專利名稱：用于檢測具有改變的硬度的區(qū)域的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例涉及超聲成像，并且更具體地涉及用于檢測具有改 變的硬度的區(qū)域的無創(chuàng)方法。
背景技術：
組織僵硬是疾病的公知制造者。例如， 一些癌性組織比正常的周圍 組織更僵硬。對于某些狀況的治療(例如消融)也會產生更僵硬的組織 區(qū)域。組織硬度的顯著變化可以在沒有超聲回聲反射性的相關變化的情 況下出現(xiàn)。對硬度的定量測量在臨床上對纖維化和脂肪變性的診斷會很 有用，從而識別例如肝纖維化。此外，檢測硬度也可以幫助發(fā)現(xiàn)瘤，一 些瘤在常規(guī)的超聲成像中是看不到的。
因為這些原因，所以具有一種用于使組織硬度可視化的方法在臨床 上是有用的。存在許多使用超聲來制成這樣的圖像的方法。大多數這些 方法包括移動組織以及跟蹤該組織的運動或位移。在一種方法中，通過 超聲醫(yī)師利用超聲探頭推動來壓組織，并且測量組織的彈性響應。在另 一種方法中，通過利用外部振動器以低頻振動組織來產生組織運動。在
其他方法中，使用輻射力來移動組織。聲輻射力脈沖(ARFI)超聲成像 被用來檢測具有改變的硬度的區(qū)域。ARFI的基本思想是利用聲輻射推 動組織，然后使用跟蹤技術來檢測由聲輻射引起的運動。
已公知健康組織和疾病組織的應力-應變或同等的力-位移的關 系通常是非線性的。組織的非線性響應可以提供關于組織的附加信息， 該附加信息可以改善對癌癥或其他臨床狀況的檢測。例如，浸潤性導管 癌(IDC)和正常的乳腺組織具有非常不同的非線性應力-應變關系。 隨著所施加的力的增加，IDC變得越來越僵硬。隨著所施加的力的增加， 健康的腺體組織也變得更僵硬，但是IDC的曲線傾斜更陡,。

發(fā)明內容
在一個實施例中，提供了一種用于檢測具有改變的硬度的目標區(qū)域 的方法。該方法包括將至少一個參考脈沖遞送到目標區(qū)域以檢測所述) 脈沖遞送到目標區(qū)域以將所述目標區(qū)域移位到第一移位位置；遞送第一 跟蹤脈沖以檢測所述目標區(qū)域的第一移位位置；將具有所述可變參數的 第二值的第二推動脈沖遞送到目標區(qū)域以將所述目標區(qū)域移位到第二 移位位置；以及遞送笫二跟蹤脈沖以檢測所述目標區(qū)域的笫二移位位 置。在另 一個實施例中，提供了 一種檢測具有改變的硬度的目標區(qū)域的 方法。該方法包括在改變推動脈沖的可變參數的同時在目標區(qū)域處遞 送推動脈沖，以及跟蹤設置在所述目標區(qū)域之外的一個或多個區(qū)域中的 位移。在又一個實施例中，提供了 一種用于檢測具有改變的硬度的區(qū)域的 方法。該方法包括將兩個或更多個脈沖序列遞送到目標區(qū)域，其中所 述兩個或更多個脈沖序列中的每一個包括推動脈沖和跟蹤脈沖，并且其 中所述脈沖序列的可變參數在所述兩個或更多個脈沖序列之間是變化具有改變的硬度的所述區(qū)域:、' 、在再一個實施例中，提供了一種用于檢測具有改變的硬度的區(qū)域的超聲成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括換能器陣列，其被配置成將兩個或更多個脈 沖序列遞送到目標區(qū)域，其中所述脈沖序列包括跟蹤脈沖和推動脈沖，是變化的。該系統(tǒng)還包括控制器，其用于控制要被遞送到所迷目標區(qū) 域的所述兩個或更多個脈沖序列；以及信號處理單元，其用于處理從所 述目標區(qū)域接收的響應于所述兩個或更多個脈沖序列的數據。


當參考附圖來閱讀下面詳細的描述時，將會更好地理解本發(fā)明的這 些和其他特征、方面和優(yōu)點，在整個附圖中相同的附圖標記表示相同的部件，其中聲成像方法的流程圖，說明了在目標區(qū)域中遞送推動脈沖和跟蹤脈沖的 順序；圖2是根據本技術的實施例的用于顯示具有改變的硬度的目標區(qū)域的圖像的流程圖；圖3-圖8是根據本技術的實施例的遞送到目標區(qū)域的脈沖序列的 示意性表示圖；圖9-圖12是根據本技術的實施例的說明具有變化的推動脈沖參應之間的關系的示意性表示圖；圖13-16是根據本技術的實施例的說明線性和非線性材料的最大 位移的圖形表示圖；圖17是根據本技術的實施例的組織的位移響應的深度相關性的示 意性表示圖；圖18是根據本技術的實施例的脈沖序列的交織的圖；圖19是根據本技術的實施例的在受先前推動脈沖的影響的目標區(qū) 域的組織放松之前將推動脈沖遞送到目標區(qū)域的圖；圖20是由通過具有變化的推動參數的推動脈沖而產生的切變波 (shearwave)而導致的位移的示意性表示圖；圖21是根據本技術的實施例的基于組織的位移響應來估計組織的 非線性參數的圖形表示；以及圖22是根據本技術的實施例的用于對具有改變的硬度的區(qū)域成像 的超聲成像系統(tǒng)的示意性表示圖，具體實施方式
