用於身體組織的彈性成像檢查的方法和裝置的製作方法

2023-05-02 17:38:41

專利名稱：用於身體組織的彈性成像檢查的方法和裝置的製作方法
專利說明用於身體組織的彈性成像檢查的方法和裝置 描述 本發明涉及一種依據權利要求1特徵所述的用於身體組織的彈性成像檢查的方法以及依據權利要求25特徵所述的裝置。
將彈性的含義(更確切的說是切變彈性或切變模量、切變剛度)應用於器官健康狀況評定，其早已從上世紀就被公開。例如在很多情況下，用於癌症預防的胸腔的手動觸摸(manuelle Abtastung)要比應用現代視頻成像方法更加靈敏。同樣，肝部工作失常與彈性變化相結合，發生在明確的形態(即在MRT中可見)改變之前。
近些年，彈性成像發展為將切變模量的高靈敏度應用到病理學當中。當今所有彈性成像技術的基本原理是利用所界定的壓力(即單位面積上的力)接觸身體組織，以及藉助視頻成像容納身體組織內的變形應答(Verzerrungsantwort)。對於平躺和單獨的身體組織種類的「觸摸」的切變波(Scherwelle)彈性成像得以發展，其對於胸部腫瘤以及肝硬變具有臨床意義。
近些年的實驗中，心臟-彈性成像中得出心跳作為心肌形變的機械激勵而被使用，並且以此測量存活心臟的彈性參數。在印刷品「Myocardialelastography-a feasibility study in vivo 」，Konofagou EE，D』Hooge J，OphirJ.，Ultrasound Med Biol 2002；28(4)475-482以及「Single Breath HoldTransient MR-Elastography of the Heart-Imaging Pulsed Shear WavePropagation induced by Aortic Valve Closure」，Sinkus R，Robert B，Gennisson J-L，Tanter M，Fink M，Proc 14th Annual Meeting ISMRM.Seattle.2006.P77.中，引起心肌變形的力，其用於對所測量的變形數據分析的經驗估算。
本發明中要解決的問題在於，實現一種用於身體組織的彈性成像檢查的方法以及裝置，該身體組織具有隨時間變化的彈性特徵，該方法以及裝置可實現對身體組織的彈性特徵的增強測定。
所述問題通過依據權利要求1特徵所述的方法以及依據權利要求25特徵所述的裝置得以解決。本發明的其他實施方式通過從屬權利要求得出。
因此提供一種用於身體組織的彈性成像檢查的方法，其具有以下步驟 在身體組織(31)上激發至少一個機械波，所述機械波主要或僅在垂直於其傳播方向上振動，其中 身體組織(31)至少在第一時間點上具有第一彈性特性，並且至少在第二時間點上具有第二彈性特性，第二彈性特性不同於第一彈性特性；並且 在第一時間點上機械波振動的第一位移或第一位移速度作為確定第一彈性特性的量度，以及 在第二時間點上機械波振動的第二位移或第二位移速度作為確定第二彈性特性的量度。
在此種方法中，一種重力波(Schwerwelle)，即機械波，其主要或僅在垂直於其傳播方向上振動，在欲被檢查的身體組織上耦合。身體組織的一部分因為耦合的波而振動，在至少兩個時間點上確定(例如在垂直於機械波的傳播方向的)位移和/或位移速度，以推論出身體組織的彈性特性(例如切變模量)。其可以實現所述兩個時間點中的每個時間點位於身體組織的相同的部分上，或例如也可位於不同的部分上，其具有可對比的彈性特性和可對比的時間性的彈性特性。
其還可以耦合更多的例如在被檢查的身體組織內重疊的切變波。藉助在身體組織外部的激發單元實現切變波的產生，即機械波本身不通過身體組織的張緊或鬆弛而產生。
