專利名稱：測量人或動物器官的彈性及建立該彈性的二維或三維模型的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量人體或動物器官的彈性并且連續(xù)建立該彈性的二維或三維模型的裝置和方法，更具體地說涉及所有粘彈性介質(zhì)的測量，這種介質(zhì)在超聲照射以后提供超聲信號。本發(fā)明特別涉及人體乳房彈性的測量，但不限于此，這種技術(shù)的好處在于這些器官的病理特性通常與它們的彈性有關(guān)。
在現(xiàn)有技術(shù)中我們知道法國專利申請F(tuán)R2733142公開了一種測量二維彈性但也可以測量三維彈性的彈性測量裝置。但是該裝置沒有能使棒沿兩個(gè)垂直方向掃描的掃描設(shè)備。
另外我們還知道美國專利US6176827、US5099848、US2002/010398、US6277074和US5474073都公開了有時(shí)用一個(gè)固定棒只進(jìn)行二維測量的方案(參看US6176827)。
目前，市場上還沒有可以測量這種彈性并且以二維或三維形式觀看該測量的超聲裝置。
此外，對于二維測量彈性來講，我們知道題為“ShearModulus Imaging with 2DTransient Elastography”(作者為Sandrin，L.，Tanter，M.，Catheline，S.，and Fink，M.，雜志為Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control.，vol.49(4)，pp.426-435(2002))公開了一種測量彈性和該彈性二維模型的技術(shù)。相反問題的解決方案，也就是說重新提出反映人們致力于測量的粘彈性介質(zhì)的參數(shù)并不理想，這是因?yàn)椴恢涝谠摽臻g中沿三個(gè)方向的移動。事實(shí)上，根據(jù)與該文章中所述的裝置進(jìn)行的測量有關(guān)的計(jì)算算法，操作者必須用公式表示解決彈性計(jì)算的假設(shè)，但實(shí)際表明這些假設(shè)基本沒有得到驗(yàn)證。
我們還知道國際專利申請WO0070362描述了一種使用核磁共振彈性圖表(ERM)的系統(tǒng)，在該圖表中由機(jī)械波來激勵一個(gè)粘彈性區(qū)域如人乳房。該發(fā)明的目的基于這樣的假設(shè)ERM的測量結(jié)果是與部分微分方程的時(shí)間無關(guān)的解，而這些方程準(zhǔn)確地描述了粘彈性材料中機(jī)械波(縱波包括在內(nèi)，而且在反射環(huán)境中)的狀態(tài)。為此，可以計(jì)算出這些方程中的楊模數(shù)。此外，此文提出使用縱波(主要方式)，這些縱波能夠滲透到人的胸膛，但這不是橫波的情況。
在該專利申請中，要想得到彈性圖表就需要花費(fèi)很多時(shí)間。此外，實(shí)施這種裝置的成本很高。
另外很清楚的是，測量多維彈性有很大的好處，利用本發(fā)明的裝置可以對現(xiàn)有技術(shù)作出的很大改進(jìn)。
另外，國際專利申請N°FR9903157公開的現(xiàn)有技術(shù)描述了一種成像方法，用于同時(shí)觀察漫射粘彈性介質(zhì)許多點(diǎn)處的低頻剪力脈沖波的傳播。為此，要以很快的速度在該裝置中發(fā)射壓縮超聲波，這種超聲波能夠得到一連串的介質(zhì)圖像，然后在不同的時(shí)間利用互相關(guān)處理得到的圖像以便在剪力波傳播時(shí)確定每個(gè)圖像各點(diǎn)處的介質(zhì)運(yùn)動。
因?yàn)樵摪l(fā)明需要考慮以下兩種假設(shè)，所以令人并不滿意-在垂直于平面的方向認(rèn)為移動的二次導(dǎo)數(shù)為零，-假定介質(zhì)完全不能壓縮。
因此本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的問題。為此，本發(fā)明提出一種測量人體器官或動物器官特別是測量乳房的彈性，更通常是測量所有在超聲照射以后提供超聲信號的粘彈性介質(zhì)以及連續(xù)建立彈性二維或三維模型的裝置，該裝置包括至少一個(gè)具有多個(gè)傳感器(12)的超聲棒(barrette)(1)或類似物，一個(gè)能夠產(chǎn)生并發(fā)送直接或間接低頻應(yīng)力的激勵設(shè)備，一個(gè)超聲信號獲得設(shè)備，一個(gè)例如計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)控制和處理設(shè)備，其特征在于該裝置包括一個(gè)能夠一維(1D)或在兩個(gè)垂直方向二維(2D)利用上述超聲棒(1)實(shí)施掃描并分別得到二維(2D)或三維(3D)彈性測量模型的掃描設(shè)備。
因此，由于這些特征，本發(fā)明可以提供一種能夠得到二維或三維待測介質(zhì)的彈性分布圖，這是因?yàn)橛幸粋€(gè)比現(xiàn)有技術(shù)方案更簡單而且價(jià)格更低的系統(tǒng)。
超聲棒最好包括多個(gè)用于獲得超聲信號的傳感器。
根據(jù)本發(fā)明提供的一種可行方案，所述激勵設(shè)備包括一個(gè)可以是橫向、縱向或兩者混合的機(jī)械振蕩器。