組織僵硬是疾病的公知制造者。使用無創(chuàng)診斷方法測量組織的硬度 提供了檢測疾病的發(fā)作或疾病存在的機會。如此處所使用的，術語"硬 度"指的是彈性體對由所施加的力引起的歪曲或變形的阻力。例如，具 有相對較高硬度的區(qū)域可能是癌癥的警報信號。在另一個示例中，當器 官(例如肝)上形成癌性瘤時，所感染的器官的至少一部分變得比周圍 組織更僵硬。正常的腺體組織和纖維組織以及管瘤和內管瘤表現(xiàn)出非線 性特征。如果材料或組織表現(xiàn)出非線性的應力-應變關系，這意味著組 織的彈性模量隨著所施加的壓力而改變。對于不同的組織，應力-應變 曲線的形狀可能不同，該曲線提供了對照和組織辨別的來源。健康的組 織可以表現(xiàn)出不同于疾病組織的應力-應變關系，所以確定關于應力-應變曲線的信息能夠使人發(fā)現(xiàn)疾病。聲輻射力脈沖成像是一種用來制造表示組織的硬度的圖像的技術。如將會認識到的那樣，基本ARFI脈沖序列允許將推動脈沖引起的位移 確定為空間和時間的函數。在ARFI脈沖序列中，參考脈沖被遞送或發(fā) 射到目標區(qū)域以確定在干擾之前目標區(qū)域的位置。隨后，推動脈沖被遞 送以使目標區(qū)域移位，接著是跟蹤脈沖或一系列跟蹤脈沖，從而確定目 標區(qū)域的位移。然后映射目標區(qū)域的位移以確定區(qū)域具有變化的硬度。本技術可以用于診斷i病情預斷用途。同才l ^聲成像可以是二維或三 維成像。如此處所使用的，術語"具有改變的硬度的區(qū)域"指的是相對 于平常的周圍組織具有增加或減少了的硬度的區(qū)域。例如，具有改變的 硬度的區(qū)域可以包括瘤、癌性組織、消融的組織(在消融治療的情況下)、 硬化的血管、相對于其他區(qū)域具有更大肌肉張力(tone)的肌肉組織、 由圖像中的具有更大位移的區(qū)域所指示的相對于其他區(qū)域具有更小硬 度的區(qū)域。在某些實施例中，用于檢測具有改變的硬度的區(qū)域的超聲成像方法 包括將參考脈沖遞送到目標區(qū)域以確定所述目標區(qū)域的參考位置；然 后將具有可變參數的笫一值的第一推動脈沖發(fā)射到所迷目標區(qū)域以將 所述目標區(qū)域移位到第一移位位置；遞送隨后的跟蹤脈沖以檢測所述目 標區(qū)域的第一移位位置；將具有所述可變參數的笫二值的第二推動脈沖 遞送到目標區(qū)域以將所述目標區(qū)域移位到第二移位位置；以及遞送第二 跟蹤脈沖或一系列跟蹤脈沖以檢測所述目標區(qū)域的笫二移位位置。如此 處所使用的，術語"目標區(qū)域"包括一個或多個彈性區(qū)域。如此處所使 用的，術語"跟蹤脈沖，，可以或者使用單個脈沖或者使用一系列脈沖。 在一個實施例中，目標區(qū)域可以包括生物組織。例如，目標區(qū)域可以包 括肝組織、乳房組織、前列腺組織、甲狀腺組織、淋巴結、脈管結構、 腎等等。在某些實施例中，作為暴露到具有可變參數的推動脈沖下的結果的目標區(qū)域的位移^皮檢測。跟蹤脈沖可以:故遞送到目標區(qū)域以評估作為遞送推動脈沖的結果的目標區(qū)域的位移的變化。在一個實施例中，可以在 由推動脈沖施加力的同時監(jiān)視目標區(qū)域的位移。例如，通過交織推動脈沖和跟蹤脈沖來監(jiān)視位移。但是，在另一個實施例中，可以在推動脈沖 的停止之后監(jiān)視目標區(qū)域的位移。在該實施例中，可以在遞送推動脈沖之后遞送跟蹤脈沖或一 系列跟蹤脈沖。在本技術的某些實施例中，可以在改變推動脈沖的 一個或多個可變 參數時重復脈沖序列。在這些實施例中，目標區(qū)域的非線性響應被映射到推動脈沖的可變參數。然后，這些非線性響應^L用來辨別不同類型的 組織。如下面將詳細描述的那樣，在本技術中，針對推動脈沖的可變參 數映射目標區(qū)域的位移響應使得能夠增強組織辨別?，F(xiàn)在返回到圖1，示出了說明在用于檢測具有改變的硬度的區(qū)域的 超聲成像方法中遞送脈沖序列的方法的流程圖10。脈沖序列的遞送包括 將參考、推動和跟蹤脈沖遞送到目標區(qū)域中.在所說明的實施例中，參 考脈沖被用來確定沒有受到干擾的組織的參考或初始位置(框11 )，將 具有可變參數的第 一值的第 一推動脈沖遞送到目標區(qū)域以將所述目標 區(qū)域移位到第一移位位置(框12)。接著，在過去足夠的時間從而使得由第一推動脈沖引起的運動降低 到預定水平之后；遞送第一跟蹤脈沖或跟蹤脈沖序列以檢測目標區(qū)域的 第一移位位置(框14)?？商鎿Q地，可以通過將笫一跟蹤脈沖與第一推 動脈沖交織來檢測所述目標區(qū)域的笫 一移位位置。使用 一 系列跟蹤脈沖 使得能夠監(jiān)視作為時間的函數的組織的位移.盡管沒有說明，但是在一個實施例中，在遞送第二推動脈沖之前可 以將附加的參考脈沖遞送到組織以確定組織的位置是否已返回到靜止 狀態(tài)和/或為該組織提供新的參考位置。在框16,將具有所述可變參數的笫二值的第二推動脈沖遞送到目標 區(qū)域以將所述目標區(qū)域移位到笫二移位位置。在一個實施例中，在由笫 一推動脈沖引起的運動減小到確定值之后，可以遞送第二推動脈沖。接 著，遞送另一個推動脈沖或另一系列推動脈沖以檢測目標區(qū)域的第二移 位位置(框18)。然后針對可變參數來映射由可變參數的值的變化而引 起的目標區(qū)域的位移。當遞送具有一個可變參數(例如脈沖長度)的特定值的推動脈沖時， 該推動脈沖施加能夠使組織移位的輻射力。通過改變可變參數，該輻射 力改變。這導致不同的位移，該不同的位移取決于兩個特征所施加的 力和所迷力所施加的組織。在某些實施例中，如下面的非限制示例所述，可以改變推動脈沖的 各種參數。在一個實施例中，可以改變推動脈沖的長度或推動脈沖群的長度。對于一群推動脈沖，可以改變推動群的脈沖重復頻率(PRF)。 換句話說，可以改變推動脈沖的占空比。如此處所使用的，術語"脈沖 重復頻率(PRF)"指的是換能器陣列每秒發(fā)射的脈沖的數目。在另一 個實施例中，可以改變推動脈沖的頻率。如將會認識到的那樣，聲輻射 力與組織的吸收系數成比例，并且吸收系數是頻率的函數，改變推動脈 沖的頻率就改變由組織吸收的能量的量，并且由此改變所施加的力。