多脈衝彈性成像方法

2023-05-31 16:47:51

多脈衝彈性成像方法
【專利摘要】本發明涉及一種多脈衝彈性成像方法(100)，用於定量測量經超聲波照射後發出超聲波信號的粘彈性介質的至少一種機械特性，所述方法(100)包括以下步驟：-確定(101)至少兩個機械脈衝的特性，-在粘彈性介質中產生(102)所述至少兩個機械脈衝，-通過發射和採集超聲波信號，監測(103)所述至少兩個機械脈衝產生的至少兩個剪切波在粘彈性介質中的傳播，-以及通過所述超聲波信號的採集，計算(104)所述粘彈性介質的至少一個機械特性。
【專利說明】多脈衝彈性成像方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多脈衝彈性成像方法，用於定量測量經超聲波照射後發出超聲波 信號的粘彈性介質的至少一種機械特性。在一種非限制性應用中，本發明涉及一種多脈衝 彈性成像方法，用於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】
[0002] 人們已知一種用於在漫射粘彈性介質的多個點上同時觀察低頻剪切脈衝波傳播 的方法。為此，需要發射超高速壓縮超聲波，以便獲得一系列介質測量值，然後延時甚至實 時處理所得的測量值，從而測定剪切波傳播時介質的運動。
[0003] 專利申請FR2843290描述了一種裝置，用於測量經超聲波照射後發出超聲波信號 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，可以使換能器產生 低頻振動，進而在組織中發射剪切波。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據。這樣的結果是，不能 通過所進行的測量對組織進行全面表徵。
[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，利用該技術，通 過超聲波束產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生剪切應力，並 且表現為剪切波的傳播。在ARFI中，該剪切波迅速地衰減，並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。所以使用這種技術的科學家們通常側重 於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)。 通過調節超聲波束，也就是說，超聲波的發射，例如頻率、振幅或速度，可以調節在組織中所 產生的位移。所以，某些團隊還連續採用多種具有不同性質的超聲波激勵，以便調節組織對 於觀測到的最大位移、上行時間和弛豫時間的響應（參見專利US2010/069751)。然而，通過 超聲波發射參數調節不能精確地調節組織的位移尤其是其頻率成分。輻射壓力所產生的位 移其實取決於組織的吸收係數。
[0005] 在此背景下，本發明旨在提供一種彈性成像方法來克服現有技術的缺陷，特別是 提供一種彈性成像方法，用於快速實現人或動物器官機械性能的精確定量測量。


【發明內容】

[0006] 為此，本發明提供了一種多脈衝彈性成像方法，用於定量測量經超聲波照射後發 出超聲波信號的粘彈性介質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衝的特性，
[0008]-利用電動致動器產生所述至少兩個機械脈衝，
[0009]-通過發射和採集超聲波信號，監測所述至少兩個機械脈衝產生的至少兩個剪切 波在粘彈性介質中的傳播，
[0010] -通過所述超聲波信號的採集，計算所述粘彈性介質的至少一個機械特性。
[0011] 在一個非限制性實施方式中，每個機械脈衝的至少一個特性是不同的。非限制性 地，機械脈衝的特性包括振幅、周期數和/或測定的時間曲線。
[0012] 所申請的發明用於實現多脈衝彈性成像，其由一系列具有例如不同特性的脈衝組 成，如所測定的不同的中心頻率。在非限制性實施例中，每個脈衝可以用於研究所測定的中 心頻率附近的頻帶。這一特殊性可用於在較大的頻率範圍內對介質進行表徵。
[0013] 除了上文中提到的特徵外，根據本發明的方法可能還具有一個或多個下列其它特 徵，可以單獨應用或進行任何可行的技術組合。
[0014] 在所述多脈衝彈性成像方法的非限制性實施方式中，該方法包括脈衝產生步驟、 監測步驟和計算步驟的再重複步驟。
[0015] 在所述多脈衝彈性成像方法的非限制性實施方式中，進行1-1000次的再重複，優 選為1-20次。
[0016] 在所述多脈衝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] 在所述多脈衝彈性成像方法的非限制性實施方式中，所述每個機械脈衝的振幅在 10μm至IOmm之間,優選為在100μm至Ij5mm之間。
