CN112367918A - 用于弹性成像和粘弹性成像的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

成像系统和方法的高清晰粘弹性成像(HDVE)惯性驱动器装置包括一个或多个HDVE惯性驱动器装置。每个HDVE惯性驱动器设备均具有：(i)驱动器接口，该接口可从控制器接收驱动器信号；(ii)共振表面；(iii)惯性驱动器，该惯性驱动器可通信地耦接到驱动器接口并且机械地耦接到共振表面，以独立地产生共振表面的共振位移。HDVE惯性驱动器装置的支撑构件将两个或更多个HDVE惯性驱动器装置定位成与人体声学接触，以通过人体内的一定体积的组织或物体内的材料产生剪切波场。

Description

用于弹性成像和粘弹性成像的系统和方法
基于35U.S.C§119要求的优先权
本专利申请要求于2018年3月24日提交的、标题为“用于弹性成像和粘弹性成像的系统和方法”的美国临时申请62/647,672以及于2018年8月8日提交的、标题为“SYSTEMSAND METHODS FOR ELASTOGRAPHIC AND VISCOELASTOGRAPHIC IMAGING(用于弹性成像和粘弹性成像的系统和方法)”的美国临时申请62/716,303的优先权，该两个申请被转让给本受让人，并且在此明确地通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及弹性成像和粘弹性成像设备，并且涉及使用外部振动的弹性成像和粘弹性成像方法。本发明涉及的弹性成像和粘弹性成像方法，包括成像、无损检测和地震测绘。
背景技术
弹性成像技术提供了组织或物体的硬度图，其中硬度值覆盖在从普通成像系统获得的图像上，该成像系统例如但不限于超声和磁共振成像。通常通过使用成像或感测模态对组织或物体成像来获得该硬度图，该成像或感测模态可以监视已经被注入或诱发到组织或物体中的声振动的传播。振动可以被超声产生的推动诱发。
声辐射力脉冲(ARFI)是一种弹性成像技术，其使用超声学传感器阵列本身在感兴趣区域的组织或物体中产生声脉冲。随后，超声阵列被用于监测所得组织位移沿波束方向的传播和/或所诱发的横向剪切波的传播。声脉冲必须限于安全的强度(不会使组织或物体过热)并且不会使传感器过热。结果，ARFI系统通常对组织或物体的穿透只能达到6cm，从而将其效用限制为仅能对组织和物体的近表面成像。此外，ARFI脉冲本身会在ARFI探头的组织接触点的前1.5至2cm内产生明显的回波和失真，导致在ARFI生成的弹性成像图像内的该表面区域内产生明显的噪声。ARFI方法的低分辨率限制了该技术的有效性。
其他形式的弹性成像，例如爬行波和早期的超声弹性成像系统，通常使用外部的声振动源(有时是多个)，也使用声振动来将剪切波诱发到人体或物体中。例如，爬行波使用两个振动源，它们以略微不同的频率振动，从而将剪切波诱发到人体或物体中，从而产生在整个视场中缓慢移动的干涉模式。然后，可以使用该缓慢移动的模式来测量感兴趣区域中的剪切波长度。与ARFI不同，外部声振动及其产生的剪切波可以安全地深入人体或物体，因此可以使用超声成像模态的整个穿透深度。
在另一种方法中，德国集团(German Group)使用被螺栓固定在检查台底部的扬声器，该检查台上钻有孔供声波通过，随后声波在该检测台转换为传播通过人体的剪切波。由于声波在空气中传播，潜在的响度会给工作人员、患者和其他人带来问题。声波并未密封在患者的皮肤上，并且噪声阻尼没有完全覆盖声音的所有逃逸路线。而且，由于空气是糟糕的功率传递介质，因此耦接到患者人体的空气可能仅会产生微弱的剪切波，尤其是在较高的频率下。
描述了早期版本的振动设备和系统，其中“高频”被认为是200Hz，并且可能由于在这些频率下的高组织衰减，这种频率被推测是不能起作用的。
回声剪切波弹性成像方法，其中多个声振动传感器从多个方向注入各种特定频率、相位和振幅的振动波，以产生回声剪切波场(可以在感兴趣区域中被监视)，并用来估计传播速度随剪切波频率的变化关系，然后将其转换为硬度随频率的变化关系，进而可用来计算粘度。声振动及其产生的剪切波安全地渗透深入人体或物体，从而使超声成像系统能够利用其完整的成像深度。众所周知，回声剪切波弹性成像技术具有早期触觉振动源方面类似的局限性，它是针对低频而设计的，在较高频率下不能深入穿透。
例如，爱科森公司(EchoSens)的外部振动系统，其仅限于低频，并且如果在肝脏中以较高频率(例如4kHz)使用，因为没有足够的时间能够使往返超声回波从肝脏返回，以便以高于香农采样定理规定的所需采样率进行采样，所以可能会出现混叠。
发明内容
本公开提供了利用外部振动在人体或物体中引起机械振动以用于弹性成像和粘弹性成像的设备和系统，用于弹性成像和粘弹性成像方法的设备，其中所产生的剪切波具有单一频率、两个频率或多频率(包括无限数量的频率，例如在有限带宽的白噪声中)，能够提供200Hz以下的振动范围(在当前的弹性成像系统中使用)，同时当深入穿透到人体或物体中还能够超过200Hz。在一个或多个实施例中，波包括至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、15、20、25个或更多个离散频率。
根据本公开的一个方面，提供了一种使用具有传感器的超声系统来测量物体的机械特性的方法。该方法包括提供包括声能源的系统，该声能源例如是一个或多个机电振动驱动器源，其可以产生并注入单个、多个和任意个波形，诸如这样的声能源，其具有多个正弦波、三角波、方波、由单个频率或多频率、相位和振幅组成的复波(包括噪声)。
噪声的颜色是指噪声信号(由随机过程产生的信号)的功率谱。不同颜色的噪声具有明显不同的属性：例如，作为音频信号，它们在人耳上的声音会有所不同，而作为图像，它们将具有明显不同的纹理。噪声信号的这种“颜色”感类似于音乐中的音色(timbre，也称为“tone color”)概念；但是，后者几乎总是用于声音，并且会考虑频谱的非常详细的特征。以颜色给噪声命名的实践始于白噪声，该白噪声是指其频谱在任何相等的频率间隔内具有相等功率的信号。其他噪声颜色包括粉红色、红色和蓝色，其中一些名称在某些学科中具有标准定义。这些定义中的许多都假设一个信号在所有频率上都有分量，每单位带宽的功率谱密度与1/fβ成正比，因此它们是幂律噪声的示例。联邦标准1037C电信术语表定义了白色、粉红色、蓝色和黑色噪声。即使这样，噪声也可能具有不同的模式。连续噪声是连续不断地产生而不会中断的噪声。间歇性噪声是噪声水平迅速增加和减少的噪声。脉冲噪声的噪声会突然迸发。
在一个或多个实施例中，本发明的方法和系统用于改变通过传感器处理的信号的频率。在一个或多个实施例中，该信号可以包括：扫描预定频率(赫兹)范围内的频率以获得期望的效果。在一个或多个实施例中，同时使用两个或两个以上传感器。在一个或多个实施例中，多个传感器包括相同的赫兹范围，由不同赫兹范围或可变赫兹范围组成的预定一组。在一个或多个实施例中，多个传感器允许用户相对于另一频率调谐一个频率，并接收来自输出频率的反馈以分析那些频率并提供均衡、压缩和相位变化。
在另一方面，本公开提供一种用于弹性成像的装置，其包括振动构件，该振动构件被配置为邻近于成像物体的表面定位并且被配置为将机械能传给物体的组织或材料。进一步包括声能源，并且该声能源在外部耦接至振动构件，从而使振动构件在物体内产生剪切波。
一方面，高清晰粘弹性成像(High Definition ViscoElastography,HDVE)惯性驱动器装置包括两个或更多个HDVE惯性驱动器设备。每个HDVE惯性驱动器设备均具有：(i)驱动器接口，该驱动器接口使得能够从控制器接收驱动器信号；(ii)共振表面；以及(iii)惯性驱动器，该惯性驱动器通信地耦接到驱动器接口并且机械地耦接到共振表面，以独立地产生共振表面的共振位移。HDVE惯性驱动器装置的支撑构件将两个或更多个HDVE惯性驱动器设备定位成与人体声接触，以在人体内的一定体积组织或物体内的一定体积材料中产生剪切波场。
另一方面，本发明的成像系统包括HDVE惯性驱动器装置。控制器通信地耦接到两个或更多个HDVE惯性驱动器设备中相应的驱动器接口。控制器为该两个或两个以上驱动器接口中的每一个生成独立有序的驱动器信号，以诱发出包含以下选定的其中一种波的剪切波场：(i)爬行波；(ii)回声波；以及(iii)单向波，这些波的声频范围为20Hz至80kHz，其功率足以产生0.5至50μm范围的位移。该成像系统包括定位在人体上的声学传感器和通信地耦接到该声学传感器的声频分析仪。
控制器生成多频率波形信号，并将它们放大为驱动器信号，以驱动HDVE惯性驱动器设备，从而基于声频分析仪的频率响应产生用于测量组织弹性和粘弹性的剪切波场。
另一方面，一种包括生成多频率波形信号并将它们放大以用作驱动信号的方法。该方法包括：驱动各个HDVE惯性驱动器设备的惯性驱动器，该HDVE惯性驱动器设备在保持在人体上的共振表面产生共振位移。该方法包括：通过保持在人体上的声学传感器接收声波。该方法包括：分析通过人体组织的多个频波信号的频率的频率响应来测量组织弹性。
在一个或多个实施例中，该方法包括生成耦接到每个HDVE惯性驱动器设备的驱动器信号，以产生通过人体内一定体积的组织的剪切波场，该剪切波场包括以下选定波的其中一种：(i)爬行波；(ii)回声波；以及(iii)单向波，这些波的声频范围为20Hz至80kHz，其功率足以产生0.1至50μm的位移。在一个或多个实施例中，取决于待测量的物体的尺寸，声频范围可以小于20、18、16、14、12、10Hz。在一个或多个实施例中，该方法包括产生用于大型主体(例如，大象、建筑轴承、桥梁轴承等)的驱动器信号，其中频率为10Hz或更低。在一个或多个实施例中，该方法包括产生用于地震分析的驱动器信号，其中频率为0.1Hz或更低。该方法包括基于对剪切波场的分析来测量弹性和粘度。
在另一方面，提供了一种系统，该系统包括具有传感器阵列的多声道触觉共振器。在一个或多个实施例中，该系统包括宽带(或全频率范围)惯性驱动器的柔性阵列，该宽带惯性驱动器围绕感兴趣物体的外部放置，从而产生遍布于感兴趣物体的内部区域的期望剪切波场。在一个或多个实施例中，阵列仅具有针对较低频率范围优化的一种元件。在一个或多个实施例中，阵列仅具有针对较高频率范围优化的一种元件。在一个或多个实施例中，阵列具有用于较低频率的一些元件和用于较高频率的一些元件。在一个或多个实施例中，阵列都是柔性的，通过使用弹簧和/或弹性支撑件和安全带，使它们适应人体或物体的外表面贴近感兴趣的区域。在一个或多个实施例中，将惯性驱动器阵列放置在物体的外部，并在感兴趣的内部区域中产生至少0.5微米的位移。在一个或多个实施例中，该阵列包括低频和高频元件。在一个或多个实施例中，该阵列在物体的指定感兴趣区域内部产生回声剪切波场。在一或多个实施例中，阵列进一步包括用于驱动器的热保护。
