KR20220100624A - 전단파를 사용하여 매질의 비선형 탄성을 정량화하기 위한 초음파 방법 및 이 방법을 구현하기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

매질의 비선형 전단파 탄성을 정량화하기 위한 초음파 방법에 있어서, 방법은:
A1. 매질에서 전단파 탄성 데이터의 시간적 연속을 수집하는 단계,
A2. - 전단파를 수집하는 동안, 미리 결정된 변형 시퀀스에 따라 연속적으로 변화하는 변형을 상기 매질에 적용하는 단계,
A3. - 변형의 실제 진화를 관찰하는 단계,
B. - 데이터의 시간적 연속과 변형의 진화에 따라 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 단계를 포함한다.

Description

전단파를 사용하여 매질의 비선형 탄성을 정량화하기 위한 초음파 방법 및 이 방법을 구현하기 위한 장치
본 발명은 점탄성 매질(viscoelastic medium)의 이미지를 제공하기 위한 초음파 이미징(ultrasonic wave imaging) 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 방법은 매질(medium)의 비선형성(nonlinearity)을 정량화하는 것, 특히 매질에서 부드러운 암성 부위(soft cancerous region)(즉, 비-암성 매질(non-cancerous medium)에 비해 비-경화된(non-indurated))을 검출하는 것을 목적으로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 상기 초음파의 반사 입자를 함유하는 점탄성 매질에서 산란을 관찰하기 위해 초음파를 이용한 이미징 방법에 관한 것이다.
초음파 이미지는 다른 방법으로 얻을 수 있다. 예를 들어, 획득된 이미지는 관찰된 조직(tissue)을 변형하여 획득된 정적 스트레인(strain) 유형 또는 또는 전단파 탄성영상(shear wave elastography)(SWE) 유형일 수 있다.
경화된 암은 일반적으로 전단파 탄성영상(SWE) 초음파 영상(ultrasound imaging)으로 검출된다. 그러나, 이 기술은 이러한 암이 기존의 탄성영상을 사용하여 비-암성 매질과 유사한 탄성(elasticity)을 갖는다는 점을 감안할 때 부드러운 암성 부위을 검출하지 못한다.
반대로, 매질의 비선형 특성 cf를 결정하는 것으로 알려져 있고, 예를 들면 다음과 같다:
에이치. 라토레-오사(H. Latorre-Ossa), 제이엘 제니슨(JL Gennisson), 이. 드 브로세스(E. De Brosses), 엠 프린크(M Fink)의, 정적 탄성영상과 전단파 탄성영상과 결합하여 비선형 전단 계수의 정량적 이미징(Quantitative imaging of nonlinear shear modulus by combining static elastography and shear wave elastography), IEEE 트랜스 초음파 강유전 주파수 제어(IEEE Trans Ultrason Ferroelectricr Freq Control), 2012년 4월; 59 (4) :833-9, 및 엠. 버날(M. Bernal), 에프. 챠밍스(F. Chamming's), 엠 쿠에드(M Couade), 제이 베르프코프(J Berfcoff), 엠. 탄텀 에이엘 제니슨(M. Tanterm JL Gennisson)의, 유방 병변에서 비선형 전단 계수의 생체 내 정량화(In Vivo Quantification of the Nonlinear Shear Modulus in Breast Lesions): 타당성 조사, IEEE 트랜스 초음파 강유전 주파수 제어(IEEE Trans Ultrason Ferroelectricr Freq Control), 2016년 1월; 63 (1) :101-9. 디오아이(doi): 10.1109/터프(TUFFC).2015.2503601, 이퍼브(Epub) 2015년 11월 24일.
그러나, 비선형성(nonlinearity)으로부터 정보를 검색하려면, 몇 가지 문제를 해결해야 되고, 특히 전단 계수(shear modulus)의 비선형성을 전단 계수(shear modulus) 및 변형(deformation)의 함수로 나타내는 수학적 표현(mathematical expression)을 구하고, 이 수학적 표현을 계산하는 데 필요한 값을 결정/측정하고, 이 데이터를 검색할 수 있는 측정 및 계산 프로세스를 설정한다.
따라서 본 발명은 비-경화된 암(non-indurated cancer)의 검출 및 진단을 개선하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명은 다음 단계를 사용하여 매질의 비선형 전단파 탄성을 정량화하는 방법을 제공한다:
A1. 매질에서 전단파 탄성 데이터(shear wave elasticity data)의 시간적 연속(temporal succession) 수집하는 단계,
A2. 전단파를 수집하는 동안 미리 결정된 시퀀스에 따라 연속적으로 변화하는 변형 시퀀스(sequence of deformation)를 매질에 적용하는 단계,
A3. 변형의 실제(추정) 진화(evolution)를 관찰하는 단계, 및
B. 데이터의 시간적 연속과 변형의 진화의 함수로 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 단계.
이러한 규정(provision)으로, 초음파 이미지를 통해 유방암과 같은, 부드러운 암성 부위의 검출또는 진 진단을 향상시킬 수 있다. 부드러운 암성 부위는 표준 SWE 탄성 조영술 이미지(비압축(uncompressed))에서 건강한 조직 또는 부드러운 양성 병변과 유사한 탄성을 보이다. 그러나, SWE 동안 조직(매질)을 압축함으로써, 건강한 조직과 악성 병변(malignant lesion)에서 탄력이 다르게 변하는 것으로 밝혀졌다.　 NL-SWE 이미징은 이러한 현상을 검증하고 정량화하는 것을 목표로한다.
예를 들어, 음향탄성(acoustoelasticity) 이론을 기반으로, 조직의 비선형 전단 계수 또는 비선형 탄성 전단 계수(nonlinear elastic shear coefficient) 또는 경화(stiffening)는 스트레인 및 SWE 이미지에서 추론될 수 있다. 특히, 이 모드에서 프로브로 조직을 압축(compressing) 또는 압축해제(decompressing)함으로써 인간 작업자(operator)(또는 기계 또는 초음파 프로브를 처리하거나 작동 할 수있는 모든 것)는 전단 계수의 비선형성 또는 매질의 경화 속도(stiffening rate)를 나타내는 맵을 추론하는 데 사용되는 일련의 SWE 및 스트레인 이미지(strain image)를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명은 특히 비선형성으로부터 데이터를 검색하기 위해 다음과 같은 문제를 해결할 수 있다:
1. 비선형 전단 계수를 전단 계수 및 변형의 함수로 나타내는 수학적 표현을 구한다.
2. B-모드 이미지, 전단파 탄성영상(SWE) 이미지 및 스트레인 엘라스토그램(strain elastogram)(변형에 의한)을 동시에 획득할 수 있는 초음파 시퀀스(ultrasound sequence)를 개발한다.
3. 압축 중; 또는 압축의 종료 시 또는 압축 프로세스 중 전용 단계(dedicated step)에서 스트레인 및 SWE 이미지를 집계하고 재정렬하는 기술을 개발한다.
4. 작업자에게 압축/압축해제를 수행하도록 안내하는 사용자 인터페이스(user interface)를 개발한다.
5. 압축/압축해제를 안내하는 프로브 부착물(probe attachment)을 만든다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에서, 다음 규정 중 하나 및/또는 다른 단계가 선택적으로 추가로 사용될 수 있다.
일 측면에 따르면, 실제 변형의 진화를 관찰하는 것은 실제 또는 거의 실시간으로 발생한다. 따라서, 이러한 실시간 또는 거의 실시간 관찰 덕분에 변형이 지속적이고 점진적으로(즉, 일시 중지하지 않고) 수행될 수 있다.
일 측면에 따르면, 프로브를 통해 매질을 연속적으로 압축 또는 연속적으로 압축해제함으로써 초음파 프로브를 통해 연속적으로 변화하는 변형이 적용되고, 프로브는 데이터의 시간적 연속을 수집하거나 실제 변형의 진화를 관찰하는 데 동시에 사용된다. 이 방법은 도플러 효과(Doppler effect), 스펙클 트래킹(speckle tracking) 및/또는 광학 흐름(optical flow)에 기초한 방법을 포함하는(그러나 이에 제한되지는 않음) 모션 추정 알고리즘(motion estimation algorithm)을 이용할 수 있다.
실제 변형의 진화에 대한 관찰은 매질 스트레인(medium strain)으로 표현되거나 측정될 수 있다(아래 설명 참조).
일 측면에 따르면, 연속적인 압축 및/또는 압축해제가 연속적으로 그리고 점진적으로 수행된다. 예를 들어, 압축 및/또는 압축해제는 일시 중지 또는 정지 없이 연속적인 이동(movement)이다.
일 측면에 따르면, 실제 변형의 진화를 관찰하는 것으로 구성된 단계는, 특히 변형 계산을 가능하게하기 위해, 예를 들어 정적 탄성(static elasticity)(스트레인) 데이터의 시간적 연속을 수집하기 위해 매질의 초음파 데이터의 시간적 연속을 수집하는 단계를 포함한다.
일 측면에 따르면, 추정된 실제 변형 레벨(real deformation level) 및 타겟 변형 레벨(target deformation level)이 사용자 인터페이스에 보고되고, 여기서 추정된 실제 변형은, 특히 실시간에서, 관찰된 변형(observed deformation)에 대응하고, 타겟 변형은, 특히 실시간에서, 미리 결정된 변형 시퀀스에 따라(특별히 연속적으로 그리고 점진적으로) 변화한다.
실제 변형 레벨은 추정될 수 있으며, 즉, 이 레벨은 다소 정확하지 않을 수 있다는 점을 유의해야 한다.
일 측면에 따르면, 추정된 실제 변형 레벨 및 타겟 변형 레벨이 사용자 인터페이스 스크린(screen) 상에 디스플레이된다.
일 측면에 따르면, 단계(A1)에서 생성된 전단파 탄성 데이터는 다음의 하위-단계에 의해 생성된다.
A1.1. 적어도 하나의 집속된 초음파를 방출함으로써, 매질에서 전단파가 생성되는 여기 단계(excitation step),
A1.2. 매질의 초음파 데이터의 시간적 연속을 획득함으로써, 전단파 전파(propagation)가 관찰되는 관찰 단계(observation step),
A 1.3. 탄성 데이터가 상기 매질 초음파 데이터 및 전단파 전파 모델로부터 결정되는 처리 단계(processing step).
이 프로세스는 평면파(plane wave)를 사용할 수 있지만 집속된 파동(focused wave)을 사용하여 이 단계가 수행될 수도 있다.
일 측면에 따르면, 변형의 연속적인 변화의 시간적 데이터 수집 및 관찰은 인터리브된 전단파 탄성 버스트(shear wave elasticity burst) 및 정적 탄성 버스트(static elasticity burst)를 갖는 초음파 시퀀스를 사용하여 달성되고, 및/또는 상기 정적 탄성 데이터 및 상기 전단파 탄성 데이터는 시간적으로 인터리빙된다.
프로세스에는 다음 단계가 추가로 포함될 수 있다: A1'. 매질의 정적 탄성(
Figure pct00001
)에 대한 시간적 연속 데이터를 수집하는 단계.
A3단계에서, 실제 변형은 정적 탄성(
Figure pct00002
)으로 추론될 수 있다.
이 정적 탄성은 라그랑주 정적 탄성(Lagrangian static elasticity)(
Figure pct00003
)일 수 있다.
