本申請是國際申請?zhí)枮閜ct/us2013/027120、國際申請日為2013年02月21日、進入中國國家階段日期為2014年08月20日、國家申請?zhí)枮?01380010139.8、發(fā)明名稱為“使用多孔超聲確定材料剛度”的發(fā)明專利申請的分案申請。

相關(guān)申請的交叉引用

該申請要求于2012年2月21日提交的美國臨時專利申請no.61/601,482的權(quán)益，該申請通過引用方式并入本文。

該申請還與以下美國專利申請相關(guān)：于2007年10月1日提交的并且名稱為“methodandapparatustoproduceultrasonicimagesusingmultipleapertures”的no.11/865,501；于2010年4月14日提交的、公開為2010/0262013并且名稱為“universalmultipleaperturemedicalultrasoundprobe”的no.12/760,375；于2010年4月14日提交的并且名稱為“multipleapertureultrasoundarrayalignmentfixture”的no.12/760,327；于2011年10月21日提交的并且名稱為“calibrationofultrasoundprobes”的no.13/279,110；于2011年10月12日提交的并且名稱為“multipleapertureprobeinternalapparatusandcableassemblies”的no.13/272,098；于2011年10月12日提交的并且名稱為“concaveultrasoundtransducersand3darrays”的no.13/272,105；于2011年2月17日提交的并且名稱為“pointsourcetransmissionandspeed-of-soundcorrectionusingmulti-apertureultrasoundimaging”的no.13/029,907；以及于2012年11月30日提交的并且名稱為“motiondetectionusingping-basedandmultipleaperturedopplerultrasound”的no.13/690,989。

參考并入

本說明書中提及的所有出版物和專利申請均通過引用并入本文，其程度猶如特別地且單獨地指出每個單獨的出版物或?qū)＠暾埻ㄟ^引用而并入。

該公開內(nèi)容一般涉及用于使用多孔超聲波探頭產(chǎn)生并且跟蹤超聲剪切波來確定材料剛度的成像方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

組織剛度的改變長期以來與疾病關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)上，觸診是檢測和表征組織病理學(xué)的主要方法之一。眾所周知，器官內(nèi)的硬塊常常是異常的征兆。最近若干診斷成像技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)以提供用于組織剛度的非侵入性表征。

組織剛度的一種衡量是稱為楊氏模量的物理量，其通常以帕斯卡或者更常見的千帕斯卡(kpa)為單位來表示。如果外部均勻壓縮(或應(yīng)力，s)被施加到實體組織并且這誘導(dǎo)組織的變形(或應(yīng)變，e)，楊氏模量被簡單定義為施加的應(yīng)力與誘導(dǎo)的應(yīng)變之間的比率：

e＝s/e。

硬組織比軟組織具有更高的楊氏模量。能夠測量組織的楊氏模量幫助醫(yī)生區(qū)分良性和惡性腫瘤、檢測肝纖維化和肝硬化、檢測前列腺癌病變等。

診斷和成像模態(tài)和處理技術(shù)的集合已經(jīng)被開發(fā)以允許臨床醫(yī)生通過使用超聲波檢查法來評估組織剛度。這些技術(shù)本文中被統(tǒng)稱為彈性成像。除了提供關(guān)于組織剛度的信息之外，一些彈性成像技術(shù)還可以被用于揭露諸如軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、泊松比以及其它常見應(yīng)變和應(yīng)變相關(guān)的參數(shù)之類的其它組織剛度特性。這些或其它應(yīng)變相關(guān)的參數(shù)中的任何一個參數(shù)均可以被顯示在陰影灰度或彩色顯示器上以提供對這樣的應(yīng)變相關(guān)的參數(shù)的可視化表示形式。這樣的信息可以關(guān)于二維或三維數(shù)據(jù)來顯示。

彈性成像技術(shù)可以被寬泛地分成兩類—“準靜態(tài)彈性成像”技術(shù)和“動態(tài)彈性成像”技術(shù)。

在準靜態(tài)彈性成像中，組織應(yīng)變由感興趣的組織區(qū)域的機械壓縮，諸如通過用探頭、手或其它設(shè)備擠壓組織誘導(dǎo)。在其它情況下，應(yīng)變可以由通過肌肉動作或鄰近器官的移動造成的壓縮誘導(dǎo)。然后感興趣的組織區(qū)域的圖像在兩個(或更多個)準靜態(tài)狀態(tài)中(例如沒有壓縮和給定的正壓縮)獲得。應(yīng)變可以通過計算圖像中相對局部移位或位移沿壓縮軸線的梯度從這兩個圖像中推斷出。準靜態(tài)彈性成像類似于其中醫(yī)生通過按壓組織并且檢測在該壓力下組織屈服的量來確定剛度的醫(yī)生的組織觸診。

在動態(tài)彈性成像中，低頻振動被施加到組織上并且檢測產(chǎn)生的組織振動的速度。因為產(chǎn)生的低頻波的速度與該波行進在其中的組織的剛度相關(guān)，因此組織的剛度可以從波傳播速度估計。

許多現(xiàn)有的動態(tài)彈性成像技術(shù)使用超聲多普勒成像方法以檢測傳播振動的速度。然而，在試圖測量期望的傳播速度時，標準多普勒成像中的固有限制提出大量挑戰(zhàn)。這至少部分地是因為大多數(shù)感興趣的波傾向于在垂直于初始低頻振動方向的方向上具有顯著的傳播分量。

如本文中使用的，術(shù)語動態(tài)彈性成像可以包括許多各種不同的技術(shù)，包括聲輻射力脈沖成像(arfi)；虛擬觸診組織成像；剪切波分散超聲振動測定(sduv)；諧波運動成像(hmi)；超聲速剪切成像(ssi)；空間調(diào)制的超聲輻射力(smurf)成像。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

利用多孔超聲成像(maui)探頭執(zhí)行彈性成像提供了優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)和方法的獨特的優(yōu)勢。例如，在一些實施例中，可以結(jié)合多孔探頭的高分辨率和高幀速率成像能力以便檢測作為圖像幀中的擾動的傳播剪切波。在其它實施例中，多孔多普勒成像技術(shù)可以被使用用于確定傳播剪切波的速度。在一些實施例中，這些技術(shù)的任一者或兩者可以進一步受益于基于像素的成像技術(shù)和點源傳輸技術(shù)。

在一些實施例中，提供了超聲成像系統(tǒng)，包括第一超聲換能器陣列，被配置為發(fā)送在感興趣的區(qū)域(roi)中誘導(dǎo)傳播剪切波的波前；第二超聲換能器陣列，被配置為將圓形波形發(fā)送到感興趣的區(qū)域中并且接收圓形波形的回波；以及信號處理器，被配置為在足以檢測感興趣的區(qū)域中的傳播剪切波的幀速率下從圓形波形形成感興趣的區(qū)域的多個b模式圖像。

在一些實施例中，第一超聲換能器陣列包括相控陣元件的陣列。在其它實施例中，第一超聲換能器陣列包括壓電環(huán)的環(huán)形陣列，并且信號處理器進一步被配置為通過調(diào)整定相延遲將波前聚焦在各種深度處。在另一個實施例中，第一超聲換能器陣列包括切換的環(huán)形換能器。在又一個附加的實施例中，第一超聲換能器陣列包括單個壓電換能器。

在一些實施例中，幀速率可以是至少500fps、至少1,000fps、至少2,000fps或者至少4,000fps。

在一個實施例中，信號處理器進一步被配置為通過標識在多個b模式圖像的第一幀中的剪切波的第一位置、標識在多個b模式圖像的第二幀中的剪切波的第二位置、確定由剪切波在第一幀與第二幀之間行進的距離、確定在第一幀與第二幀之間過去的時間、并且用行進的距離除以過去的時間來計算傳播剪切波的速度。

在一些實施例中，第一幀是組合由第二超聲換能器陣列的多個元件所接收的回波形成的子圖像的結(jié)果。

在另一個實施例中，信號處理器被配置為將傳播剪切波標識為移動通過感興趣的區(qū)域的點云。

在一個實施例中，信號處理器被配置為用縮放、平移和深度選擇的組合來定義標識感興趣的區(qū)域的部分的圖像窗。

在一些實施例中，系統(tǒng)被配置為顯示選擇的圖像窗的同時發(fā)生的b模式圖像。

提供了一種利用超聲確定組織的剛度的方法，該方法包括利用超聲成像系統(tǒng)形成感興趣的區(qū)域的基線圖像、發(fā)送被配置為在感興趣的區(qū)域中誘導(dǎo)傳播剪切波的超聲脈沖、以足以檢測傳播剪切波的幀速率對感興趣的區(qū)域進行成像以形成感興趣的區(qū)域的多個圖像幀、從形成的圖像幀中的至少兩個圖像幀中減去基線圖像以獲得至少兩個差分幀、確定傳播剪切波在至少兩個差分幀中的位置、以及從在至少兩個差分幀中的位置計算傳播剪切波在感興趣的區(qū)域中的傳播速度的步驟。

