專利名稱：使用幅度-相位調(diào)制超聲波的粘彈性測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)施例涉及粘彈性測(cè)量。具體地，對(duì)組織的粘彈屬性進(jìn)行活體測(cè)量。
背景技術(shù)：
可以利用流變儀(rheometer)來(lái)測(cè)量組織樣本的剪切模量特性。流變儀是能夠使樣本經(jīng)歷動(dòng)態(tài)(例如正弦)或靜態(tài)(例如線性)變形的機(jī)械設(shè)備。流變儀可以測(cè)量對(duì)于頻率范圍的存儲(chǔ)剪切模量和損耗剪切模量。該范圍是基于材料剛度來(lái)限制的，例如對(duì)于軟組織來(lái)說(shuō)為I至10 Hz0對(duì)于醫(yī)療用途，從患者處提取組織以置于流變儀中。流變儀不用于活體測(cè)量。該測(cè)量取決于所提取的組織樣本的大小和形狀以及由于提取而引起的邊界條件。
利用超聲來(lái)對(duì)剪切特性進(jìn)行活體測(cè)量。例如，在各種診斷應(yīng)用(例如，評(píng)估肝病)中使用剪切速度檢測(cè)。對(duì)于剪切波檢測(cè)，沿著掃描線射出超聲推進(jìn)式(pushing)脈沖(例如，一個(gè)周期的脈沖)。推進(jìn)式脈沖生成剪切波，從而引起組織的位移。對(duì)該位移進(jìn)行測(cè)量。為了檢測(cè)剪切波速度，使用沿相同掃描線的多個(gè)推進(jìn)式脈沖以及對(duì)應(yīng)的位移檢測(cè)掃描。這些剪切測(cè)量可以具有有限的信息或取決于壓縮水平。

發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)介紹的方式，以下描述的優(yōu)選實(shí)施例包括用于對(duì)活體中的軟組織的粘彈屬性進(jìn)行測(cè)量的方法、指令和系統(tǒng)。為了收集更多信息和/或估計(jì)粘性、剪切模量和/或其他剪切特性，將幅度和相位調(diào)制波形傳輸至該組織。由波形隨時(shí)間推移引起的位移包括與對(duì)不同頻率的響應(yīng)相關(guān)聯(lián)的位移。通過(guò)檢查頻域中的位移，可以針對(duì)不同頻率計(jì)算一個(gè)或多個(gè)粘彈屬性。頻率響應(yīng)可以指示組織的健康狀況。在第一方面，一種非瞬時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)已在其中存儲(chǔ)了表示可由編程處理器執(zhí)行的用于對(duì)活體中的組織的粘彈屬性進(jìn)行測(cè)量的指令的數(shù)據(jù)。該存儲(chǔ)介質(zhì)包括用于執(zhí)行以下內(nèi)容的指令傳輸包括不同時(shí)間處、不同頻率下的周期的幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形，所述不同頻率處于頻率范圍內(nèi)，所述幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形被傳輸至患者體內(nèi)的組織；響應(yīng)于所述幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形，計(jì)算所述組織的作為時(shí)間的函數(shù)的位移，所述位移是根據(jù)對(duì)所述組織的掃描來(lái)計(jì)算的；對(duì)隨時(shí)間的位移應(yīng)用傅里葉變換；以及根據(jù)剪切波方程的傅里葉變換和隨時(shí)間的位移的傅里葉變換來(lái)確定所述粘彈屬性。在第二方面，提供了一種用于使用超聲進(jìn)行粘彈性測(cè)量的方法。將幅度和相位調(diào)制超聲波形傳輸至患者活體體內(nèi)。根據(jù)由幅度和相位調(diào)制超聲波形引起的剪切來(lái)測(cè)量粘彈屬性。所述粘彈屬性是在與所述幅度和相位調(diào)制超聲波形相關(guān)聯(lián)且與在傳輸期間對(duì)所述患者外部應(yīng)用的壓縮量無(wú)關(guān)的頻率范圍上測(cè)量的。在第三方面，提供了一種用于使用超聲進(jìn)行剪切波計(jì)算的系統(tǒng)。發(fā)射波束形成器可操作用于生成幅度和相位調(diào)制波形。超聲換能器與所述發(fā)射波束形成器相連接，使得所述超聲換能器響應(yīng)于所述幅度和相位調(diào)制波形而將聲能傳輸至患者體內(nèi)的組織。接收波束形成器可操作用于輸出表示作為接收到的聲信號(hào)的函數(shù)的空間位置的數(shù)據(jù)。處理器被配置為估計(jì)作為輸出數(shù)據(jù)的函數(shù)的所述組織隨時(shí)間的位移并計(jì)算作為所述組織隨時(shí)間的位移的函數(shù)的剪切信息。顯示器可操作用于顯示圖像，所述圖像是所述剪切信息的函數(shù)。