所述激勵設(shè)備最好能夠包括一個(gè)或多個(gè)超熱傳感器，因?yàn)闇囟壬咴斐沙晥D像移動，其中所述傳感器或是用來獲得超聲信號，或是將一個(gè)或多個(gè)傳感器設(shè)置在粘彈性介質(zhì)的周圍。同樣，所述激勵設(shè)備還可以包括人體或動物的內(nèi)部運(yùn)行件，例如心臟擊打器。
根據(jù)本發(fā)明提供的另一種可行方案，所述激勵設(shè)備包括利用輻射壓力的遠(yuǎn)距離觸診，其中所述傳感器或是用來獲得超聲信號，或是將一個(gè)或多個(gè)傳感器設(shè)置在粘彈性介質(zhì)的周圍。
本發(fā)明的裝置最好用至少一個(gè)控制設(shè)備控制，例如一個(gè)計(jì)算機(jī)、一個(gè)微處理器或一個(gè)中心處理單元。
所述超聲棒最好是一個(gè)1.5D的棒或一個(gè)可以在多個(gè)不同上升點(diǎn)聚焦的星狀傳感器；在這種情況下，利用超聲聚焦進(jìn)行掃描。
此處要提醒的是，本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域中稱作1.5D的棒是不僅能沿一個(gè)平面聚焦，而且能在該平面的高處聚焦的小棒，在該實(shí)施例中，沿與上述稍微錯(cuò)開的平面平行的水平平面聚焦。
為便于理解本發(fā)明，還應(yīng)當(dāng)提醒的是一個(gè)0D的超聲回波描述棒沿一維x發(fā)射超聲，1D的棒沿二維x，y發(fā)射超聲，而通常由沿2D矩陣分布的多個(gè)正方形超聲棒構(gòu)成的2D棒可以在一個(gè)空間沿三維x，y，z發(fā)射超聲。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施模式，在超聲棒和上述粘彈性介質(zhì)之間的空間至少部分是水或其他所有能夠保證超聲波自由通過的元件。
由超聲傳感器和它們的電子器件構(gòu)成的組合件通過高速數(shù)字連接件例如LVDS與所述控制和處理設(shè)備相連。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施模式，本發(fā)明的裝置包括兩個(gè)超聲棒。
根據(jù)本發(fā)明裝置的一種實(shí)施模式，將所述兩個(gè)超聲棒浸入一個(gè)裝有液體例如水的密封容器中。
最好將所述密封容器與一個(gè)能使所述容器翻轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備相連。
根據(jù)本發(fā)明提供的一種可行方案，所述密封容器可以包括多個(gè)孔，在這些孔中分別引入一個(gè)機(jī)械振蕩器和/或一個(gè)超聲傳感器。
在所述密封容器上或密封容器中的這些孔最好一些與另一些或一個(gè)與另一個(gè)相隔90°。
根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施模式，本發(fā)明裝置包括三個(gè)沿y，x和z方向分別測量組織速度的小棒。
本發(fā)明還涉及一種測量人體器官或動物器官彈性，特別是乳房彈性，或更通常是測量所有在超聲照射以后提供超聲信號的粘彈性介質(zhì)以及連續(xù)建立彈性的二維或三維模型的方法，在該方法中包括至少一個(gè)超聲棒(1)或類似物，一個(gè)能夠產(chǎn)生低頻移動的激勵設(shè)備，一個(gè)獲得超聲信號的設(shè)備，一個(gè)例如計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)控制和處理設(shè)備，一個(gè)能夠在一維(1D)或二維(2D)利用上述超聲棒(1)進(jìn)行掃描并能分別得到二維(2D)或三維(3D)彈性測量模型的掃描設(shè)備，其特征在于該方法包括如下步驟-產(chǎn)生低頻應(yīng)力或信號和獲得超聲信號；-利用掃描設(shè)備沿兩個(gè)垂直方向移動所述棒；-計(jì)算超聲圖像；-計(jì)算組織速度；-反轉(zhuǎn)用于恢復(fù)參數(shù)的數(shù)據(jù)，這些參數(shù)描述所述粘彈性介質(zhì)。
移動桿的步驟最好重復(fù)進(jìn)行，重復(fù)的次數(shù)以在到達(dá)計(jì)算超聲圖像步驟以前得到所有超聲數(shù)據(jù)需要的次數(shù)為準(zhǔn)。
應(yīng)當(dāng)注意的是，獲得超聲圖像數(shù)據(jù)的步驟也可以獲得為求得一個(gè)傳統(tǒng)超聲圖像所需要的數(shù)據(jù)，也就是用傳統(tǒng)“波束組成”的超聲圖像。事實(shí)上，這樣得到的圖像構(gòu)成被研究器官形態(tài)的2D或3D確切的信息，該信息是對彈性參數(shù)的很好補(bǔ)充。
在計(jì)算組織速度期間，最好能夠測量該速度沿該區(qū)域三個(gè)垂直方向的縱向分量的二次導(dǎo)數(shù)。
同樣，在計(jì)算組織速度期間，可以測量該速度沿該區(qū)域三個(gè)方向的三個(gè)分量的空間導(dǎo)數(shù)。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的作為非限定性例子的實(shí)施例進(jìn)行描述，其中

圖1表示本發(fā)明的帶有單一機(jī)械掃描設(shè)備的裝置的超聲回波棒的移動；
