KR101929198B1 - 비집속식 초음파에 의한 초음파 바이브로메트리 - Google Patents

비집속식 초음파에 의한 초음파 바이브로메트리 Download PDF

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Abstract

초음파 시스템 및 비집속식 초음파 에너지를 사용하는 검사 상태에서 객체(object) 또는 피검체(subject)의 기계적 특징들을 측정하는 방법들이 제공된다. 객체 또는 피검체에 비집속식 초음파 에너지를 인가함으로써 객체 또는 피검체 내를 전파하는 전단파들이 발생되며, 전단파들이 존재하는 객체 또는 피검체 내의 하나 이상의 위치에 집속식 또는 비집속식 초음파 에너지를 인가함으로써 측정 데이터가 획득된다. 이어서, 기계적 특징들이 획득된 측정 데이터로부터 계산된다.

Description

비집속식 초음파에 의한 초음파 바이브로메트리 {ULTRASOUND VIBROMETRY WITH UNFOCUSED ULTRASOUND}
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은, "비집속식 초음파에 의한 초음파 바이브로메트리" 라는 명칭으로 2011년 2월 25일자로 출원된 미국 가특허출원 제 61/446, 839 호의 이익을 주장한다.
정부 지원 개발과 관련한 진술
본 발명은 미국 국립 보건원(National Institutes of Health)에 의해 받게된 EB002167 및 DK082408에 의거하여 정부 지원이 이루어졌다. 이에 따라, 미 연방 정부는 본 발명에 대해 소정의 권리를 갖는다.
본 발명은 초음파용 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 초음파 바이브로메트리용 시스템들 및 방법들에 관한 것으로, 여기서 초음파가 관심 물질 또는 조직의 기계적 특징들을 측정하기 위해 사용된다.
조직의 기계적 특징들, 특히 조직의 탄성 또는 촉각의 경도(tactile hardness)의 특성화(characterization)는 중요한 의학적 적용(medical application)들을 갖는데, 이는 이들 특징들이 병리학(pathology)에 관하여 조직 상태(tissue state)에 밀접하게 연결되기 때문이다. 예컨대, 유방암(breast cancer)들은, 먼저, 비정상 경도(abnormal hardness)를 갖는 병변(lesion)들의 촉진(palpation)에 의해 종종 검출된다. 다른 예에서, 간 경화도(liver stiffness)의 측정이 간 섬유증(fibrosis) 단계에 대한 비침습적 대안(noninvasive alternative)으로서 사용될 수 있다.
최근에, 전단파 분산 초음파 바이브로메트리(shear-wave dispersion ultrasound vibrometry, SDUV)로 불리는, 탄성 및 점도와 같은 조직들의 기계적 특징들을 측정하기 위한 초음파 기술이 개발되었다. 이 SDUV 기술은 예컨대, 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된 계류중인 미국 특허 제 7,785,259 호 및 제 7,753,847 호에 설명되어 있다. 이 방법 및 유사한 방법에서, FDA 안전 규제(safety limit)들 내에서 작동하는 집속식(focused) 초음파 비임은, 관심 조직의 고조 전단파(harmonic shear wave)들을 생성하도록 피검체(subject)에 인가된다. 유도 전단파의 전파 속력은, 주파수 의존형이며, 또는 "분산성(dispersive)"이고 관심 조직의 기계적 특징들에 관련된다. 수개의 주파수들에서의 전단파 속력들은, 펄스 에코 초음파에 의해 측정되며, 후속해서 조직 탄성 및 점도를 위해 역으로(inversely) 해결하기 위해서 이론 분산 모델에 끼워넣어진다(fit). 이들 전단파 속력들은 전단파 전파 경로를 따라 공지된 거리에 의해 2 개 또는 그 초과의 지점들 사이에서 검출되는 조직 진동의 위상(phase)으로부터 추정된다.
초음파 에너지를 사용한 검사 상태에서 객체(object)의 기계적 특징들을 계산하기 위한 다른 방법들의 예시들은, 미국 특허 제 5,606,971 호 및 제 5,810,731 호이다. 그러나, 전술한 SDUV 기술들과 유사하게, 이들 특허들에 제공된 방법들은 검사 상태에서 객체 또는 피검체 내의 진동 모션을 발생시키기 위해서 집속식 초음파의 사용을 요구한다.
집속식 초음파에 의해 현재 요구되는 높은 수준의 초음파 세기들 없이 초음파 에너지를 사용하면서, 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)의 적절한 수준들을 유지하는, 검사 상태에서 객체 또는 피검체의 기계적 특징들을 계산하는 방법을 제공하는 것이 요망될 것이다.
본 발명은, 비집속식 초음파 에너지를 사용하는 초음파 시스템에 의해 피검체의 기계적 특징을 측정하는 방법을 제공함으로써 전술한 문제점들을 극복한다.
본 발명의 일 양태는, 초음파 시스템에 의해 피검체의 기계적 특징을 측정하는 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은, 상기 피검체에 비집속식(unfocused) 초음파 에너지를 인가함으로써 피검체 내를 전파하는 전단파들을 발생시키는 단계, 및 발생된 전단파들이 존재하는 피검체 내의 하나 이상의 위치를 측정하기 위해서 검출 장치를 사용함으로써 측정 데이터를 획득하는 단계를 포함한다. 이어서, 획득된 측정 데이터를 사용하여 피검체의 기계적 특징이 계산된다.
본 발명의 다른 양태는, 측정 데이터가 상기 피검체 내의 하나 이상의 위치에 초음파 에너지를 인가하기 위해서 초음파 장치를 사용하여, 또는 피검체 내의 하나 이상의 위치에 초음파 에너지를 인가하기 위해서 광 검출 장치, 자기 공명 영상 장치 및 마이크로파 검출 장치 중 하나 이상의 장치를 사용하여 획득될 수 있다는 것이다.
본 발명의 또다른 양태는, 피검체에 인가된 비집속식 초음파 에너지는 콤(comb) 형상 패턴으로 초음파 변환기(ultrasound transducer)로부터 외측방으로 연장하는 복수 개의 비집속식 초음파 비임들을 포함하는 것이다. 이러한 비집속식 초음파 비임들은 초음파 변환기의 표면을 균일하게(evenly) 또는 불균일하게(unevenly) 가로질러 이격될 수 있다.
본 발명의 또다른 양태는, 상쇄 간섭(interference)을 유발하는 측정들이 실질적으로 완화되도록(mitigated) 콤 형상 패턴으로 발생된 비집속식 초음파 에너지를 사용할 때 획득된 측정 데이터에 방향성 필터가 적용되는 것이다.
본 발명의 또다른 양태는, 좌-우 전단파들의 측정들에 대응하는 측정 데이터의 제 1 서브세트가 획득된 측정 데이터로부터 형성되고, 우-좌 전단파들의 측정들에 대응하는 측정 데이터의 제 2 서브세트가 획득된 측정 데이터로부터 형성되는 것이다. 이어서, 제 1 서브세트 및 제 2 서브세트가 선택적으로 조합된다.
