СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРА ЗАТУХАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА МЕТОДОМ ГАРМОНИЧЕСКОЙ ЭЛАСТОГРАФИИ; ЗОНД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD FOR MEASUREMENT OF PARAMETER OF ULTRASOUND ATTENUATION BY HARMONIC ELASTOGRAPHY, PROBE AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к технике измерения затухания ультразвука и, в частности, к использованию гармонической эластографии для определения затухания ультразвука в среде, имеющей ультразвуковой сигнал в результате ультразвукового излучения. Во-первых, изобретение относится к способу измерения параметра затухания ультразвука методом гармонической эластографии. Во-вторых, изобретение относится к зонду для измерения параметра затухания ультразвука методом гармонической эластографии. В-третьих, изобретение относится к устройству для измерения затухания ультразвука методом гармонической эластографии. Способ для измерения затухания ультразвука методом гармонической эластографии, в частности, подходит для определения свойств вязкоупругой среды, такой как печень животных или человека.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно, что затухание ультразвука коррелирует с количеством жира, содержащегося в печени. Таким образом, это может использоваться для измерения уровня стеатоза печени.
Претендент разработал и коммерциализировал устройство, которое неинвазивным образом количественно определяет затухание ультразвука, обозначаемое как CAP. Используемая методика - это измерение затухания ультразвука посредством транзиентной эластографии (VCTE) с управляемой вибрацией. Методика VCTE описана в документе "Транзиентная Эластография: новый неинвазивный способ для оценки фиброза печени", L.Sandrin и др., опубликованном в Ultrasound in Medicine and Biology, Vol. 29, pp.1705-1713, 2003. Анализ ультразвуковых сигналов, получаемых при измерении упругости, позволяет обратиться к затуханию ультразвука в среде, как поясняется в документах:
"Контролируемый параметр затухания (CAP): новый инструмент для неинвазивной оценки стеатоза используя Fibroscan", М.Sasso и др., опубликовано в Clinical Research in Hepatology and Gastroenterology, 2011;
"Контролируемый параметр затухания (CAP): Новое Измерение Затухания Ультразвука посредством VCTE™ для Оценки Стеатоза Печени: Предварительный Анализ и Валидация Группы Пациентов с Хронической Болезнью Печени по Различным Причинам" М. Sasso и др., опубликовано в Ultrasound in Medicine and Biology, 2010;
"Стеатоз печени, оцененный контролируемым параметром затухания (cap) измеренным с xl зондом Fibroscan: предварительный анализ, оценивающий диагностическую точность" от М.Sasso и др. опубликовано в Ultrasound in Medicine and Biology, 2015.
Устройство, осуществляющее эту методику, называющееся Fibroscan, пригодно для быстрого измерения упругости и затухания ультразвука в печени человека, неинвазивным и воспроизводимым образом. В устройстве Fibroscan, измерение затухания ультразвука (CAP) выполняется посредством измерения упругости: если измерение упругости адекватно, то соответственное значение CAP рассматривается как адекватное. Таким образом, не подразумевается априорное определение, но адекватность определяется по результату. Для точного измерения затухания ультразвука устройство Fibroscan осуществляет измерение CAP по результату импульсной эластографии.
В таком устройстве транзиентной эластография, импульсная сдвиговая волна создается вибратором, помещенным в контакт с характеризуемой средой. Распространение сдвиговой волны затем контролируется, используя последовательность ультразвуковых выборок, реализуемых ультразвуковым преобразователем с высокой частотой повторения. Каждое ультразвуковая выборка соответствует, по меньшей мере, одному излучению ультразвука. Каждое излучение ультразвука может быть связано с детектированием и регистрацией динамического эха, создаваемого отражающими частицами, присутствующими в изучаемой среде для заданного диапазона глубин. Отраженные ультразвуковые сигналы обрабатываются корреляцией для обращения к движениям ткани, создаваемым распространением сдвиговой волны, как функция времени и положения в среде. Анализ этих движений позволяет обратиться к скорости распространения сдвиговой волны в пределах вязкоупругой среды, то есть - к упругости.
Измерение CAP (затухания ультразвука) методикой VCTE имеет несколько ограничений.
Первый недостаток измерения CAP (затухания ультразвука) методикой VCTE - это трудность предсказания, что зонд эффективно помещается напротив печени. Действительно, для получения измерения затухания ультразвука необходимо выполнить надежное измерение посредством импульсной эластографии.
Второй недостаток измерения CAP методикой VCTE - это стоимость устройства, которое требует использования импульсной вибрации, стоимость которой высока.
Третий недостаток измерения CAP методикой VCTE - это необходимость выполнить приблизительно десять измерений упругости посредством импульсной эластографии, каждая продолжительность которых составляет, по меньшей мере, 1 секунду, включая время вычисления, что приводит ко времени исследования приблизительно одну минуту.
В настоящее время оказывается возможным использовать ультразвуковые волны для выполнения позиционирования вибратора для транзиентной эластографии. Например, возможно использовать ультразвуковое отображение или адресно-направленный инструмент, например, такой, как описан в патентной заявке EP2739211 A1. Однако, эти решения не удовлетворительны, поскольку они не позволяют предсказать непосредственно, что зонд правильно установлен напротив изучаемого органа. Кроме того, эти методики очень зависимы от оператора. Наконец, ультразвуковые сигналы могут оказаться не очень подходящими для печени.
