表征组织的系统及相关方法与流程

表征组织的系统及相关方法
[0001]
相关申请的交叉引用
[0002]
本申请涉及于2019年2月26日提交的pct申请pct/ep2019/054656和于2019年2月26日提交的pct申请pct/ep2019/054658，其全部内容通过引用的方式合并于此。
技术领域
[0003]
所公开的技术涉及非侵入式组织表征系统，具体而言，涉及用于识别均质组织的系统和用于系统的方法，其中可以非侵入性地评估组织硬度或脂肪含量。


背景技术：

[0004]
众所周知，肝脏组织的硬度与肝硬化和其他疾病的程度相关，并且剪切波行进通过受试者的肝脏中的感兴趣区域的速度直接与肝脏的硬度相关。实际上，在软组织中，可以使用公式e＝3ρv
s2
而从组织密度(ρ)和剪切波速度(v
s
)推导出硬度(杨氏模量)。软组织的密度接近1000kg/m3。e以千帕表示，v
s
以米/秒(m/s)表示。
[0005]
为了通过剪切波速度测量来表征肝脏或其他器官的硬度，已经开发了例如在d.c.mellema等人的“probe oscillation shear wave elastography:initial in vivo results in liver”(发表于ieee transactions on medical imaging，第37卷，第5期，2018年5月)中描述的一种称为“谐波弹性成像”的技术。
[0006]
根据该技术，将用于二维b模式超声成像的换能器阵列放置在与受试者身体接触的位置，并以通常在30hz至100hz之间的低频进行振动。然后发射超声波束，以跟踪该低频周期性振动如何移动受试者的组织。因此确定了瞬时二维图(一种2d快照)，其显示了在同一时刻分布在受试者组织的二维截面上不同点处的由低频周期性振动引起的组织位移(参见d.c.mellema等人的上述文献的图9a)。然后通过复杂的空间模式滤波来确定滤波后的二维位移图(mellema等人的图9b或8b)。然后，反演算法可以(从二维变形图)导出二维图，该二维图表示在组织的整个二维截面上分布的不同点处的剪切波速度的值(mellema等人的图8c)。因此，利用该技术，可以从包含在瞬时二维位移图中的空间信息中导出剪切波速度的值。
[0007]
但是，实现这种方法需要适用于二维超声成像的相当复杂的多波束超声设备。根据mellema等人的研究，处理单个瞬时二维变形图需要大量时间，通常为3个振动周期。从时间的角度来看，如此长的处理时间会导致无法一次采样整个振动周期进行(如mellema等人的图3的截图所解释的)。更精确地讲，在mellema等人的文献中，(每100ms)发射两次超声波束，然后采集并处理两个相应的超声回波信号，以计算发射该两次超声波束时介质中的位移。然后在100ms之后重复此过程，依此类推(重复率为10赫兹)。由于计算和分析每个二维变形图需要较长的处理时间，因此无法以较高的重复率重复此过程。因此，使用这种技术，无法一次采样整个振动周期(因为这将需要高于机械振动频率(即，高于100赫兹)的重复率)。因此，这种谐波弹性成像技术能够进行二维空间成像，并且专注于变形场的空间特性，但是具有较差的时间分辨率，并且受由于例如呼吸或心脏跳动的组织运动的影响。
[0008]
此外，与通过瞬时弹性成像相比，通过谐波弹性成像测量剪切波速度被认为较不可靠且较不准确，谐波弹性成像通常提供被过高估计的速度值。实际上，利用谐波弹性成像技术，传递给受试者的周期性机械振动会作为混合了剪切波和压缩波的弹性波(其传播速度远高于剪切波之一)在受试者组织中传播，这两个分量由于振动的重复性、连续性而很难分离。而且谐波弹性成像测量值也可能会由于组织内部的弹性波反射而生成偏差，这可能会生成平稳的波型(同样，由于振动的重复性、连续性)。
[0009]
结果，得益于其二维成像能力，上述的时间谐波弹性成像技术提供了有关受检查受试者身体部位结构的宝贵空间信息。但是它通常提供的剪切波速度值不是很准确。缺乏准确度的主要原因是剪切波和压缩波的组合，由于振动源大尺寸而引起的衍射效应的影响，运动(如呼吸运动)的影响(假定位移通常是在振动的几个周期期间捕获的)，以及没有测量的平面外运动。这些问题导致图像上的伪影，必须格外谨慎地解释，尤其是在要提供定量测量时。
[0010]
因此，瞬时弹性成像技术似乎比时间谐波弹性成像技术更适合于精确地测量相当大且均质的器官(例如肝脏或脾脏)中的剪切波速度。
[0011]
瞬时弹性成像基于与上述谐波弹性成像技术不同的方法。代替记录组织变形的瞬时二维图(并从该图的空间属性中导出剪切波速度值)，瞬时弹性成像的重点是传递到组织的瞬时机械脉冲的空时跟踪。
[0012]
众所周知的瞬时弹性成像系统是由法国巴黎的echosens sa生产和销售的系统(一种基于超声的弹性成像装置，用于测量组织和器官的硬度(或弹性)和超声衰减)，其使操作者能够无创地测量肝脏或其他器官的硬度，以评估器官的健康状况。
[0013]
使用系统，操作者将直径相当小(通常介于5到10mm之间)的探头的尖端与受试者的身体接触，放置在受试者肝脏的预期区域前方。然后，操作者按下按钮，以使探头的头部向受试者传递一个瞬时的低频机械脉冲(该脉冲的频谱以通常为在10到500赫兹之间的中心频率)。该脉冲生成在受试者体内传播的弹性波。超声换能器安装在探头的头部，与受试者的身体接触，然后以至少2khz的高重复率将多个超声波束发射到组织中。探头采集与发射的不同超声波束的反向散射相对应的回波信号，以跟踪由弹性波穿过而引起的组织的轻微运动。使用应用于连续回波信号的互相关技术执行跟踪。所检测到的运动使得能够根据深度d并根据时间t来合成显示组织变形的弹性波传播图像(不是根据两个不同的空间坐标而是在给定的固定时刻来合成显示组织变形的图像)。图1示出了这样的弹性波传播图像105，有时称为“弹性图”。
[0014]
与其他弹性成像方法相反，的探头采用了有利的对称设计。超声换能器是安装在振动器轴上的单元件换能器。超声换能器的轴线与振动器的轴线重合，这就是为什么由振动引起的位移在很大程度上是纵向的，并因此与超声波束的轴线对准。在这种情况下，由于使用超声波很难测量轴外位移，位移的测量得到了显著改善。其他弹性成像设备，尤其是谐波成像设备，则更为复杂。它们使用多元件超声换能器(通常是线性阵列或凸形阵列)，因为它们旨在提供2d或3d的机械属性图以定位异质性。这些系统的对称性要复杂得多。由于这种设计，由振动引起的位移未与超声波束对准。它们需要更多的计算时
间，因为它们要处理多得多的数据(几条超声波线)，并使用复杂的反演算法来评估2d或3d的机械属性。此外，它们的运行非常缓慢。
[0015]
探头的头部传递的机械脉冲既生成剪切波又生成压缩波。即，上述弹性波结合了剪切波和压缩波。但是，这两个波具有极为不同的传播速度，得益于机械激励的瞬时特性，它们可以易于在时间上分离并在弹性波传播图像中进行识别。例如，参考图1，该图示出了弹性波传播图像105。在图1中，压缩波由附图标记105c标识，而慢得多的剪切波由附图标记105s标识。在图1中还显示了感兴趣区域(roi)，该区域由对应于肝脏通常所在的患者皮肤下的深度的25mm和65mm处的两条虚线界定，这。该弹性波传播图像因此可以用于精确地确定剪切波在待表征的组织中的传播速度，由此可以推导出该组织的硬度。然后将这些硬度结果106提供给操作者，如图1所示，该图示出了通过系统的显示屏显示给操作者的不同的曲线图101、102、105和指示符103、106、107。
[0016]
系统还使人们能够测量用于跟踪剪切波的超声信号的衰减，这是有用的，因为超声衰减与肝脏中脂肪含量相关(参见图1，超声衰减结果107)。
[0017]
尽管技术运行良好，但有时操作者很难知道他/她是否已正确地将探头定位在均质的肝脏组织区域的前面，或者他/她是否甚至根本没有将探头对准肝脏。肝脏前的肋骨、血管、液体囊(腹水)或其他非均质组织伪影(例如肝组织中的囊肿或肿瘤)会生成组织硬度和超声衰减的错误测量结果。另外，操作者可能认为他/她将探头对准肝脏，而实际上探头过于靠近肺部或其他内部器官。结果，系统可能无法获得准确的测量结果。
[0018]
为了帮助操作者找到合适的探头位置，系统被配置为在操作者寻找合适的探头位置时连续发射超声波束并采集相应的回波信号。a模式和tm模式图会实时显示并刷新，以帮助操作者找到合适的探头位置。图1示出了这种a模式图101和tm模式图102的示例。tm模式图表示在超声回波信号已被处理之后的连续采集的超声回波信号。超声回波信号的处理包括例如包络计算和抽取。图1所示的tm模式图是二维图像，其中每列代表采集的已处理超声回波信号之一。每列代表作为深度d的函数的瞬时一维图像，显示与探头对准的受试者身体部位如何向后散射超声波。并排显示采集的相继超声回波信号，以显示该一维图像随时间t的变化(这种变化是由轻微的探头移动或呼吸运动导致的器官移动引起的)。
