多脈沖彈性成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多脈沖彈性成像方法(100)，用于定量測量經(jīng)超聲波照射后發(fā)出超聲波信號的粘彈性介質(zhì)的至少一種機械特性，所述方法(100)包括以下步驟：-確定(101)至少兩個機械脈沖的特性，-在粘彈性介質(zhì)中產(chǎn)生(102)所述至少兩個機械脈沖，-通過發(fā)射和采集超聲波信號，監(jiān)測(103)所述至少兩個機械脈沖產(chǎn)生的至少兩個剪切波在粘彈性介質(zhì)中的傳播，-以及通過所述超聲波信號的采集，計算(104)所述粘彈性介質(zhì)的至少一個機械特性。
【專利說明】多脈沖彈性成像方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多脈沖彈性成像方法，用于定量測量經(jīng)超聲波照射后發(fā)出超聲波 信號的粘彈性介質(zhì)的至少一種機械特性。在一種非限制性應(yīng)用中，本發(fā)明涉及一種多脈沖 彈性成像方法，用于定量測量人或動物器官如肝臟組織的彈性和黏性。

【背景技術(shù)】
[0002] 人們已知一種用于在漫射粘彈性介質(zhì)的多個點上同時觀察低頻剪切脈沖波傳播 的方法。為此，需要發(fā)射超高速壓縮超聲波，以便獲得一系列介質(zhì)測量值，然后延時甚至實 時處理所得的測量值，從而測定剪切波傳播時介質(zhì)的運動。
[0003] 專利申請FR2843290描述了一種裝置，用于測量經(jīng)超聲波照射后發(fā)出超聲波信號 的器官的彈性，該裝置包括一個超聲換能器以及一個電動伺服致動器，可以使換能器產(chǎn)生 低頻振動，進而在組織中發(fā)射剪切波。剪切波具有一個中心頻率已確定的頻帶，該中心頻率 附近的頻率會大幅度衰減，從而只能獲得非常接近中心頻率處的數(shù)據(jù)。這樣的結(jié)果是，不能 通過所進行的測量對組織進行全面表征。
[0004] 還存在一項被稱為超聲輻射力彈性成像（還縮寫成ARFI)的技術(shù)，利用該技術(shù)，通 過超聲波束產(chǎn)生的輻射壓力的作用可以使組織運動。通過運動在組織中產(chǎn)生剪切應(yīng)力，并 且表現(xiàn)為剪切波的傳播。在ARFI中，該剪切波迅速地衰減，并且通常傳播至少一個波長。在 這種情況下，很難對剪切波的頻率特性進行研究。所以使用這種技術(shù)的科學(xué)家們通常側(cè)重 于上行或弛豫時間以及位移幅度的研究（參見專利US2010/069751和WO2011/064688)。 通過調(diào)節(jié)超聲波束，也就是說，超聲波的發(fā)射，例如頻率、振幅或速度，可以調(diào)節(jié)在組織中所 產(chǎn)生的位移。所以，某些團隊還連續(xù)采用多種具有不同性質(zhì)的超聲波激勵，以便調(diào)節(jié)組織對 于觀測到的最大位移、上行時間和弛豫時間的響應(yīng)（參見專利US2010/069751)。然而，通過 超聲波發(fā)射參數(shù)調(diào)節(jié)不能精確地調(diào)節(jié)組織的位移尤其是其頻率成分。輻射壓力所產(chǎn)生的位 移其實取決于組織的吸收系數(shù)。
[0005] 在此背景下，本發(fā)明旨在提供一種彈性成像方法來克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，特別是 提供一種彈性成像方法，用于快速實現(xiàn)人或動物器官機械性能的精確定量測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為此，本發(fā)明提供了一種多脈沖彈性成像方法，用于定量測量經(jīng)超聲波照射后發(fā) 出超聲波信號的粘彈性介質(zhì)的至少一種機械特性，所述方法包括以下步驟：
[0007]-確定至少兩個機械脈沖的特性，
[0008]-利用電動致動器產(chǎn)生所述至少兩個機械脈沖，
[0009]-通過發(fā)射和采集超聲波信號，監(jiān)測所述至少兩個機械脈沖產(chǎn)生的至少兩個剪切 波在粘彈性介質(zhì)中的傳播，
[0010] -通過所述超聲波信號的采集，計算所述粘彈性介質(zhì)的至少一個機械特性。
[0011] 在一個非限制性實施方式中，每個機械脈沖的至少一個特性是不同的。非限制性 地，機械脈沖的特性包括振幅、周期數(shù)和/或測定的時間曲線。
