JP2010506686A - ひずみと材料特性の音響弾性的抽出のための方法と装置 - Google Patents

Abstract

測定する材料の材料特性あるいは超音波装置によって通常は得られない多様な異なる材料特性について、特別な仮定をしないで、ひずみ情報を得るために、超音波装置１０は、材料の音響弾性的特性によって超音波データを処理する。

Description

本発明は、超音波画像と定量測定、特に、材料のひずみと剛性を超音波測定する改良された装置と方法に関する。

従来の超音波画像は、主に、隣接する材料のタイプの間の材料特性の比較的小さな違いにより生じるエコーの強度が画像面上にピクセルの輝度にマッピングされる画像面上に、超音波エコー信号のマッピングを提供する。このような画像が、本体内の概略の構造を識別するよう機能し、それが、画像化された材料の物理的特性に限定的な見識を与える。

超音波エラストグラフィは、例えば、外側から与えられた応力の下のひずみ、ポアソン比、ヤング率、他の共通のひずみとひずみ関係の測定のような材料の剛性特性を明らかにするデータおよび画像を生成する新しい超音波的方法である。

エラストグラフィの一つのタイプとして、例えば、非圧縮および与えられた正の圧縮の、二つの異なる圧縮状態にある材料の二つの画像が、超音波装置により得られる。その材料は、（変換器自身を含む）プローブにより圧縮され、あるいは生物的な材料に対しては、隣接する器官の筋肉作用あるいは運動により、圧縮される。ひずみは、圧縮の軸に沿った二つの画像内の材料の相対的位相の勾配を計算することにより、二つの画像から推定される。準静的なエラストグラフィは、物理学者が、材料を加圧し、この圧力の下で材料の降伏（ひずみ）の量を検出することにより剛性を測定する物理学者の組織触診と似ている。

圧縮の下での材料の転位を推定するプロセスは、圧縮の前後の相関構造に対する画像間の部分相関を計算し、そのエコー伝達時間の差異を計算することにより、開始される。エコー伝達時間の差は、その材料を通る音の速度を、伝達時間の差に掛けることにより、材料内の異なる位置で材料の変位（あるいは、長さにより正規化された変位としてのひずみ）に変換される。

材料のひずみの量は、剛性のおよその程度を、間接的に与えてくれる。圧縮の下でより小さいひずみを示す材料は、剛性がより高いと見なすことができ、圧縮の下でより大きなひずみを示す材料は、剛性がより小さいと見なせる。

本発明は、材料の運動を測定することによりひずみを推定するよりも、変形の下で材料の音響的特性における変化により生じる超音波信号の変化から直接に示されたひずみを測定するあたらしい規範である。ひずみが、分かるなら、材料の特性を導くために、同様の技術を使用することができる。

本発明の発明者は、音響弾性的分析が、他方を引き出す信号を知る必要性がない、超音波信号のセットからひずみと材料の特性の両方を提供することができることを実現化してきた。同様の技術は、画像と材料を記述する新規なデータを提供するのに順に使用することができる組織密度と同様に、剛性勾配（ひずみを有する剛性の変化）、正接弾性係数、ポアソン比、乱波信号減衰度（ひずみの関数としての全て）を含む新たな材料の特性のさまざまな測定を提供するために、使用することができる。

特に、本発明の１つの実施例は、材料が超音波の軸を横切るよう与えられた第１と第２の張力を加えられているとき、第１と第２のエコー信号を収集するよう超音波を送信する超音波変換器組立体を備える超音波組システムを提供する。処理装置は、超音波変換器からの第１と第２のエコー信号を受信し、その信号を、材料のひずみと剛性の両方を導く、記録されているプログラムに従って、処理する。

従って、本発明の少なくとも１つの実施例の一つの特徴は、機能性の負荷は、容易に特徴付けることができない状況において、材料のひずみを測定するためである。本発明の少なくとも１つの実施例のさらなる特徴は、材料の、エラーになり易い事前特徴付けをしないで、ひずみと材料特性（剛性、密度、ポアソン比、正接弾性係数および波減衰度）の同時測定が可能にすることである。

この処理装置は、目標材料の第１と第２のインターフェイス間の超音波の伝達時間と、第１と第２のインターフェイスで反射された超音波エネルギーを示す反射率とから、ひずみおよび材料特性（剛性、ポアソン比、正接弾性係数、波減衰係数）を決定する。

従って、本発明の少なくとも一つの実施例の更なる特徴は、超音波信号の改良された分析を可能とする反射の強度からの量的情報を抽出することである。

他の実施例において、本発明は、変形の機能として、剛性の変化を測定する、変形の複数の状態での第１と第２のエコー信号を計算し、材料を規定する変形機能として、材料特性（剛性、密度、ポアソン比、正接弾性係数、及び 波減衰係数）の変化を使用する超音波音響的エラストグラフィ・システムを提供する。

したがって、本発明の少なくともひとつの実施例の１つの特徴は、組織を特徴付けるために、他のエラストグラフィの技術に置き換えて、一定値からの剛性の偏差を測定することである。

エコー信号は、他の材料内の材料の境界、あるいは、その逆、あるいは、水のような均一な伝達材料内の材料の境界から来る。

したがって、様々な状況における必要な信号を得る方法を提供することが、本発明の少なくとも一つの実施例の１つの特徴である。

剛性あるいは他の材料特性（密度、ポアソン比、正接弾性係数および波減衰係数）の変化が、画像として出力される。

したがって、新しい画像モードを提供することが、本発明の少なくとも一つの実施例の１つの特徴である。

好ましい実施例において、本発明は、材料の第１と第２の境界で材料の変形の重なり度合いから反射された波の強さを測定し、そして、第１と第２の境界間の波の伝達時間を測定する超音波を使って材料の特性を測定するシステムを提供する。材料のひずみと、その推定されたひずみと材料の変形の複数の状態からの測定波信号セットを用いて計算することができる他の材料の特性（剛性、正接弾性係数、ポアソン比、波減衰係数および密度）を推定するために、この２つの測定が組み合わされる。