[0019]
如图1和2所示，tm图可以提供有关探头3定位的有用信息。实际上，当探头轴线x与肝脏4的厚而均质的部分对准时，tm图402通常看起来像堆叠的水平薄片，并且在水平和垂直方向上都具有均匀的外观，如图4所示。相反，当探头轴线x接近肝脏4的边缘时，tm模式图202、302通常在水平方向(图2)或垂直方向(图3)具有不连续的外观。
[0020]
基于tm图适当地定位探头仍然非常困难，并且需要对操作者进行适当的培训。此外，如本领域技术人员将意识到的那样，探头定位不适当可能导致测量不适当以及对患者状况的诊断不正确。
[0021]
尽管提供了关于探头位置的一些信息，但是以tm模式或a模式图显示的超声信号不能预测剪切波的传播。在某些情况下，这些图看起来可能是适当的，就好像该条件适合进行瞬时弹性成像测量一样，而实际上没有剪切波能够传播。这可能在存在液体插入物(参见
图6的tm模式图602)、空气插入物(参见图6的tm模式图602')、狭窄的肋间空间等情况下发生。此外，尽管由于是等回声的(isoechoic)而可能不会在超声信号上观察到血管，但它可能会干扰剪切波传播。图6示出了在等回声血管存在下获取的tm模式图602”'，其中血管保持不可见(该血管的位置由箭头标识)。
[0022]
使用超声数据的指导还不够好，因为它不能预测剪切波的传播，因为超声和弹性对相同条件不敏感。良好的超声信号并不总是会导致良好的剪切波传播。一些影响剪切波传播的元素不会影响超声传播。等回声部分的情况可能是血管、囊肿、带有颗粒的液体、硬或软的肿瘤等。
[0023]
由于常规tm图引导的局限性，操作者通常在他/她试图定位探头的第一次尝试中找不到适当的探头位置。实际上，事实证明，在找到合适的位置并记录适合表征肝硬度的弹性波传播图像之前，操作者经常必须多次触发瞬时弹性成像测量，通过反复试验来测试不同的位置。这非常耗时，而且操作者必须在触发瞬时弹性成像测量之前保持探头不动。如本领域技术人员将理解的，这种尝试对于被检查的患者可能是不愉快的，因为每次操作者进行测量时患者都会受到小的机械冲击。此外，这样的尝试会阻止操作者寻找适当的位置，从而增加失败率。
[0024]
因此，期望开发一种用于表征组织的系统，该系统适于精确表征该组织的粘弹性质，并且与上述系统相比具有改进的引导能力。


技术实现要素：

[0025]
为了解决至少一些上述问题，所公开的技术涉及一种用于识别受试者或患者中的均质组织的系统。在检测到均质组织的区域时，操作者可以启动组织硬度的测量和/或超声参数确定。
[0026]
在一些实施方式中，该系统包括：
[0027]
探头，该探头紧靠受试者的身体，并且包括振动器，该振动器将机械振动传递到受试者的组织；
[0028]
被配置为发射超声波束序列的超声发射器，被配置为接收相应的回波信号的超声接收器；及
[0029]
控制模块，其被编程为使系统执行以下步骤：
[0030]
a)向受试者的组织传递连续且周期性机械振动，该周期性机械振动包括随时间相继重复多次的相同振动模式；
[0031]
b)使用超声发射器发射超声波束序列，并采集由超声接收器接收的相应回波信号，以跟踪组织如何通过传递到组织的周期性机械振动而运动；
[0032]
c)向系统的操作者提供均质性信息，该均质性信息是根据步骤b)中采集的至少一些回波信号确定的，该均质性信息表示组织传输弹性波的能力和组织相对于弹性波传播的均质性。
[0033]
控制模块被编程，使得步骤b)和c)被系统连续地相继执行多次。
[0034]
通过跟踪周期性机械振动如何穿过组织传播而获得的均质性信息构成了非常有效的指导信息，该信息可以帮助操作者快速容易地找到合适的探头位置，该探头位置位于待表征器官的厚而均质的部分的前面。
[0035]
应当理解，二维弹性波速度图类似于在mellema等人的文献中(或例如在h.tzschatzsch等人的“in vivo time-harmonic ultrasound elastography of the human brain detects acute cerebral stiffness changes induced by intracranial pressure variations”中，发表于scientific reports，第8卷，文章编号17888，2018年)描述的那样不构成表示组织传播弹性波的能力以及组织相对于弹性波传播的均质性的均质性信息。实际上，这样的图实际不提供有关波传播的信息，因为这些图仅表示受检查器官的瞬时快照。
[0036]
在根据公开的技术的实施方式中，系统提供的均质性信息指示由上述周期性机械振动引起的组织变形的空时特性是否是在均质介质中传播的波的空时特性(所讨论的变形由在步骤b中采集的回波信号来跟踪)。
[0037]
如图14、16、17和18所示，相对于弹性波穿过组织的传播的组织变形的空时特性，即表示作为时间的函数和作为至少一个空间坐标的函数两者的变形的变化的特性(从而真正表示了弹性波的传播方式)，以一种非常直接且易于理解的方式揭示了组织或多或少的均质性。例如，这种空时特性可以包括表示组织的周期性变形的相位延迟的深度上的变化的数据。如图14所示，当组织是均质时，该相位延迟随深度基本线性变化，这对于操作者来说很容易识别。上述空时特性还可以包括表示作为深度d的函数和作为时间t的函数组织变形的数据。如图16和18(曲线图188a)所示，当组织是均质的时，表示作为深度的函数和作为时间的函数的组织变形的曲线图包括操作者易于识别是对角的基本线性的条纹。
[0038]
如图18所示，这种周期性弹性波的传播方式与tm模式图相比对于组织的结构及其弹性特性更为敏感。
[0039]
图18的表的最后三列显示了对于三种不同的情况的tm模式图182c、182d、182e，以周期性模式获取的弹性波传播图像188c、188d、188e(周期性弹性波传播图)和以瞬时模式获取的弹性波传播图像185c、185d、185e，其中一个对应于靠近肝脏边缘的探头位置(列c)，另外两个是液体插入物(列d)或空气插入物(列e)的情况。从图18中可以看出，在这些情况下，tm模式图看起来好像适合进行瞬时弹性成像测量(就像在列a中)，而实际上并不适合(参见瞬时弹性成像图像185c、185d、185e)。即，tm模式成像无法区分合适的探头位置和不合适的探头位置，因为它无法准确检测探头是否位于靠近肝脏边缘的位置或探头与目标器官之间是否插入空气或液体。形成鲜明对比的是，与具有平滑(基本线性)边缘情况下的一个或几个对角条纹相反，有噪声的周期性弹性波传播图像188c、188d、188e包括大量不规则碎片。因此，周期性弹性波传播图像188c、188d、188e直接显示出用于瞬时弹性成像测量的适当探头定位。此外，在周期性模式下获取的弹性波传播图像中，容易检测到在超声信号中不可见的(参见图18的曲线图182b)甚至是小的且等回声的血管的存在(参见图18的曲线图188b)。
[0040]
如本领域技术人员将理解的，具有对角条纹(基本均匀和/或具有平滑边缘)的周期性弹性波传播图像，如图18的图像188a所示，直接指示探头已正确定位并且位置适合用于瞬时弹性成像测量(参见图18的瞬时弹性波传播图像185a)。
[0041]
已经发现，实际上，不断刷新并提供给操作者的均质性信息通常使操作者，即使是未经培训的人，也能在第一时间找到合适的探头位置。
[0042]
此外，传递给受检查受试者的周期性机械振动使他感到不适的程度比短的瞬时机
械脉冲要低，否则，操作者会重复触发短的瞬时机械脉冲，直到他/她找到合适的探头位置为止，而且周期性弹性波监视所需的振动振幅明显小于实现瞬时弹性成像测量所需的振动振幅。另外，在所公开的技术的系统中用于引导操作者的机械激励的连续性质使得能够进行连续的引导。
[0043]
可以使用不具有2d或3d成像功能的单波束(单换能器)超声系统来实现对传递给受试者的由周期性机械振动引起的变形进行空时监视。实际上，从空时的观点来看，监视波的传播可以通过监视作为时间和仅一个空间维度(即深度)的函数的组织变形来实现。即，可以使用变形的二维采样进行空时监视，一个维度是时间，另一个维度是深度，而不是使用两个都是空间维度的2个采样维度(深度和横向位移，例如在mellema等人的文献中)。如本领域技术人员将理解的，使用单波束超声系统来代替2d成像超声系统，使人们能够快速处理所采集的回波信号，这些回波信号从空间角度来看是单维的。这允许增加用于跟踪组织的弹性变形的时间采样率。因此，以比现有技术的谐波弹性成像方法更高的时间分辨率来监视组织的弹性变形。
[0044]
