KR20230009833A - 엘라스토그래피 디바이스 및 방법 - Google Patents

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KR20230009833A
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Abstract

엘라스토그래피 디바이스는 프로브를 포함하고, 상기 프로브는 단일 초음파 트랜스듀서(6); 또는 복수의 초음파 트랜스듀서, 및 상기 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 조직(8)을 향해 유도하기 위해 배치된 저주파 진동기 (5)를 포함한다. 디바이스는 초음파 펄스의 시퀀스를 방출하고 응답으로 수신된 에코 신호를 획득하여, 변위에 의해 유도된 탄성파가 조직에서 어떻게 이동하는지를 추적하도록 구성된다. 디바이스는 방출된 초음파 펄스 중 하나 이상에 대해 차이가 2.d/vus의 함수에 따라 변화하도록 방출 시 시간 오프셋(δtTX), 및/또는 수신 시 시간 오프셋(δtRX)을 생성하도록 구성되고, 여기서 d는 단일 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위이고, 여기서 vus는 상기 조직에서 초음파 속도이다.

Description

엘라스토그래피 디바이스 및 방법{ELASTOGRAPHY DEVICE AND METHOD}
개시된 기술은 엘라스토그래피(elastography) 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 특히 다음과 같이 배치된 디바이스에 관한 것이다:
- 조직과 접촉하는 팁을 이동함으로써, 특성화될 조직 내에서 이동하는 탄성파를 생성하기 위함,
- 조직 경직도를 특성화하기 위해, 초음파 펄스를 송신하고 해당 에코를 수신하여, 이러한 탄성파가 이러한 조직에서 이동하는 법을 추적하기 위함.
예를 들어, 진동-제어 순간 엘라스토그래피(Vibration-Controlled Transient Elastography)에 의해 측정된 간 경직도(Liver stiffness)는 의료 전문가가 간 질환이나 손상을 검출하거나 특성화하는데, 보다 일반적으로 피험자의 간의 상태를 모니터링하는데 도움이 되는 매우 유용한 수단인 것으로 나타난다. 도 1은 Vibration-Controlled Transient Elastography에 의해 간 경직도를 측정하도록 구성된 종래 기술의 엘라스토그래피 디바이스(1a)를 개략적으로 나타낸다.
이 디바이스는 다음을 포함하는 프로브(2a)를 포함한다.
- 헨드헬드형 케이싱(3a);
- 저주파 진동기(5a)에 의해, 케이싱(3a)에 대해 이동될 수 있는 팁(4a); 및
- 팁(4a)의 말단부에 장착된 초음파 트랜스듀서(6a)(가능한 경우 초음파 트랜스듀서를 덮는 밀봉 멤브레인 포함).
측정하는 동안, 프로브 케이싱(3a)은 초음파 트랜스듀서(6a)가 검사 중인 피험자의 신체(8)에 대해 약간 눌려지는 방식으로 핸드헬드된다. 그 후, 팁(4a)의 순간 변위가 트리거되어 초음파 트랜스듀서(6a)가 피험자의 신체 쪽으로 이동하고 뒤로 이동하여 조직에 저주파 탄성파(특히, 저주파 전단파)를 생성한다. 초음파 트랜스듀서(6a)의 대응하는 변위(d(t))는 도 2에서 시간(t)에 걸쳐 개략적으로 나타난다. d(t)는, 시간(t)에서, 트랜스듀서(6a)의 초기 위치(이 순간적인 진동을 트리거하기 직전의 위치)에 대해, 피험자의 신체(도 1 참조)을 향해 안내된 축(z)를 따라 트랜스듀서(6a)의 위치에 보다 정확하게 대응한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 저주파 진동이 트리거될 때 시작하는 초음파 펄스(USP)의 시퀀스(S)는 초음파 트랜스듀서(6a)에 의해 방출된다. 이들 초음파 펄스는, 프로브를 대면하는 조직에서 유도된 탄성파가 이 조직에서 이동하는 법을 추적하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 이 시퀀스의 두 개의 연속적인 초음파 샷에 해당하는 두 개의 에코 신호가 함께 상관되어, 조직의 서로 다른 깊이에 대해, 조직이 이들 두 펄스들 사이에서 이동한 거리를 결정한다.
이로써, 매번, 조직의 스트레인 맵(strain map)(때때로, 탄성도(elastogram) 또는 변위 또는 전단파 전파 맵이라고도 함)은 이러한 조직에서 깊이(z)의 함수로 결정된다. 도 3은, 시간(t) 및 깊이(z)의 함수로서, 도 2에 나타낸 것과 같은 저주파 진동을 가한 결과 피험자의 간의 스트레인 맵을 나타낸다. 검사 중인 조직에서 전파되는 탄성파의 이 시공간적 표현을 탄성도라고 한다. 이는 그러한 파동이 조직에서 어떻게 전파되는지 매우 명확하게 시각화할 수 있게 한다. 이 조직에서 전단파의 전파 속도는 시간 및 깊이의 함수에 따라 파면(wavefront)의 위치를 보여주는 이러한 도면에 표시된 직선의 기울기로부터 결정할 수 있다. 조직 경직도는 이러한 전파 속도로부터 추론된다.
그러한 측정 과정 동안 기록된 에코 신호를 분석 및 처리할 때 초음파 트랜스듀서(6a)의 변위(d(t))를 보상하는 것이 바람직하다. 실제로, 그러한 디바이스에서, 초음파 트랜스듀서(6a)는 이동 팁(4a) 자체 상에 고정된다. 이로써, 팁(4a)이 이동할 때, 트랜스듀서(6a)와 그러한 또는 그러한 부분의 조직 사이의 거리는 변화한다. 보정이 없으면, 그러한 또는 그러한 스트레인이 관찰되는 겉보기 깊이는 이로써 이러한 스트레인이 실제로 일어나는 깊이와는 약간 다를 수 있다.
게다가, (두 개의 대응하는 에코 신호를 상관시킴으로써) 주어진 시간에서 조직의 스트레인을 결정하기 위해 방출된 두 개의 연속 샷 커플에 대해, 이들 두 펄스 사이의 초음파 트랜스듀서의 변위는, 조직에서 이동하는 탄성파에 의해 유발된 실제 조직 변위를 부가하여, 전체의 명백한 변위 전부를 초래한다. 각 깊이에 대해 동일한 이 오프셋은 다음 논문의 섹션 III.A(p. 440)에 설명된 바와 같이, 고려된 시간에서 결정된 조직 변위의 z-도함수를 계산하여 쉽게 억제될 수 있다: "Shear elasticity probe for soft tissues with 1-D transient elastography," L. Sandrin et al., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 49, no. 4, pp. 436-446, April 2002. 여전히, 이 논문에서 설명된 바와 같이, 기록된 두 에코 신호를 상관시키기 전에 트랜스듀서의 변위를 보상하는 것이 매우 바람직하다. 실제로, 트랜스듀서의 이동에 대한 보상이 없으면, 상관관계에 의해 측정된 변위가 상당히 더 크고, 이로써 노이즈가 발생하고 결정하는데 더 많은 시간이 소요된다.
에코 신호 상관관계를 수행하기 전에 트랜스듀서의 변위(d(t))를 보상하기 위해 일반적으로 다음 기술이 사용된다. 위에서 설명된 바와 같이 초음파 펄스의 시퀀스(S)가 방출되고 응답으로 수신된 에코 신호가 기록된다. 이들 에코 신호는, 컴퓨터 구조를 갖고 프로브(2a)에 동작 가능하게 연결된 중앙 전자 유닛(7a)에 의해 후-처리된다. 예를 들어 위에서 언급한 논문에 설명된 이러한 후-처리는 다음을 포함한다:
a) 에코 신호 자체로부터 트랜스듀서의 변위(d(t))를 추정하는 단계;
b) 각 에코 신호에 대해, 주파수 도메인에서, 트랜스듀서의 변위(d(t))(단계 a)에서 추정됨)를, 이 에코 신호의 푸리에 변환에
Figure pat00001
를 곱하여 보상하는 단계, 여기서 f는 주파수이고, Dt는 2.d/vus와 같으며, vus는 조직의 초음파 속도임;
c) 각 시간(t)에 대해 깊이(z)의 함수에 따라 조직 변위를 결정하기 위해 에코 신호를 상관시키는 단계;
d) 옵션으로, 단계 c)에서 얻어진 시공간 변위 맵의 z-도함수
Figure pat00002
를 계산하는 단계.
단계 a)에서, 트랜스듀서의 변위(d(t))는 각 에코 신호에서 조직에 고정된 위치를 갖는 것으로 가정되는 요소와 연관된 강한 역반사(back-reflection)를 식별함으로써 추정될 수 있다. 이는, 매우 깊은 조직의 변위가 무시될 수 있고 조직 깊이 관찰된 변위가 실제로 두 펄스 사이의 트랜스듀서 변위에 해당한다고 가정하여 추정될 수 있다.
이러한 절차는 일반적으로 만족된다. 그러나, 본 발명자들은, 기록된 에코 신호의 일부에 대해 단계 a)가 실패할 수 있고, 따라서 해당 에코 신호에 대한 트랜스듀서의 변위(d(t))에 대해 부정확한 값을 제공할 수 있음을 인지하였다. 이로써, 이들 에코 신호는 부정확하게 재정렬되어, 최종적으로 얻을 수 있는 탄성도를 손상시키는 여러 노이즈, 파괴적인 컬럼(columns)을 초래한다. 게다가, 이러한 절차는 저장, 데이터 전송 및 계산 측면에서 많은 컴퓨팅 리소스를 필요로 하므로 초음파 펄스의 펄스 반복율을 제한한다. 이러한 제약은, 진동(예를 들어, 정현파 진동)이 특성화될 조직에 반복적으로 연속적으로 가해지면서, 이러한 진동에 의해 야기된 조직의 변형은 실시간으로 모니터링되는 Vibration-Controlled Harmonic Elastography의 경우에 상당히 더 제한적이다.
본 발명의 목적은 엘라스토그래피 디바이스 및 방법을 제공하는 것이다.
상기에서 언급된 문제를 적어도 부분적으로 해결하기 위하여, 엘라스토그래피 디바이스가 제공되며, 엘라스토그래피 디바이스는:
- 피험자의 신체에 유지되는 프로브, 여기서 상기 프로브는:
o 단일 초음파 트랜스듀서; 또는 복수의 초음파 트랜스듀서, 여기서 특성화될 조직에서 초음파 펄스를 방출하도록 배치된 프로브의 모든 초음파 트랜스듀서는 서로에 대해 움직이지 않음; 및
o 상기 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 상기 조직을 향하여 유도하도록 배치된 저주파 진동기;를 포함함; 및
- 초음파 펄스의 시퀀스를 방출하기 위해 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하도록 구성되며, 방출된 초음파 펄스에 응답하여 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서에 의해 수신된 에코 신호를 획득하도록 구성되어, 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위만큼 조직에 유도된 탄성파가 상기 조직에 이동하는 법을 추적하는 전자 유닛;을 포함하며,
- 전자 유닛은 방출된 초음파 펄스 중 하나 이상에 대해 다음을 생성하도록 더욱 구성되고:
o 초음파 펄스의 방출이 이동되는 방출 시 시간 오프셋,
o 및/또는 상기 방출된 초음파 펄스에 응답하여 획득된 에코 신호가 이동되는 수신 시 시간 오프셋,
방출 시 시간 오프셋 및/또는 수신 시 시간 오프셋은 단일 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위의 함수에 따라 조정된다.