したがって、超音波を用い、材料の新しい測定可能な量の価値を提供することが、本発明の少なくとも一つの実施例の１つの特徴である。

これらの特定の目的と利点は、請求範囲内でいくつか実施例に示されているが、本発明の範囲を規定するものではない。

超音波のビームに沿って測定される材料に圧縮を与える変換器システムを有する本発明における超音波スキャナの概略のブロックダイアグラムである。 超音波のビームを横切るよう配置された材料の張力に使用される代替の変換器システムの部分図である。 生じやすい乱反射信号と、伝達時間と反射効率を推定するための反射信号の分析を示す、図１、２の装置を使用して測定される材料の正面の断面図である。 剛性とひずみを同時に得るために、図２のシステムを使用する本発明の計算のブロック図である。 このプロセスにおいて、図３における反射効率および伝達時間の抽出を示す図４の計算ブロックの詳細図である。 異なる材料の特性と組織のひずみを同時に得るために、図１のシステムを使用する本発明の計算のブロック図である。 図４、６のシステムからの画像と量についての情報を提供するために使用されるマッピングシステムのブロック図である。 本発明を使用して測定された剛性の勾配と、本発明の性能と組織のタイプを区別するため剛性の勾配の可能性を示す体外測定とを示す一対のグラフである。 超音波と図２、３の材料を通過するようなその大きさを示す概略図である。

図２を参照し、本発明に使用するために適した音響エラストグラフィ超音波システム１０は、超音波画像装置１１単独か、あるいは、外部コンピュータ３０と組み合わせて備えている。一般に、超音波画像装置１１は、その超音波画像装置１１内、あるいは、外部のコンピュータ３０内の処理装置３３によって超音波エコー信号を収集し、処理するために、必要なハードウェアーおよび／あるいはソフトウェアーを備えている。

この超音波画像装置１１に関連する超音波変換器２２は、軸１５に沿って患者２６内の関心のある領域に向かって超音波ビーム２４を発信し、一般に軸１５に沿って戻ってくるエコー信号を生成する。このエコー信号は、超音波変換器２２により受信され、電気エコー信号に変換される。画像を生成するために、超音波ビーム１４内のエコー信号に対応する複数の放射線が、例えば、腫瘍２８の周囲の関心のある領域に

エコー信号の多重取得は、患者２６の組織の圧縮の異なる状態による。この圧縮は、患者２６の組織に軸２５に沿って超音波変換器２２を押し付けることにより、もっとも簡単に得られる。独立圧縮パドルあるいは組織の筋肉動作を使用したものを含む他の圧縮技術も使用することができる。

リード線２２に沿って通信される電気エコー信号は、超音波画像装置１１のインタフェース回路２４で受信される。インターフェイス回路２４は、増幅、デジタル化と超音波画像化のように電子信号の信号処理とを行う。デジタル化されたエコー信号は、記憶させるためにメモリ３４に送信され、続いて、上述のように、処理装置３３によって処理される。

処理の後、エコー信号は、画像ディスプレ３６に表示される画像を形成するために使用され、あるいは、画像ディスプレ３６に量的に表示される。エコー信号の表示とその処理に関する命令の入力が、インターフェイス２４を介し処理装置３３に接続されるキーボード３８あるいはマウスのようなカーソル制御装置４０を介して受信される。

図２を参照し、代替の実施例において、超音波変換器１２が、水のような公知の材料特性を有する結合媒体４４を保持する容器４２内に置かれる。腱を含む患者のかかとの場合に、患者の身体の１部分が、結合媒体４４内に浸漬され、超音波変換器１２は、水平軸１５を縦に横切って伸びる腱４５を通り、水平軸１５に沿って超音波ビーム１４を導く。この場合、腱４５は、少量の皮膚と組織と結合媒体４４の薄い層だけにより分離されて、超音波変換器１２に隣接して配置されることが重要である。

上述のようなエコー信号は、一つのセットを取得している間、患者の体重に対抗して持ち上げるよう足の親指の付け根のふくらみを押し下げるように患者に指示することにより、緊張の異なる状態の腱について、得ることができる。その緊張は、軸１５を横切り、普通は垂直に、軸４６に沿って縦に与えられる。

図３を参照し、図１、２の用途において、超音波ビーム１４の入射する複数の超音波放射２０は、身体構造の前面インターフェイス５０と後面インターフェイス５２を横切るように、身体構造４８に向かって導かれる。前面インターフェイス５０と後面インターフェイス５２は、患者１６内の異なる組織あるいは材料の間のインターフェイスあるいは結合材料と身体構造４８との間のインターフェイスである。

入射の超音波放射２０は、典型的には、第１の周波数スペクトル５６を有するプラス信号５４である。前面インターフェイス５０を通る入射の超音波放射２０の通過により、前面インターフェイス５０から超音波変換器１２に向かって戻る第１の反射超音波放射６０が生成される。同様に、後面インターフェイス５２を通るほう音波放射２０により、後面インターフェイス５２から超音波変換器１２に反射される第２の反射超音波放射６２が形成される。これら２つの反射超音波放射は、放射６０のスペクトル６６と放射６２のスペクトル６８との対応する周波数スペクトルをそれぞれ有する反射超音波放射６０、６２について、２つの高いパルスを有する戻り信号６４を生成するように、互いに合成される。

こられのパルスは、記録されたプログラムを実行する処理装置３３により実施される振幅ピーク検出技術あるいは適応フィルタリングにより容易に識別され、伝達時間ｔは、これらのパルス６０、６２の間の時間を測定することにより決定され、前面インターフェイス５０と後面インターフェイス５２との間の入射超音波放射２０の伝達時間を示す。

処理装置３３は、入射超音波放射２０が各インターフェイス５０、５２でどの程度反射されたかを示す、各インターフェイス５０、５２での反射率を決定するために、周波数スペクトル５６、６６、６８とを解析する。

