Способ и устройство для определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды - RU2688299C1

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к медицинской технике и, в частности, к способу и устройству для определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Фиброз печени обычно вызван отложением белков внеклеточного матрикса и часто проявляется у большинства пациентов с хронической печёночной недостаточностью. Так как фиброз или цирроз печени на ранней стадии являются обратимыми или подконтрольными заболеваниями, важным является их ранее выявление с высокой точностью и эффективностью.

Эластография сдвиговой волны позволяет количественно оценить степень фиброза и цирроза печени посредством измерения её уплотнений. Транзиентная эластография является самым распространённым клиническим неинвазивным способом определения степени фиброза печени.

Так как печень является вязкоупругим органом, т.е. вязкоупругой средой и параметр её вязкоупругости тесно связан с множеством заболеваний печени, он может дать ценную информацию для выявления фиброза печени на ранних стадиях.

В настоящее время при измерениях параметров тканей в основном измеряется параметр упругости без учёта параметра вязкости, т.е. параметра вязкоупругости ткани, который, в свою очередь, существенно влияет на результаты выявления поражений тканей на ранних стадиях, к которым среди прочего относится фиброз печени.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Принимая во внимание проблемы, имеющиеся в предшествующем уровне техники, настоящее изобретение предусматривает способ и устройство для определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды, которые используются для получения параметра вязкоупругости ткани с тем, чтобы повысить точность результатов измерения степени фиброза.

Настоящее изобретение предлагает способ для определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды, включающий:

приложение определенной одночастотной механической вибрации к вязкоупругой среде для формирования в вязкоупругой среде поперечной волны;

испускание из одноканального источника на вязкоупругую среду ультразвуковых волн во время распространения поперечной волны в вязкоупругой среде и приём ультразвуковых эхо-сигналов;

получение данных о максимальном перемещении поперечной волны на различных глубинах в соответствии с ультразвуковыми эхо-сигналами, причем каждый набор данных о максимальном перемещении представляет максимальную амплитуду колебаний поперечной волны, когда поперечная волна проходит по различным глубинам в вязкоупругой среде.

аппроксимацию каждого набора данных о максимальном перемещении для получения графика затухания максимального перемещения;

определение параметра вязкоупругости вязкоупругой среды по графику затухания максимального перемещения.

Настоящее изобретение предлагает устройство для определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды, содержащее:

главное вычислительное устройство и зонд, зонд содержит вибратор и ультразвуковой преобразователь, причем

управляемый главным вычислительным устройством вибратор прилагает одночастотную механическую вибрацию к вязкоупругой среде для формирования в вязкоупругой среде поперечной волны;

в процессе распространения поперечной волны в вязкоупругой среде, управляемый главным вычислительным устройством ультразвуковой преобразователь излучает ультразвуковые волны из одноканального источника на вязкоупругую среду и принимает ультразвуковые эхо-сигналы; и

главное вычислительное устройство содержит:

первый модуль для получения информации, выполненный с возможностью сбора данных о максимальном перемещении поперечной волны на различных глубинах в соответствии с ультразвуковыми эхо-сигналами, причем каждый набор данных о максимальном перемещении представляет максимальную амплитуду колебаний поперечной волны, когда поперечная волна проходит по разным глубинам в вязкоупругой среде;

вычислительный модуль, выполненный с возможностью аппроксимации набора данных о максимальном перемещении для получения графика затухания максимального перемещения; и

первый модуль определения, выполненный с возможностью определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды по графику затухания максимального перемещения.

В предлагаемом настоящим изобретением устройстве для определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды приложение определенной одночастотной механической вибрации к ткани осуществляется только для формирования в вязкоупругой среде поперечной волны, имеющей единственную частоту. После сбора данных о перемещении поперечной волны, каждый набор данных, представляющий максимальную амплитуду колебаний при распространении поперечной волны на разные глубины, рассчитывается на основании данных о перемещении, после чего составляется график затухания максимального перемещения поперечной волны путем аппроксимации каждого набора данных о перемещении, что позволяет определить параметр вязкоупругости вязкоупругой среды по графику затухания максимального перемещения. Параметр вязкоупругости относится как к упругости, так и к вязкости. В данном варианте осуществления изобретения предусмотрена возможность получить параметр вязкоупругости, связанный с вязкостью и упругостью, и увеличения объема измерения ткани, что дает преимущества в отношении получения более полной информации о ткани и объеме измерений, а также полезно для получения более точных результатов измерений фиброза ткани.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показана блок-схема первого варианта осуществления способа определения вязкоупругости вязкоупругой среды;

На фиг. 2 показан график перемещения при распространении поперечной волны на определенную глубину;

На фиг. 3 показана блок-схема второго предлагаемого настоящим изобретением варианта осуществления способа определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды.

