KR101306491B1 - A method for measuring shear modulus of tissue - Google Patents

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KR101306491B1
KR101306491B1 KR1020120065432A KR20120065432A KR101306491B1 KR 101306491 B1 KR101306491 B1 KR 101306491B1 KR 1020120065432 A KR1020120065432 A KR 1020120065432A KR 20120065432 A KR20120065432 A KR 20120065432A KR 101306491 B1 KR101306491 B1 KR 101306491B1
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ultrasonic
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정목근
권성재
박정만
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대진대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A method for measuring the transverse elasticity characteristics of tissues is provided to estimate quantitatively the speed of transverse waves which occurs perpendicularly to the transmission direction of ultrasonic waves, thereby improving the accuracy of diagnosis results. CONSTITUTION: An ultrasonic image apparatus transmits ultrasonic waves to a first phantom changing a length of a transmission time multiple times. The apparatus measures the maximum displacement time when the displacement of the first phantom is maximized along a transmission direction in a focus depth of the ultrasonic waves. The apparatus obtains the transverse elasticity characteristics of the first phantom using the known specific parameters of the apparatus and correlation between the transmission time and the maximum displacement time. The transverse elasticity characteristics of the first phantom are the acoustic velocity of transverse waves which occur perpendicularly to the transmission direction of the ultrasonic waves.

Description

인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법{A Method for Measuring Shear Modulus of Tissue}A Method for Measuring Shear Modulus of Tissue

본 발명은 의료용 초음파 영상장치에서 고출력의 초음파를 송신할 경우 음향 복사력에 의하여 인체 조직에서 발생되는 변형으로부터 횡탄성 특성을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파 송신에 의한 변형으로부터 횡탄성 특성을 미리 알고 있는 시험용 팬텀에서 구한 상기 초음파 영상장치의 고유 파라미터와 상기 초음파 송신에 의하여 발생되는 진단하고자 하는 인체 조직의 시간에 따른 변위 특성을 이용하여 고출력 초음파의 송신시 상기 인체 조직에서 발생되는 변형으로부터 횡탄성 특성을 정량적으로 간편하게 측정할 수 있는 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for measuring lateral elasticity characteristics from deformation generated in human tissue by acoustic radiation force when transmitting high power ultrasound in a medical ultrasound imaging apparatus, and more particularly, transverse elasticity from deformation caused by ultrasonic transmission. Deformation generated in the human tissue during the transmission of high power ultrasound by using the unique parameters of the ultrasound imaging apparatus obtained from a test phantom whose characteristics are known in advance and displacement characteristics of the human tissue to be diagnosed by the ultrasonic transmission. The present invention relates to a method for measuring transverse elastic properties of human tissues from which the transverse elastic properties can be quantitatively and easily measured.

일반적으로 인체의 연조직에 발생되는 암이나 종양 등의 병변 조직은 주위의 조직보다 단단한 특성을 가지기 때문에 진단 부위의 조직에 대한 탄성을 측정하여 영상화하면 암이나 종양과 같은 병변 조직의 발생 여부를 진단할 수 있다.In general, lesion tissues such as cancers or tumors that occur in the soft tissues of the human body have harder properties than those of surrounding tissues. Can be.

근래에 널리 상용화되고 있는 의료용 탄성 영상법(elasticity imaging)은 이러한 인체 연조직의 역학적 성질에 근거한 것으로서, 진단 부위에 외부력을 작용시킬 경우 발생되는 조직의 변형을 이용하여 해당 조직의 탄성을 측정하고 이를 영상화시켜 병변 조직을 검출하는 기술이다.Medical elastic imaging, which is widely commercialized in recent years, is based on the mechanical properties of soft tissues of human body, and measures elasticity of tissues by using deformation of tissues generated when external force is applied to the diagnosis site. It is a technique of detecting lesion tissue by imaging.

종래 기술에 따른 의료용 탄성 영상법의 경우 조직의 종탄성(compressional mudulus) 특성을 이용하는 방식이 주로 사용되었는데, 이는 진단자가 초음파를 발생시키는 트랜듀서를 직접 손으로 조작하여 진단부위를 압축함으로써 진단부위에 외부력을 작용시키고, 이때 발생되는 조직의 변형률을 초음파로 측정하여 영상화하는 방식으로 구성되었다.In the medical elastic imaging method according to the prior art, the method using the compressive mudulus characteristic of the tissue was mainly used. This is performed by the diagnoser by compressing the diagnosis site by directly manipulating a transducer that generates ultrasound by hand. The external force was applied, and the strain of the tissue generated at this time was measured by imaging with ultrasound.

이와 같이 진단 부위의 조직에 대한 종탄성 특성을 이용한 탄성 영상법은 본 발명의 발명자 등이 출원한 하기 [문헌 1] 등에 상세히 개시되어 있다.As described above, the elastic imaging method using the longitudinal elasticity characteristic of the tissue at the diagnosis site is disclosed in detail in the following Document 1, etc. filed by the inventors of the present invention.

그러나, 이러한 조직의 종탄성 특성을 이용한 방식은 유방이나 전립선과 같이 피부와 가까운 부위를 영상화하기에는 유용하나, 간이나 신장과 같이 인체 내부에 위치한 부위에 대해서는 외부 압축력을 제공하기가 용이하지 않기 때문에 병변 조직의 발생 여부를 정확하게 진단하기 곤란하다는 문제점이 있었다.However, the method using the elasticity of these tissues is useful for imaging areas close to the skin such as the breast or prostate, but it is not easy to provide external compressive force to areas located inside the human body such as the liver or kidneys. There was a problem that it is difficult to accurately diagnose the occurrence of tissue.

따라서, 최근에는 인체 조직에 고출력의 초음파를 인체 내부에 송신할 경우 초점에서 발생되는 음향 복사력에 의하여 상기 조직이 송신된 초음파 음장 방향으로 밀려서 변형되는 탄성 특성을 이용하여 병변 조직의 발생 여부를 판단하는 음향 복사력 영상법(acoustic radiation force impulse imaging)을 이용한 기술이 개발되고 있다.Therefore, recently, when transmitting a high-power ultrasound to the human tissue inside the human body to determine the occurrence of the lesion tissue by using the elastic characteristics that are deformed by being pushed in the direction of the ultrasonic sound field transmitted by the acoustic radiation force generated from the focus A technique using acoustic radiation force impulse imaging has been developed.

그러나, 이와 같이 음향 복사력 영상법을 이용하여 조직의 탄성 특성을 측정하는 경우에도 해당 조직의 탄성 특성을 정성적으로만 알 수 있을 뿐이기 때문에 진단 결과의 정확성이 저하되는 문제점이 있다.However, even when measuring the elastic properties of the tissue by using the acoustic radiation imaging method as described above only because the elastic properties of the tissue can be known only qualitatively, there is a problem that the accuracy of the diagnosis result is reduced.

따라서, 상술한 음향 복사력에 의하여 발생되는 인체 조직의 변형에 대한 탄성 특성을 정량적으로 측정함으로써 진단 결과의 정확성을 제고할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
Therefore, there is an urgent need for a technique capable of improving the accuracy of a diagnosis result by quantitatively measuring elastic properties of deformation of human tissue caused by the above-mentioned acoustic radiation.