在一个或多个实施例中，阵列包括用于从物体的远处施加剪切波的音频波惯性驱动器。例如，当在MRI附近使用时，惯性驱动器不能位于机器附近，因此将阵列放置在一定距离处，并且从远程施加剪切波。在一个或多个实施例中，阵列包括音频波惯性驱动器，用于从物体的远处使用至少约25至约35KHz的频率施加剪切波。在一个或多个实施例中，该阵列包括音频波惯性驱动器，用于从物体的远处使用至少约50至约60KHz的频率施加剪切波，并与速度至少约为90、100、120、140、160、180K或更高帧/秒的X射线检测器一起使用。
在一个或多个实施例中，检测器是常规的或单能量CT(SECT)，其利用由单个源发射并由单个检测器接收的单个多色X射线束(范围为70到140kVp，标准为120kVp)。在一个或多个实施例中，检测器是双能CT(DECT)，也被称为“光谱成像”，其中两个能级(通常为80kVp和140kVp)被用于获取图像，该图像可以被处理以生成其他数据集。
在下面示出的实施例中将更充分地解释这些特征和其他特征。应当理解，一般而言，一个实施例中的特征也可以与另一实施例的特征结合使用，并且这些实施例并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
在下面的详细描述中，结合附图，将对本发明的各个示例性实施例进行描述，这些实施例将随着描述的进行而变得更加明显，其中：
图1是软组织的近似弹性成像图像分辨率与剪切波频率和病变硬度的关系曲线图100。该图显示了以一定范围内的剪切波频率和物体硬度可检测到软组织中的近似最小直径物体的轮廓，以达到测量物体硬度(硬度表示为剪切波速度，单位为米/分钟)所需的精度(中等和高)水平；
图2A是根据一个或多个实施例的具有高清晰粘弹性成像(HDVE)惯性驱动器装置的成像系统的框图，该装置包括安全带作为支撑构件；
图2B是根据一个或多个实施例的具有HDVE惯性驱动器装置的成像系统的框图，该装置包括柔性基板作为支撑构件；
图2C是根据一个或多个实施例的具有HDVE惯性驱动器装置的成像系统的框图，该装置包括一对夹具作为支撑构件；
图2D是根据一个或多个实施例的具有HDVE惯性驱动器装置的成像系统的框图，该装置包括台式安装的HDVE惯性驱动器设备；
图2E是根据一个或多个实施例的具有HDVE惯性驱动器装置和安装在探头壳体中的声学传感器的成像系统的框图；
图3是根据一个或多个实施例的用于测量人体的组织的粘弹性成像特性的方法的流程图；
图4示出了根据一个或多个实施例的使用四个HDVE惯性驱动器(源)的系统，在此示出了产生回声场；
图5示出了根据一个或多个实施例的用于将图2中的HDVE惯性驱动器保持抵靠于人体或物体的安全带；
图6示出了根据一个或多个实施例的安全带，其允许将HDVE惯性驱动器放置在人体或物体上需要的地方，在本示例中，位于超声探头的成像部位附近；
图7示出了根据一个或多个实施例的用于腿、臂、脖子或类似人体部位或物体的安全带系统，在此示出了产生回声场；
图8-图10示出了根据一个或多个实施例的可适应安全带系统；
图11示出了根据一个或多个实施例的弹簧杆“头戴式耳机”系统，以将HDVE惯性驱动器保持在人体上而不会妨碍检查场，在此示出了产生回声场；
图12示出了根据一个或多个实施例的具有嵌入式HDVE惯性驱动器的垫子，此处示出了产生回声场；
图13示出了根据一个或多个实施例的具有滑动通道的垫子，用于调节与患者接触圆顶(dome)连通的HDVE惯性驱动器的放置；
图14示出了根据一个或多个实施例的图13中的滑动通道HDVE惯性驱动器系统；
图15示出了根据一个或多个实施例的图14中的用于滑动通道系统的螺纹T形锁；
图16示出了根据一个或多个实施例的具有两个滑轨机电振动系统的实施例；
图17示出了根据一个或多个实施例的压力锁；
图18示出了根据一个或多个实施例的与超声探头集成的HDVE惯性驱动器；
图19示出了根据一个或多个实施例的与超声经直肠探头集成的微型高频HDVE惯性驱动器，作为系统的一部分其还可包括施加到人体的外表面(未示出)的低频和中频HDVE惯性驱动器；
图20示出了根据一个或多个实施例的信号源及它们在待扫描的人体或物体内转换成机械剪切波的完整流程图；
图21示出了根据一个或多个实施例的包括多声道四共振器板的另一实施例；
图22示出了根据一个或多个实施例的多声道四共振器板的另一实施例，其连接到多声道放大器；
图23示出了根据一个或多个实施例的包括加权HDVE惯性驱动器系统的另一实施例，用于靠近人体表面的组织(例如乳房)，其中一个或多个加权HDVE惯性驱动器系统位于该组织附近而不妨碍检查场；以及
图24示出了根据一个或多个实施例的图23中的加权HDVE惯性驱动器系统的实施例，其中该HDVE惯性驱动器系统包括嵌入壳体中的扬声器，该壳体与患者皮肤接触以在扬声器锥体与患者皮肤之间创建密封气柱，并且该密封气柱将扬声器锥体与患者皮肤分离。
具体实施例
根据本公开的各个方面，公开了一种设备、系统和方法，通过对组织的粘弹性机械特性进行客观成像来提升效果并降低成本。粘弹性成像提供了组织的关键机械特性。弹性成像是一种成像模态，其通过在体内诱发剪切波、利用成像模态跟踪剪切波的进程、计算弹性和/或粘性特性以及展示一个或另一个或组合来映射组织的弹性特性作为颜色图叠加在由成像模态和系统产生的标准图像上来映射组织的弹性性能。粘性图像可绘制组织的粘性特性，通常是通过同时获得的多频弹性成像图，然后从该多频弹性成像图集计算离散度(在弹性成像领域使用该词)。前提弹性(经常被表达为“硬度”，其倒数)和粘性(“流动阻力”)将健康组织与不健康组织区分开。本公开提供了外部高清晰粘弹性成像(HDVE)惯性驱动器，以诱发遍布整个组织的剪切波(包括在组织的最深层部分)并且覆盖的频率范围大于典型的粘弹性成像，包括显著更高的频率，作为可改变粘弹性机械特性的疾病状态的诊断成像工具。
当前的超声粘弹性成像具有不足的分辨率和/或物理限制，从而限制了其使用，诊断更昂贵、更需要侵入性。当前，最常用的临床超声弹性成像(基于ARFI的弹性成像)形式只能提供浅层组织成像(最深达6cm)，以防止组织过热，而且因为在安全条件下，在组织中产生的剪切波频率分量的大部分频率都在500Hz以下，并且在传播到距ARFI焦点仅几毫米处后迅速降至200Hz以下，分辨率将受到限制。因为剪切波感应电动机必须在与MRI磁体保持安全距离的情况下运行，在患者处的剪切波频率通常会被限制在120Hz以下，所以磁共振成像(MRI)弹性成像技术也只能提供较差的空间分辨率。众所周知的方法产生回声反射，其导致组织边界附近的图像劣化。众所周知，超声和MRI弹性成像使用的频率测量范围很窄，从而提供了不可靠的粘度测量结果。特别是，众所周知，在临床上使用的方法的剪切波频率范围通常为30-120Hz，该方法只能实现约1.5cm的弹性分辨率，并且粘度的测量结果较差。据信，已经进行了一些成功的尝试，频率高达180-200Hz，但这只能将分辨率提高约30％。照常规而言，通过以超过约180Hz的剪切波频率进行操作对诊断不会产生任何有用的帮助。
本公开提供了外部HDVE惯性驱动器，以产生更高的振动频率，以显著改善空间分辨率和更可靠地估计粘度。该外部HDVE惯性驱动器在组织中以大范围的频率诱发剪切波，可实现可靠的粘度测量并提高分辨率。因此，本公开提供：(i)将组织成像到超声的整个扫描深度的能力；(ii)比传统弹性成像高出四到十倍的深层组织分辨率(例如在肝脏中)；(iii)比传统弹性成像(即1-3mm分辨率)高出十倍的近场表面组织分辨率(例如在乳房中)；(iv)对回声组织(例如肾囊)成像的能力；(v)粘度和粘度(分散)图的更可靠测量结果。在一个或多个示例性实施例中，HDVE惯性驱动器产生的剪切波范围从0.1Hz以下到80000Hz以上，因此，在使用当前常见的临床超声探头进行乳房超声粘弹性成像时，可以感应并测量40-5000Hz的范围，并且在肝脏超声粘弹性成像中，可以测量40-3000Hz的范围。这些频率考虑了声波(超声波)必须传播到体内5cm(以成像整个乳房组织)，然后回传5cm至声学传感器，以及声波必须传播到体内14cm(以成像整个肝脏)，然后回传14cm至声学传感器。
与导致低分辨率的常规40Hz相比，本发明支持1-3mm的分辨率，分辨率的结果量受组织内成像物体的硬度的影响(并且除非另有说明，否则该组织是指软组织)。上面提供的用于乳房和肝脏的振动频率支持该分辨率范围。
因此，本发明对现有的成像应用进行了改进，并预期了新的成像应用的潜在机会，例如：
(i)可以识别非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的所有阶段的深层肝脏粘弹性成像；
(ii)1-3mm的分辨率使超声粘弹性成像成为乳房X线摄影术的潜在替代方案，且没有电离X射线和不适感，从而潜在地代替了活检的需要；
(iii)如果与回声剪切波粘弹性成像一起使用，则可以使诸如肾脏的回声组织成像，其中肾微细胞粘度的变化是某些肾癌的重要指标；
(iv)超声粘弹性成像是具有许多其他应用的广义放射学工具，例如前列腺癌检测，甲状腺、脾脏、角膜、睾丸、肌肉、韧带、肌腱、引导式活检、治疗监测等；
(v)专用版本可以应用于诸如(a)心脏壁硬度成像以映射受损的心脏组织和(b)血管壁硬度成像；以及
(vi)非医学应用，例如桥梁和建筑轴承的非破坏性测试以及地下成像。
在一个或多个实施例中，成像应用可以优选地根据期望的效果进行调节。示例性调节包括调节音调频率、调节触觉点之间的频率调制、存储音调预设以及基于反馈信息返回声音(sonic)，音调(tonal)或视觉刺激。在一个或多个实施例中，设备应用能够增强频率并改变媒体音高以适应用户的频率偏好。在各种替代实施例中，该设备可以包括可调节EQ滤波器，该可调节EQ滤波器将规定的频率发送到触觉输出。在一些应用中，此系统具有矩阵控件，用以以不同方式切换左/右朝向。
剪切波具有以下方面：(i)频率越高，波长越小；(ii)波长越小，分辨率越好；(iii)一般认为，需要1/4个波长适配物体内部以进行中等精度的硬度测量；以及(iv)需要约1.24个波长适配物体内部以进行高精度的硬度测量。
由HDVE惯性驱动器产生的剪切波与由声辐射力脉冲(ARFI)产生的剪切波的比较如下：ARFI提供：(i)95％的剪切波功率谱<500Hz，并且随着距离和深度的增加迅速减小(这限制了分辨率)；(ii)采用较新的方法达到比传统的6cm深度更深一些，但分辨率较低；以及(iii)小视场。相比之下，HDVE惯性驱动器具有以下属性：(i)具有完整的功率谱0.1至80000Hz，可实现软组织内硬物体的1-3mm分辨率，并能够可靠地测量粘度；(ii)全深度穿透；以及(iii)全视场。实验证明：(i)软件和硬件解决方案稳定可靠。(ii)已经实现了深层组织多频重建，例如在人的肝、肾、甲状腺、乳房和肌腱中；(iii)表现出比其他方法更高的频率剪切波，从而可以显著提高分辨率并改善粘度估算结果。