此外，高的时间采样率使得人们能够一次整体地采样组织的周期性变形的相同周期或至少相同周期的主要部分。与类似频闪观测的技术相比，这非常有趣，在类似频闪观测的技术中，组织的周期性变形将以小部分进行采样，对周期的一小部分(例如单个时刻)进行采样，然后对后续周期的一小部分进行采样，以此类推，从而重构显示整个振动周期的后验图像(类似于图13的传播图像130)。实际上，使用频闪观测技术，获得显示整个振动周期的新的完全刷新的图像所需的延迟时间比以高采样率一次对同一周期进行采样的情况要长得多(在图13的示例中，延迟时间大约是一次采样同一周期的时间的四倍)。更重要的是，通过频闪观测采样获得的时间图像通常会因杂散效应和噪声而受损，特别是由于呼吸引起的组织位移或探头的轻微位移。此外，通过频闪观测采样获得的传播图像的时间分辨率通常小于一次采样同一周期的时间分辨率(例如，图13的传播图像131至134的时间分辨率要好于传播图像130的时间分辨率)。
[0045]
如本领域技术人员将理解的，示出作为深度和时间函数的以空时方式的组织的周期性变形的曲线图(如图18所示)很容易理解。当与诸如mellema等人或tzschatzsch等人的现有技术的谐波弹性成像技术相比时，这是非常令人惊讶的，在现有技术谐波弹性成像技术中表示组织的瞬时变形(随两个空间坐标变化)的曲线图几乎不可理解(例如，参见millena等人的图9a或tzschatzsch等人的图3a)，并且需要进行复杂的后处理以获得对操作者有用的信息(例如2d剪切波速度图)。
[0046]
综上所述，根据所公开的技术的用于表征组织的系统具有非常好的引导能力，使操作者能够快速、轻松地找到均质组织的区域，适合进行瞬时弹性成像测量，或者确定相对于超声波在组织内的传播的超声参数。
[0047]
为了从这些引导能力中受益，在根据所公开的技术的用于表征组织的系统的实施方式中，该系统的控制模块被进一步编程为确定组织的包括有以下物理属性中的至少一个物理属性：
[0048]
相对于组织衰减值内的超声波传播的超声参数；
[0049]
通过瞬时弹性成像确定的与剪切波传播有关的组织的机械属性。
[0050]
超声参数包括例如超声衰减参数，其反映组织中的超声衰减，例如宽带超声衰减
(bua，通常以db/cm/mhz表示)，在特定频率下测量的衰减(表示为db/cm)，或受控衰减参数(cap)。然而，这不是限制性的，并且在其他实施方式中可以确定额外参数。
[0051]
与剪切波传播有关的组织的机械属性可以是与组织硬度有关的量，例如剪切波的传播速度v
s
，组织的剪切模量或组织的杨氏模量e。它也可能是与组织中低频剪切波衰减有关的量，例如粘度。
[0052]
将会意识到，一种用于通过瞬时弹性成像来确定机械属性的系统，在该系统中初步监视了周期性弹性波的传播以发现均质组织，该系统最初以某种方式配置用于瞬时弹性成像，并经过进一步修改以实现上述引导技术，这与瞬时弹性成像技术(旨在分离压缩波和剪切波)和现有技术的谐波弹性成像技术(关注于变形场的几乎纯粹的空间特征，而无意于帮助操作者正确放置探头)极为不同，甚至是相对立的。
[0053]
在根据公开的技术的实施方式中，控制模块被编程为根据在步骤b)中采集的至少一些回波信号而在组织内不同深度处的并在传递到组织的周期性机械振动的不同时刻处确定表示组织的周期性变形的数据。
[0054]
在根据公开的技术的实施方式中，均质性信息包括以下之一：
[0055]
曲线图，其表示组织变形的时间周期性变化的至少一个时间特性的随深度的变化；或者
[0056]
指示，其指定所述特性是否像组织在给定深度范围内是均质的那样随深度变化。
[0057]
上述曲线图可以表示：
[0058]-作为深度的函数的变形随时间的变化；
[0059]-作为深度的函数的组织的周期性变形的相位延迟；
[0060]-作为深度的函数的周期性变形的包络线的振幅。
[0061]
在一个实施方式中，上述曲线图表示在组织内不同深度处以及在传递到组织的周期性机械振动的不同时刻处的组织变形，该曲线图是二维图像，其像素行索引表示深度，并且其像素列索引表示时间，或者相反，每个像素具有表示在与所考虑的像素相关联的深度和时间处的组织变形的像素值。
[0062]
在一个实施方式中，上述指示指定曲线图是否由所述深度范围内的对角条纹组成，该曲线图表示在组织内的不同深度处以及在传递到组织的周期性机械振动的不同时刻处的组织变形，该曲线图是二维图像，其像素行索引表示深度，其像素列索引表示时间，或者相反，每个像素具有表示与所考虑像素相关联的深度和时间处的组织变形的像素值。
[0063]
在一个实施方式中，该系统包括手动调整控件，例如光标、滑块、按钮或旋钮，其使操作者能够手动调整周期性机械振动的振幅。在由传递给组织的周期性机械振动引起的组织的周期性变形的振幅太低或太高的情况下，这是有用的。该系统可以包括振幅指示符，该振幅指示符用于向操作者显示关于组织的周期性变形的振幅的信息。
[0064]
在一个实施方式中，系统被配置为基于所生成的组织的周期性变形的振幅自动地(即，不需要操作者的动作)调整周期性机械振动的振幅。更精确地，该系统可以被配置为当所生成的组织的周期性变形的振幅过低(低于给定阈值)时增加周期性机械振动的振幅，并且当所生成的组织的周期性变形的振幅过高(高于另一振幅阈值)时减小周期性机械振动的振幅。
[0065]
在一个实施方式中，该系统被配置为基于为周期性机械振动选择的振幅来调整传
递给受试者的瞬时机械脉冲的振幅，以通过瞬时弹性成像测量与剪切波传播有关的组织的机械属性。在这种情况下，通过周期性弹性成像对组织进行初步表征，除了上面介绍的不同优点外，还可以实现确定适合进行后续瞬时弹性成像测量的瞬时机械脉冲的振幅。
[0066]
应当理解，根据所公开的技术，根据所有技术上可能的组合，可以将上述的不同实施方式组合在一起。
[0067]
可选地，根据公开的技术，以上提出的用于表征组织的系统的可选的非限制性特征由所提交的权利要求3至7和10至18限定。
[0068]
所公开的技术还提供了一种用于表征组织的方法，该方法借助于包括以下的系统来执行：
[0069]
探头，该探头紧靠受试者的身体，并且包括振动器，该振动器将机械振动传递到受试者的组织；
[0070]
被配置为发射超声波束序列的超声发射器，被配置为接收相应的回波信号的超声接收器；及
[0071]
控制模块，其被编程为使系统执行以下方法步骤：
[0072]
a)向受试者的组织传递连续且周期性机械振动，该周期性机械振动包括随时间相继重复多次的相同振动模式；
[0073]
b)使用超声发射器发射超声波束序列，并采集由超声接收器接收的相应回波信号，以跟踪组织如何通过传递到组织的周期性机械振动而运动；
[0074]
c)向系统的操作者提供均质性信息，该均质性信息是根据步骤b)中采集的至少一些回波信号确定的，该均质性信息表示组织传输弹性波的能力和组织相对于弹性波传播的均质性。
[0075]
控制模块被编程，使得步骤b)和c)由系统连续地相继执行多次。
[0076]
上述系统的不同实施方式的特征也可以应用于用于表征组织的该方法。
附图说明
[0077]
图1示出了通过系统的显示屏向操作者显示的不同曲线图和指示符；
[0078]
图2-4示出了不同的tm模式图，向操作者显示了探头相对于待表征器官的不同位置；
[0079]
图5示出了的探头正确放置(其轴线居中于待表征器官)时获取的tm模式图；
[0080]
图6示出了当探头未正确放置(其轴线靠近待表征器官的边缘)时或在不适于器官的适当机械表征的存在液体、空气或血管插入物的情况下获取的不同tm模式图；
[0081]
图7是根据所公开技术的一些实施方式的用于表征组织的系统的框图；
[0082]
图8是根据所公开技术的一些实施方式的用于表征组织的方法的流程图；
[0083]
图9示出了根据所公开技术的一些实施方式的传递到受试者的组织的连续且周期性的机械振动，发射的用于跟踪由振动引起的组织的变形的超声波束序列，及其获得的弹性波传播图像；
[0084]
图10示出了根据所公开技术的一些实施方式的传递到受试者的组织的连续且周期性的机械振动，及发射超声波束序列以跟踪由振动引起的组织的变形的另一种方式；
[0085]
图11示出了根据所公开技术的一些实施方式的传递到受试者的组织的连续且周期性的机械振动，发射超声波束序列以跟踪由振动引起的组织的变形的又一种方式，及其获得的周期性弹性波传播图像；
[0086]
图12示出了根据所公开技术的一些实施方式的图11的周期性弹性波传播图像可以如何在时间上对准以供操作者观看；
[0087]
图13示出了根据所公开技术的一些实施方式的用于跟踪组织的周期性变形的低采样率的类似频闪观测的方法与用于跟踪组织的此类周期性变形的高采样率方法之间的差异，在高采样率方法中整体一次监视组织的变形；
[0088]
图14示出了根据所公开技术的一些实施方式确定的在组织中特定深度处的弹性波的相位延迟；
[0089]
图15示出了根据所公开技术的一些实施方式的由用于表征组织的系统向操作者显示的不同的曲线图和指示符；
