WO2018172591A1 - Dispositivo transluminal y procedimiento para la caracterización mecánica de estructuras - Google Patents

Dispositivo transluminal y procedimiento para la caracterización mecánica de estructuras Download PDF

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Definitions

  • the present invention is related to piezoelectric transducers widely used in the industries of medical diagnosis, industrial and aeronautical monitoring, among others. It is a transluminal device for the generation and reception of mechanical shear waves in soft solid media with a Poisson coefficient close to 0.5 (quasi-incompressible media) containing an accessible lumen, such as gels and other viscous fluids.
  • This type of device allows obtaining information on the elastic characteristics of the medium to be studied and its distribution throughout it. In certain situations, changes in consistency in the tissue may indicate the presence of certain pathologies, which would allow the use of this technique for diagnosis. In turn, certain focused heat treatments generate irreversible transformations in the consistency of the tissue, so that their evolution could be monitored.
  • this invention is applicable to perform transurethral elastography analysis for the diagnosis of prostate cancer and monitor thermal ablation as a focused therapy of prostate cancer.
  • the mechanical shear waves also known as shear waves, applied transluminally in a particular segment of the luminal wall, form a quasi-spherical distribution of shear waves that propagate from the application area into the lumen wall inwards medium. Its behavior is basically governed by the viscoelastic parameters of shear of the medium. The propagation of the shear waves is governed by the mechanical shear parameters of the medium to be studied. In the case of longitudinal waves, it is the volumetric compressibility parameters that govern its behavior. In the case of the first application of the invention, prostate imaging, as well as in most soft tissues, the compressibility parameters vary only in percentage fractions, while the shear varies in several orders of magnitude.
  • a transducer is a device capable of transforming or converting a certain type of input energy into a different type of output energy.
  • electromechanical transducers which transform electrical energy into mechanics in the form of displacements coupled elastically with voltages, in a bidirectional way.
  • Piezoelectric transducers are a type of electromechanical transducer, which emit and receive mechanical waves allowing ultrasound and / or elastographic imaging applications.
  • Torsion-based shear wave generators with applications in geophysics are known. This is the case of US 5,321, 333, which presents a bilateral device (generates two waves at each end) to generate shear movements based on the combination of polarized piezoelectric elements, which are attached to a solid stem to transmit the movement.
  • applications in geophysics unlike those in biomedicine, use very low frequencies since the elements to be monitored are on the meter scale.
  • Transducers that emit torsion waves from accessible surfaces with soft tissue elastography applications are also known, such as those described in WO 2012172136.
  • torsion waves is performed thanks to a transmission disk that combines a pair of elastic discs that provide the necessary inertia to reduce the resonance frequency and stiffness to reduce the dilation waves, and a selection of transversely polarized piezoelectric elements that transform the electrical signal into mechanical movement.
  • the signal received with the described devices contains too much noise, so their analysis presents serious difficulties.
  • the lack of quality of this signal does not allow a correct reconstruction of the mechanical characteristics of the medium in certain situations.
  • Prostate elastography In the specific case of the first application of this invention, we can find different types of prostate elastography, however, none of them is performed through the urethra. Prostate elastography
  • Prostate Elastography is an emerging modality of medical imaging, which consists of the evaluation of the rigidity of the prostate. Similarly to the wound healing process, it is believed that the normal tissue stroma responds in an effort to repair the damage caused by the invasion of cancer cells. Said reaction is characterized by a high deposition of collagen. Since the increase in collagen deposition with leads to an increase in the stiffness of the cancerous tissue, it has been suggested in numerous studies that the quantitative estimation of tissue stiffness can be an effective biomarker to assess the degree of prostate cancer. Identify the most aggressive tumors.
  • Quasi-static elastography (SE) in the prostate is based on the comparative analysis of tissue deformation before and after applying a slight mechanical compression through the wall of the rectum. The more rigid areas experience less deformation than those less rigid areas. Relative changes in the degree of deformation provide an idea of areas with a higher stiffness and therefore suspected of containing pathogenic nodules. Quantitative values of stiffness are not provided. This technique is commercially available on several medical ultrasound platforms. It has some limitations:
  • the physical principle to mechanically characterize the structure of a medium is as follows: A physical quantity is propagated in a waveform through the medium to be analyzed, which distorts the wave until it is measured on an accessible surface. The mechanical parameters responsible for the modification of the wave can be deduced from the measurements that are made through the theory of the inverse problem based on models. This technique is the most powerful strategy known so far.
  • the object of the invention is a piezo-electromechanical transducer probe that contains a set of transmitters and receivers of sharp waves for solid, quasi-incompressible media and some fluid gels, from a cavity inside the medium, or inserting the probe through an accessible surface in the case of fluid gels.
  • the rotational oscillatory force induced by each emitter is transmitted in the medium in the form of pseudo-spherical shear radiation.
  • a first aspect of the invention consists of a transluminal or intraluminal probe to analyze the structure of a specimen comprising at least one emitter of S waves or P and S waves, preferably shear waves, more preferably axisymmetric waves, and at less a wave receiver, in which the receiver or receivers are arranged concentrically and the arrangement of the emitters and receivers allows them to enter, simultaneously, in direct contact with the specimen.
  • the invention in a second aspect, relates to a method for obtaining useful data to characterize the spatial distribution of mechanical parameters of a specimen, in particular elastographic analysis of the specimen, preferably obtaining parameters useful as biomarkers, comprising the emission of P and / or S waves, preferably shear waves, more preferably axisymmetric waves, and the extraction of mechanical constants from the reception of reflected waves from a probe located inside a vessel or duct of the specimen.
  • FIGURES Figure 1. Representation of two concentric arrangements of the receivers of the probe (S), of the invention where ® represents a receiver and (d) the distance from the outer surface of the receiver to the longitudinal axis, (0).
  • Figure 2. Schematic representation of an emitter formed by a contact element (C) with a substantially toroidal shape connected by its inner part to four piezoelectric elements (Pz).
  • (0) represents the longitudinal axis of the probe of the invention, (T) the direction of movement of the contact element and (E) a central element on which the different elements that make up the area are fixed.
  • FIG. 3 Schematic representation of an emitter or receiver formed by a contact element (C) with a substantially toroidal shape connected by its inner part to four piezoelectric elements (Pz).
  • (0) represents the longitudinal axis of the probe of the invention, (T) the direction of movement of the contact element and E a central element on which the different elements that make up the area are fixed.
  • Figure 4. Schematic representation of two sets of 3 and 4 receivers formed by contact elements (C) in the form of a toroid segment whose axis of revolution coincides with the center in the longitudinal axis (0) and in whose interior part a piezoelectric element (Pz) with a polarization that allows to transform a rotation movement with tangential direction (T) to the outer surface of the contact element in an electrical signal.
  • E a central element on which the different elements that make up the area are fixed.
  • Figure 6. Schematic representation of the position of the probe inside a vessel (V) of a specimen (Sp).
  • Figure 7 Schematic representation of the position of the probe inside a vessel (V) of a specimen (Sp) before and after the suction of air.
  • Figure 8. - Scheme of an embodiment in which the probe comprises four sets of 4 receivers (receivers) and a wave emitter (emitter) with a toroidal shape.
  • Figure 9. - Scheme of an embodiment in which the probe comprises four receivers (receivers) and a wave-shaped emitter (transmitter) and is connected to an electromagnetic motor (Motor).
  • Motor electromagnetic motor
  • Figure 12. Representation of a simulated prostate, (a) represents the scheme of the 2D model of shear wave propagation, (b) details the geometry and dimensions of the simulated prostate used for validation experiments.
  • Figure 13. Scheme of the system used to carry out the optical experiments to capture the displacement of embedded particles within the simulated prostate.
  • Figure 15 Comparative example between amplitude spectra of two scenarios, one simulated (a) and another obtained from the optical experiments (b), along the path of propagation of the shear wave that goes from the wave emitter to the area where the inclusion-tumor is located.
  • axisymmetric shear wave or “ASW” (axisymmetric shear wave) shall be understood as a mechanical shear wave propagated in quasi-incomprehensible means, preferably biological tissues, governed by the elasticity deflector component and which propagates at the speed of shear waves, in radial and axial direction, according to the mathematical model in first approximation described below.
  • u 0 is the angular displacement of the particles
  • p is the density of the propagation medium
  • t is time
  • r g and ⁇ ⁇ are shear stresses
  • r is the radial coordinate
  • z is the axial coordinate
  • ⁇ ⁇ 2 ⁇ ⁇ + 2 ⁇ ; 0 ⁇ ⁇ 2 9 ⁇ ⁇ ⁇
  • ⁇ is the component of instantaneous elastic behavior of the propagation medium
  • ⁇ is the component of viscous behavior of the propagation medium, it is already the order of the fractional derivative, also related to the power law that describes the attenuation of the wave in function of the frequency of it.
  • a device is "intraluminaf or" transluminate when it is suitable to be introduced inside a vessel or duct.
  • a catheter or bladder catheter is considered transluminal devices.
  • Toroid means a surface of revolution generated by a simple closed flat curve or a polygon that rotates around a coplanar outer line (axis of rotation) with which it does not intersect.
  • a plurality of wave emitters or receivers located in an intraluminal device, S are "concentrically arranged” or “equidistant from the longitudinal axis' [Fig. 1], when the distance, d, of the outer surface of the emitters or receivers, R, to the longitudinal axis of the device, 0, is constant, by extension, this definition also includes the case in which an emitter or receiver has a cylindrical or toroidal shape and its axis of revolution coincides with the device shaft
  • the material preferably woven, more preferably living tissues, through which the waves emitted by the transducer are passed to know their structural characteristics (elastic, viscoelastic parameters, microstructural geometry, porous, or models of energy dissipation, among others).
