買文姝，王玉恒，殷 濤，劉志朋，張順起

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192）

0 引言

生物組織電特性（electrical properties，EPs）可反映組織的生理、病理狀態(tài)，在病變?cè)缙跁?huì)發(fā)生明顯變化，特別是腫瘤等疾病的發(fā)生早期其電特性的變化與正常組織存在較大差異[1]。因此，電特性成像可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)組織的功能性病變，實(shí)現(xiàn)腫瘤等疾病的預(yù)防和早期診斷，彌補(bǔ)傳統(tǒng)影像技術(shù)對(duì)于未發(fā)生器質(zhì)性病變的疾病早期診斷效果不理想的不足。電流激勵(lì)磁聲成像（magneto-acoustic tomography with current excitation，MAT-CE）是將微弱脈沖電流作為激勵(lì)源注入到被測(cè)組織中，檢測(cè)產(chǎn)生的聲信號(hào)，這些聲信號(hào)攜帶了物體內(nèi)部的電導(dǎo)率信息。相較于傳統(tǒng)電阻抗成像（electrical impedance tomography，EIT），電流激勵(lì)磁聲成像具有EIT 無創(chuàng)、無射線傷害、成本低、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)[2-3]，同時(shí)以超聲為載體接收信息，繼承了超聲成像高分辨力的優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，電流激勵(lì)磁聲成像具有更高的對(duì)比度和分辨力[5-6]。目前電流激勵(lì)磁聲成像中常用的聲信號(hào)采集方法是通過超聲換能器接收聲信號(hào)，經(jīng)放大后由采集裝置采集[7]。此方法的問題是在微弱信號(hào)檢測(cè)中，由于背景噪聲和干擾的存在，信號(hào)通常被埋在噪聲中，而且外界噪聲與磁聲信號(hào)同時(shí)被聲換能器采集，磁聲信號(hào)與噪聲難以分離，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)誤差，影響磁聲信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性。針對(duì)該問題有文獻(xiàn)報(bào)道使用鎖相放大方法進(jìn)行基于磁聲耦合效應(yīng)的生物電流檢測(cè)具有可行性，并可實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)精度[8]。

鎖相放大技術(shù)由于其可以在高噪聲環(huán)境中準(zhǔn)確測(cè)量微弱信號(hào)的特性[8-10]，廣泛應(yīng)用于科學(xué)和工程領(lǐng)域的測(cè)量中。鎖相放大器具有抑制噪聲和相敏檢測(cè)的能力，基本上不受零點(diǎn)漂移、正交性誤差和輸入諧波的影響[11]，可以在信號(hào)檢測(cè)時(shí)提高信噪比和聲信號(hào)采集的穩(wěn)定性和靈敏度[12-13]。為實(shí)現(xiàn)微弱磁聲信號(hào)的測(cè)量，本文設(shè)計(jì)一種基于電流激勵(lì)磁聲成像的鎖相放大檢測(cè)系統(tǒng)。

1 理論基礎(chǔ)

電流激勵(lì)磁聲成像方法的原理是，對(duì)置于靜磁場(chǎng)中的樣本施加脈沖電流，樣本在脈沖電流與靜磁場(chǎng)耦合作用下產(chǎn)生洛倫茲力[8]，在洛倫茲力的作用下，帶電粒子振動(dòng)形成聲波，在樣本外部檢測(cè)該聲信號(hào)即可重建高分辨力和高對(duì)比度的生物電特性分布，如圖1 所示。該方法將生物電導(dǎo)率分布轉(zhuǎn)化為超聲信號(hào)，超聲的直線傳播特性避免了電流彌散，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高空間分辨力的電特性功能成像。

圖1 電流激勵(lì)磁聲成像方法原理圖

洛倫茲力是電流激勵(lì)磁聲成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，洛倫茲力計(jì)算公式為

式中，F(xiàn) 為洛倫茲力；J 為注入電流密度；B 為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

設(shè)介質(zhì)樣本聲學(xué)參數(shù)均勻，未施加注入電流時(shí)，樣本介質(zhì)密度為ρ0，此時(shí)介質(zhì)的壓強(qiáng)為p0，聲波引起的密度變化為ρ，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)速度為v，聲壓為p，時(shí)間為t，則聲場(chǎng)連續(xù)性方程為

