ES2378817T3

ES2378817T3 - Dispositivo y procedimiento para la medición de la elasticidad de un órgano humano o animal y el establecimiento de una representación de esta elasticidad en dos o tres dimensiones

Info

Publication number: ES2378817T3
Application number: ES03769557T
Authority: ES
Inventors: Laurent Sandrin; Jean-Michel Hasquenoph; Sylvain Yon
Original assignee: Echosens SA
Current assignee: Echosens SA
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: FR2844178A1; EP1538987A2; CN100391410C; AU2003278246A1; WO2004021888A2; JP2005537835A; FR2844178B1; JP4405920B2; US7553283B2; EP1538987B1; WO2004021888A3; ATE537754T1; CN1700886A; US20050251042A1

Abstract

Dispositivo para la medición de la elasticidad de un órgano humano o animal, en particular un pecho, que presenta una señal ultrasónica después de iluminación ultrasónica y el establecimiento consecutivo de una imagen de la elasticidad en dos dimensiones, que comprende al menos una barra ultrasónica (1) que comprende una pluralidad de transductores (12), un medio de excitación que genera una excitación de baja frecuencia comprendida entre 5 Hz y 1 000 Hz, un medio de exploración para efectuar una exploración de la barra (1), un medio de adquisición de señales ultrasónicas, un medio de mando y de tratamiento de datos, determinando el citado medio de mando y de tratamiento de los datos la velocidad de los tejidos biológicos en el plano de la imagen utilizando las señales ultrasónicas en puntos situados a una y otra parte del plano de la imagen.

Description

Dispositivo y procedimiento para la medici6n de la elasticidad de un 6rgano humano o animal y el establecimiento de una representaci6n de esta elasticidad en dos o tres dimensiones.

La presente invenci6n se refiere a un dispositivo y un procedimiento para la medici6n de la elasticidad de un 6rgano humano o animal, o de modo mas general cualesquiera medios viscoelasticos que presenten una senal ultras6nica despues de la iluminaci6n ultras6nica y el establecimiento consecutivo de una representaci6n de la elasticidad en dos o tres dimensiones. Esta se aplica en particular, pero no de modo exclusivo, a la medici6n de la elasticidad de un pecho humano, el interes de esta tecnica es que el caracter patol6gico de los tejidos esta ligado generalmente a su elasticidad.

En la tecnica anterior se conoce la solicitud de patente francesa FR 2733142 que divulga un dispositivo de medici6n de elasticidad que realiza una medici6n en 2 dimensiones, pero igualmente apto para realizar una medici6n en tres dimensiones. Sin embargo, este dispositivo no dispone de un medio de exploraci6n apto para efectuar la exploraci6n de la barra o las barras segun dos direcciones perpendiculares.

Por otra parte, se conocen las patentes americanas US 6176827, US 5099848, US 2002/010398, US 6277074, US 5474070 que divulgan todas soluciones para hacer unicamente una medici6n en dos dimensiones, a veces con una barra fija (vease el documento US 6176827).

Actualmente, no existen en el mercado dispositivos ultras6nicos de medici6n de la elasticidad que permitan visualizar la citada medici6n en dos o tres dimensiones.

Por otra parte, en lo que concierne a la elasticidad en dos dimensiones, se conoce el articulo "Shear Modulus Imaging with 2D Transient Elastography" por Sandrin, L., Tanter, M., Catheline, S., y Flink, M., Ultrason, Ferroelectr. Freq. Control., vol. 49 (4), paginas 426-435 (2002) que describe una tecnica de medici6n de la elasticidad y la representaci6n en dos dimensiones de esta medici6n. La resoluci6n del problema inverso, es decir consistente en volver a montar los parametros que describen el medio viscoelastico que se desea medir, es aqui imperfecta porque el desplazamiento no es conocido en las tres direcciones del espacio. En efecto, de acuerdo con los algoritmos de calculo ligados a las mediciones efectuadas por el dispositivo presentado en este articulo, los operadores estaran obligados a formular hip6tesis para resolver los calculos de elasticidad, pero la practica ha demostrado que estas hip6tesis estan raramente justificadas.

Se conoce igualmente la patente americana US 2002/010398 que divulga un metodo y un sistema de obtenci6n de imagenes por ultrasonidos para determinar la velocidad de propagaci6n de ondas de cizallamiento generadas en un tejido.

