TWI822172B - 彈性成像裝置和方法 - Google Patents

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Abstract

一種彈性成像裝置，包括具有單個超聲換能器（6）或多個超聲換能器的探頭、以及被佈置成引起單個超聲換能器或多個超聲換能器朝向組織（8）的位移的低頻振動器。裝置被配置成發射超聲脈衝序列並獲取回應接收的回波信號，以跟蹤由位移引起的彈性波如何在組織中傳播。裝置被配置成針對發射的一個或多個發射的脈衝生成發射時間偏移量（δt TX）和/或接收時間偏移量（δt RX），使得其差值作為2. d/v us的函數而變化，其中d是單個換能器或多個換能器的位移，而v us是組織中的超聲速度。

Description

彈性成像裝置和方法
所公開內容的技術涉及一種彈性成像裝置和方法。該技術尤其涉及被如下佈置的這樣一種裝置：通過移動與待表徵的組織接觸的尖端，生成在該組織中行進的彈性波，發送超聲波脈衝並接收對應的回波，以跟蹤彈性波如何在該組織中傳播，從而表徵組織的硬度。
例如通過振動受控暫態彈性成像測量方法所測量的肝臟硬度，已經被證明是一種幫助專業醫護人員用來檢測或表徵肝臟疾病或損傷，以及更普遍地用來監測對象的肝臟狀況的非常有用的工具。圖1示意性地示出了現有技術的一種彈性成像裝置1a，該彈性成像裝置1a適用於通過振動受控暫態彈性成像測量方法來測量肝臟硬度。該裝置包括了具有探頭2a，探頭2a具有：待被手持的外殼3a；能被低頻振動器5a相對於外殼3a移動的尖端4a；以及 安裝在尖端4a端部的超聲換能器6a(可以帶有覆蓋該超聲換能器的密封膜)。
在測量期間，以如下方式手持探頭外殼3a：將超聲換能器6a稍微壓靠受檢對象的身體8。然後觸發尖端4a的暫態位移，導致超聲換能器6a向對象的身體移動並且返回，由此在組織中生成低頻彈性波(尤其是一種低頻剪切波)。超聲換能器的相應位移d(t)在圖2中示意性地隨時間t示出。d(t)更精確地對應於在時刻t換能器6a相對於換能器6a初始位置(即暫態振動開始前一刻的位置)沿著指向對象身體的z軸(見圖1)的位置。如圖2所示，從低頻振動被觸發開始，超聲換能器6a發射超聲波脈衝USP序列S。這些超聲波脈衝使得能夠跟蹤在面向探頭的組織中引起的彈性波在組織中如何行進。為此，對應於該序列中兩個連續的超聲射束(shot)的回波信號被關聯在一起，以針對組織的不同深度確定組織在兩個脈衝期間移動的距離。
在每次測量中，組織中的應變圖(有時也被稱為彈性成像圖，位移圖或剪切波傳播圖)因此可被確定而作為該組織的深度z的函數。圖3示出了作為時間t和深度z的函數的通過施加低頻振動(例如圖2表示的振動)而得到的對象肝臟中的應變圖。上述關於彈性波在受試組織中傳播的時空表示被稱作彈性成像。此舉使得人們可以非常清楚地看到這種波是如何在組織中傳播的。組織中的剪切波傳播能夠由上述圖像中示出的直線斜率確定，該直線顯 示了作為時間和深度函數的波前位置。然後組織的硬度由傳播速度推導出。
當分析和處理在這種測量處理期間記錄的回波信號時，期望補償超聲換能器6a的位移d(t)。實際上，在這樣的裝置中，超聲換能器6a是被固定在移動的尖端4a其本身上。所以，當尖端4a移動時，換能器6a和這種組織或組織的這種部分之間的距離發生變化。在沒有校正的情況下，可以觀察到這樣或這樣的應變的表觀深度會因此與實際發生這種應變的深度有細微差別。
此外，對於在給定時間通過一對兩個連續的發射射束確定組織中的應變(通過對兩個對應的回波信號進行相關性分析)，超聲換能器在這兩個脈衝之間產生的位移會導致在整個組織中的明顯的整體位移，其疊加在由在內部行進的彈性波造成的組織的真實位移上。這一偏移在每個深度下是相同的，且可以通過計算在所考慮的時間出所確定的組織位移的z-導數來容易地抑制，如在以下文獻：L.Sandrin等人於2002年4月發表於IEEE超聲學、鐵電體與頻率控制彙刊(IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control)第49卷第4期436頁~446頁“Shear elasticity probe for soft tissues with 1-D transient elastography(具有一維暫態彈性成像的軟組織剪切彈性探頭)”的第三章A部分(440頁)所解釋的那樣。同樣，如在該文獻所解釋的那樣，非常期望在對 記錄的兩個回波信號執行相關性分析前補償換能器的位移。實際上，在沒有補償換能器的移動時，由相關性分析測量到的位移顯著更大，且因此對產生雜訊並且需要更多時間來確定。
為了在進行回波信號的相關性分析之前補償換能器的位移d(t)，通常會採用以下技術。發射聲脈衝序列S，並且記錄回應接收的回波信號，如上所述。接著這些回波信號被中央電子單元7a進行後處理，中央電子單元7a具備電腦結構且與探頭2a可操作地連接。例如在上文提到的文獻中描述的這種後處理包括：a)從回波信號自身估計換能器的位移d(t)；b)對於每個回波信號，通過將該回波信號的傅裡葉變換乘上exp(j2πf△t)來在頻域中補償(在步驟a中計算的)換能器的位移d(t)，其中，f是頻率，△t等於2.d/vus，vus是組織中超聲波的速度；c)對回波信號進行相關性分析，以針對每一時間t確定作為深度z地函數的組織位移；d)可選地，計算步驟c中得到的時空位移圖的z-導數
Figure 111125823-A0305-02-0006-14
/
Figure 111125823-A0305-02-0006-15
。
在步驟a中，換能器的位移d(t)可以通過在每個回波信號中識別與假設處於組織中固定位置的元件相關聯的強背反射來估計。也可以假設在組織的非常深處的組織位移是可忽略的，且在組織深處觀測到的位移實際上對應於兩個脈衝之間的換能器的位移，來估計該位移。
上述步驟通常是令人滿意的。不過，發明人注意到對於所記錄的一些回波信號，步驟a可能會失敗，因此提供了所討論的回波信號的換能器的位移d(t)的錯誤數值。這些回波信號因此被錯誤地重新對齊，從而導致損害最終得到的彈性圖的一些嘈雜的破壞性列。此外，該步驟在存儲、資料傳輸和計算方面需要大量的計算資源，因此限制了超聲脈衝的脈衝重複率。在振動受控暫態彈性成像的情況下，這種約束更加受限，因為振動(如正弦振動)被重複、持續地施加待表徵的組織上，而由該振動造成的組織形變會被即時監控。
為了至少能夠部分地解決上文提到的問題，提供了彈性成像裝置，包括：用於緊貼對象身體的探頭，探頭包括：單個超聲換能器；或多個超聲換能器，被不中為在待表徵組織中發射超聲脈衝的探頭的所有超聲換能器相對於彼此靜止，以及低頻振動器，低頻振動器被佈置成引起所述單個超聲換能器或多個超聲換能器朝向所述組織的位移，以及電子單元，電子單元被配置為控制單個超聲換能器或多個超聲換能器發射超聲脈衝序列，並被配置為獲取由單個超聲換能器或多個超聲換能器回應於所發射的超聲脈衝而接收的回波信號，以便跟蹤由單個超聲波換能器或多個 超聲波換能器的位移在組織中引起的彈性波如何在所述組織中行進，電子單元進一步被配置為針對單個或多個所發射的超聲脈衝生成：發射時間偏移量(temporal offset upon emission)，超聲脈衝的發射通過偏移了該發射時間偏移量，和/或接收時間偏移量(temporal offset upon reception)，回應於所發射的所述超聲脈衝獲取的回波信號偏移了該接收時間偏移量，發射時間偏移和/或接收時間偏移被調整而作為單個換能器或多個換能器的位移的函數。
