CN113227782A - 用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于估计对象的分数脂肪含量的方法和系统，该系统包括热声成像系统，该热声成像系统包括可调整的射频(RF)施加器以及声接收器，该可调整的射频(RF)施加器被配置为将RF能量脉冲发射到感兴趣区域(ROI)中并加热其中的组织，该声接收器被配置为接收响应于ROI中的组织的加热而生成的双极声信号；以及一个或更多个处理器。该一个或更多个处理器能够处理响应于使用RF施加器发射到ROI中的RF能量脉冲而由声接收器接收的双极声信号，以确定RF施加器的产生具有至少一个增强度量的双极声信号的设置，确定RF施加器的用于产生具有增强的至少一个度量的双极声信号的阻抗，并使用所确定的阻抗来估计对象的分数脂肪含量。

Description

用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法和系统
领域
本主题公开涉及热声(thermoacoustic)成像，并且具体地涉及用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量(fractional fat content)的方法和系统。
背景
肝脂肪变性(还称为脂肪肝疾病)是肝细胞遭受异常细胞内脂肪积聚(主要以甘油三酯(TG)的形式存在)的病症。肝脂肪变性的两种主要类型是酒精性肝病(ALD)和非酒精性脂肪肝疾病(NAFLD)。在美国，NAFLD是慢性肝病最常见的原因。肝脂肪变性可导致进行性肝病，并且是心血管疾病和糖尿病的危险因素。带有组织学分析的肝活检通常用于脂肪肝的诊断和分级。然而，由于组织学分析的肝活检的侵入性和局限性(例如缺乏整个肝脏的代表性)，基于横断面成像的非侵入性评估正在研究中。
超声成像已被用于评估肝脂肪变性。超声成像使用频率高于人类听觉频率(>20000Hz)的声波。这些声波使用探针脉动进入组织。声波在组织上产生回波。不同的组织反射不同程度的声音。这些回波通过信号处理分析，并使用临床超声重建算法进一步处理，以重建超声图像以进行呈现和供操作者解释。使用超声成像可以重建许多不同类型的图像。一种这样的类型是显示组织的二维横截面的声阻抗的B型图像(B-mode image)。然而，超声成像在评估肝脂肪变性方面的可重复性和再现性较差。
非增强计算断层扫描(CT)已用于评估肝脂肪变性。使用非增强CT，可以根据其衰减值和与脾和血液的相对关系来诊断脂肪肝。然而，非增强CT的灵敏度是有限的。
磁共振成像(MRI)已被用作诊断和量化肝脂肪变性的非侵入性成像形式。MRI数据可以被处理，以估计质子密度脂肪分数(PDFF)作为分数脂肪含量的量度。但是，MRI是昂贵的。
热声成像是提供与组织的热弹性特性相关的信息的成像形式。热声成像使用诸如射频(RF)脉冲的短电磁能脉冲，其被引导到受试者中以便快速加热受试者体内的吸收特征，这继而引起声压力波，使用声接收器(诸如一个或更多个热声换能器阵列)来检测该声压力波。通过信号处理对所检测到的声压力波进行分析，并且处理该声压力波以用于作为可由操作者解释的热声图像呈现。
热声成像可用于将脂肪或脂肪组织与软组织或瘠瘦组织进行对比，这是因为与其他富含水和离子的软组织或瘠瘦组织相比，它们在RF中的电导率和介电常数较低。与诸如肌肉的软组织相比，脂肪和脂肪组织还有更低的吸收系数。因此，热声图像提供了脂肪和脂肪组织以及诸如肌肉的软组织之间的强烈对比。
尽管已经考虑了对肝脂肪变性进行检测和分级的技术，但仍需要改进。因此，至少一个目的是提供一种新颖的方法和系统，以用于使用热声成像估计对象的分数脂肪含量。
概述
应当理解，提供该概述是为了以简化的形式介绍概念的选择，所述概念在下文的详述中进一步描述。本概述并不打算用于限制所要求保护主题的范围。
因此，在一个方面，提供了一种用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法，该方法包括(i)使用射频(RF)施加器(applicator)将一个或更多个RF能量脉冲引导到感兴趣区域中，该感兴趣区域包括被至少一个边界分开的感兴趣对象和至少一个参考物；(ii)使用声接收器检测响应于RF能量脉冲而在感兴趣区域中生成的至少一个双极声信号，并处理该至少一个双极声信号以确定该至少一个双极声信号的峰峰值幅度(peak-to-peakamplitude)；(iii)调整RF施加器的阻抗以增强响应于由调整后的RF施加器生成的RF能量脉冲而在感兴趣区域中生成的双极声信号的至少一个度量；以及(iv)基于RF施加器的调整后的阻抗来估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
在一个或更多个实施例中，至少一个度量是双极声信号的峰峰值幅度、双极声信号的最大幅度和双极声信号的包络中的至少一个。
在一个或更多个实施例中，调整RF施加器的阻抗以增强双极声信号的至少一个度量包括调整RF施加器的阻抗以最大化双极声信号的至少一个度量。
在一个或更多个实施例中，在步骤(i)期间，RF施加器被设置在预定义的阻抗。
在一个或更多个实施例中，基于RF施加器的调整后的阻抗来估计感兴趣对象的分数脂肪含量包括将调整后的阻抗与预定义的阻抗进行比较。
在一个或更多个实施例中，估计感兴趣对象的分数脂肪含量包括在查找表中查找调整后的阻抗。
在一个或更多个实施例中，调整RF施加器的阻抗包括以下项中的至少一项：调整RF施加器的调谐元件；调整RF施加器的波导的体积；以及调整RF施加器的波导内的温度。
在一个或更多个实施例中，边界在至少两个不同类型的组织之间的位置处。这两个不同类型的组织例如可以是以下情况中的一种：肌肉和脂肪；血管和脂肪；以及肝组织和肾组织。
根据另一方面，提供了一种用于估计感兴趣区域内的感兴趣对象的分数脂肪含量的系统，该系统包括热声成像系统，该热声成像系统包括可调整的射频(RF)施加器和声接收器，该可调整的射频(RF)施加器被配置为向感兴趣区域发射RF能量脉冲并加热感兴趣区域中的组织，该声接收器被配置为接收响应于感兴趣区域中的组织的加热而生成的双极声信号；以及一个或更多个处理器，该一个或更多个处理器被配置为处理响应于使用RF施加器发射到感兴趣区域中的RF能量脉冲而由声接收器接收的双极声信号，以确定RF施加器的设置，该设置产生具有至少一个增强度量的双极声信号；确定RF施加器的用于产生具有增强的至少一个度量的双极声信号的阻抗；并且使用所确定的阻抗来估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