在 另 一個實施例中，可以將推動脈沖的波形設計成優(yōu)化用于給定應用的輻 射力。這些設計可以包括非線性傳播效應。例如，考慮到非線性傳播效 應，可以使得脈沖序列在期望的深度處施加力。在又一個實施例中，推 動脈沖的可變參數包括幅度、峰值功率、平均功率、長度、頻率、波形 或其組合。如將在下面詳細討論的，在某些實施例中，可以改變推動脈 沖的多于一個的可變參數來檢測具有改變的硬度的區(qū)域。例如，可以改 變推動脈沖的幅度，并且可以針對幅度值的變化來映射目標區(qū)域的位 移。隨后，可以改變推動脈沖的脈沖長度，并且可以針對該脈沖長度值 的變化來映射目標區(qū)域的位移。跟蹤脈沖的脈沖重復頻率(PRF)確定位移數據的采樣頻率。使用 一系列跟蹤脈沖來提供數據，這使得能夠計算作為時間的函數的參數。 例如，該數據可以被用來使得能夠計算相對于時間的最大位移、組織放 松到其原始位置所用的時間、該位移的導數(速度)和其他與位移相關 的參數。該數據連同參考數據一起可以被用來濾出不期望的組織運動。對于變化的參數的每個值(例如對于所有不同的脈沖長度)，可以 重復塊12-18的過程。隨后，通過使用所述數據，對于每個推動位置 和可變參數的值可以生成相對于時間的一系列位移。這些位移被映射以 確定組織的非線性行為。在所有實施例中，在遞送推動脈沖和跟蹤脈沖之前，可以將參考脈 沖遞送到目標區(qū)域以檢測目標區(qū)域的初始的未移位的位置。在該實施例 中，然后通過將初始位置與通過笫一跟蹤脈沖所檢測的第一移位位置進 行比較，來計算目標區(qū)域的位移位置。在關注的方向上遞送或發(fā)射參考 脈沖。參考脈沖可以是通常在B-mode (B4莫式)或彩色多普勒成像中 使用的標準超聲脈沖。如此處所使用的，術語"標準超聲脈沖"指示脈 沖的長度和幅度與在形成B-mode或彩色多普勒圖像時所使用的脈沖的 長度和幅度相同。這些標準脈沖具有比在現(xiàn)有技術中使用的推動脈沖低9得多的幅度和短得多的長度，可以基于所期望的結果來選擇參考脈沖。 例如，對于魯棒性位移測量可以使用較長的脈沖。但是，如果需要軸向 分辨率則可以使用短脈沖。在某些實施例中，可以同時檢測多于一個的目標區(qū)域。在這些實施 例中，在這些目標區(qū)域處可以同時遞送推動樂>沖和跟蹤務》沖。在此處應 用被用來對更大的感興趣的區(qū)域以更少的發(fā)射事件來產生圖像的技術， 如同它們在更標準的成像技術中一樣。這些技術包括多線路發(fā)射，其中 對于單個發(fā)射或一組發(fā)射產生多于一個的束。這通過發(fā)射凈皮配置成激勵 更大區(qū)域的寬束或同時向多個區(qū)域發(fā)射，或者通過緊接著向多個區(qū)域發(fā) 射來完成。圖2說明了用于顯示具有改變的硬度的目標區(qū)域的圖像的流程圖 20。根據所說明的實施例，為了映射組織的非線性響應，改變推動脈沖 的參數。在框22處，遞送具有多個推動脈沖的脈沖序列，所述多個推 動脈沖具有一個或多個可變參數的不同的值。在一個實施例中，在第一 目標區(qū)域處遞送具有一個可變參數的推動脈沖，同時在移動到第二目標 區(qū)域之前將推動脈沖的該可變參數的值逐漸從初始值改變成確定值。在 另一個實施例中，具有可變參數的相同值的推動脈沖可以被遞送到不同 的目標區(qū)域。隨后，可以將推動脈沖的可變參數的值變成下一值，并且 然后可以將具有可變參數的下一值的推動脈沖遞送到所述目標區(qū)域。此 處所描述的技術要求將多個脈沖遞送到每個位置，所迷多個脈沖包括推 動脈沖和跟蹤脈沖。如將會認識到的那樣，在標準彩色流成像中，將多 個脈沖遞送到相同的位置以確定目標的速度。在本技術的實施例中，可 以以交織在彩色血流成# 中的^f吏用方式相似的方式來4吏用交織。如此處 所使用的，術語"交織"包括這樣的過程將多個脈沖連續(xù)地遞送到多 個目標區(qū)域，并且隨后改變推動脈沖的至少一個可變參數，并且對于相 同的目標區(qū)域組遞送變化后的推動脈沖。在某些實施例中，交織過程可 以應用于此處所描述的非線性位移映射脈沖。在本技術中，交織可能是 有益的，因為如果將大且長的推動脈沖重復地施加到相同的位置會出現(xiàn) 組織發(fā)熱。對于可變參數的所有確定的隨后的值，可以繼續(xù)改變可變參 數的值并遞送具有改變后的可變參數的推動脈沖的過程。在一個實施例 中，交織可以包括將推動脈沖斷開成多個脈沖，并且在這多個脈沖之間 遞送跟蹤脈沖，由此使得用戶能夠在推動目標區(qū)域的同時觀察該目標區(qū)域的位移。如在圖18中詳細描述的那樣，在另一個實施例中，交織可 以包括在跟蹤和推動脈沖沒有被遞送到第一位置的時間間隙中在茶他 位置處遞送脈沖序列。通常，脈沖序列到特定目標區(qū)域的遞送之間的時 間間隙或者被浪費或者被用來冷卻超聲探頭或組織，然而，該時間間隙 可以被用來在不同于特定目標區(qū)域的位置處遞送脈沖序列。在又一個實 施例中，交織包括在改變可變參數的同時在單個目標區(qū)域處遞送脈沖 序列，以及隨后移動到下一個目標區(qū)域，或在將可變參數變成下一值并 再次將具有可變參數的第二值的脈沖序列遞送到所有目標區(qū)域之前，將 具有可變參數的特定值的脈沖序列遞送到所有目標區(qū)域。
如將關于圖3-8詳細描述的那樣，在一個實施例中，可以改變推 動脈沖的幅度。如此處所使用的，術語"幅度，，包括峰值壓力或均方根 (RMS)壓力、或施加到換能器的峰值或RMS電壓或電流、或所遞送 的峰值或平均功率。
