CN102308207A - 弹性测定设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于定量地和/或定性地测量任何介质的粘弹性质的弹性测定设备(110)，所述设备的特征在于其包括可变形管(111)，所述可变形管(111)用于定位位于所述可变形管(111)的末端的所述超声波换能器(104)并且用于将所述超声波换能器(104)保持为使得在至少一次测量期间确保所述超声波换能器(104)与所述介质之间的垂直性和接触。

Description

弹性测定设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量任何介质的粘弹性质的设备和方法。
本发明更具体地涉及一种用于定量地和/或定性地测量粘弹性质的设备和方法，该粘弹性质诸如人或动物的生理组织的弹性和/或粘稠度。更具体地，这种设备和这种方法适合于测量属于实验动物或来自组织样本的生理组织的粘弹性质。
背景技术
为了测量组织粘弹性质，已知的是使用脉冲调制的弹性测定，正如在编号为FR 2843290的专利申请中所描述的那样。
该文献提出了根据现有技术的设备10的实现(图1)。该设备10包括探针1，该探针1配备有振动发生器2，该振动发生器2例如通过振动在组织中生成低频弹性波，并且在低频弹性波传播期间借助于由超声波换能器4发射和接收的高频超声波来分析该低频弹性波的传播。
此外，应当注意，用户6手动地定位探针1以确保组织与超声波换能器4之间的持久接触。具有振动发生器2和超声波换能器4的所述探针1还包括用于控制它们的触发器5。它们全都连接到计算机9。
这种设备适合于测量位于探针1所定位于的表皮附近的大型器官(例如人的肝脏)的粘弹性质。
然而，这种设备具有缺陷。具体地，该设备不适合于小型器官。事实上，探针在附着乃至定位在器官附近或与器官接触时产生组织压缩(组织的体积越小，压缩现象越严重)。
此外，这种设备不适合于较小器官，这是因为超声波换能器的尺寸非常大并且探针是近似且随机地定位的。
这种情况的一个示例是老鼠，老鼠的允许接近肝脏的表皮面积大约为1cm2。该尺度限制不允许用户确保最优定位，该最优定位不仅依赖于组织的尺寸而且依赖于个体之间和/或物种之间的差异。
附加的缺陷在于用户一方面必须手动地保持超声波换能器与表皮之间的恒定且令人满意的接触，从而使得超声波能够传播，另一方面必须手动地保持最优的垂直性。
然而，为了触发低频弹性波，用户按压触发器5，这引起探针与表皮之间在接触方面的变化，由此打破垂直性，并且实际上导致过高估计超声波换能器附近的测量。
此外，这种移动引发了测量的可重复性的问题。实际上，一旦已经修改了超声波换能器的定位，就不可能将超声波换能器再次定位在与进行第一次测量完全相同的位置处。对于在异质组织(诸如肾脏)上执行的测量而言，这是非常有害的。
另外，除了其他因素以外，由于接近于低频波发生源的场中的衍射现象而引起的对所测量的弹性的过高估计发生在一定厚度之上，该厚度具体地依赖于该源的尺度、依赖于粘弹性质、依赖于介质、依赖于脂肪层的厚度以及依赖于低频弹性波。
对于50Hz的低频弹性波的中心频率f，该厚度(在此厚度以下就不可能进行测量了)大约为20mm。为了补救这一问题，在计算粘弹性质时，不考虑关于该厚度(即20mm)的数据，从而阻止关于小于20mm的厚度的测量。
发明内容
在这一上下文中，本发明的目的是提供一种使得可以克服上述问题的非侵入式设备，这是通过提出一种设备，借由该设备可以将超声波换能器精确地保持和定位为垂直与组织并且与组织接触，以便确定其粘弹性质。
这种设备还由于其设计而是有利的，并且虽然其需要进一步知识和大量的发展，但是其提供了易用性和成本低廉的非侵入式设备。
为此，本发明提供了一种用于定量地和/或定性地测量任何介质的粘弹性质的弹性测定设备，所述设备包括：
-振动发生器，用于生成至少一个低频弹性波；
