Ультразвуковая система и способ измерения с использованием сдвиговой волны
Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам измерения с использованием сдвиговой волны. Ультразвуковая система для измерения свойства исследуемой области у субъекта с использованием сдвиговой волны содержит ультразвуковой зонд, выполненный с возможностью последовательно передавать, в каждое из множества фокусных пятен в исследуемой области, толкающий импульс для генерации сдвиговой волны, причем каждое из множества фокусных пятен имеет взаимно отличающееся значение глубины, и принимать ультразвуковые эхо-сигналы смежно с каждым из множества фокусных пятен, детектор сдвиговых волн, который указывает свойство, которое генерируемая сдвиговая волна имеет в фокусном пятне, и средство оценки свойства, выполненное с возможностью оценивать второй параметр, который указывает на свойство исследуемой области, в качестве функции извлекаемых первых параметров во множестве фокусных пятен. Способ измерения свойства осуществляется с использованием системы и ее компьютерного продукта. Использование группы изобретений позволяет расширить арсенал средств для оценки механических свойств ткани. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к ультразвуковой системе и способу измерения с использованием сдвиговой волны, в частности к измерению свойства исследуемой области у субъекта с использованием сдвиговой волны.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Механические изменения в живой ткани коррелируют с патологическими изменениями. Например, вязкость ткани, жесткость ткани (также известная как упругость) и коэффициенты ослабления тканей (включая ослабление продольной волны тканью и ослабление поперечной волны тканью, которое также известно как ослабление сдвиговой волны) представляют собой важные физические параметры для клинической практики. Разработаны различные средства для удаленного исследования механических свойств тканей, которые используют силу излучения ультразвукового пучка, чтобы удаленно прикладывать силу к области ткани внутри организма субъекта, такого как пациент (сила акустического излучения, также обозначаемая как толкающий импульс или толкающий пучок), чтобы вызывать деформацию ткани. Силу акустического излучения можно прикладывать таким образом, что эластические свойства можно измерять, или локально в точке (называемой фокальной точкой) деформации посредством отслеживания деформации непосредственно через использование ультразвуковой визуализации на основе продольных волн, чтобы следить за паттерном деформации, или в смежной области около фокальной точки посредством отслеживания сдвиговой волны, распространяющейся латерально от деформированной области (т. е. фокальной точки) через визуализацию скорости сдвиговой волны.
При исследовании с помощью ультразвука, для целей медицинской визуализации, часто используют продольные волны. Продольная волна отличается движением назад и вперед в направлении распространения. При традиционном измерении ослабления тканью на основании продольной волны, ослабление продольной волны тканью (также называемое продольным ослаблением тканью) оценивают на основании ультразвукового эхо-сигнала, на который одновременно влияет как обратное рассеяние, так и ослабление тканью. Такое традиционное измерение ослабления продольной волны тканью имеет такой недостаток, что точность ограничена, поскольку сложно отделять влияние обратного рассеяния от влияния ослабления тканью.
Ультразвуковая сдвиговая (или поперечная) волна, в отличие от этого, отличается движением назад и вперед, которое перпендикулярно направлению распространения. В наше время многие коммерческие ультразвуковые сканеры предлагают продукты для эластографии ультразвуковых сдвиговых волн для того, чтобы измерять упругость ткани при сдвиге. Оценка вязкости ткани при сдвиге и ослабления сдвиговой волны посредством эластографии сдвиговых волн до сих пор не коммерциализирована. Она остается научно-активной исследовательской темой, поскольку ее клинический потенциал появляется в определенных применениях. На фиг. 1 проиллюстрировано измерение с использованием сдвиговой волны в соответствии с известным уровнем техники. Толкающий импульс (также известный как толкающий пучок) 110 передают в направлении фокусного пятна 130 для того, чтобы генерировать сдвиговую волну 150, которая распространяется из фокусного пятна в направлении, таком как латеральное направление x, перпендикулярное направлению распространения толкающего импульса (т. е. продольному направлению z). Передают один или несколько отслеживающих импульсов (также известных как отслеживающий пучок) и принимают ультразвуковые эхо-сигналы вдоль множества линий отслеживания (называемых «A-линиями») 120, 122, 124 с тем, чтобы оценивать, в каждом из множества местоположений 140, 142, 144 дискретизации, разнесенных вдоль латерального направления, фазу или время распространения сдвиговой волны. Оцениваемые фазы или время распространения сдвиговой волны во множестве местоположений дискретизации дополнительно используют для того, чтобы извлекать значения скорости сдвиговой волны. Извлекаемое значение скорости сдвиговой волны можно использовать для того, чтобы генерировать ультразвуковое изображение, этот процесс известен как акустическая лучевая импульсная визуализация, и/или извлекать механическое свойство, такое как вязкость ткани или упругость. Такие традиционные способы эластографии сдвиговых волн могут предоставлять упругость ткани при сдвиге, вязкость при сдвиге и ослабление сдвиговой волны.
US 2012/0089019A1 и US 2011/0263978A1 относятся к традиционным способам эластографии сдвиговых волн, а именно к оценке механического свойства ткани на основе его влияния на распространение сдвиговой волны.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следовательно, будет благоприятно предоставить усовершенствованную ультразвуковую систему и способ измерения свойства (такого как механическое свойство ткани) исследуемой области у субъекта.
