JP6366610B2 - マルチパルス・エラストグラフィ方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波照射後の超音波信号を有する粘弾性媒質の少なくとも１つの機械的特性の定量的測定のためのマルチパルス・エラストグラフィ方法に関する。例示的な１用途においては、本発明は、例えば肝組織のようなヒトまたは動物の臓器の弾性および粘性の定量的測定のためのマルチパルス・エラストグラフィ方法に関する。

粘弾性媒質内に拡散している多数の点への低周波パルスせん断波の伝播を同時観察するための方法は知られている。これは、その媒質において一連の測定を得るために超高速で超音波圧縮波を放射することによりなされ、このようにして得られた測定結果はその後、せん断波の伝播の際のその媒質の動きを決定するためにオフライン又は場合によりリアルタイムで処理される。

フランス特許出願第２８４３２９０号は、超音波照射後の超音波信号を有する臓器の弾性を測定する装置を記載しており、この装置は、超音波トランスデューサ、および組織内にせん断波を放射するために低い周波数でそのトランスデューサを振動させるように設計された従属動電型アクチュエータを備えている。せん断波は、中心周波数が既知の周波数帯を有しており、中心周波数の周りの周波数は、データが中心周波数に非常に近い周波数のみで得ることができるように、大きく減衰される。その結果、測定結果は、その組織を十分に特徴付けることができない。

超音波ビームによって発生された放射圧によって生み出された力の作用によって組織が動かされるＡＲＦＩ（音響放射圧インパルス（Acoustic Radiation Force Impulse））エラストグラフィと呼ばれる技術もまた知られている。この変位は、組織内のせん断応力の発生に対応しており、せん断波の伝播に帰結する。音響放射圧インパルスの場合においては、せん断波は非常に速く減衰し、通常、１波長未満しか伝播しない。それらの環境下で、せん断波の周波数特性を調べるのは難しい。従って、この技術を用いる科学者は、通常、立ち上がり時間、または緩和時間および変位振幅を調べる（米国特許出願公開第２０１０／０６９７５１号、および国際公開公報第２０１１／０６４６８８号を参照されたい）。組織に誘導される変位は、超音波ビームを変調することによって、換言すれば超音波放射は例えばその周波数、振幅、または速度を変調することによって、変調されることができる。従っていくつかのチームが、観察される変位、立ち上がり時間、または緩和時間の最大化の観点から組織の応答を変調するために、種々の特性を有する超音波励起の種々のタイプを用いることを次々に提案している（米国特許出願公開第２０１０／０６９７５１号）。しかしながら、組織の変位およびとりわけそれらの周波数成分は、超音波放射パラメータを変調することによっては、正確に変調することができない。放射圧に起因する力によって生じる変位は、組織の吸収因子に依存するためである。

こういった状況において、本発明は先行技術の欠点を克服することができるエラストグラフィ方法、特に、ヒトまたは動物の臓器の機械的特性の正確な定量的測定を迅速に得るためのエラストグラフィ方法を開示する。

本発明は、超音波照射後の超音波信号を有する粘弾性媒質の少なくとも１つの機械的特性を定量的に測定するマルチパルス・エラストグラフィ方法を開示する。前記方法は、以下のステップを有する。
− 少なくとも２つの機械的パルスの特性を定義するステップと、
− 前記少なくとも２つの機械的パルスを生成するために動電型アクチュエータを用いるステップと、
− 粘弾性媒質において前記少なくとも２つの機械的パルスによって発生された少なくとも２つのせん断波の伝播を超音波信号の放射および取得の手段を用いてモニタするステップと、
− 前記超音波信号の前記取得を用いて前記粘弾性媒質の少なくとも１つの機械的特性を計算するステップと、を有する。

例示的な１実施形態においては、定義された特性の少なくとも１つは各機械的パルスに対して異なる。例示的な機械的パルスの特性は、中心周波数、振幅、周期の数、および／または決定された時間プロファイルに及ぶ。

開示された発明は、例えば決定された中心周波数が異なるように、異なった特性を有する一連のパルスから構成されたパルスエラストグラフィの取得をさせるように用いられることができる。この例示的な実施形態においては、各パルスは、その決定された中心周波数の周りの周波数帯を調べるように用いることができる。この特別な特徴によって、媒質を広い周波数帯に渡って特徴付けることができる。

前項で述べた特徴は別にして、本発明による方法は、以下のなかから、個別にまたは技術的に可能な組み合わせを有して、１または複数の相補的な特徴を有してもよい。

マルチパルス・エラストグラフィ方法の例示的な１実施形態においては、その方法は、生成ステップ、モニタリングステップおよび計算ステップが繰り返されるステップを有する。