  • electromechanical actuator shall be understood as a device capable of transforming electrical energy into a movement, particularly a rotational movement.
  • the electromechanical actuator is stimulated with an electrical signal generated by an electric pulse generator and is capable of transforming that signal into a minimum turn fraction, which will be used to generate the wave that is subsequently analyzed.
  • the electromechanical actuator will be an electromagnetic motor, so that the rotation is induced by transforming electrical energy into magnetic.
  • An example of this type of actuator may consist of a small-sized or micromotor electromagnetic motor.
  • the electromechanical actuator is stimulated by means capable of generating waves or electrical signals, hereinafter “generator of electrical signals”.
  • generator of electrical signals we will understand by "electrical signal” an electrical quantity whose value depends on time. For the purposes of the present invention, constant magnitudes will be considered as particular cases of electrical signals.
  • the electrical signals generated by an electric signal generator can be periodic (sine, square, triangular, shaped like "sawtooth", etc.). In this way, when connected to an actuator that transforms the signal into a rotation movement, it rotates a minimum fraction of rotation depending on the voltage, frequency and / or time between pulses that are determined by the signal.
  • Biocompatible material means a material whose composition does not interfere or degrade the biological medium in which it is used. These materials are usually used to make devices or elements thereof that must be in direct, brief or prolonged contact with the tissues and internal fluids of the body such as probes, syringes, prostheses, etc.
  • PLA polylactic acid
  • contact element the part or element located in the distal or anterior part of the emitter or receiver and that comes into contact with the specimen on which the wave is intended to be transmitted.
  • the surface of the contact element that comes into contact with the specimen should approximate the curvature of the lumen section to allow adequate transmission of the wave.
  • the element of The contact of an emitter or receiver will be made of a material with an acoustic shear impedance between the shear acoustic impedance of the piezoelectric elements and that of the specimen with the objective of maximizing the energy of the waves that will be emitted on it.
  • z s is the acoustic shear impedance at a given volume of the propagation medium
  • p is the density
  • c s is the velocity of the shear wave at the same determined volume of the propagation medium.
  • a first aspect of the invention consists of a transluminal or intraluminal probe to characterize the spatial distribution of mechanical parameters of a specimen, hereinafter “the device or probe of the invention”, which comprises at least one emitter of S waves or P and S waves, preferably shear waves, more preferably axisymmetric waves, hereinafter “wave emitter”, and at least one wave receiver, in which the receiver or receivers are arranged concentrically and the The disposition of the transmitters and receivers allows them to enter, simultaneously, in direct contact with the specimen.
  • the device or probe of the invention which comprises at least one emitter of S waves or P and S waves, preferably shear waves, more preferably axisymmetric waves, hereinafter “wave emitter”, and at least one wave receiver, in which the receiver or receivers are arranged concentrically and the The disposition of the transmitters and receivers allows them to enter, simultaneously, in direct contact with the specimen.
  • the device of the invention can generate axisymmetric waves at different frequencies by controlling the electrical excitation.
  • the device can generate waves comprising frequencies ranging from 1 Hz to 50 MHz depending on the dimensions and materials of the specimen.
  • the probe of the invention comprises at least one concentrically located wave emitter.
  • the probe comprises a single wave emitter located concentrically.
  • At least one wave emitter preferably each wave emitter, comprises a contact element attached to an electromechanical actuator.
  • at least one wave emitter preferably each emitter, comprises a disc-shaped or cylindrical contact element connected to an electromagnetic device that converts electrical signals into rotational motion, such as an electromagnetic micromotor.
  • the probe of the invention comprises a wave emitter which in turn comprises a disc-shaped or cylindrical contact element connected to an electromagnetic device capable of converting electrical energy into a rotational movement
  • the Union of the contact element to the device that provides the rotation movement is carried out by means of a flexible shaft with a length greater than 5 cm, preferably greater than 25 cm and more preferably greater than 30 cm, which transfers the induced rotation movement, allowing said electromagnetic device is located outside the conduit or vessel into which the distal part of the probe is inserted and the diameter of the probe can be reduced.
  • At least one wave emitter comprises at least one piezoelectric element (Pz), preferably two or more piezoelectric elements, fixed to the inside of a contact element (C) with a substantially toroidal shape whose axis of revolution coincides with center in the longitudinal axis of the probe (0) and the polarization of the piezoelectric element or elements allows transforming an electrical signal in a rotation movement with a tangential direction (T) to the outer surface of the contact element.
  • Pz piezoelectric element
  • C contact element
  • At least one wave receiver preferably each receiver, comprises a contact element attached to at least one piezoelectric element such that when a wave reaches a receiver, the contact element resonates and deforms the piezoelectric elements producing an elastic signal coupled with its tension state.
  • At least one receiver preferably each receiver, comprises at least one piezoelectric element (Pz) fixed to the inside of a substantially toroidal shaped contact element (C) whose axis of revolution coincides with center on the longitudinal axis ( 0) of the probe and the polarization of the piezoelectric element or elements allows to transform a rotation movement with tangential direction (T) to the outer surface of the contact element in an electrical signal.
  • the contact elements (C) of the wave receivers are segments of a cylinder or a toroid whose axis of revolution coincides with the center on the longitudinal axis (0) and whose piezoelectric element (Pz) is fixed inside.
  • the probe of the invention comprises a single wave emitter located between the contact element and the receivers.
  • the single emitter comprises a contact element with a cylindrical shape attached to an electromagnetic device that provides the rotation movement and which is located between the contact element and the receivers.
  • the contact element of at least one wave emitter preferably the contact element of each emitter, is cylindrical in shape and has a plurality of holes that facilitate the suction of the air between the probe and the vessel wall. or duct so that there is no separation between the receptors and the tissue.
  • the probe of the invention comprises at least 2, preferably at least 3, concentrically located receivers.
  • the probe of the invention comprises and sets or blocks of receivers, being j ⁇ 2, so that the sets and sets of receivers are aligned along the longitudinal axis of the probe [Fig. 5]. More preferably, the probe of the invention comprises and sets of k receptors, being j ⁇ 2 and k ⁇ 2, more preferably j ⁇ 2 yk ⁇ 3 and even more preferably, j ⁇ 3 and k ⁇ 3, More preferably, The contact elements of each set of receivers are segments of the same cylinder or of a toroid whose axis of revolution coincides with the center of the longitudinal axis.
  • each of these segments is connected to a piezoelectric element so that all the piezoelectric elements of each set of receivers have the same polarization in a direction tangent to the outer surface of the cylinder or toroid.
  • both the emitters and the receivers have to be in contact with the specimen, so that in another particular embodiment, the probe of the invention is covered by a protective layer, preferably made of a hydrophobic material, preferably with a thickness of between 30 and 60 microns, so that the contact elements will be separated from the specimen only by this layer for hygienic purpose without attenuating the signal or introducing interference.
  • this protective layer will be disposable.
  • the device of the invention comprises means that allow suction of the air between the surface of the probe and the wall of the vessel or duct so that there is no separation between the receptors and the tissue.
  • these means for sucking the air can be part of another device that is used in an auxiliary manner to facilitate elastographic analysis.
  • An example of these means consists of a vacuum pump, a peristaltic pump or a syringe.
  • the probe of the invention is completed with means suitable for transmitting the electrical signals that induce the movement of the emitters and receive the signals captured by the receivers, as well as means that allow the storage and processing of data obtained with the probe.
  • the invention relates to a method, hereinafter "method of the invention” for obtaining useful data to characterize the spatial distribution of mechanical parameters of a specimen, in particular elastographic analysis of the specimen, preferably obtaining useful parameters.
  • biomarkers comprising the emission of P and / or S waves, preferably shear waves, more preferably axisymmetric waves, and the extraction of mechanical constants from the reception of reflected waves from a probe located inside a vessel or specimen duct.
  • the method of the invention emits and receives the waves by means of the probe of the invention.
  • the extraction of constants or mechanical parameters, in particular useful parameters such as biomarkers, that govern the propagation of the waves from the waveform in the time recorded by the receiver can be done through a mere calculation of flight time from from the beginning of the signal in time, to an inverse problem based on propagation models simulated by semi-analytical or numerical methods.
  • the method consists of introducing a probe capable of emitting axisymmetric waves and receiving the reflected waves, preferably the probe of the invention, by a vessel or conduit, such as an artery or, preferably, the urethra until reaching the position closest to the area of the specimen to be analyzed, emit shear waves, preferably axisimetric, and collect the signal of the reflected wave.
  • a vessel or conduit such as an artery or, preferably, the urethra
  • the process comprises a previous step in which the gas or fluid existing inside the duct is suctioned to maximize the contact surface between the duct walls and the contact elements of the probe of the invention [Fig. . 7], thus allowing a better propagation of the emitted and received waves.
  • the method of the invention is a method for performing transurethral elastography analysis for the diagnosis of prostate cancer and monitoring thermal ablation as a focused therapy of prostate cancer.
  • Elastographic parameters can be reconstructed from the signals received by the receivers of the probe of the invention by any of the methods described in the state of the art as optimization methods, such as Genetic Algorithms, or others of different nature such as Reverse -Time Migration, widely used in geophysics, which make use of a propagation model, so that the closer to reality the model is the more reliable the reconstruction of the lesion parameters will be.
  • the propagation model employed is the constituent model KVFD.
  • the movement induced by each emitter can be decomposed into a pseudo-spherical source of shear waves, minimizing the emission of compression waves.
  • a genetic algorithm is used that optimizes a cost function whose variables are the mechanical parameters to be quantified.
  • Other complementary methods such as Reverse-Time Migration can help reduce the size of the optimization domain of the Genetic Algorithm in advance.