本發(fā)明由下面的權(quán)利要求限定，并且該部分中的內(nèi)容均不應(yīng)被視為對(duì)這些權(quán)利要求的限制。以下結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例討論本發(fā)明的其他方面和優(yōu)勢(shì)并且稍后可以獨(dú)立地或組合地要求保護(hù)本發(fā)明的其他方面和優(yōu)勢(shì)。


組件和圖不必按比例繪制，而是將重點(diǎn)放置于說(shuō)明本發(fā)明的原理。此外，在圖中，貫穿不同視圖，相似的參考標(biāo)記表示對(duì)應(yīng)的部分。圖I是用于對(duì)活體中的組織的粘彈屬性進(jìn)行測(cè)量的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖； 圖2是引發(fā)超聲傳輸?shù)募羟械膱D形圖示；
圖3圖示了示例幅度和相位調(diào)制波形；
圖4示出了用于關(guān)于圖3的幅度和相位調(diào)制波形的位移檢測(cè)的掃描的一個(gè)實(shí)施例；
圖5圖示了在示例磁共振實(shí)施例中用于引起目標(biāo)組織內(nèi)的剪切波傳播的換能器和用于測(cè)量位移的射頻線圈的相對(duì)位置；以及
圖6是用于使用超聲進(jìn)行剪切波計(jì)算的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式對(duì)組織機(jī)械屬性進(jìn)行活體測(cè)量?？梢詫?duì)患者體內(nèi)的任何結(jié)構(gòu)或材料(諸如軟組織)的屬性進(jìn)行測(cè)量。幅度調(diào)制(AM)和相位調(diào)制(PM)超聲波形引起組織位移。一個(gè)AM-PM波形在患者內(nèi)部期望組織處以連續(xù)的頻率產(chǎn)生振動(dòng)。利用這一個(gè)激勵(lì)在各個(gè)頻率下測(cè)量組織剪切模量和粘性，從而允許小于2秒的測(cè)量。較低頻率(例如1-100 Hz)下的相位調(diào)制可以提供較高信噪比。AM-PM波形允許在引發(fā)剪切期間或之后收集信息?？焖偾铱煽康姆椒梢栽趩蝹€(gè)測(cè)量中評(píng)估針對(duì)各個(gè)頻率的材料剛度。通過(guò)收集針對(duì)不同頻率的測(cè)量，結(jié)果所得到的材料(例如組織)機(jī)械屬性的知識(shí)可以補(bǔ)充診斷過(guò)程。該知識(shí)可以包括定量參數(shù)，例如應(yīng)力、粘性和/或剪切模量。定量參數(shù)與對(duì)組織應(yīng)用的壓縮量無(wú)關(guān)，這是由于這些參數(shù)是位移的導(dǎo)數(shù)。頻率響應(yīng)可能與壓縮無(wú)關(guān)。該知識(shí)可以包括定性參數(shù)，諸如位移。位移可以取決于在組織處應(yīng)用的壓力量。該知識(shí)可以包括所導(dǎo)出的信息。剪切模量相對(duì)于頻率的斜率和/或粘性相對(duì)于頻率的斜率可以提供與組織機(jī)械屬性有關(guān)的信息，所述組織機(jī)械屬性與組織病理相關(guān)。斜率與預(yù)先壓縮水平無(wú)關(guān)?？梢灾貜?fù)所述測(cè)量以提高精度。由于測(cè)量不依賴于接觸，因此測(cè)量與邊界條件、材料大小和形狀無(wú)關(guān)。圖I示出了用于使用超聲進(jìn)行粘彈性測(cè)量的方法。超聲傳輸被用于響應(yīng)于不同頻率而生成組織位移。這樣，超聲被用于計(jì)算粘彈屬性。該方法由圖6的系統(tǒng)或不同的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。此外，可以提供不同的或更少的動(dòng)作。例如，在沒(méi)有動(dòng)作38、42和/或44的情況下執(zhí)行該方法。作為另一示例，在沒(méi)有動(dòng)作34-40中的一個(gè)或多個(gè)的情況下執(zhí)行動(dòng)作32。按所描述或所示的順序執(zhí)行動(dòng)作，但是也可以按其他順序執(zhí)行動(dòng)作。在動(dòng)作30中，傳輸幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形。超聲換能器傳輸從電波形轉(zhuǎn)換的聲波形。將具有幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形的聲能傳輸至患者體內(nèi)的組織。該傳輸是在活體中發(fā)生的。
