JP5491671B2 - 関心領域の粘弾性の平均値を測定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、軟組織の機械的性質を測定するための方法に関する。
より詳細には、本発明は生体組織などの軟質材料の平均の弾性率の値の測定に適用される。

弾性率計測（ｅｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ）技術は、医療診断を補助するために、弾性など生体組織の機械的性質を測定するためのものである。
弾性率計測技術は通常、ＭＲＩまたは超音波などの既存の画像診断（イメージングモダリティ）の追加の特徴として、医用イメージングシステムに実装されている。

この点で、弾性率計測法は、医師の診断確立を助ける新たな臨床情報を与えるものである。
幾つかの弾性率計測技術が開発されており、現在臨床評価段階にあるものや、既に医用イメージング製品に組み込まれているものがある。

大まかには、弾性率計測技術は、適用される機械的励起の特性によって３つの異なる種類、すなわち、静的技術、単色性技術、または過渡（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）技術に分類される。

本発明は、身体における機械的過渡励起の生成に依存して組織の機械的性質を導き出す、過渡弾性率計測技術に関する。
そうした方法は、この過渡振動が与えられる手法が外的なものである（たとえば、振動を発生させる特定の外部装置を用いる）か、内的なものである（たとえば、組織に超音波を集中させて超音波放射力を発生させることによって生じる振動を用いる）かによって分類される。

また、そうした方法は、イメージング方法、たとえば、超音波であるか核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）であるかによっても分類される。
それらの弾性率計測法はすべて、イメージングの実行される連続的な関心領域（ＲＯＩ）を定義するという意味においてイメージング技術であり、イメージングは、このＲＯＩの全体において、かつ、このＲＯＩにおいてのみ実行される。

実際、所定の関心領域（ＲＯＩ）の粘弾性マップすなわちエラストグラムを得るために、組織の機械的性質について複数のローカルな推定が行われる。
通常、これらのイメージング技術は時間と処理を要し、大体の場合、組織に多量のエネルギーを投入する必要がある。

このような理由で、これらのイメージング技術は今日まで医用イメージング装置に実装されていない。
弾性率計測技術は、たとえば病変位置が特定されると、適切に用いられる。

それにもかかわらず、一部の場合、医師にとって興味深いのは、イメージングを行った組織のＲＯＩの粘弾性パラメータを全体的（ｇｌｏｂａｌ）且つ高速な推定を行うことである。

そうした粘弾性パラメータにより、組織の全体的な機械的挙動の性質を決めることがで
きる。
興味深い用途として、弾性の滑らかな空間変位を誘発する病状、たとえば肝線維症の評価、脈管疾患の評価、または筋肉弾性の監視がある。

そうした全体的な情報は、上記のイメージング技術に対する準備ステップまたはキャリブレーションのステップとしても非常に有用なことがある。
現在の所、全体的かつ高速な組織の弾性推定を提案する超音波に基づく技術は、特許文献１に記載されているもののみである。

この技術は、イメージングの行われる関心領域を１つの超音波ビームにまで縮小し、ビームラインに沿ってせん断波の伝播のイメージングを行い、その線に沿って平均の弾性率の値を導き出すという概念に基づいている。

しかし、この技術には大きな欠点がある。
この技術は、１つの超音波線に沿って推定される弾性率の値が、組織全体の平均弾性率を十分かつ堅牢に示すという仮定に依存している。

これは通常、当てはまらず、そうした仮定は統計分散および測定の再現性に関する成績の低下に繋がる。
このため、この技術によって早期の肝硬変を識別することは困難である。

仏国特許出願公開第２７９１１３６号明細書

したがって、組織全体のイメージングを行うことなく、また、組織の粘弾性が一様であると仮定することなく、所与の組織の平均の弾性率の値を測定可能な弾性率計測技術が必要とされている。

本発明は、上記の欠点を解決することができる。
この目的のため、本発明は、少なくとも１つのトランスデューサアレイを備える１つのプローブを使用し、軟質材料の平均の粘弾性の値を測定する方法を提供する。この方法は、
ａ）制限ゾーンにおいて、制限ゾーンから組織に伝播する内部せん断波を組織に発生させるために、機械的振動の少なくとも１つのバーストを誘起する誘起ステップと、
ｂ１）トランスデューサアレイにより、組織において制限ゾーンから離れて位置する少なくとも１つの第１測定ゾーンにおける過渡組織変位を測定する測定ステップと、
ｃ）第１測定ゾーンにおいて組織について測定した過渡組織変位から、組織のうち制限ゾーンと第１測定ゾーンとの間に位置する領域の平均粘弾性を推定する推定ステップとを含む。

