CN108451499B - 弹性成像***，及其方法和震动单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性成像***，其包括：至少一个震动单元，其中，每个震动单元包括用于产生剪切波的震动器，和用于将震动器附着在一个表面上的依附单元。该弹性成像***还包括用于探测剪切波的探测器。该弹性成像***还包括控制器，其用于根据探测器的输出生成弹性图像。本发明还公开了一种生成弹性图像的方法，其包括：将至少一个震动器附着在一个表面上；通过所述的至少一个震动器产生剪切波；探测所述剪切波；和根据探测到的剪切波生成弹性图像。

Description

弹性成像***，及其方法和震动单元

技术领域

本发明一般涉及用于弹性成像技术，尤其是弹性成像***及其方法，以及用于弹性成像***的震动单元。

背景技术

组织的软硬程度可以给出身体是否出现疾病的诊断信息。例如，癌性肿瘤通常要比周围的组织要硬，而患病的肝脏也要比健康的肝脏要硬。弹性，粘性和粘弹性都可以反映软组织的硬度特性。其中剪切波的弹性成像可以用于反映组织的弹性，粘性或粘弹性。所以可以通过使用超声波或核磁共振成像来测量剪切波的传播参数，从而生成组织的弹性图像。

剪切波通常通过声学推动方法产生，或使用大型的震动器和震动器控制***。由于声功率***和超声***的设计，这种声学推动方法的穿透力十分有限。所述大型震动器安装在医院的床上，或者放在身体需测量的部分上，如胸腔上部，来产生穿入身体的剪切波，这些震动器非常重，并且使用效率低。也有在换能器周围增加震动器的其它设计，但是这些设计也有很沉重，并且不方便在医疗环境中使用。

传统地，有两种方法用于产生剪切波。一种方法是，向组织施加脉冲推力，从而产生与脉冲频率相同的基波频率和几个谐波频率。另一种方法是，在不同的时间产生不同的频率的剪切波。第一种方法虽然扫描时间短，但是只能获得较少的频率分量。第二种方法虽然可以提供很多不同的剪切波频率分量，但是这种方法需要花费较多时间。

发明内容

在一个实施例中，本申请提供了一种用于弹性成像***的震动单元，其特征在于，包括震动器，用于产生剪切波；和附着单元，用于将所述震动器固定在一个表面上。

在另一个实施例中，本申请提供了一种弹性成像***，其特征在于，包括至少一个震动单元，其中每个震动单元包括震动器，用于产生剪切波，和附着单元，用于将所述震动器固定在一个表面上，用于探测所述剪切波的探测器；和控制器，其用于根据所述探测器的输出生成弹性图像。

在另一个实施例中，本申请提供了一种生成弹性图像的方法，其包括将至少一个震动器附着在一个表面上；通过所述的至少一个震动器产生剪切波；探测所述剪切波；和根据探测到的所述剪切波生成弹性图像。

附图说明

通过参照附图阅读以下详细描述，本发明的这些和其它特征、方面及优点会变得更好理解，在附图中，相似的元件标号在全部附图中用于表示相似的部件，其中：

图1是根据本发明一个实施例的用于弹性成像***的震动单元的示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的用于弹性成像***的震动单元的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的弹性成像***的示意图；

图4是根据本发明图3所示的一个实施例的弹性成像***的一个部分的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的弹性成像***的震动单元一种应用情形示意图；

图6是根据本发明一个实施例的弹性成像***的震动单元另一种应用情形示意图；

图7是根据本发明一个实施例的弹性成像***中的用于产生粘弹性图像的控制器的示意图；及

图8是根据本发明一个实施例的弹性成像的方法流程图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“前部”“后部”“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“或”等词语表示包括性的，并且是指所列出的项目中的一个或全部。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接或偶联，不管是直接的还是间接的。

