像原理Fig.1 The principle of MAET imaging

1.2 磁聲電成像相關(guān)計(jì)算

根據(jù)Wen等提出的霍爾效應(yīng)成像理論，電極檢測(cè)到的電壓值可表示為[12]

再根據(jù)線性無(wú)粘力方程[13]有：

2 短脈沖激勵(lì)磁聲電成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本磁聲電檢測(cè)平臺(tái)由磁聲激勵(lì)、磁聲電信號(hào)檢測(cè)及探頭運(yùn)動(dòng)控制三部分組成，其中磁聲激勵(lì)部分由C形靜磁體、檢測(cè)水槽、信號(hào)發(fā)生器﹑功率放大器和單陣元功率探頭等組成。磁聲電信號(hào)檢測(cè)部分則由兩級(jí)差分放大器、自制切比雪夫帶通濾波器，DPO5054B數(shù)字示波器等組成，探頭運(yùn)動(dòng)控制部分則由觸摸控制顯示系統(tǒng)、MC600 A控制器及其三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等組成，其系統(tǒng)連接如圖2所示。

3 磁聲電信號(hào)驗(yàn)證

為對(duì)磁聲電信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，闡明磁聲電信號(hào)特征及磁聲電成像機(jī)理，本部分采用如圖3（a）所示的磁聲電檢測(cè)前端，將長(zhǎng)寬厚為5.5 cm×2.8 cm×0.1 cm的弧形銅片（中間較為平坦，兩邊向下彎曲成拱形形狀）嵌入長(zhǎng)寬厚為7.5×3.5×3.0 cm的均勻仿體中，并將該仿體固定在檢測(cè)水槽內(nèi)，其固定后實(shí)物圖如圖3（b）所示。隨后將激勵(lì)探頭固定放置在離仿體內(nèi)銅片中心位置約5.4 cm位置，將幅值為300 mV、激勵(lì)個(gè)數(shù)為3個(gè)、激勵(lì)頻率為2.5 MHz的正弦波短脈沖作為激勵(lì)信號(hào)源，并經(jīng)53 dB功率放大器放大后送給超聲水浸功率探頭，放置于靜磁場(chǎng)中的被測(cè)樣本表面因洛倫茲力作用而形成電流源，隨后將檢測(cè)電極接收后的電壓信號(hào)送給總增益為80 dB兩級(jí)差分放大器PXPA6放大，經(jīng)自制切比雪夫帶通濾波器濾波后，再通過(guò)DPO5054B數(shù)字示波器來(lái)實(shí)現(xiàn)磁聲電信號(hào)均值處理、采集、顯示和存儲(chǔ)。

在本實(shí)驗(yàn)中，首先將含有弧形銅片的均勻仿體放入靜磁場(chǎng)電導(dǎo)率成像檢測(cè)區(qū)域（見(jiàn)圖3（a）），并通過(guò)本磁聲電檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行超聲激勵(lì)和采集，并在DPO5054B數(shù)字示波器上進(jìn)行3 500次均值處理后獲得電極電壓信號(hào)。隨后撤掉靜磁場(chǎng)，并使其他條件（如探頭位置、探頭到銅片距離）與之前置于靜磁場(chǎng)中時(shí)一致，通過(guò)Matlab對(duì)上述兩次實(shí)驗(yàn)所測(cè)電極電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。未加靜磁場(chǎng)的檢測(cè)前端實(shí)物如圖3（b）所示，加有靜磁體激勵(lì)時(shí)獲得的電極檢測(cè)信號(hào)及撤掉靜磁體后所檢測(cè)到的電極檢測(cè)信號(hào)對(duì)比如圖4所示。

從圖4（a）可看出，在5.4 cm處可明顯看到一凸起的電壓峰值信號(hào)，其幅值為4.42 mV。由于探頭到銅片距離為5.4 cm，其實(shí)測(cè)5.4 cm位置凸起的磁聲電壓信號(hào)與超聲束從探頭到銅片表面實(shí)際距離吻合，因此該信號(hào)即為銅片在磁場(chǎng)、電場(chǎng)及聲場(chǎng)共同作用下產(chǎn)生的磁聲電信號(hào)。此外，由于銅片與仿體間電導(dǎo)率差異大，故在10.7 cm位置接收到幅值為76.13 mV的信號(hào)是探頭發(fā)出并被銅片反射回去后探頭接收到的電磁干擾信號(hào)，又由于仿體上界面4.47 cm和仿體下界面7.45 cm位置與去離子水間的電導(dǎo)率變化差異小，因此在上述兩界面位置獲得的磁聲電信號(hào)幅值并不明顯。

