CN112638275A - 解剖结构粘度的剪切波检测以及相关联的设备、系统和方法 - Google Patents

解剖结构粘度的剪切波检测以及相关联的设备、系统和方法 Download PDF

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CN112638275A CN201980056108.3A CN201980056108A CN112638275A CN 112638275 A CN112638275 A CN 112638275A CN 201980056108 A CN201980056108 A CN 201980056108A CN 112638275 A CN112638275 A CN 112638275A
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Abstract

提供了用于执行超声成像的系统、设备和方法来有利地确定解剖结构的粘度。根据一个实施例，一种用于确定解剖结构的粘度的系统包括：超声换能器、振动源和处理系统，所述处理系统与所述超声换能器和所述振动源通信。所述处理系统被配置为激活所述振动源以用第一频率在所述解剖结构中引起第一剪切波并且以第二频率在所述解剖结构中引起第二剪切波，激活所述超声换能器以获得表示展示出所述第一剪切波和所述第二剪切波的解剖结构的超声数据，确定所述第一剪切波的第一波速和所述第二剪切波的第二波速，并且通过比较所述第一波速与所述第二波速来确定所述解剖结构的所述粘度。

Description

解剖结构粘度的剪切波检测以及相关联的设备、系统和方法
技术领域
本公开总体涉及用于确定解剖结构的机械性质的超声系统和方法。例如，超声系统能够包括超声成像设备和被配置为用一个或多个频率在解剖结构中引起剪切波的振动源。
背景技术
许多疾病导致能够改变组织的机械性质的器官组织的生长、病变或其他物理变化。例如，癌性肿瘤可能比周围健康组织更硬。评估材料的硬度或刚度的一种方式是通过确定或测量材料的弹性。在另一范例中，表现出脂肪变性的肝脏可能在表现出比肝脏的其他健康部分更高的粘度的特定部分中具有增加的脂肪组织。
这些机械性质差异中的一些能够使用超声来检测。例如，超声弹性成像包含施加应力同时测量组织中的导致的应变(应变成像)，并且使用超声波在解剖结构中引起剪切波，并检测在解剖结构的组织中传播的波的特性和/或波对解剖结构的影响。在剪切波弹性成像中，超声推动脉冲在解剖结构中引起远离推动脉冲向外传播的剪切波。剪切波能够通过以高帧率操作的超声换能器来分析，以检测由剪切波传播通过组织引起的组织的振荡位移。通过在超声图像中的组织中的多个位置处确定剪切波的特性(例如其速度)，能够针对每个位置确定组织的弹性。
观察弹性的变化在检测并诊断器官和组织中的疾病时是有用的。然而，一些疾病(诸如脂肪变性)不表现出弹性的相同变化，而是可能通过其他机械特性(诸如组织的粘度)来表现它们自己。
发明内容
提供了用于执行超声成像的系统、设备和方法来有利地确定解剖结构的粘度。例如，超声探头可以包括被配置为用不同频率在解剖结构中引起剪切波的一个或多个振动源。因为引起的剪切波的速度部分地取决于剪切波的频率和解剖结构的粘度，所以确定解剖结构的粘度的一种方式是用不同频率引起剪切波，并且比较剪切波在每个频率下的速度。剪切波的速度的比较能够是解剖结构的粘度的量度或表示。该过程能够针对解剖结构的超声图像(诸如B模式图像)上的多个点被执行，以在多个点中的每个点处产生解剖结构的粘度的视觉描绘。视觉描绘然后能够帮助医师确定通过粘度测量可检测的一种或多种疾病的存在和程度。
根据本公开的一个实施例，一种用于确定解剖结构的粘度的系统包括超声换能器、振动源和处理系统，所述处理系统与所述超声换能器和所述振动源通信。所述处理系统被配置为激活所述振动源以用第一频率在所述解剖结构中引起第一剪切波，激活所述振动源以用第二频率在所述解剖结构中引起第二剪切波，激活所述超声换能器获得表示展现所述第一剪切波和所述第二剪切波的所述解剖结构的超声数据，确定所述第一剪切波在所述解剖结构中的第一波速和所述第二剪切波在所述解剖结构中的第二波速，并且通过比较所述第一波速与所述第二波速来确定所述解剖结构的所述粘度。
根据一些实施例，所述振动源包括第一振动器和第二振动器，并且所述处理系统被配置为激活所述第一振动器来引起所述第一剪切波，并且激活所述第二振动器来引起所述第二剪切波。在其他实施例中，所述处理系统被配置为激活所述第一振动器和第二振动器来交替地引起所述第一剪切波和所述第二剪切波。在其他实施例中，所述振动源包括第一振动器和第二振动器，并且所述处理系统被配置为激活所述第一振动器和第二振动器以在第一时间引起所述第一剪切波，并且激活所述第一振动器和第二振动器以在第二时间引起所述第二剪切波。
在一些实施例中，所述处理系统被配置为：激活所述振动源来发射包括所述第一频率和所述第二频率的宽频带振动，并且应用带通滤波器来确定所述第一剪切波速度和所述第二剪切波速度。在一些实施例中，所述处理系统被配置为将定向滤波器应用于获得的超声数据。在其他实施例中，所述系统还包括与所述处理系统通信的用户显示器，其中，所述处理系统被配置为：确定在所述解剖结构的视场中的多个点处的所述解剖结构的粘度，由所述处理系统生成与所述视场中的所述多个点中的每个点处的所述解剖结构的所述粘度相关联的视觉描绘，并且向所述用户显示器输出所述视觉描绘。所述处理系统能够被配置为：激活所述超声换能器以获得所述解剖结构的超声成像数据，基于所述获得的超声成像数据来生成所述解剖结构的超声图像，并且向所述用户显示器输出被叠加在所述超声图像上的所述视觉描绘。在一些方面中，所述视觉描绘包括与所述第一和第二波速相关联的标绘图或表示所述视场内的所述粘度的图中的至少一个。在其他方面中，所述处理系统被配置为：激活所述振动源以用第三频率引起第三剪切波，确定所述第三剪切波的第三波速，并且通过比较所述第一波速、所述第二波速和所述第三波速来确定所述解剖结构的所述粘度。