본 발명의 또다른 양태는, 비집속식 초음파 에너지가 초음파 변환기의 제 1 방향을 따라 복수 개의 초음파 변환기 요소들을 통전(energize)함으로써 피검체 내의 평면 구역(planar region)에 인가되어, 전단파들이 평면 구역으로부터 외측방으로 연장하는 방향을 따라 전파하는 것이다. 이어서, 초음파 장치는, 제 1 방향에 수직한 초음파 변환기의 제 2 방향을 따라 복수 개의 초음파 변환기 요소들을 통전함으로써 피검체 내의 하나 이상의 위치에 초음파 에너지를 인가함으로써 측정 데이터를 획득하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 일 양태는, 초음파 시스템에 의해 피검체의 기계적 특징을 측정하는 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은, 복수 개의 축방향 심도(depth)들로 내부에 복수 개의 조직 변형들을 발생시키기 위해서 피검체에 비집속식 초음파 에너지를 인가하는 단계를 포함한다. 이어서, 측정 데이터가 상기 복수 개의 조직 변형들 중 하나 이상의 변형들이 위치되는 피검체 내의 하나 이상의 위치에 초음파 에너지를 인가함으로써 피검체로부터 획득된다. 피검체의 기계적 특징은, 획득된 측정 데이터를 사용하여 계산된다.
본 발명의 다른 양태는, 측정 데이터 획득을 위해서 인가된 초음파 에너지가 집속식 초음파 에너지 및 비집속식 초음파 에너지 중 하나 이상의 에너지인 것이다.
본 발명의 또다른 양태는, 비집속식 초음파 에너지가 내부를 전파하는 복수 개의 전단파들을 발생시키기 위해서 피검체에 인가되는 것이다.
본 발명의 일 양태는, 초음파 변환기를 포함하는 초음파 시스템에 의해 피검체의 기계적 특징을 측정하는 방법을 제공하는 것이다. 초음파 에너지가 초음파 변환기의 표면에 실질적으로 수직한 방향으로 힘을 발생시키도록, 피검체에 초음파 에너지를 인가함으로써 초음파 변환기로부터 외측방으로 연장하는 하나 이상의 방향으로 피검체 내를 전파하는 전단파들을 발생시키기 위해, 초음파 변환기가 사용된다. 측정 데이터는, 전단파들이 제공되는 피검체 내의 하나 이상의 위치에 초음파 에너지를 인가함으로써 획득된다. 이어서, 획득된 측정 데이터를 사용하여 피검체의 기계적 특징이 계산된다.
본 발명의 다른 양태는, 발생된 전단파들이 초음파 변환기의 표면에 실질적으로 수직한 방향으로 전파하는 것이다.
본 발명의 또다른 양태는, 발생된 전단파들 중 하나 이상의 전단파는 초음파 변환기의 표면 상에서 일 지점으로부터 반경 방향 외측방으로 전파하는 구형파(spherical wave)인 것이다.
본 발명의 전술한 양태들 및 이점들과 다른 양태들 및 이점들은 하기 설명으로부터 명확해질 것이다. 설명에서, 본원의 일부를 형성하는 첨부 도면들을 참조하며, 이들 도면에서, 예시로서 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된다. 그러나, 이러한 실시예는 본 발명의 전체 범주를 반드시 나타낼 필요는 없으며, 이에 따라 본 발명의 범주를 해석하기 위해서 청구항들 및 본원이 참조되게 된다.
도 1은 초점 심도(focus depth)에서 집속된 초음파 비임으로부터 외측방으로 전파하는 전단파들을 발생시키는 집속식 초음파 비임의 예의 그림 표현(pictorial representation)이다.
도 2a는 비집속식 초음파에 응답하여 발생된 음향조사 구역으로부터 외측방으로 그리고 이 구역 내로 내측방으로 전파하는 전단파들을 발생시키는 비집속식 초음파 비임의 예의 그림 표현이다.
도 2b는 비집속식 초음파에 응답하여 발생된 음향조사 구역으로부터 외측방으로 복수 개의 축방향 심도로 전파하는 전단파들을 발생시키는 비집속식 초음파 비임의 다른 예의 그림 표현이다.
도 2c는 평면외(out-of-plane) 전단파들을 촬상하기(imaging) 위한 2차원 어레이 초음파 변환기의 그림 표현이다.
도 2d는 평면외 전단파들을 촬상하기 위해 사용된 2 개의 초음파 변환기들의 그림 표현이다.
도 3a는 비집속식 초음파에 응답하여 발생된 음향조사 구역으로부터 외측방으로 전파하는 전단파들을 발생시키는 곡선형(curvilinear) 변환기 어레이에 의해 생성된 비집속식 초음파 비임의 예의 그림 표현이다.
도 3b는 비집속식 초음파에 응답하여 발생된 음향조사 구역으로부터 외측방으로 그리고 이 구역 내로 내측방으로 전파하는 전단파들을 발생시키는 곡선형(curvilinear) 변환기 어레이에 의해 생성된 비집속식 초음파 비임의 예의 그림 표현이다.
도 4a는 비집속식 초음파에 응답하여 발생된 음향조사 구역으로부터 외측방으로 전파하는 전단파들을 발생시키기 위해서 초음파 변환기로부터 오프 센터식으로 생성된 비집속식 초음파 비임의 예의 그림 표현이다.
도 4b는 비집속식 초음파에 응답하여 발생된 음향조사 구역으로부터 외측방으로 전파하는 전단파들을 발생시키기 위해서 곡선형 초음파 변환기로부터 오프 센터식으로 생성된 비집속식 초음파 비임의 예의 그림 표현이다.
도 5는 비집속식 초음파에 응답하여 발생된 별개의 음향조사 구역들로부터 외측방으로 전파하는 전단파들을 발생시키기 위해서 초음파 변환기로부터 오프 센터식으로 생성된 비집속식 초음파 비임의 예의 그림 표현이며, 전단파들이 상기 비집속식 초음파 비임들 사이에 배치된 객체 또는 피검체(object or subject) 내에서 상호작용한다.
도 6은 비집속식 초음파에 응답하여 발생된 음향조사 구역으로부터 외측방으로 전파하는 전단파들을 발생시키기는 생성된 아포다이즈드(apodized) 비집속식 초음파 비임의 예의 그림 표현이다.
도 7은 비집속식 초음파에 응답하여 초음파 변환기로부터 멀리 전파하는 전단파들을 발생시키기 위해 사용된 비집속식 초음파 비임의 예의 그림 표현이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 발생된 2 개의 비집속식 초음파 비임들의 예의 그림 표현이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 전파하는 전단파들을 추적(chase) 및 증폭(amplify)시키기 위해 사용되는 다중 비집속식 초음파 비임들의 예의 그림 표현이다.
도 10a 내지 도 10c는 집속식 초음파 검출 비임들을 사용하는 전단파 전파를 측정하는 방법들의 예들의 그림 표현들이다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 전단파들을 발생시키기 위해서 콤 패턴 내에 배열된 복수 개의 비집속식 초음파 비임들을 사용하는 방법들의 예들의 그림 표현들이다.
도 11d는 상이한 방향들로 전파하며 도 11a 내지 도 11c에 예시된 바와 같은 콤 푸시 펄스들을 사용하여 발생되는 전단파들의 2 개의 그룹들의 그림 표현이다.
도 12는 롱 푸시 톤 버스트(long push tone burst)를 효과적으로 나타내는 모션 검출 펄스들에 의해 인터레이스된 일련의 숏 초음파 톤 버스트들(a series of short ultrasound tone bursts)의 그림 표현이다.
도 13은 본 발명의 일부 실시예들의 사용을 위한 초음파 시스템의 예의 블록도이다.