Кроме того, существуют методики так называемой гармонической эластографии. Эти методики основаны на применении непрерывной вибрации, содержащей частоты между 30 Гц и 100 Гц. Упругие волны, создаваемые внутри среды, представляют собой квазистационарные волны, взаимные наложения сдвиговых волн и волн сжатия, которые не столь эффективны для точного измерения вязкоупругих свойств, как методики импульсной эластографии, которые, однако, используют сдвиговые волны и могут измерять их распространение.
Наконец известно, что низкочастотные сдвиговые волны хорошо распространяются в печени. Это наблюдение истинно для импульсных и гармонических сдвиговых волн.
Кроме того, методика гармонической эластографии может использоваться для осуществления способов лечения. Например, это лечение локализованных опухолей методикой гармонической эластографии посредством таких способов, как гипертермия.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
Никакая методика для измерения затухания ультразвука не гарантирует оптимальное направление в режиме реального времени ультразвукового зонда, используемого для исследуемой ткани. Дело в том, что может оказаться затруднительным выполнить измерение из-за невозможности подтверждения того, что исследуемый орган правильно располагается напротив зонда. Это затрудняет решение проблемы с устройствами небольшого размера, удобными в использовании.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для решения, по меньшей мере, частично, этих проблем, настоящее изобретение описывает новую методику для измерения параметра затухания ультразвука методом гармонической эластографии.
Настоящее изобретение, во-первых, относится к способу для измерения параметра затухания ультразвука методом гармонической эластографии, включающего в себя этап приложения, используя вибратор, содержащийся в зонде, в контакте с вязкоупругой средой, непрерывной низкочастотной вибрации, непрерывной низкочастотной вибрации, создающей упругую волну в пределах вязкоупругой среды, и генерации, во время распространения упругой волны, используя ультразвуковой преобразователь в контакте с вязкоупругой средой, последовательности ультразвуковых выборок, упомянутой последовательности ультразвуковых выборок, включающей в себя группы ультразвуковых выборок, группы ультразвуковых выборок, генерируемых с частотой повторения, каждая группа ультразвуковых выборок включает в себя, по меньшей мере, одну выборку;
параметра затухания ультразвука, измеряемого из ультразвуковых выборок.
В соответствии с одним вариантом реализации ультразвуковые выборки реализуются во время приложения непрерывной низкочастотной вибрации.
Измерение затухания ультразвука методом гармонической эластографии следует понимать как способ, включающий в себя, по меньшей мере, один этап приложения непрерывной вибрации и измерения параметра, отражающего затухание ультразвука. Иначе говоря, способ в соответствии с изобретением включает в себя и генерацию непрерывной вибрации, которая характерна для методики гармонической эластографии, и измерение параметра, отражающего затухание ультразвука.
Затухание ультразвука следует понимать как любой параметр, который отражает затухание ультразвука: Широкополосное Затухание Ультразвука (BUA, в дБ/см/МГц), затухание, измеренное на определенной частоте (в дБ/см), Параметр Контролируемого Затухания (CAP), и т.д.
Непрерывную низкочастотную вибрацию следует понимать как непрерывное воспроизведение формы волнового сигнала. Эта форма может быть, например, идеальной синусоидой; тогда это рассматривается как монохроматическая вибрация. Вибрация также может быть составлена как воспроизведение произвольной конфигурации сигналов. Непрерывная вибрация прерывается для остановки процесса измерения или когда условия измерения оказываются не удовлетворительными. Условия измерения могут быть, например, условиями контактной силы с изучаемой средой. Центральная частота непрерывной низкочастотной вибрации составляет значение между 5 и 500 Гц.
Упругую волну следует понимать как наложение волн сжатия и сдвиговых волн.
Ультразвуковую выборку следует понимать как излучение ультразвукового импульса. Упомянутое излучение ультразвука может быть связано с детектированием и регистрацией приходящего эха, создаваемого отражающими частицами, присутствующими в заданном диапазоне глубин изучаемой среды.
Таким образом, последовательность ультразвуковых выборок формируется повторением групп выборок. Группа выборок включает в себя, по меньшей мере, одну ультразвуковую выборку. Группы выборок испускаются или генерируются с первой частотой повторения. Первую частоту повторения также называют межгрупповой частотой повторения. Первая частота повторения обычно составляет значения между 5 и 500 Гц.
Когда каждая группа выборок сформирована, по меньшей мере, двумя ультразвуковыми выборками, ультразвуковые выборки, формирующие ту же самую группу, испускаются или генерируются с внутригрупповой частотой повторения, типично имеющей значения между 500 Гц и 100 кГц.
Преимущественно то, что использование низкой частоты повторения во время приложения непрерывной вибрации позволяет измерить смещения вязкоупругой ткани, ограничивая акустическую энергию, посылаемую в саму ткань, так, чтобы не превысить пределы пиковой и средней акустической мощности.
Термин смещение рассматривается в более широком смысле в этом документе. Он подразумевает любой параметр движения, например, смещение, скорость, деформация, частота деформации, скорость деформации и любое математическое преобразование, применяемое к этим параметрам.
Во время приложения непрерывной вибрации, в пределах вязкоупругой среды создается упругая волна.
Последовательность ультразвуковых выборок используется для изучения распространения упругой волны в пределах вязкоупругой среды. Оказывается возможным детектировать эхо, или ультразвуковые сигналы, отраженные вязкоупругой средой, и рассчитать из этих отраженных ультразвуковых сигналов смещения вязкоупругой среды, вызванные распространением упругой волны в пределах вязкоупругой среды, создаваемой непрерывной вибрацией.
Как пример, можно рассчитать смещения вязкоупругой среды, применяя методику корреляции к ультразвуковым выборкам, составляющим ту же самую группу из выборок последовательности ультразвуковых выборок.