在另一实施例中，一种用于确定解剖结构的粘度的方法包括：由振动源用第一频率在所述解剖结构中引起第一剪切波，由所述振动源用第二频率在所述解剖结构中引起第二剪切波，由超声换能器获得表示展现所述第一剪切波和所述第二剪切波的所述解剖结构的超声数据，由与所述振动源和所述超声换能器通信的处理系统基于获得的超声数据确定所述第一剪切波在所述解剖结构中的第一波速和所述第二剪切波在所述解剖结构中的第二波速，并且由所述处理系统通过比较所述第一波速与所述第二波速来确定所述解剖结构的所述粘度。
在一些实施例中，所述振动源包括第一振动器和第二振动器，并且其中，引起所述第一剪切波包括使用所述第一振动器引起所述第一剪切波，并且引起所述第二剪切波包括使用所述第二振动器引起所述第二剪切波。引起所述第一剪切波和引起所述第二剪切波能够包括交替地由所述第一振动器和所述第二振动器来引起所述第一剪切波和所述第二剪切波。在一些实施例中，所述振动源包括第一振动器和第二振动器，并且引起所述第一剪切波和引起所述第二剪切波包括由所述第一振动器和所述第二振动器在第一时间引起所述第一剪切波，并且由所述第一振动器和所述第二振动器在第二时间引起所述第二剪切波。
在其他实施例中，引起所述第一剪切波和引起所述第二剪切波包括由所述振动源发射包括所述第一频率和所述第二频率的宽频带振动，并且确定所述第一波速和所述第二波速包括应用带通滤波器。在一些方面中，所述方法还包括：由所述处理系统确定在所述解剖结构的视场中的多个点处的所述解剖结构的粘度，并且由所述处理系统生成与所述视场中的所述多个点中的每个点处的所述解剖结构的所述粘度相关联的视觉描绘。所述方法能够还包括：由所述超声换能器获得所述解剖结构的超声成像数据，由所述处理系统基于所述获得的超声成像数据来生成所述解剖结构的超声图像，并且由所述处理系统向用户显示器输出被叠加在所述超声图像上的所述视觉描绘。
根据以下详细说明，本公开的另外的方面、特征和优势将变得显而易见。
附图说明
将参考附图来描述本公开的说明性实施例，其中：
图1是根据本公开的方面的超声成像系统的图解性示意图。
图2是根据本公开的方面的在解剖结构之间引起剪切波的剪切波弹性成像超声设备的图解性视图。
图3是根据本公开的方面的剪切波弹性成像系统的图形接口的示范性图示。
图4是根据本公开的方面的剪切波弹性成像系统的图形接口的示范性图示。
图5是根据本公开的方面的被配置为确定解剖结构的粘度的超声成像系统的图解性视图。
图6是在解剖结构中的多个点处确定的剪切波的粘度和频率依赖的速度的图形图示。
图7是在解剖结构中的多个点处确定的剪切波的粘度和频率依赖的速度的图形图示。
图8是根据本公开的方面的被配置为确定解剖结构的粘度的超声系统的图形接口的示范性图示。
图9是根据本公开的方面的被配置为确定解剖结构的粘度的超声系统的图形接口的示范性图示。
图10是根据本公开的方面的被配置为确定解剖结构的粘度的超声系统的图形接口的示范性图示。
图11是根据本公开的一些方面的用于确定解剖结构的粘度的方法的图解性视图。
图12是根据本公开的方面的被配置为确定解剖结构的粘度的超声成像系统的图解性视图。
图13是根据本公开的方面的包括两个振动器并且被配置为确定解剖结构的粘度的超声成像系统的图解性视图。
图14是根据本公开的方面的包括两个振动器并且被配置为确定解剖结构的粘度的超声成像系统的图解性视图。
具体实施方式
出于促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参考在附图中所图示的实施例，并且使用特定语言来对其进行描述。然而，应该理解，不旨在对本公开的范围进行限制。如对于本公开所涉及的本领域技术人员正常将理解，本公开中完全预期和包括对所描述的设备、系统和方法的任何改动和进一步的修改以及对本公开的任何其他应用。特别是，完全预期，关于一个实施例所描述的特征、部件和/或步骤可以与关于本公开的其他实施例描述的特征、部件、和/或步骤相组合。然而，出于简洁的目的将不单独地描述这些组合的众多重复。
图1是根据本公开的方面的超声成像系统100的图解性示意图。超声成像系统100可以包括成像设备120、处理系统106、用户显示器108和振动源130。处理系统106与成像设备120和用户显示器108通信以控制系统100的一个或多个方面。超声成像系统100可以是适于在可视化患者的组织、器官和解剖结构时使用的任何类型的成像系统。在一些实施例中，超声成像系统100是剪切波弹性成像成像系统。在一些情况下，系统100可以包括另外的元件，和/或可以在没有图1中图示的元件中的一个或多个的情况下被实施。
在一些实施例中，成像设备120被定尺寸和定形状为被放置在对象的解剖结构上或附近以执行超声成像程序。成像设备120可以被直接放置在对象的身体上和/或在对象的身体附近。例如，成像设备120可以在获得成像数据时直接与对象的身体接触。在一些实施例中，设备120包括可以被直接放置在对象的身体上或附近的一个或多个成像元件。在其他实施例中，成像设备的壳体被放置为直接与对象的身体接触，使得成像元件在对象的身体附近。所述对象可以是人类患者或动物。成像设备120可以是便携的，并且可以适合于由用户在医学环境中使用。例如，成像设备120可以是剪切波超声成像探头。
成像设备120可以包括换能器阵列124。在一些实施例中，壳体环绕并保护成像设备120的各种部件。在一些实施例中，壳体是便携的，并且可以被定尺寸和定形状为被操作者手持抓住。壳体可以适合于灭菌过程。壳体可以包括用于固定各种部件的内部结构。例如，换能器阵列可以被放置在壳体的远侧部分的腔室中。