В соответствии с одним из вариантов осуществления по первому аспекту по настоящему изобретению предложена система ультразвуковой визуализации. Ультразвуковая система содержит: ультразвуковой зонд, выполненный с возможностью последовательно передавать в каждое из множества фокусных пятен в исследуемой области, толкающий импульс для генерации сдвиговой волны, каждое из множества фокусных пятен имеет взаимно отличающееся значение глубины, и принимать ультразвуковые эхо-сигналы смежно с каждым из множества фокусных пятен; детектор сдвиговых волн, выполненный с возможностью извлекать, для каждого из множества фокусных пятен, первый параметр, который указывает на свойство, которое генерируемая сдвиговая волна имеет в фокусном пятне, на основании принимаемых ультразвуковых эхо-сигналов; и средство оценки свойства, выполненное с возможностью оценивать второй параметр, который указывает на свойство исследуемой области, в качестве функции извлекаемых первых параметров.
Таким образом, множество сдвиговых волн возбуждают на различных глубинах в исследуемой области и свойство исследуемой области оценивают на основании интенсивностей множества сдвиговых волн. Авторы изобретения по настоящему изобретению осознали, что свойство исследуемой области влияет на распространение каждого из толкающих импульсов по мере распространения толкающего импульса через исследуемую область и в свою очередь влияет на соответствующую сдвиговую волну, возбуждаемую толкающим импульсом в фокусных пятнах в исследуемой области, и, таким образом, свойство (такое как интенсивность, фаза) возбуждаемых сдвиговых волн в фокусных пятнах будет зависеть от свойства (такого как вязкость ткани, жесткость ткани, ослабление тканью) исследуемой области. Например, ткань ослабляет распространение толкающего импульса таким образом, что чем выше фактор продольного ослабления тканью, тем больше толкающий импульс ослабевает по мере его распространения через ткань, и, таким образом, интенсивность толкающего импульса в фокусном пятне и, в свою очередь, интенсивность возбуждаемой сдвиговой волны становится ниже. На основании такого осознания авторы изобретения по настоящему изобретению предложили возбуждать множество сдвиговых волн на различных фокальных глубинах в исследуемой области и оценивать свойство исследуемой области в качестве функции свойств сдвиговых волн, генерируемых в множестве фокусных пятен, на основе влияния свойства исследуемой области на распространение толкающих импульсов вдоль продольного направления. Другими словами, свойство исследуемой области оценивают на основании зависимости между свойствами сдвиговых волн, генерируемых во множестве фокусных пятен. Например, первый параметр, извлекаемый для фокусного пятна, может указывать на свойство (такое как интенсивность, фаза), которое генерируемая сдвиговая волна имеет в фокусном пятне. Напротив, в традиционных способах эластографии сдвиговых волн свойство исследуемой области оценивают на основе влияния свойства исследуемой области на распространение сдвиговой волны вдоль поперечного/латерального направления. Следовательно, в традиционных способах эластографии сдвиговых волн свойство распространения сдвиговой волны, такое как скорость распространения или задержка сдвиговой волны, оценивают вместо того, чтобы оценивать или извлекать какое-либо свойство, которое сдвиговая волна имеет в фокусном пятне, прежде, чем она даже начнет распространяться вдоль латерального направления.
Поскольку сдвиговая волна распространяется в направлении, перпендикулярном направлению передачи/приема (т. е. продольному направлению) ультразвуковых сигналов, на измерение сдвиговой волны не влияет обратное рассеяние ультразвуковых сигналов вдоль продольного направления. Таким образом, приведенная выше оценка свойства ткани не имеет указанного выше недостатка традиционного измерения ослабления тканью на основе продольных волн.
В сравнении со традиционными способами эластографии сдвиговых волн дополнительные свойства исследуемой области можно оценивать посредством объединения измеряемых параметров множества сдвиговых волн. В некоторых вариантах осуществления второй параметр может указывать на продольное свойство исследуемой области, такое как продольное ослабление тканью, продольная вязкость ткани и т. д. Как общеизвестно, свойство ткани может представлять собой одно и то же во всех направлениях, но также может отличаться в различных направлениях. Например, механическое свойство ткани, такое как ослабление тканью, вязкость ткани или упругость ткани, в продольном направлении может отличаться от такового в поперечном направлении. Продольное свойство исследуемой области известно как свойство исследуемой области вдоль продольного направления (т. е. распространения продольной волны), такой как продольное ослабление, продольная вязкость. Аналогичным образом, поперечное свойство, также называемое сдвиговым свойством, известно как свойство исследуемой области вдоль поперечного направления, такое как поперечное ослабление (также называемое сдвиговым ослаблением), поперечная вязкость и т. д.
Число фокусных пятен можно устанавливать на любые подходящие значения. В целом, чем больше число фокусных пятен, тем точнее становится оцениваемое свойство исследуемой области. Ультразвуковой зонд может содержать одномерный или двухмерный массив преобразователей. Исследуемая область может представлять собой область ткани, например область ткани печени, ткани почки, ткани предстательной железы, ткани молочной железы и т. д. Субъектом может являться человек, такой как пациент, животное, фантом и т. д. Свойство генерируемой сдвиговой волны в фокусном пятне может представлять собой свойства во временной области или частотной области, включая в качестве неограничивающих примеров смещение, скорость и/или спектр сдвиговой волны.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, свойство исследуемой области включает любое одно из ослабления, жесткости и вязкости исследуемой области. Свойство исследуемой области может включать любое одно из ослабления тканью, жесткости ткани и вязкости ткани. Ослабление тканью может представлять собой продольное ослабление или сдвиговое ослабление. Свойство исследуемой области может включать продольное свойство исследуемой области. Например, свойство исследуемой области может представлять собой продольное ослабление.