更具體地說，發射時間偏移和/或接收時間偏移可被調整，使得其差值作為2.d/vus的函數而變化，其中d是單個換能器或多個超聲換能器例如在發射時的位移，而vus是在所述組織中的超聲的速度。
發射時間偏移和/或接收時間偏移可由此產生，以便補償所述回波信號相對於所獲取的其他回波信號的時間偏移，該時間偏移由超聲換能器或多個超聲換能器在所述超聲脈衝序列期間發生的位移造成。
通過以可控的方式延遲所討論的超聲脈衝的發射，例如使用一個可控的延遲器連接在探頭的超聲脈衝器上游的可控延遲，這些發射在時間上偏移了發射時間偏移量。換句話說，在發射時的該時間偏移是在時域上實現的。
每個回波信號都是在發射所討論的脈衝之後隨時間由換能器接收的信號而形成。更準確地說，在給定時間視窗(例如參見圖4)內接收到的信號，該時間視窗從該發射之後開始並具有給定持續時間(例如，持續時間是，100μs如果人們想要探查7.5cm以上深度的組織，則超聲聲速vus應為1.5mm/μs)。在實踐中，在時間視窗內接收到的形成所討論的回波信號的信號被記錄，或者，換句話說，被寫入到探頭的記憶體中。接收時間偏移是通過移動時間視窗(可以是獲取或是記錄的時間視窗，如上所述)的起點而得到的。無論如何，本文中該時間偏移是在時域上實現。
在上文所示的彈性成像裝置中，由超聲換能器或多個超聲換能器在測量期間的移動所導致的在不同回波信號之間的時間偏移在開始時、在發射時和/或剛接收時(即在回波信號被記錄或把它們傳輸至遠端計算單元之前)被即時補償。相較於上文在背景技術章節所闡述的後處理方法，該補償方案顯著地降低了計算負擔。其結果是，所公開的補償方案改善了彈性成像裝置地計算單元的操作。
換能器或多個換能器的位移d(t)可以由安裝至探頭的位移感測器直接測量。位移d(t)同樣可以從控制控制振動器的命令信號推導出，由振動器引起的位移受位移感測器和控制回路(由迴圈控制電路實現)控制，使得其匹配該命令信號。無論如何，在此裝置中，位移d(t)或至少表示位移d(t)的信號是可以容易地獲得，並且無需通過對 回波信號自身進行後處理來確定位移d(t)。再次，相較於上文背景技術章節介紹的後處理方法，此舉顯著地降低了計算負擔。此外，在所公開的裝置中，避免了與從回波信號自身估算的位移d的可能失敗相關聯的問題(即，上文提及的步驟a的可能失敗)。
在所述公開裝置中，回波信號能夠直接在超聲定序器和超聲接收器級別處在時間上彼此重新對齊(因為不再需要上文提到的複雜的後處理步驟)。因為重新對齊後的回波信號可以因此在超聲接收器下游直接可用，因此連續的回波信號之間的相關性計算可以在之後通過專用電子電路(例如被適當程式設計的FPGA)立即實現。因此，需要被傳輸和存儲的資料量在源頭上被大大地減少了，這對於即時應用而言是十分有利的。例如，一個典型的回波信號可包含5000個點，每個點2位元組(對於持續時間為100μs，採樣頻率為50MHz的典型回波信號而言)，而通過相關性分析得到的對應的應變線約包含100個點，每個點4位元組。所以，直接在源頭上操作的資料量縮減通常減少了25倍或更多。這種資料量縮減有益的即時應用尤其包括振動受控諧波彈性成像或者振動引導暫態彈性成像技術，例如H.Loree等人於2020年發表於超聲醫學與生物學(Ultrasound in Medicine and Biology)第46卷第9期2193-2206頁的論文“Vibration-Guided Transient Elastography：A Novel Fibroscan® Examination with Improved Guidance for Liver Stiffness Measurement(振動引導暫態彈性成像：具有用於肝硬度測量的改進指導的新穎Fibroscan®檢查)”中描述的技術。
關於時間偏移的調整，可以注意到的是，當超聲換能器(或多個超聲換能器)向組織移動時，d是超聲換能器相對於參考位置的位移(當換能器靠近組織移動時d為正)，接著，發射的超聲脈衝朝向被探查的組織部分並返回的往返行程(round-trip towards)的飛行時間縮短了2.d/vus的量。因此，期望減少超聲脈衝的發射和對應回波信號的獲取之間的延遲以作為2.d/vus的函數，從而在儘管換能器(或多個換能器)產生位移的情況下，仍獲得與其它回波信號保持準確對齊的回波信號，如圖4所示。所公開的設備所正要實現的是，通過調整發射時間偏移和/或接收時間偏移量，使得其差值作為2.d/vus函數而變化。
更具體地說，裝置的電子單元可以被配置為調整發射時間偏移和/或接收時間偏移，使得發射時間偏移和接收時間偏移的差值等於△to-2.d/vus，△to是超聲脈衝的發射和回應地接收的回波信號的獲取之間的恒定延遲。“等於”是指在給定精度下(因為在實踐中無法實現絕對的精度)的相等，例如在20%的精度內相等(因為該精度使得能夠消除大多數由位移引起的時移)，或者甚至在10%的精度以內，或者更甚在5%的精度以內。
所述電子單元可以進一步被配置為針對至少一些 所發射的超聲脈衝調整：發射時間偏移量，使其等於δtTX,o+C.d/vus，δtTX,o是發射恒定延遲，以及接收時間偏移量，使其等於δtRX,o-(2-C).d/vus，δtRX,o是接收恒定延遲，C是一個0到2之間的恒定係數。
更具體地說，C可以等於1，那麼發射時間偏移等於δtTX,o+d/vus，而接收時間偏移等於δtRX,o-d/vus。換言之，電子單元可以被配置為在發射時間偏移量和接收時間偏移量之間平均地分配待施加的整體時移校正(即，-2.d/vus)。相較於將校正僅施加在發射上(其中發射時間偏移量變化2.d/vus)或僅施加在接收上(接收時間偏移量變化-2.d/vus)，這需要專用的電子元件或程式設計。但相對應地，它使得能夠對組織隨時間的變形進行最佳準確採樣。
實際上，為了在深度z和時間t處探測測量的位移δ，在理想情況下超聲脈衝發射應延遲d/vus，使得儘管(多個)換能器存在位移d，所發射的脈衝仍在最初計畫的時間到達待探測的位置。
相對地，如果接收的回波信號時移了-2.d/vus，而發射未被時移，那麼，由一個或多個換能器的位移造成的回波信號的z-偏移將會被適當地減小，但最終得到的組織變形將會是在時間t-d/vus處的組織變形，而非在時間t處的組織變形。換言之，通過對以此方法重新對齊的 回波信號進行相關性分析而得到的組織位移δ將是在真實的z深度處的組織位移，而沒有位移偏移(即，具有合適的z-校正)，但存在輕微的時間錯誤。在實踐中，這種對組織變形的不完全準確的時間採樣可能會在彈性圖中輕微地扭曲波前。因此，期望根據d對發射和接收兩者都進行時移，如上所述。在這方面，需要注意到的是，上文所述的現有技術的後處理補償技術不允許對組織變形進行這種精確的時間採樣。
如已經提及的，相較於所討論的現有技術的後處理技術，在本裝置中實現的補償技術需要更少的計算。更具體地說，其可以由在FPGA中實施的超聲定序器即時完成。