せん断波の伝播を発生させるとともに、制限ゾーンから離れた測定ゾーンにおいてのみ測定を行うことによって、制限ゾーンと測定ゾーンとの間に位置する組織の拡張領域においてせん断波が伝播した結果を知ることができる。弾性の詳細が得られない場合であっても、測定ゾーンにおいて測定した変位は、せん断波が伝播した領域全体の弾性に依存して効果的に決まる。したがって、平均の弾性特性が、この過渡測定から導き出される。

本発明は、特に、生体組織の平均粘弾性の測定に適している。
「単一プローブ」とは、波を発生させることが可能であり、最終的には固定の構成にグループ化される１つまたは所与の数のトランスデューサを含む装置と理解される。

一変形形態では、この方法は、次の追加のステップｂ２）と、次の修正したステップｃ’）とを含む。すなわち、
ｂ２）少なくとも１つの第２トランスデューサにより、組織において制限ゾーンおよび第１測定ゾーンから離れて位置する少なくとも１つの第２測定ゾーンにおける過渡組織変位を測定する測定ステップと、
ｃ’）両測定ゾーンにおいて組織について測定した過渡組織変位から、組織のうち両測定ゾーンの間に位置する領域の平均粘弾性を推定する推定ステップとを含む。

２つの測定ゾーンを用いた場合、両測定ゾーンにおける過渡測定を用い、更にこれらの測定を相関させることによって、両測定ゾーン間に位置する領域の平均粘弾性を特定することができる。

このように、有利な一特徴において、推定ステップでは、動き推定および歪み推定用の従来の信号処理技術を用いて、測定ゾーンにおいて測定した過渡組織変位の時間的な比較を行う。

用いられる信号処理技術としては、相互相関、位相検出技術、分散曲線などがある。
本発明では、過渡組織変位は、せん断波群速度、せん断波位相速度、せん断波減衰、せん断粘度、およびせん断弾性率からなる群に含まれる少なくとも１つの機械的パラメータから求められてもよい。

特定の特徴では、組織のうち平均粘弾性が推定される領域は、制限ゾーンを含むこととする。他の同様の特徴では、組織のうち平均粘弾性が推定される領域は、測定ゾーンのうちの１つ以上を含むこととする。

一実施形態では、機械的振動は生体起源の機械的変位によって、または外部バイブレータによって誘起される。
したがって、この機械的振動は、自然に発生するものであってもよく、人工的に発生させるものであってもよい。

有利な一実施形態では、機械的振動は組織における超音波放射圧によって誘起され、制限ゾーンはほぼ制限線である。
超音波は、組織内で放射圧の力を発生させるのに特に適している。この力が組織における運動を、ひいてはせん断波の伝播を誘起する。

有利な一特徴において、測定ステップでは超音波が用いられ、測定ゾーンはほぼ測定線である。
このような特徴は弾性率計測の分野において周知であり、弾性率計測では、せん断波の伝播に続いて変位構造に超音波を送り、変位構造におけるエコーを利用する。

有利には、制限線は測定線と平行である。
好適な一実施形態では、測定線は制限線または他の測定線から距離Ｒ・λだけ側方に離れており、Ｒは２以上の実数であり、λは組織の変位を測定するために使用される波の波長である。

このような特徴によって、平均粘弾性の推定を行う領域が十分な大きさで定義される。
これによって、平均粘弾性の特定を行うのに十分なほど、伝播するせん断波が制限ゾーンおよび測定ゾーンから、または第１測定ゾーンから別の測定ゾーンまで異なる領域が定義される。

平均粘弾性の測定値は、バーストの線と測定を行う線との間、または測定を行う１組の線のうちの２つの線の間のせん断波の速度から導き出される。そうした線は垂直であっても傾斜していてもよい。

別の有利な一特徴では、この方法は少なくとも１つの測定ゾーンにおいてせん断波の伝播を検出する検出ステップを更に含み、この検出ステップによって自動的に誘起ステップａ）の起動が実行される。

この特徴により、以前に発生させたせん断波の伝播特性の測定値との関係においてバーストの誘起を最適化することができる。実際、伝播した各せん断波の過渡組織変位についての制限された数の測定によって、走査した組織の平均粘弾性の推定を連続的に更新できる。これは本発明により利用可能となる独創的かつ新たな特徴である。

また、２つのバースト間の時間間隔を、走査する組織の特性に適応させることもできる。
有利には、この検出は、所定の深度における測定ゾーンの少なくとも１つの点における変位のピークである、強度の最大値の検出を用いて実行される。