Под разработкой специальной схемы возбуждения и отслеживания сдвиговых волн авторы изобретения предлагают интегрированный подход, который допускает оценку дополнительных параметров, таких как ослабление продольной волны. Предложенный подход предполагают в качестве инструмента с одной кнопкой, который обеспечивает количественное определение множества параметров ткани на основании как продольных, так и сдвиговых волн. Клинические исследования в течение длительного времени показывали, что акустический коэффициент ослабления продольной волны можно использовать для количественного определения жира в мягкой ткани (например, количественное определение жировой печени). Разработанная в последнее время эластография сдвиговых волн выступила в качестве диагностического инструмента для определения характеристик ткани (например, определение стадии фиброз печени) и обнаружения злокачественных опухолей (например, обнаружение злокачественных опухолей в печени, молочной железе, предстательной железе и щитовидной железе и т. д.).
В соответствии с одним из вариантов осуществления, первый параметр для фокусного пятна извлекают из смещения генерируемой сдвиговой волны в пятне слежения смежно с фокусным пятном. Другими словами, каждый первый параметр извлекают из смещения, которое генерируемая сдвиговая волна проявляет в пятне слежения смежно с соответствующим фокусным пятном. Различные известные подходы можно использовать для того, чтобы извлекать смещение сдвиговой волны из эхо-сигналов или во временной области или в частотной области. В различных вариантах осуществления первый параметр указывает на пиковое смещение, усредненное смещение или тому подобное генерируемой сдвиговой волны в пятне слежения. Поскольку пятно слежения находится смежно с соответствующим фокусным пятном и смещение в пятне слежения можно рассматривать в качестве пропорционального смещению в фокусном пятне, извлекаемый первый параметр можно использовать для того, чтобы указывать на смещение, такое как пиковое смещение, усредненное смещение или тому подобное, генерируемой сдвиговой волны в соответствующем фокусном пятне.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, первый параметр извлекают из пикового смещения генерируемой сдвиговой волны в пятне слежения для того, чтобы указывать пиковое смещение генерируемой сдвиговой волны в фокусном пятне.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, средство оценки свойства выполнено с возможностью оценивать свойство продольного ослабления тканью в исследуемой области посредством аппроксимации экспоненциальной кривой к извлекаемым первым параметрам.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, ультразвуковая система дополнительно содержит интерфейс, в которой интерфейс выполнен с возможностью принимать входной сигнал для указания множества фокусных пятен; и средство оценки свойства дополнительно выполнено с возможностью оценивать второй параметр на основании значения фокальной глубины для каждого из указанного множества фокусных пятен. В одном из примеров пользовательский ввод может представлять собой исследуемую область, и тогда множество фокусных пятен можно автоматически задавать в соответствии с предварительно определяемым правилом. Например, множество фокусных пятен можно задавать в виде предварительно определяемого числа пятен, равномерно разнесенных по исследуемой области. В другом примере ввод может представлять собой множество фокусных пятен. Интерфейс может представлять собой пользовательский интерфейс или интерфейс с системой, способной доставлять требуемую информацию, такую как больничная информационная система, система управления информацией о пациентах.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, ультразвуковая система дополнительно содержит средство оценки вариаций интенсивности, выполненное с возможностью оценивать, для каждого из множества фокусных пятен, вариацию интенсивности толкающего импульса, обусловленную настройкой формирования луча толкающего импульса.
Авторы настоящего изобретения выявили, что в оценке определенных свойств исследуемой области можно использовать начальную акустическую интенсивность толкающего импульса, но начальная акустическая интенсивность толкающего импульса варьирует вместе с профилем пучка толкающего импульса. Для того чтобы дополнительно усовершенствовать оценку относительно свойства исследуемой области, авторы настоящего изобретения предлагают оценивать такую вариацию и компенсировать такую вариацию.
В некоторых вариантах осуществления ультразвуковой зонд дополнительно выполнен с возможностью корректировать интенсивность толкающего импульса на основании оцениваемой вариации. В некоторых других вариантах осуществления средство оценки свойства дополнительно выполнено с возможностью оценивать второй параметр на основании оцениваемой вариации.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, детектор сдвиговых волн дополнительно выполнен с возможностью, для каждого из множества фокусных пятен, оценивать третий параметр, который указывает на свойство сдвига ткани в исследуемой области на глубине фокусного пятна, и корректировать первый параметр на основании оцениваемого третьего параметра, и средство оценки свойства дополнительно выполнено с возможностью извлекать второй параметр в качестве функции скорректированных первых параметров. Например, сдвиговое свойство исследуемой области может представлять собой жесткость при сдвиге, вязкость при сдвиге или сдвиговое ослабление в исследуемой области. Например, сдвиговое свойство на глубине каждого фокусного пятна можно оценивать на основании скорости соответствующей сдвиговой волны, генерируемой в этом фокусном пятне.
Авторы настоящего изобретения выявили, что локальные сдвиговые свойства на различных глубинах могут быть различными и, таким образом, влиять на оценку свойства исследуемой области, и, следовательно, предлагают корректировать первые параметры с использованием локальных свойств сдвиговой волны перед оценкой свойства исследуемой области.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, ультразвуковой зонд выполнен с возможностью, для каждого из множества фокусных пятен, передавать отслеживающий импульс в направлении пятна слежения смежно с фокусным пятном, чтобы принимать ультразвуковой эхо-сигнал от пятна слежения; и детектор сдвиговых волн выполнен с возможностью извлекать, для каждого из множества фокусных пятен, первый параметр на основании ультразвукового эхо-сигнала, принимаемого от пятна слежения смежно с фокусным пятном.