根据本发明的各个方面，提供了用于将具有特定频率的正弦波、方波和三角波以及具有复杂波形(包括噪声)的剪切波诱发到人体组织中的方法和装置，并且以柔性或弹性的方式嵌入由一种或多种材料(例如橡胶和塑料)组成的床、背心、人体安全带或手持式应用系统，目的是激发目标组织或材料内的各种区域和结构，以用于使用与超声和其他弹性成像和粘弹性成像适用的成像模态的弹性成像和粘弹性成像技术，包括但不限于当与适当的适配件和扩展件联接的光学相干断层扫描(OCT)、计算机断层扫描(CT)、X射线、以及磁共振成像(MRI)系统。一种具有一个或多个HDVE惯性驱动器、功率放大器和数字信号处理的夹具，贴合接触人体或物体，在人体或物体内诱发非侵入性剪切波场，包括但不限于回声剪切波场、爬行波场，以及其他弹性成像和粘弹性成像适用的剪切波场，然后通过超声或其他适用的成像模态对其进行扫描。可以在一个或多个感兴趣的区域内看到各种结构、结点、肿块和异常的弹性和粘性特性的区别。该系统还可以遵循压缩和稀疏的典型波路径，诱发特定频率、非特定频率(噪声)以及复杂的纵向波和剪切波。波形的频率特定于每种类型和密度的组织和柔性或弹性材料。
HDVE惯性驱动器产生的多频率信号可以包括单频率波形或复数(或任意)波形。复数波形包括一个以上的频率，例如自然的泛音系列、大和弦、小和弦以及其他系列，并且对于测量粘度至关重要。多个源对于创建各种剪切波场至关重要，例如回声剪切波、爬行波和许多其他剪切波场。
声音是一种振动，它以可听或可触知的压力波的形式通过诸如气体、液体或固体的传播介质传播。每个压力波都会导致压力的升高和降低，称为压缩和稀疏。没有传播介质，声音就不存在。声音被定义为在压力、应力、粒子位移、粒子速度等中的振动，该振动在具有内力(例如弹性或粘性)或者是这种传播振动的叠加的介质中传播(通过非弹性介质传播的声音仅通过介质传递，通常衰减最小)。
声音可以通过诸如空气、水和固体之类的介质作为纵向波传播以及通过固体中的横向(剪切)波传播。声波是由诸如扬声器或触觉振动器的振动膜之类的声源产生的。声源在周围介质中产生振动。随着声源继续振动介质，振动会以声速从声源传播开，从而形成声波。与源的距离固定时，介质的压力、速度和位移会随时间变化。在一瞬间，压力、速度和位移随空间变化。请注意，介质粒子不会随声波传播。对于固体，这在直观上是很明显的，对于液体和气体也是如此(即，气体或液体中颗粒的振动传递振动，而颗粒随时间的平均位置不变)。在传播过程中，波会被介质反射、折射或衰减。
声音传播的行为通常受三件事影响：(i)受温度影响的介质密度和压力之间的复杂关系，决定介质内的声速；以及(ii)介质本身的运动。如果介质正在移动，则此移动可能会根据移动的方向增加或减小声波的绝对速度。例如，如果声音和风在同一方向上移动，则通过风传播的声音的传播速度将随风的速度而增加。如果声音和风在相反的方向上运动，则声波的速度将随风的速度而降低，这称为“多普勒效应”；以及(iii)介质的粘度。介质粘度决定了声音衰减的速率。对于许多介质，例如空气或水，由于粘度引起的衰减可以忽略不计。另一方面，声音则不能通过一块软粘土很好地传播。
当声音在不具有恒定物理特性的介质中移动时，声音可能会以不同的速率折射(分散或聚焦)或衰减。声音主要以纵向波(也称为压缩波)通过气体、等离子体、液体和固体传播。它需要一种媒介进行传播。纵向声波是压力与平衡压力发生交替变化的波，引起局部区域的压缩和稀疏，而横向声波(在固体中)是与传播方向成直角的交替剪切应力波。在所有介质中，取决于材料的密度，会产生横向波(也称为剪切波)，并且传播的速度比纵向波慢得多。
振荡声波所携带的能量在物质的额外压缩(在纵向波的情况下)或横向位移应变(在横向波的情况下)势能和介质颗粒的位移速度的动能之间来回切换。
声波通常被简化为正弦平面波的描述，特征在于这些通用属性：(i)频率，或是其倒数波长；(ii)振幅：介质中的声压或强度；(iii)声速；以及(iv)方向。
声速受传播介质影响且是材料的基本特性。这些物理特性和声速随环境条件而变化。在68°F时，声音在空中的平均传播速度为1127fps，在水中的平均传播速度为4805fps，在钢铁中的平均传播速度为16850fps。取决于人体组织的结构，介于软组织到骨骼或钙化块之间的组织可能落入水的范畴。声速对声音的振幅也略微敏感，受到二阶谐波效应的影响，这意味着存在非线性传播效应，例如产生原始声音中不存在的谐波和混合音。
声音由单个或多频率组成，这些频率由波速确定。连续的1Hz正弦波在它的介质中每波振动一秒钟。500Hz波每秒振动500次。每个频率都提供一个“音高(pitch)”。人的可听音高平均在20-20000Hz之间。单个波形也可能包含许多振幅和相位变化的频率。
来自两个或更多个源的多频率会在介质中相互影响。例如，钢琴调音师可以调一根弦的各个音符，这不仅是通过比较弦与参考音高(例如，中音C以上的A为440Hz)，因为弦的音高会互相调和，所以他也会聆听“拍打(beating)”的效果。两根稍稍偏离音高的弦会产生一个声音跳动(beating)。当弦的音高调合时，拍子停止。
在声学中，拍子(beat)是频率稍有不同的两个声音之间的干涉图样，生成为音量的周期性变化，其速率为两个频率之差。将两个音调调成统一会产生奇特的效果：当两个音调的音调接近但不相同时，频率差异会产生跳动(beating)。因为声音交替地相长地和相消地干涉，所以振幅会像颤音一样变化。随着两个音调逐渐接近一致，拍子的速度变缓。随着两个音调进一步分开，它们的拍子频率增加，直到干涉停止。
尽管这种现象“根据叠加定律，两个同时发声的音调以一种非常简单的方式同时叠加：即它们的振幅叠加”可以在任何线性系统中被发现，但在声学或音乐中才最为人所知。当两个波的相位差接近180度时，一个波的最大值抵消另一个波的最小值，而当两个波的相位接近时，它们的最大值相加，从而增大振幅。
如果两个原始频率非常接近(例如，相差约12赫兹)，则上述表达式右侧的余弦频率为fl-f2/2，这通常太低以至无法被感知为可听的音调或音高。相反，它被视为上述表达式中第一项的振幅的周期性变化。可以说，低频余弦项是高频项的包络，即其振幅已被调制。调制频率为fl+f2/2，即两个频率的平均值。可以注意到，调制模式中的每个第二脉冲(burst)都被反转。每个峰都被谷代替，反之亦然。
由于第一音符的谐波与第二音符的谐波有一定的跳动，所以在接近但不完全是谐波间隔的音符之间也可以听到拍子。例如，在五分音阶完美的情况下，低音音符的三次谐波(即第二泛音)会与另一音符的二次谐波(第一泛音)一起跳动。除了音调失调外，由于某些音调间隔和相应的纯律间隔之间存在差异，因此在某些正确调节的相等音律间隔下也可能发生这种情况。
爬行波超声弹性成像是基于使用两个或更多个在组织中产生“拍打”效应的剪切波频率。例如，两个剪切波可能会以200Hz和199.5Hz的频率产生稍微分开的波形(在音乐中，这被称为“失调(out-of-tune)”)，这会在组织中产生跳动模式，这影响纵向波和横向(剪切)波之间的对应关系，导致图像“爬行”或移动通过超声显示器。随着回声粘弹性成像，这些特性将变得更加复杂和新颖。
多个HDVE惯性驱动器用于以本领域新的深度和强度在人体组织内产生无限数量的复杂干涉和相位波形图。因为每种波形组合都会根据组织的弹性和粘性不同地影响组织，所以这使得爬行波、回声和其他成像方法可以利用无限多种组合和效果。当两个或两个以上HDVE惯性驱动器彼此异相180°时，会发生机械运动，或者由于每个波形的机械反向压力而产生回“摇(rocking)”和作用力。这种效果以及任意数量的定相组合也有助于爬行波、回声和其他成像方法。HDVE惯性驱动器系统也具有方向性特性，并且取决于频率，可以有助于将波形对准(射束引导(beam steering))到人体的特定区域。
附图未按比例绘制，并且一些特征可能被放大或缩小以示出特定元件的细节，同时可能已经去除了相关元件以防止混淆了新颖的方面。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅是权利要求的基础，并且是教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。为了教导而非限制的目的，所示实施例涉及用于超声弹性成像和粘弹性成像的设备，并扩展到其他兼容的成像模态，例如光学相干断层扫描(OCT)成像和磁共振成像(MRI)。
在一个或多个实施例中，示出的实施例针对与医学图像诊断装置一起使用的外部振动设备，该医学图像诊断装置是超声诊断装置、X射线诊断装置、X射线计算机断层摄影(CT)装置、磁共振成像(MRI)装置、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)装置、正电子发射计算机断层摄影(PET)装置、由SPECT装置和X射线CT装置组合而成的SPECT-CT装置、由PET装置和X射线CT装置组合而成的PET-CT装置以及对象检查装置中的任何一种。
超声探头是与目标物体的表面接触或被插入到目标物体的主体中的部分，并且可以发送和接收超声波。具体地，超声探头可以根据从主体提供的传播信号将超声波发送到目标物体的内部，接收从目标物体的特定部分反射的回波超声波，并且将回波超声波发送到主体。
超声探头可以通过电缆连接，以接收控制超声探头所需的各种信号，或者将与超声探头接收到的超声回波信号相对应的模拟信号或数字信号发送到主体。然而，超声探头的实施例不限于此，超声探头可以无线地连接到主体。在这种情况下，超声探头可以被实现为无线探头，通过超声探头与主体之间形成的网络发送和接收信号。此外，多个超声探头可以连接到一个主体。
该设备可以被配置为接收用户的输入，并且用户可以输入指令，用于开始诊断、选择诊断区域、选择诊断类型以及选择超声图像的模式。超声图像的模式示例包括A模式(振幅模态)、B模式(亮度模式)、D模式(多普勒模式)、E模式(弹性成像模式)、以及M模式(运动模式)。显示器可以使用各种显示面板中的至少一个来实现，例如液晶显示器(LCD)面板、发光二极管(LED)面板或有机发光二极管(OLED)。显示器也可能由两个或两个以上显示器组成，以便各自可以在同时显示出不同的图像。例如，一个显示器可以显示二维超声图像，另一个显示器可以显示三维超声图像。或者，一个显示器可以显示B模式图像，另一个显示器可以显示造影剂图像。
诸如医生的用户可以使用在显示器上显示的超声图像来执行特定疾病的诊断，并且可以根据要诊断的疾病来改变获取超声图像的区域。例如，腹部超声图像可以用于诊断脂肪肝。