傳輸聲波形以生成剪切波。該激勵(lì)是超聲推進(jìn)式脈沖。聚焦聲能，從而產(chǎn)生針對(duì)每個(gè)傳輸?shù)囊粋€(gè)或多個(gè)波束。該激勵(lì)是使用相控陣和/或機(jī)械焦點(diǎn)來(lái)聚焦的。該激勵(lì)是在允許檢測(cè)結(jié)果所得到的剪切波的位置處聚焦的，例如是在圍繞和/或包括可能的腫瘤的組織位置處聚焦的。如圖2中所表示的那樣，剪切波52由換能器54在聚焦區(qū)50處生成，并從聚焦區(qū)50橫向傳播。在一個(gè)方向上(例如，水平地)示出了箭頭，但是剪切波沿多個(gè)方向行進(jìn)。隨著波行進(jìn)通過(guò)組織，剪切波的幅度減小。為了生成剪切波，期望高幅度或功率激勵(lì)。例如，該激勵(lì)具有接近但不超過(guò)I. 9的機(jī)械指數(shù)。為了謹(jǐn)慎起見(jiàn)并解釋探測(cè)變化，可以將I. 7的機(jī)械指數(shù)或其他水平用作上限?？梢允褂酶?例如超過(guò)I. 9的MI)或更低的功率。沿相同或相鄰掃描線進(jìn)行傳輸可以使組織的溫度隨時(shí)間升高。生物效應(yīng)可以包括約41-45°C的組織溫度處體溫過(guò)高、43-45°C以上的溫度處蛋白質(zhì)變性、以及50°C以上的溫度處組織壞死。甚至可以在43-45°C以下的溫度處影響組織剛度。在43-45°C以上的溫度處，可以發(fā)生粘性和/或剛度的提高。在50°C以上的溫度處，該組織可以具有高剛度和/或高衰減。通過(guò)防止超過(guò)2攝氏度的溫度升高來(lái)限制生物效應(yīng)。備選地，傳輸可以引起生物效應(yīng)。電波形和對(duì)應(yīng)的聲波形包括不同時(shí)間處、不同頻率下的周期。不同頻率處于頻率范圍內(nèi)。該頻率范圍可以是基于要被檢查的組織類型來(lái)優(yōu)化的。例如，胸部組織可以在50Hz處具有最大位移響應(yīng)，因此該范圍包括50 Hz0作為另一示例，腫瘤可以比軟組織更硬，從而在出現(xiàn)最大位移響應(yīng)處具有更大頻率。對(duì)于腫瘤測(cè)量，頻率范圍可以更大。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于相位調(diào)制，頻率范圍處于15至75 Hz內(nèi)。任何頻率變化函數(shù)可以用于相位調(diào)制。例如，使用該范圍內(nèi)的線性調(diào)頻脈沖(chirp)掃頻。圖3示出了具有幅度和相位調(diào)制包絡(luò)的波形。相位調(diào)制開(kāi)始于最低頻率處，并且掃頻或逐漸改變至該范圍內(nèi)的最高頻率?？梢允褂闷渌l率變化，例如非線性、隨機(jī)或不同頻率之間按任何順序的其他步驟。幅度調(diào)制是任何函數(shù)。幅度調(diào)制將個(gè)體頻率或頻率組彼此分離。在一個(gè)實(shí)施例中，幅度和相位調(diào)制波形是通過(guò)將正弦載波(處于MHz范圍內(nèi))與具有相位變化項(xiàng)(處于Hz范圍內(nèi))的正弦幅度調(diào)制相乘來(lái)生成的。具有相位變化項(xiàng)的幅度調(diào)制定義了具有幅度和相位調(diào)制的包絡(luò)。波形可以被表示為
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)活體中的組織的粘彈屬性進(jìn)行測(cè)量(32)的方法，所述方法包括 傳輸(30)包括不同時(shí)間處、不同頻率下的周期的幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形，所述不同頻率處于頻率范圍內(nèi)，所述幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形被傳輸至患者體內(nèi)的組織； 響應(yīng)于所述幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形，計(jì)算(34)所述組織的作為時(shí)間的函數(shù)的位移，所述位移是根據(jù)對(duì)所述組織的掃描來(lái)計(jì)算的； 對(duì)隨時(shí)間的位移應(yīng)用(36)傅里葉變換；以及 根據(jù)剪切波方程的傅里葉變換和隨時(shí)間的位移的傅里葉變換來(lái)確定(40)所述粘彈屬性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形包括所述范圍內(nèi)的線性調(diào)頻脈沖掃頻。