Se conoce igualmente la solicitud internacional de patente N° WO 0070362 que describe un sistema que utiliza la elastografia por resonancia magnetica (ERM), en la cual una zona viscoelastica (tal como el pecho humano) es excitada por ondas mecanicas. El objeto de esta invenci6n se basa en la hip6tesis de que los resultados de las mediciones por ERM son las soluciones independientes del tiempo de las ecuaciones diferenciales parciales que describen con exactitud el comportamiento de ondas mecanicas en un material viscoelastico (incluso para ondas longitudinales y en un entorno reflejante). Para esto, puede calcularse el m6dulo de Young contenido en estas ecuaciones. Ademas, se ha propuesto aqui utilizar (de modo predominante) ondas longitudinales, siendo estas capaces de penetrar en el pecho humano, lo que no es el caso de las ondas transversales.

En el dispositivo de esta solicitud de patente, la obtenci6n del mapa de elasticidad necesita mucho tiempo. Por otra parte, el coste de puesta en practica de este dispositivo es muy elevado.

Ademas, esta claro que medir la elasticidad en mas dimensiones constituye una ventaja considerable, obteniendose esta mejora significativa del estado de la tecnica gracias al dispositivo de acuerdo con la invenci6n.

La tecnica anterior esta constituida tambien por la solicitud internacional de patente WO-A-00/55616 que describe un procedimiento de obtenci6n de imagenes para observar la propagaci6n de una onda de impulsos de cizallamiento de baja frecuencia simultaneamente en una multitud de puntos de un medio viscoelastico difusor. A tal efecto, se emiten en este dispositivo, a cadencia ultrarrapida ondas ultras6nicas de compresi6n que permiten obtener una sucesi6n de imagenes del medio, y a continuaci6n se tratan en tiempo diferido las imagenes asi obtenidas por intercorrelaci6n, para determinar en cada punto de cada imagen los movimientos del medio durante la propagaci6n de la onda de cizallamiento.

Esta invenci6n no es satisfactoria porque necesita considerar dos hip6tesis:

-: la derivada segunda del desplazamiento es considerada nula en la direcci6n ortogonal al plano,

-: el medio es supuesto perfectamente incompresible.

Asi pues, la invenci6n tiene por objetivo, de modo mas particular, poner remedio a los inconvenientes de los sistemas de la tecnica anterior. La invenci6n es un dispositivo tal como el definido en la reivindicaci6n 1.

Asi pues, gracias a estas particularidades, la invenci6n permite proponer un dispositivo que permite obtener en dos o tres dimensiones una cartografia de la elasticidad del medio que hay que medir, gracias a un sistema relativamente simple y poco costoso con respecto a las soluciones existentes.

La barra ulltras6nica comprende una pluralidad de transductores destinados a la adquisici6n de las senales ultras6nicas.

De acuerdo con una posibilidad ofrecida por la invenci6n, el medio de excitaci6n consistira en una vibraci6n mecanica que podra ser transversal, longitudinal o de modo mas general una mezcla de las dos.

Ventajosamente, el medio de excitaci6n podra consistir en uno o varios transductores de hipertermia porque la elevaci6n de la temperatura genera desplazamientos en las imagenes ultras6nicas, ya sea con el transductor o los transductores utilizados para la adquisici6n de las senales ultras6nicas o bien con uno o varios transductores dispuestos alrededor del medio viscoelastico.

De acuerdo con otra posibilidad ofrecida por la invenci6n, el medio de excitaci6n consistira en una palpaci6n a distancia utilizando la presi6n de radiaci6n, ya sea con el transductor o los transductores utilizados para la adquisici6n de las senales ultras6nicas o bien con uno o varios transductores dispuestos alrededor del medio viscoelastico.

Ventajosamente, el dispositivo de acuerdo con la invenci6n sera controlado por al menos un medio de mando, por ejemplo un ordenador, un microordenador o una unidad central.

Ventajosamente, la barra ultras6nica sera una barra que permita focalizar en una pluralidad de diferentes puntos de elevaci6n; siendo realizada en este caso, la exploraci6n por focalizaci6n ultras6nica.

Conviene recordar aqui que la barra es apta no solamente para focalizar segun un plano, sino igualmente en elevaci6n con respecto a este plano, en el ejemplo segun el plano horizontal paralelo al precedente y ligeramente desplazado.

Se recuerda igualmente, con el fin de facilitar la comprensi6n de la invenci6n, que una barra ecografica de 0 D emite segun una dimensi6n lineal x, que una barra 1 D emite segun un plano en dos dimensiones x, y, y finalmente que una barra 2 D, constituida habitualmente por una multitud de transductores ultras6nicos de forma cuadrada repartidos segun una matriz en 2 D, permite emitir ultrasonidos en un volumen segun las tres dimensiones x, y y z.