但相對應地，上述技術需要具體的設備。實際上，超聲脈衝發生器或轉換器，和/或控制超聲脈衝發生器或轉換器的電子模組需要能夠即時地對發射和/或接收進行時移，以作為可變輸入信號(例如，位移信號)的函數。而且，據發明人所知，現今可商用的超聲脈衝發生器或轉換器以及相關的控制電子元件通常都不允許基於外部信號對發射/接收的延遲進行這樣的控制：它們被設計為發送預先設定好的(在實踐中，預先記錄好的)固定的脈衝序列(序列有時能夠非常複雜，但仍然都是預先設定的)，而非作為可變輸入信號的函數即時調整的序列。實現本文公開的技術因此需要開發這種特定的電子模組，這需要大量的開發工作。
發射時間偏移量和/或接收時間偏移量基於在所考慮的超聲脈衝的發射時間處的單個換能器或多個超聲換能器的位移d而調整(以便適當地補償由該位移造成的時移)。不過，可注意到的是，如果只是因為位移感測器和控制發射/接收時間偏移量的電子元件的非零回應時間(通常被稱作“管線時間”小延遲)，那麼輕微的時間差是可以容忍的(所考慮的位移d可能不是超聲脈衝發射時的位移)。例如，對於在時刻t發射的脈衝，為了偏移該脈衝(或偏移相應的回波信號)而考慮的位移可以是在同時刻t的位移，其精度在0.2ms內，或時間精度優於低頻機械振動器引起位移的週期(或典型的變化時間)的1/30。
裝置的電子單元可以包括驅動/連接探頭的(多個)致動器、(多個)換能器、(多個)感測器(例如放大器、脈衝發生器、開關或轉換器)的電子元件。電子單元也可包括用於生成適當控制信號並用於處理所獲取的信號的控制電子元件。這些控制電子元件可以包括一個或多個電子邏輯電路，包括例如微處理器、數位訊號處理器(DSP)、片上系統、上述的多個、或上述的組合。舉例來說，所討論的電子邏輯電路可以是FPGA(現場可程式設計閘陣列)。
上文所述的彈性成像裝置也可以包括以下互補和非限制性的特徵的一個或多個，它們可以單獨考慮或根據所有技術上可能的組合考慮：裝置進一步包括位移感測器，位移感測器被佈置為輸出 表示所述單個超聲換能器或多個超聲換能器位移的測量信號，並且其中的電子單元進一步被配置為基於所述測量信號生成發射時間偏移量和/或接收時間偏移量；所述位移感測器是慣性感測器(例如加速度計)，其被佈置為使得其輸出的測量信號表示所述單個超聲換能器或多個超聲換能器相對於慣性參照系的位移；探頭包括要被手持的探頭外殼，並且所述單個超聲換能器或多個超聲換能器被綁定在探頭外殼上而相對於探頭外殼不存在運動，振動器被佈置為在探頭外殼內部移動品質塊，以便引起單個超聲換能器或多個超聲換能器朝向對象的身體的所述位移；所述探頭包括探頭外殼，所述單個超聲換能器或多個超聲換能器相對於探頭外殼是可移動的，位移感測器被佈置為使得其傳遞的測量信號表示所述單個超聲換能器或多個超聲換能器相對於探頭外殼的位移。
可以注意到的是，當如上文所解釋的基於位移d調整發射時間偏移量時，由於該位移從一個超聲脈衝到另一個超聲脈衝隨時間變化，那麼，兩個連續發射的脈衝之間的持續時間(即，脈衝重複週期)也根據d隨時間的變化而被修改(例如參見圖9)。這說明上述補償技術也可以通過基於d隨時間的變化調整脈衝重複週期來實現。
本技術因此還涉及一種彈性成像裝置，包括：要被緊貼對象身體的探頭，探頭包括：單個超聲換能器；或多個超聲換能器，被佈置為向待 表徵的組織中發射超聲脈衝的探頭的所有超聲換能器相對於彼此靜止，以及低頻振動器，低頻振動器被佈置成引起所述單個超聲換能器或多個超聲換能器朝向所述組織的位移，以及電子單元，電子單元被配置為控制單個超聲換能器或多個超聲換能器發射超聲脈衝序列，並被配置為獲取由單個超聲換能器或多個超聲換能器回應於所發射的超聲脈衝而接收的回波信號，以便跟蹤由單個超聲波換能器或多個超聲波換能器在組織中所引起的彈性波如何在所述組織中行進，所述電子單元被進一步配置為針對至少一些所發射的超聲脈衝，使得將超聲脈衝和下一個發射的超聲脈衝分隔開的脈衝重複週期根據單個超聲換能器或多個超聲換能器的位移而變化：當單個超聲換能器或多個超聲換能器遠離所述組織移動時，脈衝重複週期相較於基準脈衝重複週期To被縮短，當單個超聲換能器或多個超聲換能器朝向所述組織移動時，脈衝重複週期相較於基準脈衝重複週期To被拉長。
更具體地說，脈衝重複週期可以基於v/vUS調整，其中，v是單個超聲換能器或多個超聲換能器位移的速度，即位移d關於時間的導數
Figure 111125823-A0305-02-0016-20
。
可以注意到的是，以此方式調整脈衝重複週期與基 於調整發射時間偏移量作為d/vUS的函數產生相同或基本相同的結果。事實上，以此方式調整脈衝重複週期等同於根據d的時間導數調整該發射偏移量的時間導數，而非基於d調整偏移量自身。
具體地說，電子單元可以被配置為調整脈衝重複週期使其(在給定精度內，例如20%或10%的精度內)等於
Figure 111125823-A0305-02-0017-21
，其產生與調整發射時間偏移量使其等於δtTX,o+d/vus基本相同的時間偏移補償。
電子單元也可以被配置為調整脈衝重複週期使其等於To×(1+2.v/vUS)，其對應於其中要被引入的時間偏移完全是在發射時引入的情況(在接收上不存在時間偏移)。
更一般地說，電子單元可以被配置為調整脈衝重複週期使其等於To×(1+C.v/vUS)，其中，C是一個0到2之間的恒定係數。
本技術該涉及一種由包括探頭的裝置實現的彈性成像方法，該探頭具有：單個超聲換能器；或多個超聲換能器，被佈置為在待被表徵的組織中發射超聲脈衝的探頭的所有超聲換能器相對於彼此靜止，以及低頻振動器，低頻振動器被佈置為引起所述超聲換能器或多個超聲換能器朝向所述組織的位移，該方法包括如下步驟：控制低頻振動器引起所述超聲換能器或多個超聲換能 器朝向所述組織的位移，控制所述超聲換能器或多個超聲換能器發射超聲脈衝序列，並獲取由超聲換能器或多個超聲換能器回應於所發射的超聲脈衝而接收的回波信號，以便跟蹤由超聲波換能器或多個超聲波換能器在組織中引起的彈性波如何在組織中行進，該方法還包括，針對一個或多個發射的超聲脈衝：生成發射時間偏移量，超聲脈衝的發射偏移了該發射時間偏移量，和/或生成接收時間偏移量，回應於所發射的超聲脈衝而獲取的回波信號偏移了該接收時間偏移量，以便補償由超聲換能器或多個超聲換能器在超聲脈衝序列期間發生的位移造成的所述回波信號相對於所獲取的其他回波信號的時間偏移，發射時間偏移量和/或接收時間偏移量被調整，以使得它們之間的差值作為2.d/vus的函數而改變，其中，d是換能器或多個換能器的位移，而vus是組織中超聲波的速度。
上述裝置的不同實施方式的特徵也可以被應用於本彈性成像方法。
1a:彈性成像裝置
2a:探頭
3a:外殼
4a:尖端
5a:低頻振動器
6a:超聲換能器
7a:中央電子單元
1,1’,1”:彈性成像裝置
2,2”:探頭
3:探頭外殼
4,4”:尖端
5,5”:低頻振動器
6:超聲(U/S)換能器
7:中央單元
8:組織
9:電纜
10,10’:電子單元
11,11”:位移感測器
12:品質塊
20,20’:控制模組
21:校正模組
22:可控定序器
23:可控延遲器
23’:可控U/S脈衝序列生成器
24:振動控制模組
30:運動控制器
31:放大器
32:信號調節模組
40:超聲前端
41:超聲(U/S)脈衝發生器
42:U/S接收器模組
43:開關
z:軸
USP:超聲脈衝
PRF:脈衝重複頻率
