JP5426368B2

JP5426368B2 - 超音波変換器を使用して生物組織の粘弾性特性を測定する方法

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Publication number: JP5426368B2
Application number: JP2009514850A
Authority: JP
Inventors: ローランサンドラン，; ヴェロニクミエット，
Original assignee: エコセンスソシエテアノニム
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: ATE520021T1; WO2007144520A2; EP2181324B1; CN101529241A; WO2007144520A3; EP2181324A2; JP2009539528A; US20120065504A1; ES2370735T3; CN101529241B; FR2902308B1; FR2902308A1

Description

生物組織の粘弾性特性を測定すると、例えば肝臓、皮膚又は血管等の器官に関係した治療での診断、検査又は監視が可能になる。

問題とする器官の健全性を非観血的に測定するために、この器官の生物組織内に低周波せん断波を放射する装置を使用し、超音波信号を取得することによって、このせん断波に対する生物組織の応答を測定することが知られている。そのような方法は、例えば、２００４年５月３日にエコセンスコーポレーションの名前で出願された特許出願ＦＲ２８６９５２１号に記載されている。

生物組織の粘弾性特性を測定するために、後述する３つの種類のうちの１つに含まれる装置を利用する方法が知られている。

第１の装置の種類には、問題とする組織によって反射された超音波を電気信号に変換する単一要素からなる変換器がある。この場合、そのような変換器は、異種の器官の粘弾性特性を測定することができない単一の超音波ビームを使用する。

そして、そのような装置の使用は、平均測定のような器官全体の平均粘弾性特性測定に限定され、例えばその器官内の局所的な病変を検出するための局所的な粘弾性特性測定は対象とならない。

第２の装置の種類には、問題とする組織によって反射された超音波を電気信号に変換する素子配列を含む変換器がある。

この場合、そのような変換器は、二次元平面に対して反射された超音波しか受け取らない。したがって、生物組織平面からの粘弾性特性を得るには、三次元のボリュームデータ、特に高さ、すなわち該当平面に対して垂直方向が必要である。

このため、そのような装置を使用して問題とする組織の粘弾性特性を定量的に測定することはできない。換言すると、そのような装置は、高さ方向に生じた組織変形のばらつきを無視することによって近似されるため、人為的な結果による局所的な定性的情報しか提供しない。

最後に、先に引用した特許出願ＦＲ２８６９５２１号に記載された第３の装置の種類は、問題とする組織によって反射された超音波を電気信号に変換する４つの一列に並べられていない円形の素子からなる変換器を使用する。

このタイプの装置は、特に、生物組織の粘弾性特性を定量的に測定するためのものである。しかし、この装置には、所望の超音波ビーム特性を得るには、大きな寸法の素子を厳密に使用しなければならないという欠点がある。例えば、肝臓では、３．５ＭＨｚの中心周波数の超音波変換器を使用する場合、２０〜８０ｍｍの深さで測定を実行可能にするためには、７ｍｍの直径を有する素子を必要とする。

本発明は、局所的な粘弾性特性の定量的測定を十分な精度で行うことができる生物組織の粘弾性特性を測定する方法を提供することによって、前述の問題のうちの少なくとも１つを解決する。

そのため、本発明は、超音波変換器を使用して生物組織の粘弾性特性を測定する方法に関し、これらの生物組織によって反射された超音波を電気信号に変換する素子を備え、異なる素子がグループ化されてサブ・アパーチュアを構成し、１つのサブ・アパーチュアの素子から来る電気信号の取得が同時に実行され、そのようなサブ・アパーチュアはそれぞれ音響中心で超音波伝搬軸と交差し、そして少なくとも１つの同一の素子が、少なくとも２つの異なるサブ・アパーチュアに属し、音響中心が、少なくとも３つの他の一列に並べられていない音響中心によって取り囲まれることを特徴とする。