De acuerdo con un modo de ejecuci6n de la invenci6n, el espacio existente entre la barra ultras6nica y el citado medio viscoelastico estara constituido al menos en parte por agua o cualquier otro elemento apto para asegurar el libre paso de las ondas ultras6nicas.

Ventajosamente, el conjunto constituido por transductores ultras6nicos y su electr6nica embarcada estara unido al medio de mando y de tratamiento por una conexi6n digital a muy alta velocidad, por ejemplo de tipo LVDS.

De acuerdo con un modo de ejecuci6n de la invenci6n, el dispositivo de acuerdo con la invenci6n comprendera dos barras ultras6nicas.

De acuerdo con un modo de realizaci6n del dispositivo de la invenci6n, las dos barras estaran sumergidas en un recipiente hermetico lleno de un liquido, por ejemplo agua.

Ventajosamente, el recipiente hermetico estara unido a un medio de rotaci6n apto para hacer girar el citado recipiente.

De acuerdo con una posibilidad ofrecida por la invenci6n, el recipiente hermetico podra comprender una pluralidad de orificios en los cuales son introducidos respectivamente un vibrador mecanico y/o un transductor ultras6nico.

Ventajosamente, los orificios en o en el interior de la caja hermetica estaran situados a 90° (grados) unos de los otros o uno del otro.

De acuerdo con otro modo de ejecuci6n de la invenci6n, el dispositivo de acuerdo con la invenci6n comprendera tres barras aptas respectivamente para medir las velocidades tisulares segun las direcciones y, x y z.

La invenci6n se refiere igualmente a un procedimiento tal como el definido en la reivindicaci6n 20.

Ventajosamente, la etapa de desplazamiento de la barra se repetira tantas veces como sea necesario para la adquisici6n del conjunto de los datos ultras6nicos antes de pasar a la etapa de calculo de las imagenes ultras6nicas.

Debera observarse que la etapa de adquisici6n de los datos ultras6nicos permite igualmente adquirir los datos necesarios para la obtenci6n de una imagen ultras6nica clasica, es decir que utiliza un "beamforming" clasico. En efecto, la imagen o las imagenes asi obtenidas constituyen una informaci6n pertinente en 2D o en 3D sobre la morfologia del 6rgano estudiado, esta informaci6n es totalmente complementaria del parametro de elasticidad.

Ventajosamente, en el transcurso de la etapa del calculo de las velocidades tisulares, pueden medirse las derivadas segundas de la componente longitudinal de esta velocidad segun las tres direcciones ortogonales del espacio.

De la misma manera, en el transcurso de la etapa de calculo de las velocidades tisulares, pueden medirse las derivadas espaciales de las tres componentes de la citada velocidad, segun las tres direcciones del espacio.

En lo que sigue, se describiran modos de ejecuci6n de la invenci6n, a titulo de ejemplo no limitativo, refiriendose a los dibujos anejos, en los cuales;

-: la figura 1 ilustra el desplazamiento de una barra ecografica del dispositivo de acuerdo con la invenci6n provisto de un medio de exploraci6n mecanica simple;

-: la figura 2 ilustra el desplazamiento de una barra ecografica del dispositivo de acuerdo con la invenci6n provisto de un medio de exploraci6n mecanica doble;

-: la figura 3 ilustra el funcionamiento de una barra 1,5 D del dispositivo de acuerdo con la invenci6n provisto de un medio de exploraci6n por focalizaci6n ultras6nica en elevaci6n;

-: la figura 4 ilustra el dispositivo de acuerdo con la invenci6n provisto de una barra 1,5 o 1,75 D, apta para focalizar en elevaci6n;

-: la figura 5 ilustra el dispositivo de acuerdo con la invenci6n provisto de un transductor cruciforme en el cual los transductores estan repartidos espacialmente;

-: la figura 6 ilustra el dispositivo de acuerdo con la invenci6n midiendo la elasticidad del pecho de una paciente;

-: la figura 7 ilustra esquematicamente un modo de realizaci6n del dispositivo de acuerdo con la invenci6n.

Las figuras anejas no representan el dispositivo completo. Este dispositivo comprende los elementos habituales para realizar mediciones de elasticidad de un 6rgano humano o animal, es decir especialmente al menos una barra, o sonda, ultras6nica que comprende una pluralidad de transductores, un equipo electr6nico apto para medir la adquisici6n de las senales ultras6nicas, un medio de mando y de tratamiento de los datos tales como un ordenador

o analogo y un medio de excitaci6n apto para generar desplazamientos de baja frecuencia.

La invenci6n se refiere a la utilizaci6n de un medio de exploraci6n mecanico que permite asegurar la exploraci6n de la citada barra ultras6nica. Gracias al procedimiento de la invenci6n, esto permite medir parametros que no son accesibles con los dispositivos de la tecnica anterior, especialmente el descrito en la patente N° FR 9903157. Los parametros asi obtenidos son la derivada segunda del desplazamiento segun la elevaci6n, es decir la direcci6n perpendicular al plano de la imagen, y las dos componentes que faltan del vector desplazamiento.

En lo que sigue, se ha elegido ilustrar la invenci6n tomando como 6rgano humano o animal, un pecho, pero cualquier 6rgano, idealmente estatico, podra ser objeto de una medici6n de elasticidad gracias al dispositivo y al procedimiento de acuerdo con la presente invenci6n, a condici6n, naturalmente, de presentar una senal ultras6nica despues de que haya sido iluminado con la ayuda de senales ultras6nicas. Sin embargo, en el caso en que los movimientos internos del cuerpo no puedan constituir una solicitaci6n de baja frecuencia utilizable para el procedimiento, es preferible que este 6rgano sea inm6vil para no perturbar la medici6n.

El procedimiento de acuerdo con la invenci6n realiza las etapas que a continuaci6n se indican segun el orden cronol6gico siguiente:

1.: generaci6n de una solicitaci6n, o senal de baja frecuencia,

2.: adquisici6n de los datos ultras6nicos,

3.: desplazamiento de la barra gracias al medio de exploraci6n,

4.: calculo de las imagenes ultras6nicas,

5.: calculo de las velocidades tisulares, denominado igualmente desplazamiento entre imagenes sucesivas,

6.: eventualmente calculo de las velocidades de deformaci6n tisulares,

7.: finalmente, inversi6n de los datos, lo que permite recuperar los parametros del medio medido.

Debera observarse que las etapas de calculo, o sea las etapas 4 a 6, pueden comenzar en cuanto la barra ultras6nica explore el medio viscoelastico, es decir que estas etapas tienen lugar idealmente durante el desplazamiento de la citada barra.

En el transcurso de la etapa de generaci6n de la solicitaci6n, o senal, de baja frecuencia, se transmite una senal de baja frecuencia al medio de excitaci6n preferentemente justo despues del inicio de las adquisiciones ultras6nicas. Esta senal tiene una frecuencia, f, comprendida entre 5 Hz y 1 000 Hz. La vibraci6n de baja frecuencia provoca la propagaci6n en los tejidos del medio viscoelastico de ondas elasticas de baja frecuencia cuya propagaci6n depende de la elasticidad del medio.

Los diferentes medios utilizables con el fin de generar desplazamientos de baja frecuencia pueden consistir en una vibraci6n mecanica, realizada por un vibrador que en particular, puede ser una o varias placas vibrantes 20, un o varios pistones y/o una o unas barras. De la misma manera, el medio de excitaci6n apto para generar una onda de cizallamiento podra consistir en una palpaci6n a distancia utilizando la presi6n de radiaci6n ya sea con el transductor

o los transductores utilizados para la adquisici6n de las senales ultras6nicas, o bien con uno o varios transductores dispuestos alrededor del objeto del que hay que obtener imagenes.

En el transcurso de la etapa de adquisici6n de los datos ultras6nicos, se realizan N adquisiciones ultras6nicas a una cadencia 1/T comprendida tipicamente entre 100 Hz y 100 000 Hz. La adquisici6n de los datos ultras6nicos se hace emitiendo con los transductores ultras6nicos un impulso ultras6nico breve que es reflejado por las particulas contenidas en el medio. La senal ultras6nica, denominada « speckle », es registrada por los mismos transductores ultras6nicos en una duraci6n que puede variar entre 1 Is y 10 ms. Esta operaci6n es repite un numero N de veces a la cadencia 1/T.

A continuaci6n sobreviene la etapa de desplazamiento de la barra ecografica o ultras6nica. A este nivel, la exploraci6n, que consiste en desplazar la citada barra, se realizara de tres maneras diferentes en funci6n del numero y del tipo de barra ultras6nica utilizada.

Asi, el dispositivo de acuerdo con la invenci6n podra estar equipado especialmente con:

-: una sola barra ultras6nica unidireccional 1,

-: dos barras ultras6nicas 5, 6 o una barra desplazada entonces segun dos ejes,

-: una barra ultras6nica 9 de tipo 1,5 D.

