KR20210003756A - 탄성영상 및 점탄성영상 이미징을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
탄성영상 및 점탄성영상 이미징을 위한 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
이미징 시스템 및 방법의 고해상도 점탄성영상(HDVE) 관성 드라이버 장치는 하나 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치를 포함한다. 각 HDVE 관성 드라이버 장치는 (i) 컨트롤러로부터 드라이버 신호를 수신하는 것을 가능하게 하는 드라이버 인터페이스; (ii) 공진 표면; 및 (iii) 드라이버 인터페이스에 통신적으로 결합되고 공진 표면의 공진 변위를 독립적으로 생성하도록 공진 표면에 기계적으로 결합된 관성 드라이버;를 갖는다. HDVE 관성 드라이버 장치의 지지 부재는 신체 내의 조직 또는 객체 내의 재료의 체적을 통한 전단 파장을 생성시키기 위해 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치가 신체와 접촉하도록 위치시킨다.
Description
35 U.S.C 119 하의 우선권의 주장
특허에 대한 본 출원은 2018년 3월 24일 제출된 제목 “탄성영상 및 점탄성영상 이미징을 위한 시스템 및 방법”인 미국 가출원 제 62/647,672호 및 2018년 8월 8일 제출된 제목 “탄성영상 및 점탄성영상 이미징을 위한 시스템 및 방법”인 미국 가출원 제62/716,303호에 우선권을 주장하며, 이는 양수인에게 양도되고 본 명세서에 참조로 명시적으로 포함된다.
기술 분야
본 발명은 탄성영상 및 점탄성영상 장치 및 외부 진동을 사용하는 탄성영상 및 점탄성영상 방법에 관한 것이다. 본 발명은 이미징, 비파괴 테스트 및 지진 매핑(seismic mapping)을 포함하는 탄성영상 및 점탄성영상 방법에 관한 것이다.
탄성영상 이미징은 조직 또는 객체의 스티프니스 맵(stiffness map)을 제공하며, 스티프니스 값은 초음파 및 자기 공명 이미징과 같은 하지만 이에 제한되지 않는 일반적인 이미징 시스템으로부터 얻어진 이미지에 오버레이된다. 스티프니스 맵은 일반적으로 조직 또는 객체에 주입되거나 유도된 음향 진동의 전파를 모니터링할 수 있는 이미징 또는 감지 모달리티(modality)를 사용하여 조직 또는 객체를 이미징하여 얻는다. 진동은 초음파 생성 푸쉬(ultrasound generated push)를 사용하여 유도될 수 있다.
음향 방사력 임펄스(ARFI)는 초음파 트랜스듀서 어레이 자체를 사용하여 관심 영역의 조직 또는 객체에 음향 임펄스를 생성하는 탄성 기법이다. 초음파 어레이는 빔 방향을 따른 결과적인 조직 변위의 전파 및/또는 유도된 측면 전단파의 전파를 모니터링하는데 사용된다. 음향 임펄스는 안전하고(조직 또는 객체를 과열시키지 않음) 트랜스듀서를 과열하지 않는 강도로 제한되어야 한다. 결과적으로 ARFI 시스템은 일반적으로 조직 또는 객체에 최대 6cm까지만 침투하여 표면 조직 및 객체 근처의 이미징에만 그 유용성을 제한한다. 또한, ARFI 임펄스 자체는 ARFI 프로브의 조직 접촉점의 처음 1.5 내지 2cm 내에 상당한 에코와 왜곡을 생성하여 ARFI에서 생성된 탄성영상 이미지 내에서의 상당한 노이즈를 유발한다. ARFI 접근법의 낮은 해상도는 이 기술의 효율성을 제한한다.
크롤링 웨이브(crawling wave) 및 초기 탄성초음파영상(sonoelastography) 시스템과 같은 다른 형태의 탄성영상은 또한 음향 진동을 사용하여 일반적으로 외부, 때로는 여러 개의, 음향 진동 소스를 사용하여 전단파를 신체 또는 객체로 유도한다. 크롤링 웨이브는 약간 다른 주파수로 진동하는 2 개의 진동 소스를 사용하여 시야를 천천히 이동하는 간섭 패턴을 생성하는 방식으로 신체 또는 객체에 전단파를 유도한다. 천천히 움직이는 패턴은 관심 영역에서 전단파장을 측정하는데 사용될 수 있다. ARFI와 달리, 외부 음향 진동과 그에 따른 전단파는 신체 또는 객체 깊숙이 안전하게 침투하므로 초음파 이미징 모달리티의 전체 침투 깊이가 사용될 수 있다.
다른 접근법에서, German 그룹은 시험 테이블의 바닥에 몰트로 고정된 시끄러운 스피커를 사용했으며, 시험 테이블에 구멍을 뚤어 음파를 통과시키고 음파가 신체를 통해 전파하는 전단파로 변환된다. 음파가 공기를 통해 전파하기 때문에 잠재적인 음량(potential loudness)은 직원, 환자 및 다른 사람들에게 문제를 제공한다. 음파는 환자의 피부에 봉인되지 않으며 잡음 완화는 소리의 모든 탈출 경로를 완전히 커버하지 않는다. 또한, 공기는 끔찍한 동력 전달 매체이기 때문에 환자의 신체에 결합된 공기는 특히 고주파에서 약한 전단파만을 생성할 수 있다.
이전 버전의 진동 장치 및 시스템은 “고주파”가 200Hz로 간주되고 그러한 주파수에서 높은 조직 감쇠로 인해 작동하지 않을 수 있다고 추측되도록 설명된다.
반향 전단파 탄성영상(reverberant shear wave elastography)은 복수의 음향 진동 트랜스듀서가 여러 방향에서 다양한 특정 주파수, 위상 및 진폭의 진동 파(vibratory wave)를 주입하여 관심 영역에서 모니터링하고 전단파 주파수의 함수로 전파 속도를 추정하는데 사용될 수 있는 방법이며, 이는 주파수의 함수로서 스티프니스로 변환될 수 있으며, 이는 결국 점도를 계산하는데 사용될 수 있다. 음향 진동과 그에 따른 전단파는 신체 또는 객체 깊이 안전하게 침투하여 초음파 이미징 시스템이 이미지의 전체 깊이를 활용할 수 있도록 한다. 일반적으로 알려진 반향 전단파 탄성영상은 초기 촉각 진동 소스와 유사한 제한을 가지고 있으며, 고주파에서 깊숙히 침투할 수 없는 저주파용으로 설계된다.
예를 들어, EchoSens 외부 진동 시스템은 저주파로 제한되며, 간에서 왕복 초음파 에코가 되돌아 올 시간이 충분하지 않기 때문에 간에서 고 주파수(예를 들어, 4kHz)로 사용하면 잠재적 앨리어싱(aliasing)이 발생하여 Shannon 샘플링 이론에 명시된 요구 샘플 속도의 초과로 샘플링한다.
본 발명은 외부 진동을 사용한 탄성영상 및 점탄성영상 이미징을 위한 신체 또는 객체의 기계적 진동을 유도하기 위한 장치 및 시스템, 탄성영상 및 점탄성영상 이미징 방법을 위한 장치를 제공하며, 여기서 결과적인 전단파는 단일 주파수, 2 개의 주파수 또는 다중 주파수(대역 제한 백색 잡음에서와 같은 무한한 수의 주파수를 포함), 신체 또는 객체로 깊게 침투하면서 200Hz 미만의 진동 범위를 제공하는 동시에 200Hz를 초과할 수 있는 기능을 갖는다. 하나 이상의 실시예에서, 파동은 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 15, 20, 25개 이상의 이산 주파수를 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 트랜스듀서를 구비한 초음파 시스템을 이용하여 객체의 기계적 특성을 측정하는 방법이 제공된다. 방법은 전기 기계식 진동 드라이버 소스와 같은 음향 에너지 소스 또는 단일 주파수의 또는 다양한 주파수, 위상 및 진폭의 복수의 정현파, 삼각파, 구형파, 복잡한 파형을 갖는 것과 같은 임의 파형을 포함하는 시스템을 제공하는 것을 포함한다.
잡음의 색은 잡음 신호(확률적 프로세스에 의해 생성된 신호)의 전력 스펙트럼을 의미한다. 노이즈의 다른 색상은 크게 다른 특징을 갖는다: 예를 들어, 오디오 신호는 사람의 귀와 다르게 들리며 이미지는 시각적으로 다른 질감을 갖는다. 노이즈 신호에 대한 이러한 '색상' 감각은 음악의 음색 개념(“톤 컬러”라고도 함)과 유사하지만 후자는 거의 항상 소리에 사용되며 스펙트럼의 매우 세부적인 특징을 고려할 수 있다. 색상을 따서 잡음의 종류를 이름을 지정하는 방법은 동일한 주파수의 간격 내에서 스펙트럼이 동일한 전력을 갖는 신호인 백색 소음으로부터 시작되었다. 다른 색상 이름에는 분홍색, 적색 및 청색이 포함된다. 이러한 이름 중 일부는 특정 분야에서 표준 정의를 가진다. 이러한 정의의 대부분은 1/fβ에 비례하는 대역폭의 단위당 전력 스펙트럼 밀도를 갖는 모든 주파수에서 구성요소를 갖는 신호를 가정하므로 멱함수 잡음(power-law noise)의 예이다. 예를 들어, 백색 잡음의 스펙트럼 밀도는 평평하고(β=0), 플리커 또는 분홍색 잡음은 β=1이고, 브라운 잡음은 β=2이다. 다양한 잡음 모델이 분석에 사용되며, 이들 중 대부분은 위의 카테고리 하에 있다. AR 잡음 또는 “자기회귀 잡음(autoregressive noise)”은 이러한 모델이며, 위의 노의즈 유형 등의 간단한 예를 생성한다. Federal Standard 1037C Telecommunications Glossary는 흰색, 분홍색, 파랑색 및 검정색 노이즈를 정의한다. 그럼에도 불구하고 노이즈는 다른 패턴을 가질 수 있다. 연속 잡음은 중단없이 지속적으로 생성되는 잡음이다. 건헐적 잡음은 급격히 증가 및 감소하는 잡음 수준이다. 충동적인 잡음은 갑작스러운 잡음과 같다.
하나 이상의 실시예에서, 본 발명의 방법 및 시스템은 트랜스듀서를 통해 처리되는 신호의 주파수를 변경하는 것을 제공한다. 하나 이상의 실시예에서, 신호는 원하는 효과를 달성하기 위해 미리 결정된 주파수(헤르츠 또는 Hz) 범위 내의 주파수를 스캐닝하는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 둘 이상의 트랜스듀서가 동시에 사용된다. 하나 이상의 실시예에서, 다중 트랜스듀서는 동일한 Hz 범위, 미리 결정된 세트의 상이한 Hz 범위 또는 가변 Hz 범위를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 다중 트랜스듀서는 사용자가 다른 주파수에 대해 하나의 주파수를 튜닝하고 출력 주파수로부터 피드백을 수신하여 이러한 주파수를 분석하고 등화(equalization), 압축 및 위상 변화를 제공할 수 있게 한다.
다른 양태에서, 본 개시는 이미징 대상의 표면에 인접하게 위치하도록 구성되고 대상의 조직 또는 재료에 기계적 에너지를 전달하도록 구성된 진동 부재를 포함하는 탄성영상을 위한 장치를 제공한다. 음향 에너지 소스 또한 포함되며 진동 부재에 외부적으로 결합되어 진동 부재가 대상 내에 전단파를 생성하게 한다.
일 양태에서, 고해상도 점탄성영상(high definition viscoelastography, HDVE) 관성 드라이버 장치는 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치를 포함한다. 각 HDVE 관성 드라이버 장치는: (i) 컨트롤러로부터 드라이버 신호를 수신하는 것을 가능하게 하는 드라이버 인터페이스; (ii) 공진 표면; 및 (iii) 드라이버 인터페이스에 통신 가능하게 결합되고 공진 표면에 기계적으로 결합되어 공진 표면의 공진 변위를 독립적으로 생성하는 관성 드라이버;를 갖는다. HDVE 관성 드라이버 장치의 지지 부재는 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치를 신체와 음향 접촉으로 배치하여 신체 내의 조직의 체적 또는 객체 내의 재료의 체적을 통해 전단 파장을 생성한다.
추가 양태에서, 본 발명의 이미징 시스템은 HDVE 관성 드라이버 장치를 포함한다. 컨트롤러는 2개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치의 각 드라이버 인터페이스에 통신 가능하게 결합된다. 컨트롤러는 2 개 이상의 드라이버 인터페이스 각각에 대해 독립적인 시퀀스 드라이버 신호를 생성하여 다음 중 선택된 하나를 포함하는 전단 파장을 유도한다: (i) 크롤링 웨이브; (ii) 반향 파(reverberant wave); 및 (iii) 0.5 내지 50μm 범위의 변위를 생성하기에 충분한 전력을 가진 20Hz 내지 80kHz의 음향 주파수 범위에서의 단방향 파. 이미징 시스템은 신체에 위치된 음향 센서와 음향 센서에 통신적으로 결합된 음향 주파수 분석기를 포함한다.
컨트롤러는 다중 주파수 파형 신호를 생성하고 이를 드라이버 신호로 증폭하여 HDVE 관성 드라이버 장치를 구동하여 음향 주파수 분석기에 의한 주파수 응답에 기초하여 조직 탄성 및 점탄성을 측정하기 위한 전단 파장을 생성한다.
추가 양태에서, 방법은 다중 주파수 파형 신호를 생성하고 이를 드라이버 신호로 사용되도록 증폭시키는 단계를 포함한다. 방법은 신체에 대해 유지되는 공진 표면의 공진 변위를 생성하는 각각의 HDVE 관성 드라이버 장치의 관성 드라이버를 구동하는 단계를 포함한다. 방법은 신체에 대해 유지되는 음향 센서에 의해 음향 파를 수신하는 단계를 포함한다. 방법은 조직 탄성을 측정하기 위해 신체의 조직을 통과한 다중 주파수 파동 신호의 주파수 에 대한 주파수 응답을 분석하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 방법은 다음 중 선택된 하나를 포함하는 신체 내의 조직의 체적을 통해 전단 파장을 생성하기 위해 각각의 HDVE 관성 드라이버 장치에 결합된 드라이버 신호를 생성하는 단계를 포함한다: (i) 크롤링 웨이브; (ii) 반향 파; 및 (iii) 0.1 내지 50μm 범위의 변위를 생성하기에 충분한 전력을 가진 20Hz 내지 80kHz의 음향 주파수 범위에서의 단방향 파. 하나 이상의 실시예에서, 음향 주파수 범위는 측정될 객체의 크기에 따라 20, 18, 16, 14, 12, 10Hz 미만일 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 방법은 주파수가 10Hz 이하인 대형 바디(예를 들어, 코끼리, 빌딩 베어링, 브릿지 베어링 등)에 대한 드라이버 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 방법은 지진 분석을 위한 드라이버 신호를 생성하는 단계를 포함하며, 여기서 주파수는 0.1Hz 이하이다. 방법은 전단 파장의 분석을 기반으로 탄성과 점도를 측정하는 단계를 포함한다.
추가 양태에서, 트랜스듀서의 어레이를 갖는 다채널 촉각 공진기를 포함하는 시스템이 제공된다. 하나 이상의 실시예에서, 시스템은 관심 대상의 내부 영역 전체에 걸쳐 원하는 전단 파장을 생성하는 방식으로 관심 대상의 외부 주위에 배치된 광대역(또는 전체 주파수 범위) 관성 드라이버의 유연한 어레이를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 어레이는 더 낮은 주파수 범위에 최적화된 단 하나의 요소의 유형을 갖는다. 하나 이상의 실시예에서, 어레이는 더 높은 주파수 범위에 최적화된 단 하나의 요소의 유형을 갖는다. 하나 이상의 실시예에서, 어레이는 더 낮은 주파수를 위한 일부 요소 및 더 높은 주파수를 위한 일부 요소를 갖는다. 하나 이상의 실시예에서, 어레이는 스프링 및/또는 탄성 지지부 및 하네스를 사용함으로써 모두 유연하여 관심 영역 근처의 신체 또는 객체의 외부 표면에 일치한다. 하나 이상의 실시예에서, 관성 드라이버의 어레이는 대상의 외부에 배치되고 관심 내부 영역에서 적어도 0.5 마이크로 미터의 변위를 생성한다. 하나 이상의 실시예에서, 어레이는 저주파 및 고주파 요소 모두를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 어레이는 특정 관심 영역에서 대상 내부에 반향 전단 파장을 생성한다. 하나 이상의 실시예에서, 어레이는 드라이버에 대한 열 보호를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 어레이는 대상의 거리로부터 전단파를 전달하기 위한 오디오 파 관성 드라이버를 포함한다. 예를 들어, MRI 근처에서 사용되는 경우 관성 드라이버는 기계 근처에 있을 수 없으므로 어레이는 멀리 배치되고 전단파는 원격으로 전달된다. 하나 이상의 실시예에서, 어레이는 최소 약 25 내지 약 35KHz의 주파수를 사용하여 대상과의 거리로부터 전단파를 전달하기 위한 오디오 파 관성 드라이버를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 어레이는 적어도 약 50 내지 약 60KHz의 주파수를 사용하고 적어도 약 90, 100, 120, 140, 160, 180K 이상의 프레임/초의 속도를 갖는 x-레이 검출기와 함께 사용되는 대상체의 거리로부터 전단파를 전달하기 위한 오디오 파 관성 드라이버를 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 검출기는 단일 소스로부터 방출되고 단일 검출기로부터 수신된 단일 다색성 X-레이 빔(120kVp의 표준으로 70 내지 140kVp 범위)을 활용하는 기존 또는 단일 에너지 CT(SECT)이다. 하나 이상의 실시예에서, 검출기는 “스펙트럼 이미징”으로도 알려진 이중 에너지 CT(DECT)이며, 여기서 2 개의 에너지 레벨(일반적으로 80 내지 140kVp)이 추가 데이터 세트를 생성하기 위해 처리될 수 있는 이미지를 획득하는데 사용된다.
이들 및 다른 특징은 아래에 예시된 실시예서 보다 완전하게 설명된다. 일반적으로 일 실시예의 특징은 또한 다른 실시예의 특징과 조합하여 사용될 수 있으며, 실시예는 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않음을 이해해야 한다.
설명이 진행됨에 따라 더 명백해질 본 발명의 다양한 예시적인 실시예는 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명에서 설명된다.
도 1은 전단파 주파수 및 병변 스티프니스(lesion stiffness)의 함수로서 연조직에서의 대략적인 탄성영상 이미지 해상도의 그래픽 플롯(100)이다. 플롯은 객체의 스티프니스(초당 미터로 전단파 속도로 나타나는 스티프니스)의 원하는 수준의 측정 정확도(보통 및 높음)에 대해 객체 스티프네스 및 전단파 주파수의 범위에 걸쳐 연조직에서 검출 가능한 대략적인 가장 작은 직경의 객체의 윤곽을 보여준다.
도 2a는 하나 이상의 실시예에 따른 지지 부재로서 하네스(harness)를 포함하는 고해상도 점탄성영상(HDVE) 관성 드라이버 장치를 갖는 이미징 시스템의 블록도이다.
도 2b는 하나 이상의 실시예에 따른 지지 부재로서 가요성 기판을 포함하는 HDVE 관성 드라이버 장치를 갖는 이미징 시스템의 블록도이다.
도 2c는 하나 이상의 실시예에 다른 지지 부재로서 한 쌍의 클램프를 포함하는 HDVE 관성 드라이버 장치를 갖는 이미징 시스템의 블록도이다.
도 2d는 하나 이상의 실시예에 따른 테이블 장착 HDVE 관성 드라이버 장치를 갖는 이미징 시스템의 블록도이다.
도 2e는 하나 이상의 실시예에 따른 프로브 하우징에 장착된 음향 센서 및 HDVE 관성 드라이버를 갖는 이미징 시스템의 블록도이다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른 신체 조직의 점탄성 특성을 측정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 4는 여기서 반향 장(reverberant field)을 생성하는 것으로 도시되는 하나 이상의 실시예에 따른 4 개의 HDVE 관성 드라이버(소스)를 사용하는 시스템을 도시한다.
도 5는 신체 또는 객체에 대해 도 2의 HDVE 관성 드라이버를 유지시키기 위한 하나 이상의 실시예에 따른 하네스를 도시한다.
도 6은 HDVE 관성 드라이버가 신체 또는 객체의 필요한 곳에, 이 경우 초음파 프로브의 이미징 사이트 근처에 배치될 수 있도록 하는 하나 이상의 실시예에 따른 하네스를 도시한다.
도 7은 여기에서 방향 장을 생성하는 것으로 도시되는 하나 이상의 실시예에 따른 다리, 팔, 목 또는 유사한 신체 부분 또는 객체를 위한 하네스 시스템을 도시한다.
도 8-10은 하나 이상의 실시예에 따른 적응형 하네스 시스템을 도시한다.
도 11은 여기에 반향 장을 생성하는 것으로 도시되는 하나 이상의 실시예에 따른 검사 필드를 방해하지 않고 HDVE 관성 드라이버를 신체에 대해 유지하기 위한 스프링 바 “헤드폰 스타일” 시스템을 도시한다.
도 12는 여기에 반향 장을 생성하는 것으로 도시되는 하나 이상의 실시예에 따른 내장된 HDVE 관성 드라이버를 갖는 매트를 도시한다.
도 13은 하나 이상의 실시예에 따른 환자 접촉 돔(patent contact dome)과 통신하는 HDVE 관성 드라이버의 배치를 조정하기 위한 슬라이딩 채널을 갖는 패드를 도시한다.
도 14는 하나 이상의 실시예에 따른 도 13의 슬라이딩 채널 HDVE 관성 드라이버 시스템을 도시한다.
도 15는 하나 이상의 실시예에 따른 도 14의 슬라이딩 채널 시스템을 위한 나사형 T-락을 도시한다.
도 16은 하나 이상의 실시예에 따른 2 개의 슬라이딩 트랙 전기-기계적 진동 시스템을 갖는 실시예를 도시한다.
도 17은 하나 이상의 실시예에 따른 압력 잠금부(pressure lock)를 도시한다.
도 18은 하나 이상의 실시예에 따른 초음파 프로브와 통합된 HDVE 관성 드라이버를 도시한다.
도 19는 하나 이상의 실시예에 따른 신체의 외부 표면(미도시)에 적용되는 저주파 및 중주파 HDVE 관성 드라이버를 포함할 수도 있는 시스템의 일부로서 초음파 경직장 프로브(ultrasound transrectal probe)와 통합된 소형 고주파 HDVE 관성 드라이버를 도시한다.
도 20은 하나 이상의 실시예에 따른 신호 소스 및 스캔될 신체 또는 객체 내의 기계적 전단파로의 변환의 전체 흐름도를 도시한다.
도 21은 하나 이상의 실시예에 따른 다 채널 쿼드로(quadro) 공진기 보드를 포함하는 다른 실시예를 도시한다.
도 22는 하나 이상의 실시예에 따른 다 채널 증폭기에 연결된 다 채널 쿼드로 공진기 보드를 포함하는 다른 실시예를 도시한다.
도 23은 하나 이상의 실시예에 따른 하나 이상의 가중 HDVE 관성 드라이버 시스템이 검사 필드를 방해하지 않고 조직에 인접하게 위치되는 유방과 같은 신체 표면 근처의 조직을 위한 가중 HDVE 관성 드라이버 시스템을 포함하는 다른 실시예를 도시한다.
도 24는 하나 이상의 실시예에 따른 HDVE 관성 드라이버 시스템이 환자의 피부와 접촉하는 하우징에 내장된 라우드스피커(loudspeaker)로 구성되어 라우드스피커 콘과 환자 피부 사이에 밀폐된 공기 기둥을 만들고 라우드스피커 콘과 환자의 피부를 분리시키는 도 23의 가중 HDVE 관성 드라이버 시스템의 실시예를 도시한다.
도 1은 전단파 주파수 및 병변 스티프니스(lesion stiffness)의 함수로서 연조직에서의 대략적인 탄성영상 이미지 해상도의 그래픽 플롯(100)이다. 플롯은 객체의 스티프니스(초당 미터로 전단파 속도로 나타나는 스티프니스)의 원하는 수준의 측정 정확도(보통 및 높음)에 대해 객체 스티프네스 및 전단파 주파수의 범위에 걸쳐 연조직에서 검출 가능한 대략적인 가장 작은 직경의 객체의 윤곽을 보여준다.
도 2a는 하나 이상의 실시예에 따른 지지 부재로서 하네스(harness)를 포함하는 고해상도 점탄성영상(HDVE) 관성 드라이버 장치를 갖는 이미징 시스템의 블록도이다.
도 2b는 하나 이상의 실시예에 따른 지지 부재로서 가요성 기판을 포함하는 HDVE 관성 드라이버 장치를 갖는 이미징 시스템의 블록도이다.
도 2c는 하나 이상의 실시예에 다른 지지 부재로서 한 쌍의 클램프를 포함하는 HDVE 관성 드라이버 장치를 갖는 이미징 시스템의 블록도이다.
도 2d는 하나 이상의 실시예에 따른 테이블 장착 HDVE 관성 드라이버 장치를 갖는 이미징 시스템의 블록도이다.
도 2e는 하나 이상의 실시예에 따른 프로브 하우징에 장착된 음향 센서 및 HDVE 관성 드라이버를 갖는 이미징 시스템의 블록도이다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른 신체 조직의 점탄성 특성을 측정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 4는 여기서 반향 장(reverberant field)을 생성하는 것으로 도시되는 하나 이상의 실시예에 따른 4 개의 HDVE 관성 드라이버(소스)를 사용하는 시스템을 도시한다.
도 5는 신체 또는 객체에 대해 도 2의 HDVE 관성 드라이버를 유지시키기 위한 하나 이상의 실시예에 따른 하네스를 도시한다.
도 6은 HDVE 관성 드라이버가 신체 또는 객체의 필요한 곳에, 이 경우 초음파 프로브의 이미징 사이트 근처에 배치될 수 있도록 하는 하나 이상의 실시예에 따른 하네스를 도시한다.
도 7은 여기에서 방향 장을 생성하는 것으로 도시되는 하나 이상의 실시예에 따른 다리, 팔, 목 또는 유사한 신체 부분 또는 객체를 위한 하네스 시스템을 도시한다.
도 8-10은 하나 이상의 실시예에 따른 적응형 하네스 시스템을 도시한다.
도 11은 여기에 반향 장을 생성하는 것으로 도시되는 하나 이상의 실시예에 따른 검사 필드를 방해하지 않고 HDVE 관성 드라이버를 신체에 대해 유지하기 위한 스프링 바 “헤드폰 스타일” 시스템을 도시한다.
도 12는 여기에 반향 장을 생성하는 것으로 도시되는 하나 이상의 실시예에 따른 내장된 HDVE 관성 드라이버를 갖는 매트를 도시한다.
도 13은 하나 이상의 실시예에 따른 환자 접촉 돔(patent contact dome)과 통신하는 HDVE 관성 드라이버의 배치를 조정하기 위한 슬라이딩 채널을 갖는 패드를 도시한다.
도 14는 하나 이상의 실시예에 따른 도 13의 슬라이딩 채널 HDVE 관성 드라이버 시스템을 도시한다.
도 15는 하나 이상의 실시예에 따른 도 14의 슬라이딩 채널 시스템을 위한 나사형 T-락을 도시한다.
도 16은 하나 이상의 실시예에 따른 2 개의 슬라이딩 트랙 전기-기계적 진동 시스템을 갖는 실시예를 도시한다.
도 17은 하나 이상의 실시예에 따른 압력 잠금부(pressure lock)를 도시한다.
도 18은 하나 이상의 실시예에 따른 초음파 프로브와 통합된 HDVE 관성 드라이버를 도시한다.
도 19는 하나 이상의 실시예에 따른 신체의 외부 표면(미도시)에 적용되는 저주파 및 중주파 HDVE 관성 드라이버를 포함할 수도 있는 시스템의 일부로서 초음파 경직장 프로브(ultrasound transrectal probe)와 통합된 소형 고주파 HDVE 관성 드라이버를 도시한다.
도 20은 하나 이상의 실시예에 따른 신호 소스 및 스캔될 신체 또는 객체 내의 기계적 전단파로의 변환의 전체 흐름도를 도시한다.
도 21은 하나 이상의 실시예에 따른 다 채널 쿼드로(quadro) 공진기 보드를 포함하는 다른 실시예를 도시한다.
도 22는 하나 이상의 실시예에 따른 다 채널 증폭기에 연결된 다 채널 쿼드로 공진기 보드를 포함하는 다른 실시예를 도시한다.
도 23은 하나 이상의 실시예에 따른 하나 이상의 가중 HDVE 관성 드라이버 시스템이 검사 필드를 방해하지 않고 조직에 인접하게 위치되는 유방과 같은 신체 표면 근처의 조직을 위한 가중 HDVE 관성 드라이버 시스템을 포함하는 다른 실시예를 도시한다.
도 24는 하나 이상의 실시예에 따른 HDVE 관성 드라이버 시스템이 환자의 피부와 접촉하는 하우징에 내장된 라우드스피커(loudspeaker)로 구성되어 라우드스피커 콘과 환자 피부 사이에 밀폐된 공기 기둥을 만들고 라우드스피커 콘과 환자의 피부를 분리시키는 도 23의 가중 HDVE 관성 드라이버 시스템의 실시예를 도시한다.
본 개시의 양태에 따르면, 장치, 시스템 및 방법은 조직의 점탄성 기계적 특성의 객관적인 이미징을 통해 결과를 개선하고 비용을 감소시킨다. 점탄성 이미징은 조직의 주요 기계적 특성을 제공한다. 탄성영상 이미징은 신체의 전단파를 유도하고, 이미징 모달리티로 전단파의 진행을 추적하고, 탄성 및/또는 점도 특성을 계산하고, 이미징 모달리티 및 시스템에 의해 생성된 표준 이미지에 오버레이된 컬러 맵으로 하나 또는 다른 또는 조합을 표시함으로써 조직의 탄성 특성을 매핑하는 이미징 모달리티이다. 점도 이미지는 일반적으로 동시 다중 주파수 탄성영상를 얻고 다음에 탄성영상의 세트로부터 분산(이 단어가 탄성영상 분야에서 사용됨)을 계산함으로써 조직의 점도 특성을 매핑한다. 전체 탄성(종종 “스티프니스”, 그 반대의 형태) 및 점도(“흐름에 대한 저항)는 건강한 조직과 건강하지 않은 조직을 구분한다. 본 개시는 조직의 가장 깊은 부분을 포함하여 조직 전체에 걸쳐 전단파를 유도하기 위한 외부 고화질 점탄성영상(HDVE) 관성 드라이버를 제공하며, 상당히 높은 주파수를 포함하는 일반적인 점탄성영상 이미징 주파수와 비교하여 더 큰 주파수 범위에 걸쳐 점탄성 기계적 특성을 변경하는 질병 상태에 대한 진단 이미징 도구이다.
현재의 초음파 점탄성영상 이미징은 더 비싸고 더 침습적인 진단을 요구하는 그 사용을 제한하는 불충분한 해상도 및/또는 물리적 한계를 가진다. 현재 가장 일반적으로 사용되는 임상 초음파 탄성영상(ARFI 기반 탄성영상)은 조직의 과열을 방지하기 위해 얕은 조직 이미징(최대 6cm 깊이)만을 제공하며, 조직에서 안전한 조건에서 생성되는 전단파 주파수 성분이 대부분 500Hz 미만이며 ARFI 초점 지점에서 몇 밀리미터만 전파된 후 200Hz 미만으로 빠르게 감소하기 때문에 해상도가 제한된다. 자기 공명 이미징(MRI) 탄성영상도 공간 분해능이 좋지 않다. 전단파 유도 모터는 MRI 자석에서 안전한 거리에서 작동해야하기 때문에 이는 일반적으로 환자에서 120Hz 미만의 전단파 주파수로 제한된다. 일반적으로 알려진 접근법은 조직 경계 근처에서 저하된 이미지를 유발하는 에코 반향(echoic reverberation)을 생성한다. 일반적으로 알려진 초음파 및 MRI 탄성영상은 신뢰할 수 없는 점도 측정을 제공하는 좁은 주파수 측정 범위를 사용한다. 특히, 일반적으로 알려진 접근법은 30-120Hz 범위의 전단파 주파수로 임상적으로 사용되며, 이는 탄성에 대해 약 1.5cm 분해능을 달성할 수 있고 점도 측정이 좋지 않다. 180-200Hz까지 몇 번의 성공적인 시도가 있었으며, 이는 해상도를 약 30%만 향상시킬 수 있다고 믿어진다. 일반적으로 약 180Hz 초과의 전단파 주파수로 작동하여 진단적으로 유용한 것을 얻을 수 없다는 것이 믿어진다.