На фиг. 4 показана блок-схема первого предлагаемого настоящим изобретением устройства для определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды.

На фиг. 5 показана блок-схема второго предлагаемого устройства для определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды.

РАСКРЫТИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показана блок-схема первого предлагаемого настоящим изобретением варианта осуществления способа определения вязкоупругости вязкоупругой среды. Способ в данном варианте осуществления изобретения в основном применяется для определения вязкоупругости тканям печени, которое может быть выполнено с помощью измерительного аппарата. Измерительным аппаратом может быть известный неинвазивный фибросканер с обрабатывающей функцией для выполнения раскрытого в настоящем варианте осуществления способа. Измерительный аппарат предпочтительно содержит главное вычислительное устройство и зонд. Зонд содержит вибратор для создания механической вибрации и ультразвуковой преобразователь для излучения и приёма ультразвуковых волн.

Как показано на фиг. 1, способ для определения вязкоупругости вязкоупругой среды может включать в себя следующие шаги:

Шаг 101: Приложение определенной одночастотной механической вибрации к вязкоупругой среде для формирования в вязкоупругой среде поперечных волн.

В данном варианте осуществления изобретения измерение вязкоупругости тканям печени приводится в качестве примера. Ткани печени в данном случае является вышеуказанной вязкоупругой средой. Применение определенной одночастотной механической вибрации к вязкоупругой среде относится к применению вибрации к поверхности кожи, приходящейся на ткани печени.

В частности, вибратор прилагает синусоидальную механическую вибрацию на поверхность кожи перпендикулярно ее поверхности кожи, формируя таким образом соответствующую поперечную волну в тканях печени, которая в ней распространяется. Частота механической вибрации может быть, например, низкой частотой, в частности 50 Гц.

Шаг 102: Излучение ультразвуковых волн из одноканального источника на вязкоупругую среду и приём ультразвуковых эхо-сигналов во время распространения поперечной волны в вязкоупругой среде.

В данном варианте осуществления, ультразвуковой преобразователь излучает низкочастотные ультразвуковые сигналы на ткани печени в место, в которое вибратором направляется механическая вибрация, и принимает ультразвуковые эхо-сигналы.

Причем, пакетные ультразвуковые сигналы могут излучаться на ткани печени с определёнными временными интервалами для отслеживания процесса распространения поперечных волн в тканях печени.

Например, после формирования поперечной волны путем приложения механической вибрации на определенном временном интервале, когда поперечная волна распространяется в вязкоупругой среде, через преобразователь одноканального ультразвукового модуля, встроенного в вибрационный зонд направляется группа ультразвуковых сигналов и принимаются ультразвуковые эхо-сигналы. После обработки ультразвуковых эхо-сигналов в течение данного временного интервала, на эхограмме могут собираться данные об искажении и перемещении среды в течение данного временного интервала.

В данном варианте осуществления настоящего изобретения в иллюстративных целях берутся только данные о перемещении. Следует понимать, что к данным об искажении можно обращаться также как к данным о перемещении и обрабатывать образом, аналогичным обработке данных о перемещении, и таким образом повторное описание этого процесса опускается.

Шаг 103: Сбор данных о максимальном перемещении поперечной волны на различных глубинах на основании ультразвуковых эхо-сигналов.

Причем, каждые данные о максимальном перемещении представляют собой максимальную амплитуду колебаний поперечной волны, когда поперечная волна распространяется на различные глубины в вязкоупругой среде.

Как описано выше, ультразвуковые эхо-сигналы, могут отражать развитие перемещения поперечной волны в тканях печени. Следовательно, данные о перемещении поперечной волны могут быть получены по ультразвуковым эхо-сигналам. Для обеспечения точности данных о перемещении ультразвуковые эхо-сигналы могут обрабатываться с помощью определённой цифровой обработки. Обработка сигнала содержит как минимум одно из следующего: взаимная пространственно-временная корреляция, взаимная спектральная корреляция, сумма квадратов ошибок, точечное отслеживание, отслеживание масштабно-инвариантных характерных точек, динамическое программирование, отслеживание перехода через ноль и поиск пиковых значений.