[0090]
图16和图17示出了根据所公开技术的一些实施方式的分别来自均质组织和非均质组织的说明性弹性波传播图像；
[0091]
图18示出了根据所公开技术的一些实施方式的提供给操作者的说明性tm图、周期性弹性波传播图像和瞬时弹性波传播图像，这些图和图像是在多个不同的情况下和探头位置获得的。
具体实施方式
[0092]
图7是用于表征组织的超声系统1的框图，该超声系统被配置用于检测均质组织。该系统1包括：
[0093]-探头10，探头10紧靠受试者50的身体，并且包括振动器12，振动器12适于将机械振动传递到受试者的组织51；
[0094]-被配置为发射超声波束序列的超声发射器，和被配置为接收相应的回波信号的超声接收器，以跟踪受试者的组织如何通过这种机械振动而运动；
[0095]-控制模块20，用于控制探头10并处理由超声接收器采集的数据。
[0096]
表述“组织”应理解为是指受试者50(人或动物)的身体的一部分。该表述不一定指定整个器官或单个器官。被传递机械振动并且由超声波束跟踪其变形的组织51是沿着探头的轴线z位于探头20附近的受试者身体的一部分。
[0097]
系统1被配置为使用周期性弹性成像技术确定指示组织51是否均质以及组织51是否可以传输弹性波(特别是剪切波)，并将该信息通过操作者接口30来提供给操作者。
[0098]
均质性信息构成引导信息，该引导信息帮助操作者将探头20定位并对准待表征器官(例如肝脏或脾脏)。一旦得益于该引导信息而使探头20被适当地定位，就可以例如使用瞬时弹性成像确定组织的一个或几个物理属性来表征该器官。
[0099]
在本文中，表述“弹性波”应理解为是指低频机械波或组织变形，即中心频率小于500赫兹，或甚至小于100赫兹的机械波或组织变形，与超声波束或回波信号相反，超声波束或回波信号的中心频率通常高于0.1兆赫或甚至高于1兆赫(此类超声波在传播穿过组织时
也会生成某些种类的弹性变形，但频率很高，并且在本文中不将其指定为“弹性波”)。
[0100]
为了提供均质性信息，控制模块20被更精确地编程以使用于表征组织的系统1执行以下步骤：
[0101]
a)向受试者50的组织51传递连续且周期性机械振动pmv，该周期性机械振动包括随时间相继重复多次的相同振动模式vp(例如，参见图9)；
[0102]
b)使用超声发射器11发射超声波束序列(如图9的序列80、80'，80”)，并采集由超声接收器11接收的相应回波信号，以跟踪组织51如何通过传递到组织的周期性机械振动pmv而运动；
[0103]
c)向系统的操作者40提供上述均质性信息，该均质性信息是根据步骤b)中采集的至少一些回波信号确定的。
[0104]
控制模块20被编程为连续(即不间断)重复执行步骤b)和c)，直到操作者40按下控制按钮13并触发瞬时弹性成像测量。因此，提供给操作者40的均质性信息会不断刷新，这有助于操作者找到合适的探头位置。
[0105]
系统1可以被配置为确定上述均质性信息，以便其更精确地指示组织51在给定的深度范围或感兴趣区域内是否是均质的。例如，该深度范围是指在适当放置探头20的情况下预期受试者的肝脏将延伸的深度范围。该深度范围可以例如在受试者皮肤下的25毫米深度和65毫米深度之间(肝脏通常位于其间)或在35毫米深度和75毫米深度之间延伸。该深度范围在组织51内界定了待表征组织的感兴趣区域roi(在图15中，该感兴趣区域在两条水平虚线之间延伸)。
[0106]
控制模块20还被编程为确定组织51的至少一种物理属性，以便一旦探头10被适当地定位就可以表征感兴趣的器官。该物理属性可包括：
[0107]
相对于组织内的超声波传播的超声参数，例如超声衰减值，例如bua、cap和/或在特定频率下测量的衰减；
[0108]
通过瞬时弹性成像确定的与剪切波传播有关的组织的机械属性，例如剪切波的传播速度v
s
、组织的剪切模量、组织的杨氏模量e或低频下的组织粘度(低于500赫兹)。
[0109]
更精确地，图7的系统1可以被配置为针对杨氏模量在1至100千帕斯卡之间的组织(适于研究肝脏或脾脏硬度)来确定与剪切波传播有关的组织的机械属性。系统1还可以被配置为确定cap值在50和500db/m之间的组织中的超声衰减值。
[0110]
现在将更详细地描述图7的系统1的结构。然后，将展示如图8所示的根据所公开技术的一些实施方式的用于表征组织的方法，该方法可以由图7的系统1来实现，以及通过该系统或方法获得的示例性结果(请参见图15至18)。
[0111]
如已经指出的，图7的系统1的探头20包括振动器12，例如机电振动器或声学扬声器，以将机械振动传递到受试者的组织51。这种机械振动既可以作为由探头的尖端施加在受试者身体上的力，也可以作为由尖端施加的与探头接触时受试者身体的一部分的位移，或作为上述组合传递给组织。
[0112]
在图7的系统1中，振动器12围绕与探头轴线z重合的振动器轴线旋转对称。当振动器12振动时，它引发平行于其轴线的主要是纵向的位移。
[0113]
在图7的系统1中，超声发射器和超声接收器由同一超声换能器11(例如压电换能器)构成。该超声换能器11围绕换能器轴线旋转对称并且发射以该轴线为中心的超声波束。
换能器轴线与振动器的轴线重合。超声换能器11具有例如圆形截面，振动器的轴线穿过该截面的中心。在该系统中，换能器11是探头10的一部分。它安装在振动器12和探头的尖端之间。探头的尖端是要放置为与受试者的身体接触的探头的一部分。尖端相对较小：其接触表面通常小于1平方厘米。尖端的直径可以小于1厘米，或者小于8或甚至5毫米。
[0114]
探头10包括手动触发器，例如控制按钮13或刻度盘。系统1被配置为当操纵手动触发器13时实现瞬时弹性成像测量。
[0115]
探头可以包括手动调整控件，例如光标、滑块、按钮或旋钮，用以手动调整周期性机械振动的振幅、瞬时机械脉冲的振幅或两者。
[0116]
该系统可以被配置为自动调整周期性机械振动的振幅(在谐波弹性成像中)和/或瞬时机械脉冲的振幅(在瞬时弹性成像中)。该系统可以被配置为基于先前调整的周期性机械振动的振幅来自动调整瞬时机械脉冲的振幅。
[0117]
应当理解，在根据所公开技术的其他实施方式中，超声发射器和接收器可以由两个不同的换能器而不是相同的换能器构成。另外，探头可以包括额外的振动器，例如机电振动器、声学扬声器或设置有偏心凸轮的电动机。该额外的振动器可以通过与上述振动器12相同的方式绕z轴旋转对称，或者至少被配置为引起平行于z轴的振动。在这样的实施方式中，系统可以被配置为由额外的振动器来生成周期性机械振动，并且由振动器12来生成瞬时机械振动。
[0118]
图7的系统1还包括中央单元20，该中央单元包括控制模块21、具有超声发射器模块27和超声接收器模块29的超声前端22以及用于控制振动器12的运动致动伺服控制器23。超声前端22和运动致动伺服控制器23；两者都连接到控制模块21(即，它们可以从控制模块21接收指令或向控制模块21发送数据)。
[0119]
运动致动伺服控制器23包括电路，该电路被配置为在由控制模块21指示时生成适合于驱动振动器12的电信号。该电路可以包括电流放大器或其他类型的放大器。
[0120]
超声前端22包括用于交替产生和接收超声信号的开关28。该前端22的超声发射器模块27包括电路，该电路被配置为在由控制模块21指示时生成适合于驱动超声换能器11的电超声信号(例如下面参考步骤b进一步描述的超声波束序列)。该电路可以包括放大器和数模转换器(dac)，例如具有10至1000兆采样/秒速率的8至16位dac。超声接收器模块29包括被配置为采集预先由超声波换能器11接收(并且经由开关28产生到超声接收器模块29)的电超声信号(回波信号)的电路。超声接收器模块29的电路可以包括张力放大器、滤波器和模数转换器(adc)，例如具有10至1000兆采样/秒速率的8至16位adc。
[0121]
控制模块21是包括用于处理数据的电路的设备或系统，例如耦合到非易失性存储器的微处理器，该非易失性存储器包括机器可执行指令和/或可编程微电路，例如fpga(现场可编程门阵列)或dsp(数字信号处理器)。
[0122]
如图7所示，控制模块21更具体地包括：
[0123]
处理器24，例如通用处理器；
[0124]
信号处理电路26，例如fpga(fpga协处理器)、dsp或其他可编程电路；及
[0125]
物理非暂时性存储器模块25，包括用于存储将由处理器24执行的机器可执行指令的非易失性存储器250，以及可选地，用于在系统操作期间存储信号数据和指令的ram存储器251。
[0126]
控制模块21可以例如是fpga载板的形式。处理器24可以被嵌入在信号处理电路26内(例如，在fpga内)，或者可以在该电路外(例如：在fpga外，然后fpga执行特定信号处理任务，例如回波信号互相关计算，以减轻处理器24的负担)。信号处理电路26被配置为处理由换能器接收到的回波信号(一旦被超声接收器模块29数字化就进行处理)。