В соответствии с одним из вариантов осуществления по второму аспекту по настоящему изобретению, предложен способ измерения свойства исследуемой области у субъекта с использованием сдвиговой волны. Способ включает: последовательно передачу, в каждое из множества фокусных пятен в исследуемой области, толкающего импульса для генерации сдвиговой волны, каждое из множества фокусных пятен имеет взаимно отличающееся значение глубины, и для приема ультразвуковых эхо-сигналов смежно с каждым из множества фокусных пятен; извлечение, для каждого из множества фокусных пятен, первого параметра, который указывает на свойство, которое генерируемая сдвиговая волна имеет в фокусном пятне, на основании принимаемых ультразвуковых эхо-сигналов; и оценку второго параметра, который указывает на свойство исследуемой области, в качестве функции извлекаемых первых параметров.
В соответствии с одним из вариантов осуществления по третьему аспекту настоящего изобретения, предоставлен компьютерный продукт, который содержит компьютерные программные инструкции, которые, при исполнении, осуществляют способ оценки свойства исследуемой области у субъекта на основании множества сдвиговых волн, каждую из множества сдвиговых волн генерируют посредством передачи толкающего импульса в фокусное пятно на отличающейся глубине, где способ включает: извлечение, для каждого из множества фокусных пятен, первого параметра, который указывает свойство, которое сдвиговая волна имеет в фокусном пятне, на основании ультразвуковых эхо-сигналов, принимаемых смежно с каждым из множества фокусных пятен; и оценку второго параметра, который указывает на свойство исследуемой области, в качестве функции извлекаемых первых параметров.
Другие цели и преимущества настоящего изобретения легче увидеть и понять со ссылкой на описание, приведенное в комбинации с сопроводительными чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение описано и объяснено далее в настоящем документе более подробно в сочетании с вариантами осуществления и со ссылкой на чертежи, на которых:
на фиг. 1 проиллюстрировано традиционное измерение вязкости или упругости ткани на основе сдвиговой волны известного уровня техники;
на фиг. 2 проиллюстрирована в форме блок-схемы система ультразвуковой визуализации, сконструированная в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 проиллюстрировано множество сдвиговых волн, генерируемых в множестве фокусных пятен в исследуемой области, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 проиллюстрировано множество фокусных пятен в исследуемой области, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 5 проиллюстрирован профиль пучка толкающего импульса, сфокусированного на фокальной глубине, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Одинаковые ссылочные позиции на чертежах показывают схожие или соответствующие признаки и/или функциональности.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение описано в отношении конкретных вариантов осуществления и со ссылкой на определенные чертежи, но изобретение ограничено не этим, а только формулой изобретения. Описанные чертежи являются только схематическими и неограничивающими. На чертежах размер некоторых элементов может быть увеличен и не приведен с соблюдением масштаба в иллюстративных целях.
Сначала, со ссылкой на фиг. 2, ультразвуковая система, сконструированная в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, показана в форме блок-схемы.
Ультразвуковой зонд 10 имеет одномерный или двухмерный массив 12 преобразовательных элементов для передачи и приема ультразвуковых сигналов. Массив преобразователей 12 может сканировать двухмерную плоскость посредством передачи пучков и приема возвращающихся эхо-сигналов на одной плоскости в организме, а также можно использовать для сканирования объемной области посредством передачи пучков в различных направлениях и/или плоскостях объемной (трехмерной) области организма. Элементы массива соединены с микроформирователем 38 пучка, расположенным в зонде, который управляет передачей с помощью элементов и обрабатывает эхо-сигналы, принимаемые от групп или подмассивов элементов, в частично сформированные пучком сигналы. Частично сформированные пучком сигналы передают из зонда в формирователь 20 пучка с многоканальным приемом в ультразвуковой системе посредством переключателя 14 передачи/приема (T/R). Координацией передачи и приема с помощью формирователей пучка управляют через контроллер 16 формирователя пучка, соединенный с формирователем пучка с многоканальным приемом и с контроллером 18 передачи, который предоставляет управляющие сигналы на микроформирователь пучка. Контроллер формирователя пучка отвечает на сигналы, образуемые в ответ на пользовательскую манипуляцию пользовательской панелью 40 управления для того, чтобы управлять работой ультразвуковой системы и ее зонда. Формирователь 20 пучка с многоканальным приемом создает одну или несколько пространственно различных линий отслеживания (также известных как линии приема или A-линии) эхо-сигналов во время одного интервала приема-передачи.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, ультразвуковой зонд выполнен с возможностью последовательно передавать, в каждое из множества фокусных пятен в исследуемой области, толкающий импульс для генерации сдвиговой волны, каждое из множества фокусных пятен имеет взаимно отличающееся значение фокальной глубины, и принимать ультразвуковые эхо-сигналы смежно с каждым из множества фокусных пятен. Например, ультразвуковые эхо-сигналы принимают вдоль A-линии смежно с каждым фокусным пятном.
Затем принимаемые эхо-сигналы передают в детектор сдвиговых волн для дальнейшей обработки. Детектор сдвиговых волн выполнен с возможностью извлекать, для каждого из множества фокусных пятен, первый параметр свойства соответствующей сдвиговой волны, на основании принимаемых ультразвуковых эхо-сигналов. Детектор сдвиговых волн содержит сигнальный процессор 22, память 24 A-линии, средство 26 оценки движения для A-линии (например, кросс-коррелятор) и детектор 28 интенсивности. Эхо-сигналы обрабатывают посредством фильтрации, понижения шумов и т. п. с помощью сигнального процессора 22 и затем сохраняют в памяти 24 A-линии. Эхо-сигналы последовательных дискретных величин A-линии отслеживают с помощью средства 26 оценки движения для A-линии, чтобы получать временную последовательность дискретных величин для смещения ткани для каждого местоположения дискретизации. Детектор 28 интенсивности отвечает за обнаружение смещения сдвиговой волны вдоль A-линий для того, чтобы определять интенсивность сдвиговой волны. Средство 32 оценки свойства присоединяют для того, чтобы оценивать второй параметр, который указывает на свойство исследуемой области, на основании функции извлекаемых первых параметров. Детектор сдвиговых волн и средство 32 оценки свойства описаны более подробно далее со ссылкой на фиг. 3.