圖2表示本發(fā)明的帶有雙機(jī)械掃描設(shè)備的裝置的超聲回波棒的移動；圖3表示本發(fā)明裝置的帶有一個(gè)能在上升時(shí)通過超聲聚焦的掃描設(shè)備的1，5D的棒的操作；圖4表示本發(fā)明的帶有一個(gè)能在上升時(shí)聚焦的1.5或1.75D的棒的裝置；圖5表示本發(fā)明的帶有一個(gè)星形傳感器的裝置；傳感器在該裝置的空間中進(jìn)行分布；圖6表示本發(fā)明的裝置正在測量一個(gè)病人乳房彈性；圖7的示意圖表示本發(fā)明裝置的實(shí)施模式。
這些附圖并不表示完整的裝置。該裝置包括用于對人體器官或動物器官的彈性進(jìn)行測量的元件，也就是說特別是有至少一個(gè)包括多個(gè)傳感器的超聲棒或超聲探頭，一個(gè)能確保得到超聲信號的設(shè)備，一個(gè)例如計(jì)算機(jī)等的數(shù)據(jù)控制和處理設(shè)備，以及一個(gè)能夠引起低頻移動的激勵設(shè)備。
本發(fā)明在于使用一個(gè)能夠確保所述超聲棒掃描的機(jī)械掃描設(shè)備。利用本發(fā)明的方法，可以測量現(xiàn)有技術(shù)的裝置不能得到的參數(shù)，即法國專利FR9903157所描述的。這樣得到的參數(shù)是沿上升方向移動的二次導(dǎo)數(shù)，也就是說與圖像平面垂直的方向，以及移動矢量的兩個(gè)缺補(bǔ)分量。
下面選用乳房作為人體器官或動物器官來描述本發(fā)明，但所有理想靜態(tài)器官都可以用本發(fā)明裝置和方法實(shí)現(xiàn)彈性測量目的，當(dāng)然條件是在用超聲信號照射以后提供超聲信號。但是如果體內(nèi)移動不能構(gòu)成可用于該方法的低頻應(yīng)力時(shí)，則為了不干擾測量，該器官最好固定不動。
本發(fā)明按照下面的順序執(zhí)行下面的步驟1.產(chǎn)生低頻應(yīng)力或信號
2.獲得超聲數(shù)據(jù)；3.利用掃描設(shè)備移動所述棒；4.計(jì)算超聲圖像；5.計(jì)算組織速度，這也稱作連續(xù)圖像之間的移動；6.也可計(jì)算組織的形變速度；7.最后，反轉(zhuǎn)恢復(fù)被測介質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)。
應(yīng)當(dāng)注意的是，計(jì)算步驟，也就是步驟4-6可以在超聲棒掃描粘彈性介質(zhì)時(shí)開始，也就是說最理想的是在所述超聲棒移動期間執(zhí)行這些步驟。
在低頻應(yīng)力或信號產(chǎn)生步驟中，最好在剛開始得到超聲后立即向激勵設(shè)備傳輸?shù)皖l信號，該信號的頻率f為5Hz-1000Hz之間。低頻振動引起粘彈性介質(zhì)的組織中的低頻彈性波的傳播，這種傳播與介質(zhì)的彈性有關(guān)。
用于產(chǎn)生低頻移動的不同設(shè)備可以考慮使用機(jī)械振動，這種振動由一個(gè)振動器實(shí)現(xiàn)，振動器可以是一塊或多塊振動板20，活塞和/或棒。同樣，能夠產(chǎn)生剪力波的激勵設(shè)備可以包括使用輻射壓力(pression de radiation)的一個(gè)遠(yuǎn)距離觸診，其中所述傳感器不是用來獲得超聲信號，就是將一個(gè)或多個(gè)傳感器設(shè)置在待成像物體周圍。
在獲得超聲數(shù)據(jù)的過程中，主要按照100Hz和100000Hz之間的1/T速度N次獲得超聲。通過用超聲傳感器發(fā)射超聲短脈沖來求得超聲數(shù)據(jù)，所述超聲短脈沖通過介質(zhì)中所含的顆粒反射。利用相同的超聲傳感器在1μs-10ms變化的時(shí)間內(nèi)記錄稱作“speckle(斑點(diǎn))”的超聲信號。按照1/T的速度重復(fù)這種操作N次。
然后是移動超聲回波棒或超聲棒的步驟。與此相應(yīng)的是，根據(jù)所用超聲棒的數(shù)量或類型用三種不同的方式實(shí)現(xiàn)使所述棒移動的掃描。
這樣，本發(fā)明裝置主要配有只有一個(gè)單向超聲棒1；有兩個(gè)超聲棒5，6或沿兩個(gè)軸設(shè)置的一個(gè)超聲棒；一個(gè)1.5D的超聲棒9。
在圖1所示的只有一個(gè)單向超聲棒1的情況下，超聲回波棒1移動的距離為10μm-10mm。至少沿一個(gè)方向進(jìn)行掃描。例如沿由平面2建立的Z方向掃描，移動距離為Δz，在該圖中由兩個(gè)平面3和4構(gòu)成該移動距離。
在圖2所示的兩個(gè)超聲棒5，6或沿兩個(gè)軸7和8設(shè)置的一個(gè)超聲棒的情況下，使用兩個(gè)超聲棒5和6(或者連續(xù)使用一個(gè))。這種掃描可以得到組織速度矢量的所有分量。
在圖3所示的一個(gè)1.5D的超聲棒9的情況下，避免了機(jī)械掃描，結(jié)果與星形傳感器的相同；這兩個(gè)元件可以在三個(gè)不同高度處聚焦。在一個(gè)1.5D的超聲棒9的情況下，通過改變聚焦規(guī)則得到沿z方向的移動，從而改變圖像的平面高度。
在計(jì)算超聲圖像的步驟中，通過使用如上面指出的專利FR9903157中所述的延遲求和算法構(gòu)成超聲圖像，也可以用快速“波束成型”算法，例如空間頻率方面的技術(shù)(見Lu，J.，的文章“2D and 3D High Frame Rate Imaging with LimitedDiffraction Beams”，IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Contr.，vol.44，N°4，1997.)。
