JP5752121B2 - 剪断波を伝搬させることによって哺乳類軟組織中の物理的パラメータを計測するための方法および装置 - Google Patents
剪断波を伝搬させることによって哺乳類軟組織中の物理的パラメータを計測するための方法および装置 Download PDFInfo
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Description
前記軟組織の剪断波伝搬パラメータ(例えば、剪断弾性率または以下で説明されるような他のパラメータ)が前記軟組織中における少なくとも剪断波の伝搬時に超音波トランスデューサのアレイを使用することによって計測される少なくとも1回の剪断波伝搬パラメータ計測と、
軟組織の前記物理的パラメータが少なくとも前記剪断波伝搬パラメータに基づき決定される物理的パラメータ決定ステップとを含み、前記物理的パラメータは:
前記軟組織の弾性の非線形性のパラメータであって、前記軟組織が血圧の影響下にあり、前記物理的パラメータは:
哺乳類の心周期によって引き起こされる軟組織中の異なる圧力値に対応する異なる時刻における前記剪断波伝搬パラメータの複数回の計測と、
前記軟組織中の対応する圧力値(例えば、血圧)と
に基づいて決定される、前記軟組織の弾性の非線形性のパラメータ、
または、軟組織の温度であって、前記剪断波伝搬パラメータを前記温度に結び付ける所定の法則に基づき決定される軟組織の温度のいずれかである。
それぞれの剪断波伝搬パラメータ計測において決定される前記剪断波伝搬パラメータは、剪断波速度、剪断弾性率、ヤング率、剪断弾性、および剪断粘度から選択され、
剪断波伝搬パラメータ計測は:
a)弾性剪断波が軟組織中に発生する励起ステップと、
b)剪断波の伝搬が軟組織中の観察野内で観察される観察ステップであって:
b1)トランスデューサのアレイに軟組織中に一連の超音波圧縮波を放射することを行わせるサブステップであって、前記超音波のタイミングは剪断波が観察野内で伝搬している間に前記超音波の少なくとも一部が観察野内を貫通するように適合される、サブステップと、
b2)軟組織中の反射微粒子と相互作用する超音波圧縮波によって発生するエコーを含む、前記観察野から受け取った超音波信号を、トランスデューサの前記アレイによってリアルタイムに検出するサブステップとを含む、観察ステップと、
c)少なくともサブステップc2)を含む少なくとも1つの処理ステップであって:
c2)少なくとも1つの移動パラメータは観察野内で決定され、前記移動パラメータは前記反射微粒子の移動を特徴付け、前記剪断波伝搬パラメータの値は前記移動パラメータに基づき決定される、少なくとも1つの処理ステップとを含み、
前記処理ステップc)は、前記移動パラメータを決定する前記サブステップc2)の前に、さらなるサブステップc1)を含み、
c1)サブステップb2)において観察野から引き続き受信される超音波信号は、剪断波の連続する伝搬画像を決定するために処理され、
前記サブステップc2)において、前記移動パラメータは、前記トランスデューサアレイに属する1つの対応するトランスデューサによって、観察野内の少なくとも1つの所定の計測ゾーン内で決定され、
前記サブステップb1)において、前記超音波圧縮波は、少なくとも毎秒300ショットの速度で放射される。
剪断波伝搬パラメータが前記軟組織中における少なくとも剪断波の伝搬時に超音波トランスデューサの前記アレイを使用することによって計測される剪断波伝搬パラメータ計測を少なくとも1回実行し、
軟組織の物理的パラメータを、少なくとも前記剪断波伝搬パラメータに基づき決定するように適合された、少なくとも1つの電子制御システムによって独立制御されるトランスデューサのアレイを備え、前記物理的パラメータは:
軟組織の弾性の非線形性のパラメータであって、前記軟組織が血圧の影響下にあり、前記物理的パラメータが:
哺乳類の心周期によって引き起こされる軟組織中の異なる圧力値に対応する異なる時刻における前記剪断波伝搬パラメータの複数回の計測と、
前記軟組織中の対応する圧力値とに基づいて決定される、軟組織の弾性の非線形性のパラメータ、
または軟組織の温度であって、前記剪断波伝搬パラメータを前記温度に結び付ける所定の法則に基づき決定される軟組織の温度のいずれかである。
電子制御システムは:
a)弾性剪断波を軟組織中に発生させ、
b)軟組織中の観察野内の剪断波の伝搬を:
b1)トランスデューサのアレイに媒質中に一連の超音波圧縮波を放射することを行わせ、前記超音波のタイミングは剪断波が観察野内で伝搬している間に前記超音波の少なくとも一部が観察野内を貫通するように適合されることと、
b2)媒質中の反射微粒子と相互作用する超音波圧縮波によって発生するエコーを含む前記観察野から受け取った超音波信号を、トランスデューサの前記アレイによってリアルタイムに検出することとによって観察し、
