JP2016521625A - 弾性イメージングのための音響放射力クリープ−リカバリーおよびせん断波伝搬のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

超音波を使用して粘弾性の組織特性測定基準を作成するための、モデルに依存しない方法が提供される。音響力のような機械的応力が、クリープ応答を発生させるために、クリープ期間の間、超音波システムを使用して組織に加えられる。加えられた音響力に起因する組織の変位は、クリープ期間に続くリカバリー期間の間、測定される。組織の変位の測定から、関連複素係数が抽出され、損失タンジェントが抽出された複素係数に基づいて算出される。算出された損失タンジェントを使用して粘弾性の組織特性測定基準を算出することができる。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）

この出願は、２０１３年６月１０日に出願された米国仮特許出願番号第６１／８３３，２１５号明細書の利益を請求する。

（連邦政府の支援による研究に関する言明）
この発明は、米国国立衛生研究所によって与えられたＥＢ００２６４０、ＥＢ００２１６７、およびＤＫ０８２４０８に従う政府の支持とともになされた。政府は、本発明において、一定の権利を有する。

本発明の技術分野は、超音波イメージングのような、振動エネルギーを使用する医療イメージングのためのシステムおよび方法である。さらに詳細には、本発明の技術分野は、せん断波分散超音波振動測定（「ＳＤＵＶ」）のためのシステムおよび方法である。

組織の機械的特性は、組織の病理状態に関連している。せん断波伝搬方法は、組織の機械的特性を定量化するために提案された。これらの方法では、一時的な（衝撃の、または短い音の破裂の）組織の興奮に起因するせん断波は、組織吸収およびせん断波の減衰の結果として、数ミリメータのみ伝搬する。それゆえに、境界条件の問題は克服され、無限の媒体の中で伝搬するかのようにせん断波が伝搬するということを我々が仮定できるようになる。通常、せん断波は、外部の機械的な振動によって、または超音波収束ビームからの音響放射力によって発生する。音響放射力を使用する利点は、音響窓が利用可能である場合、超音波システムは、組織を押圧するために、放射力を加えるための集束ビームを作り出すことができるという点である。

組織の機械的な特性は組織の病理状態に密接に関連しているので、組織の機械的な特性、特に組織の弾性または触覚の硬さの特徴付けは重要な医療的利用を有する。近年、せん断波伝搬方法は、組織の機械的な特性を定量化するために提案された。一般に、これらの方法により、一時的に組織を興奮させることによって、組織にせん断波を発生させる。これらのせん断波は、組織吸収およびせん断波の減衰のために、僅か数ミリメータのような短距離に伝搬する。通常、せん断波は、外部の機械的な振動によって、または超音波集束ビームからの音響放射力によって発生する。音響放射力を使用する利点は、超音波システムが超音波集束ビームを作り出すことができるように音響窓が利用可能であるいかなるところにも放射力の押圧パルスを加えることができるという点である。

弾性および粘性のような組織の機械的な特性を測定するための超音波技術の１つの例は、せん断波分散超音波振動測定（「ＳＤＵＶ」）と称される。このせん断波分散超音波振動測定技術は、例えば、米国特許第７，７５３，８４７号明細書および米国特許第７，７８５，２５９号明細書の中で説明され、それらの全体が参照によってこの中に取り込まれている。せん断波分散超音波振動測定では、米国食品医薬品局の規制限度の範囲内で作動させる超音波集束ビームが、関心組織で調和したせん断波を発生させるために被験者に当てられる。誘起したせん断波の伝搬速度は、周波数に依存しているか、または「分散的」であり、関心組織の機械的な特性に関連している。組織の動きは、超音波エコー法を使用して測定される。複数の周波数でせん断波速度が測定され、組織の弾性および粘性について逆に解くために、その後に理論的な分散モデルと一致させる。これらのせん断波速度は、せん断波の伝搬経路に沿った知られた距離の２以上の点間で検出される組織振動の位相から推定される。

粘弾性の、均質な、等方性の材料に対して、せん断波速度ｃ_sおよびせん断波の減衰α_sは、以下に従う複素せん断係数Ｇ^*（ω）＝Ｇ_s（ω）＋ｉＧ_l（ω）に関連している。