  • the physical principle is based on the interaction between the transmitted shear waves and the internal mechanical structure of the specimen of interest.
  • the shear waves propagated within the prostate tissue will be altered by the presence of stiffer lesions than the surrounding tissue. Both most prostate tumors and heat treated tissue exhibit high rigidity in reference to normal prostate tissue.
  • These elastic tissue changes generate reflections of the waves, which are detected by the probe, and that, thanks to their treatment and the application of inversion methods, parameters of these lesions can be reconstructed, such as elastic modulus, viscosity, size and location.
  • the probe of the invention comprises:
  • a set of 4 receivers [Fig. 5], each formed by a contact element (C) whose shape is a section of about 80 ° of a 1 mm thick PLA cylinder and attached to a piezoelectric element (Pz) on its inside.
  • the reception of waves is achieved by 4 sets of receivers located equidistant along the longitudinal axis of the probe (0), in which each set is formed of 4 receivers located with an identical angle between each two of them, in which each receiver is formed by a contact element (C) whose shape is a section of about 80 ° of a 1 mm thick PLA cylinder and attached to a piezoelectric element (Pz) on its inside.
  • the probe of the invention comprises:
  • a single axisymmetric wave emitter formed by a contact element made of PLA and shaped like a disk attached to an electromagnetic motor connected to an oscilloscope.
  • a set of 4 receivers [Fig. 5], each formed by a contact element (C) whose shape is a section of about 80 ° of a 1 mm thick PLA cylinder and attached to a piezoelectric element (Pz) on its inside.
  • the probes described as examples are completed with an electronics capable of exciting the transmitter and conditioning and digitizing the reception, the software capable of implementing the management and analysis interface, as well as the structure and housing capable of housing the previous elements with conditions of hygiene and ergonomics
  • the simulated prostate geometry is the result of extending the two-dimensional (2D) propagation model included in the reconstruction methods to three dimensions (3D) ( Figure 12).
  • the simulated prostate has cubic geometry, and therefore, is not an exact reproduction of the prostate anatomy, it has been considered valid for the purpose of the experimental study.
  • the dimensions chosen both external and of the diameter of the urethra and of the inclusion-tumor, are in accordance with the proper dimensions that can be found in real cases.
  • bovine gelatin Sigma Aldrich, Bovine skin gelatine 225 bloom, type B
  • formaldehyde as a crosslinking agent
  • potassium sorbate was chosen to delay the proliferation of bacteria and fungi.
  • the background material was manufactured with a concentration of 9% gelatin (weight / weight), while which concentrations of 12, 14 and 17% were used to simulate tumors.
  • the viscoelastic parameters (complex shear module, where the real part is related to the elastic component and the imaginary part with the viscous component) of the different gelatin solutions were characterized using a conventional rheometer, thus obtaining ratios of the shear module (value Absolute shear modulus absolute) between inclusion-tumor and background material of 1, 20, 1, 70 and 3.80 for inclusions of 12, 14 and 17% gelatin respectively.
  • Optical experiments were characterized using a conventional rheometer, thus obtaining ratios of the shear module (value Absolute shear modulus absolute) between inclusion-tumor and background material of 1, 20, 1, 70 and 3.80 for inclusions of 12, 14 and 17% gelatin respectively.
  • the displacements of the basalt particles were reconstructed from the videos obtained by the super slow motion.
  • phase velocity of the shear waves for each frequency used in the optical experiments was calculated from the reconstructions of the particle displacements.
  • the values of the complex shear module obtained from the rheometer experiments were used to calculate the theoretical phase velocity of the shear waves for very low frequencies (close to the static case). These velocity data throughout the entire frequency range were used to estimate the viscoelastic parameters according to the KVFD constitutive model of the different areas of the simulated prostates, and thus generate scenarios in the 2D wave propagation model that would be compared with The results of optical experiments.
  • the simulated scenarios using the 2D shear wave propagation model offered a faithful reproduction of the observations obtained from the optical experiments with super slow motion in simulated prostates.
  • Figure 14 shows a comparative example between two scenarios, one simulated and the other obtained from the optical experiments.
  • the model faithfully reproduces the evolution in space-time of the cutting wave from its generation in the environment of the wave emitter until the wave front reaches the area where the tumor-inclusion is located.
  • the model shows a clear disturbance in times after the encounter with the inclusion-tumor, a disturbance that consists in the reflection of the wave front that returns again to the area where the wave emitter is located.
  • the similarity between all pairs of spectra of amplitudes generated from simulations with the 2D model and experimental observations was calculated using the standardized mean square error (RMSE), obtaining a value of 3.36 ⁇ 1, 20% (mean and standard deviation of all pairs of amplitude spectra compared).
  • RMSE mean square error
  • the propagation of shear waves generated by the wave emitter of the invention has been experimentally observed in media that simulate the viscoelastic behavior of human prostate tissue. Likewise, the interaction between this type of waves and areas of greater rigidity has been observed, as is the case of most prostate tumors and lesions resulting from focused treatments of thermal ablation in the prostate. Additionally, the 2D wave propagation model based on a constitutive law type KVFD has been validated against experimental observations, which guarantees its use in the reconstruction methods proposed to obtain the location and viscoelastic parameters of tumors or other rigid lesions in prostate tissue

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Abstract

La invención describe un dispositivo comprende al menos un emisor de ondas P y/o S, preferentemente ondas de cizalla, más preferentemente ondas axisimétricas, y al menos un receptor de ondas, en la que el receptor o los receptores están dispuestos de forma concéntrica y la disposición de los emisores y receptores les permite entrar, simultáneamente, en contacto directo con el espécimen cuya estructura se desea caracterizar. También se describe un procedimiento para caracterizar la distribución espacial de parámetros mecánicos de un espécimen basado en la emisión de ondas de cizalla y su posterior recepción.

Description

DISPOSITIVO TRANSLUMINAL Y PROCEDIMIENTO PARA LA CARACTERIZACIÓN
MECÁNICA DE ESTRUCTURAS
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención está relacionada con transductores piezoeléctricos ampliamente utilizados en las industrias de diagnóstico médico, monitorización industrial y aeronáutica, entre otras. Se trata de un dispositivo transluminal para la generación y recepción de ondas mecánicas de cizalla en medios sólidos blandos con coeficiente de Poisson cercano a 0.5 (medios cuasiincompresibles) que contengan un lumen accesible, como geles y otros fluidos viscosos. Este tipo de dispositivos permiten obtener información sobre las características elásticas del medio a estudiar y su distribución a lo largo del mismo. En ciertas situaciones, cambios de consistencia en el tejido pueden indicar la presencia de ciertas patologías, lo que permitiría el uso de esta técnica para diagnosis. A su vez, ciertos tratamientos térmicos focalizados generan transformaciones irreversibles en la consistencia del tejido, por lo que su evolución podría ser monitorizada.
Su campo de aplicación va desde el análisis no destructivo y caracterización mecánica de materiales, hasta elastografía dinámica cuantitativa de tejidos biológicos. En particular, esta invención es aplicable para realizar análisis de elastografía transuretral para el diagnóstico de cáncer de próstata y monitorizar la ablación térmica como terapia focalizada del cáncer de próstata.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Las ondas mecánicas cortantes, también conocidas como ondas de cizalla, aplicadas de forma transluminal en un segmento concreto de la pared luminal, forman una distribución cuasi- esférica de ondas cortantes que se propagan desde el área de aplicación en la pared del lumen hacia el interior del medio. Su comportamiento está básicamente gobernado por los parámetros viscoelásticos de cizalla del medio. La propagación de las ondas cortantes está gobernada por los parámetros mecánicos de cizalla del medio a estudiar. En el caso de las ondas longitudinales son los parámetros de compresibilidad volumétrica los que gobiernan su comportamiento. En el caso de primera aplicación de la invención, imagen en próstata, así como en la mayoría de tejidos blandos, lo parámetros de compresibilidad varían sólo fracciones de porcentaje, mientras que el de cizalla varía en varios órdenes de magnitud. Esto permite usar técnicas de imagen bastadas en transductores de ondas cortantes pueden detectar alteraciones de la elasticidad del medio donde las técnicas basadas en transductores de ondas de compresión no permiten. Un ejemplo claro de este fenómeno es la imagen de tumores rígidos en próstata Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida. Entre estos dispositivos se encuentran los transductores electromecánicos, que transforman energía eléctrica en mecánica en forma de desplazamientos acoplados elásticamente con tensiones, de forma bidireccional. Los transductores piezoeléctricos son un tipo de transductor electromecánico, que emiten y reciben ondas mecánicas permitiendo aplicaciones de imagen por ultrasonidos y/o elastográficas.
Se conocen generadores de ondas cortantes basados en torsión con aplicaciones en geofísica. Es el caso de la patente US 5,321 ,333, que presenta un dispositivo bilateral (genera sendas ondas en cada extremo) para generar movimientos de cizalla basado en la combinación de elementos piezoeléctricos polarizados, que están unidos a un vástago sólido para trasmitir el movimiento. Sin embargo, las aplicaciones en geofísica, al contrario que aquellas en biomedicina, utilizan muy bajas frecuencias dado que los elementos a monitorizar están en la escala del metro. También se conocen transductores que emiten ondas de torsión desde superficies accesibles con aplicaciones de elastografía en tejidos blandos, como los descritos en WO 2012172136. En esta patente, la generación de ondas de torsión se realiza gracias a un disco de transmisión que combina un par de discos elásticos que proporciona la inercia necesaria para reducir la frecuencia de resonancia y la rigidez para reducir las ondas de dilatación, y una selección de elementos piezoeléctricos transversalmente polarizados que transforman la señal eléctrica en movimiento mecánico. No obstante, la señal recibida con los dispositivos descritos contiene demasiado ruido por lo que su análisis presenta serias dificultades. La falta de calidad de esta señal no permite una correcta reconstrucción de las características mecánicas del medio en determinadas situaciones.