특히, 방출 시 시간 오프셋 및/또는 수신 시 시간 오프셋은 2.d/vus의 함수에 따라 차이가 변화하도록 조정될 수 있으며, d는 예를 들어 방출 시 단일 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위이고, vus는 상기 조직에서 초음파 속도이다.
이로써, 방출 시 시간 오프셋 및/또는 수신 시 시간 오프셋은 상기 초음파 펄스의 시퀀스 동안 발생하는 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위에 의해 야기되는 획득된 다른 에코 신호에 대한 상기 에코 신호의 시간 이동(temporal shift)을 보상하기 위해 생성될 수 있다.
해당 초음파 펄스의 방출은 예를 들어 프로브의 초음파 펄서의 상류에 연결된 제어 가능한 지연부를 사용하여 제어된 방식으로 이러한 방출을 지연시킴으로써, 상기 방출 시 상기 시간 오프셋에 의해 시간적으로 이동된다. 다시 말해서, 이 시간적 이동은 방출 시 시간적 도메인에서 달성된다.
각 에코 신호는 해당 펄스의 방출 후 트랜스듀서에 의해 시간이 지남에 따라 수신된 신호에 의해 형성된다. 보다 정확하게는 이 방출 이후에 시작하여 주어진 지속 시간(예를 들어, 100 ㎲의 지속 시간, 7.5 cm의 깊이에 걸쳐 조직을 탐색하려면, 초음파 속도 vus는 1.5mm/㎲이어야 함)을 갖는 주어진 시간 창(예를 들어, 도 4 참조) 내에서 수신된 신호이다. 실제로, 이 시간 창 내에서 수신되고 해당 에코 신호를 형성하는 신호는 기록되거나, 다시 말해 프로브의 메모리에 기록된다. 수신 시 시간 오프셋은 이 시간 창(위에서 설명한 바와 같이, 획득 및 기록 시간 창일 수 있음)의 시작을 이동하여 얻는다. 여하튼, 이 시간적 이동은 시간적 도메인, 여기에서 달성된다.
상기에서 제시된 엘라스토그래피 디바이스에서, 측정 동안 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 이동으로 인해, 서로 다른 에코 신호들 사이의 시간적 이동이 초기에, 방출 시 및/또는 수신 시 바로 실시간으로, 즉 에코 신호를 기록하거나 에코 신호를 원격 컴퓨팅 유닛으로 전송하기 전에 보상된다. 이 보상 방식(scheme)은 배경기술 섹션에서 위에서 제시된 후-처리 방법에 비해 계산 부담을 실질적으로 줄인다. 결과적으로, 개시된 보상 방식은 엘라스토그래피 디바이스의 계산 유닛의 동작을 개선시킨다.
트랜스듀서 또는 복수의 트랜스듀서의 변위(d(t))는 프로브에 맞는 변위 센서에 의해 직접 측정될 수 있다. 이는 또한 진동기를 제어하는 명령 신호로부터 추론될 수 있으며, 진동기에 의해 유도된 변위는 이 명령 신호와 일치하도록 변위 센서 및 제어-루프(제어-루프 전자 회로에 의해 구현됨)에 의해 제어된다. 여하튼, 이 디바이스에서, 변위(d(t)) 또는 적어도 이를 나타내는 신호는 쉽게 사용할 수 있으며, 에코 신호 자체를 후-처리하여 결정할 필요가 없다. 다시 말하지만, 이는 배경 기술 섹션에서 상기에 제시된 후-처리 방법에 비해, 계산 부담을 실질적으로 줄인다. 게다가, 에코 신호 자체로부터의 변위 d 추정의 가능한 실패(즉: 위의 단계 a)의 가능한 실패)에 연관된 문제가, 개시된 디바이스에서 회피된다.
개시된 디바이스에서, 에코 신호는 초음파 시퀀서 및 초음파 수신기 레벨에서 직접 서로 시간적으로 재정렬될 수 있다(위에서 언급한 복잡한 후-처리 절차가 더 이상 필요하지 않기 때문임). 이로써, 재정렬된 에코 신호가 초음파 수신기 바로 하류에서 사용할 수 있기 때문에, 전용 전자 회로(그 예로, 적절하게 프로그래밍된 FPGA 회로)에 의해 연속적인 에코 신호들 사이의 상관관계 계산을 곧 바로 달성될 수 있다. 이로써, 전송 및 저장되는 데이터의 양이 소스로부터 바로 크게 줄어들어, 실시간 응용 분야에 매우 유리하다. 예를 들어, 통상적인 에코 신호는 각각 2 바이트의 5000개 포인트(통상적인 에코 지속 시간 100 ㎲ 및 샘플링 속도 50 MHz에 대해)를 포함할 수 있지만, 상관관계에 의해 얻은 대응하는 스트레인 라인은 각각 4 바이트의 약 100개 포인트를 포함할 수 있다. 따라서, 소스에서 바로 동작되는 데이터 볼륨 감소는 통상적으로 25배(factor) 이상만큼 감소한다. 이러한 데이터 볼륨 감소가 유용한 실시간 응용 분야는 논문 "Vibration-Guided Transient Elastography: A Novel Fibroscan® Examination with Improved Guidance for Liver Stiffness Measurement" by H. Loree et al., Ultrasound in Medicine and Biology, Volume 46, Issue 9, 2020, pp 2193-2206.에 설명된 바와 같이, 특히 진동-제어 고조파 엘라스토그래피 또는 진동-안내 순간 엘라스토그래피 기술을 포함한다.
시간적 오프셋 조정과 관련하여, 초음파 트랜스듀서(또는 복수의 초음파 트랜스듀서)가 조직을 향해 이동될 때, 프로브로 검사될 조직 부분을 향해 그리고 뒤로 이동하는 왕복 이동에 대해, 방출된 초음파 펄스의 플라이트 시간(time of flight)은 2.d/vus 양만큼 단축되는 것을 주목할 수 있고, d는 기준 위치에 대한 변위(d는 트랜스듀서를 조직에 더 가까이 가져갈 때 양수임)이다. 이로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서(또는 복수의 트랜스듀서)의 변위에도 불구하고, 다른 에코 신호와 정렬된 상태를 유지하는 에코 신호를 얻기 위해서, 2.d/vus의 함수에 따라, 초음파 펄스의 방출과 대응하는 에코 신호의 획득 사이의 지연을 감소시키는 것이 바람직하다. 이는 2.d/vus의 함수에 따라 차이가 변화하도록 방출 시 시간 오프셋 및/또는 수신 시 시간 오프셋을 조정함으로써, 개시된 디바이스에서 정확하게 달성된다.
특히, 디바이스의 전자 유닛은 수신 시 시간 오프셋과 방출 시 시간 오프셋 사이의 차이가 Δto - 2.d/vus와 같도록 방출 시 시간 오프셋 및/또는 수신 시 시간 오프셋을 조정하도록 구성될 수 있고, Δto는 초음파 펄스의 방출과, 응답으로 수신된 에코 신호의 획득 사이의 일정한 지연이다. "같음(equal)"은 주어진 정밀도(절대적인 정밀도는 실제로 달성될 수 없기 때문임) 내에서 같음을, 예를 들어 20% 정밀도 내에서 같음을(이는 대부분의 변위 유도 시간-이동을 제거할 수 있기 때문임), 또는 심지어 10% 정밀도 내에서, 또는 더 나은 5% 정밀도 내에서 같음을 의미한다.
전자 유닛은 방출된 초음파 펄스 중 적어도 일부에 대해:
o 방출 시 시간 오프셋이 δtTX,o + C.d/vus와 같도록, 방출 시 시간 오프셋을 조정하도록 더 구성될 수 있고, δtTX,o은 방출 시 일정한 지연이고,
o 그리고 수신 시 시간 오프셋이 δtRX,o - (2-C).d/vus와 같도록, 수신 시 시간 오프셋을 조정하도록 더 구성될 수 있고, δtRX,o은 수신 시 일정한 지연이며,
C는 0 내지 2의 상수 계수이다.
특히, C는 1과 같을 수 있고, 방출 시 시간 오프셋은 δtTX,o + d/vus 와 같을 수 있으면서, 수신 시 시간 오프셋은 δtRX,o - d/vus와 같을 수 있다. 다시 말해, 전자 유닛은 방출 시 시간 오프셋과 수신 시 시간 오프셋 사이에 적용되는 전체 시간-이동 보정(즉, -2.d/vus)을 고르게 분배하도록 구성될 수 있다. 이는 방출 시에만 보정을 적용하거나(방출 시 시간 오프셋이 2.d/vus에 따라 변함), 또는 수신 시에만 보정을 적용하는 것(수신 시 시간 오프셋이 - 2.d/vus에 따라 변함)보다 전용 전자 장치 및/또는 프로그래밍을 필요로 한다. 그러나, 이는 그 대가로 시간 경과에 따른 조직 변형의 최적의 정확한 샘플링을 가능하게 한다.
실제로, 깊이(z) 및 시간(t)에서 조직 변위(δ)를 프로브로 검사하기 위해, 초음파 펄스 방출은, 트랜스듀서(들) 변위(d)에도 불구하고, 방출된 펄스가 초기에 계획된 시간에서 프로브로 검사될 위치에 도달하도록, 이상적으로 d/vus만큼 지연되어야 한다.
상대적으로, 수신된 에코 신호가 - 2.d/vus만큼 시간-이동되는 반면, 방출은 시간-이동되지 않는 경우, 트랜스듀서(들) 변위로 인한 에코 신호의 z-이동은 적절하게 억제될 것이지만, 최종적으로 얻은 조직 변형은 시간(t)가 아니라, 시간 t-d/vus에서의 변형일 것이다. 다시 말해, 이러한 방식으로 재정렬된 에코 신호를 상관시켜 얻은 조직 변위(δ)는 실제 깊이(z)에서 조직 변위가 될 것이며, 조직 변위는 변위 오프셋은 없지만(즉: 적절한 z-보정이 있음), 약간의 시간적 오류가 있다. 실제로, 조직 변형의 이러한 완벽하게 정확하지 않은 시간 샘플링은 탄성도에서 파면을 약간 왜곡할 수 있다. 이로써, 위에서 지정된 바와 같이, d에 따라 방출 및 수신 둘다 시간 이동시키는 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 위에 제시된 선행 기술의 후-처리 보상 기술이 조직 변형의 그러한 정확한 시간 샘플링을 허용하지 않는다는 점에 유의할 수 있다.