超音波伝搬軸は、エネルギー分布が最大の軸に対応するということに注目すべきである。

そのような方法には多数の利点がある。このため、異なるサブ・アパーチュアで少なくとも１つの共通する素子を使用することにより、超音波送受信面を小さくすることなく異なるサブ・アパーチュアの音響中心間の距離を小さくし、それにより粘弾性特性の測定を高い精度で行うことができる。

さらに、サブ・アパーチュアの音響中心が、少なくとも３つの一列に並べられていない音響中心で取り囲まれることにより、後で詳述するように局所的な粘弾性特性を計算するために必要なボリュームデータを得ることができる。

最後に、前述のように素子を２つの配置について共有して使用することで、より少数の素子を使用して超音波を電気信号に変換することができると同時に、局所的な粘弾性特性の測定を行なう先行技術よりも精度を改善することができる。

その結果、本発明の粘弾性特性測定法のコスト及び複雑さは減少され、同時にこの方法では、例えば器官内の腫瘍を識別することができる局所的な粘弾性特性を測定するのに十分な精度で、器官組織の粘弾性特性の局所的な測定、さらに定量的測定を行なうことができる。

１つの実施形態では、この方法は、例えば同時に使用されるサブ・アパーチュアで同一の素子を使用して、異なるサブ・アパーチュアを同時に使用するステップを含む。

サブ・アパーチュアを同時に使用することにより、超音波データをより高速で取得することができる。実際には、異なるサブ・アパーチュアで少なくとも１つの素子を共通して使用することにより、この同じ素子を同時に２つ使用することと同等となり、これにより、各サブ・アパーチュアからの信号が連続的に形成される場合よりもデータを高速に取得することができる。

所定のサブ・アパーチュアに対する伝達経路の形成は、タイムラグ（時間遅延則）の有無と共に、このサブ・アパーチュアを構成する異なる素子からの信号の加算に対応する。

この加算は、いくつかの方法により実行することができ、例えば、異なる素子からの電気アナログ信号の加算、デジタル化後での電子部品内での加算、及びコンピュータ・プログラム内のソフトウェアでの加算が挙げられる。

実際には、サブ・アパーチュアの連続電子スキャンは、これらのサブ・アパーチュアでの少なくとも１つの並列取得、すなわち同時取得によって置き換えられる。

一の実施形態では、この方法は、組織の動きを引き起こすステップを含み、この動きは、手動又は自動で実行されることができる。

一の実施形態では、この方法は、これらのサブ・アパーチュアの音響中心が三角形メッシュ（例えば等辺形）を示す基準メッシュを形成するようにサブ・アパーチュアを構成するステップを含む。

一の実施形態によれば、この方法は、サブ・アパーチュアが他のサブ・アパーチュアの面によって完全に形成されるようにサブ・アパーチュアを構成するステップを含む。

一の実施形態では、この方法はさらに、音響中心が６つの等距離の音響中心に取り囲まれるようにサブ・アパーチュアを構成するステップを含む。

本発明はまた、生物組織の粘弾性特性を測定するために、そのような生物組織によって反射された超音波を電気信号に変換する素子を含む超音波変換器を備えた装置に関し、この素子は、素子の中心間で測定して０．５〜５ｍｍの間の距離、好ましくは２〜５ｍｍの間の距離にあることを特徴とする。

変換器の素子の間におけるそのような距離は、前述した実施形態のうちの１つの実施形態による方法を利用することにより得られる。また、そのような装置は、本発明を実施するのに必要な素子の数が少ないため、粘弾性特性を低コストで十分な精度により測定することができるという利点を提供する。

一の実施形態によれば、この装置は、１つのサブ・アパーチュアでグループ化された複数の素子によって受信された電気信号を同時に取得する手段と、少なくとも１つの共通な素子を同時に示すいくつかのサブ・アパーチュアに対応する電気信号送信の伝達経路を形成する手段とを含む。

