Способ многоимпульсной эластографии

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к многоимпульсной эластографии органа человека или животного. Способ количественного измерения по меньшей мере одного механического свойства вязкоупругой среды при наличии ультразвукового сигнала после ультразвукового облучения включает следующие этапы: определение характеристик по меньшей мере двух низкочастотных механических импульсов, генерирование указанных низкочастотных механических импульсов, мониторинг распространения по меньшей мере двух волн сдвига, сгенерированных по меньшей мере двумя низкочастотными механическими импульсами, с использованием средств приема и излучения ультразвукового сигнала в вязкоупругой среде, вычисление по меньшей мере одного механического свойства вязкоупругой среды с использованием средств приема ультразвуковых сигналов. Устройство для реализации этапов способа содержит генератор колебаний, выполненный с возможностью генерировать множество волн сдвига в вязкоупругой среде, и по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь. Использование изобретений позволяет получить более точные и надежные характеристики упругой среды посредством мониторинга распространения по меньшей мере двух волн сдвига внутри среды. 2 н. и 12 з.п. ф-лы.

 

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится к способу многоимпульсной эластографии для количественного измерения по меньшей мере одного механического свойства вязкоупругой среды при наличии ультразвукового сигнала после ультразвукового облучения. В одном не имеющем ограничительного характера применении изобретение относится к способу многоимпульсной эластографии для количественного измерения упругости и вязкости органа человека или животного, например, печеночной ткани.

Известный уровень техники

Известен способ одновременного отслеживания распространения волны сдвига низкочастотного импульса до большого количества точек в рассеивающей вязкоупругой среде. Это осуществляется посредством излучения ультразвуковых волн давления с ультравысокой скоростью для получения последовательности измерений в среде и полученные таким образом измерения затем обрабатываются в автономном режиме или возможно в реальном времени для определения движения среды во время распространения волны сдвига.

В заявке на патент № FR2843290 описано устройство для измерения упругости органа при наличии ультразвукового сигнала после ультразвукового облучения, при этом устройство содержит ультразвуковой преобразователь и исполнительный электродинамический приводной механизм, предназначенный для колебания преобразователя при низкой частоте для излучения волны сдвига в ткань. Волна сдвига имеет полосу частот, в которой известна центральная частота, при этом частоты, окружающие центральную частоту, являются исключительно затухающими, так что данные могут быть получены лишь на частотах в непосредственной близости к центральной частоте. Следовательно, выполненные измерения не могут полностью охарактеризовать ткань.

Также известна технология, называемая ARFI (акустическая импульсно-волновая) эластография, в которой ткани перемещаются под действием силы, произведенной давлением излучения, сгенерированным ультразвуковым лучом. Данное смещение соответствует генерированию касательных напряжений в тканях и приводит к распространению волны сдвига. В случае ARFI волна сдвига очень быстро затухает и в общем распространяется менее чем через одну длину волны. Сложно изучить характеристики частоты волны сдвига в данных условиях. Следовательно, ученые, которые используют данную методику, зачастую изучают время нарастания или время релаксации и амплитуды смещения (см. патент США № 2010/069751 и документ WO 2011/064688). Смещения, вызванные в тканях, могут быть модулированы посредством модулирования ультразвукового луча, другими словами, ультразвуковых излучений, например, посредством модулирования их частоты, амплитуды или интенсивности. Следовательно, некоторые команды в свою очередь предложили использовать несколько типов ультразвукового возбуждения с различными свойствами для модулирования реакций ткани относительно максимально наблюдаемого смещения, времени нарастания или времени релаксации (патент США № 2010/069751). Однако смещения ткани и, в частности, их частотное содержание не могут быть точно модулированы посредством модулирования параметров ультразвукового излучения. Смещения, сгенерированные силой вследствие давления излучения, зависят от коэффициента поглощения ткани.

Это и является тем контекстом, в котором изобретение раскрывает способ эластографии, с помощью которого возможно преодолеть недостатки известного уровня техники и, в частности, способ эластографии для быстрого получения точных количественных измерений механических свойств органа человека или животного.

Представление изобретения

Изобретение раскрывает способ многоимпульсной эластографии для количественного измерения по меньшей мере одного механического свойства вязкоупругой среды при наличии ультразвукового сигнала после ультразвукового облучения, при этом указанный способ включает следующие этапы:

- определение характеристик по меньшей мере двух механических импульсов,

- использование электродинамического приводного механизма для генерирования указанных по меньшей мере двух механических импульсов,

- мониторинг распространения по меньшей мере двух волн сдвига, сгенерированных указанными по меньшей мере двумя механическими импульсами, с использованием средств излучения и приема ультразвукового сигнала в вязкоупругой среде,

- вычисление по меньшей мере одного механического свойства указанной вязкоупругой среды с использованием указанных средств приема указанных ультразвуковых сигналов.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления по меньшей мере одна из определенных характеристик является отличной для каждого механического импульса. Характеристика механического импульса в качестве не имеющей ограничительного характера относится к центральной частоте, амплитуде, количеству периодов и/или определенному профилю времени.

