CN101529241A - 使用超声波换能器对生物组织粘弹特性测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于使用一个超声波换能器(10)来进行生物组织的粘弹性特性测量的方法，该换能器装有可将生物组织反射的超声波信号转换成电信号(14)的多个检波单元(12)，各个检波单元(12)被组合形成子孔径(16)，同一子孔径(16)的检波单元(12)发出的电信号(14)被同时采集，每个子孔径(16)与超声波传播轴(15)的交点为一个声学中心点(Ca)。根据本发明，这种方法的特点是同一个检波单元(12)属于至少两个不同的子孔径(16)。且一个声学中心点(Ca)周围至少有其他三个呈非直线型分布的声学中心点。

Description

使用超声波换能器对生物组织粘弹特性测量的方法

生物组织的粘弹性(propriétés viscoélastiques，简称PV)测量可以用于进行与某些器官相关治疗的诊断、检出或跟踪监测，例如肝脏、皮肤或血管。

为了保证相关器官的完整性而进行无损害测量，熟知的方法是使用一个设备发射低频横波到该器官的生物组织中，然后通过超声波采集来测量生物组织对这个横波的反射。在爱科森股份有限公司(Echosens SA)2004年5月3日提交的专利申请(编号FR 2869521)中描述了这种方法。

生物组织粘弹性的测量方法使用的设备包括下列三种类型：

-第一类设备是一个仅有一个检波单元的换能器，此检波单元能把由相关组织反射的超声波转换成电信号的。在此情况下，这种换能器仅使用一个超声波束，不能测量异质器官的粘弹性。

因此使用这种仪器只限于对一个器官整体进行粘弹性的普通测量，这种普通测量不能进行局部测量来进行检查，例如检查该器官中的局部病理学。

-第二类设备为一个包含多个检波单元的换能器，这些单元呈线型排列，能把由相关组织反射的超声波转换成电信号。

在此情况下，这种换能器只接收一个二维平面相关的反射超声波。然而获得生物组织平面粘弹性需要三维立体信息，尤其是垂直投影，也就是说在相关平面上按正交方向的投影。

因此，使用这种设备不能定量测量相关组织的粘弹性。换句话说，由于忽略垂直投影产生的组织形变变化而进行了人工粗略估计，这种设备仅提供局部定性分析信息。

-最后，先前提到的专利申请(编号FR 2869521)中描述的第三类设备，使用一个由四个圆形检波单元组成的换能器，这四个检波单元呈非线型排布，能把由相关组织反射的超声波转换成电信号。

这种设备可以提供对生物组织粘弹性的定量测量。但是它的缺点是它使用的检波单元的重要尺寸严格地被超声波束的特性所限制。例如，在肝脏中，用一个中心频率为3.5兆赫的超声波换能器，这需要检波单元的直径为7毫米，才能对20毫米-80毫米之间的深度进行测量。

本发明通过提供一个可以对生物组织局部粘弹性用高分辨率进行局部定量测量的方法，至少解决了上述的问题。

因此，本发明是关于使用一个超声波换能器来进行生物组织的粘弹性测量的方法，该换能器装有可将生物组织反射的超声波信号转换成电信号的多个检波单元，各个检波单元被组合形成子孔径，同一子孔径的检波单元发出的电信号被同时采集，每个子孔径与超声波传播轴的交点为一个声学中心点。根据本发明，这种方法的特点是同一个检波单元属于至少两个不同的子孔径。且一个声学中心点周围至少有其他三个呈非直线型分布的声学中心点。

需要说明的是超声波传播轴与能量分配最大的轴相对应。

这个方法有很多优点。这样，对不同的子孔径使用至少一个共同的检波单元可以缩短各个子孔径声学中心点之间的距离，且不减少超声波的发射和接收面积，于是进行粘弹性测量的分辨率提高了。

另外，一个分孔径的声学中心点被至少三个非线型分布的声学中心点包围可以得到计算局部粘弹性所需要的三维数据，详情见后文。

最后，对上述两种布局的联合使用可以减少超声波-电信号换能器的检波单元数量，相对于前一种方法改善分辨率来进行粘弹性的局部测量。

因此，本发明提出的粘弹性测量方法的成本和复杂程度均被降低，而且此方法可以用足够的分辨率对一个器官中可定位的组织粘弹性进行局部甚至定量测量，例如一个器官中的肿瘤。

在实际中，本方法组成的步骤包含同时使用不同子孔径的阶段，例如通过使用被这些子孔径中的同一个检波单元。

同时使用多个子孔径可以获得更快的超声波数据采集速度。事实上使用不同子孔径的至少一个共用检波单元与对这个共用单元同时使用两次相当，这样得到的采集速度比每个子孔径发出的信号按时序形成的情况下更高。