이미 언급된 바와 같이, 본 발명의 디바이스에서 구현되는 보상 기술은 해당 선행 기술 후-처리 기술보다 훨씬 적은 계산을 필요로 한다. 특히 FPGA에 구현된 초음파 시퀀서에 의해 즉석에서(on-the-fly) 수행될 수 있다.
그러나, 그 대가로 이 기술은 특정 장비를 필요로 한다. 실제로, 초음파 펄서 또는 변환기, 및/또는 이를 제어하는 전자 모듈은 가변 입력 신호(예를 들어, 변위 신호)에 대한 함수에 따라 실시간으로 방출 및/또는 수신을 시간 이동시킬 수 있어야 한다. 그리고, 발명자들이 알고 있는 한, 오늘날 상업적으로 이용 가능한 초음파 펄서 또는 변환기 및 연관 제어 전자 장치는 일반적으로 외부 신호에 기초하여 방출/수신 시 그러한 지연의 제어를 허용하지 않는다: 이들은 미리 결정된(실제로 미리 기록된) 펄스의 고정 시퀀스(때로는 상당히 복잡할 수 있지만 그럼에도 불구하고 미리 결정된 시퀀스)를 송신하도록 설계되었으며, 상기 고정 시퀀스는 가변 입력 신호의 함수에 따라 실시간으로 조정된 시퀀스는 아니다. 이로써, 여기에 개시된 기술을 구현하려면 실질적인 개발 작업이 필요한 그러한 특정 전자 모듈의 개발을 필요로 하였다.
방출 시 시간 오프셋 및/또는 수신 시 시간 오프셋은 (이 변위로 인해 시간-이동을 적절하게 보상하기 위해) 고려된 초음파 펄스의 방출 시 단일 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위(d)에 기초하여 조정된다. 그러나, 단지 변위 센서 및 방출 시/수신 시 시간적 오프셋을 제어하는 전자 장치의 0이 아닌 응답 시간 때문에(일반적으로 "파이프라인 시간"이라고 하는 작은 지연), 약간의 시간적 여유가 허용된다는 점(고려된 변위(d)는 이 초음파 펄스의 방출 시점에서 정확한 변위가 아닐 수 있음)에 유의할 수 있다. 예를 들어, 시간(t)에서 방출된 펄스에 대해, 이 펄스를 이동(또는 대응하는 에코 신호를 이동)하기 위해 고려된 변위는, 0.2ms 정밀도 내에서 동일 시간(t)에서의 변위 또는 저주파 기계적 진동기에 의해 유도된 변위의 주기(또는 통상적인 변화 시간)의 1/30보다 시간적 정밀도가 더 좋은 변위일 수 있다.
디바이스의 전자 유닛은 증폭기, 펄서, 스위치 또는 변환기와 같은 프로브의 액추에이터(들), 트랜스듀서(들) 및 센서(들)를 구동/인터페이스하기 위한 전자 장치를 포함할 수 있다. 이러한 전자 유닛은 또한 적절한 제어 신호를 생성하고 획득된 신호를 처리하기 위한 제어 전자 장치를 포함할 수 있다. 이들 제어 전자 장치는 예를 들면, 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 시스템 온 칩, 또는 다수의 것들, 또는 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 전자 논리 회로를 포함할 수 있다. 해당 전자 논리 회로는 예를 들어 FPGA(Field-Programmable Gate Array)일 수 있다.
상기에 제시된 엘라스토그래피 디바이스는 또한 개별적으로 또는 모든 기술적으로 가능한 조합에 따라 고려되는 다음의 보완적이고 비-제한적인 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 디바이스는 상기 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 나타내는 측정 신호를 출력하도록 배치된 변위 센서를 더 포함하고, 전자 유닛은 방출 시 시간 오프셋 및/또는 상기 측정 신호에 기초한 수신 시 시간 오프셋을 생성하도록 더 구성된다.
- 상기 변위 센서는, 출력하는 측정 신호가 관성 기준 프레임에 대해 상기 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 나타내도록 배치된 관성 센서(그 예로 가속도계)이다;
- 프로브는 헨드헬드형 프로브 케이싱을 포함하고, 상기 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서는 프로브 케이싱에 대해 움직임 없이 프로브 케이싱에 결합되고, 진동기는 상기 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 피험자의 신체를 향하여, 유도하기 위해, 프로브 케이싱 내부에 질량체를 이동하도록 배치된다;
- 프로브는 프로브 케이싱을 포함하고, 상기 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서는 프로브 케이싱에 대해 이동 가능하고, 변위 센서는, 전달되는 측정 신호가 프로브 케이싱에 대해 상기 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 나타내도록 배치된다.
유의할 바와 같이, 방출 시 시간 오프셋이 위에서 설명된 변위 d를 기초로 하여 조정될 때, 이 변위는 시간에 따라 하나의 초음파 펄스로부터 다른 펄스로 변하기 때문에, 연속적으로 방출되는 두 펄스들 사이의 지속 시간(즉: 펄스 반복 주기)도 시간에 따른 d의 변화에 따라서 수정된다(예를 들어, 도 9 참조). 이는 위에 제시된 보상 기술이 시간에 따른 d의 변화를 기초로 하여, 펄스 반복 주기를 조정하여 구현될 수도 있음을 보여준다.
이로써, 본 발명은 또한 엘라스토그래피 디바이스에 관한 것이고, 상기 엘라스토그래피 디바이스는:
- 피험자의 신체에 유지되는 프로브, 여기서 상기 프로브는:
o 단일 초음파 트랜스듀서; 또는 복수의 초음파 트랜스듀서, 여기서 특성화될 조직에서 초음파 펄스를 방출하도록 배치된 프로브의 모든 초음파 트랜스듀서는 서로에 대해 움직이지 않음; 및
o 상기 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 상기 조직을 향하여 유도하도록 배치된 저주파 진동기;를 포함함; 및
- 초음파 펄스의 시퀀스를 방출하기 위해 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하도록 구성되며, 방출된 초음파 펄스에 응답하여 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서에 의해 수신된 에코 신호를 획득하도록 구성되어, 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위만큼 조직에 유도된 탄성파가 상기 조직에 이동하는 법을 추적하는 전자 유닛;을 포함하며,
- 전자 유닛은, 방출된 초음파 펄스 중 적어도 일부에 대해, 초음파 펄스를 다음 방출된 초음파 펄스로부터 분리하는 펄스 반복 주기가 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위에 따라 변화하도록 더 구성되며,
펄스 반복 주기는:
o 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서가 상기 조직으로부터 이동될 때 기본 펄스 반복 주기(To)에 비해 짧아지고,
o 그리고 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서가 상기 조직을 향해 이동될 때 기본 펄스 반복 주기(To)에 비해 길어진다.
특히, 펄스 반복 주기는 v/vUS에 기초하여 조정될 수 있으며, 여기서 v는 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위 속도, 즉 변위 d의 시간-도함수
Figure pat00003
이다.
이러한 방식으로 펄스 반복 주기를 조정하는 것은 d/vUS의 함수에 따라 방출 시 시간 오프셋을 조정하는 것과 동일한 결과, 또는 실질적으로 동일한 결과를 생성한다는 것을 알 수 있다. 실제로, 이러한 방식으로 펄스 반복 주기를 조정하는 것은 d를 기초로 하여 오프셋 자체를 조정하는 대신, d의 시간-도함수에 따라 방출 시 이 오프셋의 시간 도함수를 조정하는 것과 같다.
특히, 전자 유닛은, 펄스 반복 주기가
Figure pat00004
와 같도록(주어지 정밀도 내에서, 예를 들어 20%, 또는 10% 정밀도) 펄스 반복 주기를 조정하도록 구성될 수 있고, 이는, 방출 시 시간 오프셋이 δtTX,o + d/vus와 같도록 방출 시 시간 오프셋을 조정하는 것과 실질적으로 동일한 시간 이동 보상을 생성한다.
전자 유닛은 또한, 펄스 반복 주기가 To×(1+2.v/vUS)와 같도록 펄스 반복 주기를 조정하도록 구성될 수 있고, 이는 도입될 시간적 이동이 방출 시에 완전히 도입되는 경우에 해당한다(수신 시에는 시간-이동 없음).
보다 일반적으로, 전자 유닛은 펄스 반복 주기가 To×(1+C.v/vUS)와 같도록 펄스 반복 주기를 조정하도록 구성될 수 있고, C는 0 내지 2의 상수 계수이다.
본 기술은 또한 프로브를 포함하는 디바이스에 의해 구현된 엘라스토그래피 방법에 관한 것이고, 상기 프로브는:
- 단일 초음파 트랜스듀서; 또는 복수의 초음파 트랜스듀서, 여기서 특성화될 조직에서 초음파 펄스를 방출하도록 배치된 프로브의 모든 초음파 트랜스듀서는 서로에 대해 움직이지 않음; 및
- 상기 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 상기 조직을 향해 유도하도록 배치된 저주파 진동기;를 포함하며
상기 방법은:
- 상기 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 상기 조직을 향해 유도하도록 저주파 진동기를 제어하는 단계;
- 초음파 펄스의 시퀀스를 방출하기 위해 상기 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하고, 방출된 초음파 펄스에 응답하여 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서에 의해 수신된 에코 신호를 획득하여, 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위만큼 조직에서 유도된 탄성파가 조직에서 이동하는 법을 추적하는 단계;를 포함하며,
- 상기 방법은 방출된 초음파 펄스 중 하나 이상에 대해:
o 초음파 펄스의 방출이 이동되는 방출 시 시간 오프셋을 생성하는 단계;
o 및/또는 방출된 초음파 펄스에 응답하여 획득된 에코 신호가 이동되는 수신 시 시간 오프셋을 생성하는 단계를 더욱 포함하여,
초음파 펄스의 시퀀스 동안 발생하는 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위로 인해 획득된 다른 에코 신호에 대한 상기 에코 신호의 시간적 이동을 보상하고,
방출 시 시간 오프셋 및/또는 수신 시 시간 오프셋은 2.d/vus의 함수에 따라 차이가 변화하도록 조정되고, d는 방출 시점에서 트랜스듀서 또는 복수의 트랜스듀서의 변위이고, vus는 상기 조직에서 초음파 속도이다.
상술된 디바이스의 서로 다른 실시예의 특징은 이러한 엘라스토그래피 방법에도 적용될 수 있다.
개시된 기술의 다른 특징 및 이점은 도면을 참조하여 예시로서 그리고 비제한적으로 아래에 제공되는 설명으로부터 명백해질 것이며, 여기서:
도 1은 종래 기술의 엘라스토그래피 디바이스를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 순간적인 엘라스토그래피 측정 동안에, 도 1의 디바이스의 초음파 트랜스듀서의 변위 및 이 변위에 응답하여 조직이 어떻게 이동하는지 추적하기 위해 이 측정 동안 송신된 초음파 펄스 시퀀스를 나타낸다.