一個生物(特別是人類的或動物類的)組織作為身體組織被觀察。特別涉及身體組織中的心肌組織(心臟肌肉組織)，其具有彈性特性，所述彈性特性依賴於心跳時間性地改變，其中，例如在心臟收縮期具有第一彈性特性和在心臟舒張期具有第二彈性特性。
不僅在第一時間點和第二時間點上確定身體組織切變波的位移或位移速度，而且同時可以在其他的時間點上確定。例如，一個時段可以被測量，在所述時段中身體組織具有第一或第二彈性特性。身體組織的彈性特性周期性的改變，同時可以重複地確定(第一和/或第二)位移或位移速度，其中實現重複地確定多個周期，利用所述多個周期改變彈性特性。多個(第一和/或第二)值可以各自求平均值，以獲得平均的第一和/或平均的第二位移或位移速度。
在本發明的一個變化的技術方案中，藉助超聲波和/或核磁共振成像確定被激發的機械波第一和第二位移或位移速度。特別是利用核磁共振成像，其可在不同的空間方向上分別獲得機械波振動分量，即位移或位移速度。然而依據本發明的方法還包括變化的技術方案，即振動的合成被直接測量。特別是還可以只測量位移或位移速度的分量。以及其他互相關性方法或都卜勒方法可以作為超聲波變化的技術方案。
在本發明的其他構成形式中，至少在身體組織的另外的部分上，在一個時間點上，身體組織具有另外的第一位移或位移速度，此外具有第一彈性特性，並且在一個時間點上身體組織具有另外的第二位移或位移速度，此外具有第二彈性特性。換言之，測量不僅在時間上有解，而且在位置上也有解。確定另外的第一和另外的第二位移或位移速度可以與確定第一或第二位移或位移速度同時實現。在其他構成形式中，延時地確定另外的第一和第二位移或位移速度以確定第一或第二位移或位移速度。
依據本發明方法的其它設計中，第一和第二位移根據振動的位移或位移速度的幅值的形式來確定。特別地，位移和位移速度時間性的分布可分別是諧波函數，並且位移和位移速度相互間有相位差。
根據確定的第一和第二位移，例如，以第一或第二幅值的形式能夠至少得出身體組織的一個第一和第二彈性參數。從隨後的分析中依據確定的第一和第二幅值確定(切變模量)彈性參數可行性，其中(1)建立一個彈性形變的總能量平衡，動能和勢能(變形能)構成所述總能量平衡，(2)能量流(energy flux)由單位時間內的單位面積推導出，(3)將彈性諧波作為位移函數，所述彈性諧波在兩個時間點上以不同的彈性通過介質，以及(4)在不同的彈性情況下，取恆定的能量流，推導出時間點1和2之間的波幅值比值。
彈性波在介質裡的傳播與能量的傳送相關聯。包含空間V的形變身體中的總能量E的變化，由動能或勢能(變形能)時間性的分布得出，即(運用愛因斯坦求和定理) E＝Ekin+Epot 在此x表示位置，u表示位移矢量場，Cijkl表示彈性張量分量，ρ表示表示心肌組織的密度1kg/l，總能量的變化由下式得出 在此等式2右邊描述通過標準nj表面的能流。對等式2中變形能運用矢量積公式以及高斯公式得到 等式3在無重力時變形的材料的力平衡中成立。能量密度流F的方向和模值給出能流的方向和能量的模值，能量在單位時間內流過標準矢量n的單位面積。在均質的彈性材料中由Lame-係數λ和μ得出F 平面彈性波的傳播由三個本徵模M確定，其相對於n作為縱向模(L)和橫向模(T)以相速度CM傳播 在均質的情況下兩種橫向模都衰減。極化方向相對於n由相應的本徵矢量UM得出，當n位於彈性參考邊界的軸上時，所述本徵矢量以笛卡爾單位矢量ei衰減。在面-波-模式下取幅值AM和角頻率ω以計算諧波彈性成像中的能流 由此證明，此適應於無窮脈衝能流的諧波，所述無窮脈衝以組速度