マルチパルス・エラストグラフィ方法の例示的な１実施形態においては、繰り返しは、１から１０００回の間で行われ、好ましくは１から２０回の間で行われる。

マルチパルス・エラストグラフィ方法の例示的な１実施形態においては、少なくとも１つの異なる特性は、振幅である。

マルチパルス・エラストグラフィ方法の例示的な１実施形態においては、各機械的パルスの振幅は１０μｍから１０ｍｍの間であり、好ましくは１００μｍから５ｍｍの間である。

マルチパルス・エラストグラフィ方法の例示的な１実施形態においては、少なくとも１つの異なる特性は、時間プロファイルおよび／または、周期の数である。

マルチパルス・エラストグラフィ方法の例示的な１実施形態においては、少なくとも１つの異なる特性は、中心周波数である。

マルチパルス・エラストグラフィ方法の例示的な１実施形態においては、機械的パルスに引き続く各機械的パルスの中心周波数は、すぐ前の機械的パルスの中心周波数よりも小さい。

マルチパルス・エラストグラフィ方法の例示的な１実施形態においては、機械的パルスに引き続く各機械的パルスの中心周波数は、すぐ前の機械的パルスの中心周波数よりも大きい。

マルチパルス・エラストグラフィ方法の例示的な１実施形態においては、少なくとも２つの機械的パルスの周波数帯は部分的に重なっている。

マルチパルス・エラストグラフィ方法の例示的な１実施形態においては、各機械的パルスの中心周波数は、１０Ｈｚから５０００Ｈｚの間であり、好ましくは２０Ｈｚから１０００Ｈｚの間である。

本発明は、また、各機械的パルスが粘弾性媒質内にせん断波を発生させる複数の機械的パルスを生成することができる振動発生器と、超音波信号を放射して取得することができる少なくとも１つの超音波トランスデューサを備えるマルチパルス・エラストグラフィ装置に関し、前記装置は、本発明によるマルチパルス・エラストグラフィ方法のステップを実行することができるように特徴付けられている。

例示的な１実施形態においては、振動発生器は、従属動電型アクチュエータであり、組織にせん断波を放射するためにトランスデューサを低い周波数で振動させる（この振動は機械的パルスである）ことができる。本発明は、発生されたせん断波の特性および特にその周波数成分を正確に変調するために、この動電型アクチュエータの制御特性（および従って機械的パルス）をいかにして修正することができるか、を開示する。既知の特性を有する機械的パルスによって発生されたせん断波の特性は、例えば、弾性力学のグリーン関数を用いて計算することができる。

本発明の他の特性および利点は、添付図面を参照して読むべき以下の単なる解説及び例示的な説明から明らかになる。

本発明によるマルチパルス・エラストグラフィ方法における手順（steps）のブロック図である。 本発明によるマルチパルス・エラストグラフィ装置の１例を図式的に説明する説明図である。 本発明による方法を用いて生成させられている３つの機械的パルスであって、それぞれが異なる中心周波数を有する３つの機械的パルスを示す図である。 本発明による方法を用いて生成させられている機械的パルスであって、それぞれが異なる周期の数を有する機械的パルスを示す図である。 図３に示す３つの機械的パルスの繰り返しを示す図である。

共通の要素は、全ての図において同一の参照番号を有している。

図１は、本発明によるマルチパルス・エラストグラフィ方法１００における手順のブロック図を示す。

マルチパルス・エラストグラフィ方法１００は、特に、少なくとも２つの低周波機械的パルスの特性を定義するステップ１０１を有する。この実施例においては、定義された特性のうちの少なくとも１つが各パルスに対して異なる。

例示的には、機械的パルスは、中心周波数、振幅、周期の数、および／または決定された時間プロファイルによって特徴付けられてもよい。

従って、この定義ステップ１０１の際に、オペレータは例えば、第１のパルスに対してランプ型の時間プロファイルを、第２のパルスに対してアポダイズ正弦（apodised sine）型の時間プロファイルを、第３のパルスに対してステップ型の時間プロファイルを、第４のパルスに対してガウス型の時間プロファイルを、および第５のパルスに対して正弦関数型の時間プロファイルを、定義することができる。