В некоторых вариантах осуществления информацию об извлекаемом свойстве можно передавать в процессор 34 изображений, который обрабатывает информацию о свойстве, предпочтительно в комбинации с анатомическим ультразвуковым изображением ткани, для отображения на дисплее 36 изображений.
В некоторых вариантах осуществления ультразвуковая система дополнительно может содержать средство 40 оценки вариаций интенсивности, выполненное с возможностью оценивать, для каждого толкающего импульса, вариацию начальной акустической интенсивности толкающего импульса, обусловленную профилем пучка толкающего импульса. В одном из примеров ультразвуковой зонд 10 дополнительно выполнен с возможностью корректировать интенсивность толкающего импульса на основании оцениваемой вариации. В этом случае средство 40 оценки вариаций интенсивности может быть частью контроллера 16 формирователя пучка. В другом примере средство 32 оценки свойства выполнено с возможностью дополнительно оценивать второй параметр на основании оцениваемой вариации. Такая вариация интенсивности, обусловленная профилем пучка и соответствующей компенсацией, описана более подробно далее со ссылкой на фиг. 5.
На фиг. 3 проиллюстрировано множество сдвиговых волн, генерируемых во множестве фокусных пятен в исследуемой области, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Несмотря на то что три сдвиговые волны проиллюстрированы на фиг. 3, различное число сдвиговых волн можно генерировать в соответствии с различными вариантами осуществления.
Со ссылкой на фиг. 3, каждый из множества толкающих импульсов 310, 312, 314 фокусируют на отличающейся глубине z1, z2, z3 под поверхностью кожи. Деформация ткани, вызываемая в каждом фокусном пятне 320, 322, 324, ведет к сдвиговой волне 330, 332, 334, распространяющейся вдоль латерального направления (такого как направление x, как проиллюстрировано), перпендикулярного продольному направлению z.
Толкающий импульс может представлять собой сфокусированный толкающий импульс с высоким MI (например, MI 1,9 или меньше, чтобы подходить под диагностические пределы FDA), который смещает ткань в фокусном пятне вниз и вызывает развитие сдвиговой волны. Типично, ультразвуковые сигналы, например толкающий импульс, проходят со скоростью приблизительно 1560 м/с в ткани, сдвиговые волны проходят со скоростью приблизительно 1-5 м/с в ткани и период сдвиговой волны в ткани составляет порядка от 2 до 10 миллисекунд. В некоторых вариантах осуществления множество толкающих импульсов можно последовательно передавать в с предварительно определяемым временным интервалом. Например, предварительно определяемый временной интервал может составлять больше чем по меньшей мере один период сдвиговой волны.
На фиг. 4 проиллюстрировано множество фокусных пятен в исследуемой области, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. На фиг. 4 направление z представляет продольное направление ультразвукового зонда 410, а именно направление распространения ультразвуковых сигналов, также известное как направление глубины; направления x и y, соответственно, представляют направления, перпендикулярные продольному направлению, а именно азимутальное направление и высотно-азимутальное направление ультразвукового зонда 410. Несмотря на то что проиллюстрирован ультразвуковой зонд 410, содержащий двухмерный массив преобразователей, который имеет трехмерное поле 420 зрения, следует принимать во внимание, что ультразвуковой зонд, имеющий одномерный массив преобразователей, также можно использовать и исследуемая область может быть двухмерной или трехмерной.
Со ссылкой на фиг. 4, множество пространственных местоположений 440 внутри области 430, представляющей интерес, используют в качестве фокусных пятен. Проиллюстрированы три фокусные пятна, но настоящее изобретение не ограничено этим, и может быть определено любое число фокусных пятен. Фокусные пятна 440 располагают на различных глубинах и, другими словами, в различных положениях вдоль продольного направления z. В одном из вариантов осуществления множество фокусных пятен может отстоять на одинаковом предварительно определяемом расстоянии друг от друга вдоль продольного направления. Предварительно определяемое расстояние может составлять, например, порядка одного сантиметра. Множество фокусных пятен 440 может иметь одно и то же или отличающееся положение вдоль других двух направлений x и y в различных вариантах осуществления.
Множество фокусных пятен можно вручную выбирать через пользовательский интерфейс. Например, ультразвуковое изображение, содержащее исследуемую область, представляют на дисплее и затем пользователь может выбирать фокусные пятна посредством ввода соответствующих пространственных местоположений на отображаемом ультразвуковом изображении через любое подходящее пользовательское средство ввода, включая в качестве неограничивающих примеров джойстик, мышь, физические кнопки, чувствительный к прикосновениям экран и т. д. Дополнительно или альтернативно, фокусные пятна можно автоматически генерировать в исследуемой области. Например, можно генерировать предварительно определяемое число фокусных пятен и/или можно генерировать множество фокусных пятен, отстоящих на одном и том же предварительно определяемом расстоянии. Предварительно определяемое число и/или предварительно определяемое расстояние может выбирать пользователь, или они могут быть определены предварительно.
Исследуемую область также можно выбирать вручную через пользовательский интерфейс на отображаемом ультразвуковом изображении, и/или можно автоматически или полуавтоматически определять их посредством, например, обработки ультразвукового изображения.