一の実施形態では、この装置は、少なくとも１つのサブ・アパーチュアの音響中心が、少なくとも３つの一列に並べられていない音響中心によって取り囲まれることを含む。

一の実施形態によれば、この装置は、少なくとも１９個の六角形の素子又は少なくとも２４個の正三角形の素子を含む。

一の実施形態では、この装置は、多角形、例えば六角形、正方形、菱形若しくは三角形、又は円形を有する素子を含む。

また、本発明は、前述の実施形態のうちの１つの実施形態による装置を備えたプローブと、前述の実施形態のうちの１つの実施形態による装置を備えたシステムとに関し、このシステムは、さらに超音波温熱治療を実行する手段又は組織の動きを引き起こす手段を含む。

最後に、本発明は、前述の実施形態のうちの１つの実施形態による方法、装置、プローブ又はシステムからのデータに関する。

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照して、本発明を限定しない例示により、以下の本発明の実施形態の記載において明かにされる。

本発明における変換器を含む装置の図である、生物組織の粘弾性特性を測定するために使用される幾何学的パラメータを示す図である。本発明による方法の様々な実施態様を示す図である。本発明による方法の様々な実施態様を示す図である。本発明による方法の様々な実施態様を示す図である。

本発明における生物組織の粘弾性特性を測定する方法は、生物組織によって反射された超音波を電気信号１４に変換する素子１２を有する超音波変換器１０を備えたプローブ１１（図１）を使用する。

そのような電気信号１４は、超音波に対する組織のエコー輝度を表す。したがって、組織は、超音波を強く反射するときは「高エコー輝度」と言われ、超音波を弱く反射するときは「低エコー輝度」と言われる。

本発明の方法を実施する際、異なる素子１２が、サブ・アパーチュアとして知られるグループを構成し、同じサブ・アパーチュア１６の素子１２から出された電気信号１４が同時に取得される。

したがって、この取得中、サブ・アパーチュア１６の全取得面積は、その素子１２の面積の合計である。

このステップで注目すべきは、変換器１０を、問題とする生物組織によって反射されるように意図された超音波を送信するために使用してもよいことである。この場合、これらの素子１２は、送信用サブ・アパーチュアにグループ化されてもよく、異なるサブ・アパーチュア１６が同時に送信してもよい。

さらに、サブ・アパーチュア１６は、このサブ・アパーチュア１６が送受信する超音波ビームが沿って伝播する軸１５に特徴があり、この軸１５は、音響中心Ｃａとして知られる点でサブ・アパーチュアと交差する。分かりやすくするために図１には、軸１５、サブ・アパーチュア１６及び音響中心Ｃａのみを示す。

本発明によれば、生物組織の粘弾性特性を測定する際、この方法は、少なくとも１つの同一の素子１２が、少なくとも２つの異なるサブ・アパーチュア１６に属し、またサブ・アパーチュア１６の音響中心Ｃａが、少なくとも３つの他の一列に並べられていない音響中心に取り囲まれるようにして、異なるサブ・アパーチュア１６を使用する。

異なるサブ・アパーチュアで共通の素子１２を使用することで、少ない数、一般に３０個未満の素子を使用する場合でも、異なるサブ・アパーチュアの音響中心間の距離を小さくして、精度（この精度は１ミリメートル程度である）を高めることができる。

この実施形態では、いくつかのサブ・アパーチュア１６で並列して同時に取得が行われることを考慮すると、超音波データの取得速度は、従来の連続的電子スクリーニング、すなわちサブ・アパーチュアを連続的に使用することで得られる速度よりかなり速い。

そのようにして得られる速度は、超音波伝播時間と反復エコーの持続時間とによって一意的に限定される。この速度は、一般に約４ＫＨｚ、より一般には１００Ｈｚ〜２０ＫＨｚであり、単一のせん断励起からのせん断波の伝搬によって、組織内に生じた体積変形を測定することを可能にする。