[0018] 在所述多脈衝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。
[0019] 在所述多脈衝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] 在所述多脈衝彈性成像方法的非限制性實施方式中，下一個機械脈衝的中心頻率 比前一個機械脈衝的中心頻率低。
[0021] 在所述多脈衝彈性成像方法的非限制性實施方式中，下一個機械脈衝的中心頻率 比前一個機械脈衝的中心頻率高。
[0022] 在所述多脈衝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衝是頻 帶部分重疊的。
[0023] 在所述多脈衝彈性成像方法的非限制性實施方式中，每個機械脈衝的中心頻率在 IOHz到5000Hz之間，優選為在20Hz到IOOOHz之間。
[0024] 本發明還涉及一種多脈衝彈性成像裝置，其包括一個用於產生多個機械脈衝的振 動發生器，每個機械脈衝可以在粘彈性介質中產生一個剪切波，還包括至少一個超聲換能 器，用於發射和採集超聲信號，所述裝置的特徵在於，它用於實施根據本發明的多脈衝彈性 成像方法的各個步驟。
[0025] 在一個非限制性的實施方式中，所述振動發生器是一個電動伺服致動器，並且用 於使換能器產生低頻振動（該振動即為機械脈衝），以便在組織中發射剪切波。因此，本發 明提出了改進該電動致動器（機械脈衝）的控制特徵，以便精確調節所產生的剪切波的特 性，特別是它的頻率成分。由已知性質的機械脈衝所產生的剪切波，其特性是已知的，它們 可以通過彈性動力學中的格林函數計算得到。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 本發明的其它特徵和優點將結合附圖，通過下述示例性並且是非限制性的說明予 以詳細闡述，其中：
[0027] 圖1表示根據本發明的多脈衝彈性成像方法的各步驟方框圖；
[0028] 圖2表示根據本發明的多脈衝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衝的示意圖，這三個機械脈衝是 根據本發明所述方法產生的；
[0030] 圖4表示具有不同周期數的機械脈衝的示意圖，這些機械脈衝是根據本發明所述 方法產生的；
[0031] 圖5表示圖3所示三個機械脈衝的再重複步驟。
[0032] 在所有附圖中，相同內容採用相同的標號。

【具體實施方式】
[0033] 圖1表示根據本發明的多脈衝彈性成像方法100的各步驟方框圖。
[0034] 多脈衝彈性成像方法100主要包括步驟101，其確定至少兩個低頻機械脈衝的特 性。在本實施例中，所確定的每個機械脈衝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、周期數和/或時間曲線表徵一個機械脈 衝。
[0036] 因此，實施此確定步驟101時，操作員可以確定例如第一脈衝的斜線型時間曲線、 第二脈衝的正弦型切趾時間曲線、第三脈衝的方脈衝型時間曲線、第四三脈衝的高斯型時 間曲線以及第五三脈衝的正弦型時間曲線。
[0037] 作為示例，根據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，
[0042]-A為振幅。
[0043] 在機械脈衝的時間曲線為正弦型的情況下，可以改變頻率、周期數和/或振幅。例 如，每個脈衝的振幅可能在10μm到IOmm之間，優選為在100μm到5mm之間。
[0044] 總之，在確定步驟101中，每個脈衝具有與所確定的其它機械脈衝不同的機械特 性。換言之，即所確定的每個機械脈衝均與所確定的其它機械脈衝不同。
[0045] 多脈衝彈性成像方法100還包括脈衝產生步驟102,其在確定步驟101後產生至少 兩個已確定的機械脈衝，所述至少兩個機械脈衝均在粘彈性介質中產生一個剪切波，從而 使該波在粘彈性介質中傳播。
[0046] 這些機械脈衝（也可以稱為低頻脈衝）可以通過揚聲器或任何其它類型的振動發 生器2 (參見圖2)來產生，用於產生多個機械脈衝，每個機械脈衝均在粘彈性介質如人或動 物的生物組織中產生低頻剪切波。"脈衝產生步驟脈衝產生步驟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，或者當粘彈性介質向振動發生器產生壓力時直接自動 啟動。
[0047] 這些機械脈衝均具有特定的中心頻率。這些機械脈衝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] 多脈衝彈性成像多脈衝彈性成像方法100還包括監測步驟103,其監測所述至少 兩個剪切波在粘彈性介質中的傳播。監測步驟103通過在粘彈性介質中發射超聲波信號並 採集經粘彈性介質反射的超聲波信號來實現。