Также со ссылкой на фиг. 3, ультразвуковые эхо-сигналы принимают вдоль линий 340, 342, 344 отслеживания смежно с фокусными пятнами для того, чтобы отслеживать смещение ткани в пятне 350, 352, 354 слежения. Авторы настоящего изобретения выявили, что отслеживание сдвиговой волны в фокусном пятне не такое точное из-за отражения или реверберации толкающего импульса, например, в пятне слежения смежно с фокусным пятном, и, таким образом, предложили отслеживать смещение сдвиговой волны в пятнах слежения смежно с фокусным пятном. Кроме того, пятна слежения не следует располагать слишком далеко от фокусного пятна, поскольку смещение сдвиговой волны быстро убывает вдоль направления распространения. Расстояние между каждым фокусным пятном и ближайшим пятном слежения может составлять любое подходящее значение и может различаться для различных типов исследуемой области. Например, расстояние между пятном слежения и фокусным пятном может составлять порядка 0,1 см. Например, расстояние между пятном слежения и фокусным пятном можно устанавливать на половине ширины толкающего пучка от фокуса толчка
Для каждого из множества фокусных пятен, первый параметр, который указывает на свойство сдвиговой волны, извлекают из эхо-сигналов, принимаемых вдоль соответствующей линии отслеживания. Взяв фокусное пятно 320 в качестве примера, первый параметр, извлекаемый для фокусного пятна 320, извлекают из эхо-сигнала, принимаемого вдоль линии 340 отслеживания. В некоторых вариантах осуществления первый параметр, извлекаемый для фокусного пятна, может указывать на значение свойства соответствующей сдвиговой волны в этом фокусном пятне. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, первый параметр извлекают в виде пикового значения смещения сдвиговой волны в пятне 350, 352, 354 слежения. В других примерах первый параметр можно извлекать в виде усредненного смещения сдвиговой волны или тому подобного.
Затем свойство исследуемой области оценивают в качестве функции значений свойства сдвиговой волны в множестве фокусных пятен. В некоторых вариантах осуществления значение свойства сдвиговой волны в каждом фокусном пятне моделируют в качестве функции интенсивности толкающего импульса, свойства исследуемой области и значения глубины фокусного пятна, и затем неизвестное свойство исследуемой области можно извлекать в соответствии с такой моделью. Следует отметить, что неизвестное свойство, подлежащее извлечению, полагают одинаковым внутри исследуемой области. Взяв ослабление тканью в качестве примера, далее описана оценка в соответствии с одним из вариантов осуществления.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, пиковое или максимальное смещение Mk k-й сдвиговой волны, измеряемое в соответствующем пятне слежения, можно моделировать в качестве пропорционального интенсивности Ik толкающего импульса, умноженной на экспоненциальную форму, экспонента которой представляет собой отрицательный коэффициент ослабления ткани α, умноженный на глубину dk соответствующего фокусного пятна, а именно
.
Например, оценочный коэффициент ослабления ткани α можно математически получать в виде:
Например, оценку коэффициента ослабления ткани можно осуществлять посредством аппроксимации экспоненциальной кривой к извлекаемым первым параметрам Mk. В некоторых вариантах осуществления интенсивность Ik толкающих импульсов 310, 312, 314 можно задавать как по существу одинаковую. В некоторых других вариантах осуществления интенсивность толкающих импульсов 310, 312, 314 можно задавать так, чтобы она различалась.
Авторы настоящего изобретения выяснили, что в оценке определенных свойств исследуемой области можно использовать начальную акустическую интенсивность толкающего импульса, но начальная акустическая интенсивность толкающего импульса варьирует вместе с профилем пучка толкающего импульса. Например, авторы изобретения теоретически вывели, что пиковое или максимальное смещение сдвиговой волны Md в фокусном пятне, имеющем значение глубины d, пропорционально начальной акустической интенсивности I0 толкающего импульса, умноженной на экспоненциальную форму, экспонента которой представляет собой отрицательный коэффициент ослабления ткани α, умноженный на глубину d, а именно
Для того чтобы дополнительно усовершенствовать оценку свойства исследуемой области, авторы настоящего изобретения предложили оценивать такую вариацию и компенсировать такую вариацию.
На фиг. 5 проиллюстрирован профиль пучка толкающего импульса, сфокусированного на фокальной глубине, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Со ссылкой на фиг. 5, ультразвуковой зонд 510 на поверхности 520 кожи передает толкающий импульс с профилем 530 пучка через организм 500 к заданному фокусному пятну в исследуемой области. Фокусное пятно показано затененной областью 550, имеющей значение фокальной глубины d. Этот толкающий импульс будет смещать ткань в фокусе в направлении вниз, что ведет к фронту 540 сдвиговой волны, выходящему наружу из смещенной ткани. Для генерации определенного профиля пучка можно использовать различные преобразовательные элементы и можно применять различные удельные энергии, фазовые сдвиги к используемым преобразовательным элементам. Это ведет к тому, что начальная акустическая интенсивность I0 толкающего импульса может отличаться, даже если интенсивность толкающего импульса задают одной и той же. Вариацию начальной акустической интенсивности можно определять для заданного профиля пучка.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, средство оценки интенсивности выполнено с возможностью оценивать такую вариацию интенсивности. Например, когда предусмотрено профилем пучка, средство оценки интенсивности можно выполнять с возможностью оценивать вариацию интенсивности этого профиля пучка посредством вычисления онлайн на основании предварительно определяемого моделирования или посредством получения вариации интенсивности из предварительно сохраненной таблицы соответствия.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, ультразвуковой зонд дополнительно выполнен с возможностью корректировать интенсивность толкающего импульса на основании оцениваемой вариации интенсивности. Например, для того чтобы достигать предварительно определяемого начального значения акустической интенсивности, интенсивность толкающего импульса с определенным профилем пучка определяют на основании предварительно определяемого начального значения акустической интенсивности и оцениваемой вариации интенсивности, обусловленной профилем пучка, а затем ультразвуковой зонд передает толкающий импульс с определенной интенсивностью. Альтернативно, средство оценки свойства дополнительно выполнено с возможностью оценивать второй параметр на основании оцениваемой вариации. Например, для толкающего импульса с определенным профилем пучка, компенсированное начальное значение акустической интенсивности можно определять на основании интенсивности толкающего импульса и оцениваемой вариации интенсивности, обусловленной профилем пучка, и затем средство оценки свойства использует компенсированное начальное значение акустической интенсивности для того, чтобы оценивать свойство исследуемой области.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, детектор сдвиговых волн дополнительно выполнен с возможностью, для каждого из множества фокусных пятен, оценивать третий параметр, который указывает на сдвиговое свойство исследуемой области на глубине фокусного пятна, и корректировать первый параметр на основании оцениваемого третьего параметра; и средство оценки свойства дополнительно выполнено с возможностью извлекать второй параметр в качестве функции скорректированных первых параметров.
