PT2959312T

PT2959312T - Método de elastografia multi-impulsos

Info

Publication number: PT2959312T
Application number: PT147055164T
Authority: PT
Inventors: Sandrin Laurent; Bastard Cécile
Original assignee: Echosens
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2018-03-13
Also published as: EP2959312A1; RU2659627C2; PL2959312T3; KR20150138187A; HK1203631A1; TR201802916T4; CN104380134A; US20150374338A1; WO2014128182A1; JP6366610B2; CN104380134B; JP2016506846A; BR112015019278A2; EP2959312B1; US11529121B2; ES2661707T3; RU2015139033A

Description

0 pedido de patente FR2843290 descreve um dispositivo para medir a elasticidade de um órgão apresentando um sinal ultrassónico após iluminação ultrassónica, compreendendo o dispositivo um transdutor ultrassónico e um atuador eletrodinâmico servocontrolado, adaptado para fazer vibrar a baixa frequência o transdutor para transmitir uma onda de cisalhamento no tecido. A onda de cisalhamento possui uma banda de frequência cuja frequência central é determinada e as frequências circundantes da frequência central são muito atenuadas, de modo a que os dados possam ser obtidos apenas em frequências muito próximas da frequência central. Dai, as medições efetuadas não permitem caracterizar completamente o tecido.

Existe também uma tecnologia chamada elastografia por força de radiação ultrassónica (também conhecida pelo acrónimo ARFI) através da qual os tecidos são movidos pela ação de uma força produzida pela pressão de radiação resultante de um feixe ultrassónico. Esse deslocamento corresponde à geração de tensões de cisalhamento nos tecidos e manifesta-se pela propagação de uma onda de cisalhamento. No caso da ARFI, a onda de cisalhamento é atenuada muito rapidamente e, de um modo geral, propaga-se em menos de um comprimento de onda. Nessas condições, é difícil estudar as características de frequência da onda de cisalhamento. Os cientistas que utilizam esta técnica estão, por conseguinte, geralmente interessados no estudo dos tempos de subida ou de relaxamento e na amplitude dos deslocamentos (ver Patentes US 2010/069751 e WO 2011/064688). Ao modular o feixe ultrassónico, isto é, as emissões ultrassónicas, por exemplo, em termos de frequência, amplitude ou cadência, é possível modular os deslocamentos induzidos nos tecidos. Algumas equipas propuseram, assim, utilizar sucessivamente vários tipos de excitações ultrassónicas de diferentes propriedades para modular a resposta do tecido em termos de deslocamento máximo observado, de tempo de subida e tempo de relaxamento (ver Patente US 2010/069751) . No entanto, a modulação dos parâmetros de emissão ultrassónica não permite modular com precisão os deslocamentos dos tecidos, em particular, o seu conteúdo de frequência. Os deslocamentos gerados pela força de pressão de radiação dependem do coeficiente de absorção dos tecidos.

Neste contexto, o objectivo da invenção é propor um método de elastografia que permita superar as desvantagens do estado da técnica e visa, em particular, um método de elastografia que permita obter rapidamente medições quantitativas precisas das propriedades mecânicas de um órgão humano ou animal.

SUMARIO DA INVENÇÃO

Para este fim, a invenção refere-se a um método de elastografia multi-impulsos para a medição quantitativa de, pelo menos, uma propriedade mecânica de um meio viscoelástico apresentando um sinal ultrassónico após iluminação ultrassónica, compreendendo o referido método os seguintes passos : definir caracteristicas de, pelo menos, dois impulsos mecânicos de baixa frequência tendo uma frequência central compreendida entre 10 Hz e 5000 Hz, gerar, através de um atuador eletrodinâmico, os referidos, pelo menos dois, impulsos mecânicos, monitorizar a propagação num meio viscoelástico de, pelo menos, duas ondas de cisalhamento produzidas pelos referidos, pelo menos dois, impulsos mecânicos por meio da emissão e aquisição de sinais ultrassónicos, calcular, pelo menos, uma propriedade mecânica do referido meio viscoelástico por meio das referidas aquisições dos referidos sinais ultrassónicos.