在計(jì)算組織速度，這也稱作先后圖像之間的移動的步驟中，先后兩個(gè)超聲發(fā)射之間的組織速度或移動(并不一定要連續(xù))或是通過互相關(guān)系進(jìn)行測量，這在Doppler的專利FR9903157中已作過描述，也可以通過自相關(guān)進(jìn)行測量，這在KasaiC.，Namekawa K.，Koyono A.和Omoto R.的文章中已經(jīng)作了描述，該文章為“Real-time two-dimensional blood flow imaging using an autocorrelation technique”，IEEE Trans.Sonics Ultrason.，vol.35，pp.458464(1985)，以及更廣泛地用其他所有移動測量技術(shù)進(jìn)行測量。
通過使用圖1所示的簡單機(jī)械掃描，至少在成像區(qū)域中介質(zhì)的每一點(diǎn)上都能得到沿組織速度Vx的x方向的分量。通過采用Konofagou，E.E.，Ophir，J.的文章和Tanter，M.，Bercoff，J.，Sandrin，L.，F(xiàn)ink，M.的文章中描述的算法，也可以得到組織速度的縱向分量Vy，Konofagou，E.E.，Ophir，J.的文章為“A new elastographic methodfor estimation and imaging of lateral displacement，lateral strains，corrected axial strainsand Poisson’s ratios in tissues”，Ultrasound in Med.&Biol.24，No 8，pp.1183-1199(1998)，Tanter，M.，Bercoff，J.，Sandrin，L.，F(xiàn)ink，M.的文章為“Ultrafastcompound imaging for 2D motion vector estimationapplication to transientelastography”，Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control.。通過采用圖2所示的雙機(jī)械掃描可以得到組織速度的三個(gè)分量超聲棒6可以測量Vx和Vy，超聲棒5可以測量Vy和Vz。通過用兩個(gè)超聲棒5，6算出估計(jì)和的一半就可以提高估計(jì)值Vy的精確度。
在計(jì)算組織變形速度的可選步驟中，通過根據(jù)所考慮的分量的方向求出Vz，也就是v(z，t)相對于深度的導(dǎo)數(shù)就可以得到組織變形的速度ϵi(z,t)=∂υi(z,t)∂i]]>其中i＝x，y或z數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)步驟包括重設(shè)或恢復(fù)用于說明粘彈性介質(zhì)的參數(shù)。如果認(rèn)為介質(zhì)是線性和各向同性的，則這些參數(shù)總共為兩個(gè)。可以選擇剪力模數(shù)μ和壓縮模數(shù)λ。實(shí)際上在松弛組織中λ為Gpa量級，而且變化很小，而μ是Kpa量級。楊彈性或楊模數(shù)的第一近似值等于3μ。這樣，就可以方便地確定剪力模數(shù)μ，該模數(shù)構(gòu)成被測粘彈性介質(zhì)的最能說明問題的參數(shù)。
在簡單機(jī)械掃描的情況下，也就是說在含有單向超聲棒的掃描情況下，組織速度的矢量的各個(gè)分量并不知道。通過用下面的方程使數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)ρ∂2υi∂t2=μ(x,y,z)[∂2υi∂x2+∂2υi∂y2+∂2υi∂z2]]]>其中i＝x，y或z為了確定上述方程，需要假設(shè)整個(gè)介質(zhì)上的彈性波完全為剪力波。實(shí)際上，因?yàn)榻M織并不是完全不可壓縮的，所以這種假設(shè)是錯(cuò)誤的，因此所有剪力波必定伴隨壓縮波。
通過求解該方程得到尋找的參數(shù)μ(x，y，z)。從彈性圖表來看，通常具有三個(gè)坐標(biāo)vx，vy，或vz中的一個(gè)。此處假定為vx。為了對該方程求解，必須能夠適時(shí)計(jì)算這三個(gè)方向的二次導(dǎo)數(shù)∂2υ∂2x2=V(j,k+1,l,m)+v(j,k-1,l,m)-2V(j,k,l,m)Δx2∂2υ∂2y2=V(j,k,l+1,m)+v(j,k,l-1,m)-2V(j,k,l,m)Δy2∂2υ∂2y2=V(j,k,l,m+1)+v(j,k,l,m-1)-2V(j,k,l,m)Δz2∂2υ∂2t2=V(j+1,k,l,m)+v(j-1,k-1,l,m)-2V(j,k,l,m)T2]]>其中V(j，k，l，m)＝v(jT，k.Δx，y＝1.Δy，m.Δz)。