音響弾性的ひずみゲージ（ASG）：
図４を参照し、図１の２つの張力の状態に対する信号５４、６４を有するエコーデータ７０が、収集され、メモリ３４に存在し、処理装置３３により実行される処理プログラム７２に提供される。追加の測定あるいは測定された材料に関する入力をしないで受け入れられるこれらのデータから、剛性の値または材料特性７４とひずみ測定７８が、図２の腱４５に対して、決定される。材料特性７４またはひずみ７８の一方が他方を生成するために知るために必要とされる本発明の親発明と対照的である。

図５を参照し、反射率７５と伝達時間７６の決定と、以下のように、組織の張力の２つの状態を、プログラム７２が提供し、そして、以下のように処理される測定された材料について一般的な仮定７９を行う。

周波数領域分析：
はじめに、横断剛性（いわゆる、超音波軸１５に沿った）は、例えば、式１のような一般２次関数のひずみｅの関数と仮定することができる。後に記述するように、この関数の次数あるいは形式は、重要ではなく、データに適合できるように選択される。

ほぼ非圧縮性の仮定（例えば、材料の密度が、ひずみあるいは変形の量に依存しない）をすることにより、以下のように、式２で示される。

この仮定の下に、厚さを通る（移動方向）波速度は、式３で与えられる。

周囲の媒体（例えば水）と目標媒体とのインターフェイスでの反射率は、式４により定義される。

これらの関係において、上付き文字SとWは、それぞれ目標の組織（固体）と周囲の媒体（水）をそれぞれ示している。

式１−４を組み合わせると、材料特性（Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃₃，ρ₀）と、それぞれ伸ばされた状態に対するインピーダンス平方（式の右側）の間の関係が、式５に示される。

周囲の媒体（例えば水）の材料特性が知られているとき、反射率は、測定されやエコー信号から得ることができ、右側のインピーダンス平方パラメータを知ることができる。しかし、以下に記述されているように、周囲の材料の材料特性の知識は、要求されない。

同様に、材料特性と伸ばされていない状態でのインピーダンス平方との間の関係は、式６に示すことができる。

式５と式６の反射の情報の比を取ることにより、未知の目標組織の密度が約され、他の材料特性を決定するために必要とされるパラメータとして除去される。生体内での組織密度の測定が非常に困難なので、これは重要である。

ここで、左側部分は、未知の正規化された材料特性を現している。右側は、測定された、あるいは、公知の情報である。周囲媒体の材料特性（ρ^wＶ^w）は同じ処理で削除されるので、はじめに公知と仮定された周囲媒体の材料特性は、分析に対しては必須ではない。

時間領域分析:
ｅ＝０（伸ばされていない状態）での伝達時間が、組織厚さＤと波速度Ｖ₀に関連し、式８により示される。

同様に、ｅ≠０（伸ばされている状態）での伝達時間が、式９により示される。

ここで、伸ばされた状態での波速度Ｖと組織の厚さは、式１０、１１により与えられる。

式１０、１１の波伝達時間の比を取ると式１２が得られる。

組織に与えられたひずみは、式１３により計算される。

この関係の右側は波信号から直接測定されたパラメータを含んでいるので、与えられたひずみが、補う情報なしに直接計算できる。与えられたひずみが計算されると、正規化された剛性を計算するために式７に使用される。

もし、目標の組織の密度ρ₀ ^sが試験よりも以前に公知であるならば、横断剛性関数における効率は、計算されたひずみを式５に置換することにより直接、計算することができる。

横断剛性が与えられたひずみｅの関数として与えられたとき、どんなひずみのレベルでの組織の厚みが、式９から計算することができ、式１４に示す。

実行：
ステップ１：反射エコー信号を測定し、伸ばされていない（負荷のない）状態（ｅ＝０）における、インピーダンス平方ＩＰＳ₀と厚さを通る波伝達時間Ｔ₀とを計算する。

もし、目標組織の密度が公知、あるいは、適切な精度で仮定できるならば、変形していない状態での剛性は、式４により与えられ、式１５に示す。

ステップ２ａ：組織を伸ばし、反射されたエコー信号を測定し、ＩＰＳ（ｅ₁）と波移動時間Ｔ（ｅ₁）を計算する。式１３から、与えられたひずみｅ₁を計算する。

ステップ２ｂ：ＩＰＳ（ｅ₂）と厚さ方向の波伝達時間を計算するために、第２の伸ばされた状態に対し、ステップ２ａを繰り返す。式１３から、与えられたひずみｅ₂を計算する。

ステップ３：計算されたひずみｅ₁とｅ₂を式７に代入することにより、次の２つの独立した式１６、１７を形成する。

密度が知られていないとき、ひずみｅ₁に対し式１６であり、ひずみｅ₂に対し式１７となる。

密度が知られているとき、ひずみｅ₁、ｅ₂と前の式５から計算された剛性Ｃ₃₃を代入すると、それぞれひずみに対し式１８、ひずみに対し式１９が得られる。

ステップ４：前記の式のシステムを同時に解くことにより、未知の組織密度の場合に２つの正規化したパラメータＣ₁／Ｃ₃₃とＣ₂／Ｃ₃₃、あるいは、既知の組織密度の場合に、剛性パラメータＣ₁とＣ₂の値を計算する。

２つの異なる未知の伸ばされた状態で得られた波信号（ｅ₁とｅ₂）および伸ばされていない状態の波信号（ｅ＝０）を用いて、事前の情報を必要としないで与えられたひずみと２つの正規化された剛性係数（Ｃ₁／Ｃ₃₃とＣ₂／Ｃ₃₃）を計算できる、あるいは、組織の密度が分かっているときには、Ｃ₁とＣ₂が計算できる。

上記の例において、剛性は、与えられたひずみの２次関数と仮定されていた。しかし、剛性がひずみのより高い次元の関数（あるいは異なる関数）でも、ひずみと剛性係数を計算するのに、同じ技術が使用できる。剛性のより高い次元の仮定が、この技術を難しくしていないにも係らず、多重ひずみ状態での波信号を取得することはできない。