[0012] 所申請的發(fā)明用于實現(xiàn)多脈沖彈性成像，其由一系列具有例如不同特性的脈沖組 成，如所測定的不同的中心頻率。在非限制性實施例中，每個脈沖可以用于研究所測定的中 心頻率附近的頻帶。這一特殊性可用于在較大的頻率范圍內(nèi)對介質(zhì)進行表征。
[0013] 除了上文中提到的特征外，根據(jù)本發(fā)明的方法可能還具有一個或多個下列其它特 征，可以單獨應(yīng)用或進行任何可行的技術(shù)組合。
[0014] 在所述多脈沖彈性成像方法的非限制性實施方式中，該方法包括脈沖產(chǎn)生步驟、 監(jiān)測步驟和計算步驟的再重復(fù)步驟。
[0015] 在所述多脈沖彈性成像方法的非限制性實施方式中，進行1-1000次的再重復(fù)，優(yōu) 選為1-20次。
[0016] 在所述多脈沖彈性成像方法的非限制性實施方式中，所述至少一種不同的特性為 振幅。
[0017] 在所述多脈沖彈性成像方法的非限制性實施方式中，所述每個機械脈沖的振幅在 10μm至IOmm之間,優(yōu)選為在100μm至Ij5mm之間。
[0018] 在所述多脈沖彈性成像方法的非限制性實施方式中，所述至少一個不同的特性為 時間曲線和/或周期數(shù)。
[0019] 在所述多脈沖彈性成像方法的非限制性實施方式中，所述至少一個不同的特性為 中心頻率。
[0020] 在所述多脈沖彈性成像方法的非限制性實施方式中，下一個機械脈沖的中心頻率 比前一個機械脈沖的中心頻率低。
[0021] 在所述多脈沖彈性成像方法的非限制性實施方式中，下一個機械脈沖的中心頻率 比前一個機械脈沖的中心頻率高。
[0022] 在所述多脈沖彈性成像方法的非限制性實施方式中，所述至少兩個機械脈沖是頻 帶部分重疊的。
[0023] 在所述多脈沖彈性成像方法的非限制性實施方式中，每個機械脈沖的中心頻率在 IOHz到5000Hz之間，優(yōu)選為在20Hz到IOOOHz之間。
[0024] 本發(fā)明還涉及一種多脈沖彈性成像裝置，其包括一個用于產(chǎn)生多個機械脈沖的振 動發(fā)生器，每個機械脈沖可以在粘彈性介質(zhì)中產(chǎn)生一個剪切波，還包括至少一個超聲換能 器，用于發(fā)射和采集超聲信號，所述裝置的特征在于，它用于實施根據(jù)本發(fā)明的多脈沖彈性 成像方法的各個步驟。
[0025] 在一個非限制性的實施方式中，所述振動發(fā)生器是一個電動伺服致動器，并且用 于使換能器產(chǎn)生低頻振動（該振動即為機械脈沖），以便在組織中發(fā)射剪切波。因此，本發(fā) 明提出了改進該電動致動器（機械脈沖）的控制特征，以便精確調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的剪切波的特 性，特別是它的頻率成分。由已知性質(zhì)的機械脈沖所產(chǎn)生的剪切波，其特性是已知的，它們 可以通過彈性動力學(xué)中的格林函數(shù)計算得到。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將結(jié)合附圖，通過下述示例性并且是非限制性的說明予 以詳細闡述，其中：
[0027] 圖1表示根據(jù)本發(fā)明的多脈沖彈性成像方法的各步驟方框圖；
[0028] 圖2表示根據(jù)本發(fā)明的多脈沖彈性成像裝置的一個實施例的方框圖；
[0029] 圖3表示每個均具有不同中心頻率的三個機械脈沖的示意圖，這三個機械脈沖是 根據(jù)本發(fā)明所述方法產(chǎn)生的；
[0030] 圖4表示具有不同周期數(shù)的機械脈沖的示意圖，這些機械脈沖是根據(jù)本發(fā)明所述 方法產(chǎn)生的；
[0031] 圖5表示圖3所示三個機械脈沖的再重復(fù)步驟。
[0032] 在所有附圖中，相同內(nèi)容采用相同的標號。

【具體實施方式】
[0033] 圖1表示根據(jù)本發(fā)明的多脈沖彈性成像方法100的各步驟方框圖。
[0034] 多脈沖彈性成像方法100主要包括步驟101，其確定至少兩個低頻機械脈沖的特 性。在本實施例中，所確定的每個機械脈沖的至少一個特性是不同的。
[0035] 非限制性地，可以利用中心頻率、振幅、周期數(shù)和/或時間曲線表征一個機械脈 沖。
