超声弹性显微镜成像系统开发与应用的初步研究

　　1 引 言

　　生物软组织的生理病理变化往往导致组织硬度或弹性及其它力学特性的改变 [1] 。通过对组织弹性的测量, 可以判断组织内部的力学特性和生理病理状态。触诊是诊断病变区域弹性模量变化的传统方法, 但这种方法仅限于确诊表层附近的肿瘤。

　　传统的第 2 期施俊等: 超声弹性显微镜成像系统开发与应用的初步研究医学成像包括 MRI、CT 以及 B 超都不能直接对组织弹性模量成像, 不能诊断某些病变的存在及确定其区域。超声弹性成像(Elastography) 是 20 世纪 90 年代初发展起来的一种组织弹性定征方法 [1] , 它将组织局部弹性模量等信息定量化, 具有实时在体和局部成像的优点, 有着重要的应用价值。超声弹性成像技术的基本原理是采用某种机械扰动( 振动或加压)来激励组织运动, 利用超声对组织运动参量进行提取及成像 [2] 。超声弹性成像技术一般使用 1MHz- 10MHz 的超声波 [3] ( 普通 B 超探头所用的声波也在此频段范围内), 这一频段超声波的空间分辨率在毫米量级, 不能满足对生物组织中微细结构( 如皮肤层, 关节软骨等)的研究。光学成像技术可以研究关节软骨的机械属性, 其方法是对软骨进行加压、拉伸、生理盐水浸泡膨胀等处理, 利用光学显微镜来成像 [4,5] 。但是光学显微镜成像技术要求样品必须是有损的, 因为只有样品的切面才可以成像, 这就破坏了样品原有的完整性, 不能表征其真实的机械属性。近年来, 纳米压痕 (Nanoindentation) 技术也已经被用来研究生物组织 (如骨头、脊柱、关节软骨)的细微机械属性 [6,7] 。

　　但是纳米压痕成像方法不能提供组织不同深度的机械属性, 而且样品的表面情况对其测量结果影响很大 [7] 。超声显微镜常使用 20MHz-100MHz 的超声波, 其轴向分辨率大约在 100!m-20!m, 目前广泛的应用于眼睛、皮肤、血管、关节等部分的研究中。而目前报道的关于二维高频超声轴向加压弹性成像技术的文献还很少, 基本是理论或仿真研究 [8-12] 。经过努力, 我们已经自行研发了一套一维超声弹性测量系统, 并对关节软骨的机械属性进行了大量研究 [13,14] 。在此基础上, 又开发了二维超声弹性显微镜系统, 并进行了初步研究 [15,16] 。文中将介绍一套自行开发的高分辨率二维超声弹性显微镜成像系统, 并将其应用于关节软骨和老鼠表皮的初步研究中。

　　2 系统设计

　　二维超声弹性显微镜成像系统由两部分组成: 加压系统和背向散射超声显微镜系统, 图 1 所示为二维超声弹性显微镜成像系统的具体结构。加压系统由样品放置平台、测力传感器和一个坚硬的固定承载板组成, 其中样品平台可以人工调节其上下位置, 它的底部和测力传感器相连, 实验时样品夹在样品平台和承载板之间。当向上移动平台对样品加压时, 样品受到的压力由压力传感器测量。由于样品平台的自身重力以及样品重力等因素会影响压力传感器测量样品实际受到的压力, 所以需要进行严格的校准工作( 在样品平台上放置不同重量的物体进行各种校准测试)。超声显微镜系统由聚焦宽带超声探头、宽带超声脉冲发射/接收器、步进电机、数字示波器和计算机组成。