도 3은 도 1의 디바이스에 의해 얻어진 탄성도를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 트랜스듀서의 변위의 함수에 따라 시간적으로 이동된 방출 및 수신 시간을 개략적으로 나타낸다.
도 5는 통상적인 순간 엘라스토그래피 측정 동안, 초음파 트랜스듀서의 변위 및 초음파 펄스의 방출 시간을 크로노그램(chronogram)으로 개략적으로 나타낸다.
도 6은 제1 실시예에 따른 엘라스토그래피 디바이스를 개략적으로 나타낸다.
도 7은 블록도로서 도 6의 디바이스의 전자 유닛을 개략적으로 나타낸다.
도 8은 트랜스듀서의 변위에 기초하여, 도 7의 전자 유닛에 의해 생성된 방출 시 및 수신 시 시간적 오프셋을 개략적으로 나타낸다.
도 9는 통상적인 엘라스토그래피 측정 동안, 도 6의 디바이스에 의해 시간 경과에 따라 방출되는 초음파 펄스의 시퀀스를 개략적으로 나타낸다.
도 10은 제2 실시예에 따른 엘라스토그래피 디바이스를 개략적으로 그리고 부분적으로 나타낸다.
도 11은 제3 실시예에 따른 엘라스토그래피 디바이스를 개략적으로 그리고 부분적으로 나타낸다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 발명은 진동-제어 엘라스토그래피 디바이스에 관한 것으로 즉, 다음과 같이 구성되는 엘라스토그래피 디바이스에 관한 것이다: - 프로브 팁과 같이 매체의 표면과 접촉하는 요소를 이동시켜 탐사될 매체에서 전파하는 탄성파를 생성하며, 그리고 매체에서 초음파 펄스를 전송하고 응답으로 수신된 에코 신호를 기록하여, 탄성파가 매체에서 이동하는 법(또는 다른 말로 하면, 매체에 가해지는 진동에 의해 매체가 이동하는 법)을 추적한다.
초음파 펄스 및 대응하는 에코 신호는 프로브로 검색될 매체에 가깝거나 심지어 접촉하고 있는 해당 이동 요소 상에(예를 들어, 프로브 팁 말단부에서) 고정된 하나 이상의 초음파 트랜스듀서에 의해 송신 및 수신된다. 이로써, 탄성 측정 과정에서, 이들 트랜스듀서는 서로에 대해 획득된 에코 신호의 시간적 비정렬(de-alignment)을 유발하는 이동 요소와 마찬가지로 변위된다. 여기에 제시된 엘라스토그래피 디바이스는 수신된 서로 다른 에코 신호를 시간적으로 재정렬하기 위해 초음파 트랜스듀서 또는 트랜스듀서의 변위를 보상하도록 구성된다.
이를 위해, 방출 시 시간적 오프셋(또는, 동등하게 연속적인 펄스들 사이의 펄스 반복 주기), 및/또는 수신 시 시간적 오프셋은 초음파 트랜스듀서 또는 트랜스듀서의 변위에 따라, 실시간으로 조정된다(예를 들어 도 7 참조).
참조 번호 1; 1' 및 1"에 의해 각각 식별된 그러한 디바이스의 3 개의 실시예는 도 6, 10 및 11 각각에 나타난다.
이들 3 개의 실시예에서, 디바이스(1; 1'; 1")는 단일 초음파 트랜스듀서(6)를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 엘라스토그래피 디바이스는 복수의 초음파 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 그러나 어쨌든, 여기에 개시된 기술에 따른 디바이스에서, 특성화될 조직에서 초음파 펄스를 방출하도록 배치된 모든 초음파 트랜스듀서는 서로에 대해 움직이지 않는다. 따라서, 이들을 함께 움직이고, 이들의 움직임은 모든 트랜스듀서에 대해 동일한 변위(d)에 의해 특성화된다.
"조직"이라는 표현은 피험자(인간 또는 동물)의 신체 일부를 의미하는 것으로 이해된다. 이 표현은 반드시 전체 기관 또는 단일 기관을 지칭하는 것은 아니다. 기계적 진동이 전달되고 초음파 펄스에 의해 변형이 추적되는 조직(8)은 프로브의 축(z)을 따라 디바이스의 프로브 부근에 위치된 피험자의 신체의 일부이다. 다음에서, 약어 U/S는 "초음파"를 나타낸다.
제1 실시예에 따른 디바이스(1)(도 6 및 7)는 U/S 트랜스듀서(6)의 변위(d)에 따라, 방출 시 시간 오프셋(
Figure pat00005
) 및 수신 시 시간 오프셋(
Figure pat00006
)을 조정하여 위에서 언급한 시간-이동(time-shifts)을 보상하도록 구성된다.
제2 실시예에 따른 디바이스(1')는 제1 실시예의 디바이스와 유사하지만, 연속적인 U/S 펄스들 사이의 펄스 반복 주기(T)를 직접 조정함으로써, 그리고 옵션으로, 수신 시 시간 오프셋(
Figure pat00007
)도 조정함으로써, 해당 시간-이동을 보상하도록 구성된다.
디바이스(1 및 1')에서, U/S 트랜스듀서(6)는 디바이스의 프로브(2)의 케이싱(3)에 대해 이동 가능하다. 그리고 프로브는 조직(8) 상에 저주파 진동을 가하기 위해, 케이싱(3)(조작자가 손에 쥐고 있는 케이싱)에 대해 U/S 트랜스듀서(6)를 이동시키도록 배치된 저주파 진동기(5)를 포함한다.
대조적으로, 제3 실시예에 따른 디바이스(1")에서, U/S 트랜스듀서(6)는 프로브 케이싱에 대해 움직임 없이 프로브 케이싱(3)에 결합된다. 프로브(2")는 전체 프로브를 진동시키기 위해 프로브 케이싱(3) 내부에 질량체(mass, 12)를 이동시키도록 배치된 진동기(5")를 포함한다.
그러나, 이들 3개의 실시예는 서로 유사하고, 디바이스(1; 1'; 1")의 동일하거나 대응하는 요소는 일반적으로 동일한 참조로 식별될 것이다.
제1 실시예에 따른 디바이스(1)가 이제 도 6 내지 9를 참조하여 더 상세히 설명된다.
이 엘라스토그래피 디바이스(1)는 위에서 언급된 프로브(2), 프로브의 케이싱(3), 진동기(5) 및 U/S 트랜스듀서(6)를 포함한다. U/S 트랜스듀서(6)는 저주파 진동기에 의해 작동되는 프로브 팁(4)의 끝에 고정된다(도 6 참조).
이 디바이스에서, 진동기(5)는 프로브 축(z)과 일치하는 진동기 축을 중심으로 회전 대칭이다. 진동기(5)가 진동할 때, 이는 축에 평행하고 주로 길이 방향인 변위를 유도한다.
여기서, 진동기(5)는 샤프트를 이동시키도록 배치되며, 샤프트의 끝은 프로브 팁(4)을 형성한다. 이 샤프트는 축(z) 상의 중심에 있고 진동기(5)는 축(z)을 따라 이 샤프트를 이동시키도록 배치된다. 진동기(5)는 (중심 주파수가 통상적으로 1 메가헤르츠보다 높은, 예를 들어 1 내지 5 메가헤르츠인 초음파 샷 또는 에코 신호와는 대조적으로) 500 헤르츠보다 작거나, 심지어 100 헤르츠보다 작은 중심의 평균 주파수로 팁을 움직인다는 점에서 저주파 진동기이다. 진동기는, 예를 들어, 확성기(loud-speaker) 액추에이터와 유사한, 하나 또는 여러 개의 코일과 자석이 있는 저주파 전자-기계 액추에이터이다. 대안으로, 브러시리스 DC 모터 또는 전자 정류 모터(electronically commutated motor)와 같은 전기 모터를 포함할 수도 있다. 그러한 대안은 예를 들어 진동-안내 순간 엘라스토그래피(vibration-guided transient elastography)에 상당히 적합하다.
초음파 트랜스듀서(6)는 트랜스듀서 축을 중심으로 회전 대칭이고 이 축을 중심으로 초음파 빔을 방출한다. 트랜스듀서 축은 진동기의 축과 일치하고, 이에 따라 프로브 축(z)과 일치한다. 초음파 트랜스듀서(6)는 예를 들어 원형 섹션을 가지며, 진동기의 축은 이 섹션의 중심을 통과한다. 이 섹션은 통상적으로 작은데, 1 제곱 센티미터보다 작다(이는 1 센티미터보다 작거나 8 밀리미터 또는 심지어 5 밀리미터보다 작은 직경을 가질 수 있음). 트랜스듀서(6)는 밀봉 멤브레인으로 덮일 수 있으며, 이 밀봉 멤브레인은 측정하기 위해, 프로브(2)가 제자리에 유지될 때 피험자의 신체와 접촉된다.
실제로, 진동기(5)에 의해 유도된 초음파 트랜스듀서(6)의 변위는 0.1 mm 내지 10 mm의 피크-피크 진폭(peak-to-peak amplitude)을 가진다(예를 들어, 순간적인 엘라스토그래피 측정 자체의 경우 0.5 내지 10 mm, 가능하다면, 예를 들어 조작자를 안내하는데 사용되는 고조파(harmonic) 진동의 경우 더 작을 수 있음). 도 2 및 5의 예에서 이 진폭은 2 mm이다.
프로브(2)는 초음파 트랜스듀서(6)의 변위를 나타내는 측정 신호(Sd)를 출력하도록 배치된 변위 센서(11)를 포함한다. 이 실시예에서, 측정 신호(Sd)는 프로브 케이싱(3)에 대한 초음파 트랜스듀서(6)의 변위를 나타낸다. 변위 센서(11)의 일부는 위에서 언급한 샤프트 상에 고정되는 반면, 센서의 또 다른 부분은 케이싱(3)에 대한 움직임 없이 프로브에 맞춰진다. 변위 센서(11)는 홀-효과 센서, 유도 변위 센서, 불투명/투명 교호 존을 갖는 룰러(ruler)를 포함하는 광학 센서, 또는 임의의 다른 적합한 센서일 수 있다.
프로브(2)는 컴퓨터(랩톱, 스마트폰, 또는 프로브를 제어 및 인터페이스하고 획득된 신호를 처리하도록 배치된 전용 전자 디바이스일 수 있음)의 구조를 갖는 중앙 유닛(7)에 동작 가능하게 연결된다. 중앙 유닛은 적어도 메모리 및 프로세서를 포함한다. 여기에서는, 이는 터치 스크린과 같은 사용자 인터페이스도 포함한다. 프로브는 연결 케이블(9)에 의해 또는 무선 링크에 의해 중앙 유닛(7)에 연결될 수 있다.