所公開的技術的其他特點和益處將從下文參照附圖以 示例的方式而非限制的方式給出的描述中變得顯而易見，其中：圖1示意性地示出了現有技術的彈性成像裝置。
圖2示出了圖1裝置中的超聲換能器在暫態彈性成像測量期間的位移，以及在此測量期間用於跟蹤組織如何回應於該位移進行移動而發送的超聲脈衝序列。
圖3示意性地示出了通過圖1的裝置得到的彈性圖。
圖4示意性地示出了發射和接收的時間，其在時間上被偏移以作為超聲換能器位移的函數。
圖5示以計時圖意性地示出了在典型的暫態彈性成像測量期間超聲換能器的位移和超聲脈衝發射的時間。
圖6示意性地示出了根據第一實施方式的彈性成像裝置。
圖7以方塊圖示意性地示出了圖6裝置中的電子單元。
圖8示意性地示出了由圖7的電子單元基於換能器位移生成的發射和接收時間偏移量。
圖9示意性地示出了圖6的裝置在典型的彈性成像的測量期間隨時間發射的超聲脈衝序列。
圖10示意性且局部地示出了根據第二實施方式的彈性成像裝置。
圖11示意性且局部地示出了根據第三實施方式的彈性成像裝置。
如上文所提及的，本技術涉及振動受控彈性成像裝置，即，被如下配置的彈性成像裝置：通過移動與介質表面接觸元件(例如探頭尖端)來生成在待探索的介質中傳播的彈性波，以及通過在介質中發送超聲脈衝並記錄回應接收的回波信號，來跟蹤彈性波如何在介質中行進(或者，換句話說，介質如何被施加於其上的振動移動)。
超聲脈衝與相應的回波信號被一個或多個超聲換能器發送和接收，一個或多個超聲換能器被固定在靠近或甚至接觸待探測的介質上的所討論的移動元件上(例如被固定在探頭尖端的末端處)。在彈性測量的過程中，這些超聲換能器因此就像移動元件那樣被移位，這導致所獲取的回波信號相對於彼此的時間錯位(temporal de-alignment)。本文所示的彈性成像裝置被配置為補償一個或多個超聲換能器的位移，以便在時間上重新對齊所接收到的不同回波信號。
為此目的，發射時間偏移量(或者，等同的，兩個連續脈衝之間的脈衝重複週期)，和/或接收時間偏移根據一個或多個的超聲換能器的位移被即時調整(例如參見圖7)。
這種裝置的分別由附圖標記1；1’和1”標識的三個實施方式分別在圖6、10、11中表示。
在這三個實施方式中，設備1；1’；1”包括單個超聲換能器6。此外，在其它實施方式中，彈性成像裝置 也可以包括多個超聲換能器。但不論如何，根據本文公開的技術的裝置中，被佈置為在待表徵的組織中發射超聲脈衝的所有超聲換能器相對於彼此靜止。因此，它們一起移動，且它們的運動由位移d表徵，位移d對於所有換能器而言是相同的。
表述“組織”被理解為對象(人或者動物)身體的一部分。此表述不一定代表完整的器官或單獨的器官。組織8(機械振動被傳遞至組織8並且組織8的變形被超聲脈衝跟蹤)是對象身體沿探頭z軸處於設備探頭附近的部分。在下文中，簡寫U/S表示“超聲”。
根據第一實施方式的裝置1(圖6和圖7)被配置為通過根據U/S換能器6的位移d調整發射時間偏移量δt TX 以及接收時間偏移量δt RX．以補償上文所述的時間偏移。
根據第二實施方式的裝置1’與第一實施方式中的類似，但其被配置為通過直接調整連續U/S脈衝之間的脈衝重複週期T，並且，可選地，還通過調整接收時間偏移δt RX．，來補償所討論的時間偏移。
在裝置1和1’中，U/S換能器6相對於裝置的探頭2的外殼3是可移動的。並且探頭包括低頻振動器5，低頻振動器5被佈置為相對於外殼3(由操作者手持的外殼)移動U/S換能器6，從而在組織8上施加低頻振動。
相比之下，根據第三實施方式的裝置1”，U/S換能器6綁定在外殼3上而相對於探頭外殼沒有運動。探頭2”包括被佈置成移動探頭外殼3中的品質塊12從而 使整個探頭振動的振動器5”。
然而，這三個實施方式彼此相似，並且裝置1；1’；1”的相同的或對應的元件通常由相同的附圖標記標識。
現在參考圖6至圖9來詳細地描述第一實施方式的裝置1。
彈性成像裝置1包括上文提及的探頭2、探頭外殼3、振動器5以及U/S換能器6。U/S換能器6被固定在探頭的尖端4的末端，U/S換能器6被低頻振動器致動(見圖6)。
在該裝置中，振動器5圍繞振動器的軸旋轉對稱，振動器的軸與探頭的z軸重合。當振動器振動時，其引起的位移主要是縱向的(平行於振動器的軸)。
此處，振動器5被佈置成移動軸件，該軸件的末端形成探頭的尖端4。此軸件以z軸為中心，且振動器5被佈置成沿z軸移動此軸件。振動器5是低頻振動器，因為振動器5以小於500赫茲，或者甚至小於100赫茲的中心平均頻率移動尖端(與中心頻率通常高於1兆赫茲(例如在1兆赫茲到5兆赫茲之間)超聲射束或回波信號相反)。振動器是低頻機電致動器，例如具有一個或多個線圈和磁鐵，類似於擴音器制動器。替代地，振動器也可以包括電動馬達，例如無刷直流電機馬達或者電子換向馬達。這樣替代方案同樣很好地適用於例如振動引導的暫態彈性成像。
超聲換能器6圍繞換能器的軸旋轉對稱，且發射 以該軸為中心的超聲束。換能器的軸與振動器的軸重合，即與探頭的z軸重合。超聲換能器6具有例如圓形的區段，振動器的軸穿過該區段的中心。此區段很小，通常小於1平方釐米(其直徑可小於1釐米，或小於8或甚至小於5毫米)。換能器6可由密封膜覆蓋，當探頭2被保持就位以進行測量時，該密封膜接觸對象的身體。
在實踐中，由振動器5引起的超聲換能器6的位移具有在0.1mm至10mm之間(例如，對於暫態彈性成像測量方法本身而言，介於0.5至10mm之間，並且對於例如用於指導操作者的諧波振動可能更小)的峰間幅值(peak-to-peak amplitude)。在圖2和圖5的示例中，該振幅為2mm。
所述探頭2包括位移感測器11，位移感測器11被佈置為輸出表示超聲換能器6的位移的測量信號Sd。在該實施方式中，測量信號Sd表示超聲換能器6相對於探頭外殼3的位移。位移感測器11的一部分被固定在上文提到的軸件上，而感測器的另一部分則安裝在探頭中而相對於外殼3沒有運動。位移感測器11可以是霍爾效應感測器，感應位移感測器，包含具備不透明/透明交替區域的尺規的光學感測器，或任何其他合適的感測器。
探頭2被可操作地連接至中央單元7，中央單元7具備電腦結構上(並且其可以是膝上型電腦、智慧手機，或者被佈置以控制探頭並與其交互以及處理所獲取信號的專用設備)。中央單元至少包括記憶體和處理器。此處， 中央單元還包括使用者介面，例如觸控式螢幕幕。所述探頭可以通過連接電纜9或以無線連接的方式連接到中央單元7。
裝置1還包括電子單元10。圖7示出了該電子單元的方塊圖。
電子單元10的一些元件(例如信號調節模組32)可以被容納在探頭2中，而該單元10的其他元件可以是中央單元7的一部分。替代地，整個電子單元10可以被容納在探頭2上，或者相反地，電子單元10可以被完全整合至中央單元7中。
如圖7所示，電子單元10包括控制模組20、超聲前端40、以及用於控制振動器5的運動控制器30。超聲前端40和運動控制器30兩者連接到控制模組20(即，它們可以從控制模組20接收指令或控制信號，或者向控制模組20發送資料或測量信號)。電子單元還包括用於調節和數位化位移感測器11輸出的測量信號Sd的信號調節模組32。此處，信號調節模組32是運動控制器30的一部分。
運動控制器30還包括用於驅動振動器5的放大器31。從電學角度來看，放大器31被配置為將控制信號轉換為適於驅動振動器的形式。因此，放大器31可以是例如電流放大器或功率放大器(例如德州儀器公司的LM3886功率放大器)。