-超声波换能器，用于观测所述至少一个低频弹性波的传播；
-触发器，用于触发至少一次测量；
所述至少一次测量包括以下步骤：
-在介质中生成至少一个低频弹性波；
-在生成至少一个低频弹性波的同时，使用所述超声波换能器发射和捕获高频超声波以观测所述至少一个低频弹性波的所述传播；
所述设备的特征在于其包括可变形管，所述可变形管用于保持位于所述可变形管的末端的所述超声波换能器并且用于将所述超声波换能器保持为使得在至少一次测量期间确保所述超声波换能器与所述介质之间的垂直性和接触。
可变形管是指可在若干方向上自由移动的、没有角度限制的管，该管在其没有施加以任何应力来移动它的情况下保持其定位。
介质可互换地称为组织。
除在前面段落中已经提到的主要特征之外，根据本发明的设备可以具有下面列出的一个或多个附加特征，无论是单独地还是以所有技术上可能的组合来考虑：
-所述弹性测定设备包括支撑件，所述支撑件从空间上保持超声波换能器；
-所述弹性测定设备包括弹簧系统，所述弹簧系统位于所述超声波换能器与所述可变形管之间；
-所述设备包括至少一个杆，所述至少一个杆能够将低频弹性波从所述振动发生器传送到所述超声波换能器；
-所述设备包括夹紧管；
-所述振动发生器由振动台形成；
-所述振动发生器由扬声器类型的辅助设备形成；
-所述弹性测定设备包括微调系统，所述微调系统用于旋转地和/或平移地调节所述超声波换能器的定位；
-所述振动发生器位于超声波换能器所位于的所述可变形管的末端；
-所述振动发生器位于超声波换能器所位于的可变形管的相对末端；
-所述设备包括高频成像超声波阵列；
-所述设备与有机同步设备耦合；
-所述超声波换能器具有小于3mm的有效直径。
本发明还涉及一种用于定量地和/或定性地测量任何介质的粘弹性质的弹性测定方法，其特征在于该方法实现了根据本发明的设备；所述方法至少包括以下步骤：
-通过使所述可变形管变形，将所述至少一个超声波换能器定位为垂直于所述介质并且与所述介质接触；
-平移地和/或旋转地调节所述超声波换能器的定位；
-触发至少一次测量；
-在至少一次测量期间将所述超声波换能器保持在适当位置并且接触；
所述测量包括以下步骤：
-生成至少一个低频弹性波；
-在生成至少一个低频弹性波的同时，使用所述超声波换能器发射和捕获高频超声波以观测所述至少一个低频弹性波的传播；
-计算与所述介质的粘弹性质有关的至少一个参数，诸如在介质中引起的位移变化和/或变形和/或位移速度和/或变形速度，或者更一般地，与粘弹性质有关的任何参数；
-计算介质的粘弹性质；
附加的有利特征在于在一系列测量期间由所述可变形管将所述超声波换能器保持在适当位置并且与介质接触。
有利地，低频弹性波由用户按照与呼吸率和/或心率同步的方式起动而随机地触发。
优选地，高频超声波发射在包括在8MHz与100MHz之间，优选地在10MHz与50MHz之间的频率范围之上执行。
类似地，低频弹性波是在包括在50Hz与10000Hz之间的频率范围之上生成的，所述低频弹性波可以为大约400Hz。
此外，所述至少一个低频弹性波是通过机械振动和/或通过机械压缩和/或通过超声波聚焦生成的。
附图说明
根据以下对仅通过非限制性示例的方式在附图中图示的本发明的不同实施例的描述，本发明的这些以及其他特征和优点将变得更明显，附图中：
-图1是根据现有技术的设备10的简化的示意性表示。
-图2是根据本发明的用于确保至少一个超声波换能器的定位的设备的简化的示意性表示。
-图3是根据本发明的、配备有夹紧管的设备的简化的示意性表示。
-图4是根据本发明的、配备有钳状支撑件的设备的简化的示意性表示。
-图5是可以是弹性测定设备的一部分的、用于成像的超声波阵列的简化的示意性表示。
出于清楚性方面的原因，已经用类似的参考标号来指定了相同元件。类似地，仅仅示意性地图示了对理解本发明有用的元件，其中没有考虑比例。
具体实施方式
对于描述的其余部分，弹性测定是指用于测量粘弹性质的技术，其中振动发生器通过直接或间接地与组织接触来生成在该组织中传播的一个或多个低频弹性波。