특히, 정적 탄성 (
Figure pct00004
)에 대한 데이터의 시간적 연속은 정적 탄성 값(
Figure pct00005
)의 시간적 연속을 포함할 수 있다. 전단파 탄성 데이터(Et)의 시간적 연속은 전단파 탄성 값(Et)의 시간적 연속을 포함하고,
총 정적 탄성(
Figure pct00006
)은 정적 탄성 값(
Figure pct00007
)의 적분 함수로 결정될 수 있다.
단계 A3에서, 실제 변형은 결정된 총 정적 탄성(
Figure pct00008
)의 함수로 결정될 수 있다.
프로세스에는 다음 단계가 추가로 포함될 수 있다: A6'. 전단파 탄성(Et), 정적 탄성(
Figure pct00009
) 및 총 정적 탄성(
Figure pct00010
) 중 적어도 하나에 기초하여 품질 파라미터(quality parameter)를 결정하는 단계.
품질 파라미터는 총 정적 탄성의 현재 값(
Figure pct00011
) 과 이전 값(
Figure pct00012
)을 비교하는 함수로 결정될 수 있다.
품질 결과(quality result)는 불린 변수(Boolean variable)가 될 수 있다.
품질 파라미터는 현재 값(
Figure pct00013
)이 제1 차이 임계값(difference threshold) 만큼 증가 또는 감소된 총 정적 탄성의 이전 값(
Figure pct00014
)을 초과하는지 여부의 함수로서 결정될 수 있다. 이 미리 정의된 차이 임계값은 고정되거나 미리 정의된 함수에 따라 고정될 수 있다.
품질 파라미터는 최소 시간의 함수로서 결정될 수 있고, 이 기간 동안 추정된 실제 변형 레벨(총 정적 탄성 (
Figure pct00015
)에 의해 보여지는)은 타겟 변형 레벨(예를 들어, 미리 정의된 공차(tolerance)를 가짐)에 대응한다.
품질 파라미터는 전단파 탄성(Et)의 현재 값의 엔트로피, 및/또는 정적 탄성(
Figure pct00016
)이 미리 정의된 범위 내에 있는지 여부의 함수로서 결정될 수 있다.
결정된 품질 파라미터가 제1 최소 품질 임계값을 초과하는 한, 단계 B에서 전단파 탄성(Et*) 및 총 정적 탄성(
Figure pct00017
)의 현재 값을 사용하여 매질의 비선형 탄성을 정량화 할 수 있다. 따라서, 허용 가능한 품질 레벨의 값만 사용될 수 있다. 그러나, 검증되지 않은 값(non-qualified value)은 다음 t+1 주기에서 비교 값으로 사용될 수 있다.
결정된 품질 파라미터가 최소 품질 임계값을 초과하지 않는 한, 다음과 같은 선택적 조치를 사용할 수 있다:
현재 전단파 탄성(Et) 및 총 정적 탄성(
Figure pct00018
) 값은 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 데 사용되지 않고, 및/또는 결정된 품질 파라미터를 반영하는 피드백 정보가 프로브 사용자에게 제공되고, 및/또는 프로세스는 선택적으로 다음 사이클(t+1)에서 반복된다.
미리 결정된 변형 시퀀스는 품질 파라미터의 함수로서 적응될 수 있다.
결정된 품질 파라미터가 최소 품질 임계값을 초과하지 않으면 미리 결정된 변형 시퀀스가 중단되거나 일시 중지될 수 있다.
따라서, 미리 결정된 변형 시퀀스는 미리 정의될 수 있지만 또한 선택적으로 획득된 데이터의 품질에 의존할 수 있다.
방법은 다음 단계를 더 포함할 수 있다: C. 매질의 비선형 탄성 레벨을 보여주는 이미지, 점수(score) 및/또는 기호(symbol) 중 하나 이상을 포함하는: 매질의 비선형 탄성 레벨을 보여주는 시각적 정보를 결정하는 단계.
방법은 다음 단계를 더 포함할 수 있다: D. 프로브 사용자에게, 실제 변형, 품질 파라미터 및 시각적 정보 중 하나 이상을 포함하는: 피드백 정보를 제공한다.
단계 A1. 내지 B 또는 A1. 내지 C. 또는 A1. 내지 D. 단계가 반복될 수 있고, 및/또는 A1. 내지 C. 또는 A1. 내지 D. 단계는 다음 조건들 중 하나가 충족될 때까지 반복될 수 있다: 결정된 품질 파라미터가 제1 최소 품질 임계값보다 낮은 제2 최소 품질 임계값을 초과하지 않고, 및/또는 최대 반복 횟수가 수행되었고, 및/또는 최대 처리 시간이 경과했고, 및/또는 매질의 비선형 탄성에 대한 최소 수의 정량화가 수행되었다.
따라서, 프로세스는 몇 개의 t 사이클을 포함할 수 있고, 이 기간 동안 결정된 값들은 업데이트 및/또는 정제된다.
일 측면에 따르면, 방법은 매질의 비선형 탄성의 레벨을 나타내는 이미지 및/또는 스코어 및/또는 기호를 결정하는 단계 C를 더 포함할 수 있다.
점수 및/또는 기호는 아이콘, 값 대 임계값, 구절(phrase), 값 테이블 등일 수 있다.
일 측면에 따르면, 방법은 다음 단계를 더 포함할 수 있다:
A4. 프로브에 대한 매질의 모션 보상(motion compensation)을 계산하기 위해 매질로부터 B-모드 데이터의 시간적 연속을 수집하는 단계,
A5. 탄성 데이터에 보상을 적용하는 단계.
일 측면에 따르면, B-모드 데이터, 정적 탄성 데이터 및 전단파 탄성 데이터는 시간적으로 인터리빙된다.
일 측면에 따르면, 단계 A1 내지 A3 또는 A1 내지 A5 또는 A1 내지 D가 동시에 수행되고, 및/또는 단계 A1 내지 A3 또는 A1 내지 A5 또는 A1 내지 D가 실시간 또는 거의 실시간으로 수행된다.
일 측면에 따르면, 데이터의 시간적 연속의 각 순간 또는 적어도 일부 모멘트에 대해, 전단파의 비선형 파라미터의 값은 다음 방정식에 따라 선형 회귀 적합(linear regression fit)을 수행함으로써 결정된다:
[수학식. 1]
Figure pct00019
여기서,
E(t)는 변형이 진화되는 동안 변형의 각 모멘트에서의 탄성이고,
E 0은 제1 모멘트(t0)에서의 탄성(elasticity)이고,
ε 은 변형이고, 및
A는 전단 비선형 파라미터(shear nonlinearity parameter)이다.
일 측면에 따르면, 방법은 단계(A1) 이전의 단계(0)를 더 포함하고, 여기서, 미리 결정된 변형 시퀀스에 따른 변형의 적용 없이, 매질의 적어도 하나의 초음파 또는 MRI(자기 공명 이미지) 또는 유방조영술(mammography) 또는 전단파 탄성영상이 결정되고, 이 단계를 통해 단계 (A1) 내지 (B)에 따라 비선형 탄성이 정량화되는 관심 영역(region of interest)(ROI)을 결정할 수 있다.
일 측면에 따르면, 실무자가 제시된 "결과" 이미지의 각 포인트의 평가된 신뢰성 레벨(confidence level)을 알 수 있게 하기 위해, 신뢰성 레벨을 포함하는 신뢰도 맵이 비선형 탄성 이미지와 함께 디스플레이된다.
이 신뢰성 맵(confidence map)은 매질의 비선형 탄성 레벨을 보여주는 이미지의 각 부분의 신뢰성 레벨을 나타내는 맵(또는 이미지)일 수 있다. 신뢰성 레벨은, 예를 들어 선형 회귀의 결과로부터 도출된 통계로부터 추론될 수 있고 및/또는 조직에 적용된 실제 모션(motion)의 특성(균일 속도, 단일축 모션,...)을 고려할 수 있다. 이 맵은 매트릭스, 이미지, 컬러 코드 및/또는 테이블을 사용하여 구현될 수 있다.
일 측면에 따르면, 미리 정의된 레퍼런스 값(reference value)에 대한 비선형 탄성 값이 각 데이터에 대해 또는 이미지의 각 픽셀에 대해 디스플레이된다. 이러한 미리 정의된 레퍼런스 값은 과학 문헌으로부터 미리 정의된 값일 수 있고 및/또는 이전 검사 중에 이와 동일한 환자에 대해 계산될 수 있거나, 통계적 계산의 결과일 수 있고, 선택적으로 그래픽으로 디스플레이될 수 있다. 예를 들어, 값은 비선형 탄성 값 대신 또는 그에 추가하여(예를 들어, 각 픽셀 또는 픽셀 그룹에 대해) 디스플레이될 수 있다. 미리 정의된 값의 디스플레이는 예를 들어, 부드러운 암성 부위 매질의 신뢰성 있는 분석 및/또는 진단을 가능하게 하고/하거나 관찰된 암의 유형을 나타낼 수 있다.
본 발명은 또한 초음파 프로브(ultrsonic probe)(6), 마이크로컴퓨터(microcomputer)(4), 및 선택적으로 사용자 인터페이스를 포함하는 이미징 장치(imaging device)(1)를 사용하여 매질의 비선형 전단파 탄성을 정량화하기 위한 초음파 방법에 관한 것으로, 방법은 다음의 단계를 포함한다:
- 프로브를 매질의 표면에 위치시키는 단계,
- 프로브가 미리 결정된 변형 시퀀스에 따라 변형을 가하고, 매질을 점진적으로 압축 또는 점진적으로 압축해제하는 동안, 제1 비선형 전단파 탄성(first nonlinear shear wave elasticity)(NL-SWE) 이미징 모드를 활성화시키는 단계:
o 장치는 매질의 탄성을 추론하기 위해 프로브를 사용하여 매질에서 생성된 전단파를 이미징하는 초음파 데이터의 시간적 연속을 수집하고, 및
o 이 장치는, 프로브에 의해 적용된 매질의 변형의 진화를 추론할 수 있는 시간적 연속 초음파 데이터를 수집한다.
- 데이터의 시간적 연속과 관찰된 변형의 진화의 함수로 계산되는, 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 단계,
- 선택적으로 사용자 인터페이스에 매질의 비선형 탄성 이미지를 디스플레이하는 단계,
- 미리 정의된 이미지 계산 및 측정을 포함하여, 선택적으로 이미지의 시간적 연속 저장하는 단계,
- 선택적으로 사용자 인터페이스에 이미지의 시간적 연속 디스플레이하는 단계,
- 비선형 이미지의 해석 결과를 선택적으로 디스플레이하는 단계.
이러한 각 이미지는 2차원 또는 3D일 수 있다.
이 NL-SWE 모드를 시작하기 전에, 예를 들어, 임상 사례(clinical case)(환자의 크기, 고려되는 기관의 크기, 특히 유방 조직과 관련된 경우, 관찰된 병변의 깊이, 조직의 밀도 등) 에 따라 미리 결정된 변형 시퀀스의 파라미터를 설정하는 단계가 수행될 수 있다.
또한, 일단 비선형 이미지가 디스플레이되면, 예를 들어, 사용자 선호도(다른 B-모드 이미지와의 오버레이 등), 단위 변경, 컬러 코드 변경 에 따라, 단계는 디스플레이 파라미터의 설정으로 구성된다.
압축(스트레스) 또는 압축해제는 점진적인 이동이므로 작업자 또는 관절식 암 또는 다른 작업자가 일시 중지하지 않고 연속적으로 수행할 수 있다.