在一些實施例中，方法進一步包括根據(jù)傳播速度計算感興趣的區(qū)域的組織剛度。

在一個實施例中，發(fā)送步驟包括用第一超聲換能器陣列發(fā)送超聲脈沖，并且其中成像步驟包括用第二超聲換能器陣列對感興趣的區(qū)域進行成像。

在另一個實施例中，形成步驟包括從第一發(fā)送孔發(fā)送圓形波形并且在第一接收孔上接收回波。

在又一個實施例中，成像步驟包括從第一發(fā)送孔發(fā)送圓形波形并且利用第一接收孔接收圓形波形的回波。

在一些實施例中，第一發(fā)送孔和第一接收孔不包括重疊的換能器元件。

在另一個實施例中，幀速率是至少500fps、至少1,000fps、至少2,000fps或者至少4,000fps。

在一些實施例中，方法進一步包括將傳播剪切波標識為移動通過感興趣的區(qū)域的點云。

在另一個實施例中，方法進一步包括顯示同時發(fā)生的感興趣的區(qū)域的圖像，包括指示被配置為誘導(dǎo)傳播剪切波的超聲脈沖的傳輸方向的線路。

附圖說明

發(fā)明的新穎特征具體在跟隨的權(quán)利要求中闡述。對本發(fā)明特征和優(yōu)點的更好理解將通過參照以下闡述說明性實施例(其中利用了發(fā)明的原理)的詳細描述及其附圖而獲得：

圖1是多孔超聲彈性成像探頭和在粘彈性介質(zhì)內(nèi)感興趣的區(qū)域中的傳播剪切波的一個實施例的示意圖。

圖2是具有一個剪切波啟動換能器陣列和四個成像換能器陣列的多孔超聲彈性成像探頭的實施例的示意圖。

圖3是具有一個剪切波啟動換能器陣列和兩個凹形彎曲的成像換能器陣列的多孔超聲彈性成像探頭的實施例的示意圖。

圖3a是具有被指定為剪切波脈沖啟動區(qū)域的連續(xù)凹形彎曲陣列的部分的多孔超聲彈性成像探頭的實施例的圖示。

圖3b是包括被指定為剪切波脈沖啟動區(qū)域、被配置用于通過一組元件進行3d成像的連續(xù)2d凹形換能器陣列的多孔超聲彈性成像探頭的實施例的圖示。

圖4是其可以被用于剪切波啟動換能器陣列或者成像換能器陣列中的一個或多個成像換能器陣列的環(huán)形陣列的示意圖。

圖5是圖示了高分辨率多孔成像過程的一個實施例的流程圖。

圖6是圖示了高幀速率多孔成像過程的一個實施例的流程圖。

圖7是圖示了彈性成像數(shù)據(jù)捕獲過程的一個實施例的流程圖。

圖8是示出了由傳播剪切波造成的擾動的差分幀的示例。

具體實施方式

將參照附圖詳細描述各種實施例。對特定示例和實施方式做出的參照是用于說明性目的，并且不旨在限制發(fā)明或權(quán)利要求的范圍。

在一些實施例中，提供了超聲成像方法，其中具有剪切分量和壓縮分量的機械波在粘彈性介質(zhì)(諸如生物組織)中被生成。當剪切波傳播通過介質(zhì)時，在以高幀速率對介質(zhì)進行成像的同時，產(chǎn)生的剪切波傳播速度可以被測量。傳播的剪切速度可以通過標識在已知的時間間隔下獲得的多個幀中的剪切波的變化位置來確定。如下面將進一步詳細描述的，基于聲脈沖的和多孔超聲成像的各種實施例特別適合于獲得用于使用這些方法執(zhí)行對組織剛度的準確分析的高分辨率和高幀速率圖像。在一些實施例中，接收的回波數(shù)據(jù)的定性和/或定量分析可以被執(zhí)行以標識與粘彈性介質(zhì)的剩余部分相比不同硬度的區(qū)域。

在本文中實施例提供了用于執(zhí)行超聲彈性成像以確定組織的剪切模量的系統(tǒng)和方法。在一些實施例中，確定剪切模量的方法包括將機械剪切波發(fā)送到測試介質(zhì)中，然后當剪切波傳播通過介質(zhì)時使用高幀速率b模式超聲成像技術(shù)來對測試介質(zhì)進行成像。通過將在剪切波傳播期間得到的每個圖像幀與在發(fā)送剪切波之前生成的參考圖像相比較，可以確定傳播速率。

雖然本文中參照各種解剖結(jié)構(gòu)剛度的成像和評估描述了各種實施例，將被理解的是，本文中示出和描述的許多方法和設(shè)備還可以被用于諸如對非解剖結(jié)構(gòu)和對象進行成像和評估之類的其它應(yīng)用中。例如，本文中描述的超聲探頭、系統(tǒng)和方法可以適于在對諸如焊接點、管道、梁、板、壓力容器、層狀結(jié)構(gòu)、土壤、地表、混凝土等之類的各種機械對象、結(jié)構(gòu)對象或材料的非破壞性測試或評估中使用。因此，本文中對醫(yī)學(xué)或解剖成像目標、組織或器官的參照僅僅被提供作為可以使用本文中描述的各種裝置和技術(shù)來成像或評估的幾乎無限多種目標的非限制性示例。

關(guān)鍵術(shù)語和概念的介紹

如本文中使用的，術(shù)語“超聲換能器”和“換能器”可以具有如由超聲成像技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員理解的它們的普通含義，并且可以沒有限制地指代能夠?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換成超聲信號和/或反之亦然的任何單個部件。例如，在一些實施例中，超聲換能器可以包括壓電設(shè)備。在其它實施例中，超聲換能器可以包括電容性微機械超聲換能器(cmut)

換能器常常被配置在多個單獨換能器元件的陣列中。如本文中使用的，術(shù)語“換能器陣列”或“陣列”通常指代被安裝到共同背板上的換能器元件的集合。這樣的陣列可以具有一維(1d)、二維(2d)、1.x維(例如1.5d、1.75d等)或三維(3d)(這樣的陣列可以被使用用于以2d、3d或4d成像模式成像)。如由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的，還可以使用其它維的陣列。還可以使用諸如同心圓形陣列和橢圓形陣列之類的環(huán)形陣列。換能器陣列的元件可以是陣列的最小離散功能部件。例如，在壓電換能器元件的陣列的情況下，每個元件均可以是單個壓電晶體或者壓電晶體的單個機械加工的部分。

如本文中使用的，術(shù)語“發(fā)送單元”和“接收單元”可以具有如由超聲成像技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員理解的它們的普通含義。術(shù)語“發(fā)送單元”可以無限制地指代至少暫時執(zhí)行其中電信號被轉(zhuǎn)換成超聲信號的發(fā)送功能的超聲換能器元件。類似地，術(shù)語“接收單元”可以無限制地指代至少暫時執(zhí)行其中撞擊在元件上的超聲信號被轉(zhuǎn)換成電信號的接收功能的超聲換能器元件。到介質(zhì)中的超聲傳輸在本文中還可以被稱為“聲穿透”。反射超聲波的對象或結(jié)構(gòu)可以“反射器”或“散射器”。

如本文中使用的，術(shù)語“孔”可以指代超聲信號可以通過其被發(fā)送和/或接收的概念上的“開口”。在實際實踐中，孔簡單地是單個換能器元件或者由成像控制電子設(shè)備共同管理為公共組的一組換能器元件。例如，在一些實施例中，孔可以是其可以與鄰近孔的元件物理分離的元件的物理分組。然而，鄰近孔徑不需要必須是物理分離的。

應(yīng)當注意的是，術(shù)語“接收孔”、“聲穿透孔”和/或“發(fā)送孔”在本文中被用于意指從期望的物理觀點或孔執(zhí)行期望的發(fā)送或接收功能的單個元件、陣列內(nèi)的一組元件或者甚至公共外殼內(nèi)的整個陣列。在一些實施例中，這樣的發(fā)送和接收孔可以被形成為具有專用功能性的物理分離的部件。在其它實施例中，任意數(shù)目的發(fā)送和/或接收孔可以根據(jù)需要電子地動態(tài)限定。在其它實施例中，多孔超聲成像系統(tǒng)可以使用專用功能和動態(tài)功能孔的組合。