众所周知，脂肪肝是由肝脏中的脂肪沉积引起的疾病，可能发展为晚期肝病，例如肝硬化或肝细胞癌，并发展为脂肪性肝炎和肝纤维化。另外，由于全世界已经报道了脂肪肝的高发病率，特别是非酒精性脂肪肝疾病(NAFLD)与肥胖症和代谢综合征密切相关，因此脂肪肝的发现是超声诊断的一个非常重要的区域。脂肪肝可以通过测量肝组织的粘弹性来发现。粘弹性是粘度和弹性并存的性质，是指伴随弹性变形和粘性流动的性质。包括肝脏在内的生物体内的组织的粘弹性可以通过使用超声波来测定，具体而言，可以通过检测剪切波来测定。
当超声信号被强烈地照射到目标物体中时，组织实际上可以细微地运动，并且由于组织的运动而在组织中产生剪切波。由目标物体中的强超声波产生的剪切波从焦点区域行进到外围，在外围区域中，行进的方向是横向的，而组织颗粒的振动方向是垂直的。行进中的剪切波的速度根据介质的振动特性而变化。因此，剪切波的速度是测量介质的弹性特性(即弹性模数)的主要变量。
因此，可以通过连续跟踪组织中产生的剪切波的运动来测量剪切波的速度，并且可以从剪切波的速度估计组织的弹性模数。另一方面，可能存在组织不具有纯弹性而是具有弹性和粘性的粘弹性的情况。例如，在脂肪肝(脂肪堆积在肝脏)的示例中，肝脏是具有粘性和弹性的粘弹性而不是纯弹性。在组织具有粘弹性的情况下，还可以观察到剪切波振幅的衰减，以及剪切波的速度根据其频率而变化的分散现象。
在这种情况下，会出现衰减现象，在这种现象中波的能量会随着波在剪切波中的行进而减小。通常，随着波的行进，它会在空间上扩散，拓宽了波前并降低波的能量。另外，由于发生了波的能量在通过介质时被吸收到介质中的物理现象，因此波的能量减小了。前者是通过几何扩展的衰减，而后者是被介质吸收的衰减。粘弹性的临界衰减是由于被吸收到介质中引起的衰减。为了计算这一点，由于在观察到的衰减中发现的几何扩展现象，必须对分量进行补偿。
剪切波的速度对于每个频率分量并不是恒定的，并且速度分散随频率而变化的现象会发生。衰减系数还显示出分散现象(衰减分散)。因此，用于测量和显示目标物体的粘弹性的系统可以包括剪切波速度、剪切波衰减系数、剪切波速度分散、剪切波衰减分散、粘度和剪切模数中的至少一个参数。
在一个或多个实施例中，超声成像装置包括：传感器模块，用于将电信号转换成超声信号或将超声信号转换成电信号；波束形成器，用于生成发射束和接收束；图像处理器，用于使用从波束形成器输出的回波信号生成超声图像；控制器，用于控制超声成像装置的内部组件的操作；以及一个或多个显示器。传感器模块可以将电信号转换成超声信号，或者将超声信号转换成电信号。为此，传感器模块可以包括由各种元件组成的超声学传感器，所述超声学传感器可以被实现为利用压电材料的压电效应的压电超声学传感器、利用磁性材料的磁致伸缩效应的磁致伸缩超声学传感器、利用几百或几千个微机械薄膜等的振动来传输和接收超声波的电容微机械超声学传感器(cMUT)中的任何一种。另外，能够根据电信号产生超声波或根据超声波产生电信号的其他类型传感器也可以是超声学传感器的示例。进一步，传感器模块进一步包括诸如多路复用器(MUX)之类的开关，用于选择要用于发送和接收超声信号的传感器元件。传感器模块110可以设置在超声探头的内部。
如本文所用，术语“声学”是指次声波、声波和超声振动和/或波。振动可以包括但不限于：刚性材料的振荡机械运动、在弹性或粘弹性材料中传播的机械振动和/或波、以及在液压或气动流体中传播的压力波。
如本文所用，术语“声能”是指以声振动或波的形式存储的能量。振动或波可以通过弹性固体、液体或气体传播，其频率通常在0.01到80000赫兹的范围内，并且能够被检测到。
如本文所用，术语“声能源”是指能够产生声振动和/或波的致动器、驱动器、传感器或其他装置。示例性声能源包括但不限于电声设备，例如音频扬声器；适于产生振荡线性运动的设备，诸如线性电动机、触觉传感器、压电传感器、超声学传感器、磁-声学传感器、适于将声振动耦接到启动流体的气动设备、表面声波传感器、微机电系统和电磁声学传感器中。
如本文所用，术语“传感器”、“音频传感器”、“触觉音频传感器”、“机电振动驱动器”和“高清晰粘弹性成像(HDVE)惯性驱动器”是指在人体或物体中引入频率特定的振动的振动诱发装置。在一个或多个实施例中，频率特定的振动将诱发比已知系统提供的更深且更快的剪切波。
图1是软组织的近似弹性成像图像分辨率与剪切波频率和病变硬度的关系曲线图100。该图显示了以一定范围内的剪切波频率和物体硬度可检测到软组织中的近似最小直径物体的轮廓，以达到测量物体硬度(硬度表示为剪切波速度，单位为米/分钟)所需的精度(中等和高)水平。组织具有三个机械特性：(i)密度，通常在软组织中不变，可以通过X射线成像进行测量；(ii)像弹簧一样的硬度(杨氏模数的倒数)，通常可以用来区分健康组织和疤痕以及其他患病或受损的组织；以及(iii)粘度(流动阻力)，通常以减震器(dash pot)为模型，可能会提供有用的诊断信息。本公开提供了用于确定硬度和粘度的非侵入性方法。
图2A是具有包括两个或更多个HDVE惯性驱动器设备204的高清晰粘弹性成像(HDVE)惯性驱动器设备202a的成像系统200a的框图。每个HDVE惯性驱动器设备202包括驱动器接口206，该驱动器接口206使得能够接收来自控制器210的驱动器信号208。每个HDVE惯性驱动器设备204包括各自的共振表面212。每个HDVE惯性驱动器设备204包括惯性驱动器214，该惯性驱动器214通信地耦接到驱动器接口206，并机械地耦接到共振表面212，以独立地产生共振表面212的共振位移。
控制器210通信地耦接到两个或更多个HDVE惯性驱动器设备204的相应驱动器接口206。控制器210产生独立的顺序驱动器信号208，该信号208诱发主体220的组织218内部的剪切波场216。该剪切波场216选自以下中的其中一个：(i)爬行波；(ii)回声波；以及(iii)单向波。剪切波场216处于20Hz至80kHz的声频范围内，其功率足以产生0.1至50μmm范围内的位移。
声频分析仪222通信地耦接到声学传感器224。控制器210为声频分析仪222生成多频率波形信号，以基于频率响应来测量组织弹性。控制器210生成驱动器信号，该驱动器信号产生用于通过声频分析仪222测量粘度的剪切波场216。
支撑构件可调节地将两个或更多个HDVE惯性驱动器设备204定位成与主体220声学接触。在一个或多个实施例中，支撑构件是安全带226，其围绕主体220将HDVE惯性驱动器设备204保持抵靠在主体220上。安全带226可包括调节和接合特征，以装配在不同尺寸的主体220上。在一个或多个实施例中，至少一个共振表面212包括与主体220相符的弹性表面228，该弹性表面228贴合主体220且是声学透射的。
在一个或多个实施例中，温度传感器229耦接到两个或两个以上HDVE惯性驱动器设备204a之一。控制器236通信地耦接到温度传感器242，以响应温度传感器242的温度测量。控制器236减少所选择的独立驱动器信号206的功率量，以减轻相应的共振表面210a-210d的控制温度。
在一个或多个实施例中，图2B示出了具有包括控制器210、分析仪222和声学传感器224的HDVE惯性驱动器装置202b的成像系统200b。主体220由诸如具有孔232的弹性垫子230的柔性基板支撑，HDVE惯性驱动器通过该孔232接触主体220。弹性垫子230和HDVE惯性驱动器设备202b反过来放置在支撑表面234上，例如桌子或地板。在一个或多个实施例中，每个HDVE惯性驱动器设备202b的支撑构件是压缩构件236，例如HDVE惯性驱动器设备202b的多个弹簧，其使得共振表面212能够贴合位于HDVE惯性驱动器设备202b上的主体220。
在一个或多个实施例中，图2C示出了具有HDVE惯性驱动器装置202c的成像系统200c，该HDVE惯性驱动器装置202c包括控制器210、分析仪222和声学传感器224。主体220被支撑在支撑表面234(例如桌子)上。在一个或多个实施例中，每个HDVE惯性驱动器设备204c的支撑构件是附接到支撑表面234的对应的一对夹具240。该对夹具240中的至少一端是可调节的，以提供与主体220的声学接触。在一个或多个实施例中，该对夹具240提供了散热路径以将热量从主体220吸走。在一个或多个实施例中，除了调节机构236之外，夹具240可以是弹性的，从而可以略微改变在主体220上的间距。
在一个或多个实施例中，图2D示出了具有HDVE惯性驱动器装置202d的成像系统200d，该HDVE惯性驱动器装置202d包括控制器210、分析仪222和声学传感器224。主体220被支撑在具有孔242的支撑表面234(例如桌子)上。两个或更多个HDVE惯性驱动器设备204d定位在孔242内，并具有连接到支撑表面234的一体式基座244。在一个或多个实施例中，至少一个共振表面212被壳体246包围，该壳体246具有与主体220接触的接触表面248。壳体246包含密封的气柱250，该气柱250将共振表面212与接触表面248分开，并且将分开间隔最小化到1cm以下，优选为0.5cm以下，并且最优选为0.25cm以下。
在一个或多个实施例中，图2E示出了具有安装在探头壳体252内的HDVE惯性驱动器装置202e的成像系统200e，该探头壳体还将声学传感器224定位在两个HDVE惯性驱动器设备204e之间。控制器210和分析仪222分别通过探头壳体252通信地耦接到两个HDVE惯性驱动器设备204e和声学传感器224。
图3是用于测量人体组织的粘弹性成像特性的方法300的流程图。在一个或多个实施例中，方法300包括生成多频率波形信号作为驱动器信号(框302)。方法300包括驱动各个HDVE惯性驱动器设备的惯性驱动器，该各个HDVE惯性驱动器设备在抵靠着人体保持的共振表面上生成共振位移(框304)，以通过人体内的一定体积的组织引起剪切波场。方法300包括通过抵靠着人体保持的声学传感器发送声脉冲并接收声回波(框306)。方法300包括分析声回波，以为穿过人体组织的多频率波信号中的至少一个频率分析组织位移或组织速度(框308)。方法300包括在一定体积的组织中，从多频率波信号中至少一个频率上的组织位移或速度计算剪切波速度，以确定硬度，并且如果对多于一个频率执行计算，则还计算粘度(框310)。在一个或多个实施例中，剪切波场选自以下中的其中一种：(i)爬行波；(ii)回声波；以及(iii)声频范围为0.1Hz至80kHz的单向波，其功率足以产生0.1至50μm的位移。然后，方法300结束。
在一个或多个实施例中，方法300包括将被检查的人体放置在桌子上，皮肤与HDVE惯性驱动器设备接触。方法300的多频率波信号可以是和弦。例如，和弦可以包括10-15个离散频率或更多。和弦可以包含数百个离散频率，也可以是同时具有所有频率的白噪声。在示例性实施例中，频率立刻出现，使得每个频率在相同条件下穿过组织的相同区域。
