專利名稱：使用超聲波換能器對生物組織粘彈特性測量的方法
使用超聲波換能器對生物組織粘彈特性測量的方法
生物組織的粘彈性(propri6t6s visco61astiques，簡稱PV)測量可以用 于進(jìn)行與某些器官相關(guān)治療的診斷、檢出或跟蹤監(jiān)測，例如肝臟、皮膚或血管。
為了保證相關(guān)器官的完整性而進(jìn)行無損害測量，熟知的方法是使用一個設(shè) 備發(fā)射低頻橫波到該器官的生物組織中，然后通過超聲波釆集來測量生物組織 對這個橫波的反射。在愛科森股份有限公司(Echosens SA ) 2004年5月3曰 提交的專利申請(編號FR 2869521 )中描述了這種方法。
生物組織粘彈性的測量方法使用的設(shè)備包括下列三種類型
-第一類設(shè)備是一個僅有一個檢波單元的換能器，此檢波單元能把由相關(guān) 組織反射的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號的。在此情況下，這種換能器僅使用一個超聲 波束，不能測量異質(zhì)器官的粘彈性。
因此使用這種儀器只限于對一個器官整體進(jìn)行粘彈性的普通測量，這種普 通測量不能進(jìn)行局部測量來進(jìn)行檢查，例如檢查該器官中的局部病理學(xué)。
—第二類設(shè)備為一個包含多個檢波單元的換能器，這些單元呈線型排列， 能把由相關(guān)組織反射的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號。
在此情況下，這種換能器只接收一個二維平面相關(guān)的反射超聲波。然而獲 得生物組織平面粘彈性需要三維立體信息，尤其是垂直投影，也就是說在相關(guān) 平面上按正交方向的投影。
因此，使用這種設(shè)備不能定量測量相關(guān)組織的粘彈性。換句話說，由于忽 略垂直投影產(chǎn)生的組織形變變化而進(jìn)行了人工粗略估計，這種設(shè)備僅提供局部 定性分析信息。
-最后，先前提到的專利申請(編號FR 2869521 )中描述的第三類設(shè)備， 使用一個由四個圓形檢波單元組成的換能器，這四個檢波單元呈非線型排布， 能把由相關(guān)組織反射的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號。這種設(shè)備可以提供對生物組織粘彈性的定量測量。但是它的缺點(diǎn)是它使用的檢波單元的重要尺寸嚴(yán)格地被超聲波東的特性所限制。例如，在肝臟中，用一個中心頻率為3. 5兆赫的超聲波換能器，這需要檢波單元的直徑為7毫米，
才能對20毫米-8Q亳米之間的深度進(jìn)行測量。
本發(fā)明通過提供一個可以對生物組織局部粘彈性用高分辨率進(jìn)行局部定量測量的方法，至少解決了上述的問題。
因此，本發(fā)明是關(guān)于使用 一個超聲波換能器來進(jìn)行生物組織的粘彈性測量的方法，該換能器裝有可將生物組織反射的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號的多個檢波單元，各個檢波單元被組合形成子孔徑，同一子孔徑的檢波單元發(fā)出的電信號被同時釆集，每個子孔徑與超聲波傳播軸的交點(diǎn)為一個聲學(xué)中心點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明，這種方法的特點(diǎn)是同一個檢波單元屬于至少兩個不同的子孔徑。且一個聲學(xué)中心點(diǎn)周圍至少有其他三個呈非直線型分布的聲學(xué)中心點(diǎn)。
需要說明的是超聲波傳播軸與能量分配最大的軸相對應(yīng)。
這個方法有很多優(yōu)點(diǎn)。這樣，對不同的子孔徑使用至少一個共同的檢波單元可以縮短各個子孔徑聲學(xué)中心點(diǎn)之間的距離，且不減少超聲波的發(fā)射和接收面積，于是進(jìn)行粘彈性測量的分辨率提高了。
另外， 一個分孔徑的聲學(xué)中心點(diǎn)被至少三個非線型分布的聲學(xué)中心點(diǎn)包圍可以得到計算局部粘彈性所需要的三維數(shù)據(jù)，詳情見后文。
最后，對上述兩種布局的聯(lián)合使用可以減少超聲波-電信號換能器的檢波單元數(shù)量，相對于前一種方法改善分辨率來進(jìn)行粘彈性的局部測量。
因此，本發(fā)明提出的粘彈性測量方法的成本和復(fù)雜程度均被降低，而且此方法可以用足夠的分辨率對一個器官中可定位的組織粘彈性進(jìn)行局部甚至定量測量，例如一個器官中的腫瘤。