탄성 및 점도와 같은 조직(tissue)의 기계적 특징들은 비정상 조직들로부터 건강한 조직들을 구별하기 위해서 유용한 파라미터들이다. 이에 따라, 이러한 특징들의 측정들은 중요한 의학적 적용들을 갖는다. 이러한 기계적 특징들은 연구되는 매체 내에서 전단파 속력(shear wave speed)에 관련되므로, 조직 내에서 초음파에 의해 발생된 전단파들이 연구되는 조직의 기계적 특징들을 추정하기 위해 검출 및 사용될 수 있다. 본 발명의 일 양태는, 비집속식 초음파들이 검사를 받는 객체(object) 또는 피검체(subject)의 기계적 특징들의 호출신호(interrogation)에 적합한 전단파들을 발생시키기 위해서 구현될 수 있다는 것이다. 예시로서, 비집속식 초음파들은 전자식으로 집속되지 않는 초음파들을 포함한다. 이의 예시에서, 초음파 변환기의 음향 렌즈(acoustic lens)로 인해 초음파들의 일부의 약한 집속이 발생할 수 있다.
도 1을 참조하면, 이전의 집속식 초음파 구성의 예가 예시되어 있다. 이러한 구성에서, 집속식 초음파 비임(102)은 초음파 변환기(104)에 의해 발생된다. 이러한 집속식 초음파 비임의 적용의 결과로서, 전단파(106)들이 생성된다. 이러한 전단파들은 푸시 축(110)으로부터 외측방으로 연장하는 전파(propagation) 방향(108)을 따라 전파한다.
특히, 도 2a를 참조하면, 초음파 변환기(204)에 의해 생성된, 톤 버스트(tone burst)와 같은 비집속식 초음파 에너지에 의해 발생된 음향조사(insonification) 구역(202)의 예가 예시되어 있다. 음향조사 구역(202)은 음향조사를 위해 사용된 변환기 요소들의 전체 폭에 따르는 폭과 변환기 요소들의 평면내(in-plane) 크기에 따르는 두께를 갖는다. 이러한 초음파 에너지는 음향조사 구역(202) 전체를 통해 방사력(radiation force)을 발생한다. 이러한 방사력은, 음향조사 구역(202)이 변환기(204)를 향하거나 변환기로부터 이격되게 움직이는 것을 유발한다. 음향조사 구역(202)의 에지들에서, 전단파(206)들이 발생되어 음향조사 구역(202)의 에지에 수직한 전파 축(208)을 따라 전파한다. 이에 따라, 전단파(206)들은 2 방향들, 즉, 음향조사 구역(202)으로부터 외측방으로 그리고 음향조사 구역(202)의 중심을 향해 내측방으로 전파한다. 일부 전단파(206)들은 초음파 변환기(204)에 대해서 평면외(out-of-plane) 방향으로 전파하며, 따라서 도 2a에 도시된 것과 같은 1차원 변환기에 의해 촬상될 수 없다. 그러나, 이러한 전단파(206)들은 2차원 변환기와 같은 고차원 변환기를 사용하여 촬상될 수 있다.
도 2b에 예시된 바와 같이, 전단파(206)들은 음향조사 구역(202)의 전체 범위를 따라 발생된다. 이에 따라, 다중 전단파(206)들을 발생시키기 위해서 비집속식 초음파를 사용함으로써, 원하는 작업(task)과 일치하는 촬상하기 위해서 다중 파라미터들이 변경될 수 있다. 이렇게 하여, 다양한 파라미터들이 가까운 장래에(at hand) 촬상을 맞춤화하기(tailor) 위해서 변경될 수 있다. 또한, 도 2b에 예시된 바와 같이, 비집속식 초음파 비임이 좁다면, 평면외 전단파들은 더이상 평면파들이 아닐 것이며; 오히려, 전단파들은 좁은 초음파 비임으로부터 발산하는(emanating) 원통파(cylindrical wave)와 유사해질 것이다. 도 1에 예시된 시나리오와 같은, 이전의 집속식 초음파 방법들에서는, 집속식 초음파 비임이 사용될 때, 전단파 측정들은 초점 심도(df)에 대응하는 초음파 축 방향 심도로 제한되었다. 그러나, 본 발명의 방법에 의해, 비집속식 초음파에 의해 생성된 전단파들은 초음파 축 방향 심도를 따라 비교적 균일하다. 따라서, 집속식 초음파 기술들에서의 초점 심도와 같은 단지 하나의 미리 정해진 심도가 아니라 모든 축 방향 심도들에서 측정들이 이루어질 수 있다.
이제, 도 2c를 참조하면, 비집속식 초음파가 전파하는 전단파들 또는 다른 조직 변형을 생성하기 위해서 어떻게 사용될 수 있는지의 다른 예가 예시되어 있다. 이 예에서, 2 차원 초음파 변환기 어레이(252) 내의 다중의 공선(collinear) 요소들이 초음파 변환기의 축을 따라 비집속식인 평면 초음파 비임을 발생시키기 위해서 통전된다. 예시로써, 변환기 요소(254)들 중 하나 또는 그 초과의 칼럼(column)들이 변환기(252)의 칼럼 방향을 따라 비집속식인 평면 초음파 비임(256)을 발생시키기 위해서 통전될 수 있다. 원한다면, 1 차원 변환기 상에 음향 렌즈(acoustic lens)를 시뮬레이션하기 위해서, 작은 딜레이(small delay)가 칼럼(254)들을 가로질러 도입될 수 있다. 이러한 작은 딜레이들은 상승 집속식(elevational focusing)을 유발할 것이다. 도 2c에 예시된 푸시 전송(push transmission)은, 백색 화살표들에 의해 도시되는 바와 같이, 푸시 평면(즉, 평면 초음파 비임(256)에 의해 규정된 평면) 밖으로 전파하는 평면외 전단파들을 발생시킬 것이다. 이어서, 변환기 요소(258)들 중 하나 또는 그 초과의 로우(row)들이 전단파들의 전파를 촬상하기 위해서 사용될 수 있다. 예시로써, 하나 또는 그 초과의 로우들이 평면(260)에서 검출 펄스들을 발생시키기 위해서 통전될 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 집속식 초음파 비임에 의해 발생된 전단파들은, 좁은 초음파 비임(102)으로부터 발산하는 원통파와 유사해질 것이다. 따라서, 전단파의 진폭은 푸시 축(110)으로부터 외측방으로 전파함에 따라 급속하게 감소하는데, 이는 전단파 에너지가 푸시 축(110)으로부터 외측 방향으로 파(wave)가 전파하는 것보다 더 큰 영역에 걸쳐 분배되기 때문이다. 이러한 효과는, "기하학적 감쇄(geometric attenuation)"라 부를 수 있다. 이에 반해, 도 2c에서 발생된 평면외 전단파는, 평면 전단파에 가까우며, 따라서 기하학적 감쇄를 받지 않는다. 그 결과, 도 2c에 예시된 바와 같은, 평면외 전단파는, 더 긴 거리들에 걸쳐 전파될 수 있으며, 이는 초음파에 의해 발생된 전단파들이 통상적으로 아주 약하여 매우 짧은 거리에 걸쳐서만 전파할 수 있기 때문에 매우 유리하다.
1 차원 어레이 변환기(270)에 대해, 소형 푸시 변환기(272)가 도 2d에 예시된 바와 같이 어레이 변환기(270)의 일측에 부착될 수 있다. 이어서, 평면외 전단파가 1 차원 어레이 변환기(270)에 의해 검출될 수 있다. 예로서, 푸시 변환기(272)는 고정된 상승 초점을 갖는 단일 요소 변환기일 수 있다. 푸시 변환기(272)는 1 차원 어레이 변환기(270)에 클립핑될 수 있고, 외부 증폭기(external amplifier)를 통해 단일 신호 공급원(single signal source)에 의해 점화될 수 있다. 신호 공급원의 예는, 초음파 스캐너의 연속파 도플러 프로브 포트(Doppler probe port)로부터의 신호이다. 다른 구성에서, 제 2 푸시 변환기가 양측면들로부터 평면외 전단파들을 발생시키기 위해서 1 차원 어레이 변환기(270)의 타측에 부착될 수 있다.