디바이스(1)는 또한 전자 유닛(10)을 포함한다. 이 전자 유닛의 블록도가 도 7에 나타난다.
이 전자 유닛(10)의 일부 요소(예를 들어, 신호 조절 모듈(32))는 프로브(2)에 수용될 수 있는 반면, 이 유닛(10)의 다른 요소는 중앙 유닛(7)의 일부일 수 있다. 대안적으로, 전체 전자 유닛(10)은 프로브(2)에 수용될 수 있거나, 반대로 이는 중앙 유닛(7)에 완전하게 통합될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 전자 유닛(10)은 제어 모듈(20), 초음파 프론트엔드(40), 및 진동기(5)를 제어하는 모션 제어기(30)를 포함한다. 초음파 프론트엔드(40) 및 모션 제어기(30) 둘 다는 제어 모듈(20)에 연결된다(즉, 이들은 제어 모듈(20)로부터 명령어 또는 제어 신호를 수신하거나, 데이터 또는 측정 신호를 이에 전송할 수 있음). 전자 유닛은 또한 변위 센서(11)에 의해 출력된 측정 신호(Sd)를 조절 및 디지털화하기 위한 신호 조절 모듈(32)을 포함한다. 이 신호 조절 모듈(32)은 여기에서 모션 제어기(30)의 일부이다.
모션 제어기(30)는 또한 진동기(5)를 구동하기 위한 증폭기(31)를 포함한다. 증폭기(31)는 전기적 관점에서 제어 신호를, 진동기를 구동하기에 적합한 형태로 변환하도록 구성된다. 이로써, 증폭기(31)는 예를 들어, 전류 증폭기 또는 전력 증폭기(예를 들어, 텍사스 인스트루먼트에 의한 LM3886 전력 증폭기)일 수 있다.
제어 모듈(20)은 기계 실행 가능 명령어 및/또는 FPGA(field programmable gate array) 또는 또 다른 프로그램 가능 회로와 같은 프로그램 가능 마이크로회로를 포함하는 비-휘발성 메모리에 결합된 마이크로프로세서와 같은 데이터를 처리하기 위한 전기 회로를 포함하는 디바이스 또는 시스템이다. 제어 모듈(20)은 또한 하나 또는 여러 개의 RAM 메모리 또는 레지스터를 포함할 수 있다. 제어 모듈(20)은 예를 들어 FPGA 캐리어 보드의 형태일 수 있다.
제어 모듈(20)은 엘라스토그래피 측정이 트리거될 때 샤프트(40)를 변위시키기 위해(따라서 U/S 트랜스듀서(6)를 변위시키기 위해) 모션 제어기(30)를 제어하도록 구성된다(예를 들어, 메모리에 저장된 명령어를 통해 프로그래밍됨). 이 측정은 수동으로, 조작자에 의해(예를 들어, 위에서 언급한 사용자 인터페이스 또는 푸시 버튼에 의해), 또는 자동으로 트리거될 수 있다. 샤프트 변위는 미리 결정된 명령 신호에 따라 제어된다. 여기서, 이 변위는 증폭기(31), 변위 센서(11), 신호 조절 모듈(32) 및 PID 보정기와 같은 진동 제어 모듈(24)을 포함하는 제어 루프에 의해 제어된다(여전히, 대안적인 실시예에서, 진동기는 개방 루프에 의해 제어될 수 있다 - 즉, 센서 피드백이 없음). 여기에서 고려되는 실시예에서, 진동기에 의해 유도된 샤프트의 변위는 순간 변위이며, 예를 들어 5 ms 내지 50 ms의 지속 시간(duration)을 가진 정현파의 한 주기에 해당한다.
초음파 프론트엔드(40)는 초음파(U/S) 펄서(pulser, 41), U/S 수신기 모듈(42) 및 초음파 신호를 교호적으로 송수신하기 위한 스위치(43)를 포함한다. U/S 펄서(41)는 제어 모듈(20)에 의해 출력된 송신 제어 신호(STX)에 기초하여 U/S 트랜스듀서(6)를 구동하기에 적절한 전기 초음파 신호를 생성하도록 구성된 전기 회로를 포함한다. 이 전기 회로는 증폭기 및 DAC(디지털-아날로그 컨버터), 예를 들어 초당 10 내지 1000 메가 샘플율을 갖는 8 내지 16 비트 DAC를 포함할 수 있다. U/S 수신기 모듈(42)은 이전에 U/S 트랜스듀서(6)에 의해 수신된(그리고 스위치(43)를 통해 U/S 수신기 모듈(42)로 전송된) 전기 초음파 신호(에코 신호)를 획득하도록 구성된 전기 회로를 포함한다. 초음파 수신기 모듈(42)의 전기 회로는 전압 증폭기, 하나 이상의 필터 및 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 예를 들어 초당 10 내지 100 메가 샘플율을 갖는 8 내지 16비트 ADC를 포함할 수 있다.
제어 모듈(20)은 엘라스토그래피 측정이 트리거될 때 U/S 트랜스듀서(6)가 도 2에 나타낸 시퀀스(S)와 같은 초음파 펄스(USP)의 시퀀스를 방출하기 위해, U/S 프론트엔드(40)를 제어하도록 구성된다(예를 들어, 메모리에 저장된 명령어를 통해 프로그래밍됨). 제어 모듈(20)은 또한, U/S 트랜스듀서(6)의 변위에 의해 조직(8)에서 유도된 탄성파가 조직에서 이동하는 법을 추적하기 위해, 방출된 펄스에 응답하여 U/S 트랜스듀서(6)에 의해 수신된 에코 신호를 획득하도록 구성된다.
각 초음파 펄스 USP의 중심 주파수는 예를 들어 0.5 내지 10 메가헤르츠로 구성된다. 위에서 언급한 시퀀스의 초음파 펄스는 한 번에 하나씩 송신될 수 있으며, 두 개의 연속 펄스는 펄스 반복 주기(T)만큼 분리되며, 이 펄스 반복 주기는 통상적으로 50 마이크로초 내지 2 밀리초이다(0.5 킬로헤르츠 내지 20 킬로헤르츠의 펄스 반복율에 해당). 위에서 언급된 시퀀스의 초음파 펄스는 또한 그룹에 의해, 예를 들어 2 개의 펄스의 그룹에 의해 송신될 수 있다(2 개의 대응하는 에코 신호 사이의 상관관계를 계산하기 위함). 각 그룹의 2 개의 펄스는 50 내지 200 마이크로초의 지속 시간만큼 분리될 수 있는 반면, 펄스 그룹 자체는 긴 지속시간, 예를 들어 0.5 ms보다 긴 지속 시간만큼 분리된다. 다양한 실시예에서 서로 다른 송신 시퀀스가 또한 고려될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
진동-제어 순간 엘라스토그래피의 경우에(도 2, 3 및 5에서와 같음), 이러한 U/s 펄스 시퀀스의 총 지속 시간은 50 ms 내지 200 ms일 수 있다. 이러한 지속 시간은 저속(slower) 탄성파의 전파 속도에 따라, 그리고 관찰 영역의 깊이에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 깊이가 80 mm이고 전파 속도가 1 m/s인 경우(피험자의 간에서 통상적인 전단파의 경우), 시퀀스의 지속 시간은 80 ms일 수 있다.
디바이스(1)에 의해 송신된 U/S 펄스의 시퀀스는 방출 시 시간 오프셋(
Figure pat00008
)만큼 시퀀스의 각 펄스를 시간적으로 이동함으로써 고정되고 미리 결정된 기준 시퀀스에 기초하여 생성되고, 방출 시 시간 오프셋은 U/S 트랜스듀서(6)의 변위에 따라 실시간으로 조정된다.
이를 위해, 제어 모듈(20)은 (예를 들어, 제어 모듈의 메모리에 저장된 미리 결정된 송신 시퀀스에 기초하여) 기준 송신 제어 신호(STX,O)를 생성할 수 있으며, 엘라스토그래피 측정이 트리거될 때, 이 신호는 U/S 프론트엔드(40)로 전송되는 송신 제어 신호(STX)를 생성하기 위해, 제어 가능한 지연부(23)에 의해 제어된 방식으로 지연된다.
획득된 각 에코 신호는, 상기 시퀀스 동안 방출된 U/S 펄스 중 하나의 방출 이후, U/S 트랜스듀서(6)에 의해 시간(t)에 걸쳐 수신된 신호에 의해 형성된다. 이는 보다 정확하게는, 이 방출 이후에 시작하여 주어진 지속 시간(techo)을 가진 주어진 시간 창(temporal window)(도 4 참조) 내에서 수신된 신호이다. U/S 트랜스듀서(6)가 움직이지 않을 때, U/S 펄스 방출과 이 시간 창의 시작 사이의 지연은 Δto이다. 예를 들어, 조직(8)(보다 일반적으로, 특성화될 매체)이 최소 깊이(zmin)으로부터 최대 깊이(zmax)까지 프로브로 검사되는 경우, 일정한 지연(Δto)은 2.zmin/vUS로 설정될 수 있지만, 창 지속 시간(techo)은 2.(zmax -zmin)/vUS로 설정될 수 있다. 예를 들어, zmin = 20 mm이고 zmin = 100 mm (z=20 mm으로부터 80 mm로 확장되는 관심 영역 ROI)인 경우, Δto 및 techo 각각은 27 ㎲ 및 107 ㎲로 설정될 수 있다.
전송된 U/S 펄스에 대한 응답으로 U/S 트랜스듀서(6)에 의해 수신된 에코 신호는 U/S 트랜스듀서의 변위에 따라, 시간적으로 이동된다. 이들은 U/S 트랜스듀서 변위의 함수로 변하는 수신 시 시간 오프셋(
Figure pat00009
)만큼 이동된다. 보다 정확하게는, 각 에코 신호에 대해, 위에서 언급된 시간 창의 시작은 수신 시간에 대해
Figure pat00010
만큼 이동되며, 초기에는 트랜스듀서의 변위가 없다(다시 말해, 수신 기준 시간)는 가정 하에 이 펄스에 대해 계획되었다.
수신 시 시간 이동
Figure pat00011
은 제어 가능한 시퀀서(22)에 의해 얻어질 수 있으며, 제어 가능한 시퀀서는 시프트 레지스터 또는 또 다른 종류의 디지털 버퍼를 사용하여 증폭기 및 ADC(42)에 의해 출력된 디지털화된 신호에서 적절한 일련의 값을 선택할 수 있다. 이는 ADC 동작 시작에 대한 트리거링 시간(triggering time)을 제어하여 얻을 수도 있다. 이와 관련하여, 위에 제시된 것과는 다를 수 있는 다양한 솔루션이 방출 및/또는 수신 시 이러한 제어 가능한 지연을 구현하는 것으로 간주될 수 있음에 유의할 수 있다. 특히, 방출 시 및/또는 수신 시 시간 오프셋의 제어는 제어 모듈(20)에 의해 달성되는 대신에, (수신된 조정 신호에 따라) U/S 프론트엔드 자체에 의해 달성될 수 있다.