在實際中，本方法組成的步驟包含同時使用不同子孔徑的階段，例如通過使用被這些子孔徑中的同 一個檢波單元。
同時使用多個子孔徑可以獲得更快的超聲波數(shù)據(jù)采集速度。事實上使用不同子孔徑的至少一個共用檢波單元與對這個共用單元同時使用兩次相當(dāng)，這樣得到的釆集速度比每個子孔徑發(fā)出的信號按時序形成的情況下更高。
一個給定子孔徑通道的形成與構(gòu)成此子孔徑的各個檢波單元發(fā)出信號的
疊加相對應(yīng)-有或沒有時間延遲(延遲法則)。
這個疊加可以按照多種方法來實現(xiàn)例如可以使用各個檢波單元發(fā)出的模
擬電信號的疊加，數(shù)字化之后在一個電子元件中的疊加，在一個計算機(jī)程序中
的邏輯疊加。
因此，子孔徑的時序電子掃描被對這些子孔徑的至少一個平行釆集，也就是同時釆集所代替。
在實際中，本方法組成的步驟包含帶動組織運(yùn)動的階段，這個帶動可以通過手動或自動方式進(jìn)行。
在實際中，本方法組成的步驟包含形成子孔徑的階段，這些子孔徑的聲學(xué)中心點(diǎn)形成了一個帶三角形網(wǎng)眼(例如等邊三角形)的網(wǎng)格。
根據(jù)實際，本方法的步驟包含形成子孔徑的階段， 一個子孔徑被其他子孔徑的表面完整地限定了邊界。
在實際中，本方法的步驟包含形成子孔徑的附加階段， 一個子孔徑被六個
等邊排列的聲學(xué)中心點(diǎn)包圍。
本發(fā)明還涉及一個裝有超聲波換能器的生物組織粘彈性測量設(shè)備。這個換能器包含能將生物組織反射的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號的檢波單元。這些單元
相距一定的距離，其中心距在O. 5-5亳米之間，優(yōu)先在2-5毫米之間。
換能器檢波單元之間的這個距離依靠使用前述實際之一相應(yīng)的方法來獲
得。并且，這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是可以用高分辨率、低成本(通過減少檢波單元數(shù)
量)來進(jìn)行粘彈性測量。
根據(jù)實際，該設(shè)備包含的裝置可以同步采集重組于一個子孔徑中的多個檢
波單元所接收的電信號，以及形成與共用至少一個檢波單元的多個同步子孔徑
相應(yīng)的電信號傳播通道。
在實際中，該設(shè)備包含的裝置可以使至少一個子孔徑的中心點(diǎn)周圍有三個
呈非直線型分布的聲學(xué)中心點(diǎn)。根據(jù)實際，該設(shè)備包含至少19個六邊形檢波單元或至少24個等邊三角形檢波單元。
在實際中，該設(shè)備包含多邊形檢波單元，例如六邊形，正方形，菱形，三角形或圓形。
本發(fā)明還涉及一個裝備有與前述情況相應(yīng)設(shè)備的探測器，以及一個裝有與前述情況相應(yīng)設(shè)備的計算機(jī)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)還包含用于進(jìn)行超聲波熱療或帶動組織細(xì)胞運(yùn)動的裝置。
最后，本發(fā)明涉及出自于與前述情況相應(yīng)的方法、設(shè)備、探測器、計算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的其他的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在下面的描述中可以得到體現(xiàn)，詳情請參考
附圖
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圖1為包含一個發(fā)明所述換能器的設(shè)備的示意圖。-圖2為測量生物組織粘彈性所使用的幾何參數(shù)。-圖3、圖4和圖5為發(fā)明中方法的不同情況。本發(fā)明相應(yīng)的生物組織粘彈性測量方法使用一個裝有超聲波換能器10的探測器ll (見圖l),換能器包含的檢波單元12可以將由生物組織反射的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號14。
這些電信號14代表生物組織對超聲波的回音性，"回音性"這個術(shù)語源自英文echogenicity這樣，當(dāng) 一個組織能很強(qiáng)地反射超聲波時我們稱它"回音性高"，而當(dāng)它只能很弱地反射超聲波時，我們稱它"回音性低"。
當(dāng)使用本發(fā)明中的方法時，各個檢波單元12組合形成子孔徑，對同一子孔徑16的檢波單元12發(fā)出的信號14進(jìn)行同時釆集。