换能器阵列124可以包括若干换能器元件。这些元件可以以一维或二维阵列方式被放置。在一些实施例中，阵列124的换能器元件被配置为发射超声信号并且接收对应于发射的超声信号的超声回波信号。成像设备120和阵列124的发射和接收数据可以经由第一通信线路114在处理系统与成像设备120之间进行传输。例如，接收的超声回波信号可以通过第一通信线路114被传输到处理系统106以进行处理。
换能器阵列124可以包括多个换能器元件。在一些实例中，这些元件可以以一维阵列、1.x维阵列(诸如1.5维阵列)或二维阵列方式被布置。任何数量的元件可以被包括在超声换能器组件120中，例如，1、2、4、8、16、32、64、128、256、512个等。阵列124能够是任何合适的配置，诸如相控阵列，包括平面阵列、弧形阵列等。阵列124能够是矩阵阵列，包括能够被统一地或独立地控制并激活的超声元件的一个或多个节段(例如，一个或多个行、一个或多个列和/或一个或多个取向)。成像设备120能够包括任何合适的换能器类型，包括压电微加工超声换能器(PMUT)、电容式微加工超声换能器(CMUT)、单晶体、锆钛酸铅(PZT)、PZT复合材料、其他合适的换能器类型和/或其组合。在一些实施例中，阵列124的换能器元件被配置为发射超声信号并且接收对应于发射的超声信号的超声回波信号。在这方面，超声换能器或成像设备120能够被配置为获得患者的解剖结构的一维、二维和/或三维图像。超声回波信号可以被存储在存储器中和/或被传输到处理系统106以便进一步处理。
设备120可以结合振动源130被使用，振动源130经由第二通信线路116与处理系统106通信。振动源130被配置为以各种频率振动以在患者的解剖结构中引起振动或波。例如，振动源130可以被配置为以各种频率在解剖结构中引起剪切波。在一些实施例中，振动源130可以包括一个或多个振动器或振动元件。在图1中图示的实施例中，振动源130包括第一振动器131和第二振动器132。第一和/或第二振动器131、132能够包括各种各样的形状，包括球形(球)、杆、圆柱形等。已经在例如Bonnefous等人的美国专利US 6561981中描述了用于剪切波弹性成像的机械振动源，其全部内容以引用方式被并入本文。第一振动器和第二振动器131、132可以被配置为同时或在不同的时间振动。振动源130可以包括与成像设备120分开的部件。在其他实施例中，振动源130可以通过壳体被耦合到成像设备120。例如，壳体可以包封成像设备120和振动源130以形成系统100的一个一体的部件。尽管图1中示出的振动源130包括两个振动器131、132，但是应理解本公开设想了包括更少或更多个振动器的实施例。例如，振动源130可以包括1、2、3、4、5或更多个振动器。
图2示出了引起进入患者的组织10的剪切波150的剪切波弹性成像超声设备120的图解性视图。为了引起剪切波150，设备120将推动脉冲140引导到组织10内。在图示的实施例中，推动脉冲140可以由超声换能器或换能器阵列(诸如图1中描绘的阵列124)引起。在其他实施例中，剪切波150可以通过激活外部振动源(例如，图1，130)以一个或多个频率振动来引起。剪切波150能够是在其轨迹中使组织10位移的横向波或压缩波。在图示的实施例中，剪切波150可以从推动脉冲140的目标向外球形地传播。在一些实施例中，剪切波150可以远离设备120和/或振动源130传播。设备120能够从当剪切波150行进通过组织10时表现出剪切波150的组织10获得超声数据。例如，通过在组织10中的多个位置处确定或测量剪切波150的速度，系统100能够在多个位置中的每一个处确定组织10的相对和/或绝对弹性。
图3示出了根据一些实施例的剪切波弹性成像系统的图形用户接口200。图形接口200能够包括解剖结构的超声图像210，诸如B模式图像。另外，接口200能够显示视觉描绘220，诸如与图像210上的选定位置或区域212处的组织的弹性相关联的值。与解剖结构的弹性相关联的视觉描绘220可以依据选定位置212而改变。例如，医师可以在B模式图像210中识别她希望检查的特征。通过选择与识别的特征相关联的位置，医师能够更新视觉描绘220以指示识别的特征处的组织的弹性。
图4示出了根据另一实施例的剪切波弹性成像系统的图形用户接口200。在图4的实施例中，图形接口200能够包括与解剖结构的区域中的多个点处的组织的弹性相关联的图230。在图4的实施例中，图230是被叠加在B模式图像210上的被成像解剖结构的弹性的二维表示。在一些实施例中，图230包括置信图和/或热图。图230可以通过各种颜色或色调来表示弹性值。在一些实施例中，弹性值可以对应于具体的颜色或色调。在其他实施例中，弹性的相对差异可以对应于具体的颜色或色调。在接口200的右侧的图例240示出了图230的像素或区域的颜色与弹性值之间的关联性。在一些实施例中，图230可以包括图像210的更小或更大部分。例如，在一些实施例中，图230可以包括图像210的基本上全部，使得医师能够观察图像210中的所有点处的被成像解剖结构的弹性。相比之下，医师可以选择仅选定图像210的一小部分来与图230叠加。接口200也可以包括分析面板250，分析面板250被配置为显示图像210、系统和/或被成像解剖结构的一个或多个特性。例如，面板250能够包括与解剖结构的弹性、与图像210中的图230相关联的解剖结构的横截面面积和与弹性测量相关联的统计计算相关联的各种数值。图3和4中描绘的实施例通过以千帕(kPa)为单位测量的杨氏模量来表示弹性。然而，通过其他模量、量度和/或值来表示解剖结构的弹性在本公开的范围内。例如，在一些实施例中，解剖结构的弹性可以通过以米每秒为单位测量的剪切波的检测速度来表示。在其他实施例中，弹性可以通过无量纲值(诸如比例)来表示。