Для наглядного представления данных о перемещении поперечной волны на фиг. 2 показана кривая перемещения по времени поперечной волны, сформированной механической вибрацией внешнего зонда и распространяющейся на фиксированную глубину ткани. В данном варианте осуществления, механическая вибрация направлена перпендикулярно тканям печени, а ультразвуковой преобразователь захватывает перемещение, перпендикулярное оси тканям печени в месте приложения механической вибрации, что является продольным перемещением. DAV, показанный на фиг. 2 отвечает продольному перемещению.

Из фиг. 2 видно, что данные о перемещении представляют характеристику затухающего колебания на фиксированной глубине. В целом, максимальное перемещение появляется на первом пиковом значении волны. Следовательно, данные о максимальном перемещении можно извлечь из данных о перемещении, собранных на соответствующей глубине, получив тем самым данные о максимальном перемещении на различной глубине.

Шаг 104: Аппроксимация данных о максимальном перемещении для получения кривой затухания максимального перемещения.

Шаг 105: Определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды на основании графика затухания максимального перемещения.

В этом варианте осуществления изобретения, для согласования собранных данных с целью получения графика затухания максимального перемещения могут применяться различные способы, например, полиноминальная аппроксимация и экспоненциальная аппроксимация.

Для обеспечения точности результатов подбора в процессе подбора может применяться различная обработка данных для каждого набора данных о максимальном перемещении.

Альтернативно, для каждого набора данных о максимальном перемещении во временной и частотной областях может применяться фильтрующая обработка, при которой будут отсеиваться аномальные данные о перемещении. Аномальные данные о перемещении могут включать в себя такие данные о перемещении, которые превышают среднее значение максимального перемещения или превышают определенное произведение среднего значения перемещения, или могут быть аномальными данными, включающими в себя такие данные о перемещениях, как разницу между данными о перемещениях и средним значением перемещения, превышающую определённое произведение стандартного отклонения.

Затем, после исключения аномальных данных для определения графика затухания максимального перемещения для каждого набора данных максимального перемещения выполняется полиномиальная аппроксимация.

После многократных испытаний, было установлено, что квадратическая полиномиальная аппроксимация дает наилучший результат. Следовательно, уравнение аппроксимации выглядит следующим образом:

y=ax2+bx+c

Для измерения определённой вязкоупругой среды, результатом подбора может являться получения трех коэффициентов - a, b и c. Так как коэффициенты b и c влияют на положение графика квадратного многочлена и не коррелируют с кривой тенденции и распределения затухания, параметр a может извлекаться для описания тенденции и распределения затухания графика затухания максимального перемещения. Данный коэффициент обычно определяется вязкостью и эластичностью и является параметром вязкоупругости. То есть, старший коэффициент графика затухания максимального перемещения определяется как параметр вязкоупругости вязкоупругой среды.

В настоящем варианте осуществления изобретения используется низкочастотная вибрация единственной частоты и вязкоупругость измеряемой ткани может быть получена с помощью анализа амплитуды колебаний поперечной волны. Применяются определённые принципы: амплитуда колебания связана не только с параметром упругости, но также с вязкостью, то есть, связана с параметром вязкоупругости, который может быть описан пиковым значением волны и затуханием амплитуды на определённой глубине. Упругость и вязкость влияют на нисходящий график, формируемый при уменьшении пикового значения волны по мере увеличения глубины распространения. Чем выше вязкость, тем меньше первое пиковое значение волны в тканях, расположенных ближе к поверхности, и, по мере увеличения глубины, в высоковязкой ткани значение уменьшается медленнее, причем первое пиковое значение волны для низковязкой ткани выше и уменьшается более существенно.

В настоящем варианте осуществления изобретения приложение механической вибрации определенной частоты к ткани создает в вязкоупругой среде поперечную волну одной частоты. После получения данных о перемещении поперечной волны, данные о максимальном перемещении, представляющие максимальную амплитуду колебаний при распространении поперечной волны на разные глубины рассчитываются на основании данных о перемещении, и, затем, формируется график затухания максимального перемещения посредством аппроксимации каждого набора данных о максимальном перемещении. Параметр вязкоупругости вязкоупругой среды определяется по графику затухания максимального перемещения и связан с упругостью и вязкостью. В данном варианте осуществления изобретения предусмотрена возможность получения параметра вязкоупругости, связанного с вязкостью и упругостью, и увеличения объема измерения ткани, что полезно для получения более полной информации по ткани и величине измерений, а также полезно для получения более точных результатов измерений фиброза ткани.