本发明的实施例在这里可依据功能组件和多种处理步骤描述。应当理解的是，这些功能组件可通过配置任意数量的硬件、软件和/或固件组件以实现特定功能。例如，本发明的实施例可使用多种集成电路组件，如记忆元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表或类似的，其可在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下，执行控制器的多种功能。另外，本发明的具体实施方式可以与现实中任意数量的数据传输协议相结合。此外，这里所述的***仅仅阐述了一种典型实施例。

请参照图1，本申请公开了一种用于弹性成像***的震动单元10。该震动单元10包括一个能够产生剪切波的震动器11，和一个附着单元19或依附单元，将所述震动器11连接，附着或依附到物体的表面，如病人的皮肤。

在一个实施例中，如图1所示，附着单元19包括一个弹性罩12，其能够在震动器11周围产生负压。震动器11安装在弹性罩12内，从而可以通过在弹性罩12内部产生的负压将震动器11附着在病人的皮肤上。在一个实施例中，弹性罩12为橡胶囊。

在一个例子中，弹性罩12包括一个位于上部的内部有空腔的橡胶头121和一个位于下部的杯状体122。震动器11连接在杯状体122的内部。并且，弹性罩12内的空气可以在杯状体122和橡胶头121之间流通。在一个实施例中，杯状体122也由橡胶材料制成。所以在本例子中，橡胶头121和杯状体122为一体制成。然而在一些其它实施例中，杯状体122由硬性材料制成，如玻璃。在这个例子中，杯状体122与橡胶头121以气密的方式连接。例如，橡胶头121的底部边缘紧密地罩在杯状体122的上部外缘处。当橡胶头121内的空气被挤出时，杯状体122内部的负压形成一个吸力，从而将震动器11附着在病人的皮肤上。

在另一个实施例中的震动单元18如图2所示，附着单元19包括与震动器11连接的附着层13。如图2所示，在一个例子中，附着层13覆盖震动器11的顶部，将震动器11附着在病人的皮肤上。在另一个例子中，附着层13设置在震动器11的底部，将震动器11附着在病人的皮肤上。在一些例子中，附着层13包括双面胶条。

如图1和图2所示，震动单元10包括控制单元14，能够控制所述震动器11在预定的频率，相位和振幅下震动。震动单元10包括无线通信单元17，其与控制单元14连接，从而与控制单元14通信。震动单元10包括电源单元15和电源转换器16，为震动器11，控制单元14，和无线通信单元17提供电源。电源单元15可以为电池。

震动器11为电机或触发器，通过机械运动在病人组织内产生剪切波。在特定例子中，震动器11包括硬币震动电机或线圈电机。控制单元14用于控制电机或触发器的运动，其通过改变频率，相位和振幅其中的一种或几种来实现。无线通信单元17将控制单元14无线连接弹性成像***20的控制台单元(见图3)，如超声波***。控制单元14被配置通过控制信号实时控制震动器11。震动器11直接连接/附着在病人的皮肤上。可选地，震动器11也可以通过耦合材料24(见图3)，如耦合液，间接连接/附着在病人的皮肤上。

震动单元10为小型，并且可以附着在病人皮肤上的任何位置上，产生能够在目标组织内传播的频率可控的剪切波。剪切波由超生波***探测并生成弹性图像。一个或多个震动单元10可以通过无线技术与超声波***连接和/或同步，如WIFI，蓝牙，和类似技术。

参见图3，示出了弹性成像***20的一个实施例。弹性成像***20包括至少一个震动单元10，其中每个震动单元10包括一个用于产生剪切波的震动器11；附着单元19，可以将所述震动器11连接，附着或依附到物体的表面，如病人的皮肤上；用于探测剪切波的探测器21；和用于将探测器21的输出生成弹性图像的控制器22。

在一个实施例中，弹性成像***20为超声波***。所以，探测器21为超声波探测器，用于探测震动单元10在组织中产生的剪切波。弹性成像***20包括控制台单元25，其包括探测器驱动器26，用于驱动探测器21的运动。控制台单元25包括无线单元27，其与震动单元10的无线通信单元17无线通信连接，从而向震动单元10的控制单元14发送控制信号。当无线通信单元17在震动单元10中不存在的时候，控制台单元25包括震动器驱动器，用于通过线缆驱动震动器的运动。在一个实施例中，控制台单元25包括控制器22，用于计算目标解剖区域，如***处的粘弹性，并且通过探测到的剪切波曲线重建***处的粘弹性参数，并最终生成弹性图像30。此外，弹性成像***20还包括探测器引导件23，用于安装和引导探测器21的运动。