圖2 磁聲電檢測(cè)系統(tǒng)連接圖Fig.2 Connection diagram of MAET detection system

圖3 檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)物圖Fig.3 Physical images of the test site

圖4 磁聲電信號(hào)驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Verification results of MAE signals

當(dāng)撤掉靜磁場(chǎng)后，在先前5.4 cm位置凸起的電壓信號(hào)消失。而開(kāi)始激勵(lì)位置的電磁干擾信號(hào)及界面反射引起的電磁干擾信號(hào)并未因靜磁場(chǎng)的撤去而消失，在11.04 cm位置接收到幅值為 52.19 mV的信號(hào)實(shí)為探頭發(fā)出并經(jīng)銅片反射后探頭接收到的電磁干擾信號(hào)。重新將含有銅片的被測(cè)仿體放入靜磁場(chǎng)中，又可在5.4 cm位置獲得凸起的磁聲電信號(hào)，且實(shí)測(cè)距離跟聲束傳播到達(dá)銅片的距離一致。單撤掉靜磁體或撤掉超聲聲場(chǎng)，其他設(shè)置條件保持不變，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)均無(wú)法檢測(cè)到銅片位置的磁聲電信號(hào)，而開(kāi)始激勵(lì)位置及銅片反射引起的電磁干擾信號(hào)并沒(méi)有消除，因此驗(yàn)證了銅片位置產(chǎn)生的電壓信號(hào)為聲場(chǎng)、磁場(chǎng)和電場(chǎng)共同作用引起的磁聲電信號(hào)。此外，從圖4（a）可看出，被測(cè)仿體放入靜磁場(chǎng)后，電極接收到的探頭瞬間激勵(lì)引起的電磁干擾信號(hào)幅值為168.9 mV，撤去靜磁場(chǎng)，該電磁干擾信號(hào)減小為50.38 mV，銅片來(lái)回反射引起的電磁干擾信號(hào)也由76.13 mV降為52.19 mV。上述結(jié)果表明靜磁場(chǎng)的加入可在一定程度上增大電磁干擾信號(hào)的幅值。

4 檢測(cè)前端改進(jìn)

由于電極接收到的磁聲電信號(hào)幅值很微弱，且極易受零時(shí)刻探頭產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)及界面來(lái)回反射引起的電磁干擾信號(hào)影響，因而從毫伏級(jí)電磁干擾信號(hào)中分離出微伏級(jí)磁聲電信號(hào)，獲得高信噪比磁聲電信號(hào)是磁聲電系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵[14]。為進(jìn)一步提高磁聲電信號(hào)的信噪比，本文對(duì)上述磁聲電檢測(cè)前端進(jìn)行了改進(jìn)和完善，首先將磁體空間由100 mm×100 mm×40 mm增大到240 mm×240 mm×60 mm，中心場(chǎng)強(qiáng)由0.45 T增大到0.78 T，其次由于高電壓激勵(lì)探頭瞬間產(chǎn)生毫伏級(jí)電磁脈沖干擾信號(hào)，會(huì)影響磁聲電信號(hào)接收，本文采用磁屏蔽探頭并對(duì)模擬檢測(cè)前端進(jìn)行磁屏蔽處理?？紤]到被測(cè)仿體中含有NaCl，且被測(cè)樣本放置在超聲耦合去離子水中易被稀釋，因此為提高磁聲電信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，同時(shí)減小由于界面反射引起的電磁干擾信號(hào)，本文采用磁屏蔽效果更好的絕緣油作為超聲耦合劑，并重新設(shè)計(jì)、制作了新的夾具及檢測(cè)水槽，并使用透聲硅膠材料制作了一個(gè)電磁屏蔽盒，且將硅膠盒浸泡在盛有絕緣油的水槽中，并將被測(cè)樣本及電極緊固在硅膠屏蔽盒中。由于上述方法可減弱電磁波信號(hào)在探頭與電極間的傳播，從而可在減小電磁干擾信號(hào)的同時(shí)增加磁聲電信號(hào)的信噪比，進(jìn)而獲得高分辨率磁聲電成像圖，改進(jìn)后的磁聲電檢測(cè)前端實(shí)物如圖5所示。