Важно отметить, что распространение упругой волны эволюционирует как функция положения зонда в контакте с изучаемой средой.
Тогда возможно измерить свойство распространения упругой волны в пределах среды и в режиме реального времени рассчитать индикатор позиционирования из измеренных свойств. В идеальном случае, этот индикатор позиционирования в режиме реального времени отображается в режиме реального времени для наставления оператора относительно отыскания наилучшего положения для зонда. Примеры измеренных свойств для расчета индикатора позиционирования - это амплитуда и фаза упругой волны, измеренные как функция глубины в исследуемой ткани. Также возможно рассчитать фазовую скорость упругой волны.
Далее в этом документе "индикатор позиционирования в режиме реального времени" и "индикатор позиционирования" обозначают тот же самый индикатор позиционирования в режиме реального времени.
Реальное время следует понимать как индикатор, отображение которого регулярно обновляется во время исследования. Обычно, частота обновления составляет приблизительно 20 Гц, но также быть и порядка 1 Гц.
Иначе говоря, индикатор позиционирования дает вероятность присутствия вязкоупругой среды, характеризуя ее нахождение перед ультразвуковым преобразователем.
2
Важно отметить, что непрерывная вибрация прежде всего используется для контроля позиционирования зонда, используемого для измерения затухания ультразвука. Как пример, непрерывная вибрация может быть использована для подтверждения наличия гематологической паренхимы, стоящей перед зондом. Иначе говоря, во время этапа приложения непрерывной вибрации, непрямое измерение вязкоупругих свойств среды возможно, но не обязательно. Однако, значение упругости может быть эффективно выведено из фазовой скорости упругой волны. Действительно, измерение смещений, создаваемых в вязкоупругой среде упомянутым распространением, затем позволяет обратиться к скорости распространения упругой волны. Если гипотеза такова, что упругая волна, главным образом, это сдвиговая волна , то возможно рассчитать упругость среды, используя формулу E=3ρVs, где E - упругость или модуль Юнга, ρ - плотность и Vs - скорость упругой волны.
Таким образом, способ для проведения измерения затухания ультразвука методом гармонической эластографии в соответствии с изобретением позволяет предсказать, является ли позиционирование зонда благоприятным при использовании методики гармонической эластографии. Она предусматривает регулировку. Измерения затухания ультразвука, выполняемые в течение длительного времени, могут быть сохранены в устройстве памяти. В частности, каждое измерение затухания ультразвука может быть связано с коэффициентом качества. Обычно, коэффициент качества - это коэффициент, имеющий значения между 0 и 1. Значение 0 соответствует низкому качеству, и значение 1 соответствует очень хорошему качеству измерения.
Расчет коэффициента качества может быть выполнен по свойствам распространения упругой волны. Он может также включать в себя характеристики ультразвуковых сигналов, и критерии качества, возникающие из расчета затухания ультразвука.
Окончательное сохраняемое измерение затухания ультразвука может быть рассчитано из измерений затухания ультразвука и коэффициентов качества, сохраненных в устройстве памяти.
Иначе говоря, методика гармонической эластографии позволяет связать с каждым измерением затухания ультразвука коэффициент качества и вести позиционирование зонда, противостоящего исследуемой ткани, предоставляя оператору индикатор позиционирования, указывающий на наличие исследуемого органа.
Как пример, сохраняемое измерение затухания ультразвука - это среднее число измерений сохраненного затухания ультразвука, взвешенное на их коэффициенты качества. Общее количество измерений затухания ультразвука может обычно составлять значение между 1 и несколькими тысячами измерений. Например, если измерения накапливаются в течение 60 секунд при частоте 20 измерений в секунду, то N будет равно 1200.
Преимущественно, способ для проведения измерения затухания ультразвука с помощью гармонической эластографии в соответствии с изобретением позволяет выполнить измерение затухания ультразвука исследуемой ткани надежным и воспроизводимым образом, гарантируя оптимальное, простое и точное позиционирование зонда благодаря методике гармонической эластографии.
Преимущественно, способ для проведения измерения затухания ультразвука с помощью гармонической эластографии в соответствии с изобретением позволяет сократить производственные затраты благодаря более простой вибрационной системе, более простой, по сравнению со случаем импульсной эластографии.
Преимущественно, способ для проведения измерения затухания ультразвука с помощью гармонической эластографии в соответствии с изобретением позволяет предоставить оператору индикатор позиционирования в реальном времени.