因此不僅應(yīng)當(dāng)知道圖像平面中的移動vx，而且也應(yīng)當(dāng)知道圖像平面附近的移動vx，以便能夠估計(jì)垂直于該圖像平面的二次導(dǎo)數(shù)v2/z2。在法國專利FR9903157和有關(guān)脈沖彈性圖表的公開文獻(xiàn)中，垂直于圖像平面的二次導(dǎo)數(shù)從方程中消除，因?yàn)樵搶?dǎo)數(shù)不可能從實(shí)驗(yàn)中測量得到。事實(shí)上，v只在平面(x，y)中測量，因此也只知道v(x，y)。但不能確定v2/z2。公知的假設(shè)在于給出∂2υ∂z2=0]]>則方程簡化為ρ∂2υi∂t2=μ[∂2υi∂x2+∂2vi∂y2]]]>其中i＝x，y或z即使不知道位于圖像平面兩側(cè)上的平面內(nèi)在z+Δz和z-Δz上的移動，也可以求解該方程。
假設(shè)垂直于圖像平面的二次導(dǎo)數(shù)為零是強(qiáng)制性的，即使v2/z2未必會是零，但也不能在合適的條件下解決反轉(zhuǎn)問題。利用本發(fā)明的裝置，就可以得到缺少的導(dǎo)數(shù)。
因此使用兩種力法測量v(x，y，z)和計(jì)算v2/z2-或是用1.5D超聲棒9或星形傳感器可以在不同高度的三個(gè)點(diǎn)聚焦，-或是按照z-Δz，z和z+Δz連續(xù)移動超聲棒反復(fù)三次求得，其中Δz經(jīng)合理選取，以便近似于在x和y處得到的解(Δz≅Δx]]>和Δy)。
如果用圖4所示的1.5D的超聲棒9或1.75D的超聲棒，則可以在圖像的三個(gè)平面中實(shí)現(xiàn)圖像10，并可以計(jì)算這三個(gè)平面例如處在z+Δz，z和z-Δz中的三個(gè)平面中的移動。但此處的最大速度減去系數(shù)3。也可以用一個(gè)星形傳感器11，如圖5所示，傳感器12分布在該傳感器11的空間內(nèi)。
根據(jù)第二種方案，該方案在于使超聲棒連續(xù)沿z+Δz，z和z-Δz移動重復(fù)三次得到，應(yīng)注意的是務(wù)必使待測粘彈性介質(zhì)不在兩次獲得之間移動，所施加的低頻應(yīng)力對于每一個(gè)高度位置必須同步。
在雙機(jī)械掃描的情況下，也就是說含有兩個(gè)超聲棒5，6或含有沿兩個(gè)方向移動的一個(gè)超聲棒的情況下，組織速度的所有分量都是已知的。最普通的情況(可壓縮介質(zhì))在于使用下面的Navier方程ρ∂2υ→∂t2=(λ+μ)▿→(▿→·υ→)+μ▿→2υ→]]>利用下面的方程可以使該結(jié)果更佳ρ∂2υi∂t2=∂∂xi[λ∂υj∂xj]+∂∂xj[μ(∂υi∂xj+∂υj∂xi)]]]>其中v1＝vx，v2＝vy，v3＝vz，x1＝x，x2＝y(tǒng)和x3＝z。
因此就有一個(gè)三個(gè)方程的系統(tǒng)，并有兩個(gè)未知數(shù)λ(x，y，z)和μ(x，y，z)，這是因?yàn)樵诮M織中密度的變化很小。
用上面的方程，就可以理解為什么忽略與壓縮波相關(guān)的組織速度是錯(cuò)誤的根源。當(dāng)然，與剪力波產(chǎn)生的組織速度比較，與壓縮波相關(guān)的組織速度是很小的，但是由于壓縮項(xiàng)前的系數(shù)λ很大，所以它們的貢獻(xiàn)也是不能忽略不計(jì)的。如果組織速度矢量的三個(gè)分量是已知的，則可以對該方程求解。事實(shí)上該方程導(dǎo)致沿所有方向的組織速度變化(évolution)之間的耦合干擾。
本發(fā)明建議使用圖6所示的組件或裝置。通過連續(xù)沿三個(gè)不同的軸13，14和15對介質(zhì)進(jìn)行掃描，該裝置就可以測量被研究器官的組織速度矢量的三個(gè)分量。超聲棒16可以測量y方向的組織速度uy，超聲棒17可以測量ux，超聲棒18可以測量uz。例如通過消除超聲棒18，使用橫向移動測量算法就可以將掃描區(qū)的數(shù)量從三個(gè)變成兩個(gè)。因此同時(shí)由超聲棒16和17確定位移uz，這樣就可以測量出平均速度uz＝(uzB1+uzB2)/2。
同步系統(tǒng)可以在兩次獲得之間移動傳感器12，一次獲得包括產(chǎn)生建立彈性波，一次獲得超聲信號。例如用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)或一個(gè)電動驅(qū)動器就可以使該系統(tǒng)移動。
應(yīng)當(dāng)反復(fù)產(chǎn)生這種按順序的獲得，獲得的次數(shù)與圖像中存在的平面同樣多。在用三個(gè)超聲棒16，17，18時(shí)，每一個(gè)都有128個(gè)不同位置，所以系統(tǒng)要求384次不同的獲得。因此所研究的介質(zhì)可以分割成1283個(gè)立方形象素19。超聲信號獲得的速度為每秒發(fā)射100-100000次。
在所研究的介質(zhì)中，如果假設(shè)剪力波的傳播為1m/s，該介質(zhì)的主要尺寸為12.8cm，以及該尺寸的象素為1mm3。則在該介質(zhì)中以及在12.8cm長上剪力波的傳播時(shí)間持續(xù)128ms。對于每秒發(fā)射1000次的典型速度來講，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)發(fā)射128次超聲，以便符合剪力波的傳播。因此可以估計(jì)在過了150ms以后結(jié)束獲得。假定超聲裝置在過了500ms以后移動，并實(shí)現(xiàn)第二系列發(fā)射128次超聲。如果用三個(gè)超聲棒得到三個(gè)位移分量，則必須約用3分鐘(384次500秒)來得到為解決反向問題所需要的所有數(shù)據(jù)。通過交錯(cuò)發(fā)射超聲可以減少測量時(shí)間，因此每一分鐘獲得需要發(fā)射128次。