控制模組20是包含用於處理資料的電子電路的裝 置或系統，例如耦合到包括有機器可執行指令的非易失性記憶體的微處理器和/或像是FPGA(現場可程式設計閘陣列)的可程式設計微電路，或其他可程式設計微電路。控制模組20也可以包括一個或多個RAM記憶體或寄存器。例如，控制模組20可以是例如FPGA載板的形式。
控制模組20被配置為(例如，經由存儲在記憶體中的指令程式設計)控制運動控制器30，以便在彈性成像測量被觸發時使軸件40移位(從而使U/S換能器6移位)。該測量可以通過操作者(例如通過按鈕或者上文提及的使用者介面)手動觸發或者自動觸發。軸件的位移根據預先設定的控制信號被控制。此處，該位移通過包括放大器31、位移感測器11、信號調節模組32以及諸如PID校正器的振動控制模組24的控制回路控制(此外，在替代的實施方式中，振動器可以通過開環控制一即沒有感測器回饋)。在此處考慮的實施方式中，由振動器引起的軸件的位移是暫態位移，例如對應於具有5ms到50ms的持續時間的一段正弦週期。
超聲前端40包括超聲(U/S)脈衝發生器41、U/S接收器模組42和用於交替地發送和接收超聲信號的開關43。所述U/S脈衝發生器41包括電子電路，該電子電路被配置為基於由控制模組20輸出的傳輸控制信號STX來生成適於驅動U/S換能器6的電超聲信號。該電子電路可包括放大器和數模轉換器(DAC)，例如每秒取樣速率在10到1000兆之間的8至16位DAC。U/S接收 器模組42包括電子電路，該電子電路被配置為獲取之前由U/S換能器6接收(並且經由開關43發送至U/S接收器模組42)的電超聲信號(回波信號)。超聲接收器模組42的電子電路可以包括電壓放大器，一個或多個濾波器和一個模數轉換器(ADC)，例如每秒取樣速率在10到1000兆之間的8至16位ADC。
控制模組20被配置為(例如，經由存儲在記憶體的指令程式設計)控制U/S前端20，使得U/S換能器6在彈性成像測量觸發時發射超聲脈衝USP序列，例如圖2所示的序列S。控制模組20還被配置為獲取由U/S換能器回應於所發射的脈衝而接收的回波信號，從而跟蹤由U/S換能器6的位移在組織8中引起的彈性波如何在組織中行進。
舉例來說，每個超聲脈衝USP的中心頻率包括例如0.5至10兆赫茲。上文提及的超聲脈衝序列可以一次發送一個。兩個連續脈衝之間由脈衝重複週期T分隔開。該脈衝重複週期通常在50微秒至2毫秒之間(其對應0.5千赫茲至20千赫茲之間的脈衝重複率)。上文提及的超聲脈衝序列也可以被成組地發射，例如兩個脈衝一組(用於計算兩個對應的回波信號之間的相關性)。每組的兩個脈衝可以分隔50至200微秒的持續時間，而脈衝的多組本身之間則分隔更長的持續時間，例如大於0.5ms。應當理解，在多個實施方式中也可以考慮不同的傳輸序列。
在振動受控暫態彈性成像的情況下(例如圖2、圖 3和圖5中)，U/S脈衝序列的總持續時間可以在50ms至200ms之間。該持續時間可以取決於較慢的彈性波的傳播速度以及取決於待被觀測的區域的深度來選擇。例如，對於80mm的深度以及1m/s的傳播速度(通常是剪切波在對象肝臟中的速度)，序列的持續時間可以是80ms。
裝置1發送的U/S脈衝序列是基於一個固定的、預先設定的參考序列，通過對序列中的每一個脈衝在時間上偏移發射時間偏移量δt TX 來生成的，發射時間偏移量δt TX 根據U/S換能器6的位移被即時調整。
為此，控制模組20可以生成參考傳輸控制信號STX,O(例如，基於存儲在控制模組的預先設定的傳輸序列)，當彈性成像測量觸發時，該信號接下來由可控延遲器23以可控方式被延遲，從而產生發送給U/S前端40的傳輸控制信號STX。
每個獲取的回波信號都是由U/S換能器6在所述序列期間發射的多個U/S脈衝的一個的發射之後隨時間t接收到的信號形成的。更準確地說，是在給定的時間窗口內(見圖4)被接收的信號，該時間視窗在此發射之後為並具有給定的持續時間techo。當U/S換能器6不移動時，U/S脈衝發射之間的延遲以及該時間視窗的起點是△to。例如，如果組織8(更一般地說，待表徵的介質)從最小深度zmin至最大深度zmax被探測，則恒定延遲△to可被設置為2.zmin/vUS，而視窗持續時間techo則被設置為2.(zmax-zmin)/vUS。例如，對於zmin=20mm， zmax=100mm(感興趣區域ROI由z=20mm延伸至80mm)，△to和techo分別可以被設置為27μs和107μs。
由U/S換能器6回應於所發送的U/S脈衝而接收的回波信號根據U/S換能器的位移在時間上被偏移。它們偏移了接收時間偏移量δt RX ，接收時間偏移量δt RX 作為U/S換能器位移的函數而變化。更準確地說，對於每個回波信號，上述時間視窗的起點相對於假設換能器沒有位移時最初為該脈衝計畫的接收時間(換言之，接收的參考時間)偏移了δt RX 。
接收時間偏移δt RX 可以通過可控定序器22、從由放大器和ADC構成的U/S接收器模組42輸出的數位化信號中選擇合適的一系列值、利用移位暫存器或者另一種數字緩衝器而得到。在這方面，可以注意到的是，可以考慮各種方案(可能不同於上文介紹的方案)來實現發射和/或接收的這種可控延遲。具體地說，發射和/或接收時間偏移量的控制可以由U/S前端自身來實現(取決於接收的調整信號)，而非由控制模組20實現。
無論如何，發射時間偏移量δt TX 和接收時間偏移量δt RX 兩者是相對於(相同的)穩定的時間參考的偏移量，例如獨立於換能器位移的時鐘信號。
電子單元10被配置為調整發射時間偏移量δt TX 和接收時間偏移量δt RX ，以便補償由超聲換能器在超聲脈衝發射序列期間出現的位移造成的接收的回波信號相對於其他回波信號的時間偏移。
事實上，如圖5所示，當換能器6在測量期間移動時，U/S換能器和位於組織內給定深度z的元件之間的距離(以及飛行時間)根據所考慮的時刻而變化。圖5以計時圖示意性地示出了在典型的暫態彈性成像測量期間U/S換能器6的位移和U/S脈衝或成組(例如，成對)的脈衝發射時間。在該示例中，(成組脈衝重複頻率的)脈衝重複頻率是500Hz，而傳遞給換能器的暫態振動是持續時間為20ms，峰間幅值為2mm的一個週期的正弦波。
此處，如圖7和8所示，所述電子單元10更特別地被配置為：調整發射時間偏移δt TX .使其等於δtTX,o+d/vus，其中，δtTX,o是發射恒定延遲，並且調整接收時間偏移使其等於δtRX,o-d/vus，其中，δtRX,o是一個接收恒定延遲。
此處，這兩個時間偏移的差值△t=δt RX -δt TX 等於所發射的U/S脈衝的一個的發射和回應地記錄的回波信號的起點之間的延遲△t(這些時間偏移量是相對於相同時間參考或者時鐘的兩個時間偏移量)。此時間差值△t接著等於△t o -2.d/v US ，其中△t o =δt RX,o -δt TX,o 。
發射恒定延遲δtTX,o可以根據換能器預期的最大位移而設定，使得δt TX 保持為正。例如，如果預期的最大峰間位移幅值是2mm(朝向組織1mm，反向1mm)，則例如δtTX,o可以選擇為大於0.7μs的值(超聲波在組織中 的速度應當等於1.5mm/μs)。關於發射恒定延遲δtRX,o，其可被設定為使得△t o =2.z min /v US 。