[0049] 監測步驟103利用單元式或多元式超聲換能器3來實現。
[0050] 在一個非限制性實施例中，每個機械脈衝均具有不同的特定中心頻率。所以，每個 機械脈衝均具有不同的頻帶，該頻帶由機械脈衝的中心頻率和中心頻率的周圍頻率構成。
[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本發明的方法時：
[0052]-低頻振動器2產生第一剪切波，該第一剪切波是由第一機械脈衝頂1所產生的， 其特定中心頻率為50Hz;
[0053]-低頻振動器2產生第二剪切波，該第二剪切波是由第二機械脈衝頂2所產生的， 其特定中心頻率為75Hz;
[0054]-低頻振動器2產生第三剪切波，該第三剪切波是由第三機械脈衝頂3所產生的， 其特定中心頻率為IOOHz。
[0055] 在該實施例中，由產生剪切波的機械脈衝頂1、頂2和頂3的頻帶部分重疊。具體 地說，產生第一剪切波的第一機械脈衝頂1的頻帶與產生第二剪切波的第二機械脈衝頂2 的頻帶部分重疊，而產生第二剪切波的第二機械脈衝頂2的頻帶與產生第三剪切波的第三 機械脈衝頂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徵。
[0056] 在該實施例中，在上一個機械脈衝（產生第一剪切波的機械脈衝頂1)之後的下一 個機械脈衝（產生第二剪切波的機械脈衝頂2)的中心頻率大於上一個機械脈衝（產生第 一剪切波的機械脈衝頂1)的中心頻率。
[0057] 需要強調的是，該實施方式是非限制性的。因此，在根據本發明所述的多脈衝彈性 成像方法100中未能詳細闡述的其它實施方式中，在上一個機械脈衝（產生第一剪切波的 機械脈衝頂1)之後的下一個機械脈衝（產生第二剪切波的機械脈衝頂2)的中心頻率低於 上一個機械脈衝（產生第一剪切波的機械脈衝頂1)的中心頻率。這種實施方式的優點在於 兩個連續的剪切波不會相互幹擾。事實上，頻率越高，剪切波則衰減越快。因此，如果產生 第一剪切波的第一脈衝頂1的中心頻率約為100Hz，即高於產生第二剪切波的第二脈衝IM2 的中心頻率（75Hz)，那麼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 間的幹擾風險。
[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衝均具有不同的周期 數。例如，第一脈衝IMll為一個周期，第二脈衝IM12為兩個周期，第三脈衝IM13為三個周 期。
[0059] 多脈衝彈性成像方法100還包括計算步驟104,其通過採集超聲波信號計算粘彈 性介質中的至少一個機械特性。該計算步驟可以在步驟103完成後進行。
[0060] 在一個非限制性實施方式中，該多脈衝彈性成像方法100還包括再重複步驟105， 其包括重複脈衝產生步驟102、監測步驟103和計算步驟104至少一次。
[0061] 在如圖5所示的實施例中，脈衝產生步驟102的再重複步驟105進行一次。在這 種情況下，三個脈衝及其三個剪切波在粘彈性介質中發生兩次。
[0062] 在另一個實施例中，再重複步驟105進行20次。對於產生剪切波的每個脈衝而 言，如果其變化的特性是頻率時，所限定的再重複次數能夠足以覆蓋整個頻帶，從而在一定 時間內表徵生物組織，以防止生物組織移動，例如由呼吸等生物內部運動造成的移動。
[0063] 在一個非限制性的實施方式中，脈衝產生步驟102、監測步驟103和計算步驟104 的再重複步驟105是自動啟動的。換句話說，使用根據本發明方法100的多脈衝彈性成像 裝置1的操作員不需要啟動再重複步驟105,該步驟105會被自動啟動。即步驟105的重複 次數可以由操作員在啟動多脈衝彈性成像法100之前預先設定。
[0064] 在另一個實施例中，脈衝產生步驟、監測步驟和計算步驟的再重複步驟105是手 動啟動的，即由操作員啟動。
[0065] 因此，所申請的發明能夠實現受控振動式多脈衝彈性成像型多脈衝彈性成像（也 可以縮寫為VCTE)，其由所產生的一系列脈衝構成，例如，最小頻率和最大頻率之間的不同 中心頻率。例如每個脈衝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 得的結果，可以實現介質在最低和最1?步驟範圍內的全面表徵。
[0066] 根據本發明的方法100特別適用於：
[0067] 探察一個較寬的頻率範圍（對介質的全面表徵），
[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（相對於IRM)，