Способ для проведения измерения затухания ультразвука с помощью гармонической эластографии в соответствии с изобретением может также иметь одну или несколько из приведенных ниже характеристик, рассматриваемых отдельно или в соответствии со всеми их возможными технически комбинациями:
- способ в соответствии с изобретением дополнительно включает в себя этап определения, из последовательности ультразвуковых выборок, по меньшей мере, одного свойства распространения упругой волны в пределах вязкоупругой среды;
- свойство распространения упругой волны в пределах вязкоупругой среды используется для вычисления в реальном времени индикатора позиционирования зонда относительно исследуемой вязкоупругой среды;
- способ в соответствии с изобретением дополнительно включает в себя этап отображения в режиме реального времени индикатора позиционирования в реальном времени;
- этап приложения непрерывной низкочастотной вибрации запускается только, если контактная сила между вибратором и вязкоупругой средой выше заданного нижнего порога;
- этап приложения непрерывной низкочастотной вибрации запускается только, если контактная сила между вибратором и вязкоупругой средой выше заданного нижнего порога и ниже заданного верхнего порога;
- последовательность ультразвуковых выборок формируется повторением групп, включающих в себя, по меньшей мере, две ультразвуковые выборки, имеющие внутригрупповую частоту повторения, составляющую значение между 500 Гц и 10 кГц, и частоту повторения, составляющую значение значения между 10 Гц и 10 кГц;
- частота повторения ниже, чем частота непрерывной вибрации;
- параметр ультразвуковой волны, который соответствует затуханию ультразвука, рассчитывается и визуально отображается;
- параметр затухания ультразвука - это мгновенный параметр, и коэффициент качества, связанный с измерением мгновенного параметра затухания ультразвука, вычисляется из свойства распространения упругой волны в пределах вязкоупругой среды и/или свойств ультразвуковой волны; мгновенный параметр следует понимать как измерение, получаемое при каждой ультразвуковой выборке или от единственной ультразвуковой выборки;
- средний параметр затухания ультразвука вычисляется из множества мгновенных параметров затухания ультразвука и коэффициентов качества, связанных с каждым мгновенным параметром затухания ультразвука;
- параметры затухания ультразвука, связанные, или нет, с коэффициентами качества, рассчитанными на основе свойств распространения упругой волны в пределах вязкоупругой среды, сохраняются в устройстве памяти;
- заданный нижний порог контактной силы для приложения непрерывной вибрации обычно выбирается как равный 1 N;
- частота низкочастотной вибрации, cSWF, прикладываемой вибратором, составляет значение между 5 и 500 Гц;
- амплитуда низкочастотной вибрации, прикладываемой вибратором, составляет значение между 10 мкм и 5 мм;
- последовательность ультразвуковых выборок формируется повторением групп, включающих в себя, по меньшей мере, две ультразвуковые выборки, имеющие внутригрупповую частоту повторения, составляющую значение между 500 Гц и 10 кГц, и первую частоту повторения, имеющую значения между 10 Гц и 10 кГц;
- первая частота повторения ниже, чем частота непрерывной вибрации;
- параметр затухания ультразвука выбирается из
BUA
затухания на конкретной частоте ультразвука;
параметра контролируемого затухания ультразвука (CAP);
- свойство распространения упругой волны поставляется оператору;
- свойство распространения упругой волны выбирается из:
амплитуды упругой волны;
фазы упругой волны;
модуля Юнга вязкоупругой среды;
модуля сдвига вязкоупругой среды;
скорости сдвига вязкоупругой среды.
Настоящее изобретение также относится к зонду для осуществления способа гибридной эластографии в соответствии с изобретением. Зонд в соответствии с изобретением включает в себя:
- Вибратор, сконфигурированный для приложения к вязкоупругой среде непрерывной низкочастотной вибрации, непрерывной низкочастотной вибрации, создающей упругую волну в пределах вязкоупругой среды;
- Ультразвуковой преобразователь, сконфигурированный для испускания последовательности ультразвуковых выборок, упомянутой последовательности ультразвуковых выборок, включающий в себя группы ультразвуковых выборок, группы ультразвуковых выборок, генерируемых с частотой повторения, каждая группа ультразвуковых выборок включает в себя, по меньшей мере, одну выборку;
- Средство для вычисления и отображения в режиме реального времени индикатора позиционирования зонда, упомянутого индикатора позиционирования, вычисляемого из свойства распространения упругой волны, упомянутого свойства распространения упругой волны, определяемого из последовательности ультразвуковых выборок;
параметра затухания ультразвука, измеряемого из ультразвуковых выборок, реализуемых во время приложения непрерывной низкочастотной вибрации.
В соответствии с одним вариантом реализации, упомянутый зонд дополнительно сконфигурирован для приложения непрерывной вибрации, когда контактная сила между зондом и вязкоупругой средой выше заданного значения.
Зонд в соответствии с изобретением позволяет осуществление способа в соответствии с изобретением.
Ультразвуковой преобразователь используется для посылки последовательности ультразвуковых выборок внутрь вязкоупругой среды. Тот же самый ультразвуковой преобразователь детектирует ультразвуковые сигналы, отраженные для каждой выборки. Отраженные ультразвуковые сигналы затем обрабатываются для регистрации смещений вязкоупругой среды, создаваемых упругими волнами.
Средство вычисления следует понимать как, по меньшей мере, один микропроцессор, и одно устройство памяти, предназначенное для сохранения ультразвуковых выборок и результатов вычислений, например, индикатора позиционирования зонда или свойства распространения упругой волны.
Средство отображения следует понимать как экран или индикатор, сконфигурированный для отображения индикатора позиционирования. Индикатор может быть, например, световым индикатором, например, диодным, или звуковым индикатором.
Зонд гибридной эластографии в соответствии с изобретением может также иметь одну или несколько из нижеприведенных характеристик, рассматриваемых отдельно или в соответствии со всеми их возможными техническими комбинациями:
- вибратор представляет собой электрический двигатель или звуковую катушку или электродинамический актуатор;
- ультразвуковой преобразователь монтируется на оси вибратора;
- зонд в соответствии с изобретением дополнительно включает в себя средство для запуска накопления измерений;
- ультразвуковой преобразователь является круглым, с диаметром, имеющим значения между 2 мм и 15 мм;
- ультразвуковой преобразователь имеет рабочую частоту, составляющую значение между 1 МГц и 15 МГц;
- зонд сконфигурирован для вычисления среднего параметра затухания ультразвука, упомянутого среднего параметра затухания ультразвука, вычисляемого из множества мгновенных параметров затухания ультразвука и коэффициентов качества, связанных с мгновенными параметрами затухания ультразвука;
- ультразвуковой преобразователь является выпуклым брюшным зондом.