여하튼, 방출 시 시간 오프셋(
Figure pat00012
) 및 수신 시 시간 오프셋(
Figure pat00013
) 둘 다는, 트랜스듀서의 변위와 무관한 클록 신호와 같은 (동일한) 안정적인 시간 기준에 대한 오프셋이다.
전자 유닛(10)은 방출 시 시간 오프셋(
Figure pat00014
) 및 수신 시 시간 오프셋(
Figure pat00015
)을 조정하여, 초음파 펄스 방출의 시퀀스 동안 발생하는 초음파 트랜스듀서(6)의 변위에 의해 야기된 다른 것에 대해 수신된 에코 신호의 시간적 이동을 보상하도록 구성된다.
실제로, 도 5에 나타난 바와 같이, 트랜스듀서(6)가 측정 동안 이동함에 따라, U/S 트랜스듀서와 조직 내에서 주어진 깊이(z)에 위치한 요소 사이의 거리(따라서 플라이트 시간)는 고려되는 순간에 따라 변화된다. 도 5는 통상적인 순간 엘라스토그래피 측정 동안, U/S 트랜스듀서(6)의 변위 및 U/S 펄스 또는 펄스 그룹(예를 들어, 쌍)의 방출 시간을 크로노그램(chronogram)의 형태로 개략적으로 나타낸다. 이 예에서, (펄스 반복 주파수 그룹의) 펄스 반복 주파수는 500 Hz인 반면, 트랜스듀서에 가해지는 순간 진동은 20 ms의 지속 시간 및 2 mm의 피크-피크 진폭을 가진 1주기인 정현파이다.
여기서, 도 7 및 8에 나타낸 바와 같이, 전자 유닛(10)은 보다 구체적으로 구성된다:
- δtTX,o + d/vus와 같도록 방출 시 시간 오프셋 (
Figure pat00016
)을 조정하고, δtTX,o는 방출 시 일정한 지연이고, 그리고
- δtRX,o - d/vus와 같도록 수신 시 시간 오프셋을 조정하고, δtRX,o은 수신 시 일정한 지연임.
여기서, 이들 두 시간 오프셋 사이의 차이
Figure pat00017
는 방출된 U/S 펄스 중 하나의 방출과 응답으로 기록된 에코 신호의 시작 사이의 지연(Δt)와 같다(이들 시간 오프셋은 동일한 시간 기준 또는 클록에 대한 두 개의 시간 오프셋임). 이러한 시간 차이 Δt는 그 후
Figure pat00018
와 같으며,
Figure pat00019
이다.
방출 시 일정한 지연(δtTX,o)은 트랜스듀서에 대해 예상되는 최대 변위에 따라 설정될 수 있고, 그 결과
Figure pat00020
는 양을 유지한다. 2 mm의 최대 피크-피크 변위 진폭(조직 쪽으로 1 mm, 그리고 뒤 쪽으로 1 mm)이 예상되는 경우, 예를 들어 δtTX,o는 0,7 ㎲보다 높게 선택될 수 있다(조직에서 초음파의 속도가 1.5 mm/㎲와 동일). 방출 시 일정한 지연(δtRX,o)에 관하여, 이는
Figure pat00021
가 되도록 설정될 수 있다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 보정 모듈(21)은 신호 조절 모듈(32)에 의해 출력된 디지털화된 신호(변위 센서(11)에 의해 출력된 신호를 나타내는 디지털화된 신호)로부터 가변 지연(d/vUS)을 결정한다. 이 실시예에서, 트랜스듀서(6)의 변위(d)는 프로브 케이싱(3)에 대한 변위이다. 보정 모듈(21)은 가변 지연(d/vUS)을 결정하기 위한 전자 회로를 포함한다. 이 변위는 트랜스듀서의 기준 위치에 대한 트랜스듀서(6)의 변위에 해당한다. 이러한 기준 위치는 예를 들어 엘라스토그래피 측정을 트리거하기 직전에, 프로브가 피험자의 신체에 대해 유지될 때 트랜스듀서의 위치(케이싱에 대한 위치)이다. 이는 또한 고조파 엘라스토그래피의 경우에 트랜스듀서의 평균 위치일 수 있다. d의 값(양 또는 음일 수 있는 대수적 값)은 초음파 트랜스듀서가 조직을 향해(피험자의 신체 쪽으로) 이동할 때 증가한다; d는 조직을 향하는 축(z)을 따른 위치의 변화에 해당한다.
"과제의 해결수단"의 타이틀 섹션에서 설명된 바와 같이, 방출 시 U/S 트랜스듀서(6)의 변위(d)에 따라, 이러한 방식으로 방출 및 수신을 시간적으로 이동하면, 이러한 일련의 에코 신호를 획득하는 동안 트랜스듀서의 변위로 인해 발생된 에코 신호들 간의 시간적 오정렬이 보상될 수 있다.
이러한 지연 보상으로 인해, 기록된 서로 다른 에코 신호가 일시적으로 서로 다시 정렬된다. 이는, 각 에코 신호에서, 에코 신호의 시작 후 주어진 시간(t)에서 에코 신호의 일부가 서로 다른 에코 신호에 대해 매체에서 동일한 깊이(z)에 해당(즉, 매체에서 동일한 깊이(z)에 위치한 조직 부분에 의해 후방산란된 신호에 해당)한다는 것을 의미한다.
전자 유닛(10)은 또한 다음과 같이 구성될 수 있다:
- 기록된 에코 신호(이 상관 관계 이전에 시간적으로 재정렬된 이들 에코 신호)를 상관시키고, 각 시간(t)에 대해, 깊이(z)의 함수에 따라 조직 변위를 결정하고(즉: "발명의 배경이 되는 기술" 섹션에서 상술된 단계 c)), 그리고
- 이렇게 얻은 시공간 변위 맵의 z-도함수(
Figure pat00022
)를 계산함(트랜스듀서 변위의 전적으로 완벽한 보상이 아닌 것으로 인해 남아 있을 수 있는, 잔여의 비-보상된 작은 z-이동을 제거할 수 있기 위함)
도 7의 경우, 방출 및 수신 시 시간 오프셋(
Figure pat00023
및
Figure pat00024
)은 δtTX,o + d/vus 및 δtRX,o - d/vus 각각과 같도록 조정된다.
여전히, 대안에서, 이들의 차이
Figure pat00025
가 2.d/vus의 함수로 변하는 한, 이들 시간 오프셋은 서로 다르게 조정될 수 있다.
예를 들어, 보상은 방출 시 완전히 달성될 수 있으며, 그 후
Figure pat00026
는 δt'TX,o + 2.d/vus와 같도록 조정되는 반면,
Figure pat00027
는 시간이 지나도 일정하게 유지된다(수신 시 조정 없음).
반대로, 보상은 수신 시 완전히 달성될 수 있으며, 그 후
Figure pat00028
는 δt'RX,o - 2.d/vus와 같도록 조정되는 반면,
Figure pat00029
는 시간이 지나도 일정하게 유지된다(방출 시 조정 없음).
보다 일반적으로, 전자 유닛(10)은 다음과 같이 구성될 수 있다:
- δtTX,o + C. d/vus와 같도록, 방출 시 시간 오프셋
Figure pat00030
을 조정하며, 그리고
- δtRX,o - (2-C).d/vus와 같도록, 수신 시 시간 오프셋을 조정하며, C는 0 내지 2의 상수 계수임.
도 7 및 8을 참조하여 위에 제시된 경우는 C=1에 해당한다. 이 경우, 적용되는 전체 시간-이동 보정(즉 - 2.d/vus)은 방출 시 시간 오프셋과 수신 시 시간 오프셋 사이에서 고르게 분포된다. "과제의 해결 수단' 섹션에 설명된 바와 같이, 이 특정 보정은 조직 변형의 시간-샘플링 정확도에 관하여 최적이다.
도 9는 U/S 트랜스듀서(6)의 변위(d(t))의 예에 대해, 위(크로노그램 b))에 제시된 디바이스(1)에 의해 방출된 U/S 펄스의 시퀀스(S)를 개략적으로 나타낸다. 이는 또한 변위 없이 방출되었을 시퀀스(So)를 나타낸다(크로노그램 a)). 이 예에서, 지연되지 않은 기준 시퀀스(So)에서, U/S 펄스는 일정한 펄스 반복 주파수 PRF0로 주기적으로 규칙적으로 반복된다. 펄스 반복 주기, 즉 이들 펄스 중 어느 하나와 그 직후의 펄스 사이의 지속 시간은 그후 To로 표시되고 일정하다. 대조적으로, 디바이스(1)에 의해 방출되는 시퀀스에서, 펄스 반복 주기(T)는 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 시간이 지남에 따라 일정하지 않다.
두 펄스 사이의 시간 경과의 이러한 변화는 고려된 두 펄스에 적용된 방출 시 지연의 결과이고, 제1 펄스가 방출될 때, 그리고 제2 펄스가 방출될 때, 변위(d(t))의 값이 다르기 때문에 이들 두 펄스에 대해 지연이 다르다.
따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, U/S 트랜스듀서(6)가 움직이지 않을 때(즉: d(t)가 0이거나 일정할 때), 그 후 펄스 반복 주파수 PRF는 PRF0와 동일하게 일정하다. 그러나, U/S 트랜스듀서(6)가 조직을 향해 이동할 때(d가 증가할 때, 이는 도 9의 시간(t1)과 시간(t2) 사이의 경우임), 펄스 반복 주파수 PRF는 PRF0보다 작고, 펄스 반복 주기(T)는 To보다 높다. 반대로, U/S 트랜스듀서(6)가 뒤로 이동할 때(d가 감소할 때, 이는 도 9에서, 0과 시간(t1) 사이, 그리고 시간 (t2)와 시간(t3) 사이인 경우), 펄스 반복 주파수 PRF는 PRF0보다 높으며, 펄스 반복 주기(T)는 To보다 작다.
엘라스토그래피 디바이스(1')의 제2 실시예에서, 변위(d)를 기초한 비-지연된 기준 시퀀스 So의 서로 다른 펄스를 시간-이동하는 대신에, 생성된 시퀀스의 펄스-반복 주기(T)가 변위(d)에 따라 직접적으로 조정된다. 펄스-반복 주기 T는 d의 시간 도함수에 따라, 즉 U/S 트랜스듀서의 변위 속도
Figure pat00031
에 따라, 더 구체적으로 조정된다.