流體聲場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方程為

考慮到電刺激過程中介質(zhì)的聲波幅度、聲壓和密度變化很小，略去方程中的高階小量，使方程線性化，同時(shí)考慮線性化物態(tài)方程，聯(lián)立消去速度變量，則磁聲耦合波動(dòng)方程表示為

對(duì)上式進(jìn)行傅里葉變換，得到耦合波動(dòng)方程：

利用格林函數(shù)求解，可得到頻域磁聲信號(hào)表達(dá)式：

式中，ejω|r-r0|/c為延遲項(xiàng)，反映介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)到傳聲器距離形成的頻域內(nèi)相位的延遲；1/（4π|r-r0|）為聲波在距離上的傳輸系數(shù)，可反映在頻域的幅值信息中。因此，頻域磁聲信號(hào)即為介質(zhì)中的聲源項(xiàng)·（J×B）與延遲在信號(hào)采集點(diǎn)r0處的空間積分。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鎖相放大檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖2（a）所示，包括空間定位模塊、信號(hào)測(cè)量處理模塊和電磁聲屏蔽裝置3 個(gè)部分?？臻g定位模塊由定位精度為0.375 mm的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及控制傳聲器的夾持裝置組成，可以實(shí)現(xiàn)三維立體定位，能夠完成實(shí)驗(yàn)過程中信號(hào)接收裝置的移動(dòng)與定位。信號(hào)測(cè)量處理模塊采用雙極性激勵(lì)源（BP4610，NF，日本）產(chǎn)生刺激信號(hào)，能夠產(chǎn)生幅度相等、極性相反的正負(fù)電平，抗干擾能力較強(qiáng)。2個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×50 mm、距離125 mm 的永磁體提供強(qiáng)度為0.2 T 的穩(wěn)恒磁場(chǎng)，方向?yàn)閳D2（a）中x 軸負(fù)方向。前端采用尖端為圓錐形的聲導(dǎo)管作為聚焦裝置的低噪聲傳聲器（MPA201，BSWA，中國，靈敏度為45.7 mV/Pa）用于信號(hào)采集，如圖2（b）所示。傳聲器后接差分放大器，將放大信號(hào)輸入鎖相放大器（LI5640，NF，日本），鎖相放大器根據(jù)激勵(lì)源提供的同步參考信號(hào)提取磁聲信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集卡（PXI5922，NI，美國）采集信號(hào)幅值數(shù)據(jù)。其中，鎖相放大器電壓靈敏度為2 nV，電流靈敏度為50 fA，相位漂移在（±0.1）°以內(nèi)。電磁聲屏蔽裝置由外層厚5 mm 的銅殼、內(nèi)層厚30 mm 的波浪形吸聲海綿制成。

圖2 基于電流激勵(lì)磁聲成像的鎖相放大檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

檢測(cè)過程中，將樣本置于電磁聲屏蔽裝置內(nèi)的恒穩(wěn)磁場(chǎng)中，如圖2（a）所示。雙極性激勵(lì)源通過對(duì)稱置于樣本兩側(cè)的高10 mm、寬5 mm 的銅箔電極加載電流，使用前端帶有聚焦裝置的傳聲器拾取磁聲信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)差分放大后，提取與激勵(lì)源同頻的信號(hào)，讀取其鎖相放大后的幅值并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 材料

本研究使用均勻圓柱形仿體和新鮮離體豬肉組織樣本作為刺激和檢測(cè)目標(biāo)，所有樣本的直徑均為60 mm，厚均為10 mm。采用明膠、瓊脂、NaCl、純水制成的圓柱形仿體樣本如圖3（a）所示。新鮮離體豬肉樣本圓形截面上下兩部分具有清晰分界，由上至下分別為豬脂肪組織、瘦肉組織，如圖3（b）所示。其內(nèi)貫穿寬3 mm 的銅箔的圓柱形仿體樣本如圖3（c）所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)樣本示意圖