Раскрытое изобретение может быть использовано для осуществления приема в импульсной эластографии, состоящей из ряда импульсов, например, с различными характеристиками, такими как различные определенные центральные частоты. В данном не имеющем ограничительного характера примере каждый импульс может быть использован для изучения полосы частот вокруг его определенной центральной частоты. Данная специальная особенность может охарактеризовать среду посредством широкого диапазона частот.

Кроме характеристик, упомянутых в предыдущей секции, способ в соответствии с изобретением может иметь одну или несколько дополнительных характеристик среди следующих, взятых отдельно или в любом технически возможном сочетании.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способа многоимпульсной эластографии способ включает этап, на котором повторяются этап генерирования, этап мониторинга и этап вычисления.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способа многоимпульсной эластографии повторение осуществляется от 1 до 1000 раз и предпочтительно от 1 до 20 раз.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способа многоимпульсной эластографии по меньшей мере одной отличной характеристикой является амплитуда.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способа многоимпульсной эластографии амплитуда каждого механического импульса составляет от 10 мкм до 10 мм, и предпочтительно от 100 мкм до 5 мм.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способа многоимпульсной эластографии по меньшей мере одной отличной характеристикой является профиль времени и/или количество периодов.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способа многоимпульсной эластографии по меньшей мере одной отличной характеристикой является центральная частота.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способа многоимпульсной эластографии центральная частота каждого механического импульса, следующего за механическим импульсом, ниже центральной частоты предыдущего механического импульса.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способа многоимпульсной эластографии центральная частота каждого механического импульса, следующего за механическим импульсом, выше центральной частоты предыдущего механического импульса.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способа многоимпульсной эластографии полосы частот по меньшей мере двух механических импульсов частично перекрываются.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способа многоимпульсной эластографии центральная частота каждого механического импульса составляет от 10 Гц до 5000 Гц, и предпочтительно от 20 Гц до 1000 Гц.

Изобретение также относится к устройству многоимпульсной эластографии, содержащему генератор колебаний, выполненный с возможностью генерировать множество механических импульсов, при этом каждый механический импульс генерирует волну сдвига в вязкоупругой среде, и по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью излучать и принимать ультразвуковые сигналы, при этом указанное устройство отличается тем, что оно выполнено с возможностью реализовации этапов способа многоимпульсной эластографии в соответствии с изобретением.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления генератор колебаний является исполнительным электродинамическим приводным механизмом и выполнен с возможностью осуществления колебания преобразователя при низкой частоте (данное колебание является механическим импульсом) для излучения волны сдвига в ткань. Следовательно, настоящее изобретение раскрывает, как характеристики управления (и, следовательно, механический импульс) данного электродинамического приводного механизма могут быть модифицированы для точного модулирования характеристик сгенерированной волны сдвига и, в частности, ее частотного содержания. Характеристики волны сдвига, сгенерированной механическим импульсом с известными характеристиками, могут быть вычислены, например, с использованием упругодинамических функций Грина.

Краткое описание графических материалов

Другие характеристики и преимущества изобретения станут понятны из следующего исключительно пояснительного и не имеющего ограничительного характера описания, которое должно быть прочтено со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:

- на фиг. 1 показана блок-диаграмма этапов способа многоимпульсной эластографии в соответствии с изобретением;

- на фиг. 2 графически проиллюстрирован пример устройства многоимпульсной эластографии в соответствии с изобретением;

- на фиг. 3 проиллюстрированы три механических импульса, каждый из которых имеет отличную центральную частоту, при этом три механических импульса были сгенерированы с использованием способа в соответствии с изобретением;

- на фиг. 4 проиллюстрированы механические импульсы с различным количеством периодов, при этом механические импульсы были сгенерированы с использованием способа в соответствии с изобретением;

- на фиг. 5 проиллюстрировано повторение трех механических импульсов, проиллюстрированных на фиг. 3.

Элементы, общие для фигур, имеют одинаковые ссылочные позиции на всех фигурах.

Подробное описание по меньшей мере одного не имеющего ограничительного характера варианта осуществления изобретения

На фиг. 1 проиллюстрирована блок-диаграмма этапов способа 100 многоимпульсной эластографии в соответствии с изобретением.