프로세스의 각각의 수집 단계 동안, 프로브는 변형과 관련된 정보를 추출하기 위해 및/또는 수집된 초음파 데이터를 재정렬하기 위해 모션 추정 방법(B-모드 또는 도플러 효과에 대한 스펙클 트래킹)이 적용될 수 있는 초음파 데이터를 수집할 수 있다.
일 측면에 따르면, 미리 결정된 변형 시퀀스는 정량화 단계 이전에 선택적으로 자동 정지 하위-단계를 포함한다. 이를 통해 작업자에게 충분한 데이터가 수집되어 획득 세션이 끝났음을 알리는 등의 추가 이점을 제공한다.
일 측면에 따르면, 방법은 특히 제1 모드를 활성화하기 전에:
- 프로브를 매질의 표면에 위치시키는 단계,
- 제2 전단파 탄성(SWE) 이미징 모드를 활성화하는 단계,
- 미리 결정된 변형 시퀀스에 따른 변형을 적용하지 않고 매질에 전단파를 인가함으로써 매질의 적어도 하나의 전단파 탄성 이미지를 결정하는 단계,
- 선택적으로 미리 정의된 이미지 계산 및 측정 포함을 포함하는, 이미지 저장하는 단계
- 영역의 비선형 탄성을 이미지화 하기 위해 이미지에서 관심 영역을 결정하는 단계.
또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 방법을 사용하여 비-암성 매질(non-cancerous medium)(양성 병변(benign lesion)에 비해 비-경화된 악성 병변(non-indurated malignant lesion))과 비교하여 비-경화된 암성 매질(non-indurated cancerous medium)을 결정하는 방법을 제공하고, 여기서 비-경화된 암성 매질(비-경화된 악성 병변)은 비선형 탄성 레벨에 따라 검출된다.
구체적으로, 본 발명은 전술한 바와 같은 방법을 사용하여 비-암성 매질과 비교하여 비-경화된 암성 매질을 결정하는 방법을 제공하고, 여기서 검사된 매질은 생물학적 유방 및/또는 겨드랑이 조직(axillary tissue)이다.
본 개시는 또한 상술한 바와 같이 매질의 비선형 탄성을 정량화하기 위한 방법을 구현하도록 적응된 초음파 프로브 및 마이크로컴퓨터를 포함하는 이미징 장치에 관한 것이다.
[도 1] 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 이미징 장치의 개략도이다.
[도 2a-2c] 도 2a, 2b 및 2c는 특히 매질에 대해 연속적으로 변화하는 개략적 변형의 적용에서, 본 발명에 따른 프로세스의 예를 개략적으로 도시한다.
[도 3a-3c] 도 3a, 3b 및 3c는 본 개시에 따른 방법을 수행할 때 장치 사용자 인터페이스 스크린의 개략도이다.
[도 4] 도 4는 본 개시에 따른 개선된 프로세스의 로지그램(logigram)을 개략적으로 나타낸다.
설명을 위해 제공되는 다양한 도에서 동일한 숫자 참조는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다.
도 1에 도시된 이미징 장치(Imaging device)(1)는 초음파 압축파(ultrasound compression wave)를 산란시키는 점탄성(viscoelastic) 매질(medium)(2)의 이미지를 제공하기 위한 것이고, 이는 예를 들어 의료 적용의 경우 환자의 신체 일부(유방, 간, 복부 등)일 수 있는 생체일 수 있다. 이미징 장치(1)는 또한 매질(2)의 탄성 이미지(elasticity image)를 제공하기 위해 탄성 전단파 전파를 검사할 수 있다.
매질의 이미지는, 예를 들어, 마이크로컴퓨터(4)(키보드 또는 이와 유사한 것과 같은 적어도 하나의 입력 인터페이스(4b), 및 스크린 또는 이와 유사한 출력 인터페이스(4a)를 포함함) 또는, 매질(2)에 포함된 산란 입자(scattering particle)(5) - 이들 입자는 초음파 압축파에 대해 반사됨 - 와 상호 작용하는 외부 표면(outer surface)(3)으로부터 매질(2)로 초음파 압축파를 보내는, 임의의 다른 전자 중앙 유닛(electronic central unit)의 수단에 의해, 생산된다. 입자(particle)(5)는 매질(2)의 임의의 이질성(heterogeneity)에 의해 구성될 수 있고, 특히 의학적 용도를 위해, 인간 조직 내에 존재하는 콜라겐 입자들(이들 입자는 초음파 이미지들 상에 소위 "스펙클(speckles)"을 형성한다)에 의해 구성될 수 있다.
매질(2)를 관찰하고 매질의 이미지를 생성하기 위해, 관찰된 매질(2)의 외부 표면(3)에 대해 초음파 프로브(ultrasonic probe)(6)가 배치된다. 이 프로브는 초음파 검사에서 일반적으로 사용되는 것과 같은 Z 축을 따라, 예를 들어 0.5 ~ 100MHz 사이, 바람직하게는 0.5 ~ 15MHz 사이, 예를 들어 약 4MHz의 주파수에서 압축 초음파 펄스를 보낸다.
초음파 프로브(6)는 1보다 크거나 적어도 동일한 정수인 n개의 초음파 트랜스듀서(transducer)(T1, T2,..., Ti,..., Tn, n)의 어레이로 구성된다.
이러한 프로브(6)는 예를 들어 Z축에 수직인 X축을 따라 정렬된 n=128개의 트랜스듀서를 포함할 수 있는 선형 어레이(array)의 형태를 취할 수 있다. 의문의 프로브는 트랜스듀서의 2 차원 어레이(평면 또는 평면아님)일 수도 있다.
트랜스듀서 T1, T2,... Tn은 마이크로컴퓨터(4)에 의해, 가능하게는 플렉서블 케이블(flexible cable)에 의해 프로브(6)에 연결된 전자 랙(electronic rack)(7)에 포함된 중앙 처리 장치(CPU)를 통해 서로 독립적으로 제어될 수 있다.
따라서 트랜스듀서 T1-Tn은 다음을 선택적으로 방출할 수 있다:
- 평면 초음파 압축파(즉, 이 경우 파면이 X, Z 평면에서 직선인 파) 또는 매질(2)의 전체 시야를 비추는 임의의 다른 유형의 집속되지 않은 파동, 예를 들어 다양한 트랜스듀서(T1-Tn)가 임의의 음향 신호를 방출함으로써 생성된 파동,
- 또는 매질(2)의 하나 이상의 포인트에 집속된 초음파 압축파(ultrasound compression wave).
US 2009/234230은 집속되지 않은 여러 압축파(예를 들어, 서로 다른 각도의 평면파)를 사용하고 향상된 품질로 매질의 이미지를 매우 빠르게 획득하기 위해 이러한 평면파의 돌아오는 파를 결합하는 합성 이미징 기술을 제안한다.
본 발명에 따른 이미징 장치(1) 및 방법은 매질의 전단파 비선형 탄성 정량화를 수행한다. 이 프로세스를 시작하기 위해, 비선형 전단파 탄성(NL-SWE)의 제1 이미징 모드를 활성화 할 수 있다.
NL-SWE 모드는 매질의 전단파 탄성(shear wave elasticity)(SWE)을 결정하기 위해 초음파 방법을 사용한다.
이 프로세스(즉, 각각의 데이터 수집 또는 스캔)는 실시간으로 또는 거의 실시간으로 변형의 진화를 관찰하기 위해 동시에 결합되고/되거나 초음파 프로세스과 인터리브될 수 있다.
이 세 가지 초음파 프로세스의 자세한 예는 아래에 자세히 설명되어 있다. SWE 및 스트레인 프로세스는 평면 초음파를 기반으로 할 수 있지만, B-모드 프로세스는 비-평면 초음파(non-plane ultrasound wave)를 기반으로 할 수 있다.
정적 탄성(스트레인)을 결정하는 단계를 위한 초음파 방법의 대안으로 또는 그 외에, 프로브는 매질의 변형의 진화를 관찰(또는 추적)하기 위한 압력 센서(pressure sensor)가 장착될 수도 있다.
도 2a 내지 2c는 특히 연속적으로 변화하는 개략적 변형을 매질에 적용하는 단계의, 본 발명에 따른 프로세스의 예를 제공한다.
이 예에서 프로세스는 도 2a에 표시된 상태에서 시작하여 도 2c에 표시된 상태에서 끝난다. 도 2a 내지 2c는 특히 연속적으로 변화하는 변형을 매질에 적용함으로써 야기되는 매질의 변형의 진화를 보여준다. 이미징 장치(1)는 본 발명에 따른 매질의 전단파 비선형 탄성 정량화를 동시에 수행한다.
이 과정은 몇 초 정도 걸릴 수 있다(예를 들어, 5-10초 사이). 이 시간은 매질의 변형이 진화하는 동안 충분한 데이터를 수집하는 데 유용하다(즉, 이 진화 중에 매질의 비선형 전단파 탄성을 충분히 정량화하기 위해).
프로브 또는 다른 수단을 통해 조직에 변형을 적용할 준비가 되도록, 사용자가 카운트다운을 통해 경고할 수 있다.
도 2a에서 2c에 표시된 변형은 개략적 일뿐이다. 본 개시에 따라 적용되는 변형 레벨은 도 3a 내지 3c의 맥락에서 설명되는 바와 같이 미리 정의된 변형 시퀀스에 의해 미리 결정된다.
도 2a는 프로세스의 시간 t0에서 이미징 장치(1)의 작동을 보여 주며, 프로브(6)는 외부 표면(3)에 외부 압력 P를 거의 또는 전혀 가하지 않는다. 외부 표면(3)은 실질적으로 수평(X 방향)을 유지한다. 매질(I0)의 이미지는, 예를 들어, 외부 표면(3)에 대한 깊이(Z1)에서의 개재물(inclusion)(2i)을 포함한다. 동시에, 매질의 비선형 전단파 탄성을 정량화하는 초음파 프로세스(위에서 설명한 바와 같이)이 시작된다.
도 2b는 프로세스의 시간 t1에서 이미징 장치(1)의 작동을 묘사하고 P보다 큰 외부 압력 P'(또는 스트레스)가 가해진 상태에서, 매질(2)의 내부를 향한 Z 방향으로 외부 표면(3)을 변형시킨다. 따라서, 매질 변형이 연속적으로 변화되었다.
도 2c는, t1에서 가해지는 P'보다 훨씬 높은 외부 압력 P''에서, 프로세스의 시간 t2에서 이미징 장치(1)의 작동을 묘사한다.
도 2a 내지 2c에 표시된 것처럼 연속 압축은 연속적이고 점진적인 방식으로 수행될 수 있다. 이는 실제 변형의 진화를 실시간 또는 거의 실시간으로 관찰함으로써 가능하다. 대안적으로, 연속적인 압축해제가 매질을 포함하는 조직에 적용될 수 있다.
이미 지적한 바와 같이, 도 2a에서 2c에 표시된 변형의 진화는 무작위가 아니지만 미리 정의된 변형 시퀀스에 의해 미리 결정된다. 예를 들어, 이러한 시퀀스는 예를 들어 장치(1)의 사용자 인터페이스 스크린(user interface screen)(4a) 상에서 사용자에게 그래픽으로 설명될 수 있고, 따라서 사용자가 프로세스의 매 순간에 정확한 압력을 가할 수 있게 한다. 예를 들어, 적용되는 압력과 동일한 그래프에서 측정된 적용 압력 또는 프로브의 진동을 나타내는 커서 디스플레이는 사용자가 미리 정의된 시퀀스를 따르고 있는지 여부를 사용자에게 디스플레이한다. 미리 정의된 시퀀스에 따라 자동적으로 프로브를 움직이는 로봇 팔을 사용하는 등 변형 프로세스(deformation process)를 자동화할 수도 있다.