На фиг. 3 показана блок-схема второго предлагаемого настоящим изобретением варианта осуществления способа определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды. Как показано на фиг. 3, базовый вариант осуществления изобретения, представленный на фиг. 1, после шага 105 содержит следующие шаги:

Шаг 201: Получение параметра упругости вязкоупругой среды по ультразвуковым эхо-сигналам.

Шаг 202: Определение степени фиброза вязкоупругой среды на основании параметра упругости и параметра вязкоупругости.

В настоящем варианте осуществления, параметр упругости вязкоупругой среды может быть получен на основании анализа и обработки полученных ультразвуковых эхо-сигналов способом, описанном в известном уровне техники.

Кроме того, степень фиброза ткани также определяется по полученному параметру упругости и параметру вязкоупругости.

Например, в настоящее время степень фиброза ткани в основном делится грубо на тяжелую, общую и лёгкую степень, причем каждая степень отвечает различному диапазону параметру упругости. Получение параметра вязкоупругости позволяет получить размерность данных для дальнейшего более точного разделения степени фиброза и точного определения степени фиброза.

На фиг. 4 показана блок-схема первого предлагаемого варианта осуществления устройства для определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды. Как показано на фиг. 4, устройство содержит:

управляющее вычислительное устройство 1 и зонд 2. Зонд 2 включает в себя вибратор 21 и ультразвуковой преобразователь 22.

Вибратор 21, управляемый главным вычислительным устройством 1, прилагает одночастотную механическую вибрацию к вязкоупругой среде для формирования в вязкоупругой среде поперечной волны.

В процессе распространения поперечной волны в вязкоупругой среде, управляемый главным вычислительным устройством 1 преобразователь 22 излучает на вязкоупругую среду ультразвуковые волны из одноканального источника и принимает ультразвуковые эхо-сигналы.

Главное вычислительное устройство 1 содержит первый собирающий модуль 11 , вычислительный модуль 12 и первый оценивающий модуль 13.

Первый модуль 11 для получения информации выполнен с возможностью сбора данных о максимальном перемещении поперечной волны на различной глубине по ультразвуковым эхо-сигналам, причем каждый набор данных о максимальном перемещении представляет максимальную амплитуду колебаний поперечной волны, когда поперечная волна проходит по различным глубинам в вязкоупругой среде.

Вычислительный модуль 12 выполнен с возможностью аппроксимации данных о максимальном перемещении для получения графика затухания максимального перемещения.

Первый модуль 13 определения выполнен с возможностью определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды по графику затухания максимального перемещения.

Кроме того, главное вычислительное устройство дополнительно содержит: обрабатывающий модуль 14.

Обрабатывающий модуль 14 выполнен с возможностью обработки ультразвуковых эхо-сигналов, которая содержит как минимум одно из следующего: взаимная пространственно-временная корреляция, взаимная спектральная корреляция, сумма квадратичных ошибок, точечное отслеживание, отслеживание масштабно-инвариантных характерных точек, динамическое программирование, отслеживание перехода через ноль и поиск пиковых значений.

В частности, вычислительный модуль 12 содержит: первый вычислительный блок 121 и второй вычислительный блок 122.

Первый вычислительный блок 121 выполнен с возможностью выполнения фильтрующей обработки каждого набора данных о максимальном перемещении во временной и частотной областях, при которой будут отсеиваться аномальные данные о перемещении.

Второй вычислительный блок 122 выполнен с возможностью полиномиальной аппроксимации каждого набора данных о максимальном перемещении после исключения аномальных данных для получения графика затухания максимального перемещения.

В частности, первый модуль 113 определения выполнен с возможностью:

установления того, что старший коэффициент графика затухания максимального перемещения является параметром вязкоупругости вязкоупругой среды.

Измерительный аппарат в данном варианте осуществления может выполняться с возможностью технического решения способа, показанного на фиг. 1, имеет аналогичный принцип реализации и техническое действие, и его описание не приводится здесь повторно.

На фиг. 5 показана блок-схема второго предлагаемого варианта осуществления устройства для определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды. Как показано на фиг. 5, на основании варианта осуществления изобретения, изображенного на фиг. 4, главное вычислительное устройство 1 дополнительно содержит: второй модуль 15 для получения информации и второй модуль 16 определения.