제2 실시예에서, 블록도로서 도 10에 개략적으로 나타낸 디바이스(1')의 전자 유닛(10')은 따라서 방출 시점의 변위(d)를 기초로 하여, 실시간으로 조정되는 펄스 반복 주기(T)로 방출될 펄스의 시퀀스를 생성하도록 구성되고, 그 결과 T=To×(1+v/vUS)이다. 상기에서 언급된 바와 같이, To은 기본의 기준 반복 주기이다. 이는 U/S 트랜스듀서(6)가 움직이지 않을 때 두 개의 연속적인 펄스 사이의 지속 시간과 같다. To는 도 9의 경우와 같이, 시간이 지남에 따라 일정할 수 있다.
"과제의 해결 수단" 섹션에서 설명된 바와 같이, 이러한 방식으로 펄스 반복 주기(T)를 조정하는 것은 방출 시 시간 오프셋(δtTX)을 조정하는 것과 동일한 결과 또는 실질적으로 동일한 결과를 생성하여, (제1 실시예의 경우와 같이) δtTX,o + d/vus와 같도록 한다. 실제로, 이러한 방식으로 펄스 반복 주기(T)를 조정하는 것은 d에 기초하여 오프셋 자체를 조정하는 대신, d의 시간 도함수에 따라 방출 시 오프셋(δtTX)의 시간 도함수를 조정하는 것과 동일하거나 실질적으로 동일하다.
제2 실시예에 따른 디바이스(1')(도 10에 부분적으로 표시된 디바이스)의 서로 다른 요소는, 전자 유닛(10')이 U/S 펄스 방출 제어와 관련하여 다르게 구성되는 것(d에 따라 방출 시 각 시간 오프셋을 조정하는 대신,
Figure pat00032
에 따라 방출 시 펄스 반복 주기를 조정하도록 구성됨)을 제외하고는, 제1 실시예의 디바이스(1)의 것과 동일하거나 적어도 유사하다.
보다 구체적으로, 제2 실시예에 따른 디바이스(1')에서 프로브(2) 및 중앙 유닛(7)은 제어 모듈(20')이 다르게 배치되는 것을 제외하고는 제1 실시예의 디바이스(1)의 것과 동일할 수 있다. 제1 실시예의 제어 가능한 지연부(23)는 U/S 트랜스듀서(6)의 변위(d)에 기초하여, U/S 펄서(41)를 제어하는 신호를 생성하는 제어 가능한 U/S 펄스 시퀀스 생성기(23')로 대체된다. 이 신호는 이 신호 내의 펄스 반복 주기 T가 To×(1+v/vUS)와 같도록 생성된다.
상기에서 제시된 것과는 다를 수 있는 다른 전자 구현이 이러한 제어 가능한 펄스 반복 주기 생성을 구현하는 것으로 간주될 수 있다. 특히, 위에서 제시한 전자 유닛의 서로 다른 기능은 디바이스의 요소와 모듈 간에서 서로 다르게 분포된다.
게다가, To×(1+v/vUS)와 같도록 펄스 반복 주기 T를 조정하도록 구성되는 대신에, 전자 유닛(10')은 다음과 같이 구성될 수 있다:
- To×(1+C.v/vUS)와 같도록 T를 조정하고, C는 0 내지 2의 상수 계수이며, 그리고
- δtRX,o - (2-C).d/vus와 같도록 수신 시 시간 오프셋(δtRX)을 조정함.
제1 실시예에 대해 위에서 설명된 바와 같이, C=1인 경우는, 조직 변형의 시간-샘플링 정확도에 관하여, (U/S 트랜스듀서 변위를 보상하기 위해) 적용될 전체 시간-이동 보정이 방출과 수신 사이에 고르게 분포되어 최적인 경우이다.
여전히, 다른 경우도 U/S 트랜스듀서의 이동 효과의 대부분을 보상할 수 있다.
예를 들어, 보상은 방출 시 완전히 달성될 수 있으며, 펄스 반복 주기 T는 To×(1+2.v/vUS)와 같도록 조정되는 반면,
Figure pat00033
는 시간이 지나도 일정하게 유지되고(수신 시 조정 없음), 이는 C=2에 해당한다.
위에 제시된 예에서, U/S 펄스는 한 번에 하나씩 송신되며, 두 개의 연속 펄스는 트랜스듀서의 움직임이 없을 때 To만큼 분리된다. 여전히, 위에서 제시된 펄스 반복 주기 조정 기법은 다른 종류의 U/S 펄스 시퀀스에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 비-지연된 기준 시퀀스(So)는 주기적으로 반복된 펄스 쌍(보다 일반적으로, 펄스 그룹)으로 구성될 수 있으며, 두 개의 연속적인 펄스 쌍 사이에는 주기(To)가 있고 각 쌍의 두 펄스 사이에는 지속 시간(tintra)가 있다. 그러한 경우, 펄스 반복 주기는 상술한 바와 같이 d에 따라 조정되며, To와 마찬가지로 수량 tintra에도 보정 인자(1+C.v/vUS)가 곱해진다. 보다 일반적으로, 주기적으로 반복되는 U/S 기본 시퀀스(So)의 모든 시간적 패턴은 인자(1+C.v/vUS)에 의해 시간적으로 확장(또는 v의 부호에 따라 감소)된다.
도 11은 제3 실시예에 따른 엘라스토그래피 디바이스(1")를 개략적으로 도시한다. 상술된 바와 같이, 이 실시예에서, U/S 트랜스듀서(6)는 프로브 케이싱에 대해 움직임 없이 프로브 케이싱(3)에 결합된다. U/S 트랜스듀서(6)는 케이싱에 대해 움직임 없이 케이싱(3)에 맞춰지는 팁(4") 상의 말단부에 고정된다. 프로브(2")는 케이싱의 축(z)을 따라, 케이싱에 대해 이동할 수 있도록 배치된 질량체(12)를 포함한다. 팁(4") 및 U/S 트랜스듀서(6)는 이 축 상의 중심에 있다. 진동기(5"), 질량체(12) 및 U/S 트랜스듀서(6)는 축(z)을 중심으로 회전 대칭이다. 진동기(5")는 케이싱에 대해 질량체(12)를 이동시키도록(즉, 관성 질량체(12)에 대해 케이싱(3)을 이동시키도록) 배치되어, 전체 프로브가 조직을 향해 그리고 반동 효과(recoil effect)로 인해 뒤로 이동하게 한다. 이 관성 프로브(2")는 Sandrin과
Figure pat00034
의 특허 번호 EP3315074에 설명된 것과 유사하다.
이러한 실시예에서, 변위 센서(11")는 프로브에 대해 움직임이 없이, 이에 따라 U/S 트랜스듀서(6)에 대해 움직임이 없이, 프로브에 맞는 관성 센서이다. 이로써, 변위 센서(11")에 의해 출력된 측정 신호는 관성 기준 프레임에 대한 단일 초음파 트랜스듀서(6)의 변위를 나타낸다(이러한 기준 프레임은 측정이 수행되는 공간(room) 또는 장소와 연관된 프레임이다). 변위 센서(11")는 가속도계, 예를 들어 MEMS 가속도계이다.
이러한 제3 실시예에서, 전자 유닛은, 가속 신호를 위치 신호로 변환하기 위해 이중 시간 적분기를 포함하는 것을 제외하고는, 제1 실시예의 전자 유닛(10)(도 7 참조)과 동일하거나 적어도 유사하다.
제3 실시예에서 변위(d)는 절대 변위의 한 종류인 반면, 제1 및 제2 실시예에서는 상대 변위(즉, 프로브의 케이싱에 대한 트랜스듀서의 변위)의 한 종류임을 알 수 있다.
이로써, 제3 실시예에서, 방출 및/또는 수신 시 시간 오프셋을 조정하기 위해 고려된 변위(d)는 피험자의 신체에 대한 U/S 트랜스듀서의 실제 변위에 정확하게 대응하거나 거의 정확하게 대응한다(그러한 검사 동안에 피험자가 쉬고 있기 때문임). 따라서, 이러한 경우, 시간-이동 보상은 원칙적으로 최적이다(측정이 바이어스나 노이즈에 의해 손상되지 않는다고 가정하는 경우).
제 1 및 제 2 실시예에서, 고려한 변위가 프로브에 대한 변위일 뿐이라고 하더라도, 실제로 적절한 시간-이동 보상이 얻어짐을 알 수 있다. 언뜻 보기에는 상당히 놀라운 일처럼 보일 수 있다. 실제로, 제1 및 제2 실시예에서, 진동기가 팁을 피험자 쪽으로 밀면, 프로브의 약간의 반동이 일반적으로 관찰되는데, 프로브가 단단히 고정되더라도 그러하다. 따라서, 프로브의 케이싱에 대한 트랜스듀서(6)의 변위, 즉 시간-이동을 보상하기 위해 고려되는 양은 피험자의 신체에 대한 트랜스듀서의 변위와는 정확히 일치하지 않는다(이상적으로는 고려되어야 하는 것).
두 기술(관성 센서로 절대 변위를 측정하거나 케이싱에 대한 변위를 측정)이 적절한 결과를 가져온다는 사실에 대한 설명은, 전자 유닛이 둘 다의 경우에서 최종적으로 얻은(위에 언급된 기술을 사용하여 재정렬된 에코 신호를 상관시켜 얻어진) 시공간 변위 맵의 z-도함수
Figure pat00035
를 계산하도록 구성된다는 점이다. 따라서, 트랜스듀서의 변위 보상이 완전히 정확하지 않더라도(위에서 언급한 프로브 반동 때문임, 또는 관성 센서에 의해 제공되는 신호로부터 추론된 변위의 노이즈 및/또는 바이어스 때문임), 잔류할 수 있는, 보상되지 않은 작은 z-이동은 z-도함수에 의해 제거된다. 다시 말해, 시간-이동 보상의 주요 목표는 실제로 대부분의 변위 유도 시간 이동을 제거하여(이는 제1 및 제3 실시예 둘 다에서 달성됨), 에코 신호들 사이에 크고 일정한 오프셋이 있는 에코 신호에 대한 상관관계를 계산(이는 시간이 많이 걸리고, 노이즈가 증가하여 결과가 손상됨)할 필요가 없도록 하는 것이다.
전술한 내용으로부터, 본 발명의 특정 실시예는 예시의 목적으로 여기에 설명되었지만, 이미 언급된 것에 추가하여, 위에 제시된 디바이스에 다양한 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
예를 들어, 프로브는 단지 하나 대신에 여러 U/S 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 이 경우, 특성화될 조직에서 초음파 펄스를 방출하도록 배치된 프로브의 모든 초음파 트랜스듀서는 이미 언급된 바와 같이, 서로에 대해 움직이지 않는다. 이들 트랜스듀서는 프로브의 회전 대칭이 보존되도록 프로브 축(z)에 대해, 서로에 대해 대칭적으로 분포될 수 있다. 또한 이들은 서로에 대해 정확한 대칭 대신에, 이러한 축을 중심으로 규칙적으로 분포될 수 있다.