在框24處，收集數據，并且針對可變參數來分別映射每個目標區(qū) 域的位移。應該注意，除了某些組織的非線性行為之外，成像系統(tǒng)本身 可以以非線性的方式來響應。因此，所有非線性;f亍為不能直接歸因于組 織。這些系統(tǒng)非線性需要被特征化，以便于適當地解釋所收集的數據。 例如，換能器的輸出不能直接與輸入電信號成比例。在這種情況下，改 變電激勵的幅度不會導致所發(fā)射的波形的線性變化。如果不考慮換能器 的輸出的不成比例的響應，則它將被誤解為組織或材料中的非線性。
在框26處，基于針對(多個)改變后的參數的響應來特征化目標 區(qū)域的組織。此外，也可以將具有另一個推動脈沖參數的變化值的推動 脈沖遞送到目標區(qū)域，并且針對一個或多個推動脈沖參數來映射目標區(qū) 域的位移，以增加關于被成像的組織的材料特性的信息。例如，以不同 的推動脈沖重復頻率和不同的幅度來激勵組織以獲得有關組織的作為 頻率的函數的非線性響應的信息，這是有用的。在一個示例中，對于推 動脈沖改變幅度和PRF二者。在框28處，使用所獲取的數據來產生所 掃描的目標區(qū)域的圖像。如將認識到的那樣，需要表示數據的用于每個 位置的標量值以制成圖像。這可以通過創(chuàng)建將該數據作為輸入并且具有 用于每個位置的標量輸出的函數來完成。例如，可以使用數學模型來擬 合位移，并且可以創(chuàng)建模型參數的圖像。在一個實施例中，目標區(qū)域的 位移是輸入，模型擬合是函數，所顯示的輸出是模型參數。圖3到圖8說明了可以被遞送到一個或多個目標區(qū)域以獲得關于該 目標區(qū)域的組織的信息的不同脈沖序列。在圖3到圖8中所討論的具體 實施例僅是脈沖序列的示例性實施例，并且不限制本技術的范圍。此外， 所說明的脈沖序列可以被遞送到單個目標區(qū)域。可替換地，可以將脈沖 序列遞送到兩個或更多個目標區(qū)域。
現(xiàn)在參考圖3，脈沖序列32、 40和50的每個脈沖序列包括參考脈 沖、跟蹤脈沖和推動脈沖。在參考脈沖34、 42和52以及跟蹤脈沖38、 46和56的特征(例如幅度、頻率等等)在三個序列32、 40和50中被 分別保持不變的時候，推動脈沖36、 44和54的幅度從序列32到序列 50逐漸減小。在所說明的實施例中，可以在一個或多個目標區(qū)域處遞送 序列32、 40和50。在當前預期的實施例中，目標區(qū)域的位移被作為推 動脈沖幅度的函數來計算。
在圖4所說明的實施例中，分別改變脈沖序列68、 70和72的推動 脈沖62、 64和66的長度。與圖3的脈沖序列一樣，在所說明的實施例 中，分別將序列68、 70和72的參考脈沖74、 76和78和跟蹤脈沖80、 82和84保持不變。將目標區(qū)域的位移作為推動脈沖62、 64和66的長 度的函數來計算。
現(xiàn)在轉向圖5，分別改變脈沖序列92、 94和96的推動脈沖86、 88 和90的脈沖重復頻率(PRF)。以多個群98和IOO的形式以由PRF決 定的間隔分別遞送推動脈沖88和90。多個群98和100的每個群包括一 起分別形成推動脈沖88和90的多個脈沖。將參考脈沖102、 104和106 以及跟蹤脈沖108、 110和112保持不變。
圖6說明了推動脈沖的變化的另一個示例。在所說明的實施例中， 在脈沖序列122、 124和126之間分別改變推動脈沖114、 U6和120的 頻率。將參考脈沖128、 130和132以及跟蹤脈沖134、 136和138保持 不變。
圖7說明了在脈沖序列146、148和150之間分別改變推動脈沖140、 142和144的波形的實施例。將參考脈沖152、 154和156以及跟蹤脈沖 158、 160和162保持不變。
圖8說明了對掃描序列進一步增強以改善在存在呼吸運動、心臟運 動或其他運動時的性能。在該實施例中，如在其他實施例中一樣使用推 動脈沖的可變參數值。然而，改變的參數的特定值被選為參考值，并且順序地發(fā)射成對的可變參數值。使得可變參數對中的一個可變參數成為 參考值，并且改變該對中的另一個可變參數的值。將由該對所導致的位 移進行比較，這給出針對參數的所引用的改變的值的位移相對于針對參 數的參考值的位移的相對差或比值。以這種方式，如果存在運動或緩慢 變化，則影響被減小，因為利用所遞送的在時間上接近的值來進行比較。 通過在每對中重復相同的發(fā)射序列，可以歸一化其他效應。例如，如果
在參考中觀察到趨向(trend),則可以從成對的發(fā)射中除去該趨向。
在所說明的實施例中，所述脈沖序列是用于單個位置。然而，在一 些實施例中，也可以對兩個或更多個位置重復脈沖序列以形成圖像。如 將在下面所討論的那樣，可以以不同的方式將脈沖序列遞送到兩個或更 多個不同的位置。同樣，在這些實施例中，可以根據應用來改變脈沖序 列。在一些實施例中，這些變化可能影響可以被獲取的數據的質量和類 型。
圖9 - 12說明了在推動脈沖的長度發(fā)生變化的情況下目標區(qū)域的位 移響應。在所說明的實施例中，使用了示例脈沖序列，該脈沖序列利用 具有變化的長度的推動脈沖。在所說明的實施例中，ARFI掃描序列被 重復了四次，然而，與傳統(tǒng)的ARFI掃描序列不同，推動脈沖參數(長 度)每次都改變。在所說明的實施例中，推動脈沖的長度每次都減小，
