专利名称：使用幅度-相位调制超声波的粘弹性测量的制作方法
技术领域：
本实施例涉及粘弹性测量。具体地，对组织的粘弹属性进行活体测量。
背景技术：
可以利用流变仪(rheometer)来测量组织样本的剪切模量特性。流变仪是能够使样本经历动态(例如正弦)或静态(例如线性)变形的机械设备。流变仪可以测量对于频率范围的存储剪切模量和损耗剪切模量。该范围是基于材料刚度来限制的，例如对于软组织来说为I至10 Hz0对于医疗用途，从患者处提取组织以置于流变仪中。流变仪不用于活体测量。该测量取决于所提取的组织样本的大小和形状以及由于提取而引起的边界条件。
利用超声来对剪切特性进行活体测量。例如，在各种诊断应用(例如，评估肝病)中使用剪切速度检测。对于剪切波检测，沿着扫描线射出超声推进式(pushing)脉冲(例如，一个周期的脉冲)。推进式脉冲生成剪切波，从而引起组织的位移。对该位移进行测量。为了检测剪切波速度，使用沿相同扫描线的多个推进式脉冲以及对应的位移检测扫描。这些剪切测量可以具有有限的信息或取决于压缩水平。
发明内容
通过介绍的方式，以下描述的优选实施例包括用于对活体中的软组织的粘弹属性进行测量的方法、指令和系统。为了收集更多信息和/或估计粘性、剪切模量和/或其他剪切特性，将幅度和相位调制波形传输至该组织。由波形随时间推移引起的位移包括与对不同频率的响应相关联的位移。通过检查频域中的位移，可以针对不同频率计算一个或多个粘弹属性。频率响应可以指示组织的健康状况。在第一方面，一种非瞬时性计算机可读存储介质已在其中存储了表示可由编程处理器执行的用于对活体中的组织的粘弹属性进行测量的指令的数据。该存储介质包括用于执行以下内容的指令传输包括不同时间处、不同频率下的周期的幅度调制和相位调制波形，所述不同频率处于频率范围内，所述幅度调制和相位调制波形被传输至患者体内的组织；响应于所述幅度调制和相位调制波形，计算所述组织的作为时间的函数的位移，所述位移是根据对所述组织的扫描来计算的；对随时间的位移应用傅里叶变换；以及根据剪切波方程的傅里叶变换和随时间的位移的傅里叶变换来确定所述粘弹属性。在第二方面，提供了一种用于使用超声进行粘弹性测量的方法。将幅度和相位调制超声波形传输至患者活体体内。根据由幅度和相位调制超声波形引起的剪切来测量粘弹属性。所述粘弹属性是在与所述幅度和相位调制超声波形相关联且与在传输期间对所述患者外部应用的压缩量无关的频率范围上测量的。在第三方面，提供了一种用于使用超声进行剪切波计算的系统。发射波束形成器可操作用于生成幅度和相位调制波形。超声换能器与所述发射波束形成器相连接，使得所述超声换能器响应于所述幅度和相位调制波形而将声能传输至患者体内的组织。接收波束形成器可操作用于输出表示作为接收到的声信号的函数的空间位置的数据。处理器被配置为估计作为输出数据的函数的所述组织随时间的位移并计算作为所述组织随时间的位移的函数的剪切信息。显示器可操作用于显示图像，所述图像是所述剪切信息的函数。
本发明由下面的权利要求限定，并且该部分中的内容均不应被视为对这些权利要求的限制。以下结合优选实施例讨论本发明的其他方面和优势并且稍后可以独立地或组合地要求保护本发明的其他方面和优势。
组件和图不必按比例绘制，而是将重点放置于说明本发明的原理。此外，在图中，贯穿不同视图，相似的参考标记表示对应的部分。图I是用于对活体中的组织的粘弹属性进行测量的方法的一个实施例的流程图； 图2是引发超声传输的剪切的图形图示；
图3图示了示例幅度和相位调制波形；
图4示出了用于关于图3的幅度和相位调制波形的位移检测的扫描的一个实施例；
图5图示了在示例磁共振实施例中用于引起目标组织内的剪切波传播的换能器和用于测量位移的射频线圈的相对位置；以及
图6是用于使用超声进行剪切波计算的系统的一个实施例。
具体实施例方式对组织机械属性进行活体测量。可以对患者体内的任何结构或材料(诸如软组织)的属性进行测量。幅度调制(AM)和相位调制(PM)超声波形引起组织位移。一个AM-PM波形在患者内部期望组织处以连续的频率产生振动。利用这一个激励在各个频率下测量组织剪切模量和粘性，从而允许小于2秒的测量。较低频率(例如1-100 Hz)下的相位调制可以提供较高信噪比。AM-PM波形允许在引发剪切期间或之后收集信息。快速且可靠的方法可以在单个测量中评估针对各个频率的材料刚度。通过收集针对不同频率的测量，结果所得到的材料(例如组织)机械属性的知识可以补充诊断过程。该知识可以包括定量参数，例如应力、粘性和/或剪切模量。定量参数与对组织应用的压缩量无关，这是由于这些参数是位移的导数。频率响应可能与压缩无关。该知识可以包括定性参数，诸如位移。位移可以取决于在组织处应用的压力量。该知识可以包括所导出的信息。剪切模量相对于频率的斜率和/或粘性相对于频率的斜率可以提供与组织机械属性有关的信息，所述组织机械属性与组织病理相关。斜率与预先压缩水平无关。可以重复所述测量以提高精度。由于测量不依赖于接触，因此测量与边界条件、材料大小和形状无关。图I示出了用于使用超声进行粘弹性测量的方法。超声传输被用于响应于不同频率而生成组织位移。这样，超声被用于计算粘弹属性。该方法由图6的系统或不同的系统实现。此外，可以提供不同的或更少的动作。例如，在没有动作38、42和/或44的情况下执行该方法。作为另一示例，在没有动作34-40中的一个或多个的情况下执行动作32。按所描述或所示的顺序执行动作，但是也可以按其他顺序执行动作。在动作30中，传输幅度调制和相位调制波形。超声换能器传输从电波形转换的声波形。将具有幅度调制和相位调制波形的声能传输至患者体内的组织。该传输是在活体中发生的。