在分析响应的一个或多个实施例中，多普勒超声被用于计算组织位移或速度。将被投放到显示器上的选项选自以下的一项、两项或三项：(a)在显示器上显示正常的超声输出(B模式；灰度)；(b)将硬度图像叠加后的正常B模式显示为彩色图；以及(c)显示带有叠加的粘度图像的正常B模式；或硬度和粘度一起被叠加在正常B模式超声图像上。粘度通常被计算为硬度随频率变化的函数。在一个或多个实施例中，该三项的输入是通过相同的输入传感器进行的，该输入传感器可以在探头内部。例如，超声波棒会发出超声波，然后通过压电晶体(可以是陶瓷)读取它们。当波进入时，压电晶体(或陶瓷)正在听取并接收回弹的超声波(回波)。
在一个或多个实施例中，本公开提供了用于弹性成像和粘弹性成像的系统和方法。在一个或多个其他实施例中，本公开提供了利用声振动进行无损检测和地震测绘的系统和方法。
在一个或多个实施例中，本公开提供了一种用于在人体或物体内部产生纵向、横向和剪切波场的系统，包括回声、爬行波以及其他剪切和纵向波场，以用于安全、单源和多源的外部HDVE惯性驱动器，用于基于剪切波和纵向波的弹性成像和粘弹性成像。
在一个或多个实施例中，系统包括声能源，例如一个或多个可产生和注入单个、多个和任意个波形的HDVE惯性驱动源，例如一个波形，其具有多个正弦波、三角波、方波、由单频率或多频率、相位和振幅组成的复波(包括噪声)。当这些源的一个或多个被放置在人体或物体上时，独立的波形可以被注入并定向到感兴趣的组织或区域中，以创建回声剪切波场、爬行波剪切波场或其他波场。
在一个或多个实施例中，若干个元件被用于在人体中产生回声剪切波场，特别是用于在较大和肥胖的人体中的深度穿透。这些元件包括：(a)在20Hz以上工作的多个源，能够从深层组织内的剪切波产生至少0.5微米至50微米的位移。这些源必须具有以升温最少进行长时间扫描的高效率；(b)或者，通过将柔性元件结合到一个或两个离散源中而创建的扩展源；(c)专门设计的接触表面圆顶，在感兴趣区域附近的表面上施加弹性成像；(d)对某些组织在圆顶上施加至少0.1磅的接触力；(e)快速施加和随后去除接触力，以缩短检查时间和减少临床医生所需的工作。
在一个或多个实施例中，本公开提供了一种用于弹性成像的系统和方法，包括HDVE惯性驱动器或HDVE惯性驱动器系统，该HDVE惯性驱动器或HDVE惯性驱动器系统被配置为与成像物体相邻放置并配置为向组织或材料内施加机械能的主题。在一个或多个实施例中，包括外部HDVE惯性驱动器源，该外部HDVE惯性驱动器源被配置为在人体中一定体积的组织或物体中一定体积的材料引起在弹性成像和粘弹性成像中使用的剪切波。
在一个或多个实施例中，本公开提供了一种在成像物体外部的声能源，该声能源被机械地或声学地耦接到构件，并且该构件的远端适于接触该物体的表面。耦接到该构件的声能使至少该构件机械振动并在物体内产生剪切波。该构件优选地在至少一部分上是柔性的，以利于物体的轮廓。
在一个或多个实施例中，将构件定位在物体上的选定位置处，并且通过使用能够解析由产生的波产生的图像的成像器，来对构件产生的剪切波进行成像以执行对产生的波的检测。在一个或多个实施例中，成像器可以是一个或多个成像设备，包括但不限于超声和磁共振成像(MRI)。
在一个或多个实施例中，声能源使构件沿其轴线纵向振动。在另一实施例中，声能源引起传感器的振动运动，优选为沿其轴线振动运动。本领域技术人员将理解，构件与物体主体表面之间的机械接触确保了机械能向相邻材料的传递以及剪切波的产生。
在一个或多个实施例中，该系统包括控制器，该控制器联接至声学致动器(触觉传感器)并配置成对该声学致动器(触觉传感器)进行控制。构件具有耦接到声学致动器的第一端和与感兴趣的物体材料或组织区域相邻的第二端。在一个实施例中，例如，致动器通过重复振动构件的第一端来将声能传递到构件中。以这种方式，由构件的纵向振动引起的机械波可以被投射到组织中，从而产生剪切波。
在一个或多个实施例中，该系统包括控制器，该控制器可以使得纵向波和剪切波的频率在例如0.1Hz至5000Hz的范围内。在一个或多个实施例中，该系统包括控制器，该控制器可使得纵向波和剪切波的频率至少为10、20、30、40、50、60、70、80、100、120、140、160，180、200Hz或更高。在一个或多个实施例中，该系统包括控制器，其可以使得纵向波和剪切波的频率至多为5000、4000、3000、2500、2000、1500、1000、800、600、400、200Hz或更小。
控制器还可被设计成与医学成像装置(未示出)的成像序列一起同步地脉冲化构件的振动或使构件连续振动。
在一个或多个实施例中，该系统包括计算系统，该计算系统包括处理器，数据存储器和逻辑。这些元件可以通过系统或总线或其他机制耦接。处理器可以包括一个或多个通用处理器和/或专用处理器，并且可以被配置为对系统的输出执行分析或对其执行分析。输出接口可以被配置为将来自计算系统的输出传输到显示器。计算系统可以进一步被配置为将触发信号发送到声学致动器和信号发生器中的任何一个。这样的触发信号可以由计算系统发送，以使致动器与信号发生器同步。
处理器可以进一步控制致动器，例如将其打开或关闭，设置感测参数或提供校准设置。示例计算设备包括处理器、存储器、输入/输出接口和通信接口。总线在计算设备的两个或两个以上组件之间提供通信路径。通过说明而不是限制的方式地提供了这些组件。计算设备可以具有更多或更少的组件，或多个相同的组件。处理器表示通用处理器、数字信号处理器、微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、其他影响处理器功能的电路或它们的组合中的一个或多个，以及相关的逻辑和接口电路。存储器表示为用于存储信息(例如，指令和数据)的易失性存储器和非易失性存储器中的其中一种或二者。存储器的示例包括半导体存储设备(例如EPROM、EEPROM、闪存、RAM或ROM设备)、磁介质(例如内部硬盘或可移动磁盘或磁带)、磁光盘、CD-ROM和DVD-ROM磁盘、全息光盘等。
在另一实施例中，该构件包括柔性膜以将波施加到组织中。在另一实施例中，该系统包括耦接到音频放大器的函数发生器。音频放大器驱动音频输出设备(例如扬声器)，该音频输出设备已转换为HDVE惯性驱动器。在本发明的另一实施例中，构件包括柔性膜。膜耦接到音频输出设备。在本发明的另一实施例中，该构件可以流体地和气动地耦接到音频输出设备。在本发明的另一实施例中，该构件包括空心体和弹性或柔性膜，其允许机械波传播。膜的振动作用既产生纵向波又产生剪切波，剪切波优先在膜的边缘产生。
在本发明的另一实施例中，包括函数发生器和音频放大器的音频输出设备在一个或多个期望频率处引起随时间变化的气压，并且声能被传递到构件。在构件内施加随时间变化的压力会引起膜和构件振动。通过膜的振动，使纵向波和剪切波传播到感兴趣的组织区域中。
在本发明的另一实施例中，函数发生器可以使纵向波和剪切波的频率处于例如30Hz-3000Hz的范围内。函数发生器也可以被设计成与医学成像装置(未示出)的成像序列一起同步地脉冲化构件的振动或使远端构件连续振动。
本领域技术人员将理解，本发明涵盖了多种HDVE惯性驱动器。例如，HDVE惯性驱动器可以是转换为HDVE惯性驱动器的电磁致动器、压电致动器或气动致动器。
在一个或多个实施例中，驱动器信号可以正弦信号，例如在0.01Hz-80000Hz的频率范围内，具有从功率放大器驱动到HDVE惯性驱动器中的25V峰值电压。在另一实施例中，在30Hz-300Hz的频率范围内产生5V振动的峰值电压。在另一实施例中，可以在50Hz-1000Hz的频率范围内产生振动。信号可以使用例如2kHz的截止频率进行低通滤波，以消除可能会干涉成像的高频噪声。该信号可以在脉冲或脉冲模态中产生，并且优选地被控制使得成像与振动同步。如果需要，替代地，可以产生连续信号。
在另一实施例中，该系统包括数字信号处理器，该数字信号处理器通过次级放大器传输信号，该次级放大器将信号(优选为未滤波的信号)传输到HDVE惯性驱动器装置。
在一个实施例中，一种电活性传感器具有至少一个积分有源反馈控制回路和至少一个积分放大器。电活性传感器可以包括位置传感器、方向传感器、力传感器、负载传感器、温度传感器、压力传感器、接近度传感器、光学传感器、电传感器和/或磁传感器中的一个或多个；并且来自至少一个这样的传感器的输入可用于控制至少一个信号到放大器，从而控制一个或多个HDVE惯性驱动器的频率响应。
在一些实施例中，可以将HDVE惯性驱动器装置结合到可穿戴设备中。该设备可以是放置在使用者的人体上的单独单元，或者是结合到穿在人体上或贴在人体上的服装或物品。因此，HDVE惯性驱动器可以结合到任何类型的可穿戴物品中，包括但不限于背包、背心、紧身衣、夹克或服装中的任何其他衣物或组件。
在一个实施例中，HDVE惯性驱动器包括有源反馈控制回路和放大器。有源反馈控制回路可以与HDVE惯性驱动器装置集成在一起。此外，因为放大器和HDVE惯性驱动器可以紧密接近，所以放大器可以与HDVE惯性驱动器集成在一起，包括被集成到单个单元中。有源反馈控制回路可以包括一个或多个可操作地连接到放大器的传感器；例如，其中来自一个或多个传感器的输出可用作一个或多个后续过程的一个或多个输入，例如，它们可用于控制至少一个信号到放大器，放大器提供适于控制至少一个HDVE惯性驱动器的输出电信号，以便提供由该有源反馈控制回路确定的最佳频率响应和/或其他特性。
在一些实施例中，公开了一种用于在HDVE惯性驱动器中提供最佳频率响应的系统，该系统包括反馈控制DSP(即，反馈控制数字信号处理器)；数字模拟转换器(DAC)；放大器；HDVE惯性驱动器；以及与HDVE惯性驱动器和反馈控制DSP操作结合的传感器；并且其中，来自传感器的输入控制至少一个信号到放大器，从而控制HDVE惯性驱动器的频率响应。在一些实施例中，传感器可以包括加速度计。最佳频率响应还可以基于频率和强度之间的关系，该关系基于频谱的某些增强或衰减部分。
在一些实施例中，控制系统可以配置不同的传感器(和/或其集合)以用于与这种控制系统进行不同采样率和频率的通信。一些传感器可以采用一种或多种对传入的原始传感器数据起作用的算法，以产生例如平均、最大-最小、泊松分布或其他适于与一个或多个控制系统通信的处理输出。
在一个实施例中，HDVE惯性驱动器包括将电信号转换成运动的传感器。一个或多个膜耦接到HDVE惯性驱动器。一个或多个膜将振动从HDVE惯性驱动器传递到用户的身体。第一传感器监视HDVE惯性驱动器的振动。一个或多个电路基于从第一传感器接收的信号生成电信号，该信号监视HDVE惯性驱动器的振动。
在一个实施例中，一个或多个电路包括数字信号处理器(DSP)，以接收音频输入信号和来自第一传感器的信号，DSP处理音频输入信号以基于来自第一传感器的信号生成修改信号；数模转换器(DAC)，用于将修改信号转换成模拟信号；以及放大器，用于放大模拟信号以产生用于HDVE惯性驱动器的电信号。