使用阻抗分析儀（4294A，Agilent，美國）測(cè)量20 kHz 頻率下樣本的電導(dǎo)率和相對(duì)阻抗。其中圓柱形仿體樣本電導(dǎo)率為0.5 S/m，新鮮離體豬肉樣本中瘦肉組織電導(dǎo)率約為（0.38±0.01）S/m，脂肪組織電導(dǎo)率約為（0.019±0.001）S/m。圓柱形仿體樣本的相對(duì)阻抗為164 Ω，新鮮離體豬肉樣本的相對(duì)阻抗為700 Ω，含銅箔的圓柱形仿體樣本的相對(duì)阻抗約為2 Ω。

3.2 方法

3.2.1 系統(tǒng)總體性能測(cè)量方法

在不同激勵(lì)電流下，使用本系統(tǒng)對(duì)圖3（a）所示的仿體樣本上表面圓心處進(jìn)行檢測(cè)得到對(duì)應(yīng)測(cè)量電壓值。實(shí)驗(yàn)中勻強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.2 T，激勵(lì)為連續(xù)正弦波，激勵(lì)頻率為20 kHz，激勵(lì)電壓分別為0、5、10、15、20、25、30 V，對(duì)應(yīng)激勵(lì)電流分別為0、0.030、0.061、0.091、0.122、0.152、0.183 A，信號(hào)測(cè)量前置增益為10 dB。

3.2.2 一維磁聲信號(hào)鎖相放大測(cè)量方法

（1）圓柱形仿體樣本測(cè)量方法。

將圓柱形仿體樣本置于強(qiáng)度為0.2 T 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，激勵(lì)電壓強(qiáng)度為10 V，頻率為20 kHz，經(jīng)換算激勵(lì)電流為強(qiáng)度61 mA 的正弦波，磁聲信號(hào)測(cè)量前置增益為10 dB。采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制帶有聚焦裝置的傳聲器，以5 mm 為步進(jìn)長(zhǎng)度，測(cè)量直徑為60 mm的圓形區(qū)域內(nèi)仿體樣本表面沿電極連線方向（x 方向）與中垂線方向（y 方向）的磁聲信號(hào)，其中沿電極連線方向測(cè)量范圍為-30 mm≤x≤30 mm，沿中垂線方向測(cè)量范圍為-30 mm≤y≤30 mm，經(jīng)鎖相放大后，記錄各位置處的磁聲信號(hào)鎖相放大幅值，測(cè)量示意圖如圖4 所示。

圖4 圓柱形仿體樣本測(cè)量示意圖（單位：mm）

此外，為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的一維磁聲效應(yīng)的無創(chuàng)分布檢測(cè)性能，對(duì)仿體樣本以相同的步進(jìn)長(zhǎng)度和測(cè)量范圍，采用平行雙通道電極測(cè)量仿體樣本上表面的電場(chǎng)分布，在電場(chǎng)信號(hào)采集無增益條件下，與磁聲信號(hào)鎖相放大檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

平行雙通道電極采集電信號(hào)時(shí)，測(cè)量電極絲使用2 根非鐵磁性導(dǎo)電針，其表面涂有絕緣漆，在尖端露出導(dǎo)電部分，探針間距為2 mm，如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)將電極的導(dǎo)電尖端直接插入組織，另一端連接示波器（TPS2024，Tektronix，美國），測(cè)量探針電極間的電勢(shì)差，通過計(jì)算得到該處電場(chǎng)分布及電流密度[14-15]。

圖5 平行雙通道電極

（2）新鮮離體豬肉樣本測(cè)量方法。

將具有明顯脂肪與瘦肉分界的新鮮離體豬肉樣本置于強(qiáng)度為0.2 T 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，激勵(lì)電壓強(qiáng)度為10 V，頻率為20 kHz，經(jīng)換算激勵(lì)電流為強(qiáng)度14 mA 的正弦波，磁聲信號(hào)測(cè)量前置增益為10 dB。采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制帶有聚焦裝置的傳聲器，以5 mm 為步進(jìn)長(zhǎng)度，測(cè)量直徑為60 mm的圓形區(qū)域內(nèi)新鮮離體豬肉樣本表面沿電極連線方向（x 方向）與中垂線方向（y 方向）的磁聲信號(hào)，其中x 方向測(cè)量范圍為-30 mm≤x≤30 mm，y 方向測(cè)量范圍為-30 mm≤y≤30 mm，經(jīng)鎖相放大后，記錄各位置處的磁聲信號(hào)鎖相放大幅值，測(cè)量示意圖如圖6 所示。

