一種用于血管內超聲多斷層剪切波彈性成像方法

一種用于血管內超聲多斷層剪切波彈性成像方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于血管內超聲多斷層剪切波彈性成像方法，包括以下步驟：首先記錄待測組織的原始超聲回波信號；然后通過計算機控制的短脈沖信號使介入式超聲陣列探頭產生聲輻射力；接著通過多次的超聲脈沖波束發射，接受檢測聲輻射力產生的剪切波傳播過程；再分析待測組織內剪切波傳播速度，獲得組織內剪切波波速分布圖像；最后通過待測組織內各位置的剪切波波速映射得到血管內組織定量彈性圖像。本發明具有實時、定量、快速、高分辨率等優點；采用多陣元的血管內換能器陣列來激勵和追蹤剪切波為目的進行血管壁組織彈性信息定量分析；有利地促進血管內彈性成像的進一步推廣和應用，加強人們對心血管病的早期診斷能力。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種屬于介入式血管內超聲彈性成像方法，具體涉及一種利用剪切波 彈性成像技術進行血管內快速探測血管彈性信息的彈性成像方法。 一種用于血管內超聲多斷層剪切波彈性成像方法

【背景技術】
[0002] 《中國心血管病報告2012》指出，心腦血管疾病近年已成為國人健康第一殺手，估 計全國心血管病患者2. 3億，全國每年350萬人死于心血管病，約占全因死亡的41%，居各 死因首位。報告還預測，2010?2030年僅考慮人口老齡化和人口增加的因素，中國35?84 歲人群心血管病(心絞痛、心肌梗死、冠心病猝死和腦卒中)事件數增加將> 50%。2010年到 2030年心血管病事件數增加約2, 130萬，死亡增加約770萬。以往認為，粥樣硬化斑塊逐 步形成和發展，致使血管硬化、管腔狹窄、血流阻塞，這是引起心血管急性事件和腦中風(猝 死）的主要原因。1988年Ambrose JA等科學家提出了易損斑塊（Vulnerable Plaque)說， 這是最近20年來心腦血管領域的一個重大突破。一般認為，具有薄纖維帽，大脂質核心及 大量激活巨噬細胞的斑塊不穩定，易于破裂。現已證明動脈硬化斑塊破裂脫落而形成血栓 是引起心血管急性事件、急性心肌梗塞、急性冠狀動脈綜合癥(ACS)、中風（Stroke)和猝死 的主要原因，因此判斷斑塊的易損性（vulnerability)，從而早期預測、診斷、有效干預和處 理易損斑塊是防治心腦血管疾病一項緊迫任務。
[0003] 為了能對血管內易損斑塊進行成像診斷,血管內超聲成像技術（Intravascular Ultrasound, IVUS)于20世紀80年代末期迅速發展起來，它是利用安裝在心導管前端的 微型超聲探頭，從血管內部成像來檢測管腔大小和管壁結構的介入性超聲診斷技術。它能 夠實時顯示血管橫斷面解剖結構，觀察附著于管壁表面的粥樣硬化斑塊形態及發展過程， 測定冠狀動脈狹窄程度，從而指導經皮冠脈介入治療以及評價治療效果。近年來，血管內超 聲已成為冠心病等心血管疾病診斷和治療的重要影像學手段，有文獻稱其為"冠狀動脈狹 窄的診斷與介入療效評估的金標準"。但是，常規IVUS成像只可以獲得血管單斷層圖像，進 而提取該斷層上的血管解剖形態特征，卻無法獲得可用于判斷斑塊細節性質的彈性信息。 為了對斑塊進行機械力學和組成成分上的檢查以作為組織形態學檢查的有效補充，血管內 彈性成像（intravascular elastography)、血管內超聲三維內膜硬度圖（intravascular palpography)、血管內超聲虛擬組織學成像（Virtual Histology IVUS, VH-IVUS)等方法先 后被國內外學者提出。目前現有的這些血管內超聲彈性成像方法都是基于靜態施壓方式， 得到位移后估計出應變。應變的大小與施加的應力大小直接相關，因此它只能反映組織的 相對彈性，真實彈性參量(楊氏模量)還需要根據力學模型和邊界條件進行重構。因此，我們 提出采用基于多陣元IVUS換能器的血管內超聲輻射力彈性成像方法（即血管內超聲多斷 層快速彈性成像方法）以直接獲得管壁組織及斑塊的楊氏模量，更加有效地量化斑塊生物 力學參數與其易損性的關系。
[0004] 所謂血管內超聲多斷層快速彈性成像方法是融合了血管內超聲成像技 術（Intravascular Ultrasound, IVUS)和剪切波快速彈性成像技術（shear wave elastography, SWE)的特點。一方面，血管內超聲成像技術是目前唯一商業化用于臨 床檢測的可以實時提供患者冠狀動脈血管橫截面圖像的檢查手段，目前IVUS成像技術 已可以對冠狀動脈甚至更細小血管進行血管內成像，在不影響臨床經皮冠狀動脈成形術 (percutan-eous translumianal coronary angioplasty, PTCA)手術過程與療效的前提下， 可定性地提供動脈壁結構灰度圖像，對于冠狀動脈粥樣硬化與狹窄等心血管疾病的診斷與 治療具有和重要意義；另一方面，剪切波彈性成像技術是利用超聲波束產生的聲輻射力對 下層組織進行施壓，壓力在聲波傳播方向上推動組織，組織產生復原力，該復原力會產生機 械波，尤其是沿組織橫向傳播的剪切波。一般來說，機械波的傳播性質與材料的力學特征緊 密相關，剪切波作為組織復原力產生的一種機械橫波，其傳播性質必然包含著組織內的諸 多力學信息，一般來說，剪切波速度越快，說明組織楊氏模量值越大，即組織的硬度越大。人 們正是利用這一性質，通過組織內傳播的剪切波速度反推獲得組織的楊氏模量絕對值。剪 切波在生物體內傳播速度一般為1~1〇 m/s，故可利用的超快速成像方法進行捕捉剪切波傳 播過程。
[0005] 綜上所述，血管內超聲多斷層快速彈性成像方法的基本工作原理是：首先利用介 入式探頭在血管內激勵血管壁組織產生剪切波，并通過快速成像捕捉該剪切波在組織內的 傳播速度，最后以剪切波傳播速度反推得到血管壁組織的彈性圖像。而實現這一技術的 主要瓶頸在于設計可以兼顧血管內介入技術和快速捕捉剪切波波速的超聲成像探頭及相 應的快速成像方法。目前，國際上采用血管內超聲成像技術進行實驗的設備主要有美國 Volcano公司生產研制的Eagle Eye? Platinum Catheter,但并沒有專門用于激勵血管壁組 織產生剪切波和捕捉剪切波傳播過程的血管內超聲陣列探頭。2013年美國杜克大學生物 工程系的 Vivek Patel, Jeremy J. Dahl 等利用 Eagle Eye? Platinum Catheter 對嘗試將聲 福射力彈性成像技術（Acoustic Radiation Force Impulse imaging)與介入式超聲探頭相 結合以用于血管內易損斑塊的探測，結果顯示利用血管內超聲探頭激勵產生聲輻射力并用 于彈性成像的技術是可行的。為了彌補現有商業化設備的不足，本專利提出了一種專門用 于激勵和追蹤血管壁組織內剪切波的介入式多陣元超聲成像方法。其與現有方法的不同在 于，本方法采用多陣元的血管內換能器陣列，以激勵和追蹤剪切波為目的進行血管壁組織 彈性信息定量分析，通過比較血管壁正常組織與病變組織或易損斑塊的不同的彈性信息來 實現心血管病的早期診斷。該技術方法可有利地促進血管內彈性成像的進一步推廣和應 用，加強人們對心血管病的早期診斷能力。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于克服現有技術存在的問題，提供一種用于血管內超聲多斷層剪 切波彈性成像方法。
[0007] 為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現： 一種用于血管內超聲多斷層剪切波彈性成像方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1)首先在待檢測區域內的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的回波信息，記錄 用于參考的原始組織回波信號； 步驟2)通過介入式陣列式超聲換能器的波束合成技術對血管壁及其周圍組織進行脈 