この最大値は、相互相関の計算によって検出されてもよい。
そうした相互相関の計算により、せん断波による線の交差を容易に制御して、２本以上の線の間の伝播時間を決定することができる。

この方法は、所定の時間内に組織に誘起されるエネルギーを評価するエネルギー評価ステップを更に含んでもよく、誘起ステップａ）は、評価されたエネルギーに基づいて起動が実行される。

これにより、組織の劣化を回避するために、組織に誘起されるエネルギー量を制限できる。これは生体組織には特に重要である。
通常、この特徴により、２つのバースト間の時間間隔を増加させることができ、組織に誘起されるエネルギーの破壊的な効果が回避される。

この特徴は、測定を行う線間のせん断波の伝播を制御する、上記の特徴と組み合わせて用いることができる。
一実施形態において、この方法は、汎用のトランスデューサにより実施される場合、測定ゾーンにおける過渡組織変位を測定することによって測定ステップｂ）を実行するために、そのトランスデューサアレイのうちの少なくとも１つのトランスデューサの試料を選択するステップを含む。

好適には、測定を集束させるために複数のトランスデューサが選択される。
汎用のトランスデューサアレイを用いるこの実施形態では、この方法は、有利には、バーストを発生させることによって誘起ステップａ）を誘起するために、そのトランスデューサアレイのうちの少なくとも１つのトランスデューサの試料を選択するステップを更に含む。

好適には、せん断波を発生させることを可能とする大きな機械的振動を誘起するように波を集中させるために、複数のトランスデューサが選択される。
これら２つの追加の特徴により、汎用のトランスデューサアレイの挙動が個々に制御可能になると、本発明の方法を実施するために、これらのトランスデューサアレイを使用できる。

一実施形態では、トランスデューサアレイは超音波トランスデューサアレイである。
本発明は更に、軟質材料の平均粘弾性を測定するための装置に関する。この装置は、
ａ）制限ゾーンにおいて、制限ゾーンから組織に伝播する内部せん断波を組織に発生させるために、機械的振動の少なくとも１つのバーストを誘起するための手段と、
ｂ１）組織において制限ゾーンから離れて位置する少なくとも１つの第１測定ゾーンにおける過渡組織変位を測定するための手段と、
ｃ）第１測定ゾーンにおいて組織について測定した過渡組織変位から、組織のうち制限ゾーンと第１測定ゾーンとの間に位置する領域の平均粘弾性を推定するための手段と、を備える。

そうした本発明の装置は、本発明の機能を実行するために標準的な構成要素が制御可能であれば、それらの標準的な構成要素を使用できる。したがって、汎用のトランスデューサアレイを使用できる。

この装置は、有利には、本発明の実施専用のものであり、バーストを誘起するための１つのトランスデューサと、過渡組織変位を測定するための１つのトランスデューサとを備える。

一変形例において、この装置は、追加の手段ｂ２）、すなわち、
ｂ２）組織において制限ゾーンおよび第１測定ゾーンから離れて位置する少なくとも１つの第２測定ゾーンにおける過渡組織変位を測定するための手段と、修正した手段ｃ’）、すなわち、
ｃ’）両測定ゾーンにおいて組織について測定した過渡組織変位から、組織のうち両測定ゾーンの間に位置する領域の平均粘弾性を推定するための手段と、を含む。

この装置は、有利には、本発明の実施専用のものであり、バーストを誘起するための１つのトランスデューサと、過渡組織変位を測定するための１つのトランスデューサとを備える。

それら２つの実施形態に係る装置は、本発明の実施に特有のものであり、全体的な弾性推定を非常に迅速に、かつ、リアルタイムに（ｏｎ−ｔｈｅ−ｆｒｙ）実行することを可能とする一方、低価格で製造できる。

また、このような専用の装置は、汎用のトランスデューサアレイまたはプローブよりもコンパクトである。
最後に、本発明は、本発明の一方法によって軟質材料の平均粘弾性を測定する機能を実行するためのコンピュータプログラムに関する。

本発明の測定装置の第１実施形態を示す模式図。 本発明の測定装置の第２実施形態を示す模式図。

本発明の他の態様および利点は、以下の特定の実施形態に関する説明を読むことにより、さらに明確になるであろう。この説明は純粋に非制限的な例として与えるものであり、添付の図面を参照している。

図１は、本発明の第１実施形態に係る装置１を示す。装置１は、３つのトランスデューサ、すなわちトランスデューサ２，Ｔ１，Ｔ２を含む、いわゆる「１次元」プローブを備える。