圖6 新鮮離體豬肉樣本測(cè)量示意圖（單位：mm）

3.2.3 二維磁聲信號(hào)鎖相放大測(cè)量方法

將含銅箔的圓柱形仿體樣本置于強(qiáng)度為0.2 T 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，激勵(lì)電壓強(qiáng)度為10 V，頻率為20 kHz，激勵(lì)電極與仿體內(nèi)部貫通的銅箔相連，電路接有99 Ω保護(hù)電阻，經(jīng)換算激勵(lì)電流為強(qiáng)度99 mA 的正弦波，磁聲信號(hào)測(cè)量前置增益為10 dB。采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制帶有聚焦裝置的傳聲器采集聲信號(hào)，以5 mm 為步進(jìn)長(zhǎng)度進(jìn)行二維空間平移，對(duì)0 mm≤x≤60 mm、0 mm≤y≤60 mm 區(qū)域中的含銅箔的圓柱形仿體樣本進(jìn)行掃描測(cè)量，經(jīng)鎖相放大后，獲得樣本表面的二維磁聲耦合聲場(chǎng)分布，測(cè)量示意圖如圖7 所示。

圖7 含銅箔圓柱形仿體樣本測(cè)量示意圖（單位：mm）

此外，為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的二維磁聲效應(yīng)的無創(chuàng)分布檢測(cè)性能，對(duì)含銅箔仿體樣本以相同的步進(jìn)長(zhǎng)度和測(cè)量范圍，采用平行雙通道電極測(cè)量仿體樣本上表面的電場(chǎng)分布，在電場(chǎng)信號(hào)采集無增益條件下，與二維磁聲信號(hào)鎖相放大檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4 結(jié)果

4.1 系統(tǒng)總體性能測(cè)量結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備精度與總體性能測(cè)量方法計(jì)算得到本系統(tǒng)的微弱磁聲信號(hào)測(cè)量精度為10-7Pa。

根據(jù)圓柱形仿體樣本50 次電壓測(cè)量結(jié)果繪制的帶誤差的折線圖如圖8 所示。結(jié)果表明，測(cè)量電壓隨激勵(lì)電流增大而近似線性增大，即本系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。另外，測(cè)量結(jié)果顯示，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0.01 A 量級(jí)激勵(lì)電流下的微弱磁聲信號(hào)檢測(cè)，測(cè)量零點(diǎn)誤差為0.09 V，標(biāo)準(zhǔn)差在0.001 V 量級(jí)。

圖8 系統(tǒng)測(cè)量電壓隨激勵(lì)電流變化的曲線圖

4.2 一維磁聲信號(hào)鎖相放大測(cè)量結(jié)果

（1）圓柱形仿體樣本測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)圓柱形仿體樣本50 次磁聲信號(hào)測(cè)量結(jié)果繪制的帶誤差棒的折線圖和柱狀圖如圖9 所示。在兩電極連線方向上，連線中點(diǎn)處磁聲信號(hào)最小，在最接近電極處磁聲信號(hào)最大，約為中點(diǎn)處的2 倍，如圖9（a）所示。在電極連線中垂線上，中點(diǎn)處磁聲信號(hào)最大，向兩側(cè)磁聲信號(hào)逐漸減小，最遠(yuǎn)處信號(hào)約為中點(diǎn)處的0.7 倍，如圖9（b）所示。通過對(duì)對(duì)應(yīng)位置磁聲信號(hào)與電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行歸一化分析，在兩電極連線方向上，電場(chǎng)信號(hào)在連線中點(diǎn)處最小，接近電極處最大，約為中點(diǎn)處的2.1 倍；在電極連線中垂線上，電場(chǎng)信號(hào)在中點(diǎn)處最大，兩側(cè)邊緣處最小，約為中點(diǎn)處的0.5 倍。即平行雙通道電極測(cè)得的電流密度分布與鎖相放大檢測(cè)方法采用聲探頭測(cè)得的聲壓分布趨勢(shì)基本相同，說明本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)組織內(nèi)電流分布與電特性的無創(chuàng)檢測(cè)。