如上面讨论的，虽然在诊断各种疾病时弹性是有用的特性，但是一些疾病不能通过观察弹性而被容易地检测到。一些疾病可能通过组织的其他性质(诸如粘度)来表现它们自己。例如，在脂肪变性中，肝脏将脂肪积聚在肝脏组织的各种区域中。过多的脂肪和肝脏性质的其他变化可以通过观察肝脏的粘度而被更容易地识别。在一些方面中，检测剪切波并确定剪切波的一个或多个方面也能够用来确定解剖结构的粘度。
图5是根据本公开的实施例的被示为在解剖结构中引起第一剪切波151和第二剪切波152的剪切波成像系统的剪切波超声设备120的示范性图示。在一些方面中，图5的设备120可以类似于图1的设备。例如，图5的设备120包括振动源130。第一和第二剪切波151、152可以由振动源130引起或提供动力。振动源130可以是与成像系统分开的部件，或可以是设备120的一部分。
在一些实施例中，振动源130包括机械振动器或振动元件。在其他实施例中，振动源130可以包括超声换能器，所述超声换能器通过机械地振动整个换能器表面来引起剪切波。在其他实施例中，剪切波能够通过将长推动脉冲发射到解剖结构内来生成。超声换能器能够被配置为除了跟踪剪切波的传播之外获得解剖结构的超声成像数据。在其他实施例中，振动源130包括机械振动器和超声换能器两者，所述机械振动器和超声换能器中的任一者能够用来适应不同的情况。例如，解剖结构的一些区域可能不适合于促进机械振动的传播，在此情况下超声换能器能够用来在解剖结构中引起剪切波。在一些实施例中，处理系统106被配置为基于成像数据确定是机械振动还是超声推动脉冲应当用来引起剪切波。
振动源130能够被处理系统激活以用第一频率f1引起第一剪切波151。第一剪切波151可以传播通过解剖结构的与设备120的视场160相关联的区域。视场160能够是解剖结构的要被设备120的超声换能器成像的区域。视场160可以被超声系统100成像并表示为B模式图像。在一些实施例中，超声系统100被配置为以高帧率获得视场160的超声数据。例如，帧率可以足够高以观察传播通过解剖结构中的视场160的第一剪切波151的影响。
通过获得表现出传播的第一剪切波151的视场160的超声数据，成像系统100能够在视场160中的多个位置处确定第一剪切波151的第一剪切波速度。如在下面关于图6和7进一步描述的，成像系统100可以被配置为根据时间在视场160内的多个被跟踪位置处检测或确定由第一剪切波151引起的组织的位移，以产生针对被跟踪位置中的每一个的位移标绘图。如果被跟踪位置之间的距离是已知的，第一剪切波151(并且类似地，第二剪切波152)的速度能够通过例如比较第一被跟踪位置处的解剖结构的位移的标绘图与第二被跟踪位置处的解剖结构的位移的标绘图来获得。在一些实施例中，被跟踪位置之间的相对距离是已知的，并且在其他实施例中，被跟踪位置之间的绝对距离是已知的。成像系统100可以然后编译与视场160中的多个位置中的每一个(例如，相关联的B模式图像中的每个像素)相关联的第一剪切波速度信息，以生成视场160中的第一剪切波速度的第一图或标绘图162a。
接下来，成像系统激活振动源130以第二频率f2在解剖结构中引起第二剪切波152。第二频率f2能够不同于第一频率f1。在图示的实施例中，第二频率f2被示为大于第一频率f1。在其他实施例中，第二频率f2能够小于第一频率f1。成像系统100能够获得表现出第二剪切波152的解剖结构的视场160的高帧率超声数据。基于表现出行进的第二剪切波152的超声数据，系统能够在视场160中的多个位置处确定第二剪切波152的第二剪切波速度。与第二剪切波152相关联的多个位置可以与获得第一剪切波151的数据的多个位置完全相同或相关联。系统然后可以编译与视场中的多个位置中的每一个处的第二剪切波152相关联的剪切波速度信息，以生成视场160中的第二剪切波速度的第二图或标绘图162b。第一和第二图162a、162b可以或可以不被生成为要被输出到显示器的视觉描绘。在一些实施例中，第一和第二图162a、162b不包括被配置为被输出到显示器的视觉描绘，但是包括被处理系统用来生成诸如粘度图164的其他视觉描绘的数据。
粘度图164能够通过比较第一图162a与第二图162b来生成。例如，粘度图164能够通过从第二图162b减去第一图162a来创建生，或反之亦然。在一些实施例中，粘度图164还通过频率f1-f2的差来归一化，或反之亦然。换言之，在一些实施例中，粘度图164能够通过使用以下关系分析第一和第二剪切波速度来生成：
Figure BDA0002951688010000101
其中，η表示评价组织粘度的弹性散布组织性质，Δcs是第二剪切波速度与第一剪切波速度之间的差，并且Δf是第一频率f1与第二频率f2之前的差，或反之亦然。该关系能够用来针对视场160中的多个位置中的每一个(例如，B模式图像中的每个像素)计算解剖结构的粘度。通过计算视场160中的多个位置中的每一个处的粘度，粘度图和/或视觉描绘能够被生成以指示多个位置中的每一个处的解剖结构的粘度。