連續。將等式6代入等式4中得出矢量分量FL和FT，所述FL和FT描述平行於或垂直于波標準矢量的能量密度流 由此|FM|在激發連續平面諧波時在空間上和時間上都是恆定的。在心跳周期(Herzphase)的兩個時間點上考慮兩個波幅值A1M和A2M，其之間的比值對應於機械波速度的變化，可推出心肌組織中的彈性變化 在基於切變波基礎上的彈性成像檢查中引入軟生物組織的不可壓縮性。在此限制下λ無窮並且RL等於1，即在壓縮波中不會出現機械波幅值的變化。而對於收斂的切變模量μ，幅值的變化是4次冪 在本發明的其它構成方式中，身體組織在第一時間點上具有切變模量μl以及第二時間點上具有切變模量μ2。其之間的比值根據在第一時間點上確定的第一幅值A1和在第二時間點上確定的第二幅值A2由等式(9)求得。由此證明，其自然不受心肌組織的限制，而是應用於整體的身體組織，所述整體身體組織具有隨時間變化的彈性特性，比如其它的肌肉組織。
在本發明其他的構成方式中，機械波第一和第二幅值可各自藉助傅立葉變換或者藉助位移或位移速度之間的關聯關係通過諧波振動函數求得。例如，諧波振動函數具有相應的振動頻率，機械波以此頻率在身體組織中被激發。通過構建其之間的關聯關係，可以使被激發波的位移信號從身體組織的本徵運動(例如諸如心肌組織等肌肉的收縮和伸展)中分離出來，從而把振動(位移亦或位移速度)的幅值過濾出來。
隨後將分析如下情況下關聯關係的構建，即通過核磁共振，顯示在身體組織中激發的機械波。在身體組織中激發機械波以及藉助核磁共振顯示機械波被標示為核磁共振成像(MRE)，在本實施例中得出機械波時間性的特性相位信號Φ(t)，以及由此計算出時間導數

以及振動的位移速度

位移速度

又與諧波複函數關聯，其具有的頻率從機械波幅值時間性的分布中得出。
其中 在此積分步距Δt例如可如此選擇，即位移幅值A(t)通過N個機械波復周期確定，即A(t)具有時間上微分，其是振動周期的取樣點數量N倍的約分。由相位信號確定的位移u(t)也可以替換位移速度

與諧波函數關聯，以求得幅值。
另外本發明涉及一種用於身體組織彈性成像檢查的裝置，具有 位移定位工具(4)以確定在身體組織(31)中激發的機械波的位移和/或位移速度，所述機械波主要或僅在垂直於其傳播方向上振動，其中， 身體組織(31)在第一時間點上具有第一彈性特性，並且在第二時間點上具有第二彈性特性，第二彈性特性不同於第一彈性特性；並且 位移定位工具(4)構成為，在第一時間點上確定第一位移或位移速度以及在第二時間點上確定第二位移或位移速度。
理論上，位移定位工具可以任意設計，比如基於超聲波或核磁共振。特別地，位移定位工具可以包含具有控制和計算軟體的可編程單元，藉助其可以實現上述方法，以關聯位移信號或位移速度信號或者實現確定位移信號或位移速度信號的普遍曲線，即採集和計算位移或位移速度的特性信號。
此外所述裝置具有波激發工具，用於在身體組織中激發至少一個機械波。例如此類波激發工具在德國專利102006037160.7中有描述。由此證明，位移定位工具可以與波激發工具分離地構造且例如也能與不同的波激發工具共同工作。
根據附圖隨後進一步闡述本發明的實施例。


圖1示出MRE裝置的一種構成方式； 圖2a至圖2d示出受檢人員心肌和胸部的MRE實驗計算結果； 圖3a和3b示出其他6名受檢人員心肌的MRE實驗計算結果。
圖1示出MRE裝置，應用所述裝置以實現依據本發明的方法。所述裝置具有波激發工具5，藉助揚聲器薄膜51產生所述機械波。由揚聲器薄膜51產生的波通過杆狀傳動件2傳遞到受檢人員3上並且耦合到受檢人員3的待檢身體組織31上。由此在身體組織31上激發的機械波藉助位移定位工具在MRT掃描儀4中被檢測並且確定激發波的位移或位移速度。