這樣，當(dāng)進(jìn)行信號釆集時，子孔徑16的釆集總面積為它的各個檢波單元12面積的總和。
在這個階段，需要說明的是換能器10也可以用于發(fā)射超聲波，使這些超聲波受到相關(guān)生物組織的反射。在這種情況下，這些檢波單元12可以被組成發(fā)射子孔徑，而各個發(fā)射子孔徑16可以同時進(jìn)行超聲波發(fā)射。另外，子孔徑16的特點(diǎn)是有一個軸，子孔徑16發(fā)射或接收的超聲波東沿
著這個軸傳播。這個軸與子孔徑的交點(diǎn)叫做聲學(xué)中心點(diǎn)Ca。為了清楚起見，圖1中只畫了一個軸15, —個子孔徑16和一個中心點(diǎn)Ca。
根據(jù)本發(fā)明的方法，當(dāng)測量一個生物組織的粘彈性時，該方法使用不同的子孔徑16,至少同一個檢波單元12屬于至少兩個不同的子孔徑16，而一個子孔徑16的聲學(xué)中心點(diǎn)Ca周圍有至少其他三個呈非線型分布的聲學(xué)中心點(diǎn)。
在不同的子孔徑上使用共同的檢波單元12可以減小不同子孔徑聲學(xué)中心點(diǎn)之間的距離并提高分辨率至亳米數(shù)量級，它通過在測量中減少并限制檢波單元的數(shù)目實現(xiàn)， 一般來說少于30個。
在這種情況下，由于同時在多個子孔徑上進(jìn)行平行釆集，超聲波數(shù)據(jù)的采集速度與傳統(tǒng)的時序電子掃描釆集(也就是以接續(xù)方式使用子孔徑)速度相比要快得多。
按這種方式得到的采集速度僅僅受超聲波傳播時間和回波持續(xù)時間的限制。這個速度的典型值在4 KHz左右，更普遍來說在100 Hz和20 KHz之間，它可以測量在組織中由單個橫波激勵源發(fā)出的橫波傳播造成的立體變形。
在這個階段，需要說明的是這個橫波激勵可以借助于器官外的振動器、由身te官產(chǎn)生的器官震動或遠(yuǎn)距、遙控啟動震動(例如使用輻射壓力的原理)來進(jìn)行。
由于橫波的傳播時間很短，約為幾個亳秒，立體的和局部的數(shù)據(jù)釆集可以在活動的器官上實現(xiàn)。
粘彈性測量的系統(tǒng)18 (包含探測器ll)可能包含設(shè)備17目的是在超聲波的接收階段對組合成多個子孔徑的多個檢波單元所接收的信號進(jìn)行同時釆集，還包含一 些設(shè)備用來形成與同時使用的多個子孔徑相對應(yīng)的線路。這樣，此設(shè)備提高了數(shù)據(jù)釆集速度，使測量方法與發(fā)明相符。另外，子孔徑16的聲學(xué)中心點(diǎn)Ca周圍有至少三個呈非線型分布的聲學(xué)中心點(diǎn)，這樣可以獲得需要的立體數(shù)據(jù)，用以計算局部粘彈性參數(shù)，比如橫波模量，黏度，楊氏模量，泊松系數(shù)。
考慮到彈性或楊氏模量(用E表示)，此計算借助于前述專利申請(編號FR 28695")中所指示的操作來進(jìn)行。因此， 一個組織的彈性E可以根據(jù)以下 公式計算
這里u是位移、變形或按一個指定方向測量的變形速度，A"是u的拉普拉 斯算子。
根據(jù)位于六邊形平面22的中心和頂點(diǎn)的軸20 (圖2)獲得變形參數(shù)，可 以精確計算位移u曲率，然而與前述彈性成像技術(shù)相反，拉普拉斯表達(dá)式不需 要任何簡化假設(shè)條件，而是被完整使用。
例如，u的拉普拉斯算子在六邊形的中心i點(diǎn)上的離散，可以表達(dá)成u值
在六邊形頂點(diǎn)j的函數(shù)。
這里a和b代表側(cè)邊尺寸，uz和iT為u在六邊形22上的投影值。 橫波的速度可以按照下列公式得到
這里p是介質(zhì)密度，Vs是橫波的傳播速度。 假設(shè)介質(zhì)是各向同性的且是線性的，橫波速度Vs為
這里U。和t,限定了測量的時間周期。由此可見，設(shè)備的最小分辨率取決于子孔徑聲學(xué)中心點(diǎn)之間的距離，當(dāng)這 個距離越小時分辨率越高。
這個距離一般小于3亳米，更普遍來說在1-3亳米之間。用本專利申請中
建議的換能器構(gòu)成的設(shè)備，其分辨率可達(dá)l毫米(mm)。
下面借助圖3詳細(xì)介紹本發(fā)明是如何實現(xiàn)的。在圖3中繪出了由換能器30 的檢波單元32組成的各個子孔徑36及其相應(yīng)的中心點(diǎn)Ca。為清楚起見，這 些子孔徑36在同一換能器的不同示意圖中被標(biāo)出。
可以看到，當(dāng)進(jìn)行超聲波數(shù)據(jù)采集時，不同子孔徑36的聲學(xué)中心點(diǎn)Ca可 以形成一個三角形網(wǎng)眼(例如等邊三角形)的網(wǎng)格。