본 개시는 상당히 더 나은 공간 분해능 및 더 신뢰할 수 있는 점도 추정을 위해 더 높은 진동 주파수를 생성하는 외부 HDVE 관성 드라이버를 제공한다. 외부 HDVE 관성 드라이버는 신뢰할 수 있는 점도 측정과 향상된 해상도를 위해 광범위한 주파수 범위로 조직에서 전단파를 유도한다. 따라서, 본 개시는 (i) 초음파의 전체 스캔 깊이까지 조직을 이미지화하는 능력; (ii) 전통적인 탄성영상보다 4배에서 10배 초과의 깊은 조직(예를 들어, 간) 분해능; (iii) 전통적인 탄성영상(즉, 1-3 mm 분해능)보다 10배 초과의 근접장 표면 조직 분해능(예를 들어, 유방); (iv) 에코 조직(예를 들어, 신장 캡슐)을 이미지화하는 능력; 및 (v) 점도 및 점도(분산) 맵의 더 신뢰할 수 있는 측정;을 제공한다. 하나 이상의 예시적인 구현에서, HDVE 관성 드라이버는 0.1Hz 미만에서 최대 80,000Hz 초과의 범위의 전단파를 유도하므로, 현재의 일반적인 임상 초음파 프로브를 사용할 때 유방 초음파 점탄성영상을 위해 40-5,000Hz의 범위가 유도되고 측정될 수 있으며, 간 초음파 점탄성영상에서 40-3,000Hz의 범위를 측정할 수 있다. 이러한 주파수는 음파(초음파)가 신체로 5cm 이동한 다음(전체 유방 조직을 이미지화하기 위함) 5cm 다시 음향 센서로 이동해야 하며, 신체로 14cm 이동한 다음(전체 간을 이미지화 하기 위함) 14cm 다시 음향센서로 이동해야 한다.
저해상도를 초래하는 기존의 40Hz와 비교하여 본 혁신은 유익한 1-3mm 해상도를 지원하며, 결과적인 해상도의 양은 조직 내에서 이미지화된 객체의 스티프니스에 의해(그리고 조직(달리 언급하지 않으면 연조직을 의미함)에 의해) 영향을 받는다. 유방과 간에 대해 위에 제공된 진동 주파수는 이 범위의 해상도를 지원한다.
이에 따라, 본 혁신은 기존 이미징 애플리케이션을 개선하고 다음과 같은 새로운 이미징 애플리케이션에 대한 잠재적인 기회를 예상한다:
(i) 비 알코올성 지방간염(non-alcoholic steatohepatitis, NASH)의 모든 단계를 확인할 수 있는 심부(deep) 간 점탄성영상;
(ii) 1-3mm 해상도는 초음파 점탄성영상이 이온화 X-레이 없이 그리고 불편함 없이 유방 조영술의 잠재적인 대안이 될 수 있게하여 잠재적으로 생검(biopsy)의 필요성을 대체한다'
(iii) 반향 전단파 점탄성영상과 함께 활용되는 경우 신장과 같은 에코 조직을 이미지화할 수 있으며, 여기서 신장 미세 세포 점도의 변화는 특정 신장 암에서 중요한 지표이다;
(iv) 초음파 점탄성영상은 전립선 암 검출, 갑상선, 비장, 각막, 고환, 근육, 인대, 힘줄, 유도 생검, 치료 모니터링 등과 같은 많은 다른 응용 분야를 가진 일반화된 방사선 도구이다;
(v) 특수 버전은 (a) 손상된 심장 조직을 매핑하기 위한 심장 벽 스티프니스 이미징 및 (b) 혈관 벽 스티프니스 이미징과 같은 응용 분야에 사용될 수 있다; 그리고
(vi) 브릿지 및 건물 베어링의 비파괴 테스트 및 지하 이미징과 같은 비 의료적 응용 분야.
하나 이상의 실시예에서, 이미징 애플리케이션은 바람직하게는 원하는 효과에 따라 조정할 수 있다. 예시적인 조정은 음조(tonal) 주파수 조정, 촉각 지점 사이의 주파수 변조 조정, 음조 사전 설정 저장 및 피드백 정보에 기초하여 음, 음조 또는 시각적 자극을 반호나하는 것을 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 장치 애플리케이션은 사용자의 주파수 선호도를 수용하기 위해 주파수를 향상시키고 미디어 피치를 이동시킬 수 있다. 다양한 대안적인 실시예에서, 장치는 촉각 출력으로 규정된 주파수를 전송하는 조정 가능한 EQ 필터를 포함할 수 있다. 일부 애플리케이션에서, 이 시스템은 다른 방식으로 왼쪽/오른쪽 배향을 전환할 매트릭스 컨트롤을 갖는다.
전단파는 다음과 같은 측면을 갖는다: (i) 주파수가 높을수록 파장이 작아지며; (ii) 파장이 작을수록 해상도가 좋아지며; (iii) 일반적으로 1/4 파장이 적당한 정확도의 스티프니스 측정을 위해 객체 내부에 맞아야 한다고 생각되며; 그리고 (iv) 고정밀 스티프니스 측정을 위해 약 1.24 파장이 객체 내부에 맞아야 한다.
HDVE 관성 드라이버에 의해 생성된 전단파와 음향 방사력 임펄스(ARFI)에 의해 생성된 전단파의 비교는 다음과 같다. ARFI는: (i) 95%의 전단파 전력 스펙트럼이 500Hz 미만이며 해상도를 제한하는 거리 & 깊이에 따라 빠르게 감소하며; (ii) 일반적으로 6cm 깊이의 새로운 접근 방식은 다소 깊지만 해상도가 낮으며; 그리고 (ii) 작은 시야를 제공한다. 대조적으로, HDVE 관성 드라이버는 다음과 같은 속성을 가진다: (i) 0.1 내지 80,000Hz, 최대 전력 스펙트럼으로 연조직 내의 뻣뻣한 객체의 1-3mm 분해능을 가능하게 하고 신뢰할 수 있는 점도 측정; (ii) 완전한 깊이 침투; 및 (iii) 전체 시야. 실험적 사용을 통해 다음과 같은 사실이 입증되었다: (i) 소프트웨어 및 하드웨어 솔루션이 강력하고 신뢰할 수 있으며; (ii) 인간의 간, 신장, 갑상선, 유방 및 힘줄과 같은 심부 조직 다중 주파수 재건을 달성했으며; (iii) 다른 방법보다 더 높은 주파수 전단파를 보여 줬으며 이는 극적으로 더 나은 분해능 및 향상된 점도 추정으로 해석된다.
본 혁신의 양태에 따르면, 주파수 별 사인파, 사각파 및 삼각파, 복잡한 파형(잡음 포함)을 갖는 전단파를 인체 조직에 유도하는 방법 및 장치가 제공되며, 적절한 어댑터 및 확장 장치와 결합된 경우 광학 일관성 단층 촬영(optical coherence tomography, OCT), 컴퓨터 단층 촬영(CT), X-레이 및 자기 공명 이미징(MRI) 시스템을 포함하지만 이에 제한되지 않는 초음파 및 다른 탄성영상 및 점탄성영상 적용 가능한 이미징 모달리티를 사용하여 탄성영상 및 점탄성영상 이미징에 사용하기 위해, 대상 조직 또는 재료 내의 다양한 영역 및 구조를 여기시키기(exciting) 위해 가요성 또는 탄성, 침대, 조끼, 신체 하네스 또는 핸드 헬드 적용 시스템으로 구현된다. 하나 이상의 HDVE 관성 드라이버, 전력 증폭기 및 디지털 신호 처리를 갖는 클램프는, 신체 또는 객체와 일치하고 접촉하며, 신체 또는 객체 내에서, 적용 가능한 경우 초음파에 의해 또는 다른 이미징 모달리티에 의해 스캔되는 반향 전단 파장, 크롤링 파장 및 다른 탄성영상 및 점탄성영상 적용 가능한 전단 파장을 포함하지만 이에 제한되지 않는 비 침습 전단 파장을 유도한다. 다양한 구조, 노드, 덩어리(lump) 및 기형(abnormality)의 탄성 및 점도 특성의 구별이 관심 영역 내에서 가시화된다. 시스템은 또한 일반적인 압축 및 희박(rarefraction) 파동 경로를 따라 주파수 별, 비 주파수 별(non-frequency-specific)(잡음) 및 복잡한 종파 및 전단파를 유도할 수 있다. 파형의 주파수는 조직의 각 유형과 밀도 및 유연하거나 탄성인 재료에 따라 다르다.
HDVE 관성 드라이버에 의해 생성된 다중 주파수 신호는 단일 주파수 파형 또는 복잡한(또는 임의) 파형을 포함할 수 있다. 복잡한 파형은 자연스러운 배음 시리즈(natural overtone series), 메이저 코드(chord), 마이너 코드 및 다른 시리즈와 같은 둘 이상의 주파수로 구성되며 점도 측정에 필수적이다. 반향 전단파, 크롤링 웨이브 및 다른 많은 전단 파장과 같은 다양한 전단 파장을 생성하려면 다중 소스가 필수적이다.
소리는 가스, 액체 또는 고체와 같은 전송 매체를 통해 가청 또는 촉각 압력 파동으로 전파되는 진동이다. 각 압력 파는 압축 및 희박이라고 하는 증가된 그리고 감소된 압력을 유발한다. 전송 매체가 없으면 소리가 존재하지 않는다. 소리는 압력, 응력, 입자 변위, 입자 속도 등의 진동으로 정의되며, 내부 힘(예를 들어, 탄성 또는 점도)을 갖는 매체에서 전파되거나 이러한 전파된 진동이 중첩된다(비탄성 매체를 통해 이동하는 소리는 종종 최소한의 감쇠로 매체를 통해 전달된다).
소리는 공기, 물 및 고체와 같은 매체를 통해 종파로 전파할 수 있으며, 또한 고체에서 횡파(전단파)로 전파할 수 있다. 음파는 라우드스피커의 진동 다이어프램(vibrating diaphragm)이나 촉각 쉐이커와 같은 음원에 의해 생성된다. 음원은 주변 매체에 진동을 생성한다. 음원이 매체를 계속 진동시키면 진동이 음속으로 소스로부터 멀리 전파되어 음파를 형성한다. 소스로부터 고정된 거리에서 매체의 압력, 속도 및 변위는 시간에 따라 변한다. 순간적으로, 압력 속도 및 변위는 공간에서 다양하다. 매체의 입자는 음파와 함께 이동하지 않는다. 이는 고체의 경우 직관적으로 분명하며 액체와 기체의 경우에도 동일하다(즉, 기체 또는 액체의 입자 진동이 진동을 전달하는 반면 입자의 평균 위치는 시간의 지남에 따라 변화하지 않음). 전파하는 동안 파동은 매체에 의해 반사, 굴절 또는 감쇠될 수 있다.
소리 전파의 거동은 일반적으로 다음 3 가지에 의해 영향을 받는다: (i) 온도에 의해 영향을 받는 매체의 밀도와 압력 사이의 복잡한 관계는 매체 내의 소리의 속도를 결정하며; 그리고 (ii) 매체 자체의 움직임. 매체가 움직이는 경우, 이 움직임은 움직임의 방향에 따라 음파의 절대 속도를 높이거나 낮출 수 있다. 예를 들어, 바람을 통해 움직이는 소리는 소리와 바람이 같은 방향으로 움직이면 바람의 속도만큼 그 전파 속도가 증가한다. 소리와 바람이 반대 방향으로 움직이는 경우, 음파의 속도는 바람의 속도에 따라 감소할 것이며, 이는 “도플러 효과”라고 하며; 그리고 (iii) 매질의 점도. 중간 점도는 소리가 감쇠되는 속도를 결정한다. 공기 또는 물과 같은 많은 매체의 경우 점도로 인한 감쇠는 무시할 수 있다. 반면에 소리는 부드러운 점토 덩어리를 통해 잘 전달되지 않는다.
소리가 일정한 물리적 특성을 갖지 않는 매체를 통해 이동하는 경우, 굴절(분산 또는 집중)되거나 다양한 속도로 감쇠될 수 있다. 소리는 주로 압축파라고도 하는 종파로서 가스, 플라즈마, 액체 및 고체를 통해 전달된다. 전파하려면 매체가 필요하다. 종 음파는 평형 압력에서 교번 압력 편차(alternating pressure deviation)의 파동으로 압축 및 희박의 국부적 영역을 유발하는 반면, 횡파(고체에서)는 전파 방향에 직각으로 교번하는 전단 응력의 파동이다. 모든 매체에서 재료의 밀도에 따라 횡파(전단파라고도 함)가 생성되고 종파보다 훨씬 느린 속도로 이동한다.
진동하는 음파에 의해 운반되는 에너지는 물질의 추가 압축(종파의 경우) 또는 횡 변위 변형(lateral displacement strain)(횡파의 경우)의 위치 에너지와 매체 입자의 변위 속도의 운동 에너지 사이에서 앞뒤로 변환된다.
음파는 종종 다음과 같은 일반적인 특성을 특징으로 하는 사인파 평면파의 관점에서 설명으로 단순화된다: (i) 주파수 또는 그 역 파장; (ii) 진폭: 매체의 음압 또는 강도; (iii) 소리의 속도; 및 (iv) 방향.
소리의 속도는 전송 매체의 영향을 받으며 재료의 기본 특성이다. 이러한 물리적 특성과 소리의 속도는 주변 조건에 따라 달라진다. 68℉에서 소리는 평균적으로 공기를 통해 1,127fps, 물을 통해 4,805fps, 강(steel)을 통해 16,850fps로 이동한다. 인간의 조직은 조직의 구조에 따라 연조직에서 뼈 또는 석회화 덩어리(calcified mass) 사이의 범위로 물의 범위에 속한다. 소리의 속도도 약간 민감하여 2차 엔하모닉 효과(second-order enharmonic effect), 소리 진폭에 영향을 받으며, 이는 원래 소리에 없는 고조파(harmonic) 및 혼합 톤 생성과 같은 비선형 전파 효과가 있음을 의미한다.
소리는 파동의 속도에 의해 결정되는 단일 주파수 또는 주파수의 조합으로 구성된다. 연속 1Hz 사인파는 매질에서 파동 당 1초 동안 진동한다. 500Hz 파동은 초당 500번 진동한다. 각 주파수는 “피치”를 제공한다. 인간의 가청 피치는 평균적으로 20 내지 20,000Hz 사이로 인식된다. 단일 파형은 다양한 진폭 및 위상의 여러 주파수를 포함할 수도 있다.
둘 이상의 소스로부터 오는 다중 주파수는 매체에서 서로 영향을 미친다. 예를 들어, 피아노 튜너는 현(string)을 기준 피치(예를 들어, 중간 C 위의 A 440Hz)와 비교하여 음표의 개별 현을 조율 할뿐만 아니라 현이 서로 조율되기 때문에 “비팅(beating)” 효과를 듣는다. 서로 약간 어긋나는 2 개의 현은 음향 비팅(acoustic beating)을 생성할 것이다. 현이 조율되면 비팅은 멈춘다.
음향에서, 비트는 약간 다른 주파수의 2 개의 소리 사이의 간섭 패턴으로 두 주파수의 차이인 음량의 주기적인 변화로 생성된다. 2 개의 톤을 한꺼번에 튜닝하면 독특한 효과가 나타난다. 2 개의 톤이 피치가 비슷하지만 동일하지 않으면, 주파수 차이로 인해 비팅이 발생한다. 소리가 건설적으로 그리고 파괴적으로 교대로 간섭하기 때문에 진폭은 트레몰로(tremolo)처럼 다양하다. 2 개의 톤이 점차 조화를 이루면서 비팅이 느려진다. 2 개의 톤이 멀어지면 간섭이 멈출때까지 비트 주파수가 증가한다.
이 현상은 음향이나 음악에서 가장 잘 알려져 있지만 모든 선형 시스템에서 찾을 수 있다: “중첩의 법칙에 따르면, 동시에 들리는 2 개의 톤은 매우 간단한 방식으로 중첩된다: 하나는 그 진폭을 추가한다.” 2 개의 파동이 거의 180도 위상이 다를 때 하나의 파동의 최대 값은 다른 파동의 최소값을 상쇄하는 반면, 거의 위상이 같으면 최대값 합계가 진폭을 증가시킨다.
2 개의 원래 주파수가 매우 가깝다면(예를 들어, 대략 12 헤르츠의 차이), 위 식의 오른쪽 코사인 주파수, 즉 f1-f2/2는 종종 너무 낮아서 가청 톤 또는 피치로 인식된다. 대신 위 식에서 첫번째 항의 진폭이 주기적으로 변하는 것으로 인식된다. 더 낮은 주파수 코사인 항은 더 높은 주파수의 포락선(envelope), 즉 진폭이 변조된다고 말할 수 있다. 변조 주파수는 f1+f2/2, 즉 2 개의 주파수의 평균이다. 변조 패턴의 모든 2 번째 버스트가 반전된다는 것을 알 수 있다. 각 피크는 최저점으로 대체되며 그 반대의 경우도 마찬가지다.
2번째 음의 고조파로 비팅하는 첫번째 음의 일부 고조파로 인해 고조파 간격에 가깝지만 정확하게 맞지는 않는 음 사이에서도 비팅이 들릴 수 있다. 예를 들어, 완전한 5번째의 경우, 베이스 음의 3번째 고조파(즉 두번째 배음)가 다른 음의 2번째 고조파(첫번째 배음)와 비팅한다. 조율이 안됨 음과 마찬가지로, 이는 음율 간격(temperament interval)과 대응하는 음조 간격(intonation interval) 사이의 차이로 인해 일부 올바르게 조율된 동일한 음율 간격에서도 발생할 수 있다.
크롤링 웨이브 초음파 탄성영상 이미징은 조직에서 “비팅” 효과를 생성하는 2 개 이상의 전단파 주파수의 사용을 기반으로 한다. 예를 들어, 2 개의 전단파는 200Hz 및 199.5Hz에서 약간 떨어진 파형을 생성할 수 있으며(음악에서는 “조율이 맞지 않음(out-of-tune)”이라고 함), 이는 조직 내에서 비팅 패턴을 생성하며, 이는 종파와 횡파(전단파) 사이의 대응하는 관계에 영향를 주어 이미지가 “크롤링”하거나 초음파 화면을 가로질러 이동하게 한다. 반향 점탄성영상을 사용하면 이러한 특성이 더 복잡하고 새로워진다.
다수의 HDVE 관성 드라이버는 인간 조직 내에서 해당 기술 분야에서(to the art) 새로운 깊이와 강도로 무한한 수의 복잡한 간섭 및 위상 파형 패턴을 생성하는데 사용된다. 이는 파형의 각 조합이 조직의 탄성 및 점도에 따라 조직에 다르게 영향을 미치기 때문에 크롤링 웨이브, 반향 및 다른 이미징 방법이 무한한 다양한 조합 및 효과를 활용하게 할 수 있다. 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버가 서로 180˚ 위상이 맞지 않으면 발생하는 기계적 움직임이 있거나 각 파형의 기계적 반대 압력으로 인해 앞뒤로 “흔들림(rocking)”이 있다. 이 효과와 임의의 수의 위상의 조합은 크롤링 웨이브, 반향 및 다른 이미징 방법에 대해 유용하다. HDVE 관성 드라이버 시스템은 또한 방향성 특성을 가지며 주파수에 따라 파형을 신체의 특정 영역으로 타겟팅(빔 스티어링)하는데 유용할 수 있다.
도면은 축척이 아니며 일부 특징은 특정 요소의 세부 사항을 나타내기 위해 과장되거나 최소화될 수 있는 반면, 관련 요소는 신규한 양태를 모호하게 하는 것을 방지하게 위해 제거될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 특정 구조적 및 기능적 세부 사항은 제한적인 것으로 해석되어서는 안되며, 단지 청구 범위에 대한 기초로서 그리고 당업자에게 본 발명을 다양하게 사용하도록 교시하기 위한 대표적인 기초로서 해석되어야 한다. 제한이 아닌 교시의 목적으로, 예시된 실시예는 광학 일관성 단층 촬영(OCT) 이미징 및 자기 공명 이미징(MRI)과 같은 다른 호환 가능한 이미징 모달리티로 확장된 초음파 탄성영상 및 점탄성영상을 위한 진동 장치에 관한 것이다.
하나 이상의 실시예에서, 예시된 실시예는 초음파 진단 장치, x-레이 진단 장치, x-레이 컴퓨터 단층 촬영(CT) 장치, 자기 공명 이미징(MRI) 장치, 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(SPECT) 장치, 양전자 방출 컴퓨터 단층 촬영(PET) 장치, SPECT 장치와 x-레이 CT 장치의 조합인 SPECT-CT 장치, PET 장치와 x-레이 CT 장치의 조합인 PET-CT 장치 및 대상 검사 장치 중 임의의 하나인 의료 영상 진단 장치와 함께 사용하기 위한 외부 진동 장치에 관한 것이다.
초음파 프로브는 목표 객체의 신체 표면에 접촉하거나 목표 객체의 신체 내에 삽입되는 부분이며, 초음파를 송수신할 수 있다. 구체적으로, 초음파 프로브는 본체(main body)에서 제공되는 송신 신호에 따라 목표 객체의 내부로 초음파를 전송하고, 목표 객체의 특정 부분에서 반사된 에코 초음파를 수신하고, 그리고 본체로 에코 초음파를 송신할 수 있다.
초음파 프로브는 케이블을 통해 연결되어 초음파 프로브 제어에 필요한 다양한 신호를 수신하거나 초음파 프로브가 수신한 초음파 에코 신호에 대응하는 아날로그 신호 또는 디지털 신호를 본체로 전송할 수 있다. 그러나, 초음파 프로브의 실시예는 이에 한정되지 않으며, 초음파 프로브는 본체에 무선으로 연결될 수 있다. 이 경우 초음파 프로브는 무선 프로브로 구현되어 초음파 프로브 및 본체 사이에 형성된 네트워크를 통해 신호를 송수신할 수 있다. 또한, 하나의 본체에 복수의 초음파 프로브가 연결될 수 있다.
장치는 사용자의 입력을 수신하도록 구성될 수 있으며, 사용자는 진단 시작, 진단 영역 선택, 진단 유형 선택 및 초음파 이미지를 위한 모드 선택에 대한 명령을 입력할 수 있다. 초음파 이미지를 위한 모드의 예로는 A-모드(진폭 모드), B-모드(밝기 모드), D-모드(도플러 모드), E-모드(탄성영상 모드) 및 M-모드(모션 모드)가 포함된다. 디스플레이는 액정 크리스탈 디스플레이(LCD) 패널, 광 방출 다이오드(LED) 패널 또는 유기 광 방출 다이오드 (OLED)와 같은 다양한 디스플레이 패널 중 적어도 하나를 사용하여 구현될 수 있다. 또한 디스플레이가 2 개 이상의 디스플레이로 구성되어 각각의 디스플레이가 서로 다른 이미지를 동시에 표시할 수 있는 것도 가능하다. 예를 들어, 하나의 디스플레이는 2D 초음파 이미지를 디스플레이하고 다른 디스플레이는 3D 초음파 이미지를 디스플레이할 수 있다. 대안적으로, 하나의 디스플레이는 B-모드 이미지를 디스플레이 할 수 있고 다른 디스플레이 는 조영제(contrast agent) 이미지를 디스플레이할 수 있다.
의사와 같은 사용자는 디스플레이에 표시되는 초음파 이미지를 사용하여 특정 질환을 진단할 수 있으며, 진단하고자 하는 질환에 따라 초음파 이미지를 획득하는 영역이 달라질 수 있다. 예를 들어, 복부 초음파 이미지는 지방간을 진단하는데 사용될 수 있다.
간에서 지방이 축적되어 발생하는 질환인 지방간은 지방간염 및 간섬유증으로 진행될뿐만 아니라 간경변이나 간세포 암과 같은 말기 간 질환으로 발전할 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한 전 세계적으로 지방간의 높은 유병률이 보고되고 있으며, 특히 비알코올성 지방간 질환(NAFLD)은 비만 및 대사 증후군과 밀접한 관련이 있기 때문에 초음파 이미지를 사용한 진단에서 지방간의 발견은 매우 중요한 영역이다. 지방간은 간 조직의 점탄성을 측정하여 찾을 수 있다. 점탄성은 점도와 탄성이 공존하는 특성으로 탄성 변형과 점도 흐름을 수반하는 특성을 의미한다. 간을 포함하는 생체 조직의 점탄성 특성은 초음파를 이용하여 측정할 수 있으며, 구체적으로는 전단파를 검출하여 측정할 수 있다.
초음파 신호가 목표 객체에 강하게 조사되면 실제로 조직이 미세하게 움직일 수 있으며, 조직의 움직임에 따라 조직에 전단파가 발생한다. 목표 객체에서 강한 초음파에 의해 생성된 전단파는 초점 영역에서 주변으로 진행되며, 여기서 파의 진행 방향은 측면이고 조직 입자의 진동 방향은 수직이다. 진행하는 전단파의 속도는 매체의 진동 특성에 따라 변한다. 따라서, 전단파의 속도는 매체의 탄성 특성, 즉 탄성 계수를 측정하는 주요 변수이다.
따라서, 조직에서 발생하는 전단파의 운동을 연속적으로 추적하여 전단파의 속도를 측정할 수 있으며, 전단파의 속도로부터 조직의 탄성 계수를 추정할 수 있다. 한편, 조직이 순수한 탄성을 가지지 않고 탄성과 점도를 모두 갖는 점탄성을 갖는 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 간에 지방이 축적된 지방간의 경우 간은 순수한 탄성보다는 점도와 탄성을 갖는 점탄성을 갖는다. 조직이 점탄성을 갖는 경우 전단파 진폭의 감쇠가 추가로 관찰될 수 있을뿐만 아니라 주파수에 따라 전단파의 속도가 변하는 분산 현상이 관찰될 수 있다.
구체적으로, 이 경우, 진행하는 전단파에서 파동이 진행됨에 따라 파동 에너지가 감소하는 감쇠 현상이 발생한다. 일반적으로 파동이 진행됨에 따라 공간적으로 퍼져 파면이 넓어지고 파동의 에너지가 감소한다. 또한, 파동의 에너지가 매질을 통과하면서 매체에 흡수되는 물리적 현상이 발생하기 때문에 파동의 에너지가 감소한다. 전자는 기하학적 확산에 의한 감쇠이고 후자는 매체로의 흡수에 의한 감쇠이다. 점탄성의 임계 감쇠는 매체로의 흡수로 인한 감쇠이다. 이를 계산하기 위해서는 관측된 감쇠에서 기하학적 확산 현상으로 인한 성분을 보상해야 한다.
전단파의 속도는 각 주파수 성분에 대해 일정하지 않고 주파수에 따라 변하는 속도 분산 현상이 발생한다. 감쇠 계수도 또한 분산 현상(감쇠 분산)을 나타낸다. 따라서, 목표 객체의 점탄성 특성을 측정하고 표시하는 시스템은 전단파 속도, 전단파 감쇠 계수, 전단파 속도 분산, 전단파 감쇠 분산, 점도 및 전단 계수 중 적어도 하나의 파라미터를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 초음파 이미징 장치는 전기 신호를 초음파 신호로 또는 초음파 신호를 전기 신호로 변환하기 위한 트랜스듀서 모듈, 송신 빔 및 수신 빔을 생성하기 위한 빔 형성기, 빔 형성기로부터 출력된 에코 신호를 사용하는 초음파 이미지를 생성시키기 위한 이미지 프로세서, 초음파 이미징 장치의 내부 구성요소의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러 및 하나 이상의 디스플레이를 포함한다. 트랜스듀서 모듈은 전기 신호를 초음파 신호로 또는 초음파 신호를 전기 신호로 변환할 수 있다. 이를 위해, 트랜스듀서 모듈은 다양한 요소의 초음파 트랜스듀서를 포함할 수 있으며, 초음파 트랜스듀서는 압전 재료의 압전 효과를 이용한 압전 초음파 트랜스듀서, 자기 재료의 자기 변형 효과를 이용한 자기변형 초음파 트랜스듀서, 수백 또는 수천 개의 미세 가공된 박막 등의 진동을 사용하여 초음파를 송수신하는 용량성 미세 가공된 초음파 트랜스듀서(cMUT)중 임의의 하나로 구현될 수 있다. 또한, 전기적 신호에 따라 초음파를 생성하거나 초음파에 따라 전기 신호를 생성할 수 있는 다른 유형의 트랜스듀서도 초음파 트랜스듀서의 예일 수 있다. 또한, 트랜스듀서 모듈은 초음파 신호 송수신에 사용될 트랜스듀서 요소를 선택하기 위한 멀티플렉서(MUX)와 같은 스위치를 더 포함할 수 있다. 트랜스듀서 모듈(110)은 초음파 프로부 내부에 제공될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 “음향”은 초저주파, 음파 및 초음파 진동 및/또는 파동을 의미한다. 진동은 강성 재료의 진동하는 기계적 운동(oscillatory mechanical motion), 탄성 또는 점탄성 재료에서 전파하는 기계적 진동 및/또는 파동, 유압 또는 공압 유체 내에서 전파하는 압력 파를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 용어 “음향 에너지”는 음향 진동 또는 파동의 형태로 저장된 에너지를 의미한다. 진동 또는 파동은 탄성 고체 또는 액체 또는 기체를 통해 전달될 수 있으며, 주파수는 일반적으로 대략 0.01 내지 80,000 헤르츠 범위이며 감지될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 “음향 에너지 소스”는 음향 진동 및/또는 파동을 생성할 수 있는 액츄에이터, 드라이버, 트랜스듀서 또는 기타 다른 장치를 의미한다. 예시적인 음향 에너지 소스는 오디오 스피커와 같은 전기 음향 장치, 선형 모터와 같은 선형 운동을 생성하도록 구성되는 장치, 촉각 트랜스듀서, 압전 트랜스듀서, 초음파 트랜스듀서, 지가 음향 트랜스듀서, 음향 진동을 공압 유체에 결합하도록 구성된 공압 장치, 표면 음향 파동 트랜스듀서, 마이크로 전자 기계 시스템 및 전자기 음향 트랜스듀서를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
본 명세서에서 사용되는 용어 “트랜스듀서”, “오디오 트랜스듀서”, “촉각 오디오 트랜스듀서”, “전기 기계 진동 드라이버” 및 “고해상도 점탄성영상(HDVE) 관성 드라이버”는 주파수 특정 진동을 신체 또는 객체로 도입하기 위한 진동 유도 장치를 의미한다. 하나 이상의 실시예에서, 주파수 특정 진동은 공지된 시스템에 의해 제공되는 것보다 더 깊고 빠른 전단파를 유도한다.
도 1은 전단파 주파수 및 병변 스티프니스의 함수로서 연조직에서의 대략적인 탄성영상 이미지 해상도의 그래픽 플롯(100)이다. 플롯은 객체의 스티프니스(초당 미터로 전단파 속도로 나타나는 스티프니스)의 원하는 수준의 측정 정확도(보통 및 높음)에 대해 전단파 주파수 및 객체 스티프니스의 범위에 걸쳐 연조직에서 검출할 수 있는 대략적인 가장 작은 직경 객체의 윤곽을 보여준다. 조직은 3 가지 기계적 특성을 갖는다: (i) 일반적으로 연조직에서 변하지 않고 x-레이 이미징에 의해 측정될 수 있는 밀도; (ii) 스프링과 같은 스티프니스(영률(Young's Modulus)의 역)는 종종 건강한 조직과 흉터 및 다른 질병에 걸리거나 손상된 조직을 구별하는데 사용될 수 있다; 그리고 (iii) 종종 대시 포트(dash pot)로 모델링되는 점도(흐름에 대한 저항)는 유용한 진단 정보를 제공할 가능성이 높다. 본 개시는 스티프니스 및 점도를 결정하기 위한 비 침습적 접근법을 제공한다.
도 2a는 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치(204)를 포함하는 고해상도 점탄성영상(HDVE) 관성 드라이버 장치(202a)를 갖는 이미징 시스템(200a)의 블록도이다. 각 HDVE 관성 드라이버 장치(202)는 컨트롤러(210)로부터 드라이버 신호를 수신할 수 있게 하는 드라이버 인터페이스(206)를 포함한다. 각 HDVE 관성 드라이버 장치(204)는 개별 공진 표면(212)을 포함한다. 각 HDVE 관성 드라이버 장치(204)는 드라이버 인터페이스(206)에 통신적으로 결합되고 공진 표면(212)에 기계적으로 결합되어 공진 표면(212)의 공진 변위를 독립적으로 생성하는 관성 드라이버(214)를 포함한다.
컨트롤러(210)는 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치(204)의 각각의 드라이버 인터페이스(206)에 통신적으로 결합된다. 컨트롤러(210)는 신체(220)의 조직(218) 내에서 전단 파장(216)을 유도하는 독립적인 시퀀스 드라이버 신호(208)를 생성한다. 전단 파장(216)은 (i) 크롤링 웨이브; (ii) 반향 파; 및 (iii) 단방향 파 중 선택된 하나이다. 전단 파장(216)은 0.1 내지 50 mm의 범위의 변위를 생성하기에 충분한 전력으로 20Hz 내지 80kHz의 음향 주파수 범위에 있다.
음향 주파수 분석기(222)는 음향 센서(224)에 통신적으로 결합된다. 컨트롤러(210)는 주파수 응답에 기초하여 조직 탄성을 측정하기 위해 음향 주파수 분석기(222)에 대한 다중 주파수 파형 신호를 생성한다. 컨트롤러(210)는 음향 주파수 분석기(222)에 의해 점도를 측정하기 위해 전단 파장(216)을 생성하는 드라이버 신호를 생성한다.
지지 부재는 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치(2040)를 신체(220)와 음향 접촉하도록 조정 가능하게 위치시킨다. 하나 이상의 실시예에서, 지지 부재는 신체(220)를 둘러쌈으로써 HDVE 관성 드라이버 장치(204)를 신체(220)에 대해 유지하는 하네스(226)이다. 하네스(220)는 다양한 크기의 신체(220)에 맞도록 조절 및 결합 특징부를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 적어도 하나의 공진 표면(212)은 신체(220)에 부합하고 음향 투과성인 탄성 표면(228)을 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 온도 센서(229)는 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치(204a) 중 하나에 결합된다. 컨트롤러(236)는 온도 센서(242)에 의한 온도 측정에 응답하기 위해 온도 센서(242)에 통신적으로 결합된다. 컨트롤러(236)는 대응하는 공진 표면(210a-210d)의 제어 온도를 완화하기 위해 선택된 독립 드라이버 신호(206)의 전력량을 감소시킨다.
하나 이상의 실시예에서, 도 2b는 컨트롤러(210), 분석기(222) 및 음향 센서(224)를 포함하는 HDVE 관성 드라이버 장치(202b)를 갖는 이미징 시스템(200b)을 도시한다. 신체(220)는 HDVE 관성 드라이버 장치(202b)가 신체(220)와 접촉하는 개구(232)를 갖는 탄성 매트(230)와 같은 가요성 기판에 의해 지지된다. 탄성 매트(230) 및 HDVE 관성 드라이버 장치(202b)는 결국 테이블 또는 바닥과 같은 지지 표면(234) 위에 놓인다. 하나 이상의 실시예에서, 각각의 HDVE 관성 드라이버 장치(202b)의 지지 부재는 HDVE 관성 드라이버 장치(202b)의 복수의 스프링과 같은 압축 부재(236)이며, 이는 공진 표면(212)이 HDVE 관성 드라이버 장치(202b) 위에 놓인 신체(220)에 일치하도록 한다.
하나 이상의 실시예에서, 도 2c는 컨트롤러(210), 분석기(222) 및 음향 센서(224)를 포함하는 HDVE 관성 드라이버 장치(202c)를 갖는 이미징 시스템(202c)을 도시한다. 신체(220)는 테이블과 같은 지지 표면(234)에 지지된다. 하나 이상의 실시예에서, 각 HDVE 관성 드라이버 장치(204c)의 지지 부재는 지지 표면(234)에 부착된 대응하는 한 쌍의 클램프(240)이다. 한 쌍의 클램프(240) 중 적어도 일 단부는 신체(220)에 음향 접촉을 제공하도록 조정 가능하다. 하나 이상의 실시예에서, 클램프(240) 쌍은 신체(220)로부터 열을 빼내기 위한 히트 싱크 경로를 제공한다. 하나 이상의 실시예에서, 조절 매커니즘(236)에 추가하여 클램프(240)는 탄력이 있을 수 있으어 신체(220)를 가로지르는 간격의 약간의 변화를 허용한다.
하나 이상의 실시예에서, 도 2d는 컨트롤러(210), 분석기(222) 및 음향 센서(224)를 포함하는 HDVE 관성 드라이버 장치(202d)를 갖는 이미징 시스템(220d)을 도시한다. 신체(220)는 개구(242)를 갖는 테이블과 같은 지지 표면(234)에 지지된다. 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치(240d)는 개구(242) 내에 위치되고 지지 표면(234)에 부착된 단일 베이스(244)를 갖는다. 하나 이상의 실시예에서, 적어도 하나의 공진 표면(212)은 신체(220)와 접촉하는 접촉 표면(248)을 갖는 하우징(246)에 의해 둘러싸인다. 하우징(246)은 접촉 표면(248)으로부터 공진 표면(212)을 분리하고 1cm 미만, 바람직하게는 0.5cm 미만, 가장 바람직하게는 0.25cm 미만으로 분리를 최소화하는 밀폐된 공기 기둥(250)을 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 도 2e는 2 개의 HDVE 관성 드라이버 장치(204e) 사이에 음향 센서를 위치시키는 프로브 하우징(252) 내에 설치된 HDVE 관성 드라이버 장치(202e)를 갖는 이미징 시스템(200e)을 도시한다. 컨트롤러(210) 및 분석기(222)는 프로브 하우징(252)을 통해 각각 2 개의 HDVE 관성 드라이버 장치(204e) 및 음향 센서(224)에 통신적으로 결합된다.
도 3은 신체의 조직의 점탄성영상 특성을 측정하기 위한 방법(300)의 흐름도이다. 하나 이상의 실시예에서, 방법(300)은 드라이버 신호로서 다중 주파수 파형 신호를 생성하는 단계(블록 302)를 포함한다. 방법(300)은 신체 내의 조직의 체적을 통해 잔단 파장을 유도하기 위해 신체에 대해 유지되는 공진 표면의 공진 변위를 생성하는 각각의 HDVE 관성 드라이버 장치의 관성 드라이버를 구동하는 단계(블록 304)를 포함한다. 방법(300)은 신체에 대해 유지되는 음향 센서에 의해 음향 펄스를 전송하고 음향 에코를 수신하는 단계(블록 306)를 포함한다. 방법(300)은 신체의 조직을 통과하는 다중 주파수 파동 신호의 주파수 중 적어도 하나에 대한 조직 변위 또는 조직 속도를 계산하기 위해 음향 에코를 분석하는 단계(블록 308)를 포함한다. 방법(300)은 스티프니스를 결정하기 위해 다중 주파수 파동 신호의 주파수 중 적어도 하나에 대한 조직의 체적의 조직 변위 또는 속도로부터 전단파 속도를 계산하고, 하나 초과의 주파수에서 수행되는 경우 점도를 계산하는 단계(블록 310)를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 전단 파장은: (i) 크롤링 웨이브; (ii) 반향 파; 및 (iii) 0.1 내지 50μm 범위의 변위를 생성하기에 충분한 전력을 가진 0.1Hz 내지 80kHz의 음향 주파수 범위에서의 단방향 파; 중 선택된 하나이다. 그 후에 방법(300)은 종료된다.
하나 이상의 실시예에서, 방법(300)은 HDVE 관성 드라이버 장치와 피부 접촉 상태에서 테이블 상에 검사 중인 신체를 놓는 단계를 포함한다. 방법(300) 다중 주파수 파동 신호는 코드일 수 있다. 예를 들어, 코드는 10-15개의 개별 주파수 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 코드는 수백개의 개별 주파수를 포함하거나 모든 주파수가 한 번에 있는 백색 잡음일 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 주파수는 한 번에 발생하여 각 주파수는 동일한 조건에서 동일한 조직 영역을 통과한다.
응답을 분석하는 하나 이상의 실시예에서, 도플러 초음파는 조직 변위 또는 속도를 계산하는데 사용된다. 화면에 표시할 다음 중 하나, 둘 또는 세 개를 선택한다: (a) 화면에 일반 초음파 출력 표시(B-모드; 그레이스케일); (b) 스티프니스 이미지를 컬러 맵으로 오버레이하여 일반 B-모드를 표시; 및 (c) 점도 이미지를 오버레이하여 일반 B-모드를 표시하거나; 스티프니스와 점도가 함께 일반 B-모드 초음파 이미지에 오버레이된다. 점도는 일반적으로 스티프니스가 주파수의 함수로 어떻게 변하는 지의 함수로서 계산된다. 하나 이상의 실시예에서, 3 가지 모두의 입력은 프로브 내부에 있을 수 있는 동일한 입력 센서를 통해 이루어진다. 예를 들어, 초음파 지팡이(ultrasound wand)는 초음파를 핑 아웃(ping out)한 다음 세라믹일 수 있는 압전 크리스탈을 통해 이들을 판독한다. 파동이 들어오면 압전 크리스탈(또는 세라믹)은 듣고 다시 튀는 초음파(에코)를 수신한다.
하나 이상의 실시예에서, 본 개시는 탄성영상 및 점탄성영상 이미징과 함께 사용하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 하나 이상의 다른 실시예에서, 본 개시는 비파괴 테스트 및 지진 매핑을 위해 음향 진동을 활용하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다.
하나 이상의 실시예에서, 본 개시는 전단 파 및 종 파 기반 탄성영상 및 점탄성영상을 위한 안전한, 단일 및 다중 소스 외부 HDVE 관성 드라이버를 위해 반향, 크롤링 웨이브 및 다른 전단 파장 및 종 파장을 포함하는 신체 또는 객체 내부에 종 파장, 횡 파장 및 전단 파장을 생성하기 위한 시스템을 제공한다.
하나 이상의 실시예에서, 시스템은 복수의 정현파, 삼각파, 구형파, 단일 주파수 또는 다양한 주파수, 위상 및 진폭의 복잡한 파형(잡음 포함)을 갖는 것과 같은 단일, 다중 및 임의 파형을 생성 및 주입할 수 있는 HDVE 관성 드라이버 소스와 같은 음향 에너지 소스를 포함한다. 이들 소스 중 하나 이상이 신체 또는 객체에 배치되면, 독립 파형이 주입되어 조직 또는 관심 영역으로 향하여 반향 전단 파장, 크롤링 웨이브 전단 파장 또는 다른 파장을 생성할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 인간의 반향 전단 파장을 생성하기 위해, 특히 더 크고 비만인 신체에서 깊은 침투를 위해 여러 요소가 사용된다. 여기에는 다음이 포함된다: (a) 깊은 조직 내의 전단파로부터 최소 0.5 마이크로미터에서 50 마이크로미터의 변위를 생성할 수 있는 20Hz 초과에서 작동하는 복수의 소스. 소스는 최소한의 가열로 장기간 스캔을 위해 고효율을 가져야 한다; (b) 대안적으로, 하나 또는 두 개의 개별 소스에 유연한 요소를 통합하여 생성된 확장 소스; (c) 탄성영상을 위해 관심 영역 근처의 표면에 적용하도록 특별히 설계된 접촉 표면 돔; (d) 일부 조직에 대해 돔을 가로질러 최소 0.1 파운드의 접촉력을 가하는 것; 및 (e) 신속하게 접촉력을 적용하고 나중에 제거하여 임상의가 요구하는 검사 시간과 작업을 단축시킨다.
하나 이상의 실시예에서, 본 개시는 이미징 대상에게 인접하기 위치되도록 구성되고 대상의 조직 또는 재료에 기계적 에너지를 전달하도록 구성된 HDVE 관성 드라이버 또는 HDVE 관성 드라이버 시스템을 포함하는 탄성영상을 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 하나 이상의 실시예에서, 외부 HDVE 관성 드라이버 소스가 포함되고 탄성영상 및 점탄성영상과 함께 사용하기 위해 신체의 조직 체적 또는 객체의 재료의 체적에서 전단파를 유도하도록 구성된다.
하나 이상의 실시예에서, 본 개시는 부재에 기계적으로 또는 음향적으로 결합된 이미징 대상 외부의 음향 에너지 소스를 제공하고 부재의 원위 단부는 대상의 표면과 접촉하도록 구성된다. 부재에 결합된 음향 에너지는 적어도 부재가 대상 내에서 기계적으로 진동하고 전단파를 생성하게 한다. 부재는 바람직하게는 대상에게 윤곽을 잡는 것을 용이하게 하기 위해 적어도 일부에 걸쳐 유연한다.
하나 이상의 실시예에서, 부재는 대상의 선택된 위치에 위치하고, 생성된 파동의 검출은 파동에 의해 생성된 이미지를 부해할 수 있는 이미저(imager)로 부재에 의해 생성된 전단파를 이미징함으로써 수행된다. 하나 이상의 실시예에서, 이미저는 초음파 및 자기 공명 이미징(MRI)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 이상의 이미징 장치일 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 음향 에너지 소스는 부재가 그 축을 따라 종방향으로 진동하게 한다. 다른 실시예에서, 음향 에너지 소스는 바람직하게는 그 축을 따라 트랜스듀서의 진동운동을 일으킨다. 당업자는 부재와 대상 신체의 표면 사이의 기계적 접촉이 인접한 재료로의 기계적 에너지의 전달 및 전단파의 생성을 보장한다는 것을 이해할 것이다.
하나 이상의 실시예에서, 시스템은 음향 액츄에이터(촉각 트랜스듀서)에 결합되고 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다. 부재는 음향 액츄에이터에 결합된 제1 단부 및 관심 조직 영역 또는 대상 재료에 인접하게 위치된 제2 단부를 갖는다. 일 실시예에서, 액츄에이터는 예를 들어 부재의 제1 단부를 반복적으로 진동시킴으로써 음향 에너지를 부재에 결합한다. 이와 같이 부재의 종방향 진동에 의한 기계적 파동이 조직에 투사되어 전단파를 생성할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 시스템은 예를 들어 0.1Hz 및 5000Hz 범위 내에 있는 종파 및 전단파의 주파수를 유발할 수 있는 컨트롤러를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 시스템은 적어도 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200Hz 이상의 종파 및 전단파의 주파수를 유발할 수 있는 컨트롤러를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 시스템은 5000, 4000, 3000, 2500, 2000, 1500, 1000, 800, 600, 400, 200Hz 이하의 종파 및 전단파의 주파수를 유발할 수 있는 컨트롤러를 포함한다.
컨트롤러는 또한 의료 이미징 장치(미도시)의 이미징 시퀀스와 동기식으로 부재의 진동을 펄스화하거나 부재를 연속적으로 진동시키도록 설계될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 시스템은 프로세서, 데이터 저장소 및 로직을 포함할 수 있는 컴퓨팅 시스템을 포함한다. 이러한 요소는 시스템 또는 버스 또는 다른 메커니즘에 의해 결합될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 범용 프로세서 및/또는 전용 프로세서를 포함할 수 있으며 시스템의 출력에 대한 분석을 수행하도록 구성될 수 있다. 출력 인터페이스는 컴퓨팅 시스템의 출력을 디스플레이로 전송하도록 구성될 수 있다. 컴퓨팅 시스템은 음향 액추에이터 및 신호 발생기 중 임의의 것에 트리거 신호를 전송하도록 추가로 구성될 수 있다. 이러한 트리거 신호는 액추에이터를 신호 발생기 와 동기와하기 위해 컴퓨팅 시스템에 의해 전송될 수 있다.
프로세서는 액추에이터를 켜거나 끄거나, 감지 파라미터를 설정하거나 또는 교정 설정을 제공하는 것과 같이 액추에이터를 추가로 제어할 수 있다. 예시적인 컴퓨팅 장치는 프로세서, 메모리, 입력/출력 인터페이스 및 통신 인터페이스를 포함한다. 버스는 컴퓨팅 장치의 둘 이상의 구성 요소간에 통신 경로를 제공한다. 구성 요소는 도면으로 제공되며 제한되지 않는다. 커?팅 장치는 추가 또는 더 작은 구성 요소를 가지거나 동일한 구성 요소가 여러 개 있을 수 있다. 프로세서는 관련된 로직 또는 인터페이스 회로와 함께 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러, ASIC(application specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array), 프로세서 기능성에 영향을 미치는 다른 회로 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 나타낸다. 메모리는 정보(예를 들어, 명령 및 데이터)를 저장하기 위한 휘발성 및 비휘발성 메모리 중 하나 또는 둘 다를 나타낸다. 메모리의 예로는 EPROM, EEPROM, 플래시 메모리, RAM 또는 ROM 장치와 같은 반도체 메모리 장치, 내부 하드 디스크 또는 이동식 디스크 또는 자기 테이프와 같은 자기 매체, 광자기 디스크, CD-ROM 및 DVD-ROM 디스크, 홀로그램 디스크 등을 포함한다.
다른 실시예에서, 부재는 조직에 파동을 전달하기 위한 가요성 멤브레인을 포함한다. 다른 실시예에서, 시스템은 오디오 증폭기에 결합된 함수 발생기를 포함한다. 오디오 증폭기는 HDVE 관성 드라이버로 변환된 라우드스피커와 같은 오디오 출력 장치를 구동한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 부재는 가요성 멤브레인을 포함한다. 부재는 오디오 출력 장치에 결합된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 부재는 오디오 출력 장치에 유체적 및 공압적으로 결합될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 부재는 기계적 파동 전파를 허용하는 중공 본체 및 탄성 또는 유연한 멤브레인을 포함한다. 멤브레인의 진동 작용은 종파와 전단파를 모두 생성하며, 전단파는 멤브레인의 에지에서 우선적으로 생성된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 함수 발생기 및 오디오 증폭기를 포함하는 오디오 출력 장치는 하나 이상의 원하는 주파수에서 시간에 따라 변하는 공압 압력을 유도하고 음향 에너지가 부재로 전달된다. 부재 내에서 시간에 따라 변하는 압력을 가하면 멤브레인과 부재가 진동한다. 멤브레인의 진동을 통해 종파 및 전단파가 관심 조직 영역으로 전파된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 함수 발생기는 종파 및 전단파의 주파수가 예를 들어 30 Hz 및 3000 Hz 범위 내에 있도록 할 수 있다. 함수 발생기는 또한 의료 이미징 장치(미도시)의 이미징 시퀀스와 동기식으로 부재의 진동을 펄스화하거나 원위 부재를 지속적으로 진동시키도록 설계될 수 있다.
당업자는 광범위한 HDVE 관성 드라이버가 본 발명에 의해 고려된다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, HDVE 관성 드라이버는 전자기 액추에이터, 압전 액추에이터 또는 HDVE 관성 드라이버로 변환된 공압 액추에이터일 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 드라이버 신호는 예를 들어, 0.01 Hz 및 80,000 Hz 범위 내의 주파수에서 전력 증폭기로부터 HDVE 관성 드라이버로 구동되는 25V의 피크 전압을 갖는 정현파 신호일 수 있다. 다른 실시예에서, 5V 진동의 피크 전압은 30 Hz 및 300 Hz 범위 내의 주파수에서 생성될 수 있다. 다른 실시예에서, 진동은 50 Hz 및 1000 Hz 범위 내의 주파수에서 생성될 수 있다. 신호는 예를 들어 이미징을 방해할 수 있는 고주파수 잡음을 제거할 수 있는 2 kHz의 차단 주파수로 저역 통과 필터링될 수 있다. 신호는 버스트(burst) 또는 펄스 모드에서 생성될 수 있으며 바람직하게는 이미징이 진동과 동기화되도록 제어된다. 원하는 경우 연속 신호가 대신 생성될 수 있다.
다른 실시예에서, 시스템은 2차 증폭기를 통해 신호를 전송하고 바람직하게는 필터링되지 않은 신호를 HDVE 관성 드라이버 장치에 전송하는 디지털 신호 프로세서를 포함한다.
일 실시예에서, 전가 활성 트랜스듀서는 적어도 하나의 통합 능동 피드백 제어 루프 및 적어도 하나의 통합 증폭기를 갖는다. 전기 활성 트랜스듀서는 위치 센서, 배향 센서, 힘 센서, 부하 센서, 온도 센서, 압력 센서, 근접 센서, 광학 센서, 전기 센서 및/또는 자기 센서 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 센서 중 적어도 하나로부터의 입력은 하나 이상의 HDVE 관성 드라이버의 주파수 응답을 제어하기 위해 증폭기에 대한 적어도 하나의 신호를 제어하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, HDVE 관성 드라이버 배열은 웨어러블 장치에 통합될 수 있다. 장치는 사용자의 신체에 배치되거나 신체에 착용되거나 신체에 배치되는 의류 또는 물품에 통합되는 별도의 유닛일 수 있다. 따라서 HDVE 관성 드라이버는 배낭, 조끼, 바디 수트, 재킷 또는 임의의 다른 의류를 포함하지만 이에 제한되지 않는 모든 유형의 웨어러블 물품에 통합될 수 있다.
일 실시예에서, HDVE 관성 드라이버는 능동 피드백 제어 루프 및 증폭기를 포함한다. 능동 피드백 제어 루프는 HDVE 관성 드라이버 배열과 통합될 수 있다. 또한, 증폭기와 HDVE 관성 드라이버가 단일 유닛에 통합되는 것을 포함하여 매우 근접할 수 있다는 점에서 증폭기는 HDVE 관성 드라이버와 통합될 수 있다. 능동 피드백 제어 루프는 증폭기에 작동 가능하게 연결된 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서로부터의 출력은 하나 이상의 후속 프로세스에 대한 입력으로 사용될 수 있으며, 예를 들어, 이들은 이러한 능동 피드백 제어 루프에 의해 결정된 바와 같이 최적의 주파수 응답 및/또는 다른 특성을 제공하기 위해 적어도 하나의 HDVE 관성 드라이버를 제어하는데 적합한 출력 전기 신호를 제공하는 증폭기에 대한 적어도 하나의 신호를 제어하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 피드백 제어 DSP(즉, 피드백 제어 디지털 신호 프로세서); 디지털 아날로그 컨버터(DAC); 증폭기; HDVE 관성 드라이버; 및 HDVE 관성 드라이버와 그리고 피드백 제어 DSP와 작동 가능하게 결합된 센서를 포함하는 HDVE 관성 드라이버에서 최적의 주파수 응답을 제공하기 위한 시스템이 개시된다. 센서로부터의 입력은 증폭기에 대한 적어도 하나의 신호를 제어하고 이에 따라 HDVE 관성 드라이버의 주파수 응답을 제어한다. 일부 실시예에서, 센서는 가속도계를 포함할 수 있다. 최적의 주파수 응답은 주파수 스펙트럼의 특정 부분을 증폭하거나 감쇠하는 것에 기반한 주파수와 강도 사이의 관계를 기반으로 할 수도 있다.
일부 실시예에서, 제어 시스템은 이러한 제어 시스템과의 통신의 상이한 샘플 레이트 및 주파수를 위해 상이한 센서(및/또는 그의 세트)를 구성할 수 있다. 일부 센서는 예를 들어, 평균, 최대-최소, 포아송 분포(Poisson distribution) 또는 하나 이상의 제어 시스템으로의 통신에 적합한 다른 처리된 출력을 생성하기 위해 인입 로 센서 데이터(incoming raw sensor data)에 작용하는 하나 이상의 알고리즘을 사용할 수 있다.
일 실시예에서, HDVE 관성 드라이버는 전기 신호를 운동으로 변환하는 트랜스듀서를 포함한다. 하나 이상의 멤브레인이 HDVE 관성 드라이버에 결합된다. 하나 이상의 멤브레인은 HDVE 관성 드라이버에서 사용자의 신체로 진동을 전달한다. 제1 센서는 HDVE 관성 드라이버의 진동을 모니터링한다. 하나 이상의 회로는 HDVE 관성 드라이버의 진동을 모니터링하는 제1 센서로부터 수신된 신호에 기초하여 전기 신호를 생성한다.
일 실시예에서, 하나 이상의 회로는 오디오 입력 신호 및 제1 센서로부터의 신호를 수신하기 위한 디지털 신호 프로세서(DSP), DSP는 제1 센서로부터 신호에 기초하여 수정된 신호를 생성하기 위해 오디오 입력 신호를 처리함; 수정된 신호를 아날로그 신호로 변환시키기 위한 디지털-아날로그 변환기(DAC); 및 HDVE 관성 드라이버에 대한 전기 신호를 생성하기 위해 아날로그 신호를 증폭하기 위한 증폭기;를 포함한다.
일 실시예에서, HDVE 관성 드라이버는 인클로저를 포함하고, 제1 센서 및 증폭기는 인클로저 내에 위치된다. 일 실시예에서, 제1 센서는 하나 이상의 멤브레인 내에 내장된다. 일 실시예에서, 하나 이상의 회로는 제1 센서로부터 수신된 신호에 기초하여 전기 신호의 등화를 조정한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 회로는 원하는 주파수 응답을 제1 센서로부터 수신된 신호에 의해 표시된 진동의 주파수 응답과 비교하고 비교에 기초하여 전기 신호의 등화를 조정한다. 하나 이상의 압력 센서가 예를 들어 멤브레인, 이상적으로는 사용자와 직접 접촉하는 멤브레인에 내장되어 이러한 멤브레인에 대한 사용자의 상대적 압력이 측정될 수 있다. 이 측정은 멤브레인에 대한 사용자의 상대적 위치를 계산하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 능동 피드백 시스템에서 하나 이상의 DSP에 의해 처리될 수 있는 센서 출력 신호의 형태로 정보 세트를 제공하기 위해 많은 유형의 센서가 배치될 수 있다. 다음의 비 제한적인 예가 아래에 설명된다.
센서는 진동 레벨을 캡쳐하고 캡쳐된 진동 레벨을 나타내는 출력 신호를 생성하는데 사용되는 가속도계일 수 있다. 캡쳐된 진동 레벨은 DSP의 초기화 및 구성 및/또는 HDVE 관성 드라이버의 출력 모니터링에 사용되어 애플리케이션에 대한 주파수 특성을 최적화 및/또는 맞춤화 한다. 가속도계는 보호 또는 향상을 위해 피드백 시스템의 응답을 조정하도록 특정 주파수 대역에서 진동을 감지하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템에 내장된 가속도계는 하나 이상의 특정 고장 모드와 관련된 알려진 주파수 대역의 진동을 검출하는데 사용될 수 있다. 그러면 능동 피드백 시스템이 측정의 중요도에 따라 응답을 조정, 제한 또는 중지할 수 있다.
센서는 가속도계, 홀 효과 센서, 자이로스코프(gyroscope) 또는 수은 틸트 스위치(mercury tilt switch)와 같은 배향 센서, 전기 또는 기계 압력 센서, 포토 다이오드 또는 포토 레지스터와 같은 광학 센서와 같은 물리 또는 자기 위치 센서일 수 있다. 센서는 이전 상태와 관련된 사용자의 위치 또는 배향의 변화를 모니터링하거나 검출하기 위해 개별적으로 또는 다른 센서와 결합하여 사용될 수 있다. 사용자의 위치 또는 배향의 변화를 모니터링하거나 검출하기 위한 이 시스템은 이러한 센서의 조합을 포함할 수 있고/있거나 HDVE 관성 드라이버 배열과 관련하여 사용자의 위치 변화를 검출하도록 이러한 센서의 어레이를 형성할 수 있다. 이러한 센서 또는 센서 어레이는 환경 및/또는 서로에 관련하여 사용자 및/또는 HDVE 관성 드라이버 배열 위치를 초기화하고 구성하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서 다른 센서, 예를 들어 힘 및 부하 센서의 조합을 포함할 수 있는 압력 센서는 사용자에 의해 HDVE 관성 드라이버 장치에 인가되는 압력의 양을 나타내는 센서 출력 신호를 제공할 수 있다. 이 정보는 HDVE 관성 드라이버 배열의 초기화 및 구성에 사용될 수 있다. 이 정보는 사용자의 존재를 검출하고 사용자가 없는 경우 출력을 변경(뮤팅(muting) 포함)하는데 사용될 수도 있다. 이는 사용자가 착용하고/하거나 사용자가 예를 들어 침대나 의자에 않는 HDVE 관성 드라이버 배열의 상대적이고 절대적인 위치를 포함할 수 있다.
근접 센서는 광학 및/또는 IR 파장의 반사/굴절을 결정하도록, HDVE 관성 드라이버 배열에 대한 사용자의 근접성을 결정하고 이 근접성을 나타내는 센서 출력 신호를 생성하도록 예를 들어 포토 레지스터 및/또는 광학 또는 IR LED를 사용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 센서는 사용자가 침대 또는 좌석까지의 거리의 변화를 결정하도록, 예를 들어 사용자가 침대에서 등을 굽히고 있는지 또는 좌석에서 앞으로 기울이는지를 결정하도록 웨어러블 트랜스듀서 배열에 그래고 침대 또는 좌석 등받이(seat back)에 배치될 수 있으며, 이에 따라 HDVE 관성 드라이버 어레이에 덜 연결된다. 이 예에서, DSP는 사용자에 의해 인지되는 신호의 일정한 진폭을 유지하기 위해 HDVE 관성 드라이버 배열의 출력을 증가시킬 수 있고/있거나 예를 들어 침대의 일 측 또는 좌석의 바닥의 진폭을 높이면서 침대의 다른 측 또는 좌석 등받이의 진폭을 줄이는 것과 같이 HDVE 관성 드라이버 배열에서 특정 트랜스듀서에 대한 진폭을 증가 또는 감소시킬 수 있으며, 여기서 이러한 침대 또는 좌석은 HDVE 관성 드라이버 배열과 끼워 맞춰진다.
백 EMF(back EMF)(전자기장) 센서는 HDVE 관성 드라이버 배열에서 하나 이상의 HDVE 관성 드라이버의 작동을 감지하는데 사용될 수 있으며, 예를 들어 DSP에 공급될 수 있는 PWM(펄스 폭 변조) 출력을 생성한다. 이러한 신호는 안정한 작동 영역에서 HDVE 관성 드라이버 배열의 작동을 유지하면서 HDVE 관성 드라이버 배열의 보호 및/또는 신호의 최적화 및/또는 변경 모두를 위해 사용되어 사용자에게 적절한 전단 파장을 제공할 수 있다.
HDVE 관성 드라이버의 진동을 측정하는데 다양한 센서가 사용될 수 있다. 예를 들어, 가속도계는 HDVE 관성 드라이버의 힘 또는 가속도를 측정할 수 있다. 자력계(magnetometer)는 HDVE 관성 드라이버의 자속과 이에 따른 힘을 측정하는데 사용될 수 있다. 갈바닉 피부 반응 센서(예를 들어, EKG)는 HDVE 관성 드라이버 배열에 의해 제공되는 진동 필드에 대한 사용자의 참여를 최적화하기 위해 DSP에 이용 가능할 수 있는 생리학적 정보를 제공할 수 있다.
온도 센서는 접촉식 또는 비접촉식 센서일 수 있다. 온도 센서는 HDVE 관성 드라이버 배열 및/또는 증폭기와 같은 지원 구성 요소를 포함하는 그 구성 요소의 온도를 모니터링하기 위해 사용될 수 있는 다음의 예시 유형을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 열전대(thermocouple) 또는 열전대열(thermopile)은 HDVE 관성 드라이버 요소, 전기 요소 또는 임의의 기능적 또는 외관 인클로저(cosmetic enclosure)의 온도를 모니터링할 수 있다. 예를 들어 구성 요소에 손상을 줄 수 있는 온도 또는 사용자에게 불편할 수 있는 온도와 같이 임계 한계를 초과하는 경우, DSP는 출력의 진폭을 줄이거나 출력을 완전히 음소거할 수 있다. 온도 센서의 예로는 온도 조절기(thermostat), 서미스터(thermistor), 저항성 온도 검출기 및 열전대를 포함한다.
DSP 프로세서는 능동 피드백 시스템의 일부를 형성할 수 있다. DSP 프로세서는 유닛에 통합되고/통합되거나 유닛 외부에 있을 수 있으며, 장치에 근접하여 유선 또는 무선으로 연결되거나 네트워크를 통해 원격으로 연결될 수 있다. DSP 프로세서는 하나 이상의 센서로부터 입력을 받아들이고 이러한 입력을 평가하고 이 입력을 기반으로 하나 이상의 작업을 수행하는 역할을 한다. DSP는 HDVE 관성 드라이버 배열의 특정 작동 상황을 나타내는 센서 입력 샘플의 저장소를 가질 수 있다. 예를 들어, 이는 수직 또는 수평으로 정렬된 HDVE 관성 드라이버 배열로 센서의 응답을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 최적의 주파수 응답 또는 이러한 센서에 의해 측정되고/되거나 사용자에 의해 선택되는 다른 진동 특성을 나타내는 하나 이상의 센서에 의해 생성된 하나 이상의 패턴을 포함할 수 있다. DSP는 다음과 같은 정보를 저장할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다: 센서 입력 및 측정, 측정의 계산 및 상관, 중대한 측정(critical measurement), 중대한 결함 및 중대한 결함의 빈도, 특정 조건에 대해 수행된 수정 및 향상, 시스템의 일반 상태 또는 특정 서브 시스템. DSP 프로세서는 또한 이러한 정보를 서브 시스템 또는 외부 시스템에 로컬로 또는 네트워크를 통해 통신할 수 있다. DSP는 또한 구성 정보, 업데이트된 설정 또는 시스템 상태 설정을 서브 시스템 또는 외부 시스템으로부터 로컬로 또는 네트워크를 통해 수신할 수 있다.
DSP는 HDVE 관성 드라이버 배열에 연결된 증폭기에 공급될 때 최적화된 및/또는 특정 주파수 응답 또는 다른 진동 특성을 생성할 수 있는 출력 신호를 생성하기 위해 인입 진동 신호를 수정하는 프로세스를 시작할 수 있다.
DSP 프로세스는 예를 들어 침대, 좌석 또는 다른 환경 인공물에 의해 초래되는 특정 공명을 제거하기 위해 Q(필터의 가파른 정도)의 다양한 속도를 갖는 필터링(노치, 고, 저, 다중 대역, 대역 통과 등)을 포함할 수 있다. DSP는 증폭기에 공급되는 신호를 변경하기 위해 다양한 알고리즘을 사용할 수 있다. 이러한 알고리즘은 예를 들어 입력 신호의 분석 및/또는 센서 출력 신호의 분석을 통해 배치될 수 있다. DSP는 또한 증폭기의 작동으로 인한 불일치를 추가로 조정하기 위해 증폭기의 출력을 모니터링할 수 있다. 다른 프로세스는 과도(transient) 및 다른 피크를 줄이기 위해 출력 진동 신호를 제한하고, 전체 동적 범위를 줄이고 보다 일관된 작동 수준을 생성하기 위해 진동 신호를 압축하는 것을 포함할 수 있다. 다른 프로세스는 진동 신호가 잠재적으로 다른 진동 신호, 예를 들어 다른 독립적으로 구동되는 HDVE 관성 드라이버 등의 진동 신호와 정렬되도록 출력 진동의 위상 정렬을 포함할 수 있다.
DSP는 또한 출력 신호를 감쇠시키는 역할을 할 수 있으며 일부 경우에 일반적으로 가속도계 및 온도 센서와 같은 HDVE 관성 드라이버를 보호하는 센서로부터의 입력 및 이러한 정보의 평가에 응답하여 출력을 완전히 제거할 수 있으며, 가속률(rate of acceleration)은 HDVE 관성 드라이버가 HDVE 관성 드라이버 및/또는 HDVE 관성 드라이버의 코일이 작동 조건을 초과하는 열을 발생하고 있다는 것을 나타내는 온도 측정을 위한 안정한 작동 환경을 초과할 것임을 나타낼 수 있다. DSP는 일부 실시예에서 여러 센서 입력을 상관시켜 긍정 오류(false positive)를 방지하고/하거나 이러한 입력을 저장된 값과 비교하여 하나 이상의 임계값을 초과하기 전에 장애 상태를 피하기 위해 출력 신호의 적절한 변화를 결정할 수 있다.