例えば、正弦関数タイプの時間プロファイルは、
式 Ｓ（ｔ）＝Ａ×ｓｉｎ（２πｆｔ）を用いて得ることができる。
ここで、
・ｔは０からｎＴの範囲である。
・Ｔは信号の周期であり、Ｔ＝１／ｆ である。
・ｎは、周期の数である。
・Ａは、振幅である。

正弦関数型の時間プロファイルを有する機械的パルスの場合には、周波数、周期の数、および／または振幅を変化させることができる。例えば、各機械的パルスの振幅は１０μｍから１０ｍｍの間であってもよく、好ましくは１００μｍから５ｍｍの間であってもよい。

要するに、この定義ステップ１０１の際に、各機械的パルスは他の定義された機械的パルスとは異なる特性を有する。換言すれば、定義された機械的パルスのそれぞれが別の機械的パルスとは異なる。

マルチパルス・エラストグラフィ方法１００は、また、以前の定義ステップ１０１の際に定義された少なくとも２つの機械的パルスを生成するステップ１０２を有し、少なくとも２つの機械的パルスのそれぞれが、せん断波が粘弾性媒質を通って伝播するように粘弾性媒質内においてせん断波を発生させる。

これらの機械的パルス（特に区別せず、低周波パルスとも呼ぶ）は、低周波振動子のタイプの、または拡声器のタイプの、または他の別のタイプの、振動発生器２（図２を参照）によって発生させることができる。この振動発生器は複数の機械的パルスを生成することができ、各機械的パルスはヒトまたは動物の生物学的組織のような粘弾性媒質内において低周波せん断波を発生させる。生成ステップ１０２は、自動的にまたは手作業でトリガすることができる。自動トリガリングは、粘弾性媒質が振動発生器へ圧力をかければすぐに簡単に行われる一方で、手作業によるトリガリングは、オペレータがスタートボタンを押すことから構成されてもよい。

これらの機械的パルスのそれぞれは、決定された中心周波数を有している。それらの機械的パルスの決定された中心周波数は、例えば１０Ｈｚであってもよい最低周波数と例えば５０００Ｈｚであってもよい最大周波数との間から選択される。

マルチパルス・エラストグラフィ方法１００はまた、粘弾性媒質内での少なくとも２つのせん断波の伝播をモニタするステップを有する。このモニタリングステップ１０３は、粘弾性媒質内への超音波信号の放射、および、粘弾性媒質によって反射された超音波信号の取得によって行われる。

このモニタリングステップ１０３は、単一素子または複数素子の超音波トランスデューサ３を用いて行われる。

例示的な１実施例においては、各機械的パルスは、種々の決定された中心周波数、換言すれば、異なる周期を有する。結果的に、各機械的パルスは、異なる周波数帯を有し、この周波数帯は、機械的パルスの中心周波数および中心周波数を取り囲んでいる複数の周波数から形成されている。

図３に示す、本発明による方法を肝組織に用いる際の例示的な１実施例では、
− 第１のせん断波は、低周波振動子２により生成された第１の機械的パルスＩＭ１によって発生させられ、この第１の機械的パルスＩＭ１の決定された中心周波数は５０Ｈｚである。
− 第２のせん断波は、低周波振動子２により発生されており、この第２のせん断波は７５Ｈｚの決定された中心周波数を有する第２の機械的パルスＩＭ２から導かれる。
− 第３のせん断波は、低周波振動子２により発生されており、この第３のせん断波は１００Ｈｚの決定された中心周波数を有する第３の機械的パルスＩＭ３から導かれる。

この実施例においては、せん断波の源で、機械的パルス１Ｍ１、ＩＭ２、およびＩＭ３の周波数帯は部分的に重なっている。より正確には、第１のせん断波を発生させる第１の機械的パルスＩＭ１の周波数帯は、第２のせん断波を発生させる第２の機械的パルスＩＭ２の周波数帯に部分的に重なっており、第２のせん断波を発生させる第２の機械的パルスＩＭ２の周波数帯は、第３のせん断波を発生させる第３の機械的パルスＩＭ３の周波数帯に部分的に重なっている。結果的に、全体の周波数帯は、３つの周波数帯の合計から形成されている。この全体の周波数帯は、より小さい周波数帯よりも肝組織の特性をより正確に特徴付けることができる。

この実施例においては、機械的パルス（第１のせん断波を発生させる機械的パルスＩＭ１）に引き続く各機械的パルス（第２のせん断波を発生させる機械的パルスＩＭ２）は、そのすぐ前の機械的パルス（第１のせん断波を発生させる機械的パルスＩＭ１）の中心周波数よりもより高い中心周波数を有している。