如本文中使用的，術(shù)語“總孔”指代所有成像孔的總累積尺寸。換句話說，術(shù)語“總孔”可以指代由被用于具體成像循環(huán)的發(fā)送和/或接收元件的任意組合的最遠換能器元件之間的最大距離定義的一個或多個尺寸。從而，總孔徑由被指定為用于具體循環(huán)的發(fā)送或接收孔的任意數(shù)目的子孔構(gòu)成。在單孔成像布置的情況下，總孔、子孔、發(fā)送孔和接收孔將全部具有相同的尺寸。在多孔成像布置的情況下，總孔的尺寸包括所有發(fā)送和接收孔的尺寸之和。

在一些實施例中，兩個孔可以彼此相鄰地位于連續(xù)陣列上。在又其它實施例中，兩個孔可以在連續(xù)陣列上彼此重疊，使得至少一個單元作為兩個分離孔的一部分起作用。定位、功能、元件數(shù)目和孔的物理尺寸可以以針對特殊應(yīng)用所需的任何方式來動態(tài)地定義。針對特殊應(yīng)用對這些參數(shù)的約束將在下面討論和/或?qū)τ诒绢I(lǐng)域技術(shù)人員將是顯然的。

本文中描述的元件和陣列還可以是多功能的。也就是說，換能器元件或陣列在一個實例中指定為發(fā)送器不排除它們在下一個實例中立即被重新指定為接收器。而且，本文中控制系統(tǒng)的實施例包括用于基于用戶輸入、預(yù)設(shè)的掃描或分辨率準則、或者其它自動確定的準則電子做出這些指定的能力。

誘導(dǎo)剪切波

剪切波在組織中的傳播速度通過以下等式與組織的剛度(楊氏模量或剪切模量)和密度相關(guān)：

e＝3ρ·c²

其中c是剪切波的傳播速度，e是楊氏模量，并且ρ是組織密度。因為組織密度傾向于最低限度地變化，并且因為速度項被平方，因此彈性可以通過假定近似密度值并且只測量剪切波傳播速度來計算。在一些情況下，假定的密度值可以根據(jù)諸如對于已知器官組織的密度的近似范圍之類的關(guān)于正被成像的組織的已知信息來變化。例如，肝組織可以具有大約1.05kg/l的密度，心臟組織可以是約1.03kg/l，以及骨骼肌肉組織可以是約1.04kg/l。已知組織彈性的變化與各種疾病狀態(tài)關(guān)聯(lián)。因此，組織中的癌癥或其它病理情況可以通過測量通過組織的剪切波傳播速度來檢測。

在一些實施例中，可以通過將強超聲脈沖施加至組織而在組織內(nèi)形成剪切波。在一些實施例中，生成超聲脈沖(本文中還被稱為“啟動”脈沖或“初始化”脈沖)的剪切波可以顯示出高的振幅和長的持續(xù)時間(例如，在100微秒的量級)。超聲脈沖可以生成聲輻射力以推動組織，由此造成組織的層沿超聲脈沖的方向滑動。組織的這些滑動(剪切)移動可以被看作剪切波，這些剪切波是低頻率的(例如，從10至500hz)并且可以在垂直于超聲脈沖方向的方向上傳播。

超聲剪切波通常只導(dǎo)致幾個微米的組織位移。由于這個量小于大多數(shù)成像系統(tǒng)的分辨率，因此檢測位移具有附加的挑戰(zhàn)。在一些實施例中，由剪切波誘導(dǎo)的組織位移可以根據(jù)b模式成像回波的返回的相移來檢測。

剪切波的傳播速度通常在大約1至10m/s的量級(對應(yīng)于從1至300kpa的組織彈性)。因此，傳播剪切波可以在大約6至60毫秒中穿過6cm寬的超聲圖像平面。從而，為了在6cm寬的圖像中收集快速移動的剪切波的至少三個圖像，可能要求每秒至少500幀的幀速率。大多數(shù)當前的放射學(xué)超聲系統(tǒng)僅僅每17至33毫秒(對應(yīng)于每秒約58幀至約30幀的幀速率)更新完整的圖像，這對于對傳播剪切波進行成像來說太慢了，這是因為在單個幀可以被獲取之前剪切波將已經(jīng)從視野中消失。為了足夠詳細地捕獲剪切波，需要每秒千個或更多個圖像的幀速率。

高幀速率超聲成像

基于掃描線的超聲成像系統(tǒng)的幀速率是脈沖重復(fù)頻率(prf，其由超聲在成像介質(zhì)中的往返行進時間限制)除以每幀掃描線的數(shù)目。典型的基于掃描線的超聲成像系統(tǒng)使用介于每幀約64根與每幀約192根之間的掃描線，從而導(dǎo)致只有大約每秒50幀的典型幀速率。

通過使用基于聲脈沖的超聲成像技術(shù)，一些超聲成像系統(tǒng)和方法能夠?qū)崿F(xiàn)在每秒幾千幀量級的幀速率。這樣的系統(tǒng)和方法的一些實施例能夠從單個發(fā)送脈沖獲得整個2d圖像，并且在對18cm的深度進行成像時可以實現(xiàn)每秒4000或者更高的脈沖速率(并且因此，幀速率)。利用這一更新速率，對于最快的波可以在行進的約2.5mm增量下捕獲剪切波，并且對于較慢的剪切波在甚至更短的增量下捕獲剪切波。在較淺的深度處成像時，可以實現(xiàn)甚至更高的幀速率。例如，在2cm的深度處成像時，基于聲脈沖的超聲成像系統(tǒng)可以實現(xiàn)約每秒75,000幀的脈沖速率(并且因此，幀速率)。仍更高的幀速率可以通過發(fā)送重疊的脈沖或聲脈沖來實現(xiàn)(例如，如下面描述的)。

與傳統(tǒng)的基于掃描線的相控陣超聲成像系統(tǒng)對比，多孔超聲成像系統(tǒng)的一些實施例在發(fā)送脈沖期間可以使用點源傳輸。從點源發(fā)送的超聲波前(本文中還被稱為“聲脈沖”或未聚焦的超聲波前)用每個圓形或球形波前照射整個感興趣的區(qū)域。從由單個接收換能器元件接收的單個聲脈沖接收的回波可以被波束形成以形成感興趣的聲穿透區(qū)域的完整圖像。結(jié)合來自跨寬探頭的多個接收換能器的數(shù)據(jù)和圖像，并且結(jié)合來自多個聲脈沖的數(shù)據(jù)，可以獲得非常高分辨率的圖像。而且，這樣的系統(tǒng)允許在非常高的幀速率下成像，這是由于幀速率僅由聲脈沖重復(fù)頻率—即行進在發(fā)送換能器元件、最大深度反射器與最遠接收換能器元件之間的發(fā)送的波前的往返行進時間的倒數(shù)限制。在一些實施例中，基于聲脈沖的成像系統(tǒng)的幀速率可以單獨地等于聲脈沖重復(fù)頻率。在其它實施例中，如果期望從不止一個聲脈沖形成幀，則基于聲脈沖的成像系統(tǒng)的幀速率可以等于聲脈沖重復(fù)頻率除以每幀聲脈沖的數(shù)目。

如本文中使用的，術(shù)語“點源傳輸”和“聲脈沖”可以指代發(fā)送的超聲能量從單個空間位置到介質(zhì)中的引進。這可以使用單個超聲換能器元件或者一起發(fā)送的鄰近換能器元件的組合來實現(xiàn)。從所述元件(多個元件)的單個傳輸可以近似于均勻球形波前，或者在對2d切片進行成像的情況下單個傳輸在2d切片內(nèi)形成均勻的圓形波前。在一些情況下，來自點源發(fā)送孔的圓形或球形波前的單個傳輸在本文中可以被稱為“聲脈沖”或“點源脈沖”或“未聚焦的脈沖”。

點源傳輸在其空間特性方面不同于基于掃描線的“相控陣傳輸”或者其將能量從換能器元件陣列沿特定方向(沿掃描線)聚焦的“定向脈沖傳輸”。相控陣傳輸依次操縱一組換能器元件的相位以便使聲穿透波加強或轉(zhuǎn)向至特定的感興趣的區(qū)域。