在另外的實施方式中，傳動件與躺椅設備或座椅設備耦合，在測量中受檢人員位於其上，並且將振動傳遞至躺椅設備或座椅設備上。緊接著，通過置於躺椅設備或座椅設備中的振動來激發受檢人員的待檢身體組織。在一種構成方式中，揚聲器薄膜集成在躺椅設備或座椅設備中，以將振動置入其中，從而省去傳動件。
圖2a至圖2d代表受檢人員心肌和胸部依據本發明的MRE測量計算結果。在受檢人員的心肌組織或胸部中耦合機械波，並且藉助核磁共振來顯示。圖2a示出心肌(曲線P)和胸腔(曲線B)中振動波位移的特性相位信號，核磁共振測量(縱坐標)相對於時間(橫坐標)。相對地同樣分別示出身體組織中沒有機械波激勵的測量曲線P』或B』。所述測量在大約2個心跳周期中實施。
由圖2a可見，具有機械波激勵的心肌測量相位信號Φ的幅值隨時間明顯地變化，而在胸腔中激發的波相位信號的幅值基本上是恆定的。
圖2b從圖2a的心肌測量中引出，其中相位信號如此被過濾，即代替純相位信號Φ而應用其時間導數Φ，從而更清晰的反映出在心跳周期中產生的調幅。
將核磁共振的相位信號轉換至波幅值可以如上所述-藉助相位信號與諧波函數的關聯，所述函數具有在身體組織中激發的機械波的頻率，來實現。實施此類的關聯後產生如圖2c中所示的心肌組織中激發的波的振動幅值時間曲線，其中示出MRT測量三個空間分量的幅值(層梯度方向，讀梯度方向，或相位編碼方向，曲線K1，K2，K3)以及振動的合成結果的模值A。曲線K1在平行於耦合波的方向上記錄。在平行方向上，機械波由於其橫向特性不具有振動分量或者具有很小的振動分量，所以在這個方向上，幅值理論上不具有相應的時間相關性。
波幅值其它空間方向(曲線K2，K3)上的分布與相位信號(圖2a，2b)的幅值分布一致。波幅值根據心跳周期變化，當心肌放鬆時出現較高的幅值，即相比心肌收縮狀態具有較小的剛性。更確切的是圖2c，在早期心臟收縮期區域中(t＝1-1.1s)波幅值相對於心臟舒張期下降了大概一半，即在這個心跳周期中心肌的彈性上升了大約16倍。
在圖2a至2c所示的測量情況下將分別取360個MRT圖，其中在身體組織中激發的機械波的每個周期取6次。積分步距Δt在實施關聯時如此選擇，即在機械波的一個完整周期內，也就是一個振動周期內確定波幅值，因此(圖2c中幅值)的關聯的時間信號相對於相位信號較小。
圖2d示出與圖2c中相似的胸腔測量相位信號的計算結果。幅值信號結果具有很小的時間依賴性。
圖3a與圖3b示出6個受檢人員的心肌測量。圖3a示出各受檢人員心肌組織中激發的機械振動的平均幅值(縱坐標)和時間(橫坐標)。由此示出左心室的直徑LV(畫虛線曲線)，從而實現幅值時間分布A和心臟形態(心臟體積)時間分布之間的對比。誤差帶對應於個體間差異的標準偏差。
可見的是，幅值信號A在心臟收縮期明顯的降低。更確切的說，波幅值的降低提前於心室體積的降低(約60ms)。由此得出，在發生R脈衝(在舒張期結束)的時候直接開始心肌的收縮，其中，心室體積在心肌的關聯之後對於時段V保持恆定(同體積的關聯周期)。
圖3b示出圖3a中幅值的計算，其中，示出與切變模量(縱軸)相關的心肌切變模量在舒張期中時間性的分布。可見，與幅值相反，彈性模量μ在收縮期中上升，由此得出在心跳周期中心肌組織的收縮。
附圖標記 2傳動件 3受檢人員 31身體組織 4MRT掃描儀 5波激發工具 51揚聲器薄膜
權利要求
1.一種用於身體組織的彈性成像檢查的方法，其具有以下步驟
在身體組織(31)上激發至少一個機械波，所述機械波主要或僅在垂直於該機械波的傳播方向上振動，其中
身體組織(31)至少在第一時間點上具有第一彈性特性，並且至少在第二時間點上具有第二彈性特性，第二彈性特性不同於第一彈性特性；並且