ρは材料の密度である。ωはせん断波の角周波数である。Ｇ_s（ω）は貯蔵係数または弾性係数である。Ｇ_l（ω）は損失係数または粘性係数である。せん断波の速度および減衰の両方が知られている場合、定量的な機械的特性は、モデルに依存しない方法で測定することができる。しかしながら、せん断波の減衰を測定することは、弾性イメージングの技術分野で挑戦している。通常、せん断波速度のみが測定され、ケルビン−フォークト，マックスウェル（Ｋｅｌｖｉｎ−Ｖｏｉｇｔ，Ｍａｘｗｅｌｌ）のようなレオロジーモデルおよび標準線形固体が、複素せん断係数について解くために使用される。

音響放射力は、組織の準静的な粘弾性特性を研究するために使用されている。粘弾性材料の一時的な特性は、クリープおよび応力緩和として知られている。クリープは、一定の応力を受けた材料の遅い累進的な変形である。応力緩和は、一定のひずみを受けた材料の応力の緩やかな減少である。音響放射力によって加えられるステップ状の力に対する組織のクリープ応答は、いくつかの研究で示された。前記研究の１つにおいて、モールディン他（Ｍａｕｌｄｉｎ， ｅｔ ａｌ．）は、音響放射力イメージングおよびせん断波の弾性イメージングを使用して定常状態の興奮および組織のリカバリーを監視することによって組織の粘弾性特性を推定するための方法を報告した。米国特許出願公開第２０１０／０１３８１６３号明細書に記載された、監視された定常状態の興奮およびリカバリー（「ＭＳＳＥＲ」）イメージングと称されるこの方法は、レオロジーモデルであるケルビンフォークト（Ｋｅｌｖｉｎ−Ｖｏｉｇｔ）およびスタンダードライナー（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｎｅｒ）のソリッドモデルを実験のクリープひずみ応答に適合させることによって粘弾性パラメータを推定する、非侵襲性の放射力を基礎にした方法である。しかしながら、せん断波伝搬方法などの場合、レオロジーモデルは、粘弾性パラメータについて解くために、監視された定常状態の興奮およびリカバリーの実験データに適合させる必要がある。

最新の弾性イメージング技術は、組織の機械的な特性を特定するために有用である。しかしながら、これらの特性を定量化するために、好ましくない量の算定の負荷を定量化プロセスに導入するレオロジーモデルが使用されなければならない。さらに、レオロジーモデルは、全周波数での材料の挙動を説明しないかもしれないし、実行される物理的なテストに対して適切ではないかもしれないし、モデルのないアプローチよりも一般的ではない。

音響放射力が誘起したクリープは、クリープ変位応答から複素せん断係数を推定することによって、モデルに依存しない方法で粘弾性パラメータを定量化するために使用できる。この方法では、高強度の押圧ビームは、従来の強度の追跡ビームが散りばめられ、両方が、クリープ期間の間、当てられる。このアプローチにより、クリープ応答およびリカバリー応答の両方が誘起されるが、クリープの変位のみがモデルに依存しない複素せん断係数を推定するために使用される。この最新の方法の制約は、広範囲の周波数で粘弾性パラメータを研究するために、クリープ期間が、音響放射力への全暴露時間が増加するということを意味する長時間例えば最大３０ミリ秒維持されることを必要とする点である。

それゆえに、モデルに依存しない方法で、機械的な指標（「ＭＩ」）についての米国食品医薬品局の限度を超えていないが、クリープ応答を発生させ監視することに対する最新のアプローチによって別の方法で違反してもよい粘弾性パラメータを推定するためのシステムおよび方法を提供することが望ましい。

米国特許第７，７５３，８４７号明細書 米国特許第７，７８５，２５９号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１３８１６３号明細書

本発明は、超音波システムを使用して粘弾性の組織特性測定基準を作成するための方法を提供することによって、前述の欠点を克服する。本方法は、クリープ期間の間、超音波システムを使用して、機械的応力を組織に加えることを含む。機械的応力は、少なくとも１つのクリープ応答を発生させる。加えられた機械的応力に起因する組織の変位は、クリープ期間に続くリカバリー期間の間、測定される。測定された組織の変位から関連複素係数の値が抽出され、抽出された複素係数から損失タンジェントが算出される。算出された損失タンジェントに基づいて粘弾性の組織特性測定基準が算出される。