在一些實施例中，使用一系列發(fā)送聲脈沖的多孔成像可以通過從第一發(fā)送孔發(fā)送點源聲脈沖并且用兩個或多個接收孔的元件接收發(fā)送的聲脈沖的回波來進行操作。完整的圖像可以通過基于發(fā)送與接收回波之間的延遲時間對反射器的位置進行三角測量來形成。因此，從每個發(fā)送的聲脈沖的回波，每個接收孔可以形成完整的圖像。在一些實施例中，單個時域幀可以通過結(jié)合從在兩個或多個接收孔處接收的來自單個發(fā)送的聲脈沖的回波形成的圖像來形成。在其它實施例中，單個時域幀可以通過結(jié)合從在一個或多個接收孔處接收的來自兩個或多個發(fā)送的聲脈沖的回波形成的圖像來形成。在一些這樣的實施例中，多個發(fā)送的聲脈沖可以源于不同的發(fā)送孔。

“波束形成”通常被理解為通過其在多個離散接受器處接收的成像信號被結(jié)合以形成完整的相干圖像的過程?；诼暶}沖的波束形成過程與該理解一致?；诼暶}沖的波束形成的實施例通常涉及基于超聲信號可能已經(jīng)沿其行進的路徑、假定的聲音的恒定速度以及發(fā)送聲脈沖與回波被接收的時間之間的過去的時間，確定對應(yīng)于接收的回波數(shù)據(jù)的部分的反射器位置。換句話說，基于聲脈沖的成像涉及基于假定的速度和測量的時間對距離的計算。一旦已經(jīng)計算出這樣的距離，就可以對任何給定反射器的可能位置進行三角測量。利用關(guān)于發(fā)送與接收換能器元件的相對位置以及成像介質(zhì)中的超聲速度的準確信息，使得這一距離計算成為可能。如在上面引用的申請人的在先申請中討論的，多孔探頭和其它探頭可以被校準以確定每個換能器元件的聲學(xué)位置達到至少期望的準確程度，并且這樣的元件位置信息可以被數(shù)字存儲在成像或波束形成系統(tǒng)可訪問的位置中。

圖1示意性圖示了被配置用于執(zhí)行彈性成像的多孔超聲探頭10的一個實施例。圖1的探頭10包括兩個成像換能器陣列14、16和一個其在本文中被稱為“初始化”發(fā)送換能器陣列12的剪切波啟動換能器陣列。初始化換能器陣列可以被配置用于發(fā)送相對低頻率的剪切波啟動脈沖(在本文中還被稱為“初始化脈沖”)。

探頭10還可以被配置成與電子控制器100連接，該電子控制器被配置為電子控制發(fā)送的和接收的超聲信號?？刂破骺梢员慌渲脼榘l(fā)送相控陣或聲脈沖超聲信號、接收和處理由成像換能器陣列接收的回波、執(zhí)行接收波束形成過程、以及從接收的和處理的回波形成b模式圖像?？刂破?00還可以被配置為控制剪切波前從初始化陣列的傳輸，并且可以被配置為根據(jù)本文中描述的任何實施例來確定剪切波的位置和感興趣的區(qū)域中的組織的彈性?？刂破?00還可以被配置為控制圖像形成、圖像處理、回波數(shù)據(jù)存儲、或者包括本文中描述的各種方法和過程的任何其它過程。在一些實施例中，控制器100中的部分或全部可以被并入到探頭中。在其它實施例中，控制器可以電子耦合至探頭(例如，通過有線或無線電子通信方法)，但是與探頭本身物理分離。在再進一步的實施例中，一個或多個分離、附加的控制器可以電子連接至探頭10和/或控制器100。這樣的附加的控制器可以被配置為執(zhí)行任意一個或多個本文中描述的方法或過程。

在圖1中圖示的實施例中，初始化換能器陣列12被中央定位在左邊14與右邊16側(cè)面成像換能器陣列之間。在另選實施例中，初始化陣列可以被定位在任何其它位置中，諸如左邊位置14、右邊位置16或者除了在圖1中示出的那些之外的其它位置。在進一步的實施例中，多孔探頭中的若干換能器陣列中的任一個陣列可以被臨時或永久分配和控制成作為初始化陣列進行操作。

在進一步的實施例中，初始化換能器并不必是分離的陣列。更確切地說，為可以以其它方式被用于成像的較大陣列的一部分的單個換能器元件或者一組換能器元件可以被臨時或永久制定和控制/操作為初始化陣列。

如下面將進一步詳細討論的，探頭10的成像換能器陣列14、16可以被用于對感興趣的區(qū)域50進行成像。成像換能器陣列14、16可以包括諸如壓電晶體或cmut元件的1d、1.xd、2d陣列之類的適于超聲成像的任何換能器陣列構(gòu)造。

多孔超聲成像探頭的實施例可以包括在許多各種不同的物理布置中的任意數(shù)目的成像孔。例如，圖2圖示了包括中央初始化換能器陣列12和其全部四個可以在多孔成像過程中被使用的兩對成像陣列14、15、16、17的多孔彈性成像探頭11的實施例。在一些實施例中，另選地初始化陣列12可以位于其它陣列14、15、16、17中的任何一個陣列的位置。

在一些實施例中，多孔探頭可以具有大體凹形的組織接合表面，并且可以包括多個成像孔。在一些實施例中，多孔探頭的每個單獨的孔可以包括分離并且獨特的換能器陣列。在其它實施例中，單獨孔可以在大的連續(xù)換能器陣列上被動態(tài)和/或電子地分配。

圖3圖示了包括中央初始化換能器陣列12和一對凹形彎曲的側(cè)面成像陣列18、20的多孔彈性成像探頭的實施例。在一些實施例中，如在申請人的在先美國專利申請no.13/272,105(其通過引用方式被并入本文)中描述的，多個成像孔可以在凹形側(cè)面陣列18、20中的一個或兩個凹形側(cè)面陣列上被動態(tài)分配。另選地，凹形彎曲側(cè)面陣列中的每個陣列均可以被視為分離的孔。

圖3a圖示了包括單個連續(xù)凹形彎曲換能器陣列19的多孔彈性成像探頭的實施例。正如上面討論的其它實施例，連續(xù)彎曲陣列19的任意部分可以被臨時或永久配置、指定和控制/操作為初始化陣列。

圖3b圖示了包括如在申請人的在先申請no.13/272,105中描述的3d陣列25的多孔彈性成像探頭的實施例。一組換能器單元12被示出指定為剪切波啟動區(qū)域。正如上面的實施例，3d陣列25的任何其它區(qū)域可以被指定為初始化區(qū)域。

在一些實施例中，通過用低頻率初始化換能器陣列代替至少一個換能器陣列，具有至少三個陣列的探頭可以適于彈性成像。在一些實施例中，多孔探頭的初始化換能器陣列可以被定位在至少兩個其它陣列之間。這樣的探頭配置可以包括可調(diào)節(jié)探頭、心臟探頭、通用探頭、靜脈內(nèi)超聲(ivus)探頭、陰道內(nèi)探頭、直腸內(nèi)探頭、經(jīng)食道探頭或者被配置用于特定應(yīng)用的其它探頭。

類似地，任何其它多孔或單孔超聲成像探頭可以適于與本文中描述的彈性成像系統(tǒng)和方法一起使用。在再進一步的實施例中，初始化陣列可以被設(shè)置在完全獨立于成像探頭的分離探頭上。例如，初始化探頭可以被設(shè)置有與成像探頭的外殼分離的外殼。在一些實施例中，獨立的初始化探頭可以被配置成被臨時附接至成像探頭。在這樣的實施例中，這樣的分離初始化探頭可以由與成像探頭相同的超聲成像系統(tǒng)來控制，或者初始化探頭可以獨立于成像系統(tǒng)來控制。獨立控制的彈性成像初始化脈沖控制器可以與超聲成像系統(tǒng)同步以便向成像系統(tǒng)提供準確的指示初始化脈沖被發(fā)送時間的定時信息。

在另選實施例中，通過使用與上面描述的那些相似的技術(shù)發(fā)送平面波前(例如，通過從公共陣列中的若干換能器發(fā)送同步脈沖)、接收回波、并且將接收的回波映射到像素位置，可以實現(xiàn)相似的幀速率。這樣的平面波發(fā)送系統(tǒng)的一些實施例可以實現(xiàn)與利用基于聲脈沖的成像技術(shù)實現(xiàn)的那些相似的幀速率。