如圖7所示，校正模組21從信號調節模組32輸出的數位化信號中確定可變延遲d/vUS(數位化信號代表位移感測器11輸出的信號)。在此實施方式中，換能器6的位移是其相對於探頭外殼3產生的位移。校正模組21包含電子電路以確定可變延遲d/vUS。該位移對應於換能器6相對於換能器參考位置的位移。該參考位置是例如當探頭貼緊對象身體在彈性成像測量觸發前一刻換能器的位置(相對於外殼的位置)。在諧波彈性成像的情況下，其也可以是換能器的平均位置。當超聲換能器朝向組織(朝向對象的身體)移動時，d的值(可正可負的代數值)增加；d對應於沿著z軸指向組織的位置變化。
如“發明內容”部分所述，根據U/S換能器6在發射時的位移d以此方式在時間上對發射和接收進行偏移，使得能夠補償在獲取該系列回波信號期間由換能器的位移造成的回波信號之間的時間錯位。
得益於此延遲補償，所記錄的不同回波信號在時間上相互重新對齊。這意味著，對於不同的回波信號，在每個回波信號中，在回波信號起點之後的給定時間t處的部分對應於介質中相同的深度z(例如，對應於被介質中的相同深度z處的組織部分背向散射的信號)。
電子單元10也可以被配置為：對所記錄的回波信號進行相關性分析(這些回波信號在 相關性分析前已經在時間上進行了重新對齊)，從而確定對於每個時間t的作為深度z的函數的組織位移(即上文“背景技術”部分提及的步驟c)，以及計算如此得到的時空位移圖的z-導
Figure 111125823-A0305-02-0031-16
/
Figure 111125823-A0305-02-0031-17
(以消除由於換能器位移的非完全完美補償而可保留的可能的殘留未補償的微小z-偏移)。
在圖7所示的場景中，發射時間偏移量和接收時間偏移量δt TX 和δt RX 被調整以分別等於δtTX,o+d/vus和δtRX,o-d/vus。
此外，替代地，這些時間偏移量可以不同地調整，只要它們的差值△t=δt RX -δt TX .作為2.d/vus的函數而變化。
例如，補償可以完全在發射上實現，則δt TX 被調整使其等於δt’TX,o+2.d/vus，而δt RX 隨著時間的推移保持恒定(在接收上不作調整)。
相反地，補償可以完全在接收上實現，則δt RX .被調整使其等於δt’RX,o-2.d/vus，而δt RX .隨著時間的推移保持恒定(在發射上不作調整)。
更一般地說，電子單元10可以被配置為：調整發射時間偏移δt TX ，使其等於δtTX,o+C.d/vus，以及調整接收時間偏移，使其等於δtRX,o-(2-C).d/vus，其中，C是介於0至2之間的恒定係數。
上文參考圖7和圖8描述的情況對應於C=1。這 種情況下，待施加的總體時移校正在發射時間偏移量和接收時間偏移量之間被均勻地分配。如“發明內容”部分所解釋的，就組織變形的時間採樣精度方面而言，這種特定的校正是最優的。
圖9示意性地示出了以U/S換能器6的位移為d(t)為例的由上述裝置1發射的U/S脈衝的序列S(計時圖b)。其還示出了在沒有位移的情況下將會發射的序列So(計時圖a)。在該示例中，在無延遲的參考序列So中，U/S脈衝以恒定脈衝重複頻率PRF0，有規律地、週期性地重複。脈衝重複週期(即，這些脈衝中的任意一個脈衝和緊接其後的一個脈衝之間的持續時間)則被記為To，且恒定。相反地，如圖9可見，在裝置1發射的序列中，脈衝重複週期T隨時間不是恒定的。
兩個脈衝之間的時間間隔的這種變化是在所考慮的兩個脈衝上施加發射延遲的結果，這兩個脈衝的延遲是不同的，因為第一個脈衝發射時和在第二個脈衝發射時位移d(t)的值不同。
所以，如圖9中所說明的，當U/S換能器6不移動時(即：當d(t)是0，或者為恒定時)，那麼，脈衝重複頻率PRF是恒定的，等於PRF0。但是當U/S換能器6朝向組織移動時(當d增加時，這是圖9中t1時刻至t2時刻之間的情況)，那麼脈衝重複頻率PRF小於PRF0，而脈衝重複週期T高於To。相反地，當U/S換能器反向移動時(當d減小時，這是圖9中0時刻至t1時刻之間 以及t2時刻至t3時刻之間的情況)，那麼脈衝重複頻率PRF高於PRF0，而脈衝重複週期小於To。
在彈性成像裝置1’的第二實施方式中，作為基於位移d對參考的、未延遲的序列So的不同脈衝進行時移的替代，直接根據位移d調整生成序列的脈衝重複週期T。是根據d的時間導數(即，根據U/S換能器位移的速度v=d=d(d)/dt更具體地調整脈衝重複週期T。
在第二實施方式中，在圖10以方塊圖示意性地示出的裝置1’的電子單元10’因此被配置為生成具有脈衝重複週期T的要被發射的脈衝序列，脈衝重複週期T根據在發射時的位移d被即時調整，使得T=To×(1+v/vUS)。如上文所述，To是基準參考重複週期。其等於U/S換能器不移動時兩個連續的脈衝之間的持續時間。To可以隨時間保持恒定，如圖9所示的情況。
如“發明內容”部分中所解釋的，以此方式調整脈衝重複週期T與調整發射時間偏移量δtTX使其等於δtTX,o+d/vus(如第一實施方式的情況)產生相同或基本相同的結果。事實上，以此方式調整脈衝重複週期T等同於或基本等同於根據d的時間導數調整發射偏移δtTX的時間導數，而非基於d調整偏移自身。
根據第二實施方式中的裝置1’(裝置由圖10部分地示出)的不同元件和根據第一實施方式中的裝置1的那些元件是相同的，或至少是相似的，除了電子單元10’關於U/S脈衝發射控制的配置不同(因為其被配置為根據
Figure 111125823-A0305-02-0034-13
調整發射脈衝重複週期，而非基於d調整每個發射時間偏移量)。
更具體地說，在根據第二實施方式的裝置1’中，探頭2和中央單元7可與第一實施方式的裝置1中那些元件相同，除了控制模組20’被不同地佈置。第一實施方式的可控延遲器23被替換為了可控U/S脈衝序列生成器23’，可控U/S脈衝序列生成器23’基於U/S換能器6的位移d生成控制U/S脈衝發生器41信號。該信號被生成使得此信號內的脈衝重複週期T等於To×(1+v/vUS)。
其他電子實現方式(可能與上文介紹的不同)可被考慮來實現這種可控脈衝重複週期生成。更具體地說，上述電子單元的不同功能在裝置的元件和模組之間被不同地分佈。
此外，作為被配置為調整脈衝重複週期T使得其等於To×(1+v/vUS)的替代，電子單元10’可以被配置成：調整T使其等於To×(1+C.v/vUS)，其中C是介於0至2之間的恒定係數，以及調整接收時間偏移量δtRX，使其等於δtRX,o-(2-C).d/vus。
如上文關於第一實施方式所解釋的，C=1的情況是待施加的總體時移校正(用於補償U/S換能器位移)在發射和接收之間被平均分配的情況，就組織變形的時間採 樣精度方面而言，這種情況是最優的。
此外，其他情況也能夠補償U/S換能器的移動的大多數產生的影響。
例如，補償可以完全在發射上實現，脈衝重複週期T被調整使得其等於To×(1+2.v/vUS)，而δδt RX 則隨時間推移保持恒定(在接收上不作調整)，其中對應的C=2。