[문헌 1] 한국공개특허 제2007-013981호(2007. 01. 31. 공개)
[Document 1] Korean Patent Publication No. 2007-013981 (published Jan. 31, 2007)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 의료용 초음파 영상장치에서 고출력의 초음파를 송신할 경우 인체 조직의 내부에서 상기 송신된 초음파의 음장 방향으로 발생되는 변형을 이용하여 상기 인체 조직의 횡탄성 특성을 정량적으로 측정함으로써 초음파 영상장치에 의한 진단결과의 정확성을 크게 제고할 수 있는 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법을 제공하기 위한 것이다.
The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is a deformation that occurs in the sound field direction of the transmitted ultrasound inside the human tissue when transmitting a high-power ultrasound in the medical ultrasound imaging apparatus By measuring the transverse elastic properties of the human tissue by using a quantitative measure to provide a method of measuring the transverse elastic properties of the human tissue that can greatly improve the accuracy of the diagnosis results by the ultrasound imaging apparatus.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법은 초음파 영상장치를 이용하여 진단하고자 하는 제1팬텀에 송신시간(τ)의 길이를 복수 회 변화시키면서 초음파를 송신하고, 각각의 경우 상기 초음파의 초점 깊이에서 송신방향으로 상기 제1팬텀의 변위가 최대가 되는 최대변위시간(tmax)을 측정하는 제1단계와, 상기 제1단계의 측정결과로부터 얻은 상기 송신시간(τ)과 최대변위시간(tmax) 사이의 상관관계와 미리 알고 있는 상기 초음파 영상장치의 고유 파라미터(K)를 이용하여 상기 제1팬텀의 횡탄성 특성을 구하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the method of measuring the lateral elasticity of human tissue according to the present invention transmits ultrasonic waves while changing the length of the transmission time τ a plurality of times to the first phantom to be diagnosed using an ultrasonic imaging apparatus. In each case, a first step of measuring a maximum displacement time (t max ) at which the displacement of the first phantom is maximized in the transmission direction at the depth of focus of the ultrasonic wave, and the transmission time obtained from the measurement result of the first step and a second step of obtaining a lateral elasticity characteristic of the first phantom by using a correlation between the τ and the maximum displacement time t max and an inherent parameter K of the ultrasonic imaging apparatus known in advance. It is done.

또한, 상기 제2단계는, 상기 제1단계의 측정결과로부터 상기 최대변위시간(tmax)을 송신시간(τ)의 일차함수로 근사하는 제2-1단계와, 상기 일차함수에 대한 상기 최대변위시간(tmax)의 절편(β)과, 상기 초음파 영상장치의 고유 파라미터(K)를 이용하여 상기 제1팬텀의 횡탄성 특성을 구하는 제2-2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the second step may include a step 2-1 of approximating the maximum displacement time t max from the measurement result of the first step to the first function of the transmission time τ, and the maximum value of the first function. And calculating a transverse elasticity characteristic of the first phantom using the intercept β of the displacement time t max and the inherent parameter K of the ultrasound imaging apparatus.

또한, 상기 제1팬텀의 횡탄성 특성은 송신된 초음파에 의하여 제1팬텀이 진동함으로써 상기 초음파의 송신방향과 수직한 방향인 횡방향으로 발생되는 횡파의 음속도(cs)이고, 상기 제2-2단계는 아래의 [수식 1]에 의하여 상기 횡파의 음속도(cs)를 구하는 것을 특징으로 한다.In addition, the lateral elasticity characteristic of the first phantom is the sound velocity (c s ) of the transverse wave generated in the transverse direction which is a direction perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic wave by vibrating the first phantom by the transmitted ultrasonic waves, the second Step -2 is characterized by obtaining the sound velocity (c s ) of the shear wave by the following Equation 1.

[수식 1][Equation 1]

Figure 112012048539084-pat00001
Figure 112012048539084-pat00001

또한, 상기 제2-2단계는 아래의 [수식 2]에 의하여 상기 횡파의 음속도(cs)로부터 상기 제1팬텀의 횡방향 탄성계수인 횡탄성 계수(μ)를 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step 2-2 further includes the step of obtaining a transverse elastic modulus (μ), which is a lateral elastic modulus of the first phantom, from the sound velocity (c s ) of the shear wave according to Equation 2 below. It is characterized by.

[수식 2][Equation 2]

Figure 112012048539084-pat00002
Figure 112012048539084-pat00002

또한, 상기 초음파 영상장치의 고유 파라미터(K)는, 상기 초음파 송신에 의해 진동함으로써 상기 초음파의 송신방향과 수직한 방향으로 발생되는 횡파의 음속도(cs0)를 미리 알고 있는 제2팬텀에 송신시간(τ0)의 길이를 복수 회 변화시키면서 초음파를 송신하여 각각의 경우 상기 초음파의 초점 깊이에서 송신방향으로 상기 제2팬텀의 변위가 최대가 되는 최대변위시간(tmax0)을 측정하고, 상기 측정결과로부터 최대변위시간(tmax0)을 송신시간(τ0)의 일차함수로 근사한 후, 상기 일차함수에 대한 최대변위시간(tmax0)의 절편(β0)을 아래의 [수식 3]에 적용하여 구해지는 것을 특징으로 한다.In addition, the inherent parameter K of the ultrasonic imaging apparatus is transmitted to the second phantom in which the sound velocity c s0 of the shear wave generated in the direction perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic waves by vibrating by the ultrasonic transmission is known in advance. Ultrasonic waves are transmitted by varying the length of time τ 0 a plurality of times, and in each case, the maximum displacement time t max0 at which the displacement of the second phantom is maximized in the transmission direction at the depth of focus of the ultrasonic waves is measured. After approximating the maximum displacement time (t max0 ) from the measurement result to the first function of the transmission time (τ 0 ), the intercept (β 0 ) of the maximum displacement time (t max0 ) with respect to the primary function is expressed by Equation 3 below. It is characterized by being obtained by application.

[수식 3][Equation 3]

Figure 112012048539084-pat00003

Figure 112012048539084-pat00003

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법은 초음파를 송신하여 진단하고자 하는 인체 조직에 음향 복사력을 발생시킬 때 송신 음장의 시간 길이 변화에 따른 상기 인체 조직의 변위 특성을 이용하여 상기 인체 조직 내부에서 초음파의 송신 방향과 수직한 방향으로 발생되는 횡파의 속도를 정량적으로 추정함으로써 상기 인체 조직의 횡탄성 특성을 정량적으로 측정할 수 있기 때문에 초음파 영상장치에 의한 진단결과의 정확성을 제고할 수 있다는 장점이 있다.
As described above, the method of measuring the lateral elasticity of human tissues according to the present invention utilizes the displacement characteristics of the human tissues according to the change in the length of time of the transmission sound field when generating an ultrasonic radiation force on the human tissue to be diagnosed by transmitting ultrasonic waves. By quantitatively estimating the velocity of the shear wave generated in the direction perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic waves inside the human tissue, the transverse elastic properties of the human tissue can be measured quantitatively, thereby improving the accuracy of the diagnosis result by the ultrasound imaging apparatus. The advantage is that it can be improved.

도1은 초음파 송신에 의해 인체 조직 내부에서 음향 복사력과 횡파가 발생되는 원리를 설명하기 위한 도면,
도2 내지 도7은 각각 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법의 이론적 배경을 설명하기 위한 도면,
도8 내지 도10은 각각 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법을 설명하기 위한 도면, 및
도11은 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 측정방법이 적용된 초음파 영상장치의 구성을 나타낸 도면이다.
1 is a view for explaining the principle of generating acoustic radiation and shear waves inside the human tissue by ultrasonic transmission;
2 to 7 are views for explaining the theoretical background of the method of measuring the transverse elasticity of the human tissue according to the present invention, respectively;
8 to 10 are views for explaining a method of measuring the transverse elastic properties of human tissue according to the present invention, and
FIG. 11 is a diagram illustrating the configuration of an ultrasound imaging apparatus to which a method of measuring transverse elasticity of human tissues is applied.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도1은 초음파 송신에 의해 인체 조직 내부에서 음향 복사력과 횡파가 발생되는 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도2 내지 도7은 각각 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법의 이론적 배경을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the principle of the generation of acoustic radiation and shear waves inside the human tissue by ultrasonic transmission, Figures 2 to 7 each show the theoretical background of the method of measuring the transverse elastic properties of the human tissue according to the present invention It is a figure for demonstrating.

또한, 도8 내지 도10은 각각 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법을 설명하기 위한 도면이고, 도11은 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 측정방법이 적용된 초음파 영상장치의 구성을 나타낸 도면이다.
8 to 10 are views for explaining a method of measuring the lateral elasticity of the human tissue according to the present invention, Figure 11 is a configuration of the ultrasonic imaging apparatus to which the method of measuring the lateral elasticity of the human tissue according to the present invention The figure shown.

일반적으로 1MHz 내지 10MHz 정도의 고출력 초음파를 인체의 연조직에 송신하면 초음파의 음압에 의하여 조직이 상기 초음파의 송신방향으로 밀려나게 되는데 이러한 힘을 음향 복사력(acoustic radiation force)이라 하며, 그 크기는 하기 [수학식 1]과 같이 나타난다.In general, when a high-power ultrasound of about 1MHz to 10MHz is transmitted to the soft tissue of the human body, the tissue is pushed by the sound pressure of the ultrasound in the direction of transmission of the ultrasound. This force is called acoustic radiation force, and the magnitude thereof is as follows. It appears as shown in [Equation 1].