このステップで注目すべきは、このせん断励起が、器官外部の振動器、身体の器官によって生成される器官の振動、又は例えば放射圧原理を使用して遠隔式に引き起こされる振動によって実行されてもよいことである。

約１００ミリ秒というせん断波の極めて短い伝搬時間を考慮すると、動いている器官、例えば肝臓の体積及び局部データを取得することができる。

プローブ１１を含む粘弾性特性を測定するためのシステム１８は、超音波の受信中に、複数のサブ・アパーチュアにグループ化された複数の素子によって受信された信号を同時に取得する手段１７と、同時に使用されるいくつかのサブ・アパーチュアに対応する伝達経路を形成する手段とを含むことができる。

そして、そのような装置によって、本発明の方法を素早く実施することができる。

さらに、サブ・アパーチュア１６の音響中心Ｃａが、少なくとも３つの一列に並べられていない音響中心に取り囲まれるため、せん断弾性係数、粘性、ヤング率、ポアソン比等の局所的な粘弾性パラメータを計算するために必要なボリュームデータを得ることができる。

例えば、弾性、すなわちＥで示されるヤング率を考慮することにより、この計算は、先に引用した特許出願ＦＲ２８６９５２１に示された工程を使用して行われてもよい。実際に、組織の弾性Ｅは、以下の式から計算することができる。

（数１）
Ｅ＝３ρＶ_s ²

ここで、ρは媒体の密度、Ｖ_sは、せん断波の伝搬速度を表わす。

媒体が等方性でかつ線形であると仮定すると、せん断速度Ｖ_Sは、次のように表される。

ここで、ｕは、所定の方向に沿って測定された変位、変形又は変形速度であり、Δｕは、ｕのラプラス演算子である。

六角平面２２の中心と頂点とに位置する軸２０（図２）に沿った変形パラメータを得ることにより、変位ｕのラプラス演算子を正確に計算することができ、先に引用されたエラストグラフィ技術と対照的に、ラプラス演算子の式に関する前提を単純化する必要がなく、この式全体が得られる。

例えば、点ｉ（六角形の中心）におけるｕのラプラス演算子の離散化は、六角形の頂点ｊにおけるｕの値に応じて記述されることができる。

ここで、ａ及びｂは横方向寸法を表し、ｕ^zとｕ^-zは、該当する六角形２２に関する高さｕの値である。

せん断速度は、次の式から得ることができる。

ここで、ｔ_min及びｔ_maxは、測定期間を示す。

そして、装置の最小精度は、サブ・アパーチュアの音響中心間の距離に依存し、この距離が短いほど精度が高くなる。

一般に、本出願で提案する１ｍｍの十分な精度を提供する変換器の装置では、この距離は３ｍｍ未満、より一般的には１〜３ｍｍである。

本発明の１つの実施形態は、図３を用いて後述される。図３は、変換器３０の素子３２によって構成される異なるサブ・アパーチュア３６とその関連した音響中心Ｃａを表し、そのような異なるサブ・アパーチュア３６は、分かりやすくするために同一変換器３０の異なる図で示される。

そして、超音波信号を取得する際、これらの異なるサブ・アパーチュア３６の音響中心Ｃａが、三角形メッシュ２２、例えば正三角形メッシュを示す基準メッシュを形成することが分かる。

そのような三角形メッシュは、各素子３２によって形成された三角形の辺からの距離で音響中心Ｃａ間の距離を限定する。この実施形態では、そのような距離は、素子が３ＭＨｚの中心周波数で動作する場合、３ｍｍである。

この場合、サブ・アパーチュア３６は、辺の長さが３ｍｍの六角形を有すると考えられる。

この変換器３０は、１０〜９０ｍｍの深さで粘弾性特性を測定することができ、この深さは、変換器の表面から測定される。

サブ・アパーチュア３６が、同時に使用される複数の他のサブ・アパーチュア３６によって完全に取り囲まれるか又は形成されたとき、該当体積に関するデータの量が増え、その結果粘弾性特性計算の精度が改善される。

