超声激发生物组织声发射的原理及应用

超声激发生物组织声发射的原理及应用

何培忠1,2   段世梅1  夏荣民1   寿文德1

(1   上海交通大学生物医学工程系 上海   200030)

(2   徐州师范大学物理系 徐州    221009)

摘  要  介绍一种利用双频共焦超声波获取组织内部特性信息的新方法一超声激发声发射(USAE)。本文着重说明了USAE的基本工作原理，然后介绍了USAE在医学成像和组织无损测温两方面的重要应用。最后指出了一些有待研究的问题。

The principle and applications of ultrasound-stimulated acoustic emission in tissue

HE Pei-Zhong1,2              DUAN Shi-Mei1             XIA Rong-Min1             SHOU Wen—De1

(1 Department of Biomedical Engineering,Shanghai Jiaotong Univ．， Shanghai 200030)

(2 Physics Department ofXuzhou Normal Univ．，Xuzhou 221009)

Abstract  A new method called Ultrasound—stimulated acoustic emission(USAE)iS introduced．which uses confocal bi-frequency ultrasound waves to obtain some information of tissue properties．The basic principle of USAE is explained emphatically,and then two important applications of USAE in medical imaging and in noninvasive measurement of tissue temperature

are presented．Finally,some problems to be studied are raised．

Key words  Ultrasound-stimulated acoustic emission(USAE)，Vibro-acoustography,

                Noninvasive measurement of tissue temperature

人们早就知道，组织的软硬(Stiffness)或弹性(elasticity)反映了组织的病理特性。因此，对组织弹性信息的检测有助于疾病的诊断。传统医学诊断中的触诊、叩诊都是这一原理的应用，但有很大的局限性[1]。主要表现在一是无法探测到深层组织内的信息；二是诊断结果受医生定性的主观经验影响太大，不能定量检测组织信息。1991年J．Ophir等人提出了一种新方法用于对软组织的应变(Strain)和弹性模量(Elastic modulus)分布进行定量成像，并定义为弹性成像(Elastography)[2]。他们利用超声波提取受内力或外力作用的人体组织内的位移信息，然后用互相关(Cross—correlation)方法计算出声轴方向上的应变和弹性模量分布，并进行成像。1993年I．Cespedes和J．Ophir等人第一次将弹性成像方法用于对乳房组织进行在体(in vivo)成像，得到了乳房组织内肿瘤的图像，效果较好[3]。此后，众多的研究人员对超声弹性成像进行了多方面的研究[4~6]。1999年，R．Righetti，F．KaUel等人把超声弹性成像用于对HIFU治疗导致的组织热损伤进行实时检测，取得了可喜的成果[7,8]。初步的试验结果表明，超声弹性成像可能成为监测热疗过程的有效而廉价的方法。然而，尽管从原理上讲利用内力(如心脏跳动和呼吸器官的扩展与收缩)和施加外力都可以使特定组织发生形变，但人与人之间巨大的个体差异使内力对特定组织作用的规律很难把握。所以绝大多数有关超弹性成像的研究都是采用在体外给组织外加一个准静态力的方法，使特定组织产生一定的形变。由于人体组织本身结构和特性的复杂性以及位于体内不同的位置等因素的影响，使得施加外力的形式、大小以及作用方式的选择非常困难。此外体内运动器官(心脏、呼吸等)对被测组织运动状态的影响也很难避免。所以超声弹性成像技术的临床应用还有待时日。

1998年，美国人Fatemi和Greenleaf提出了一种获得组织内部特性信息的新方法一超声激发声发射(Ultrasound—Stimulated Acoustic Emission，USAE)，并把USAE用于对生物组织特性进行成像，得到了令人鼓舞的结果[9]。

声发射原本是指材料或构件受到内力或外力作用产生形变或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象[10]。各种材料声发射的弹性波频率范围依材料性质不同可以从次声频、声频到超声频，因此声发射也称为应力波发射。由于这种应力波信号中包含有材料或构件内缺损、损伤以及裂缝等动态信息，所以声发射检测也成为一种重要的动态无损检测方法。