一个给定子孔径通道的形成与构成此子孔径的各个检波单元发出信号的叠加相对应-有或没有时间延迟(延迟法则)。

这个叠加可以按照多种方法来实现：例如可以使用各个检波单元发出的模拟电信号的叠加，数字化之后在一个电子元件中的叠加，在一个计算机程序中的逻辑叠加。

因此，子孔径的时序电子扫描被对这些子孔径的至少一个平行采集，也就是同时采集所代替。

在实际中，本方法组成的步骤包含带动组织运动的阶段，这个带动可以通过手动或自动方式进行。

在实际中，本方法组成的步骤包含形成子孔径的阶段，这些子孔径的声学中心点形成了一个带三角形网眼(例如等边三角形)的网格。

根据实际，本方法的步骤包含形成子孔径的阶段，一个子孔径被其他子孔径的表面完整地限定了边界。

在实际中，本方法的步骤包含形成子孔径的附加阶段，一个子孔径被六个等边排列的声学中心点包围。

本发明还涉及一个装有超声波换能器的生物组织粘弹性测量设备。这个换能器包含能将生物组织反射的超声波信号转换成电信号的检波单元。这些单元相距一定的距离，其中心距在0.5-5毫米之间，优先在2-5毫米之间。

换能器检波单元之间的这个距离依靠使用前述实际之一相应的方法来获得。并且，这种设备的优点是可以用高分辨率、低成本(通过减少检波单元数量)来进行粘弹性测量。

根据实际，该设备包含的装置可以同步采集重组于一个子孔径中的多个检波单元所接收的电信号，以及形成与共用至少一个检波单元的多个同步子孔径相应的电信号传播通道。

在实际中，该设备包含的装置可以使至少一个子孔径的中心点周围有三个呈非直线型分布的声学中心点。

根据实际，该设备包含至少19个六边形检波单元或至少24个等边三角形检波单元。

在实际中，该设备包含多边形检波单元，例如六边形，正方形，菱形，三角形或圆形。

本发明还涉及一个装备有与前述情况相应设备的探测器，以及一个装有与前述情况相应设备的计算机系统。这个系统还包含用于进行超声波热疗或带动组织细胞运动的装置。

最后，本发明涉及出自于与前述情况相应的方法、设备、探测器、计算机系统的数据。

本发明的其他的特点和优点在下面的描述中可以得到体现，详情请参考附图：

-图1为包含一个发明所述换能器的设备的示意图。

-图2为测量生物组织粘弹性所使用的几何参数。

-图3、图4和图5为发明中方法的不同情况。

本发明相应的生物组织粘弹性测量方法使用一个装有超声波换能器10的探测器11(见图1)，换能器包含的检波单元12可以将由生物组织反射的超声波信号转换成电信号14。

这些电信号14代表生物组织对超声波的回音性，“回音性”这个术语源自英文echogenicity。这样，当一个组织能很强地反射超声波时我们称它“回音性高”，而当它只能很弱地反射超声波时，我们称它“回音性低”。

当使用本发明中的方法时，各个检波单元12组合形成子孔径，对同一子孔径16的检波单元12发出的信号14进行同时采集。

这样，当进行信号采集时，子孔径16的采集总面积为它的各个检波单元12面积的总和。

在这个阶段，需要说明的是换能器10也可以用于发射超声波，使这些超声波受到相关生物组织的反射。在这种情况下，这些检波单元12可以被组成发射子孔径，而各个发射子孔径16可以同时进行超声波发射。

另外，子孔径16的特点是有一个轴，子孔径16发射或接收的超声波束沿着这个轴传播。这个轴与子孔径的交点叫做声学中心点Ca。为了清楚起见，图1中只画了一个轴15，一个子孔径16和一个中心点Ca。

根据本发明的方法，当测量一个生物组织的粘弹性时，该方法使用不同的子孔径16，至少同一个检波单元12属于至少两个不同的子孔径16，而一个子孔径16的声学中心点Ca周围有至少其他三个呈非线型分布的声学中心点。

在不同的子孔径上使用共同的检波单元12可以减小不同子孔径声学中心点之间的距离并提高分辨率至毫米数量级，它通过在测量中减少并限制检波单元的数目实现，一般来说少于30个。

在这种情况下，由于同时在多个子孔径上进行平行采集，超声波数据的采集速度与传统的时序电子扫描采集(也就是以接续方式使用子孔径)速度相比要快得多。

按这种方式得到的采集速度仅仅受超声波传播时间和回波持续时间的限制。这个速度的典型值在4KHz左右，更普遍来说在100Hz和20KHz之间，它可以测量在组织中由单个横波激励源发出的横波传播造成的立体变形。