例えば、剛性が、式２０のひずみの３次関数であるとき、必要とされる余分の式を設定して、ひとつだけの余分の波信号測定が必要とされる。もしN+１セットの信号（異なる伸ばされたレベルで測定されたN波信号と伸ばされていない状態の１つの波信号）を得ることができるなら、N個の未知の正規化された材料係数が計算できる。したがって、N次の正規化された横断剛性が、式２１として見いだされる。

エラストグラフィの方法とここに示されたＡＳＧ技法との違いに言及する。エラストグラフィは波の式だけを使用する（この分析でなされた音響弾性の式を使用しない）ので、ひずみ関数として組織の音響的特性における変化が、エラストグラフィ的分析に現れない。したがって、剛性は、式２２に示すような、いつも固定された番号として扱われる。その結果、周波数領域関係７式は、式２３となる。

従って、反射率の間の関係は、エラストグラフィにおいて利用することができない。さらに、時間領域の式１３は、式２４として式２２の同じ固定された剛性の影響を受ける。

時間領域における簡略化しすぎた関係は、与えられたひずみがエラストグラフィの作業内でひずみ依存の信号を正しく捕らえられないことを示す。２つの方法の間の違いが、表１に示される。

剛性勾配特定（SGI）
図６を参照し、図１の複数の圧縮状態からの信号５４と６４を有するエコーデータ７０は、収集され、メモリ３４に記録され、処理装置３３により実行される処理プログラム７２´に提供される。エコーデータ７０は、図４について記述されたプログラム７２と同様に、剛性勾配８２、正接弾性係数９１、初期剛性８４、密度８６、ポアソン比９３、目標厚さ９５、波減衰８８を含むいろいろな異なる測定を生成するように、プログラム７２´により処理される。

図５を参照し、上述のように、プログラム７２´は、以下のように、反射率７５と伝達時間７６の決定と、組織の２つの圧縮状態を規定し、以下のように処理される測定された材料についての一般的な仮定を与える。

以下の分析は、一次元の３層モデル（周囲の媒体１・目標媒体２・周囲の媒体１）を検討してものである。周囲の媒体内のその材料の特性は、既知と仮定する。もし、そうでなければ、既知の特性の追加の媒体（結合媒体）を人為的に追加することができる。この方法は、はじめに周囲の媒体の特性を分析し、そして、目標組織の分析のために、それらの特性を使用することができる。超音波の波長幅の大きさが目標組織の大きさと比較して相対的に小さいときは、この仮定は２次元についても、同様に適用することができる。

もし組織の正規化された剛性だけが必要なときは、以下の関係とステップに従えばよい。

周波数領域分析：
はじめに、音響弾性理論に基づいて、圧縮された媒体１（組織周囲の）と媒体２（目標組織）内の波の速度が、式２５で与えられる。ここで、Ｃ（ｅ）とｔ（ｅ）は、ひずみ（ｅ）に依存する剛性と応力である。下付き文字は、媒体の番号である。

上記の関係を反射率の既知の定義に代入して、式２６が得られる。

次の圧縮状態における目標組織の未知のパラメータは、式２７で与えられる。

１次元モデルで保証されている応力の連続性（t₁(e_i) = t₂(e_i)）を考慮して、式２７は、整理されて式２８になる。ここで、媒体１、２の材料の密度は、非常に近くて、ρ₁≒ρ₂と改定している。

圧縮状態でない目標組織の未知のパラメータは、式２９に示される。

目標組織（媒体２）の仮定の剛性は、与えられたひずみｅの２次関数、式３０となる。

式２８と式２９の比を取り、式３０の関係を代入することにより、媒体２の材料の特性と測定された反射率の関係が、式３１で与えられる。

時間領域分析：
e = 0（伸ばされていない状態）での伝達時間は、厚さDの組織の厚みと波の速度V₀の関係であり、式３２によって与えられる。

同様に、e ≠ 0（伸ばされた状態）での伝達時間は、式３３で与えられる。

ここで、波の速度Vと伸ばされた状態での組織の厚みｄが、それぞれ式３４、３５で与えられる。

波の伝達時間の式３２、３３の比は、式３６で与えられる。

(C₂(e_i) + t₂(e_i))/c₂は、媒体１内の反射率とパラメータに関係し、式３７で表され、組織に与えられたひずみは、式３８で計算される。

この式の右側は、既知あるいは波の信号から直接測定されたパラメータを含んでいるので、与えられたひずみが、更なる補充の情報なしに、直接計算することができる。与えられたひずみが計算できると、正規化された剛性の特性を得るために、それらを式３１に使用することができる。

実行：
ステップ１：例えば、超音波プローブの力変換器を使用して、既知の応力のより高いレベルで媒体を圧縮する。ここで式３９となる。

このより高い応力は、目標媒体と周囲の媒体との間の対比を高める。音響的対比が高められているので、目標組織の位置と形状が、より高い精度で認識できる。圧縮された組織の反射率が、以下の式４０に使用することができる。

ステップ２：前のステップで使用された応力より小さい、異なる圧縮応力で同じ測定を繰り返す。式４１、４２となる。

ステップ３：圧縮されていない状態の反射の情報を測定する。この状態で、目標媒体と周囲媒体との音響的な対比は、一般的に低い。従って、この２つの媒体の間の境界はより不鮮明になる。しかし、前の２つのステップで圧縮の高められた境界によることで、２つの媒体の間の境界は、想定することができ、式４３のように反射率を計算することができる。

ステップ４：式３８を使用して与えられたひずみｅ_Aとｅ_Bを計算する。

ステップ５：計算されたひずみｅ_Aとｅ_Bを用いて、未知の正規化された材料の特性（α＝ａ₂／ｃ₂，β＝ｂ₂／ｃ₂）が、次の式４４、４５を同時に解くことにより、計算できる。

組織の剛性は、応力の関数範囲で当然線形であり、剛性関数の勾配は、組織のタイプに依存する。このような組織について、パラメータβは、αより重要である。勾配βが計算されると、組織の特徴が、様々な組織の剛性勾配の表を参照することにより、規定することができる。