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形包括與具有相位變化項(xiàng)的正弦幅度調(diào)制相乘的正弦載波。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，計(jì)算(34)位移包括利用與傳輸(30)交織的超聲來(lái)掃描所述組織；以及計(jì)算(34)作為來(lái)自所述掃描的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性的函數(shù)的所述組織在所述掃描之間的位移。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，計(jì)算(34)位移包括獲取表示在組織對(duì)傳輸(30)做出響應(yīng)時(shí)的不同時(shí)間處的所述組織的k空間磁共振數(shù)據(jù)；減去表示組織不對(duì)傳輸(30)做出響應(yīng)的參考k空間磁共振數(shù)據(jù)；以及根據(jù)所述減去的結(jié)果來(lái)計(jì)算(34)位移。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，應(yīng)用(36)傅里葉變換包括將隨時(shí)間的位移變換至頻域中，在頻域中，不同時(shí)間處的位移對(duì)不同頻率做出響應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，確定(40)粘彈屬性包括確定粘性。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，傳輸(30)和確定(40)包括僅響應(yīng)于所述幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形和波形的應(yīng)用期間對(duì)所述組織的掃描，在所述頻率范圍內(nèi)確定(40)粘彈屬性。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，確定(40)包括確定(40)作為剪切波方程的傅里葉變換的虛部的函數(shù)的粘性和作為剪切波方程的傅里葉變換的實(shí)部的函數(shù)的剪切模量二者。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括找到(42)作為所述范圍內(nèi)的頻率的函數(shù)的所述粘彈屬性的斜率。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括對(duì)隨時(shí)間的位移應(yīng)用傅里葉變換的輸出進(jìn)行帶通濾波(38)，所述帶通在寬度以及高頻和低頻上是所述范圍的大約二倍。
12.一種用于使用超聲進(jìn)行粘彈性測(cè)量的方法，所述方法包括 將幅度和相位調(diào)制超聲波形傳輸(30)至患者活體內(nèi)；以及 根據(jù)由所述幅度和相位調(diào)制超聲波形引起的剪切來(lái)測(cè)量(32)粘彈屬性，所述粘彈屬性是在與所述幅度和相位調(diào)制超聲波形相關(guān)聯(lián)且與在傳輸(30)期間對(duì)所述患者外部應(yīng)用的壓縮量無(wú)關(guān)的頻率范圍上測(cè)量的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，傳輸(30)包括將超聲頻率下的正弦載波與具有幅度和相位調(diào)制的包絡(luò)相乘，以使得所述頻率的范圍處于15 Hz至75 Hz內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，測(cè)量(32)包括利用與傳輸(30)交織的超聲來(lái)所述患者進(jìn)行掃描；以及 計(jì)算(34)所述患者的組織在所述進(jìn)行掃描的掃描之間由傳輸(30)引起的位移，所述計(jì)算(34)根據(jù)來(lái)自所述掃描的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，測(cè)量(32)包括 獲取表示所述患者在組織對(duì)傳輸(30)做出響應(yīng)時(shí)的不同時(shí)間處的組織的k空間磁共振數(shù)據(jù)；減去表示所述組織不對(duì)傳輸(30)做出響應(yīng)的參考k空間磁共振數(shù)據(jù)；以及根據(jù)減去的結(jié)果來(lái)計(jì)算(34)位移。