Настоящее изобретение также относится к устройству гибридной эластографии, осуществляющему способ гибридной эластографии в соответствии с изобретением.
Такое гибридное устройство в соответствии с изобретением включает в себя:
- Зонд в соответствии с изобретением;
- Центральный блок, соединенный с зондом и включающий в себя, по меньшей мере, средство вычисления для обработки отраженных ультразвуковых сигналов, средство отображения и средство управления и/или ввода.
В конкретном варианте реализации, центральный блок помещен в пределах зонда.
СПИСОК ЧЕРТЕЖЕЙ
Прочие характеристики и преимущества изобретения станут ясными из описания, приведенного ниже в иллюстративных целях и никак не ограничивающего, в связи с приложенными чертежами, на которых:
- Фиг.1 изображает этапы способа гибридной эластографии в соответствии с изобретением;
- Фиг.2 - схематичная иллюстрация вибраций, прикладываемых вибратором, и ультразвуковые выборки во время осуществления способа в соответствии с изобретением, показанным на Фиг.1;
- Фиг.3 - схематичная иллюстрация конкретного варианта реализации способа эластографии, показанного на Фиг.1, называемого стробоскопическим режимом;
- Фиг.4 - результаты, полученные осуществлением части способа в соответствии с изобретением относительно позиционирования вибратора;
- Фиг.5 - зонд гибридной эластографии в соответствии с изобретением;
- Фиг.6a - конкретный вариант реализации зонда гибридной эластографии в соответствии с изобретением;
- Фиг.6b - устройство гибридной эластографии в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На Фиг.1 показаны этапы способа P гибридной эластографии в соответствии с изобретением.
Способ P в соответствии с изобретением включает в себя этап CW приложения непрерывной низкочастотной вибрации, используя вибратор, содержащийся в зонде, в контакте с вязкоупругой средой.
Центральная частота непрерывной вибрации составляет значение между 5 и 500 Гц.
Этап CW способа P дополнительно включает в себя генерацию ультразвуковым преобразователем последовательности ультразвуковых выборок. Последовательность ультразвуковых выборок включает в себя группы ультразвуковых выборок. Группы ультразвуковых выборок испускаются с частотой повторения, составляющей значение между 5 Гц и 500 Гц, каждая группа включает в себя, по меньшей мере, одну ультразвуковую выборку.
Частоту повторения ультразвуковых групп также называют межгрупповой частотой повторения.
Ультразвуковая выборка включает в себя излучение ультразвукового импульса, сопровождаемого детектированием и регистрацией отраженных ультразвуковых сигналов или эха.
Приложение непрерывной вибрации к вязкоупругой среде создает упругую волну в пределах упомянутой среды. Упругая волна включает в себя наложение сдвиговых волн и волн сжатия. Исследование свойств этой упругой волны позволяет получить информацию о правильном позиционировании зонда относительно вязкоупругой среды.
Вязкоупругая исследуемая среда рассеивает, по меньшей мере, частично ультразвуковые импульсы. Таким образом, оказывается возможным детектировать ультразвуковые сигналы, отраженные во время излучения первой последовательности ультразвуковых выборок.
Детектирование отраженных ультразвуковых сигналов может быть выполнено, используя тот же самый ультразвуковой преобразователь, используемый для излучения.
Параметр затухания ультразвука может быть определен из отраженных ультразвуковых сигналов. Например, может быть определено значение CAP_I затухания ультразвука, соответствующего данной ультразвуковой выборке. Значение CAP_I также называется отдельным или мгновенным значением затухания ультразвука, или мгновенным параметром затухания ультразвука.
Отраженные ультразвуковые сигналы, детектированные во время CW этапа последовательно обрабатываются во время этапа определения, по меньшей мере, одного свойства распространения упругой волны в пределах вязкоупругой среды CW_P.
Как правило, во время этого этапа, отраженные ультразвуковые сигналы коррелируются друг с другом для измерения смещений вязкоупругой среды, вызванных упругой волной, создаваемой приложением непрерывной вибрации, в соответствии с известной методикой в области эластографии, а также и вообще в области ультразвуковой технологии.
Из смещений, измеренных в пределах вязкоупругой среды, оказывается возможным рассчитать свойства упругой волны, например, амплитуду и фазу как функцию положения в пределах вязкоупругой среды. Положение точки в пределах вязкоупругой среды измеряется как расстояние между ультразвуковым преобразователем и упомянутой точкой, рассчитанной по направлению распространения ультразвуковых волн, излучаемых преобразователем. По этой причине положение точки в пределах вязкоупругой среды обычно называют глубиной.
Также оказывается возможным определить другие параметры упругой волны в пределах вязкоупругой среды, например, фазовую скорость или затухание упругой волны.
Вариации амплитуды и фазы упругой волны как функция глубины в пределах ткани могут быть рассчитаны. Выполняя согласование между теоретической моделью и измеренными свойствами, оказывается возможным извлечь регулируемый параметр качества. Из этого регулируемого параметра качества и/или других свойств упругой волны, оказывается возможным рассчитать индикатор RT_IP позиционирования зонда относительно исследуемой ткани.
2
Например, одна из используемых теоретических моделей предоставляет линейную вариацию сдвига фазы с глубиной в исследуемой среде на центральной частоте упругой волны. В этом случае, регулировка - это линейная регулировка, и регулируемый параметр качества транслирует линейность фазы как функцию глубины в среде. Возможный индикатор - это коэффициент R определения, дающий качество предсказания линейной регрессии кривой сдвига фазы как функции глубины в изучаемом диапазоне глубин.