图6和7分别描绘了由第一剪切波151和第二剪切波152引起的组织或解剖结构的位移的曲线图或标绘图。参考图6，第一剪切波151能够由剪切波超声系统通过检测多个被跟踪位置中的每一个处的组织的位移来检测，每个被跟踪位置处的位移被示为单独的标绘图或曲线。因此，单独的标绘图312、314、316针对被跟踪位置1、被跟踪位置2和被跟踪位置3中的每一个被创建。标绘图312、314、316被示为具有指示第一剪切波151的波或振荡图案。针对被跟踪位置1、2和3的标绘图312、314、316中的每一个与彼此间隔开，指示第一剪切波151从被跟踪位置1行进到被跟踪位置2、到被跟踪位置3的延迟320a。如果被跟踪位置1、2和3之间的距离是已知的(例如，绝对地或相对地)，第一剪切波151的第一波速能够例如通过第一剪切波151从被跟踪位置2行进到被跟踪位置3的以毫秒为单位测量的延迟320a来确定。延迟320a可以通过分别定位与被跟踪位置2相关联的第二标绘图314和与被跟踪位置3相关联的第三标绘图316的对应峰值324、326来确定。例如，被跟踪位置3与被跟踪位置2之间的已知距离能够除以峰值326和324的位置之间的延迟320a，以确定被跟踪位置2与被跟踪位置3之间的位置处的第一波速。该过程能够针对视场中的多个位置中的每一个被重复以生成第一图162a。
现在参考图7，曲线图300描绘了标绘图312、314和316，现在示出了在第二频率f2下的第二剪切波152的位移。在描绘的实施例中，通过图7中的曲线图300表示的第二剪切波152的第二频率f2大于通过图6中的曲线图300表示的第一剪切波151的第一频率f1。图7的标绘图312、314、316能够与在上面关于图6讨论的类似地进行比较。在这方面，延迟320b能够被计算为第三峰值326和第二峰值324的时间位置(即，曲线图300的时间轴)的差。可以观察到被跟踪位置2和3之间的延迟320b大于与在第一频率f1下的利用第一剪切波151相关联的相同被跟踪位置之间的延迟320a。换言之，与第二剪切波152相关联的第二剪切波速度小于与第一剪切波151相关联的第一剪切波速度。如在上面关于图6讨论的，确定针对视场160中的多个位置中的每一个的延迟(例如，320b)的过程，其中，多个位置中的每一个之间的距离是已知的，系统能够生成第二图162b，在第二图162b上示出多个位置中的每一个处的第二波速。
尽管粘度能够被表示为通过频率的差归一化的第一和第二剪切波的波速的差，但是其他公式和关系也能够用来基于行进剪切波的一个或多个特性确定粘度。例如，剪切波速度和衰减能够指示介质(例如，器官、组织)的弹性和粘度。介质的粘弹性性质能够通过由以下关系定义的复数剪切模量G(ω)来描述：
G(ω)＝Gs(ω)+i*Gl(ω)
其中，Gs(ω)是储能模量或弹性模量，并且Gs(ω)是损耗模量。粘度η(ω)能够被定义为损耗模量Gl(ω)与频率的比。剪切波速度cs(ω)和衰减αs(ω)通过以下关系与上面描述的复数剪切模量相关：
Figure BDA0002951688010000121
其中，ρ表示介质的密度，并且Gs(ω)和Gl(ω)是上面描述的。使用这些关系和解剖结构的已知性质，解剖结构的粘弹性性质能够被确定。在一些方面中，这些关系能够在仅引起一个剪切波和/或使用表现出单个频率的剪切波的情况下用来确定解剖结构的弹性和粘度。上面的关系可以便于“无模型”方法来确定粘度。
在其他方面中，一个或多个材料模型能够用来确定弹性模量和损耗模量并且因此解剖结构的粘弹性性质。下表中示出的一些常见模型包括Kelvin-Voigt模型、Maxwell模型和Zener模型：
Figure BDA0002951688010000122
其中，μ是弹性模量，ω是剪切波的频率，并且η是粘度。上面的模型能够用来将已知的弹性模量Gs和损耗模量Gl转变成弹性和/或粘度的近似。在一些实施例中，这些模型能够用来通过剪切波在一个频率下的剪切波速度和衰减来确定粘度。
在一些实例中，测量或确定上面描述的关系和模型所需的一个或多个值或变量会是困难的或不切实际的。例如，在一些实例中，可靠地确定剪切波的衰减会是不切实际的。确定或近似组织的密度会是困难的。在这方面，本公开包括通过确定剪切波在多于一个频率下的速度的差并且通过频率的差归一化波速的差来确定解剖结构的粘度的方法、系统和设备。
图8示出了被配置为指示与超声图像410上的一个或多个位置相关联的解剖结构的粘度的图形用户接口400的示范性实施例。接口400能够包括患者的解剖结构(诸如患者的组织)的超声图像410。在一些方面中，图像410能够是B模式超声图像。接口400能够还包括粘度标绘图420和视觉描绘430。图示的实施例的接口400还包括分析面板450，分析面板450被配置为显示图像410、系统100和/或被成像解剖结构的一个或多个特性。例如，面板450能够包括与解剖结构的弹性和/或粘度、与视觉描绘430和/或标绘图相关联的解剖结构的横截面面积和与粘度和/或弹性测量相关联的统计计算相关联的各种数值。
标绘图420可以描绘用不同频率在解剖结构中引起的多个剪切波的波速。在图示的实施例中，标绘图420示出了以七个不同频率引起的七个剪切波的波速。标绘图420上的个体点都可以与图像410上的一个位置相关联。位于可以包括图像410的点、两个点之间的线或区域。例如，在一些实施例中，标绘图420可以描绘行进通过由被叠加在图像410上的边界界定的区域440的剪切波的平均剪切波速度。
在图8的实施例中，视觉描绘430包括图像410上的位置处的根据通过频率归一化的剪切波速度的粘度的数值。在其他实施例中，视觉描绘430可以包括与粘度相关联的数值，诸如poiseuille(PI)或帕-秒。如下面描述的，在一些实施例中，视觉描绘430可以包括非数值指示物，诸如标绘图、曲线图、热图或尺度。视觉描绘430和标绘图420在分析解剖结构的性质和特征时(例如，在诊断肝脏中的脂肪变性或影响患者的器官和组织的粘度的其他疾病时)可以是有用的。