材料特性（剛性、剛性勾配、ポアソン比、正接弾性係数、密度）の一括セットが計算できると、次の更なる関係が必要となる。

変形のない、等方性の同質の材料において、ヤング率Ｅは、材質均一のポアソン比（ν）に対する剛性Ｃで知られ、式４６で与えられる。

変形が１次元で、この関係が変形の状態に維持されると仮定し、正接弾性係数と剛性の関係が式４７で与えられる。

Ｅ（ｅ）は、一般的な有限の変形に対するヤング率の代わりに正接弾性係数とする。生物的な組織のようなほぼ圧縮できない材料が考えられ、変形の状態でのポアソン比は、式４８のように仮定できる。

φ（ｅ）は、圧縮でのひずみｅによる小さな体積変化を規定する小さい変数である。式４８を式４７に代入して、φ（ｅ）の関数として展開し、高次の関係を無視して、式４７を簡略すると、式４９が得られる。

目標組織（例えば、図２の腱４５あるいは図１の腫瘍１８）の剛性Ｃ₂（ｅ）とφ（ｅ）が式３０、５０と仮定すると、目標組織（例えば、図１の腱４５あるいは図１の腫瘍１８）の正接弾性係数は、ひずみの関数として式５１で与えられる。

この仮定（１次元の変形）の下での応力は、正接弾性係数を積分することにより得られ、式５２となる。

この式を用いて、材料特性の全セットを計算するためのSGI数学的関係は、以下のように導くことができる。初めに、前記の式から式２７と式２９の比が以下の式５３のようにうられる。式３０と式５２をこの式に代入して式５４が得られる。

この式５４は、前記の式３１の代替となる周波数領域の式として利用することができる。

この式を実行することは、式３１のステップの実行と全く同じである。初めに、複数の変形された形状（それぞれ異なるひずみの４以上のデータセット）で式３８から与えられたひずみｅ_iを計算する。つぎに、４つの未知の材料定数s₁, s₂*b₂/c₂ and a₂/c₂を計算するために、式５４に計算されたひずみを代入する。これらの計算された定数を用いて、変形に依存するポアソン比ν（ｅ）と正規化された剛性ＮＣ₂（ｅ）は、式５５、５６で与えられる。

簡略化のために、この記述において、１次元の層のモデル（周囲媒体―目標媒体―周囲媒体）だけを検討してきた。ここでは、応力の連続性t₂(e) = t₁(e)の状態が、２つの異なる媒体の接合面で得られ、t1(e)がそれぞれの変形について超音波変換器の圧力を測定から知ることができる。これらより、目標媒体の剛性Ｃ₂（ｅ）を規定するために必要なポアソン比を示す２つの係数と３つの材料係数（a₂, b₂ and c₂）が、式５７により求められる。

未知の目標組織の密度は、同じ式を用いて計算することができる。はじめに、式２７を変形し、式５８が得られる。

式５８と式２９の比をとることにより、目標組織の正規化された剛性が、式５９により与えられる。

式５４を式５９に代入して、未知の目標組織（媒体２）と未知の周囲組織（媒体１）の間の密度の比率が次式６０により与えられる。

ここで、右側の定数s₁, s₂*b₂/c₂ and a₂/c₂は、前述のステップで計算されており、それらは、この段階では既知の特性である。

一見して、この式６０において、密度が与えられたひずみｅの関数であるように見える。しかし、式５２と式６０とを見てみると、密度の比は、次式６１のように、定数として示される。このプロセスにおいて、応力の連続性t₂(e) = t₁(e)が取り入られている。

この式は、式２９を変形して導くここともできる。従って、これは、式６１により与えられた密度の比が、変形の状態に係らない一定の値であるべきことを示している。この密度の比が計算されると、目標組織の密度が、式６２により、簡単に得られる。

目標組織の密度が得られると、この式から、どの変形の状態での目標組織内の波の速度を式６３により計算するために、SGIの式２６に戻すことができる。

計算された波の速度から、どの変形の状態での目標組織の大きさ（厚さ）を、以下の式６４により計算することができる。

この式において、T(e_i)は、目標媒体を通過する往復の波の伝達時間を表す。この厚さを、波の減衰係数の計算に使用することができる。

実行：ステップ１：例えば、超音波プローブの力変換器を用いて、既知の応力t₁(e_A)のより高いレベルで媒体を圧縮する。ここで、t₂(e_A) = t₁(e_A)である。このより高い応力は、目標媒体と周囲媒体の間のコントラストを高めることができる。超音波のコントラストが高められると、目標組織の位置と形状が、より高い精度で規定できる。この圧縮された組織の反射率が、以下の式６５に使用することができる。

ステップ２：前のステップで使用された応力より小さい、異なる圧縮応力（t₁(e_B), t₁(e_C) とt₁(e_D)）について、同じ測定を繰り返し、式６６、６７，６８となる。

ステップ３：圧縮されていない状態について反射の情報を測定する。この状態において、目標媒体と周囲媒体の間の超音波のコントラストは、通常、低い。従って、２つの媒体の境界は、あまり明確でない。しかし、前の２つのステップで圧縮の高められた境界を追跡することで、２つの媒体の境界が正確に予測でき、反射率が以下の式６９で計算できる。

ステップ４：式３８を使用して、与えられたひずみe_A, e_B, e_Cとe_Dを計算する。ステップ５：計算されたひずみe_A, e_B, e_Cとe_Dを用いて、以下の２つの式７０、７１、７２、７３を同時に解くことにより、未知の材料特性（s₁, s₂(b₂/c₂)とa₂/c₂）を計算することができる。ここで、式の右側のパラメータは、既知か、測定されるものである。

ステップ６：ポアソン比に対する計算された２つの係数と任意の与えられたひずみを式５２に代入することにより、４つの式を設定し、３つの剛性係数（a₂, b₂とc₂）を取り出して、式７４、７５、７６、７７とし、この４つの式の解を同時に求める。