c)観察野から連続して受信された超音波信号を処理して、観察野内の少なくとも1つの移動パラメータを決定し、そこから前記剪断波伝搬パラメータの値を決定し、前記移動パラメータは前記反射微粒子の移動を特徴付けるように適合され、
前記制御システムは、剪断波の連続する伝搬画像を決定し、そこから前記移動パラメータを決定するように適合され、
前記制御システムは、トランスデューサアレイに属する1つの対応するトランスデューサから到来するデータに基づき、観察野内の少なくとも1つの所定の計測ゾーン内で前記移動パラメータを決定するように適合され、
前記制御システムは、前記超音波圧縮波が少なくとも毎秒300ショットの速度で放射されるように適合され、
それぞれの剪断波伝搬パラメータ計測において決定される前記剪断波伝搬パラメータは、剪断波速度、剪断弾性率μ、ヤング率E、剪断弾性μ1、および剪断粘度μ2から選択される。
(本発明の第1の態様の分野)
本発明の第1の態様は、生体軟組織、特に血管壁の弾性を計測するための方法および装置に関するものである。
血管、特に動脈の弾性を計測することは、アテローム性動脈硬化症のような病変、つまり、動脈内のアテローム斑の蓄積を監視する観点から重要である。実際のところ、アテローム性動脈硬化症の大きな危険性の1つは、アテローム斑の破裂である。
本発明の第1の態様の1つの目的は、軟組織(特に血管壁)の弾性を計測するための迅速で使いやすい新しい方法を提案することである。
心周期によって引き起こされる軟組織中の2つの異なる圧力値にそれぞれ対応する異なる時刻における少なくとも2回の剪断波伝搬パラメータ計測と、
前記物理的パラメータ決定ステップであって、軟組織の弾性の非線形性の前記パラメータが、少なくとも:
前記剪断波伝搬パラメータ計測時に決定された剪断波伝搬パラメータの各値と、
それぞれの剪断波伝搬パラメータ計測の剪断波伝搬時にそれぞれ生じる、前記軟組織中の圧力値とに基づき決定される、前記物理的パラメータ決定ステップとを含む。
前記軟組織は血管を含み、前記剪断波伝搬パラメータは前記血管内で計測され、前記圧力は前記血管内の血圧であり、
非線形性決定ステップd)で決定される弾性の非線形性のパラメータは、三次の剪断弾性率(shear elastic modulus)Aであり、
それぞれの剪断波伝搬パラメータ計測で決定される前記剪断波伝搬パラメータは剪断弾性率μであり、三次の剪断弾性率Aは、いくつかの剪断波伝搬尺度にそれぞれ対応する一組の方程式:
ただし、式中、
tは対応する剪断波伝搬パラメータ計測が実行される時刻であり、
μ(t)は時刻tにおける剪断弾性率の値であり、
μ0は制約条件のない剪断弾性率の値であり、
σ(t)は、剪断波伝搬パラメータの計測の場所における、時刻tでの軟組織中の圧力に基づき決定される、剪断波の偏波方向に平行な時刻tにおける血管内の機械的応力であり、
前記軟組織は血管を含み、前記剪断波伝搬パラメータは前記血管内で計測され、前記圧力は前記血管内の血圧であり、機械的応力σ(t)は血管内の血圧に基づき、および血管の画像に基づいて決定され、
血管の画像は前記トランスデューサアレイによる超音波検査によって得られ、
前記軟組織は血管を含み、前記剪断波伝搬パラメータは前記血管内で計測され、前記圧力は前記血管内の血圧であり、機械的応力σ(t)は血管内の血圧に基づき、および血管の直径と血管壁の厚さに基づいて決定され、
圧力(特に血圧)は剪断波伝搬パラメータ計測と同時に、圧力センサーによって自動的に計測され、
血圧は観察野から一定距離のところで計測され、次いで、前記距離および圧力波伝搬速度を考慮することによって剪断波伝搬パラメータの計測に同期され、
血圧は心周期の少なくとも2つの異なる特徴的な期において計測され、剪断波伝搬パラメータの計測は、心周期の前記2つの特徴的な期に対応する少なくとも2つの時刻において実行され、
心周期の前記2つの特徴的な期は最高血圧の時刻と最低血圧の時刻であり、
非線形性決定ステップにおいて、弾性の非線形性のパラメータが観察野の複数の点で決定され、観察野内の弾性の非線形性の前記パラメータのマップが決定される。
異なる時刻に少なくとも2回の剪断波伝搬パラメータ計測を実行し、
軟組織の弾性の非線形性の前記パラメータを、少なくとも:
前記剪断波伝搬パラメータ計測時に決定された剪断波伝搬パラメータの各値と、
剪断波伝搬計測時にそれぞれ生じる、前記軟組織中の圧力値とに基づき決定するように適合される。
前記制御システムによって決定された弾性の非線形性のパラメータは、三次の剪断弾性率Aであり、
制御システムによって決定される前記剪断波伝搬パラメータは剪断弾性率μであり、制御システムは三次の剪断弾性率Aを、いくつかの剪断波伝搬尺度にそれぞれ対応する一組の方程式:
ただし、式中、
tは対応する剪断波伝搬パラメータ計測が実行される時刻であり、
μ(t)は時刻tにおける剪断弾性率の値であり、
μ0は制約条件のない剪断弾性率の値であり、
σ(t)は、剪断波伝搬パラメータの計測の場所における、時刻tでの軟組織中の圧力に基づき決定される、剪断波の偏波方向に平行な時刻tにおける軟組織中の機械的応力であり、
