JP2010507428A - 界面での音響放射力の生成による力学的波の生成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
より詳細には、本発明は、粘弾性媒質の特性を決定するために粘弾性媒質においてイメージングされる力学的波の生成に関する。
一過性弾性率計測法では、機械的励起は身体表面もしくは身体の組織内部で生成された短い力学的パルスか、少数のパルスから成る。
外部応力による一過性弾性率計測法では、媒質を破損させずに媒質との接触点で引き起こされ得る最大表面振動によってしかシフトの振幅が制限されないことが明らかである。組織で生じるシフトは、容易に約100μmの振幅を有する。
このシフト波は媒質中を伝搬する。超音波検査、MRIまたは他の画像診断法により観察される波の伝搬特性の測定は、調べられた組織を特徴付ける力学的変数を決定する。とりわけ、剪断係数、さらには粘性等も決定することが可能である。
送られる最大の音響力により制限される。
音波を集束させる界面は、ゲル/皮膚、水/皮膚、または水/膜/皮膚分離表面などであってよい。膜は変形可能な膜であってもなくてもよい。界面は、イメージングされる組織の内部の固体媒質と液体媒質との間に、または組織の内部の異なる音響特性を有する2つの媒質の間に位置し得る。これは、例えば嚢胞を有する生物媒質に該当する。本発明の方法では、生じる移動の振幅は約100μmである。
超音波の周波数は、特に媒質内の剪断波を作成する放射力の生成に実際に特に適合される。そのような剪断波は、弾性率計測法において一般に使用される。そのような剪断波は、本発明の方法により生成される力学的波に属し、また、弾性率計測法により一般にイメージングされるものである。
そのような特徴により、媒質内の界面領域の可視性および特徴付けが大幅に改善される。実際、人体に本来に存在する界面のレベルで生成された剪断波の伝搬についての観察は、これらの界面および該界面が分離する媒質をより良好に特徴付けるのを支援する。
本発明の別の特定の特徴によれば、音波が集束される界面は、粘弾性媒質の表面と接触する状態で配置され、音波を適用する装置と粘弾性媒質の表面との間に配置されたカップリング媒質として知られる媒質を包囲する人工膜であり、カップリング媒質と粘弾性媒質
は異なる音響特性を有する2つの領域を形成する。
有利な特徴によれば、人工膜は、力学的波の振幅を増加させつつ音響インピーダンスコントラストを最小限にするよう選択された組成を有する。
これらの2つの特性によって、人工膜は、その組成、形状、および/または厚さを変更することにより特定の用途に従って容易に適合させられる。
実際、剪断波が界面で生成されると、これが、組織表面の高さに有意な振幅の波を生じさせる。この特性は、生成した波が媒質の表面に一般に届いて大きく減衰されるので、体積放射圧法では実現することができない。
したがって、本発明の特に有利な特徴によれば、人工膜は、粘弾性媒質の対象領域で力学的波の振幅を増加させるよう空間的に決定された非一様な組成を有する。
膜のこれらの特性を用いて、対象領域で力学的波を集束するために剪断波の指向性を使用することが可能である。したがって、かかる領域における力学的波の振幅はすべて大きくなる。
有利には、超音波処理方法は、媒質のイメージング工程の結果の関数として制御されるのに適している。
媒質14と媒質11との間の動きの変位量により、音響放射力15が生じ、これは、媒質11を界面13に対して支持し、媒質11を押し、媒質11内に力学的波を生成する。
音響放射力はすべての音伝搬を特徴とする現象である。伝搬媒質11に位置する基本体積Vに加えられると、音波によって伝えられた動きの流入量と流出量の間の非ゼロバランスの後に音響放射力が作成される。多数の超音波サイクルで平均したこの非ゼロバランスは、以下により記述される力Fを生ずる:
したがって、媒質内部への集束により生じた音響放射力の振幅と、界面上での集束で得
られた放射力の振幅とを比較するために、音エネルギーの吸収により生成された体積放射力と、速度と密度という異なる特性を有する複数の媒質の界面で生成された表面放射力とについて、関心が向けられる。
f=2αIez/c
さらに、第1の媒質14中での媒質11との界面13までの超音波の伝搬が考慮される。
先に理解されたように、界面のこの押圧は、主要な振幅を有する力学的波を生成し、これが生物媒質11中に広がる。