本発明の前述および他の態様および利点は、以下の説明から明らかにされる。本明細書では、これに関する部分を形成し本発明の望ましい実施形態を図示するために示された添付図面に対して、参照がなされる。前記実施形態は、必ずしも本発明の全範囲を表すとは限らず、それゆえに、本発明の範囲を解釈するためにここで特許請求の範囲に対して、参照がなされる。

クリープ期間に加えられる押圧パルスおよびその後のリカバリー期間に加えられる検出パルスを示す例のパルスシーケンスである。 クリープ期間およびその後のリカバリー期間の間のせん断ひずみ応答を示す例のプロットである。 ２つの異なるリカバリー応答である、定常状態に達したクリープ応答に続くリカバリー応答、および定常状態に達しなかったクリープ応答に続くリカバリー応答を示す例のプロットである。 クリープ応答を誘起し、クリープ応答が誘起される、クリープ期間に続くリカバリー期間の間、データを測定することによって、組織モデルを必要とすることなく、超音波を使用して組織の粘弾性特性を算出するための例の方法のステップを説明するフローチャートである。 音響力を組織に加えそこからの変位を測定するために使用され、複数の比較的短い押圧パルスを含む例の超音波ビームのシーケンスの図形表示である。 音響力を組織に加えそこからの変位を測定するために使用され、比較的長い継続時間の単一の押圧パルスを含む例の超音波ビームのシーケンスの図形表示である。 本発明を実施することができる例の超音波システムのブロックダイアグラムである。

音響放射力によって誘起された時間に依存したクリープ−リカバリー応答から複素せん断係数を推定することによる、組織の粘弾性特性の、モデルに依存しない定量化のためのシステムおよび方法がここで説明される。図１の例のパルスシーケンスに示されたクリープ応答に続くリカバリー期間の間、クリープ応答が発生し、データが取得される。このアプローチでは、クリープ応答は、それぞれが短い継続時間を有する複数の押圧パルスか、または長い継続時間を有する連続した押圧パルスのいずれかを使用して発生する。これらの技術を使用してクリープ応答を発生させることは、クリープ期間の間、機械的な指標（「ＭＩ」）についての米国食品医薬品局の限度を超える問題を克服する。押圧パルスは、時間的にステップ状の力を発生させ、押圧パルスの停止に続いて、検出パルスを使用してデータが取得される間の、図２に示されるようなリカバリー期間が存在する。クリープ応答に加えて、せん断波は焦点領域の外側にも発生する。

クリープ期間およびリカバリー期間がほぼ同様のデータを含み、それによって、クリープ期間よりもむしろリカバリー期間の間、データを取得できるようにするということが、本発明者の発見である。重要なことに、図３に示されるように、このアプローチにより、リカバリー信号を使用するために、長時間の間、押圧することを必要としないということを意味するリカバリー期間の間、データをサンプリングするとき、定常状態の条件は、クリープ期間の間に達することを必要としない。リカバリー信号を使用することの別の利点は、必要とされる間、高強度の検出ビームを使用することなく監視できるという点である。

複素せん断係数および損失タンジェントのような組織の粘弾性パラメータは、時間領域のクリープ伸展性を周波数領域の複素係数に変換する式を使用してリカバリー期間の間に取得されるデータから推定される。せん断波分散超音波振動測定（「ＳＤＵＶ」）は、加えられる放射力の大きさの知見が必ずしも必要とはならないように、複素せん断係数を較正するために使用される。

粘弾性材料は、クリープおよび緩和のような一時的な特徴を示す。クリープは、一定の応力を受けた材料の遅い累進的な変形である。応力緩和は、一定のひずみを受けた材料の応力の緩やかな減少である。せん断クリープテストでは、無単位の測定されたせん断ひずみ応答γ（ｔ）と加えられた一定のせん断応力τ₀との比率は、クリープ伸展性Ｊ（ｔ）と称される。それぞれの構成要素の応力入力に起因するひずみ出力の総和は、組み合わされた応力入力に起因するひずみ出力と同一であるということを述べるボルツマンの重ね合わせの原理を使用するとによって、可変応力τ（ｔ）下のひずみ出力は、以下によって表してもよい。