在掃描的情況下，難度之一在于在掃描的所有時(shí)間內(nèi)要保持傳感器和被研究介質(zhì)之間有好的耦合性。當(dāng)介質(zhì)表面為平面時(shí)。可以利用超聲耦合劑例如水基凝膠實(shí)現(xiàn)掃描。當(dāng)這不可能時(shí)或當(dāng)介質(zhì)表面“不平坦”時(shí)，我們建議將粘彈性介質(zhì)浸到水中。圖6所示的情況就是將病人的乳房21浸入到一個(gè)容器22中，該容器是一個(gè)裝有水的平行六面體，并且有超聲透明窗。
正如上面看到的那樣，本發(fā)明裝置需要至少一個(gè)超聲回波記錄棒。而且還需要一個(gè)得到超聲的電子設(shè)備，該設(shè)備包括超聲發(fā)射器和接收器，數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，存儲器，數(shù)模傳輸線等。在這種用于超聲信號的數(shù)字化的電子設(shè)備中，通常加一個(gè)處理單元，該處理單元例如可以是一臺與用戶界面連接的便攜式計(jì)算機(jī)。在這些不同的附圖中并未示出這里所述的元件，而這些均是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。
超聲圖片快速制作技術(shù)通常只使用有限數(shù)量的超聲發(fā)射來照射需成像的介質(zhì)。因此這些技術(shù)的不足在于發(fā)送到介質(zhì)中的能量比標(biāo)準(zhǔn)超聲回波記錄系統(tǒng)的少。因此，信噪比下降，超聲圖像的動態(tài)性減弱，這樣就導(dǎo)致超聲數(shù)據(jù)突然減少，這反映在算法鏈中，從而降低彈性測量靈敏度、降低彈性測量的分辨率等。
為了克服這種缺陷，本發(fā)明裝置將上述電子設(shè)備的一部分設(shè)置在超聲棒附近，也就是說離超聲棒的距離小于50cm，其結(jié)果為·系統(tǒng)靈敏度提高；·傳輸?shù)哪芰吭黾?；·在機(jī)械化傳感器部分(超聲棒+所裝的電子設(shè)備)和數(shù)據(jù)處理單元(PC或所裝的PC卡或處理器DSP等)之間的連接簡單；·更能免除噪聲。
這種改進(jìn)可以減小超聲棒的活動性，這種活動性與超聲回波中的標(biāo)準(zhǔn)使用不匹配，這是因?yàn)槌暬夭ㄓ涗洶魬?yīng)當(dāng)很輕，而且很方便使用。應(yīng)當(dāng)注意的是在我們考慮的情況下，無論如何超聲棒的活動性都會受到掃描行程的限制。因?yàn)椴挥貌倏v超聲棒，所以超聲棒的重量相當(dāng)輕。超聲棒是機(jī)動的。
根據(jù)本發(fā)明的一種可行性，該裝置提出將發(fā)射和接收部分也就是發(fā)射和接收放大器設(shè)置在超聲棒的附近，通常不到50，同時(shí)在傳感器和處理單元之間保持平均水平的模擬信號傳輸。由此，強(qiáng)發(fā)射的模擬信號(放大以后)的路徑和弱接收信號(放大以前)的路徑均減小，所以接收靈敏度提高，改善了發(fā)射的能量傳輸。
根據(jù)本發(fā)明的另一種可行性，該裝置提出將模數(shù)轉(zhuǎn)換器(CAN)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CNA)(用于發(fā)射和接收)設(shè)置在超聲棒的附近，仍然不到50cm，并利用高速數(shù)字連接器(例如LVDS)將傳感器部分和處理單元連接。本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生以下改進(jìn)·通過將所有模擬部分設(shè)置在源級，所以信噪比提高。強(qiáng)模擬信號(發(fā)射器)和弱模擬信號(接收器)被集中在傳感器處，而不再在處理單元和傳感器部分之間通過?！ひ?yàn)樵谔幚韱卧蛡鞲衅鞑糠种g必須是純數(shù)字連接，所以接收的噪聲和發(fā)射的噪聲均減小了。
從引線數(shù)量上來看，簡化了控制和處理設(shè)備和傳感器單元之間的連接。
如果我們假設(shè)操作者用一個(gè)128個(gè)單元的超聲棒，50MHz頻率8比特的轉(zhuǎn)換器(CAN和CNA)進(jìn)行發(fā)射和接收。如果當(dāng)時(shí)分開發(fā)射和接收，而且所有路徑均啟用，則數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸比達(dá)到128×8×50＝51,2Gbps(每秒10億比特)。實(shí)際上要17個(gè)3,125Gbps的高速數(shù)字連接以便實(shí)時(shí)傳輸這些數(shù)據(jù)。通過比較，模擬方案需要128個(gè)雙線(bifilaire)連接器。
圖7中示出了本發(fā)明新安裝的裝置。在裝置的這種變型中，用了兩個(gè)超聲探測器23和24，并將探測器浸入裝有水或其他合適液體的密封容器26中。
密封容器或盒可以轉(zhuǎn)動，例如轉(zhuǎn)動四分之一圈，以便使探測器23不僅能夠沿X方向掃描，而且能夠沿Z方向掃描。超聲探測器24只沿Z方向掃描。因而在三個(gè)時(shí)間獲得超聲信號-利用兩個(gè)探測器23和24沿X和Z方向掃描，
-密封容器或盒26轉(zhuǎn)動，例如轉(zhuǎn)動四分之一圈，即90度，-利用探測器23沿Z方向掃描。