この例では、中央の音響中心Ｃａ_centralは、６つの等距離の音響中心Ｃａによって取り囲まれる。

音響中心Ｃａが等距離にあるため、弾性波伝搬式の離散化の対称性を導入することによって粘弾性特性計算が単純化される。

サブ・アパーチュア３６は素子３２の組からなり、例示された変換器３０は、２４個の正三角形の素子３２と、６個の素子３２からなる７個のサブ・アパーチュア３６とを含む。

そのような超音波変換器を備えたプローブは、前記変換器の中心周波数に依存する深さの粘弾性特性を測定することができる。

前述したような本発明の方法の実施態様は、素子の中心がより近い距離、例えば、０．１〜５ｍｍ、好ましくは２〜５ｍｍに位置する超音波変換器を備えた生物組織の粘弾性特性を測定するための装置を使用することによって実行されてもよい。

さらに、同時に使用される２個のサブ・アパーチュアは、少なくとも１個の共通な素子を含むことで、共通な素子のあるサブ・アパーチュアの音響中心間の距離を小さくして、データ取得速度と得られるデータの時間的コヒーレンスを高めることができる。

体積分析を可能にするために、少なくとも１個のサブ・アパーチュアの音響中心Ｃａは、互いに整列されず、同時に使用されるサブ・アパーチュアに対応する少なくとも３つの音響中心によって選択的に取り囲まれなければならない。

図４に示したような第２の実施形態では、変換器４０は、少なくとも１９個の六角形の素子４２を含む。この場合、一例としては、示されたサブ・アパーチュア４６のように７個の素子からなるサブ・アパーチュアを使用することができる。

この実施形態では、六角形の素子４２は、２ミリメートルの高さＨを有し、また３．５ＭＨｚの中心周波数で使用される。この場合、得られる精度は約１ミリメートルであり、この精度は、測定される最小組織の大きさの寸法として規定される。

第３の実施形態（図５）によれば、素子５２は、同一形状、すなわち六角形を有するサブ・アパーチュア５６を形成できる多様な形状を有する。

実際には、本発明は、多数の変形を有することができる。これは、多角形（例えば、六角形、正方形、菱形、三角形）、円形、又は様々な形状の素子の組み合わせのように、様々な形状を有する素子で実施され得る。

さらに、本発明の装置は、より大きなサイズのシステムと結合されるか一体化されてもよい。

この一例は、超音波温熱治療を実行する変換器を備えたシステムである。

別の例によれば、システムは、超音波変換器が、英語の「遠隔触診」又は「音響放射力」を語源とする用語である放射圧を使用するような、組織の動きを引き起こす手段を含む。

最後の例は、電気機械式バイブレータを使用して組織の動きを引き起こす手段を含むシステムである。

組織の動きを引き起こすために実施される手段の本質と別に、これらの手段と超音波データの取得との間で同期が実行され、この取得は、変換器から出された電気信号から得られたデジタルデータの記憶及び／又はこのデータの処理を含んでもよい。

以上述べた変換器は超音波変換器であり、すなわち、電気エネルギーを超音波エネルギーに、超音波エネルギーを電気エネルギーにそれぞれ変換する変換器であることに注目すべきである。

最後に、本発明は、様々な変形により実施することができる。

第１の変形では、例えば図３、図４、図５又は図６において、本発明における変換器の素子によって形成されるパターンが繰り返される。そのような繰り返しは、１つ又は別々な複数の方向に実行されてもよい。