도 3a 내지 3c는 본 개시에 따른 프로세스 동안 장치 사용자 인터페이스의 예시 스크린(4a)을 도시한다. 예를 들어, 도 3a ~ 3c는 도 2a 내지 2c의 시간 모멘트 t0-t2를 나타낼 수 있다.
스크린(4a)은 적어도 하나의 초음파 이미지를 보여주기 위해 필드(field)(41)를 디스플레이할 수 있다. 예를 들어, 이 이미지는 프로세스를 시작하기 전에, 즉 t0 이전에 촬영된 매질에서 관심 영역(예를 들어, 전단파 탄성(SWE)이미지)의 이미지일 수 있다. 모멘트 t2 이후에, 필드(41)는 본 발명에 따른 매질의 비선형 탄성 레벨을 보여주는 이미지를 디스플레이할 수 있다.
스크린(4a)은 필드(42)를 추가로 보여준다. 프로세스 동안, 상기 필드(42)는 현재 추정된 실제 변형 레벨(예를 들어, 크로스 또는 포인트 O) 및 타겟 변형 레벨(예를 들어, 볼 또는 원 C)을 디스플레이한다.
추정된 실제 변형 O는 특히 실시간으로 현재 관찰된 변형이고, 타겟 변형 C는 미리 결정된 변형 시퀀스에 따라 연속적으로, 특히 실시간으로 변화한다. 타겟 C는 각 순간에 미리 결정된 변형의 시퀀스의 진화를 보여주고 사용자를 안내하기 위해 프로세스 동안 필드(42)에서 연속적으로 진화할 수 있다.
도 3a는 도 2a의 상태를 반영하여 시간 순간 t0을 반영할 수 있다. 결과적으로, 프로브(6)는 외부 표면(3)에 외부 압력(P)을 거의 또는 전혀 가하지 않는다. 따라서, 현재 추정된 실제 변형 레벨 O와 현재 타겟 변형 레벨 C는 모두 0이다.
도 3b는 도 2b의 상태와 시간 모멘트 t1을 반영 할 수 있다. 따라서, 프로브(6)는 외부 표면(3)에 증가된 외부 압력(P)을 가한다. 이 예시 시나리오에서, 추정된 실제 변형 O와 현재 타겟 변형 레벨 C 사이에는 레벨 차이가 존재한다. 이 예에서, 현재 추정된 실제 변형 레벨 O는 현재 타겟 변형 레벨 C보다 낮다. 즉, 사용자는 타겟 C에 의해 안내되어 압력을 더 증가시킨다.
도 3c는 도 2c의 상태와 시간 모멘트 t2를 반영할 수 있다. 따라서, 프로브(6)는 t1에서 P'보다 훨씬 높은 외부 압력 P"를 발휘한다. t2 가 미리 결정된 변형 시퀀스의 끝이기 때문에, 현재 추정된 실제 변형 레벨 O 및 현재 타겟 변형 레벨 C는 모두 미리 결정된 변형 시퀀스의 최대값에 있다.
선택적으로, 이미징은 시간 모멘트 t2에서 정지되거나 멈추게 된다. 이를 통해 사용자는, 수동으로 이미징을 정지하지 않고도, t2까지 미리 정의된 변형 시퀀스에 집중할 수 있다.
시간 모멘트 t2 또는 이후, 또는 데이터 수집 중에, 장치(1)는 매질의 비선형 탄성을 정량화하고, 이는 데이터의 시간적 연속과 시간 t0에서 t2 동안관찰된 변형의 진화의 함수로 계산된다. 사용자 인터페이스는 필드(41) 상에 매질의 비선형 탄성의 이미지를 디스플레이할 수 있고, 이는 정량화된 비선형 탄성의 함수로서 결정된다. 선택적으로, 장치(1)는 시간 t0 내지 t2 동안 수집된 데이터(또는 이미지들)의 시간적 연속을 기록할 수 있다. 이 단계는 미리 정의된 데이터 계산 및 측정을 포함할 수 있다. 또한, 스크린(4a)은 사용자 인터페이스 상에 이미지들의 시간적 연속을 디스플레이할 수 있다.
이미지가 디스플레이되면, 사용자는 자신의 선호도(다른 이미지와 오버레이, B-모드 등)에 따라 디스플레이 파라미터를 설정하고 단위를 변경하고 색상 코드를 변경할 수 있다. 예를 들어, 해석하기 쉬운 단위가 없는 디스플레이와 단위 (예를 들어, kPa) 가 있는 디스플레이 간에 전환할 수 있고, 이는 가치를 해석하기 위해 과학 문헌과 함께 사용하는 것이 도움이 될 수 있다. 이러한 분석은 인공 지능과 같은 모든 수단을 통해 통계 알고리즘을 통해 수행될 수 있다.
또한, 장치는 초음파 이미징, 및/또는 전단파 탄성(SWE)이미징, 및/또는 유방 촬영의 제2 모드를 포함할 수 있다. 이 모드는 NL-SWE 모드를 사용하기 전이나 이전 독립 실행형 세션 중에 활성화할 수 있다. 이 모드에서, 장치는 미리 결정된 변형 시퀀스에 따른 변형을 적용하지 않고, 매질에 전단파를 인가함으로써 매질의 적어도 하나의 전단파 탄성 이미지를 결정할 수 있다. 미리 정의된 이미지 계산 및 측정을 포함하여 이미지를 저장할 수 있다. 그 후, 사용자는 제1 NL-SWE 모드에 따라 영역의 비선형 탄성을 이미지화하기 위해 이미지에서 관심 영역(ROI)을 결정할 수 있다.
도 4는 본 개시에 따른 개선된 프로세스의 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다. 이 프로세스에는 특히 수집된 데이터에 대한 품질 기준(quality criterion)이 포함된다.
프로세스는 여러 사이클 t에 대해 반복 될 수 있다. 따라서, 프로세스는 다중 사이클 t를 포함하는 가변 기간 동안 지속될 수 있다. 이러한 가변 시간 또는 지속 기간 및/또는 사이클 수는 획득된 데이터의 품질에 따라 미리 정의되고 조정될 수 있다(아래에 설명됨). 다음 조건 중 하나가 충족될 때까지 프로세스를 반복할 수 있다: 결정된 품질 파라미터는 제1 최소 품질 임계값보다 낮은 제2 최소 품질 임계값을 초과하지 않고, 및/또는 최대 반복 횟수가 수행되었고 및/또는 매질의 비선형 탄성에 대한 최소 수의 정량화가 수행되었다.
단계 1에서, 사용자는 프로브를 매질의 표면에 위치시킨다. 단계 2에서 스캐닝 또는 이미징 모드가 활성화된다. 이 모드는 특히 전단파 탄성(SWE)이미징 및 정적 탄성(스트레인)이미징을 포함하고, 그 동안 프로브는 미리 결정된 변형 시퀀스에 따른 변형을 적용하여, 매질을 점진적으로 압축 또는 점진적으로 압축해제한다. 단계 2 스캔은 프로세스의 가변 시간 동안 지속될 수 있다.
단계 3.1에서, 매질에서 생성된 전단파를 이미징하는 초음파 데이터의 시간적 연속이 프로브와 함께 수집되어, 전단파 탄성(SWE)
Figure pct00020
를 추론할 수있다. 본 개시에 따라 이 단계는 단계 A1일 수 있다. 특히, 단계 2에서 스캔하는 동안 각 사이클 t에 대해 실제 전단파 속도 측정의 영률(Young's modulus)
Figure pct00021
가 수집될 수 있다.
단계 3.2에서, 매질의 정적 탄성
Figure pct00022
을 추론하기 위해 프로브를 사용하여 매질의 정적 탄성 데이터의 시간적 연속이 수집된다. 이 단계는 공개에 따라 단계 A1'일 수 있다. 특히, 단계 2에서 스캔하는 동안 각 사이클 t에 대해 현재 이미지와 과거 이미지를 비교하여 순간 정적(instantaneous static)(라그랑주(Lagrangian)) 탄성
Figure pct00023
가 추론된다. 예를 들어, 정적 탄성은 매질로부터 수신된 무선 주파수 에코의 현재(t) 및 이전(t-1) RF 에코 값을 비교함으로써 결정된다.
정적 탄성 데이터(static elasticity data)
Figure pct00024
의 시간적 연속은 정적 탄성 값의 시간적 연속(특히 사이클 t 당 하나의 값)을 포함할 수 있고, 및/또는 전단파 탄성 데이터(Et)의 시간적 연속은 전단파 탄성 값(Et)의 시간적 연속을 포함한다.
단계 5에서, 총 정적(축) 탄성
Figure pct00025
는 정적 탄성
Figure pct00026
를 적분하여 계산된다. 이 총 정적 탄성
Figure pct00027
는 검증기(qualifier)로 보내진다(4단계 참조). 이 총 정적 탄성
Figure pct00028
는 실제 변형을 결정하고/또는 단계 7에서 프로브 포지션 표시기(probe position indicator)(즉, 도 3a 내지 3c의 현재 추정 실제 변형 레벨 O)를 업데이트하는 데에도 사용된다. 이들 단계 5 및/또는 단계 7은 공개에 따라 단계 A3일 수 있다.
단계 4에서, 수집된 데이터의 품질을 정량화한다. 특히, 품질 파라미터가 결정된다. 미리 결정된 변형 시퀀스는 품질 파라미터에 따라 적응될 수 있고, 및/또는 결정된 품질 파라미터가 최소 품질 임계값(즉, 제1 품질 임계값)를 초과하지 않는 경우, 미리 결정된 변형 시퀀스가 중단되거나 일시 정지될 수 있다. 예를 들어, 결정된 품질 파라미터가 최소 품질 임계값을 초과하지 않는 경우, 현재 값은 사용되지 않고, 전단파 탄성 Et+1, 정적 탄성
Figure pct00029
및 총 정적 탄성
Figure pct00030
의 미래 값에 기초하여 다음 사이클 t+1 에서 품질을 다시 측정한다.
결정된 품질 파라미터가 단계 4의 제1 최소 품질 임계값을 초과하면 전단파 탄성 및 총 정적 탄성의 현재 값이 검증된 Et*로 보고되고
Figure pct00031
값과 이러한 값은 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 데 사용된다. 품질 파라미터의 가능한 결정에 대한 완전한 설명은 아래 옵션 1 ~ 3에 나와 있다.
단계 9에서, 품질 및/또는 품질 파라미터는 품질 레벨을 나타내는 이미지, 스코어 및/또는 기호로서 제시될 수 있다. 특히, 품질 결과는 불린 값(Boolean value)(예를 들어, 적색 또는 녹색을 갖는 신호등, 및 선택적으로 디테일을 위한 다른 컬러, 예를 들어, 호박색(amber) 및/또는 스마일리 페이스)으로서, 스케일 상의 수치 표시기(numerical indicator)로서(예를 들어, 0 내지 10), 및/또는 프로브로 이루어질 이동(movement)의 표시(예를들어, 품질 파라미터에 따라 길이 및/또는 너비가 조정된 화살표)로서 표현될 수 있다.