[0127]
如上所述，控制模块21被编程为使系统1执行上述步骤a)、b)和c)。控制模块21被编程为使系统执行这些步骤，因为其包含指令，当该指令由控制模块21执行时，使控制模块21能够：
[0128]
控制运动致动伺服控制器23，以使其驱动振动器12，以将周期性机械振动传递给组织(步骤a))；
[0129]
控制超声前端22，以使其驱动超声换能器11，超声换能器11继而发出超声波束序列以跟踪组织如何通过周期性机械振动而运动，并且使超声接收器模块29采集相应的回波信号(步骤b))；
[0130]
根据至少一些如此采集的回波信号确定均质性信息，该均质性信息表示组织传输弹性波的能力，即让弹性波通过其传播的能力，以及组织相对于弹性波的传播的均质性，并将该信息提供给操作者，例如通过将其传输到操作者接口30(步骤c))。
[0131]
指令的执行使控制模块21控制系统1，以使其执行任何给定的步骤，具体是步骤a)、b)和c)，这些指令以机器可执行指令或代码指令的形式存储在非易失性存储器250中，或以该电路的门之间的电(可重配置)连接的形式物理地嵌入在可编程电路26中，或上述组合。
[0132]
控制模块21可以被更具体地编程以便在步骤c)中执行：
[0133]
c0)根据在步骤b)中采集的回波信号，在组织内的不同深度d处以及在传递到组织的周期性机械振动的不同时刻t1、t2、t3处确定表示组织51的变形的数据；及
[0134]
c1)根据在步骤c0)中确定的表示组织51的变形的数据确定均质性信息。
[0135]
可以使用互相关技术或另一种图案匹配算法来执行步骤c0)，以确定组织51的部分如何在穿过组织51的弹性波(由系统传递的周期性机械振动生成的弹性波)的影响下运动。例如，当弹性波的空间周期穿过感兴趣区域的小区域时，在该区域中的组织可以略微远离换能器11移动，然后略微朝向换能器11移动。通常由可编程电路26执行步骤c0)，以减轻处理器24的负担。
[0136]
控制模块21可以进一步被编程为使系统1执行图8中表示的用于表征组织的方法的不同步骤等。
[0137]
如图7所示，用于表征组织的系统1包括上述操作者接口30。另外，在根据所公开技术的其他实施方式中，操作者接口可以与用于表征组织的系统不同。操作者接口可以例如嵌入在智能电话或与以表征组织的系统进行通信的计算机中。在这种情况下，为了将均质性信息提供给操作者，控制模块21由用于表征组织的系统的通信模块将该信息传输到外部操作者接口。通信模块可以是被配置为例如根据usb、火线、蓝牙、6lowpan、紫蜂(zigbee)、z-wave或sigfox协议使用有线或无线链路交换数据的电路。
[0138]
利用图7的系统，将由控制模块21确定的均质性信息通过操作者接口30的显示屏31例如以图15的曲线图808、809和指示符810的形式提供给操作者。操作者接口30还可以包括布置在探头10上的发光二极管或其他发光器件14，用于通过改变发出的光的颜色或发光
强度来向操作者40视觉地指示组织是否是均质的。
[0139]
在一些实施方式中，根据该实施方式，该系统是袖珍系统，该操作者接口包括上述发光器件，但是不包括显示屏。
[0140]
在另一个实施方式中，操作者接口包括扬声器，用于通过听觉信号向操作者指示组织是否是均质的。这种均质性信息也可以通过触觉指示(例如机械振动的类型或振幅的变化)提供给操作者。
[0141]
尽管在图7中将中央单元20和探头10表示为单独的部分，但是上述中央单元20的模块21、22、23的全部或部分可以布置在探头内。
[0142]
将理解的是，在不脱离所公开技术的范围的情况下，可以在上述用于表征组织的系统中做出许多变化。例如，一些电气功能在中央单元内的分布可以与上面已经描述的情况不同。例如，dac和adc可以位于控制单元中，而不是超声发射器和接收器模块中。模块23至29中的一些可以合并在一起或是分布式的。此外，控制单元可以仅包括一个处理器，而不是一个处理器和信号处理单元。可替代地，控制单元可以包括比图7中更多的处理单元。
[0143]
在图8中表示了根据所公开技术的一些实施方式的用于表征组织的方法的流程图。如已经提到的，图7的系统1的控制模块21可以被编程为使系统1执行该方法。
[0144]
该方法包括以下主要步骤：s0，检测均质组织，s1，通过瞬时弹性成像测量组织硬度，及s2，向操作者提供超声衰减值。在步骤s0中，系统1将连续周期性机械振动传递给受试者以测试组织均质性，并将上述均质性信息提供给操作者40。该信息被连续刷新，从而操作者可以实时地监视组织均质性，以测试不同探头的位置。一旦均质性信息指示受检查的组织51是均质的，则操作者40操纵手动触发器(例如：操作者按下控制按钮13)。然后，停止执行步骤s0，并且开始执行步骤s1和s2。一旦在步骤s1中进行了组织硬度测量，就重新开始执行步骤s0，以使操作者可以确保探头仍放置在均质组织的前面。连续周期性机械振动的发射(用于均质性评估)与通过瞬时弹性成像进行的组织硬度测量之间的交替处理可以时序进行，直到获得所需数量的组织硬度测量为止。
[0145]
现在，一个接一个地更详细地描述步骤s0、s1和s2。
[0146]
步骤s0：检测均质组织
[0147]
如图8所示，步骤s0包括上述步骤a)、b)和c)。步骤s0从步骤a)开始，在此期间，控制模块21(经由运动致动伺服控制器23)控制振动器12，以使振动器12向受试者50的组织51传递连续且周期性的机械振动pmv。该周期性机械振动pmv一直在步骤s0中连续传递(一直在步骤s0中持续)。一旦开始发射该周期性机械振动pmv，控制模块就执行步骤b)，在此期间，控制模块控制(经由超声发射器模块27)超声换能器11，以使其发射超声波束序列以跟踪组织如何通过周期性机械振动而移动，并(经由超声接收器模块29)采集相应的回波信号。然后，在步骤c)中，控制模块根据在步骤b)中采集的回波信号确定均质性信息，然后将其提供给操作者。然后，在持续传递周期性机械振动pmv的同时，控制模块再次执行步骤b)和c)，以向操作者提供新的更新的均质性信息。因此，包括步骤b)和c)的一组步骤被连续地相继执行多次，直到通过操作者操纵上述手动触发器使步骤s0停止。例如，在图9的情况下，每50毫秒重复包括步骤b)和c)的一组步骤(重复率为20赫兹)。因此，在这种情况下，如果(例如)操作者花费3秒钟找到合适的探头位置并致动手动触发器，则步骤s0将持续大约3秒钟，并且包括步骤b)和c)的该组步骤将重复大约60次。
[0148]
在图8的实施方式中，包括步骤b)和c)的该组步骤是实时执行的，即，重复率高于或等于10赫兹，或者甚至高于或等于20赫兹，并且延迟时间小于或等于1秒，或者甚至小于或等于0.1秒，或者小于0.03秒。延迟时间是在步骤b)中发射超声波束序列的开始的时刻与将根据步骤b)中采集的回波信号确定的更新的均质性信息提供给操作者的时刻之间的时间间隔。
[0149]
在图8的方法中，步骤c)包括上述子步骤c0)和c1)。在步骤c0)中，控制模块根据在步骤b)中采集的回波信号在组织内不同深度d处的并在传递到组织的周期性机械振动的不同时刻t1、t2、t3处确定表示组织51的变形的数据。在步骤c1)中，提供给操作者的均质性信息包括曲线图，该曲线图表示作为时间t和深度d两者的函数的由周期性机械振动引起的组织变形(在步骤c0中确定该变形)，类似于图9和15的曲线图808、图16和17的曲线图168和178或图18的曲线图188a至188e。
[0150]
现在将更详细地描述步骤a)、b)和c)。
[0151]
在步骤a)中，传递到组织的周期性机械振动具有包括在10赫兹和200赫兹之间的基本频率，即基频。它的基本频率可以更具体地在10赫兹和60赫兹之间。这样的频率值有利于振动在组织内的深入穿透，同时仍然足够快而以高于或等于10赫兹的刷新率确定更新的均质性信息，从而能够实时监视组织的均质性。周期性机械振动pmv例如可以具有40赫兹的基本频率(因此周期为25毫秒)，如图9和10所示，或者具有25赫兹的基本频率(因此周期为40毫秒)，如图11所示。如图9、10和11所示，周期性机械振动pmv为正弦振动。另外，可以采用其他周期性波形，例如三角波形。周期性机械振动pmv是连续的，其中它包括相同的振动模式vp(此处为正弦波周期)，该振动模式随时间相继地重复多次，一次紧接着另一次。振动模式的每个新实例都紧接着前一个实例之后开始，并且之间没有延迟。振动模式以作为上述基本频率的重复率重复。如已经提到的，周期性机械振动一直在步骤s0中不断持续。因此，周期性机械振动通常持续1秒或更长时间。由于探头传递的周期性机械振动，与探头20接触的受试者组织51的一部分以通常在0.1到2毫米之间的振幅振荡。