剪切波啟動換能器的實施例

不管探頭構(gòu)造，初始化陣列12的實施例可以被配置為發(fā)送具有介于約1mhz和約10mhz之間的頻率的剪切波啟動超聲脈沖。在其它實施例中，初始化陣列12可以被配置為發(fā)送具有高達約18mhz或更高頻率的剪切波啟動超聲脈沖。在一些實施例中，用于產(chǎn)生初始化脈沖的超聲頻率可以是被用于成像的超聲頻率的大約一半。根據(jù)材料和構(gòu)造，單個換能器陣列可以能夠產(chǎn)生用于初始化脈沖的低頻率超聲脈沖和用于成像的相對高頻率超聲脈沖兩者。然而，在一些實施例中，可能期望使用被優(yōu)化用于相對窄的頻率范圍的換能器以允許對初始化脈沖或成像脈沖更有效的控制。

從而，在一些實施例中，初始化換能器陣列12可以包括被配置為專門起初始化陣列作用，諸如通過被優(yōu)化以在預(yù)期初始化頻率范圍內(nèi)有效起作用的分離陣列。因此，在一些實施例中，初始化陣列可以在結(jié)構(gòu)上不同于分離的成像陣列。在其它實施例中，初始化陣列可以在物理上與成像陣列完全相同，并且可以僅在其操作和使用方面不同。

在一些實施例中，初始化換能器陣列12可以包括壓電元件的矩形或其它形狀的陣列(例如1d、1.xd、2d或其它矩形陣列)。在其它實施例中，初始化換能器陣列12可以包括電容性微機械超聲換能器(cmut)元件的矩形或其它形狀的陣列。

在其它實施例中，初始化陣列12可以包括如例如在圖4中示出的環(huán)形陣列30。環(huán)形陣列可以包括以同心圓形或橢圓形圖案布置的多個換能器元件。這樣的環(huán)形陣列20還可以使用任何適當?shù)膿Q能器材料。在一些實施例中，初始化陣列12可以包括切換環(huán)環(huán)形換能器陣列。

在一些實施例中，切換環(huán)環(huán)形陣列可以包括盤形超聲換能器(例如，球的一段)，該盤形超聲換能器可以被分成多個同心環(huán)形換能器元件，其中最里面的元件可以是平面環(huán)或完整的盤。在一些實施例中，環(huán)形陣列20的前表面的曲率以及換能器與感興趣的區(qū)域表面之間的任何透鏡或阻抗匹配層可以至少部分確定換能器的焦距。在其它實施例中，環(huán)形陣列可以是大體上平面的，并且聲透鏡可以被采用以聚焦發(fā)送的超聲能量。

環(huán)形陣列20可以包括任意數(shù)目的環(huán)，諸如在圖4中示出的除了中央圓盤之外的三個環(huán)。在其它實施例中，除了中央圓盤或盤之外，環(huán)形陣列可以包括2、4、5、6、7、8、9、10或更多個環(huán)。在一些實施例中，環(huán)可以通過蝕刻、劃線、完全切割或以其它方式來進一步解耦，從而在每個環(huán)內(nèi)將環(huán)分成多個環(huán)元件。在一些實施例中，用于對25cm深度進行操作的環(huán)形陣列換能器可以具有40mm的直徑，其中外環(huán)可以具有大約1.85mm的寬度，從而提供222mm²的表面面積；內(nèi)環(huán)可以具有大約0.8mm的寬度并且位于近似為10.6mm的半徑處以提供55mm²的表面面積。

在一些實施例中，每個環(huán)(或者環(huán)內(nèi)的每個環(huán)元件)可以具有單獨的電連接，使得每個環(huán)(或者環(huán)元件)可以作為分離的換能器元件由控制系統(tǒng)單獨控制，使得環(huán)可以被調(diào)相以便將剪切波啟動脈沖引導(dǎo)至感興趣的區(qū)域內(nèi)的期望深度。施加的能量振幅可以確定離開環(huán)形陣列20表面行進的發(fā)射的超聲波的振幅。

在一些實施例中，初始化陣列中的元件的尺寸和/或數(shù)目可以由待被產(chǎn)生的剪切波的形狀或其它性質(zhì)來確定。

在一些實施例中，由初始化換能器陣列12產(chǎn)生的剪切波啟動脈沖在傳輸期間可以被聚焦以在感興趣的區(qū)域處提供最大功率。在一些實施例中，初始化脈沖可以被聚焦在初始化線路22(例如，如在圖1、圖2和圖3中示出的)上。初始化脈沖可以進一步被聚焦在期望的深度處以在期望的深度處產(chǎn)生最大破壞性功率。在一些實施例中，軸向聚焦線路和聚焦的深度點可以通過在一組適當?shù)难舆t下從多個換能器元件發(fā)送脈沖(即，使用“相控陣”技術(shù))來確定。在一些實施例中，如上面討論的在使用具有一系列切換環(huán)的環(huán)形陣列時，可以省略發(fā)送延遲。

在一些實施例中，初始化脈沖不需要是可電子轉(zhuǎn)向的。在這樣的實施例中，探頭可以被配置為總是沿相對于探頭一致的線路來發(fā)送初始化脈沖。在一些實施例中，初始化脈沖的預(yù)期線路可以被顯示在超聲顯示器上(例如，覆蓋同時發(fā)生的感興趣的區(qū)域的b模式圖像)以便向操作者提供初始化脈沖相對于成像的感興趣的區(qū)域的路徑的可視化指示。在這樣的實施例中，超聲醫(yī)師可以操縱探頭直到顯示器示出通過待由彈性成像評估的對象的代表性初始化線路。

在另選實施例中，初始化脈沖可以沿由操作者指示的方向被電子轉(zhuǎn)向。在這樣的實施例中，初始化脈沖的線路可以通過任何適當?shù)挠脩艚缑娼换ビ刹僮髡哌x擇而無需移動探頭。在一些實施例中，用戶界面交互可以包括在顯示屏幕上的初始化線路的可視化顯示(例如，覆蓋同時發(fā)生的感興趣的區(qū)域的b模式圖像)。一旦期望的初始化脈沖方向被選擇，初始化脈沖就可以被電子轉(zhuǎn)向以便沿選擇的線路行進。

用于檢測剪切波傳播速率的實施例

返回到圖1，將描述剪切波傳播的示例。剪切波可以在感興趣的區(qū)域50中從來自多孔彈性成像探頭10(或者任何其它被適當配置的彈性成像探頭)的初始化脈沖被啟動。如上面討論的，初始化脈沖可以沿從初始化換能器陣列12延伸到感興趣的區(qū)域中的線路22被聚焦到至少期望的深度。在一些實施例中，線路22可以垂直于初始化換能器陣列12。沿初始化線路22發(fā)送的初始脈沖52將傾向于在圖像平面內(nèi)誘導(dǎo)從線路22向外傳播的波前56。由初始化脈沖誘導(dǎo)的傳播波前56將沿傳播方向推動組織。諸如人類組織之類的彈性介質(zhì)將通過誘導(dǎo)包括在組織內(nèi)從線路22橫向傳播剪切波的機械波的恢復(fù)力對該推動作出反應(yīng)。

現(xiàn)在將參照圖1的探頭構(gòu)造和圖5至圖7的流程圖描述彈性成像的成像過程的實施例。這些過程可以通過如上面描述的任何被適當配置的探頭被使用。在一些實施例中，左邊和右邊側(cè)面換能器陣列14、16可以被用于通過高幀速率超聲成像技術(shù)和高分辨率多孔超聲成像技術(shù)中的任何一者、兩者或組合來對感興趣的區(qū)域50進行成像。下面總結(jié)了這些技術(shù)，并且這些技術(shù)的進一步的細節(jié)被提供在美國專利申請no.13/029,907中，其說明了使用圓形波前的傳輸并且使用只收波束形成以從每個脈沖或“聲脈沖”產(chǎn)生整個圖像的成像技術(shù)的實施例(還被稱為基于聲脈沖的成像技術(shù))。

在本文中術(shù)語“高分辨率成像”和“高幀速率成像”被用作另選成像過程的縮寫名稱。因為“高分辨率成像”過程還可以在相對于其它成像技術(shù)的高幀速率下操作并且“高幀速率成像”過程還可以產(chǎn)生大體上比其它成像技術(shù)更高的分辨率的圖像，因此這些術(shù)語并不旨在是限制的或排他的。此外，剪切波傳播的速率可以使用不同于本文中描述的或引用的那些成像技術(shù)的高幀速率成像技術(shù)和/或高分辨率成像技術(shù)來檢測。

圖5圖示了可以使用諸如在圖1中示出的多孔超聲成像探頭的高分辨率多孔成像過程60的實施例。在一些實施例中，成像陣列14、16中的一個或兩者可以包括被臨時或永久指定為發(fā)送元件t1到tn的一個或多個換能器元件。成像陣列14、16中的一個或兩者的剩余換能器元件可以被指定為接收元件。