따라서, 품질 파라미터에 따라 피드백 정보가 사용자에게 제공될 수 있다(단계 10 참조). 예를 들어, 획득한 데이터의 품질이 허용되지 않는 경우(예를 들어, 품질 파라미터가 미리 정의된 품질 임계값을 초과하지 않는 경우) 사용자에게 스캔을 계속하라는 메시지가 표시되고 향후 데이터(t+1)가 다시 테스트된다. 이러한 단계 4 및/또는 9는 개시에 따라 단계 A6일 수 있다.
단계 6에서, 비선형 전단파 탄성 μNL,t(NL-SWE)를 계산하기 위해 총 정적 탄성 및 전단파 탄성(SWE)
Figure pct00032
의 검증된 값이 사용된다.
단계 8에서, μNL,t 값은 비선형 전단파 탄성(NL-SWE) 정보(예를 들어, SWE-NL 맵)를 업데이트하는 데 사용된다. 이 정보는 또한 예를 들어 매질의 비선형 탄성 레벨을 나타내는 이미지, 스코어 및/또는 기호로서 제시될 수 있다. 업데이트는 각 사이클 t에 대해 스캔하는 동안 실시간으로 또는 거의 실시간으로 수행될 수 있다. 특히, NL-SWE 맵은 각, μNL,t 값으로, 즉 각 사이클 t에서, 정제될 수 있다. 개시된 바에 따라 단계 8은 단계 C일 수 있다.
단계 10에서, 각 사이클 t에 대해 스캔하는 동안 피드백 정보가 프로브 사용자에게 실시간 또는 거의 실시간으로 제공된다. 이 정보는 단계 7에서 업데이트된 실제 변형, 단계 4에서 업데이트된 품질 파라미터, 및/또는 단계 8에서 업데이트된 비선형 전단파 탄성(NL-SWE) 정보를 포함할 수 있다. 개시된 바에 따라 단계 10이 단계 D일 수 있다.
품질 파라미터의 가능한 결정에 대한 완전한 설명이 아래에 나와 있다. 이러한 결정은 개별적으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
옵션 1: 정적 탄성에 의한 검증(Qualification)
품질 파라미터(quality parameter)는 총 정적 탄성의 현재
Figure pct00033
값과 이전
Figure pct00034
값을 비교하는 함수로 결정될 수 있다. 특히, 품질 파라미터는 현재
Figure pct00035
값이 제1 차이 임계값만큼 증가된 총 정적 탄성의 이전
Figure pct00036
값을 초과하는지 여부의 함수로서 결정될 수 있다. 이 경우, 전단파 탄성 및 총 정적 탄성의 현재 값은 검증된 Et* 및
Figure pct00037
값으로 보고되고 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 데 사용된다. 타겟 C(도 3a 내지 c 참조)는 증가된 변형 레벨로 이동할 수 있다.
이러한 미리 정의된 임계값은 시간 t에서 설정될 수 있거나 미리 정의된 함수에 따라(예를 들어, 실시간으로) 계산될 수 있다.
선택적으로, 이전
Figure pct00038
값이 현재
Figure pct00039
값을 초과하는 경우, 예를 들어, 제2 차이 임계값만큼 증가된 경우(즉, 제1 품질 임계값보다 낮은 제2 품질 임계값에 도달하지 않음), 비선형 탄성을 정량화하기 위한 프로세스(예를 들어, 스캔)는 정지되고 선택적으로 프로세스가 종료된다는 오류 및/또는 메시지가 사용자에게 표시될 수 있다.
위의 설명에서는 사용자가 스캔 중에 연속 압축(successive compression)을 적용한다고 가정한다. 그러나, 또한, 사용자가 스캔 중에 연속적인 압축해제를 적용할 수도 있다. 즉, 스캔을 시작하기 전에, 사용자는 제1 압축 레벨에 따라 압축을 적용한 다음, 스캔 중에 압축을 해제한다. 이 시나리오에서, 임계값을 사용하여, 현재
Figure pct00040
값을 이전
Figure pct00041
값과 비교하는 프로세스가 이에 따라 반전된다. 미리 정의된 제2 압축 레벨(제1 압축 레벨보다 낮은)에 도달하면 스캔이 정지될 수 있다. 선택적으로 프로세스가 완료되었음을 나타내는 메시지가 사용자에게 표시/제시될 수 있다. 제1 압축 레벨은 사용자-선택이 될 수 있고(즉, 인가되는 최대 압력 레벨에 의해 정의됨) 및/또는 프로세스에 의해 미리 정의될 수 있다(예를 들어 타겟 압력 레벨을 표시함으로써). 제2 압축 레벨은 미리 정의된 기능에 따라, 예를 들어 제1 압력 레벨에 따라, 및/또는 비선형 탄성을 정량화하기에 충분한 데이터가 수집되는지 여부에 따라 설정되거나 선택될 수 있다.
옵션 2: 워크플로우별 검증
품질 파라미터는 또한 미리 정의된 기간의 함수로서 결정될 수 있고, 여기서 총 정적 탄성
Figure pct00042
에 의해 표현되는 추정된 실제 변형 레벨은, 특히 미리 정의된 공차로, 타겟 변형 레벨과 동일하다. 따라서, 프로브 위치(probe location)가 기간 동안 타겟 위치(target location) C(도 3a 내지 c 참조) 와 일치하면(즉, 제1 품질 임계값에 도달됨), 전단파 탄성 및 총 정적 탄성의 현재 값은 검증된 Et*,
Figure pct00043
값으로 보고되고 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 데 사용된다. 이 결과는, 예를 들어 품질 표시기에 특정 색상을 디스플레이하여, 단계 10에서 사용자에게 표시될 수 있다. 타겟 C는 증가된 변형 레벨로 이동할 수 있다.
그러나, 프로브가 타겟 위치에 도달하지 않으면, 타겟이 해당 레벨을 유지할 수 있다. 프로브가 미리 정의된 지속기간보다 긴 시간 기간 동안 타겟 위치에 도달하지 않는 경우(즉, 제1 품질 임계값보다 낮은 제2 품질 임계값에 도달하지 않는 경우), 비선형 탄성(및/또는 스캔)을 정량화하기 위한 프로세스가 정지될 수 있고, 선택적으로 에러가 발생될 수 있다.및/또는 프로세스가 종료되었음을 명시하는 메시지가 사용자에게 표시될 수 있다.
미리 정의된 지속 기간은 적어도 하나의 사이클(t)을 포함할 수 있고, 변화하는 프로세스 시간보다 유리하게 짧다. 예를 들어, 미리 정의된 지속 시간은 1초 미만(예를 들어, 30ms ~ 100ms)일 수 있고 가변 프로세스 시간은 몇 초 동안 지속될 수 있다. 미리 정의된 시간이 여러 사이클 t로 구성된 경우, 사이클 중에는 단계 1 내지 4만 수행되고 단계 6 내지 10은 그 이후에만 수행될 수 있다. 미리 정의된 시간은 고정될 수 있거나 미리 정의된 기능에 따라 조정될 수 있다.
또한, 프로세스가 비선형 탄성(및/또는 스캔)을 정량화하는 가변 시간이 최대 제한 후에 자동으로 정지될 수 있다.
이러한 맥락에서 매질이 파동에 의해 가열될 수 있으므로 스캔 시간을 추적하는 것이 유리하다는 점에 유의해야한다. 따라서 최대 시간 이후 프로세스를 정지하거나 데이터 수집을 신속하게 완료하는 것이 바람직하다.
또한 옵션 2 시나리오를 통해 사용자는 스캔 중에 압축 및/또는 압축해제를 자유롭게 적용할 수 있다. 이 경우, 미리 결정된 변형 시퀀스는 하나 이상의 압축 레벨로서 실현될 수 있다. 예를 들어, 방법은 최소 및 최대 임계 레벨(threshold level)을 제공할 수 있다.
옵션 3: 즉각적인 측정을 통한 검증
품질 파라미터는 또한, 현재 값의 엔트로피가 미리 정의된 범위 내에 있는지(즉, 이 엔트로피가 미리 정의된 간격 내에 바운딩되는 경우, 및/또는 제1 임계값에 도달하는 경우), 특히 전단파 탄성(Et) 및/또는 정적 탄성(
Figure pct00044
)의 현재 값에 있는 경우, 결정될 수 있다.
이 경우, 전단파 탄성 및 총 정적 탄성의 현재 값은 검증된 Et* 및
Figure pct00045
값으로 보고 되고 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 데 사용된다. 이 결과는, 예를 들어 품질 표시기에 특정 색상을 디스플레이하여, 단계 10에서 사용자에게 디스플레이할 수 있다. 타겟 C는 증가된 변형 레벨로 이동할 수 있다.
옵션 3 테스트는 이전
Figure pct00046
값이 현재
Figure pct00047
값을 초과하지 않는 경우에만, 예를 들어, 제2 차이 임계 값만큼 증가되는 경우(즉, 제1 품질 임계값의 제2 낮은 품질 임계값에 도달하지 않음), 사전조건(precondition)을 가질 수 있다. 이 경우, 비선형 탄성(예를 들어, 스캔)을 정량화하기 위한 프로세스가 정지될 수 있고, 선택적으로 프로세스가 완료되었음을 나타내는 에러 및/또는 메시지가 사용자에게 통지될 수 있다.
"B-모드"에서 I k 매질의 이미지 결정
아래에 설명된 프로세스를 "B-모드" 이미징이라고 한다. 연속적으로 변화하는 변형을 적용할 때(전술한 바와 같이) 프로브에 대한 매질의 모션 보상(motion compensation)을 계산하기 위해 데이터(또는 이미지 또는 이미지 데이터)의 B-모드 시간적 연속이 사용될 수 있다.
매질(I)의 이미지를 생성하기 위해, 이미징 장치(imaging device)는 예를 들어 다음 단계를 수행한다:
(i1) 마이크로컴퓨터(4)는 프로브(6)가 점탄성 매질 내로 적어도 하나의 집속되지 않은 초음파 압축파 버스트(unfocused ultrasound compression wave burst)를 방출하게 하고,
(i2) 마이크로컴퓨터(4)는 프로브(6)가, 점탄성 매질의 반사 입자(reflecting particle)(5)와 상호작용함으로써 집속되지 않은 초음파 압축파에 의해 생성된 에코를 포함하는, 점탄성 매질(2)로부터 수신된 음향 신호를 실시간으로 검출 및 기록하게 하고,
(i3) 마이크로컴퓨터(4)가 매질(I)의 하나 이상의 이미지를 결정하기 위해 하위-단계(i2)에서 점탄성 매질(2)로부터 수신된 음향 신호를 처리하는 처리 단계.
집속되지 않은 초음파 압축파는 매우 높은 전파 속도, 예를 들어 인체에서 약 1500 m/s로 매질(2)를 통해 전파되고, 반사 입자(5)와 상호 작용하여 초음파 이미징 분야에서 스펙클 노이즈(speckle noise)로 알려진 에코 또는 유사한 신호 교란을 생성한다.
스펙클 노이즈는 집속되지 않은 초음파 압축파 버스트 후 하위-단계(i2) 동안 T1,..., Tn 트랜스듀서에 의해 포착된다. 따라서 각 Ti 트랜스듀서에 의해 캡처되는 si(t) 신호는 먼저 고주파(예를 들어, 30 ~ 100 MHz)에서 샘플링되고 랙(rack)(7)의 샘플러에 의해 실시간으로 디지털화되고 각각 E1, E2,... En, 트랜스듀서에 연결된다.
이렇게 샘플링되고 디지털화된 si(t) 신호는 랙(7)의 Mi 메모리에 실시간으로도 저장되고 Ti 트랜스듀서에 특정된다.