翻倒图4，示出了图3中的探测器引导件23的一个实施例29。如前所述，探测器引导件23用于安装和引导探测器21的运动。探测器引导件23包括设置在其上的框架231和导轨232，用于安装探测器21。框架231和导轨232使探测器21能够沿导轨232在目标区域，如***处，的周围做线形或旋转运动，从而在不同的观测面获得超声图像。在这个实施例中，探测器引导件23包括带有矩形框架231和安装在矩形框架231中间的线性导轨232，这样超声波探测器21能够在矩形框架231内沿线性导轨232从一端运动到另一端。一个或多个震动单元10设置在探测器21或导轨232的周围。震动单元10也可以在扫描的过程中随探测器21运动。震动单元10设置在不同的位置上，能够增加在***处的剪切波的分布。

图5为弹性成像***20的震动单元10的一个实施例的应用32示意图。在图5的实施例中，使用了至少两个震动单元10来产生相同频率，并且具有不同其它参数的剪切波。在一个例子中，不同参数包括相位和振幅中的至少一个。在图5中的实施例中，有两个震动单元10，但是也可以使用更多的震动单元。

现在翻倒图6，示出了弹性成像***20的震动单元10的另一个实施例的应用34示意图。在图6的实施例中，使用了至少两个震动单元10来产生不同频率的剪切波。当震动单元10产生不同频率的剪切波的时候，可以得到组织的剪切波的弹性，粘性和粘弹性。粘弹性测量是测量不同频率的剪切波的速率的一种方法。

现有技术的一些缺点通过提供至少两个震动单元10解决了，这些震动单元10设置为不同频率。并且所述两个震动单元10配置为同时产生不同频率的分量，其能够使探测器21在短时间扫描到不同的频率分量。不同频率的剪切波有不同的穿透力，所以不同频率的震动器的振幅也不同。

剪切波测量结果与探测器运动状态相关，所以控制探测器运动对于剪切波探测和粘弹性重建过程都非常重要。有两种典型的探测器运动状态类型。一种是停止然后扫描剪切波，另一种是在均一运动速度的状态下扫描剪切波。第一种方法可以准确地在已知扫描面上探测剪切波，但是需要较长的扫描时间。第二种方法扫描时间较短，但是探测到剪切波受探测器运动状态的影响。

参见图7，显示了如图3所示的用于产生粘弹性图像的控制器的一个实施例的示意图。控制器36包括声学数据收集器221，用于从探测器21中收集声学数据，和剪切波计算器222，用于从声学数据中计算出剪切波随时间变化的位移。进一步，控制器36包括至少一个带宽滤波器223，对应于不同频率分别标为223-1,223-2…223-N，来获得不同频率的剪切波的相位和振幅。此外，控制器36包括至少一个弹性计算器224，用于在不同的频率下根据剪切波的相位和振幅重建剪切波的弹性。此外，控制器36还包括粘性计算器225，用于通过不同频率下的剪切波的弹性来计算剪切波的粘性。控制器36可以确定弹性，粘性，粘弹性的值，并且根据这些值生成组织的弹性图像。

此外，根据图8显示了一种生产弹性图像的方法。该方法通过图1-7的组成来描述。

方法38包括以下步骤：步骤110，附着或依附至少一个震动单元10到物体的表面，如病人的皮肤上。并且方法38包括步骤120，通过所述至少一个震动单元10产生剪切波。此外，方法38包括步骤130，探测所述剪切波。此外，方法38包括步骤140，根据所探测到的剪切波，生成弹性图像。