Figure 112012048539084-pat00004
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이때, 상기 I는 초음파의 음압 강도(intensity)[w/㎠]이고, 상기 α는 조직의 감쇄계수[Np/m]이며, c는 종파의 음속도[m/s]이다.Where I is the sound pressure intensity [w / cm 2] of the ultrasonic wave, α is the attenuation coefficient of the tissue [Np / m], and c is the sound velocity of the longitudinal wave [m / s].

이러한 음향 복사력에 의하여 조직이 밀려나게 되면 도1에 도시한 바와 같이 상기 조직의 진동으로 인하여 초음파 음장의 송신방향과 수직한 방향인 횡방향으로 횡파가 발생하게 되는데, 전술한 바와 같이 인체의 연조직에 병변 조직이 발생될 경우 연조직이 단단해지면서 탄성값이 증가하기 때문에 횡파의 음속도도 이에 비례하여 증가하는 특성을 가지게 된다.When the tissue is pushed out by the acoustic radiation force, as shown in Fig. 1, a transverse wave is generated in a transverse direction perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic sound field due to the vibration of the tissue, as described above. When the lesion tissue is generated, the soft tissue becomes harder and the elasticity value increases, so the sound velocity of the shear wave increases in proportion to it.

또한, 이 경우 상기 횡파의 음속도(cs)는 해당 조직의 탄성계수와의 사이에 하기 [수학식 2]와 같은 관계를 가지는 것으로 알려져 있는데, E와 μ는 각각 해당 조직의 종탄성 계수 및 횡탄성 계수이고, ρ는 해당 조직의 밀도이며, ν는 포아슨비(Poisson's ratio)이다. In this case, the sound velocity (c s ) of the shear wave is known to have a relationship as shown in [Equation 2] between the elastic modulus of the tissue, where E and μ are the elastic modulus of the tissue and Is the lateral elastic modulus, ρ is the density of the tissue and ν is the Poisson's ratio.

Figure 112012048539084-pat00005
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따라서, 진단하고자 하는 인체 조직에서 음향 복사력에 의하여 발생되는 횡파의 음속도를 측정할 경우 상기 [수학식 2]에 의하여(즉, μ=ρcs 2) 조직의 상기 횡방향 탄성값인 횡탄성 계수를 알 수 있게 되므로 해당 조직에서 병변 조직이 발생되었는지 여부를 진단할 수 있게 된다.Therefore, when measuring the sound velocity of the shear wave generated by the acoustic radiation force in the human tissue to be diagnosed, the transverse elasticity which is the transverse elasticity value of the tissue by [Equation 2] (that is, μ = ρc s 2 ) By knowing the counts, it is possible to diagnose whether lesion tissue has developed in the tissue.

본 발명에서 이용하고 있는 음향 복사력 영상법은 상술한 바와 같은 특성을 이용하여 인체 조직의 횡탄성 특성을 측정하고 영상화함으로써 병변 조직의 발생 여부를 진단하는 방법이며, 본 명세서의 전체에서 의료용 초음파 영상장치라 함은 초음파 송신에 의한 상기 음향 복사력 영상법을 이용하는 영상장치를 의미한다.
The acoustic radiation imaging method used in the present invention is a method for diagnosing the occurrence of lesion tissue by measuring and imaging the lateral elasticity characteristics of human tissues using the characteristics as described above. The apparatus means an imaging apparatus using the acoustic radiation imaging method by ultrasonic transmission.

본 발명은 전술한 바와 같이 음향 복사력에 의하여 발생되는 인체 조직의 시간에 따른 변위 특성을 이용하여 조직의 횡탄성 특성(구체적으로는 횡파의 음속도 또는 횡탄성 계수)을 추정함으로써 간접적인 방식에 의해 정량적으로 측정하는 것을 특징으로 하며, 이하에서는 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법의 이론적 근거에 관하여 상세히 설명하기로 한다.The present invention uses an indirect method by estimating the transverse elastic properties (specifically, the sound velocity or transverse modulus of shear waves) of tissue using the displacement characteristics of the human tissue generated by acoustic radiation as described above. It is characterized by measuring quantitatively, hereinafter will be described in detail with respect to the theoretical basis of the measuring method of the transverse elastic properties of human tissue according to the present invention.

전술한 바와 같이 음향 복사력을 발생시키기 위하여 수백 ㎲ 시간 길이의 초음파를 송신하면 조직이 밀려났다가 다시 원위치로 복귀하게 되는데, 이 경우 초음파의 송신 시간을 증가시키면 상대적으로 큰 음향 복사력이 발생되어 조직은 더 멀리 밀려났다가 원위치로 복귀하게 된다.As described above, when transmitting ultrasonic waves of several hundreds of hours to generate acoustic radiation force, the tissue is pushed back to the original position. In this case, when the transmission time of the ultrasonic waves is increased, a relatively large acoustic radiation force is generated. The tissue is pushed further away and returned to its original position.

즉, 인체의 연조직과 같은 탄성 매질에서 음향 복사력을 발생시키기 위하여 송신하는 초음파 음장의 송신시간 길이 τ와 매질이 최대 변위에 도달하는 시간 tmax는 선형적인 비례관계를 가지는 특성을 나타내는데, 이를 실험적으로 살펴보면 다음과 같다.That is, the transmission time length τ of the ultrasonic sound field transmitted to generate acoustic radiation force in the elastic medium such as the soft tissue of the human body and the time t max at which the medium reaches the maximum displacement have a linear proportional relationship. Looking at it as follows.

먼저, 집속 초음파 빔의 초점에서 음향 복사력에 의하여 발생되는 변위의 일반적인 시간 파형은 도2에 도시한 바와 같이 초기에는 시간에 따라 상대적으로 빠르게 상승하고, 최대값에 도달한 이후에는 점차적으로 감소하는 경향을 나타낸다.First, the general time waveform of the displacement generated by the acoustic radiation force at the focus of the focused ultrasound beam initially rises relatively quickly with time as shown in FIG. 2 and gradually decreases after reaching the maximum value. It shows a tendency.

이때, 변위의 상승시간, 즉 최대 변위에 도달하는 시간 tmax는 주로 조직의 탄성에 의하여 결정되며, 변위가 감소하는 이완 곡선(relaxation curve)은 점성에 큰 영향을 받게 된다. At this time, the rise time of the displacement, that is, the time t max to reach the maximum displacement is mainly determined by the elasticity of the tissue, and the relaxation curve in which the displacement decreases is greatly influenced by the viscosity.

또한, 상기 조직의 횡탄성값은 조직의 진동에 의하여 초음파의 송신 방향과 수직한 방향으로 발생되는 횡파의 속도와 밀접한 관계가 있다.In addition, the lateral elasticity value of the tissue is closely related to the velocity of the transverse wave generated in the direction perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic wave by the vibration of the tissue.

이러한 특성을 이용하여 본 발명에서는 상기 tmax의 측정을 통하여 간편하게 횡파의 음속도를 정량적으로 측정할 수 있다.In the present invention using this characteristic, the sound velocity of the shear wave can be quantitatively measured simply by measuring the t max .

이를 위하여 본 발명에서는 변위-시간 곡선을 분석하여 상승시간에 대한 특성을 파악하기 위하여 도3과 같은 체적력(집속 초음파 빔)의 공간 분포를 고려하는데, 상기 체적력은 y방향으로 작용하고 Wxz와 Wy는 각각 측방향과 깊이 방향의 송신 음장 폭이다.To this end, the present invention considers the spatial distribution of the volumetric force (focused ultrasound beam) as shown in FIG. 3 in order to analyze the displacement-time curve to determine the characteristics of the rise time. The volumetric force acts in the y direction and W xz And W y are the transmission sound field widths in the lateral and depth directions, respectively.

펄스폭이 τ0이고 체적력의 크기가 3D 가우시안 분포를 가지면서 -20dB까지 감소되는 타원체 형태의 체적력 분포에 대하여 탄성 팬텀에서의 변위 상승시간은 하기 [수학식 3]와 같은 근사식으로 표현될 수 있다.The displacement rise time in the elastic phantom is expressed by an approximation equation as shown in [Equation 3] below for the ellipsoidal shape force distribution whose pulse width is τ 0 and the magnitude of the volume force is reduced to -20dB with the 3D Gaussian distribution. Can be.