图9和10示出了显示解剖结构的各种性质的图形用户接口500的配置。在一些实例中，图9中描绘的接口500包括解剖结构的超声图像510和与解剖结构的与图像510的区域相关联的部分的弹性的二维图520。图520能够是热图520。热图能够分配和/或显示与针对图520中表示的每个位置的各种弹性值的各种色调或颜色。例如，在一些实施例中，图520的区域中包括的每个像素与弹性值相关联，并且不同的颜色或色调基于弹性值被应用。在接口500右侧的尺度540允许医师将图520中的颜色与弹性值相关。在一些实施例中，图520的颜色与“绝对”弹性值(诸如杨氏模量)相关联。在其他实施例中，图520的颜色指示相对弹性值，并且被配置为指示与图520的区域相关联的组织的弹性的相对差异。在其他实施例中，图520的颜色指示在某一频率(例如150Hz)下的剪切波速度。
参考图10，接口500包括被叠加在图像510上的粘度图530，粘度图530指示与图像510中的多个位置相关联的粘度。图530可以包括并叠加在图9中的被图520叠加的图像510的类似区域上。如同图9中的图520，图530可以包括热图，所述热图被配置为通过应用于与针对图530中的多个位置中的每一个的各种粘度值有关的各种各样的颜色或色调而跨图指示值和/或粘度的差异。在接口500右侧的尺度540能够允许医师将图530中的颜色或色调与粘度值相关。在一些实施例中，图530的颜色与“绝对”粘度值(诸如米/秒-Hz或帕-秒)相关联。在其他实施例中，图530的颜色指示与图530的区域相关联的解剖结构的相对粘度值。
在一些实施例中，图520可以叠加在图像510的更大或更小部分上。例如，在一些实施例中，图520、530可以叠加在整个图像510上。在其他实施例中，图520、530可以叠加在图像51的相对小的区域上。在一些实施例中，图9和10的接口500可以被组合成单个接口。例如，接口500可以被并排显示。在其他实施例中，接口500被示出在单个窗口中。在一些实施例中，用户可以在图9的接口500与图10的接口400之间进行切换。
图11是根据一些实施例的用于确定解剖结构的粘度的方法600的流程图。方法600的一个或多个步骤可以由剪切波超声成像系统(诸如图1中示出的系统100)来执行和/或促进。在方框610中，系统经由处理系统激活振动源以用第一频率在解剖结构中引起第一剪切波。第一频率可以是可由系统检测到的任何合适的频率。在一些实施例中，频率在从50Hz至400Hz的范围内变动。在一个实施例中，频率可以在从100Hz至300Hz的范围内变动。振动源能够被配置为以第一频率振动达一个或多个周期，例如达2–100个周期。
在方框620中，系统获得表示展现第一剪切波的解剖结构的超声数据。在一些实例中，超声数据可以是由外部超声探头获得的超声成像数据。在一些实例中，获得的超声数据可以用来编译解剖结构的B模式图像。为了检测跨解剖结构传播的第一剪切波，超声数据可以以高到足以用于成像系统确定第一剪切波的第一波速的帧率来获得。
在方框630中，系统经由处理系统激活振动源以用第二频率在解剖结构中引起第二剪切波。第二频率可以位于如上面描述的类似范围(诸如50Hz至400Hz)内，并且振动源可以以第二频率振动例如达2-100个周期或连续地振动直至跟踪停止，例如在100ms内。在方框640中，系统获得表示展现第二剪切波的解剖结构的超声数据。如上面描述的，超声数据可以是由外部超声探头获得的超声成像数据。在一些实例中，获得的超声数据可以用来编译解剖结构的B模式图像。为了检测跨解剖结构传播的第二剪切波，超声数据可以以高到足以用于成像系统确定第一剪切波的第一波速的帧率来获得。
基于获得的第一和第二剪切波的超声数据，在方框650中，确定第一剪切波的第一波速和第二剪切波的第二波速。第一和第二波速可以根据关于图6和7描述的方法来确定。例如，超声数据可以指示解剖结构中的一个或多个位置处的组织或解剖结构随着时间的位移。如图6和7中示出的，给定位置(例如，被跟踪位置1、2或3)处的组织位移可以根据第一或第二剪切波表现出波图案。通过确定并比较第一和第二剪切波从一个位置到另一位置(例如，从被跟踪位置2到被跟踪位置3)传播通过解剖结构的延迟，成像系统能够确定第一和第二剪切波的第一和第二波速。在方框660中，波速能够进行比较并通过第一频率和第二频率的差来归一化，以确定表示解剖结构的粘度或表示粘度或与粘度相关联的解剖结构的性质。
应理解，方法600可以以除了图11中描绘的顺序之外的顺序被执行。例如，在一些实施例中，成像系统可以获得在引起第一和第二剪切波的同时表现出第一和第二剪切波的解剖结构的超声数据。在一些实施例中，第一和第二剪切波可以被同时引起。例如，在一个实施例中，振动源被配置为发射宽频带振动，其中，多个振动频率被编码在长持续时间的振动中，导致剪切波表现出宽范围的频率，并且成像系统被配置为获得表现出宽频带剪切波的解剖结构的超声数据。通过该将带通滤波器应用于超声数据，成像系统能够识别以第一频率(或第一范围的频率)传播的第一剪切波或宽频带剪切波的第一分量和以第二频率(或一范围的频率)传播的第二剪切波或宽频带剪切波的第二分量。第一和第二剪切波的波速能够被比较以确定解剖结构的粘度。
图12是根据本公开的实施例的被示为在解剖结构中引起第一剪切波151、第二剪切波152和第三剪切波153的剪切波超声设备120的示范性图示。设备120可以与图5中示出的设备120类似或完全相同。在图12的实施例中，除了第一和第二剪切波151、152之外，设备120进一步以第三频率f3引起第三剪切波153。第一、第二和第三剪切波151、152、153可以由单个振动源130引起，或第一、第二和第三剪切波151、152、153中的每个可以由单独的振动源引起。第一、第二和第三剪切波151、152、153可以在单独的时间被引起，或第一、第二和第三剪切波151、152、153中的一个或多个能够被同时引起。在示范性实施例中，第一、第二和第三剪切波151、152、153通过相同振动源130被顺序地引起。在图12的实施例中，第二频率f2大于第一频率f1，并且第三频率f3大于第二频率f2。然而，本公开设想了频率f1、f2、f3的任何合适的顺序或布置，包括上升的或下降的频率。