这种低频弹性波的临时形状可以是任意的，但更一般地是脉冲调制类型，瞬变的或周期性的(连续、单色)。
这种振动一般地以机械方式获得，但还可以通过辐射压力、通过超声波过热或者通过身体的内部振动(心跳、脉搏等)来获得。
此外，可以使用不同类型的单构件或多构件超声波换能器。以非限制性的方式，其可以例如是指环型、环形、2D矩阵、线性或凸面阵列换能器，单构件、三构件、星型换能器等。
此外，以非限制性的方式，实验动物具体地涉及两栖动物、鱼类、爬虫和哺乳动物，诸如小鼠、大鼠、兔子、猫、狗和猴子。
图1示出了现有技术的设备。
在图2中，示出了根据本发明的弹性测定设备110、实验动物108、台面107、有机同步设备103以及用户106，根据本发明的设备110包括：
-可变形管111；
-至少一个超声波换能器104；
-支撑件120；
-振动发生器102；
-触发器105；
-同轴线缆113，用于传送和接收超声波信号；
-弹簧系统115；
-分析、处理和计算系统109。
可变形管111确保至少一个超声波换能器104的定位和保持并且确保低频弹性波的传送。更具体地，该管111在其变形时保持其定位。
支撑件120确保保持：
-可变形管111；
-用于生成低频弹性波的振动发生器102；
-用于超声波发射和捕获的至少一个超声波换能器104。
支撑件120使得可以在不需要用户106的任何干预的情况下保持上述部件。
触发器105使得可以触发测量。
位于例如可变形管111末端与超声波换能器104之间的弹簧系统115使得超声波换能器104与组织之间接触时可以补偿施加于组织上的应力。由此，在组织上不生成压缩应力。这使得可以避免对组织的粘弹性质的任何修改。
在下面中，将根据本发明描述设备110的操作。
第一步骤是将超声波换能器104定位为与待测量的组织接触或者与围绕所述组织的组织接触。
为此，用户106使由支撑件120保持的可变形管111变形以便使得超声波换能器104尽可能地靠近组织。
该可变形管111由于其结构而是有利的，其结构一方面使得可以在空间中容易地移动超声波换能器104而没有任何角度限制，另一方面保持所希望的定位从而使得可变形管111由于其延展性而不会变形。
由此，可变形管111使得可以调节超声波换能器104的定位以便考虑超声波换能器104与待测量的组织的垂直性和接触。
可变形管111的结构可以由以下各项形成：
-由球形接头连接的多个元件；换言之，在此情况下，可变形管111由有节的管形成；
-可弹性地变形的管，或者
-更一般地，任何其他类型的管，其能够：
-在不施加应力时保持其形状；以及
-在施加应力时改变其形状。
另外，根据由本发明提供的可能性，该设备耦合到外科导航系统(未图示)，其中：
-首先，使用使得能够观察到生理组织的X射线磁共振成像类型或任何其他成像类型的医学成像设备来定位待测量的感兴趣区域；
-然后，以机电的、电动液压的、电动气动的或手动的方式定位超声波换能器104。
因此，这种定位使得用户106能够执行对粘弹性质的测量。
所述测量包括：
-使用振动发生器102生成至少一个低频弹性波；
-在生成至少一个低频弹性波的同时，使用所述超声波换能器104发射和捕获高频超声波以观测所述至少一个低频弹性波的传播。
为此，在测量期间，超声波换能器104应当：
-保持与组织接触以便不丢失超声波信号并且以便在相同位置处进行至少一系列的测量。这通过可变形管111的特定结构来确保，该特定结构使得其可以保持其形状。
-垂直地定位以避免过高估计该测量。这一特征通过可变形管111的没有任何角度限制的可变形结构来实现。
具体地，较小器官或者可接近性减小的器官需要这种定位精度。
经常会在诸如老鼠之类的较小的实验动物身上遇到这种很难接近的情况，例如，通常8cm长的成年野生老鼠具有体积大约为1.5cm3的肝脏，然而，其大部分位于胸腔后面，从而迫使用户106在10mm2与1cm2之间的表皮面积之上执行测量，更具体地，在一般地在真皮以下1mm与20mm之间(优选地，2mm到6mm)的深度上执行测量。