[0071]-不能在不同採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]-根據所探查的介質改變最低和最高頻率限值，
[0073]-改變周期數，
[0074]-改變剪切波的振幅，
[0075]-改變脈衝的波形。
[0076] 本發明還涉及一種多脈衝彈性成像裝置1，其包括一個振動發生器2,用於產生多 個機械脈衝，從而產生多個剪切波，還包括至少一個超聲換能器3,用於發射和採集超聲波 信號。該裝置1用於實施根據本發明的多脈衝彈性成像法100的各個步驟，即裝置1特別 適合於：
[0077]-確定101，利用人機互動界面IHM5確定至少兩個機械脈衝的特性，每個機械脈 衝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]-產生102,利用振動發生器2,產生至少兩個所確定的機械脈衝，其可以在粘彈性 介質中產生至少兩個剪切波，
[0079]-監測103,利用超聲換能器3,通過發射和採集超聲波信號，監測至少兩個剪切波 在粘彈性介質中的傳播，
[0080]-計算104,利用計算器4,通過所述超聲波信號的採集，計算所述粘彈性介質的至 少一個機械特性。
[0081] 需要強調的是，在確定至少兩個低頻機械脈衝特性的步驟101中，每個機械脈衝 至少具有一個不同的特性。注意，本發明並不局限於這種實施方式，在確定至少兩個低頻機 械脈衝特性的步驟101中，也可以是其中至少兩個低頻機械脈衝的特性是相同的。其實，某 些粘彈性介質具有較長的弛豫時間（即恢復平衡狀態所需的時間）。在這種情況下，該介質 就不具備在各個脈衝之間尋求平衡的時間。因此，通過研究若干個相似脈衝產生的連續剪 切波的傳播，可以獲得有關粘彈性介質性質的信息。
【權利要求】
1. 一種多脈衝彈性成像方法（1〇〇)，用於定量測量經超聲波照射後發出超聲波信號的 粘彈性介質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)至少兩個機械脈衝的特性， -在粘彈性介質中產生（102)所述至少兩個其特性已經確定的機械脈衝， -通過發射和採集超聲波信號，監測（103)所述至少兩個機械脈衝產生的至少兩個剪 切波在粘彈性介質中的傳播， -通過所述超聲波信號的採集，計算（104)所述粘彈性介質的至少一個機械特性。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所確定的每個機械脈衝的至少一個特性是不同 的。
3. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其包括脈衝產生步驟（102)、監測步驟 (103)和計算步驟（104)的再重複步驟（105)。
4. 根據權利要求3所述的方法，所述再重複步驟（105)進行1-1000次，優選為1-20 次。
5. 根據上述權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. 根據權利要求5所述的方法，所述每個機械脈衝的振幅在10ym至10mm之間，優選 為在100iim至lj5mm之間。
7. 根據上述權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. 根據上述權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。
9. 根據上述權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. 根據權利要求9所述的方法，下一個機械脈衝的中心頻率比前一個機械脈衝的中 心頻率低。
11. 根據權利要求9所述的方法，下一個機械脈衝的中心頻率比前一個機械脈衝的中 心頻率高。
12. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，所述至少兩個機械脈衝是頻帶部分重疊 的。
13. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，每個機械脈衝的中心頻率在10Hz到 5000Hz之間，優選為在20Hz到1000Hz之間。
14. 一種多脈衝彈性成像裝置（1)，其包括一個振動發生器（2)，用於粘彈性介質中產 生多個剪切波，以及至少一個超聲換能器（3)，用於發射和採集超聲信號，所述裝置（1)的 特徵在於，它用於實施根據上述權利要求1-13中任一項所述的多脈衝彈性成像方法（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 優先權日:2013年2月19日
【發明者】洛朗·桑德蘭, 塞西爾·巴斯塔爾 申請人:愛科森股份有限公司