現(xiàn)在參考圖9-12，圖9說明了具有參考脈沖222、推動脈沖226 和跟蹤脈沖228的脈沖序列。附圖標記224表示推動脈沖226的長度。 曲線圖230表示目標區(qū)域的位移。橫坐標232表示時間，縱坐標234表 示目標區(qū)域的位移。隨著推動脈沖的長度逐漸減小，由這些推動脈沖引 起的峰值位移會減小，如分別在曲線圖240、 246和252中所表示的那 樣。如所說明的，推動脈沖236具有長度238;推動脈沖242具有長度 244;推動脈沖248具有長度250。在當前預期的實施例中，在遞送下一 推動脈沖之前，允許目標區(qū)域的位移返回到靜止位移(resting displacement)。
圖13說明了針對圖9到圖12的推動脈沖長度的變化的目標區(qū)域的 位移的位移曲線圖。橫坐標254表示推動脈沖的長度，縱坐標256表示 目標區(qū)域的最大位移。曲線266上的點258、 260、 262和264分別表示 在施加圖9、圖10、圖11和圖12的推動脈沖時目標區(qū)域的位移，在所 說明的實施例中，將目標區(qū)城的位移作為來自圖9到圖12的位移曲線的最大位移或峰值。如曲線266所示出的那樣，該材料顯示出非線性響 應。對于小的推動脈沖長度或小的位移，最初存在線性響應。然而，隨 著脈沖長度的增加，最大位移比根據之前的數據點的線性外插小。換句 話說，隨著材料被聲脈沖越來越多地推動，其變得更"僵硬"了。這一 現(xiàn)象有時被稱為應變硬化。該曲線的形狀以某種方式表現(xiàn)材料的特性， 或至少提供與其他材料的對比的可能的來源。
圖14示出了具有兩種不同材料特征的目標區(qū)域的位移響應。橫坐 標268表示推動脈沖的長度，縱坐標270表示目標區(qū)域對于每次遞送一 個的四個脈沖序列的最大位移，其中對于每個脈沖序列推動脈沖長度變 化。曲線圖272表示第一材料的響應，曲線圖274表示第二材料對脈沖 序列的響應。如曲線圖272和274所示出的那樣，每種材料表現(xiàn)出對改 變的推動脈沖長度的不同非線性響應。盡管，最初笫一和第二材料具有 對于低推動脈沖長度的相似位移。然而，隨著推動脈沖長度的增加，這 兩種材料以非線性方式表現(xiàn)，并且產生比低推動脈沖長度數據的線性外 插小的位移。兩條曲線272和274可以用來在兩種材料之間進行辨別。
圖15示出了材料的響應曲線280，其表現(xiàn)了在推動脈沖的長度變化 的情況下的位移的線性響應，而響應曲線282示出了另一種材料的非線 性響應。橫坐標276表示推動脈沖的長度，縱坐標278表示目標區(qū)域對 于每次遞送一個的四個脈沖序列的最大位移，其中對于每個脈沖序列推 動脈沖長度會變化。如將會認識到的那樣，通常多種線性材料在位移與 推動脈沖長度的關系的線中表現(xiàn)出不同的斜率。然而，如點284所表示 的那樣，在給定的推動脈沖長度Ll處(由附圖標記286表示)線性材 料和非線性材料具有相似的位移。因此，如果在推動脈沖長度L1處取 得位移響應，則線性材料和非線性材料可能被不正確地識別為相同的材 料。然而，通過在推動脈沖的變化的長度處取得兩種材料的位移響應， 可以正確地識別這兩種材料。
圖16是說明基于非線性響應的組織辨別的示例。橫坐標290表示 推動脈沖的長度，縱坐標292表示目標區(qū)域對每次遞送一個的四個脈沖 序列的最大位移，其中對于每個脈沖序列推動脈沖長度會變化。在所說 明的實施例中，曲線294表示浸潤性導管癌(IDC)或癌性組織的位移 響應，曲線296表示健泉組織的位移響應。如所說明的，IDC組織比下 面的健康組織更加非線性。因此，可以通過定性出組織遵循哪條位移曲線來將病變組織與他們的健康的對應物(counterpart)相區(qū)別。
到目前為止所討論的組織的位移響應表示空間上特定點處的位移。然而，對于所遞送的每個跟蹤脈沖來說，可以計算作為深度的函數的位移。因為輻射力與超聲強度成比例，并且強度隨著所發(fā)射的推動脈沖的深度而變化，所以輻射力也隨著媒質中組織的深度而變化。圖17說明了目標區(qū)域中組織的位移響應的深度相關性的示例。為了生成非線性響應的圖像，應該考慮組織的位移響應的深度相關性。箭頭301表示媒質中深度增加的方向。如所說明的，對于具有確定推動脈沖長度的給定推動脈沖等高線(contour )300,所得到的力在推動脈沖的焦深(focal d印th)302處最大，并且在該焦點之前和之后下降。相應地，組織304具有位移曲線306，與分別具有位移曲線316、 318、 320和322的其他組織308、310、 312和314相比其具有最大的峰值。利用時間作為橫坐標和最大位移作為縱坐標來繪制位移曲線306、 316、 318、 320和322。對于不同的深度，組織的最大位移對推動脈沖可變參數(例如長度)的關系圖會看起來不同，甚至對于同質材料也不同。這是因為對于相同的推動脈沖，不同的深度,g露在不同的推動幅度下。如將會認識到的那樣，聚焦和組織衰減將影響所經受的作為深度的函數的輻射力。
可以以各種方式解決深度相關性對來自組織的位移響應的影響。在一個實施例中，可以使用多于一個的焦區(qū)，其中假設在焦點附近力是相似的。通過比較位于相同深度處(以及由此具有類似的力)的來自相鄰束的不同組織，可以解決深度相關性的問題。但是焦區(qū)數目的增加可能導致增加的組織和換能器發(fā)熱以及減少的幀速率。有利的是，通過增加焦距比數(f-number)(焦深和孔徑尺寸的比)可以使得焦點的景深變大。這使得所需的焦區(qū)的數目略微減少。在另一個實施例中，可以使用幻影(phantom)實驗來校準作為深度函數的力。對作為深度的函數的力的校準實現(xiàn)了較少的發(fā)射，同時依賴于從幻影數據得到的校正。在又一個實施例中，處理所記錄的位移的算法可以更有能力。用于擬合數據的才莫型可以包括這些效應。