为此，在生成至少一个低频弹性波期间，振动发生器102经由柔性管111向超声波换能器104传送振动。超声波换能器104具有小于或等于3mm的有效直径。这一较小直径首先允许将超声波换能器104定位在较小区域上，其次允许避免现有技术设备所遇到的衍射区。
此外，在小于20mm的深度之上的测量需要生成如下低频弹性波，该低频弹性波具有在50Hz与10000Hz之间，优选地在100Hz与3000Hz之间的中心频率，该频率通常可以为大约400Hz。
然后，为了观测低频弹性波的传播，单构件或多构件类型的超声波换能器104适于生成例如范围在8MHz与100MHz之间，优选地在10MHz与50MHz之间的高频超声波。
这种测量由用户106经由触发器105触发，所述触发器通过线缆、通过WIFI类型的计算机网络或者通过允许传递数据的任何其他设备连接到振动发生器102和超声波换能器104。
由此，振动发生器102生成至少一个低频弹性波，这些低频弹性波可以由超声波换能器104本身或者由未图示的辅助设备(诸如扬声器)传送。
此外，应当注意，心率和呼吸率自然地生成单色类型的低频弹性波。因此，在组织中有三种类型的低频弹性波彼此干扰，这些波通常可能由以下各项生成：
-根据本发明的设备
-心脏系统
-呼吸系统
根据现有技术的设备忽略了由呼吸率和/或心率生成的干扰。然而，这些生理现象产生参考系的移动，这种移动严重改变了对粘弹性质的测量，甚至使其变得不可能。
在吸气期间，空气进入肺，肺的尺寸增加，然后，相反地，在呼气期间，肺的体积减小。该充气和排气的现象可以导致较大位移，并由此使测量失真。
由此，根据现有技术的弹性测定设备限制了使用领域。该不可测量性在小动物身上是可观的，这是因为与人不同(人的呼吸率较低，即每分钟16次脉搏)，实验动物的呼吸率非常高。更具体地，兔子每分钟几乎有60次脉搏，老鼠每分钟大约有220次脉搏。
有利地，根据本发明的设备110提供如下可能性，即，使用心电图和/或肺同步器103来将低频弹性波的生成与生理频率同步，更普遍地称为有机同步。
实际上，呼吸周期交替地包括吸气(在此期间空气进入肺)然后相反地呼气(在此期间空气从所述肺排出)，引起大幅的组织位移以及组织扩展和压缩。
因此，重要的是以确定的时间重复地发起测量，从而使得所获得的每个测量或者一系列的测量表示类似的感兴趣的区域。
为此，本发明的设备可以耦合到有机同步设备103，使得可以将测量与呼吸节律同步。
在老鼠身上，这一实现是必需的和有利的，老鼠的肝脏具有6个叶(中叶、左叶、2个右叶以及2个尾叶)，该肝脏可以不仅具有有机异质性而且具有需要用户106在针对至少一系列测量的精确位置处执行测量的异质性。
参考图2，用户106可以例如触发与有机同步系统103同步的一系列测量，该有机同步系统103适于将低频弹性波触发到表示对应于最大吸气的最大波前的每个峰值114。
由此，由用户触发的测量仅在达到表示最大波前的峰值114时开始。
然后，为了观测这些低频弹性波的传播，由超声波换能器104同时地发射和捕获高频超声波。
这些高频超声波的范围一般在8MHz与100MHz之间，优选地在10MHz与50MHz之间。
然后将这些数据传送给数据处理、计算和分析系统109，实时地告知用户106感兴趣的区域的粘弹性质。
根据图3中示出的本发明实施例，弹性测定设备110配备有夹紧管117。
由此，由振动发生器102生成的低频激励经由位于夹紧管117内部的可变形管111被传送给超声波换能器104。
这种实现由于其可工作性而是有利的，因为用户106手动地定位超声波换能器104，而不需要变更由可变形管111执行的从振动发生器102到超声波换能器104的低频弹性波传送。超声波换能器104，除其超声波发射和捕获功能之外，还充当探针。
另外，支撑件120可以是如图4所示的钳型。