在上述示例中，U/S脈衝一次發送一個，在換能器無運動的情況下，兩個連續脈衝之間由脈衝重複週期To分隔開。此外，上述脈衝重複週期調整技術也可以被應用於其他種類的U/S脈衝序列。例如，未延遲的、參考序列So可以由週期性重複的脈衝對(更一般地說，脈衝組)組成，其中To兩個連續的脈衝對之間的週期為To，每對脈衝的兩個脈衝之間的持續時間為tintra。在這種情況下，如上所述，脈衝重複週期根據d被調整，而量tintra也如To一樣乘以校正係數(1+C.v/vUS)。更一般地說，週期性重複所有U/S基準序列So時間模式在時間上以係數(1+C.v/vUS)擴展(或減小，取決於v的正負)。
圖11示意性地示出了根據第三實施方式地彈性成像裝置1”。如上文所述，在該實施方式中，U/S換能器6被綁定在探頭外殼3上而相對於探頭外殼沒有運動。U/S換能器6被固定在尖端4”的末端處，尖端4”被安裝至外殼3而相對外殼沒有運動。所述探頭2”包括品質塊12，品質塊12被佈置為能相對於外殼沿外殼的z軸移動。尖端4”和U/S換能器以該軸為中心。振動器5”、 品質塊12以及U/S換能器6圍繞z軸旋轉對稱。振動器5”被佈置成相對於外殼移動品質塊12(或者，換句話說，相對於慣性品質塊12移動外殼3)，以使得整個探頭借助反沖效應朝向組織移動並返回。該慣性探頭2”與桑德蘭和奧蒂耶爾的第EP3315074號專利描述的探頭相似。
在此實施方式中，位移感測器11”是慣性感測器，其安裝至探頭而相對於探頭沒有運動，並因此相對於U/S換能器6沒有運動。位移感測器11”輸出的測量信號因此表示單個超聲換能器6相對於慣性參考系(此參考系是與進行測量的房間或場相關聯的參考起)的位移。位移感測器11”是加速度計，例如MEMS加速度計。
在第三實施方式中，電子單元與第一實施方式中的電子單元(見圖7)相同，或至少相似，除了其包括二重時間積分器，以用於將加速度信號轉換為位置信號。
可以注意到的是，在第三實施方式中，位移d是一種絕對位移，而在第一和第二實施方式中，位移d是一種相對位移(即，換能器相對於探頭外殼的位移)。
因此，在第三實施方式中，用於調整發射和/或接收時間偏移而考慮的位移d完全或者幾乎完全對應於U/S換能器相對於目標身體的位移(因為在這樣的檢測期間對象是靜止的(at rest))。在這種情況下，時移補償因此在理論上是最優的(如果假設測量不會受到偏差和噪音的影像)。
在第一和第二實施方式中，即使所考慮的位移只是相對於探頭的位移，但事實證明它最終也可以得到適當的時移補償。乍一看，這似乎很出人意料。實際上，在第一和第二實施方式中，當振動器朝向對象推動尖端時，儘管探頭被緊緊握住，通常也會觀察到探頭的微弱反沖。因此，作為用於考慮補償時移而被考慮的量的換能器6相對於探頭外殼的位移並不完全匹配換能器相對於對象身體的位移(理想情況下，應該考慮到這一點)。
針對這兩種技術(通過慣性感測器測量絕對位移，或者測量相對於外殼的位移)都能得到適當的結果這一事實的解釋是，在兩種情況下，電子單元都被配置為計算最終得到的時空圖(通過對利用上述技術重新對齊的回波信號進行相關性分析得到)的z-導數
Figure 111125823-A0305-02-0037-18
/
Figure 111125823-A0305-02-0037-19
。因此，即使換能器位移的補償不是完全精確的(要麼是因為上述的探頭反沖，要麼是因為從由慣性感測器提供的信號推導的位移存在噪音和/或偏差)，可能的殘留未補償的微小Z-偏移被z-導數消除。換言之，時移補償的主要目標實際上是消除大部分由位移引起的時移(這在第一和第三實施方式中均被實現)，以避免必須計算在回波信號之間具有大的恒定偏移的回波信號的相關性(這將時耗時的，並且會增加影響結果的噪音)。
從前文可知，應該理解的是，出於說明的目的，已經在本文中描述了本發明的具體實施方式，但是，除了已經提及的那些內容之外，仍然可以對上述裝置做多種修 改。
例如，探頭可以包括多個U/S換能器，而不是只有一個。在這種情況下，被佈置為在待表徵的組織中發射超聲脈衝的探頭的全部超聲換能器相對於彼此靜止，如已經提及的那樣。這些換能器可以相對於探頭z軸彼此對稱地分佈，使得保持探頭的旋轉對稱性。它們也可以圍繞該軸規律地分佈，而不是彼此完全對稱。
此外，在第一和第二實施方式的情況下(換能器相對於外殼時可移動的)，例如位移感測器也可以是被固定在軸件40上的慣性感測器。替代地，裝置可以包括相對於外殼靜止的慣性感測器和如上文所述感測器11那樣的位移感測器兩者(兩個感測器都被使用於確定換能器相對於對象身體的位移)。
在其他實施方式中，換能器的位移d(t)可以從控制振動器的命令信號推導出，而非由測量信號Sd推導出。
在替代實施方式中，為了補償位移引起的時移而被考慮的換能器的位移d(t)可以通過讀取存儲在裝置的記憶體中的預先記錄的位移資料得到。該位移資料可以通過獲取表示換能器在典型彈性成像測量序列期間的位移的信號得到。該位移資料能夠在初步測試階段期間被獲取到，裝置在初步測試階段期間被測試和表徵。使用這樣的預先記錄資料(而不是在每次彈性成像測量被重新觸發時即時測量換能器的位移)使得能夠時間可靠的時移補償，尤其是當振動器由控制回路控制時(事實上，在這種情況下， 對於每次進行的所彈性成像測量，所獲得的位移是相同的，或至少是相似的-這歸功於控制回路-且因此，相同的預先記錄的位移信號能夠被使用)。
上述已經就振動受控暫態彈性成像的情況詳細描述了時移補償技術，但是其還可以被應用於振動受控諧波彈性成像中，例如，如已經公佈的專利申請EP3769691中所解釋的那樣。
值得注意的是，上文描述的多種實施方式可以根據任何技術上允許的組合所進行組合。
5:振動器
6:U/S換能器
8:組織
10:電子單元
11:位移感測器
20:控制模組
21:校正模組
22:可控定序器
23:可控延遲器
24:振動控制模組
30:運動控制器
31:放大器
32:信號調節模組
40:超聲前端
41:U/S脈衝發生器
42:U/S接收器模組
43:開關

Claims (14)

  1. 一種彈性成像裝置(1；1”)，包括：探頭(2；2”)，所述探頭緊貼對象的身體，所述探頭包括：單個超聲換能器(6)；或多個超聲換能器，被佈置為在待表徵的組織(8)中發射超聲脈衝的所述探頭的所有超聲換能器相對於彼此靜止，以及低頻振動器(5；5”)，所述低頻振動器被佈置成引起所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器朝向所述組織(8)的位移，以及電子單元(10)，所述電子單元被配置為控制所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器以發射超聲脈衝(USP)序列(S)，並且被配置為獲取由所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器接回應於所發射的所述超聲脈衝(USP)而接收的回波信號，以便跟蹤由所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器的所述位移在所述組織(8)中所引起的彈性波如何在所述組織中行進，所述電子單元(10)進一步被配置為針對所發射的所述超聲脈衝序列中的至少一個超聲波脈衝生成：發射時間偏移量(δtTX)，其中所述至少一個超聲脈衝的發射在時間上被偏移了所述發射時間偏移，使得所述超聲脈衝序列中的兩個連續超聲波脈衝之間的持續時間發生變化，和/或接收時間偏移量(δtRX)，其中回應於所發射的所述 超聲脈衝而獲取的回波信號在時間上被偏移了所述接收時間偏移量，所述發射時間偏移量(δtTX)和/或接收時間偏移量(δtRX)作為所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器的所述位移的函數而被調整。