沖激勵產生聲輻射力，壓力在聲波傳播方向上推動組織，組織產生復原力，該復原力會產生 剪切波； 步驟3)短暫激勵后在待檢測區域內的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的實時回 波信號，其中該區域的組織內存在激勵產生的剪切波； 步驟4)執行多次超聲脈沖檢測波束發射、接收并記錄實時超聲回波信號直到剪切波傳 播至待檢測組織之外； 步驟5)通過比較組織內各位置的原始回波信號與實時獲得的回波信號，分析不同時 刻下待檢測組織各位置上的由剪切波引起的組織位移情況，追蹤剪切波在組織中的傳播過 程； 步驟6)據捕捉、記錄沿待檢測組織各方向傳播的剪切波在不同位置上的瞬時波速，我 們可以對組織的剪切波波速映射成像，進一步反推得到待測組織內各位置上的楊氏彈性模 量絕對值，并在組織剪切波波速圖像的基礎上對待檢測組織進行彈性成像。
[0008] 進一步的，所述步驟（5)具體為：依據待檢測組織內沿剪切波傳播方向上的任意 兩位置的距離和實時回波信號分別在兩位置上相對于原始回波信號產生變化的時間差，可 以計算該距離間剪切波傳播的平均速度；若這兩個位置間的距離足夠小，則可以近似地認 為該平均速度為剪切波的瞬時傳播速度。
[0009] 本發明的有益效果： 采用本發明技術方案，能對血管壁及其周圍組織彈性信息進行測量，具有實時、定量、 快速、高分辨率等優點；其與現有血管內超聲彈性成像技術相比最大的不同在于本方法采 用多陣元的血管內換能器陣列，以激勵和追蹤剪切波為目的進行血管壁組織彈性信息定量 分析，通過比較血管壁正常組織與病變組織或易損斑塊的不同的彈性信息來實現心血管病 的早期診斷；該技術方法可有利地促進血管內彈性成像的進一步推廣和應用，加強人們對 心血管病的早期診斷能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是本發明的工作流程示意圖； 圖2是本發明的血管內超聲剪切波彈性成像換能器探頭結構示意圖； 圖3是血管內剪切波彈性成像工作原理示意圖。

【具體實施方式】
[0011] 下面將參考附圖并結合實施例，來詳細說明本發明。
[0012] 參照圖1所示，一種用于血管內超聲多斷層剪切波彈性成像方法，包括以下步驟： 步驟1)首先在待檢測區域內的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的回波信息，記錄 用于參考的原始組織回波信號； 步驟2)通過介入式陣列式超聲換能器的波束合成技術對血管壁及其周圍組織進行脈 沖激勵產生聲輻射力，壓力在聲波傳播方向上推動組織，組織產生復原力，該復原力會產生 剪切波； 步驟3)短暫激勵后在待檢測區域內的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的實時回 波信號，其中該區域的組織內存在激勵產生的剪切波； 步驟4)執行多次超聲脈沖檢測波束發射、接收并記錄實時超聲回波信號直到剪切波傳 播至待檢測組織之外； 步驟5)通過比較組織內各位置的原始回波信號與實時獲得的回波信號，分析不同時 刻下待檢測組織各位置上的由剪切波引起的組織位移情況，追蹤剪切波在組織中的傳播過 程； 步驟6)據捕捉、記錄沿待檢測組織各方向傳播的剪切波在不同位置上的瞬時波速，我 們可以對組織的剪切波波速映射成像，進一步反推得到待測組織內各位置上的楊氏彈性模 量絕對值，并在組織剪切波波速圖像的基礎上對待檢測組織進行彈性成像。
[0013] 進一步的，所述步驟（5)具體為：依據待檢測組織內沿剪切波傳播方向上的任意 兩位置的距離和實時回波信號分別在兩位置上相對于原始回波信號產生變化的時間差，可 以計算該距離間剪切波傳播的平均速度；若這兩個位置間的距離足夠小，則可以近似地認 為該平均速度為剪切波的瞬時傳播速度。