在一些實施例中，高分辨率多孔超聲成像過程60可以包括從一系列不同的發(fā)送孔(t1…tn)發(fā)送一系列連續(xù)脈沖62、利用在接收孔上的多個元件接收來自每個脈沖的回波64、并且由從每個發(fā)送脈沖接收的回波獲得完整的圖像66。然后這些圖像可以被組合68成最終的高分辨率圖像。這樣的高分辨率多孔成像過程的實施例可以大體上相似于在上面引用的申請人的在先美國專利申請no.13/029,907中示出和描述的過程。

如在圖5中指示的，在高分辨率成像過程的第一循環(huán)期間，發(fā)送超聲信號62a、接收回波64a和形成圖像66a的步驟可以使用第一發(fā)送換能器t1來執(zhí)行。在第二循環(huán)期間，信號可以從不同發(fā)送換能器ti被發(fā)送62b，回波可以被接收64b，并且第二圖像可以被形成66b。步驟62x至步驟66x的過程可以使用可以分別被定位在超聲探頭內(nèi)的任何期望位置處的n個不同的發(fā)送換能器來重復(fù)。一旦已經(jīng)形成了期望的圖像數(shù)目(還被稱為圖像層)，這些圖像層可以被組合68成單個圖像幀中，由此改進圖像質(zhì)量。如果需要，然后過程60可以被重復(fù)以獲得多個時域幀，這些時域幀然后可以被連續(xù)顯示給用戶。

圖6圖示了高幀速率成像過程70的實施例。在一些實施例中，高幀速率超聲成像過程70可以包括從單個發(fā)送孔tx發(fā)送連續(xù)聲脈沖72、由從每個發(fā)送的聲脈沖72接收的回波74形成完整的圖像76、并且將每個圖像76視為連續(xù)時域幀。以這種方式，在感興趣的區(qū)域50中的反射器位置的輕微改變可以在非常高的幀速率下進行采樣。

如在圖6中指示的，在第一循環(huán)期間，聲脈沖可以從選擇的發(fā)送換能器tx被發(fā)送72a，回波可以被接收74a并且第一幀可以被形成76a。如本文中在別處描述的，發(fā)送72b和接收74b的相同的步驟循環(huán)然后可以被重復(fù)以產(chǎn)生第二幀76b、第三幀(步驟72c、74c、76c)、以及和期望或需要一樣多的許多隨后的幀。

在一些實施例中，在聲脈沖重復(fù)頻率(即，連續(xù)聲脈沖被發(fā)送的頻率)等于往返行程行進時間(即，用于超聲波從發(fā)送換能器行進到在距換能器期望距離處的反射器的時間，加上用于回波沿相同或不同路徑從反射器返回到接收換能器的時間)的倒數(shù)時，可以達到使用基于聲脈沖的成像技術(shù)的成像系統(tǒng)的最大幀速率。在其它實施例中，重疊的聲脈沖可以通過編碼激勵或者區(qū)分重疊的回波的其它方法被使用。也就是說，第二聲脈沖可以在來自第一聲脈沖的所有回波被接收之前被發(fā)送。只要發(fā)送的聲脈沖信號可以被編碼或以其它方式區(qū)分使得第一聲脈沖的回波可以被識別為與第二聲脈沖的回波不同，這是可能的。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知若干個編碼激勵技術(shù)，這若干個編碼激勵技術(shù)中任何技術(shù)都可以通過點源多孔成像探頭被使用。另選地，重疊的聲脈沖還可以通過以不同頻率發(fā)送聲脈沖或者使用任何其它適當?shù)募夹g(shù)來區(qū)分。使用重疊的聲脈沖，可以實現(xiàn)甚至更高的成像幀速率。

在一些實施例中，在啟動彈性成像的成像過程之前，在b模式成像過程期間可以定義成像窗。定義的圖像窗可以是待在其中執(zhí)行彈性成像的感興趣的區(qū)域的部分。例如，在探頭定位、深度選擇、縮放、平移等的任意組合之后可以定義圖像窗。在一些實施例中，圖像窗可以和整個聲穿透的感興趣的區(qū)域一樣大。在其它實施例中，圖像窗可以僅僅是完整的感興趣的區(qū)域的較小部分(例如，“放大的”部分)。在一些實施例中，在使用從原始數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中檢索的回波數(shù)據(jù)的成像會話之后可以定義圖像窗。

圖7圖示了使用諸如在圖1中示出的探頭的彈性成像過程80的實施例。在圖示的實施例中，彈性成像過程80通?？梢园缦虏襟E：獲得基線圖像82和存儲基線圖像84、將剪切波啟動脈沖(初始化脈沖)發(fā)送86到感興趣的區(qū)域50中、使用高幀速率成像過程對感興趣的區(qū)域50進行成像88、以及從在高幀速率成像過程88期間獲得的每個幀中減去基線圖像90。然后剩余一系列“差分幀”可以被分析以獲得關(guān)于由傳播通過感興趣的區(qū)域50的組織的剪切波56移位的組織的信息。剪切波56的傳播速度可以通過對差分幀的時間序列中的組織的擾動的分析來獲得。

在一些實施例中，在利用彈性成像啟用的超聲探頭對感興趣的區(qū)域內(nèi)的選擇的圖像窗進行成像的同時，初始化線路22(在圖1中示出的)可以被顯示在超聲圖像顯示屏幕上，該顯示屏幕覆蓋目標區(qū)域的圖像。在一些實施例中，超聲成像系統(tǒng)可以利用如上面參照圖5討論的高分辨率成像過程連續(xù)地對感興趣的區(qū)域進行成像。另選地，任何其它期望的超聲成像過程也可以被用于獲得待由彈性成像過程進行分析的區(qū)域的圖像。

一旦探頭10處于期望的取向使得初始化線路22和期望的目標對象或感興趣的區(qū)域的部分相交，就可以選擇彈性成像深度，并且可以啟動彈性成像過程80。在一些實施例中，彈性成像深度可以由操作者經(jīng)由適當?shù)挠脩艚缑鎰幼鱽磉x擇。在其它實施例中，彈性成像深度可以由超聲成像控制系統(tǒng)自動選擇。在一些實施例中，彈性成像過程可以由超聲系統(tǒng)的操作者手動啟動。在其它實施例中，彈性成像過程80可以由超聲系統(tǒng)在對待被檢查的結(jié)構(gòu)進行自動標識時來自動啟動。

如在圖7的實施例中示出的，使用諸如在圖1中示出的探頭(或者任何其它被適當配置的探頭)的彈性成像過程80可以開始于獲得感興趣的目標區(qū)域50的基線圖像82并且存儲感興趣的目標區(qū)域50的基線圖像84。在一個實施例中，基線圖像可以通過使用諸如上面描述的高幀速率成像過程獲得單個幀來形成。在這樣的實施例中，基線圖像可以通過從來自側(cè)面換能器陣列14、16的第一個陣列(例如，右邊陣列16)的單個換能器元件tx發(fā)送成像脈沖、并且在側(cè)面換能器陣列14、16的第二個陣列(例如，左邊陣列14)中的多個元件上接收回波來形成。在一些實施例中，來自發(fā)送脈沖的回波還可以由第一換能器陣列(例如右邊陣列16)上的接收元件來接收。然后基線圖像可以被形成并且存儲84以用于隨后的步驟中。在另選實施例中，基線圖像可以使用諸如上面描述的高分辨率成像過程來獲得82。

在獲得基線圖像82之后，可以操作初始化換能器陣列以將剪切波啟動脈沖發(fā)送86到感興趣的區(qū)域中。初始化脈沖可以通過如上面描述的任何適當?shù)脑O(shè)備和方法來產(chǎn)生。在一些實施例中，剪切波啟動脈沖可以沿顯示的初始化線路22被聚焦，并且可以被聚焦在感興趣的區(qū)域內(nèi)的特定深度處。

在初始化脈沖被發(fā)送86之后，系統(tǒng)可以開始使用側(cè)面成像陣列14、16以高幀速率對感興趣的區(qū)域進行成像88。在一些實施例中，高幀速率成像過程可以包括參照圖6在上面描述的過程。在一個實施例中，高幀速率成像過程可以包括從單個發(fā)送孔tx發(fā)送一系列發(fā)送脈沖、并且在至少一個接收孔上的多個元件處接收回波。在一些實施例中，高幀速率成像88可以通過從與在獲得基線圖像82的步驟中使用的相同的發(fā)送元件(或孔)發(fā)送超聲脈沖來執(zhí)行。在一些實施例中，高幀速率成像可以繼續(xù)，至少直到誘導(dǎo)的剪切波的傳播已經(jīng)停止或者已經(jīng)前進到期望的程度。高幀速率成像時間的持續(xù)時間可以基于預(yù)期的最小傳播速度和圖像尺寸事先被計算。另選地，在于成像幀的范圍處檢測剪切波的傳播時，高幀速率成像88可以被停止。