制御システムは剪断波伝搬パラメータ計測と同時に、圧力センサーを通じて自動的に軟組織中の圧力を計測するように適合され、
前記軟組織は血管を含み、前記剪断波伝搬パラメータは前記血管内で計測され、前記圧力は前記血管内の血圧であり、制御システムは、血圧の計測を剪断波伝搬パラメータの計測に同期させることを:
血圧の計測の場所と観察野との間の距離と、次いで同期させた前記距離と、
圧力波伝搬速度とを考慮することによって行うように適合され、
前記軟組織は血管を含み、前記剪断波伝搬パラメータは前記血管内で計測され、前記圧力は前記血管内の血圧であり、制御システムは、心周期の少なくとも2つの異なる特徴的な期における血圧の尺度を有し、心周期の前記2つの特徴的な期に対応する少なくとも2つの時刻において剪断波伝搬パラメータの計測を実行するように適合され、
心周期の前記2つの特徴的な期は最高血圧の時刻と最低血圧の時刻であり、
制御システムは、心周期の前記特徴的な期において血圧を計測するように適合され、
制御システムは、弾性の非線形性のパラメータを観察野の複数の点で決定し、観察野内の弾性の非線形性の前記パラメータのマップを決定するように適合される。
(本発明の第2の態様の分野)
本発明の第2の態様は、哺乳類軟組織の温度を計測するための方法および装置に関するものである。
哺乳類軟組織中の温度を計測することは、例えば高密度集束超音波(HIFU)によって、または高周波(RF焼灼)によって、例えば温熱療法などの局所療法をより良く制御するという観点から有用な場合がある。
本発明の第2の態様の1つの目的は、迅速で使いやすい、しかも非侵襲的な、哺乳類軟組織の温度を計測するための新しい方法を提案することである。
前記温度は、2つの異なる時刻における第1の温度と第2の温度との差として決定され、
温度は、観察野の複数の点で決定され、前記温度のマップは観察野内で決定される。
前記温度は、2つの異なる時刻における第1の温度と第2の温度との差であり、
前記剪断波は、少なくとも50Hzより高い周波数を有し、
温度は、観察野の複数の点で決定され、観察野内の前記温度のマップが決定される。
図1に示されている装置1は、生きている患者2の血管3、より具体的には動脈の一部を含む観察野内で弾性の非線形性を計測するように適合されている。
機械的剪断波を血管壁3aによって構成される粘弾性媒質内に伝搬させることと、
特に超音波圧縮波に対して反射し、生体組織内に自然に含まれる拡散微粒子3dで反射した非集束超音波圧縮波を通じて、血管壁3a内におけるこの剪断波の伝搬を観察することと(微粒子3dは血管壁3a内の非均一性、特にコラーゲンの微粒子によって構成されうる)、
剪断波伝搬の観察結果に基づき、血管壁の弾性を表す剪断波の伝搬パラメータを決定することとによって実行される。
超音波トランスデューサアレイ4、例えば通常の超音波検査プローブにおいてすでに知られているように、軸にそって並列されたn個の超音波トランスデューサT1〜Tnを典型的に備える直線アレイ[アレイ4は次いで平面X、Y(XおよびYはアレイ4に結び付けられた2本の軸であり、Xはアレイ4の縦方向に平行であり、YはアレイのトランスデューサTiに垂直である)内の観察野の二次元(2D)撮像を実行するように適合されるが、アレイ4は観察野の3D撮像を実行するように適合された二次元アレイとすることも可能である]であって、トランスデューサの個数nは、1より大きく、例えば、数十(例えば、100〜300)であり、アレイ4のトランスデューサT1〜Tnは、超音波圧縮波パルスを送出し、これらのパルスは超音波検査で一般的に使用される種類のものであり、例えば0.5MHz〜100MHzの範囲、好ましくは0.5MHz〜15MHzの範囲にある、例えば、約2.5MHzである周波数を有するものである、アレイと、
トランスデューサアレイ4を制御し、そこから信号を取得する電子ベイ5と、
例えばモニター6aおよびキーボード6bまたは他のユーザーインターフェースを備える、電子ベイ5を制御し、電子ベイから得られた超音波画像を表示するためのマイクロコンピュータ6とを備えることができる。
トランスデューサアレイ4のn個のトランスデューサ(T1〜Tn)に個別に接続されたn個のアナログ/デジタルコンバータ7(E1〜En)、
n個のアナログ/デジタルコンバータ7にそれぞれ接続されたn個のバッファメモリ8(M1〜Mn)、
バッファメモリ8およびマイクロコンピュータ6と通信する中央演算処理装置9(CPU)、
中央演算処理装置9に接続されたメモリ10(MEM)、
中央演算処理装置9に接続されたデジタルシグナルプロセッサ11(DSP)を備えることができる。
非侵襲的な方法で患者の血圧を計測し、血圧信号を中央演算処理装置9に送信する血圧計、および/または
血管3内に挿入され、患者の血圧を侵襲的な方法で計測し、血圧信号を中央演算処理装置9に送信する圧力センサーを装着されたカニューレなどの、自動圧力センサー12に接続することができる。