Numa

não limitativa, para cada um dos impulsos mecânicos, pelo menos, uma das caracteristicas definidas é diferente. De forma não limitativa, por "característica do impulso mecânico" entende-se uma frequência central, uma amplitude, um número de períodos e/ou um perfil temporal determinado. A invenção proposta permite realizar uma aquisição de elastografia por impulsos composta por uma série de impulsos possuindo, por exemplo, caracteristicas diferentes, tais como diferentes frequências centrais determinadas. Neste exemplo não limitativo, cada impulso permite estudar uma banda de frequências localizada em torno da sua frequência central determinada. Esta particularidade permite caracterizar o meio numa grande gama de frequências.

Além das caracteristicas que acabaram de ser mencionadas no parágrafo anterior, o método de acordo com a invenção pode ter uma ou mais caracteristicas adicionais de entre as seguintes, consideradas individualmente ou em qualquer combinação tecnicamente viável.

Numa

não limitativa do método de elastografia multi-impulsos, o método compreende um passo de reiteração do passo de geração, do passo de monitorização e do passo de cálculo.

Numa

não limitativa do método de elastografia multi-impulsos, a reiteração é realizada entre 1 e 1000 vezes, de preferência entre 1 e 20 vezes.

Numa

não limitativa do método de elastografia multi-impulsos, a, pelo menos uma, caracteristica diferente é a amplitude.

Numa

não limitativa do método de elastografia multi-impulsos, cada impulso mecânico tem uma amplitude compreendida entre 10 pm e 10 mm, de preferência, entre 100 pm e 5 mm.

Numa

não limitativa do método de elastografia multi-impulsos, a, pelo menos uma, característica diferente é o perfil temporal e/ou o número de períodos.

Numa

não limitativa do método de elastografia multi-impulsos, a, pelo menos uma, característica diferente é a frequência central.

Numa

não limitativa do método de elastografia multi-impulsos, cada impulso mecânico sucedendo a um impulso mecânico tem uma frequência central inferior à frequência central do impulso mecânico que o precede.

Numa

não limitativa do método de elastografia multi-impulsos, cada impulso mecânico sucedendo a um impulso mecânico tem uma frequência central superior à frequência central do impulso mecânico que o precede.

Numa

não limitativa do método de elastografia multi-impulsos, as bandas de frequência de, pelo menos, dois impulsos mecânicos sobrepõem-se parcialmente.

Numa

não limitativa do método de elastografia multi-impulsos, cada impulso mecânico tem uma frequência central compreendida entre 20 Hz e 1000 Hz. A invenção também se refere a um dispositivo de elastografia multi-impulsos compreendendo um gerador de vibração apto a gerar uma pluralidade de impulsos mecânicos, gerando cada impulso mecânico uma onda de cisalhamento num meio viscoelástico, e, pelo menos, um transdutor ultrassónico apto a emitir e adquirir sinais ultrassónicos, sendo o referido dispositivo caracterizado por poder implementar os passos do método de elastografia multi-impulsos de acordo com a invenção.

Numa

não limitativa, o gerador de vibração é um atuador eletrodinâmico servo-controlado e está apto a fazer vibrar a baixa frequência o transdutor (esta vibração é um impulso mecânico) para emitir uma onda de cisalhamento no tecido. O presente invento propõe, por conseguinte, modificar as caracteristicas do controlo desse atuador eletrodinâmico (logo, do impulso mecânico) para modular com precisão as caracteristicas da onda de cisalhamento gerada e, em particular, o seu conteúdo de frequência. As caracteristicas de uma onda de cisalhamento gerada por um impulso mecânico cujas propriedades são conhecidas podem ser calculadas, por exemplo, por meio de funções de Green elastodinâmicas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Outras características e vantagens da invenção emergirão claramente da descrição que é dada abaixo, a titulo indicativo e de forma alguma limitativo, recorrendo-se às figuras anexas, entre as quais: A figura 1 ilustra um esquemna sinóptico dos passos de um método de elastografia multi-impulsos de acordo com a invenção; A figura 2 ilustra, esquematicamente, um exemplo de realização de um dispositivo de elastografia multi-impulsos de acordo com a invenção; A figura 3 ilustra três impulsos mecânicos tendo, cada impulso, uma frequência central diferente, tendo os três impulsos mecânicos sido gerados através do método de acordo com a invenção; A figura 4 ilustra impulsos mecânicos tendo um número diferente de períodos, tendo os impulsos mecânicos sido gerados pelo método de acordo com a invenção; A figura 5 ilustra uma reiteração dos três impulsos mecânicos que estão ilustrados na figura 3.