Способ 100 многоимпульсной эластографии включает, в частности, этап 101 для определения характеристик по меньшей мере двух низкочастотных механических импульсов. В данном примере по меньшей мере одна из определенных характеристик является отличной для каждого импульса.

В качестве не имеющего ограничительного характера примера механический импульс может быть охарактеризован центральной частотой, амплитудой, количеством периодов и/или определенным профилем времени.

Таким образом, во время данного этапа 101 определения оператор может, например, определить пилообразный профиль времени для первого импульса, аподизированный синусный профиль времени для второго импульса, ступенчатый профиль времени для третьего импульса, Гауссов профиль времени Гаусса для четвертого импульса и синусоидальный профиль времени для пятого импульса.

Например, синусоидальный профиль времени может быть получен с использованием формулы S(t) = A sin(2πft),

в которой:

- T ∈ [0 n T]

- T – период сигнала, T = 1/f;

- N – количество периодов, и

- A – амплитуда.

В случае механических импульсов с синусоидальным профилем времени можно изменить частоту, количество периодов и/или амплитуду. Например, амплитуда каждого механического импульса может составлять от 10 мкм до 10 мм и предпочтительно от 100 мкм до 5 мм.

В итоге, каждый механический импульс во время данного этапа 101 определения имеет отличную от других определенных механических импульсов характеристику. Другими словами, каждый определенный механический импульс отличается от другого механического импульса.

Способ 100 многоимпульсной эластографии также включает этап 102 для генерирования по меньшей мере двух механических импульсов, определенных во время предыдущего этапа 101 определения, при этом каждый из по меньшей мере двух механических импульсов генерирует волну сдвига в вязкоупругой среде так, что данная волна распространяется через данную вязкоупругую среду.

Данные механические импульсы (одинаково называемые низкочастотными импульсами) могут быть сгенерированы низкочастотным вибратором, или громкоговорителем, или любым другим типом генератора 2 колебаний (см. фиг. 2), который выполнен с возможностью генерировать множество механических импульсов, при этом каждый механический импульс генерирует низкочастотную волну сдвига в вязкоупругой среде, такой как биологическая ткань человека или животного. Этап 102 генерирования может быть запущен автоматически или вручную. Ручной запуск состоит из нажатия оператором пусковой кнопки, тогда как автоматический запуск может быть выполнен сразу после того, как вязкоупругая среда приложит давление к генератору колебаний.

Каждый из данных механических импульсов имеет определенную центральную частоту. Определенная центральная частота данных механических импульсов выбрана между минимальной частотой, которая может, например, составлять 10 Гц, и максимальной частотой, которая может, например, составлять 5000 Гц.

Способ 100 многоимпульсной эластографии также включает этап 103 для мониторинга распространения по меньшей мере двух волн сдвига в вязкоупругой среде. Данный мониторинг 103 осуществляется посредством излучения ультразвуковых сигналов в вязкоупругую среду и приема ультразвуковых сигналов, отраженных вязкоупругой средой.

Данный этап 103 мониторинга выполняется с использованием одноэлементного или многоэлементного ультразвукового преобразователя 3.

В одном не имеющем ограничительного характера примере каждый механический импульс имеет отличную определенную центральную частоту, другими словами, отличный период. Следовательно, каждый механический импульс имеет отличную полосу частот, при этом данная полоса частот формируется из центральной частоты механического импульса и частот, окружающих центральную частоту.

В качестве не имеющего ограничительного характера примера, проиллюстрированного на фиг. 3, во время использования способа в соответствии с изобретением относительно печеночной ткани:

- первая волна сдвига сгенерирована первым механическим импульсом IM1, сгенерированным низкочастотным вибратором 2, при этом определенная центральная частота данного первого механического импульса IM1 составляет 50 Гц;

- вторая волна сдвига сгенерирована низкочастотным вибратором 2, при этом вторая волна сдвига исходит из второго механического импульса IM2 с определенной центральной частотой 75 Гц;

- третья волна сдвига сгенерирована низкочастотным вибратором 2, при этом третья волна сдвига исходит из третьего механического импульса IM3 с определенной центральной частотой 100 Гц.

В данном примере частично перекрываются полосы частот механических импульсов IM1, IM2 и IM3 на источнике волн сдвига. Точнее говоря, полоса частот первого механического импульса IM1, генерирующего первую волну сдвига, частично перекрывает полосу частот второго механического импульса IM2, генерирующего вторую волну сдвига, и полоса частот второго механического импульса IM2, генерирующего вторую волну сдвига, частично перекрывает полосу частот третьего механического импульса IM3, генерирующего третью волну сдвига. Следовательно, общая полоса частот формируется из суммы трех полос частот. Данная общая полоса частот может охарактеризовать печеночную ткань более точно, чем меньшая полоса частот.