DSP는 초기 구성 상태를 가질 수 있으며, 이에 따라 DSP는 특정 진동 신호를 생성한 다음 센서를 사용하여 이러한 신호를 측정하여 환자 또는 객체의 하나 이상의 장기 또는 조직에 대한 특정 HDVE 관성 드라이버 배열을 위한 최적의 진동 출력을 생성한다. 이러한 구성은 DSP에 의해 저장될 수 있으며 환자 또는 객체에 대한 진동 필드를 최적화하는 특성을 갖는 출력 신호를 생성하기 위해 입력 신호에 대한 수정을 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 DSP가 멤브레인의 특정 지점, 예를 들어 좌측으로부터 임펄스를 생성하여 환자 또는 객체에게 좌측에 기대도록 알리는 예를 들어 촉각 감각을 통해 환자 또는 객체에 지시를 제공하는 것을 포함할 수 있어서 멤브레인에 대한 그 신체 위치가 결정되고 최적의 진동 응답을 위해 출력 신호가 조정된다. 예를 들어, 하나의 임펄스는 멤브레인에 기울어 짐을 의미하고 2 개의 펄스는 밖으로 나옴(lean out)을 의미하고 3 개의 펄스는 구성 완료를 의미한다. DSP 프로세서는 또한 인입 진동 신호를 수용하고 HDVE 관성 드라이버 배열에 적절한 주파수가 제공되도록 그 신호를 처리하도록 구성될 수 있다.
도 4 내지 도 19는 본 혁신 및 그 세부사항의 여러 실시예를 도시한다. 당업자는 본 발명이 다수의 정현파를 직렬로 또는 동시에 다양한 주파수, 위상 및 진폭뿐만 아니라 임의의 잡음, 단일 정현파, 복잡한 오디오 파형 및 다른 임의의 파형을 신체 또는 객체에 주입할 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 다양한 형태의 탄성영상 및 점탄성영상, 크롤링 웨이브 탄성영상, 반향 탄성영상 등을 포함하는 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다.
도 4는 하나 이상의 실시예에 따른 신체에 결합되고 모두 전기 통신을 통해 연결된 다채널 오디오 입력, 전원(예를 들어, AC 또는 배터리)을 사용하는 다채널 증폭기에 의해 구동되는 4 개의 HDVE 관성 드라이버(소스)를 사용하여 신체에서 반향 장을 생성하기 위한 시스템을 도시한다. 일 실시예에서, 전기 통신은 AC 파워 코드, 오디오 케이블 및 표준 라우드스피커 케이블로 구성된다. 당업자는 이러한 통신 중 일부가 무선 및/또는 배터리로 전력이 공급될 수 있음을 인식할 것이다. 이 설정은 또한 반향 전단 파장, 크롤링 웨이브 필드 및 다른 유용한 필드가 환자 또는 객체에서 생성될 수 있도록 한다. 이 도면에서 “촉각 오디오 트랜스듀서” 및 “전기 기계식 진동 드라이버”는 HDVE 관성 드라이버를 의미한다.
도 5는 신체 또는 객체에 대해 도 4의 HDVE 관성 드라이버를 유지하기 위한 하나 이상의 실시예에 따른 하네스를 도시한다.
도 6은 하나 이상의 실시예에 따른 하네스를 도시하며, 이는 HDVE 관성 드라이버 신체 또는 객체의 필요한 곳에, 이 경우 초음파 프로브의 이미징 부위 근처에 배치될 수 있도록 한다.
도 7은 초음파 이미징과 함께 사용하기 위해 사지(limb) 또는 목 또는 아이의 몸통에서 잔향 전단 파장(도시됨) 크롤링 웨이브 필드(미도시) 또는 다른 유용한 필드를 생성하기 위한 하나 이상의 실시예에 따른 하네스 시스템을 도시한다. 이 도면에서, “촉각 오디오 트랜스듀서” 및 “전기 기계식 진동 드라이버”는 HDVE 관성 드라이버를 의미한다.
도 8-10은 신체 또는 객체에 대해 HDVE 관성 드라이버를 위치시키고 유지시키기 위한 하나 이상의 실시예에 따른 적응형 하네스 시스템을 도시한다. 도 8은 하네스 스트랩, 간편한 온-오프 및 조절 가능한 스트랩 길이를 위한 퀵 커넥트 패스너(quick connect fastener) 및 HDVE 관성 드라이버를 유지하는 하네스 포켓의 신체 접촉면을 도시하는 하네스의 사진이다. 도 9는 하네스 포켓의 외부 표면(비접촉 표면)을 도시하는 동일한 하네스의 사진이다. 도 10은 신체에 부착된 하네스 시스템의 사진이다.
도 11은 반향 전단 파장(도시됨), 크롤링 웨이브 필드(미도시) 또는 다른 유용한 필드를 생성하기 위해 보충 스트랩이 있거나 없는 빠른 온-오프를 위해 신체 또는 객체에 대해 HDVE 관성 드라이버를 위치시키고 유지하기 위한 하나 이상의 실시예에 따른 스프링 바 “헤드폰 스타일” 시스템을 도시한다. 도면은 초음파 프로브가 배치될 구역 또는 영역을 방해하거나 물리적으로 차단하지 않고 HDVE 관성 드라이버를 배치할 수 있도록 오프셋이 있는 스프링 바의 저면도이다. 이 특정 도면에 도시되지 않은 것은 환자 뒷면 둘레의 선택적인 스트랩이다. 이 스타일은 비만 및 비만이 아닌 성인, 어린이, 유아 및 다른 객체의 몸통, 다리, 팔 및 목에 적용될 것이다. 이 도면에서, “오디오 트랜스듀서” 및 “전자 기계식 진동 드라이버”는 HDVE 관성 드라이버를 의미한다.
도 12는 반향, 크롤링 웨이브 또는 다른 유용한 파장을 생성하기 위한 하나 이상의 실시예에 따른 내장된 HDVE 관성 드라이버를 갖는 매트를 도시한다. 환자는 단순히 매트 위에 눕거나 객체를 매트 위에 위치시킨다. 이러한 시스템은 다수의 HDVE 관성 드라이버를 포함할 수 있다. 이 도면에서, “오디오 트랜스듀서" 및 “전자 기계식 진동 드라이버”는 HDVE 관성 드라이버를 의미한다.
도 13은 하나 이상의 실시예에 따른 환자 접촉 돔을 포함하는 HDVE 관성 드라이버의 배치를 조정하기 위한 슬라이딩 채널을 갖는 패드를 도시하며, 이에 대해 드라이버는 늑골(rib), 엉덩이 또는 다른 신체 부위에 대해 신속하게 위치되고 동시에 구동될 수 있다(예를 들어, 한 세트는 늑골에 대해, 제2 세트는 엉덩이에 대해, 그리고 다른 조합). 일 응용예에서, 시스템 중 하나가 늑골 근처 테이블에 십자형으로 배치되고 제2 시스템이 엉덩이 근처 테이블에 십자형으로 배치되는 다중 시스템이 활용된다. 그런 다음 환자가 그 위에 눕고 HDVE 관성 드라이버는 각 드라이버 돔이 원하는 각도 및 힘으로 환자와 접촉할 때까지 양쪽에서 환자를 향해 채널을 따라 이동된다.
도 14는 퀵-락(quick-lock) 드라이버 장치를 갖는 하나 이상의 실시예에 따른 도 13의 슬라이딩 채널 HDVE 관성 드라이버 시스템을 도시한다. 스프링(금속 또는 플라스틱), 탄성 또는 유연성 암을 갖는 힌지는 환자의 접촉력을 조정하게 할 수 있다.
도 15는 도 14의 슬라이딩 채널 HDVE 관성 드라이버 시스템에 대한 하나 이상의 실시예에 따른 나사형 T-락을 도시한다.
도 16은 2 개의 슬라이딩 트랙 HDVE 관성 드라이버 시스템(2 개의 동일한 시스템이 도시됨)을 갖는 실시예를 도시한다. 3 개의 금속 스프링을 갖는 유연한 암 힌지는 환자 점촉 각도 및 힘의 설정을 가능하게 할 수 있다.
도 17은 슬라이딩 트랙 HDVE 관성 시스템에 대한 하나 이상의 실시예에 따른 압력 잠금부를 도시한다. 이 도면에서, “트랜스듀서” 및 “전자 기계식 진동 드라이버”는 HDVE 관성 드라이버를 의미한다.
도 18은 하나 이상의 실시예에 따른 초음파 프로브와 통합된 HDVE 고나성 드라이버를 도시한다. 이 도면에서, “고무 장착”은 합성 점탄성 우레탄 폴리머와 같은 “진동 감쇠 점탄성 재료”를 의미한다. 이 도면에서, “트랜스듀서” 및 “전자 기계식 진동 드라이버”는 HDVE 관성 드라이버를 의미한다.
도 19는 하나 이상의 실시예에 따른 초음파 경직장 프로브와 통합된 소형 HDVE 관성 드라이버를 도시한다. 드라이버는 초음파 트랜스듀서 어레이의 양쪽에 내장된다. 하나 이상의 실시예에서, 시스템은 경식도 에코(transesophageal echo, TEE) 초음파 프로브를 위해 구성될 수 있다.
도 20은 신호 소스의 전체 흐름도 및 스캔될 환자 또는 재료 내에서 물리적 진동으로의 변환을 도시한다.
도 21은 가요성 조인트로 서로 연결된 4 개의 상부 플레이트 어레이에 배열돤 4 개의 HDVE 관성 드라이버를 갖는 다 채널 쿼드로 공진기 보드 및 강 스프링에 의해 단일 공통 솔리드 하부 플레이트 또는 테이블에 연결된 각각의 상부 플레이트를 포함하는 다른 실시예를 도시한다.
다 채널 쿼드로 공진기 보드는 1 내지 다수의 HDVE 관성 드라이버를 갖는 진동 보드이며, 가요성(고무, 실리콘 또는 다른 재료) 조인트로 연결된 다중 접촉 패널로 구성되며, 각 패널은 강 스프링에 의해 독립적으로 메달려 있다. 하나 이상의 실시예에서, 다중 패널을 갖는 것은 시스템이 각 패널을 독립적으로 구동할 수 있게 하여 모노, 스테레오 및 다 채널 진동 분포의 복잡한 패턴을 허용한다. 다 채널 진동 분포는 패닝(panning), 위상 이동, 헤테로 다이닝(heterodyning) 및 다른 형태의 오디오 재생 패턴과 같은 효과를 포함할 수 있다. 다 채널 쿼드로 공진기 보드는 반향 및 크롤링 웨이브 탄성영상 이미징과 같은 의료 이미징 기술을 위해 인체와 함께 사용되고 점탄성 액체 및 고체와 같은 다른 재료를 이미징하는데 사용하도록 설게된다.
도 22는 4 개의 상부 플레이트의 어레이에 배열된 4 개의 HDVE 관성 드라이버 플레이트를 갖는 다 채널 쿼드로 공진기 보드를 포함하는 다른 실시예를 도시하며, 여기서 각 드라이버는 전기적 연결(와이어)에 의해 다 채널 오디오 증폭기에 연결된다. 다 채널 오디오 증폭기는 여러 오디오 신호 소스에서 입력을 수신한다.
하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 확장 가능하고 하나의 플레이트에서 최대 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 또는 그 초과의 플레이트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 실시간 환자 사용을 위해 사용되며 플레이트 당 2 개의 드라이버를 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 2 개 이상의 플레이트를 포함하며, 각 플레이트는 자체 HDVE 관성 드라이버를 가지며, 응용예에 따라 플레이트 당 1, 2, 3, 4개 또는 그 초과의 HDVE 관성 드라이버, 시스템당 1, 2, 3, 4 개 또는 그 초과의 플레이트를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 전체 본체에 사용되며 10, 12, 14, 16, 18, 20 또는 그 초과의 독립적인 플레이트를 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 다중 드라이버를 통합할 수 있는 HDVE 관성 드라이버 인클로저를 형성하는 2 개 이상의 플레이트를 포함한다. 일부 실시예에서, HDVE 관성 드라이버는 가요성 재료에 내장될 수 있다. 일부 실시예에서, 인클로저는 HDVE 관성 드라이버 및 관련 구성 요소에 의해 생성된 열의 분산에 적합한 금속과 같은 재료로 만들어질 수 있다. 이러한 금속은 알루미늄, 강, 구리 등과 같은 금속을 포함한다. 이들은 세라믹, 폴리머, 탄소 섬유 복합재, 목재 및 천연 섬유 복합재, 반도체 등과 같은 열 분산 특성을 갖는 다른 재료와 결합될 수 있다. 인클로저는 또한 웨어러블 의류, 좌석, 소파 및 다른 인공물에 부착될 수 있는 장착 기능을 통합할 수 있다. 인클로저는 응용예에 따라 단단하거나 유연할 수 있다.
이론에 얽매이고 싶지는 않지만, 스프링, 밴드 또는 다른 인장 장치를 포함하는 공진기 보드의 접합된 특성은 각 쿼드를 독립적으로 실행하기 위한 능력을 갖거나 다른 실시예가 도달하기 어려운 진폭 및 주파수에서 과다한 전단 파장(크롤링 웨이브, 반향 파, 주로 단방향 파 등)을 생성하기 위해 다른 쿼드와 협력하는(in coordination with) 것이 믿어진다. 본 발명은 본 시스템이 더 큰 범위의 주파수를 생성하고 필요에 따라 환자로부터 안전하게 열을 배출할 수 있기 때문에 주파수 범위 및 열 문제를 포함하는 업계의 다양한 알려진 문제를 해결한다. 또한, 본 발명은 검사 또는 수술 테이블에 쉽게 배치할 수 있도록 제공하며 시스템은 환자의 특정 신체 부위에 추가 진동을 가할 수 있도록 탄성 벨트 또는 직물에 보조 HDVE 관성 드라이버를 포함하도록 쉽게 확장할 수 있다. 본 발명의 시스템은 케이블을 안전하게 라우팅하고 필요한 경우 드라이버 회로를 위한 적절한 공간을 제공한다. 또한, 본 발명의 시스템은 다수의 환저 접촉 지점을 제공하도록 구성될 수도 있다(예를 들어, 다양한 형태의 다수의 돌출부가 하나 이상의 실시예에 포함될 수 있다).
하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 출력 신호의 클리핑을 방지하기 위해 최대 공칭 전력 출력의 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 퍼센트 미만의 전력 출력으로 설정된 증폭기 시스템을 가질 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템 증폭기는 평탄한 출력 응답을 제공하기 위해 등화될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 DSP에 전력 제한을 더 포함할 수 있으며, 이는 클리핑을 불가능하게 만든다.
하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 머리와 발을 위한 쿠션 및 다 채널 쿼드로 공진기 보드 밑 및/또는 아래의 매트를 갖는 직물 디자인을 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 공진기 보드 및 쿠션을 유지시키고 시스템이 (삼중 지갑과 같이) 접혀서 운반할 수 있게 한다.
하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템의 HDVE 관성 드라이버 시스템은 MISCO, AURA, Clark Synthesis, Tectonic Elements, Dayton Audio, Visaton, Vidsonic, Guitammer 등에 의해 제공되는 것과 같은 진동 트랜스듀서를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 능동 등화(EQ) 시스템을 더 포함할 수 있으며, 예를 들어 400 파운드의 사람이 보드에 누워있을 때 EQ 설정은 추가된 무게를 수용할 수 있도록 사전 EQ 설정을 자동적으로 조정 또는 선택하여 보드가 음향적으로 중립(평평함)을 유지할 수 있게 한다. 하나 이상의 실시예에서, 다 채널 쿼드로 공진기 보드 시스템은 보드의 가속도계 및 보드의 EQ를 능동적으로 제어하기 위한 DSP로의 피드백을 더 포함할 수 있다.
도 23은 유방과 같은 신체의 표면 근처의 조직에 대한 가중 HDVE 관성 드라이버 시스템을 포함하는 다른 실시예를 도시하며, 하나 이상의 가중 HDVE 관성 드라이버 시스템은 하나 이상의 실시예에 따라 시험장을 방해하지 않고 조직의 근처에 위치된다.
도 24-25는 하나 이상의 실시예에 따른 HDVE 관성 드라이버 시스템이 환자 피부를 접촉시켜 라우드스피커 콘과 환자의 피부 사이에 밀봉된 공기 기둥을 만들고 라우드스피커 콘과 환자의 피부를 분리시키는 하우징에 내장된 라우드스피커로 구성되는 도 23의 가중 HDVE 관성 드라이버 시스템의 실시예를 도시한다. 하나 이상의 실시예에서, 탄성영상 및 점탄성영상 측정 또는 이미징에 사용하기 위해 신체 또는 객체의 전단파를 유도하기 위한 선택된 가변 파형을 전송하기 위해 장치가 제공되며, 다음을 포함한다: (a) 전기 신호를 물리적 진동으로 변환시키고 재생할 수 있는 하나 이상의 HDVE 관성 드라이버, HDVE 관성 드라이버는 선택된 주파수 및 진폭의 전단파뿐만 아니라 사인파, 구형파, 삼각파 및 잡음을 포함하는 다른 복잡한 파형 형상을 유도하기 위한 신체 또는 객체에 물리적으로 접촉하는 하우징에 장착된다; (b) 장치를 작동하고 하나 이상의 HDVE 관성 드라이버의 주파수, 파형 형상, 특정 주파수의 진폭 및 위상, 전체 파형 진폭 및 위상을 제어하기 위한 오디오 전력 증폭기 및 디지털 신호 처리를 포함할 수 있는 컨트롤러; (c) 하우징 및 장착 시스템; (d) 통신 링크; 및 (e) 전원.
하나 이상의 실시예에서, 탄성영상 및 점탄성영상 측정 또는 이미징에 사용하기 위한 모든 신체 또는 신체의 하나 이상의 부위(신체는 객체 또는 신체일 수 있음)의 전단파를 유도하기 위한 선택된 가변 파형을 제공하도록 장치가 구성되며, 다음을 포함한다: (a) 선택된 주파수 및 진폭의 진동뿐만 아니라 정현파, 구형파, 삼각파 및 잡음을 포함하는 다른 복잡한 파형 형상과 같은 임의의 복잡한 파형을 생성하기 위한 커플링 전송 시스템을 갖는 하나 이상의 독립적인 HDVE 관성 드라이버로서 정의된 진동 수단; (b) 장치를 작동하고 상기 진동 수단의 주파수, 파형 형상, 특정 주파수의 진폭 및 위상, 특정 파형 구성 요소의 진폭 및 위상, 전체 파형 진폭 및 위상을 제어하기 위한 오디오 전력 증폭기 및 디지털 신호 처리를 포함할 수 있는 컨트롤러; (c) 다음으로 구성된 그룹에서 선택된 상기 진동 수단을 위한 하우징 및 장착 수단: (i) 상기 신체 또는 신체의 하나 이상의 부위에 진동을 전달하기 위해 신체의 하나 이상의 부의에 일치하거나 일치 가능한 스트랩 온 하네스(strap-on harness)의 형태의 하우징 및 장착 수단(하네스란 벨트, 새시(sash), 랩(wrap), 슬리브, 레깅스, 거들, 코르셋, 의복, 조끼 또는 신체 또는 신체의 하나 이상의 부위에 일치하거나 일치 가능한 다른 유연성 재료를 의미함); (ii) 장착된 진동 수단을 갖는 테이블의 형태의 하우징 및 장착 수단; (iii) 신체 또는 신체의 하나 이상의 부위와 접촉시키는 진동 수단을 배치하기 위한 이동 가능한 암 또는 레일의 형태의 하우징 및 장착 수단; (iv) 장착된 진동 수단을 갖는 휴대용 또는 비휴대용 매트 형태의 하우징 및 장착 수단, 상기 휴대용 매트는 신체 또는 신체의 하나 이상의 부위가 배치되는 테이블 또는 다른 구조 상에 배치될 수 있고, 상기 비휴대용 매트는 환자 표면에 영구적으로 또는 반영구적으로 배치된다; (v) 초음파트랜스듀서 어레이 또는 프로브의 양 쪽에 하나씩 2 개의 진동 수단이 부착되거나 내장되는 하우징 및 장착 수단; (vi) 상기의 조합 형태의 하우징 및 장착 수단(예를 들어, 이동식 암 또는 레일 또는 하네스 또는 매트를 갖는 테이블 또는 다른 조합); (d) 다음으로 구성된 그룹으로부터 선택된 상기 진동 수단에 상기 제어 수단을 연결하기 위한 통신 수단: (i) 상기 진동 수단에 상기 지어 수단을 연결하기 위한 유선 통신 수단; (ii) 상기 진동 수단에 상기 제어 수단을 연결하기 위한 무선 통신 수단; (iii) 상기 진동 수단에 상기 제어 수단을 연결하기 위한 유선 및 무선 통신 수단의 조합; 및 (e) 배터리 또는 AC 벽면 콘센트 또는 다른 소스와 같은 표준 전력 소스, 또는 또는 제어 수단의 다른 구성 요소에 대한 이들의 조합일 수 있는 상기 제어 수단에 전력을 공급하는 수단(이는 차례로 상기 진동 수단에 전력을 공급함).
하나 이상의 실시예에서, 넓은 주파수 범위를 갖는 깊은 조직에서 잔향, 크롤링 웨이브 또는 다른 전단 파장을 생성하는 수단이 제공된다. 하나 이상의 실시예에서, 수단은: (a) 복수의 소스; (b) 대안적으로, 하나 또는 두 개의 개별 소스에 대한 유연한 요소와 같은 하지만 이에 제한되지 않는 통신 부재를 통합함으로써 생성되는 확장 소스; (c) 탄성영상을 위해 관심 영역 근처의 표면과 통신하도록 접촉 표면과 같은 하지만 이에 제한되지 않는 특별히 설계된 통신 부재를 포함하는 소스; (d) 조정 가능하고 유연한 접촉 장치를 사용하여 신체 또는 재료의 표면에 적어도 0.1 파운드의 접촉력을 가하는 것; (e) 신속하고 인체 공학적인 방식으로 접촉력을 가하여 임상의가 요구하는 검사 시간가 작업을 단축시키는 것; (f) 0.1 Hz 내지 80kHz 주파수 범위의 주파수와 처리를 가능하게 하기 위해 조직 변위의 0.1 마이크로 미터 내지 50 마이크로 미터를 유발하기 위한 충분한 전력을 갖는 깊은 조직에서 반향, 크롤링 웨이브 또는 다른 전단 파장을 생성하는 것;을 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 다음 단계 중 하나 이상으로 구성된 HDVE 관성 드라이버 시스템을 사용하여 환자 또는 재료를 스캔하는 방법이 제공된다: (a) 임상의 또는 기술자가 스캔할 일반 영역을 식별한다; (b) 임상의 또는 기술자가 응용예에 대한 적합한 HDVE 관성 드라이버 시스템을 결정한다; (c) 임상의 또는 기술자가 적절한 HDVE 관성 드라이버 시스템을 스캔할 일반 영역 둘레, 위, 아래, 걸쳐서 및/또는 근처에 배치하고/배치하거나 환자 또는 재료가 놓이는 지면, 플랫폼, 침대, 의자 등과 같은 표면 상에 적절한 HDVE 관성 드라이버 시스템을 배치시킨다; (d) 임상의 또는 기술자가 환자 또는 재료에 대해 HDVE 관성 드라이버(필요한 경우 환자 접촉 돔 및/또는 다른 통신 부재 및 유연한 부재를 포함함)의 위치를 조정한다; (e) 임상의 또는 기술자가 스캔되는 조직 또는 재료에 적합한 적절한 진동 파형 신호 흐름을 시작한다; (f) 신호는 DSP, EQ 필터링, 위상 이동 및 경로 분포를 포함하지만 이에 제한되지 않는 처리를 통해 흐른다; (g) 신호는 오디오 증폭기 및/또는 인버터와 같은 하지만 이에 제한되지는 않는 전력 증폭기로 흐른다; (h) 신호는 전기 신호를 하나 이상의 통신 부재를 통해 환자 또는 재료의 물리적 진동으로 변환시키는 HDVE 관성 드라이버로 흐른다; (i) 임상의 또는 기술자가 환자 또는 객체를 스캔하고 데이터를 처리하여 이미지 및/또는 측정을 생성한다.
전술한 바에 의해, 각각의 장치는 의료 이미징, 재료 이미징, 비파괴 테스트 및 지진 매핑을 포함하는 다앙? 탄성영상 및 점탄성영상 방법에 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
본 명세서 및 첨부된 청구 범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 “a”, “an” 및 “the”는 내용이 명백하게 달리 지시되지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 예를 들어 “음향 액추에이터”에 대한 언급은 2 개 이상의 이러한 액추에이터를 포함한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 개시에서 사용되는 경우, 용어 “포함하다”, “포함하는” 및 어근 용어 “포함하다”로부터의 다른 파생어는 임의의 언급된 특징, 요소, 정수, 단계 또는 구성 요소의 존재를 지정하는 개방형 용어로 의도되지만 하나 이상의 다른 특징, 요소, 정수, 단계 구성 요소 또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하려는 의도는 아니다는 점에 유의해야 한다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 예시적인 실시예가 상기 언급된 목적을 충족한다는 것이 명백하지만, 당업자에 의해 수많은 수정 및 다른 실시예까 고안될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 이러한 모든 수정 및 실시예를 포함하도록 의도된 것임을 이해할 것이다.
Claims (20)
- 목표 객체 내의 관심 영역을 이미징하기 위한 고해상도 점탄성영상(HDVE) 관성 드라이버 장치로서,
2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치 ― 각각의 HDVE 관성 드라이버 장치는:
컨트롤러로부터 드라이버 신호를 수신하는 것을 가능하게 하는 드라이버 인터페이스;
공진 표면; 및
상기 공진 표면의 공진 변위를 독립적으로 생성하도록 상기 드라이버 인터페이스에 통신적으로 결합되고 상기 공진 표면에 물리적으로 결합된 관성 드라이버;를 포함함 ―; 및
목표 객체 내의 관심 영역의 체적을 통해 전단 파장을 생성하기 위한 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치를 목표 객체와 음향 접촉되도록 위치시키는 지지 부재;를 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제1항에 있어서,
(i) 크롤링 웨이브(crawling wave); (ii) 반향 파(reverberant wave); 및 (iii) 단방향 파; 중 선택된 하나를 포함하는 전단 파장을 유도하기 위해 2 개 이상의 드라이버 인터페이스 각각에 대한 독립적인 시퀀스 드라이버 신호를 생성시키는 컨트롤러를 더 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는 0.1 내지 50 마이크로미터(μm) 범위의 변위를 생성하는데 충분한 전력을 갖는 10 Hz 내지 80 kHz의 음향 주파수 범위의 독립적인 시퀀스 드라이버 신호를 생성시키는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제2항에 있어서,
음향 센서; 및
상기 음향 센서에 통신적으로 결합된 음향 주파수 분석기; 및
(i) 다중 주파수 파형 신호를 생성시키고; 그리고 (ii) 상기 음향 주파수 분석기에 의해 탄성 및 점도를 측정하기 위한 전단 파장을 생성시키는 드라이버 신호를 생성하기 위해 다중 주파수 파형 신호를 증폭시키는 컨트롤러;를 더 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제2항에 있어서,
2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치 중 하나에 결합된 온도 센서를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 대응하는 공진 표면의 제어 온도를 완화하기 위해 선택된 독립 드라이버 신호의 전력량을 감소시킴으로써 온도 측정에 응답하도록 상기 온도 센서에 통신적으로 결합되는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제1항에 있어서,
상기 공진 표면은 관성 드라이버에 의해 생성되는 열을 상기 목표 객체로부터 멀리 끌어내는 열적 히트 싱크를 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제1항에 있어서,
적어도 하나의 공진 표면은, 라우드스피커(loudspeaker)이며, 목표 객체를 접촉시키고 목표 객체 표면으로부터 공진 표면을 분리시키는 공기 기둥을 밀봉시키는 접촉 표면을 갖는 하우징을 포함하며, 상기 공진 표면을 목표 객체 표면으로부터 분리시키는 거리는 1 cm 미만, 바람직하게는 0.5 cm 미만, 가장 바람직하게는 0.25 cm 미만인,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제1항에 있어서,
적어도 하나의 공진 표면은 목표 객체에 일치하고 음향적으로 투과성인 탄성 표면을 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제1항에 있어서,
관심 영역 내에 형성된 전단 파장을 검출하기 위해 목표 객체에 대해 위치 가능한 음향 센서를 더 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제9항에 있어서,
상기 지지 부재는 상기 음향 센서의 양 측에 이격된 선형 정렬로 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치의 쌍을 부착시키는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제1항에 있어서,
상기 지지 부재는 목표 객체를 둘러싸는 조정 가능한 하네스를 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제1항에 있어서,
상기 지지 부재는 목표 객체가 위치된 가요성 기판을 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제1항에 있어서,
상기 지지 부재는 목표 객체를 지지하는 테이블에 조정 가능하게 결합된 대향하는 클램프 장치의 쌍을 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제13항에 있어서,
상기 대향하는 클램프 장치의 쌍 중 적어도 하나는 테이블의 긴 채널에 슬라이딩 가능하게 수용되는 결합 부재를 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제1항에 있어서,
2개 이상의 관성 드라이버 장치 각각은:
테이블 구조에 의해 지지 가능한 베이스; 및
상기 베이스와 상기 공진 표면 사이에 개별적으로 부착된 복수의 스프링 부재;를 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 제1항에 있어서,
2 개 이상의 상기 HDVE 관성 드라이버 장치는 독립적으로 구동되며, 2 개 이상의 관성 드라이버 장치 각각의 개별 베이스는 단일 베이스의 인접한 부분을 포함하고, 상기 장치는 상기 단일 베이스 내에 음향적으로 격리되는 재료를 추가로 포함하는,
HDVE 관성 드라이버 장치. - 이미징 시스템으로서,
고해상도 점탄성영상(HDVE) 관성 드라이버 장치로서, 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치 ― 각각의 HDVE 관성 드라이버 장치는:
드라이버 신호를 수신하는 것을 가능하게 하는 드라이버 인터페이스;
공진 표면; 및
상기 공진 표면의 공진 변위를 독립적으로 생성하도록 상기 드라이버 인터페이스에 통신적으로 결합되고 상기 공진 표면에 물리적으로 결합된 관성 드라이버;를 포함함 ―; 및
목표 객체 내의 재료의 체적을 통해 전단 파장을 생성하기 위한 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치를 목표 객체와 음향 접촉되도록 위치시키는 지지 부재;를 포함하는, HDVE 관성 드라이버 장치;
전단 파장을 유도하기 위해 2 개 이상의 드라이버 인터페이스 각각에 대해 시퀀스 드라이버 신호를 생성하는 2 개 이상의 HDVE 관성 드라이버 장치의 개별 드라이버 인터페이스에 통신적으로 결합된 컨트롤러;
상기 목표 객체 상에 위치되는 음향 센서;
상기 음향 센서에 통신적으로 결합된 음향 주파수 분석기;
(i) 다중 주파수 파형 신호를 생성시키고; 그리고 (ii) 상기 음향 주파수 분석기에 의해 탄성 및 점도를 측정하기 위한 전단 파장을 생성시키는 드라이버 신호를 생성하기 위해 다중 주파수 파형 신호를 증폭시키는 컨트롤러;
점도 이미지를 포함할 수 있는 탄성영상 이미지를 형성하도록 탄성 및 점도 측정을 처리하는 프로세서; 및
점도 이미지를 포함할 수 있는 탄성영상 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이 모니터;를 포함하는,
이미징 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 전단 파장은, 0.1 내지 50 μm 범위의 변위를 생성하는데 충분한 전력을 갖는 20 Hz 내지 80 kHz의 음향 주파수 범위의 (i) 크롤링 웨이브; (ii) 반향 파; 및 (iii) 단방향 파 중 선택된 하나를 포함하는,
이미징 시스템. - 다중 주파수 파형 신호를 생성시키고 구동 신호가 되도록 이를 증폭시키는 단계;
목표 객체에 대해 유지된 공진 표면의 공진 변위를 생성하는 2 개 이상의 고해상도 점탄성영상(HDVE) 관성 드라이버 장치의 개별 관성 드라이버를 구동시키는 단계;
목표 객체 내의 재료의 체적을 통해 전단 파장을 생성하도록 각각의 HDVE 관성 드라이버 장치에 결합된 드라이버 신호를 생성시키는 단계;
목표 객체에 대해 유지된 음향 센서에 의해 음향 파를 수신하는 단계;
드라이버 신호를 생성시키는 단계;
조직의 탄성 또는 점탄성을 측정하기 위해 목표 객체의 재료를 통과하는 다중 주파수 파형 신호의 주파수에 대한 주파수 응답을 분석하는 단계;
목표 객체 내의 재료의 체적을 통과하는 전단 파장을 향상시키도록 각각의 HDVE 관성 드라이버 장치에 결합된 드라이버 신호를 수정하는 단계;
목표 객체 내의 재료의 체적을 통과하는 전단 파장이 만족스러울 때까지 분석 및 수정을 반복하는 단계; 및
전단 파장을 기반으로 탄성과 점도를 측정하는 단계;를 포함하는,
방법. - 제19항에 있어서,
상기 목표 객체 내의 조직의 체적을 통한 전단 파장은, 0.1 내지 50 μm 범위의 변위를 생성하는데 충분한 전력을 갖는 20 Hz 내지 80 kHz의 음향 주파수 범위의 (i) 크롤링 웨이브; (ii) 반향 파; 및 (iii) 단방향 파 중 선택된 하나를 포함하는,
방법.
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