Figure 112012048539084-pat00006
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여기서 상수들 p와 b는 체적력의 공간 분포 모양과 크기 분포에 의존하는 상수이다. 위 식은 체적력 분포의 중심인 원점에서의 변위 상승시간이므로, 실험적으로 tmax를 측정하면 [수학식 3]에 근거하여 횡파 속도 cs를 계산할 수 있게 된다.Where the constants p and b are constants that depend on the spatial and shape distributions of the volumetric forces. The above equation is the displacement rise time at the origin, which is the center of the volume force distribution. Therefore, when t max is measured experimentally, the shear wave velocity c s can be calculated based on [Equation 3].

가우시안 타원체(Gaussian spheroid) 형태의 체적력 분포에 대한 [수학식 3]이 다른 형태의 체적력에 대해서도 만족하는지 여부를 고찰할 필요성이 있는데, 이는 데이터 획득 시스템인 초음파 영상장치에 따라 체적력의 분포 형태도 달라지므로 임의의 초음파 영상장치(즉, 음형 복사력 영상법을 이용하는)로 [수학식 3]을 사용하여 횡파 속도를 추정할 수 있는지를 확인하기 위한 과정이다. It is necessary to consider whether Equation 3 for the volumetric force distribution of the Gaussian spheroid form satisfies the other types of volumetric force. Since the shape is also different, it is a process for checking whether the shear wave velocity can be estimated using Equation 3 with an arbitrary ultrasonic imaging apparatus (that is, using the negative radiative imaging method).

체적력의 크기는 1 N/㎥로 균일하면서 육면체 형태의 분포를 갖는(도3의 (a) 참조) 균일 육면체(homogeneous hexahedron) 형태의 체적력인 경우에서 펄스폭 τ0에 따른 변위-시간 곡선의 변화를 도4에 나타내고 있다. The displacement-time curve according to the pulse width τ 0 in the case of volumetric force of homogeneous hexahedron type with uniform and hexahedral distribution (see FIG. 3 (a)) with a volume of 1 N / m 3. Is shown in FIG.

펄스폭이 증가하면 최대변위 umax와 최대변위 도달시간 tmax는 증가한다. 하지만, 펄스폭이 대략 100㎲를 넘어서면 umax의 증가 정도는 느려지고 1000㎲ 이상이 되면 최대변위는 포화상태에 도달된다.As the pulse width increases, the maximum displacement u max and the maximum displacement arrival time t max increase. However, when the pulse width exceeds approximately 100 ms, the increase of u max is slowed down, and when the pulse width is over 1000 Hz, the maximum displacement reaches saturation.

도4의 점선을 참고하면, 펄스폭이 작은 영역에서 tmax는 τ0에 따라 선형적으로 증가한다. 균일 육면체, 균일 타원체(homogeneous spheroid), 가우시안 타원체에 대한 펄스폭에 따른 tmax의 변화는 도5에 나타내었다. Referring to the dotted line of FIG. 4, in the region where the pulse width is small, t max increases linearly with τ 0 . The change in t max according to the pulse width for the uniform hexahedron, homogeneous spheroid, and Gaussian ellipsoid is shown in FIG. 5.

도5의 점선들은 주어진 체적력 분포 형태들에 대해 2csτ0 < Wxz 영역에서 선형성을 만족하는 데이터를 [수학식 3]으로 선형 근사한 것이다. 여러 가지 체적력 분포 형태에 대한 선형 근사된 상수 값들은 [표 1]에 주어져 있다. The dotted lines in FIG. 5 are linear approximations of data satisfying linearity in the region of 2c s τ 0 <W xz for given volumetric force distribution forms. Linear approximated constant values for the various volumetric force distribution patterns are given in Table 1.

[표 1]의 상수는 [수학식 3]에서 τ0 단위가 s, Wxz 단위가 m, cs 단위가 m/s일 때 주어진 값이다. 3가지 경우 모두에 대해 조건 2csτ0 < Wxz를 만족하도록 펄스폭이 작으면 τ0에 따른 tmax의 변화는 [수학식 3]과 같은 선형 의존성이 잘 만족됨을 알 수 있다.The constants in Table 1 are given when τ 0 units are s, W xz units are m, and c s units are m / s in [Equation 3]. For all three cases, if the pulse width is small to satisfy the condition 2c s τ 0 <W xz , it can be seen that the change of t max according to τ 0 satisfies the linear dependence as shown in [Equation 3].

체적력 분포 형태Volume distribution form pp bb Homogeneous hexahedronHomogeneous hexahedron 0.5520.552 0.4920.492 Homogeneous spheroidHomogeneous spheroid 0.2610.261 0.4820.482 Gaussian spheroidGaussian spheroid 0.6140.614 0.2900.290

[수학식 3]에서 tmax는 Wxz에도 선형적으로 의존한다. 따라서, Wxz에 따른 tmax의 변화를 [수학식 3]과 [표 1]의 상수를 사용하여 그래프를 그려보면 상기 [수학식 3]과 [표 2]의 상수값들의 정확성 여부를 확인할 수 있다. In Equation 3, t max also depends linearly on W xz . Therefore, when plotting the change of t max according to W xz using the constants of [Equation 3] and [Table 1], it is possible to confirm the accuracy of the constant values of [Equation 3] and [Table 2]. have.

도6에서는 균일 육면체, 균일 타원체, 가우시안 타원체형 체적력 분포로부터 얻어진 tmax의 변화를 Wxz의 함수로 보이고 있다. 도6에서 점선은 [수학식 3]으로 선형 근사한 tmax의 변화이며, 2csτ0 < Wxz인 영역에서 Wxz에 따른 상승시간의 변화를 잘 표현하고 있다. In Fig. 6, the change of t max obtained from the uniform hexahedron, uniform ellipsoid, and Gaussian ellipsoidal volume distribution is shown as a function of W xz . In FIG. 6, the dotted line represents the change of t max linearly approximated by [Equation 3], and well represents the change of the rise time according to W xz in the region of 2c s τ 0 <W xz .

원형 집속 탐촉자에 의한 체적력(음향 복사력) 분포가 초점에서 발생시킨 변위에 대한 해석적 근사 표현식은 Sarvazyan 등에 의해 도출되었으며, 그 결과는 하기 [수학식 4]와 같다.An analytical approximation of the displacement generated by the circular focus transducer with volumetric (acoustic radiative force) at the focal point was derived by Sarvazyan et al., And the result is shown in [Equation 4].

Figure 112012048539084-pat00007
Figure 112012048539084-pat00007

여기서, a와 d는 각각 단일 소자 탐촉자의 반경과 곡률 반경(초점 거리)이고, I0는 빔 축상 초음파의 초기 강도, γ(gamma)=ηs/ρ로 동적 전단 점성계수(shear viscosity)이며, D=2cd/ωa2 (ω는 각진동수)이다. Where a and d are the radius and the radius of curvature (focal distance) of the single-element transducer, respectively, and I 0 is the initial shear intensity of the beam axial ultrasound, γ (gamma) = η s / ρ, which is the dynamic shear viscosity. , D = 2cd / ωa 2 (ω is the angular frequency).

상기 [수학식 4]는 초음파 빔의 펄스폭 τ0가 빔의 횡방향을 횡파가 통과하는데 필요한 시간보다 작고, 초점 영역에서 축방향의 빔폭이 횡방향의 그것보다 아주 큰 경우에 적용된다. Equation 4 is applied when the pulse width? 0 of the ultrasonic beam is smaller than the time required for the transverse wave to pass in the transverse direction of the beam, and the beam width in the axial direction in the focal region is much larger than that in the transverse direction.

초점에서의 변위는 초기에 시간에 따라 증가하여 최대에 도달하며(도2 참조), [수학식 4]로부터 최대 변위에 도달하는 시간은 하기 [수학식 5]와 같이 주어진다.The displacement at the focal point initially increases with time to reach the maximum (see Fig. 2), and the time to reach the maximum displacement from Equation 4 is given by Equation 5 below.