通常，在遞送跟蹤脈沖和開始下一脈沖序列之間存在空載時間。在一些實施例中，來自兩個或更多個目標區(qū)域的參考脈沖、推動脈沖和跟蹤脈沖被交織，從而可以同時收集來自兩個或更多個位置的數據。應該注意，在這些實施例中，兩個或更多個目標區(qū)域中的每個目標區(qū)域應該
15被間隔得足夠遠，以最小化目標區(qū)域之間的切變波的相互作用。而且，期望目標區(qū)域被定位成分開 一些距離以減少組織發(fā)熱或減少遞送之間的時間，從而使得可以在不必等待目標區(qū)域的運動返回到平衡態(tài)的情況
下遞送下一脈沖序列。在圖18所說明的實施例中，在第一目標區(qū)域處遞送脈沖序列324,在第二目標區(qū)域處遞送脈沖序列326。如所說明的，脈沖序列324包括參考脈沖328、推動脈沖330和跟蹤脈沖332。脈沖序列326包括參考脈沖334、推動脈沖336和跟蹤脈沖338。跟蹤脈沖324和326的不同脈沖與相應的脈沖相交織。例如，參考脈沖328和334彼此相交織以形成交織的參考脈沖342，如附圖標記344所指示的那樣推動脈沖330和336彼此交織，如附圖標記340所指示的那樣跟蹤脈沖332和338彼此相交織。在當前預期的實施例中，在第一目標區(qū)域處遞送參考脈沖328，之后在第二目標區(qū)域處遞送參考脈沖334。接著，在第一目標區(qū)域處遞送推動脈沖330,之后在第二目標區(qū)域處遞送推動脈沖336。隨后，在第一目標區(qū)域處遞送跟蹤脈沖332，之后在第二目標區(qū)域處遞送跟蹤脈沖338。類似地，在兩個目標區(qū)域處，可以逐次遞送隨后的推動脈沖和跟蹤脈沖。應該注意可以交織兩個或更多個脈沖序列。
在圖19所說明的實施例中，針對兩個隨后的脈沖序列說明了組織的位移響應。最初，遞送參考脈沖348以確定目標區(qū)域的初始位置。接著，在目標區(qū)域處遞送具有脈沖長度的第一值的推動脈沖350，后面是跟蹤脈沖352。如相對于時間(橫坐標360)表示最大位移(縱坐標362)之間的關系的曲線圖358所說明的那樣，笫一推動脈沖產生目標區(qū)域的最大位移364。在目標區(qū)域的組織從第一推動脈沖350的影響放松下來之前，遞送第二推動脈沖354。在等待組織放松之前以這樣更短的時間間隔發(fā)送推動脈沖使得能夠在更短的時間段內收集目標區(qū)域的更多位移值。曲線圖358的點366說明作為第二推動脈沖354的結果的目標區(qū)域的位移。
在某些實施例中，在目標區(qū)域處遞送推動脈沖，這產生遠離推動位置而行進的切變波 針對稍微遠離推動區(qū)域的一個或多個位置跟蹤產生的切變波位移響應。由這些切變波產生的位移也將是可變推動脈沖參數的非線性函數?？梢噪S著時間的推移超聲跟蹤在附近位置的組織的所產生的位移。使用響應于激勵區(qū)域之外的切變波的峰值位移或峰值時間或者其他參數來表征材料特性。在一些實施例中，可以改變切變波的波特性。在這些實施例中，可以改變幅度、峰值功率、平均功率、長度、頻率、波形或其組合。
現(xiàn)在轉向圖20,被配置成遞送脈沖序列368和382的換能器探頭361纟皮設置成極靠近對象363。換能器探頭361將脈沖序列368和382遞送到推動位置365。在所說明的實施例中，脈沖序列368包括參考脈沖370、生成相應的切變波(未示出)的推動脈沖372以及跟蹤脈沖374。類似地，脈沖序列382包括參考脈沖384、生成相應的切變波(未示出)的推動脈沖386以及跟蹤脈沖388。在某些實施例中，具有不同的可變參數值的推動脈沖可以產生相應的切變波，它們在至少一個波特性上彼此不同。在這些實施例中，可以通過產生具有不同波特性的切變波以及在跟蹤區(qū)域之外的區(qū)域中跟蹤相應位移來確定材料的非線性參數。在當前預期的實施例中，推動脈沖386具有比推動脈沖372更短的長度。在所說明的實施例中，在推動位置365處遞送脈沖序列368和382，由相應的切變波引起的作為結果的最大位移在對象363內但在推動位置365之外的單獨位置處被跟蹤，被測量。位置367可以處于或者可以不處于與遞送脈沖序列368和382的位置365相同的深度(由箭頭369表示)。利用表示時間的橫坐標376和表示位于推動位置365之外的區(qū)域367中的位移的縱坐標378來繪制曲線圖380和390。如所說明的，在產生切變波和在位于推動位置或目標區(qū)域365之外的區(qū)域367中跟蹤由該切變波引起的位移之間存在時間延遲381和391 。
在一個實施例中，目標區(qū)域的響應可以包^"位移響應或應變響應、應變率響應或B模式幅度的變化。應該注意，到目前為止所提到的許多實施例依賴于對由推動脈沖產生的位移的計算。給定推動之前和推動之后的數據，能夠計算位移和/或應變。可以用來計算位移響應、應變響應、應變率響應或B模式幅度的變化的技術可以包括斑(speckle )跟蹤技術、累計絕對差、迭代相位調零(phase zeroing)、直接應變估計量、交叉相關以及自相關技術。
盡管大多數實施例描迷了針對脈沖序列的組織的位移響應。但是還可以^吏用組織的其他響應(例如應變、應變率和跟蹤脈沖的回波的幅度變化)來研究組織特性。在獲得關于每個目標區(qū)域的時間和位移的數據之后，可以計算與組織的非線性特性相關的參數。盡管存在可以進行非線性參數估計的許多方式，但下面描述了示例性算法。