En el caso de una sola barra ultras6nica unidireccional 1, representado en la figura 1, la barra ecografica 1 es desplazada una distancia comprendida entre 10 Im y 10 mm. Se realiza como minimo una exploraci6n segun una direcci6n. Por ejemplo, se explora segun la direcci6n Z constituida por el plano 2 desplazandose /z, constituido en la figura por los dos planos 3 y 4.

En el caso de dos barras ultras6nicas 5 y 6, representado en la figura 2, o equivalente a una barra desplazada segun dos ejes 7 y 8, se utilizan dos barras 5 y 6 (o una sola sucesivamente). Esta exploraci6n permite acceder a todas las componentes del vector velocidad tisular.

En el caso de una barra ultras6nica 9 de tipo 1,5 D, representada en la figura 3, se evita la exploraci6n mecanica, siendo el resultado el mismo con un transductor cruciforme; permitiendo estos dos elementos focalizar en tres diferentes puntos de elevaci6n. En el caso de una barra 1,5D 9 el desplazamiento segun z se obtiene modificando las leyes de focalizaci6n de manera que cambie la elevaci6n del plano de la imagen.

En el transcurso de la etapa de calculo de las imagenes ultras6nicas, las imagenes ultras6nicas se construyen utilizando un algoritmo de suma-retardo como el descrito en la patente WO-A-00/55616 anteriormente mencionada u otros tipos de « beamforming » rapido como por ejemplo la tecnica en el espacio de las frecuencias espaciales (vease el articulo de Lu, J., « 2D and 3D High Frame Rate Imaging with Limited Diffraction Beams », IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contr., vol. 44, N° 4, 1997).

En el transcurso de la etapa de calculo de las velocidades tisulares, denominado igualmente desplazamiento entre imagenes sucesivas, las velocidades tisulares o desplazamientos entre dos disparos ultras6nicos, pero no necesariamente consecutivos, son medidas ya sea por intercorrelaci6n, descrita en la patente WO-00/55616 por Doppler, o bien por autocorrelaci6n, descrita especialmente en el articulo de Kassai C., Namekawa K., Koyano A. y Omoto R. "Real-time two-dimensional blood flow imaging using an autocorrelation tchnique", IEEE Trans. Sonics Ultrason., vol. 35, paginas 458-464 (1985), y de modo mas general por cualquier otra tecnica de medici6n de los desplazamientos.

Utilizando una exploraci6n mecanica simple representada en la figura 1, se accede al menos a la componente segun x de la velocidad tisular Vx en cada punto del medio situado en la zona de la que hay que obtener imagenes. Utilizando un algoritmo del tipo del descrito en los articulos de Konofagou, E. E., Ophir, J., "A new elastographic method for estimation and imaging of lateral displacements, lateral strains, corrected axial strains and Poisson's

ratios in tissues", Ultrasound in Med. & Biol 24, No 8, paginas 1183-1199 (1998) y Tanter, M., Bercoff, J., Sandrin, L., Fink, M., « Ultrafast compound imaging for 2D motion vector estimation: application to transient elastography », Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control., se puede acceder igualmente a la componente lateral de la velocidad tisular Vy. Utilizando una doble exploraci6n mecanica tal como la representada en la figura 2, se accede a las tres componentes de la velocidad tisular: la barra 6 permite medir Vx y Vy y la barra 5 permite medir Vy y Vz. La precisi6n sobre la estimaci6n de Vy aumenta calculando la semisuma de las estimaciones con las dos barras 5 y 6.

En el transcurso de la etapa opcional de calculo de las velocidades de deformaci6n tisulares, la velocidad de deformaci6n tisular se obtiene derivando Vz, indicada igualmente por v(z,t) segun la direcci6n de la componente considerada, aqui con respecto a la profundidad:

δv8 (z,t)ε8 (z,t) =

δ8

con i = x, y o z

La etapa de inversi6n de los datos consiste en volver a montar o recuperar los parametros que describen el medio viscoelastico. Si se considera el medio lineal e is6tropo, estos parametros son en numero de dos. Se puede elegir el m6dulo de cizallamiento I y el m6dulo de compresi6n λ. En la practica, en los tejidos blandos λ es del orden del Gpa y varia muy poco. I es del orden del Kpa. La elasticidad o m6dulo de Young es igual en primera aproximaci6n a 3I. Asi, conviene determinar el m6dulo de cizallamiento I que constituye el parametro mas siginificativo del medio viscoelastico medido.