[0036] 因此，實施此確定步驟101時，操作員可以確定例如第一脈沖的斜線型時間曲線、 第二脈沖的正弦型切趾時間曲線、第三脈沖的方脈沖型時間曲線、第四三脈沖的高斯型時 間曲線以及第五三脈沖的正弦型時間曲線。
[0037] 作為示例，根據(jù)下述公式可以確定正弦型時間曲線：S(t)=Asin(2πft)
[0038]其中：
[0039] -te [0ηΤ]
[0040] -T為信號周期，T=1/f
[0041]_n為周期數(shù)，
[0042]-A為振幅。
[0043] 在機械脈沖的時間曲線為正弦型的情況下，可以改變頻率、周期數(shù)和/或振幅。例 如，每個脈沖的振幅可能在10μm到IOmm之間，優(yōu)選為在100μm到5mm之間。
[0044] 總之，在確定步驟101中，每個脈沖具有與所確定的其它機械脈沖不同的機械特 性。換言之，即所確定的每個機械脈沖均與所確定的其它機械脈沖不同。
[0045] 多脈沖彈性成像方法100還包括脈沖產(chǎn)生步驟102,其在確定步驟101后產(chǎn)生至少 兩個已確定的機械脈沖，所述至少兩個機械脈沖均在粘彈性介質(zhì)中產(chǎn)生一個剪切波，從而 使該波在粘彈性介質(zhì)中傳播。
[0046] 這些機械脈沖（也可以稱為低頻脈沖）可以通過揚聲器或任何其它類型的振動發(fā) 生器2 (參見圖2)來產(chǎn)生，用于產(chǎn)生多個機械脈沖，每個機械脈沖均在粘彈性介質(zhì)如人或動 物的生物組織中產(chǎn)生低頻剪切波。"脈沖產(chǎn)生步驟脈沖產(chǎn)生步驟102可以自動或手動啟動"。 操作員按下啟動按鈕進行手動啟動，或者當粘彈性介質(zhì)向振動發(fā)生器產(chǎn)生壓力時直接自動 啟動。
[0047] 這些機械脈沖均具有特定的中心頻率。這些機械脈沖的特定中心頻率選自最低頻 率如IOHz到最高頻率如5000Hz之間。
[0048] 多脈沖彈性成像多脈沖彈性成像方法100還包括監(jiān)測步驟103,其監(jiān)測所述至少 兩個剪切波在粘彈性介質(zhì)中的傳播。監(jiān)測步驟103通過在粘彈性介質(zhì)中發(fā)射超聲波信號并 采集經(jīng)粘彈性介質(zhì)反射的超聲波信號來實現(xiàn)。
[0049] 監(jiān)測步驟103利用單元式或多元式超聲換能器3來實現(xiàn)。
[0050] 在一個非限制性實施例中，每個機械脈沖均具有不同的特定中心頻率。所以，每個 機械脈沖均具有不同的頻帶，該頻帶由機械脈沖的中心頻率和中心頻率的周圍頻率構(gòu)成。
[0051] 在圖3所示的非限制性實施例中，在肝臟組織中實施根據(jù)本發(fā)明的方法時：
[0052]-低頻振動器2產(chǎn)生第一剪切波，該第一剪切波是由第一機械脈沖頂1所產(chǎn)生的， 其特定中心頻率為50Hz;
[0053]-低頻振動器2產(chǎn)生第二剪切波，該第二剪切波是由第二機械脈沖頂2所產(chǎn)生的， 其特定中心頻率為75Hz;
[0054]-低頻振動器2產(chǎn)生第三剪切波，該第三剪切波是由第三機械脈沖頂3所產(chǎn)生的， 其特定中心頻率為IOOHz。
[0055] 在該實施例中，由產(chǎn)生剪切波的機械脈沖頂1、頂2和頂3的頻帶部分重疊。具體 地說，產(chǎn)生第一剪切波的第一機械脈沖頂1的頻帶與產(chǎn)生第二剪切波的第二機械脈沖頂2 的頻帶部分重疊，而產(chǎn)生第二剪切波的第二機械脈沖頂2的頻帶與產(chǎn)生第三剪切波的第三 機械脈沖頂3的頻帶部分重疊。因此，總頻帶為三個頻帶的總和。與較窄的頻帶相比，該總 頻帶可以對肝組織進行更為精確地表征。
[0056] 在該實施例中，在上一個機械脈沖（產(chǎn)生第一剪切波的機械脈沖頂1)之后的下一 個機械脈沖（產(chǎn)生第二剪切波的機械脈沖頂2)的中心頻率大于上一個機械脈沖（產(chǎn)生第 一剪切波的機械脈沖頂1)的中心頻率。
[0057] 需要強調(diào)的是，該實施方式是非限制性的。因此，在根據(jù)本發(fā)明所述的多脈沖彈性 成像方法100中未能詳細闡述的其它實施方式中，在上一個機械脈沖（產(chǎn)生第一剪切波的 機械脈沖頂1)之后的下一個機械脈沖（產(chǎn)生第二剪切波的機械脈沖頂2)的中心頻率低于 上一個機械脈沖（產(chǎn)生第一剪切波的機械脈沖頂1)的中心頻率。這種實施方式的優(yōu)點在于 兩個連續(xù)的剪切波不會相互干擾。事實上，頻率越高，剪切波則衰減越快。因此，如果產(chǎn)生 第一剪切波的第一脈沖頂1的中心頻率約為100Hz，即高于產(chǎn)生第二剪切波的第二脈沖IM2 的中心頻率（75Hz)，那么第一剪切波將比第二剪切波更快地衰減，從而降低兩個剪切波之 間的干擾風(fēng)險。