在一個實施例中，提供了作為可變脈沖參數(例如推動脈沖的幅度)的函數的組織的位移響應。等式l示出了輻射力。
<formula>formula see original document page 18</formula>
其中，f是每體積(volume)的力，I是聲音的強度。"是組織的吸收系數，并且c是組織中的聲音的速度。
在等式1中示出的力是瞬時體力。隨著推動脈沖的幅度的變化，聲輻射的強度會變化，從而力會變化。因此，繪制作為推動脈沖幅度的平方的函數的位移提供了與作為力的函數的位移相關的函數。
接著，將位移與脈沖強度的關系擬合到等式2給出的形式的函數。
<formula>formula see original document page 18</formula>
其中，p是脈沖強度(與所施加的力成比例)，C是曲線參數，n是曲線參數，x是組織的最大位移。圖21利用表示推動力(f)的橫坐標402和表示組織的位移的縱坐標404示出了這類曲線392、 394、 396、398和400的成員。然后，參數C和n可以制成可以提供對比的圖像。在另一個實施例中，通過在等式3中表示的形式的函數來給出位移。<formula>formula see original document page 18</formula>
其中，p是推動脈沖的強度，x是組織的最大位移，"和"是曲線的擬合參數(線性項系數和平方項系數)。C^表示p立方以及更多的更高階項?？梢允褂脴藴实幕貧w技術來找出"和"。
在一個實施例中，可以使用FEM模型來擬合數據。FEM模型應該嘗試確定基礎的材料常數。在另一個實施例中，制作更簡單的模型來擬合所收集的數據。存在一些簡化的非線性彈性模型。每個模型具有其自身的參數組或必須被選擇用來匹配所獲取的數據的物理特性。擬合模型暗示著找到產生所測量的結果的一組模型參數。然后這些參數被用作成像功能。
在這些示例的每個示例中，使用推動脈沖的強度，但也可以使用變化的其他參數，例如脈沖長度。
一旦根據數據已計算或確定了非線性參數，就可以生成一個或一些參數的圖像。在一個實施例中，參數的函數可以制成圖像。在一個示例中，如果等式2被用來擬合數據，則可以制造參數C的圖像和參數n的圖像。在另一個示例中，如果等式3被用來擬合數據，則可以制成"或"的圖像。
圖22說明了具有換能器陣列408的超聲成像系統(tǒng)406。換能器陣列408可以是一維的或二維的陣列。換能器陣列408可以涉及包括一個或多個目標區(qū)域的二維平面?？梢允褂脫Q能器陣列408來遞送參考脈沖、推動脈沖和跟蹤脈沖。典型地，在遞送脈沖的時候換能器陣列408與對象物理接觸。用于遞送脈沖的發(fā)射電路410與換能器陣列408在操作上相關聯(lián)。接收電路412與換能器陣列在操作上相關聯(lián)以從目標區(qū)域接收信息。發(fā)射電路410和接收電路412二者電耦合到控制器414?？刂破?14控制脈沖序列、推動脈沖的可變參數和其他變量(例如跟蹤脈沖的PRF、在遞送推動脈沖之后遞送跟蹤脈沖的時間)。此外，控制器414也組織從跟蹤區(qū)域接收到的信息。從目標區(qū)域接收的信息可以被存儲在存儲器設備416中，以便在稍后被及時處理。在一個示例中，存儲器設備416可以包括隨機存取存儲器，然而，可以使用其他存儲器設備。存儲器設備416可以用來存儲諸如目標區(qū)域的初始位置和目標區(qū)域的移位位置之類的信息。然后，信號處理單元418處理存儲在存儲器設備416中的信息?？商鎿Q地，信號處理單元可以直接使用來自控制器414的信息來為目標區(qū)域生成圖像。使用顯示設備420 (例如監(jiān)碎見器)來顯示經過處理的圖像。盡管未說明，但可以代替顯示設備420使用用于目標區(qū)域的位移的點測量的測量設備。在圖22中示出的某些元件可以被省略，或者某些元件的功能可以與其他元件相組合，例如，信號處理單元418可以^皮提供為控制器414的一部分。
一般來說，可以使用本技術來評估組織或適于超聲成像并且可以經受超聲成像的聲輻射的任何其他材料的機械特性。例如，動脈硬化的特征，其可以指示動脈粥狀硬化病的程度；肌肉張力的評估，其對確定治療女性骨盆底并發(fā)癥的進程^f艮重要；以及評估腎的硬度，其可以指示腎移植的存活能力。此外，本技術可以對人類對象實施以用于診斷或病情預斷目的，并且可以在諸如狗和貓之類的動物對象上實施以用于獸醫(yī)目的。在用于肝癌的射頻(RF)消融治療中本技術也是有用的，其中可以實時監(jiān)視治療的進展。
雖然僅在此處說明并描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領域技術人員將會想到許多修改和變化。因此，應該理解所附的權利要求打算覆蓋所有這樣的落入本發(fā)明真正精神內的修改和變化。 元件列表
IO流程圖
12-18包括在流程圖10中的步驟 20流程圖
22-30包括在流程圖10中的步驟
32脈沖序列
34參考脈沖
36推動脈沖
40#>沖序列
42參考脈沖
44推動脈沖
50脈沖序列
52參考脈沖
54推動脈沖
62推動脈沖
64推動脈沖
66推動脈沖
68脈沖序列
70脈沖序列
72脈沖序列
74參考脈沖
76參考脈沖
78參考脈沖
80跟蹤脈沖
82跟蹤脈沖
84跟蹤脈沖
86-90推動脈沖
92-96脈沖序列
98- IOO群
102- 106參考脈沖