传输声波形以生成剪切波。该激励是超声推进式脉冲。聚焦声能，从而产生针对每个传输的一个或多个波束。该激励是使用相控阵和/或机械焦点来聚焦的。该激励是在允许检测结果所得到的剪切波的位置处聚焦的，例如是在围绕和/或包括可能的肿瘤的组织位置处聚焦的。如图2中所表示的那样，剪切波52由换能器54在聚焦区50处生成，并从聚焦区50横向传播。在一个方向上(例如，水平地)示出了箭头，但是剪切波沿多个方向行进。随着波行进通过组织，剪切波的幅度减小。为了生成剪切波，期望高幅度或功率激励。例如，该激励具有接近但不超过I. 9的机械指数。为了谨慎起见并解释探测变化，可以将I. 7的机械指数或其他水平用作上限。可以使用更高(例如超过I. 9的MI)或更低的功率。沿相同或相邻扫描线进行传输可以使组织的温度随时间升高。生物效应可以包括约41-45°C的组织温度处体温过高、43-45°C以上的温度处蛋白质变性、以及50°C以上的温度处组织坏死。甚至可以在43-45°C以下的温度处影响组织刚度。在43-45°C以上的温度处，可以发生粘性和/或刚度的提高。在50°C以上的温度处，该组织可以具有高刚度和/或高衰减。通过防止超过2摄氏度的温度升高来限制生物效应。备选地，传输可以引起生物效应。电波形和对应的声波形包括不同时间处、不同频率下的周期。不同频率处于频率范围内。该频率范围可以是基于要被检查的组织类型来优化的。例如，胸部组织可以在50Hz处具有最大位移响应，因此该范围包括50 Hz0作为另一示例，肿瘤可以比软组织更硬，从而在出现最大位移响应处具有更大频率。对于肿瘤测量，频率范围可以更大。在一个实施例中，对于相位调制，频率范围处于15至75 Hz内。任何频率变化函数可以用于相位调制。例如，使用该范围内的线性调频脉冲(chirp)扫频。图3示出了具有幅度和相位调制包络的波形。相位调制开始于最低频率处，并且扫频或逐渐改变至该范围内的最高频率。可以使用其他频率变化，例如非线性、随机或不同频率之间按任何顺序的其他步骤。幅度调制是任何函数。幅度调制将个体频率或频率组彼此分离。在一个实施例中，幅度和相位调制波形是通过将正弦载波(处于MHz范围内)与具有相位变化项(处于Hz范围内)的正弦幅度调制相乘来生成的。具有相位变化项的幅度调制定义了具有幅度和相位调制的包络。波形可以被表示为
权利要求
1.一种用于对活体中的组织的粘弹属性进行测量(32)的方法，所述方法包括 传输(30)包括不同时间处、不同频率下的周期的幅度调制和相位调制波形，所述不同频率处于频率范围内，所述幅度调制和相位调制波形被传输至患者体内的组织； 响应于所述幅度调制和相位调制波形，计算(34)所述组织的作为时间的函数的位移，所述位移是根据对所述组织的扫描来计算的； 对随时间的位移应用(36)傅里叶变换；以及 根据剪切波方程的傅里叶变换和随时间的位移的傅里叶变换来确定(40)所述粘弹属性。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述幅度调制和相位调制波形包括所述范围内的线性调频脉冲扫频。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，所述幅度调制和相位调制波形包括与具有相位变化项的正弦幅度调制相乘的正弦载波。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，计算(34)位移包括利用与传输(30)交织的超声来扫描所述组织；以及计算(34)作为来自所述扫描的数据之间的相关性的函数的所述组织在所述扫描之间的位移。
5.根据权利要求I所述的方法，其中，计算(34)位移包括获取表示在组织对传输(30)做出响应时的不同时间处的所述组织的k空间磁共振数据；减去表示组织不对传输(30)做出响应的参考k空间磁共振数据；以及根据所述减去的结果来计算(34)位移。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，应用(36)傅里叶变换包括将随时间的位移变换至频域中，在频域中，不同时间处的位移对不同频率做出响应。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，确定(40)粘弹属性包括确定粘性。
8.根据权利要求I所述的方法，其中，传输(30)和确定(40)包括仅响应于所述幅度调制和相位调制波形和波形的应用期间对所述组织的扫描，在所述频率范围内确定(40)粘弹属性。
9.根据权利要求I所述的方法，其中，确定(40)包括确定(40)作为剪切波方程的傅里叶变换的虚部的函数的粘性和作为剪切波方程的傅里叶变换的实部的函数的剪切模量二者。
10.根据权利要求I所述的方法，还包括找到(42)作为所述范围内的频率的函数的所述粘弹属性的斜率。
11.根据权利要求I所述的方法，还包括对随时间的位移应用傅里叶变换的输出进行带通滤波(38)，所述带通在宽度以及高频和低频上是所述范围的大约二倍。
12.一种用于使用超声进行粘弹性测量的方法，所述方法包括 将幅度和相位调制超声波形传输(30)至患者活体内；以及 根据由所述幅度和相位调制超声波形引起的剪切来测量(32)粘弹属性，所述粘弹属性是在与所述幅度和相位调制超声波形相关联且与在传输(30)期间对所述患者外部应用的压缩量无关的频率范围上测量的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，传输(30)包括将超声频率下的正弦载波与具有幅度和相位调制的包络相乘，以使得所述频率的范围处于15 Hz至75 Hz内。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，测量(32)包括利用与传输(30)交织的超声来所述患者进行扫描；以及 计算(34)所述患者的组织在所述进行扫描的扫描之间由传输(30)引起的位移，所述计算(34)根据来自所述扫描的数据之间的相关性。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，测量(32)包括 获取表示所述患者在组织对传输(30)做出响应时的不同时间处的组织的k空间磁共振数据；减去表示所述组织不对传输(30)做出响应的参考k空间磁共振数据；以及根据减去的结果来计算(34)位移。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，测量(32)包括对表示作为时间的函数的位移的数据应用(36)傅里叶变换；以及计算(34)作为应用(36)傅里叶变换的结果的函数的粘性。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，计算(34)包括根据剪切波方程的傅里叶变换的虚部来进行计算(34)。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括找到(42)作为所述范围内的频率的函数的所述粘弹属性的斜率。
19.一种用于使用超声进行剪切波计算的系统，所述系统包括 发射波束形成器(12)，其在操作中用于生成幅度和相位调制波形； 超声换能器(14)，其与所述发射波束形成器(12)相连接，以使得所述超声换能器响应于所述幅度和相位调制波形而将声能传输至患者体内； 接收波束形成器(16)，其在操作中用于输出表示作为接收到的声信号的函数的空间位置的数据； 处理器(18)，其被配置为估计作为输出数据的函数的随时间的患者体内的位移以及计算作为随时间的患者体内的位移的函数的剪切信息；以及 显示器(20)，其在操作中用于显示图像，所述图像是所述剪切信息的函数。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述处理器(18)被配置为将随时间的所述患者体内的位移变换至频域中，以及根据频域中的位移，计算作为频率的函数的粘性和剪切模量，所述频率处于与所述幅度和相位调制波形相关联的范围内。
21.一种用于对活体中的组织的粘弹属性进行测量(32)的设备，所述设备包括 用于传输(30)包括不同时间处、不同频率下的周期的幅度调制和相位调制波形的装置，所述不同频率处于频率范围内，所述幅度调制和相位调制波形被传输至患者体内的组织； 用于响应于所述幅度调制和相位调制波形计算(34)所述组织的作为时间的函数的位移的装置，所述位移是根据对所述组织的扫描来计算的； 用于对随时间的位移应用(36)傅里叶变换的装置；以及 用于根据剪切波方程的傅里叶变换和随时间的位移的傅里叶变换来确定(40)所述粘弹属性的装置。
全文摘要
本发明涉及使用幅度-相位调制超声波的粘弹性测量。对活体中的组织的粘弹属性进行测量(32)。为了收集更多信息和/或估计粘性、剪切模量和/或其他剪切特性，将幅度和相位调制波形传输(30)至组织。由波形引起的随时间的位移包括与对不同频率的响应相关联的位移。通过检查频域中的位移，可以针对不同频率计算(40)一个或多个粘弹属性。频率响应可以指示组织的健康状况。
文档编号A61B8/08GK102641137SQ20121003628
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月17日 优先权日2011年2月17日
发明者C.马尔克, J.本森, K.M.塞金斯, R.拉泽布尼克, 范列湘 申请人:美国西门子医疗解决公司