En la solicitud WO/2017/009516 se describe un dispositivo electromecánico que permite emitir ondas axisimétricas y que contacta con el tejido por una cara perpendicular al eje de rotación del elemento de contacto. Se conocen también dispositivos vasculares de elastografía, como el descrito en US 20070282202 A1. En esta patente se detalla el diseño y uso de un sistema para elastografía cuasi-estática vascular. Este tipo de elastografía se basa en la comparación de las señales de radio-frecuencia obtenidas antes y después de aplicar una deformación de compresión al tejido a estudiar. El resultado es un mapa de contraste de elasticidad, pero sin información cuantitativa a cerca de los parámetros mecánicos del tejido.
No se conocen a la fecha de este documento dispositivos transluminales con aplicaciones en elastografía dinámica cuantitativa.
En el caso específico de la primera aplicación de esta invención, podemos encontrar diferentes tipos de elastografía para próstata, sin embargo, ninguno de ellos se realiza a través de la uretra. Elastografía de próstata
La Elastografía de próstata es una modalidad emergente de imagen médica, la cual consiste en la evaluación de la rigidez de la próstata. Análogamente al proceso de sanado de heridas, se cree que el estroma tisular normal responde en un esfuerzo por reparar el daño producido por la invasión de células cancerosas. Dicha reacción se caracteriza por una elevada deposición de colágeno. Dado que el aumento en la deposición de colágeno con lleva a un incremento de la rigidez del tejido canceroso, se ha sugerido en numerosos estudios que la estimación cuantitativa de la rigidez del tejido puede ser un biomarcador efectivo para evaluar el grado de cáncer de próstata e identificar los tumores más agresivos.
La elastografía en tiempo real está disponible en algunos sistemas de ultrasonidos para imagen de próstata junto a otras técnicas que están siendo actualmente desarrolladas. En la actualidad hay comercialmente disponibles dos enfoques diferentes de elastografía:
• Elastografía cuasi-estática, también conocido como Strain Elastography (SE).
· Elastografía dinámica, principalmente mediante Acoustic Radiation Forcé (ARF).
La elastografía cuasi-estática (SE) en próstata se basa en el análisis comparativo de la deformación del tejido antes y después de aplicar una ligera compresión mecánica a través de la pared del recto. Las zonas más rígidas experimentan menos deformación que aquellas zonas menos rígidas. Los cambios relativos en el grado de deformación proporcionan una idea de zonas con una rigidez más alta y por lo tanto sospechosas de contener nodulos patogénicos. Valores cuantitativos de la rigidez no son proporcionados. Esta técnica esta comercialmente disponible en varias plataformas médicas de ultrasonidos. Presenta algunas limitaciones:
• Falta de compresión no uniforme sobre la totalidad de la próstata, lo cual puede generar falsas interpretaciones.
• Dependencia intra- e inter-operativa.
• Dificultad de penetración en próstatas de mayor tamaño.
• Artefactos debidos a deslizamientos en el plano de compresión. La elastografía dinámica para la detección del cáncer de próstata ha sido principalmente testada usando Shear Wave Elastography (SWE) transrectalmente mediante el equipo de ultrasonidos Aixplorer (SuperSonic Imagine, Aix-en-Provence, France). En SWE transrectal la ARF genera un frente de ondas cortante con una geometría cónica de pequeña inclinación. Esta onda se propaga dentro del tejido desde la zona de generación de la ARF hacia el exterior. Un escáner ultrarrápido de ultrasonidos permite el seguimiento en tiempo real de la propagación de la onda, obteniendo así su velocidad de propagación y por lo tanto un mapa de elasticidad del tejido. La resolución espacial es peor que la generada por SE, pero valores cuantitativos de la rigidez son proporcionados. Estudios recientes sobre diagnosis de cáncer de próstata usando SWE transrectalmente han demostrados resultados muy prometedores. El uso de un módulo de Young umbral entre lesiones y tejido normal de 35 kPa en la zona periférica de la próstata puede proporcionar información adicional para la detección del cáncer y el guiado de biopsias, permitiendo una reducción sustancial en el número final de biopsias a realizar. Las limitaciones de esta técnica son:
• Artefactos de presión debidos al diseño del transductor transrectal, el cual requiere inclinar la sonda para escanear la próstata media y su vértice.
• Lenta adquisición de imágenes, concretamente una imagen por segundo.
• Tamaño limitado de la región de interés, concretamente solo se cubre un plano 2D de la mitad de la próstata.
• Retardo en el tiempo de estabilización de las señales para cada plano de adquisición.
• Atenuación de la señal en próstatas de grandes dimensiones, lo que dificulta la evaluación de la zona anterior de la próstata. El motivo por el que no es nada inmediato diseñar una sonda ultrasónica transluminal con capacidad para generar suficiente radiación de fuerza acústica (Acoustic Radiation Forcé) que genere una onda cortante propagándose en el interior del tejido es principalmente la falta de espacio para contener el tamaño de lente acústica que está técnica requiere. Al mismo tiempo se observaría una falta de espacio para incorporar el sistema de monitorizado de la propagación de la onda cortante. Es por ello que se hace necesario pensar en un diseño donde la onda cortante sea generada por actuadores mecánicos, y donde el sistema de detección permita el miniaturizado del mismo. Caracterización mecánica de estructuras
El principio físico para caracterizar mecánicamente la estructura de un medio es el siguiente: Una magnitud física se propaga en forma de onda a través del medio a analizar, lo que distorsiona la onda hasta que se mide en una superficie accesible. Los parámetros mecánicos responsables de la modificación de la onda se pueden deducir a partir de las medidas que se realicen por medio de la teoría del problema inverso basado en modelos. Esta técnica es la estrategia más potente conocida hasta el momento.
Se ha descrito previamente el uso de Algoritmos Genéticos para la optimización de funciones de coste cuyas variables son los parámetros mecánicos a cuantificar. Otros métodos complementarios como Reverse Time Migration pueden ayudar a reducir previamente el tamaño del dominio de optimización del Algoritmo Genético.
OBJETO DE LA INVENCIÓN El objeto de la invención es una sonda transductor piezo-electromecánica que contiene un set de transmisores y receptores de ondas cortantes para medios sólidos, cuasi-incompresibles y algunos geles fluidos, desde una cavidad en el interior del medio, o bien insertando la sonda a través de una superficie accesible en el caso de geles fluidos. La fuerza oscilatoria rotacional inducida por cada emisor es transmitida en el medio en la forma de radiaciones pseudo- esféricas de ondas cortantes. El análisis de las ondas detectadas por los receptores, una vez que han viajado a través del tejido, permite obtener información valiosa sobre el estando elástico y su distribución espacial, lo que permitiría, por ejemplo, detectar zonas de mayor rigidez que podrían estar asociadas a tumores. Todos los métodos existentes de elastografía en próstata están basado en el enfoque transrectal. En el caso de es esta invención, el acceso a la glándula seria transuretral, lo cual conlleva una serie de ventajas inherentes:
• Mejor accesibilidad a la zona anterior de la próstata, la cual queda menos accesible cuando se usa el acceso transrectal.
• Posibilidad de usar frecuencias (superiores a 500 Hz) mayores que las usadas en la actualidad. Lo que permitiría una mayor resolución espacial y por lo tanto una mejor capacidad de detección de tumores de pequeñas dimensiones.
• Habilidad de escanear la totalidad de la glándula en un solo proceso, obteniendo así un mapa 3D de parámetros mecánicos del tejido.
• Niveles bajos térmicos y mecánicos comparando con técnicas que usan ARF como fuente de excitación de ondas cortantes.
• El uso de la uretra como canal de acceso mantiene el pasaje rectal libre para terapias transrectales tales como ablación térmica mediante HIFU, lo que permitiría el monitorizado de las mismas.
Así, un primer aspecto de la invención consiste en una sonda transluminal o intraluminal para analizar la estructura de un espécimen que comprende al menos un emisor de ondas S o de ondas P y S, preferentemente ondas de cizalla, más preferentemente ondas axisimétricas, y al menos un receptor de ondas, en la que el receptor o los receptores están dispuestos de forma concéntrica y la disposición de los emisores y receptores les permite entrar, simultáneamente, en contacto directo con el espécimen.
En un segundo aspecto, la invención se refiere a un método para la obtención de datos útiles para caracterizar la distribución espacial de parámetros mecánicos de un espécimen, en particular el análisis elastográfico del espécimen, preferentemente la obtención de parámetros útiles como biomarcadores, que comprende la emisión de ondas P y/o S, preferentemente ondas de cizalla, más preferentemente ondas axisimétricas, y la extracción de constantes mecánicas a partir de la recepción de ondas reflejadas desde una sonda situada en el interior de un vaso o conducto del espécimen.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1.- Representación de dos disposiciones concéntricas de los receptores de la sonda (S), de la invención donde ® representa un receptor y (d) la distancia de la superficie exterior del receptor al eje longitudinal, (0). Figura 2.- Representación esquemática de un emisor formado por un elemento de contacto (C) con forma sensiblemente toroidal unido por su parte interior a cuatro elementos piezoeléctricos (Pz). (0) representa el eje longitudinal de la sonda de la invención, (T) la dirección de movimiento del elemento de contacto y (E) un elemento central sobre el que se fijan los distintos elementos que conforman la zona.