[0152]
在步骤b)中，控制模块21指示超声发射器模块27生成超声电脉冲序列，这些超声电脉冲序列由超声换能器11转换，超声换能器11继而发射短的超声脉冲序列，称为超声波束，以跟踪，或换句话说，探测组织51如何通过周期性机械振动pmv而移动。图9示出了超声波束81、82，
…
的代表性序列80。每个超声波束的中心频率例如在1和5兆赫之间。每次发射的持续时间通常小于一毫秒，例如等于100微秒。在步骤b)中，控制模块20还采集由超声换能器11接收的相应回波信号序列。每个回波信号对应于由换能器发射的超声波束，其中回波信号是由组织响应于所考虑的超声波束而散射回的超声波(或至少表示该反向散射波)。每个回波信号表示作为组织内的深度d的函数的组织的反向散射属性(因为超声波在换能器与位于所考虑深度处的点之间的往返传播时间直接取决于该深度，这些短回波信号之一内的每个瞬时对应于组织中的给定深度，)。
[0153]
如已经提到的，例如，使用互相关技术或另一种图案匹配算法，采集这些连续的回波信号以进行相互比较，以确定组织51的各部分在穿过组织的弹性波的影响下如何运动(该确定在步骤c)中进行)。因此，为了防止连续采集的两个回波信号之间的去相关，在步骤b)中以高于或等于500赫兹，或甚至高于或等于1千赫兹的脉冲重复率发射超声波束(实际上，这种去相关可以发生的原因是呼吸引起的整体组织移位，例如，两次连续发射之间的持
续时间过长时)。通常，脉冲重复频率在1千赫兹和10千赫兹之间(取决于控制模块的计算能力)。因此，在步骤b)中发射的超声波束序列中，任何发射和紧接其后的发射之间的持续时间小于或等于2毫秒，或者甚至小于或等于1毫秒。
[0154]
在图8的方法中，在步骤b)中发射的超声波束序列跨越传递到组织的周期性机械振动pmv的相同周期的至少一半以上，甚至至少四分之三以上(例如周期性机械振动的整个周期)。并且该序列在周期性机械振动的每个周期中包括至少10个，甚至50个超声波束。结果，在这种情况下，由步骤b)中发射的发射序列对周期性机械振动pmv的相同周期，或者至少相同周期的主要部分进行整体上一次采样。如已经说明的那样，与类似频闪观测法的采样方法相比，这能够好得多地监视周期性弹性变形的传播。
[0155]
在步骤b)中，控制模块可以特别地控制超声发射器模块27，以使其生成如图9、10或11所示的超声波束序列。
[0156]
在图9和图10的示例中，步骤b)中发出的超声波束序列80更精确地跨越了周期性机械振动pmv的一个周期。在这些示例中，超声波束的重复率等于2千赫兹。因此，超声波束的序列在周期性机械振动的每个周期中包括50个波束(在这些示例中，周期性机械振动的频率等于40赫兹)。
[0157]
在图11的示例中，在步骤b)中发射的超声波束的序列跨越一个以上的周期。超声波束的重复率也可以等于2khz，对应于每个周期80个波束(在这种情况下，周期性机械振动的频率等于25赫兹)。
[0158]
在步骤b)中发射的超声波束序列80、80'，80”可以相对于周期性机械振动以同步方式发射，从传递到组织51的周期性机械振动pmv的周期内的时刻io开始，该时刻io对于步骤b)的每次执行是相同的。如图9所示，这使得能够获得从步骤b)和c)的一次执行到另一次执行没有滚动(时移)效果的稳定的传播图808n。
[0159]
在这种情况下，超声波束序列开始的绝对时间to、to'、to”在步骤b)的一次执行与另一次执行之间是不同的。但是，相对于周期性机械振动周期的开始，序列开始的时间对于步骤b)的每次执行是相同的(更确切地说，相对于最接近该开始时间的周期性机械振动周期的开始点(即相对于最接近该开始时间的振动模式实例的开始点)，序列开始的时间对于步骤b)的每次执行是相同的)。
[0160]
例如，在图9和图10的情况下，对于步骤b)的每次执行，当振动在增大的同时通过零时，超声波束序列几乎在周期性机械振动的周期开始时开始(超声波束序列也可以在周期性机械振动的周期开始之后的给定固定延迟时间开始)。
[0161]
得益于该同步，对于步骤b)和c)的每次新执行，表示作为深度和时间函数的组织变形的传播图(从步骤b中发射的发射推导出来)从周期性机械振动的周期内的同一时刻io开始(类似于图9的不同传播图808、808'、808”，相继显示给操作者)。因此，该图从一次执行到另一次执行保持稳定，在时间上对准，而不是滚动。得益于这种稳定性，操作者可以更易于理解该图(因为变形监视不会因图的临时滚动、移动而受到干扰)。因此，操作者可以在适合于测量组织的物理参数的情况下更容易地确定探头是否被放置在均质组织的前面。
[0162]
可以以一定重复率重复步骤b)，使得每个新的超声波束序列紧接在另一个之后发射，而在它们之间没有中断，如图10所示。在图10的示例中，因此在周期性机械振动pmv的每个周期中发射超声波束序列(以跟踪组织变形)。当控制模块21的处理速度有限时，如图9的
情况，也可以以较低的重复率重复步骤b)，例如通过每隔周期性机械振动pmv的两个周期发射超声波束序列。在图9的情况下，在每次发射超声波束序列之后，在发射下一个超声波束序列之前，将新的更新版本的均质性信息提供给操作者。即，在这种情况下，在步骤b)的新执行之前完成步骤c)的执行。
[0163]
在步骤b)中，超声波束序列110、110'、110”也可以从在传递到组织51的周期性机械振动pmv的周期内的时刻io、io'、io”开始，这些时刻在步骤b)的一次执行与另一次执行之间不同，如图11中所示。在这种情况下，如果将如图11的图118、118或118”之类的原始传播图提供给操作者，则在步骤c)中，操作者在该原始图刷新时会感觉到上述干扰的滚动、时移效果(“原始传播图”是指表示作为时间和深度两者的函数的组织变形的图，该变形按采样顺序随时间显示；即，在这样的原始图中，时间坐标是测量变形的实际时间)。
[0164]
因此，在这种情况下，为了防止这种滚动效果，将根据回波信号确定的变形数据进行后处理(在步骤c)中)，以便在被显示之前在时间上重新对准，使得的重新对准的传播图在周期性机械振动的周期内全都从相同的固定时刻开始，如图12的图118a、118a'、118a”。即，在步骤c)中提供给操作者的重新对准的传播图从在传递到组织的周期性机械振动的周期内的参考时刻i
r
开始，该参考时刻i
r
在每次根据新确定的变形数据更新该图时都是相同的。可以如下实现时间重新对准：从时间的观点来看，将在参考时刻i
r
之前的时间(实际，绝对测量时间)获得的变形数据作为一个块移动，以放置在变形数据的末尾处(如同它们正好在超声波束序列结束后被测量)，如图12中示意性所示。参考时刻i
r
是相继重复多次的振动模式vp中的给定固定时刻，例如当振动在增加的同时穿过零时的该振动模式的开始点。从时间的观点来看，这种重新对准技术很好地稳定了传播图的显示。虽然如此，以这种方式获得的重新对准的传播图在与已被时间上移位的剪切和粘贴数据块的边界处包括不连续性(该不连续性在图12的曲线图118a、118a'、118a”中由箭头标识)。应当理解，如图9和10所示，通过将超声波束序列的发射与周期性机械振动直接同步而获得的传播图不包括这种不连续性。
[0165]
步骤c)。
[0166]
如已经提到的，在步骤c0)中，控制模块21通过使用互相关技术或其他图案匹配算法比较连续超声回波信号，来确定组织内的不同深度处和在传递到组织的周期性机械振动的不同时刻处的表示组织变形的变形数据
[0167]
术语变形在本文中被广义地考虑。它包含任何运动参数，例如位移、速度、变形、变形率、变形速度以及应用于这些参数的任何数学变换。
[0168]
在步骤c1)中，根据在步骤c0)中确定的变形数据确定均质性信息。均质性信息可以包括以下之一：
[0169]
传播图，类似于上面呈现的图808、168、178等。
[0170]
表示作为深度d函数的组织的周期性变形的相位延迟的曲线图，类似于图15的曲线图809；
[0171]
表示随作为度d函数的组织的周期性变形的包络的振幅amp的曲线图，类似于图15的曲线图811；
[0172]
均质性指示符810。
[0173]
图15示出了可以通过操作者接口屏幕31显示给操作者的元素的示例，以向他/她
提供均质性信息。在图15的情况下，均质性信息包括上面列出的所有元素。另外，在其他实施方式中，均质性信息可以仅包括这些元素中的一个或仅一些。现在将更详细地描述这些不同的元素以及确定它们的方式。
[0174]
表示组织内不同深度和周期性机械振动的不同时刻处的组织变形的传播图可以是由控制模块21合成的二维图像808，其像素行索引表示深度d，并且其像素列索引表示时间t(或相反)，每个像素具有表示组织在与所考虑的像素相关联的深度和时间处的变形的像素值。表示在所考虑的点和时刻的变形值的像素值可以是亮度值，如图15中所示(均比代数变形值高的像素亮度是高)，也可以是颜色值(例如色调值)或其组合。