ステップ７：式７８、７９、８０により、剛性、ポアソン比、正接弾性率を再計算する。

ステップ８：式８１により、材料の密度を計算する。また、ASGが、この技術に適用できる。SGIも、どんな次元の剛性関数を使用することもできるし、関数の形式も、この技術の基本的な考え方には影響しない。

変形された媒体内での波の減衰の計算：図９を参照し、目標組織（例えば、図２の腱４５、あるいは図１の腫瘍１８）への入力波１００の通路とそれによる反射波の検討。この方法の記述を簡単にするため、図２の応用だけを参照し、目標４５と患者として腱と腫瘍の両方を参照し、媒体４４として結合媒体が参照される。振幅MIを有する入力波１００が、既知の減衰率α₁＝α₁（ｅ）と厚さｄ₁＝ｄ₁（ｅ）を有する周囲媒体４４（図９）の底部に到達するとき、M_I―α^1d1に減衰する。

この波は、一般に、周囲媒体４４と目標４５との間の近傍の接合部で反射し、ひずみ依存の反射率R₁₂ = R₁₂(e)によりその振幅がM_Ie^-α^1d1R₁₂に変化する。反射された波は、厚さｄ₁＝ｄ₁（ｅ）を通り、表面に戻る。波の振幅が、さらに減衰され、RW₁ = M_Ie^-2α^1d1R₁₂となり、第１の反射波１０２として記録データに示される。

ここで、図９の第２の反射エコー１０４を生成する入力波の通路を検討する。周囲媒体４４（あるいは１４）の底部に到達する波の部分が、目標４５に送信される。この点で、入力波の振幅は、目標４５の上部でM_Ie―α^1d1T₁₂であり、ここで伝達率として、T₁₂ = T₁₂(e)が規定され、超音波信号の多くが、媒体４４から目標４５へ通過することを示している。この波は、目標４５の下側の底の媒体４４に伝達され、この面で反射され、目標の上側に戻る。目標４５の上部で、波の振幅は、目標４５の減衰特性目標４５と周囲媒体４４の間の底部の接合面での反射率とを介し、M_Ie―α^1d1e^-2α^2d2T₁₂R₂₁に減衰する。目標から周囲媒体に向かって波が伝達されるので、ひずみ依存性の反射率R₂₁ = R₂₁(e)が与えられる。波が、上部の媒体４４に戻され、変換器１２に戻され、第２の反射エコー１０４として記録波信号に現れる。反射、伝達、減衰のために、第２のエコー１０４は、RW₂ = M_Ie^-2α^1d1e^-2α^2d2T₁₂R₂₁T₂₁の値となる。そして、目標から周囲媒体に向かって伝達される波のひずみ依存性伝達率T₂₁ = T₂₁(e)が与えられる。

第１の反射エコーと第２の反射エコーの振幅が、反射率と伝達率の組み合わせとして表されるので、反射率と伝達率の関係は既知でなければならない。以下の説明は、この基本的な関係が分析の方法においてどのように公式化されるかを規定している。

波が媒体４４から目標４５に伝達されるとき、２つの媒体の接合面での反射率R₁₂(e_i)が、式８２により与えられる。

この式において、媒体４４と目標４５内の波の伝達速度は、V₁(e_i)とV₂(e_i)で表されている。両方の媒体の材料の密度はρ₁とρ₂で示されている。

IWとRW₁は、入力波振幅と、記録された波の信号から測定された第１の反射エコーの振幅を表す。媒体４４によって生じる波の減衰は、e^-2α^1d1で表される。周囲媒体４４での波の減衰が無視できるなら、接合面近傍での反射率はR₁₂(e_i) = RW₁/IWと簡単にすることができる。同じ接合面での伝達率T₁₂(e_i)は、式８３で与えられる。

逆の場合（波が目標４５から媒体４４に伝達される）、反射率R₂₁(e_i)と伝達率T₂₁(e_i)は、次の式８４、８５で与えられる。

これらの式を操作して、R₂₁(e_i), T₁₂(e_i)とT₂₁(e_i)が、以下の式８６に示すようにR₁₂(e_i)の関数として、全て表すことができる。

これらの式が、以下のように利用される。第１のエコーと第２のエコーを比較することによる波の減衰の計算：目標４５内の波の減衰を計算する簡単な方法は、第１のエコーと反射された第２の振幅の比を取ることによって、式８７により得られる。

この誘導には、式８６が用いられる。この比から、どの変形の形状においても目標４５内の波の減衰が式８８で表される。

この式において、反射が、非常に小さいものと計算されるときは、この式はもっと簡単に式８９となる。

減衰率が、式９０の形で、与えられたひずみの関数として仮定できるなら、式８８は、次式９１となる。

式９０において、γ₁, γ₂とγ₃は、記録された波の信号から決定される未知の減衰係数を表す。

異なるひずみeiで測定された第２のエコーを比較することによる減衰の計算：目標４５の減衰率が、異なるひずみレベルで測定された第２の反射エコーを比較して導くこともできる。すなわち、第２反射エコーは、ひずみレベルeiとejで測定され、式９２、９３となる。

これら２つのエコー信号の比は、式９４で与えられる。

目標媒体の減衰と厚さが小さいとみなすことができるときは、この式は、さらに簡単に式９５となる。

対数操作を式９４に施すと、式９６が得られる。

式９０を式９６に代入して、この場合の波の減衰を計算するための最後の式９７が得られる。

この式において、右側のパラメータは、測定することができ、あるいは、前記のステップから計算することができる。反射率R₁₂(e_j)が非常に小さく、より高い項が無視できるならば、式９７はさらに簡単に式９８となる。

パラメータα₁(e_j)d₁(e_j)が、相対的に小さい値の減衰をもたらすならば、式９７は、式９９とさらに簡単にすることができる。

周囲媒体４４内の波の減衰の影響が無視できるとき（e^-2α^1(e)d1(e)≒1）、式９８、９９は、さらに簡単に式１００、１０１となる。

目標４５の厚さが、この導関数を通し、既知のパラメータとして扱われている。ASGの場合の目標４５の厚さが、既知の目標媒体の密度を基にした式１４と、応力の連続性の状態を基にしたSGIに対する式２１７により与えられる。

