JP5864680B2 - 粘弾性媒質のレオロジー特性化のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、粘弾性媒質のレオロジー特性化のための方法に関する。

より一層詳しくは、本発明は粘弾性媒質のレオロジー特性化（流動学的な特徴付け）のための方法に関連し、それには、以下のステップが含まれる。すなわち、
(a)少なくとも一種の非ゼロ周波数を含むスペクトルによる振動励起が粘弾性媒質において発生する間の励起ステップであり、前記励起は媒質の変形を生成するステップ、
(b)励起によって生成される媒体の前記変形を媒体における複数の点で観察する間の変形測定ステップ、および
(c)媒質の少なくとも一種のレオロジーパラメーターxが媒質において前記複数の点で前記変形から定められる間のレオロジー特性化ステップ
である。

したがって、これにより、特に、粘弾性媒質（媒体）の残部と異なる硬さのエリアまたは粘弾性媒質の残部と異なる緩和時間をもつエリアを識別するために、質的なおよび/または量的な分析が可能になる。この方法の一種の特に有利な適用は、ヒトにおける軟部組織のイメージング（画像処理）においてであり、たとえば、ガンを検出する目的のためのものである。

そんなふうな方法の例はWO-A-04/21038に記述される。

国際公開第04/21038号

この方法は既に所定の満足感をもつが、本発明の目的は信頼性およびその検出感度を改善するためにこのタイプの方法をさらに完全なものにすることにある。

この目的のために、対象となる種類の方法は次のことで特徴付けられ、それは、特性化ステップの間に、媒質の前記レオロジーパラメーターが、次の、すなわち、x(f)=a+bf^y、式中、fは前記周波数であり、aは実数であり、およびbは非ゼロスケールパラメーターであるものに匹敵するように、非ゼロべき乗パラメーターyは、媒体における前記複数の点で定められる。

このようにして、きわめて適正な方法において粘弾性媒質を特徴付けることは可能であり、たとえば、媒質において、一定の特異点、特に生きた組織におけるガンのようなものをより一層効果的に検出することが可能になる。

本発明に従う方法の好適例において、以下の取り合わせ（アレンジメント）の一種またはそれよりも多く（一以上）を、随意にさらに採用することができる。すなわち
−特性化ステップの間、スケールパラメーターbはまた、媒質において前記複数の点で定められ、
−前記レオロジーパラメーターxは、媒質における力学的な波（メカニカルウエーブ）の減衰係数であり、
−前記レオロジーパラメーターxは、媒質における力学的な波の伝播（プロパゲーション）の係数であり、
−前記励起は媒質におけるせん断波（シェアウェーブ）を発生させ、
−前記レオロジーパラメーターは、媒質の複素せん断弾性率（complex shear modulus）G^*の実数部分であり、
−前記レオロジーパラメーターは、媒質の複素せん断弾性率G^*の虚数部分であり、
−前記励起は、機械的振動機によって局所発生し、それは前記振動機および媒質の間の接触の点からせん断波を生成し、
−前記せん断波は、媒質中に、媒質を局所的に変位させるのに適する超音波圧縮波（ウルトラソニックコンプレッションウェーブ）を発することによって離れて発生され、
−変形測定ステップ(b)の間、前記媒質に帰属する少なくとも2つの次元を有する領域において励起によって生成する変形のイメージ（像）は形成され、
−変形測定ステップ(b)の間、前記変形は超音波検査およびMRIから選ばれる方法によって測定され、および
−レオロジー特性化ステップ(c)の間、べき乗パラメーターのマップは媒質において定められる。

本発明の他の特長および利益は、添付の図面と併せて、非制限的な例として与えられる、その具体例のものの次の説明の過程上で明らかになるであろう。

図面において次のものを示す。
浸潤性の導管癌腫（インフィルトレーティング・カナル・カルシノーマ）にかかっている患者の胸部の、矢状面（矢状断面）における断面での、二次元MRIスライスイメージである。 図1の平面における、図1の胸部のいくつかのレオロジーパラメーターのマップを示す。 図2と同様である。 図2と同様である。 図2と同様である。

種々の図面において、同じ参照符号は、同じまたは似た要素を表示する。

本発明は、粘弾性媒質（媒体）1、たとえば、ヒトの器官の軟部組織の流動学的な特徴付けのための方法に関し、特に、対象となる流動学的なパラメーターの分析から、ガンのような異常（アノマリー）を識別する目的のものである。

一例を挙げれば、図1は浸潤性の導管癌腫2を患う患者の胸部（上述の媒体1を構成する）のMRIスライスイメージを示し、図1において実線によって囲まれるエリアに対応する。
図1で見られるように、媒体1の患部2はMRIスライスイメージにおいて健康な部分から明りょうに区別されない。

ガンまたはその他のもののような異常の検出を改善するために、そのため、エラストグラフィー（組織弾性記録法）またはその他のものによる流動学的な特徴付けの方法によって流動学的なパラメーターを（少なくとも一種のポイントでの、または好適にはこの流動学的なパラメーターのマップを得るために、全体の領域にわたって）測定することが必要であり、そして、それには以下のステップが含まれ、すなわち
(a)励起ステップで、その間、少なくとも一種の非ゼロ周波数fを含むスペクトルを伴う振動励起が粘弾性媒体1において発生し、前記励起は媒体1の変形を生成するステップ、
(b)変形測定ステップで、その間、励起によって生成される媒体1の前記変形を媒体における少なくとも一種の点で観察するステップ、および
(c)流動学的な特徴付けのステップで、その間、媒体の少なくとも一種の流動学的なパラメーターが媒体において少なくとも前記点にて前記変形から定められるステップ
である。

そのような方法は、特に、文書WO-A-2000/55616、WO-A-2004/021038およびWO-A-2006/010213から知られている。

振動性の励起は、たとえば、媒体においてせん断波を発生させることができ、すなわち
−以下のいずれかの、局所的に、外部の機械的振動機によって、それは前記振動機および媒体の間の接触の点からせん断波を生成し（たとえば、文書WO-A-2000/55616において記述されるように）、およびしたがって、前記振動機は励起を誘導し、そのスペクトルは、単一の周波数のスペクトルまたは広範なスペクトルでありえ、たとえば、0および10000Hzの間の周波数帯にあり（横たわり）、
−または、離れて、媒体中に、媒体を局所的に変位させるのに適する超音波圧縮波を発することによって（WO-A-2004/021038）、これらの超音波は、おそらく、たとえば、0.1および50MHzの間にある周波数を有し、これらは集中されるかどうかにかかわらず、それらは独立の変換機のアレイによってか、または単一要素変換機によって作り出される。

変形測定ステップ(b)の間、たとえば、上述の文書WO-A-2000/55616、WO-A-2004/021038およびWO-A-2006/010213において例示されるように、前記変形は、とりわけ超音波検査およびMRIから選ばれる方法によって測定される。

変形測定ステップ(b)の間、励起によって生成される変形（変形振幅）のイメージは、媒体1の少なくとも二次元領域において形成され、そして、流動学的な特徴付けステップ(c)の間、前記領域における媒体の流動学的なパラメーターのマップが有利に定められうる。

媒体1における力学的な波（特に、上述のせん断波）の伝播は、次に記されうる複素（複合）波動ベクトル（ウェーブベクトル）kによってモデル化される。すなわち
であり、式中、fは周波数である。

kの虚数部分αは波の減衰を表し、一方、その実数部分βは伝播を表し、すなわち、これらのパラメーターは、媒体1の流動学を特徴付けるパラメーターの一部分を形成する。

本発明によれば、媒体の流動学的なパラメーターのうちの少なくとも一種が、周波数fのべき法則（指数法則）によって変動する。言い換えると、このパラメーターは、それをまず本発明者らによりxと称するが、f^y（fのy乗）のアフィン関数であり、そこではyは、媒体1において場所によって変動する非ゼロの実数であり（yはそれ自身、媒体のレオロジーを特徴付けるパラメーターであり）、すなわち、x(f)=a+bf^yであり、そこで、aは実数で、およびbは、非ゼロの実数であり、スケールパラメーター（尺度母数）と称される。

特徴付けステップ(c)の間、少なくとも、べき乗パラメーターyおよび、場合によっては、スケールパラメーターbが定められる。

このべき法則モデルによると、減衰α（cmあたりネーパーで表現される）は、たとえば、次に表現されうるものである。すなわち
式中、α₁およびα₀は二つの実数である（一般的な場合に、上記に指し示す表記法によって、すなわち、x=α(f);a=α₁;およびb=α₀）。

大抵、べき乗yは、生物学的組織において力学的な波のために0および2の間である。

因果律ルール（causality rule）は、数学的に、Kramers-Kronig（クラーマース-クレーニヒ）関係によって表され［たとえば、Szabo（サーボ）、J. Acoust. Soc. Amer.（ジャーナル・オブ・ザ・アコースティカル・ソサイエティ・オブ・アメリカ）107(5)、パート1、5月、2000年、pp. 2437-2446およびSzabo、J. Acoust. Soc. Amer. 96(1)、7月1994年、pp. 491-500参照］、力学的な波の伝播速度の分散を定量化することを意味するαおよびβの間の関係を与える。減衰のために、上記式が確認され、βが表わされなければならない［とりわけ、Waters （ウォーターズ）ら、J. Acoust. Soc. Amer. 108(2)、8月2000年、pp 556-563およびWaters et al., J. Acoust. Soc. Amer. 108(5), part 1, 11月2000年, pp 2114-2119参照］。すなわち、偶数（even）または非整数yとして、次のようなものである。すなわち
であり、そして、奇数yとして、次のようなものである。すなわち
であり、f₀は基準周波数である。

より一層一般的には、べき法則は次のような流動学的なパラメーターxの任意のものに関することがある。すなわち
−減衰、すなわち
であり、上記に指示されるようなもの、または
−伝播、すなわち
であり、式中、β₁およびβ₀は二実数であるもの（一般的な場合に、上記に指示した表記法によって、すなわち、x=β(f);a=β₁;およびb=β₀）、または
−複素弾性率（コンプレックスモジュラス）G^*の実数部分および/または虚数部分であるものであり（このようにして一方または双方の部分はf^yのアフィン関数であり）、
それらは、べき乗yそれ自体に加えて、多くの有効な流動学的なパラメーターとして構成され、そしてマップは、媒体1の調査された領域において、上述のステップ(c)の間に確立される。

採用された流動学的なパラメーター（複数）において空間的変動は、全体的な画像化（イメージ化）されたエリアにわたって媒体の機械的な励起に対する時空間的反応を分析することによって推定することができ、そして特に、それは、すなわち
−全体の画像化されたエリアにわたる誘導された変位場（ディスプレースメントフィールド）の複素弾性率G^*を分析することによって、または
−グループ（群）速度および全体の画像化されたエリアにわたる励起によって生成される波の減衰を分析することによって
である。

一例を挙げると、図1において示される胸部1の調査の場合に、せん断波を胸部1において伝播させ、前記波の伝播は、媒体1の変位uを測定することによるMRIによって観察され、および次いで流動学的なモデルが使われ、それはせん断波の減衰のためにべき法則に基づく。すなわち
である。

因果律は、波動ベクトルの実数部分の周波数挙動、つまり、伝播係数を定める。すなわち、y>0、およびy≠1について、
である。

βがゼロ周波数にてゼロであり、そしてα₁が無視してよいと仮定して、それは以下に従う。すなわち
である。

このことから、以下のものが得られる。すなわち
であり、式中、
および
であり、そこで、
である。

したがって、本発明者らは、次のように、複素せん断弾性率G^*のための表式を得る。それはすなわち
であり、つまり
である。

次に、複素せん断弾性率の虚数部分に対する実数部分の比は、べき法則yに直接関連する。すなわち
および
である。

yが0の傾向にあるとき、その物質は純粋に弾力固体であり、その一方で、yがより一層近くに0.5に接近するほど、媒体はより一層近くに純粋に粘性の液体の挙動に接近する。

対象となっている例において、モノクロの（単純な）外部振動（つまり、単一の周波数をもつ振動）は、機械的な振動機によって患者（受動体）の胸部1に適用された。変位場uはMRIによって測定され、そして複素せん断弾性率G^*はこれらの測定から推論され、すなわち
であった。

この実験を、弾性率の周波数依存性を検討するために、65-100Hz範囲内のいくつかの周波数について繰り返す。結果は、周波数fに対する弾性率の実数部分G_dおよび虚数部分G₁の依存をべき法則によりはっきりと示す。問題となっているモデルによって予測されるように、G_lの周波数依存およびG_dの周波数依存は実験的に同じである。G^*のべき法則は、
と推定され、それはy=0.165に対応する。

参考として、図2および3はyおよびα₀のマップを示し、それは80Hzの周波数のモノクロの励起で得られる（種々の周波数での決定に関する本発明とは異なる）。これらの二つのマップは、かなりの精度で、および双方ともハイコントラストで、患者が患う浸潤性の導管癌腫を位置付けるのを可能にする。

似た結果はyおよびβ₀で得られうる。

G_dおよびG₁マップは、同じ状況の下で得られ、図4および5に示される。

Claims (7)

1. 粘弾性媒質（１）のレオロジー特性化のための方法であって、以下のステップ、すなわち
   （ａ）いくつかの励起ステップであり、そこでは、振動励起が、それぞれ、異なる周波数にて、粘弾性媒質（１）において発生し、前記励起はそれぞれ媒質の変形を生成するステップ、
   （ｂ）いくつかの変形測定ステップであり、そこでは、励起によって生成される媒質（１）の前記それぞれの変形が媒質において複数の点にて、および前記異なる周波数にて測定されるステップ、および
   （ｃ）レオロジー特性化ステップであり、そこでは、媒質の少なくとも一つのレオロジーパラメーターｘが媒質（１）において前記複数の点にて前記それぞれの変形から定められ、前記レオロジーパラメーターｘは、次の、
   −媒質（１）における力学的な波の減衰係数、
   −媒質（１）における力学的な波の伝播の係数、
   −媒質（１）の複素せん断弾性率Ｇ^＊の実数部分、および
   −媒質（１）の複素せん断弾性率Ｇ^＊の虚数部分
   から選ばれるステップ
   を含み、
   特性化ステップにおいて、媒質の前記レオロジーパラメーターが、ｘ（ｆ）＝ａ＋ｂｆ^ｙ、式中、ｆは前記周波数であり、ａは実数であり、およびｂが非ゼロスケールパラメーターであるものに匹敵するように、媒質において前記複数の点にて、および前記異なる周波数にて、非ゼロべき乗パラメーターｙが定められ、
   および、媒質（１）においてべき乗パラメーターｙのマップは定められ、こうして媒質のイメージが与えられる、方法。
2. 特性化ステップの間に、スケールパラメーターｂはまた、媒質において前記複数の点で定められる、請求項１に記載の方法。
3. 前記励起は媒質（１）においてせん断波を生成させる、請求項１に記載の方法。
4. 前記励起は機械的振動機によって局所的に発生し、前記振動機および媒質（１）の間の接触の点からせん断波を生成する、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記せん断波は、媒質（１）中に、媒質を局所的に変位させるのに適する超音波圧縮波を発することによって離れて発生される、請求項２または３に記載の方法。
6. 変形測定ステップ（ｂ）において、励起によって生成する変形のイメージは、前記媒質（１）に帰属する少なくとも２つの次元を有する領域において得られる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 変形測定ステップ（ｂ）において、前記変形は超音波検査およびＭＲＩから選ばれる方法によって測定される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。