Em todas as figuras, os elementos comuns possuem os mesmos números de referência.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE, PELO MENOS, UMA FORMA DE

REALIZAÇÃO NÃO LIMITATIVA DA INVENÇÃO A figura 1 ilustra um esquema sinóptico dos passos do método 100 de elastografia multi-impulsos de acordo com a invenção. O método 100 de elastografia multi-impulsos compreende, em particular, um passo 101 de definição das caracteristicas de, pelo menos, dois impulsos mecânicos de baixa frequência. Neste exemplo, para cada um dos impulsos mecânicos, pelo menos, uma das caracteristicas definidas é diferente.

De forma não limitativa, um impulso mecânico pode ser caracterizado por uma frequência central, uma amplitude, um número de períodos e/ou um perfil temporal determinado.

Assim, durante este passo 101 de definição, um operador pode, por exemplo, definir um perfil temporal de tipo rampa para um primeiro impulso, um perfil temporal de tipo sinusoide apodizado para um segundo impulso, um perfil temporal de tipo entalhe para um terceiro impulso, um perfil temporal de tipo gaussiano para um quarto impulso e um perfil temporal de tipo sinusoidal para um quinto impulso. A título ilustrativo, um perfil temporal de tipo sinusoidal pode ser definido pela seguinte fórmula: S (t) =Asin (2 π .ft)

Em que: t G [0 η T] T é o período do sinal, Τ=1/ύ n é o número de períodos, e A é a amplitude.

No caso de impulsos mecânicos possuindo um perfil temporal de tipo sinusoidal, é possível variar a frequência, o número de períodos e/ou a amplitude. A título de exemplo, cada impulso mecânico pode ter uma amplitude compreendida entre 10 pm e 10 mm, de preferência, entre 100 pm e 5 mm.

Em resumo, durante este passo 101 de definição, cada impulso mecânico tem uma característica diferente em comparação com os outros impulsos mecânicos definidos. Por outras palavras, cada um dos impulsos mecânicos definidos é diferente dos outros impulsos mecânicos definidos. O método 100 de elastografia multi-impulsos compreende, ainda, um passo 102 de geração de, pelo menos, dois impulsos mecânicos definidos durante o passo 101 de definição anterior, gerando cada um dos, pelo menos dois, impulsos mecânicos uma onda de cisalhamento num meio viscoelástico, de modo a que esta onda se propague através desse meio viscoelástico.

Esses impulsos mecânicos (indiferentemente conhecidos como impulsos de baixa frequência) podem ser gerados por meio de um vibrador de baixa frequência, um altifalante ou qualquer outro tipo de gerador de vibração 2 (ver a figura 2) apto a gerar uma pluralidade de impulsos mecânicos, gerando cada impulso mecânico uma onda de cisalhamento de baixa frequência num meio viscoelástico, tal como um tecido biológico humano ou animal. 0 desencadeamento do passo 102 de geração pode ser efetuado de forma automática ou manual. Um desencadeamento manual é efetuado por uma pressão exercida por um operador num botão de desencadeamento, enquanto um desencadeamento automático pode, simplesmente, ser executado quando uma pressão é exercida do meio viscoelástico para o gerador de vibração.

Cada um desses impulsos mecânicos tem uma determinada frequência central. A frequência central determinada desses impulsos mecânicos é escolhida entre uma frequência minima que é, por exemplo, 10 Hz e uma frequência máxima que é, por exemplo, 5000 Hz. O método 100 de elastografia multi-impulsos também compreende um passo 103 de monitorização da propagação no meio viscoelástico das, pelo menos duas, ondas de cisalhamento. Essa monitorização 103 é realizada por meio da emissão de sinais ultrassónicos no meio viscoelástico e aquisição de sinais ultrassónicos refletidos pelo meio viscoelástico.