在一个或更多个实施例中，至少一个度量是双极声信号的峰峰值幅度、双极声信号的最大幅度和双极声信号的包络中的至少一个。
在一个或更多个实施例中，RF施加器的设置是产生具有至少一个最大度量的双极声信号的设置。
在一个或更多个实施例中，一个或更多个处理器还被配置为使用查找表来估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
在一个或更多个实施例中，可调整的RF施加器包括被配置为改变RF施加器的波导的阻抗的至少一个调谐元件。
在一个或更多个实施例中，至少一个调谐元件是可旋转的，以改变波导的阻抗。
在一个或更多个实施例中，至少一个调谐元件在旋转期间产生可听见的咔嗒声(click)。
在一个或更多个实施例中，每个可听见的咔嗒声被用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
在一个或更多个实施例中，可调整的RF施加器包括具有可调整的体积的波导。
在一个或更多个实施例中，可调整的RF施加器包括被配置为改变RF施加器的波导内的温度的至少一个加热元件。
根据另一方面，提供了一种可调整的射频施加器，包括：波导；至少一个射频(RF)发射器，该至少一个射频(RF)发射器定位在波导内并被配置为生成RF能量脉冲，该波导被配置为将所生成的RF脉冲导向感兴趣区域；以及至少一个可调整的特征，该至少一个可调整的特征被配置为操纵波导的特性以调整RF施加器的阻抗。
根据另一方面，提供了一种用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法，该方法包括(i)使用射频(RF)施加器将一个或更多个RF能量脉冲引导到感兴趣区域中，该感兴趣区域包括被至少一个边界分开的感兴趣对象和至少一个参考物；(ii)使用声接收器检测响应于RF能量脉冲而在感兴趣区域中生成的至少一个双极声信号并处理该至少一个双极声信号以确定该至少一个双极声信号的峰峰值幅度；(iii)调整RF施加器的阻抗；(iv)使用调整后的RF施加器将一个或更多个RF能量脉冲引导到感兴趣区域中；(v)使用声接收器检测响应于由调整后的RF施加器生成的RF能量脉冲而在感兴趣区域中生成的至少一个双极声信号，并处理该至少一个双极声信号以确定该至少一个双极声信号的峰峰值幅度；(vi)将在步骤(v)中确定的峰峰值幅度与先前确定的峰峰值幅度进行比较；(v)重复步骤(iii)、(iv)和(v)直到在步骤(v)中确定的至少双极声信号的峰峰值幅度最大化，以及(vi)基于RF施加器的用于最大化双极声信号的阻抗来估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
根据另一方面，提供了一种用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法，该方法包括：使用射频(RF)施加器引导一个或更多个RF能量脉冲通过至少一个中间区域并进入包括感兴趣对象的区域，该一个或更多个RF能量脉冲具有已知频率和已知幅度；利用第一功率监视器测量RF能量脉冲的正向功率；利用第二功率监视器测量RF能量脉冲的反射功率；以及基于正向功率、反射功率和所述至少一个中间区域的估计厚度来估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
根据另一方面，提供了一种用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的系统，该系统包括热声成像系统，该热声成像系统包括射频(RF)施加器，该射频(RF)施加器被配置为发射RF能量脉冲穿过中间区域并进入包括感兴趣对象的感兴趣区域，并加热感兴趣区域中的组织；第一功率监视器，该第一功率监视器被配置为测量RF能量脉冲的正向功率；第二功率监视器，该第二功率监视器被配置为测量RF能量脉冲的反射功率；以及一个或更多个处理器，该一个或更多个处理器被配置为：基于所测量的正向功率、所测量的反射功率和所述至少一个中间区域的估计厚度来估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
附图简述
现在将参照附图更全面地描述实施例，其中：
图1是成像系统的示意图；
图2是形成图1的成像系统的部分的射频(RF)施加器的透视图；
图2A是移除了插入件的图2的RF施加器的分解图；
图3是图2的RF施加器的另一个透视图；
图3A是形成图2和图3的RF施加器的部分的RF源的透视图；
图4是示出示例性双极信号的曲线图；
图5是示出示例性电场强度衰减曲线的曲线图；
图6是示出由图2的RF施加器发射的RF能量脉冲的示例性通量(能量梯度)的曲线图；
图7是用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法的流程图；
图8是包含感兴趣对象和参考物的示例性感兴趣区域；
图9至图11是根据图7的方法获得的示例性双极信号；
图12是RF施加器的另一个实施例；以及
图13示出了可根据图7的方法使用图1的成像系统来成像的人体的各个部分。
实施例的详细描述
当结合附图阅读时，将更好地理解前述概述以及以下对某些示例的详细描述。如本文所使用，以单数引入且前面有单词“一(a)”或“一个(an)”的元件或特征应被理解为不一定排除元件或特征的复数。此外，对“一个示例(one example)”或“一个实施例(oneembodiment)”的引用不旨在被解释为排除也结合所述元件或特征的附加示例或实施例的存在。此外，除非明确地相反说明，否则“包括(comprising)”或“具有(having)”或“包含(including)”具有特定特性的元件或特征或多个元件或特征的示例或实施例可包括不具有该特性的附加元件或特征。此外，应当理解，术语“包括”、“具有”、“包含”意味着“包括但不限于”，并且术语“包括”、“具有”和“包含”具有等效的含义。
如本文所使用，术语“和/或”可包括一个或更多个相关联的列出的元件或特征的任何和所有组合。