图12的成像系统还被配置为除了第一和第二剪切波151、152之外检测第三剪切波153，并且确定第三剪切波153的第三波速。成像系统能够获得表示视场160中的表现出第三剪切波153的解剖结构的超声数据。通过在视场160中的多个位置处确定第三波速，成像系统能够被配置为编译或生成第三波速图162c。第三波速图162c能够与第一和/或第二波速图162a、162b进行比较，并且通过频率差来归一化以确定组织的粘度。通过引起第三剪切波153并确定第三波速，系统可以改善确定解剖结构的粘度的一个或多个方面，诸如信噪比(SNR)方面的改善和/或个体粘度测量方面的更准确性。
图13示出了根据本公开的一些实施例的引起第一剪切波151和第二剪切波152的剪切波成像系统的剪切波超声设备120。在图13的实施例中，设备120包括第一振动源131和第二振动源132。在一些方面中，设备120也能够被描述为包括单个振动源，所述单个振动源包括第一振动器131和第二振动器132。在图示的实施例中，设备120被示为经由第一振动器或振动源131以第一频率f1引起第一剪切波151，并且经由第二振动器或振动源132以第二频率f2引起第二剪切波152。在一些实施例中，所述设备被配置为经由第一振动器和第二振动器131、132同时引起第一和第二剪切波。通过同时引起第一和第二剪切波，系统能够减少针对每个粘度图的采集时间。在此类实施例中，系统被配置为获得表示视场160中的表现出第一和第二剪切波151、152的解剖结构的超声数据。如果第一和第二剪切波同时传播或行进通过视场160，成像系统能够被配置为将定向滤波器应用于获得的超声数据，以便检测第一剪切波和第二剪切波。在将定向滤波器应用于超声数据以检测第一和第二剪切波151、152之后，系统能够针对视场内的多个位置确定与第一和第二剪切波相关联的第一波速和第二波速。系统然后能够生成表示第一和第二剪切波在视场160中的每个位置(例如，视场中的每个像素)处的第一和第二波速的第一波速图和第二波速图。第一和第二图能够通过例如从第一图的波速减去第二图的波速来进行比较，并且通过第一频率和第二频率差对每个波速进行归一化。
应该理解，尽管设备120被示为以不同的频率f1和f2引起剪切波，但是在其他实施例中，图13的设备120能够被配置为使得两个振动器以相同频率或一范围的频率引起剪切波。例如，两个振动器131、132能够被配置为在第一时间以第一频率引起第一剪切波，并且在第二时间以第二频率引起第二剪切波。这样的配置可以改善SNR，并且可以至少部分地解决跨视场160行进的剪切波的偏置衰减。例如，与左下角相比，由第一振动器131引起的剪切波会在视场的右下角经历增加的衰减。通过同时激活第二振动器132来引起剪切波，波的信号和/或衰减能够跨视场160是更平衡的。
图14描绘了根据本公开的另一实施例的图13的剪切波超声设备120。在图14中，包括第一振动器和第二振动器131、132的超声设备能够被配置为分别在第一时间引起第一和第二剪切波。设备120然后能够在第二时间使振动器131、132交替，使得第一振动器131以第二频率f2引起第二剪切波152，并且第二振动器132以第一频率f2引起第一剪切波151。尽管第一振动器131被视为在第一时间引起第一剪切波151，并且在第二时间引起第二剪切波152，但是由第二振动器132在第二时间引起的第一剪切波151能够备选地被称为第三剪切波。同样地，由第一振动器131在第二时间引起的第二剪切波152能够被称为第四剪切波。
如在上面关于图13描述的，当第一和/或第二剪切波151、152跨视场160对角地传播时，剪切波151、152的位移或强度从左向右衰减，并且反之亦然。上面描述的一种解决方案是激活两个振动器131、132以相同频率引起剪切波。图14的实施例提出了另一解决方案，其包括使振动器131、132交替以在不同时间以第一和第二频率f1、f2引起剪切波。这样的配置也可以改善SNR，并且补偿信号的偏置衰减。
参考图14，在第一时间，系统获得超声数据，并且应用定向滤波器以个体地检测第一和第二剪切波151、152。超声数据用来生成第一波速图162a和第二波速图162b。在第二时间，其中，振动器131、132已经被交替来引起第二剪切波152和第一剪切波151，系统获得另外的超声数据，并且应用定向滤波器以个体地检测第一和第二剪切波151、152(或分别地，第四和第三剪切波)。在第二时间获得的超声数据用来生成第三波速图162c和第四波速图162d。与第一频率f1相关联的第一和第四波速图162a、162d然后能够通过例如平均第一和第四波速图162a、162d的个体值来进行组合，以产生针对频率f1的第一组合的波速图164a。第二和第三波速图162b、162c也被组合，以产生与第二频率f2相关联的第二组合的波速图164b。与在两个不同频率f1和f2下的个体速度图162a-162d相比具有更好SNR的第一和第二组合的波速图164a、164b然后能够用来如之前描述的那样产生粘度图166。
本领域技术人员将认识到，以上描述的装置、系统和方法可以多种方式进行修改。因此，本领域技术人员将领会，由本公开所包含的实施例不限于以下描述的特定示范性实施例。在该方面，尽管己经示出和描述了说明性实施例，但是在以上公开中预期宽范围的修改、改动和替换。要理解，可以对前文进行这样的变化而不偏离本公开的范围。因此，合适的是，随附权利要求被宽泛地并且以与本公开相符地方式理解。

Claims (17)

1.一种用于确定解剖结构的粘度的系统，包括：
超声换能器；
振动源；以及
处理系统，其与所述超声换能器和所述振动源通信，所述处理系统被配置为：
激活所述振动源以用第一频率在所述解剖结构中引起第一剪切波；