Figure 112012048539084-pat00008
Figure 112012048539084-pat00008

한편, 원형 집속 탐촉자에 의한 초점면에서의 음향 복사력은 가우시안 분포를 가지며 하기 [수학식 6]과 같이 주어진다.On the other hand, the acoustic radiation force at the focal plane by the circular focusing probe has a Gaussian distribution and is given by Equation 6 below.

Figure 112012048539084-pat00009
Figure 112012048539084-pat00009

이때, 는 초점에서의 체적력 크기이며,

Figure 112012048539084-pat00011
이다. At this time, Is the magnitude of the volume force at the focus,
Figure 112012048539084-pat00011
to be.

또한, 초점면에서 횡방향으로 -20dB 까지의 폭은

Figure 112012048539084-pat00012
이므로, 상기 [수학식 6]은 하기 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.Also, a width of -20 dB in the transverse direction at the focal plane
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Therefore, Equation 6 may be expressed as Equation 7 below.

Figure 112012048539084-pat00013
Figure 112012048539084-pat00013

상기 [수학식 7]을 [수학식 3]와 비교하면 [수학식 3]에서 나타나는 tmax의 펄스폭 τ0에 대한 의존성을 나타내는 항이 없으나, Wxz/cs 의존성은 완전히 일치한다. 이는 이론적 유도식인 [수학식 7]은 τ0→0인 극한에서 tmax의 표현식임을 말해주며, 수치계산을 통해 얻어진 [수학식 3]이 적절한 함수 형태의 근사식임을 보여준다.Comparing [Equation 7] to [Equation 3], there is no term indicating a dependency on the pulse width τ 0 of t max shown in [Equation 3], but the W xz / c s dependency is completely consistent. This suggests that the theoretical derivation [Equation 7] is an expression of t max at the limit of τ 0 → 0, and shows that Equation 3 obtained through numerical calculation is an approximation of a proper function form.

[수학식 3]에서 τ0의 함수로 tmax 그래프를 그리면 수직축 절편이 극한 τ0→0에서의 상승시간 bWxz/cs이므로 이 절편 값을 이용하여 조직의 횡파 속도를 추정할 수 있다. If we plot t max as a function of τ 0 in Equation 3, the vertical intercept is the rise time bW xz / c s at the limit τ 0 → 0, so we can estimate the shear wave velocity of the tissue using this intercept value.

이를 위해, 음향 복사력 영상법에서는 한 개의 지점(초점)에서만 변위-시간 곡선을 측정하여 횡파 속도를 계산하여야 하므로 측정 장비를 교정(calibration)하는 것이 필요하다. For this purpose, it is necessary to calibrate the measuring equipment since acoustic transmissivity imaging has to calculate the shear wave velocity by measuring the displacement-time curve at only one point (focus).

이제 횡파 속도가 cs=c0로 알려진 시험용 팬텀 시료에서 펄스폭 τ0의 함수로 tmax를 측정하여 미지수 bWxz를 결정함으로써 측정 장비를 교정하는 방법을 기술한다. We now describe how to calibrate the measurement instrument by determining the unknown bW xz by measuring t max as a function of the pulse width τ 0 on a test phantom sample whose shear wave velocity is known as c s = c 0 .

상기 [수학식 3]에서 보였듯이 2csτ0 < Wxz, Wxz ≪ Wy인 조건에서 tmax는 τ0에 따라 선형적으로 증가한다. 따라서, 측정 데이터는 도7과 같은 경향을 보이게 되고, tmax는 하기 [수학식 8]과 같이 선형 근사된다.As shown in Equation 3, t max increases linearly with τ 0 under the condition of 2c s τ 0 <W xz and W xz ≪W y . Therefore, the measurement data tends to be as shown in FIG. 7, and t max is linearly approximated as shown in Equation 8 below.

Figure 112012048539084-pat00014
Figure 112012048539084-pat00014

이때, 수직축 절편이 β이므로 [수학식 3]과 비교하면 β=(bWxz)/C0 가 되기 때문에 미지수 bWxz는 하기 [수학식 9]와 같이 주어지고 횡파 속도가 cs=c0로 알려져 있기 때문에 bWxz 값을 계산할 수 있어서 측정 장비는 교정된다.In this case, since the vertical axis intercept is β, β = (bW xz ) / C 0 compared to Equation 3] . Since the unknown bW xz is given by Equation 9 below and the shear wave velocity is known as c s = c 0 bW xz The value can be calculated so that the measuring instrument is calibrated.

Figure 112012048539084-pat00015
Figure 112012048539084-pat00015

여기서, 체적력 분포의 Wxz는 직접 측정하기가 곤란하므로 미지수 b와 묶어서 새로운 시스템 파라미터 K를 도입하였으며, 이는 인체 조직의 횡탄성을 측정하고자 하는 초음파 영상장치의 고유 파라미터이다.Since W xz of the volume force distribution is difficult to measure directly, a new system parameter K is introduced in combination with an unknown value b, which is an inherent parameter of an ultrasound imaging apparatus for measuring transverse elasticity of human tissue.

상기 고유 파라미터 K가 알려진 초음파 영상장치로 tmax를 측정하여 수직축 절편 β를 얻었다면, 횡파 속도는 하기의 [수학식 10]과 같이 주어질 수 있다.If the vertical parameter intercept β is obtained by measuring t max with an ultrasonic imaging device of which the inherent parameter K is known, the transverse velocity may be given by Equation 10 below.

Figure 112012048539084-pat00016
Figure 112012048539084-pat00016

따라서, 초음파 영상장치(즉, 데이터 획득시스템)를 이용하여 임의의 인체 조직에 음향 복사력 생성을 위한 초음파를 송신하고 이에 따른 조직의 변위(구체적으로는 상기 초음파의 초점 깊이에서 송신방향으로 발생되는 변위)를 측정할 경우, 상기 초음파 영상장치의 고유 파라미터 K와 해당 인체 조직에 대한 도7과 같은 초음파 송신시간(τ)-최대변위 도달시간(tmax)의 그래프에서 최대변위 도달시간의 절편인 β를 구하게 되면 횡파의 음속도 cs를 정량적으로 구할 수 있게 된다.
Therefore, an ultrasound imaging apparatus (i.e., a data acquisition system) is used to transmit ultrasound waves for generating acoustic radiation force to any human tissue, and accordingly, displacement of the tissue (specifically, generated in the transmission direction at the depth of focus of the ultrasound waves). Displacement), which is the intercept of the maximum displacement arrival time in the graph of the ultrasound parameter T of the ultrasound imaging apparatus and the ultrasound transmission time τ-maximum displacement arrival time t max as shown in FIG. If β is found, the sound velocity c s of the shear wave can be quantitatively obtained.

이를 위하여 본 발명에서는 도8에 도시한 바와 같이 진단하고자 하는 인체의 조직내에서 음향 복사력을 발생시키기 위한 초음파 음장의 송신시간 길이를 각각 τ1, τ2, τ3로 증가시키고, 각각의 경우 해당 조직이 최대 변위에 도달하는 시간 t1, t2, t3를 측정한다. To this end, in the present invention, as shown in Fig. 8, the transmission time lengths of the ultrasonic sound fields for generating acoustic radiation in the tissues of the human body to be diagnosed are increased to τ 1 , τ 2 , and τ 3 , respectively. Measure the time t 1 , t 2 , t 3 at which the tissue reaches its maximum displacement.

이와 같이 탄성 매질에서 송신된 초음파 음장의 송신시간 길이(τ)와 이에 의하여 밀려나는 매질이 최대 변위에 도달하는 시간(tmax)는 전술한 바와 같이 선형적인 비례관계를 가지는 특성이 있기 때문에 이를 도9에 도시한 바와 같이 일차 직선으로 근사하면 하기 [수학식 11]과 같은 함수를 얻을 수 있게 되는데, 이는 전술한 [수학식 8]에 대응되는 근사식이다.As described above, the transmission time length τ of the ultrasonic sound field transmitted from the elastic medium and the time t max at which the medium is pushed out reach the maximum displacement have a linear proportional relationship as described above. As shown in Fig. 9, approximation with a first straight line yields a function as shown in Equation 11, which is an approximation equation corresponding to Equation 8 described above.