所述機械波的振動在所述第一時間點上的第一位移或第一位移速度作為確定所述第一彈性特性的量度，以及
所述機械波的振動在所述第二時間點上的第二位移或第二位移速度作為確定所述第二彈性特性的量度。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，藉助超聲波和/或核磁共振成像確定所述第一位移或所述第一位移速度以及所述第二位移或所述第二位移速度。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，在身體組織(31)上激發所述波，所述身體組織是心肌組織，該心肌組織的彈性特性依賴於心跳進行時間性的變化。
4.根據前述權利要求中任一所述的方法，其特徵在於，藉助身體組織(31)外部的激發單元(5)在身體組織(31)中激發所述波。
5.根據前述權利要求中任一所述的方法，其特徵在於，以所述振動的位移的第一幅值或第二幅值的形式來確定所述第一位移和所述第二位移。
6.根據權利要求1至4中任一所述的方法，其特徵在於，以所述振動的位移速度的第一幅值或第二幅值的形式來確定所述第一位移速度和所述第二位移速度。
7.根據前述權利要求中任一所述的方法，其特徵在於，分別對應於垂直於所述波的傳播方向的各振動分量來確定所述第一位移或所述第一位移速度以及所述第二位移或所述第二位移速度。
8.根據前述權利要求中任一所述的方法，其特徵在於，分別對應垂直於所述波的傳播方向的所有振動分量來單獨地確定所述第一位移或所述第一位移速度以及所述第二位移或所述第二位移速度。
9.根據權利要求1至7中任一所述的方法，其特徵在於，以所述振動的合成結果的形式確定所述第一位移或所述第一位移速度以及所述第二位移或所述第二位移速度。
10.根據前述權利要求中任一所述的方法，其特徵在於，在身體組織(31)的同一部分上確定所述第一位移或所述第一位移速度以及所述第二位移或所述第二位移速度。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，至少在身體組織(31)的另外的部分上，在一個時間點上，身體組織(31)具有另外的第一位移或位移速度，此外具有第一彈性特性，而在一個時間點上，身體組織(31)具有另外的第二位移或位移速度，此外具有第二彈性特性。
12.根據前述權利要求中任一所述的方法，其特徵在於，根據所確定的所述第一位移或所述第一位移速度以及所述第二位移或所述第二位移速度分別求得身體組織(31)的至少一個彈性參數。
13.根據權利要求5中所述的方法，其特徵在於，身體組織(31)在所述第一時間點上具有切變模量μ1，在所述第二時間點上具有切變模量μ2，用在該第一時間點上確定的第一幅值A1和在該第二時間點上確定的第二幅值A2根據等式
求得切變模量μ1和切變模量μ2的比值。
14.根據前述權利要求中任一所述的方法，其特徵在於，在多個時間點上確定所述機械波的位移或位移速度，以求得位移或位移速度在時間上的分布。
15.根據權利要求5或6和14所述的方法，其特徵在於，藉助位移或位移速度在時間上分布的關聯關係計算得出位移或位移速度的第一幅值和第二幅值，所述分布為諧波振動函數。
16.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述諧波振動函數具有振動頻率，所述振動頻率與身體組織(31)中激發的機械波的頻率相適應。
17.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，藉助核磁共振確定激發的機械波的位移或位移速度的第一幅值和第二幅值，在其中求得依賴于振動的位移或位移速度的相位信號。