예를 들어, 각 Mi 메모리는 128MB 용량을 가지고, 수신된 모든 si(t) 신호를 포함한다.
일단 모든 si(t) 신호가 저장되면, 하위-단계(i3)에 따른 표준 경로 형성 프로세스를 통해, 중앙 처리 유닛(CPU)은 랙(7) 내의 합산 회로(S)에 의해 이들 신호들을 재처리한다(또는 이 프로세싱 자체를 수행하거나, 또는 상기 프로세싱은 마이크로컴퓨터(4)에서 수행될 수 있다).
따라서 신호 S(x, z)가 생성되고, 이들 신호는 각각 집속되지 않은 초음파 버스트에 따른 매질의 시야 이미지에 대응한다.
예를 들어, 다음 공식을 사용하여 S(t) 신호를 계산할 수 있다:
[수학식. 2]
Figure pct00048
여기서,
si는 초음파 압축파 버스트 이후 트랜스듀서 번호 i에 의해 감지되는 원시 신호이고,
t(x, z)는 초음파 압축파가, 버스트 시작시 t = 0의, 좌표(x, z)로 시야의 포인트에 도달하는 데 걸리는 시간이고,
di(x, z)는 좌표(x, z) 와 트랜스듀서 번호 i가 있는 시야의 포인트 사이의 거리 또는 이 거리의 근사치이고,
V는 관찰된 점탄성 매질에서 초음파 압축파의 평균 전파 속도이고, 및
αi(x, z)는 아포다이제이션 법칙(apodization laws)을 고려한 가중치 계수(weighting coefficient)이다(실제로는 많은 경우 αi(x, z) = 1로 간주 될 수 있다).
위의 공식은 시야가 3 차원(트랜스듀서의 2 차원 어레이) 인 경우(x, z) 평면의 공간 좌표를 공간 좌표(x, y, z)로 대체하는 경우에 준용된다.
선택적인 경로 형성 단계에 따라, CPU는 마지막 버스트에 대응하는 S(x, z)이미지 신호를 랙(7)의 메인 메모리(M)에 저장한다. 이들 신호는 또한 매질(I) 자체의 이미지를 계산하기 위해 마이크로컴퓨터(4)에 저장될 수 있다.
합성 이미징 기술과 같은 매질(I)의 이미지를 생성하기 위한 다른 기술이 존재한다. 매질의 이미지를 획득하기 위한 임의의 이미징 기술이 사용될 수 있다. 이상적으로는 고속으로 이미지를 얻을 수 있는 기술이 사용된다.
정적 탄성(스트레인) 결정
아래에 설명된 프로세스를 정적 탄성(스트레인) 이미징(static elasticity (strain) imaging)이라고 한다. 정적 탄성(스트레인) 데이터(또는 이미지 또는 이미지 데이터)의 시간적 연속은 실제 변형의 추정된 진화를 관찰하는 데 사용할 수 있다(위에서 설명한 바와 같이).
매질(Ik)의 이미지는 교차상관(cross-correlation)에 의해 그리고 유익하게 2Х2, 즉 인덱스 k(Ik)의 매질의 이미지와 인덱스 k-1(Ik-1)의 매질의 이미지 사이의 상호상관에 의해 처리될 수 있다.
교차상관은 예를 들어, 랙(7) 내의 특수 전자 회로(DSP에서)에서 수행될 수 있거나, 또는 CPU 또는 마이크로컴퓨터(4)에서 프로그램될 수 있다.
이러한 교차상관 프로세스 동안, 초음파 에코를 초래하는 각 입자(5)에 의해 겪어지는 변위를 결정하기 위해 교차상관 함수 < Sk-1(x, z), Sk(x, z) > 가 최대화된다.
이러한 교차상관 계산의 예는 최첨단 기술, 특히 다음 문서에 나와 있다:
- "스펙클 추적을 사용한 내부 변위 및 스트레인 이미징(Internal displacement and strain imaging using speckle tracking)" 오도넬 외(O'Donnell et al), IEEE 초음파, 강유전 및 주파수 제어(IEEE Transactions on Ultrasonic, Ferroelectrics, and Frequency Control), 제41권, 3호, 1994년 5월, 314-325면.
- "탄성영상(Elastography): 생물학적 조직의 탄성을 이미징하는 정량적 방법," 오피르 외(Ophir et al.), Ultrasonic Imaging(초음파 이미징), 제13 권, 111-134, 1991년, 및
- "루카스 카나데 기능 추적기(Lucas Kanade Feature Tracker)의 피라미드 구현(Pyramidal Implementation). 알고리즘에 대한 설명," 제이-와이 부게(J-Y Bouguet), 인텔사(Intel Corp).
따라서 시간 변수 t를 이미지 인덱스 k로 대체하여 uk(x, z)로 나타낼 수 있는 매질(2)의 각 포지션(x, z)에서의 변위 벡터(displacement vector) 또는 u(x, z, t)의 세트, 즉 변위 필드(displacement field)가 얻어진다. 이러한 변위 벡터는 선택적으로 단일 컴포넌트 또는 두 개 또는 세 개의 컴포넌트로 축소될 수 있다. 고려된 예에서, 이미지 인덱스 k의 변위 필드 uk는 다음과 같다:
[수학식. 3]
Figure pct00049
이 변위 필드(변위 벡터의 세트)는 메모리(M) 또는 마이크로컴퓨터(4)에 저장된다.
변위 필드(Iuk)의 이미지가 만들어질 수 있고, 매질의 이미지들의 시간적 연속을 나타내는 변위 필드(Iuk)의 모든 이미지는, 특히 마이크로컴퓨터 스크린(4a)에 의해, 예를 들어, 변위 값(displacement value)이 그레이 레벨 또는 컬러 레벨과 같은 광학 파라미터로 표시되는 슬로우 모션 동영상 처럼, 시각화될 수 있다.
부분 변형 이미지 IΔ εk 결정
그런 다음 매질(2)의 각 포인트, 즉 공간 변수(고려된 예에서 X, Z에 따른 좌표)에 대해 각각 변위 벡터 컴포넌트의 도함수인 컴포넌트를 갖는 벡터에서 부분 변형 Δε이 계산될 수 있고, 즉:
[수학식. 4]
Figure pct00050
또는, 구현 예에 따라, Z 방향의 단일-축 변형/부분 변형만 계산된다. 그 이유는 프로브의 외부 압력으로 인한 압축이 주로 이 방향이기 때문이다. 마찬가지로, 후속 스트레스 계산에서 Z 방향의 단일축 부분 스트레스/스트레스만 계산할 수 있다. 이렇게 하면 계산이 단순화된다.
변위 벡터와 마찬가지로 X-Z 평면(이미지 평면)의 좌표(x, z)의 임의의 포인트에서 계산된 부분 변형 세트로부터 부분 변형 이미지(IΔεk)가 만들어질 수 있다.
이러한 부분 변형 벡터 또는 부분 변형 이미지(IΔεk)는 특히 마이크로컴퓨터 스크린(4a)에 의해 슬로우 모션 영화로서 디스플레이될 수 있다.
외부 압력으로 인한 매질 이동(medium movement) 결정
외부 표면(3)에 가해지는 외부 압력(P)의 변화로 인한 매질(2)의 변형은 느리고, 탄성이 있고, 준균일한 변형(quasi-uniform deformation)이다. 이 변형은 점탄성 매질(2) 내부에서 전파되어 입자(5) 와 매질(2)에 포함된 원소를 이동시킨다.
외부 압력 P에 의해 야기된 외부 변형은 인덱스 k(Ik)의 매질의 이미지와 인덱스 k-1(Ik-1)의 매질의 이전 이미지 사이에서 이동을 일으키는 것으로 간주될 수 있다.
그 다음, 인덱스 k의 매질의 이미지와 인덱스 k-1의 이전 매질의 이미지 사이의 변위 필드(uk)에 의해 이동이 결정될 수 있다.
특히, 이 모션은 이미지 인덱스 k 단계 uk(x, z)에서, 즉 매우 적은 파라미터, 예를 들어, 10미만의, 변위 필드의 변위 세트를 일반적이고 간단한 방식으로 나타내는 인덱스 k의 기하학적 변환(geometric transformation) Tk에 의해 모델링될 수 있다.
제1 실시예에 따르면, 기하학적 변환 Tk 는 도 2a와 도 2b 사이에 도시된 바와 같은 전환(translation)을 포함한다.
제2 변이(variant)에 따르면, 기하학적 변환 Tk 는 평행 전환 및 동질성(homothety)을 포함한다.
제2 변이에 따르면, 기하학적 변환 Tk 는 전환, 동질성 및 회전(rotation)을 포함한다.
따라서, X-Z 평면, 이미지 평면, 기하학적 변환에서 다음과 같이 행렬 형태로 나타낼 수 있다:
[수학식. 5]
Figure pct00051
다음과 같은 기하학적 변환(Tk) 파라미터를 사용한다:
Tx, Ty는 이미지 평면의 전환 계수(translation coefficient),
Hx, Hz는 이미지 평면의 동질성 계수(homothety coefficient), 및
쎄타는 이미지 평면에 수직인 축의 회전 각도이다.
따라서, 각 좌표(x1, z1),(x2, z2),(x3, z3)의 이미지의 세 포인트 P1, P2 및 P3을 취하면 다음과 같은 관계가 얻어진다:
[수학식. 6]
Figure pct00052
여기서,
dx1　=　ux1 dz1　=　uz1
dx2　=　ux2 dz2　=　uz2
dx3　=　ux3 dz3　=　uz3
포인트 P1, P2 및 P3의 변위 벡터에 대한 X 및 Z 컴포넌트의 표기법을 다시 시작한다.
또한, 이전 행렬 A와 B에서, 즉, 이미지의 세 포인트의 좌표에 해당하는 행렬 A와 이러한 포인트의 변위(이동)가 있는 동일한 세 포인트의 좌표에 해당하는 행렬 B에서, 기하학적 변환 Tk를 계산할 수있는 관계가 있다. 따라서, 기하학적 변환의 행렬은 행렬 B의 행렬 곱과 행렬 A의 역수에 의해 얻어진다.
[수학식. 7]
Figure pct00053
이 관계식을 적용하면 세 포인트 P1, P2, P3에서 기하학적 변환 Tk를 계산할 수 있다.
반대로, 기하학적 변환 Tk가 설정되면, 이 관계를 통해 포인트 P의 좌표(x, z)를 역 관계식으로 알 수 있다.
[수학식. 8]
Figure pct00054
그 다음, 이전 이동으로부터의 임의의 유형의 이미지에 대한 보상(compensation)은 이전 기하학적 변환의 행렬 곱셈, 즉 인덱스 i가 1에서 k까지 변하는 기하학적 변환 Ti의 행렬 곱셈에 의해 수행될 수 있다.
3 포인트로 설정된 이전 관계는 이미지의 포인트 그룹으로 일반화 될 수 있고, 포인트 그룹은 이미지의 3, 4, 5 또는 6 포인트로 구성된다. 포인트 그룹은 3개에서 10개의 이미지 포인트으로 구성된다.
또한, 일 실시예에서, 3개의(포인트 그룹의) 이미지 포인트들의 집단이 취해질 것이고, 상기 모집단은 다수의 Ng의 고 값 포인트 그룹을 포함한다. 예를 들어, 이 모집단 크기에서 포인트 그룹(point group)의 수 Ng가 100보다 크다.
