用于从多向波场测量剪切波速的系统和方法
【专利说明】用于从多向波场测量剪切波速的系统和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请基于如下申请、要求如下申请的优先权，并且通过引用该如下申请整体结 合于此：2013 年 7 月 19 日提交的题为"SYSTEM AND METHOD FOR MEASUREMENT OF SHEAR WAVE SPEED FROM MULTI-DIRECTIONAL WAVE FIELDS (从多向波场测量剪切波速的系统和方 法）"的美国临时申请序列号61/856, 452。
[0003] 关于联邦资助研宄的声明
[0004] 在美国国立卫生研宄院颁发的批准号DK092255、EB002167、和DK082408的政府支 持下做出本发明。美国政府具有对本发明的某些权利。
[0005] 发明背景
[0006] 本公开涉及对介质性质进行非侵入性分析的系统和方法。更具体地，本公开涉及 用于测量介质中的剪切波速的系统和方法。
[0007] 对介质的机械性质的非侵入性或非破坏性测量在广泛的应用范围中是有用的。具 体而言，由于组织的机械性质与组织健康状态有关，因此测量组织的机械性质具有重要的 医疗应用。例如，肝脏纤维化与肝脏组织的硬度（剪切模量和剪切弹性）的增加相关联，并 且因此肝脏硬度的测量可用于非入侵性展现（stage)肝脏纤维化。非入侵性和非破坏性评 估硬度的一种方式是使用剪切波。由此，创建和精确测量在介质中传播的剪切波已经引起 越来越浓的兴趣。
[0008] 不管正在使用的特定系统和所得的功能或正在寻求的潜在的临床信息，剪切波在 医疗应用中的使用正在增加。由此，需要提供用于以适合于医疗应用的方式来测量或确定 剪切波速的更稳健和有效的系统和方法。
【发明内容】
[0009] 在根据本公开的一个方面中，提供了一种测量介质的材料性质的方法，该方法包 括在介质中产生多向波场。该方法还包括采用能够检测在介质中传播的波场的检测系统来 在时间周期上检测在至少两个空间维度中的该多向波场。该方法进一步包括从检测确定最 低波速并且基于该确定计算波速和介质的材料性质中的至少一个。该方法包括生成报告， 该报告指示波速和介质的材料性质中的至少一个。
[0010] 在根据本公开的另一方面中，提供了一种产生对象性质的图像的方法，该方法包 括在对象中产生多向波场。该方法还包括：使用成像设备，在时间周期上获取有关在至少两 个空间维度中的该多向波场的数据并且将所获取的数据分离成在不同方向中传播的分量 数据。该方法进一步包括从该分量数据计算指向不同空间方向的至少两个波分量并且利用 该波分量产生每个传播方向的波速图。该方法包括将波速图组合以产生速度图像和对象的 材料性质图像中的至少一个。
[0011] 根据本公开的又一方面，提供一种用于测量介质的材料性质的系统。该系统包括 配置成在介质中产生多向波场的励磁系统和配置成在时间周期上获取有关至少两个空间 维度中的该多向波场的数据的检测系统。该系统还包括配置成从检测系统接收数据的处理 器，从该数据中确定最低波速，并且基于该最低波速计算波速和介质的材料性质中的至少 一个。该处理器还配置成：生成报告，该报告指示波速和介质的材料性质中的至少一个。
[0012] 本发明的上述和其他方面和优点将从以下描述中呈现。在说明书中，参照形成说 明书一部分的附图，并且附图通过图示说明本发明的优选实施例的方式显示。这种实施例 不一定表示本发明的全部范围，然而，因此参照权利要求来解释本发明的范围。
[0013] 附图简述
[0014] 图1为示出了通过超声推束产生的剪切波的示意图。
[0015] 图2为示出了在未知方向处传播的剪切波可导致向(^偏置的测量的示意图。
[0016] 图3A和3B为示出了时空和k-f频域的示意图，包括用于u(x，z，t)的时空域（3A) 和用于U(k x，kz，f)的k-f频域（3B)。
[0017] 图4为在分析均匀介质时的方法的流程图。
[0018] 图5为示出了多个波的k-f域中的示意图。
[0019] 图6为示出了在fe= 25, 75, 125Hz处的从图5中的数据的积分结果Sd，f。）的 一系列曲线图，其中圆描绘了 S(b，f。）的最大斜率和用于相速度估算的km的值。
[0020] 图7为利用k-f空间方法（由圆表示的数据点）和向方程式（1)中的沃伊特 (Voigt)模型的拟合在y 1. 9kPa和y 2= 〇. 6Pa ? s (实线）下导出的相速度频散的曲 线图。
[0021] 图8为在分析不均匀介质时的方法的流程图。
[0022] 图9为示出了 2D剪切波速计算的示意图，其中计算沿着^和￥2方向两者的剪切 波速以获得真实的剪切波速V。