γはせん断ひずみであり、τはせん断応力であり、Ｊはクリープ伸展性であり、ζは独立変数である。等式（３）は、積分表示の粘弾性の構成式として知られ、複素せん断係数Ｇ^*（ω）がどれぐらい時間領域のクリープ伸展性Ｊ（ｔ）に関連しているかを畳み込み演算によって示す。複素せん断係数が以下のように記述されるように、フーリエ変換の畳み込みおよび導関数の特性を使用して等式（３）を修正すると、この関係は、はるかに分かりやすくなる。

ＦＴ〔・・・〕は、フーリエ変換の演算である。クリープ伸展性Ｊ（ｔ）は時間の増加とともに増大する関数であるので、そのフーリエ変換は収束する積分ではない。近年、等式（４）の解析解が、Ｒ．Ｍ．Ｌ．エヴァンス他（Ｒ．Ｍ．Ｌ．Ｅｖａｎｓ，ｅｔ ａｌ．）によって、「レオロジーの伸展性測定の貯蔵係数および損失係数への直接変換（Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ． Ｅ， ２００９；８０： ０１２５０１）」の中で報告された。この解析解は、フーリエ変換の特性を利用している。簡潔には、クリープ伸展性の第２の導関数は、時間とともにゼロになる。それゆえに、そのフーリエ変換は存在する。エヴァンス他（Ｅｖａｎｓ，ｅｔ ａｌ．）によって説明された複素係数の変換に対する時間−クリープ伸展性は、以下の通りである。

ｔ（０）＝０であり、Ｊ（０）およびηは、それぞれ、ｎ＝０での伸展性および定常状態の粘性である。Ｊ（０）の値は、ｔ→０のときの伸展性の関数の外挿によって推定される。同様に、定常状態の粘性ηは、ｔ→∞のときの伸展性の関数の外挿によって推定される。Ｇ^*（ω）の周波数の範囲は、取得されるデータセットの時間分解能（第１データ点の時間ｔ（１））および継続時間（最後のデータ点の時間ｔ（Ｎ））に依存する。時間に依存した伸展性Ｊ（ｔ）を複素せん断係数Ｇ^*（ω）に変換するために等式（５）を使用することの利点は、データを理論的なモデルに適合させる必要がない点である。したがって、所望の組織の機械的な特性は、モデルを使用することなく、ある範囲の周波数に対して取り戻すことができる。

この方法は、以下のようなリカバリー期間に適用することができる。リカバリー期間、またはステップ状の応力の除去に対する応答は、大きさが等しいがｔ＝０で加えられたステップに対して反対の符号の別のステップの、ｔ＝ｔ’のときに加えることとして表すことができる。この興奮は、単位のステップ関数の観点から表すことができる。

等式（６）の第１項は、ｔ＝０での大きさτ₀のステップ状の応力の付与を表す一方で、第２項は、等しい大きさではあるが量ｔ’だけ遅延した反対方向のステップ状の応力の付与で表された応力の除去を表す。例のこのタイプの刺激およびその応答は、クリープ、またはステップ状の応力に対する応答が円によって示され、リカバリー、または反対のステップ状の応力に対する応答が三角形によって示された図２に示されている。

クリープ曲線およびリカバリー曲線は、時間軸の近くでいずれか１つを反射し両方の軸に沿ってそれらをシフトすることによって重ね合わせに持ち込むことができる。そのとき、クリープおよびリカバリーは、線形の粘弾性材料の、時間に依存した挙動についての同一データを含む。さらに、等式（４）および等式（５）において、リカバリー信号に対する伸展性Ｊ（ｔ）は、負のステップ状の応力から負の大きさを有するが同一のものを残し、それはｔ＞ｔ’から規定される。