Figura 3.- Representación esquemática de un emisor o receptor formado por un elemento de contacto (C) con forma sensiblemente toroidal unido por su parte interior a cuatro elementos piezoeléctricos (Pz). (0) representa el eje longitudinal de la sonda de la invención, (T) la dirección de movimiento del elemento de contacto y E un elemento central sobre el que se fijan los distintos elementos que conforman la zona.
Figura 4.- Representación esquemática de dos conjuntos de 3 y 4 receptores formados por elementos de contacto (C) con forma de segmento de toroide cuyo eje de revolución coincide con centro en el eje longitudinal (0) y en cuya parte interior se fija un elemento piezoeléctrico (Pz) con una polarización que permite transformar un movimiento de rotación con dirección tangencial (T) a la superficie exterior del elemento de contacto en una señal eléctrica. E un elemento central sobre el que se fijan los distintos elementos que conforman la zona.
Figura 5.- Esquema de una realización particular del dispositivo con 5 conjuntos de 4 receptores (j=5, k=4). (0) representa el eje longitudinal de la sonda de la invención y (E) un elemento central sobre el que se fijan los distintos elementos que conforman la zona.
Figura 6.- Representación esquemática de la posición de la sonda en el interior de un vaso (V) de un espécimen (Sp).
Figura 7.- Representación esquemática de la posición de la sonda en el interior de un vaso (V) de un espécimen (Sp) antes y después de la succión de aire.
Figura 8.- Esquema de un modo de realización en el que la sonda comprende cuatro conjuntos de 4 receptores (receptores) y un emisor de ondas (emisor) con forma toroidal. Figura 9.- Esquema de un modo de realización en el que la sonda comprende cuatro receptores (receptores) y un emisor de ondas (emisor) con forma de disco y está conectado a un motor electromagnético (Motor).
Figura 10.- Señales experimentales obtenidas con el prototipo en próstata simulada con gel al 13%.
Figura 11.- Señales simuladas para el prototipo en próstata simulada con gel al 13%.
Figura 12.- Representación de una próstata simulada, (a) representa el esquema del modelo 2D de propagación de ondas de cizalla, (b) detalla la geometría y dimensiones de la próstata simulada utilizada para los experimentos de validación. Figura 13.- Esquema del sistema empleado para llevar a cabo los experimentos ópticos para capturar el desplazamiento de partículas embebidas dentro de la próstata simulada.
Figura 14.- Ejemplo comparativo entre dos escenarios, uno simulado (a) y otro obtenido de los experimentos ópticos (b), de la propagación de la onda de cizalla generada por el emisor de ondas de la invención mientras se propaga desde el conducto que simula la uretra (coordenada r = 5,5 mm) hasta el área donde la inclusión-tumor se encuentra ubicada (coordenada r = 15 mm).
Figura 15.- Ejemplo comparativo entre espectros de amplitud de dos escenarios, uno simulado (a) y otro obtenido de los experimentos ópticos (b), a lo largo del camino de propagación de la onda de cizalla que va desde el emisor de ondas hasta el área donde la inclusión-tumor se encuentra ubicada.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Definiciones A lo largo de la presente memoria se entenderá por "onda de cizalla axisimétrica" o "ASW" (axisymmetric shear wave) a una onda mecánica de cizalla propagada en medios cuasi incomprensibles, preferentemente tejidos biológicos, gobernada por la componente desviadora de la elasticidad y que se propaga a la velocidad de ondas de cizalla, en dirección radial y axial, según el modelo matemático en primera aproximación descrito a continuación.
Las ecuaciones que describen la propagación de la onda axisimétrica, así como el desplazamiento oscilatorio angular que sufren las partículas del medio al paso de la onda puede ser descrito por las ecuaciones de conservación de cantidad de movimiento, de equilibrio entre deformaciones y desplazamientos, y por último constitutivas mecánicas del medio de propagación. Este último grupo de ecuaciones describe cómo responde el medio de propagación en términos de deformación al ser sometido a esfuerzos, numerosos modelos constitutivos han sido propuestos, en este documento se expone el denominado Kelvin-Voigt Fractional Derivative (KVFD), por ser una generalización de otros modelos constitutivos más simples, además de ser postulado en literatura reciente como uno de los modelos constitutivos ideales para la simulación de elastografía dinámica:
Conservación de la cantidad de movimiento:
d2ug _ 1 /darg | δσθζ | 2 ^ \
dt2 p \ dr dz r νθ )
Donde u0 es el desplazamiento angular de las partículas, p es la densidad del medio de propagación, t es el tiempo, org y σθζ son las tensiones de cizalla, r es la coordenada radial y z es la coordenada axial.
Equilibrio entre deformaciones y desplazamientos:
- i _
£r9 ~ 2 dr r ) ]
1 dUg
Eez = Ydz~
Donde sr9 y εθζ son las deformaciones de cizalla. Modelo constitutivo KVFD:
daErg
σΓθ = 2μεΓθ + 2η ; 0 < α < 2 9αεθζ
2μεθζ + 2η 0 < a < 2
dta
Donde μ es la componente de comportamiento elástico instantáneo del medio de propagación, η es la componente de comportamiento viscoso del medio de propagación, y a es el orden de la derivada fraccional, también relacionado con la ley de potencia que describe la atenuación de la onda en función de la frecuencia de la misma.
Diremos que un dispositivo es "intraluminaf o "transluminar cuando es apto para introducirse por el interior de un vaso o conducto. Un catéter o una sonda vesical se consideran dispositivos transluminales.
Se entenderá por "toroide" a una la superficie de revolución generada por una curva plana cerrada simple o un polígono que gira alrededor de una recta exterior coplanar (eje de rotación) con la que no se interseca.
Se dirá que una pluralidad de emisores o receptores de ondas situados en un dispositivo intraluminal, S, están "dispuestos de forma concéntrica" o "dispuestos de forma equidistante al eje longitudinal' [Fig. 1], cuando la distancia, d, de la superficie exterior de los emisores o receptores, R, al eje longitudinal del dispositivo, 0, es constante. Por extensión, esta definición también incluye el caso en el que un emisor o receptor tiene forma cilindrica o toroidal y su eje de revolución coincide con el eje del dispositivo.
A lo largo de la presente descripción entenderemos como "espécimen" al material, preferentemente tejido, más preferentemente tejidos vivos, por el que se hacen pasar las ondas emitidas por el transductor para conocer sus características estructurales (parámetros elásticos, viscoelásticos, de geometría microestructural, porosa, o modelos de disipación energética, entre otros).
A efectos de la presente invención se entenderá como "actuador electromecánico" a un dispositivo capaz de transformar energía eléctrica en un movimiento, particularmente un movimiento de rotación. En una realización particular, adecuada para esta invención, el actuador electromecánico es estimulado con una señal eléctrica generada por un generador de pulsos eléctricos y es capaz de transformar esa señal en una fracción de giro mínima, que servirá para generar la onda que se analiza posteriormente. En una realización más particular, el actuador electromecánico será un motor electromagnético, de forma que la rotación se induce al transformar energía eléctrica en magnética.
Un ejemplo de este tipo de actuadores puede consistir en un motor electromagnético de tamaño reducido o micromotor.
A los efectos de la presente invención, el actuador electromecánico está estimulado por medios capaces de generar ondas o señales eléctricas, en adelante "generador de señales eléctricas". Entenderemos por "señal eléctrica" a una magnitud eléctrica cuyo valor depende del tiempo. A los efectos de la presente invención, se considerarán las magnitudes constantes como casos particulares de señales eléctricas.
Las señales eléctricas generadas por un generador de señales eléctricas pueden ser periódicas (senoidal, cuadrada, triangular, con forma en "dientes de sierra", etc.). De esta manera, al conectarlo a un actuador que transforma la señal en un movimiento de rotación, éste gira una fracción mínima de giro en función del voltaje, frecuencia y/o tiempo entre pulsos que están determinados por la señal.
Como generador de señales eléctricas se puede emplear cualquier circuito electrónico que digitalice las señales eléctricas a las frecuencias deseadas. Otro ejemplo de generador de señales eléctricas, empleado en los diseños experimentales de la presente invención, puede ser un osciloscopio, ya que permite emitir una señal eléctrica con un voltaje variable a lo largo de un tiempo determinado. Se entenderá por "material biocompatible" a un material con cuya composición no interfiera ni degrade el medio biológico en el que es utilizado. Estos materiales suelen emplearse para confeccionar dispositivos o elementos de los mismos que deben estar en contacto directo, breve o prolongado con los tejidos y fluidos internos del cuerpo como pueden ser las sondas, jeringuillas, prótesis, etc. Un ejemplo de este material es el ácido poliláctico (PLA).
Denominaremos "elemento de contacto" a la parte o elemento situados en la parte distal o anterior del emisor o receptor y que entra en contacto con el espécimen sobre el que se pretende transmitir la onda. De forma preferente, la superficie del elemento de contacto que entra en contacto con el espécimen debe aproximar la curvatura de la sección del lumen para permitir una transmisión adecuada de la onda. También de forma preferente, el elemento de contacto de un emisor o receptor estará fabricado en un material con una impedancia acústica de cizalla comprendida entre la impedancia acústica de cizalla de los elementos piezoeléctricos y la del espécimen con el objetivo de maximizar la energía de las ondas que se emitirán sobre él.
Denominaremos "impedancia acústica de cizalla" al valor zs determinado por la ecuación
zs = csp
Donde zs es la impedancia acústica de cizalla en un volumen determinado del medio de propagación, p es la densidad, y cs es la velocidad de la onda de cizalla en el mismo volumen determinado del medio de propagación.