В данном примере каждый механический импульс (механический импульс IM2, генерирующий вторую волну сдвига), следующий за механическим импульсом (механическим импульсом IM1, генерирующим первую волну сдвига), имеет более высокую центральную частоту, чем центральная частота предыдущего механического импульса (механического импульса IM1, генерирующего первую волну сдвига).

Следует отметить, что данный вариант осуществления не имеет ограничительного характера, и в одном варианте осуществления способа 100 многоимпульсной эластографии в соответствии с изобретением (не показанным) каждый механический импульс (механический импульс IM2, генерирующий вторую волну сдвига), следующий за механическим импульсом (механическим импульсом IM1, генерирующим первую волну сдвига) имеет более низкую центральную частоту, чем центральная частота предыдущего механического импульса (механического импульса IM1, генерирующего первую волну сдвига). Данный вариант осуществления имеет преимущество в том, что две последующие волны сдвига не взаимоискажают друг друга. Волна сдвига затухает быстрее с увеличением частоты. Таким образом, если центральная частота первого импульса IM1, генерирующего первую волну сдвига, составляет порядка 100 Гц, другими словами, превышает центральную частоту (75 Гц) второго импульса IM2, генерирующего вторую волну сдвига, тогда первая волна сдвига будет затухать быстрее, чем вторая волна сдвига, таким образом, снижая вероятность искажения между двумя волнами сдвига.

В отличном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 4, каждый определенный механический импульс может иметь отличное количество периодов. Например, первый импульс IM11 имеет один период, второй импульс IM12 имеет два периода и третий импульс IM13 имеет три периода.

Способ 100 многоимпульсной эластографии также включает этап 104 для вычисления по меньшей мере одного механического свойства вязкоупругой среды посредством приема ультразвуковых сигналов. Данный этап вычисления может быть выполнен после завершения этапа 103.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления способ 100 многоимпульсной эластографии также включает этап 105 повторения, состоящий из повторения по меньшей мере один раз этапа 102 генерирования, этапа 103 мониторинга и этапа 104 вычисления.

Повторение 105 этапа 102 генерирования выполняется по меньшей мере один раз, как проиллюстрировано в качестве примера на фиг. 5. В данном случае три импульса и, следовательно, три волны сдвига генерируются дважды в вязкоупругой среде.

В отличном варианте осуществления повторение 105 выполняется 20 раз. Если характеристика, которая изменяется для каждого импульса, генерирующего волну сдвига, является частотой, тогда ограниченное количество раз является достаточным для охвата достаточной полосы частот для того, чтобы охарактеризовать биологическую ткань, тогда как ограничение по времени осуществляется для обеспечения того, чтобы биологическая ткань не двигалась, например, вследствие внутренних биологических движений, таких как дыхание.

В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления повторение 105 этапов 102, 103 и 104 генерирования, мониторинга и вычисления запускается автоматически. Другими словами, оператор, использующий устройство 1 многоимпульсной эластографии со способом 100 в соответствии с изобретением, не обязан запускать этап 105 повторения, поскольку данный этап 105 запускается автоматически. Другими словами, оператор может предопределить количество повторений 105 перед началом способа 100 многоимпульсной эластографии.

В отличном варианте осуществления повторение 105 этапов генерирования, мониторинга и вычисления запускается вручную, другими словами, оператором.

Следовательно, раскрытое изобретение предоставляет средства осуществления приема в эластографии типа транзиентной эластографии управления частотой колебаний (VCTE), состоящей из ряда импульсов, например, сгенерированных при отличных центральных частотах между минимальной частотой и максимальной частотой. Например, каждый импульс может быть использован для изучения полосы частот вокруг ее центральной частоты. Полную характеризацию среды относительно диапазона, сформированного между минимальной частотой и максимальной частотой, получают посредством сопоставления результатов, полученных относительно каждой полосы частот.

В частности, способ 100 в соответствии с изобретением может быть использован для:

- исследования широкого диапазона частот (полной характеризации среды),

- управления используемыми частотами,

- объединения информации, полученной при нескольких отличных частотах,

- выполнения быстрого и недорогого осмотра (по сравнению с MRI),

- использования фиксированного датчика, оснащенного преобразователем, между различными средствами приема (снижения изменяемости точки измерения),

- изменения минимальных и максимальных частот в зависимости от изучаемой среды,

- изменения количества периодов,

- изменения амплитуды волн сдвига,

- изменения формы импульса.