이제, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 또한, 곡선형 어레이 변환기(304)에 의해 생성된 비집속식 초음파 에너지에 의해 음향조사 구역(302)이 발생될 수 있다. 좁은 비집속식 비임 및 넓은 비집속식 비임은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 상이한 전단파 전파 패턴들을 생성할 수 있다. 도 3b에 예시된 넓은 비집속식 비임에 대해, 곡선형 어레이 변환기(304) 아래의 음향조사 구역(302)의 중심에서, 서로 각지게 교차하는 2 개의 전단파들을 볼 수 있다. 이러한 효과는 각진(angle) 합성(compound) 촬상을 위해서 사용될 수 있다.
비집속식 비임이 상기 도 2a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이 변환기의 중심으로부터 발생될 필요가 없다. 오히려, 비집속식 초음파 에너지가 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 변환기로부터 오프-센터식으로(off-center) 전송될 수 있다.
도 5를 참조하면, 예컨대, 병변(lesion)을 포함하는, 관심 영역(region-of-interest, ROI)(510)인 경우에, 비집속식 초음파 에너지는, 관심 영역(510)의 어느 일측, 또는 양측에 전송되는 단일 비임으로서 또는 한 쌍의 비임들로서 발생될 수 있다. 생성된 전단파들은, ROI(510)를 가로질러 전파될 것이며, 이에 의해 ROI(510)에서 전단파 속력의 추정(estimation)들을 용이하게 한다.
도 6을 참조하면, 변환기 요소들의 전송 진폭은, 예컨대 아포다이제이션(apodization)으로서 언급되는 프로세스를 사용하여 가중될 수 있어(weighted), 생성된 전단파들의 소망하는 속성(attribute)들을 획득한다. 예컨대, 램프(ramp)(612)의 형상의 아포다이제이션은, 음향조사 구역(602)의 우측에 큰 전단 구배(gradient)를 발생시킬 것이다. 따라서, 음향조사 구역(602)의 우측 에지에서 발생된 전단파들은, 음향조사 구역(602)의 좌측 에지에서 발생된 전단파들에 비해서 상이한 특질(feature)들을 가질 것이다. 이러한 전단파들의 특성(characteristic)들의 차이는, 소정의 적용분야들에 대해 유익할 수 있다.
이제, 도 7을 참조하면, 변환기(704)가 비집속식 초음파 비임을 전송할 때, 변환기(704)의 활성(active) 요소들 아래에서 음향조사 구역(702)에서의 조사 상태에서 물질 상에 힘이 발생된다. 이 힘은, 초음파의 방사력에 의해, 조직-변환기 인터페이스에서 조직 모션의 반사에 의해, 또는 초음파 에너지에 응답하여 변환기 요소들의 기계적 변위에 의해 야기될 수 있다. 이러한 하방의 힘(downward force)은 전파 축(716)을 따라 변환기(704)로부터 멀리 전파하는 전단파(714)를 발생시킬 것이다. 일부 예들에서, 이러한 전단파(714)의 파면(wave front)은, 전단파(714)가 변환기(704)의 표면에서 일 지점으로부터 방사한다면, 원형(circular)일 것이다. 전단파(714)들의 편파(polarization)는 전파 축(716)을 따라 변환기(704)로부터 멀리 연장하는 방향에 있으며, 따라서 전단파(714)는 동일한 초음파 변환기(704에 의해 검출될 수 있다. 이러한 효과는, 도 1 내지 도 6에 예시된 측방향 보다는 오히려 변환기(704)로부터 멀리 연장하는 길이 방향으로 조직을 검사(interrogate)하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 기술은 추가로 각도 합성(angle compounding)을 위해 유용할 수 있다. 소위 "파이브로스캔(Fibroscan)" 은 이러한 길이방향 각도로 전단파들을 연구하지만, 파이브로스캔 방법과 본원에 제공된 방법 사이에는 중요한 구별이 있음에 유의한다. 파이브로스캔에서, 전단파들은 외부 쉐이커(external shaker)에 의해 변환기를 기계적으로 진동시킴으로써 생성되는 반면, 본 발명의 방법은 특화된 기계적 바이브레이터에 대한 요구 없이 비집속식 초음파 에너지의 톤 버스트들과 같은 초음파 에너지를 전송함으로써 전단파들을 생성한다. 집속식 초음파가 또한 전술한 기술과 유사하게 변환기로부터 멀리 전파하는 전단파들을 발생시키기 위해서 사용될 수 있음이 당업자에 의해 상정되어야 한다.
또한, 비집속식 초음파 에너지의 다른 구성들이, 소망하는 결과를 성취하기 위해서 사용될 수 있다. 예컨대, 그리고 이하, 도 8을 참조하면, 2 개의 비집속식 초음파 에너지 비임들이 서로 근접하게(close proximity) 발생될 수 있어, 전단파들의 독특한 패턴들이 이러한 비집속식 초음파 비임들 사이 영역에서 생성된다.
추가로, 하나 초과의 비집속식 초음파 에너지의 톤 버스트는, 상이한 위치들을 통해 이동함에 따라 전단파의 전파에 후속하도록 이용될 수 있다. 예컨대, 그리고 이제 도 9를 참조하면, 초음파 비임이 전단파(906a)를 생성하기 위해서 시간(t1) 및 위치(x1)에서 제 1 음향조사 구역(902a)을 발생시키도록 전송될 수 있다. 이제, 다른 초음파 비임이 시간(t2) 및 위치(x2)에서 제 2 음향조사 구역(902b)을 발생시키도록 전송될 수 있다. 위치(x2)는 전단파(906a)가 시간(t2)에 도달하는 위치가 되도록 선택된다. 제 2 초음파 에너지의 적용의 결과, 전단파(906a)보다 더 높은 진폭을 갖는 전단파(906b)가 발생한다.
이미 언급된 개념들 및 기술들이 상이한 적용분야들에 대해 용이하게 조합될 수 있음이 당업자에 의해 상정될 것이다. 예컨대, 도 8의 2 개의 초음파 비임들은 도 6에 도시된 바와 같은 아포다이제이션을 가질 수 있으며, 또한 전단파를 추적(chase) 또는 향상시키기 위해서 사용될 수 있다.
전단파들의 검출 및 측정은, 전통적인 집속식 초음파 또는 평면파 플래시(flash) 촬상 양자에 의해 획득될 수 있다. 플래시 촬상은, 단일 비집속식 초음파 전송에 의해 2 차원 이미지를 생성시키고, 따라서 2 차원으로 전단파 전파의 시계열 이미지들(a time series of images)을 발생시키기 위해서 사용될 수 있다. 적절하게 처리된다면, 이러한 시계열 이미지들은, 단지 하나의 초음파 푸시로부터 2 차원 탄성 이미지를 생성할 수 있다. 집속식 초음파 비임들은 초음파 광선(ultrasound ray)(1018)을 따른 트래킹 모션으로 제한되며, 따라서 이러한 전단파 검출은 유연하지 않다. 그러나, 평균 전단파 속력은 도 10a 내지 도 10c에 예시된 바와 같이, 거리(r1, r2 , 또는 (r1 - r2 ))들을 통해 전파하는 전단파들의 도착 시간을 사용하는 초음파 비임 축을 따라 아직 추정될 수 있다.