圖9 圓柱形仿體樣本沿電極連線方向（x 方向）與中垂線方向（y 方向）測(cè)量結(jié)果圖

（2）新鮮離體豬肉樣本測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)新鮮離體豬肉樣本50 次磁聲信號(hào)測(cè)量結(jié)果繪制的帶誤差棒的折線圖如圖10 所示。在電極連線中垂線上，中點(diǎn)附近磁聲信號(hào)最大，向兩側(cè)磁聲信號(hào)逐漸減小。并且，當(dāng)中垂線上2 個(gè)測(cè)量點(diǎn)與中點(diǎn)距離相同但是分別位于瘦肉和脂肪2 個(gè)區(qū)域時(shí)，瘦肉區(qū)域測(cè)得的磁聲信號(hào)大于脂肪區(qū)域，最多相差4 倍，如圖10（b）所示，說明在電導(dǎo)率相對(duì)較高區(qū)域，電流密度更高、聲壓更強(qiáng)。此外，電導(dǎo)率相差約0.3 S/m 的新鮮離體豬肉組織中的瘦肉部分與脂肪部分可以被本系統(tǒng)分辨出來。

圖10 新鮮離體豬肉樣本沿電極連線方向（x 方向）與中垂線方向（y 方向）測(cè)量結(jié)果圖

4.3 二維磁聲信號(hào)鎖相放大測(cè)量結(jié)果

根據(jù)二維磁聲信號(hào)鎖相放大測(cè)量方法獲得的含銅箔圓柱形仿體樣本上磁聲信號(hào)鎖相放大幅值二維分布圖如圖11（a）所示，銅箔所在區(qū)域測(cè)得的磁聲信號(hào)強(qiáng)度高于其他區(qū)域，且隨與銅箔距離增加，對(duì)應(yīng)位置磁聲信號(hào)強(qiáng)度衰減增大，最多可衰減為1/27。采用平行雙通道電極測(cè)量每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處兩電極絲間的電勢(shì)差，得到含銅箔圓柱形仿體樣本上二維電場(chǎng)分布情況如圖11（b）所示，可見銅箔所在區(qū)域電場(chǎng)信號(hào)高于其他區(qū)域。即平行雙通道電極測(cè)得的電流密度分布與鎖相放大檢測(cè)方法采用聲探頭測(cè)得的二維聲壓分布趨勢(shì)基本相同，證明本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)組織內(nèi)電流分布與電導(dǎo)率的無創(chuàng)檢測(cè)。

圖11 含銅箔的圓柱形仿體樣本測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于電流激勵(lì)磁聲成像的鎖相放大檢測(cè)系統(tǒng)，相比目前報(bào)道的簡(jiǎn)單一維樣本磁聲聲源檢測(cè)振幅測(cè)量精度（10-6Pa 量級(jí)）[16]，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)微弱磁聲信號(hào)測(cè)量精度達(dá)10-7Pa，成像分辨力達(dá)5 mm，對(duì)提高微弱磁聲信號(hào)檢測(cè)靈敏度、實(shí)時(shí)提取組織中電流密度及電特性分布、推進(jìn)醫(yī)用磁聲成像設(shè)備的臨床應(yīng)用研究具有積極意義。

但本系統(tǒng)還存在一些不足：（1）由于鎖相放大根據(jù)激勵(lì)同步參考信號(hào)對(duì)應(yīng)頻率檢測(cè)的特點(diǎn)，本研究?jī)H提取單一頻率的信號(hào)幅值信息，下一步需要增加能夠?qū)崿F(xiàn)多頻率甚至寬頻域的測(cè)量方法，如采用多頻率鎖相放大器，或?qū)⑦B續(xù)波與脈沖激勵(lì)相結(jié)合，特別是編碼激勵(lì)方法，提取組織內(nèi)部信息，從而獲得樣本深度方向的聲源分布及電特性分布信息，實(shí)現(xiàn)三維的聲信號(hào)鎖相放大檢測(cè)。（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，二維圖像以5 mm 為步進(jìn)長(zhǎng)度，獲得了有限個(gè)測(cè)量點(diǎn)的二維聲場(chǎng)分布圖。為了進(jìn)行更精確的二維聲場(chǎng)成像，可以根據(jù)樣本成像要求，設(shè)置更小的測(cè)量間距，或者采用高精度聲學(xué)相機(jī)來記錄二維聲場(chǎng)分布，更快速地獲得聲場(chǎng)分布。