在一些實施例中，在高幀速率成像過程88期間形成單個幀可以包括組合從在不同的接收換能器元件處接收的回波獲得的圖像層。例如，分離的圖像可以從由接收孔的每個單獨換能器元件接收的回波來形成以形成單個改進的圖像。然后，由第一接收孔的所有元件接收的回波產(chǎn)生的第一圖像可以與由第二接收孔的所有元件接收的回波產(chǎn)生的第二圖像組合，以便進一步改進產(chǎn)生的圖像的質(zhì)量。在一些實施例中，從這樣的組合中產(chǎn)生的圖像然后可以被用作高幀速率成像過程88中的單個幀。在上面引用的美國專利申請no.13/029,907中描述了這樣的圖像組合的進一步示例。

在一些實施例中，基線圖像然后可以從在高幀速率成像過程88中獲得的每個單獨幀中被減去90。例如，單個幀的每個像素值可以從基線圖像中的每個對應(yīng)像素值中被減去。從這樣的減去產(chǎn)生的圖像可以被稱為“差分圖像”或“差分幀”。如此獲得的差分圖像將包括大體上僅表示剪切波形加上任意噪音的像素值。

在一些實施例中，獲得基線圖像82、發(fā)送初始化脈沖86、以高幀速率連續(xù)成像88和獲得差分圖像幀90的步驟可以根據(jù)希望被重復(fù)許多次。來自這樣的多個循環(huán)的差分圖像可以被平均或以其它方式組合，以便改進信噪水平。

通過檢測隨后的差分幀中的擾動(即，在另外的‘正常’圖案中的小改變)，沿與初始化脈沖(例如，如在圖1中示出的)的方向成橫向的線路可以檢測傳播剪切波形。剪切波的傳播速度可以通過確定在已知的時間間隔下獲得的多個圖像幀中的剪切波的位置來獲得。

在一些情況下，由傳播剪切波造成的擾動可以產(chǎn)生相對分散的傳播波前圖像。例如，擾動可以在差分幀中表現(xiàn)為諸如在圖8中示出的斑點圖案92。點云92的近似中心線路94可以被確定并且視為傳播剪切波前的位置的代表。在一些實施例中，直線、曲線或其它路徑94可以使用任何適當?shù)穆窂綌M合算法被擬合到點云92。例如，在一些實施例中，差分幀的絕對值可以被計算，并且剪切波的局部位置可以通過平均最近x個點的位置來確定。

在一些實施例中，分析可以僅限于點云92(和/或?qū)?yīng)的中心線路94)的一部分。例如，如果確定了(通過視覺檢查或者通過自動分析)剪切波前的一小段比鄰近段傳播得快，則明顯較高或較低傳播速度的區(qū)域(多個區(qū)域)可以被選擇，并且傳播速度可以只針對剪切波前的該部分來計算。

通過計算給定差分幀中聚焦的初始化線路22與擬合線路94之間的距離，可以計算給定差分幀中剪切波的近似位置。任意兩個幀之間波前的傳播速率可以通過用由剪切波行進的距離除以獲得兩個幀之間過去的時間來確定。在另選實施例中，任意給定幀中的剪切波的位置可以相對于任何其它適當?shù)臄?shù)據(jù)來測量。

在各種實施例中，測量剪切波的傳播速度所需要的幀數(shù)目可以變化。在一些實施例中，近似的速度測量結(jié)果可以從如在已知的時間間隔下獲得的兩個或三個幀那么少的幀中獲得。在其它實施例中，可能需要在已知的時間間隔下獲得的至少十個幀以獲得足夠準確的時間測量結(jié)果。在進一步的實施例中，在已知的時間間隔下獲得的至少100個幀可以被用于獲得更加準確的時間測量結(jié)果。在再進一步的實施例中，200或者更多個幀可以被使用。通常，剪切波傳播速度測量結(jié)果的準確性可以隨著從其形成這樣的測量的幀的數(shù)目而增加。隨著幀數(shù)目增加，計算的復(fù)雜性也因此增加，所以待被使用的幀數(shù)目可以與可用的處理能力進行平衡。

在多于兩個幀可利用以被用于測量傳播速度時，任意數(shù)目的算法可以被使用。例如，在一些實施例中可以檢測每個可用幀中的剪切波位置，每個連續(xù)幀對之間的速度可以被計算，并且所有這樣的速度測量的結(jié)果可以被平均以獲得單個速度值。在其它實施例中，速度測量結(jié)果可以基于時間間隔以及不同和/或可用數(shù)目的幀之間的相對剪切波位置來計算。例如，可以計算每三個幀、每五個幀、每10個幀、每50個幀等之間的傳播速度。這樣的測量結(jié)果然后可以與彼此和/或與從連續(xù)幀對獲得的測量結(jié)果進行平均。在一些實施例中還可以使用加權(quán)平均。

在一些實施例中，整個彈性成像過程80(圖7)可以在相對于初始化換能器陣列12不同的聚焦深度處被重復(fù)。在一些實施例中，在各種深度處獲得的未波束形成的彈性成像回波數(shù)據(jù)可以被存儲并且組合到單個2d或3d數(shù)據(jù)集中以用于進一步的后處理和/或用于隨后的查看和分析。在各種實施例中，未波束形成的彈性成像回波數(shù)據(jù)可以被捕獲并且存儲以用于隨后在成像系統(tǒng)或任何其它適當?shù)挠嬎阌布线M行處理。

在另選實施例中，剪切波的傳播速度可以通過使用在2012年11月30日提交的、名稱為“motiondetectionusingping-basedandmultipleaperturedopplerultrasound”的申請人的共同未決的美國專利申請no.13/690,989中描述的多孔多普勒技術(shù)檢測移動/移位的組織的速度來測量。

一旦剪切波被捕獲并且其傳播速度被測量，如由楊氏模量(e)量化的感興趣的區(qū)域中的組織的硬度就可以由控制器、信號處理器或計算機測量或者確定。彈性(e)和剪切波傳播速度(c)通過簡單的公式被直接相關(guān)：

e＝3ρc²

其中ρ是以kg/m³表示的組織密度。因為組織密度傾向于最低限度地變化，因此可以假定近似的密度值以用于使用測量的傳播速度值來計算彈性的目的。速度項被平方的事實進一步使假定的密度值中任何誤差的影響最小化。從而，在只測量剪切波傳播速度c之后并且使用組織密度的假定近似值，可以計算組織的彈性。

在一些實施例中，密度值可以被存儲在控制器內(nèi)或者由控制器可電子訪問的數(shù)字存儲設(shè)備中。在其它實施例中，密度值可以由用戶經(jīng)由任何適當?shù)挠脩艚缑嬖O(shè)備手動輸入或編輯。一旦針對感興趣的區(qū)域內(nèi)的期望區(qū)域，剪切波傳播的速度已經(jīng)被測量，控制器就可以檢索密度值并且計算期望區(qū)域的彈性。

在一些實施例中，彈性估計可以被覆蓋在感興趣區(qū)域的圖像上。在一些實施例中，這樣的覆蓋可以被設(shè)置為彩色編碼的陰影圖像，從而以與相對低彈性區(qū)域形成鮮明對比的顏色示出高彈性區(qū)域。另選地，傳播剪切波可以被顯示在圖像上。在一些實施例中，傳播剪切波可以被顯示為動畫移動的線路、變化的顏色、移動的點云或者以其它方式顯示。在進一步的實施例中，剪切波傳播速度的數(shù)值可以被顯示。在其它實施例中，彈性的數(shù)值可以被顯示在感興趣區(qū)域的圖像上。軟組織將傾向于具有相對小的彈性值，而液體填充的區(qū)域完全不會傳導(dǎo)剪切波。

原始回波數(shù)據(jù)存儲

上面描述的系統(tǒng)和方法的各種實施例可以通過使用被配置為在成像會話期間存儲數(shù)字化回波波形的超聲成像系統(tǒng)來進一步提高。這樣的數(shù)字回波數(shù)據(jù)可以在成像系統(tǒng)上或者獨立的計算機或被配置為波束形成和處理回波數(shù)據(jù)以形成圖像的其它工作站上被隨后處理。在一些實施例中，這樣的工作站設(shè)備可以包括具有用于使用上面描述的任意技術(shù)來動態(tài)波束形成和處理回波數(shù)據(jù)的軟件的任意數(shù)字處理系統(tǒng)。例如，這樣的處理可以使用完全獨立于被用于發(fā)送和接收超聲信號的超聲成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理硬件來執(zhí)行。這樣的另選的處理硬件可以包括臺式電腦、平板電腦、筆記本電腦、智能手機、服務(wù)器或任何其它通用數(shù)據(jù)處理硬件。