這樣的三角形網(wǎng)眼有利于將聲學(xué)中心點(diǎn)Ca之間的距離限制于每個檢波單 元32所形成的三角形的變長。此時，釆用中心頻率為3MHz的檢波單元時這個 距離為3毫米。
在此情況下，可以看出子孔徑36呈一個邊長為3mm的六邊形。
此換能器30可以測量深度介于10-90亳米之間的粘彈性，這個深度從換 能器的表面開始測量。
當(dāng)一個子孔徑36被全部包圍或限制在多個其他的子孔徑36之內(nèi)時，它被 同時使用，相應(yīng)立體區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)數(shù)量增加，改善了粘彈性計算的精度。
在這個例子中，聲學(xué)中心點(diǎn)Ca自^可能被包圍在六個等邊分布的聲學(xué)中心 點(diǎn)Ca中間。
由于在彈性波傳播公式的離散中引入了對稱因素，聲學(xué)中心點(diǎn)Ca的等邊 形排布簡化了粘彈性的計算。
圖示的換能器30包含24個等邊三角形檢波單元32和七個由6個檢波單 元32構(gòu)成的子孔徑36以及一個由所有檢波單元32構(gòu)成的子孔徑36。裝有這 樣一個換能器的探測器可以測量粘彈性，測量深度取決于換能器的中心頻率。
上文描述的本發(fā)明相應(yīng)的方法可以借助于裝有超聲波換能器的生物組織 粘彈性測量設(shè)備來進(jìn)行。換能器包含的檢波單元中心距被縮短，例如在0.1-5 毫米之間，優(yōu)先在2-5亳米之間。另外，兩個被同時使用的子孔徑可以包含至少一個共同的檢波單元，目的 是通過縮短子孔徑聲學(xué)中心點(diǎn)之間的距離來提高數(shù)據(jù)釆集速度以及獲得數(shù)據(jù) 的時間一致性。
為了進(jìn)行立體分析，至少一個子孔徑的聲學(xué)中心點(diǎn)Ca應(yīng)該被至少三個呈
非線性分布的聲學(xué)中心點(diǎn)包圍，與被同時使用的子孔徑相對應(yīng)。
在第二種類型中，如圖4所示，換能器40包含至少19個六邊形檢波單元 42。在這種情況下，可以使用由7個檢波單元構(gòu)成的子孔徑，如圖示的子孔徑 46.
在這種類型中，六邊形檢波單元42的高度H為2亳米，使用的中心頻率 為3.5 MHz。在此情況下，得到的分辨率數(shù)量級為亳米，這個分辨率被定義為 被測的最小組織體的尺寸。
根據(jù)第三種類型(圖5)，檢波單元52的形狀各不相同，但它們可以形成 幾何形狀相同(即六邊形)的子孔徑56。
因此，本發(fā)明可以有多個變型。它可以用不同形狀的檢波單元調(diào)試，例 如多邊形(六邊形、正方形、菱形或三角形)或圓形或不同形狀的檢波單元 組合。
另外，本發(fā)明相應(yīng)的方法可以被連接或納入一個更大尺寸的系統(tǒng)。
例如系統(tǒng)包含一個借助于超聲波進(jìn)行熱療的換能器。
根據(jù)另外一個例子，系統(tǒng)包含使用輻射壓力的超聲波換能器的裝置以帶動 組織運(yùn)動，"輻射壓力"這個術(shù)語源自英語《遙控觸診(remote palpation)》 或《聲音輻射力(acoustic radiation force)》。
最后一個例子，系統(tǒng)包含使用電機(jī)振動器來帶動組織運(yùn)動的裝置。
獨(dú)立于用來帶動組織的裝置性質(zhì)，這些裝置和超聲波數(shù)據(jù)采集之間是同步 進(jìn)行的，數(shù)據(jù)釆集包括從換能器發(fā)出的電信號中得到的數(shù)字化數(shù)據(jù)的存儲和/ 或上述數(shù)據(jù)的處理。
需要說明的是前述換能器均為超聲波換能器，也就是進(jìn)行電能和超聲波能 之間的轉(zhuǎn)換。最后，本發(fā)明可以根據(jù)不同的變型使用
在第一種變型中，重復(fù)由與本發(fā)明相符的的換能器的檢波單元形成的圖
案，例如圖3、 4、 5或6中所示。這種重復(fù)可以在一個方向或多個不同方向上進(jìn)行。
在另一種變型中，用形成第二種圖案的檢波單元構(gòu)成與發(fā)明相符的第一種 圖案。
權(quán)利要求