Esse passo 103 de monitorização é realizado por meio de um transdutor 3 ultrassónico monoelemento ou multielementos.

Num exemplo não limitativo, cada impulso mecânico tem uma frequência central determinada diferente, ou seja, um período diferente. Consequentemente, cada impulso mecânico tem uma banda de frequência diferente, sendo essa banda de frequência formada pela frequência central do impulso mecânico e as frequências circundantes da frequência central. A título de exemplo não limitativo ilustrado na figura 3, durante a

do método de acordo com a invenção no tecido do fígado: uma primeira onda de cisalhamento é gerada através de um primeiro impulso mecânico IMl produzido pelo vibrador 2 de baixa frequência, tendo este primeiro impulso mecânico IMl uma frequência central determinada de 50 Hz; uma segunda onda de cisalhamento é gerada através do vibrador 2 de baixa frequência, sendo esta segunda onda de cisalhamento derivada de um segundo impulso mecânico IM2 tendo uma frequência central determinada de 75 Hz; uma terceira onda de cisalhamento é gerada através do vibrador 2 de baixa frequência, sendo esta terceira onda de cisalhamento derivada de um terceiro impulso mecânico IM3 tendo uma frequência central determinada de 100 Hz.

Neste exemplo, as bandas de frequência dos impulsos mecânicos IMl, IM2 e IM3 na origem das ondas de cisalhamento sobrepõem-se parcialmente. Mais precisamente, a banda de frequência do primeiro impulso mecânico IMl gerando a primeira onda de cisalhamento sobrepõe-se parcialmente à banda de frequência do segundo impulso mecânico IM2 gerando a segunda onda de cisalhamento e a banda de frequência do segundo impulso mecânico IM2 gerando a segunda onda de cisalhamento sobrepõe-se parcialmente à banda de frequência do terceiro impulso mecânico IM3 gerando a terceira onda de cisalhamento. Consequentemente, a banda de frequência total é formada pela soma das três bandas de frequência. Essa banda de frequência total permite caracterizar o tecido do fígado com mais precisão do que uma banda de frequência mais reduzida.

Neste exemplo, cada impulso mecânico (impulso mecânico IM2 gerando a segunda onda de cisalhamento) sucedendo a um impulso mecânico (impulso mecânico IMl gerando a primeira onda de cisalhamento) tem uma frequência central superior à frequência central do impulso mecânico que o precede (impulso mecânico IMl gerando a primeira onda de cisalhamento).

Deve salientar-se que esta

realizaçâo não é limitativa e, portanto, numa

diferente, não ilustrada, do método 100 de elastografia multi-impulsos de acordo com a invenção, cada impulso mecânico (impulso mecânico IM2 gerando a segunda onda de cisalhamento) sucedendo a um impulso mecânico (impulso mecânico IMl gerando a primeira onda de cisalhamento) tem uma frequência central inferior à frequência central do impulso mecânico que o precede (impulso mecânico IMl gerando a primeira onda de corte). Esta

permite, de um modo vantajoso, que duas ondas de cisalhamento em sucessão não se perturbem mutuamente. Na verdade, quanto maior a frequência, mais rápida é a atenuação da onda de cisalhamento. Assim, se o primeiro impulso IMl gerando a primeira onda de cisalhamento tiver uma frequência central da ordem de 100 Hz, isto é, superior à frequência central (75 Hz) do segundo impulso IM2 gerando a segunda onda de cisalhamento, então, a primeira onda de cisalhamento será atenuada mais rapidamente do que a segunda onda de cisalhamento, reduzindo-se, assim, o risco de perturbação entre as duas ondas de cisalhamento.

Numa

diferente ilustrada na figura 4, cada impulso mecânico definido pode ter um número diferente de períodos. Por exemplo, o primeiro impulso IMll tem um período, o segundo impulso IM12 tem dois períodos e o terceiro impulso IM13 tem três períodos. O método 100 de elastografia multi-impulsos compreende, ainda, um passo de cálculo 104 de, pelo menos, uma propriedade mecânica do meio viscoelástico por meio das aquisições dos sinais ultrassónicos. Esse passo de cálculo pode ser realizado assim que o passo 103 for concluído.