게다가, 제1 및 제2 실시예(케이싱에 대해 이동 가능한 트랜스듀서)의 경우, 변위 센서는 또한 예를 들어 샤프트(40) 상에 고정된 관성 센서일 수 있다. 대안적으로, 디바이스는 케이싱에 대해 움직이지 않는 관성 센서, 및 위에서 설명한 센서(11)와 같은 변위 센서 둘 다를 포함할 수 있다(센서 둘다 피험자의 신체에 대한 트랜스듀서의 변위를 결정하는데 사용됨).
또 다른 실시예에서, 트랜스듀서의 변위(d(t))는 측정 신호(Sd)로부터 추론되는 대신에, 진동기를 제어하는 명령 신호로부터 추론될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 변위-유도된 시간-이동을 보상하기 위해 고려되는 트랜스듀서의 변위(d(t))는 디바이스의 메모리에 저장된 미리 기록된 변위 데이터를 판독함으로써 얻어질 수 있다. 이러한 변위 데이터는 통상적인 엘라스토그래피 측정 시퀀스 동안 트랜스듀서 변위를 나타내는 신호를 획득함으로써 얻어질 수 있다. 이러한 변위 데이터는 예비 테스트 단계 동안 획득될 수 있고, 예비 테스트 단계 동안 디바이스는 테스트되고 특성화된다. 이러한 미리 기록된 데이터를 사용하면(엘라스토그래피 측정이 다시 트리거될 때마다, 트랜스듀서 변위를 즉석(on-the-fly)에서 측정하는 대신), 특히 진동기가 제어 루프를 통해 제어될 때, 신뢰할 수 있는 시간-이동 보상이 가능하다(실제로, 이러한 경우에, 획득된 변위는 제어 루프로 인해 수행된 각 엘라스토그래피 측정에 대해 동일하거나 적어도 유사하고, 이로써, 미리 기록된 동일한 변위 신호가 사용될 수 있음).
위에 제시된 시간-이동 보상 기술은 Vibration-Controlled Transient Elastography의 경우에 상세하게 설명되었지만, 예를 들어 EP3769691로 공개된 특허 출원에 설명된 바와 같이, Vibration-Controlled Harmonic Elastography에도 적용될 수 있다.
이전에 설명된 다양한 실시예가 기술적으로 허용되는 임의의 조합에 따라 조합될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (14)

  1. 엘라스토그래피 디바이스(1; 1")에 있어서,
    - 피험자의 신체에 유지되는 프로브(2; 2"), 여기서 상기 프로브는:
    o 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서, 여기서 특성화될 조직(8)에서 초음파 펄스를 방출하도록 배치된 프로브의 모든 초음파 트랜스듀서는 서로에 대해 움직이지 않음; 및
    o 상기 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 상기 조직(8)을 향하여 유도하도록 배치된 저주파 진동기(5; 5");를 포함함; 및
    - 초음파 펄스(USP)의 시퀀스(S)를 방출하기 위해 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하도록 구성되며, 방출된 초음파 펄스(USP)에 응답하여 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서에 의해 수신된 에코 신호를 획득하도록 구성되어, 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위만큼 조직(8)에 유도된 탄성파가 상기 조직에 이동하는 법을 추적하는 전자 유닛(10);을 포함하며,
    - 전자 유닛(10)은 방출된 초음파 펄스 중 하나 이상에 대해 다음을 생성하도록 더욱 구성되고:
    o 초음파 펄스의 방출이 이동되는 방출 시 시간 오프셋(δtTX),
    o 및/또는 상기 방출된 초음파 펄스에 응답하여 획득된 에코 신호가 이동되는 수신 시 시간 오프셋(δtRX),
    방출 시 시간 오프셋(δtTX) 및/또는 수신 시 시간 오프셋(δtRX)은 단일 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위의 함수에 따라 조정되는, 엘라스토그래피 디바이스(1; 1").
  2. 청구항 1에 있어서,
    방출 시 시간 오프셋(δtTX) 및/또는 수신 시 시간 오프셋(δtRX)은 2.d/vus의 함수에 따라 차이가 변화하도록 조정되며, d는 방출 시 단일 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위이고, vus는 상기 조직(8)에서 초음파 속도인, 엘라스토그래피 디바이스(1; 1").
  3. 청구항 2에 있어서,
    전자 유닛은 상기 차이가 Δto - 2.d/vus와 같도록 구성되고, Δto는 초음파 펄스(USP)의 방출과, 응답으로 수신된 에코 신호의 획득 사이의 일정한 지연인, 엘라스토그래피 디바이스(1; 1").
  4. 청구항 3에 있어서,
    전자 유닛(10)은 방출된 초음파 펄스(USP) 중 하나 이상에 대해:
    o 방출 시 시간 오프셋이 δtTX,o + C.d/vus와 같도록, 방출 시 시간 오프셋을 조정하도록 구성되고, δtTX,o 은 방출 시 일정한 지연이고,
    o 수신 시 시간 오프셋이 δtRX,o - (2-C).d/vus와 같도록, 수신 시 시간 오프셋을 조정하도록 구성되고, δtRX,o는 수신 시 일정한 지연이며,
    C는 0 내지 2의 상수 계수인, 엘라스토그래피 디바이스(1; 1").
  5. 청구항 4에 있어서,
    C=1인, 엘라스토그래피 디바이스(1; 1").
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 나타내는 측정 신호를 출력하기 위해 배치된 변위 센서(11; 11")를 더욱 포함하며,
    전자 유닛(10)은 상기 측정 신호에 기초하여, 방출 시 시간 오프셋(δtTX) 및/또는 수신 시 시간 오프셋(δtRX)을 생성하도록 더욱 구성되는, 엘라스토그래피 디바이스(1; 1").
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 변위 센서(11")는, 출력하는 측정 신호가 관성 기준 프레임에 대해 상기 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 나타내도록 배치된 관성 센서인, 엘라스토그래피 디바이스(1").
  8. 청구항 7에 있어서,
    프로브(2")는 헨드헬드형 프로브 케이싱(3)을 포함하고,
    상기 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서는 프로브 케이싱에 대해 움직임 없이 프로브 케이싱(3)에 결합되고,
    진동기(5")는 피험자의 신체를 향하여, 상기 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 유도하기 위해, 프로브 케이싱 내부에 질량체(12)를 이동하도록 배치된, 엘라스토그래피 디바이스(1").
  9. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    프로브(2)는 프로브 케이싱(3)을 포함하고,
    상기 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서는 프로브 케이싱(3)에 대해 이동 가능하고, 변위 센서(11)는, 전달되는 측정 신호가 프로브 케이싱(3)에 대해 상기 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 나타내도록 배치되는, 엘라스토그래피 디바이스(1).
  10. 엘라스토그래피 디바이스(1')에 있어서,
    - 피험자의 신체에 유지되는 프로브, 여기서 상기 프로브는:
    o 단일 초음파 트랜스듀서(6); 또는 복수의 초음파 트랜스듀서, 여기서 특성화될 조직(8)에서 초음파 펄스를 방출하도록 배치된 프로브의 모든 초음파 트랜스듀서는 서로에 대해 움직이지 않음; 및
    o 상기 조직(8)을 향하여, 상기 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 유도하도록 배치된 저주파 진동기(5);를 포함함; 및
    - 초음파 펄스(USP)의 시퀀스를 방출하기 위해 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하도록 구성되며, 방출된 초음파 펄스에 응답하여 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서에 의해 수신된 에코 신호를 획득하도록 구성되어, 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위만큼 조직(8)에 유도된 탄성파가 상기 조직에 이동하는 법을 추적하는 전자 유닛(10');을 포함하며,
    - 전자 유닛(10')은, 방출된 초음파 펄스 중 적어도 일부에 대해, 초음파 펄스(USP)를 다음 방출된 초음파 펄스(USP)로부터 분리하는 펄스 반복 주기(T)가 단일 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위(d)에 따라 변화하도록 더욱 구성되며,
    펄스 반복 주기(T)는:
    o 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서가 상기 조직으로부터 이동될 때 기본 펄스 반복 주기(To)에 비해 짧아지고,
    o 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서가 상기 조직을 향해 이동될 때 기본 펄스 반복 주기(To)에 비해 길어지는, 엘라스토그래피 디바이스(1').
  11. 청구항 10에 있어서,
    전자 유닛(10')은, 펄스 반복 주기가 To×(1+ C. v/vUS)와 같도록, 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위(d)에 따라 펄스 반복 주기(T)를 조정하도록 구성되고, v는 단일 초음파 트랜스듀서 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위 속도이고, vus는 상기 조직에서 초음파 속도이고, C는 0 내지 2의 상수 계수인, 엘라스토그래피 디바이스(1').
  12. 청구항 11에 있어서,
    C=1인, 엘라스토그래피 디바이스(1').
  13. 프로브(2; 2")를 포함하는 디바이스(1; 1")에 의해 구현된 엘라스토그래피 방법에 있어서,
    상기 프로브는,
    - 단일 초음파 트랜스듀서(6); 또는 복수의 초음파 트랜스듀서, 여기서 특성화될 조직(8)에서 초음파 펄스를 방출하도록 배치된 프로브의 모든 초음파 트랜스듀서는 서로에 대해 움직이지 않음; 및
    - 상기 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 상기 조직(8)을 향해 유도하도록 배치된 저주파 진동기(5; 5");를 포함하며,
    상기 방법은:
    - 상기 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위를 상기 조직을 향해 유도하도록 저주파 진동기(5; 5")를 제어하는 단계;
    - 초음파 펄스(USP)의 시퀀스(S)를 방출하기 위해 상기 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하고, 방출된 초음파 펄스(USP)에 응답하여 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서에 의해 수신된 에코 신호를 획득하여, 초음파 트랜스듀서(6) 또는 복수의 초음파 트랜스듀서의 변위만큼 조직(8)에서 유도된 탄성파가 조직에서 이동하는 법을 추적하는 단계;를 포함하며,
    - 상기 방법은 방출된 초음파 펄스 중 하나 이상에 대해:
    o 초음파 펄스의 방출이 이동되는 방출 시 시간 오프셋(δtTX)을 생성하는 단계;
    o 및/또는 방출된 초음파 펄스에 응답하여 획득된 에코 신호가 이동되는 수신 시 시간 오프셋(δtRX)을 생성하는 단계;를 더욱 포함하며,
    방출 시 시간 오프셋(δtTX) 및/또는 수신 시 시간 오프셋(δtRX)은 트랜스듀서 또는 복수의 트랜스듀서의 변위의 함수에 따라 조정되는, 엘라스토그래피 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    방출 시 시간 오프셋(δtTX) 및/또는 수신 시 시간 오프셋(δtRX)은 2.d/vus의 함수에 따라 차이가 변화하도록 조정되며, d는 방출 시 트랜스듀서 또는 복수의 트랜스듀서의 변위이고, vus는 상기 조직에서 초음파 속도인, 엘라스토그래피 방법.
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