Изобретение также относится к устройству 1 многоимпульсной эластографии, содержащему генератор 2 колебаний, выполненный с возможностью генерировать множество механических импульсов, генерирующих множество волн сдвига, и по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь 3, выполненный с возможностью излучать и принимать ультразвуковые сигналы. Устройство 1 может быть использовано для реализации этапов способа 100 многоимпульсной эластографии в соответствии с изобретением, другими словами, устройство 1 может быть использовано для:

- определения 101 характеристик по меньшей мере двух механических импульсов через человеко-машинный интерфейс HMI 5, при этом каждый механический импульс генерирует волну сдвига, по меньшей мере одна из определенных характеристик может быть отличной для каждого механического импульса; данные характеристики могут быть введены оператором с использованием клавиатуры,

- генерирования 102 по меньшей мере двух определенных механических импульсов посредством генератора 2 колебаний, генерирующих по меньшей мере две волны сдвига в вязкоупругой среде,

- мониторинга 103 распространения в вязкоупругой среде посредством ультразвукового преобразователя 3 по меньшей мере двух волн сдвига посредством средств излучения и приема ультразвукового сигнала,

- вычисления 104 по меньшей мере одного механического свойства вязкоупругой среды посредством средств приема ультразвукового сигнала с использованием компьютера 4.

Следует отметить, что на протяжении данного описания во время этапа 101 для определения характеристик по меньшей мере двух низкочастотных механических импульсов по меньшей мере одна характеристика каждого из механических импульсов является отличной. Очевидно, что изобретение не ограничено данным вариантом осуществления и может включать этап 101 для определения характеристик по меньшей мере двух низкочастотных механических импульсов, во время которого характеристики по меньшей мере двух низкочастотных механических импульсов являются идентичными. Некоторые вязкоупругие среды имеют очень длительное время релаксации (другими словами, время возвращения к равновесию). Следовательно, в данном случае среда не имеет времени возвращения к равновесию между различными импульсами. Таким образом, информация относительно вязкоупругих свойств среды может быть получена посредством изучения распространения волн сдвига, сгенерированных последовательно несколькими подобными импульсами.

1. Способ (100) многоимпульсной эластографии для количественного измерения по меньшей мере одного механического свойства вязкоупругой среды при наличии ультразвукового сигнала после ультразвукового облучения, при этом указанный способ (100) включает следующие этапы:

определение (101) характеристик по меньшей мере двух низкочастотных механических импульсов,

генерирование (102) указанных по меньшей мере двух низкочастотных механических импульсов, для которых определены характеристики в вязкоупругой среде,

мониторинг (103) распространения по меньшей мере двух волн сдвига, сгенерированных указанными по меньшей мере двумя низкочастотными механическими импульсами, с использованием средств приема и излучения ультразвукового сигнала в указанной вязкоупругой среде,

вычисление (104) по меньшей мере одного механического свойства указанной вязкоупругой среды с использованием указанных средств приема указанных ультразвуковых сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из определенных характеристик является отличной для каждого низкочастотного механического импульса.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что включает этап (105), на котором повторяют этап (102) генерирования, этап (103) мониторинга и этап (104) вычисления.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что повторение (105) осуществляют от 1 до 1000 раз, предпочтительно от 1 до 20 раз.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одной отличной характеристикой является амплитуда.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что амплитуда каждого низкочастотного механического импульса составляет от 10 мкм до 10 мм, предпочтительно от 100 мкм до 5 мм.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одной отличной характеристикой является профиль времени.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одной отличной характеристикой является количество периодов.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одной отличной характеристикой является центральная частота.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что центральная частота каждого низкочастотного механического импульса, следующего за низкочастотным механическим импульсом, ниже центральной частоты предыдущего механического импульса.

11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что центральная частота каждого низкочастотного механического импульса, следующего за низкочастотным механическим импульсом, выше центральной частоты предыдущего низкочастотного механического импульса.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полосы частот по меньшей мере двух низкочастотных механических импульсов частично перекрываются.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что центральная частота каждого низкочастотного механического импульса составляет от 10 до 5000 Гц, предпочтительно от 20 до 1000 Гц.

14. Устройство (1) многоимпульсной эластографии, содержащее генератор (2) колебаний, выполненный с возможностью генерировать множество волн сдвига в вязкоупругой среде, и по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь (3), выполненный с возможностью излучать и принимать ультразвуковые сигналы, при этом указанное устройство (1) отличается тем, что оно выполнено с возможностью реализации этапов способа (100) многоимпульсной эластографии по любому из предыдущих пп. 1-13.