Numa

não limitativa, o método 100 de elastografia multi-impulsos compreende, ainda, um passo 105 de reiteração que consiste em reiterar, pelo menos uma vez, os passos de geração 102, monitorização 103 e cálculo 104. A título de exemplo ilustrado na figura 5, a reiteração 105 do passo 102 de geração é realizada uma vez. Neste caso, os três impulsos e, portanto, as três ondas de cisalhamento, são gerados duas vezes no meio viscoelástico.

Numa

diferente, a reiteração 105 é realizada 20 vezes. Quando a característica que varia para cada impulso gerando a onda de cisalhamento é a frequência, um número limitado de vezes torna possível cobrir uma banda de frequência suficiente para caracterizar um tecido biológico, ao passo que é limitado no tempo de modo a evitar que o tecido biológico se mova, por exemplo, devido a movimentos biológicos internos, tais como a respiração.

Numa

não limitativa, a reiteração 105 dos passos 102, 103 e 104 de geração, monitorização e cálculo é desencadeada automaticamente. Por outras palavras, o operador que utiliza o dispositivo 1 de elastografia multi-impulsos implementando o método 100 de acordo com a invenção não precisa de desencadear o passo de reiteração 105, sendo esse passo 105 acionado de forma automática. Por outras palavras, o número de reiterações 105 pode ser predefinido pelo operador antes do desencadeamento do método 100 de elastografia multi-impulsos.

Numa

diferente, a reiteração 105 dos passos de geração, monitorização e cálculo é desencadeada manualmente, ou seja, pelo operador. A invenção proposta permite, portanto, realizar uma aquisição de elastografia por impulsos de tipo elastografia de impulsos com vibração controlada (também conhecida pelo acrónimo VCTE) composta por uma série de impulsos produzidos, por exemplo, em diferentes frequências centrais compreendidas entre uma frequência mínima e uma frequência máxima. Cada impulso permite, por exemplo, estudar uma banda de frequência localizada em torno da sua frequência central. Ao justapor os resultados obtidos em cada banda de frequência, obtém-se uma caracterização completa do meio na gama formada entre a frequência mínima e a frequência máxima. O método 100 de acordo com a invenção permite, em particular:

Explorar uma ampla banda de frequência (caracterização completa do meio), controlar as frequências utilizadas, combinar as informações recebidas em várias frequências diferentes, realizar um exame rápido e barato (versus MRI), não deslocar a sonda equipada com o transdutor entre as diferentes aquisições (redução da variabilidade do ponto de medição), fazer variar as frequências limite, mínima e máxima, de acordo com o meio estudado, fazer variar o número de períodos, fazer variar a amplitude das ondas de cisalhamento, fazer variar a forma do impulso. A invenção também se refere a um dispositivo 1 de elastografia multi-impulsos compreendemdo um gerador 2 de vibração apto a gerar uma pluralidade de impulsos mecânicos gerando uma pluralidade de ondas de cisalhamento e, pelo menos, um transdutor 3 ultrassónico apto a emitir e adquirir sinais ultrassónicos. 0 dispositivo 1 está apto a implementar os passos do método 100 de elastografia multi-impulsos de acordo com a invenção, ou seja, o dispositivo 1 está, em particular, apto a: definir 101, através de uma interface 5 homem-máquina IHM, características de, pelo menos, dois impulsos mecânicos, produzindo cada impulso mecânico uma onda de cisalhamento, podendo, para cada um dos impulsos mecânicos, pelo menos, uma das caracteristicas definidas ser diferente; podendo essas caracteristicas ser inseridas por meio de um teclado por um operador, gerar 102, através do gerador 2 de vibração, os, pelo menos dois, impulsos mecânicos definidos gerando, pelo menos, duas ondas de cisalhamento num meio viscoelástico, monitorizar 103, através do transdutor 3 ultrassónico, a propagação no meio viscoelástico das, pelo menos duas, ondas de cisalhamento por meio da emissão e aquisição de sinais ultrassónicos, calcular 104, através de um computador 4, pelo menos, uma propriedade mecânica do meio viscoelástico por meio das aquisições dos sinais ultrassónicos.