따라서, 기하학적 변환 Tk의 파라미터는 이미지의 포인트 그룹 모집단에서 계산된 파라미터의 중앙값에 의해 얻어진다.
특히, 이 기술은 인덱스 k의 매질의 이미지와 인덱스 k-1의 매질의 이전 이미지 사이의 모션을 추론하기 위해 변위 필드 uk의 이미지에 적용될 수 있다.
포인트 그룹의 모집단을 사용하면, 인덱스 k의 매질 이미지와 인덱스 k-1 매질의 이전 이미지 사이의 이동을 보다 포괄적으로 나타내는 기하학적 변환을 결정할 수 있다.
유리하게, 각 그룹의 포인트가 이미지에서 무작위로 선택된다. 이러한 배치에 의해, 이미지 사이의 이동을 보다 포괄적이고 확실하게 표현하는 기하학적 변환이 결정될 수 있다.
매질(IE k )의 전단파 탄성 이미지 결정
아래에 설명된 프로세스를 매질의 전단파 탄성 이미징(shear wave elasticity imaging)이라고 한다. 전단파 탄성 데이터(또는 이미지 또는 이미지 데이터)의 시간적 연속은 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 데 사용할 수 있다(위에서 설명한대로).
미국 2005/252295는 점탄성 매질(2)에 대한 탄성 이미징 기술을 제안한다: 이미징 장치(1)는 이 매질에서 탄성 전단파(elastic shear wave)의 전파를 검사한다. 탄성 전단파 모션은 전술한 수단에 의해, 특히 마이크로컴퓨터(4)에 의해 모니터링된다.
이 작업은 여러 단계로 수행된다:
(e1.1) 마이크로컴퓨터(4)가 점탄성 매질(2)에서 탄성 전단파를 발생시키는 동안, 프로브(6)에 의해 점탄성 매질 내에 집속된 적어도 하나의 초음파를 방출함에 의한, 여기 단계,
(e1.2) 점탄성 매질(2) 내의 관측 필드의 다중 포인트에서 전단파 전파가 동시에 관찰되는 관찰 단계, 이 단계는 매질 IIj,k의 다수의 시간적으로 연속적인 중간 이미지(successive intermediate image)가 생성되는 서브 단계를 포함하고, j는 0과 M을 포함하는 중간 이미지 인덱스이고, M+1은 생성된 중간 이미지(intermediate image)의 수이다.
매질의 각각의 중간 이미지는, 예를 들어, 매질(Ik)의 이미지를 결정하는 이전에 기술된 방법에 의해 생성되고, 여기서 적어도 하나의 집속되지 않은 초음파 압축파 버스트가 프로브(6)에 의해 전송되고, 수신된 음향 신호가 프로브(6)에 의해 검출되고 기록되고, 이들 음향 신호는 매질의 중간 이미지(IIj,k)를 만들도록 처리된다.
단계(e1)에서 전송된 집속된 초음파의 초점 및 타이밍, 및 단계(e2)에서 전송된 집속되지 않은 초음파의 타이밍은 이 시야에서 전단파의 전파 동안 집속되지 않은 초음파가 시야에 도착하도록 적응된다. 따라서, 전단파는 매질 IIj,k의 생성된 중간 이미지에서 볼 수 있다.
그런 다음 다음 단계로 진행한다:
(e1.3) 매질의 중간 이미지를 처리하여 매질(IEk)의 탄성 이미지를 결정하는 단계.
매질 IIj,k의 중간 이미지는 예를 들어 이전과 같이 상관(correlation) 또는 교차상관(cross-correlation)에 의해 변위 필드 uj,k를 계산하도록 처리된다. 예를 들어, 인덱스 j(IIj,k)의 매질의 중간 이미지와 인덱스 j-1(Ij-1,k)의 매질의 중간 이미지 간의 교차상관이 있다. 결정된 변위 벡터는 전단파 전파를 동영상으로 시각화하는 데 사용될 수 있다. 또한, 매질(2)의 각 포인트에서의 부분 변형 Δε은 변위 필드(displacement field.)에서 계산할 수 있다.
변위 또는 변형 필드로부터, 그 후, 마이크로컴퓨터(4)는 유익하게 맵핑 단계로 진행할 수 있고, 그 동안 시야에서의 시간에 따른 모션 파라미터(변위 또는 부분 변형)의 진화에 기초하여, 적어도 하나의 전단파 전파 파라미터가 시야의 특정 선택된 지점에서, 또는 전체 시야에서 계산된다.
그런 다음 시야의 다양한 포인트에서 전단파 전파 파라미터 세트에 대응하는 탄성 이미지 IEk가 만들어질 수 있다.
매질의 이러한 탄성 이미지(IEk)는 특히 마이크로컴퓨터 스크린(4a)을 통해 볼 수 있고, 여기서 전파 파라미터의 값은 그레이 레벨 또는 컬러 레벨과 같은 광학 파라미터에 의해 도시된다.
매핑 단계에서 계산되는 전단파 전파 파라미터는 다음 중에서 선택되고, 예를 들면 다음과 같다:
- 전단파 속도 Cs, 또는
- 전단 탄성률 μ, 또는
- 영률 E=3μ, 또는
- 전단파 감쇠 α, 또는
- 전단 탄성 μ1, 또는
- 전단 점도 μ2 또는
- 매질 조직의 기계적 이완 시간 τs.
예를 들어, 시야의 상이한 포인트에서 계산할 수 있다:
- 조직의 경도에 접근을 제공하기 위한, 전단파 속도 값 Cs,
- 조직의 기계적 이완 시간 τs의 값, 매질의 국소 점도의 특성.
이를 위해, 예를 들어, 다음의 전파 방정식( propagation equation)으로 표현되는 전단파 전파 모델이 사용되고, 매질의 각 포지션 r에서 전단파에 의해 생성된 변위 u는 다음과 같다:
[수학식. 9]
Figure pct00055
여기서
ρ는 조직의 밀도이다.
τs는 조직의 기계적 이완 시간이고, 및
Cs는 다음 방정식을 사용하여 조직의 영률 E와 직접 관련된 전단파 속도이다.
[수학식. 10]
Figure pct00056
변위 u의 세트를 사용하여 이 전파 방정식을 풀면 위에서 인용한 전파 파라미터(cS, τs)가 생성된다.
전파 파라미터의 변이 계산(Variant calculation)이 가능하다. 특히, 파동 방정식은, 예를 들어 주파수 대역에서 값을 평균화하여 푸리에 방법으로 풀 수 있다. 변위 대신 부분 변형을 사용할 수도 있다.
전파 파라미터 매핑, 즉 탄성 이미지도 서로 다른 전단파로 설정될 수 있다. 그런 다음 더 정확한 매핑을 얻기 위해, 예를 들어 평균을 구하여 결합할 수 있다.
매질(2)에서 전단파의 전파 속도는, 탄성 이미지 IE(전단파의 전파 파라미터)를 결정하기 위해 다수의 매질 이미지(중간 이미지)가 촬영되는 이 과정에서 외부 표면(3)에 가해지는 외부 압력 P의 변이가 없음을 고려하기에 충분히 높다. 따라서, 이러한 매질 이미지는 매질의 이동에 의해 수정되지 않는다.
반면에, 매질(IEk)의 탄성 이미지는, 초기 매질(I0)의 이미지와 비교될 수 있거나 보정된 변형 이미지 Iεk *와 비교될 수 있기 위해, 고려된 시간 모멘트 또는 가까운 시간 모멘트(인덱스 k로 표시됨)에서 모션으로 수정되어야 한다.
비선형 파라미터 INL k 의 이미지 결정
선형 탄성 영역에서 매질(2)는 스트레스에 비례하여 변형하고 후크(Hooke)의 법칙을 따른다:
[수학식. 11]
Figure pct00057
여기서
E0은 선형 영역의 영률이고, 및
ε는 변형이다.
비선형 탄성 영역에서, 이 비례가 더 이상 유효하지 않다. 대부분의 경우, 매질(2)의 재료의 영률 E는 압축에 따라 증가한다.
탄성 계수 또는 영률 E는 스트레스-변형 곡선의 기울기로 정의되고, 즉, 다음과 같다:
[수학식. 12]
Figure pct00058
여기서
E는 영률이고
Δσ는 국부 스트레스 변화, 즉 부분 스트레스이고,
여기서 Δεt는 모멘트(t-Δt)에 대해 모멘트(t)에서 정량화된 정적 탄성이므로, Δε는 국소 변형 변이(deformation variation), 즉 0이되는 경향이 있는 (Δt)에 대한 부분 변형 Δεt이다.
탄성의 비선형 파라미터는 예를 들어 다음에 언급된 전단(shear) A에서 3 차 탄성 계수라고 불리는 란다우 계수(Landau coefficient)일 수 있다:
- "연질 고체의 음향탄성(Acoustoelasticity in soft solid): 음향 방사력을 사용한 비선형 전단 계수 평가(Assessment of the nonlinear shear modulus with the acoustic radiation force)" 제니슨(Gennisson)과 에이아이.(Al.), 저널 음향 학회 아메리카(J. Acoust. Soc.) Am), (122), 2007년 12월, 3211-3219면, 및
- "정적 탄성영상과 전단파 탄성영상을 결합한 비선형 전단 계수의 정량적 이미징(Quantitative Imaging of Nonlinear Shear Modulus by Combining Static Elastography and Shear Wave Elastography)" 에이치. 라토레-오사 등(H. Latorre-Ossa et Al.), IEEE 트랜젝션 초음파, 강유전 및 주파수 제어(IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control), 제51권, 4회, 833-839면,
특히, 상기 문서의 방정식(1)은 탄성(영률) E와 스트레스 σ 사이의 관계(R1)로 다시 쓸 수 있다.
[수학식. 13]
Figure pct00059
여기서
E는 영률 또는 탄성 계수이고,
E0은 선형 영역의 영률, 즉 압축되지 않은 매질 재료의 영률이므로, 이미지의 시간적 연속에서 제1 수정된 탄성 이미지이다.
σ는 프로브(6)의 사용자에 의해 가해지는 외부 압력에 의해 유도된 압축에 실질적으로 대응하는 응력 및 예를 들어 수직 Z 방향에서의 단일축 z 응력이고,
A는 찾은 비선형 파라미터이다.
위의 관계 R1을 차별화함으로써, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다:
[수학식. 14]
Figure pct00060
영률 방정식(식 1)의 정의와 관계 R2 적분함으로서 나누기는 탄성(영률) E와 변형 사이에서 얻어지고, 즉: 　
[수학식. 15]
Figure pct00061
여기서
E는 영률이고
E0은 선형 영역의 영률, 즉 압축되지 않은 매질 재료의 영률이므로, 이미지의 시간적 연속에서 제1 수정된 탄성 이미지이다.
ln()은 자연 로그 함수이고
ε은 변형이고, 및
A는 결정될 비선형 파라미터이다.

Claims (34)

  1. 매질의 비선형 전단파 탄성을 정량화하기 위한 초음파 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    A1. 상기 매질에서 전단파 탄성 데이터의 시간적 연속을 수집하는 단계,
    A2. 전단파의 수집 동안 미리 결정된 변형 시퀀스에 따라 상기 매질에 연속적으로 변화하는 변형의 적용 단계,
    A3. 실제 변형의 진화의 관찰 단계, 및
    B. 데이터의 시간적 연속과 변형의 진화의 함수로서 상기 매질의 비선형 탄성의 정량화 단계를 포함하는
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    실제 변형의 진화의 관찰이 실시간 또는 거의 실시간으로 수행되는
    방법.