[0023] 图10A为示出了常规局部剪切波速恢复方法的示意图，其中从来自窗口的左边缘 像素和右边缘像素计算剪切波信号之间的一个互相关。
[0024] 图10B为示出了局部剪切波速估算方法的示意图，其中计算多个互相关，并且通 过它们的互相关系数对这些速度估算进行加权求和，来给出在中央像素处的最终剪切波 速。
[0025] 图11A为示出了常规1D处理窗口的图形，其中沿着轴向和横向方向两者使用图 10B中所示的算法以分别获得V#PV Z。虚线曲线表示用于获得最高的正方形的剪切波速估 算的像素对。实线曲线表示用于获得最左边的三角形的剪切波速估算的像素对。值得注意 的是，仅使用穿过中央像素（通过圆表示）的线上的像素。
[0026] 图11B为示出了在图11A的窗口内的用于获得的V#PVY估算的所有像素的图像。 三角形表示估算的V x的空间位置。矩形表示估算的VY的空间位置。渐变（gradient)表示 距离加权，其中更高的权重被分配给更靠近中央像素的估算。
[0027] 图12为示出了在应用（apply)八个方向的滤波器之后具有内含物的体模 (phantom)的剪切波重构的一系列图像。
[0028] 图13为示出在将来自八个方向的滤波器的结果组合之后的剪切波速重构的图 像，其中比例尺为以m/s为单位的剪切波速。
[0029] 图14为示出了在与传播方向成斜角处测得的剪切波前的延时的示意图。
[0030] 图15为示出了在两个像素之间测得的延时的缩放的示意图。
[0031]图16为示出了在具有标称剪切波速5. 2m/s的测试体模中作出的测试的曲线图。 点是在不同角度处测得的时间延迟（通过距离归一化）。实线是将数据向正弦模型的拟合， 其给出了对应于5. 3m/s的剪切波速的0. 1884s/m的振幅。
[0032] 图17A和17B为根据本发明的用于将振动传递至主体的系统的立体图。
[0033] 图17C为电磁致动器的示意图，其中"推"动作在激活时接触板和致动器本体彼此 远离移动。
[0034] 图17D为电磁致动器的示意图，其中"拉"动作在激活时接触板和致动器本体朝向 彼此移动。
[0035] 图18为配置用于实现本发明的示例超声系统的框图。
[0036] 图19为形成图18的超声系统的一部分的发射器的示例的框图。
[0037] 图20为形成图18的超声系统的一部分的接收器的示例的框图。
[0038] 发明详细描述
[0039] 由于组织的机械性质与组织健康状态有关，因此测量组织的机械性质具有重要的 医疗应用。例如，肝脏纤维化与肝脏组织的硬度（剪切模量和剪切弹性）的增加相关联，并 且因此肝脏硬度可用于非入侵性展现（stage)肝脏纤维化。通过介质的机械性质确定剪切 波的传播。根据沃伊特模型，介质中的剪切波速c s通过如下与其剪切模量y i和速度y 2相 关：
[0040]
[0041] 其中ws为剪切波的频率且p为组织密度，该组织密度可假设为l〇〇〇kg/m 3。忽 略速度（设置y2= 〇)，方程式⑴简化为：
[0042]
[0043] 其中方程式（2)中的cs为剪切波的群速度，意味着在剪切波的所有频率分量上的 平均剪切波速度。因此，剪切波可用于通过假设零速度和使用方程式（2)求解h来评估 组织弹性，或通过在组织中产生剪切波、测量多个频率下的剪切波传播速度、并且使用方程 式（1)求解~和U 2来评估弹性和速度两者。
[0044] 用剪切波的弹性测量
[0045] 超声可用于在用于非入侵性弹性成像的组织内远程地生成剪切波。通常，如图1 所示，具有长持续时间的推（push)超声波束（聚焦或不聚焦的）用于产生瞬态剪切波，并 且脉冲回波超声用于检测剪切波的传播。组织颗粒由于剪切波而向上和向下移动，并且扰 波从推波束以传播速度(^向外传播（参见图1中的箭头）。也就是说，在图1中，A、B、C、 D、E为由脉冲回波超声进行的剪切波检测的位置。垂直线表示剪切波前，该剪切波前从推 (push)中央向外移动。在这里所示的示例中，剪切波前（由实垂直线表示）在位置C处。 虚线表示已过去的（位置A和B)或将到达的（位置D和E)剪切波前。
[0046] 通过沿着剪切波传播路径由脉冲回波超声检测的在多个位置处的剪切波运动的 时间分布可用于计算c s。例如，假设位置A和E之间的距离为Ar以及剪切波在这两个位 置处的到达时间之间的延时为八〖，则(^= Ar/At。可通过跟踪在每个位置处的剪切波 峰的时间实例，或通过找出给出在每个位置处检测到的2个剪切波时间信号之间的最大互 相关来估算时间延时At。对于图1所示的示例，剪切波前A-E沿着深度方向z相对均匀。 因此，我们仅需要沿着x方向检测剪切波以测量剪切波传播速度。换句话说，如果传播方向 和检测