Deve salientar-se que, em toda a descrição, durante o passo de definição 101 das caracteristicas de, pelo menos, dois impulsos mecânicos de baixa frequência, cada um dos impulsos mecânicos tem, pelo menos, uma caracteristica diferente. Deve compreender-se que a invenção não está limitada a esta forma de realização e pode ter um passo de definição 101 das caracteristicas de, pelo menos, dois impulsos mecânicos de baixa frequência durante o qual as caracteristicas dos, pelo menos dois, impulsos mecânicos de baixa frequência são idênticas. Na verdade, certos meios viscoelásticos têm um tempo de relaxamento (isto é, um tempo de retorno ao equilíbrio) muito longo. Nesse caso, o meio não tem tempo para encontrar o equilíbrio entre os diferentes impulsos. Assim, ao estudar a propagação das ondas de cisalhamento geradas consecutivamente por vários impulsos semelhantes, podem obter-se informações sobre as propriedades viscoelásticas do meio.

REIVINDICAÇÕES 1. Método (100) de elastografia multi-impulsos para a medição quantitativa de, pelo menos, uma propriedade mecânica de um meio viscoelástico apresentando um sinal ultrassónico após iluminação ultrassónica, compreendendo o referido método (100) os seguintes passos: definir (101) caracteristicas de, pelo menos, dois impulsos mecânicos de baixa frequência tendo uma frequência central compreendida entre 10 Hz e 5000 Hz, gerar (102) os referidos, pelo menos dois, impulsos mecânicos de baixa frequência cujas caracteristicas são definidas num meio viscoelástico, monitorizar (103) a propagação no referido meio viscoelástico de, pelo menos, duas ondas de cisalhamento produzidas pelos referidos, pelo menos dois, impulsos mecânicos de baixa frequência por meio da emissão e aquisição de sinais ultrassónicos, calcular (104), pelo menos, uma propriedade mecânica do referido meio viscoelástico por meio das referidas aquisições dos referidos sinais ultrassónicos. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que, para cada um dos impulsos mecânicos de baixa frequência,

Claims

pelo menos, uma das características definidas é diferente.
3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo um passo de reiteração (105) do passo de geração (102), do passo de monitorização (103) e do passo de cálculo (104).
4. Método, de acordo com a reivindicação 3 anterior, em que a reiteração (105) é realizada entre 1 e 1000 vezes, de preferência entre 1 e 20 vezes.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que, pelo menos uma, característica diferente é a amplitude.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5 anterior, em que cada impulso mecânico de baixa frequência tem uma amplitude compreendida entre 10 pm e 10 mm, de preferência, entre 100 pm e 5 mm.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que, pelo menos uma, característica diferente é o perfil temporal.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que, pelo menos uma, característica diferente é o número de períodos.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que, pelo menos uma, característica diferente é a frequência central.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9 anterior, em que cada impulso mecânico de baixa frequência sucedendo a um impulso mecânico de baixa frequência tem uma frequência central inferior à frequência central do impulso mecânico que o precede.
11. Método, de acordo com a reivindicação 9, em que cada impulso mecânico de baixa frequência sucedendo a um impulso mecânico de baixa frequência tem uma frequência central superior à frequência central do impulso mecânico que o precede.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que as bandas de frequência de, pelo menos, dois impulsos mecânicos sobrepõem-se parcialmente.
13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que cada impulso mecânico de baixa frequência tem uma frequência central compreendida entre 20 Hz e 1000 Hz.
14. Dispositivo (1) de elastografia multi-impulsos compreendendo um gerador (2) de vibração apto a gerar, num meio viscoelástico, uma pluralidade de ondas de cisalhamento e, pelo menos, um transdutor (3) ultrassónico configurado para emitir e adquirir sinais ultrassónicos, sendo o referido dispositivo (1) caracterizado por poder implementar os passos do método (100) de elastografia multi-impulsos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13 anteriores.