[0175]
如已经提到的，当组织是均质的并且适合于弹性波传播(没有空气或液体插入物)时，这样的周期性弹性波传播图像808包括一个或多个对角条纹。这些条纹在t-d坐标系中是对角线的，因为它们是倾斜的。它们的倾斜是由于周期性弹性波从受试者皮肤到所考虑深度的传播时间所致。这些条纹的斜率因此在某种程度上代表了这些弹性波在组织中传播的速度。
[0176]
如以上参考图16至18所详细解释的(参见呈现所公开技术的概述的部分)，这样的传播图使操作者能够易于确定是否组织是均质的并适合于弹性波传播。
[0177]
当组织51是均质的并且适合于弹性波传播(例如在探头与目标组织之间没有空气或液体插入物)时，相位延迟在整个深度上基本线性变化，如图15的曲线图809所示。
[0178]
相位延迟可以表示为持续时间或角度(以度或弧度为单位)。在给定深度d处，相位延迟表示在该深度处的组织的周期性变形与参考周期性振荡(例如传递到组织的周期性机械振动或在组织的上部中的组织的周期性变形)之间的相移。如图14所示，可以将控制模块21编程为根据变形数据的频域表示确定相位延迟在这种情况下，在特定深度处的对组织随时间141变化的变形的测量被转换成该变化142的频域表示(使用傅立叶变换或其他时域到频域的转换)。该频域表示在频率fq处显示峰值，该频率fq是传递到组织的周期性机械振动的基本频率。在该特定频率fq处的变形的傅立叶变换的值142为复数，其自变量为相位延迟(以弧度为单位)。然后可以在相对于深度d绘制之前将相位延迟转换为时间。线性曲线拟合144可以叠加到以这种方式获得的相位延迟图143上，使得操作者可以更容易地评估组织均质性(通过检查相位延迟没有明显偏离线性变化)。
[0179]
在给定深度d处，可以以与相位延迟相同的方式确定组织变形随时间变化的振幅amp(即该变化的包络的振幅)，但例如考虑在峰值频率fq处的傅立叶变换的振幅，而不是其相位。也可以使用另一种振幅包络估计或检测技术来确定振幅amp。
[0180]
当组织51是均质的并且适合于弹性波传播时，根据给定的理论模型，期望振幅amp随着深度d而变化，例如与1/d
n
成比例，其中n是介于1和3之间的整数。为了使操作者能够易于检查振幅amp是否以此方式随深度变化，可以使用对数线性尺度相对于深度绘制振幅amp。实际上，当使用这样的尺度时，表示振幅随深度的变化的曲线图是线性的，如果振幅与1/d
n
成比例地变化，则可以容易地从视觉的角度对其进行评估。
[0181]
均质性指示符810可以以二元指示符的形式显示，例如绿色/红色或绿色/黑色指示符，或者以更渐进的方式显示，例如以针盘、百分比值或水平条(例如一种进度条)的形式显示。
[0182]
均质性指示符810指定组织51是否是均质的，更具体地，在上述给定深度范围内是否是均质的，以及是否适合弹性波的传播。均质性指示符810可以以二元、全有或全无的方式或以更渐进的方式将该信息指定为连续值。
[0183]
作为说明，当均质性指示符以二元方式提供该信息时，如果探头的尖端与是均质的、不含空气或液体内含物或插入物、足够大(至少10cm宽和10cm深)、并且具有包括在1和100千帕之间(或者，可替换地，包括在5和75千帕之间)的杨氏模量的体模(其是由合成粘弹性材料制成的测试样品)的表面接触放置，则指示符(例如通过变为绿色)指定介质是均质的并且适合于弹性波的传播。并且如果体模不是均质的(例如，包括硬珠)，或者包括在其表面下几厘米的水层，则指示符指定介质不是均质的或者不适于弹性波的传播(例如通过变为黑色)。
[0184]
控制模块21可以被编程为通过处理周期性弹性波传播图像808以便检测一个或多个均质对角条纹在该图像中的存在来确定均质性指示符。当检测到这样的条纹时，均质性指示符810例如通过从黑色切换到绿色来指示组织51是均质的并且适合于弹性波的传播。
[0185]
控制模块21还可以被编程为通过处理周期性弹性波传播图像808以检测这种条纹的边缘或平均线来确定均质性指示符，并且通过线性曲线拟合来确定该边缘或线在感兴趣深度的范围内是否基本上是线性的和/或是否具有包括在可能值的给定区间中的斜率。该线或边缘的基本线性性质可以基于拟合质量参数来评估，如确定系数r2、标准偏差或给出拟合的线和深度上的严格线性变化之间的适当性的其它工具。该控制模块可被编程为例如在确定系数r2高于或等于0.8、或甚至高于或等于0.9时确定该线或边为基本上线性的。可以将均质性指示符确定为等于该拟合质量参数，或者与该拟合质量参数成比例。
[0186]
控制模块21还可以被编程为通过确定相位延迟是否在感兴趣的深度范围上基本上随深度线性变化和/或具有包括在可能值的给定区间中的斜率来确定均质性指示符。如上所述，可以通过线性曲线拟合进行该确定。
[0187]
控制模块21还可以被编程为通过确定相位延迟是否在感兴趣的深度范围上基本上随深度线性变化和/或具有包括在可能值的给定区间中的斜率来确定均质性指示符。如上所述，可以通过线性曲线拟合进行该确定。
[0188]
控制模块21还可以被编程为通过确定振幅amp是否根据给定模型随深度变化，特别是振幅amp是否与1/d
n
成比例来确定均质性指示符。这种确定可以通过曲线拟合进行。振幅amp根据模型随深度变化的事实可以基于拟合质量参数来评估，如给出振幅随深度变化与模型之间的适合度的确定系数r2。可以将均质性指示符确定为等于该拟合质量参数，或者与该拟合质量参数成比例。
[0189]
控制模块21还可以被编程为基于上述不同的标准来确定不同的中间均质性指示符(因此，根据周期性弹性波传播图像808、根据相位延迟的变化或者根据振幅amp的变化来确定)，并且然后基于这些不同的中间均质性指示符来确定最终均质性指示符，例如通过对这些中间均质性指示符求平均。
[0190]
控制模块21还可以被编程为在步骤c1)中估计与剪切波传播相关的组织的机械属性的初始值，例如其杨氏模量，或者其中可能发现该机械属性的值的范围。根据表示在步骤c0)中确定的组织的周期性变形的数据确定该值或值的范围。然后，例如通过操作者接口30的显示屏将该值或值的范围提供给操作者。
[0191]
为此，控制模块21可以根据上述周期性弹性波传播图像808的对角条纹的斜率，或者根据表示相位延迟在深度d上的变化的线404的斜率，来导出剪切波在组织中的传播速度的初步估计。然后，控制模块21可以根据剪切波的传播速度的值来确定杨氏模量的初步估计。如在前言中所提到的，以这种方式确定的剪切波的传播速度的值通常不如通过瞬时弹性成像(尤其是由于压缩和剪切波叠加)确定的值精确。但是，向操作者提供这样的初步值或值的范围仍然是有用的，在所述初步值或值的范围中可能发现杨氏模量(或组织的其他机械属性)的实际值。
[0192]
步骤s1：通过瞬时弹性成像测量组织硬度
[0193]
在步骤s1中，为了通过瞬时弹性成像确定与剪切波传播相关的组织51的机械属性(例如：剪切模量、杨氏模量e、剪切波速度
…
)，控制模块21被编程为使系统1执行以下步骤：
[0194]
d)停止连续且周期性机械振动pmv，然后将瞬时低频机械脉冲传递至受试者的组织；
[0195]
e)在低频机械脉冲行进穿过组织51的同时，借助于超声发射器11发射超声波束序列并且采集由超声接收器11接收的对应回波信号；
[0196]
f)根据在步骤f)中采集的回波信号中的至少一些回波信号来确定与剪切波传播相关的组织的所述机械属性。
[0197]
控制模块21可以更具体地被编程，以便在步骤f)中：
[0198]
f0)根据在步骤e)中采集的回波信号确定在组织内的不同深度处和在将低频机械脉冲传递到组织之后的不同时间处的表示组织的瞬时变形的数据；及
[0199]
f1)根据表示在步骤f0)中确定的组织的瞬时变形的数据，确定与剪切波传播相关的组织的机械属性。
[0200]
在步骤d)中，控制模块21控制振动器12(借助运动致动伺服控制器23)，使得其向组织传递瞬时机械脉冲，该瞬时机械脉冲的持续时间通常小于0.2秒(脉冲持续时间被理解为表示时间间隔，此外，脉冲振幅小于脉冲的峰值、最大振幅的十分之一)。该机械脉冲是低频脉冲，因为其频谱含量(其频谱密度)大部分位于500赫兹以下，或者甚至100赫兹以下。脉冲持续时间通常小于10/f，或者甚至小于2/f，其中f是脉冲频谱的中心频率。
[0201]
在步骤e)中，控制模块21可以控制超声换能器11(借助超声发射器模块27)，使得其以高于或等于2千赫兹的脉冲重复率发射超声波束序列。发射的超声波束类似于在步骤s0的步骤b)中发射的超声波束。但是它们以较高的脉冲重复率发射，因为步骤s1用于精确测量组织的机械属性，而不仅仅是用于可视化、监视组织均质性。
[0202]