在各種實施例中，接收的回波數(shù)據(jù)(包括在高幀速率成像過程期間接收的回波)可以在各個階段從純模擬回波信號被存儲成完全處理的數(shù)字圖像或甚至數(shù)字視頻。例如，純原始模擬信號可以使用諸如模擬磁帶之類的模擬記錄介質(zhì)來存儲。在稍微較高水平的處理下，在將模擬信號通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器之后，數(shù)字數(shù)據(jù)可以被立即存儲?？梢詫?shù)字化回波數(shù)據(jù)執(zhí)行諸如帶通濾波、插值、下采樣、上采樣、其它濾波等之類的進一步處理，并且在這樣的附加的濾波或處理步驟之后，原始數(shù)據(jù)可以被存儲。然后這樣的原始數(shù)據(jù)可以被波束形成以確定針對每個接收的回波的像素位置，由此形成圖像。單獨的圖像可以被組合為幀以形成視頻。在一些實施例中，可以期望在執(zhí)行很小的處理之后(例如，在數(shù)字回波數(shù)據(jù)的一些濾波和調(diào)節(jié)之后，但是在執(zhí)行任何波束形成或圖像處理之前)存儲數(shù)字化回波數(shù)據(jù)。一些超聲系統(tǒng)存儲波束形成的回波數(shù)據(jù)或者完全處理的圖像數(shù)據(jù)。盡管如此，如本文中使用的，短語“原始回波數(shù)據(jù)”和“原始數(shù)據(jù)”可以指代存儲的描述在波束形成之前任何處理水平下的接收的超聲回波(rx數(shù)據(jù))的回波信息。原始回波數(shù)據(jù)可以包括從b模式聲脈沖、多普勒聲脈沖或者任何其它超聲發(fā)送信號產(chǎn)生的回波數(shù)據(jù)。

除了接收的回波數(shù)據(jù)之外，還可以期望存儲關(guān)于生成特定回波數(shù)據(jù)集的一個或多個超聲發(fā)送信號的信息。例如，在利用如上面描述的多孔聲脈沖超聲方法成像時，期望知道關(guān)于產(chǎn)生特定回波集的發(fā)送聲脈沖的信息。這樣的信息可以包括一個或多個發(fā)送元件的身份和/或位置以及頻率、量值、脈沖長度、持續(xù)時間或描述發(fā)送的超聲信號的其它信息。本文中發(fā)送數(shù)據(jù)被統(tǒng)稱為“tx數(shù)據(jù)”。

在一些實施例中，tx數(shù)據(jù)還可以包括定義剪切波啟動脈沖沿其發(fā)送的線路的信息，以及指示這樣的剪切波啟動脈沖相對于接收的回波數(shù)據(jù)被發(fā)送的時間的定時信息。

在一些實施例中，這樣的tx數(shù)據(jù)可以被顯式地存儲在原始回波數(shù)據(jù)被存儲在其中的相同的原始數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中。例如，描述發(fā)送的信號的tx數(shù)據(jù)可以被存儲為在由發(fā)送的信號生成的原始回波數(shù)據(jù)集之前的頭部或者在由發(fā)送的信號生成的原始回波數(shù)據(jù)集之后的尾部。

在其它實施例中，tx數(shù)據(jù)可以被顯式地存儲在還可訪問執(zhí)行波束形成過程的系統(tǒng)分離存儲設(shè)備中。在其中發(fā)送數(shù)據(jù)被顯式地存儲的實施例中，短語“原始回波數(shù)據(jù)”或“原始數(shù)據(jù)”還可以包括這樣的顯式地存儲的tx數(shù)據(jù)。在再進一步的實施例中，換能器元件位置信息可以被顯式地存儲在相同或分離的存儲設(shè)備中。這樣的元件位置數(shù)據(jù)可以被稱為“校準數(shù)據(jù)”或“元件位置數(shù)據(jù)”，并且在一些實施例中通?？梢员话ㄔ凇霸紨?shù)據(jù)”內(nèi)。

tx數(shù)據(jù)還可以被隱式地存儲。例如，如果成像系統(tǒng)被配置為以一致或已知的序列發(fā)送一致定義的超聲信號(例如，一致的量值、形狀、頻率、持續(xù)時間等)，那么在波束形成過程期間可以假定這樣的信息。在這樣的情況下，只有需要與回波數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的信息是發(fā)送換能器(多個換能器)的位置(或身份)。在一些實施例中，基于原始回波數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)存儲器中的組織機構(gòu)，這樣的信息可以被隱式地獲得。例如，系統(tǒng)可以被配置為存儲跟隨每個聲脈沖的固定數(shù)目的回波記錄。在這些實施例中，來自第一聲脈沖的回波可以被存儲在存儲位置0到‘n’(其中‘n’是針對每個聲脈沖存儲的記錄數(shù)目)處，并且來自第二聲脈沖的回波可以被存儲在存儲位置n+1到2n+1處。在其它實施例中，一個或多個空記錄可以被留在回波集之間。在一些實施例中，接收的回波數(shù)據(jù)可以使用各種存儲器交叉存取技術(shù)來存儲以暗示發(fā)送的聲脈沖與接收的回波數(shù)據(jù)點(或一組回波)之間的關(guān)系。類似地，假定的數(shù)據(jù)在一致、已知的采樣速率下被采樣，每個回波數(shù)據(jù)點被接收的時間可以從該數(shù)據(jù)點在存儲器中的位置來推斷。在一些實施例中，相同的技術(shù)還可以被用于隱式地存儲來自單個原始數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中的多個接收信道的數(shù)據(jù)。

在一些實施例中，原始tx數(shù)據(jù)和原始回波數(shù)據(jù)可以在其中彈性成像過程被執(zhí)行的成像會話期間被捕獲和存儲。然后這樣的數(shù)據(jù)可以從存儲設(shè)備中隨后被檢索，并且波束形成、圖像處理，和剪切波速度測量步驟可以使用不同的假定、輸入或算法被重復(fù)以便進一步改進結(jié)果。例如，在這樣的存儲的數(shù)據(jù)的再處理期間，可以使用組織密度或聲速的假定值。在這樣的再處理期間，波束形成、圖像層組合或速度測量結(jié)果平均算法還可以相對于實時成像會話被修改。在一些實施例中，在再處理存儲的數(shù)據(jù)的同時，假定的常數(shù)和算法可以被迭代修改以便標識用于特定回波數(shù)據(jù)集的最佳參數(shù)集。

雖然該發(fā)明已經(jīng)在某些優(yōu)選實施例和示例的上下文中被公開，但是將由本領(lǐng)據(jù)技術(shù)人員理解的是，本發(fā)明超出具體公開的實施例延伸至發(fā)明的其它另選實施例和/或用途及其明顯的修改和等同物。對上面實施例的各種修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的，并且本文中定義的通用原理可以被應(yīng)用到其它實施例，而不脫離發(fā)明的精神或范圍。從而，本文中公開的本發(fā)明的范圍不應(yīng)旨在由上面描述的具體公開的實施例限制，而是應(yīng)當僅由對跟隨的權(quán)利要求的公正解讀來確定。

特別地，如在相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員的水平內(nèi)的材料和制造技術(shù)可以被采用。此外，對單數(shù)項的引用包括有多個相同項存在的可能性。更具體地，如在本文中和在所附權(quán)利要求中使用的，除非上下文另外明確指示，單數(shù)形式“一”、“和”、“所述”和“該”包括復(fù)數(shù)指示對象。如本文中使用的，除非另外明確聲明，術(shù)語“或者”包括所有提出的替代方案，并且意指與經(jīng)常使用的短語“和/或”基本上相同的含義。從而，例如短語“a或b可以是藍色的”可以意指以下內(nèi)容中的任一項：a單獨地是藍色的、b單獨地是藍色的、a和b兩者皆是藍色的、以及a、b和c是藍色的。進一步要注意的是，權(quán)利要求可以被撰寫成排除任何可選元件。因此，該聲明旨在用作如“單獨地”、“只”等與權(quán)利要求元件的敘述有關(guān)的這樣的排他術(shù)語的使用或者“否定”限制的使用的前提基礎(chǔ)。除非本文中另外定義，本文中使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與由一個該發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。