音響放射力は、粘弾性材料でクリープを引き起こす、ステップ状の応力の入力τ₀ を加えるために使用することができる。変位ｕ（ｔ）とクリープ伸展性Ｊ（ｔ）との関係は、以下のように説明してもよい。

形状および境界条件が時間とともに変化せず、τ₀が単位領域Ａ当たりの加えられた力Ｆ₀として規定された加えられた応力であると仮定すると、γ（ｔ）は、単位長さＬ当たりの測定された変位ｕ（ｔ）として規定された、無単位の測定されたクリープひずみである。１つの例として、せん断ひずみγ（ｔ）は以下のように規定することができる。

Ｕ_Z（ｔ）およびＵ_X（ｔ）は、超音波ビームの方向ｚに沿った変位、および横方向ｘに沿った変位である。

等式（７）において、実際の加えられた力Ｆ₀は、一般に知られていない。結果として、加えられた応力τ₀の大きさも知られていない。さらに、通常、超音波の動き検出の利用は、ひずみ応答の代わりに変位応答を推定する。材料が線形であると仮定すると、クリープ伸展性Ｊ（ｔ）は、以下によって、せん断ひずみγ（ｔ）に線形的に比例する。

βは、微小の立方体のステップ状の応力σ₀の大きさおよび長さＬに関連する比例定数である。等式（４）と等式（９）とを組み合わせることによって、複素せん断係数Ｇ^*（ω）は、以下によって、定数βに対するせん断ひずみγ（ｔ）から抽出することができる。

抽出された関連複素係数Ｃ^*（ω）を呼び出すと、それは定数βによって複素せん断係数Ｇ^*（ω）に対して存在する形で記述することができる。

Ｇ_s（ω）およびＧ_l（ω）は、それぞれ、複素せん断係数Ｇ^*（ω）の実数部分および虚数部分である。実数部分Ｇ_s（ω）は、周期的な変形の間のエネルギーの貯蔵および解放と関連している。したがって、それは、弾性係数または貯蔵係数として参照される。虚数部分Ｇ_l（ω）は、熱に変換されるエネルギーの消失と関連している。したがって、それは、粘性係数または損失係数として参照される。

音響放射力の大きさＦ＝２αＩ／ｃが媒体αの吸収係数に比例するので、均質な材料における所定の空間位置Ｉでの音響ビームの時間的な平均強度である、抽出される関連複素係数Ｃ^*（ω）の大きさは、材料の吸収および音響ビーム強度に応じて変化する。したがって、抽出される関連複素係数Ｃ^*（ω）は、有用な測定そのものの中に存在せず、そのものでできていない。この問題を克服するために、損失タンジェントまたはｔａｎ（δ）と称される粘弾性材料の属性が使用される。損失タンジェントは、損失係数と貯蔵係数との比率として規定される。

Ｃ_s（ω）およびＣ_l（ω）は、それぞれ、抽出された関連複素係数Ｃ^*（ω）の実数部分および虚数部分である。損失タンジェントは、粘弾性材料の減衰能と関連している。ある範囲の周波数の全てにわたって実際の複素せん断係数について解くために、等式（１１）で説明された関数は、以下で説明されるように較正できる。

波数ｋおよびせん断弾性係数Ｇは、せん断波伝搬の等式を通じて関連している。弾性媒体において、それらは以下によって関連している。

ρは媒体の密度であり、ωは角周波数である。線形の粘弾性媒体の場合、波数ｋおよびせん断弾性係数Ｇは、複素数の値であり、以下のように記述してもよい。

ｋ_rおよびｋ_iは、それぞれ、波数の実数部分および虚数部分である。Ｇ_sおよびＧ_lは、せん断弾性係数の実数部分および虚数部分である。上で述べたように、Ｇ_sは、貯蔵せん断係数またはせん断弾性係数であり、Ｇ_lは、損失せん断係数またはせん断粘性係数である。波数の実数部分および虚数部分は、以下のように規定される。