В соответствии с одним вариантом реализации, этап CW_P определения, по меньшей мере, одного свойства упругой волны в пределах ткани выполняется в то же самое время, что и этап приложения непрерывной вибрации CW и детектирования первых отраженных ультразвуковых сигналов.
Таким образом, благодаря способу P в соответствии с изобретением оказывается возможным измерить в режиме реального времени свойства упругой волны в пределах ткани и получить в режиме реального времени индикатор позиционирования зонда RT_IP.
Преимущественно, низкая частота повторения позволяет уменьшить размер данных, регистрируемых во время этапа генерации последовательности ультразвуковых выборок CW и обрабатывать эти данные в режиме реального времени для получения индикатора RT_IP позиционирования. Значение этого индикатора обычно заключено между 0 и 1. Значение 0 соответствует плохому индикатору и значение 1 - хорошему индикатору.
Преимущественно, индикатор позиционирования предоставляется оператору для способствования нахождению подходящей точки измерения. Он может быть предоставлен, например (не исчерпывающим образом), в форме отображения цветного индикатора, в форме более или менее длинной полосы, и т.д.
Коэффициент качества измерения затухания ультразвука, CAP_C, также вычисляется из ультразвукового сигнала. Значение этого коэффициента обычно составляет значение между 0 и 1. Значение 0 соответствует низкому качеству и значение 1 - высокому качеству.
Коэффициент CAP_C связан с отдельным значением затухания ультразвука CAP_I, получаемым из ультразвуковых данных во время выборки.
Коэффициент качества CAP_C может быть, например, вычислен только из свойств ультразвукового сигнала. Он также может быть комбинацией качества ультразвукового сигнала и свойств упругой волны.
В соответствии с одним вариантом реализации, только отдельное значение затухания ультразвука сохраняется, если индикатор RT_IP позиционирования корректен. В случае, когда индикатор RT_IP позиционирования не корректен, соответствующий коэффициент CAP_C, например, устанавливается как нулевой.
В соответствии с одним вариантом реализации, непрерывная вибрация запускается только если контактная сила F между вибратором и вязкоупругой тканью выше заданного нижнего порога. Значение порога составляет обычно 1 N.
Преимущественно, этот нижний порог гарантирует достаточную связь между зондом и вязкоупругой средой.
В соответствии с одним вариантом реализации, непрерывная вибрация запускается только если контактная сила F между вибратором и вязкоупругой тканью ниже верхнего заданного порога. Значение порога составляет обычно 10 N.
Преимущественно, этот верхний порог гарантирует то, что вибрация не искажена и что изучаемая среда не повреждена.
Вследствие непрерывного вибрационного движения вибратора, определение контактной силы F между вибратором и средой более сложно, чем в случае стандартного метода транзиентной эластографии. При наличии непрерывной низкочастотной вибрации, контактная сила между вибратором и вязкоупругой средой дается следующей формулой:
k
А
f
low
В этой формуле x - это смещение вибратора,  - константа упругости пружины, помещенной в зонд,  - амплитуда непрерывной вибрации и  - частота непрерывной вибрации.
Сила F может быть измерена, используя датчик силы, помещенный на зонд гибридной эластографии. Последовательно применяя фильтрацию низких частот к тем самым измеряемому сигналу, оказывается возможным устранить низкочастотную часть и вывести среднюю контактную силу:
F
k
x
average
=()
Преимущественно, значение средней приложенной силы предоставляется оператору так, чтобы он адаптировал ее для низкочастотной вибрации и выборка данных продолжалась.
Преимущественно, отдельные значения CAP_I накапливаются в устройстве памяти и используются для вычисления среднего значения CAP_M. Значение CAP_M может быть рассчитано несколькими вариантами. Например:
Значения CAP_C затем используются для взвешивания отдельных измеренных значений CAP_I. Значение CAP_M сохраняется в конце исследования, как измеренное значение затухания ультразвука. Единица значения CAP_M - это, например, дБ/м.
На Фиг.2 схематично показаны:
- Непрерывная низкочастотная вибрация cSW, прикладываемая вибратором во время CW этапа, показанного на Фиг.1;
- последовательность ультразвуковых выборок PA, сформированная группами G выборок и создаваемая ультразвуковым преобразователем во время CW этапа, показанного на Фиг.1.
Во время этапа приложения непрерывной CW вибрации, вибратор колеблется на частоте, составляющей значение между 5 и 500 Гц, с амплитудой, составляющей значение между 10 мкм и 5 мм.
Преимущественно, благодаря малой амплитуде и низкой частоте непрерывной вибрации, оператор может легко поддерживать зонд в контакте с вязкоупругой средой.
В то же самое время, при приложении непрерывной низкочастотной вибрации, ультразвуковой преобразователь испускает ультразвуковые выборки PA, сформированные группами G ультразвуковых выборок. В показанном на Фиг.2 примере, каждая группа G включает в себя две ультразвуковые выборки.
Группы G ультразвуковых выборок испускаются с частотой повторения LPRF, имеющей значения между 10 Гц и 500 Гц, или с межгрупповой частотой повторения, или просто с частотой повторения. Ультразвуковые выборки, принадлежащие той же самой группе G, испускаются с внутригрупповой частотой повторения HPRF, имеющей значения между 500 Гц и 10 кГц.