Sonda de la invención
En el contexto definido, un primer aspecto de la invención consiste en una sonda transluminal o intraluminal para caracterizar la distribución espacial de parámetros mecánicos de un espécimen, en adelante "el dispositivo o la sonda de la invención", que comprende al menos un emisor de ondas S o de ondas P y S, preferentemente ondas de cizalla, más preferentemente ondas axisimétricas, en adelante "emisor de ondas", y al menos un receptor de ondas, en la que el receptor o los receptores están dispuestos de forma concéntrica y la disposición de los emisores y receptores les permite entrar, simultáneamente, en contacto directo con el espécimen.
De forma particular, el dispositivo de la invención puede generar ondas axisimétricas a diferentes frecuencias controlando la excitación eléctrica. El dispositivo puede generar ondas comprende frecuencias que van desde 1 Hz hasta 50 MHz dependiendo de las dimensiones y los materiales del espécimen.
En una realización particular, la sonda de la invención comprende al menos un emisor de ondas situado de forma concéntrica. En una realización preferente, la sonda comprende un único emisor de ondas situado de forma concéntrica.
En otra realización particular, al menos un emisor de ondas, preferentemente cada emisor de ondas, comprende un elemento de contacto unido a un actuador electromecánico. En una realización preferente, al menos un emisor de ondas, preferentemente cada emisor, comprende un elemento de contacto con forma de disco o cilindrica unido a un dispositivo electromagnético que convierta señales eléctricas en movimiento de rotación, como puede ser un micromotor electromagnético. Un ejemplo de este tipo de emisores puede encontrarse en la solicitud WO/2017/009516.
En una realización preferente en la que la sonda de la invención comprende un emisor de ondas que a su vez comprende un elemento de contacto con forma de disco o cilindrica unido a un dispositivo electromagnético capaz de convertir la energía eléctrica en un movimiento de rotación, la unión del elemento de contacto al dispositivo que proporciona el movimiento de rotación se realiza mediante un eje flexible con una longitud superior a 5 cm, preferentemente superior a 25 cm y más preferente superior a 30 cms, que traslada el movimiento de rotación inducido, permitiendo que dicho dispositivo electromagnético quede situado fuera del conducto o vaso en el que se introduce la parte distal de la sonda y se pueda reducir el diámetro de la misma.
En otra realización particular [Fig. 2], al menos un emisor de ondas comprende al menos un elemento piezoeléctrico (Pz), preferentemente dos o más elementos piezoeléctricos, fijado a la parte interior de un elemento de contacto (C) con forma sensiblemente toroidal cuyo eje de revolución coincide con centro en el eje longitudinal de la sonda (0) y la polarización del elemento o elementos piezoléctricos permite transformar una señal eléctrica en un movimiento de rotación con dirección tangencial (T) a la superficie exterior del elemento de contacto.
En otra realización particular al menos un receptor de ondas, preferentemente cada receptor, comprende un elemento de contacto unido al menos a un elemento piezoeléctrico de forma que cuando una onda alcanza un receptor, el elemento de contacto entra en resonancia y deforma los elementos piezoeléctricos produciendo una señal elástica acoplada con su estado tensional.
En otra realización particular [Fig. 3], al menos un receptor, preferentemente cada receptor, comprende al menos un elemento piezoeléctrico (Pz) fijado a la parte interior de un elemento de contacto (C) con forma sensiblemente toroidal cuyo eje de revolución coincide con centro en el eje longitudinal (0) de la sonda y la polarización del elemento o elementos piezoléctricos permite transformar un movimiento de rotación con dirección tangencial (T) a la superficie exterior del elemento de contacto en una señal eléctrica. Preferentemente, [Fig. 4], los elementos de contacto (C) de los receptores de ondas son segmentos de un cilindro o un toroide cuyo eje de revolución coincide con centro en el eje longitudinal (0) y en cuya parte interior se fija un elemento piezoeléctrico (Pz) con una polarización que permite transformar un movimiento de rotación con dirección tangencial (T) a la superficie exterior del elemento de contacto en una señal eléctrica. De esta forma, se dispone un conjunto de k receptores, con /c≥1 , preferentemente k≥2, más preferentemente k=4, situados en la misma posición del eje longitudinal de la sonda. Incrementando el número k de receptores se consigue que la sonda sea más sensible a la herogeneicidad tridimensional del espécimen. En otra realización particular la sonda de la invención comprende un único emisor de ondas situado entre el elemento de contacto y los receptores. En una realización preferente, el único emisor comprende un elemento de contacto con forma cilindrica unido a un dispositivo electromagnético que proporciona el movimiento de rotación y que está situado entre el elemento de contacto y los receptores.
En otra realización particular, el elemento de contacto de al menos un emisor de ondas, preferentemente el elemento de contacto de cada emisor, tiene forma cilindrica y posee una pluralidad de orificios que facilitan la succión del aire existente entre la sonda y la pared del vaso o conducto de forma que no exista separación entre los receptores y el tejido.
En una realización particular, la sonda de la invención comprende al menos 2, preferentemente al menos 3, receptores situados de forma concéntrica.
En otra realización preferente, la sonda de la invención comprende y conjuntos o bloques de receptores, siendo j≥2, de forma que los y conjuntos de receptores se sitúan alineados a lo largo del eje longitudinal de la sonda [Fig. 5]. De forma más preferente, la sonda de la invención comprende y conjuntos de k receptores, siendo j≥2 y k≥2, más preferentemente j≥2 y k≥3 y aún más preferente, j≥3 y k≥3, De forma más preferente, los elementos de contacto de cada conjunto de receptores son segmentos de un mismo cilindro o de un toroide cuyo eje de revolución coincide con centro en el eje longitudinal. En una realización concreta, cada uno de estos segmentos está unido a un elemento piezoeléctrico de forma que todos los elementos piezoeléctricos de cada conjunto de receptores tienen una misma polarización en dirección tangente a la superficie exterior del cilindro o toroide. De forma ideal tanto los emisores como los receptores tienen que estar en contacto con el espécimen, por lo que en otra realización particular, la sonda de la invención está recubierta por una capa protectora, preferentemente fabricada en un material hidrofóbico, preferentemente con un grosor de entre 30 y 60 mieras, de forma que los elementos de contacto estarán separados del espécimen únicamente por esta capa con propósito higiénico sin que se atenúe la señal ni se introduzcan interferencias. De forma preferente, esta capa protectora será desechable. En otra realización preferente, el dispositivo de la invención comprende medios que permiten succionar el aire existente entre la superficie de la sonda y la pared del vaso o conducto de forma que no exista separación entre los receptores y el tejido. Por extensión, estos medios para succionar el aire pueden formar parte de otro dispositivo que se emplee de forma auxiliar para facilitar el análisis elastográfico. Un ejemplo de estos medios consiste en una bomba de vacío, una bomba peristáltica o una jeringa.
La sonda de la invención se completa con medios aptos para transmitir las señales eléctricas que inducen el movimiento de los emisores y recibir las señales captadas por los receptores, así como medios que permitan el almacenamiento y procesado de datos obtenidos con la sonda.
Método para la obtención de datos útiles para el análisis elastográfico
Así, la invención se refiere a un método, en adelante "método de la invención" para la obtención de datos útiles para caracterizar la distribución espacial de parámetros mecánicos de un espécimen, en particular el análisis elastográfico del espécimen, preferentemente la obtención de parámetros útiles como biomarcadores, que comprende la emisión de ondas P y/o S, preferentemente ondas de cizalla, más preferentemente ondas axisimétricas, y la extracción de constantes mecánicas a partir de la recepción de ondas reflejadas desde una sonda situada en el interior de un vaso o conducto del espécimen.
En una realización particular, el método de la invención emite y recibe las ondas mediante la sonda de la invención. La extracción de constantes o parámetros mecánicos, en particular parámetros útiles como biomarcadores, que gobiernan la propagación de las ondas a partir de la forma de onda en el tiempo registrada por el receptor puede realizarse a través de un mero cálculo de tiempo de vuelo a partir del inicio de la señal en el tiempo, hasta un problema inverso basado en modelos de propagación simulados por métodos semianalíticos o númericos.
De forma particular, el método consiste en introducir una sonda capaz de emitir ondas axisimétricas y recibir las ondas reflejadas, preferentemente la sonda de la invención, por un vaso o conducto, como puede ser una arteria o, preferentemente, la uretra hasta alcanzar la posición más cercana a la zona del espécimen que se pretende analizar, emitir ondas de cizalla, preferentemente axisimétricas, y recabar la señal de la onda reflejada. [Fig. 6]
En una realización particular, el procedimiento comprende una etapa previa en la que se succiona el gas o fluido existente en el interior del conducto para maximizar la superficie de contacto entre las paredes del conducto y los elementos de contacto de la sonda de la invención [Fig. 7], permitiendo así una mejor propagación de las ondas emitidas y recibidas.
En una realización preferente, el método de la invención es un método para realizar análisis de elastografía transuretral para el diagnóstico de cáncer de próstata y monitorizar la ablación térmica como terapia focalizada del cáncer de próstata.
Procedimiento de reconstrucción de parámetros elastográficos
Los parámetros elastográficos pueden reconstruirse a partir de las señales recibidas por los receptores de la sonda de la invención mediante cualquiera de los métodos descritos en el estado de la técnica como métodos de optimización, tales como los Algoritmos Genéticos, u otros de distinta naturaleza como Reverse-Time Migration, ampliamente empleado en geofísica, que hacen uso de un modelo de propagación, de forma que cuanto más próximo a la realidad sea el modelo más fiable será la reconstrucción de los parámetros de las lesiones. En una realización preferente, el modelo de propagación empleado es el modelo constitutivo KVFD.
En una realización particular, el movimiento inducido por cada emisor puede descomponerse en una fuente pseudo-esférica de ondas de cizalla, minimizando la emisión de ondas de compresión. Posteriormente se emplea un algoritmo genético que optimice una función de coste cuyas variables son los parámetros mecánicos a cuantificar. Otros métodos complementarios como Reverse-Time Migration pueden ayudar a reducir previamente el tamaño del dominio de optimización del Algoritmo Genético.