전단파들에 기인한 조직 모션이 높은 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio, SNR)에 의해 공간 및 시간에 걸쳐 측정될 수 있다면, 조직 탄성 및 점도를 추정하기 위해서 직접 역산(Direct inversion)이 사용될 수 있다. 직접 역산은, 공간적 및 시간적 도메인들 양자의 조직 모션의 2 차 도함수(second order derivative)들의 계산을 요구하는데, 이러한 계산은 이러한 접근법을 조직 모션 데이터에서의 잡음에 민감하게 한다. 초음파 푸시 비임들에 의해 생성된 전단파들은, SNR에서 일반적으로 약하고(weak) 낮다. 단일 집속식(도 1) 또는 비집속식 비임(도 2a, 도 2b)은 푸시 비임의 중심으로부터 외측방으로 전파하는 과도적인(transient) 전단파들을 발생시킬 것이다. 소정의 임의의 시간예에서, 조직 모션은 전단파면들이 도착하는 작은 영역들에서 존재한다. 이는 전단파들에 기인하여 중요하지 않은 조직 모션이 존재하는 다른 구역들에서 직접 역산에 의해 신뢰할 수 없는 추정들을 유도할 수 있다.
전술한 설명을 통해, 일관적인 전단파 속력들이 비집속식 푸시 비임들을 사용하여 상이한 심도들에서 얻어질 수 있는 것으로 일반적으로 나타나 있다. 변환기 요소들의 단지 하나의 서브-어퍼쳐(sub-aperture)가 각각의 푸시 비임을 위해 사용되고 있기 때문에, 상이한 공간적 위치들에서 요소들의 다중 서브-어퍼쳐들이 비집속식 푸시 비임들을 동시에 전송하기 위해서 사용될 수 있다. 이러한 전송 구조는, "콤-푸시(comb-push)"로서 언급된다. 콤 푸시 기술은, 콤 푸시 초음파 전단 탄성영상(comb-push ultrasound shear elastography, CUSE)으로 불리는 2 차원 전단 탄성 촬상법(shear elasticity imaging method)을 개발하기 위해 사용될 수 있다. CUSE에서, 각각의 푸시 비임에 의해 발생된 전단파들은 단일 비집속식 푸시의 독립적인 실현으로서 처리될 수 있다.
상이한 비집속식 푸시 비임들로부터의 전단파들은 서로 보강 그리고 상쇄(constructively and destructively) 간섭하며, 그리고 마침내, 전체적인 시야(field-of-view, FOV)를 채운다. 강인한(robust) 전단파 속력 추정을 획득하기 위해서, 방향성(directional) 필터가 간섭 전단파 패턴들로부터 좌-우(left-to-right, LR) 전파 전단파들 및 우-좌(right-to-left, RL) 전파 전단파들을 추출하기 위해서 사용된다. 비행시간(time-of-flight)을 기반으로 한 전단파 속력 추정 방법이, LR 전단파들 및 RL 전단파들 양자로부터 각각의 픽셀(pixel)에서 국부적 전단파 속력을 회복하기 위해서 사용될 수 있다. 이어서, 최종 전단파 속력 맵이, LR 속력 맵 및 RL 속력 맵으로부터 조합될 수 있다. 콤 푸시 펄스들은 푸시 비임 영역들을 포함하는 모든 이미지 픽셀들에서 높은 진폭을 갖는 전단파 모션들을 발생시키기 때문에, "소스 프리(source free)" 영역들에서의 전단파 속력 및 푸시 비임 영역에서의 전단파 속력들 양자는, 회복될 수 있다. 이에 따라, CUSE는 단지 하나의 데이터 취득(acquisition)에 의해 전단 탄성 맵의 완전한 FOV 2 차원 재구축(reconstruction)을 가능하게 한다. 안전 조치(safety measurement)들은, CUSE 시퀀스에서 사용된 초음파 출력 레벨의 모든 조절된 파라미터들이 진단 초음파에 대한 FDA 규제들 아래에서 양호한 것을 나타낸다.
하기에서, 콤 푸시 시퀀스의 실현, 전단파 모션 검출, 방향성 필터 구현 및 2 차원 전단파 속력 맵 재구축을 위한 후처리를 포함하는 CUSE 원리들이 설명된다.
이제, 도 11a 내지 도 11c를 참조하면, "콤" 패턴과 유사한, 공간적으로 이격된 다중의 비집속식 푸시 비임들이 전단파 생성을 위해서 활용될 수 있다. 이러한 콤-푸시 필드(1102)는 변환기(1104)의 어퍼쳐 아래 전체 구역의 도처에서 더 높은 SNR 전단파 모션들을 생성할 것이다. 또한, 단일 콤 푸시가 임의의 부여된 공간 위치에서 긴 시간 동안 지속하는 전단파들을 생성할 수 있는데, 이는 콤에서 상이한 푸시 비임들로부터 전단파들이 상이한 시간들에서 도착하기 때문이다. 조합된 효과는, 전체 공간적 및 시간적 도메인을 커버하는 강한 전단파 신호들이 발생되며, 이는 SNR을 개선할 수 있고, 따라서 직접 역산의 신뢰성을 개선할 수 있다는 것이다. 도 11a 내지 도 11c에 예시된 콤 푸시 펄스들이 균일하게 이격된 펄스들로 구성되는 것으로 도시되어 있지만, 콤 푸시 펄스들이 또한 불균일하게 이격된 푸시 펄스들로 구성될 수 있음이 당업자에 의해 상정될 것이다.
예시로써, 콤 푸시(1102)에서, 푸시 비임들을 발생시키기 위해서 사용된 선형(linear) 어레이 변환기와 같은 어레이 변환기(1104)의 요소들이 도 11a에 도시된 바와 같이 다수의 서브그룹들로 분할된다. 예컨대, 요소들은 9 개의 서브그룹들로 분할되어 서브그룹 1 내지 서브그룹 9로 라벨링될 수 있다. 푸시 비임의 각각의 서브그룹은 투스 콤(a tooth of a comb)과 같이 보이며, 이에 따라 이러한 유형의 푸시 펄스는 "콤-푸시"로서 언급된다. 예로서, 5 개의 서브그룹들이 사용되어 콤 푸시를 형성하면, 이는 "5-투스 콤-푸시"라 부를 수 있다.
콤 푸시 전송 이후, 초음파 시스템은, 전파하는 전단파(propagating shear wave)들을 검출하기 위해 사용된 모든 변환기 요소들을 갖는, 평면파 촬상 모드와 같은 촬상 모드로 스위치된다. 평면파 촬상 합성 방법은, 전단파 변위 트래킹의 신호 대 잡음비(signal-to-noise-ratio, SNR)를 개선하기 위해서 사용될 수 있다. 예시로서, 3 개의 상이한 스티어링각(steering angle)들에서 3 개의 프레임들이 하나의 촬상 프레임을 얻기 위해서 합성될 수 있다.
CUSE 촬상 기술에서 각각의 비집속식 비임은, 대향 방향들을 향해서 전파하는 2 개의 전단파면(shear wave front)들을 생성한다. 전술한 바와 같이, 하나의 전단파면이 좌-우(LR) 및 다른 우-좌(RL)로 전파할 수 있다. 콤 푸시의 상이한 서브그룹들로부터의 전단파들은 서로 보강 및 상쇄 간섭하며, 복잡한 전단파 필드가 그 결과로서 형성된다. 충분한 전단파들이 이러한 방법에 의해 매체에서 발생되고 있지만, 상쇄 간섭은 전단파 속도(shear wave velocity) 추정들을 위해서 측정된 전단파 모션의 진폭을 감소시킨다. 상쇄 간섭을 제거하고 LR 및 RL 전단파들을 분리하기 위해서, 방향성 필터가 사용될 수 있다. 이를 위해 유용한 방향성 필터들의 예들은, 예컨대, T. Deffieux 등에 의한 IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control, 2011; 58: 2032-2305 의 "On the Effects of Reflected Waves in Transient Shear Wave Elastography," 에서 설명되어 있다.