  3. 제1항 및 제2항에 있어서,
    연속적으로 변화하는 변형은 프로브에 의해 상기 매질을 연속적인 압축 또는 연속적인 압축해제에 의해 초음파 프로브에 의해 적용되고, 상기 프로브는 데이터의 시간적 연속을 수집하거나 실제 변형의 진화를 관찰하는 데 동시에 사용되는
    방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연속적인 압축 및/또는 상기 연속적인 압축해제는 지속적으로 그리고 점진적으로 수행되는
    방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    실제 변형의 진화를 관찰하는 단계는 상기 매질로부터 초음파 데이터의 시간적 연속을 수집하는 단계를 포함하는
    방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    추정된 실제 변형의 레벨 및 타겟 변형의 레벨이 사용자 인터페이스 상에 통지되고, 상기 추정된 실제 변형은 관찰된 변형, 특히 실시간으로 대응하고, 상기 타겟 변형은 상기 미리 결정된 변형 시퀀스에 따라, 특히 실시간으로 변화하는
    방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 추정된 실제 변형 레벨 및 상기 타겟 변형 레벨은 상기 사용자 인터페이스의 스크린 상에 디스플레이 되는
    방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 A1에서 생성된 상기 전단파 탄성 데이터는 하위-단계:
    A1.1. 적어도 하나의 집속된 초음파가 방출되도록하여, 상기 매질에서 전단파가 생성되는 여기 단계,
    A1.2. 상기 매질에서 초음파 데이터의 시간적 연속을 획득하여 상기 전단파 전파 전파가 관찰되는 관찰 단계,
    A1.3. 상기 탄성 데이터가 상기 매질의 상기 초음파 데이터 및 전단파 전파 모델로부터 결정되는 처리 단계에 의해 생성되는
    방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    데이터의 시간적 연속의 수집 및 상기 변형의 연속적인 변화에 대한 관찰은 전단파 탄성 및 정적 탄성 당김의 샷을 개재함으로써 초음파 시퀀스에 의해 설정되고, 및/또는 상기 정적 탄성 데이터 및 상기 전단파 탄성 데이터는 시간적으로 인터리빙되는
    방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 A1'. 상기 매질의 정적 탄성(
    Figure pct00062
    )의 시간적 연속 데이터를 수집하는 단계를 더 포함하고,
    단계 A3에서, 상기 실제 변형은 상기 정적 탄성(
    Figure pct00063
    )에 의해 추론되는
    방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    총 정적 탄성(
    Figure pct00064
    )은 정적 탄성 값(
    Figure pct00065
    )의 적분에 따라 결정되고, 및
    단계 A3에서, 상기 실제 변형은 결정된 상기 총 정적 탄성(
    Figure pct00066
    )의 함수로 결정되는
    방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 A6. 전단파 탄성(Et), 정적 탄성(
    Figure pct00067
    ) 및 총 정적 탄성(
    Figure pct00068
    ) 중 적어도 하나의 파라미터의 함수로서 품질 파라미터의 결정 단계를 더 포함하는
    방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 파라미터는 상기 총 정적 탄성의 현재 값(
    Figure pct00069
    ) 과 이전 값(
    Figure pct00070
    )의 비교에 기초하여 결정되고, 및/또는
    품질 결과가 불린 변수이고, 및/또는
    상기 품질 파라미터는 상기 현재 값(
    Figure pct00071
    )이 제1 차이 임계값만큼 증가 또는 감소된 상기 총 정적 탄성의 이전 값(
    Figure pct00072
    )을 초과하는지 여부에 기초하여 결정되는
    방법.
  14. 제12항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 파라미터는 최소 시간에 기초하여 결정되고, 이 기간 동안 상기 추정된 실제 변형 레벨은 상기 타겟 변형 레벨에 대응하는
    방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 파라미터는 상기 전단파 탄성(Et), 및/또는 정적 탄성(
    Figure pct00073
    )의 현재 값의 엔트로피가 미리 정의된 범위 내에 있는지 여부의 함수로서 결정되는
    방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정된 품질 파라미터가 제1 최소 품질 임계값을 초과하는 한, 단계 B에서 상기 전단파 탄성(Et*) 및 상기 총 정적 탄성(
    Figure pct00074
    )의 현재 값은 상기 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 데 사용되는
    방법.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정된 품질 파라미터가 최소 품질 임계값을 초과하지 않는 한:
    상기 전단파 탄성(Et) 값 및 상기 총 정적 탄성(
    Figure pct00075
    )의 현재 값은 상기 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 데 사용되지 않고, 및/또는
    상기 결정된 품질 파라미터를 나타내는 피드백 정보가 상기 프로브의 사용자에게 제공되고, 및/또는
    프로세스는 선택적으로 다음 주기(t + 1)에서 반복되는
    방법.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 변형 시퀀스가 상기 품질 파라미터에 따라 적응되고, 및/또는
    상기 결정된 품질 파라미터가 상기 최소 품질 임계값을 초과하지 않는 경우, 상기 미리 결정된 변형 시퀀스가 중단되거나 일시 정지되는
    방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 C. 상기 매질의 비선형 탄성의 레벨을 보여주는 이미지, 및/또는 스코어, 및/또는 기호 중 적어도 하나를 포함하는 상기 매질의 비선형 탄성 레벨을 나타내는 시각 정보의 결정 단계를 더 포함하는
    방법.
  20. 제10항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 D. 상기 프로브의 사용자에게 피드백 정보를 제공하는 단계는:
    실제 변형, 품질 파라미터 및 시각적 정보 중 적어도 하나를 포함하는
    방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 A1에서 B 또는 A1에서 C 또는 A1에서 D까지 단계가 반복되고, 및/또는
    다음 조건:
    상기 결정된 품질 파라미터가 상기 제1 최소 품질 임계값보다 낮은 제2 최소 품질 임계값을 초과하지 않는 경우, 및/또는
    최대 반복 횟수가 수행된 경우 및/또는
    상기 프로세스가 경과한 최대 시간 및/또는
    상기 매질의 비선형 탄성의 최소 수의 정량화가 수행되는 것 중 하나 이상이 충족될 때까지 단계 A1에서 B 또는 A1에서 C 또는 A1에서 D까지 단계가 반복되는
    방법.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    A4. 상기 프로브와 관련된 상기 매질의 이동에 대한 보상을 계산하기 위해 상기 매질로부터 B-모드 데이터의 시간적 연속의 수집 단계,
    A5. 탄성 데이터에 대한 보상의 적용 단계를 더 포함하는
    방법.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 B-모드 데이터, 상기 정적 탄성 데이터 및 상기 전단파 탄성 데이터는 시간 인터리빙되는
    방법.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 A1 내지 A3 또는 A1 내지 A6가 동시에 수행되고, 및/또는 단계 A1 내지 A3 또는 A1 내지 A6 또는 A1 내지 D가 실시간으로 또는 거의 실시간으로 수행되는
    방법.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시간적 데이터 연속의 각 순간 또는 적어도 일부 시간에 대해, 전단파 비선형 파라미터의 값은 다음 방정식에 따라 선형 회귀 적합을 수행함으로써 결정되고:
    [수학식. 16]
    Figure pct00076

    여기서,
    E(t)는 변형의 진화 동안 변형의 각 모멘트에서의 탄성이고,
    E0은 제1 순간(t0)에서의 탄성이고,
    ε은 변형이고, 및
    A는 상기 비선형 전단 파라미터인
    방법.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    미리 결정된 변형 시퀀스에 따른 변형을 적용하지 않고, 상기 매질의 적어도 하나의 초음파 또는 MRI(자기 공명 이미지) 또는 유방조영술 이미지 또는 전단파 탄성영상이 결정되는, 단계(A1) 이전의 단계(0)를 더 포함하고, 및
    그 동안 단계 (A1) 내지 (B)에 따른 상기 비선형 탄성이 정량화되는 관심 영역(ROI 관심 영역)이 결정되는
    방법.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    신뢰성 맵이 상기 비선형 탄성영상의 디스플레이와 병렬로 디스플레이되는
    방법.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지의 각각의 데이터 또는 각각의 픽셀에 대해, 미리 정의된 레퍼런스 값에 대한 비선형 탄성 값이 디스플레이되는
    방법.
  29. 초음파 프로브(6), 마이크로컴퓨터(4), 및 선택적으로 사용자 인터페이스를 포함하는 이미징 장치(1)를 사용하여 매질의 비선형 전단파 탄성을 정량화하는 초음파 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    상기 프로브를 상기 매질의 표면에 위치시키는 단계,
    비선형 전단파 탄성(NL-SWE)의 제1 이미징 모드를 활성화하는 단계 - 이 동안 상기 프로브는 상기 매질을 점진적으로 압축하거나 점진적으로 압축해제함으로써, 미리 결정된 변형 시퀀스에 따라 변형을 적용하고:
    상기 장치는 상기 매질의 탄성을 추론할 수 있도록 상기 프로브를 사용하여 상기 매질에서 생성된 상기 전단파를 이미징하는 초음파 데이터의 시간적 연속을 수집하고, 및
    상기 장치는 상기 프로브에 의해 적용된 상기 매질의 변형의 진화를 추론할 수 있도록 하는 초음파 데이터의 시간적 연속을 수집함 -,
    데이터의 시간적 연속과 관찰된 변형의 진화의 함수로 계산되는 상기 매질의 비선형 탄성을 정량화하는 단계,
    선택적으로 상기 사용자 인터페이스 상에 상기 매질의 비선형 탄성 이미지를 디스플레이하는 단계,
    선택적으로 상기 이미지의 미리 정의된 계산 및 측정을 포함하는 이미지의 시간적 연속을 기록하는 단계,
    선택적으로 이미지의 시간적 연속을 상기 사용자 인터페이스 상에 디스플레이하는 단계, 및
    선택적으로 상기 비선형 이미지의 해석 결과를 디스플레이하는 단계를 포함하는
    방법.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 변형 시퀀스는 상기 정량화 단계 이전에 선택적으로 자동 정지하는 하위-단계를 포함하는
    방법.
  31. 제29항 및 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    특히 상기 제1 모드의 활성화 이전에:
    - 상기 프로브를 상기 매질의 표면에 위치시키고,
    - 제2 전단파 탄성(SWE) 이미징 모드를 활성화하고,
    - 미리 결정된 변형 시퀀스에 따른 변형을 적용하지 않고, 상기 매질에 전단파를 인가함으로써 상기 매질의 적어도 하나의 전단파 탄성 이미지를 결정하고,
    - 상기 이미지의 미리 정의된 계산 및 측정을 선택적으로 포함하는, 이미지를 저장하고,
    - 영역의 비선형 탄성을 이미지화 하기 위해 상기 이미지에서 관심 영역을 결정하는 단계를 포함하는
    방법.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 양성 병변과 비교하여 악성 병변을 결정하는 방법에 있어서,
    상기 악성 병변은 비선형 탄성 레벨에 기초하여 검출되는
    방법.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 양성 병변과 비교하여 악성 병변을 결정하는 방법에 있어서,
    연구된 상기 매질은 생물학적 유방 및/또는 겨드랑이 조직인
    방법.
  34. 이미징 장치(1)에 있어서,
    상기 이미징 장치는 초음파 프로브(6) 및 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 따라 매질의 비선형 탄성을 정량화하기 위한 방법을 구현하도록 구성된 마이크로컴퓨터(4)를 포함하는
    이미징 장치.
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