[0014] 實施例： 本發明所述的血管內超聲剪切波彈性成像方法可用于回波成像和剪切波彈性成像，適 用于心臟等器官、組織的血管內超聲剪切波彈性成像。這種成像方法需將成像換能器介入 至血管內，該成像換能器由多個換能器單元沿基座軸向和周向布置組成。且各換能器單元 由多通道的電子線路控制發射超聲脈沖波束和接收相應的回波信息。各個換能器單元尺 寸、及之間距離可根據待檢測組織內剪切波傳播速度設定。為清晰起見，在圖2中，只顯示 了以橫截面為正六邊形的柱體為基底，6個側面共布置4X6共24個換能器單元的配置方 案。值得注意的是，除非其他技術人員對相關方案的變化和改型偏離了本發明的范圍，否則 都應包括在本發明的保護范圍內。
[0015] 在將上述的血管內超聲剪切波彈性成像探頭介入至待檢測的血管后，成像系統采 用計算機控制信號發射器輸出一個采控制信號至現場可編程門陣列（匹配電路）并分頻得 到兩個時鐘觸發信號：一路時鐘信號觸發信號發生器產生一個短暫的正弦波電壓信號，換 能器受到電壓激勵，產生超聲信號；在超聲信號發射后，換能器陣列轉為接收模式，對回波 信號進行濾波、放大、時間增益補償后，通過多路模數轉換器以高于信號帶寬四倍的采樣頻 率進行同步采樣，從而獲得無混疊失真的高信噪比RF數據。
[0016] 具體實施上，在上述基礎上，在系統發射端，通過功率放大器將放大電壓加至大功 率聚焦超聲換能器以產生脈沖聚焦聲輻射力；與此同時，另外一路時鐘信號觸發信號發射 /接收器控制成像超聲探頭發射/接收超聲射頻信號，脈沖重復頻率（PRF) 4KHz，并將接收 到的超聲射頻回波信號（RF-echo)反饋至數字采集卡，最后利用計算機存儲設備保存用于 重構彈性特征的RF信號。第一路觸發信號控制信號發生器產生一個時延電壓，是為了預留 時間讓成像超聲換能器采集施加聲輻射力之前的射頻回波信號，以便與施加聲輻射力之后 的射頻信號進行比較并通過算法重構出仿體(或生物組織）的彈性特征。
[0017] 以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技 術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種用于血管內超聲多斷層剪切波彈性成像方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1)首先在待檢測區域內的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的回波信息，記錄 用于參考的原始組織回波信號； 步驟2)通過介入式陣列式超聲換能器的波束合成技術對血管壁及其周圍組織進行脈 沖激勵產生聲輻射力，壓力在聲波傳播方向上推動組織，組織產生復原力，該復原力會產生 剪切波； 步驟3)短暫激勵后在待檢測區域內的組織通過超聲脈沖檢測波束反射回來的實時回 波信號，其中該區域的組織內存在激勵產生的剪切波； 步驟4)執行多次超聲脈沖檢測波束發射、接收并記錄實時超聲回波信號直到剪切波傳 播至待檢測組織之外； 步驟5)通過比較組織內各位置的原始回波信號與實時獲得的回波信號，分析不同時 刻下待檢測組織各位置上的由剪切波引起的組織位移情況，追蹤剪切波在組織中的傳播過 程； 步驟6)據捕捉、記錄沿待檢測組織各方向傳播的剪切波在不同位置上的瞬時波速，我 們可以對組織的剪切波波速映射成像，進一步反推得到待測組織內各位置上的楊氏彈性模 量絕對值，并在組織剪切波波速圖像的基礎上對待檢測組織進行彈性成像。
2. 根據權利要求1所述的用于血管內超聲多斷層剪切波彈性成像方法，其特征在于， 所述步驟（5)具體為：依據待檢測組織內沿剪切波傳播方向上的任意兩位置的距離和實時 回波信號分別在兩位置上相對于原始回波信號產生變化的時間差，可以計算該距離間剪切 波傳播的平均速度；若這兩個位置間的距離足夠小，則可以近似地認為該平均速度為剪切 波的瞬時傳播速度。
【文檔編號】A61B8/12GK104055541SQ201410289734
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】崔崤峣, 焦陽, 顧天明, 簡小華, 向永嘉 申請人:中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所