在一个实施例中，HDVE惯性驱动器包括壳体，并且第一传感器和放大器位于壳体内。在一个实施例中，第一传感器被嵌入一个或多个膜内。在一个实施例中，一个或多个电路基于从第一传感器接收的信号来调节电信号的均衡。在一个实施例中，一个或多个电路将期望的频率响应与振动的频率响应进行比较，如从第一传感器接收的信号所示，并基于该比较来调节电信号的均衡。一个或多个压力传感器可以被嵌入到例如膜中，理想的是该膜与使用者直接接触，从而可以测量使用者对该膜的相对压力。该测量可以用于计算使用者相对于膜的相对位置。
在一些实施例中，可以部署许多类型的传感器以提供以传感器输出信号形式的信息集，该信息集可以由有源反馈系统中的一个或多个DSP处理。以下描述了以下非限制性示例。
传感器可以是用于捕获振动水平并产生指示所捕获的振动水平的输出信号的加速度计。捕获的振动水平用于DSP的初始化和配置，和/或用于监视HDVE惯性驱动器的输出，以优化和/或定制应用的频率特性。加速度计可用于检测某些频带中的振动，以便调节反馈系统的响应以进行保护或增强。例如，嵌入在系统中的加速度计可以用于检测与一个或多个特定故障模式相关的已知频带中的振动。然后，有源反馈系统可以根据测量的关键程度调节、限制或停止该响应。
传感器可以是物理或磁性位置传感器，例如加速计、霍尔效应传感器、方向传感器(例如陀螺仪或水银倾斜开关)、电气或机械压力传感器、光学传感器(例如光电二极管或光敏电阻)。传感器可以单独使用或与其他传感器结合使用，以监视或检测用户相对于先前状态的位置或方向的变化。用于监视或检测用户的位置或方向的改变的该系统可以包括这些传感器的组合和/或可以形成这些传感器的阵列，以便检测用户相对于HDVE惯性驱动器装置的位置改变。这些传感器或传感器阵列可用于初始化和配置与环境相关和/或彼此相关的用户和/或HDVE惯性驱动器装置位置。
压力传感器，在一些实施例中可以包括其他传感器的组合，例如力传感器和负载传感器，可以提供传感器输出信号，指示用户正向HDVE惯性驱动器装置施加的压力的量。此信息可用于HDVE惯性驱动器装置的初始化和配置。该信息还可以用于检测用户的存在，并且如果用户不存在，则用于改变输出(包括将输出停止(muting))。这可以包括由用户穿戴和/或用户所坐的例如床上或椅子上的HDVE惯性驱动器装置的相对和绝对定位。
接近度传感器，可以采用例如光敏电阻和/或光学或IR LED，以便确定光学和/或IR波长的反射/折射，从而确定用户与HDVE惯性驱动器装置的接近度，并生成指示该接近度的传感器输出信号。例如，这种传感器可以放置在床或座椅靠背和可穿戴传感器布置中，以便确定用户对床或座椅的距离的变化，例如确定用户将他或她的背从床上弓起，还是在座位上向前倾斜，从而导致与HDVE惯性驱动器阵列的连接减少。在本例中，DSP可增加HDVE惯性驱动器装置的输出，以保持用户感知到的信号的恒定振幅、和/或可增加或降低HDVE惯性驱动器装置中特定传感器的振幅，例如如果床或座椅安装有这样的HDVE惯性驱动器装置，则在床的一侧或座椅底部增加幅度，同时在床的另一侧或座椅靠背减小幅度。
反向EMF(电磁场)传感器，可用于感测HDVE惯性驱动器装置中一个或多个HDVE惯性驱动器的操作，例如产生PWM(脉冲宽度调制)输出，该输出可以提供给DSP。这样的信号既可用于将HDVE惯性驱动器装置保持在安全的操作区域中，又可用于保护HDVE惯性驱动器装置，和/或可用于优化和/或改变信号，以便为用户提供适当的剪切波场。
可以使用各种传感器来测量HDVE惯性驱动器的振动。例如，加速度计可用于测量HDVE惯性驱动器的力或加速度。磁力计可用于测量磁通量，从而测量HDVE惯性驱动器的力。皮电响应传感器(例如，EKG)，可以提供可用于DSP的生理信息集，以便优化用户对由HDVE惯性驱动器装置提供的振动场的接触。
温度传感器，可以是接触式或非接触式传感器。温度传感器包括但不限于以下示例类型，包括诸如放大器之类的支撑组件，其可用于监视HDVE惯性驱动器装置和/或其组件的温度。热电偶或热电堆可用于监视HDVE惯性驱动器元件、电气元件或任何功能性或装饰性壳体的温度。如果超出了临界限值，例如可能导致组件损坏的温度或用户不舒服的温度，则DSP可以降低其输出振幅或完全使其输出停止。温度传感器的示例包括恒温器、热敏电阻、电阻温度检测器和热电偶。
DSP处理器可以形成有源反馈系统的一部分。一个或多个DSP处理器可以集成到该单元中，和/或位于该单元的外部，可以以有线或无线方式与该设备近距离连接或通过网络远程连接。DSP处理器的作用是接受来自一个或多个传感器的输入，评估该输入并基于该输入采取一个或多个动作。DSP可能具有代表HDVE惯性驱动器装置的特定操作环境的传感器输入样本库。例如，这可以包括具有垂直或水平对齐的HDVE惯性驱动器装置的传感器的响应。在一些实施例中，这可以包括由一个或多个传感器创建的一个或多个模式，该一个或多个模式表示由这种传感器或其他传感器测量和/或由用户选择的最佳频率响应或其他振动特性。DSP可以存储以下信息，但不仅限于此：传感器输入和测量、测量的计算和相关性、关键测量、关键故障和关键故障的频率、在某些条件下执行的校正和增强、以及系统或某些子系统的一般状态。DSP处理器还可以将此类信息通过本地或网络传递给子系统或外部系统。DSP还可从本地或网络上的子系统或外部系统接收配置信息、更新的设置或系统状态设置。
DSP可以发起修改输入振动信号的处理，以创建输出信号，该输出信号在馈送到与HDVE惯性驱动器装置相连的放大器时可以产生优化的和/或特定的频率响应或其他振动特征。
该DSP处理可以包括以变化速率Q(滤波器的陡度)进行滤波(陷波、高、低、多带、带通等)，以例如去除由例如床、座椅或其他环境中的人工制品引起的特定共振。DSP可采用多种算法来改变馈入放大器的信号。此类算法可以通过例如分析输入信号和/或分析传感器输出信号来部署。DSP也可以监视放大器的输出，以进一步调节放大器操作引起的任何差异。其他处理可以包括限制输出振动信号以减少瞬变和其他峰值，压缩振动信号以减小整体动态范围并产生更一致的工作水平。其他处理可以包括输出振动的相位对准，以便振动信号与潜在的其他振动信号(例如来自其他独立驱动的HDVE惯性驱动器的振动信号等)对准。
DSP还可以起到衰减输出信号的作用，并且在某些情况下完全去除输出，通常是响应于传感器的信息的输入和对这些信息的评估，这些传感器(例如加速度计和温度传感器)保护HDVE惯性驱动器，如果加速度可能超过或表明HDVE惯性驱动器将超过用于HDVE惯性驱动器的安全操作环境和/或温度测量结果，例如，表明一个或多个HDVE惯性驱动器的线圈正在产生的热量超过安全操作条件。在一些实施例中，DSP可以关联多个传感器输入以避免误判和/或将这些输入与存储值进行比较，以便在超过一个或多个阈值之前确定输出信号的适当变化以避免故障状态。
DSP可以具有初始配置状态，由此DSP生成特定的振动信号，然后采用传感器来测量此类信号，从而为患者或物体上一个或多个器官或组织的特定HDVE惯性驱动器装置创建最佳振动输出。这样的配置可以由DSP存储，并且可以生成对输入信号的修改，以便为患者或物体创建具有用于优化振动场的特征的输出信号。在一些实施例中，这可能涉及DSP通过例如触觉的方式向患者或物体提供指令，诸如从膜的特定点(例如左侧)产生脉冲，从而通知患者或物体依靠在左侧，因此，他们的主体相对于膜的位置可以被确定，并且输出信号可以被调节以获得最佳的振动响应。例如，一个脉冲可能意味着向膜倾斜，两个脉冲意味着向外倾斜，三个脉冲意味着完成配置。DSP处理器也可以被配置为接受传入的振动信号并处理该信号，以便为HDVE惯性驱动器装置提供适当的频率。
图4-图19示出了本发明的几个实施例及其细节。本领域技术人员将理解，本发明可以将各种频率、相位和振幅的多个正弦波，以及随机噪声、单个正弦波、复数音频波形和其他任意波形连续或同时地注入人体或物体中。因此，本发明可以用于多种应用，包括许多形式的弹性成像和粘弹性成像、爬行波弹性成像、回声弹性成像等等。
图4示出了根据一个或多个实施例的使用四个HDVE惯性驱动器(源)在人体中产生回声场的系统，四个惯性驱动器(源)耦接到人体并由使用多声道音频输入的多声道放大器、电源(例如，AC或电池)驱动，全部组件通过电通信连接。在一个实施例中，电通信包括交流电源线、音频电缆和标准扬声器电缆。本领域的技术人员将意识到，这些通信中的一些可以是无线的和/或由电池供电。此设置还可以在患者或物体中生成回声剪切波场、爬行波场以及其他有用的场。在此图中，“触觉音频传感器”和“机电振动驱动器”是指HDVE惯性驱动器。
图5示出了根据一个或多个实施例的用于将图4中的HDVE惯性驱动器保持紧贴在人体或物体上的安全带。
图6示出了根据一个或多个实施例的安全带，其允许将HDVE惯性驱动器放置在人体或物体上的需要的位置，在该示例中该位置位于超声探头的成像部位附近。
图7示出了根据一个或多个实施例的安全带系统，以在四肢或颈部或儿童的躯干中产生回声剪切波场(示出)、爬行波场(未示出)或其他有用的场以用于超声成像。在此图中，“触觉音频传感器”和“机电振动驱动器”是指HDVE惯性驱动器。
图8-图10示出了根据一个或多个实施例的可适应安全带系统，以将HDVE惯性驱动器定位并保持抵靠在人体或物体上。图8是安全带的照片，其示出了该安全带的带、快速连接紧固件(易于穿脱并且带的长度可调节)以及用于容纳HDVE惯性驱动器的安全带袋的与人体接触的表面。图9是同一安全带的图片，示出了安全带袋的外表面(非接触表面)。图10是附接到人体的安全带系统的图片。
图11示出了根据一个或多个实施例的弹簧杆“头戴式耳机”系统(其带有或不带有附加带)，以将HDVE惯性驱动器定位并保持抵靠在人体或物体上以快速穿脱，以产生回声剪切波场(显示)、爬行波场(未显示)或其他有用的场。图示的是带有偏移量的弹簧杆的前视图，该偏移量允许HDVE惯性驱动器定位成不会对要放置超声探头的区域造成干涉或物理阻挡。在该特定图示中未示出在患者的背面周围的可选带。此样式适用于肥胖和非肥胖成人、儿童、婴儿和其他对象的躯干、腿、臂和脖子。在这个例子中，“音频传感器”和“机电振动驱动器”是指HDVE惯性驱动器。
图12示出了根据一个或多个实施例的具有嵌入式HDVE惯性驱动器的垫子，以产生回声、爬行波或其他有用的波场。患者只需简单地躺在垫子上或将物体放在垫子上。这样的系统可能包含多个HDVE惯性驱动器。在此图中，“音频传感器”和“机电振动驱动器”是指HDVE惯性驱动器。
图13示出了根据一个或多个实施例的具有滑动通道的垫子，该垫子用于调节HDVE惯性驱动器的放置，包括了患者接触圆顶，对于该驱动器，其可以紧靠肋骨、臀部或其他人体部位快速定位并同时被驱动(例如，一组紧贴肋骨，另一组紧贴臀部以及其他组合)。在一个应用中，利用了多个系统，其中一个系统在肋骨附近横向放置在桌子上，第二个系统在臀部附近横向放置在桌子上。然后，患者躺在它们上方，然后将HDVE惯性驱动器沿通道从两侧朝向患者移动，直到每个驱动器圆顶以所需的角度和力接触患者。
图14示出了根据一个或多个实施例的图13中的具有快速锁定驱动器装置的HDVE惯性驱动器系统。具有弹簧(金属或塑料)、弹性体或弯曲臂的铰链可调节与患者接触的力。
图15示出了根据一个或多个实施例的用于图14中的滑动通道HDVE惯性驱动器系统的螺纹T形锁。
图16示出了具有两个滑轨HDVE惯性驱动器系统(示出了两个相同的系统)的实施例。柔性臂铰链带有三个金属弹簧，每个柔性臂铰链都能对与患者接触的角度和力进行设置。
图17示出了根据一个或多个实施例的用于滑动轨道HDVE惯性驱动器系统的压力锁。在此图中，“传感器”和“机电振动驱动器”是指HDVE惯性驱动器。
图18示出了根据一个或多个实施例的与超声探头集成的HDVE惯性驱动器。在此图中，“橡胶安装”是指“减振粘弹性材料”，例如合成粘弹性聚氨酯聚合物。在此图中，“传感器”和“机电振动驱动器”是指HDVE惯性驱动器。
图19示出了根据一个或多个实施例的与超声经直肠探头集成的微型HDVE惯性驱动器。驱动器嵌入在超声学传感器阵列的任一侧。在一个或多个实施例中，该系统可以被配置为用于经食道回声(TEE)超声探头。
图20示出了信号源及它们在待扫描的患者或材料内转换为物理振动的总体流程图。
图21示出了另一实施例，其包括具有四个HDVE惯性驱动器的多声道方形(quadro)共振器板，该四个HDVE惯性驱动器以通过柔性接头彼此连接的四个顶板的阵列布置，并且每个顶板通过钢弹簧连接到公共的单个实心底板或工作台。
多声道方形共振器板是具有一个到多个HDVE惯性驱动器的振动板，包括多个由柔性(橡胶、硅树脂或其他材料)接头连接的接触面板，每个面板通过钢弹簧独立悬挂。在一个或多个实施例中，具有多个面板能够使系统独立地驱动每个面板，从而允许包括单声道、立体声以及多声道振动分布的复杂模式。多声道振动分布可以包括以下效果：诸如平移、相移、外差和音频再现模态的其他形式。多声道方形共振器板被设计用于人体医学成像技术，例如回声和爬行波弹性成像，以及用于成像其他材料，如粘弹性液体和固体。
图22示出了包括多声道方形共振器板的另一实施例，该多声道方形共振器板具有以四个顶板的阵列布置的四个HDVE惯性驱动器板，其中每个驱动器通过电连接(电线)连接至多声道音频放大器。多声道音频放大器从多个音频信号源接收输入。
在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统是可缩放的，并且可以从包括一个板到包括多达2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个板。在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统用于活体患者使用，并且每个板包括两个驱动器。
在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统包括两个或两个以上板，其中每个板将具有其自己的一个或多个HDVE惯性驱动器，并且每个板可包括1个、2个、3个、4个或更多个HDVE惯性驱动器，以及取决于用途，每个系统上可包括1个、2个、3个、4个或更多个板。
在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统用于整个主体，并且包括10、12、14、16、18、20个或更多个独立的板。
在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统包括两个或更多个板，形成HDVE惯性驱动器壳体，其可以结合多个驱动器。在一些实施例中，HDVE惯性驱动器可以被嵌入在柔性材料中。在一些实施例中，壳体可以由适于将HDVE惯性驱动器和相关联的构件产生的热消散的材料制成，例如金属。这样的金属包括诸如铝、钢、铜等。这些可以与具有散热特性的其他材料结合，例如陶瓷、聚合物、碳纤维复合材料、木材和天然纤维复合材料、半导体等。壳体还可以具有安装功能，允许其连接到可穿戴的衣服、座椅、沙发和其他人工制品。根据其应用，壳体可以是刚性的或柔性的。
在不希望受理论约束的情况下，据信包括弹簧、带或其他张紧装置的共振器板，其接合性质能够使各个方形板独立地运行或与其他方形板协同地运行，以用于在其他实施例难以到达的振幅和频率处产生大量剪切波场(包括爬行波、回声波、主要是单向波等)。因为本系统可以产生更大范围的频率，并根据需要安全地将热量从患者身上吸走，所以本发明解决了工业中的多种已知问题，包括频率范围和热量问题。另外，本发明提供了易于放置在检查台或手术台上的系统，该系统易于扩展，可以在弹性带或织物上包括辅助的HDVE惯性驱动器，以便在患者的特定人体部位施加额外的振动。如果需要，本发明的系统可安全地布线电缆并为驱动器电路提供足够的空间。另外，本发明的系统还可适于提供多个患者接触点(例如，在一个或多个实施例中可包括各种形状的多个突起)。
在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统可以具有放大器系统，该放大器系统的功率输出被设置为小于最大额定功率的90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％或更低，以避免输出信号削峰(clipping)。在一个或多个实施例中，可以对多声道方形共振器板系统放大器进行均衡，以提供平坦的输出响应。在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统可以进一步包括DSP中的功率限制，其使得削峰是不可能的。
在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统可以进一步包括织物设计，该织物设计具有用于头部和脚部的衬垫子以及在多声道方形共振器板之下和/或之上的垫子。在一个或多个实施例中，多声道四向共振器板系统保持共振器板和垫子，并允许该系统被折叠起来(如三折式钱包)以进行运输。
在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统中的HDVE惯性驱动器系统可以包含例如由MISCO、AURA、Clark Synthesis、Tectonic Elements、Dayton Audio、Yisaton、Vidsonic、Guitammer等提供的振动传感器。
在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统可以进一步包括有源均衡(EQ)系统，其中，例如，当400磅重的人躺在该板上时，EQ设置自动调节或选择预设的EQ设置以适应增加的重量，使该板在声学上保持中性(平坦)。在一个或多个实施例中，多声道方形共振器板系统还可以在板中包括加速度计，并向DSP反馈以主动控制板的EQ。
图23示出了根据一个或多个实施例的另一实施例，该实施例包括用于靠近人体表面(诸如乳房)的组织的加权HDVE惯性驱动器系统，其中一个或多个加权HDVE惯性驱动器系统位于组织附近，而不会妨碍检查场；以及
图24-图25示出了根据一个或多个实施例的图23的加权HDVE惯性驱动器系统的实施例，其中该HDVE惯性驱动器系统包括嵌入在壳体中的扬声器，该扬声器与患者的皮肤接触，从而在扬声器锥体和患者的皮肤之间形成密封的气柱，该气柱分隔扬声器锥体和患者的皮肤。在一个或多个实施例中，提供了一种用于在弹性成像和粘弹性成像测量或成像中传播选定的可变波形以在人体或物体中诱发剪切波的装置，该装置包括：(a)一个或多个HDVE惯性驱动器，能够将电信号驱动和再现为物理振动，该HDVE惯性驱动器被安装在与人体或物体物理接触的壳体上，用于引起选定频率和振幅的剪切波以及任意复杂波形，如正弦波、方波、三角波等以及包括噪声在内的其他复杂波形；(b)控制器，包括音频功率放大器和数字信号处理，用于操作该装置并控制一个或多个HDVE惯性驱动器的特定波形分量的特定频率、波形、振幅和相位，以及总体波形振幅和相位；(c)壳体和安装系统；(d)通信链路；以及(e)电源。
在一个或多个实施例中，提供了一种适于传输选定的可变波形以在主体(其中该主体可以是物体或人体)中的所有部位、或一个或多个部位诱发用于弹性成像和粘弹性成像测量或成像的剪切波的装置，该装置包括：(a)振动装置，定义为一个或多个具有耦接传递系统的独立HDVE惯性驱动器，用于引起选定频率和振幅以及任意复杂波形(如正弦波、方波、三角波和包括噪声在内的其他复杂波形)的振动；(b)控制装置，包括音频功率放大器和数字信号处理，用于操作该装置并控制所述振动装置的特定波形分量的特定频率、波形、振幅和相位，以及该装置的总体波形振幅和相位；(c)用于该装置的壳体和安装系统，该壳体和安装系统选自：(i)呈可捆绑安全带形式的壳体和安装装置，其与人体或人体的一个或多个部位相符或贴合，以将振动传导到人体或人体的一个或多个部位(这里的可捆绑安全带指的是皮带、肩带、包扎带、袖子、绑腿、腰带、紧身胸衣、衣服、背心或其他符合或贴合人体或人体的一个或多个部位的其他柔性材料)；(ii)呈桌子形式的壳体和安装装置，其具有已安装的振动装置；(iii)呈可动臂或导轨形式的壳体和安装装置，其用于使振动装置与人体或人体的一个或多个部位接触；(iv)呈便携式或非便携式垫子形式的壳体和安装装置，其具有已安装的振动装置，该便携式垫子能够放置在桌子或其他结构上，并且人体或人体的一个或多个部位置于其上，以及该非便携式垫子可永久或半永久地放置在患者的表面上；(v)一种壳体和安装装置，在该装置中，两个振动装置附接或嵌入在超声学传感器阵列或探头的任一侧；(vi)由上述形式的装置组合而成的壳体和安装装置(例如带有可移动臂或导轨或安全带或垫子的桌子，或其他组合形式)；(d)用于将所述控制装置连接到所述振动装置的通信装置，该通信装置选自：(i)用于将所述控制装置连接到所述振动装置的有线通信装置；(ii)用于将所述控制装置连接到所述振动装置的无线通信装置；(iii)用于将所述控制装置连接到所述振动装置的有线和无线通信装置的组合；以及(e)为所述控制装置(其又为所述振动装置提供动力)提供动力的装置，该装置可以是用于该控制装置中的不同组件的标准电源，例如电池或交流壁电源插座或其他电源、或其组合。