108- U2跟蹤脈沖114- 120推動脈沖 122 - 126脈沖序列 128 - 132參考脈沖 134 - 138跟蹤脈沖 140- 144推動脈沖 146- 150脈沖序列 152- 156參考脈沖 158- 162跟蹤脈沖 222參考脈沖 226推動脈沖 228跟蹤脈沖 230曲線圖 232橫坐標 234縱坐標 236推動脈沖 238推動脈沖的長度 242推動脈沖 244推動脈沖的長度 246曲線圖 248推動脈沖 250推動脈沖的長度 252曲線圖 254纟黃坐標 256縱坐標 258-264曲線上的點 266曲線 268橫坐標 270縱坐標 272-274曲線圖 276橫坐標 278縱坐標 280響應曲線282響應曲線 284點
286推動脈沖長度 290橫坐標 292縱坐標 294-296曲線 300推動脈沖等高線 301深度 302焦深 304組織 306位移曲線 308-314組織 316-322位移曲線 324脈沖序列 326脈沖序列 328參考脈沖 330推動脈沖 332跟蹤脈沖 334參考脈沖 336推動脈沖 338跟蹤脈沖 342參考脈沖 344推動脈沖 346跟蹤脈沖 348參考脈沖 350推動脈沖 352跟蹤脈沖 358曲線圖 360橫坐標 362縱坐標 364最大位移 366曲線圖上的點368脈沖序列 370參考脈沖 372切變波 374跟蹤脈沖 376橫坐標 378縱坐標 382脈沖序列 384參考脈沖 386切變波 388跟蹤脈沖 368脈沖序列 370參考脈沖 372切變波 374跟蹤脈沖 392-400曲線 402橫坐標 404縱坐標 406成像系統(tǒng) 408換能器陣列 410發(fā)射電路 412接收電路 414控制器 416存儲器設備 418信號處理單元 420顯示設備
權利要求
1、一種用于檢測具有改變的硬度的目標區(qū)域的超聲成像方法，該方法包括將至少一個參考脈沖遞送到目標區(qū)域以檢測所述目標區(qū)域的初始位置；將具有可變參數的第一值的第一推動脈沖遞送到目標區(qū)域以將所述目標區(qū)域移位到第一移位位置；遞送第一跟蹤脈沖以檢測所述目標區(qū)域的第一移位位置；將具有所述可變參數的第二值的第二推動脈沖遞送到目標區(qū)域以將所述目標區(qū)域移位到第二移位位置；以及遞送第二跟蹤脈沖以檢測所述目標區(qū)域的第二移位位置。
2、 根據權利要求1所述的方法，包括遞送所述第一推動脈沖和所 述第二推動脈沖到兩個或更多個目標區(qū)域。
3、 根據權利要求1所述的方法，其中推動脈沖的可變參數包括幅 度、峰值功率、平均功率、長度、頻率、波形、脈沖重復頻率或其組合。
4、 根據權利要求3所述的方法，還包括針對所述可變參數映射所 述目標區(qū)域的位移。
5、 根據權利要求1所迷的方法，其中在由所述笫一或笫二推動脈 沖引起的運動被減小到確定值之后分別遞送第一或第二跟蹤脈沖。
6、 根據權利要求1所述的方法，還包括交織用于兩個或更多個目 標區(qū)域的一個或多個參考脈沖、跟蹤脈沖或推動脈沖。
7、 根據權利要求1所述的方法，還包括改變所述第一跟蹤脈沖、 或笫二跟蹤/推動脈沖、或這二者的脈沖重復頻率(PRF)。
8、 一種用于檢測具有改變的硬度的目標區(qū)域的方法，該方法包括 在改變推動脈沖的可變參數的同時在目標區(qū)域處遞送推動脈沖；以及跟蹤設置在所述目標區(qū)域之外的一個或多個區(qū)域中的位移。
9、 一種用于檢測具有改變的硬度的區(qū)域的方法，該方法包括 將兩個或更多個脈沖序列遞送到目標區(qū)域，其中所迷兩個或更多個脈沖序列中的每一個脈沖序列包括推動脈沖和跟蹤脈沖，并且其中在所 迷兩個或更多個脈沖序列之間所述脈沖序列的可變參數是變化的；以及 針對所述可變參數來映射所述目標區(qū)域的位移以檢測具有改變的硬度的所述區(qū)域。
10、 一種用于檢測具有改變的硬度的區(qū)域的超聲成像系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括換能器陣列，其被配置成將兩個或更多個脈沖序列遞送到目標區(qū) 域，其中所迷脈沖序列包括跟蹤脈沖和推動脈沖，并且其中在所述兩個或更多個脈沖序列之間所述推動脈沖的可變參數是變化的；控制器，其用于控制被遞送到所述目標區(qū)域的所述兩個或更多個脈沖序列；以及信號處理單元，其用于處理從所迷目標區(qū)域接收的響應于所述兩個 或更多個脈沖序列的數據。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于檢測具有改變的硬度的區(qū)域的系統(tǒng)和方法。提供了一種用于檢測具有改變的硬度的目標區(qū)域的超聲成像方法。該方法包括將至少一個參考脈沖遞送到目標區(qū)域以檢測所述目標區(qū)域的初始位置；將具有可變參數的第一值的第一推動脈沖遞送到目標區(qū)域以將所述目標區(qū)域移位到第一移位位置；遞送第一跟蹤脈沖以檢測所述目標區(qū)域的第一移位位置；將具有所述可變參數的第二值的第二推動脈沖遞送到目標區(qū)域以將所述目標區(qū)域移位到第二移位位置；以及遞送第二跟蹤脈沖以檢測所述目標區(qū)域的第二移位位置。還提供了一種用于檢測改變的硬度的區(qū)域的超聲成像系統(tǒng)。
文檔編號A61B8/08GK101675888SQ200910173488
公開日2010年3月24日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權日2008年9月18日
發(fā)明者C·R·哈扎, F·林, K·W·里格比, M·賽義德-博洛爾富羅什 申請人:通用電氣公司