在獲得超聲信號期間，被插入密封容器26四周或周圍孔中的機(jī)械振蕩器25可以用來產(chǎn)生低頻應(yīng)力。圖7中所示的兩個(gè)機(jī)械振蕩器中的一個(gè)或兩個(gè)機(jī)械振蕩器可用一個(gè)超熱探測器和/或一個(gè)用在遠(yuǎn)距離觸診模式中的傳感器代替。在為描述本發(fā)明所選擇的例子中，處在密封容器26中或上的兩個(gè)孔彼此間相隔90度，也就是說線性機(jī)械振蕩器一個(gè)與另一個(gè)垂直，從而即使在容器26轉(zhuǎn)動四分之一圈(90度)以后，機(jī)械振蕩器也總是沿相同的方向，即與以前相同的直線伸展。
上面用例子對本發(fā)明作了描述。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制出各種變型裝置和用變型方法測量人體器官或動物器官的彈性，并且連續(xù)建立該彈性二維或三維模型，具體地說涉及的是構(gòu)成所述裝置或所述方法的順序及重要步驟的不同元件的配置或布置，但這些均不超出權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種測量人體器官或動物器官特別是測量乳房的彈性、更通常是測量所有在超聲照射以后提供超聲信號的粘彈性介質(zhì)以及連續(xù)建立彈性二維或三維模型的裝置，該裝置包括至少一個(gè)具有多個(gè)傳感器(12)的超聲棒(1)或類似物，一個(gè)產(chǎn)生并發(fā)送直接或間接低頻應(yīng)力的激勵設(shè)備，一個(gè)超聲信號獲得設(shè)備，一個(gè)例如計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)控制和處理設(shè)備，其特征在于該裝置還包括一個(gè)沿一維(1D)或沿兩個(gè)垂直方向的二維(2D)利用上述超聲棒(1)實(shí)施掃描并分別得到二維(2D)或三維(3D)的彈性測量模型的掃描設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述激勵設(shè)備包括一個(gè)機(jī)械振蕩，該機(jī)械振蕩可以是橫向、縱向或既橫向又縱向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述激勵設(shè)備包括利用輻射壓力的遠(yuǎn)距離觸診，其中所述傳感器(12)或是用來得到超聲信號，或是一個(gè)或多個(gè)傳感器設(shè)置在粘彈性介質(zhì)的周圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述激勵設(shè)備包括人體或動物體的內(nèi)部移動，例如心臟跳動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述激勵設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)超熱傳感器，其中所述傳感器或是用來得到超聲信號，或是一個(gè)或多個(gè)傳感器設(shè)置在粘彈性介質(zhì)的周圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述超聲棒是一個(gè)1.5D的棒(9)或一個(gè)可以在多個(gè)不同高度點(diǎn)聚焦的星狀傳感器(12)；在這種情況下，利用超聲聚焦進(jìn)行掃描。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于在所述超聲棒(1)和上述粘彈性介質(zhì)之間的空間至少部分是水或其他所有可保證超聲波自由通過的成分。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其特征在于所述機(jī)械振動由一塊或多塊振動板(20)、活塞和/或棒實(shí)現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述信號獲得設(shè)備包括多個(gè)超聲發(fā)射器和接收器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CNA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(CAN)、存儲器、數(shù)模傳輸線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其特征在于將所述發(fā)射器和接收器設(shè)置在所述超聲棒的附近，即通常距離小于50cm。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其特征在于將所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CNA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(CAN)設(shè)置在所述超聲棒的附近，即距離小于50cm。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其特征在于由超聲傳感器及其電子器件構(gòu)成的組合件通過高速數(shù)字連接件例如LVDS與所述控制和處理設(shè)備相連。