应当理解，当元件或特征被称为在另一个元件或特征“上(on)”、“附接(attached)”到另一个元件或特征、“连接(connected)”到另一个元件或特征、与另一个元件或特征“耦接(coupled)”、“接触(contacting)”另一个元件或特征等时，该元件或特征可直接在另一个元件或特征上、直接附接到另一个元件或特征、直接连接到另一个元件或特征、与另一个元件或特征直接耦接或直接接触另一个元件或特征，或者也可存在中间元件。相反，当元件或特征被称为例如“直接”在另一个元件或特征“上”、“直接附接”到另一个元件或特征、“直接连接”到另一个元件或特征、与另一个元件或特征“直接耦接”或“直接接触”另一个元件或特征时，不存在中间元件或特征。
应当理解，空间相关术语，诸如“下面(under)”、“下边(below)”、“下(lower)”、“上面(over)”、“上边(above)”、“上(upper)”、“前(front)”、“后(back)”等可为了便于描述而在本文中用于描述如图中所示的元件或特征与另一个元件或特征的关系。然而，除了图中描绘的取向之外，空间相对术语还可以涵盖使用或操作中的不同取向。
在下文中，描述了用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法和系统。通常，该方法和系统利用RF施加器以将一个或更多个RF能量脉冲引导到感兴趣区域中。使用声接收器检测双极声信号形式的热声数据。调整RF施加器的阻抗，以增强感兴趣区域中生成的双极声信号的至少一个度量。基于RF能量脉冲的调整的阻抗来估计感兴趣区域内的感兴趣对象的分数脂肪含量。
现在转到图1，示出了示例性成像系统，并且该成像系统大体由附图标号20标识。如可以看到的，成像系统20包括可通信地耦接到超声成像系统24和热声成像系统26的编程计算设备22。超声成像系统24和热声成像系统26分别被配置为获得与受试者S相关联的感兴趣区域ROI的超声图像数据和热声图像数据。
本实施例中的编程计算设备22是个人计算机或其他合适的处理设备，包括例如处理单元，处理单元包括一个或更多个处理器、系统存储器(易失性和/或非易失性存储器)、其他不可移除或可移除存储器(例如，硬盘驱动器、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM、DVD、闪存存储器等)和将各种计算机部件耦接到该处理单元的系统总线。计算设备22还可包括使用以太网、Wi-Fi和/或其他合适的网络格式的联网能力，以实现到共享或远程驱动器、一个或更多个联网计算机或其他联网设备的连接。诸如鼠标和键盘(未示出)的一个或更多个输入设备耦接到计算设备22以用于接收操作者输入。诸如一个或更多个计算机屏幕或监视器的显示设备(未示出)耦接到计算设备22以用于显示基于从超声成像系统24接收的超声图像数据和/或从热声成像系统26接收的热声图像数据的一个或更多个生成的图像。
超声成像系统24包括超声换能器28形式的声接收器，超声换能器28容纳一个或更多个超声换能器阵列30，该一个或更多个超声换能器阵列30被配置为将声波发射到受试者S的感兴趣区域ROI中。被引导到受试者的感兴趣区域ROI内的声波从感兴趣区域ROI内的组织发出回波，其中不同的组织反射不同程度的声音。由一个或更多个超声换能器阵列30接收的回波由超声成像系统24处理，之后作为超声图像数据被传送到计算设备22以用于进一步处理并且用于作为可由操作者解释的超声图像呈现。在该实施例中，超声成像系统24利用假定1,540m/s的标称声速的B模式超声成像技术。由于超声成像系统在本领域中是公知的，这里将不再进一步描述超声成像系统24的进一步细节。
热声成像系统26包括以热声换能器32形式的声接收器。热声换能器32容纳一个或更多个热声换能器阵列34以及射频(RF)施加器36。然而，应当理解，RF施加器36可以与热声换能器32分开地进行容纳。RF施加器36被配置为发射被引导到受试者的感兴趣区域ROI内的组织中的短RF能量脉冲。在该实施例中，RF施加器36具有约10MHz和100GHz之间的频率，并且具有约0.1纳秒和10纳秒之间的脉冲持续时间。被递送到感兴趣区域ROI内的组织的RF能量脉冲加热组织，由此引起由热声换能器32检测的声压力波。由热声换能器32检测的声压力波被处理并作为热声图像数据被传送到计算设备22以用于进一步处理并且用于作为可由操作者解释的热声图像呈现。
在该实施例中，超声换能器28和热声换能器32机械互连，使得一个或更多个超声换能器阵列30、一个或更多个热声阵列34和RF施加器36之间的空间关系是已知的。使用一个或更多个超声换能器阵列34、一个或更多个热声换能器阵列34和RF施加器36的中心线来设置空间关系。每条中心线被定义为相应的换能器阵列的区域的中点。
在该实施例中，一个或更多个超声换能器阵列30与一个或更多个热声换能器阵列34之间的空间关系是这样的，即一个或更多个热声换能器阵列34的中心线被设置成相对于一个或更多个超声换能器阵列30的中心线(还被称为轴向轴线或超声换能器阵列波束轴线)成已知角度α。一个或更多个热声换能器阵列34与RF施加器36之间的空间关系是这样的，即RF施加器36的中心线与一个或更多个热声换能器阵列34的中心线间隔开并大体平行。
成像系统20利用一个或更多个超声换能器阵列30和一个或更多个热声换能器阵列34之间的已知空间关系来提高热声的精度和准确度。
超声换能器28的一个或更多个超声换能器阵列30的坐标系和热声换能器32的一个或更多个热声换能器阵列34的坐标系由计算设备22进行映射，使得可对所采集的超声图像和热声图像进行配准。可替代地，热声成像系统26可通过将一个或更多个超声换能器阵列30与超声换能器28断开并将该一个或更多个超声换能器阵列30连接到热声换能器32来利用超声换能器28的一个或更多个超声换能器阵列30。如将理解的，通过这样做，不需要一个或更多个超声换能器阵列28与一个或更多个热声换能器阵列34之间的坐标映射。