특히, 도 11b를 참조하면, 모션 검출 초음파 비임(1120)을 갖는 콤 푸시가 콤 외부측에 배치된다. 콤의 상이한 푸시 비임(1102)들로부터 전단파들이, 상이한 시간들에서 검출 비임(1120) 위치에 도달하는데, 이는 전파 거리가 각각의 푸시 비임(1102)에 대해 상이하기 때문이다. 따라서, 검출된 전단파 신호(1106)는 시간축을 따라 다중의 피크들을 가질 것이다. 매체의 전단파 속력은, 이들 피크들 사이의 시간 간격으로부터, 또는 검출된 시간 신호의 주파수 및 콤의 푸시 비임(1102)들 사이 간격(r)에 의해 계산될 수 있다. 전단파 생성을 위해서, 본원에 설명된 바와 같은 콤과 유사한 공간적으로 변조된(spatially modulated) 푸시 필드를 사용한다는 개념은, McAleavey 등에 의한, Ultrasonic Imaging, 2007; 29(2):87-104의 "Shear-Modulus Estimation by Application of Spatially-Modulated Impulsive Acoustic Radiation Force,"에서 제안되었다. 그러나, 2 개의 평면파들의 교차시 발생하는 프라운호퍼 존(Fraunhofer zone) 집속식 비임 또는 단일 집속식 비임이 사용된 McAleavey에 의해 교시된 접근법은, 공간적으로 변조된 푸시 필드를 발생시키기 위해서 수개의 푸시 위치들에 걸쳐 순차적으로 변환된다(sequentially translated). 여기서 제안된 비집속식 비임들은 상이한 공간적 변조 특질들을 갖는 푸시 필드들을 생성하기 위해서 보다 유연성이 있다. 동시에, 공간적 변조가 집속식 초음파에 의해 발생된 것에 비해서 비집속식 비임들이 갖는 매우 큰 심도 범위(depth range)에 걸쳐 유지되는 것으로 예상된다.
또한, McAleavey는 공간적으로 변조된 필드 외부에 검출 비임을 배치시키는 것을 교시하였다. 이제, 전술한 비집속식 초음파 에너지(1102)의 콤을 사용하는, 도 11c를 참조하면, 검출 비임(1120)이 콤 푸시 필드(1102) 내에 배치될 수 있다. 모든 푸시 비임(1102)들이 검출 비임(1120)을 중심으로 대칭으로 배치된다면, 좌측 푸시 비임(1102)들로부터의 전단파(1106)들이, 검출 비임(1120)에 도착할 것이며, 이와 동시에 푸시 비임(1102)들로부터 검출 비임(1120)의 우측으로 전단파(1106)들이 도착할 것이다. 그 결과, 이들 전단파(1106)들은, 구조적으로 추가되며, 전단파 규모(magnitude)는 두 배가 된다. 이에 따라, 전단파 진폭이 증가되어 전단파 속력 추정을 위해 더 높은 SNR을 유발한다.
전단파 속력은, 측방향(lateral direction)을 따라 기록된 입자 속도 프로파일들을 교차 상관함으로써 비행 시간 알고리즘을 사용하여 추정될 수 있다. 예시로써, 동일한 심도에서 8 개의 초음파 파장들(예컨대, 8 개의 픽셀들)에 의해 분리된 2 개의 지점들은 FOV의 중간에서 픽셀의 국부적 전단파 속력을 계산하기 위해 사용된다. 입자 속도 프로파일들은, 신호의 양단부들이 0으로 강제되도록 튜키 윈도우식(Tukey windowed)일 수 있으며, 이에 의해 더 강고한 교차 상관을 용이하게 한다. 또한, 속도 프로파일들은 교차 상관 이전에 보간될(interpolated) 수 있다. 예로서, 속도 프로파일들은 5 배만큼(by a factor of five) 보간될 수 있다.
CUSE 촬상의 하나의 이점은, 전체 FOV 2 차원 전단파 속력 맵을 재구축하기 위해서 단지 하나의 데이터 취득이 요구된다는 것이다. 이러한 이점은, 이제, 도 11d에 예시된 예시적 구성에 관하여 설명되는데, 여기서, 초음파 변환기(1104)가, 제 1 방향(1154)으로 전파하는 전단파들의 제 1 그룹(1152) 및 제 2 방향(1158)으로 전파하는 전단파들의 제 2 그룹(1156)을 발생시키기 위해서 사용된다. 예시로써, 제 1 방향은 좌-우(LR) 방향일 수 있고, 제 2 방향은 우-좌(RL) 방향일 수 있다. 이 예시를 계속하면, 예시적 목적들을 위해, 방향성 필터가 사용된다면, 제 1 그룹(1152)에서의 전단파들은 서브그룹(SG2 내지 SG9) 아래에서 전파할 것이며, 제 2 그룹(1156)에서의 전단파들은 서브그룹(SG1 내지 SG8) 아래에서 전파할 것이다. 이에 따라, 이러한 영역들에서의 전단파 속력은, 회복될 수 있다. 그러나, 제 1 그룹(1152)에서의 전단파들은, 서브그룹(SG1) 아래 영역을 커버할 수 없으며, 제 2 그룹(1156)에서의 전단파들은, 서브그룹(SG9) 아래 영역을 커버할 수 없다. 따라서, 전체 FOV 속력 맵이 얻어질 수 있도록 전단파들의 제 1 그룹(1152)을 위한 전단파 속력 맵과 전단파들의 제 2 그룹(1156)을 위한 전단파 속력 맵을 조합하기 위해서 조합 방법이 사용된다. 서브그룹(SG1) 아래 구역은, 단지 전단파들의 제 2 그룹(1156)만을 사용하여 재구축되고, 서브그룹(SG9) 아래 구역은, 단지 전단파들의 제 1 그룹(1152)만을 사용하여 재구축된다. 서브그룹들(SG2 내지 SG8) 아래 구역(1160)들은, 전단파들의 제 1 그룹(1152) 및 전단파의 제 2 그룹(1156) 양자로부터 전단파 속력 추정들을 평균화함으로써 재구축된다.
전술한 설명이 초음파 변환기 표면에 대해 수직하게 또는 실질적으로 수직하게 생성된 초음파 푸시 비임들에 대해서 제공되고 있지만, 초음파 푸시 비임들이 또한 변환기 표면에 수직이 아니도록 초음파 푸시 비임들이 스티어링될 수 있음이 당업자에 의해 상정될 것이다. 이러한 예들에서, 그리고 방향성 필터링이 상이한 방향들로 이동하는 전단파들 사이 간섭을 완화시키기 위해 사용될 때, 이러한 방향성 필터링은 임의의 각도들로 이동하는 전단파들을 추출하기 위해서 변조될 수 있다. 임의의 각도들에 대해 방향성 필터들을 사용하는 예시는, A. Manduca 등에 의한, Medical Image Analysis, 2003; 7:465-473의 "Spatio-Temporal Directional Filtering for Improved Inversion of MR Elastography Images,"에서 설명된다.