激活所述振动源以用第二频率在所述解剖结构中引起第二剪切波；
激活所述超声换能器以获得表示展现所述第一剪切波和所述第二剪切波的所述解剖结构的超声数据；
确定所述第一剪切波在所述解剖结构中的第一波速和所述第二剪切波在所述解剖结构中的第二波速；并且
通过比较所述第一波速与所述第二波速来确定所述解剖结构的所述粘度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述振动源包括第一振动器和第二振动器，并且其中，所述处理系统被配置为：激活所述第一振动器来引起所述第一剪切波，并且激活所述第二振动器来引起所述第二剪切波。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理系统被配置为激活所述第一振动器和第二振动器来交替地引起所述第一剪切波和所述第二剪切波。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述振动源包括第一振动器和第二振动器，并且其中，所述处理系统被配置为：激活所述第一振动器和第二振动器以在第一时间引起所述第一剪切波，并且激活所述第一振动器和第二振动器以在第二时间引起所述第二剪切波。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理系统被配置为：
激活所述振动源来发射包括所述第一频率和所述第二频率的宽频带振动；并且
应用带通滤波器以确定所述第一波速和所述第二波速。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理系统被配置为将定向滤波器应用于所获得的超声数据。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述处理系统通信的用户显示器，其中，所述处理系统被配置为：
确定在所述解剖结构的视场中的多个点处的所述解剖结构的粘度；
由所述处理系统生成与所述视场中的所述多个点中的每个点处的所述解剖结构的所述粘度相关联的视觉描绘；并且
向所述用户显示器输出所述视觉描绘。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述处理系统被配置为：
激活所述超声换能器获得所述解剖结构的超声成像数据；
基于所获得的超声成像数据来生成所述解剖结构的超声图像；并且
向所述用户显示器输出被叠加在所述超声图像上的所述视觉描绘。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述视觉描绘包括与所述第一和第二波速相关联的标绘图或者表示所述视场内的所述粘度的图中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理系统被配置为：
激活所述振动源以用第三频率引起第三剪切波；
确定所述第三剪切波的第三波速；并且
通过比较所述第一波速、所述第二波速和所述第三波速来确定所述解剖结构的所述粘度。
11.一种用于确定解剖结构的粘度的方法，包括：
由振动源用第一频率在所述解剖结构中引起第一剪切波；
由所述振动源用第二频率在所述解剖结构中引起第二剪切波；
由超声换能器获得表示展现所述第一剪切波和所述第二剪切波的所述解剖结构的超声数据；
由与所述振动源和所述超声换能器通信的处理系统基于所获得的超声数据来确定所述第一剪切波在所述解剖结构中的第一波速和所述第二剪切波在所述解剖结构中的第二波速；以及
由所述处理系统通过比较所述第一波速与所述第二波速来确定所述解剖结构的所述粘度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述振动源包括第一振动器和第二振动器，并且其中，引起所述第一剪切波包括使用所述第一振动器引起所述第一剪切波，并且其中，引起所述第二剪切波包括使用所述第二振动器引起所述第二剪切波。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，引起所述第一剪切波和引起所述第二剪切波包括交替地通过所述第一振动器和所述第二振动器来引起所述第一剪切波和所述第二剪切波。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述振动源包括第一振动器和第二振动器，并且其中，引起所述第一剪切波和引起所述第二剪切波包括由所述第一振动器和所述第二振动器在第一时间引起所述第一剪切波，并且由所述第一振动器和所述第二振动器在第二时间引起所述第二剪切波。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，引起所述第一剪切波和引起所述第二剪切波包括由所述振动源发射包括所述第一频率和所述第二频率的宽频带振动，并且其中，所述的确定所述第一波速和所述第二波速包括应用带通滤波器。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括：
由所述处理系统确定在所述解剖结构的视场中的多个点处的所述解剖结构的粘度；并且
由所述处理系统生成与所述视场中的所述多个点中的每个点处的所述解剖结构的所述粘度相关联的视觉描绘。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
由所述超声换能器获得所述解剖结构的超声成像数据；
由所述处理系统基于所获得的超声成像数据来生成所述解剖结构的超声图像；并且
由所述处理系统向用户显示器输出被叠加在所述超声图像上的所述视觉描绘。
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