现在转到图2、2A、3和3A，更好地示出了RF施加器36。如可以看到的，RF施加器36包括由导电材料形成的中空的、大致矩形的、末端开放的壳体200。由陶瓷或其他合适材料形成的插入件202内衬在壳体200的内表面上。可调整底板(backplane)204位于插入件202内，与壳体200的一个端部相邻。可调整底板204闭合插入件202的一个端部以在插入件202内限定部分封闭空间206。在该实施例中，底板204在其中具有螺纹杆208延伸通过的孔。附连到底板204的外主表面的螺母210可螺纹地接合螺纹杆208。螺纹杆208的旋转致使螺母210沿着螺纹杆208行进，并因此致使底板204在插入件202内纵向行进。取决于螺纹杆208的旋转方向，底板204可被推进或推出插入件202，从而允许调整部分封闭空间206的体积。尽管未示出，但柄部可设置在螺纹杆208上以促进其旋转。
加热元件214和温度传感器216容纳在壳体200的外表面和内表面之间的空间中。温度传感器216被配置为向计算设备22传送温度数据，该温度数据指示插入件202的部分封闭空间206内的温度。加热元件208被配置为接收来自计算设备22的控制信号，并且当部分封闭空间206内的温度下降到设定阈值以下时被通电。以这种方式，通过将从温度传感器216接收的温度数据与设定温度进行比较并在需要时使加热元件214通电，可由计算设备22有效地控制部分封闭空间206内的温度。
在该实施例中，加热元件214沿着插入件202的纵向边缘延伸。然而，本领域技术人员将理解，变化是可能的。加热元件214当然可在替代位置处定位在壳体200的外表面和内表面之间的空间内。此外，可采用在壳体200的外表面和内表面之间的空间中的各个位置处的多个加热元件214。在该实施例中，温度传感器216定位在插入件202的纵向边缘旁边，与加热元件214相对。温度传感器216当然可在替代位置处定位在壳体200的外表面和内表面之间的空间中。此外，可采用在壳体200的外表面和内表面之间的空间中的各个位置处的多个温度传感器216。
在该实施例中，RF施加器36还包括沿壳体200横向和纵向间隔开的多个调谐元件220a和220b。调谐元件220a大体沿着壳体200居中并且包括头部222a和从其延伸的螺纹杆224a。在图2的视图中，调谐元件220b在调谐元件220a的一侧和后面，并且包括头部222b和从其延伸的螺纹杆224b。调谐元件的头部222a和222b是以盘的形式，并且位于壳体200的外部，邻近其主表面中的一个。调谐元件的螺纹杆222a和222b穿过壳体200中与插入件202中的孔对准的螺纹孔，并且延伸到插入件202的部分封闭空间206中。每个调谐元件220a、220b可通过沿顺时针或逆时针方向旋转调谐元件的相应头部来调整，以增大或减小螺纹杆延伸到部分封闭空间206中的程度。尽管示出了两个调谐元件，但本领域技术人员将理解RF施加器36可包括单个调谐元件或两个以上的调谐元件。
在一个端部处具有RF发射器232(该RF发射器232被配置为生成RF能量脉冲)的RF源230延伸通过壳体200和插入件202中的对准孔，使得RF发射器232悬挂在插入件202的部分封闭空间206内。RF源230还包括：螺纹连接器234，控制电子装置连接到该螺纹连接器234；以及凸缘236，该凸缘236覆盖形成在壳体200上的底座238并且螺纹紧固件穿过该凸缘236并接合底座238，由此将RF源230固定到壳体200。
窗口240定位在壳体200和插入件202的开放端部处。在该实施例中，窗口240是以电介质支座的形式，并且被配置为允许由RF发射器232发射的RF能量脉冲穿过其中并离开RF施加器36。
在RF施加器36的操作期间，调节RF源230的RF发射器232以生成进入插入件202的部分封闭空间206的短RF能量脉冲。用作波导的外壳200和插入件202限制和引导发射的RF能量脉冲，使得RF能量脉在沿箭头A所示的方向上通过窗口240沿RF施加器36行进，然后离开RF施加器36。一旦RF能量脉冲通过窗口210离开RF施加器36，则它们被引导进入受试者，以将能量传递到受试者S的感兴趣区域ROI内的组织。
在操作期间，可以用多种方式调节或调整RF施加器36的阻抗。例如，使用调谐元件220a、220b中的一个或更多个，可通过将螺纹杆更多或更少地插入到插入件202的部分封闭空间206中以改变波导的阻抗来调节RF施加器36。当调整调谐元件220a、220b以使得其螺纹杆仅有少量延伸到部分封闭空间206中时，调谐元件220a、220b起到并联电容器的作用。当调整调谐元件220a、220b以增加螺纹杆延伸到部分封闭空间206中的量时，电容增加。当调谐元件220a、220b已经被调整成使得螺纹杆延伸到部分封闭空间206中的量大于由壳体200和插入件202限定的波导内的波长的四分之一时，调谐元件220a、220b等效于串联LC电路而谐振。进一步增加螺纹杆延伸到插入件202的部分封闭空间206中的量致使阻抗从电容性改变为电感性。
可替代地或除此之外，可以通过改变插入件202的部分封闭空间206内的温度来调节或调整RF施加器36的阻抗。特别地，通过使用加热元件214和温度传感器216改变插入件202内部分封闭空间206的温度，可以调整RF施加器36的阻抗。
可替代地或除此之外，可以通过移动底板204从而改变插入件202的部分封闭空间206的体积，来调节或调整RF施加器36的阻抗。如将描述的，调整RF施加器36的阻抗可帮助增强热声成像期间的能量递送。
热声成像可用于将脂肪或脂肪组织与软组织或瘠瘦组织进行对比，这是因为与其他富含水和离子的软组织或瘠瘦组织相比，它们在RF中的电导率和介电常数较低。与软组织或瘠瘦组织(如肌肉)相比，脂肪和脂肪组织还有更低的吸收系数。这样，在包括脂肪或脂肪组织与软组织或瘠瘦组织之间的边界的感兴趣区域的热声成像期间，生成由热声换能器32接收的双极声信号。这是因为软组织或瘠瘦组织比脂肪或脂肪组织吸收更多的热量，从而致使它迅速膨胀跨过边界并进入膨胀较少的脂肪或脂肪组织，并且然后迅速收缩。双极声信号的强度或峰峰值取决于脂肪或脂肪组织和软组织或瘠瘦组织的相对吸收特性。可在以下参考资料中找到更多详细信息：由Ku等人撰写的“Scanning thermoacoustictomography in biological tissue”(Med.Phys.,vol.27,no.5,pp.1195-202,May 2000)；由Wang等人撰写的“Microwave-induced thermoacoustic imaging model for potentialbreast cancer detection”(IEEE Trans.Biomed.Eng.,vol.59,no.10,pp.2782-01,Oct.2012)；以及由Hasgall等人撰写的“IT’IS Database for thermal andelectromagnetic parameters of biological tissues”(3.0版，Sept.2015)。