例如，瞬时机械脉冲可以持续20或40毫秒，超声波束序列持续80毫秒，并且以6千赫兹的脉冲重复率发射超声波束，因此使得能够在该80毫秒时段(其在瞬时机械脉冲的开始发射时开始)期间分布的480个不同的连续时刻处跟踪随深度变化的组织的变形。即，在这种情况下，瞬时弹性波传播图像805将包括480列。
[0203]
在步骤f0)中，通过将在步骤e)中采集的回波信号彼此进行比较来确定表示组织的瞬时变形的数据，例如使用互相关技术或另一模式匹配算法，如在步骤s0的步骤c0)。
[0204]
在步骤f1)中，根据本领域已知的技术确定与剪切波传播相关的组织的机械属性。
[0205]
控制模块21可以被编程，以便在步骤f1)中提供瞬时弹性波传播图像，如图15的图像805，其表示由瞬时机械脉冲引起的作为深度的函数和作为时间的函数两者的组织的变
形，使得操作者可以目视检查瞬时弹性成像测量的质量。
[0206]
控制模块21还可以被编程为一旦确定后就向操作者提供组织的机械属性的值，例如以图1中所示的硬度结果显示106的形式。
[0207]
步骤s2：向操作者提供超声衰减值
[0208]
在步骤s2中，控制模块12例如通过在操作者接口的屏幕31上显示这个值(例如，以图1的衰减结果显示107的形式)来向操作者40提供上述超声衰减参数的值。
[0209]
由控制模块21根据在步骤s0的步骤b)中，更准确地说在步骤b)的最后执行期间，刚好在s0停止之前采集的一些或所有回波信号来确定超声衰减参数。该计算可以在步骤s0中实现，或者仅在一旦执行了步骤s2时实现，即，在一旦操作人员操纵了手动触发器时实现。
[0210]
可以注意到，在不偏离所公开技术的范围的情况下，可以对上述用于表征组织的方法进行多种变化。
[0211]
例如，可以取消步骤s2(该方法于是包括步骤s0和步骤s1，而不包括s2)。类似地，可以取消步骤s1。
[0212]
此外，当上述均质性指示符指示受检查组织是均质的并且适合于弹性波传播时，从步骤s0到步骤s1和/或s2的转变可以由控制模块本身自动触发。
[0213]
该方法还可以仅包括步骤s0，在步骤s0中执行向操作者提供超声衰减参数的步骤，而与受检查组织的或多或少的均质性无关。在这种情况下，控制模块可以被编程为确定与超声衰减参数相关联的质量系数，该质量系数在组织相对于传递到组织的周期性机械振动的传播是均质的情况下始终较高。该质量系数可以基于上述均质性指示符来确定，例如与该指示符的值相等或成比例。
[0214]
在该方法期间执行的不同操作可以根据与上述分布不同的分布来按步骤组织(特别地，该方法因此可以包括更多数量的步骤或子步骤)。
[0215]
所公开技术还提供了一种包括计算机程序的非暂时性计算机可读介质，所述计算机程序包括机器可执行指令，所述机器可执行指令由系统的控制模块执行，所述系统包括
[0216]
探头，该探头紧靠受试者的身体，并且包括振动器，该振动器将机械振动传递到受试者的组织；
[0217]
超声发射器，被配置为发射超声波束序列，及
[0218]
超声接收器，被配置为接收相应的回波信号；
[0219]
使控制模块执行以下步骤：
[0220]
a)控制探头，使得其向受试者的组织传递连续且周期性机械振动；
[0221]
b)控制超声发射器，使得其发射超声波束序列，并采集由超声接收器接收的相应回波信号，以跟踪组织如何通过传递到组织的周期性机械振动而运动；
[0222]
c)向系统的操作者提供均质性信息，该均质性信息是根据步骤b)中采集的至少一些回波信号确定的，该均质性信息表示组织传输弹性波的能力和组织相对于弹性波传播的均质性。
[0223]
步骤b)和c)被连续地相继执行多次。
[0224]
本说明书中描述的主题和操作或步骤的实施方式(例如，图7的中央单元20的元件)可以在数字电子电路中实现，或者在计算机软件、固件或硬件中实现，包括在本说明书
中公开的结构及其结构等同变换，或者在它们中的一个或多个的组合中实现。本说明书中描述的主题的实施方式可以被实现为一个或多个计算机程序，即，一个或多个计算机程序指令模块，其被编码在计算机存储介质上以供数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。
[0225]
计算机存储介质可以是计算机可读存储设备、计算机可读存储基板、随机或串行存取存储器阵列或设备、或者它们中的一个或多个的组合，或者可以包括在它们中。此外，虽然计算机存储介质不是传播信号，但是计算机存储介质可以是编码在人工生成的传播信号中的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质还可以是一个或多个单独的物理部件或介质(例如，多个cd、盘或其他存储设备)，或者可以被包括在一个或多个单独的物理部件或介质中。本说明书中描述的操作可以被实现为由数据处理装置对存储在一个或多个计算机可读存储设备上或从其他源接收的数据执行的操作。
[0226]
术语“控制模块”包括用于处理数据的所有种类的装置、设备和机器，包括例如微处理器、数字信号处理器(dsp)、计算机、片上系统或前述的多个设备，或前述的组合。控制模块可以包括专用逻辑电路(如图1的情况)，例如fpga或asic(专用集成电路)。
[0227]
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、声明或过程语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程、对象或适合在计算环境中使用的其它单元。计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其他程序或数据的文件的一部分中(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)、存储在专用于所讨论的程序的单个文件中、或者存储在多个协同文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)。计算机程序可以被部署为在一个计算机上执行，或者在位于一个地点或分布在多个地点并通过通信网络互连的多个计算机上执行。
[0228]
本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程处理器执行，该可编程处理器执行一个或多个计算机程序以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行操作。这些过程和逻辑流程还可以由专用逻辑电路来执行，并且装置还可以被实现为专用逻辑电路，例如fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路)。
[0229]
适于执行计算机程序的处理器包括例如通用和专用微处理器，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或这两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于根据指令执行操作的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备，例如磁盘、磁光盘或光盘，或者可操作地耦合以从一个或多个大容量存储设备接收数据或向其传输数据，或者这两者。然而，计算机不必具有这样的设备。适于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如半导体存储器设备，例如eprom、eeprom和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及cd rom和dvd-rom盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。
[0230]
为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的实施方式可以在计算机上实现，该计算机具有用于向用户显示信息的显示设备(例如lcd(液晶显示器)、led(发光二极管)或oled(有机发光二极管)监视器)以及用户可以用来向计算机提供输入的键盘和指示
设备(例如鼠标或轨迹球)。在一些实施方式中，触摸屏可以用于显示信息和从用户接收输入。其他种类的设备也可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感觉反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声音、语音或触觉输入。
[0231]
根据上文，可以理解，为了说明的目的，本文描述了本发明的具体实施方式，但是在不偏离本发明的范围的情况下，可以进行各种修改。