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，測(cè)量(32)包括對(duì)表示作為時(shí)間的函數(shù)的位移的數(shù)據(jù)應(yīng)用(36)傅里葉變換；以及計(jì)算(34)作為應(yīng)用(36)傅里葉變換的結(jié)果的函數(shù)的粘性。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，計(jì)算(34)包括根據(jù)剪切波方程的傅里葉變換的虛部來(lái)進(jìn)行計(jì)算(34)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括找到(42)作為所述范圍內(nèi)的頻率的函數(shù)的所述粘彈屬性的斜率。
19.一種用于使用超聲進(jìn)行剪切波計(jì)算的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 發(fā)射波束形成器(12)，其在操作中用于生成幅度和相位調(diào)制波形； 超聲換能器(14)，其與所述發(fā)射波束形成器(12)相連接，以使得所述超聲換能器響應(yīng)于所述幅度和相位調(diào)制波形而將聲能傳輸至患者體內(nèi)； 接收波束形成器(16)，其在操作中用于輸出表示作為接收到的聲信號(hào)的函數(shù)的空間位置的數(shù)據(jù)； 處理器(18)，其被配置為估計(jì)作為輸出數(shù)據(jù)的函數(shù)的隨時(shí)間的患者體內(nèi)的位移以及計(jì)算作為隨時(shí)間的患者體內(nèi)的位移的函數(shù)的剪切信息；以及 顯示器(20)，其在操作中用于顯示圖像，所述圖像是所述剪切信息的函數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器(18)被配置為將隨時(shí)間的所述患者體內(nèi)的位移變換至頻域中，以及根據(jù)頻域中的位移，計(jì)算作為頻率的函數(shù)的粘性和剪切模量，所述頻率處于與所述幅度和相位調(diào)制波形相關(guān)聯(lián)的范圍內(nèi)。
21.一種用于對(duì)活體中的組織的粘彈屬性進(jìn)行測(cè)量(32)的設(shè)備，所述設(shè)備包括 用于傳輸(30)包括不同時(shí)間處、不同頻率下的周期的幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形的裝置，所述不同頻率處于頻率范圍內(nèi)，所述幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形被傳輸至患者體內(nèi)的組織； 用于響應(yīng)于所述幅度調(diào)制和相位調(diào)制波形計(jì)算(34)所述組織的作為時(shí)間的函數(shù)的位移的裝置，所述位移是根據(jù)對(duì)所述組織的掃描來(lái)計(jì)算的； 用于對(duì)隨時(shí)間的位移應(yīng)用(36)傅里葉變換的裝置；以及 用于根據(jù)剪切波方程的傅里葉變換和隨時(shí)間的位移的傅里葉變換來(lái)確定(40)所述粘彈屬性的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用幅度-相位調(diào)制超聲波的粘彈性測(cè)量。對(duì)活體中的組織的粘彈屬性進(jìn)行測(cè)量(32)。為了收集更多信息和/或估計(jì)粘性、剪切模量和/或其他剪切特性，將幅度和相位調(diào)制波形傳輸(30)至組織。由波形引起的隨時(shí)間的位移包括與對(duì)不同頻率的響應(yīng)相關(guān)聯(lián)的位移。通過(guò)檢查頻域中的位移，可以針對(duì)不同頻率計(jì)算(40)一個(gè)或多個(gè)粘彈屬性。頻率響應(yīng)可以指示組織的健康狀況。
文檔編號(hào)A61B8/08GK102641137SQ20121003628
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月17日
發(fā)明者C.馬爾克, J.本森, K.M.塞金斯, R.拉澤布尼克, 范列湘 申請(qǐng)人:美國(guó)西門(mén)子醫(yī)療解決公司