双极声信号的强度或峰峰值与组织的特性和传递的RF能量成比例。当RF施加器36的位置固定时，传递的RF能量成为双极声信号的强度或峰峰值的任何变化的主要来源。因此，调整或调节RF施加器36的阻抗将改变双极声信号的强度或峰峰值。当监视双极声信号时，RF施加器36的阻抗可以被调节或调整，以最大化双极声信号的强度或峰峰值。如将要描述的，RF施加器36的用于生成双极声信号的最大强度或峰峰值的阻抗可以被容易地确定并用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
图4中示出了示例性双极声信号400、405和410。双极声信号400、405和410响应于感兴趣区域ROI的热声成像而生成，该感兴趣区域ROI包括由边界415分开的第一组织420和不同类型的第二组织425。虚线430指示与边界415相对应的时间点。每个双极声信号400、405和410的峰峰值幅度与第一组织420和第二组织425的吸收系数的差异成比例。在图4中，第一组织420是肾并且没有脂肪。对于双极声信号400，第二组织425是具有高分数脂肪含量的脂肪肝。对于双极声信号405，第二组织425是具有中等分数脂肪含量的不健康肝脏。对于双极声信号410，第二组织425是具有低分数脂肪含量的健康肝脏。如可以看出，双极声信号400的峰峰值大于双极声信号405、410的峰峰值，并且双极声信号405的峰峰值大于双极声信号410的峰峰值。双极声信号400、405和410的峰峰值的差异表示第一组织420在收缩之前膨胀到边界415和第二组织425中的程度。
不同组织在特定频率下具有特性介电特性。介电特性决定组织吸收多少能量。当RF能量脉冲通过组织传输时，RF能量脉冲被衰减。衰减量可使用组织的介电特性和组织的物理特性来确定。脂肪组织吸收的能量比瘠瘦组织吸收的能量少。因此，脂肪组织对RF能量脉冲的衰减小于正常组织。使用这些特性，可估计组织的衰减量，并且这可用于确定组织中有多少脂肪。可以在以下参考资料中找到更多的详细信息：由Ng等人撰写的“Determination of added fat in meat paste using microwave and millimetre wavetechniques”(Meat Science,vol.79,no.4,pp.748-756,Aug.2008)。这样，调整由RF施加器36发射的RF能量脉冲的频率可以帮助在热声成像期间增强能量递送。
在图5中示出了示例性电场强度衰减曲线500和505。每个电场强度衰减曲线500、505分别表示组织510、515的电场强度衰减，电场强度衰减作为与热声成像系统26的RF施加器36相距的距离的函数。和与电场强度衰减曲线505相关联的组织515相比，与电场强度衰减曲线500相关联的组织510具有更高的脂肪浓度。
图6示出了由RF施加器36生成的RF能量脉冲在其离开由壳体200和插入件202限定的波导时的通量(能量梯度)。窗口240位于X轴的0值处并在X轴的0值处居中。可以看出，随着与RF施加器36的中心相距的距离增大，电场强度减小。这样，调整RF施加器36和组织之间的距离可帮助在热声成像期间增强能量递送。
成像系统20利用被成像的不同类型的组织的能量吸收特性与RF施加器36的阻抗的可调整性之间的关系来估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
现在转向图7，示出了估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法700。最初在该方法700期间，定位要成像的受试者S内的感兴趣区域ROI，该感兴趣区域ROI包含由至少一个边界分开的感兴趣对象和参考物(步骤710)。在该实施例中，使用超声成像系统24来定位感兴趣区域ROI。具体地，将由超声成像系统24获得的超声图像数据传送到计算设备22。超声图像数据由计算设备22处理，并且重建的超声图像被呈现在显示设备上。操作者在受试者的身体上移动超声换能器28，直到感兴趣区域被定位。当定位感兴趣区域时，计算设备22将与超声换能器28的一个或更多个换能器阵列30的中心线的角度相关联的信息重叠在显示设备上的重建超声图像上。该信息用于向操作者提供反馈以确保超声换能器28的轴向轴线大体垂直于感兴趣对象和参考物之间的边界。
在图8中示出了包含感兴趣对象805和参考物810的示例性感兴趣区域800。在该实施例中，感兴趣对象805是受试者的肝脏，并且参考物810是受试者的肾脏。在图8中还示出了RF施加器36和热声换能器32。
然后在重建超声图像中识别感兴趣对象和参考物之间的至少一个边界(步骤720)。在该实施例中，操作者使用输入设备(诸如耦接到计算设备22的鼠标)来识别至少一个边界。具体地，操作者绘制一个框，该框涵盖感兴趣对象805的至少一部分、参考物810的至少一部分以及感兴趣对象和参考物的部分之间的所识别的边界。计算设备22经由显示设备向操作者提供反馈以指示框与边界之间的近似角度，以确保框大致垂直于边界。
在图8中示出了示例性框815。如可以看到的，框815涵盖感兴趣对象805(肝脏)的一部分、参考物810(肾脏)的一部分以及感兴趣对象805和参考物810之间的边界820。边界820被选择在肝脏和肾脏彼此密切相关的特定位置825处。
如前所述，RF施加器36被调节以生成短的RF能量脉冲。RF能量脉冲行进到由壳体200和插入件202限定的波导之外，通过窗口240，并且被引导到感兴趣区域800中，以将能量递送到感兴趣区域ROI内的感兴趣对象805和参考物810。作为响应，生成由热声换能器32检测的双极声信号(步骤730)。
由于超声换能器28的一个或更多个换能器阵列30的中心线和热声换能器32的一个或更多个换能器阵列34的中心线之间的角度α是已知的，所以操作者能够调整热声换能器32相对于受试者身体的位置，使得热声成像系统26能够以期望的成像角度σ获得感兴趣区域的热声图像数据。期望的成像角度σ使得热声换能器32的一个或更多个换能器阵列34的中心线延伸穿过感兴趣对象805和参考物810之间的边界820。