El principio físico se basa en la interacción entre las ondas cortantes transmitidas y la estructura mecánica interna del espécimen de interés. Como ejemplo sirva la aplicación para la diagnosis de cáncer de próstata y el monitorizado de la ablación focalizada en próstata. Las ondas cortantes propagadas dentro del tejido prostático se verán alteradas por la presencia de lesiones más rígidas que el tejido circundante. Tanto la mayoría de los tumores de próstata como tejido tratado por ablación térmica presentan una elevada rigidez en referencia al tejido normal prostático. Estos cambios elásticos del tejido generan reflexiones de las ondas, que son detectadas por la sonda, y que, gracias a su tratamiento y a la aplicación de métodos de inversión, parámetros de esas lesiones pueden ser reconstruidos, tales como módulo elástico, viscosidad, tamaño y localización.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN Ejemplos de sondas
En un primer modo de realización, la sonda de la invención comprende:
· Un solo emisor de ondas axisimétricas [Fig. 4] formado por un elemento de contacto (C) fabricado en PLA y con forma de toro con sección cuadrada unido a 4 elementos piezoeléctricos (Pz) fijados en su parte interior en posiciones equidistantes, de forma que el movimiento de rotación (T) del elemento de contacto está inducido por dichos elementos piezoeléctricos.
· Un conjunto de 4 receptores [Fig. 5], cada uno de ellos formado por un elemento de contacto (C) cuya forma es una sección de unos 80° de un cilindro de PLA con 1 mm de espesor y unido a un elemento piezoeléctricos (Pz) por su parte interior.
En un segundo modo de realización [Fig. 8], la recepción de ondas se consigue mediante 4 conjuntos de receptores situados de forma equidistante a lo largo del eje longitudinal de la sonda (0), en el que cada conjunto está formado de 4 receptores situados con un ángulo idéntico entre cada dos de ellos, en el que cada receptor está formado por un elemento de contacto (C) cuya forma es una sección de unos 80° de un cilindro de PLA con 1 mm de espesor y unido a un elemento piezoeléctricos (Pz) por su parte interior. En un tercer modo de realización [Fig. 9], la sonda de la invención comprende:
• Un solo emisor de ondas axisimétricas formado por un elemento de contacto fabricado en PLA y con forma de disco unido a un motor electromagnético conectado a un osciloscopio.
• Un conjunto de 4 receptores [Fig. 5], cada uno de ellos formado por un elemento de contacto (C) cuya forma es una sección de unos 80° de un cilindro de PLA con 1 mm de espesor y unido a un elemento piezoeléctricos (Pz) por su parte interior.
Las sondas descritas como ejemplos se completa con una electrónica capaz de excitar del emisor y de acondicionar y digitalizar la recepción, el software capaz de implementar la interfaz de manejo y análisis, así como la estructura y carcasa capaz de alojar los elementos anteriores con condiciones de higiene y ergonomía.
Resultados experimentales 1
Empleando el prototipo descrito en la tercera realización, con un receptor que comprende un elemento de contacto formado 4 sectores de anillo unidos a 4 elementos piezoeléctricos y un único emisor de ondas electromecánico con un emisor en diseño de disco, sobre una próstata simulada consistente un gelatina de origen bovino (Sigma Aldrich, Bovine skin gelatine 225 bloom, type B) al 13% sobre agua, se han obtenido los siguientes resultados de señales medidas [Fig. 10], que nos permiten validar el prototipo contra señales simuladas mediante diferencias finitas usando la teoría de elasticidad lineal simulando la misma configuración [Fig. 1 1], resultan compatibles con las experimentales, validando así preliminarmente la funcionalidad del prototipo. Resultados experimentales 2
Empleando de nuevo el emisor de ondas del prototipo descrito en la tercera realización, se han realizado una serie de ensayos experimentales en un medio con propiedades viscoelásticos similares a la próstata humana (próstata simulada), que han servido para comprobar que la propagación de ondas de cizalla y la reflexión producida cuando el frente de ondas de cizalla alcanza una región con cambio de propiedades viscoelásticas, son generadas satisfactoriamente por el emisor de ondas de la invención, y que el modelo de propagación basado en una ley constitutiva KVFD, simula fielmente el fenómeno físico de la propagación, la atenuación de las ondas y la interactuación con cambios en la distribución de las propiedades viscoelásticas de la próstata, lo que confirma la viabilidad del método de la invención. Descripción general de la próstata simulada
Se diseñaron y fabricaron varias próstatas simuladas para observar experimentalmente la propagación de ondas de cizalla generadas por el disco emisor de ondas de la sonda descrita como ejemplo en la tercera realización, y la interacción con áreas de mayor rigidez, tal y como sucede con la mayoría de los tumores de próstata.
La geometría de la próstata simulada es el resultado de extender a tres dimensiones (3D) el modelo de propagación bidimensional (2D) incluido en los métodos de reconstrucción (Figura 12). Aunque la próstata simulada tiene geometría cúbica, y por lo tanto, no es una exacta reproducción de la anatomía de la próstata, se ha considerado válido para el objeto del estudio experimental. Adicionalmente, las dimensiones elegidas, tanto externas como del diámetro de la uretra y de la inclusión-tumor, están en concordancia con las dimensiones propias que se pueden encontrar en casos reales. Para imitar las propiedades viscoelásticas se eligió una combinación de gelatina de origen bovino (Sigma Aldrich, Bovine skin gelatine 225 bloom, type B), formaldehído como agente de entrecruzamiento y sorbato de potasio para retrasar la proliferación de bacterias y hongos. Diferentes soluciones de gelatina con distinta concentración de gelatina fueron usadas para fabricar el material de fondo de la próstata simulada y las inclusiones-tumores, específicamente, el material de fondo fue fabricado con una concentración del 9% de gelatina (peso/peso), mientras que concentraciones de 12, 14 y 17% fueron usadas para simular tumores.
Los parámetros viscoelásticos (módulo de cizalla complejo, donde la parte real está relacionada con la componente elástica y la parte imaginaria con la componente viscosa) de las distintas soluciones de gelatina fueron caracterizados usando un reómetro convencional, obteniendo así ratios del módulo de cizalla (valor absoluto del módulo de cizalla complejo) entre inclusión- tumor y material de fondo de 1 ,20, 1 ,70 y 3,80 para las inclusiones de 12, 14 y 17% de gelatina respectivamente. Experimentos ópticos
Se diseñaron y realizaron varios conjuntos de experimentos ópticos usando una cámara superlenta para capturar el desplazamiento de partículas generado por ondas de cizalla generadas por el emisor de ondas del prototipo descrito en la tercera realización que se propagan a través de las próstatas simuladas e interactúan con la inclusión rígida que simula un tumor prostático (Figura 13). Las próstatas simuladas fueron fabricadas translúcidas conteniendo en su interior partículas embebidas de basalto, de forma que utilizando un sistema artificial de iluminación y mediante el uso de la cámara superlenta fue posible la observación del desplazamiento de las partículas de basalto al paso de las ondas de cizalla. Señales mono-cíclicas y con frecuencias entre 100 y 700 Hz fueron utilizadas.
Mediante un algoritmo basado en correlación cruzada, los desplazamientos de las partículas de basalto fueron reconstruidos a partir de los videos obtenidos por la cámara superlenta.
La velocidad de fase de las ondas de cizalla para cada frecuencia usada en los experimentos ópticos fue calculada a partir de las reconstrucciones de los desplazamientos de las partículas. Por otro lado, los valores del módulo de cizalla complejo obtenido de los experimentos con reómetro fueron usados para calcular la velocidad de fase teórica de las ondas de cizalla para frecuencias muy bajas (próximas al caso estático). Esos datos de velocidad en todo el rango de frecuencias completo fueron usados para estimar los parámetros viscoelásticos de acuerdo al modelo constitutivo de KVFD de las diferentes áreas de las próstatas simuladas, y así generar escenarios en el modelo 2D de propagación de ondas que serían comparados con los resultados de los experimentos ópticos.
Resultados de la validación
Los escenarios simulados utilizando el modelo 2D de propagación de ondas de cizalla ofrecieron una fiel reproducción de las observaciones obtenidas de los experimentos ópticos con cámara superlenta en próstatas simuladas.
La figura 14 muestra un ejemplo comparativo entre dos escenarios, uno simulado y otro obtenido de los experimentos ópticos. El modelo reproduce fielmente la evolución en el espacio- tiempo de la onda cortante desde su generación en el entorno del emisor de ondas hasta que el frente de onda alcanza el área donde la inclusión-tumor se encuentra ubicada. Así mismo, el modelo muestra una clara perturbación en tiempos posteriores al encuentro con la inclusión- tumor, perturbación que consiste en la reflexión del frente de ondas que vuelve de nuevo al área donde el emisor de ondas se encuentra ubicado. De forma más general, la similitud entre patrones espacio-tiempo generados mediante el modelo y aquellos obtenidos experimentalmente, sobre la propagación de las ondas de cizalla en las próstatas simuladas, fue medida mediante el coeficiente de correlación de Pearson, obteniendo un alto grado de correlación entre gráficas de propagación, concretamente rPearson = 0,9786 ± 0,0068 (media y desviación típica de todas las parejas de patrones espacio-tiempo comparadas), confirmando así la existencia de las ondas de cizalla generadas por el emisor de ondas de la invención, y validando la hipótesis de trabajo de generación de reflexiones que permitirán la reconstrucción de la localización y parámetros viscoelásticos de tumores u otras inclusiones rígidas localizadas en el interior de glándulas prostática.
Finalmente, para validar completamente el modelo de propagación de ondas de cizalla y comprobar que simula correctamente la atenuación sufrida por las ondas de cizalla al paso por las próstatas simuladas, se realizó un estudio comparativo de los espectros de amplitudes obtenidos de los escenarios simulados y de las mediciones obtenidas de los experimentos ópticos. El espectro de amplitudes a lo largo del camino de propagación de las ondas ofrece la posibilidad de comparar la atenuación predicha por el modelo y la atenuación observada en los experimentos ópticos. La figura 15 muestra un ejemplo ilustrativo de esta comparación, donde ambos espectros provenientes del escenario experimental y el simulado, ofrecen valores y distribuciones muy similares. De forma más general, la similitud entre todos los pares de espectros de amplitudes generados provenientes de simulaciones con el modelo 2D y de observaciones experimentales, fue calculada mediante el error medio cuadrático normalizado (RMSE), obteniendo un valor de 3,36 ± 1 ,20% (media y desviación típica de todas las parejas de espectros de amplitud comparadas). Se confirma así la correcta simulación de la propagación de ondas de cizalla en una situación similar a la que se dará en próstata humana por parte del modelo 2D de propagación de ondas, por lo tanto, el modelo podrá ser usado por parte de los métodos de reconstrucción para la localización y caracterización de propiedades mecánicas de tumores y otras lesiones rígidas en próstata.
Conclusiones
Se ha observado experimentalmente la propagación de ondas de cizalla generadas por el emisor de ondas de la invención en medios que simulan el comportamiento viscoelástico del tejido prostático humano. Así mismo, se ha observado la interacción entre este tipo de ondas y áreas de mayor rigidez, tal y como es el caso de la mayoría de tumores prostáticos y lesiones resultado de tratamientos focalizados de ablación térmica en próstata. Adicionalmente, el modelo 2D de propagación de ondas basado en una ley constitutiva tipo KVFD ha sido validado frente a las observaciones experimentales, lo que garantiza su uso en los métodos de reconstrucción planteados para obtener la localización y parámetros viscoelásticos de tumores u otras lesiones rígidas en tejido prostático.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Sonda transluminal o intraluminal para caracterizar la distribución espacial de parámetros mecánicos de un espécimen, que comprende al menos un emisor de ondas S o de ondas P y S, y al menos un receptor de ondas, en la que el receptor o los receptores están dispuestos de forma concéntrica y la disposición de los emisores y receptores les permite entrar, simultáneamente, en contacto directo con el espécimen.
2.- Sonda según reivindicación anterior que comprende al menos un emisor de ondas de cizalla, preferentemente ondas axisimétricas.
3. - Sonda según reivindicación anterior caracterizada por que al menos un emisor de ondas está situado de forma concéntrica.
4. - Sonda según reivindicación anterior que comprende un único emisor de ondas.
5. - Sonda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada por que al menos un emisor de ondas axisimétricas comprende un elemento de contacto con forma de disco o cilindrica unido a un dispositivo electromagnético que convierta señales eléctricas en movimiento de rotación.
6. - Sonda según reivindicación anterior por que la unión del elemento de contacto al dispositivo que proporciona el movimiento de rotación se realiza mediante un eje flexible con una longitud superior a 5 cm, preferentemente superior a 25 cm y más preferente superior a 30 cms, que traslada el movimiento de rotación inducido.
7. - Sonda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que el elemento de contacto de al menos un emisor de ondas axisimétricas, preferentemente cada elemento de contacto de los emisores, tiene forma cilindrica y posee una pluralidad de orificios
8. - Sonda según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 o 7 caracterizada por que al menos un emisor comprende al menos un elemento piezoeléctrico, preferentemente dos o más elementos piezoeléctricos, fijado a la parte interior de un elemento de contacto con forma sensiblemente toroidal cuyo eje de revolución coincide con centro en el eje longitudinal de la sonda y la polarización del elemento o elementos piezoléctricos permite transformar una señal eléctrica en un movimiento de rotación con dirección tangencial a la superficie exterior del elemento de contacto.
9.- Sonda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos un receptor, preferentemente cada receptor, comprende un elemento de contacto unido al menos a un elemento piezoeléctrico de forma que cuando una onda alcanza un receptor, el elemento de contacto entra en resonancia y deforma los elementos piezoeléctricos produciendo una señal elástica acoplada con su estado tensional.
10.- Sonda según reivindicación anterior en la que al menos un receptor, preferentemente cada receptor, comprende al menos un elemento piezoeléctrico fijado a la parte interior de un elemento de contacto con forma sensiblemente toroidal cuyo eje de revolución coincide con centro en el eje longitudinal de la sonda y la polarización del elemento o elementos piezoléctricos permite transformar un movimiento de rotación con dirección tangencial a la superficie exterior del elemento de contacto en una señal eléctrica.
1 1. - Sonda según reivindicación 9 en la que los elementos de contacto de los receptores de ondas son segmentos de un cilindro o un toroide cuyo eje de revolución coincide con centro en el eje longitudinal y en cuya parte interior se fija un elemento piezoeléctrico con una polarización que permite transformar un movimiento de rotación con dirección tangencial a la superficie exterior del elemento de contacto en una señal eléctrica.
12. - Sonda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende al menos 2, preferentemente al menos 3, receptores situados de forma concéntrica.
13. - Sonda según reivindicación anterior que comprende y conjuntos o bloques de receptores, siendo j>2, de forma que los j conjuntos de receptores se sitúan alineados a lo largo del eje longitudinal de la sonda.
14.- Sonda según reivindicación anterior que comprende j conjuntos de k receptores, siendo j>2 y k≥2, más preferentemente j>2 y k≥2> y aún más preferente, j>2> y k≥2>.
15.- Sonda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende medios que permiten succionar el aire existente entre la superficie de la sonda y la pared del vaso o conducto de forma que no exista separación entre los receptores y el espécimen.
16. - Procedimiento para la obtención de datos útiles para caracterizar la distribución espacial de parámetros mecánicos de un espécimen que comprende la emisión de ondas S o de ondas P y S, y la recepción de las ondas reflejadas desde una sonda situada el interior de un vaso o conducto.
17. - Procedimiento según reivindicación anterior caracterizado porque las ondas emitidas son ondas de cizalla, preferentemente ondas axisimétricas.
18.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 o 17 que comprende una etapa previa en la que se succiona el gas o fluido existente en el interior del conducto para maximizar la superficie de contacto entre las paredes del conducto y la sonda.
19. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18 que emplea una sonda según reivindicaciones 1 a 15.
20. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19 para el diagnóstico de cáncer de próstata.
21.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19 para monitorizar la ablación térmica como terapia focalizada del cáncer de próstata.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111914474A (zh) * 2020-06-28 2020-11-10 西安交通大学 一种软物质黏弹性力学表征的分数阶kvfd多参量机器学习优化方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4196215A1 (en) * 2020-08-14 2023-06-21 Universidad de Granada A medical apparatus for the non-invasive transmission of focussed shear waves to impact cellular behaviour

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013055795A1 (en) * 2011-10-10 2013-04-18 The Regents Of The University Of Michigan Pulsed cavitational ultrasound therapy with shear wave elastography feedback
WO2014055973A1 (en) * 2012-10-07 2014-04-10 Mayo Foundation For Medical Education And Research System and method for shear wave elastography by transmitting ultrasound with subgroups of ultrasound transducer elements
CN104055541A (zh) * 2014-06-26 2014-09-24 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 一种用于血管内超声多断层剪切波弹性成像方法
WO2015116893A1 (en) * 2014-01-30 2015-08-06 General Electric Company Methods and systems for display of shear-wave elastography and strain elastography images
WO2016001783A1 (en) * 2014-06-30 2016-01-07 Koninklijke Philips N.V. Ultrasound shear wave elastography featuring therapy monitoring
US20160095582A1 (en) * 2014-10-06 2016-04-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Ultrasonic diagnostic apparatus
WO2016102991A1 (en) * 2014-12-24 2016-06-30 Super Sonic Imagine Shear wave elastrography method and apparatus for imaging an anisotropic medium

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10441250B2 (en) * 2015-10-08 2019-10-15 Zmk Medical Technologies Inc. 3D multi-parametric ultrasound imaging

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013055795A1 (en) * 2011-10-10 2013-04-18 The Regents Of The University Of Michigan Pulsed cavitational ultrasound therapy with shear wave elastography feedback
WO2014055973A1 (en) * 2012-10-07 2014-04-10 Mayo Foundation For Medical Education And Research System and method for shear wave elastography by transmitting ultrasound with subgroups of ultrasound transducer elements
WO2015116893A1 (en) * 2014-01-30 2015-08-06 General Electric Company Methods and systems for display of shear-wave elastography and strain elastography images
CN104055541A (zh) * 2014-06-26 2014-09-24 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 一种用于血管内超声多断层剪切波弹性成像方法
WO2016001783A1 (en) * 2014-06-30 2016-01-07 Koninklijke Philips N.V. Ultrasound shear wave elastography featuring therapy monitoring
US20160095582A1 (en) * 2014-10-06 2016-04-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Ultrasonic diagnostic apparatus
WO2016102991A1 (en) * 2014-12-24 2016-06-30 Super Sonic Imagine Shear wave elastrography method and apparatus for imaging an anisotropic medium

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111914474A (zh) * 2020-06-28 2020-11-10 西安交通大学 一种软物质黏弹性力学表征的分数阶kvfd多参量机器学习优化方法
CN111914474B (zh) * 2020-06-28 2024-04-05 西安交通大学 一种软物质黏弹性力学表征的分数阶kvfd多参量机器学习优化方法

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