该支撑件的最小尺寸便于弹性测定设备的处理和运输。
如图4所示，弹性测定设备可以包括微调系统112，以在不使可变形管111变形的情况下旋转地和/或平移地调节超声波换能器104的定位。
根据图4中示出的由本发明提供的替代性方案，经由位于可变形管111内的杆121将低频弹性波传送给探针104。
此外，根据图5中示意性示出的根据本发明的设备110的附加替代性方案，设备110配备有回声仪类型的超声波成像阵列116，使得用户可以确保将超声波换能器104定位在感兴趣的区域的轴上。
为此，本发明的设备可以包括至少一个超声波成像阵列116以及至少一个专用于弹性测定的超声波换能器104。
超声波换能器104在垂直于或基本上垂直于成像阵列平面图的方向上移动，以便在介质中从振动发生器102传送至少一个低频弹性波。根据未图示的替代性方案，超声波换能器可以沿x轴、y轴和/或z轴和/或轮流地移动。
高频回声阵列116告知用户器官的空间位置和移动，因此使得其可以将探针104定位在感兴趣的器官的轴上。由此，位于可变形管111的末端并与表皮接触的超声波换能器104用于观测表明生理组织的粘弹性质的低频超声波的传播。
此外，如图5所示，高频超声波阵列116具有特定形状，其目的是覆盖最优区域。出于这一目的，所述形状可以是弯曲的、圆形的、椭圆形的、矩形的、三角形的或者是得到相同结果(即由高频超声波覆盖一定区域)的任何其他几何形状。
用于实现图5中所图示的根据本发明的设备的可能步骤包括：
-利用高频超声波成像阵列116对组织进行成像以确定感兴趣的区域的空间位置；
-使用可变形管111将超声波换能器104定位在感兴趣的区域的轴上；
-生成至少一个低频弹性波；
-使用弹性测定换能器104同时地发射和捕获高频超声波以测量粘弹性质。
根据本发明的有利的未图示的替代性方案，所述高频超声波阵列116包括多个元件，所述元件一方面可以用于对环境进行成像，另一方面可以用于生成至少一个低频弹性波。
该阵列可以用下列方式在介质中生成至少一个低频弹性波：
-机械的，通过使至少一个元件位移；
-机械的，通过使所述阵列位移；
-电子的，通过超声波聚焦。
根据由本发明提供的附加替代性方案，振动发生器可以由台面107形成，待测量的组织安置在该台面107上。在这种实现中，用户106晃动台面107，然后经由超声波换能器104的超声波传送和捕获来跟随由所述台面107生成的超声波的移动。
应当注意，本发明的应用领域涉及实验动物。这种应用当然可以扩展到药物、食物、化学或者扩展到医药领域以确定来自体内、体外、体外细胞培养的人或动物组织样本或细胞样本的粘弹性质。
上面通过示例的方式描述了本发明。应当理解，在不脱离本专利范围的情况下，具体地考虑到组成所述设备的各种元件的配置或布置或者所述方法的步骤的顺序以及重要性，本领域技术人员能够产生用于测量人或动物组织的弹性的设备和方法的不同替代性方案。

Claims (20)

1.一种用于定量地和/或定性地测量任何介质的粘弹性质的弹性测定设备(110)，所述设备(110)包括：
-振动发生器(102)，用于生成至少一个低频弹性波；
-超声波换能器(104)，用于观测所述至少一个低频弹性波的传播；
-触发器(105)，用于触发至少一次测量；
所述至少一次测量包括以下步骤：
-在介质中生成至少一个低频弹性波；
-在生成至少一个低频弹性波的同时，使用所述超声波换能器(104)发射和捕获高频超声波，以观测所述至少一个低频弹性波的所述传播；
所述设备的特征在于其包括可变形管(111)，所述可变形管(111)用于保持位于所述可变形管(111)的末端的所述超声波换能器(104)并且用于将所述超声波换能器(104)保持为使得在至少一次测量期间确保所述超声波换能器(104)与所述介质之间的垂直性和接触。
2.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于所述设备(110)包括支撑件(120)，所述支撑件(120)用于从空间上保持所述超声波换能器(104)。