继而将双极声信号传送到计算设备22以进行处理(步骤740)。计算设备22被编程以确定双极声信号的至少一个度量。在该实施例中，度量是双极声信号的峰峰值幅度。在图9中示出了示例性双极声信号900。可以看出，双极声信号900包括峰峰值幅度910。
然后调整RF施加器36以改变其阻抗(步骤750)。在该实施例中，可通过以下方式来调整RF施加器36的阻抗：旋转调谐元件220a和220b中的一个或两个，通过移动底板204来改变插入件202的部分封闭空间206的体积，和/或通过提高或降低插入件202的部分封闭空间206内的温度。
在RF施加器调整之后，再次调节RF施加器30以生成短RF能量脉冲，该短RF能量脉冲被引导到感兴趣区域800中以将能量递送到感兴趣对象805和参考物810(步骤760)。再次将在感兴趣区域的组织中生成并由热声换能器32接收的所得双极声信号传送到计算设备22以进行处理以便确定双极声信号的峰峰值幅度(步骤770)。然后，计算设备22将双极声信号的峰峰值幅度与在步骤740确定的峰峰值幅度相比较以确定峰峰值幅度是否已经增大(步骤780)。图10示出了示例性双极信号1000，该示例性双极信号1000包括的峰峰值幅度1010比双极信号900(图9所示)的峰峰值幅度910更大。
如果峰峰值幅度增大，则过程返回到步骤730并且重新执行步骤730至770。迭代地执行这些步骤，直到确定具有最大峰峰值幅度的双极声信号(步骤790)。图11示出了具有最大峰峰值幅度1110的示例性双极声信号1100。可以看出，峰峰值幅度1110大于峰峰值幅度910(图9)和峰峰值幅度1010(图10)。
当RF施加器36已经被调整以最大化所生成的双极声信号的峰峰值幅度时，RF施加器36的阻抗被确定。在该实施例中，RF施加器36的阻抗是使用网络分析器确定的。RF施加器36的用于最大化所生成的双极声信号的峰峰值幅度的阻抗被用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量(步骤795)。在该实施例中，使用了查找表，该查找表将RF施加器36的用于最大化双极声信号的阻抗与分数脂肪含量进行比较。应当理解，查找表是基于在执行方法700之前进行的实验和/或模拟而生成的。具体来说，查找表是通过调查用于最大化各种皮下脂肪/肌肉层厚度的双极声信号的峰峰值幅度的阻抗和分数脂肪含量并对它们进行制表来生成的。
尽管在上述实施例中，至少一个度量被描述为双极声信号的峰峰值幅度，并且该方法包括最大化峰峰值幅度，但是本领域技术人员将会理解，替代方案是可用的。例如，至少一个度量可以是双极声信号的最大正幅度或负幅度。作为另一个示例，至少一个度量可以是双极声信号的包络(envelope)。双极声信号的度量可以被最大化和/或增强。
现在转到图12，示出了RF施加器36’的另一个实施例。RF施加器36’大体类似于RF施加器36，但有以下例外。
在该实施例中，RF施加器36’包括单个调谐元件220a’。调谐元件220a’可通过沿顺时针或逆时针方向旋转调谐元件的相应头部以增大或减小螺纹杆延伸到部分封闭空间206’中的程度来调整。在该实施例中，调谐元件220a’被配置为产生可听见的声音，在这种情况下，当它旋转特定的量时，产生咔嗒声，在该实施例中，该特定的量是完整旋转的1/8或45度。
调谐元件220a’的每1/8旋转与RF施加器36’的阻抗的特定变化相关联。换句话说，每次在调谐元件220a’旋转期间听到可听见的咔嗒声，RF施加器36’的阻抗的变化是已知的。因此，在操作期间，可以容易地跟踪使所生成的双极信号的峰峰值幅度最大化所需的调节量。可以使用将咔嗒声位置与分数脂肪含量进行比较的查找表(表1)来估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
卡嗒声位置 感兴趣对象的分数脂肪含量(FFC)
1 FFC<5％
2 5％<FFC<10％
3 10％<FFC<15％
4 15％<FFC<20％
5 20％<FFC<25％
6 25％<FFC<30％
7 35％<FFC<40％
8 FFC>40％
表1：将咔嗒声位置与分数脂肪含量进行比较的查找表
应当理解，类似于RF施加器36，RF施加器36’可以具有附加的调谐元件。在实施例中，每个附加的调谐元件可以被配置为当其旋转时产生可听见的声音。
应当理解，产生可听见的咔嗒声所需的特定旋转量不限于1/8旋转。在其他实施例中，特定量可以是另一个量，诸如例如1/4旋转、1/5旋转、1/10旋转、1/25旋转等。
在另一个实施例中，每个调谐元件220a’的每1/8旋转可以与感兴趣对象的分数脂肪含量的特定变化相关联。例如，每个调谐元件220a’的每1/8旋转可以识别感兴趣对象的5％脂肪的变化。这样，在操作期间，可以容易地识别感兴趣对象的分数脂肪含量。
在另一个实施例中，可替代地或除了调谐元件被配置为产生可听见的咔嗒声之外，螺纹杆208和螺母210可以被配置为当螺纹杆208旋转时产生可听见的咔嗒声。这样，当通过移动底板来改变插入件202的部分封闭空间206的体积时，可以听到可听见的咔嗒声。这种可听见的咔嗒声可用于使用查找表来估计分数脂肪含量。
在另一个实施例中，在感兴趣的对象是肝脏的情况下，可以校准RF施加器36’以确定用于最大化健康肝脏所生成的双极声信号的峰峰值幅度的特定阻抗。在操作期间，该特定阻抗可用作起点。如果被成像的受试者没有健康的肝脏，则所生成的双极信号的峰峰值幅度将不会被最大化。然后可以通过旋转调谐元件220a’来调整RF施加器26’。通过跟踪使双极信号的峰峰值幅度最大化所需的可听见的咔嗒声的量，可以估计肝脏的分数脂肪含量。这可以通过使用查找表(表2)来进一步辅助，该查找表(表2)将听到的可听见的咔嗒声的量与分数脂肪含量进行比较。
听到的可听见的咔嗒声 感兴趣对象的分数脂肪含量(FFC)
0 FFC<5％
1 5％<FFC<10％
2 10％<FFC<15％
3 15％<FFC<20％
4 20％<FFC<25％
5 25％<FFC<30％
6 35％<FFC<40％
7 FFC>40％
表2：将听到的咔嗒声与分数脂肪含量进行比较的查找表