この実施形態は例示的であることを注記しなければならない。従って、本発明によるマルチパルス・エラストグラフィ方法１００の１実施形態（図示せず）においては、機械的パルス（第１のせん断波を発生させる機械的パルスＩＭ１）に引き続く各機械的パルス（第２のせん断波を発生させる機械的パルスＩＭ２）が、そのすぐ前の機械的パルス（第１のせん断波を発生させる機械的パルスＩＭ１）の中心周波数よりも低い中心周波数を有することも注記しなければならない。この実施形態は、２つの引き続くせん断波が互いに相互に妨害されない、という利点を有している。せん断波は周波数の増大によってより迅速に減衰する。従って、仮に第１のせん断波を発生させる第１のパルスＩＭ１の中心周波数が約１００Ｈｚであれば、換言すれば、第２のせん断波を発生させる第２のパルスＩＭ２の中心周波数（７５Ｈｚ）よりも高ければ、そのとき、第１のせん断波は、第２のせん断波よりも迅速に減衰し、従って、２つのせん断波の間の妨害のリスクを減少させる。

図４に示す別の実施形態においては、それぞれの定義された機械的パルスは、異なる周期の数を有する。例えば、第１のパルスＩＭ１１は１周期を有し、第２のパルスＩＭ１２は２周期を有し、第３のパルスＩＭ１３は３周期を有している。

マルチパルス・エラストグラフィ方法１００は、また、超音波信号の取得によって粘弾性媒質の少なくとも１つの機械的特性を計算するステップ１０４を有している。この計算ステップは、ステップ１０３が終了したときに行われてもよい。

例示的な１実施形態においては、マルチパルス・エラストグラフィ方法１００はまた、生成ステップ１０２、モニタリングステップ１０３、および計算ステップ１０４を少なくとも１回繰り返すことから構成される繰り返しステップ１０５を有する

生成ステップ１０２の繰り返しステップ１０５は、図５に示す例のように、少なくとも１回行われる。この場合、３つのパルス、従って３つのせん断波が粘弾性媒質において２回発生される。

別の１実施形態においては、繰り返しステップ１０５は２０回行われる。せん断波を発生させる各パルスに対して変化させる特性が周波数であるときには、例えば呼吸のような内的な生物学的な動きに起因する生物学的組織の動きがないことが確保される限定された時間の間に生物学的組織を特徴付ける十分な周波数帯をカバーするためには、限られた回数で十分である。

例示的な１実施形態においては、発生、モニタリングおよび計算ステップ１０２、１０３および１０４の繰り返し１０５は自動的にトリガされる。換言すれば、本発明による方法１００を用いるマルチパルス・エラストグラフィ装置１を使用するオペレータは、繰り返しステップ１０５が自動的にトリガされるので、この繰り返しステップ１０５をトリガする必要がない。換言すれば、オペレータはマルチパルス・エラストグラフィ方法１００を開始する前に、繰り返し１０５の数を事前に定義することができる。

別の１実施形態によれば、発生、モリタリングおよび計算の各ステップの繰り返し１０５は、手作業により、換言すればオペレータにより、トリガされる。

従って、開示された発明は、例えば最小周波数と最大周波数との間の異なる中心周波数が用いられる、一連のパルスから構成される振動制御過渡エラストグラフィ（ＶＣＴＥ：Vibration Controlled Transient Elastography）タイプのエラストグラフィ取得を行う手段を提供する。例えば、各パルスはその中心周波数の周りの周波数帯を調査するように用いることができる。最小周波数から最大周波数に渡って形成される範囲における媒質の完全な特徴付けが、各周波数帯で得られた結果を並置させることにより得られる。

特に、本発明による方法１００は、以下のように用いることができる。
− 広い周波数範囲を探索する（媒質の完全な特徴付け）。
− 使用する周波数を制御する。
− 複数の異なる周波数で受信した情報を組み合わせる。
− 迅速かつ安価な検査を行う（ＭＲＩと比較して）。
− 異なる取得の間にトランスデューサを装着したプローブを動かさない（測定点の変動の低減）。
− 調査している媒質に応じて最小および最大周波数を変化させる。
− 周期の数を変化させる。
− せん断波の振幅を変化させる。
− パルス形状を変化させる。

本発明はまた、複数のせん断波を発生させる複数の機械的パルスを生成することができる振動発生器２と、超音波信号を放射し、取得することができる少なくとも１つの超音波トランスデューサ３と、を備えるマルチパルス・エラストグラフィ装置１に関する。装置１は、本発明によるマルチパルス・エラストグラフィ方法１００のステップを実行するように用いることができる。換言すれば、装置は以下のように用いることができる。
− 人間―機械インターフェースＨＭＩ５を介して少なくとも２つの機械的パルスの特性を定義するステップ１０１であって、各機械的パルスはせん断波を発生させ、定義された特性のうちの少なくとも１つは各機械的パルスに対して異なっており、それらの特性は、キーボードを用いてオペレータによって入力されることができる。
− 振動発生器２を介して少なくとも２つの定義された機械的パルスを生成するステップ１０２であって、粘弾性媒質内に少なくとも２つのせん断波を発生させる。
− 超音波信号の放射および取得の手段によって少なくとも２つのせん断波の粘弾性媒質内の伝播を、超音波トランスデューサ３を介してモニタするステップ１０３。
− 超音波信号の取得手段による粘弾性媒質の少なくとも１つの機械的特性を、コンピュータ４を用いて計算するステップ１０４、のように用いることができる。

この記述の全体に渡って、少なくとも２つの低周波機械的パルスの特性を定義するステップ１０１の際に、各機械的パルスの少なくとも１つの特性が異なることを注記しなければならない。明らかに本発明はこの実施形態に限定されず、それ（本発明）は、少なくとも２つの低周波機械的パルスの特性が同一である際に、少なくとも２つの低周波機械的パルスの特性を定義するステップ１０１を含んでもよい。ある粘弾性媒質は、非常に長い緩和時間（換言すれば、平衡に戻るまでの時間）を有している。従って、この場合においては、媒質は、異なるパルスの間において平衡に戻る時間を有しない。従って、複数の同様なパルスによって引き続いて発生したせん断波の伝播を調べることによって媒質の粘弾性特性に関する情報を得ることができる。

Claims (14)

1. 超音波照射後の超音波信号を有する粘弾性媒質の少なくとも１つの機械的特性を定量的に測定するマルチパルス・エラストグラフィ方法（１００）であって、
   前記方法（１００）は、
   少なくとも２つの機械的パルスの特性を定義するステップ（１０１）と、但しそれぞれの機械的パルスは１０Ｈｚから５０００Ｈｚの間である中心周波数を有する低周波数からなる、
   特性が定義されている前記少なくとも２つの機械的パルスを粘弾性媒質に生成する生成ステップ（１０２）と、
   前記粘弾性媒質において前記少なくとも２つの機械的パルスによって発生された少なくとも２つのせん断波の伝播を超音波信号の放射および取得の手段を用いてモニタするモニタリングステップ（１０３）と、
   前記超音波信号の前記取得を用いて、前記粘弾性媒質の少なくとも１つの機械的特性を計算する計算ステップ（１０４）と、
   を有することを特徴とする方法。
2. 定義された特性の少なくとも１つは、各低周波数機械的パルスに対して異なることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記生成ステップ（１０２）、前記モニタリングステップ（１０３）および前記計算ステップ（１０４）が繰り返される繰り返しステップ（１０５）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記繰り返しステップ（１０５）は１から１０００回の間で行われ、好ましくは１から２０回の間で行われることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 少なくとも１つの異なる特性は振幅であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 各低周波数機械的パルスの前記振幅は１０μｍから１０ｍｍの間であり、好ましくは１００μｍから５ｍｍの間であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 少なくとも１つの異なる特性は、時間プロファイルであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 少なくとも１つの異なる特性は、周期の数であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 少なくとも１つの異なる特性は、中心周波数であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 低周波数機械的パルスに引き続く各低周波数機械的パルスの中心周波数は、すぐ前の低周波数機械的パルスの中心周波数よりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 低周波数機械的パルスに引き続く各低周波数機械的パルスの中心周波数は、すぐ前の機械的パルスの中心周波数よりも大きいことを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 少なくとも２つの低周波数機械的パルスの周波数帯は部分的に重なっていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 各低周波数機械的パルスの中心周波数は１０Ｈｚから５０００Ｈｚの間であり、好ましくは２０Ｈｚから１０００Ｈｚの間であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 粘弾性媒質内で複数のせん断波を発生させることができる振動発生器（２）と、超音波信号を放射し取得することができる少なくとも１つの超音波トランスデューサ（３）とを備えるマルチパルス・エラストグラフィ装置（１）であって、
    請求項１から１３のいずれか一項に記載のマルチパルス・エラストグラフィ方法（１００）の前記ステップを実行することができることを特徴とするマルチパルス・エラストグラフィ装置（１）。
    

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