非集束超音波圧縮波、
さもなければ、媒質3の1つまたは複数の点に集束する超音波圧縮波のいずれかを放射することができる。
「平面」である超音波圧縮波(つまり、波面がX、Y平面内で直線的である波)、または他の種類の非集束波、
ランダム超音波信号をさまざまなトランスデューサT1〜Tnによって放射させることによって発生する波、
または、血管壁3aの1つまたは複数の点に集束する超音波圧縮波、
または、弱集束波(「ファット(fat)」透過集束と称される:焦点距離/開口比>2.5)、
または、球面波などの発散波、
または、いくつかの焦点に同時に集束する波、
または、より一般的に、単一焦点位置および焦点距離/開口比<2.5を使用する従来の集束に対応しない任意の種類の透過波、を意味する。
血管壁3a内の剪断波の伝搬を観察するために、装置1の制御システム6、9は、連続して、いくつかのステップ:
a)制御システム6、9が患者の身体内に集束する少なくとも1つの超音波をアレイ4によって放射させることによって弾性剪断波を媒質3中に発生させる励起ステップ(この集束波はトランスデューサT1〜Tnの全部または一部によって放射されうる)、
b)剪断波の伝搬が血管壁3a内の観察野の複数の点で同時に観察される観察ステップであって:
b1)制御システム6、9がアレイ4に少なくとも毎秒300ショット、例えば、少なくとも毎秒500ショットの速度[ステップa)で放射される集束超音波の集束およびタイミング、および前記非集束超音波のタイミングは、前記非集束超音波の少なくとも一部が観察野を通る剪断波の伝搬時に観察野に到達するように適合される]で一連の非集束超音波圧縮波(これらの非集束波はトランスデューサT1〜Tnの全部または一部によって放射されうる)を粘弾性媒質内に放射させるサブステップと、
b2)制御システム6、9がアレイ4に患者の身体2から受信した超音波信号を検出させ(この検出はアレイ4のトランスデューサの全部または一部によって実行されうる)、前記信号は観察野内で反射微粒子3dと相互作用する非集束超音波圧縮波によって発生するエコーを含み、これらのエコーは患者の血管壁3aを構成する粘弾性媒質の変位の連続画像に(直接的にまたは間接的に)対応し、検出された信号はバッファメモリM1〜Mn内にリアルタイムで記録される、サブステップとを含む観察ステップ、
c)少なくとも1つの処理ステップであって:
c1)制御システム6、9が連続する伝搬画像を決定するためにサブステップb2)の間に患者の身体2から受信された連続する超音波信号を処理し、
c2)制御システム6、9が観察野内のさまざまな点において患者の血管壁3aを構成する粘弾性媒質に対する少なくとも1つの移動パラメータを決定する、処理ステップを実行するようにプログラムされる、ステップ。
ただし、式中、
sijは、超音波圧縮波のj番目のショットの後、i番目のトランスデューサによって感知される生信号であり、
t(x,y)は、超音波圧縮波がX、Y座標系内の座標(x,y)を有する観察野の点に到達するのに要する時間であり(ただし、t=0はj番目のショットの開始点である)、
di(x,y)は、座標(x,y)を有する観察野の点とi番目のトランスデューサとの間の距離、または前記距離の近似値であり、
Vは、観察対象の粘弾性媒質中の超音波圧縮波の平均伝搬速度であり、
αi(x,y)は、アポダイゼーション関係を考慮した重み付け係数である(実際には、多くの場合において、αi(x,y)=1と仮定することが可能である)。
次いで、コンピュータ6(またはより一般的には制御システム6、9)は、有利には、変位または変形場から、移動パラメータ(変位もしくは変形)が観察野X、Y(またはトランスデューサの二次元アレイでX、Y、Z)において時間の経過とともに変化する仕方に基づき、コンピュータ6を作動させているユーザーによって選択された観察野内のいくつかの点(少なくとも1つの点)で、またはさもなければ観察野全体を通して、剪断波の少なくとも1つの伝搬パラメータを計算することができる。剪断波伝搬パラメータが観察野内のいくつかの点で計算された場合、コンピュータ6は、次いで、観察野内の前記パラメータのマップをモニター6aに表示することができる。
それに加えて、血管3の内側の血圧は、コンピュータ6(またはより一般的には制御システム6、9)が血管3の内側、観察野の場所、および剪断波伝搬パラメータの計測の前記時刻(本事例では、例えば時刻t1、t2)の血圧の値を持つように計測される。
a)上述の圧力センサー12が血管3内に挿入され、患者の血圧を計測する圧力センサーを装着されたカニューレである場合、このカニューレはトランスデューサアレイ4の付近の血管内に挿入することができ、血圧の値は剪断波伝搬パラメータのそれぞれの計測の各観察ステップ(b)と同時に(つまり、ここで考察している例における時刻t1およびt2で)リアルタイムで自動計測される。
t1=t’1+a・Δtおよびt2=t’2+a・Δt (2)
Δt=d/v
のように適用することによって得られ、
ただし、式中、
装置1の観察野の上流で血圧を計測した場合にはa=+1であり、装置1の観察野の上流で血圧を計測した場合にはa=−1であり、
dは血圧の計測場所と観察野との間の動脈に沿った距離であり、
vはそれぞれの心拍における動脈内の圧力波の伝搬の速度である[この速度vは、制御システム内に記憶されている所定の値であるか、またはvは、装置1の撮像能力によって(例えば、動脈の最大直径の部分を見つけて、動脈にそった最大直径のゾーンの変位速度を計測することによって)制御システムによって計測されうる]。
次いで、制御システム6、9(例えば、コンピュータ6)は、非線形性決定ステップd)に進むことができ、ここで、弾性の非線形性のパラメータは:
前記複数回の剪断波伝搬パラメータ計測時に決定された剪断波伝搬パラメータの各値(ここで考察されている例における剪断弾性率μ(t1)、μ(t2))と、
前記血管内の対応する血圧値(例えば、本事例におけるP(t1)、P(t2))とに基づき決定される。
ただし、式中、
tは対応する剪断波伝搬パラメータ計測が実行される時刻であり、
μ(t)は時刻tにおける剪断弾性率の値であり、
μ0は制約条件のない剪断弾性率の値であり、
σ(t)は、剪断波伝搬パラメータの計測の場所における、上述のような時刻tでの血管内の血圧に基づき決定される、時刻tにおける血管内の半径方向の機械的応力(つまり、軸X3に、つまり剪断波の偏波Yの方向に平行な機械的応力)であり、
血管壁3aまたは血管の付近に位置する軟組織内においてσ(t)=P(t) (1)であり、ただし、式中、P(t)は剪断波伝搬パラメータの計測の場所での時刻tにおける血圧である(上で説明されているように圧力計測が実際にP(t)に対応するように尺度の同期がとられるという条件で、圧力Pの計測の実際の時刻は、tと異なる時刻t’であってよい)。
図2に示されている装置1は、哺乳類軟組織の温度、より具体的には生きている患者2の軟組織3’の一部を含む観察野内の温度を計測するように適合されている。
機械的剪断波を軟組織3’によって構成される粘弾性媒質内に伝搬させることと、
例えば超音波圧縮波に対して反射し、生体組織内に自然に含まれる拡散微粒子3dで反射した非集束超音波圧縮波を通じて、軟組織3’内におけるこの剪断波の伝搬を観察することと(微粒子3dは軟組織3’内の非均一性、および特にコラーゲンの微粒子によって構成されうる)、
剪断波伝搬の観察結果に基づき、軟組織3’内の剪断波の伝搬パラメータを決定することとによって実行される。
超音波トランスデューサアレイ4、例えば通常の超音波検査プローブにおいてすでに知られているように、軸に沿って並列されたn個の超音波トランスデューサT1〜Tnを典型的に備える直線アレイ[アレイ4は次いで平面X、Y(XおよびYはアレイ4に結び付けられた2本の軸であり、それぞれ、アレイ4の縦方向に平行であり、またアレイのトランスデューサTiに垂直である)内の観察野の二次元(2D)撮像を実行するように適合されるが、アレイ4は観察野の3D撮像を実行するように適合された二次元アレイとすることも可能である]であって、トランスデューサの個数nは、1より大きく、例えば、数十(例えば、100〜300)であり、アレイ4のトランスデューサT1〜Tnは、超音波圧縮波パルスを送出し、これらのパルスは超音波検査で一般的に使用される種類のものであり、例えば0.5MHz〜100MHzの範囲、好ましくは0.5MHz〜15MHzの範囲にある、例えば、約2.5MHzである周波数を有するものである、アレイと、
トランスデューサアレイ4を制御し、そこから信号を取得する電子ベイ5と、
例えばモニター6aおよびキーボード6bまたは他のユーザーインターフェースを備える、電子ベイ5を制御し、電子ベイから得られた超音波画像を表示するためのマイクロコンピュータ6とを備えることができる。
トランスデューサアレイ4のn個のトランスデューサ(T1〜Tn)に個別に接続されたn個のアナログ/デジタルコンバータ7(E1〜En)、
n個のアナログ/デジタルコンバータ7にそれぞれ接続されたn個のバッファメモリ8(M1〜Mn)、
バッファメモリ8およびマイクロコンピュータ6と通信する中央演算処理装置9(CPU)、
中央演算処理装置9に接続されたメモリ10(MEM)、
中央演算処理装置9に接続されたデジタルシグナルプロセッサ11(DSP)を備えることができる。
非集束超音波圧縮波、
さもなければ、軟組織3’の1つまたは複数の点に集束する超音波圧縮波のいずれかを放射することができる。
「平面」である超音波圧縮波(つまり、波面がX、Y平面内で直線的である波)、または他の任意の種類の非集束波、
ランダム超音波信号をさまざまなトランスデューサT1〜Tnによって放射させることによって発生する波、
または、軟組織3’の1つまたは複数の点に集束する超音波圧縮波、
または、弱集束波(「ファット」透過集束と称される:焦点距離/開口比>2.5)、
または、球面波などの発散波、
または、いくつかの焦点に同時に集束する波、
または、より一般的に、単一焦点位置および焦点距離/開口比<2.5を使用する従来の集束に対応しない任意の種類の透過波、を意味する。
軟組織3’内の剪断波の伝搬を観察するために、装置1の制御システム6、9は、連続して、いくつかのステップ:
a)制御システム6、9が患者の身体内に集束する少なくとも1つの超音波をアレイ4によって放射させることによって弾性剪断波を軟組織3’中に発生させる励起ステップ(この集束波はトランスデューサT1〜Tnの全部または一部によって放射されうる)、
b)剪断波の伝搬が軟組織3’内の観察野の複数の点で同時に観察される観察ステップであって:
b1)制御システム6、9がアレイ4に少なくとも毎秒300ショット、例えば、少なくとも毎秒500ショットの速度[ステップa)で放射される集束超音波の集束およびタイミング、および前記非集束超音波のタイミングは、前記非集束超音波の少なくとも一部が観察野を通る剪断波の伝搬時に観察野に到達するように適合される]で一連の非集束超音波圧縮波(これらの非集束波はトランスデューサT1〜Tnの全部または一部によって放射されうる)を粘弾性媒質内に放射させるサブステップと、
b2)制御システム6、9がアレイ4に患者の身体2から受信された超音波信号を検出させ(この検出はアレイ4のトランスデューサの全部または一部によって実行されうる)、前記信号は観察野内で反射微粒子3dと相互作用する非集束超音波圧縮波によって発生するエコーを含み、これらのエコーは軟組織3’を構成する粘弾性媒質の変位の連続画像に(直接的にまたは間接的に)対応し、検出された信号はバッファメモリM1〜Mn内にリアルタイムで記録される、サブステップとを含む観察ステップ、
c)少なくとも1つの処理ステップであって:
c1)制御システム6、9が連続する伝搬画像を決定するためにサブステップb2)の間に患者の身体2から受信された連続する超音波信号を処理し、
c2)制御システム6、9が観察野内のさまざまな点において軟組織3’を構成する粘弾性媒質に対する少なくとも1つの移動パラメータを決定する、処理ステップを実行するようにプログラムされる、ステップ。
ただし、式中、
sijは、超音波圧縮波のj番目のショットの後、i番目のトランスデューサによって感知される生信号であり、
t(x,y)は、超音波圧縮波がX、Y座標系内の座標(x,y)を有する観察野の点に到達するのに要する時間であり(ただし、t=0はj番目のショットの開始点である)、
di(x,y)は、座標(x,y)を有する観察野の点とi番目のトランスデューサとの間の距離、または前記距離の近似値であり、
Vは、観察対象の粘弾性媒質中の超音波圧縮波の平均伝搬速度であり、
αi(x,y)は、アポダイゼーション関係を考慮する重み付け係数である(実際には、多くの場合において、αi(x,y)=1と仮定することが可能である)。
次いで、コンピュータ6(またはより一般的には制御システム6、9)は、有利には、変位または変形場から、移動パラメータ(変位もしくは変形)が観察野X、Y(またはトランスデューサの二次元アレイでX、Y、Z)において時間の経過とともに変化する仕方に基づき、コンピュータ6を作動させているユーザーによって選択された観察野内のいくつかの点(少なくとも1つの点)で、またはさもなければ観察野全体を通して、剪断波の少なくとも1つの伝搬パラメータを計算することができる。剪断波伝搬パラメータが観察野内のいくつかの点で計算された場合、コンピュータ6は、次いで、観察野内の前記パラメータのマップをモニター6aに表示することができる。
Claims (31)
- 哺乳類の軟組織中の弾性の非線形性のパラメータを計測するための方法であって:
前記哺乳類の心周期によって引き起こされる前記軟組織中の異なる圧力値に対応する異なる時刻における、前記軟組織中における少なくとも剪断波の伝搬時に超音波トランスデューサのアレイを使用することによって計測される前記軟組織の剪断波伝搬パラメータの複数回の計測と、
前記軟組織の前記弾性の非線形性のパラメータが決定される物理的パラメータ決定ステップと、を含み、
前記弾性の非線形性のパラメータは、
前記哺乳類の心周期によって引き起こされる、血圧を受ける前記軟組織中の異なる圧力値に対応する異なる時刻における前記剪断波伝搬パラメータの複数回の計測と、
前記軟組織中の対応する圧力値とに基づいて決定され、
前記弾性の非線形性のパラメータは、前記軟組織中の異なる圧力値に対応する異なる時刻における前記軟組織の弾性の変化を表す、方法。 - それぞれの剪断波伝搬パラメータ計測において決定される前記剪断波伝搬パラメータが、剪断波速度、剪断弾性率μ、ヤング率E、剪断弾性μ1、および剪断粘度μ2から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記剪断波伝搬パラメータ計測が:
a)弾性剪断波が前記軟組織中に発生する励起ステップと、
b)前記剪断波の伝搬が前記軟組織中の観察野内で観察される観察ステップであって:
b1)トランスデューサの前記アレイに前記軟組織中に一連の超音波圧縮波を放射することを行わせるサブステップであって、前記超音波のタイミングは前記剪断波が前記観察野内で伝搬している間に前記超音波の少なくとも一部が前記観察野内を貫通するように適合される、サブステップと、
b2)前記軟組織中の反射微粒子と相互作用する前記超音波圧縮波によって発生するエコーを含む、前記観察野から受け取った超音波信号を、トランスデューサの前記アレイによってリアルタイムに検出するサブステップとを含む、観察ステップと、
c)少なくともサブステップc2)を含む少なくとも1つの処理ステップであって:
c2)少なくとも1つの移動パラメータは前記観察野内で決定され、前記移動パラメータは前記反射微粒子の移動を特徴付け、前記剪断波伝搬パラメータの値は前記移動パラメータに基づき決定される、少なくとも1つの処理ステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記処理ステップc)が、前記移動パラメータを決定する前記サブステップc2)の前に、さらなるサブステップc1)を含み、
c1)サブステップb2)において前記観察野から引き続き受信される前記超音波信号は、前記剪断波の連続する伝搬画像を決定するために処理される、請求項3に記載の方法。 - 前記サブステップc2)において、前記移動パラメータが、前記トランスデューサアレイに属する1つの対応するトランスデューサによって、前記観察野内の少なくとも1つの所定の計測ゾーン内で決定される、請求項3に記載の方法。
- 前記サブステップb1)において、前記超音波圧縮波が、少なくとも毎秒300ショットの速度で放射される、請求項3に記載の方法。
- 前記心周期によって引き起こされる前記軟組織中の2つの異なる圧力値にそれぞれ対応する異なる時刻における少なくとも2回の剪断波伝搬パラメータ計測と、
前記物理的パラメータ決定ステップであって、前記軟組織の弾性の非線形性の前記パラメータが、少なくとも:
前記剪断波伝搬パラメータ計測時に決定された前記剪断波伝搬パラメータの前記各値と、
それぞれの剪断波伝搬パラメータ計測の前記剪断波伝搬時にそれぞれ生じる、前記軟組織中の圧力値とに基づき決定される、
前記物理的パラメータ決定ステップとを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。 - 前記軟組織が血管を含み、前記剪断波伝搬パラメータが前記血管内で計測され、前記圧力が前記血管内の血圧である、請求項7に記載の方法。
- 非線形性決定ステップd)で決定される弾性の非線形性の前記パラメータが、三次の剪断弾性率Aである、請求項7に記載の方法。
- 前記圧力が、前記剪断波伝搬パラメータ計測と同時に、圧力センサーによって自動的に計測される、請求項7に記載の方法。
- 前記剪断波が前記軟組織中の観察野内で伝搬し、前記血圧が、前記観察野から一定距離のところで計測され、次いで、前記距離および圧力波伝搬速度を考慮することによって前記剪断波伝搬パラメータの前記計測に同期される、請求項8に記載の方法。
- 前記血圧が、少なくとも前記心周期の2つの異なる特徴的な期において計測され、前記剪断波伝搬パラメータの前記計測は、前記心周期の前記2つの特徴的な期に対応する少なくとも2つの時刻において実行される、請求項8に記載の方法。
- 前記心周期の前記2つの特徴的な期が、最高血圧の前記時刻と最低血圧の前記時刻である、請求項13に記載の方法。
- 前記剪断波が前記軟組織中の観察野内で伝搬し、前記非線形性決定ステップにおいて、弾性の非線形性の前記パラメータが前記観察野の複数の点で決定され、前記観察野内の弾性の非線形性の前記パラメータのマップが決定される、請求項7に記載の方法。
- 哺乳類の軟組織中の弾性の非線形性のパラメータを計測するための装置であって:
前記哺乳類の心周期によって引き起こされる前記軟組織中の異なる圧力値に対応する異なる時刻における、前記軟組織中における少なくとも剪断波の伝搬時に超音波トランスデューサのアレイを使用することによって計測される前記軟組織の剪断波伝搬パラメータ計測を複数回実行し、
前記軟組織の弾性の非線形性のパラメータを決定するように適合された、少なくとも1つの電子制御システムによって独立制御されるトランスデューサのアレイを備え、
前記弾性の非線形性のパラメータは、
前記哺乳類の前記心周期によって引き起こされる、血圧を受ける前記軟組織中の異なる圧力値に対応する異なる時刻における前記剪断波伝搬パラメータの複数回の計測と、
前記軟組織中の対応する圧力値とに基づいて決定され、
前記弾性の非線形性のパラメータは、前記軟組織中の異なる圧力値に対応する異なる時刻における前記軟組織の弾性の変化を表す、哺乳類の軟組織中の弾性の非線形性のパラメータを計測するための装置。 - 前記電子制御システムが:
a)弾性剪断波を前記軟組織中に発生させ、
b)前記軟組織中の観察野内の前記剪断波の伝搬を:
b1)トランスデューサの前記アレイに媒質中に一連の超音波圧縮波を放射することを行わせ、前記超音波のタイミングは前記剪断波が前記観察野内で伝搬している間に前記超音波の少なくとも一部が前記観察野内を貫通するように適合されることと、
b2)前記媒質中の反射微粒子と相互作用する非集束超音波圧縮波によって発生するエコーを含む前記観察野から受け取った超音波信号を、トランスデューサの前記アレイによってリアルタイムに検出することとによって観察し、
c)前記観察野から連続して受信された前記超音波信号を処理して、前記観察野内の少なくとも1つの移動パラメータを決定し、そこから前記剪断波伝搬パラメータの値を決定し、前記移動パラメータは前記反射微粒子の移動を特徴付けるように適合される、請求項16に記載の装置。 - 前記制御システムが前記剪断波の連続する伝搬画像を決定し、そこから前記移動パラメータを決定するように適合される、請求項17に記載の装置。
- 前記制御システムが前記トランスデューサアレイに属する1つの対応するトランスデューサから到来するデータに基づき、前記観察野内の少なくとも1つの所定の計測ゾーン内で前記移動パラメータを決定するように適合される、請求項17に記載の装置。
- 前記制御システムは、前記超音波圧縮波が少なくとも毎秒300ショットの速度で放射されるように適合される、請求項17に記載の装置。
- それぞれの剪断波伝搬パラメータ計測において決定される前記剪断波伝搬パラメータが、剪断波速度、剪断弾性率μ、ヤング率E、剪断弾性μ1、および剪断粘度μ2から選択される、請求項16に記載の装置。
- 前記制御システムは:
異なる時刻に少なくとも2回の剪断波伝搬パラメータ計測を実行し、
前記軟組織の弾性の非線形性の前記パラメータを、少なくとも:
前記剪断波伝搬パラメータ計測時に決定された前記剪断波伝搬パラメータの前記各値と、
前記剪断波伝搬計測時にそれぞれ生じる、前記軟組織中の圧力値と
に基づき決定するように適合される、請求項16〜21のいずれか一項に記載の装置。 - 前記制御システムによって決定される前記剪断波伝搬パラメータが、剪断波速度、剪断弾性率μ、ヤング率E、および剪断弾性μ1から選択される、請求項22に記載の装置。
- 前記制御システムによって決定された弾性の非線形性の前記パラメータが、三次の剪断弾性率Aである、請求項23に記載の装置。
- 前記制御システムによって決定される前記剪断波伝搬パラメータが、剪断弾性率μであり、前記制御システムは、三次の剪断弾性率Aを、前記いくつかの剪断波伝搬パラメータの計測にそれぞれ対応する一組の方程式:
ただし、式中、
tは前記対応する剪断波伝搬パラメータ計測が実行される時刻であり、
μ(t)は時刻tにおける前記剪断弾性率の値であり、
μ0は応力のない前記剪断弾性率の値であり、
σ(t)は、前記剪断波伝搬パラメータの計測の場所における、時刻tでの前記軟組織中の圧力に基づき決定される、前記剪断波の偏波方向に平行な時刻tにおける前記軟組織中の機械的応力である、請求項22に記載の装置。 - 前記制御システムが、前記剪断波伝搬パラメータ計測と同時に、圧力センサーを通じて自動的に前記軟組織中の圧力を計測するように適合される、請求項22に記載の装置。
- 前記剪断波が前記軟組織中の観察野内に伝搬し、前記軟組織が血管を含み、前記剪断波伝搬パラメータが前記血管内で計測され、前記圧力が前記血管内の血圧であり、前記制御システムは、前記血圧の前記計測を前記剪断波伝搬パラメータの前記計測に同期させることを:
血圧の計測の場所と前記観察野との間の距離と、次いで同期させた前記距離と、
圧力波伝搬速度とを考慮することによって行うように適合される、請求項22に記載の装置。 - 前記軟組織が血管を含み、前記剪断波伝搬パラメータが前記血管内で計測され、前記圧力が前記血管内の血圧であり、前記制御システムは、少なくとも前記心周期の2つの異なる特徴的な期における前記血圧の尺度を有し、前記心周期の前記2つの特徴的な期に対応する少なくとも2つの時刻において前記剪断波伝搬パラメータの前記計測を実行するように適合される、請求項22に記載の装置。
- 前記心周期の前記2つの特徴的な期が、最高血圧の前記時刻と最低血圧の前記時刻である、請求項28に記載の装置。
- 前記制御システムが、前記心周期の前記特徴的な期において前記血圧を計測するように適合される、請求項28に記載の装置。
- 前記剪断波が前記軟組織中の観察野内で伝搬し、前記制御システムが、弾性の非線形性の前記パラメータを前記観察野の複数の点で決定し、前記観察野内の弾性の非線形性の前記パラメータのマップを決定するように適合される、請求項22に記載の装置。
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