[0058] 在如圖4所示的另一個實施方式中，所確定的每個機械脈沖均具有不同的周期 數(shù)。例如，第一脈沖IMll為一個周期，第二脈沖IM12為兩個周期，第三脈沖IM13為三個周 期。
[0059] 多脈沖彈性成像方法100還包括計算步驟104,其通過采集超聲波信號計算粘彈 性介質(zhì)中的至少一個機械特性。該計算步驟可以在步驟103完成后進行。
[0060] 在一個非限制性實施方式中，該多脈沖彈性成像方法100還包括再重復(fù)步驟105， 其包括重復(fù)脈沖產(chǎn)生步驟102、監(jiān)測步驟103和計算步驟104至少一次。
[0061] 在如圖5所示的實施例中，脈沖產(chǎn)生步驟102的再重復(fù)步驟105進行一次。在這 種情況下，三個脈沖及其三個剪切波在粘彈性介質(zhì)中發(fā)生兩次。
[0062] 在另一個實施例中，再重復(fù)步驟105進行20次。對于產(chǎn)生剪切波的每個脈沖而 言，如果其變化的特性是頻率時，所限定的再重復(fù)次數(shù)能夠足以覆蓋整個頻帶，從而在一定 時間內(nèi)表征生物組織，以防止生物組織移動，例如由呼吸等生物內(nèi)部運動造成的移動。
[0063] 在一個非限制性的實施方式中，脈沖產(chǎn)生步驟102、監(jiān)測步驟103和計算步驟104 的再重復(fù)步驟105是自動啟動的。換句話說，使用根據(jù)本發(fā)明方法100的多脈沖彈性成像 裝置1的操作員不需要啟動再重復(fù)步驟105,該步驟105會被自動啟動。即步驟105的重復(fù) 次數(shù)可以由操作員在啟動多脈沖彈性成像法100之前預(yù)先設(shè)定。
[0064] 在另一個實施例中，脈沖產(chǎn)生步驟、監(jiān)測步驟和計算步驟的再重復(fù)步驟105是手 動啟動的，即由操作員啟動。
[0065] 因此，所申請的發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)受控振動式多脈沖彈性成像型多脈沖彈性成像（也 可以縮寫為VCTE)，其由所產(chǎn)生的一系列脈沖構(gòu)成，例如，最小頻率和最大頻率之間的不同 中心頻率。例如每個脈沖可以檢測出一個其中心頻率周圍的頻帶。而且，針對每個頻帶所 得的結(jié)果，可以實現(xiàn)介質(zhì)在最低和最1?步驟范圍內(nèi)的全面表征。
[0066] 根據(jù)本發(fā)明的方法100特別適用于：
[0067] 探察一個較寬的頻率范圍（對介質(zhì)的全面表征），
[0068] -控制所使用的頻率，
[0069]-對幾個不同頻率下接收到的信息進行組合，
[0070]-實施快速和低成本的檢查（相對于IRM)，
[0071]-不能在不同采集點之間移動的配有換能器的探頭（降低測量點的易變性），
[0072]-根據(jù)所探查的介質(zhì)改變最低和最高頻率限值，
[0073]-改變周期數(shù)，
[0074]-改變剪切波的振幅，
[0075]-改變脈沖的波形。
[0076] 本發(fā)明還涉及一種多脈沖彈性成像裝置1，其包括一個振動發(fā)生器2,用于產(chǎn)生多 個機械脈沖，從而產(chǎn)生多個剪切波，還包括至少一個超聲換能器3,用于發(fā)射和采集超聲波 信號。該裝置1用于實施根據(jù)本發(fā)明的多脈沖彈性成像法100的各個步驟，即裝置1特別 適合于：
[0077]-確定101，利用人機交互界面IHM5確定至少兩個機械脈沖的特性，每個機械脈 沖的至少一個所確定的特性可能是不同的，這些特性可以由操作員利用鍵盤進行輸入。
[0078]-產(chǎn)生102,利用振動發(fā)生器2,產(chǎn)生至少兩個所確定的機械脈沖，其可以在粘彈性 介質(zhì)中產(chǎn)生至少兩個剪切波，
[0079]-監(jiān)測103,利用超聲換能器3,通過發(fā)射和采集超聲波信號，監(jiān)測至少兩個剪切波 在粘彈性介質(zhì)中的傳播，
[0080]-計算104,利用計算器4,通過所述超聲波信號的采集，計算所述粘彈性介質(zhì)的至 少一個機械特性。