ｃ_sはせん断波速度であり、α_sはせん断波の減衰である。粘弾性媒体に対して、等式（１３）は以下のように再記述することができる。

損失タンジェントは、複素数の波数ｋ^*に関して以下のように記述してもよい。

ｔａｎ（δ）およびｋ_rの両方が既知であれば、等式（２０）におけるｋ_iに対する負の累乗根は、以下のように与えてもよい。

ｋ_rおよびｋ_iを知ることによって、せん断貯蔵および損失係数は、等式（１８）および等式（１９）から得るようにしてもよい。

いくつかの実施形態では、せん断波のグループの速度ｃ_gおよびその中心周波数ω_cは、関連複素係数を較正するために使用することができる。せん断波のグループの速度は、せん断波の時間のずれと位置とを対置して評価し、以下を使用することによって算出することができる。

Δｔは、距離Δｘの全てにわたって測定された時間のずれである。グループの速度に対する時間のずれ測定は、ピークのような波の特徴を追跡することによって、または相互相関技術を使用することによって推定することができる。例の適した相互相関技術は、「乳房病変の粘弾性の定量的な評価：超音速せん断イメージングを使用した初期臨床成績（Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ，２００８；３４：１３７３−１３８６）」の中で、Ｍ．タンター他（Ｍ．Ｔａｎｔｅｒ，ｅｔ ａｌ．）によって説明されている。中心周波数ω_cは、微粒子速度の大きさのスペクトルが最も高い周波数として規定される。

中心周波数での損失タンジェントｔａｎ（δ）は、ｋ_i（ω_c）を算出するために、等式（２１）で使用することができる。同様に、ｋ_i（ω_c）およびｋ_r（ω_c）の両方は、中心周波数での貯蔵係数Ｇ_s（ω_c）および損失係数Ｇ_l（ω_c）を算出するために、等式（１８）および等式（１９）で使用される。最後に、比例定数βは、以下のように算出することができる。

等式（２３）からの比例定数βは、複素せん断係数Ｇ^*（ω）を較正するために、等式（１１）で使用することができる。

図４を参照すると、クリープ−リカバリーおよびせん断波伝搬を使用したモデルのない複素せん断係数の推定のための例の方法のステップを説明するフローチャートが示されている。本方法は、ステップ４０２に示すように、音響力のような加えられる機械的応力を組織に加えることから始まる。クリープ期間の間、機械的な指標（「ＭＩ」）についての米国食品医薬品局の限度を超える問題を解決するために、短い継続時間の複数の押圧または長い継続時間の連続した押圧のいずれかの後のリカバリー期間の間、データが取得される。この方法で機械的応力を発生させるために実施することができる例の超音波のパルスシーケンスは、クリープ応答を発生させるために、クリープ期間の間、機械的応力が加えられる図５および図６に示されている。図５および図６では、Ｄ_pは、短い押圧パルスが加えられるときのトータルの時間であり、ｄ_pは、短い押圧パルスの期間であり、ｔ_dは、１つの短い押圧の、または１つの長い押圧パルスの継続時間であり、ＰＲＰ_Dは、検出パルスのパルス反復期間である。押圧ビームは、時間的にステップ状の力を模倣し、ここで検討されるように、クリープの変位が、クリープ期間に続くリカバリー期間の間、追跡される。

従来の検出ビームは、組織の一時的な動きを発生させ同時に検出するために使用することもできる。他のビームのシーケンスと比較すると、組織の動きは、組織の動きを発生させ検出するために従来の検出ビームを使用するとき、高いパルス反復周波数（「ＰＲＦ」）で追跡することができ、それによって高周波数で複素係数を測定できる。しかしながら、前記ビームのシーケンスを使用して作り出される組織の動きは、信号対雑音比（「ＳＮＲ」）および測定の信頼性を低下させることがある他のビームのシーケンスによって作り出されるものよりも低くてもよい。

加えられた機械的応力に起因する組織での変位は、ステップ４０４に示されるように、クリープ期間に続くリカバリー期間の間、測定される。いくつかの実施形態では、リカバリー期間は、クリープ応答が定常状態に達した後、開始する。いくつかの他の実施形態では、機械的応力は、リカバリー期間が機械的応力の終了で開始することによって、クリープ応答が定常状態に達する前に終了させることができる。