第１のトランスデューサ２は、組織３においてせん断波を発生させるためのものである。
トランスデューサ２は「プッシング（ｐｕｓｈｉｎｇ）」トランスデューサとして性質が決められ、たとえば中心周波数３ＭＨｚで動作する。

この例において、トランスデューサ２は超音波ビームＢを生成するように設計されている。超音波ビームＢは、有利には幅が数ｍｍ、深度が２ｃｍ〜６ｃｍである。
超音波ビームＢは、組織３にせん断波ＳＷを発生させることが可能であるような出力を有してもよい。

他の２つのトランスデューサＴ１，Ｔ２は、２本の超音波線Ｌ１，Ｌ２に沿って組織３のイメージングを行うためのイメージングトランスデューサである。トランスデューサＴ１，Ｔ２は、有利には中心周波数が５ＭＨｚの超音波を放射する。トランスデューサＴ１，Ｔ２は、有利には、１ｃｍ〜２ｃｍだけ離間されている。放射は、同時に行われてもよく、時間をずらして行われてもよい。

超音波線Ｌ１，Ｌ２のいずれも、弾性率測定の関心領域付近に位置する。
プローブ１は、プッシング要素２の制御を行うプログラム可能な１つの放射チャネルＥＣと、イメージング要素Ｔ１，Ｔ２の制御を行うプログラム可能な２つの送信／受信チャネルＲＣ１，ＲＣ２とによって電子的に制御される。

この送信／受信チャネルは、イメージングチャネルＲＣ１，ＲＣ２から届くデータをリアルタイムに格納するために利用可能な少なくとも１つのメモリ４に接続される。
メモリ４に対するアクセスを有するコンピュータ上で、またはメモリ４とチャネルＥＣ，ＲＣ１，ＲＣ２への接続とを備える専用の処理システム５上において、リアルタイムで処理が行われる。

この処理の目的は、関心領域の平均粘弾性の測定である。
この目的のために、プローブ１は、検査する組織３（たとえば、肝臓の筋肉または動脈壁）の表面に配置される。高出力超音波ビームＢ（たとえば、３ＭＨｚ）がプッシング要素２によって生成されて、組織３にせん断波ＳＷが生じる。

その後プローブ１において、イメージングトランスデューサＴ１，Ｔ２が複数のパルス（たとえば、５ＭＨｚ）を送る。これら複数のパルスによって、２本の超音波線Ｌ１，Ｌ２に沿って誘起された変位を追跡することが可能となる。

パルスは、媒質の過渡応答を正確にサンプリングできるほど十分に高いＰＲＦ（パルス繰り返し周波数）で送られる。ＰＲＦは、典型的には１０００Ｈｚ〜５０００Ｈｚである。

プッシングシーケンスにより低い周波数を用いることにより、プッシング効率が向上し、プッシングビームとイメージングビームとの間の干渉が低減される。
このような組織における変位の測定は弾性率計測分野において周知であり、当業者に知られている方法を用いて行われてよい。

たとえば、処理は、第１に動き推定アルゴリズム（たとえば、１次元相互相関またはドップラーに基づくアルゴリズム）を適用することを含む。
その後、組織変位または速度Ｖが、超音波線Ｌ１，Ｌ２に沿って時間ｔの関数、すなわち、Ｖ１（ｚ１，ｔ）およびＶ２（ｚ２，ｔ）として評価される。ここで、ｚ１，ｚ２はそれぞれＬ１，Ｌ２に沿った深度であり、ｔは時間である。

変位データはその後、２つの線Ｌ１，Ｌ２に沿ったせん断波特性を導き出し、更に２つの線Ｌ１，Ｌ２の間に位置する媒質の全体的な機械的パラメータを測定するために使用される。推定される機械的パラメータの一例は、これら２点の間でのせん断波の速度Ｃ_Ｔである：

ここで、ｄ_１２は２つの線Ｌ１，Ｌ２の間の距離である。
場の変位を合計した所望の深度は、場の深度または単に狭い範囲をカバーするように選択できる。第２の例として、様々な深度に位置する様々な薄片の測定を繰り返し行うことができる。この場合、深度の関数である推定パラメータＣ_Ｔ（ｚ）が利用できる。

本発明の第１実施形態は、３つのトランスデューサだけによる基本形態であるため、特にコンパクトであるという利点を備えている。
図２は、本発明に係る測定装置の第２実施形態を示す。

第２実施形態は、組織３のイメージングを行うために超音波アレイプローブ１０を用いる超音波検査イメージングシステムの方法の実施を含む。
平均粘弾性測定と表示によるリアルタイムの超音波検査システムがいかに達成されるかについて、以下に説明する。