Figure 112012048539084-pat00017
Figure 112012048539084-pat00017

따라서, 이와 같은 방식으로 상기 [수학식 11]을 구할 경우 해당 인체 조직에 대한 최대변위 도달시간(tmax)의 절편(즉, y축 절편)인 β를 산술적으로 구할 수 있게 된다.Therefore, when [Equation 11] is obtained in this manner, β, which is an intercept (ie, y-axis intercept) of the maximum displacement arrival time t max for the corresponding human tissue can be obtained arithmetically.

또한, 상술한 바와 같이 β를 구하게 되면 상기 [수학식 10]에 의하여 해당 조직의 횡파 음속도 cs를 정량적으로 구할 수 있게 되고, cs를 구할 경우 [수학식 2]에 의하여 해당 조직의 횡탄성 계수를 정량적으로 구할 수 있게 된다.In addition, as described above, when β is obtained, the transverse sound velocity c s of the tissue can be quantitatively obtained by Equation 10, and when c s is obtained, the transverse of the tissue is determined by Equation 2. The elastic modulus can be obtained quantitatively.

다만, 상기 K는 전술한 바와 같이 영상데이터를 얻는 시스템인 초음파 영상장치에 의존하는 고유 파라미터인데, 이는 미리 알려진 값일 수도 있으나 후술하는 바와 같이 음향 복사력에 의하여 발생되는 횡파의 음속도를 미리 알고 있는 시험용 팬텀을 이용하여 구할 수 있다.
However, K is an inherent parameter depending on the ultrasonic imaging apparatus, which is a system for obtaining image data as described above, which may be a previously known value, but is known in advance as a sound velocity of a transverse wave generated by acoustic radiation force, as described below. Can be obtained using a test phantom.

한편, 상술한 바와 같은 방식에 의하여 횡파의 음속도를 정량적으로 구하기 위해서는 음향 복사력에 의하여 발생되는 조직의 변위에 대한 데이터를 획득하는 것이 필요한데, 본 실시예에서는 이를 위하여 다음과 같은 방식을 적용하였다.On the other hand, in order to quantitatively obtain the sound velocity of the shear wave by the above-described method, it is necessary to acquire data on the displacement of the tissue generated by the acoustic radiation force. In this embodiment, the following method is applied. .

먼저, 전술한 바와 같이 고출력의 초음파를 수백 ㎲ 동안 송신할 때 발생되는 음향 복사력에 의하여 밀려나게 되는 인체 연조직의 움직임은 무른 조직일수록 움직인 거리가 늘어나게 된다.First, as described above, the movement of the soft tissue of the human body, which is pushed by the acoustic radiation generated when transmitting high-power ultrasonic waves for hundreds of microseconds, increases the distance the softer tissue moves.

따라서, 초음파의 음압을 인가한 후 인체 조직이 움직인 최대 거리를 측정하거나 최대 거리까지 움직이는데 걸리는 시간을 측정하면 조직의 단단한 정도를 알 수 있으며, 상기 고출력 초음파의 송신이 중단될 경우 조직은 다시 원래 위치로 복귀하게 된다.Therefore, after applying the sound pressure of the ultrasound, measuring the maximum distance moved by the human tissue or measuring the time it takes to move to the maximum distance can determine the tightness of the tissue, when the transmission of the high-power ultrasound stops the tissue again It will return to the position.

상기 음향 복사력에 의한 인체 조직의 움직임은 수 ㎳ 동안 수십 ㎛ 이내의 거리에서 발생되는데, 이때의 움직임을 관찰하기 위하여 본 실시예에서는 짧은 시간 동안 고속으로 영상을 얻어서 저장한다.The movement of human tissue by the acoustic radiation force is generated at a distance of several tens of micrometers for several seconds. In order to observe the movement, the present embodiment obtains and stores an image at high speed for a short time.

이와 같이 저장된 데이터를 이용하여 관찰하고자 하는 영상점이 시간에 따라 움직인 변위를 관찰하면 해당 조직의 탄성 특성을 알 수 있다.The elastic properties of the tissue can be known by observing the displacement of the image point to be observed with time using the stored data.

도10은 상술한 과정을 설명하기 위한 그래프로서, 맨 상부에 있는 그래프는 음향 복사력에 의한 조직의 변위를 나타낸 그래프이고, 중간에 있는 그래프는 음향 복사력 생성을 위한 초음파 음장의 송신시간을 나타낸 그래프이며, 맨 하부에 있는 그래프는 조직의 변위에 대한 영상을 얻는 과정을 설명하는 그래프이다.10 is a graph for explaining the above-described process, a graph at the top of the graph showing the displacement of the tissue by the acoustic radiation force, the graph in the middle shows the transmission time of the ultrasonic sound field for generating the acoustic radiation force The graph at the bottom is a graph describing the process of obtaining an image of the displacement of the tissue.

이를 구체적으로 살펴보면, 먼저 음향 복사력의 생성을 위한 고출력 초음파 음장을 송신하면 조직이 밀리기 시작하고 송신이 중단되면 조직은 다시 원위치로 복귀하게 되는데, 이때 움직임 트랙킹(tracking)을 위한 송신을 짧은 시간 간격으로 반복하여 움직임을 추적하기 위한 영상을 얻는다.In detail, first, when a high-power ultrasonic sound field for the generation of acoustic radiation is transmitted, the tissue starts to push, and when the transmission is stopped, the tissue returns to its original position. In this case, the transmission for the movement tracking is performed for a short time interval. Iteratively obtains an image for tracking the movement.

이때, 음향 복사력이나 횡파 진행에 따른 매질(즉, 시험용 팬텀 또는 진단하고자 하는 인체 조직과 같은 임의의 초음파 탄성 팬텀)의 변위를 관찰하기 위해서는 매우 빠른 속도로 영상을 얻어야 하는데, 기존의 초음파 영상장치는 개별 주사선마다 송신집속을 하는 방식이어서 초당 30프레임 정도의 영상을 얻을 수 있기 때문에 빠르게 변화되는 매질의 움직임을 관찰하기에는 적절하지 못한 단점이 있다.At this time, in order to observe the displacement of the medium (that is, a test phantom or any ultrasonic elastic phantom such as human tissue to be diagnosed) according to the progress of the acoustic radiation or the transverse wave, an image must be obtained at a very high speed. Since transmission is focused on each scan line, an image of about 30 frames per second can be obtained, which is not suitable for observing a rapidly changing medium movement.

따라서, 본 실시예에서는 송신집속을 하지 않고 매우 짧은 시간 길이의 펄스 평면파를 송신하여 얻고자 하는 모든 영역에 초음파 펄스가 지나가도록 하고, 수신된 반사 신호는 한꺼번에 모아서 모든 영상점에 대하여 동적 수신 집속을 수행함으로써 한 번의 송신으로 전체 영역에 대한 영상을 얻을 수 있도록 하였다.Therefore, in the present embodiment, ultrasonic pulses pass through all regions to be obtained by transmitting pulse plane waves having a very short time length without focusing, and the received reflected signals are collected at once to provide dynamic reception focusing for all image points. By doing this, it is possible to obtain the image of the whole area in one transmission.

이와 같은 방법은 기존의 송신 집속을 하는 의료용 초음파 영상에 비하여 해상도의 저하를 가져오는 단점은 있으나, 최대 50mm 깊이의 영상을 얻는데 초당 일만 프레임 정도의 속도로 영상 데이터를 획득할 수 있다는 장점이 있다.(실제적으로 영상 데이터는 전술한 바와 같이 음향 복사력에 의하여 매질이 움직이는 수십 ㎳ 기간만 얻으면 된다.)Such a method has a disadvantage in that the resolution is lowered compared to the conventional medical ultrasound image that focuses on transmission, but it has an advantage that image data can be acquired at a speed of about 10,000 frames per second to obtain an image having a depth of up to 50 mm. (Actually, the image data only needs to obtain a period of several tens of microseconds in which the medium is moved by the acoustic radiation as described above.)

이를 위하여 본 실시예에서는 고속으로 영상 데이터를 얻기 위한 초음파 영상장치를 제작하였는데, 그 구체적인 구성을 도11에 도시하였다.To this end, in the present embodiment, an ultrasonic imaging apparatus for obtaining image data at high speed is manufactured, and a detailed configuration thereof is shown in FIG.