関連複素係数は、ステップ４０６に示されるように、測定された変位から抽出される。例えば、等式（１０）は、組織の変位の測定から関連複素係数を抽出するために使用される。抽出された関連複素係数を使用して、損失タンジェントは、ステップ４０８に示されるように算出される。例として、等式（１２）は、損失タンジェントを算出するために使用される。

上述したように、せん断波のグループの速度および中心周波数は、ステップ４１０に示されるように算出することができる。これらのパラメータは、ここで説明されるように、関連複素係数の演算を較正するために使用することができる。

組織の粘弾性特性は、損失タンジェントを使用して算出される。中心周波数での複素数の波数は、ステップ４１２に示されるように、このプロセスに役立つように算出される。波数の実数の成分は、算出された中心周波数、または他の知られた、または加えられた音響力によって誘起した角周波数およびせん断波の波の速度について測定されたデータを使用して、等式（１６）にしたがって算出してもよい。複素数の波数は、ステップ４１４に示されるように、中心周波数でのせん断係数を算出するために使用される。例えば、中心周波数での貯蔵係数Ｇ_s（ω_c）は、等式（１８）を使用して算出することができ、中心周波数での損失係数Ｇ_l（ω_c）は、等式（１９）を使用して算出することができる。貯蔵係数および損失係数を使用して、比例定数βは、ステップ４１６に示されるように算出することができる。例えば、このパラメータは、等式（２３）を使用して算出することができる。せん断弾性係数およびせん断粘性係数のような組織の粘弾性特性は、ステップ４１８に示されるように算出することができる。これらの測定基準は、演算に対して較正するために比例を使用して等式（１１）に基づいて算出してもよい。

放射力の大きさがｎ倍に増加すると、変位の比例的な増加が線形の粘弾性材料に対して期待される。さらに、抽出される関連複素係数も、音響放射力の大きさに比例するように期待されるが、推定される損失タンジェントは、力の大きさおよび形状と無関係であるように期待される。損失タンジェントが、異なる貯蔵係数および損失係数を有する材料に対して同一である例が存在してもよいので、せん断波分散超音波振動測定は、正確な複素係数を推定するために、音響放射力のクリープと組み合わせて使用してもよい。例えば、せん断波分散超音波振動測定は、ある範囲の周波数の全てにわたるせん断波速度を推定するために使用してもよく、損失タンジェントおよびせん断波速度の両方は、モデルのない複素係数を推定するために使用する、推定されるせん断波の減衰の値に対して使用してもよい。

音響放射力のクリープおよびせん断波分散超音波振動測定（「ＳＤＵＶ」）によって使用する、レオロジーモデルまたは他のモデルと無関係な方法で、粘弾性パラメータを完全に定量化するためのシステムおよび方法が提供されている。この領域における以前の研究はレオロジーモデルの使用を包含したが、前記モデルに対する要求は、粘弾性パラメータの推定および適合するプロセスに影響を及ぼす。説明された音響放射力のクリープの方法は、構成式の解析解である変換式を使用する。この変換式は、サンプリング周波数、時間における第１の信頼性のある測定、および長期の粘性の概算に応答するように示される。

複素係数の変換式にクリープ−伸展性を組み合わせた音響放射力のクリープは、組織の粘弾性の非侵襲性の、速い、安定した、かつ部分的な測定を提供する。この新規方法の臨床応用は、一般に市販の超音波スキャン装置で実施される、音響放射力イメージング（「ＡＲＦＩ」）方法と同様である押圧ビームを必要とするだけなので、高く支持されている。さらに、検出ビームのみがクリープの作成および検出の両方のために使用される代替の超音波ビームのシーケンスは、従来の超音波システムと高い互換性がある。したがって、提供された方法を使用して加熱する組織は、米国食品医薬品局の限度未満になるように期待される。

特に図７を参照すると、例の超音波イメージングシステム７００は、複数の独立駆動されるトランスデューサ要素７０４を含むトランスデューサアレイ７０２を有する。いくつかの形態では、トランスデューサアレイ７０２は、線形のアレイトランスデューサを含んでもよく、いくつかの他の形態では、トランスデューサアレイ７０２は、位相アレイトランスデューサを含んでもよい。