5 B掃描算法及成像分辨率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

5.1 B掃描算法

本文采用兩種B模式重建算法分別對(duì)磁聲電信號(hào)進(jìn)行處理，其中B模式成像算法，是對(duì)不同激勵(lì)位置所獲上千次均值計(jì)算（Mean Calculation,MC）處理后的磁聲電導(dǎo)率信號(hào)預(yù)處理，再進(jìn)行B模式成像，并采用線性插值算法（Linear Interpolation,LI）對(duì)B模式成像圖進(jìn)行后處理。而電導(dǎo)率B掃描重建算法是對(duì)上述不同激勵(lì)位置經(jīng)均值計(jì)算后的磁聲電信號(hào)再進(jìn)行維納濾波（Wiener Filtering,WF）、希爾伯特變換（Hilbert Transform,HT），再結(jié)合激勵(lì)位置重建出電導(dǎo)率B模式圖，并采用線性插值算法對(duì)電導(dǎo)率B模式圖進(jìn)行后處理，最終獲得電導(dǎo)率B掃描圖。兩種B模式重建算法如圖6所示。

圖5 檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)前端的實(shí)物圖Fig.5 Physical picture at the front end of test site

圖6 兩種B模式重建算法Fig.6 Two B-mode reconstruction algorithms

5.2 分辨率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為檢測(cè)磁聲電檢測(cè)系統(tǒng)在縱軸方向上的檢測(cè)分辨率及磁聲電特性，采用特定模具制成仿體厚度為4.85 cm、中間窄縫長(zhǎng)3.5 cm、窄縫寬度為1 mm的被測(cè)均勻仿體，如圖7（a）所示。隨后將探頭放置在仿體表面中間位置，使超聲束經(jīng)過(guò)4個(gè)電導(dǎo)率變化界面，并通過(guò)磁聲電檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)上述1 mm窄縫均勻仿體進(jìn)行準(zhǔn)確性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。經(jīng)均值處理后獲得的磁聲電導(dǎo)率曲線如圖7（b）所示，可清晰地看到四個(gè)電導(dǎo)率變化的界面位置，且四個(gè)被測(cè)界面位置與實(shí)際仿體界面位置一致。隨后對(duì)該磁聲電信號(hào)進(jìn)行維納濾波及希爾伯特變換處理，上述實(shí)驗(yàn)所測(cè)仿體中間窄縫分別為0.66（MC結(jié)果）、0.67（WF結(jié)果）、0.67 mm（HT結(jié)果），與實(shí)驗(yàn)前測(cè)得的1 mm距離相當(dāng)，其主要誤差是由于被測(cè)仿體泡在絕緣油中，發(fā)生一定的膨脹及變形所致[14]，這恰好證明了本檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性，隨后通過(guò)超聲探頭在x軸步進(jìn)激勵(lì)35次，且x軸步長(zhǎng)設(shè)置為1 mm，通過(guò)35次不同位置電導(dǎo)率曲線數(shù)據(jù)及B模式算法（MC+LI）處理后，1 mm縫隙均勻仿體所獲得B模式圖如圖7（c）所示。再對(duì)上述35次不同位置電導(dǎo)率曲線進(jìn)行電導(dǎo)率B掃描重建算法處理（MC+WF+HF+LI），1 mm縫隙仿體所獲電導(dǎo)率B掃描圖如圖7（d）所示。從圖7可知，電導(dǎo)率B掃描重建算法可提高磁聲電檢測(cè)分辨率，本檢測(cè)系統(tǒng)可清晰地檢測(cè)出仿體內(nèi)1 mm窄縫，表明該檢測(cè)系統(tǒng)在z軸方向檢測(cè)分辨率可達(dá)1 mm。

圖7 被測(cè)仿體及其分辨率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 The detected phantom and its resolution experimental results

6 結(jié) 論

本文介紹了一種數(shù)字化、低成本磁聲電檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)并制成了原型系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)驗(yàn)證了磁聲電信號(hào)需在磁場(chǎng)和聲場(chǎng)共同作用下才能產(chǎn)生，并對(duì)檢測(cè)前端進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。隨后通過(guò)電導(dǎo)率B掃描算法對(duì)中間窄縫為1mm的均勻仿體進(jìn)行分辨率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電導(dǎo)率B掃描算法的有效性，證明了本磁聲電檢測(cè)系統(tǒng)的縱向分辨率可達(dá)1 mm。該系統(tǒng)在生物組織仿體電導(dǎo)率測(cè)量方面，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、無(wú)創(chuàng)的電導(dǎo)率檢測(cè)，有望在癌癥早期診斷領(lǐng)域及癌變組織康復(fù)期監(jiān)測(cè)方面具有較大的應(yīng)用前景。