상기 초음파 영상장치는 선형 트랜듀서(40)를 통해 초음파 송신과 반사 신호를 수신하는 초음파 영상모듈(10), 상기 초음파 영상모듈(10)에 연결되어 영상 데이터를 저장하는 인터페이스(20), 및 상기 인터페이스(20)에 저장된 영상 데이터를 이용하여 신호처리를 하는 PC(30)를 포함하여 구성된다.The ultrasound imaging apparatus includes an ultrasound imaging module 10 for receiving ultrasound transmission and reflection signals through a linear transducer 40, an interface 20 connected to the ultrasound imaging module 10, and storing image data, and the It is configured to include a PC 30 for signal processing using the image data stored in the interface 20.

상기 초음파 영상모듈(10)는 기존의 의료용 초음파 영상장치(GE, LOGIQ P6)에서 짧은 펄스 길이의 평면파를 송신할 수 있도록 수정하였으며, 상기 인터페이스(20)는 초당 9800 프레임의 고속도로 영상 데이터를 저장할 수 있도록 하드웨어로 구성하였다.The ultrasound imaging module 10 has been modified to transmit a plane wave of short pulse length in the conventional medical ultrasound imaging apparatus (GE, LOGIQ P6), and the interface 20 can store highway image data of 9800 frames per second. It was configured by hardware.

상기와 같이 구성된 데이터 획득 시스템은 트랜듀서(40)의 각 소자에서 수신된 신호를 증폭하여 아나로그 신호로 인터페이스(20)에 전달하면, 상기 인터페이스(20)의 회로에서 40MHz로 샘플링하여 메모리에 저장하도록 구성된다. The data acquisition system configured as described above amplifies a signal received at each element of the transducer 40 and transmits the analog signal to the interface 20 as an analog signal. It is configured to.

약 30㎳ 동안 저장된 데이터는 데이터 획득이 완료된 이후에 PC(30)로 옮겨져서 신호처리가 이루어지는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 신호처리를 MATLAB을 이용하여 수행하였다.The data stored for about 30 ms is transferred to the PC 30 after the data acquisition is completed, and the signal processing is performed. In this embodiment, the signal processing is performed using MATLAB as an example.

또한, 초음파 탄성 팬텀의 움직임 계산은 움직임이 없는 제일 처음의 기준 프레임의 영상과 움직임이 있는 프레임의 영상에서 각각의 영상점의 위치를 비교하여 변위 정도를 계산하였는데, 트랜듀서(40)에 수직한 주사선 방향으로의 움직임이 가장 크기 때문에 주사선 방향의 1차원 자기상관(auto-correlation) 계산방법을 이용하여 변위를 구하였다.
In addition, the motion calculation of the ultrasonic elastic phantom was calculated by comparing the position of each image point in the image of the first reference frame with no motion and the image of the frame with motion, which is perpendicular to the transducer 40. Since the movement in the scan line direction is the largest, the displacement was calculated using the one-dimensional auto-correlation calculation method in the scan line direction.

상기와 같이 구성된 초음파 영상장치를 이용하여 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성을 정량적으로 측정하는 방법에 관하여 상세히 설명한다.A method of quantitatively measuring the transverse elasticity of human tissue according to the present invention using the ultrasonic imaging apparatus configured as described above will be described in detail.

먼저, 횡파의 음속도 특성을 미리 알고 있는 시험용 초음파 탄성 팬텀(phantom)에 대하여 음향 복사력을 발생시키기 위한 초음파 송신 음장의 송신시간 길이 τ를 변화시켜 가면서 상기 시험용 초음파 탄성 팬텀이 최대 변위에 도달하는 시간 tmax를 측정함으로써 도8과 같은 그래프를 얻는다.First, while varying the transmission time length τ of the ultrasonic transmitting sound field for generating acoustic radiation for the test ultrasonic elastic phantom which knows the sound velocity characteristics of the shear wave in advance, the test ultrasonic elastic phantom reaches the maximum displacement. By measuring the time t max , a graph as shown in Fig. 8 is obtained.

이를 위하여 본 실시예에서는 상기 시험용 초음파 탄성 팬텀을 일예로서 액체 플라스틱, 경화제 및 연화제(M-F Manufacturing Co., USA)를 일정한 비율로 혼합하여 제작하였으며, 초음파 반사체로는 무색이고 구경이 27㎛ 내외인 유리가루를 전체 무게 비율의 0.5%로 첨가하였다.To this end, in the present embodiment, the test ultrasonic elastic phantom is manufactured by mixing liquid plastic, a curing agent, and a softener (MF Manufacturing Co., USA) as an example, and the ultrasonic reflector is colorless and has a diameter of about 27 μm. Flour was added at 0.5% of the total weight ratio.

또한, 상기 시험용 초음파 탄성 팬텀은 경화제와 연화제의 무게 비율을 조절하여 2가지 종류의 탄성 특성을 가지도록 제작하였으며, 각각의 물성은 하기 [표 2]에 나타내었다.In addition, the test ultrasonic elastic phantom was produced to have two kinds of elastic properties by adjusting the weight ratio of the curing agent and softener, each physical property is shown in the following [Table 2].

종류Kinds Plastic
Hardener [g]
Plastic
Hardener [g]
Plastic
Softener [g]
Plastic
Softener [g]
Scatterer
[g]
Scatterer
[g]
density
[kg/㎥]
density
[kg / ㎥]
Young's
Modulus [kPa]
Young's
Modulus [kPa]
soft phantomsoft phantom 7070 130130 1One 10601060 11.111.1 hard phantomhard phantom 140140 6060 1One 960960 20.420.4

상술한 방식에 의하여 얻은 상기 시험용 초음파 탄성 팬텀의 시간-변위 데이터(즉, 도8과 같은 그래프)로부터 [수학식 8] 또는 [수학식 11]과 같은 일차 직선 근사를 하여 도9와 같은 형태의 초음파 송신시간(τ)-최대변위 도달시간(tmax)의 관계 그래프를 구한 후, 이로부터 [수학식 11]의 y축 절편(구체적으로는 최대변위 도달시간의 절편) β를 얻는다. From the time-displacement data (ie, a graph as shown in FIG. 8) of the test ultrasonic elastic phantom obtained by the above-described method, a linear linear approximation such as [Equation 8] or [Equation 11] is performed. After the relationship graph of the ultrasonic transmission time (tau)-the maximum displacement arrival time (t max ) is calculated | required, the y-axis intercept (specifically, the intercept of the maximum displacement arrival time) (beta) of Formula (11) is obtained from this.

이때, 상기 시험용 초음파 팬텀의 경우 전술한 바와 같이 횡파의 음속도를 미리 알고 있기 때문에 [수학식 10]을 이용하여 초음파 영상장치의 고유 파라미터 K를 계산한다.In this case, since the sound velocity of the transverse wave is previously known in the case of the test ultrasonic phantom, the inherent parameter K of the ultrasonic imaging apparatus is calculated using Equation 10.

이와 같이, 상기 초음파 영상장치의 고유 파라미터 K의 값을 구하게 되면 동일한 초음파 영상장치를 이용하여 임의 인체 조직에 대한 횡파의 속도 및 횡탄성값을 정량적으로 구할 수 있게 된다.As such, when the value of the inherent parameter K of the ultrasound imaging apparatus is obtained, the velocity and the transverse elasticity value of the shear wave for any human tissue can be quantitatively calculated using the same ultrasound imaging apparatus.

즉, 횡파의 음속도를 모르는 임의의 초음파 탄성 팬텀(즉, 일예로서 인체의 연조직)에서 음향 복사력을 발생시키기 위한 초음파 음장의 송신시간 길이 τ를 변화시켜 가면서 각각의 경우에 대하여 상기 임의의 초음파 탄성 팬텀이 최대 변위에 도달하는 시간 tmax를 측정한다.That is, the arbitrary ultrasonic waves are changed for each case while varying the transmission time length τ of the ultrasonic sound field for generating acoustic radiation force in any ultrasonic elastic phantom (i.e., soft tissue of the human body) that does not know the sound velocity of the shear wave. The time t max at which the elastic phantom reaches the maximum displacement is measured.