尽管在上述实施例中，使用RF施加器的用于最大化双极声信号的峰峰值幅度的阻抗来估计分数脂肪含量，但是本领域技术人员将会理解，可以使用其他因素来估计分数脂肪含量。
例如，在另一个实施例中，可以使用RF正向功率和反射功率。众所周知，RF正向功率是由RF施加器发射的RF能量脉冲的功率。RF反射功率是从RF施加器反射回RF源的RF能量脉冲的功率。VSWR(电压驻波比)是根据RF正向功率和RF反射功率计算出来的，并且是RF功率从RF施加器传输效率如何的度量。
在该实施例中，当RF施加器被放置在身体的预定义区域上并且使用固定输入和系统设置时，患者状况的差异(诸如例如感兴趣区域内脂肪厚度的差异)导致RF能量传递的差异。这些因素可用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
在该实施例中，RF能量脉冲被引导通过至少一个中间区域并进入包括感兴趣对象的区域。该一个或更多个RF能量脉冲具有已知频率和已知幅度。第一功率监视器用于测量RF能量脉冲的正向功率。第二功率监视器用于测量RF能量脉冲的反射功率。基于所测量的正向功率、所测量的反射功率和所述至少一个中间区域的估计厚度来估计感兴趣对象的分数脂肪含量。
在该实施例中，VSWR被计算为测量的正向功率和测量的反射功率的比率。使用测量的正向功率、VSWR和至少一个中间区域的估计厚度，使用查找表来估计分数脂肪含量。
本领域技术人员将理解，可以使用其他功率相关测量值。
在另一个实施例中，可以使用等式1来估计感兴趣对象的分数脂肪含量：
FFC＝f(Pf,VSWR,df,dm) [1]
其中，FFC表示感兴趣对象的估计分数脂肪含量，f是转换函数，Pf是正向功率，VSWR是电压驻波比，df是皮下脂肪层的厚度，以及dm是肌肉层(直到肝脏)的厚度。
在一个实施例中，超声成像用于估计先前段落中提到的厚度。对于在表面(皮肤)附近提供良好分辨率的超声换能器，将分别估计皮下脂肪和肌肉的厚度。线性探针是这种超声换能器的示例。当超声探针或换能器没有足够的能力来清晰区分皮下脂肪和肌肉层时，将替代地使用组合厚度d＝df+dm以及适当的模型。
在使用网络分析器来调节RF施加器的实施例中，可以在临床研究期间收集数据集，在临床研究中，使用统计学上显著数量的受试者来获得感兴趣对象的非侵入式热声测量和该感兴趣对象的黄金标准分数脂肪含量评估。
本领域技术人员将理解，在实施例中，计算设备22可以被编程以调整RF施加器的参数。例如，计算设备可耦接到一个或更多个致动器，该一个或更多个致动器被配置为调整调谐元件220a、220b和/或螺纹杆208。
本领域技术人员将理解，可对被设计成模拟感兴趣区域的模型执行上述方法。在该实施例中，可在对患者成像之前调整RF施加器以最大化双极声信号的峰峰值幅度。此外，可对多种尺寸的多个模型执行该方法以模拟不同尺寸的患者。
尽管在实施例中感兴趣对象被描述为肝脏并且参考物被描述为肾脏，但本领域技术人员将理解，可针对身体的其他部分获得热声数据。如图13所示，可使用上述系统和方法来成像的身体的各个部分包括心外/心包脂肪组织1301、肝脏1302、皮下脂肪组织1303、内脏脂肪组织1304、皮下臀股脂肪组织1305、血管周围脂肪组织1306、心肌脂肪1307、胰腺脂肪1308、肾窦脂肪1309和肌肉脂肪1310。
在另一实施例中，由插入件202、底板204和窗口240封闭的空间可部分或完全填充有传导RF能量脉冲的材料，例如液体、凝胶、陶瓷或油灰。如将理解的，在该实施例中，部分或完全填充空间的材料可被加热或冷却，由此提高或降低插入件202内的温度。因此，可调整RF能量脉冲的频率。
尽管以上参考附图描述了实施例，但本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以进行变化和修改。

Claims (26)

1.一种用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法，所述方法包括：
(i)使用射频(RF)施加器将一个或更多个RF能量脉冲引导到感兴趣区域中，所述感兴趣区域包括由至少一个边界分开的所述感兴趣对象和至少一个参考物；
(ii)使用声接收器来检测响应于所述RF能量脉冲而在所述感兴趣区域中生成的至少一个双极声信号，并且处理所述至少一个双极声信号以确定所述至少一个双极声信号的峰峰值幅度；
(iii)调整所述RF施加器的阻抗以增强响应于由调整后的RF施加器生成的RF能量脉冲而在所述感兴趣区域中生成的双极声信号的至少一个度量；以及
(iv)基于所述RF施加器的调整后的阻抗来估计所述感兴趣对象的分数脂肪含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个度量是所述双极声信号的所述峰峰值幅度、所述双极声信号的最大幅度和所述双极声信号的包络中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，调整所述RF施加器的阻抗以增强双极声信号的至少一个度量包括调整所述RF施加器的阻抗以最大化双极声信号的所述至少一个度量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(i)期间，所述RF施加器被设置在预定义的阻抗。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，基于所述RF施加器的所述调整后的阻抗来估计所述感兴趣对象的分数脂肪含量包括将所述调整后的阻抗与所述预定义的阻抗进行比较。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，估计所述感兴趣对象的分数脂肪含量包括在查找表中查找所述调整后的阻抗。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，调整所述RF施加器的阻抗包括以下项中的至少一项：
调整所述RF施加器的调谐元件；
调整所述RF施加器的波导的体积；以及
调整所述RF施加器的波导内的温度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述边界在至少两个不同类型的组织之间的位置处。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述两个不同类型的组织是以下情况中的一种：