Второй модуль 15 для получения информации выполняется с возможностью получения параметра упругости вязкоупругой среды по ультразвуковым эхо-сигналам.

Второй модуль 16 определения выполняется с возможностью определения степени фиброза вязкоупругой среды по параметру упругости и параметру вязкоупругости.

Измерительный аппарат в данном варианте реализации изобретения может выполняться с возможностью осуществления технического решения согласно способу, показанному на фиг. 3, имеет аналогичный принцип реализации и техническое действие, и его описание не приводится здесь повторно.

Специалисты в данной области техники должны понимать, что все или часть шагов для вышеуказанных вариантов осуществления изобретения могут выполняться с помощью программных инструкций соответствующей аппаратной части и такая программа может храниться на машиночитаемом носителе информации; при выполнении программы выполняются шаги вышеуказанного способа осуществления; упомянутый носитель информации содержит: различные носители, которые могут хранить код программы, такие как ПЗУ, ОЗУ, магнитный диск или оптический диск.

В результате, следует понимать, что вышеуказанные варианты осуществления только иллюстрируют технические решения настоящего изобретения и не имеют ограничительного характера; хотя настоящее изобретение было подробно раскрыто со ссылкой на вышеуказанные варианты осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что технические решения, раскрытые в вышеуказанных вариантах осуществления, могут быть изменены, или возможны эквивалентные замены их некоторых или всех технических функций; и такие изменения и замены не представляют собой суть соответствующих технических решений, отклоняясь от объема технических решений вариантов осуществления настоящего изобретения.

Реферат

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды. Способ включает приложение определенной одночастотной механической вибрации к вязкоупругой среде для формирования в вязкоупругой среде поперечной волны, излучение ультразвуковых волн из одноканального источника на вязкоупругую среду и прием ультразвуковых эхо-сигналов во время распространения поперечной волны в вязкоупругой среде, получение данных о максимальном перемещении поперечной волны на различных глубинах в соответствии с ультразвуковыми эхо-сигналами, причем каждый набор данных о максимальном перемещении представляет максимальную амплитуду колебаний поперечной волны, когда поперечная волна проходит по различным глубинам в вязкоупругой среде, аппроксимацию каждого набора данных о максимальном перемещении для получения графика затухания максимального перемещения, определение параметра вязкоупругости вязкоупругой среды на основании графика затухания максимального перемещения, при этом аппроксимация каждого набора данных о максимальном перемещении для получения графика затухания максимального перемещения содержит: выполнение фильтрующей обработки каждого набора данных о максимальном перемещении во временной и частотной областях для отсеивания аномальных данных о максимальном перемещении, выполнение полиномиальной аппроксимации каждого набора данных о максимальном перемещении после исключения аномальных данных для получения графика затухания максимального перемещения. Устройство содержит главное вычислительное устройство и зонд, который содержит вибратор и ультразвуковой преобразователь, причем управляемый главным вычислительным устройством вибратор прилагает одночастотную механическую вибрацию к вязкоупругой среде для формирования в вязкоупругой среде поперечной волны, в процессе распространения поперечной волны в вязкоупругой среде управляемый главным вычислительным устройством преобразователь излучает ультразвуковые волны из одноканального источника на вязкоупругую среду и принимает ультразвуковые эхо-сигналы, и главное вычислительное устройство содержит первый модуль для получения информации, выполненный с возможностью сбора данных о максимальном перемещении поперечной волны на различных глубинах в соответствии с ультразвуковыми эхо-сигналами, причем каждый набор данных о максимальном перемещении представляет максимальную амплитуду колебаний поперечной волны, когда поперечная волна проходит по разным глубинам в вязкоупругой среде, вычислительный модуль, выполненный с возможностью аппроксимации данных о максимальном перемещении для получения графика затухания максимального перемещения, и первый модуль определения, выполненный с возможностью определения параметра вязкоупругости вязкоупругой среды по графику затухания максимального перемещения, при этом вычислительный модуль содержит первый вычислительный блок, сконфигурированный с возможностью выполнения фильтрующей обработки каждого набора данных о максимальном перемещении во временной и частотной областях, чтобы отсеивать аномальные данные в каждом наборе данных о максимальном перемещении, второй вычислительный блок, выполненный с возможностью полиномиальной аппроксимации каждого набора данных о максимальном перемещении после исключения аномальных данных для получения графика затухания максимального перемещения. Использование изобретений позволяет получить более точный результат измерения фиброза ткани. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула