JP7407939B2 - 媒体の非線形剪断波弾性を定量化する超音波方法、及びこの方法を実施する装置 - Google Patents
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Description
A1.媒体から時間的に一連の剪断波弾性データを収集すること、
A2.剪断波の収集中に、予め決められた変形のシーケンスに従って、逐次的に変化する変形を媒体に適用すること、
A3.変形の実際の(推定された)進展を観察すること、及び、
B.時間的に一連のデータ及び変形の進展の関数として、媒体の非線形弾性を定量化すること。
1.剪断係数及び変形の関数として非線形剪断係数を表す数学的表現を発見すること。
2.Bモード画像、剪断波エラストグラフィー(SWE)画像、及び歪みエラストグラム(変形による)を同時に取得することができる超音波シーケンスを開発すること。
3.圧迫中に、又は圧迫の終了時に、又は圧迫過程中の専用ステップにおいて、歪み及びSWEの画像を集約して再整列させる技術を開発すること。
4.圧迫/減圧を実行する際にオペレータをガイドするユーザインターフェースを開発すること。
5.圧迫/減圧をガイドするプローブアタッチメントを作成すること。
A1.1.少なくとも1つの合焦した超音波を放射することによって媒体において剪断波が生成される励振ステップ、
A1.2.媒体の時間的に一連の超音波データを取得することで剪断波の伝搬が観察される観察ステップ、
A1.3.媒体の超音波データ及び剪断波伝搬モデルから弾性データが決定される処理ステップ
媒体の非線形弾性を定量化するために、現在の剪断波弾性(Et)及び合計静的弾性(εt)の値が使用されないこと、及び/又は、
決定された特性パラメータを反映するフィードバック情報が、プローブのユーザに提示されること、及び/又は、
オプションで、次のサイクル(t+1)において処理が繰り返されること。
決定された特性パラメータが、第1の最小特性しきい値より低い第2の最小特性しきい値を越えないこと、及び/又は、
最大回数の反復が実行されたこと、及び/又は、
最大処理時間が経過したこと、及び/又は、
媒体の非線形弾性に係る最小回数の定量化が実行されたこと。
A4.媒体から時間的に一連のBモードのデータを収集して、プローブに関する媒体の動き補償を計算するステップ、
A5.補償を弾性データに適用するステップ。
E(t)は、変形の進展中での、変形の各瞬間における弾性であり、
E0は、第1の瞬間(t0)における弾性であり、
εは変形であり、
Aは非線形剪断パラメータである。
イメージング装置(1)は、超音波プローブ(6)、マイクロコンピュータ(4)、及びオプションでユーザインターフェースを備え、
本方法は、下記のステップ、すなわち、
プローブを媒体の表面に配置するステップと、
非線形剪断波弾性(NL-SWE)のイメージングを行う第1のモードを起動するステップであって、第1のモードにおいて、プローブは、媒体に対して漸進的に圧迫又は漸進的に減圧することで、予め決められた変形のシーケンスに従って変形を適用し、
装置は、時間的に一連の超音波データを収集し、プローブを用いて媒体において生成された剪断波のイメージングを行い、媒体の弾性を推定し、
装置は、時間的に一連の超音波データを収集し、プローブによって適用された媒体の変形の進展を推定することを可能にする
ステップと、
時間的に一連のデータ及び観察された変形の進展の関数として計算される、媒体の非線形弾性を定量化するステップとを含み、
本方法は、
オプションで、媒体の非線形弾性についての画像をユーザインターフェースに表示するステップと、
オプションで、画像の予め定義された計算及び測定を含む、時間的に一連の画像を保存するステップと、
オプションで、時間的に一連の画像をユーザインターフェースに表示するステップと、
オプションで、非線形画像の解釈の結果を表示するステップとを含む。
プローブを媒体の表面に配置するステップと、
第2の剪断波弾性(SWE)イメージングモードを起動することと、
予め決められた変形のシーケンスに従って変形を適用することなく、媒体に剪断波を適用することで、媒体の少なくとも1つの剪断波弾性画像を決定することと、
オプションで画像の予め定義された計算及び測定を含む、画像を保存することと、
画像において関心対象領域を決定することで、領域の非線形弾性のイメージングを行うこととを含む。
平面の超音波疎密波(すなわち、この場合、X,Z平面において直線である波面を有する波)、又は、媒体2における観察のフィールド全体を照射する他の任意のタイプの合焦していない波、例えば、様々なトランスデューサT1~Tnにランダム音響信号を放射させることで生成された波、
又は、媒体2の1つ又は複数の点に合焦した超音波疎密波。
決定された特性パラメータが、第1の最小特性しきい値より低い第2の最小特性しきい値を越えないこと、及び/又は、
最大回数の反復が実行されたこと、及び/又は、
媒体の非線形弾性に係る最小回数の定量化が実行されたこと。
特性パラメータは、合計静的弾性の現在の値εt及び以前の値εt-1 *を比較する関数として決定されうる。特性パラメータは、第1の識別閾にわたって増大した合計静的弾性の以前の値εt-1 *を現在の値εtが超過するか否かについての関数として決定されうる。この場合、剪断波弾性及び合計静的弾性の現在の値は、決定された特性Et*及びεt *値として報告され、媒体の非線形弾性を定量化するために使用される。目標C(図3A~図3Cを参照)は、増大した変形レベルに移動してもよい。
特性パラメータは、合計静的弾性εtによって示される推定された実際の変形のレベルが、特に予め定義された許容量を有する目標変形のレベルに等しくなる、予め定義された時間期間の関数として決定されてもよい。したがって、プローブの場所が、時間期間中に目標場所C(図3A~図3Cを参照)と一致する場合(すなわち、第1の特性しきい値に到達している場合)、剪断波弾性及び合計静的弾性の現在の値は、決定された特性Et*,εt *値として報告され、媒体の非線形弾性を定量化するために使用される。この結果は、ステップ10において、例えば特性インジケータに所定の色を表示することで、ユーザに示されてもよい。目標Cは、増大した変形レベルに移動してもよい。
特性パラメータは、現在の値のエントロピーが、特に剪断波弾性(Et)及び/又は静的弾性(Δεt)の現在の値の、予め定義された範囲内に存在する場合(すなわち、このエントロピーが予め定義された区間内に制限される場合、及び/又は、第1のしきい値に到達している場合)に決定されてもよい。
下記の処理は、「Bモード」イメージングとして知られる。Bモードの時間的に一連のデータ(又は画像又は画像データ)は、(前述したように)逐次的に変化する変形を適用する場合にプローブに関する媒体の動き補償を計算するために使用されてもよい。
(i1)マイクロコンピュータ4が、粘弾性媒体に向けて少なくとも1つの合焦していない超音波疎密波バーストをプローブ6に放射させること、
(i2)マイクロコンピュータ4が、粘弾性媒体の反射粒子5との相互作用により合焦していない超音波疎密波によって生成されたエコーを含む、粘弾性媒体2から受信された音響信号を、プローブ6にリアルタイムで検出及び記録させること、及び
(i3)マイクロコンピュータ4が、サブステップ(i2)において粘弾性媒体2から受信された音響信号を処理して媒体の1つ又は複数の画像(I)を決定する処理ステップ。
siは、超音波疎密波バーストを受けたトランスデューサNo.iによって検出される未処理信号であり、
t(x,z)は、座標(x,z)を有する視野における点に超音波疎密波が到達するまでにかかる時間であり、t=0をバーストの開始部とし、
di(x,z)は、座標(x,z)を備えた視野における点とトランスデューサNo.iとの間の距離、又はこの距離の近似値であり、
Vは、観察される粘弾性媒体における超音波疎密波の平均伝搬速度であり、
αi(x,z)は、アポディゼーション法則を考慮した重み付け係数である(実際に、それは、多くの場合、αi(x,z)=1として考慮されてもよい)。
下記の処理は、静的弾性(歪み)イメージングとして知られている。時間的に一連の静的弾性(歪み)データ(又は画像又は画像データ)は、(前述したような)実際の変形の推定された進展を観察するために使用されうる。
次いで、媒体2の各点において、部分的な変形Δε、すなわち、各空間変数(考慮している実施例ではX,Zに係る座標)に関する変位ベクトル成分の微分係数を成分として有するベクトル、すなわち次式のベクトルが計算されてもよい。
外表面3に与えられる外圧Pにおける変動に起因する媒体2の変形は、遅く、弾性を有し、準一様な変形である。この変形は、粘弾性媒体2の内部において伝搬し、媒体2に含まれる粒子5及び要素を移動させる。
Tx,Ty:画像平面における並進係数、
Hx,Hz:画像平面における相似変換係数、及び、
θ:画像平面に垂直な軸の回転角。
dx1=ux1 dz1=uz1
dx2=ux2 dz2=uz2
dx3=ux3 dz3=uz3
下記の処理は、媒体の剪断波弾性イメージングとして知られる。時間的に一連の剪断波弾性データ(又は画像又は画像データ)は、(前述したような)媒体の非線形弾性を定量化するために使用されうる。
(e1.1)プローブ6によって、粘弾性媒体に合焦した少なくとも1つの超音波を放射することで、マイクロコンピュータ4が粘弾性媒体2において弾性剪断波を生成する励振ステップ、
(e1.2)粘弾性媒体2における観察フィールドの複数の点において同時に剪断波伝搬が観察される観察ステップであって、媒体の時間的に一連の複数の中間画像IIj,kが生成されるサブステップを含むステップ。jは、両端を含む0~Mの範囲にわたる中間画像インデックスであり、M+1は、生成される中間画像の個数である。
(e1.3)媒体の中間画像を処理して媒体の弾性画像IEkを決定するステップ。
剪断波速度Cs、又は、
剪断係数μ、又は、
ヤング率E=3μ、又は、
剪断波減衰α、又は、
剪断弾性μ1、又は、
剪断粘度μ2、又は、
媒体組織の機械的な緩和時間τs。
組織の硬さへのアクセスを提供する剪断波速度値Cs、
媒体のローカル粘度の特性である、組織の機械的緩和時間の値τs
ρは組織の密度であり。
τSは組織の機械的緩和時間であり、
cSは、組織のヤング率Eに直接的に関連する、次式の剪断波速度である。
特に、波動方程式は、フーリエ法によって、例えば周波数帯にわたって値を平均することによって、解くことができる。
変位に代えて、部分的変形が使用されてもよい。
次いで、より正確なマッピングを得るために、例えばそれらの平均を計算することによって、それらを組み合わせることができる。
したがって、媒体のこれらの画像は、媒体の移動によって補正されない。
線形弾性領域において、媒体2は、応力σに比例して変形し、フックの法則に従う。
E0は線形領域のヤング率であり、
εは変形である。
Eはヤング率であり、
Δσは局所的な応力変動、すなわち部分的応力であり、
Δεtは、瞬間(t)において瞬間(t-Δt)に関して定量化された静的弾性であり、したがって、Δεは局所的な変形変動、すなわち、ゼロに近づく(Δt)にわたる部分的変形Δεtである。
Eはヤング率又は弾性係数であり、
E0は、線形領域のヤング率、すなわち、圧迫なしの媒体の材料のヤング率であり、したがって、時間的に一連の画像における第1の補正された弾性画像であり、
σは応力であり、例えば、プローブ6のユーザによって与えられる外圧によって引き起こされる圧迫に実質的に対応する、垂直Z方向における一軸方向のσz応力であり、
Aは、求める非線形性パラメータである。
Eはヤング率であり、
E0は、線形領域のヤング率、すなわち、圧迫なしの媒体の材料のヤング率であり、したがって、時間的に一連の画像における第1の補正された弾性画像であり、
ln()は自然対数関数であり、
εは変形であり、
Aは、決定すべき非線形性パラメータである。
Claims (40)
- 媒体の非線形剪断波弾性を定量化する超音波方法であって、上記方法は、下記のステップ、すなわち、
A1.上記媒体から時間的に一連の剪断波弾性データを収集することと、
A2.上記時間的に一連の剪断波弾性データの収集中に、予め決められた変形のシーケンスに従って、逐次的に変化する変形を上記媒体に適用することと、
A3.実際の変形の進展を観察することと、
B.上記時間的に一連の剪断波弾性データ及び上記変形の進展の関数として、上記媒体の非線形剪断波弾性を定量化することとを含む、
方法。 - 上記実際の変形の進展を観察することは、リアルタイムで又は準リアルタイムで実行される、
請求項1に記載の方法。 - 上記実際の変形の進展を観察するステップは、上記媒体から、時間的に一連の超音波データを収集することを含む、
請求項1又は2記載の方法。 - ステップ(A1)において生成される上記剪断波弾性データは、下記のサブステップ、すなわち、
A1.1.少なくとも1つの合焦した超音波を放射させることによって上記媒体において剪断波が生成される励振ステップと、
A1.2.上記媒体から時間的に一連の超音波データを取得することで剪断波の伝搬が観察される観察ステップと、
A1.3.上記媒体の上記超音波データから及び剪断波伝搬モデルから上記剪断波弾性データが決定される処理ステップと
によって生成される、
請求項1~3のうちの1つに記載の方法。 - 上記方法は、上記媒体の時間的に一連の静的弾性(Δεt)データを収集するステップA1’.をさらに含み、
ステップA3において、上記実際の変形は上記静的弾性(Δεt)データによって導出される、
請求項1~4のうちの1つに記載の方法。 - 上記時間的に一連の静的弾性データを収集すること及び上記逐次的に変化する変形を観察することは、剪断波弾性ショット及び静的弾性プルを挿入することで超音波シーケンスによってセットアップされ、及び/又は、上記静的弾性データ及び上記剪断波弾性データは時間的にインターリーブされる、
請求項5記載の方法。 - 上記静的弾性データの値(Δεt)の積分に基づいて合計静的弾性(εt)が決定され、
ステップA3において、上記実際の変形は、決定された上記合計静的弾性(εt)の関数として決定される、
請求項5又は6記載の方法。 - 上記方法は、上記剪断波弾性(E(t))データの値、上記静的弾性(Δεt)データの値、及び上記合計静的弾性(εt)のうちの少なくとも1つの関数として特性パラメータを決定するステップA6.をさらに含む、
請求項7記載の方法。 - 上記特性パラメータは、上記合計静的弾性の現在の値(εt)及び以前の値(εt-1 *)の比較に基づいて決定され、及び/又は、
特性結果はブール変数であり、及び/又は、
上記特性パラメータは、第1の識別閾にわたって増大又は減少した上記合計静的弾性の以前の値(εt-1 *)を上記現在の値(εt)が超過するか否かに基づいて決定される、
請求項8に記載の方法。 - 推定された実際の変形のレベル及び目標変形のレベルは、ユーザインターフェースにおいて通知され、
上記推定された実際の変形は、観察された変形に対応し、
上記目標変形は、上記予め決められた変形のシーケンスに従って変化する、
請求項8又は9記載の方法。 - 上記推定された実際の変形は、観察された変形にリアルタイムで対応し、
上記目標変形は、上記予め決められた変形のシーケンスに従ってリアルタイムで変化する、
請求項10記載の方法。 - 上記推定された実際の変形のレベル及び上記目標変形のレベルは、上記ユーザインターフェースの画面上に表示される、
請求項10又は11に記載の方法。 - 上記特性パラメータは、上記推定された実際の変形のレベルが上記目標変形のレベルに対応している最短時間に基づいて決定される、
請求項10~12のうちの1つに記載の方法。 - 上記特性パラメータは、上記剪断波弾性(E(t))データ及び/又は上記静的弾性(Δεt)データの現在の値のエントロピーが予め定義された範囲内に存在するか否かの関数として決定される、
請求項8~13のうちの1つに記載の方法。 - 上記逐次的に変化する変形は、超音波プローブによって上記媒体を逐次的に圧迫又は逐次的に減圧することで、上記超音波プローブによって適用され、
上記超音波プローブは、上記時間的に一連の剪断波弾性データを収集すること及び/又は上記実際の変形の進展を観察することのために同時に使用される、
請求項8~14のうちの1つに記載の方法。 - 上記逐次的な圧迫及び/又は上記逐次的な減圧が連続的かつ漸次に実行される、
請求項15記載の方法。 - 上記決定された特性パラメータが第1の最小特性しきい値を超過する限り、ステップBにおいて、上記剪断波弾性(E(t) * )データ及び上記合計静的弾性(εt *)の現在の値を用いて、上記媒体の非線形剪断波弾性を定量化する、
請求項15又は16記載の方法。 - 上記決定された特性パラメータが上記第1の最小特性しきい値を超えない限り、
上記媒体の非線形剪断波弾性を定量化するために、上記剪断波弾性(E(t))データ及び上記合計静的弾性(εt)の現在の値は使用されず、及び/又は、
上記決定された特性パラメータを表すフィードバック情報は、上記超音波プローブのユーザに提示される、
請求項17記載の方法。 - 次のサイクル(t+1)において処理が繰り返される、
請求項18記載の方法。 - 上記予め決められた変形のシーケンスは、上記特性パラメータに従って適応化され、及び/又は、
上記決定された特性パラメータが上記第1の最小特性しきい値を越えない場合、上記予め決められた変形のシーケンスは中断又は一時停止される、
請求項17~19のうちの1つに記載の方法。 - 上記方法は、上記媒体の非線形剪断波弾性のレベルを示す少なくとも1つの画像、スコア、及び/又はシンボルを含む、上記媒体の非線形剪断波弾性のレベルを表す視覚情報を決定するステップC.をさらに含む、
請求項17~20のうちの1つに記載の方法。 - 上記方法は、上記実際の変形、上記特性パラメータ、及び上記視覚情報のうちの少なくとも1つを含むフィードバック情報を、上記超音波プローブのユーザに提示するステップD.をさらに含む、
請求項21記載の方法。 - ステップA1.~B.又はA1.~C.又は、A1.~D.が繰り返され、及び/又は、
下記の条件、すなわち、
上記決定された特性パラメータが、上記第1の最小特性しきい値より低い第2の最小特性しきい値を越えないこと、及び/又は、
最大回数の反復が実行されたこと、及び/又は、
処理の最大時間が経過したこと、及び/又は、
上記媒体の非線形剪断波弾性に係る最小回数の定量化が実行されたこと
のうちの少なくとも1つが満たされるまで、ステップA1.~B.又はA1.~C.又は、A1.~D.が繰り返される、
請求項22記載の方法。 - A4.上記媒体から時間的に一連のBモードデータを収集して、上記超音波プローブに関する上記媒体の動きの補償を計算するステップと、
A5.上記補償を上記剪断波弾性データに適用するステップとをさらに含む、
請求項22又は23のうちの1つに記載の方法。 - 上記Bモードデータ、上記静的弾性データ、及び上記剪断波弾性データは、時間的にインターリーブされる、
請求項24記載の方法。 - ステップ(A1)~(A3)又は(A1)~(A6)は同時に実行され、及び/又は、
ステップ(A1)~(A3)又は(A1)~(A6)又は(A1)~(D)は、リアルタイムで又は準リアルタイムで実行される、
請求項24又は25記載の方法。 - ステップ(A1)に先行するステップ(0)であって、予め決められた変形シーケンスに従って変形を適用することなく、上記媒体の少なくとも1つの超音波又はMRI(magnetic resonance imaging)画像又はマンモグラフィー画像又は剪断波弾性画像が決定され、ステップ(A1)~(B)に従って非線形剪断波弾性を定量化するための関心対象領域(region of interest:ROI)が決定されるステップ(0)をさらに含む、
請求項1~27のうちの1つに記載の方法。 - 非線形剪断波弾性画像の表示と並列に、信頼度マップが表示される、
請求項1~28のうちの1つに記載の方法。 - 画像の各データ又は各画素について、予め定義された基準値に対する非線形剪断波弾性値が表示される、
請求項1~29のうちの1つに記載の方法。 - イメージング装置(1)を用いて媒体の非線形剪断波弾性を定量化する超音波方法であって、
上記イメージング装置(1)は、超音波プローブ(6)及びマイクロコンピュータ(4)を備え、
上記方法は、
上記媒体の表面に上記超音波プローブを配置するステップと、
非線形剪断波弾性(NL-SWE)のイメージングを行う第1のモードを起動するステップであって、上記第1のモードにおいて、上記超音波プローブは、上記媒体に対して次第に圧迫又は次第に減圧することで、予め決められた変形のシーケンスに従って変形を適用し、
上記装置は、時間的に一連の超音波データを収集し、上記超音波プローブを用いて上記媒体において生成された剪断波のイメージングを行い、上記媒体の非線形剪断波弾性を推定することを可能にし、
上記装置は、時間的に一連の超音波データを収集し、上記超音波プローブによって適用された上記媒体の変形の進展を推定することを可能にする
ステップと、
上記時間的に一連の超音波データ及び観察された上記変形の進展の関数として計算される、上記媒体の非線形剪断波弾性を定量化するステップとを含む、
方法。 - 上記イメージング装置(1)は、ユーザインターフェースをさらに備え、
上記方法は、
上記媒体の非線形剪断波弾性についての画像を上記ユーザインターフェースに表示するステップと、
時間的に一連の画像を上記ユーザインターフェースに表示するステップと、
上記媒体の非線形剪断波弾性についての画像の解釈の結果を表示するステップとをさらに含む、
請求項31記載の方法。 - 画像の予め定義された計算及び測定を含む、時間的に一連の画像を記録するステップをさらに含む、
請求項31又は32記載の方法。 - 上記予め決められた変形のシーケンスは、上記定量化するステップの前に、自動的に停止するサブステップを含む、
請求項31~33のうちの1つに記載の方法。 - 上記超音波プローブを上記媒体の表面に配置することと、
第2の剪断波弾性(SWE)イメージングモードを起動することと、
予め決められた変形のシーケンスに従って変形を適用することなく、上記媒体に剪断波を適用することで、上記媒体の少なくとも1つの剪断波弾性画像を決定することと、
上記剪断波弾性画像を保存することと、
上記剪断波弾性画像において関心対象領域を決定することで、上記領域の非線形剪断波弾性のイメージングを行うこととをさらに含む、
請求項31~34のうちの1つに記載の方法。 - 上記超音波プローブを配置するステップ、上記第2のSWEイメージングモードを起動するステップ、上記媒体の少なくとも1つの剪断波弾性画像を決定するステップ、上記剪断波弾性画像を保存するステップ、及び上記関心対象領域を決定するステップは、上記第1のモードを起動する前に実行される、
請求項35記載の方法。 - 上記剪断波弾性画像を保存するステップは、上記剪断波弾性画像の予め定義された計算及び測定を含む、
請求項35又は36記載の方法。 - 請求項1~37のうちの1つに記載の方法を用いて、良性病変と比較して悪性病変を決定する方法であって、上記悪性病変は、非線形剪断波弾性のレベルに基づいて検出される、
方法。 - 請求項1~38のうちの1つに記載の方法を用いて、良性病変と比較して悪性病変を決定する方法であって、研究される媒体は、生物学的な乳腺及び/又は腋窩組織である、
方法。 - 超音波プローブ(6)及びマイクロコンピュータ(4)を備えるイメージング装置(1)であって、請求項1~39のうちの1つに記載された、媒体の非線形剪断波弾性を定量化する方法を実施するように適応化されたイメージング装置(1)。
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