본원에 설명된 바와 같은 전단파들을 발생시키기 위해서 비집속식 초음파 에너지를 사용하는 이점은, 통전를 위해서 매우 적은 변환기 요소들이 필요하다는 점이다. 따라서, 변환기 요소들 각각 상에 다량의 파워(power)를 발생시키기 위해서, 전송 기판(transmit board)이 다량의 에너지를 발생시킬 필요가 없다. 이의 결과, 전송 기판을 너무쓰지(overtaxing) 않고도 초음파 푸시가 아주 길어질 수 있는데, 이는 아주 적은 요소들이 사용되기 때문이며 그리고 조직에서 일부 심도에서 초점을 만들기 위해서 큰 어퍼쳐를 가질 필요가 없기 때문이다. 집속식 초음파 비임은, 진단 초음파에 대한 FDA 규제들을 쉽게 초과할 수 있으며, 따라서 집속식 푸시 톤 버스트가 초음파 시스템에 의해 이송될 수 있는 전체 전압을 사용할 수 없다. 이에 반해, 초음파 에너지의 세기(intensity)는, 본원에 설명된 방법에 대해 낮은데, 이는 비임이 집속식이 아니기 때문이다. 이에 따라, 초음파 비임의 기계적 인덱스 및 세기는 FDA 규제들 아래에서 양호해야 한다. 그 결과, 매우 높은 전압이 초음파 푸시 비임들을 발생시키기 위해서 사용될 수 있고, 이는 이에 따라 더 큰 조직 모션들을 발생시킬 수 있다. 본원에 설명된 방법의 다른 이점은, 기계적 인덱스가 낮기 때문에 그리고 세기가 낮기 때문에, 전단파들이 고펄스 반복률(pulse repetition rate)로 유도될 수 있어 이에 의해 심장의 사이클(cycle of the heart)을 통하는 것과 같은 역학적 측정들에 대해 유리한 많은 측정들을 제시간에 허용한다는 것이다.
본 방법에 대한 하나의 잠재적인 도전은, 비집속식 비임에 의해 생성된 조직 모션이 집속식 비임에 의해 생성된 조직 모션에 비해 낮을 수 있다는 것이다. 따라서, 전단파 검출을 위한 SNR은, 그렇게 높지 않을 것이다. 조직 모션들을 증가시키기 위해서 다수의 방법들이 존재한다. 위에서 나타낸 바와 같이, 더 높은 전송 전압들이 더 큰 조직 모션들을 얻기 위해서 사용될 수 있는데, 이는 비집속식 초음파 비임이 세기에 대한 FDA 규제들을 초과할 가능성이 없기 때문이다. 게다가, 더 긴 톤 버스트가 더 큰 조직 모션을 발생시키기 위해서 전송될 수 있는데, 이는 비집속식 비임이 더 적은 전송 요소들 및 에너지를 덜 사용하기 때문이며; 이에 따라, 전송 기판의 파워 감소(power droop)가 문제가 되지 않는다. 마지막으로, 초음파 비임의 심도를 따른 이동 평균(running average)은, 전단파 검출의 SNR을 개선하기 위해서 사용될 수 있는데, 이는 전단파 전파가 심도 방향을 따라 비교적 균일하기 때문이다. 조직에서 깊은 모션을 얻기 위해서, 더 낮은 주파수를 갖는 초음파가 보다 양호한 투과(penetration)를 획득하기 위해서 사용될 수 있다.
조직 모션이 롱(long) 톤 버스트 중 측정되어야 한다면, 롱 톤 버스트는 모션 검출 펄스들과 인터레이스되는(interlaced) 다중 숏(short) 톤 버스트들로 대체될 수 있다. 이제, 도 12를 참조하면, 숏 톤 버스트들은 조직들에 롱 푸시 톤 버스트들을 효과적으로 재연(represent)하는데, 이는 조직 응답(tissue response)이 비교적 느리기 때문이며, 따라서 다음 숏 톤 버스트들이 적용되기 이전에 각각의 숏 톤 버스트로부터 조직이 회복되지 않는다. 따라서, 검출 펄스들이 롱 푸시 지속기간 동안 조직 모션을 측정하기 위해서 이러한 숏 톤 버스트들 사이에 추가될 수 있다. 이러한 특성의 방법들의 예시들은, 예컨대, 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된 계류중인 미국 가특허출원 제 61/327, 539호에서 설명되고 있다. 이전에 설명된 방법과 본원에 설명된 방법 간의 차이점은, 본 발명의 방법에서 사용된 숏 톤 버스트들은 비집속식 초음파를 활용한다는 것이다. 또한, 제한된 회절(diffraction) 비임들이 더 큰 축방향 심도 범위에 걸쳐 연장하는 비집속식 비임들을 생성하기 위해서 사용될 수 있다. 제한된 회절 비임들은, 비집속식 비임을 발생시키기 위해서 모든 변환기 요소들을 사용하며, 따라서 더 많은 초음파 에너지가 비집속식 비임에 존재하는 결과로서 더 많은 조직 모션을 생성할 수 있다. 제한된 회절 비임들을 사용하는 이전의 방법들은, 환형(annular) 변환기 어레이 또는 2 차원 변환기의 사용을 필요로 한다. 그러나, 본 발명의 방법에 의하면, 1 차원, 1.5 차원, 1.75 차원 또는 2 차원 변환기가 비집속식 푸시를 발생시키기 위해서 사용될 수 있다.
특히, 도 13을 참조하면, 초음파 촬상 시스템(1300)은 복수 개의 별개로 구동된 변환기 요소(1304)들을 포함하는 변환기 어레이(1302)를 포함한다. 송신기(1306)에 의해 통전되면, 각각의 변환기 요소(1302)는 초음파 에너지 버스트를 발생시킨다. 연구중인 객체 또는 피검체로부터 변환기 어레이(1302)로 역으로 반사된 초음파 에너지가 각각의 변환기 요소(1304)에 의해 전기 신호로 전환되어 스위치들의 세트(1310)를 통해 수신기(1308)에 별개로 적용된다. 송신기(1306), 수신기(1308) 및 스위치(1310)들은 인간 조작자에 의해 입력된 명령들에 응답하여 디지털 제어기(1312)의 제어 하에 작동된다. 완벽한 스캔이 일련의 에코 신호들을 획득함으로써 실행되며, 이 신호들에서, 스위치(1310)들은 이들 신호의 전송 위치로 설정되며, 이에 의해 각각의 변환기 요소(1304)를 통전하기 위해서 잠깐동안(momentarily) 송신기(1306)를 턴온(turned on)하도록 지향한다. 이어서, 스위치(1310)들은 이들의 수신 위치를 설정하게 되고, 각각의 변환기 요소(1304)에 의해 발생된 후속 에코 신호들이 측정되어 수신기(1308)에 인가된다. 각각의 변환기 요소(1304)로부터 별개의 에코 신호들이 수신기(1308)에서 조합되어 예컨대 디스플레이 시스템(1314) 상에서 이미지에 라인을 발생시키기 위해서 적용된 단일 에코 신호를 발생시킨다. 송신기(1306)는 변환기 어레이(1302)를 구동시켜, 초음파 비임이 발생되고 이는 변환기 어레이(1302)의 전방면에 실질적으로 수직하게 지향된다.