이와 같이 얻은 임의의 초음파 탄성 팬텀의 시간-변위 데이터로부터 [수학식 11]과 같은 일차 직선 근사를 하게 되면 절편 β를 얻을 수 있고, 상기 절편 β를 구할 경우 초음파 영상장치의 고유 파라미터 K를 미리 알고 있기 때문에 [수학식 10]을 이용하여 상기 임의의 초음파 탄성 팬텀에 대한 횡파의 음속도 cs를 정량적으로 구할 수 있게 된다.From the time-displacement data of the arbitrary ultrasonic elastic phantoms obtained as described above, a linear straight line approximation as shown in [Equation 11] can be obtained, and when the segment β is obtained, the inherent parameter K of the ultrasonic imaging apparatus is known in advance. Therefore, the sound velocity c s of the shear wave for the arbitrary ultrasonic elastic phantom can be quantitatively calculated using Equation 10.

나아가, 상술한 방법으로 상기 임의의 초음파 탄성 팬텀에 대한 횡파 음속도 cs를 구하게 되면 이미 알려져 있는 상기 [수학식 2]에 의하여 상기 임의의 초음파 팬텀에 관한 횡탄성 계수 μ를 정량적으로 구할 수 있게 되는데, 이때 ρ는 임의의 초음파 탄성 팬텀의 밀도이다.Furthermore, when the shear wave velocity c s for the arbitrary ultrasonic elastic phantom is obtained by the above-described method, the transverse elastic modulus μ for the arbitrary ultrasonic phantom can be quantitatively obtained according to Equation (2). Where ρ is the density of any ultrasonic elastic phantom.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법은 초음파의 송신시간을 변화시키면서 진단하고자 하는 인체 조직에 음향 복사력을 발생시킬 때, 각각의 경우 발생되는 상기 인체 조직의 시간에 따른 변위를 이용하여 인체 조직의 횡탄성 특성을 정량적으로 측정할 수 있기 때문에 초음파 영상장치에 의한 진단결과의 정확성을 제고할 수 있다는 장점이 있다.As described in detail above, the method of measuring the transverse elasticity of the human tissue according to the present invention generates the acoustic radiation force in the human tissue to be diagnosed while changing the transmission time of the ultrasonic wave, in which case the time of the human tissue is generated. Since the transverse elastic properties of human tissues can be quantitatively measured using the displacement according to the above-described method, the accuracy of the diagnosis result by the ultrasound imaging apparatus can be improved.

또한, 본 발명에 따른 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법은 횡파의 음속도를 직접 측정하는 방식이 아니라 전술한 바와 같이 인체 조직의 시간에 따른 변위를 이용하여 간접적으로 측정하는 방식이기 때문에 횡파의 음속도를 직접 구하기 위한 구성이 불필요하여 저비용으로 간결하게 초음파 영상장치를 구성할 수 있다는 장점이 있다.
In addition, the method of measuring the transverse elasticity characteristics of the human tissue according to the present invention is not a method of directly measuring the sound velocity of the shear wave, but as a method of measuring indirectly using the displacement according to the time of the human tissue as described above, Since there is no need to directly obtain the speed, the ultrasound imaging apparatus can be configured at low cost.

10 : 초음파 영상모듈 20 : 인터페이스
30: PC 40 : 트랜듀서
10: ultrasonic imaging module 20: interface
30: PC 40: Transducer

Claims (5)

초음파 영상장치를 이용하여 진단하고자 하는 제1팬텀에 송신시간(τ)의 길이를 복수 회 변화시키면서 초음파를 송신하고, 각각의 경우 상기 초음파의 초점 깊이에서 송신방향으로 상기 제1팬텀의 변위가 최대가 되는 최대변위시간(tmax)을 측정하는 제1단계;와
상기 제1단계의 측정결과로부터 얻은 상기 송신시간(τ)과 최대변위시간(tmax) 사이의 상관관계와, 미리 알고 있는 상기 초음파 영상장치의 고유 파라미터(K)를 이용하여 상기 제1팬텀의 횡탄성 특성을 구하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법.
Ultrasonic waves are transmitted to the first phantom to be diagnosed by using an ultrasonic imaging apparatus while changing the length of the transmission time τ a plurality of times, and in each case, the displacement of the first phantom in the transmission direction is maximized at the depth of focus of the ultrasonic waves. A first step of measuring the maximum displacement time (t max ) to be; And
The correlation between the transmission time (tau) and the maximum displacement time (t max ) obtained from the measurement result of the first step, and the inherent parameter (K) of the ultrasound imaging apparatus known in advance, And a second step of obtaining the transverse elastic properties.
제1항에 있어서,
상기 제2단계는, 상기 제1단계의 측정결과로부터 상기 최대변위시간(tmax)을 송신시간(τ)의 일차함수로 근사하는 제2-1단계;와
상기 일차함수에 대한 상기 최대변위시간(tmax)의 절편(β)과, 상기 초음파 영상장치의 고유 파라미터(K)를 이용하여 상기 제1팬텀의 횡탄성 특성을 구하는 제2-2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법.
The method of claim 1,
The second step may include: a step 2-1 of approximating the maximum displacement time t max as a first function of a transmission time τ from the measurement result of the first step; and
And a step 2-2 of obtaining a lateral elasticity characteristic of the first phantom using the intercept β of the maximum displacement time t max with respect to the linear function and the inherent parameter K of the ultrasound imaging apparatus. Method for measuring the lateral elastic properties of human tissue, characterized in that.
제2항에 있어서,
상기 제1팬텀의 횡탄성 특성은 송신된 초음파에 의하여 제1팬텀이 진동함으로써 상기 초음파의 송신방향과 수직한 방향인 횡방향으로 발생되는 횡파의 음속도(cs)이고,
상기 제2-2단계는 아래의 [수식 1]에 의하여 상기 횡파의 음속도(cs)를 구하는 것을 특징으로 하는 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법.
[수식 1]
Figure 112012048539084-pat00018
The method of claim 2,
The lateral elasticity characteristic of the first phantom is the sound velocity (c s ) of the transverse wave generated in the transverse direction which is a direction perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic wave by vibrating the first phantom by the transmitted ultrasonic waves,
The second step 2-2 is to determine the sound velocity (c s ) of the shear wave according to the formula [1] below.
[Equation 1]
Figure 112012048539084-pat00018
제3항에 있어서,
상기 제2-2단계는 아래의 [수식 2]에 의하여 상기 횡파의 음속도(cs)로부터 상기 제1팬텀의 횡방향 탄성계수인 횡탄성 계수(μ)를 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법.
[수식 2]
Figure 112012048539084-pat00019
The method of claim 3,
Step 2-2 further includes the step of obtaining a transverse elastic modulus (μ), which is a lateral elastic modulus of the first phantom, from the sound velocity (c s ) of the shear wave according to Equation 2 below. A method of measuring the lateral elasticity of human tissue.
[Equation 2]
Figure 112012048539084-pat00019
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 초음파 영상장치의 고유 파라미터(K)는,
상기 초음파 송신에 의해 진동함으로써 상기 초음파의 송신방향과 수직한 방향으로 발생되는 횡파의 음속도(cs0)를 미리 알고 있는 제2팬텀에 송신시간(τ0)의 길이를 복수 회 변화시키면서 초음파를 송신하여 각각의 경우 상기 초음파의 초점 깊이에서 송신방향으로 상기 제2팬텀의 변위가 최대가 되는 최대변위시간(tmax0)을 측정하고, 상기 측정결과로부터 최대변위시간(tmax0)을 송신시간(τ0)의 일차함수로 근사한 후, 상기 일차함수에 대한 최대변위시간(tmax0)의 절편(β0)을 아래의 [수식 3]에 적용하여 구해지는 것을 특징으로 하는 인체 조직의 횡탄성 특성 측정방법.
[수식 3]
Figure 112012048539084-pat00020
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The unique parameter K of the ultrasound imaging apparatus is
By vibration by the ultrasonic transmit acoustic velocity of transverse wave generated by the transmission in a direction normal to the direction of the ultrasonic wave is also (c s0) a, while a plurality of times to change the length of the transmission time (τ 0) with the second phantom already-known ultrasound In each case, the maximum displacement time t max0 at which the displacement of the second phantom is maximized in the transmission direction at the depth of focus of the ultrasonic wave is measured, and the maximum displacement time t max0 is calculated from the measurement result. τ 0 ) after approximating the first function, the transverse elastic properties of the human tissue, characterized in that obtained by applying the intercept (β 0 ) of the maximum displacement time (t max0 ) for the first function to the following [Equation 3] How to measure.
[Equation 3]
Figure 112012048539084-pat00020
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