実行：ステップ１：複数の異なる未知のひずみレベルでの波の信号を測定し、それぞれのレベルでの反射率R₁₂(e)と目標媒体の厚さd₂(e)を計算する。式９１を基に減衰の計算するために、３つの別々の測定が必要とされる。さらに、４つの測定が、式９５を基にした計算のために必要とされる。AGSにおいて、目標媒体の厚さが、式１４によって計算される。SGIにおいて目標媒体の厚さが、式２１７により計算される。

ステップ２：減衰係数（d1, d2 and d3）を計算するために式を設定する。式９１を基にする技術のため、次の式１０２、１０３、１０４が必要とされる。

式９７を基にした技術のため、以下の３つの式１０５、１０６、１０７が用いられる。

ステップ３：３つの定数γ₁、γ₂、γ₃を計算するためにこの式を同時に解く。図７を参照し、剛性、圧縮されていないときの剛性、密度、波の減衰のそれぞれの出力値が、マッピングプログラム９０に提供されるプログラム７０内に備えられた選択手段８９により選択的に、あるいは、組み合わされて与えられる。このマッピングプログラム９０は、図１のディスプレ３６に画像９２を生成するために、カラーあるいはグレースケールに、個々のひずみ、あるいは組み合わせたひずみ７８、剛性勾配８２、初期剛性８４、密度８６あるいは波の減衰などを含む材料特性７４の値をマッピングする。ドライバプログラム９４を介し操作するカーソル制御装置４０は、画像上の関心のあるカーソル９６の領域の配置が、組織の量的に測定された表示９８をカーソル９６の領域内にあるように、処理装置３３が制御することができる。カーソル９６の位置は、音響エラストグラフィ超音波システム１０によって得られた標準Bモード画像についてであるか、あるいは、上記の量によって生成された画像である。選択手段８９は、標準Bモードデータの入力を含む。

図８を参照し、実験にもとづく結果は、SGI技法が、異なる剛性勾配、すなわち、標準材料試験装置により実際に試験された剛性勾配に応じたひずみの関数として剛性の変化を表すよう、組織タイプを識別することができる。剛性勾配を測定できることは、組織のタイプのより良い識別のための可能性を提供することになる。

ASGもSGIも、ひずみと材料特性を計算するため、音響弾性理論および反射率と波の伝達時間（負荷された状態と無負荷の状態で測定された）との情報を用いる技術の例である。周囲媒体（あるいは組織）の特性が未知のとき、この方法は、はじめに、周囲媒体の特性を（既知の結合材料と比較することで）計算するよう、用いることができる。それから、目標組織を続いて分析し、周囲媒体の知ることができた特性と比較して規定することができる。この方法は、生物的な組織以外の材料にも用いることができる。

本発明は、これらの実施例と図に限定されることはなく、請求項の範囲内で異なる実施例の部分、要素の組み合わせを含む変形を含むものである。

Claims (28)