肌肉和脂肪；
血管和脂肪；以及
肝组织和肾组织。
10.一种用于估计感兴趣区域内感兴趣对象的分数脂肪含量的系统，所述系统包括：
热声成像系统，所述热声成像系统包括可调整的射频(RF)施加器以及声接收器，所述RF施加器被配置为将RF能量脉冲发射到所述感兴趣区域中并加热所述感兴趣区域中的组织，所述声接收器被配置为接收响应于所述感兴趣区域中的组织的加热而生成的双极声信号；以及
一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器被配置为：
处理响应于使用所述RF施加器发射到所述感兴趣区域中的RF能量脉冲而由所述声接收器接收到的双极声信号，以确定所述RF施加器的产生具有至少一个增强度量的双极声信号的设置；
确定所述RF施加器的用于产生具有增强的至少一个度量的声双极信号的阻抗；以及
使用所确定的阻抗来估计所述感兴趣对象的分数脂肪含量。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述至少一个度量是所述双极声信号的峰峰值幅度、所述双极声信号的最大幅度和所述双极声信号的包络中的至少一个。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述RF施加器的所述设置是产生具有至少一个最大度量的双极声信号的设置。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述一个或更多个处理器还被配置为：
使用查找表来估计所述感兴趣对象的所述分数脂肪含量。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述可调整的RF施加器包括被配置为改变所述RF施加器的波导的阻抗的至少一个调谐元件。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个调谐元件是可旋转的，以改变所述波导的阻抗。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述至少一个调谐元件在旋转期间产生可听见的声音。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，每个可听见的声音用于估计所述感兴趣对象的所述分数脂肪含量。
18.根据权利要求10所述的系统，其中，所述可调整的RF施加器包括具有可调整的体积的波导。
19.根据权利要求10所述的系统，其中，所述可调整的RF施加器包括被配置为改变所述RF施加器的波导内的温度的至少一个加热元件。
20.一种可调整的射频施加器，包括：
波导；
至少一个射频(RF)发射器，所述至少一个射频(RF)发射器定位在所述波导内并被配置为生成RF能量脉冲，所述波导被配置为将所生成的RF脉冲导向感兴趣区域；以及
至少一个可调整的特征，所述至少一个可调整的特征被配置为操纵所述波导的特性以调整所述RF施加器的阻抗。
21.根据权利要求20所述的可调整的频率施加器，其中，所述至少一个可调整的特征是延伸到所述波导中的至少一个调谐元件，所述至少一个调谐元件能够旋转以改变所述波导的阻抗。
22.根据权利要求21所述的可调整的频率施加器，其中，所述至少一个调谐元件被配置为每当所述至少一个调谐元件旋转特定量时产生可听见的声音。
23.根据权利要求22所述的可调整的射频施加器，其中，所述特定量对应于被成像的感兴趣对象的分数脂肪含量的变化。
24.一种用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法，所述方法包括：
(i)使用射频(RF)施加器将一个或更多个RF能量脉冲引导到感兴趣区域中，所述感兴趣区域包括由至少一个边界分开的所述感兴趣对象和至少一个参考物；
(ii)使用声接收器来检测响应于所述RF能量脉冲而在所述感兴趣区域中生成的至少一个双极声信号，并且处理所述至少一个双极声信号以确定所述至少一个双极声信号的峰峰值幅度；
(iii)调整所述RF施加器的阻抗；
(iv)使用调整后的RF施加器将一个或更多个RF能量脉冲引导到所述感兴趣区域中；
(v)使用所述声接收器来检测响应于由所述调整后的RF施加器生成的所述RF能量脉冲而在所述感兴趣区域中生成的至少一个双极声信号，并且处理所述至少一个双极声信号以确定所述至少一个双极声信号的峰峰值幅度；
(vi)将在步骤(v)处确定的峰峰值幅度与先前确定的峰峰值幅度进行比较；
(v)重复步骤(iii)、(iv)和(v)，直到在步骤(v)处确定的所述至少双极声信号的峰峰值幅度被最大化；以及
(vi)基于所述RF施加器的用于最大化所述双极声信号的阻抗来估计所述感兴趣对象的分数脂肪含量。
25.一种用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的方法，所述方法包括：
使用射频(RF)施加器引导一个或更多个RF能量脉冲通过至少一个中间区域并进入包括所述感兴趣对象的区域，所述一个或更多个RF能量脉冲具有已知频率和已知幅度；
利用第一功率监视器测量所述RF能量脉冲的正向功率；
利用第二功率监视器测量所述RF能量脉冲的反射功率；以及
基于所测量的正向功率、所测量的反射功率和所述至少一个中间区域的估计厚度来估计所述感兴趣对象的分数脂肪含量。
26.一种用于估计感兴趣对象的分数脂肪含量的系统，所述系统包括：
热声成像系统，所述热声成像系统包括射频(RF)施加器，所述射频(RF)施加器被配置为发射RF能量脉冲穿过中间区域并进入包括感兴趣对象的感兴趣区域，并且加热所述感兴趣区域中的组织；
第一功率监视器，所述第一功率监视器被配置为测量所述RF能量脉冲的正向功率；
第二功率监视器，所述第二功率监视器被配置为测量所述RF能量脉冲的反射功率；以及
一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器被配置为：
基于所测量的正向功率、所测量的反射功率和所述至少一个中间区域的估计厚度来估计所述感兴趣对象的分数脂肪含量。
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