在这个阶段，需要说明的是这个横波激励可以借助于器官外的振动器由身体器官产生的器官震动或远距、遥控启动震动(例如使用辐射压力的原理)来进行。

由于横波的传播时间很短，约为几个毫秒，立体的和局部的数据采集可以在活动的器官上实现。

粘弹性测量的系统18(包含探测器11)可能包含设备17目的是在超声波的接收阶段对组合成多个子孔径的多个检波单元所接收的信号进行同时采集，还包含一些设备用来形成与同时使用的多个子孔径相对应的线路。

这样，此设备提高了数据采集速度，使测量方法与发明相符。

另外，子孔径16的声学中心点Ca周围有至少三个呈非线型分布的声学中心点，这样可以获得需要的立体数据，用以计算局部粘弹性参数，比如横波模量，黏度，杨氏模量，泊松系数。

考虑到弹性或杨氏模量(用E表示)，此计算借助于前述专利申请(编号FR 2869521)中所指示的操作来进行。因此，一个组织的弹性E可以根据以下公式计算：

$E=3\mathrm{\ρ}{V}_s^2$

这里ρ是介质密度，Vs是横波的传播速度。

假设介质是各向同性的且是线性的，横波速度Vs为

$V_s=\sqrt{\frac{{\∂}^{2}u/\∂t^2}{\mathrm{\Δu}}}$

这里u是位移、变形或按一个指定方向测量的变形速度，Δu是u的拉普拉斯算子。

根据位于六边形平面22的中心和顶点的轴20(图2)获得变形参数，可以精确计算位移u曲率，然而与前述弹性成像技术相反，拉普拉斯表达式不需要任何简化假设条件，而是被完整使用。

例如，u的拉普拉斯算子在六边形的中心i点上的离散，可以表达成u值在六边形顶点j的函数。

${\left(\mathrm{\Δu}\right)}^i=\frac{1}{\sqrt{3}{a}^2}\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2}{\sqrt{3}}(u^j-u^i)+\frac{1}{b^2}(u^z+u^{-z}-2u^i)$

这里a和b代表侧边尺寸，u^z和u^-z为u在六边形22上的投影值。横波的速度可以按照下列公式得到：

$V_s=\sqrt{\frac{\frac{u^{i,t+}+u^{i,t-}-{2u}^{i,t}}{T^2}}{[\frac{1}{\sqrt{3}{a}^2}\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2}{\sqrt{3}}(u^{j,t}-u^{i,t})+\frac{1}{b^2}(u^{z+,t}+u^{z-,t}-{2u}^{i,t})]}},\∀t\∈[t_{\min },t_{\max }]$

这里t_min和t_max限定了测量的时间周期。

由此可见，设备的最小分辨率取决于子孔径声学中心点之间的距离，当这个距离越小时分辨率越高。

这个距离一般小于3毫米，更普遍来说在1-3毫米之间。用本专利申请中建议的换能器构成的设备，其分辨率可达1毫米(mm)。

下面借助图3详细介绍本发明是如何实现的。在图3中绘出了由换能器30的检波单元32组成的各个子孔径36及其相应的中心点Ca。为清楚起见，这些子孔径36在同一换能器的不同示意图中被标出。

可以看到，当进行超声波数据采集时，不同子孔径36的声学中心点Ca可以形成一个三角形网眼(例如等边三角形)的网格。

这样的三角形网眼有利于将声学中心点Ca之间的距离限制于每个检波单元32所形成的三角形的变长。此时，采用中心频率为3MHz的检波单元时这个距离为3毫米。

在此情况下，可以看出子孔径36呈一个边长为3mm的六边形。

此换能器30可以测量深度介于10-90毫米之间的粘弹性，这个深度从换能器的表面开始测量。

当一个子孔径36被全部包围或限制在多个其他的子孔径36之内时，它被同时使用，相应立体区域的相关数据数量增加，改善了粘弹性计算的精度。

在这个例子中，声学中心点Ca_central可能被包围在六个等边分布的声学中心点Ca中间。

由于在弹性波传播公式的离散中引入了对称因素，声学中心点Ca的等边形排布简化了粘弹性的计算。

图示的换能器30包含24个等边三角形检波单元32和七个由6个检波单元32构成的子孔径36以及一个由所有检波单元32构成的子孔径36。装有这样一个换能器的探测器可以测量粘弹性，测量深度取决于换能器的中心频率。

上文描述的本发明相应的方法可以借助于装有超声波换能器的生物组织粘弹性测量设备来进行。换能器包含的检波单元中心距被缩短，例如在0.1-5毫米之间，优先在2-5毫米之间。

另外，两个被同时使用的子孔径可以包含至少一个共同的检波单元，目的是通过缩短子孔径声学中心点之间的距离来提高数据采集速度以及获得数据的时间一致性。

为了进行立体分析，至少一个子孔径的声学中心点Ca应该被至少三个呈非线性分布的声学中心点包围，与被同时使用的子孔径相对应。

在第二种类型中，如图4所示，换能器40包含至少19个六边形检波单元42。在这种情况下，可以使用由7个检波单元构成的子孔径，如图示的子孔径46.