[0081] 需要強調(diào)的是，在確定至少兩個低頻機械脈沖特性的步驟101中，每個機械脈沖 至少具有一個不同的特性。注意，本發(fā)明并不局限于這種實施方式，在確定至少兩個低頻機 械脈沖特性的步驟101中，也可以是其中至少兩個低頻機械脈沖的特性是相同的。其實，某 些粘彈性介質(zhì)具有較長的弛豫時間（即恢復(fù)平衡狀態(tài)所需的時間）。在這種情況下，該介質(zhì) 就不具備在各個脈沖之間尋求平衡的時間。因此，通過研究若干個相似脈沖產(chǎn)生的連續(xù)剪 切波的傳播，可以獲得有關(guān)粘彈性介質(zhì)性質(zhì)的信息。
【權(quán)利要求】
1. 一種多脈沖彈性成像方法（1〇〇)，用于定量測量經(jīng)超聲波照射后發(fā)出超聲波信號的 粘彈性介質(zhì)的至少一種機械特性，所述方法（1〇〇)包括以下步驟： -確定（101)至少兩個機械脈沖的特性， -在粘彈性介質(zhì)中產(chǎn)生（102)所述至少兩個其特性已經(jīng)確定的機械脈沖， -通過發(fā)射和采集超聲波信號，監(jiān)測（103)所述至少兩個機械脈沖產(chǎn)生的至少兩個剪 切波在粘彈性介質(zhì)中的傳播， -通過所述超聲波信號的采集，計算（104)所述粘彈性介質(zhì)的至少一個機械特性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所確定的每個機械脈沖的至少一個特性是不同 的。
3. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其包括脈沖產(chǎn)生步驟（102)、監(jiān)測步驟 (103)和計算步驟（104)的再重復(fù)步驟（105)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，所述再重復(fù)步驟（105)進行1-1000次，優(yōu)選為1-20 次。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，所述至少一種不同的特性為振幅。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，所述每個機械脈沖的振幅在10ym至10mm之間，優(yōu)選 為在100iim至lj5mm之間。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，所述至少一個不同的特性為時間曲線。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，所述至少一個不同的特性為周期數(shù)。
9. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項所述的方法，所述至少一個不同的特性為中心頻率。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，下一個機械脈沖的中心頻率比前一個機械脈沖的中 心頻率低。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，下一個機械脈沖的中心頻率比前一個機械脈沖的中 心頻率高。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，所述至少兩個機械脈沖是頻帶部分重疊 的。
13. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，每個機械脈沖的中心頻率在10Hz到 5000Hz之間，優(yōu)選為在20Hz到1000Hz之間。
14. 一種多脈沖彈性成像裝置（1)，其包括一個振動發(fā)生器（2)，用于粘彈性介質(zhì)中產(chǎn) 生多個剪切波，以及至少一個超聲換能器（3)，用于發(fā)射和采集超聲信號，所述裝置（1)的 特征在于，它用于實施根據(jù)上述權(quán)利要求1-13中任一項所述的多脈沖彈性成像方法（100) 的各個步驟。
【文檔編號】G01S7/52GK104380134SQ201480001426
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月19日
【發(fā)明者】洛朗·桑德蘭, 塞西爾·巴斯塔爾 申請人:愛科森股份有限公司