媒質11中における高さHの特定の体積V、つまり、境界の1つが断線A上の界面13と一致する特定の体積、を考慮すると、強度Iを有する平面波が媒質14の特定の体積に広がるときに生成された2つの種類の力の相対的貢献を比較することが可能である。
実際には、これらの桁の力の大きさが、集束される音響ビームの厚さに等しい断線Aを有すると共に視野の深さの半分に等しい高さHを有する界面13上に軸方向に集束された、焦点の半分の領域に適用される。
て囲まれた媒質を選択することを意味し、これにより界面での反射が有効に最小限となる。適切な材料の例を以下に挙げる。
表面励起に起因する力学的波に対応する移動視野の特徴を指定するために、半無限固体の表面での応力によって引き起こされる弾性波の伝搬の理論に関心が向けられる。
a point load travelling on the surface I,J.Appl.Mech.1996)の計算によって示されるのは、体積中で生成された剪断波が指向性を有するローブを示すことである。これは、局所的剪断源の二極性の挙動に由来する。
超音波放射力25は指向性ローブ27および27’により剪断波を生成し、指向性ローブ27および27’の最大限は界面23における垂線から35°に位置し、これらの力学的剪断波を示している。
特定の対象の一定の空間領域での剪断波の振幅を最大限にするために明らかなことは、この領域に対して35°で局所的剪断源を配置することが適切であることである。
ヘッド波は、応力の連続性を保証し、界面でのゼロ振幅を有する。ヘッド波は、所定方向を向いた剪断波の形で体積中のそのエネルギーの一部の生成することにより、圧縮波の形で表面で広がる。この特定の角度は以下の式により与えられる:
しかし、剪断波と圧縮波の速度の値は、それぞれ約5m/sおよび約1500m/sである。従って、特定の角度はほぼ0であり、このヘッド波は媒質を貫通しない。したがっ
て、イメージングは媒質中のわずかな深さで行われるので観察できないだろう。
したがって、表面波は剪断波の速度とほぼ同一の速度を有している。
従って、波Rと剪断波を一時的に分離することが実際には不可能であることが明らかである。しかしながら、ここでは、イメージングがかなりわずかの深さで行われるため、かかる波が剪断波に重ね合わされない。剪断波に重ね合わされる場合さえ、cR≒cTであるから、その存在は速度cTの測定値をわずかに変えるにすぎないだろう。
この実施形態は特に、集束超音波治療の方法と組み合わせて適合される。実際、そのような治療法は、超音波変換器と生物媒質の間にカップリング媒質の存在を要求する。そのようなカップリング媒質は、一般に、本発明の実施に有利に使用され得る、水で満たされた膜によって構成されたウォーターポケットである。
生物媒質を弾性率計測法によりイメージングして、処理の進行に関連する弾性特性の進展を監視する場合、上記のことは有害である。さらに、生物媒質内に体積放射力を生成することが可能な場合でも、媒質中で生成可能な体積放射圧は、ウォーターポケットと媒質との間の界面における超音波エネルギー損失により相当に減少されるだろう。
図3に示されるアセンブリは、超音波変換器32を担持するイメージングプローブ38を使用する。このイメージングプローブ38はウォーターポケットに適用され、膜34’によって囲まれるカップリング媒質34を定義する。ウォーターポケットは生物媒質31(例えば胸部)の表面に配置され、界面33を定義する。
その後、かかる剪断波のイメージングにより、いつ観察された媒質31でもその弾性の地図作成を実現することが可能である。
定を局所的に引き起こすようにプログラムされる。
実際、主として媒質31の音響パラメータと超音波ビームの強度とに依存する体積放射力とは反対に、2つの媒質34と31との間の界面33に生成された放射力35はオペレータにより調節され得る他のパラメータに依存する。界面放射力は、実際には、音響インピーダンスの比、2つの媒質中の音速比、または膜の厚さにすら依存する。
また、2つの媒質31および34の音響インピーダンスが隣接するが2つの媒質31および34が異なる音速度を有することが賢明である。これは、大きな放射圧を形成すると同時に、超音波画像診断に有害な界面33における反射が回避される。
図4は、本発明による人工膜の第2実施形態を例証する。この実施形態では、界面43を構成する膜44’が、媒質41中に位置する対象領域66での力学的波の振幅および指向性を制限および増幅可能にするものである。