Например, сдвиговое свойство исследуемой области может представлять собой жесткость при сдвиге или вязкость исследуемой области. Например, сдвиговое свойство на глубине каждого фокусного пятна можно оценивать на основании скорости соответствующей сдвиговой волны, генерируемой в этом фокусном пятне.
Сдвиговое свойство исследуемой области на глубине фокусного пятна можно оценивать традиционными способами эластографии сдвиговых волн или какими-либо другими подходящими средствами, которые будут разработаны. В случае использования традиционных способов эластографии сдвиговых волн, для каждой из генерируемых сдвиговых волн больше чем одно пятно слежения разносят вдоль поперечного направления x от соответствующего фокусного пятна, ультразвуковые эхо-сигналы принимают на протяжении больше чем одного пятна слежения, скорость соответствующей сдвиговой волны извлекают из принимаемых ультразвуковых эхо-сигналов и затем сдвиговое свойство, такое как жесткость и вязкость ткани при сдвиге, оценивают по извлекаемой скорости соответствующей сдвиговой волны.
Способы, описанные в настоящем документе, можно реализовать с помощью различных средств. Например, эти способы можно реализовать в аппаратном обеспечении, программном обеспечении или их сочетании. Для аппаратной реализации блоки обработки можно реализовать в одной или нескольких специализированных интегральных схемах (ASIC), цифровых сигнальных процессорах (DSP), устройствах обработки цифрового сигнала (DSPD), программируемых логических устройствах (PLD), программируемых пользователем вентильных матрицах (FPGA), процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, других электронных блоках, разработанных для того, чтобы осуществлять функции, описанные в настоящем документе, или их сочетание. В случае программного обеспечения реализацию можно осуществлять через модули (например, процедуры, функции и так далее), которые выполняют функции, описанные в настоящем документе. Коды программного обеспечения можно хранить в блоке памяти и исполнять с помощью процессоров.
Кроме того, аспекты заявленного объекта изобретения можно реализовать в виде способа, аппарата, системы или промышленного изделия, используя стандартные программные и/или инженерные способы, чтобы создавать программное обеспечение, встроенное программное обеспечение, аппаратное обеспечение или какое-либо их сочетание для того, чтобы управлять компьютером или вычислительными компонентами для реализации различных аспектов заявленного объекта изобретения. Термин «промышленное изделие», как используют в настоящем документе, предназначен для того, чтобы охватывать компьютерную программу, доступную в каком-либо машиночитаемом устройстве, носителе или среде. Например, машиночитаемые среды могут включать, но не ограничиваясь этим, магнитные запоминающие устройства (например, жесткий диск, гибкий диск, магнитные полосы...), оптические диски (например, компакт-диск (CD), цифровой универсальный диск (DVD)...), интеллектуальные карты и устройства флэш-памяти (например, карта, флэшка, привод-ключ...). Конечно, специалистам в данной области понятно, что в этой конфигурации можно создавать многие модификации, не отступая от сущности или объема того, что описано в настоящем документе.
Как используют в этой заявке, термины «формирователь пучка», «контроллер», «процессор», «кросс-коррелятор», «детектор», «средство оценки», такое как «детектор сдвиговых волн», «средство оценки свойства» и «кодировщик визуализации», предназначены для того, чтобы отослать к процессору или объекту, относящемуся к компьютерам, будь то аппаратное обеспечение, комбинация аппаратного обеспечения и программного обеспечения, программное обеспечение или программное обеспечение при исполнении. Например, компонент может представлять собой, но не ограничиваясь этим, процесс, запущенный в процессоре, процессор, объект, исполняемый модуль, выполняемый поток, программу и/или компьютер. В качестве иллюстрации, как приложение, запущенное на сервере, так и сервер может представлять собой компонент. Один или несколько компонентов могут находиться внутри процесса и/или выполняемого потока, и компонент может быть локализован на одном компьютере и/или распределен среди двух или больше компьютеров.
Описанное выше включает примеры одного или нескольких вариантов осуществления. Конечно, невозможно описывать каждую мыслимую комбинацию компонентов или способов с целью описания указанных выше вариантов осуществления, но специалист в данной области может признать, что возможны многие дополнительные комбинации и перестановки различных вариантов осуществления. Соответственно, описанные варианты осуществления предназначены для того, чтобы охватывать все такие изменения, модификации и вариации, которые входят в сущность и объем приложенной формулы изобретения. Кроме того, в той степени, в которой термин «включает» используют в подробном описании или в формуле изобретения, такой термин предназначен в качестве включающего, подобно термину «содержит», поскольку при использовании «содержит» его интерпретируют как переходное слово в формуле изобретения.