Ультразвуковой преобразователь также детектирует ультразвуковые сигналы, отраженные во время генерации ультразвуковых выборок PA, как пояснено в отношении CW этапа, показанного на Фиг.1. Из первой последовательности ультразвуковых выборок PA, оказывается возможным рассчитать, этапом корреляции CORR между ультразвуковыми сигналами, принадлежащими той же самой группе G, смещения вязкоупругой среды. Упомянутые смещения вязкоупругой среды создаются распространением упругой волны, создаваемой непрерывной вибрацией, прикладываемой вибратором.
Важно отметить, что существует большое количество возможных ультразвуковых последовательностей для осуществления этого способа и что обозначенные элементы ни в коем случае не составляют исчерпывающий список возможных вариантов.
Преимущественно, применяя методику корреляции к ультразвуковым выборкам, принадлежащим той же самой группе G и, таким образом, подаваемым близко по времени, оказывается возможным детектировать малые смещения, порядка от 1 мкм до 10 мкм.
Как пояснено в отношении этапа CW_P, показанного на Фиг.1, смещения вязкоупругой среды затем используются для вычисления свойств упругой волны, например, ее амплитуды и ее фазы как функция глубины в среде. Сравнивая измеренные свойства с теоретической моделью, оказывается возможным вывести в режиме реального времени индикатор RT_IP позиционирования.
Например, индикатор позиционирования может быть связан с линейностью фазы упругой волны как функцией глубины в исследуемой среде. Индикатор тогда зависит от качества регулировки эволюции фазы как функции глубины посредством прямой линии.
n
Например, индикатор позиционирования может быть связан с уменьшением амплитуды упругой волны как функция глубины в исследуемой среде. Индикатор тогда зависит от качества подгонки 1/Z, где Z - глубина и n - целочисленный коэффициент, имеющий значения между 1 и 3.
Например, значение индикатора позиционирования в реальном времени RT_IP составляет значение между 0 и 1, со значениями, близкими к 1, если зонд корректно позиционирован относительно исследуемой вязкоупругой среды.
На Фиг.3 показан конкретный вариант реализации этапов CW и CW_P способа P в соответствии с изобретением, называемого стробоскопическим режимом.
Непрерывная синусоидальная линия схематично представляет непрерывную вибрацию cSW, приложенную первым вибратором. Непрерывная вибрация cSW имеет, например, центральную частоту cSWF 50 Гц, соответствующую периоду 20 мс.
Непрерывные вертикальные линии представляют группы G ультразвуковых выборок, формирующих первую последовательность из ультразвуковых выборок PA. Группы G испускаются с первой частотой повторения LPRF. В соответствии со стробоскопическим режимом выборки, первая частота повторения LPRF меньше, чем центральная частота непрерывной вибрации cSWF.
Внутригрупповая частота повторения составляет значение между 500 Гц и 100 кГц, что позволяет измерить малые смещения порядка 1 мкм.
Белые кружки и стрелки вдоль непрерывной вибрации cSW соответствуют отборам, сделанным каждой группой G ультразвуковых выборок.
Благодаря тому, что частота повторения LPRF групп G меньше, чем центральная частота непрерывной вибрации cSW, оказывается возможным отбирать полностью непрерывную вибрацию cSW в конце нескольких периодов колебаний, как показано белыми кружками.
Преимущественно, стробоскопический режим позволяет отбирать полностью непрерывную вибрацию cSW, используя низкую первую частоту повторения LPRF. Использование низкой частоты повторения позволяет обработать отраженные сигналы в режиме реального времени и, таким образом, получить индикатор RT_IP позиционирования в режиме реального времени.
На Фиг.4 схематично показаны результаты, полученные осуществлением части способа P в соответствии с изобретением относительно позиционирования вибратора.
График CW_Disp показывает смещение (или любой другой параметр движения, например, скорость, деформацию, скорость деформации) вязкоупругой среды в исследуемой области ROI как функция глубины Z в среде и времени T. Смещения представлены, используя ложный цветовой масштаб, причем более светлые цвета отображают смещение вдоль положительного направления оси D. Смещения вызваны непрерывной низкочастотной вибрацией, прикладываемой вибратором, и измерены ультразвуковым преобразователем UT, помещенным в контакт с поверхностью среды, при Z=0.
Из смещений, измеренных CW_Disp в исследуемой области ROI в пределах вязкоупругой среды, оказывается возможным извлечь в режиме реального времени информацию RT_Info относительно упругой волны, распространяющейся в пределах среды и создаваемой непрерывной вибрацией. Примеры таких свойств - это амплитуда A и фаза Ph упругой волны как функция глубины в пределах среды.
Сравнивая значения A и Ph, измеренные с заданными порогами, оказывается возможным определить индикатор позиционирования вибратора относительно вязкоупругой среды.
2
Альтернативно, оказывается возможным получить регулировочный параметр AJ качества между измеренными величинами A и Ph и теоретической моделью, описывающей амплитуду и фазу упругой волны, распространяющейся в пределах среды. В этом случае, индикатор позиционирования получается из регулировочного параметра AJ качества. Например, регулировочный параметр качества - это коэффициент определения R, дающий качество предсказания линейной регрессии кривой сдвига фазы как функции глубины в изучаемом диапазоне глубины.
В соответствии с одним вариантом реализации, регулировочный параметр AJ качества составляет значение между 0 и 1.
Как только вычисления произведены, индикатор позиционирования может быть отображен в форме числа или символа, или используя цветовой масштаб. Альтернативно, индикатор позиционирования может быть простой визуальной индикацией в виде окрашенного диска. Альтернативно, индикатор позиционирования может быть простой визуальной индикацией в виде "Позиционирование OK", указывая на то, что оператор может запустить этап транзиентной эластографии.
