Page 75 - 《应用声学》2021年第1期

第 40 卷 第 1 期 刘强等： 磁纳米粒子介导的靶向剪切波弹性成像 71

其中，µ是在一个给定的轴向范围内的平均位移，M 用高斯脉冲作为激励信号，磁通密度为 0.13 T。在
是指垂直 (深度) 方向上的样点个数，N 是指时间方 求解器设置中，采用瞬态求解器来求解剪切波的传
向上的样点个数 (帧数)，c 为超声传播速度，f c 为射 播随时间的变化过程，总记录时间为 0.01 s，步长为
频信号的中心频率，I 和 Q 分别为射频信号经解调 10 −5 s。材料属性具体参数见表 1。
之后的同相和正交分量。对每个仿体用相同的激励
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方式重复多次，并将获得的多组数据叠加以提高振
ᇓጪዛዢߕѬ࣋ӝ۫
动位移检测信号的信噪比。 10
在获得各个质点的振动位移的同时，根据剪切 ᫂ए/mm 5 ᇓڤ༏ҵ
波波峰渡越时间可进一步估计出剪切波速度。为了 ᇓڤவՔ ͌ʹ
0
提高剪切波速度的精度，首先利用多角度空间方向
0 5 10 15 20 25 30 35
滤波器提取各方向上的振动信号，然后通过计算相 ᫂ए/mm
邻像素点之间的时延来拟合剪切波速度。而剪切模
图 3 二维仿真几何平面模型
量由剪切波速度转换得到，换算公式如下 [19] ： Fig. 3 Two-dimensional simulation geometric
√
G plane model
C = , (2)
ρ
表 1 材料参数表
其中，C 是剪切波速度，ρ是物体的密度，G为物体的
Table 1 Material parameters table
剪切模量。
材料参数 仿体 磁纳米粒子分布区域
1.3 基于声辐射力的剪切波弹性成像检测 杨氏模量/kPa 64; 156 64; 156

为了验证 TSWE方法的有效性，利用传统的声 磁化率 — 40
辐射力弹性成像对相同仿体的剪切模量进行检测。 泊松比 0.499999 0.499999
基于 Vantage 系统，利用线阵探头 (L7-4) 发射声辐 电导率/(S·m −1 ) 10 3 10 3
射力使得组织形变，产生并检测剪切波传播，通过公 密度/(kg·m −3 ) 1079 1089
式(1)和公式(2)可估计获得组织的弹性分布。超声
换能器发射的中心频率为4.09 MHz，激励脉冲宽度 2 结果与讨论
为300 µs，平面波成像模式探测组织振动，探测脉冲
本文重点在于探讨磁纳米粒子介导的靶向剪
的中心频率为 5 MHz，脉冲重复频率为 10 kHz，复
切波弹性成像新方法研究，以获得磁纳米粒子的
合角度个数为 5，有效探测频率为 2 kHz，探测时长
分布及其周围组织的弹性信息。首先通过传统的
为50 ms。
B-mode 成像对感兴趣 (声阻抗差异较大) 区域进行
1.4 基于COMSOL的有限元仿真 扫描，以获得纳米粒子标记的截面区域。如图 4(a)

为了更好地展示剪切波传播过程和验证方法 所示，磁性纳米粒子和非磁性纳米粒子标记的区域
的准确性，采用有限元仿真软件 (COMSOL Multi- 都显示较强的声反射信号。该结果也表明单一的结
physics) 来进行仿真，结合了磁场模块、固体力学模 构成像容易受到其他占位信息的干扰。随后，通过
块，建立了仿真的瞬态二维模型，如图 3 所示。仿 脉冲磁场激励和振动信号采集及处理，可以获得磁
体的长宽分别设置为 35 mm、15 mm，并包含有长 性纳米粒子的振动分布，并且具有很好的信噪比，如
轴3 mm、短轴1 mm的磁纳米粒子标记的椭圆形区 图 4(b) 所示。对比图 4(a) 和图 4(b)，可以清楚地定
域。仿体的密度设为1.3 g/cm 。仿体的剪切模量分 位到振源的位置，如图 4(c) 所示。在获得振源位置
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别设置为21.6 kPa和52 kPa。磁场模块主要用来给 的同时，继续对其周围组织的振动信息进行采集和
磁纳米粒子施加向上磁场，施加的磁场和实验中磁 分析。图4(d)为检测区域内各个质点的振动速度随
场大小相同，固体力学模块用来捕获仿体中剪切波 时间变化过程，其距离激励信号的时间间隔分别为
的传播。最终进行后处理可以获得剪切波传播过程， 0.5 ms、1.5 ms、2.5 ms 和 3.5 ms，结果显示出明显
进而提取剪切波速度大小。其中，对于磁场模块，采 的剪切波传播。此外，本文还对该检测过程进行仿