1. Ультразвуковая система для измерения свойства исследуемой области у субъекта с использованием сдвиговой волны, содержащая:
ультразвуковой зонд (10), выполненный с возможностью последовательно передавать, в каждое из множества фокусных пятен (320, 322, 324) в исследуемой области, толкающий импульс (310, 312, 314) для генерации сдвиговой волны (330, 332, 334), причем каждое из множества фокусных пятен имеет взаимно отличающееся значение глубины (z1, z2, z3), и принимать ультразвуковые эхо-сигналы смежно (350, 352, 354) с каждым из множества фокусных пятен;
детектор (22, 24, 26, 28) сдвиговых волн, выполненный с возможностью извлекать, для каждого из множества фокусных пятен, первый параметр, который указывает свойство, которое генерируемая сдвиговая волна имеет в фокусном пятне, на основании принимаемых ультразвуковых эхо-сигналов; и
средство (32) оценки свойства, выполненное с возможностью оценивать второй параметр, который указывает на свойство исследуемой области, в качестве функции извлекаемых первых параметров во множестве фокусных пятен.
2. Ультразвуковая система по п. 1, в которой свойство исследуемой области включает в себя продольное свойство исследуемой области, причем продольное свойство исследуемой области представляет собой свойство исследуемой области вдоль направления распространения толкающих импульсов.
3. Ультразвуковая система по п. 1, в которой первый параметр, извлеченный для фокусного пятна, указывает на интенсивность, которой генерируемая сдвиговая волна обладает в фокусном пятне.
4. Ультразвуковая система по любому одному из пп. 1-3, в которой первый параметр для фокусного пятна извлекается из смещения генерируемой сдвиговой волны в пятне слежения смежно с фокусным пятном.
5. Ультразвуковая система по п. 4, в которой первый параметр извлекается из пикового смещения генерируемой сдвиговой волны в пятне слежения.
6. Ультразвуковая система по п. 5, в которой средство оценки свойства выполнено с возможностью оценивать свойство продольного ослабления тканью в исследуемой области посредством аппроксимации экспоненциальной кривой с извлекаемыми первыми параметрами.
7. Ультразвуковая система по любому одному из пп. 1-3, дополнительно содержащая интерфейс (40), причем
интерфейс выполнен с возможностью принимать ввод для указания множества фокусных пятен; и
средство оценки свойства дополнительно выполнено с возможностью оценивать второй параметр на основании значения фокальной глубины каждого из указанного множества фокусных пятен.
8. Ультразвуковая система по любому одному из пп. 1-3, в которой средство оценки свойства выполнено с возможностью оценивать второй параметр в качестве функции извлекаемых первых параметров и интенсивности толкающих импульсов.
9. Ультразвуковая система по п. 8, дополнительно содержащая средство (40) оценки вариаций интенсивности, выполненное с возможностью оценивать, для каждого толкающего импульса, вариацию начальной акустической интенсивности толкающего импульса, обусловленную профилем пучка толкающего импульса.
10. Ультразвуковая система по п. 9, в которой ультразвуковой зонд дополнительно выполнен с возможностью корректировать, для каждого толкающего импульса, интенсивность толкающего импульса на основании оцениваемой вариации.
11. Ультразвуковая система по п. 9, в которой средство оценки свойства дополнительно выполнено с возможностью оценивать второй параметр на основании оцениваемых вариаций.
12. Ультразвуковая система по любому одному из пп. 1-3, в которой
детектор сдвиговых волн дополнительно выполнен с возможностью, для каждого из множества фокусных пятен, оценивать третий параметр, который указывает на сдвиговое свойство исследуемой области на глубине фокусного пятна и корректировать первый параметр на основании оцениваемого третьего параметра; и
средство оценки свойства дополнительно выполнено с возможностью извлекать второй параметр в качестве функции скорректированных первых параметров во множестве фокусных пятен.
13. Способ измерения свойства исследуемой области у субъекта с использованием сдвиговой волны, содержащий этапы, на которых:
последовательно передают, в каждое из множества фокусных пятен (320, 322, 324) в исследуемой области, толкающий импульс (310, 312, 314) для генерации сдвиговой волны (330, 332, 334), причем каждое из множества фокусных пятен имеет взаимно отличающееся значение глубины (z1, z2, z3), и принимают ультразвуковые эхо-сигналы смежно (350, 352, 354) с каждым из множества фокусных пятен;
извлекают, для каждого из множества фокусных пятен, первый параметр, который указывает на свойство, которым генерируемая сдвиговая волна обладает в фокусном пятне, на основании принимаемых ультразвуковых эхо-сигналов; и
оценивают второй параметр, который указывает на свойство исследуемой области, в качестве функции извлекаемых первых параметров во множестве фокусных пятен.
14. Способ по п. 13, в котором второй параметр указывает на продольное свойство исследуемой области, причем продольное свойство исследуемой области представляет собой свойство исследуемой области вдоль направления распространения толкающих импульсов.
15. Компьютерный продукт, содержащий компьютерные программные инструкции, которые при исполнении выполняют способ оценки свойства исследуемой области у субъекта на основании множества сдвиговых волн (330, 332, 334), в котором каждая из множества сдвиговых волн генерируется посредством передачи толкающего импульса (310, 312, 314) к фокусному пятну (320, 322, 324) на отличающейся глубине (z1, z2, z3), причем способ содержит:
извлечение, для каждого из множества фокусных пятен, первого параметра, который указывает на свойство, которым сдвиговая волна обладает в фокусном пятне, на основании ультразвуковых эхо-сигналов, принимаемых смежно с каждым из множества фокусных пятен; и
оценку второго параметра, который указывает на свойство исследуемой области, в качестве функции извлекаемых первых параметров в множестве фокусных пятен.