18.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，在多個時間點上求得所述相位信號，從而得到所述相位信號的時間性的分布，由此得出在身體組織(31)中激發的機械波的位移或位移速度在時間上的分布。
19.根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，位移或位移速度的時間性分布與諧波振動函數相互關聯，所述諧波振動函數具有振動頻率，所述振動頻率與身體組織(31)中激發的機械波的頻率相適應。
20.根據權利要求18或19所述的方法，其特徵在於，由相位信號時間性的分布求得位移幅值時間性的分布和/或位移速度幅值時間性的分布。
21.根據權利要求20所述的方法，其特徵在於，根據等式
其中
求得身體組織(31)中激發的具有頻率ω的機械波在不同時間t上振動的位移速度u的幅值A。
22.根據權利要求20或21所述的方法，其特徵在於，根據等式
其中
求得在身體組織(31)中激發的具有頻率ω的機械波在不同時間t上振動的位移u的幅值A。
23.根據權利要求5至22中任一所述的方法，其特徵在於，將方法步驟編制為程序代碼，藉助可編程單元利用所述程序代碼執行所述方法。
24.根據前述權利要求中任一所述的方法，其特徵在於，在身體組織(31)中激發的機械波具有低於100Hz、特別是低於40Hz的頻率。
25.一種用於身體組織的彈性成像檢查的裝置，其具有
位移定位工具(4)，其用於確定在身體組織(31)中激發的機械波的位移和/或位移速度，所述機械波主要或僅在垂直於該機械波的傳播方向上振動，其中，
身體組織(31)在第一時間點上具有第一彈性特性，並且在第二時間點上具有第二彈性特性，該第二彈性特性不同於該第一彈性特性；並且
位移定位工具(4)構成為，在所述第一時間點上確定第一位移或第一位移速度以及在所述第二時間點上確定第二位移或第二位移速度。
26.根據權利要求25所述的裝置，其特徵在於，所述位移定位工具(4)包含超聲波成像單元和/或核磁共振成像單元。
27.根據權利要求25或26所述的裝置，其特徵在於，所述位移定位工具(4)構成為，實施權利要求5至22所述的方法。
28.根據權利要求27所述的裝置，其特徵在於，所述位移定位工具(4)具有可編程單元，所述可編程單元具有程序代碼，並利用所述程序代碼實施權利要求5至22所述的方法。
29.根據權利要求25至28中任一所述的裝置，其特徵在於，波激發工具(5)用於在所述身體組織中激發至少一個機械波。
30.根據權利要求29所述的裝置，其特徵在於，所述波激發工具(5)構成為座椅設備或躺椅設備以承載一名人員進行振動，從而通過振動的座椅設備或躺椅設備而在受檢人員的身體組織中激發機械波。
全文摘要
本發明涉及一種用於身體組織的彈性成像檢查的方法，其具有以下步驟在身體組織(31)上激發至少一個機械波，所述機械波主要或僅在垂直於其傳播方向上振動，其中身體組織(31)至少在第一時間點上具有第一彈性特性，並且至少在第二時間點上具有第二彈性特性，第二彈性特性不同於第一彈性特性；並且在第一時間點上機械波振動的第一位移或第一位移速度作為確定第一彈性特性的量度，以及在第二時間點上機械波振動的第二位移或第二位移速度作為確定第二彈性特性的量度。本發明另外涉及一種用於檢查身體組織的彈性成像檢查的裝置。
文檔編號A61B5/055GK101675356SQ200880015009
公開日2010年3月17日 申請日期2008年5月7日 優先權日2007年5月8日
發明者英格夫·扎克, 尤爾根·布勞恩 申請人:柏林夏瑞蒂醫學院