3.根据前述权利要求中的至少一个所述的设备，其特征在于其包括弹簧系统(115)，所述弹簧系统(115)位于所述超声波换能器(104)与所述可变形管(111)之间。
4.根据前述权利要求中的至少一个所述的设备，其特征在于所述设备(110)包括至少一个杆(121)，所述至少一个杆(121)能够将所述低频弹性波从所述振动发生器(102)传送到所述超声波换能器(104)。
5.根据前述权利要求中的至少一个所述的设备，其特征在于所述设备(110)包括夹紧管(117)。
6.根据前述权利要求中的至少一个所述的设备，其特征在于所述振动发生器(102)由振动台(107)形成。
7.根据权利要求1到5所述的设备，其特征在于所述振动发生器(102)由扬声器类型的辅助设备形成。
8.根据前述权利要求中的至少一个所述的设备，其特征在于所述设备(110)包括微调系统(112)，所述微调系统(112)用于旋转地和/或平移地调节所述超声波换能器的定位。
9.根据前述权利要求中的至少一个所述的设备，其特征在于所述振动发生器(102)位于所述超声波换能器(104)所位于的所述可变形管(111)的末端。
10.根据前述权利要求中的至少一个所述的设备，其特征在于所述振动发生器(102)位于所述超声波换能器(104)所位于的所述可变形管(111)的相对的末端。
11.根据前述权利要求中的至少一个所述的设备，其特征在于所述设备(110)包括至少一个高频超声波成像阵列(116)。
12.根据前述权利要求中的至少一个所述的设备，其特征在于所述设备(110)耦合到有机同步设备(103)。
13.根据前述权利要求中的至少一个所述的设备，其特征在于所述超声波换能器(104)具有小于3mm的有效直径。
14.一种用于定量地和/或定性地测量任何介质的粘弹性质的弹性测定方法，其特征在于该方法实现了根据前述权利要求中任一项的根据本发明的设备；所述方法至少包括以下步骤：
-通过使所述可变形管(111)变形，将所述至少一个超声波换能器(104)定位为与所述介质垂直并且接触；
-平移地和/或旋转地调节所述超声波换能器(104)的定位；
-触发至少一次测量；
-在至少一次测量期间将所述超声波换能器(104)保持在适当位置并且接触；
所述测量包括以下步骤：
-生成至少一个低频弹性波；
-在生成至少一个低频弹性波的同时，使用所述超声波换能器(104)发射和捕获高频超声波，以观测所述至少一个低频弹性波的所述传播；
-计算与所述介质的所述粘弹性质有关的至少一个参数，所述参数诸如在介质中引起的位移变化和/或变形和/或位移速度和/或变形速度，或者更一般地，与所述粘弹性质有关的任何参数；
-计算所述介质的所述粘弹性质。
15.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于由所述可变形管(111)将所述超声波换能器(104)保持在适当位置并与所述介质接触。
16.根据权利要求14到15中任一项所述的方法，其特征在于所述低频弹性波由用户按照与呼吸率和/或心率同步的方式起动而随机地触发。
17.根据权利要求14到16中任一项所述的方法，其特征在于所述高频超声波传送在包括在8MHz与100MHz之间，优选地在10MHz与50MHz之间的频率范围之上执行。
18.根据权利要求14到17中任一项所述的方法，其特征在于所述低频弹性波是在包括在50Hz与10000Hz之间的频率范围之上生成的。
19.根据权利要求14到17中任一项所述的方法，其特征在于所述低频弹性波为大约400Hz。
20.根据权利要求14到19中任一项所述的方法，其特征在于所述至少一个低频弹性波是通过机械振动和/或通过机械压缩和/或通过超声波聚焦生成的。
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