  2. 如請求項1所述的彈性成像裝置(1；1”)，其中所述發射時間偏移量(δtTX)和/或所述接收時間偏移量(δtRX)被調整，使得其差值作為2.d/vus的函數而變化，其中d是所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器在發射時刻的位移，並且vus是所述組織(8)中的超聲速度。
  3. 如請求項2所述的彈性成像裝置(1；1”)，其中所述電子單元被配置為使得所述差值等於△to-2.d/vus，其中，△to是所述超聲脈衝(USP)的所述發射與回應地接收的所述回波信號的所述獲取之間的恒定延遲。
  4. 如請求項3所述的彈性成像裝置(1；1”)，其中所述電子單元(10)被配置為針對一個或多個所發射的所述超聲脈衝(USP)來調整：所述發射時間偏移量，使其等於δtTX,o+C.d/vus，δtTX,o是發射恒定延遲，以及所述接收時間偏移量，使其等於δtRX,o-(2-C).d/vus，δtRX,o是接收恒定延遲，C是介於0至2之間的恒定係數。
  5. 如請求項4所述的彈性成像裝置(1；1”)，其中C=1。
  6. 如請求項1至5任一項所述的彈性成像裝置(1；1”)，進一步包括位移感測器(11；11”)，所述位移感測器被佈置為輸出表示所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器的所述位移的測量信號，並且其中所述電子單元(10)進一步被配置為基於所述測量信號生成所述發射時間偏移量(δtTX)和/或所述接收時間偏移量(δtRX)。
  7. 如請求項6所述的彈性成像裝置(1”)，其中所述位移感測器(11”)是慣性感測器，所述位移感測器被佈置為使得由所述位移感測器輸出的所述測量信號表示所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器相對於慣性參考系的所述位移。
  8. 如請求項7所述的彈性成像裝置，其中所述探頭(2”)包括要被手持的探頭外殼(3)，並且其中所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器被綁定在所述探頭外殼(3)上而相對於所述探頭外殼沒有運動，所述振動器(5”)被佈置成移動所述探頭外殼內的品質塊(12)，以便引起所述單個超聲換能器或多個超聲換能器的朝向所述對象的所述身體的所述位移。
  9. 如請求項6所述的裝置(1)，其中所述探頭(2)包括探頭外殼(3)，所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器相對於所述探頭外殼(3)是可移動的，並且其中所述位移感測器(11)被佈置為使得由所述位移感 測器傳遞的所述測量信號表示所述單個超聲換能器或多個超聲換能器相對於探頭外殼(3)的所述位移。
  10. 一種彈性成像裝置(1’)，包括：探頭，所述探頭緊貼對象的身體，所述探頭包括：單個超聲換能器(6)；或多個超聲換能器，被佈置成在待表徵的組織(8)中發射超聲脈衝的所述探頭的所有超聲換能器相對於彼此靜止，以及低頻振動器(5)，所述低頻振動器被佈置成引起所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器朝向所述組織(8)的位移，以及電子單元(10’)，所述電子單元被配置為控制所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器以發射超聲脈衝(USP)序列，並被配置為獲取由所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器回應於所發射的所述超聲脈衝而接收的回波信號，以便跟蹤由所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器的所述位移在所述組織(8)中所引起的彈性波如何在所述組織中行進，所述電子單元(10’)進一步被配置為使得對於至少一些所發射的所述超聲脈衝，將超聲脈衝(USP)與下一個所發射的超聲脈衝(USP)分隔開的脈衝重複週期(T)根據所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器的所述位移而變化，當所述單個超聲換能器或多個超聲換能器遠離所述組織移動時，所述脈衝重複週期(T)相較於基準脈衝重複週 期To被縮短，以及當所述單個超聲換能器或多個超聲換能器朝向所述組織移動時，脈衝重複週期(T)相較於所述基準脈衝重複週期To被延長。
  11. 如請求項10所述的彈性成像裝置(1’)，其中所述電子單元(10’)被配置為根據所述單個超聲換能器或多個超聲換能器的位移(d)調整所述脈衝重複週期(T)，使得所述脈衝重複週期等於To×(1+C.v/vus)，其中v是所述單個超聲換能器或多個超聲換能器的所述位移的速度，vus是所述組織中的超聲速度，且C是介於0至2之間的恒定係數。
  12. 如請求項11所述的彈性成像裝置(1’)，其中C=1。
  13. 一種由裝置(1；1”)實施的彈性成像方法，所述裝置包含探頭(2；2”)，所述探頭包含：單個超聲換能器(6)；或多個超聲換能器，被佈置成在待表徵的組織(8)中發射超聲脈衝的所述探頭的所有超聲換能器相對於彼此靜止，以及低頻振動器(5；5”)，所述低頻振動器被佈置為引起所述單個超聲換能器(6)或多個超聲換能器朝向所述組織(8)的位移，所述方法包括以下步驟：控制低頻振動器(5；5”)以引起所述超聲換能器(6)或多個超聲換能器朝向所述組織的所述位移， 控制所述超聲換能器(6)或多個超聲換能器以發射超聲脈衝(USP)序列(S)，並且獲取由所述超聲換能器(6)或多個超聲換能器回應於所發射的所述超聲脈衝(USP)而接收的回波信號，以便跟蹤由所述超聲換能器(6)或多個超聲換能器的所述位移在所述組織(8)中所引起的彈性波如何在所述組織中行進，所述方法進一步包括針對所發射的所述超聲脈衝序列中的至少一個超聲波脈衝：生成發射時間偏移量(δtTX)，其中所述至少一個超聲脈衝的所述發射在時間上偏移了所述發射時間偏移量，使得所述超聲脈衝序列中的兩個連續超聲波脈衝之間的持續時間發生變化，和/或生成接收時間偏移量(δtRX)，其中回應於所發射的所述超聲脈衝而獲取的回波信號在時間上偏移了所述接收時間偏移量，所述發射時間偏移量(δtTX)和/或所述接收時間偏移量(δtRX)作為所述換能器或多個換能器的所述位移的函數而被調整。
  14. 如請求項13所述的彈性成像方法，其中所述發射時間偏移量(δtTX)和/或所述接收偏移(δtRX)被調整，使得其差值作為2.d/vus的函數而變化，其中d是所述換能器或多個換能器在發射時刻的位移，且vus是所述組織中的超聲速度。
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