図4の例では、非一定の厚さおよび組成の膜が利用される。表面源の空間配置は、実際には、媒質41との界面43の高さで厚さおよび/または組成が非均質である膜を使用して実現され得る。
図4aは断線A−Aであり、図4bは断線B−Bにおける部分平面図である。
円環状の頂上部材だけでなく長方形などの種々の形状でも膜44’の非一様化はなし得る。連続的なレリーフ表面の代わりに、円環状の頂上部材にスパイクを配置してもよい。
Claims (12)
- 粘弾性媒質(11)内に力学的波を生成する方法であって、粘弾性媒質(11)中に生成された力学的波(27)の伝搬がイメージングされるように媒質(21)をイメージングする工程と組み合わされる粘弾性媒質(11)内の力学的波を生成する工程からなり、前記生成する工程は、異なる音響学的性質を有する2つの領域(11,14)の境界を定義する界面(13)に音波を適用することにより実行される、方法。
- 音波は超音波であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 音波が焦束される界面(53)が、粘弾性媒質(51)内に存在する異なる音響特性を有する2つの領域(51,54)間に存在することを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- 音波が焦束される界面(33)は粘弾性媒質(31)の表面と接触する状態で配置された人工膜(34’)であり、かつ人工膜(34’)は音波を適用する装置(38,32)と粘弾性媒質(31)の表面との間に配置されたカップリング媒質(34)として知られる媒質を包囲し、カップリング媒質(34)と粘弾性媒質(31)が異なる音響特性を有する2つの領域を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- 人工膜(34’)は、力学的波の振幅を増加させつつ音響インピーダンスコントラストを最小限にするよう選択された組成を有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 人工膜(34’)は、力学的波の振幅を増加させつつ音響インピーダンスコントラストを最小限にするよう選択された厚さを有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 人工膜(34’)は、粘弾性媒質(31)の対象領域での力学的波(27)の振幅を増加させるよう空間的に決定された非一様な組成を有することを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の方法。
- 人工膜(44’)は、粘弾性媒質(41)の対象領域(66)での力学的波(27)の振幅を増加させるよう空間的に決定された非一様な厚さ(49)を有することを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の方法。
- 界面(33)に集束される音波の適用は、界面(33)の複数の箇所で連続的に遂行され、この複数の箇所および集束の連続は、粘弾性媒質(31)の対象領域での力学的波(27)の振幅を増加させるように決定されることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
- 前記方法は、処理の効果を監視するための超音波処理方法と組み合わされることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の方法。
- 前記超音波処理方法は、媒質のイメージング工程の結果の関数として制御されるのに適していることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 力学的波の振幅を増加させつつ音響インピーダンスコントラストを最小限にするよう選択された組成および厚さの少なくとも一方を有する人工膜(34’)であって、請求項1〜9のいずれかに記載の方法の実行の間に界面(33)として機能するように、部分的に粘弾性媒質(31)の表面と接触する状態で配置され、かつ音波を生成する装置(32,38)と粘弾性媒質(31)の表面との間に配置されたカップリング媒質(34)として知
られる媒質を包囲する、人工膜(34’)。
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