В соответствии с одним вариантом реализации, скорость распространения упругой волны сохраняется как измерение упругости среды.
Во время осуществления способа P в соответствии с изобретением, графики CW_Disp, RT_Info и индикатор позиционирования вибратора рассчитываются и отображаются одновременно.
Преимущественно, благодаря структуре последовательности ультразвуковых выборок, индикатор RT_IP позиционирования, так же как график RT_Info, может быть рассчитан и отображен в режиме реального времени.
На Фиг.5 схематично показан PR зонд для измерения затухания ультразвука методом гармонической эластографии.
Зонд PR включает в себя:
- Вибратор VIB, сконфигурированный для приложения к вязкоупругой среде непрерывной низкочастотной вибрации, непрерывной низкочастотной вибрации, создающей упругую волну в пределах вязкоупругой среды;
- Ультразвуковой преобразователь TUS, сконфигурированный для испускания последовательности ультразвуковых выборок, упомянутой последовательности ультразвуковых выборок, включающий в себя группы ультразвуковых выборок, группы ультразвуковых выборок, генерируемых с частотой повторения, каждая группа ультразвуковых выборок включает в себя, по меньшей мере, одну выборку.
В соответствии с показанным на Фиг.6 вариантом реализации, ультразвуковой преобразователь TUS смонтирован на оси вибратора VIB.
В соответствии с одним вариантом реализации, PR зонд включает в себя вычислительные средства для вычисления в режиме реального времени индикатора RT_IP позиционирования из ультразвуковых выборок.
В соответствии с одним вариантом реализации, PR зонд включает в себя средства для вычисления и отображения в реальном времени индикатора позиционирования RT_IP.
В соответствии с одним вариантом реализации, частота обновления отображения индикатора позиционирования больше чем 5 Гц.
Преимущественно, отображение индикатора позиционирования в реальном времени на уровне зонда позволяет оператору оптимизировать позиционирование зонда, не отводя глаза от зонда и от тела пациента. Это упрощает операцию позиционирования зонда.
В соответствии с одним вариантом реализации, ультразвуковой преобразователь TUS может быть прикреплен к корпусу зонда, используя PT наконечник.
Вибратор VIB заставляет PR зонд колебаться. Во время этого колебания, ультразвуковой преобразователь TUS помещается напротив вязкоупругой среды, прикладывая непрерывную низкочастотную вибрацию и создавая упругую волну в пределах среды.
В соответствии с одним вариантом реализации, вибратор VIB для приложения низкочастотной вибрации включает в себя вибрационное кольцо, помещаемое вокруг ультразвукового преобразователя TUS или вокруг PT наконечника зонда.
В соответствии с одним вариантом реализации, PT наконечник зонда подвижен и может приводиться в действие вибратором VIB. Ультразвуковой преобразователь TUS тогда помещается напротив вязкоупругой среды для приложения вибрации, по направлению стрелки на Фиг.6.
В соответствии с показанным на Фиг.7a вторым вариантом реализации, PR зонд представляет собой инерционный зонд без подвижных частей. В этом случае, движение вибратора VIB в пределах PR зонда приводит к перемещению зонда и непрерывная или импульсная вибрация прикладывается также помещением преобразователя TUS напротив вязкоупругой среды.
Ось движения вибратора A - это предпочтительно ось симметрии ультразвукового преобразователя TUS. Например, ультразвуковой преобразователь TUS может иметь круглое сечение, ось A, проходящую через центр ультразвукового преобразователя TUS.
В соответствии с одним вариантом реализации, PR зонд включает в себя средство управления TOG для запуска измерения.
Зонд PR в соответствии с Фиг.6a, таким образом, включает в себя вибратор, предназначенный для приложения непрерывной низкочастотной вибрации.
В соответствии с одним вариантом реализации, диаметр ультразвукового преобразователя составляет значение между 2 и 15 мм.
В соответствии с одним вариантом реализации, центральная частота ультразвукового преобразователя составляет значение между 1 МГц и 15 МГц.
В соответствии с одним вариантом реализации, ультразвуковой преобразователь TUS представляет собой выпуклый брюшной зонд.
В соответствии с одним вариантом реализации, зонд включает в себя индикатор позиционирования, который запускается, когда зонд установлен корректно. Этот индикатор может быть визуальным индикатором, например изменением цвета диодов. Альтернативно, индикатор может быть звуковым или тактильным индикатором, например, по изменению типа или амплитуды вибрации.
На Фиг.6b показано устройство гибридной эластографии DEV в соответствии с изобретением.
Устройство DEV в соответствии с изобретением включает в себя:
- PR зонд в соответствии с изобретением;
- Центральный блок UC, соединенный с PR зондом.
Центральный блок может содержать:
- Средство вычисления для обработки отраженных ультразвуковых сигналов;
- Экран SC для отображения результатов, полученных на различных этапах способа P в соответствии с изобретением;
- Средство управления или ввода ENT для управления устройства оператором.
Центральный блок UC может быть соединен с PR зондом проводным соединением или беспроводным средством коммуникации.
В соответствии с одним вариантом реализации, экран SC подходит для отображения результатов, показанных на Фиг.5. Экран SC может также отображать в режиме реального времени индикатор RT_IP положения, рассчитанный во время этапа CW_P способа P в соответствии с изобретением.
В соответствии с одним вариантом реализации, центральный блок включает в себя средство, сконфигурированное для автоматического запуска приложения низкочастотного импульса на основании значения индикатора RT_IP позиционирования, рассчитываемого и отображаемого в режиме реального времени.
В соответствии с одним вариантом реализации, центральный блок содержится в зонде.