別の変形では、本発明における第１の実施形態は、例えば第２の実施形態を構成する素子によって完成される。

１０変換器
１１プローブ
１２素子
１４信号
１５軸
１６サブ・アパーチュア
１８システム

Claims

生物組織によって反射された超音波を電気信号（１４）に変換する素子（１２、３２、４２、５２）を有する超音波変換器（１０、３０、４０、５０）を使用して生物組織の粘弾性を測定する方法であって、異なる前記素子（１２、３２、４２、５２）がグループ化されてサブ・アパーチュア（１６、３６、４６、５６）を構成し、同一の前記サブ・アパーチュア（１６、３６、４６、５６）の前記素子（１２、３２、４２、５２）からの前記電気信号（１４）の取得が同時に実行され、前記サブ・アパーチュア（１６、３６、４６、５６）がそれぞれ音響中心（Ｃａ）で超音波伝搬軸（１５）と交差し、複数の前記サブ・アパーチュアがあらかじめ構成され、少なくとも１つの同一の前記素子（１２、３２、４２、５２）が少なくとも２つの異なる前記サブ・アパーチュア（１６、３６、４６、５６）に属し、前記音響中心（Ｃａ_central）が少なくとも３つの他の一列に並べられていない前記音響中心（Ｃａ）によって取り囲まれ、異なる前記サブ・アパーチュア（１６、３６、４６、５６）を同時に使用し、かつ同時に使用される前記サブ・アパーチュアで前記同一の素子（１２、３２、４２、５２）を使用するステップを含むことを特徴とする方法。
前記生物組織の動きを引き起こすステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記サブ・アパーチュアの前記音響中心（Ｃａ）が三角形メッシュを示す基準メッシュを形成するようにして、前記サブ・アパーチュアを構成するステップを含む、請求項１又は２に記載の方法。
１つの前記サブ・アパーチュア（１６）の全ての面が、他の前記サブ・アパーチュアの面によって形成されるように前記サブ・アパーチュア（１６）を構成するステップを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
前記音響中心が６つの等距離にある前記音響中心によって取り囲まれるように前記サブ・アパーチュアを構成するステップを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
生物組織によって反射された超音波を電気信号（１４）に変換する素子（１２、３２、４２、５２）を有する超音波変換器（１０、３０、４０、５０）を使用して生物組織の粘弾性を測定する装置であって、異なる前記素子（１２、３２、４２、５２）がグループ化されてサブ・アパーチュア（１６、３６、４６、５６）を構成し、同一の前記サブ・アパーチュア（１６、３６、４６、５６）の前記素子（１２、３２、４２、５２）からの前記電気信号（１４）の取得が同時に実行され、前記サブ・アパーチュア（１６、３６、４６、５６）がそれぞれ音響中心（Ｃａ）で超音波伝搬軸（１５）と交差し、複数の前記サブ・アパーチュアがあらかじめ構成され、少なくとも１つの同一の前記素子（１２、３２、４２、５２）が少なくとも２つの異なる前記サブ・アパーチュア（１６、３６、４６、５６）に属し、前記音響中心（Ｃａ_central）が少なくとも３つの他の一列に並べられていない前記音響中心（Ｃａ）によって取り囲まれ、異なる前記サブ・アパーチュア（１６、３６、４６、５６）を同時に使用し、かつ同時に使用される前記サブ・アパーチュアで前記同一の素子（１２、３２、４２、５２）を使用するようにされたことを特徴とする装置。
前記サブ・アパーチュア内のグループ化された複数の前記素子によって受信された前記電気信号を同時に取得する手段と、同時に少なくとも１つの共通な前記素子を有するいくつかのサブ・アパーチュアに対応する伝達経路を形成する手段とを含む、請求項６に記載の装置。
少なくとも１９個の六角形の前記素子又は少なくとも２４個の正三角形の前記素子を含む、請求項６又は７に記載の装置。
多角形、例えば六角形、正方形、菱形若しくは三角形、又は円形を有する前記素子を含む、請求項６から８のいずれか１項に記載の装置。
請求項６から９のいずれか１項に記載の装置を備えたプローブ（１１）。
超音波温熱治療を実行する手段又は前記生体組織の動きを引き起こす手段をさらに含む、請求項６から９のいずれか１項に記載の装置を備えたシステム（１８）。