본 발명이 비집속식 초음파를 갖는 전단파들의 검출에 대해서 설명되고 있지만, 본 발명이 비집속식 초음파 푸시 비임으로부터 발생하는 다른 조직 변형들을 검출하기 위해 또한 적용가능할 수 있음이 당업자에 의해 상정될 것이다. 게다가, 비집속식 초음파들의 인가에 의해 발생된 조직 변형들을 검출하기 위해서 초음파를 사용하는 것에 추가하여, 다른 촬상 방식들(imaging modalities)이 검출을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 조직 변형은 광 검출, 자기 공명 영상, 마이크로파 검출 및 다른 전자기 검출 기술들을 사용하여 검출될 수 있다.
본 발명은 하나 또는 그 초과의 바람직한 실시예들의 관점에서 설명되고 있으며, 이는 명백히 언급된 것들 이외에, 많은 등가물들, 대체예들, 변형예들 및 수정예들이 가능하며, 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 상정되어야 한다. 예컨대, 영상으로의 다른 접근법은, 다중 각도들로 평면파들을 전송하고 일종의 단층촬영(tomography) 또는 각 합성 촬상(angle compound imaging)을 실행하는 것일 수 있다.

Claims (22)

  1. 피검체(subject)의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템으로서,
    a) 상기 피검체에 하나 이상의 비집속식(unfocused) 초음파 비임을 인가함으로써 피검체 내를 전파(propagating)할 수 있는 전단파(shear wave)들을 발생시키도록 구성된 송신기(transmitter);
    b) 상기 송신기에 의해 발생된 상기 전단파들이 존재하는 상기 피검체 내의 하나 이상의 위치를 측정하기 위해서 측정 데이터를 획득하도록 구성된 검출 장치; 및
    c) 상기 검출 장치에 의해 획득된 상기 측정 데이터를 사용하여 상기 피검체의 기계적 특징을 계산하도록 구성된 제어기;를 포함하는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 장치는 초음파 장치이며,
    상기 측정 데이터는 상기 피검체 내의 하나 이상의 위치에 초음파 에너지를 인가함으로써 획득되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    인가된 상기 초음파 에너지는 집속식 초음파 에너지 및 비집속식 초음파 에너지 중 하나 이상의 에너지인,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 장치는, 광 검출 장치, 자기 공명 영상 장치 및 마이크로파 검출 장치 중 하나 이상의 장치이며,
    상기 측정 데이터는 상기 피검체 내의 하나 이상의 위치에 전자기 에너지를 인가함으로써 획득되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신기는, 초음파 변환기(ultrasound transducer)를 포함하며, 하나 이상의 비집속식 초음파 비임을 인가하기 위해서 콤(comb) 형상 패턴으로 초음파 변환기로부터 외측방으로 연장하는 복수 개의 비집속식 초음파 비임들을 발생시키도록 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 송신기는, 상기 초음파 변환기의 표면을 가로질러 균일하게(evenly) 이격되는 복수 개의 비집속식 초음파 비임들을 발생시키도록 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상이한 방향들로 전파하는 전단파들 사이의 간섭(interference)이 완화되도록(mitigated) 상기 측정 데이터에 방향성 필터를 적용하도록 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 측정 데이터로부터, 제 1 방향으로 전파하는 전단파들의 측정들에 대응하는 측정 데이터의 제 1 서브세트를 형성하고,
    상기 측정 데이터로부터, 제 2 방향으로 전파하는 전단파들의 측정들에 대응하는 측정 데이터의 제 2 서브세트를 형성하며, 그리고
    상기 측정 데이터의 제 1 서브세트 및 상기 측정 데이터의 제 2 서브세트를 선택적으로 조합하도록 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 방향과 상기 제 2 방향은 대향하는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신기는, 초음파 변환기의 제 1 방향을 따라 복수 개의 초음파 변환기 요소들을 통전함으로써 피검체 내의 평면 구역(planar region)에 비집속식 초음파 에너지를 인가하여 전단파들이 상기 평면 구역으로부터 외측방으로 연장하는 방향을 따라 전파하도록 추가로 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 검출 장치는 초음파 장치이므로, 상기 검출 장치는 상기 제 1 방향에 수직한 초음파 변환기의 제 2 방향을 따라 복수 개의 초음파 변환기 요소들을 통전함으로써 피검체 내의 하나 이상의 위치에 초음파 에너지를 인가하여 상기 측정 데이터를 획득하도록 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출 장치는 상기 송신기의 초음파 변환기와는 별도인 초음파 변환기를 포함하는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 피검체에 2 개 이상의 비집속식 초음파 비임들을 인가하도록 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 장치는 초음파 장치이며, 상기 피검체에 초음파 에너지를 인가함으로써 측정 데이터를 획득하도록 구성되고;
    상기 송신기는 상기 피검체에 복수 개의 비집속식 초음파 톤 버스트(tone burst)들을 인가하도록 구성되며; 그리고
    상기 검출 장치는 상기 송신기에 의해 인가된 복수 개의 비집속식 초음파 톤 버스트들에 의해 제시간에 인터레이스되는(interlaced in time) 복수 개의 초음파 톤 버스트들을 인가하도록 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신기는, 초음파 변환기의 표면에 대해서 각지게(at an angle) 초음파 변환기에 의해 생성된 하나 이상의 비집속식 초음파 비임을 인가하도록 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  16. 초음파 시스템을 이용하여 피검체의 기계적 특징을 측정하는 방법으로서,
    a) 복수 개의 축방향 심도(depth)들에서 내부에 복수 개의 조직 변형(tissue deformation)들을 발생시키기 위해서 피검체에 하나 이상의 비집속식 초음파 비임을 인가하는 단계,
    b) 상기 복수 개의 조직 변형들 중 하나 이상의 변형들이 위치되는 피검체 내의 하나 이상의 위치에 초음파 에너지를 인가함으로써 피검체로부터 획득된 측정 데이터를 수신하는 단계, 및
    c) 상기 b) 단계에서 수신된 측정 데이터를 사용하여 상기 피검체의 기계적 특징을 계산하는 단계를 포함하는,
    초음파 시스템에 의해 피검체의 기계적 특징을 측정하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 b) 단계의 초음파 에너지는 집속식 초음파 에너지 및 비집속식 초음파 에너지 중 하나 이상의 에너지인,
    초음파 시스템에 의해 피검체의 기계적 특징을 측정하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수 개의 조직 변형들은 복수 개의 전단파들을 포함하는,
    초음파 시스템에 의해 피검체의 기계적 특징을 측정하는 방법.
  19. 피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템으로서,
    a) 초음파 변환기로부터 외측방으로 연장하는 하나 이상의 방향으로 피검체 내를 전파하는 전단파들을 발생시키고 상기 초음파 변환기의 표면에 수직한 방향으로 힘을 발생시키도록 구성된 초음파 변환기 - 상기 전단파들은 상기 피검체에 하나 이상의 비집속된 초음파 비임을 인가함으로써 발생됨 - ;
    b) 상기 전단파들이 존재하는 상기 피검체 내의 하나 이상의 위치에 인가된 초음파 에너지로부터 유도된 측정 데이터를 획득하도록 구성된 수신기; 및
    c) 상기 측정 데이터를 사용하여 상기 피검체의 기계적 특징을 계산하도록 구성된 제어기;를 포함하는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 초음파 변환기는 집속식 초음파 에너지 및 비집속식 초음파 에너지 중 하나 이상의 에너지를 생성하도록 구성된,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 초음파 변환기는, 초음파 변환기의 표면에 수직한 방향으로 전파하게 전단파들을 발생시키도록 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 초음파 변환기는 하나 이상의 전단파들을, 초음파 변환기의 표면 상의 일 지점으로부터 반경 방향 외측방으로 전파하는 전단파로서 발생시키도록 구성되는,
    피검체의 기계적 특징을 측정하기 위한 시스템.
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