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于該裝置包括兩個(gè)超聲棒(5)和(6)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于該裝置包括沿y，x和z方向分別測量組織速度的三個(gè)超聲棒(16，17，18)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，其特征在于將所述兩個(gè)超聲棒(23和24)浸入一個(gè)裝有液體例如水的密封容器(26)中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其特征在于將所述密封容器(26)與一個(gè)能使所述容器(26)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其特征在于所述密封容器(26)包括多個(gè)孔，將一個(gè)機(jī)械振蕩器(25)和/或一個(gè)超聲傳感器分別引入這些孔中。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其特征在于在所述密封容器(26)上或密封容器中的這些孔一些與另一些或一個(gè)與另一個(gè)相隔90°。
19.一種測量人體器官或動物器官彈性特別是乳房彈性、或更通常是測量所有在超聲照射以后提供超聲信號的粘彈性介質(zhì)以及連續(xù)建立該彈性的二維或三維模型的方法，在該方法中包括至少一個(gè)超聲棒(1)或類似物，一個(gè)可產(chǎn)生低頻移動的激勵設(shè)備，一個(gè)超聲信號的獲得設(shè)備，一個(gè)例如計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)控制和處理設(shè)備，一個(gè)沿一維(1D)或二維(2D)利用上述超聲棒(1)進(jìn)行掃描并分別得到二維(2D)或三維(3D)彈性測量模型的掃描設(shè)備，其特征在于該方法包括如下步驟-產(chǎn)生低頻應(yīng)力或信號和獲得超聲信號；-利用掃描設(shè)備沿兩個(gè)垂直方向移動所述超聲棒；-計(jì)算超聲圖像；-計(jì)算組織速度；-反轉(zhuǎn)用于恢復(fù)參數(shù)的數(shù)據(jù)，這些參數(shù)描述所述粘彈性介質(zhì)。-
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于所述低頻應(yīng)力或信號的頻率為5-1000Hz。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于該方法還包括計(jì)算組織變形速度的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于在計(jì)算組織速度期間，測量該速度沿該區(qū)域三個(gè)垂直方向的縱向分量的二次導(dǎo)數(shù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于在計(jì)算組織速度期間，測量該速度沿該區(qū)域三個(gè)方向的三個(gè)分量的空間導(dǎo)數(shù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于在用超聲傳感器(12)發(fā)射被粘彈性介質(zhì)中所含顆粒反射的脈沖的同時(shí)，獲得超聲信號。
25.根據(jù)權(quán)利要求19或24的方法，其特征在于按照一般在100Hz和100000Hz之間的1/T速度獲得超聲信號，T是兩次超聲發(fā)射之間的周期。
26.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于通過機(jī)械掃描或通過沿高度上的超聲掃描，主要在使用1.5D或1.75D的超聲棒的情況下實(shí)現(xiàn)超聲棒的移動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量人體器官或動物器官特別是測量乳房的彈性更通常是測量所有在超聲照射以后提供超聲信號的粘彈性介質(zhì)以及連續(xù)建立該彈性二維或三維模型的裝置，該裝置包括至少一個(gè)具有多個(gè)傳感器(12)的超聲棒(1)或類似物，一個(gè)用于產(chǎn)生并發(fā)送直接或間接低頻應(yīng)力的激勵設(shè)備，一個(gè)超聲信號獲得設(shè)備，一個(gè)例如計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)控制和處理設(shè)備，其特征在于該裝置包括一個(gè)能夠沿一維(1D)或二維(2D)利用上述超聲棒(1)進(jìn)行掃描并分別得到二維(2D)或三維(3D)彈性測量模型的掃描設(shè)備。本發(fā)明還涉及實(shí)施該裝置的方法。
文檔編號A61B8/00GK1700886SQ03820964
公開日2005年11月23日 申請日期2003年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者洛朗·桑德蘭, 讓-米歇爾·阿斯克諾帕, 西爾萬·約恩 申請人:回波檢測公司