附着至少一个震动单元10到物体的表面，包括在震动单元10的周围产生负压。这能够通过提供一个能够在内部产生负压的弹性罩12来实现，并且弹性罩12的内部安装有震动器11。这样由于弹性罩12产生的负压，震动器11可以附着在皮肤上。

在一个实施例中的步骤120，不同频率的剪切波可以通过至少两个震动单元10产生不同频率的剪切波(如图5)。在另一个实施例中，通过至少两个震动单元10产生相同频率但相位不同的剪切波(如图6)。

在一个实施例中，步骤140生成弹性图像包括从探测器21收集声学数据，计算剪切波随时间变化的位移，通过至少一个带宽滤波器223过滤声学数据，来获得不同频率的剪切波的振幅，重建不同频率剪切波的弹性，和通过不同频率剪切波的弹性计算剪切波的粘性。从而可以获得弹性，粘性，和粘弹性，生成弹性图像。

上述提出的***和方法具有如下的技术和商业优点。使用这些***可以在组织中产生高信噪比的剪切波，从而使超声波***可以测量组织的机械特性。通过使用震动单元作为低成本的附加装置，可以不改变超声波***而实现更多的弹性图像应用。并且，多震动器***能够产生多频率和多方向的剪切波，从而在组织中产生高质量的弹性和粘性信号。此外，震动单元可以用后丢弃掉。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以做出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种用于弹性成像***的震动单元，其特征在于，包括：

震动器，用于产生剪切波；和

附着单元，用于将所述震动器固定在一个表面上；所述附着单元包括用于在所述震动器周围产生负压的弹性罩；

还包括：

控制单元，用于控制所述震动器；

无线通信单元，用于与所述控制单元通信；和

电源单元和电源转换器，用于给所述震动器提供能量。

2.一种弹性成像***，其特征在于，包括：

至少一个震动单元，其中，每个震动单元包括：

震动器，用于产生剪切波，和

附着单元，用于将所述震动器固定在一个表面上；所述附着单元包括用于在内部，所述震动器的周围产生负压的弹性罩，其中所述震动器安装在所述弹性罩的内部；控制单元，用于控制所述震动器；无线通信单元，用于与所述控制单元通信；和电源单元和电源转换器，用于给所述震动器提供能量；

用于探测所述剪切波的探测器；和

控制器，其用于根据所述探测器的输出生成弹性图像。

3.如权利要求2所述的***，其特征在于：所述至少一个震动单元产生不同频率的剪切波。

4.如权利要求2所述的***，其特征在于：所述至少一个震动单元产生相同频率并且不同参数的剪切波，其中参数包括相位和振幅中的至少一个。

5.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述控制器包括：

声学数据收集器，用于从所述探测器中收集声学数据；

剪切波计算器，用于从声学数据中计算出所述剪切波随时间变化的位移；

至少一个带宽滤波器，来获得不同频率的剪切波的相位和振幅；

至少一个弹性计算器，用于重建不同频率的剪切波的弹性；和

粘性计算器，用于通过不同频率的剪切波的弹性来计算剪切波的粘性。

6.一种利用权利要求2-5任一项所述的***生成弹性图像的方法，其包括：

将至少一个震动器附着在一个表面上；

通过所述的至少一个震动器产生剪切波；

探测所述剪切波；和

根据探测到的所述剪切波生成弹性图像。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：将至少一个震动器附着在一个表面上包括在震动器的周围产生负压。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：通过所述的至少一个震动器产生剪切波包括通过所述至少一个震动器产生不同频率的剪切波。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：通过所述的至少一个震动器产生剪切波包括通过所述至少一个震动器产生相同频率并且不同参数的剪切波，其中参数包括相位和振幅中的至少一个。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

通过探测器收集声学数据，其中所述探测器用于探测所述剪切波，

计算所述剪切波随时间变化的位移，

通过至少一个带宽滤波器过滤声学数据，来获得不同频率的剪切波的相位和振幅，

重建不同频率剪切波的弹性，和

通过不同频率剪切波的弹性计算所述剪切波的粘性。

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