1.生物組織粘彈性性能測量方法使用裝有可將這些生物組織反射的超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(14)的檢波單元(12，32，42，52)的超聲波換能器(10，30，40，50)，不同的檢波單元(12，32，42，52)被組合形成子孔徑(16，36，46，56)，同一子孔徑(16，36，46，56)的檢波單元(12，32，42，52)所發(fā)出的電信號(14)被同時采集。這些子孔徑與超聲波傳播軸的交點(diǎn)為聲學(xué)中心點(diǎn)(Ca)，它的特點(diǎn)是至少一個共用的檢波單元(12，32，42，52)屬于至少兩個不同的子孔徑(16，36，46，56)，且一個聲學(xué)中心點(diǎn)(Cacentral)周圍至少有三個呈非線型分布的其他聲學(xué)中心點(diǎn)(Ca)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法組成的步驟包含同時使用不同子孔徑(16, 36, 46， 56)的階段。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法組成的步驟包含在同時使用的子孔徑中使用同 一個檢波單元(12， 32， 42, 52)的階段。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的測量方法組成的步驟包含帶動生物組織運(yùn) 動的階段。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的測量方法組成的步驟包含形成子孔徑(16)， 從而這些子孔徑(16)的聲學(xué)中心點(diǎn)(Ca)形成一個三角形網(wǎng)眼的網(wǎng)格的階段，例如一個等邊三角網(wǎng)格。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的測量方法組成的步驟包含形成子孔徑(16)， 從而一個子孔徑(16)被其他子孔徑的表面完整限制邊界的階段。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一的測量方法組成的步驟包含形成子孔徑，從而 一個聲學(xué)中心點(diǎn)被六個等邊分布的其他聲學(xué)中心點(diǎn)包圍的階段。
8. 裝有超聲波換能器的生物組織粘彈性測量設(shè)備，該換能器包含能將生 物組織反射的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號的檢波單元。特點(diǎn)是這些單元相距最 小距離，其中心距在0.5-5毫米之間，優(yōu)先在2-5亳米之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備包含對由組成一個子孔徑的多個檢波單元接收的電信號進(jìn)行同時釆集的裝置，以及用于共用一個檢波單元的多個子孔徑所 對應(yīng)的線路形成的裝置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9的設(shè)備包含至少19個六邊形檢波單元或至少24個等邊三角形檢波單元。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8-10之一的設(shè)備，包含有多邊形的檢波單元，例如一 個六邊形，正方形，菱形或三角形，或一個圓形。
12. 裝備了與權(quán)利要求8-11之中任一條相符的設(shè)備的探測器(ll)。
13. 裝備了與權(quán)利要求8-ll之中任一條相符的設(shè)備的系統(tǒng)(18)，此系統(tǒng) 包含進(jìn)行超聲波熱療的裝置或用于帶動組織運(yùn)動的裝置。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于使用一個超聲波換能器(10)來進(jìn)行生物組織的粘彈性特性測量的方法，該換能器裝有可將生物組織反射的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號(14)的多個檢波單元(12)，各個檢波單元(12)被組合形成子孔徑(16)，同一子孔徑(16)的檢波單元(12)發(fā)出的電信號(14)被同時采集，每個子孔徑(16)與超聲波傳播軸(15)的交點(diǎn)為一個聲學(xué)中心點(diǎn)(Ca)。根據(jù)本發(fā)明，這種方法的特點(diǎn)是同一個檢波單元(12)屬于至少兩個不同的子孔徑(16)。且一個聲學(xué)中心點(diǎn)(Ca)周圍至少有其他三個呈非直線型分布的聲學(xué)中心點(diǎn)。
文檔編號G01N29/06GK101529241SQ200780025753
公開日2009年9月9日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月15日
發(fā)明者洛朗·桑德漢, 讓米歇爾·阿思科諾夫 申請人:愛科森股份有限公司