超音波検査システムは、組織３に超音波のプッシングビームＢを生成するように有利に制御される。
図２に示すように、このようなビームＢは、トランスデューサアレイ１０の側面のうちの１つの側面に設置されたトランスデューサグループＧＴｂによって放射された超音波を、限定的に集束させることによって取得してもよい。

他の２つのトランスデューサ、すなわちトランスデューサＧＴ１，ＧＴ２のグループは、２本の所望線Ｌ１，Ｌ２のイメージングを行うように継続的に使用される。
有利には、まず関心領域の超音波イメージを計算するために、標準の超音波イメージングシーケンスを行う。この工程は約２０ｍｓである。

その後、本発明に係る全体的な弾性測定法を、超音波のプッシングビームＢと少なくとも１つのトラッキング線Ｌ１を用いて、超音波イメージングにも使用したプローブ１０で行う。この工程は約２０ｍｓである。

その後、超音波イメージングと弾性推定の両方のシーケンスを継続的にループ化し、超音波イメージと全体的な弾性推定とをリアルタイムでユーザへ供給する。
弾性率の値を超音波検査イメージの側に表示してもよい。このように結合させることは、弾性増加によって特徴付けられる病理上興味深い箇所を医師が特定する際の補助として興味深い。

推定した平均の弾性率の値が所定の閾値に達すると、即座に警報が発せられてもよい。発生される音は、医師にさらに徹底した調査が必要であることを警告する。この警報特性は、単独でまたは平均の弾性率の値の表示と同時に実施されてもよい。

本発明は、関心領域の弾性特性を予め迅速に走査可能にするため、医用イメージングの分野で使用されることが好ましい。弾性の異常によって病変を明らかにすることができ、本発明の方法は病気の局所化および検出を容易にする。

Claims (11)

1. 軟組織の機械的性質を測定するための方法であって、
   組織にせん断波を生じさせるのに十分な出力を有するプッシング超音波ビームを生成するように、プローブのプッシングトランスデューサを制御する工程と、
   複数のパルスを送ることによって、２本の超音波線に沿って誘起された変位を追跡し、せん断波に対する組織の過渡応答のサンプリングを行うように、プローブの第１および第２のイメージングトランスデューサを制御する工程であって、第１および第２のイメージングトランスデューサは２本の超音波線に沿って組織のイメージングを行うように構成されている、前記工程と、
   動き推定アルゴリズムと、前記２本の超音波線に沿った変位データを時間の関数として評価した評価結果とを用いて、前記２本の超音波線の間に位置する媒質におけるせん断波の全体的な機械的パラメータを推定する工程と、を備える方法。
2. プローブは、１次元プローブである、請求項１に記載の方法。
3. プローブは、超音波検査イメージングシステム用のアレイプローブである、請求項１に記載の方法。
4. プッシングトランスデューサは、前記複数のパルスの周波数よりも低い周波数を有するプッシングシーケンスを用いるように制御される、請求項１に記載の方法。
5. 機械的パラメータは、せん断波の速度を含む、請求項１に記載の方法。
6. 場の変位は、場の深度をカバーするように、関心の深度について合計される、請求項１に記載の方法。
7. 場の変位は、場の深度よりも狭い範囲をカバーするように、関心の深度について合計される、請求項１に記載の方法。
8. 様々な深度に位置する様々な薄片について測定が繰り返される、請求項１に記載の方法。
9. 前記プローブを用いてイメージングのシーケンスがさらに実行される、請求項１に記載の方法。
10. 超音波イメージと全体的な弾性推定とをリアルタイムで供給するように継続的にループ化されている、請求項９に記載の方法。
11. 軟組織の機械的性質を測定するための方法であって、
    組織にせん断波を生じさせるのに十分な出力を有するプッシング超音波ビームを生成するように、プローブのプッシングトランスデューサを制御する工程と、
    複数のパルスを送ることによって、超音波線に沿って誘起された変位を追跡し、せん断波に対する組織の過渡応答のサンプリングを行うように、プローブの第１のイメージングトランスデューサを制御する工程であって、第１のイメージングトランスデューサは超音波線に沿って組織のイメージングを行うように構成されている、前記工程と、
    動き推定アルゴリズムと、超音波線に沿った変位データを時間の関数として評価した評価結果とを用いて、せん断波の発生ゾーンと前記超音波線との間に位置する媒質におけるせん断波の全体的な機械的パラメータを推定する工程と、を備える方法。