JP2014506523A - 非合焦超音波による超音波振動法 - Google Patents

Abstract

検査の目的物または対象物の機械的特性を超音波装置で非合焦超音波エネルギを用いて測定する方法を提供する。目的物または対象物の中を伝搬するせん断波が、非合焦超音波エネルギを目的物または対象物に印加することによって生成され、測定情報が合焦または非合焦の超音波エネルギをせん断波が存在している目的物または対象物の少なくとも１箇所に印加することで取得される。機械的特性が次いで取得された測定情報から算出される。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明の分野が超音波装置および方法に関する。さらに詳細には、本発明が超音波振動法に対する装置および方法に関し、超音波を用いて関心の材料および細胞の機械的な特性を測定する。

細胞の機械的特性の特徴、特には、細胞の弾性または感触の硬さが診断に重要な効力を果たし、なんとなれば、病理に関してこれらの特性が細胞の状態に密接に関連しているからである。たとえば、病変の触診において肺癌がその異常な硬さのおかげでしばしば最初に検出される。別の例では、肝臓の硬さの測定が肝線維症診断の非侵襲代替として用いられる。

近年、弾性および粘度などの細胞の機械的特性の測定にせん断波放射超音波振動法（「ＳＤＵＶ」）と呼ばれる超音波技術が開発された。このＳＤＵＶ技術がたとえが同時継続出願の米国特許第７，７８５，２５９号および７，７５３，８４７号に記載され、本明細書にその全体が援用される。これらおよび類似の方法において、ＦＤＡ安全規格内で動作する焦点超音波ビームを対象物に印加して、関心の細胞内に高調波せん断波を生成する。発生したせん断波の伝搬速度が周波数依存すなわち「分散的」であり、関心の細胞の機械的な特性に関連する。多くの周波数でのせん断波速度がパルスエコー超音波で測定され、次いで理論的分散モデルに適合させて、細胞の弾性および粘性を逆算する。せん断波伝搬路に沿う既知の距離の２つ以上の間で検出される細胞振動の位相から、これらせん断波速度が推定される。

検査する対象物の機械的特性を超音波エネルギを用いて算出する他の方法の例が米国特許第５，６０６，９７１号および５，８１０，７３１号である。しかしながら、上述のＳＤＵＶ技術のように、これらの特許に開示される方法は、合焦超音波の用いることを必要とし、検査の目標物または対象物内に振動動きを生成する。

検査下の目標物物または対象物の機械的特性を超音波エネルギを用いて演算する方法を提供することにおいて、合焦超音波に必要な現状の高レベル超音波強度を用いずにかつ適当な信号対雑音比を維持することが望ましい。

本発明が前述した問題を解決するために、非合焦超音波エネルギを用いる超音波装置でもって対象物の機械的特性を測定する方法を提供する。

本発明の１つの態様では、超音波装置で対象物の機械的特性を測定する方法が提供される。方法には、対象物に非合焦超音波エネルギを印加して対象物に伝搬するせん断波を生成し、検出器を用いて測定情報を取得し、生成されたせん断波が存在する対象物の少なくとも１箇所を測定する工程が含まれる。次いで取得測定情報を用いて対象物の機械的特性が演算される。

本発明の別の態様では、超音波装置を用いて測定情報が取得されて良く、超音波エネルギを用いて対象物の少なくとも１箇所に超音波エネルギを印加するか、光学検出器、磁気共鳴画像装置、またはマイクロ波検出器の少なくとも１つを用いて対象物の少なくとも１箇所に電磁エネルギを印加する。

本発明の別の態様では、対象物に印加する非合焦超音波エネルギに超音波トランスデューサからくし形パターンで外側に延びる複数の非合焦超音波が含まれる。これら非合焦超音波ビームが超音波トランスデューサの表面に亘って均一または非均一に間隔を有して良い。

本発明の別の態様が、配向フィルタがくし形パターンに生成された非合焦超音波エネルギを用いる際に取得測定情報に適用されて、破壊的な干渉の結果となることが実質的に軽減される。

本発明の別の態様では、左から右へのせん断波の測定に対応する第１のサブセット測定情報が取得測定情報から形成され、右から左へのせん断波の測定に対応する第２のサブセット測定情報が取得測定情報から形成される。次いで第１および第２のサブセットが選択的に選択される。

本発明の別の態様では、複数の超音波トランスデューサ構成要素を超音波トランスデューサの第１の方向に沿って活性させることで、非合焦超音波エネルギを対象物の平坦領域に印加して、せん断波が平坦領域から外側に延びる方向に沿って伝搬する。次いで超音波装置が用いられて超音波エネルギを対象物の少なくとも１箇所に印加して測定情報を取得するが、それが複数の超音波トランスデューサ構成要素を超音波トランスデューサの第１の方向に直交する第２の方向に沿って活性させてなされる。

本発明の別の態様では、対象物の機械的特性を超音波で測定する方法が提供される。方法には、軸方向の複数の深度に複数の細胞変形を生成するために、非合焦超音波エネルギを対象物に印加することが含まれる。次いで少なくとも１つの前記複数の細胞変形が配置されている前記対象物の少なくとも１箇所に超音波エネルギを印加して前記対象物から測定情報を取得する。前記対象物の機械的特性が取得した測定情報を用いて算出される。

本発明の別の態様が、測定情報を取得するために印加しられる超音波エネルギが合焦超音波エネルギおよび非合焦超音波エネルギの少なくとも１つとされる。

本発明の別の態様では、超音波エネルギが測定情報を取得するために印加されて、伝搬する複数のせん断波をそこに生成する。

本発明の別の態様では、超音波トランスデューサを備えた超音波装置で対象物の機械的特性を測定する方法が提供される。超音波トランスデューサを用いて前記対象物に超音波エネルギを印加して、前記超音波トランスデューサから外側に延びる少なくとも１つの方向に前記対象物に伝搬するせん断波を生成し、前記超音波エネルギが前記超音波トランスデューサの表面に実質的に直交する方向に力を生成する。生成されたせん断波の存在する対象物の少なくとも１箇所に超音波エネルギを印加することで、測定情報を取得する。取得した測定情報用いて対象物の機械的特性を算出する。

本発明の別の態様では、生成されるせん断波が超音波トランスデューサの表面に実質的に直交する方向に伝搬する。

本発明の別の態様が、生成されるせん断波の少なくとも１つが前記超音波トランスデューサの表面の１箇所から放射方向に伝搬する球状波とされる。

上述したおよび他の態様、並びに発明の有利な点が以降の説明で明らかになる。その説明において、本明細書の一部を構成する添付の図面が説明しながら参照され、本発明の好適な実施形態がそこに示される。このような実施形態が本発明の完全な範囲を必ずしも表わすものでなく、したがって、特許請求の範囲が参照されて、本発明の範囲を解釈するために本明細書で参照される。

焦点深度に合焦超音波ビームから外側に伝搬するせん断波を生成する合焦超音波ビームの例を示す図である。 非合焦超音波に応答して生成される超音波照射領域から外側へおよび内側へ伝搬するせん断波を生成する非合焦超音波ビームの例を示す図である。 非合焦超音波に応答して生成される、複数の軸方向深さに超音波照射領域から外側へ伝搬するせん断波を生成する非合焦超音波ビームの例を示す図である。 平面外せん断の画像化のための２次元アレイ超音波トランスデューサを示す図である。 平面外せん断の画像化に用いられる２つの超音波トランスデューサを示す図である。 非合焦超音波に応答して生成される超音波照射領域から外側へ伝搬するせん断波を生成する曲線のあるトランスデューサによって生成される非合焦超音波ビームの例を示す図である。 非合焦超音波に応答して生成される超音波照射領域から外側へおよび内側へ伝搬するせん断波を生成する曲線のあるトランスデューサによって生成される非合焦超音波ビームの例を示す図である。 非合焦超音波に応答して生成される超音波照射領域から外側へ伝搬するせん断波を生成する超音波トランスデューサの中心を外して生成される非合焦超音波ビームの例を示す図である。 非合焦超音波に応答して生成される超音波照射領域の外側へ伝搬するせん断波を生成する曲線のある中心を外して生成される非合焦超音波ビームの例を示す図である。 非合焦超音波に応答して生成される超音波照射領域から外側へ伝搬するせん断波を生成する超音波トランスデューサの中心を外して生成され、その結果、せん断波が非合焦超音波ビーム間に配された目標物または対象物の中で相互作用するといった、非合焦超音波ビームの例を示す図である。 非合焦超音波に応答して生成される超音波照射領域から外側へ伝搬するせん断波を生成する、発生陽極処理非合焦超音波ビームの例を示す図である。 非合焦超音波に応答する超音波トランスデューサから離れて伝搬するせん断波を生成するように用いられる非合焦超音波ビームの例を示す図である。 本発明の所定の実施形態に基づいて生成された２つの非合焦超音波ビームの例を示す図である。 本発明の所定の実施形態に基づいて生成された伝搬するせん断波を追跡して増幅するのに用いられている多重非合焦超音波ビームの例を示す図である。 焦点超音波検出ビームを用いるせん断波伝搬を測定する方法の例を示す図である。 焦点超音波検出ビームを用いるせん断波伝搬を測定する方法の例を示す図である。 焦点超音波検出ビームを用いるせん断波伝搬を測定する方法の例を示す図である。 本発明の所定の実施形態に基づいてせん断波を生成するくし形パターンに配列された複数の焦点超音波検出ビームを用いる方法の例を示す図である。 本発明の所定の実施形態に基づいてせん断波を生成するくし形パターンに配列された複数の焦点超音波検出ビームを用いる方法の例を示す図である。 本発明の所定の実施形態に基づいてせん断波を生成するくし形パターンに配列された複数の焦点超音波検出ビームを用いる方法の例を示す図である。 図１１Ａ〜１１Ｃに示されたような、くし形プッシュパルスを用いて、様々な方向に伝搬し生成される２つのグループのせん断波を示す図である。 長波プッシュトーンバーストを効果的に示す、動き検出パルスでインタレースされた一連の短波超音波トーンバーストを示す図である。 本発明の所定の実施形態を用いる超音波装置の一例のブロック図である。

細胞の機械的特性、たとえば弾性や粘性などは、健康細胞を異常細胞と区別する有益なパラメータである。このように、これらの特性を測定することが重要な医療応用性を有する。これらの機械的特性が検査された媒体内のせん断波速度に関連し、したがって、超音波による生成される細胞内のせん断波が検出され、検査細胞の機械的特性を推定するのに用いれる。検査下の目標物または対象物の機械的特性の検査に好適なせん断波を生成するために非合焦超音波が実行されることが本発明の態様である。たとえば、非合焦超音波には電気的に合焦されていない超音波が含まれる。このような例において、弱い合焦の超音波が超音波トランスデューサの音響レンズによって誘発されて良い。

図１に、合焦超音波構成の従来例を示す。この構成において、合焦超音波ビーム１０２が超音波トランスデューサ１０４によって生成される。この合焦超音波ビームを適用することでせん断波１０６が発生される。これらのせん断波がプッシュ軸１１０から外側に延びる伝搬方向１０８に沿って伝搬する。

図２Ａを参照すると、非合焦超音波エネルギによって生成される、超音波トランスデューサ２０４によって発生される、たとえばトーンバーストなどの照射領域２０２の例が示される。照射領域２０２がトランスデューサ要素の平面内に依存する厚さおよび照射に用いられるトランスデューサ要素の全体幅に依存する幅を有する。この超音波エネルギが照射領域２０２全体に亘る放射圧を生成する。この放射圧によって照射領域２０２がトランスデューサ２０４に向かってまたは離れて動くことになる。照射領域２０２の縁において、せん断波２０６が生成され、照射領域２０２の縁に直交する伝搬軸２０８に沿って伝搬する。このように、せん断波２０６が２つの方向、照射領域２０２から外側および照射領域２０２の中心に向かって内側に伝搬する。所定のせん断波２０６が超音波トランスデューサ２０４に対する平面外方向に伝搬し、よって図２Ａに示される１つなど、１次元トランスデューサでは画像化できない。しかしながら、そのようなせん断波２０６が２次元トランスデューサなどの高次元トランスデューサを用いて画像化できる。

図２Ｂに示されるように、せん断波２０６が照射領域２０２の全範囲に沿って生成される。このように、非合焦超音波を用いて多重せん断波２０６を生成することで、複数のパラメータが変更されて画像化を所望タスクに一貫させて良い。このように、画像を手元で調整するので、広範囲のパラメータを変更できる。図２Ｂに示すように、非合焦超音波ビームが狭幅の場合、平面外せん断波が最早平面波でなく、むしろ狭幅超音波ビームから放出される筒状波に類似する。従来の合焦超音波方法においては、たとえば図１に例示された状況のように、合焦超音波ビームが用いられると、せん断波測定が焦点深度ｄ_ｆに対応する超音波軸深度に限定された。しかしながら、本発明の場合、非合焦超音波によって生成されたせん断波が超音波軸深度に沿って比較的均一である。したがって、測定が、全ての軸方向深度でなされ、合焦超音波技術における合焦深度などの１つの所定深度ではない。

次いで図２Ｃを参照し、非合焦超音波がどのように使われて伝搬せん断波または他の細胞変形を生成するかの別の例を示す。この例では、２次元超音波トランスデューサアレイ２５２の２次元における複数の共線要素が活性されて超音波トランスデューサの軸に沿って非合焦の平面超音波ビームを生成する。たとえば、トランスデューサアレイ２５４の１つまたは複数のカラムが活性化されてトランスデューサ２５２のカラム方向に沿って非合焦な平面超音波ビーム２５６を生成して良い。望むなら小さな遅延がカラム２５４に亘って導入されて１次元トランスデューサ上の音響レンズを刺激する。これら小さな遅延が高度合焦の結果となる。図２Ｃに示されるプッシュ伝送が白の矢印で示されるように、プッシュプレーン（平坦超音波ビーム２５６で規定されるプレーン）から伝搬する平面外せん断波を生成する。トランスデューサ要素２５８の１つまたは複数の列が次いで用いられてせん断波の伝搬を画像化する。たとえば、１つまたは複数の列が活性化されてプレーン２６０内に検出パルスを生成して良い。

図１に戻って、合焦超音波ビームによって生成されたせん断波が狭幅超音波ビーム１０２から放射された筒状波に類似する。したがって、せん断波の振幅が、プッシュ軸１１０から外側に伝搬するにつれて急激に減衰するのであり、というのは、せん断波エネルギが、プッシュ軸１１０から外側に伝搬するにつれて、広い領域に亘って分散されるからである。この効果が「幾何学的減衰」と言える。反対に、図２Ｃに生成の平面外せん断波が平面せん断波に近似し、よって、幾何学的減衰の影響を受けない。その結果、図２Ｃに示した１つような平面外せん断波が長い距離を伝搬し、それが非常に有利であるのは、超音波で生成されたせん断波が通常弱くかなり短距離した伝搬できないことである。

図２Ｄに示すように、１次元トランスデューサ２７０に対し、小プッシュトランスデューサ２７２がトランスデューサ２７０の一側面へ装着される。平面外せん断波が次いで１次元トランスデューサ２７０によって検出される。例として、プッシュトランスデューサ２７２が固定高度焦点の単一要素トランスデューサであって良い。プッシュトランスデューサ２７２が１次元アレイトランスデューサ２７０にクリップされて外部増幅器を介して単一ソースによって放射される。単一ソースの一例が超音波スキャナの連続ドップラプローブポートからの信号である。別の構成では、第２のプッシュトランスデューサが１次元アレイトランスデューサ２７０の他方側に装着されて両端から平面外せん断波を生成する。

では図３Ａ、３Ｂを参照し、照射領域３０２がやはり曲面のあるアレイトランスデューサ３０４によって発生される非合焦超音波エネルギによって生成される。狭幅非合焦ビームおよび広域非合焦ビームが図３Ａ、３Ｂに示すような異なるせん断波伝搬パターンを発生する。図３Ｂに示された広域非合焦ビームに対して曲面のあるアレイトランスデューサ３０４下の照射領域３０２の中心が２つのせん断波が角度を有して交差するのを見る。この効果が角度合成画像化に用いられる。

非合焦ビームが上記図２Ａ〜３Ｂに示すようなトランスデューサの中心から生成されることを必要としない。むしろ、非合焦超音波エネルギが図４Ａ、４Ｂに示すようにトランスデューサから中心ずれして伝送される。

図５を参照し、関心の領域「ＲＯＩ」５１０の場合、たとえば病変に、非合焦超音波エネルギが単一ビームや対のビームとして生成されて、それがＲＯＩ５１０の何れか片側または両側に伝送される。発生のせん断波がＲＯＩ５１０に亘って伝搬し、よってＲＯＩ５１０内のせん断波速度の推定を促進する。

図６を参照し、トランスデューサ要素の伝送増幅がたとえばアポディゼイションと呼ばれる処理を用いて重み付けられ、発生せん断波の好適な属性を得る。たとえば、ランプ６１２の形状のアポディゼイションが照射領域６０２の右側へ大きなせん断勾配を生成する。したがって、照射領域６０２の右端に生成されたせん断波が照射領域６０２の左端に生成されたせん断波と比較して異なる特性を有する。せん断波の特性におけるこの違いが所定用途に有効になり得る。

図７を参照し、トランスデューサ７０４が非合焦超音波ビームを伝送するときに、トランスデューサ７０４の活性化要素の下の照射領域に、検査下の材料に圧力が生成される。この圧力は、超音波の放射圧や、細胞―トランスデューサインタフェースでの細胞動き反射、超音波エネルギに応答したトランスデューサ要素の機械的ずれに起因する。この下方向の力がトランスデューサ７０４から離れて伝搬軸７１６に沿って伝搬するせん断波７１４を生成する。たとえば、このせん断波７１４のフロント波が円形で、せん断波７１４がトランスデューサ７０４の表面の一点から放出されるようである。せん断波７１４の分極化がトランスデューサ７０４から離れて延びる方向の伝搬軸７１６に沿い、よってせん断波７１４が同じ超音波トランスデューサ７０４によって検出される。この効果が用いられて、図１〜６に示される横方向よりもトランスデューサ７０４から離れて延びる長手方向に細胞を検査できる。さらにはこの技術が角度合成化に用いられる。尚、いわゆる「ファイブロスキャン」がこの長手方向のせん断波を研究したが、ファイブロスキャン法と本明細書の方法との間に重要な相違がある。ファイブロスキャンにおいて、せん断波が外部攪拌機でトランスデューサを機械的に振動して生成されるのに対し、本発明の方法が超音波エネルギを伝送すること、たとえば非合焦超音波エネルギのトーンバーストなど専用機械振動器を必要とせずに、せん断波を発生する。当業者に明らかなように、合焦超音波がやはり用いられて、上述の技術に類似の、トランスデューサから離れる伝搬するせん断波を生成する。

非合焦超音波エネルギの他の構成がやはり用いられて所望の効果を奏する。たとえば、図８を参照すると、２つの非合焦超音波エネルギビームが互いの直近に生成されて良く、せん断波のユニークなパターンが非合焦超音波ビーム間の領域に発生される。

さらには、非合焦超音波エネルギの１つを超えるトーンバーストが用いられて、異なる位置を通過して伝搬するように、せん断波の伝搬に追従する。たとえば、図９を参照して、超音波ビームが伝送されて時刻ｔ_１、位置ｘ_１において第１の照射領域９０２ａを生成して、せん断波９０６ａを発生する。次いで、別の超音波ビームが伝送されて時刻ｔ_２、位置ｘ_２において第２の照射領域９０２ｂを生成する。せん断波が時刻ｔ_２に到達する場所に位置ｘ_２が選択される。第２の超音波エネルギを応用した結果、せん断波９０６ａよりも高い振幅を有するせん断波９０６ｂが生成された。

当業者に明らかなように、上述のコンセプトおよび技術が異なる用途に容易に組み合わされる。たとえば、図８の２つの超音波ビームが図６に示すように極を有し、せん断波に追従するか高めるように用いられる。

せん断波の検出および測定が従来の合焦超音波または平面フラッシュ画像化によって達成される。フラッシュ画像化が単一の非合焦超音波伝送で２次元画像を生成し、２次元のせん断波伝搬の時間軸に連続の画像を生成できる。正しく処理されると、この時間連続の画像によってちょうど１つの超音波プッシュから２次元弾性画像が生成される。合焦超音波ビームが超音波線１０１８に沿ったトラッキング動きに限定されて、その結果、せん断波検出がフレキシブルでない。しかしながら、平均せん断波速度が距離ｒ_１、ｒ_２、または（ｒ_１―ｒ_２）を通過して伝搬するせん断波の到着時間を用いて、図１０Ａ〜１０Ｃに示されるように、超音波ビーム軸に沿って推定される。

空間および時間に亘って高い信号／ノイズ比率（「ＳＮＲ」）で測定される場合に、直接転置が用いられてせん断波による細胞動きが細胞弾性および粘性を推定する。直接転置が空間軸および時間軸の両方における細胞動きの導関数の二次の演算を必要とし、このため、このアプローチが細胞動き情報におけるノイズに対して高感度にする。超音波プッシュビームによって発生されたせん断波が典型的にはＳＮＲにおいて弱くて低い。単一合焦（図１）または非合焦ビーム（図２Ａ，２Ｂ）がプッシュビームの中心から外側に伝搬する一時的なせん断波を生成する。何れの所与の時刻で、細胞動きがせん断波フロントが到達する小さな領域に存在する。これが直接転置によってせん断波による大きな細胞動きの無い他の領域においては当てにならない推定となってしまう。

上述の説明を通して、一貫したせん断波速度が非合焦プッシュビームを用いて異なる深度で取得できることが典型的に示される。トランスデューサ要素の１つのサブアパーチャが各プッシュビームに用いられので、異なる空間位置における要素の多重サブアパーチャが非合焦プッシュビームを同時に送信され得る。この伝送の構成が「くし型プッシュ」と呼ばれる。くし型プッシュ技術がくし型プッシュ超音波せん断波エラストグラフィ（「ＣＵＳＥ」）と呼ばれる２次元せん断波弾性画像化を開発するのに用いられる。ＣＵＲＥにおいて、各プッシュビームによって生成されるせん断波が単一非合焦プッシュの独立した実施形態として扱われる。

異なる非合焦プッシュビームからのせん断波が互いに増幅的および減衰的に干渉して最終的に視野（field-of-view）（「ＦＯＶ」）全体を満たす。ロバストなせん断波速度推定を達成するために、配向フィルタが用いられて、左―右（left-to-right）（「ＬＲ」）伝搬せん断波および右―左（right-to-left）（「ＲＬ」）伝搬せん断波を干渉せん断波パターンから抽出する。フライト時間ベースせん断波速度推定法が用いられてＬＲ波およびＲＬ波から各画素でのローカルせん断波速度を復元する。次いで最終せん断波速度マップがＬＲ速度マップおよびＲＬ速度マップから結合される。くし型プッシュパルスがプッシュビーム領域を含む全画素における高い振幅を有するせん断波動きを生成するので、「ソースフリー（source free）」領域におけるせん断波速度およびプッシュビーム領域におけるせん断波速度の両方が復元される。このように、ＣＵＢＥが１つの情報取得でせん断波弾性マップの全ＦＯＶ２次元再構成を可能とする。安全な測定であることが、ＣＵＢＥシーケンスに用いられる超音波出力レベルの全制限パラメータが診療超音波に対するＦＤＡ限界を良く下回る、ことを示している。

以降に、ＣＵＳＥの原理について、くし型プッシュシーケンス、せん断波動き検出、配向フィルタ実行、および２次元せん断波速度マップ再構成の後処理を実現することも含めて説明する。

さて、図１１Ａ〜１１Ｃを参照し、多重非合焦プッシュビームが、空間的に離れて「くし型」パターンに類似してせん断波発生に利用される。このようなくし型プッシュフィールド１１０２がトランスデューサ１１０４のアパーチャの下の全域に亘ってより高いＳＮＲのせん断波を発生する。単一くし型プッシュがやはり任意の所与の空間位置において長い間続くせん断波を発生する、なんとなれば、くし型内の異なるプッシュビームからのせん断波が異なる時刻に到着するからである。複合の効果が、全空間域および時間域をカバーする強いせん断波が生成されて、ＳＮＲを改善し、よって直接転置の信頼性を改善できることである。図１１Ａ〜１１Ｃに示すくし型プッシュパルスが均等に離れたパルスで構成されることを示しているものの、くし型プッシュパルスがやはり不均一に離れたパルスで構成されて良いことは当業者に明らかである。

たとえば、くし型プッシュ１１０２において、アレイトランスデューサ１１０４の要素、たとえばリニアアレイトランスデューサなどプッシュビームを生成するのに用いられるが、図１１Ａに示すように多くのサブグループに分割される。たとえば、要素が９つのサブグループに分割されて１から９のサブグループに分類される。プッシュビームの各サブグループがくしの歯のように見えるので、この種のプッシュパルスが「くし型プッシュ」と呼ばれる。例として、５つのサブグループが用いられてくし型プッシュを形成するとき「５歯くし型プッシュ」と呼ばれて良い。

くし型プッシュ伝送後、超音波装置がスイッチオンされて画像化モード、たとえば平坦波画像化モードになり、全トランスデューサ要素が伝搬せん断波を検出するのに用いられる。プレーン波画像化合成方法が用いられてせん断波位置ずれトラッキングの信号対雑音比（「ＳＮＲ」）を改善する。例として、３つの異なる走査角度の３つのフレームが合成されて１つの画像化フレームを取得する。

ＣＵＳＥ画像化技術における各非合焦ビームが反対方向に伝搬する２つのせん断波フロントを発生する。上述のように、１つのせん断波フロントが左―右（「ＬＲ」）および右―左（「ＲＬ」）に伝搬する。くし型プッシュの異なるサブグループからのせん断波が増幅的に減衰的に互いに干渉し、複雑なせん断波フィールドが結果として作られる。十分なせん断波がこの方法により媒体内に生成されるが、減衰的な干渉がせん断波速度推定で計測されるせん断波動きの振幅を減衰させる。この減衰的な干渉を除去しＬＲおよびＲＬせん断波を分離するために、配向フィルタが用いられて良い。この目的に用いられる配向フィルタの例には、Ｔ．Ｄｅｆｆｉｅｕｘらによる、「Ｏｎ ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ Ｗａｖｅｓ ｉｎ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｈｅａｒ Ｗａｖｅ Ｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ」（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｕｌｔｒａｓｏｎ Ｆｅｒｒｏｅｌｃｔｒ Ｆｒｅｑ Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１１；２０１１；５８：２０３２―２３０５）に記載される。

具体的には図１１Ｂに、動き検出超音波ビーム１１２０がくし型の外側に配されたくし型プッシュで参照される。くし型の異なるプッシュビーム１１０２からのせん断波が異なる時刻に検出ビーム１１２０に到達するが、というのは、伝搬距離が各プッシュビーム１１０２に対して異なるからである。したがって、検出せん断波信号１１０６が時間軸に沿って多重ピークを有することになる。媒体のせん断波速度がこれらのピーク間の時間間隔から、または検出時間信号の周波数、くし型のプッシュビーム１１０２間および距離、ｒによって、算出できる。せん断波発生のための空間的に変調されたプッシュシールドを用いる考えが、本明細書に記載するように、くし型に類似のように、ＭｃＡｌｅａｖｅｙらによって、「Ｓｈｅａｒ−Ｍｏｄｕｌｅｓ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｂｙ Ａｐｐｌｉｃａｉｔｏｎ ｏｆ Ｓｐａｔｉａｌｌｙ−Ｍｏｄｉｌａｔｅｄ Ｉｍｐｕｌｓｉｖｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ」、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ， ２００７；２９（２）：８７−１０４、において提案された。しかしながら、ＭｃＡｌｅａｖｅｙの教示するアプローチが、２つのプレーン波の交差に発生するＦｒａｕｎｈｏｆｅｒゾーン焦点ビーム、または数か所のプッシュ位置越しに連続的に移る単一焦点ビームを用いて、空間的に変調されたプッシュフィールドを生成する。ここに提案する非合焦ビームが異なる空間変調機能のあるプッシュフィールドを生成するのにさらにフレキシブルとされる。同時に、空間変調が合焦超音波で生成されたものと比べて非合焦ビームで生成された非常に広い深度範囲をカバーして維持することが期待される。

また、ＭｃＡｌｅａｖｅｙが検出ビームを空間変調フィールドの外側に配することを教示した。次いで、図１１Ｃを参照し、上述の非合焦超音波エネルギ１１０２のくし型を用いて、検出ビーム１１２０がくし型プッシュフィールド１１０２内に配される。すべてのプッシュビーム１１０２が検出ビーム１１２０の周りに対称に配される場合、左側のプッシュビーム１１０２からのせん断波１１０６がプッシュビーム１１０２から検出ビーム１１２０の右側へのせん断波１１０６と同じ時刻に検出ビーム１１２０に到達するようになる。その結果、これらせん断波１１０６が増幅的に足されてせん断波振幅が倍増される。せん断波の振幅がこのように増幅されて、せん断波速度推定に対して高いＳＮＲとなる。

せん断波速度が横方向の交差相関記録済み粒子速度プロファイルによってフライト時間アルゴリズムを用いて推定されて良い。たとえば、８つの超音波波長（たとえば８画素）で分離された同じ深度の２箇所が用いられて、ＦＯＶの中央において画素の局地せん断波速度を算出する。粒子速度プロファイルがテューキーウィンドウ（Ｔｕｋｅｙ ｗｉｎｄｏｗｅｄ）とされて、信号の両端が強制的にゼロになって、よってさらにロバストな交差相関を促進する。速度プロファイルがやはり交差相関前に内挿されて良い。例として、速度プロファイルが５ファクタで内挿されて良い。

ＣＵＳＥ画像化の１つの有利な点が、完全ＦＯＶ２次元せん断波速度マップを再構成するのに、１つの情報取得のみが必要とされることである。図１１Ｄに示した例示について、この有利な点をこれから説明し、超音波トランスデューサ１１０４が用いられて第１の方向１１５４に伝搬する第１のせん断波グループ１１５２、および第２の方向１１５８に伝搬する第２のせん断波グループ１１５６を生成する。たとえば、第１の方向が左―右（「ＬＲ」）方向とされ、第２の方向が右―左（「ＲＬ」）方向とされる。例示の目的のためのこの例に続けて、配向フィルタが用いられると、第１のグループ１１５２のせん断がサブグループＳＧ２―ＳＧ９下を伝搬し、第２のグループ１１５６のせん断波がサブグループＳＧ２―ＳＧ９下を伝搬する。このように、これら領域でのせん断波速度が復元できる。しかしながら、第１のグループ１１５２のせん断波がサブグループＳＧ１下の領域をカバーできなく、第２のグループ１１５６のせん断波がサブグループＳＧ９下の領域をカバーできない。したがって、組み合せの方法が用いられて、せん断波の第１のグループ１１５２用のせん断波速度マップおよびせん断波の第２のグループ１１５６用のせん断波速度マップを結合し、その結果、全ＦＯＶ速度マップが取得できる。サブグループＳＧ１下の領域がせん断波の第２のグループ１１５６のみを用いて再構成され、サブグループＳＧ９下の領域がせん断波の第２のグループ１１５２のみを用いて再構成される。サブグループＳＧ２〜ＳＧ８下の領域１１６０がせん断波の第１のグループ１１５２およびせん断波の第２のグループ１１５６の両方からせん断波速度推定を平均することで再構成される。

上記の説明が、超音波トランスデューサ表面に直交してまたは実質的に直交して発生される超音波プッシュビームについてなされてきたが、超音波プッシュビームがやはりトランスデューサ表面に直交しないように向けられても良いことは当業者に明らかである。この例において、配向フィルタリングが用いられて異なる方向に向かうせん断波間の干渉が軽減される場合において、そのような配向フィルタリングが変調されて任意の角度に向かうせん断波を抽出されて良い。任意の角度の配向フィルタを用いる例が、Ａ．Ｍａｎｄｕｃａらによる、「Ｓｐａｔｉｏ−Ｔｅｍｐｏｒａｌ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ＭＲ Ｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ Ｉｍａｇｅｓ」，Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ，２００３；７：４６５−４７３、に記載される。

本明細書に記載のように、非合焦超音波エネルギを用いてせん断波を生成する有利な点が、活性化されるに必要なトランスデューサ要素が僅少であることである。したがって、各トランスデューサ要素上の非常に大きなパワーを生成するためでも、伝送ボードが膨大なエネルギを生成する必要のないことである。これの結果、伝送ボードを過負荷にすることなく、超音波プッシュが長くできることであり、というのは、僅かの要素が用いられるだけであり、かつ大きなアパーチャを有することなく細胞の所定深さに合焦させるからである。合焦された超音波ビームが医療超音波用のＦＤＡ規格を容易に超過して、よって合焦プッシュビームトーンバーストが超音波装置の供給できる全電圧を利用できない。対照的に本明細書に記載の方法における超音波エネルギの強度が低く、というのは、ビームが合焦されていないからである。このように機械的指標および超音波ビームの強度がＦＤＡ規格を十分に下回る。その結果、非常に大きな電圧が用いられて超音波プッシュビームが生成され、今度はより大きな細胞動きを生成できる。本明細書に記載する別の有利な点が、機械的指標が低く強度が低いので、せん断波が高いパルス繰り返しレートで誘発されることであり、よって時間で多くの測定を可能とし、心臓のサイクルを経由するなど動的測定に有利である。

この方法の１つの潜在する有利な点が、非合焦ビームで発生された細胞動きが合焦ビームで生成されたものに比べて低いことである。したがって、せん断波検出のＳＮＲがそれほど高くなくて良い。細胞動きを増大させる多くの方法がある。上記のように、より高い伝送電圧が用いられてより大きな細胞動きを得るのであるが、というのは、非合焦超音波ビームが強度のＦＤＡ規格を超えることがあり得ないからである。さらに、非常に長いトーンバーストが伝送されて、大きな細胞動きを生成するが、というのは、非合焦ビームがより少ない伝送要素および少ないエネルギしか用いず、よって、核心の伝送ボードのパワー・ドループがより少ないからである。最後に、超音波ビームの深度に沿う実行平均が用いられて、せん断波検出のＳＮＲを向上させるが、なんとなれば、せん断波伝搬が深度方向に沿って相対的に均一であるからである。細胞中に深い動きを得るために、低周波数の超音波が用いられてより深い浸透を達成する。

細胞動きがロングトーンバースト中に測定されれば、ロングトーンバーストが動き検出パルスでインタレースされる多重ショートトーンバーストに置き換えられる。図１２を参照すると、ショートトーンバーストが細胞にロングトーンバーストが効果的に現出するが、というのは、細胞応答が比較的緩慢で、よって次のショートトーンバーストが印加される前に各ショートトーンバーストから細胞が復元しないからである。したがって、検出パルスがこれらショートトーンバースト間に加えられてロングプッシュ期間中に細胞動きを測定する。この性質の方法例が、たとえば、同時係属の米国仮特許出願第６１／３２７，５３９号に記載され、本明細書に援用される。従来の記載の方法と本明細書に記載の方法との相違は、本方法に用いられるショートトーンバーストが非合焦超音波を利用する点である。限定された回析ビームがやはり用いられて大きな軸方向深度範囲に亘って延びる非合焦ビームを発生する。限定された回析ビームが全トランスデューサ要素を使用して非合焦ビームを生成し、よって非合焦ビーム中により多くの超音波エネルギの存在する結果として、より大きな細胞動きを発生できる。限定された回析ビームを用いる従前の方法が環状トランスデューサアレイか、または２次元トランスデューサの使用を必要とする。しかしながら、本発明の方法の場合、１次元、１．５次元、１．７５次元、または２次元トランスデューサが用いて非合焦プッシュを生成できる。

図１３を参照し、超音波画像化装置１３００が、複数の個別駆動トランスデューサ要素１３０４を有するトランスデューサアレイ１３０２を備える。トランスデューサ１３０６に活性化されたとき、各トランスデューサ要素１３０２が超音波エネルギのバーストを生成する。検査中の目的または対象からトランスデューサアレイ１３０２へ戻る超音波エネルギが各トランスデューサ要素１３０４によって電気信号に変換され、スイッチセット１３１０を介して受信機１３０８へ個別に印加される。送信機１３０６、受信機１３０８、およびスイッチ１３１０が、操作員によって入力されるコマンドに応答するデジタルコントローラ１３１２の制御の下で動作する。エコー信号の連続を取得することで走査が完全に実行され、スイッチ１３１０にそれの伝送位置をセットし、これにより、伝送機１３０６を一時的に活性化させて、各トランスデューサ要素１３０４を活性化させる。スイッチ１３１０に次いでそれの受信位置をセットし、各トランスデューサ要素１３０４に生成された連続エコー信号が測定され受信機１３０８に印加される。各トランスデューサ要素１３０４からの分離エコー信号が受信機１３０８内で結合されて単一エコー信号を生成し、それが用いられて画像の１ラインを、たとえば表示装置１３１４上に生成する。伝送機１３０６がトランスデューサアレイ１３０２を駆動し、その結果、超音波ビームが生成され、またトランスデューサアレイ１３０２のフロント表面に実質的に直交して配向される。

本発明が非合焦超音波を有するせん断波の検出について記述してきたが、本発明がやはり非合焦超音波プッシュビームに起因する他の細胞変形を検出するのに応用されて良いことは当業者に明らかである。さらには、超音波を用いて非合焦超音波の印加によって生成される細胞変形を検出することに加えて、他の画像化様式がが検出に用いられて良い。たとえば、細胞変形が光学検出や、磁気共鳴画像化、マイクロ波検出、他の電磁波検出技術を用いて検出されて良い。

本発明が１つまたは複数の好適な実施形態について説明されたが、多くの等価、代替、変態、変形が、明示したとは別に、発明の範囲内で可能であることは当業者に明白である。たとえば、画像化の別のアプローチがあって、複数角度でプレーンを伝送し、トモグラフィや合成角画像化の類を実行するであろう。

Claims (22)

1. 対象物の機械的特性を超音波で測定する方法であって、
   イ）非合焦超音波エネルギを対象物に印加して対象物物に伝搬するせん断波を生成する工程と、
   ロ）イ）の工程で生成した前記せん断波の存在する前記対象物の中の少なくとも１箇所を測定する検出器を用いて測定情報を取得する工程と、
   ハ）ロ）の工程で取得した前記測定情報を用いて前記対象物の機械的特性を算出する工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記検出器が超音波装置とされ、前記対象物の中の少なくとも１箇所に超音波エネルギを印加することによって、前記ロ）の工程において前記測定情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ロ）の工程で印加する前記超音波エネルギが合焦超音波エネルギおよび非合焦超音波エネルギの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記検出器が、光学検出器、磁気共鳴画像装置、および電磁波検出器の少なくとも１つとされ、電磁エネルギを前記対象物の少なくとも１箇所に印加することによって、前記ロ）の工程において前記測定情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記イ）の工程において前記対象物に印加する非合焦超音波に、くし型パターンの超音波トランスデューサから外側へ延びる複数の非合焦超音波ビームが含まれていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記複数の非合焦超音波ビームが、前記超音波トランスデューサの表面に亘って均等に離れていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記ハ）の工程が、前記ロ）の工程で取得した測定情報に配向フィルタを適用することによって、異なる方向に伝搬するせん断波間の干渉が実質的に軽減されることを含むことを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の方法。
8. 前記ハ）の工程が、
   前記ロ）の工程で取得した測定情報から、第１の方向に伝搬するせん断波の測定に対応する第１の測定情報サブセットを形成する工程と、
   前記ロ）の工程で取得した測定情報から、第２の方向に伝搬するせん断波の測定に対応する第２の測定情報サブセットを形成する工程と、
   測定情報の、第１の測定情報サブセットおよび第２の測定情報サブセットを選択的に結合する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項５の記載の方法。
9. 前記第１の方向が左から右への方向とされ、前記第２の方向が右から左への方向とされる請求項８に記載の方法。
10. 前記イ）の工程には、複数の超音波トランスデューサ構成要素を超音波トランスデューサの第１の方向に活性化させることによって非合焦超音波エネルギを前記対象物の平坦領域に印加して、前記せん断波が前記平坦領域から外側に延びる方向に沿って伝搬するようにした工程が含まれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記検出器が超音波装置とされ、かつ、
    前記ロ）の工程において、複数の超音波トランスデューサ構成要素を超音波トランスデューサの前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って活性させることによって、前記対象物の少なくとも１箇所に超音波エネルギを印加して、前記測定情報を取得することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記工程イ）で用いられる超音波トランスデューサが、前記ロ）の工程で用いられる前記超音波トランスデューサと異なっていることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記イ）の工程には、少なくとも２つの非合焦超音波ビームを前記対象物に印加する工程が含まれることを特徴とする請求項１に記載の装置。
14. 前記検出器が超音波装置とされ、かつ前記ロ）の工程で前記対象物に超音波エネルギを印加することで前記測定情報を取得し、
    前記イ）の工程には、前記対象物に複数の非合焦超音波トーンバーストを印加する工程が含まれ、
    前記ロ）の工程には、前記イ）の工程で印加される複数の非合焦超音波トーンバーストと時間的にインタレースされた複数の超音波トーンバーストを印加する工程が含まれる
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
15. 前記イ）の工程で印加される非合焦超音波エネルギが、超音波トランスデューサによって該超音波トランスデューサの表面に対する角度で生成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
16. 対象物の機械的特性を超音波で測定する方法であって、
    イ）軸方向の複数の深度において複数の細胞変形を生成するために、非合焦超音波エネルギを対象物に印加する工程と、
    ロ）前記対象物の中の、前記複数の細胞変形のうちの少なくとも１つが配置されている少なくとも１箇所に、超音波エネルギを印加することによって、前記対象物から測定情報を取得する工程と、
    ハ）前記ロ）の工程で取得した測定情報を用いて前記対象物の機械的特性を算出する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
17. 前記ロ）の工程で印加する超音波エネルギが、合焦超音波エネルギおよび非合焦超音波エネルギの少なくとも１つとされることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記複数の細胞変形に、複数のせん断波が含まれていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 超音波トランスデューサを有する超音波装置で対象物の機械的特性を測定する方法であって、
    イ）前記超音波エネルギが前記超音波トランスデューサの表面に実質的に直交する方向に力を発生するように、前記対象物に超音波エネルギを印加することによって、前記超音波トランスデューサから外側に延びる少なくとも１つの方向に前記対象物に伝搬するせん断波を前記超音波トランスデューサで生成する工程と、
    ロ）前記イ）の工程で生成されたせん断波の存在する対象物の少なくとも１箇所に超音波エネルギを印加することによって測定情報を取得する工程と、
    ハ）前記ロ）の工程で取得した測定情報を用いて前記対象物の機械的特性を算出する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
20. 前記イ）の工程で印加する前記超音波エネルギが、合焦超音波エネルギおよび非合焦超音波エネルギのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記イ）の工程で生成される前記せん断波が前記超音波トランスデューサの表面に実質的に直交する方向に伝搬することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
22. 前記イ）の工程で生成される前記せん断波の少なくとも１つが前記超音波トランスデューサの表面の１箇所から径方向に伝搬するせん断波とされることを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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