1. 材料の中へ超音波信号を送信し、前記材料により変化させられた超音波信号を受信する超音波変換器組立体と、前記材料のひずみと前記材料の剛性とを推測するためのプログラムに従って信号を処理する処理装置と、が備えられた超音波を用いてひずみを測定する超音波装置において、
   前記材料には、第１の張力と第２の張力とが、第１の軸を横断する第２の軸に沿って与えられ、
   前記超音波信号が、前記第１の軸に沿って前記材料の中に送信され、
   第１のエコー信号と第２のエコー信号とが、第１の位置と第２の位置から反射されて、前記超音波変換器組立体に受信され、
   前記超音波変換器組立体から出力された前記第１のエコー信号と前記第２のエコー信号とが、前記処理装置により受信され、処理されて、
   前記材料のひずみと前記材料の剛性とが、計算される
   ことを特徴とする超音波装置。
2. 前記材料の第１の接合面と第２の接合面との間における超音波の伝達時間と、前記第１の接合面と前記第２の接合面における反射された超音波エネルギを示す反射率とに基づいて、前記ひずみ及び前記材料剛性が、前記処理装置により決定されることを特徴とする請求項１記載の超音波装置。
3. 材料の接合面からのエコー信号を得る超音波変換器と、剛性の変化を求めるため前記エコー信号を処理する信号処理装置と、が備えられた超音波音響エラストグラフィ装置において、
   身体が、第１の変形状態と第２の変形状態におかれ、
   第１のエコー信号と第２のエコー信号とが、前記超音波変換器によって、前記身体内の第１の材料の接合面と第２の材料の接合面から与えられ、
   前記第１の変形状態と前記第２の変形状態のそれぞれにおける前記第１のエコー信号と第２のエコー信号とが、前記信号処理装置によって、変形の関数として剛性の変化を計算するために処理され、
   前記計算された剛性の変化に基づいた前記身体の特性が、変形の関数として出力される
   ことを特徴とする超音波音響エラストグラフィ装置。
4. 前記第１の接合面と第２の接合面との間における超音波の伝達時間と、前記第１の接合面と前記第２の接合面で反射された超音波エネルギを表す反射率とが、前記信号処理装置によって計算されることを特徴とする請求項３記載の超音波エラストグラフィ装置。
5. 前記身体の変形が、超音波の伝達の軸に沿って前記身体に与えられた圧縮によりなされることを特徴とする請求項３記載の超音波エラストグラフィ装置。
6. 前記身体が、伝達材料によって囲まれた被測定材料で構成されることを特徴とする請求項３記載の超音波エラストグラフィ装置。
7. 前記出力が、関数として、剛性の変化の計算によって、材料を特徴付ける画像としてなされることを特徴とする請求項３記載の超音波エラストグラフィ装置。
8. 変形の関数として、剛性の変化の度合いが、ひずみに関する剛性の傾斜で構成されることを特徴とする請求項３記載の超音波エラストグラフィ装置。
9. 材料に超音波信号を伝達し、前記材料の変形の後の超音波信号を受信する超音波変換器と、前記超音波変換器から出力された材料で変形された超音波信号を受信し、記憶されたプログラムに従って信号を処理する処理装置と、が備えられた超音波を用いて材料の特性を測定する装置において、
   前記プログラムによって、
   １）前記材料の第１の変形と第２の変形の下で、前記材料の第１の境界と第２の境界での反射された波の反射強度が測定され、
   ２）前記第１の境界と前記第２の境界との間における波の伝達時間が測定され、
   ３）材料ひずみ、変形の一つの状態での材料剛性、ひずみに関する材料の剛性勾配、材料密度、材料ポアソン比、材料正接弾性率、与えられたひずみの関数としての目標組織の厚さ、および、与えられたひずみの関数としての材料の波の減衰のうちから選択される少なくとも一つの特性が推定される
   ことを特徴とする超音波エラストグラフィ装置。
10. 前記変形が、超音波伝達の軸に沿って前記材料に与えられた圧縮により成されることを特徴とする請求項９記載の超音波エラストグラフィ装置。
11. 前記推定された特性が、ひずみの関数としての剛性勾配で構成されることを特徴とする請求項１０記載の超音波エラストグラフィ装置。
12. 前記推定された特性が、前記材料の変形されていない状態での剛性で構成されることを特徴とする請求項１０記載の超音波エラストグラフィ装置。
13. 前記推定された特性が、前記材料の密度で構成されることを特徴とする請求項１０記載の超音波エラストグラフィ装置。
14. 前記推定された特性が、与えられたひずみの関数として、前記材料のポアソン比で構成されることを特徴とする請求項１０記載の超音波エラストグラフィ装置。
15. 前記推定された特性が、与えられたひずみの関数として、前記材料の正接弾性係数で構成されることを特徴とする請求項１０記載の超音波エラストグラフィ装置。
16. 前記推定された特性が、与えられたひずみの関数として、前記目標組織の厚さで構成されることを特徴とする請求項１０記載の超音波エラストグラフィ装置。
17. 前記推定された特性が、与えられたひずみの関数として、前記材料の波の減衰で構成されることを特徴とする請求項１０記載の超音波エラストグラフィ装置。
18. 前記変形が、超音波伝達の軸を横切るよう前記材料に与えられた張力によりなされ、前記推定された特性が、前記材料のひずみで構成されることを特徴とする請求項９記載の超音波エラストグラフィ装置。
19. 前記処理装置に、変形の力の独立した測定が用いられないことを特徴とする請求項１５記載の超音波エラストグラフィ装置。
20. 前記反射強度が、境界で反射された相対強度の測定により成されることを特徴とする請求項１５記載の超音波エラストグラフィ装置。
21. ステップ１）が、前記第１と第２の反射波に関する時間期間内に受信された超音波信号を供給し、制限された周波数範囲で信号の強さを比較することを特徴とする請求項１５記載の超音波エラストグラフィ装置。
22. 前記身体が、伝達材料により囲まれている、測定される材料で構成されることを特徴とする請求項１５記載の超音波エラストグラフィ装置。
23. 前記身体が、生体内の腱で構成されることを特徴とする請求項１５記載の超音波エラストグラフィ装置。
24. 前記推定された特性にしたがって、材料を特徴付ける画像として、前記推定された特性の出力が、前記処理装置によって、与えられることを特徴とする請求項１５記載の超音波エラストグラフィ装置。
25. 身体の第１の変形状態と第２の変形状態とにおける前記身体内の第１の材料接合面と第２の材料接合面とから反射された第１のエコー信号と第２のエコー信号を出力する超音波変換器と、
    前記第１の変形状態と第２の変形状態における、前記第１の材料接合面と前記第２の材料接合面での反射エネルギの強さの変化に基づいて、材料の測定を行うように、前記第１の変形状態と前記第２の変形状態のそれぞれにおける前記第１のエコー信号と第２のエコー信号とを計算する信号処理装置と、が備えられている
    ことを特徴とする超音波音響エラストグラフィ装置。
26. １）身体の第１の変形状態と第２の変形状態とにおける前記身体内で第１の材料接合面と第２の材料接合面とからの第１のエコー信号と第２のエコー信号とを取得し、
    ２）変形の関数として、剛性の変化の測定をするために、前記第１の変形状態と第２の変形状態とのそれぞれにおける前記第１のエコー信号と第２のエコー信号を計算し、
    ３）変形の関数として、剛性の変化の測定に基づいて、前記身体の特徴付けを出力する、ステップとを備えた
    ことを特徴とする超音波測定の方法。
27. ａ）材料の変更をして、前記材料内に超音波信号を伝達し、受信する、
    ｂ）前記超音波変換器から前記材料が変更された超音波信号を受信し、
    １）前記材料の第１の境界と第２の境界とにおける前記材料の第１の変形と第２の変形の下での反射波の強さを計算し、
    ２）前記第１の境界と第２の境界との間における波の伝達時間を計算し、
    ３）材料ひずみ、一つの変形状態での材料剛性、ひずみに関する材料の剛性勾配、材料密度、材料ポアソン比、材料正接弾性係数、目標組織の厚さ、前記材料の波の減衰のうちから選択された少なくとも１つの特性を推定するために、前記強さと前記伝達時間とを結びつける、ステップを備えた
    ことを特徴とする超音波による材料特性測定方法。
28. １）身体の第１の変形状態と第２の変形状態との下で、前記身体内で第１の材料接合面と第２の材料接合面とからの第１のエコー信号と第２のエコー信号とを取得し、
    ２）前記第１の変形状態と前記第２の変形状態との下で、前記第１の接合面と前記第２の接合面とにおける反射エネルギの強さの変化に基づいて、前記材料の測定を行うために、前記第１の変形状態と前記第２の変形状態での前記第１のエコー信号と第２のエコー信号とを計算する、ステップを備えた
    ことを特徴とする材料を超音波的に測定する方法。

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