トランスミッタ７０６によってエネルギーが与えられると、それぞれのトランスデューサ要素７０４は、超音波エネルギーの破裂を生じさせる。研究下の対象または被験者からトランスデューサアレイ７０２に後方反射される超音波エネルギーは、それぞれのトランスデューサ要素７０４によって電気信号に変換され、１セットのスイッチ７１０を通じてレシーバ７０８に独立して加えられる。トランスミッタ７０６、レシーバ７０８、およびスイッチ７１０は、ユーザによるコマンド入力に応答するデジタルコントローラ７１２の制御下で作動する。スイッチ７１０がそれらの送信位置にセットされ、それによってそれぞれのトランスデューサ要素７０４にエネルギーを与えるために瞬間的にトランスミッタ７０６を作動させるように指示する一連のエコー信号を取得することによって完全なスキャンが実行される。スイッチ７１０がそれらの受信位置にセットされ、それぞれのトランスデューサ要素７０４によって作成されたその後のエコー信号が測定されレシーバ７０８に入力される。それぞれのトランスデューサ要素７０４からの独立したエコー信号は、イメージ部、例えばディスプレイシステム７１４で１つの線を作成するために用いられる単一のエコー信号を作成するためにレシーバ７０８で組み合わされる。

本発明は、１以上の望ましい実施形態に関して説明されており、多くの等価形態、代替形態、変形形態、および修正形態が、明確に規定されたものを除いて考えられ、本発明の範囲内であるということが評価されるべきである。

Claims (13)

1. 超音波システムを使用して粘弾性の組織特性測定基準を作成するための方法であって、
   ａ）クリープ期間の間、超音波システムを使用して、少なくとも１つのクリープ応答を発生させる機械的応力を組織に加えるステップと、
   ｂ）前記クリープ期間に続くリカバリー期間の間、前記加えられた機械的応力に起因する組織の変位を測定するステップと、
   ｃ）前記測定された組織の変位から関連複素係数の値を抽出するステップと、
   ｄ）前記抽出された複素係数から損失タンジェントを算出するステップと、
   ｅ）前記算出された損失タンジェントに基づいて粘弾性の組織特性測定基準を算出するステップと、
   を備える方法。
2. 前記機械的応力は、前記クリープ応答が定常状態に達する前に終了させる、請求項１に記載の方法。
3. 前記機械的応力は、単一の超音波の押圧パルスを備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記ステップｂ）は複数の超音波の検出パルスを加えることを含み、前記単一の超音波の押圧パルスは前記複数の超音波の検出パルスのそれぞれよりも有意に長い持続時間を有する、請求項３に記載の方法。
5. 前記機械的応力は、複数の超音波の押圧パルスを備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記ステップｅ）は、前記加えられた機械的応力によって前記組織で発生させたせん断波の周波数および波速度を使用して波数の実数部分を算出すること、および前記粘弾性の組織特性測定基準を算出するために前記波数の実数部分を使用することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記周波数は中心周波数であり、前記波速度はグループの波速度である、請求項６に記載の方法。
8. 前記ステップｅ）は、前記粘弾性の組織特性測定基準を算出するために前記損失タンジェントを使用して、かつ波数の虚数部分を使用して前記波数の虚数部分を算出することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記ステップｅ）は、
   ｉ）前記加えられた機械的応力によって前記組織で発生させたせん断波の周波数および波速度を使用して波数の実数部分を算出することと、
   ｉｉ）前記損失タンジェントおよび前記算出された波数の実数部分を使用して波数の虚数部分を算出することと、
   ｉｉｉ）前記算出された波数の実数部分および虚数部分を使用して前記粘弾性の組織特性測定基準を算出することと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記周波数は中心周波数であり、前記波速度はグループの波速度である、請求項９に記載の方法。
11. 前記粘弾性の組織特性測定基準は、貯蔵係数および損失係数の少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
12. 前記組織の変位は、前記組織の変位を検出するために超音波エネルギーを使用して測定される、請求項１に記載の方法。
13. 前記ステップａ）で加えられる前記機械的応力は、前記ステップｂ）で前記組織の変位を検出するために使用される前記超音波エネルギーによって発生する、請求項１２に記載の方法。

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