在一个或多个实施例中，提供了一种在深层组织中产生回声、爬行波或其他剪切波场的具有宽频率范围的装置。在一个或多个实施例中，该装置包括：(a)多个源；(b)可选地，通过将诸如但不限于柔性元件之类的通信构件结合到一个或两个离散源中而创建的扩展源；(c)包含专门设计的通信构件的源，该通信构件例如但不限于与弹性成像感兴趣区域附近的表面通信的接触表面圆顶；(d)通过可调节且柔性的接触装置，在物体或材料的表面上施加至少0.1磅的接触力；(e)以快速且符合人体工程学的方式施加接触力，以缩短检查时间并减少临床医生所需的工作；(f)在0.1Hz-80kHz的频率范围内的深层组织中产生回声、爬行波或其他剪切波场，并具有足够的功率以引起0.1微米到50微米的组织位移以进行处理。
在一个或多个实施例中，提供了一种方法，通过该方法使用HDVE惯性驱动器系统扫描患者或材料，该方法包括以下一个或多个步骤：(a)临床医生或技术人员确定待扫描的一般区域；(b)临床医生或技术人员为该应用确定合适的一个或多个HDVE惯性驱动器系统；(c)临床医生或技术人员将适当的一个或多个HDVE惯性驱动器系统放置在待扫描的一般区域的周围、之上、下方、上方和/或附近，和/或在其上放置有患者或材料的地面、工作台、床、椅子等上放置适当的一个或多个HDVE惯性驱动器系统；(d)临床医生或技术人员针对患者或材料调节HDVE惯性驱动器(包括患者接触圆顶和/或其他通信构件和柔性构件，如果需要)的位置；(e)临床医生或技术人员根据被扫描的组织或材料启动适当的振动波形信号流；(f)随后信号流经过处理(包括但不限于DSP、EQ、滤波、相移和路径分配)；(g)随后信号流到一个或多个功率放大器，例如但不限于一个或多个音频放大器和/或一个或多个逆变器；(h)随后信号流到HDVE惯性驱动器，该HDVE惯性驱动器通过一个或多个通信构件将电信号转换为患者或物质中的物理振动；以及(i)临床医生或技术人员扫描患者或物体并处理数据以创建图像和/或测量结果。
由于前述原因，应该理解，每个设备都可以用于各种弹性成像和粘弹性成像方法，这些方法包括医学成像、材料成像、非破坏性测试和地震测绘。
必须注意，除非内容中另有明确规定，否则在本说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”也包括了复数指代意思。因此，例如，当提及一“声学致动器”包括两个或两个以上致动器。
除非另有定义，此处使用的所有技术和科学术语的含义与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的含义相同。
应注意，当在本公开中使用术语“包括”、“包含”以及其他来自根术语“包括”的派生词旨在以开放式含义涵盖任何声明的特征、元件、整数、步骤或组件，并且不旨在排除存在或额外有一个或多个其他特征、元件、整数、步骤或组件。
显然，尽管本文公开的本发明的说明性实施例实现了上述目的，但是应当理解，本领域的普通技术人员可以设计出多种修改形式和其他实施例。因此，将理解，所附权利要求书旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这样的修改例和实施例。

Claims (20)

1.一种高清晰粘弹性成像(HDVE)惯性驱动器装置，用于将目标物体内的感兴趣区域成像，所述装置包括：
两个或两个以上的HDVE惯性驱动器设备，每个HDVE惯性驱动器设备包括：
驱动器接口，所述驱动器接口允许从控制器接收驱动器信号，
共振表面，和
惯性驱动器，所述惯性驱动器与所述驱动器接口通信耦接并且与所述共振表面机械耦接，以独立地产生所述共振表面的共振位移；和
支撑构件，所述支撑构件使两个或两个以上的HDVE惯性驱动器设备放置成与目标物体声接触，以通过目标物体内一定体积的感兴趣区域产生剪切波场。
2.根据权利要求1所述的HDVE惯性驱动器装置，进一步包括控制器，所述控制器为两个或两个以上的驱动器接口中的每一个产生独立有序的驱动器信号，以诱发剪切波场，所述剪切波场包括选自以下的其中一种：(i)爬行波；(ii)回声波；和(iii)单向波。
3.根据权利要求2所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，所述控制器产生在10Hz至80kHz的声学频率范围的独立有序的驱动器信号，其功率足以产生范围为0.1至50微米(μm)的位移。
4.根据权利要求2所述的HDVE惯性驱动器装置，进一步包括：
声学传感器；和
与所述声学传感器通信耦接的声频分析仪；以及
所述控制器：(i)产生多频率波形信号；和(ii)对多频率波形信号进行放大以产生驱动器信号，所述驱动器信号产生剪切波场，用于通过声频分析仪测量弹性和粘度。
5.根据权利要求2所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，进一步包括温度传感器，所述温度传感器耦接到所述两个或两个以上的HDVE惯性驱动器设备中的一个，其中，所述控制器与所述温度传感器通信耦接，以通过减少选定的独立驱动器信号的功率量来降低相应共振表面的控制温度，从而响应所述温度传感器的温度测量。
6.根据权利要求1所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，所述共振表面包括热散热器，所述热散热器将所述惯性驱动器产生的热量从所述目标物体中抽出。
7.根据权利要求1所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，至少一个共振表面是扬声器，并且包括壳体，所述壳体具有与目标物体接触的接触表面，并且密封用于把共振表面与目标物体表面隔开的气柱，并且共振表面与目标物体表面隔开的距离小于1cm，优选小于0.5cm，最优选小于0.25cm。
8.根据权利要求1所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，至少一个共振表面包括能够贴合所述目标物体且声学透射的弹性表面。
9.根据权利要求1所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，进一步包括声学传感器，所述声学传感器能够定位抵靠在目标物体，以探测在感兴趣区域内形成的剪切波场。
10.根据权利要求9所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，所述支撑构件将所述两个或两个以上的HDVE惯性驱动器设备以隔开的线性对准方式附接在所述声学传感器的相对侧。
11.根据权利要求1所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，所述支撑构件包括环绕所述目标物体的可调节安全带。
12.根据权利要求1所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，所述支撑构件包括柔性基板，在所述柔性基板上放置所述目标物体。
13.根据权利要求1所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，所述支撑构件包括一对相对的夹具设备，所述夹具设备可调节地接合到支撑所述目标物体的桌子上。
14.根据权利要求13所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，所述一对相对的夹具设备中的至少一个包括接合构件，所述接合构件滑移地接收在所述桌子的细长通道中。
15.根据权利要求1所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，所述两个或两个以上的HDVE惯性驱动器设备中的每一个包括：
能够由桌子结构支撑的基座；和
分别附接在基座和共振表面之间的多个弹簧元件。
16.根据权利要求1所述的HDVE惯性驱动器装置，其中，所述两个或两个以上的HDVE惯性驱动器设备被独立地驱动，其中所述两个或两个以上的HDVE惯性驱动器设备中的每一个的各自的基座包括一体基座的相邻部分，并且其中所述装置进一步包括所述一体基座内的隔音材料。
17.一种成像系统，包括：
高清晰粘弹性成像(HDVE)惯性驱动器装置，所述装置包括：
两个或两个以上的HDVE惯性驱动器设备，每个HDVE惯性驱动器设备包括：
驱动器接口，所述驱动器接口能够接收驱动器信号，
共振表面，和
惯性驱动器，所述惯性驱动器与所述驱动器接口通信耦接并与所述共振表面机械耦接，以独立地产生所述共振表面的共振位移；以及支撑构件，所述支撑构件使两个或两个以上的HDVE惯性驱动器设备与目标物体进行声接触，以通过目标物体内一定体积的材料产生剪切波场；
控制器，所述控制器与两个或两个以上的HDVE驱动器设备中各自的驱动器接口通信耦接，为两个或两个以上驱动器接口中的每一个产生独立有序的驱动器信号，以诱发剪切波场；和
放置在目标物体上的声学传感器；和
与所述声学传感器通信耦接的声频分析仪；
控制器，所述控制器：(i)产生多频率波形信号；和(ii)对多频率波形信号进行放大以产生驱动器信号，所述驱动器信号产生剪切波场，用于通过声频分析仪测量弹性和粘度；和
处理器，所述处理器处理弹性和粘度测量结果以形成弹性成像图像，所述弹性成像图像包括粘度图像；和
显示器，所述显示器用于显示弹性成像图像，所述弹性成像图像包括粘度图像。
18.根据权利要求17所述的成像系统，其中，所述剪切波场包括选自以下的其中一种：(i)爬行波；(ii)回声波；以及(iii)单向波，且所述剪切波场处于功率足以产生范围为0.1至50μm位移的20Hz至80kHz的声学频率范围内。
19.一种方法，所述方法包括：
产生多频率波形信号并将其放大为驱动信号；
驱动两个或两个以上的高清晰粘弹性成像(HDVE)惯性驱动器设备中各自的惯性驱动器，所述高清晰粘弹性成像(HDVE)惯性驱动器设备在抵靠于目标物体的共振表面上产生共振位移；
产生与各个HDVE惯性驱动器设备耦接的驱动器信号，以通过目标物体内一定体积的材料产生剪切波场；和
通过保持抵靠在目标物体上的声学传感器接收声波；
产生驱动器信号；
为通过目标物体的材料的多频率波信号的频率进行频率响应分析来测量组织弹性或粘弹性；
修改耦接到各个HDVE惯性驱动器设备的驱动器信号，以改善通过目标物体内一定体积的材料的剪切波场；和
重复进行分析和修改，直到通过目标物体内一定体积的材料的剪切波场符合要求；和
根据剪切波场测量弹性和粘度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中通过所述目标物体内一定体积的组织的剪切波场包括选自以下的其中一种：(i)爬行波；(ii)回声波；以及(iii)单向波，且所述剪切波场处于功率足以产生范围为0.1至50μm位移的20Hz至80kHz的声学频率范围内。
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