在这种类型中，六边形检波单元42的高度H为2毫米，使用的中心频率为3.5MHz。在此情况下，得到的分辨率数量级为毫米，这个分辨率被定义为被测的最小组织体的尺寸。

根据第三种类型(图5)，检波单元52的形状各不相同，但它们可以形成几何形状相同(即六边形)的子孔径56。

因此，本发明可以有多个变型。它可以用不同形状的检波单元调试，例如：多边形(六边形、正方形、菱形或三角形)或圆形或不同形状的检波单元组合。

另外，本发明相应的方法可以被连接或纳入一个更大尺寸的系统。

例如系统包含一个借助于超声波进行热疗的换能器。

根据另外一个例子，系统包含使用辐射压力的超声波换能器的装置以带动组织运动，“辐射压力”这个术语源自英语《遥控触诊(remote palpation)》或《声音辐射力(acoustic radiation force)》。

最后一个例子，系统包含使用电机振动器来带动组织运动的装置。

独立于用来带动组织的装置性质，这些装置和超声波数据采集之间是同步进行的，数据采集包括从换能器发出的电信号中得到的数字化数据的存储和/或上述数据的处理。

需要说明的是前述换能器均为超声波换能器，也就是进行电能和超声波能之间的转换。

最后，本发明可以根据不同的变型使用：

在第一种变型中，重复由与本发明相符的的换能器的检波单元形成的图案，例如图3、4、5或6中所示。这种重复可以在一个方向或多个不同方向上进行。

在另一种变型中，用形成第二种图案的检波单元构成与发明相符的第一种图案。

Claims (13)

1.生物组织粘弹性性能测量方法使用装有可将这些生物组织反射的超声波转换为电信号(14)的检波单元(12，32，42，52)的超声波换能器(10，30，40，50)，不同的检波单元(12，32，42，52)被组合形成子孔径(16，36，46，56)，同一子孔径(16，36，46，56)的检波单元(12，32，42，52)所发出的电信号(14)被同时采集。这些子孔径与超声波传播轴的交点为声学中心点(Ca)，它的特点是至少一个共用的检波单元(12，32，42，52)属于至少两个不同的子孔径(16，36，46，56)，且一个声学中心点(Ca_central)周围至少有三个呈非线型分布的其他声学中心点(Ca)。

2.根据权利要求1的方法组成的步骤包含同时使用不同子孔径(16，36，46，56)的阶段。

3.根据权利要求2的方法组成的步骤包含在同时使用的子孔径中使用同一个检波单元(12，32，42，52)的阶段。

4.根据上述权利要求之一的测量方法组成的步骤包含带动生物组织运动的阶段。

5.根据上述权利要求之一的测量方法组成的步骤包含形成子孔径(16)，从而这些子孔径(16)的声学中心点(Ca)形成一个三角形网眼的网格的阶段，例如一个等边三角网格。

6.根据上述权利要求之一的测量方法组成的步骤包含形成子孔径(16)，从而一个子孔径(16)被其他子孔径的表面完整限制边界的阶段。

7.根据上述权利要求之一的测量方法组成的步骤包含形成子孔径，从而一个声学中心点被六个等边分布的其他声学中心点包围的阶段。

8.装有超声波换能器的生物组织粘弹性测量设备，该换能器包含能将生物组织反射的超声波信号转换成电信号的检波单元。特点是这些单元相距最小距离，其中心距在0.5-5毫米之间，优先在2-5毫米之间。

9.根据权利要求8的设备包含对由组成一个子孔径的多个检波单元接收的电信号进行同时采集的装置，以及用于共用一个检波单元的多个子孔径所对应的线路形成的装置。

10.根据权利要求8或9的设备包含至少19个六边形检波单元或至少24个等边三角形检波单元。

11.根据权利要求8-10之一的设备，包含有多边形的检波单元，例如一个六边形，正方形，菱形或三角形，或一个圆形。

12.装备了与权利要求8-11之中任一条相符的设备的探测器(11)。

13.装备了与权利要求8-11之中任一条相符的设备的系统(18)，此系统包含进行超声波热疗的装置或用于带动组织运动的装置。

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