En el caso de una exploraci6n mecanica simple, es decir que comprenda una barra unidireccional 1, todas la componentes del vector velocidad tisular no son conocidas. Los datos pueden ser invertidos utilizando la ecuaci6n siguiente:

2 222

⎡⎤

δ v δ v δ v δ v

8 888

ρ = μ(x,y,z)⎢+ +⎥

2 222

δt ⎢ δx δy δz ⎥

⎣⎦

donde i = x, y, o z

Para plantear la educaci6n anterior, ha sido necesario hacer la hip6tesis de que las ondas elasticas que recorren el medio son puramente ondas de cizallamiento. En la practica, esta hip6tesis es falsa porque los tejidos no son perfectamente incompresibles, lo que tiene como consecuencia que cualquier onda de cizallamiento vaya acompanada necesariamente de una onda de compresi6n.

El parametro buscado, I(x, y, z), se obtiene discretando esta ecuaci6n. En elastografia, se dispone en general de una de las tres coordenadas vx, vy o vz. Sup6ngase que esta sea vx. Para discretar esta ecuaci6n hay que poder calcular las derivadas segundas en las tres direcciones y en tiempo:

⎧ δ 2vV(j,k+1,l,m)+V(j,k−1,l,m)−2V(j,k,l,m)

=⎪

22 2

δ x Δx

⎪ ⎪ δ 2vV(j,k,l+1,m)+V(j,k,l−1,m)−2V(j,k,l,m)

⎪=

22 2

⎪δ y Δy

⎨

⎪ δ 2vV(j,k,l,m+1)+V(j,k,l,m−1)−2V(j,k,l,m)

=

⎪ 22 2

δ z Δz

⎪ ⎪ δ 2vV(j+1,k,l,m)+V(j−1,k−1,l,m)−2V(j,k,l,m)

=⎪

22 2

⎩δ tT

donde V(j,k,l,m) = v(jT, k/x, y=l./y, m./z)

Asi pues, hay que conocer no solamente el desplazamiento vx en el plano de la imagen, sino igualmente conocerle alrededor del plano de la imagen para poder estimar la derivada segunda perpendicular al plano de la imagen: δv2/δz2. En la patente francesa N° FR 9903157 y las publicaciones en elastografia por impulsos, la derivada segunda perpendicular al plano de la imagen es eliminada de la ecuaci6n porque esta no puede ser medida experimentalmente. En efecto, v solamente es medida en el plano (x,y), solo v(x,y) es conocido. δv2/δz2 no puede ser determinada. Una hip6tesis conocida consiste en poner:

δ v

= 0

δz

La ecuaci6n se simplifica en

2 22

⎡⎤

δ v δ v δ v

8 88

ρ = μ ⎢+⎥

2 22

δt ⎣⎢ δx δy ⎦⎥

donde i = x, y o z.

Esta puede ser resuelta sin conocer los desplazamientos en los planos situados a una y otra parte del plano de la imagen, en z+/z y z-/z.

La hip6tesis de nulidad de la derivada segunda perpendicular al plano de la imagen es particularmente exigente y no permite resolver el problema inverso en buenas condiciones puesto que es muy improbable de δv2/δz2 sea nulo. Gracias al dispositivo de acuerdo con la invenci6n, puede obtenerse la derivada que falta.

Se consideran asi dos soluciones para medir v(x, y, z) y calcular δv2/δz2:

-: se utiliza una barra 1,5 D 9 o un transductor cruciforme que permita focalizar en tres diferentes puntos de elevaci6n,

-: o se reproduce tres veces la adquisici6n desplazando sucesivamente la barra en z-/z, z y z + /z con /z elegido adecuadamente de manera que sea pr6ximo a las resoluciones obtenidas en x e y (/z ≅ /x y /y).

Si se utiliza una barra 9 1,5 D o 1,75 D representada en la figura 4, se pueden utilizar imagenes 10 en tres planos de la imagen y calcular los desplazamientos en estos tres planos situados por ejemplo en z-/z, z y z+/z. La cadencia maxima se reduce aqui, sin embargo, en un factor de 3. Puede utilizarse igualmente un transductor cruciforme 11 en el cual los transductores 12 estan repartidos espacialmente, como esta representado en la figura 5.

En la segunda soluci6n, que consiste en reproducir tres veces la adquisici6n desplazando sucesivamente la barra en z-/z, z y z + /z, debera observarse que hay que vigilar que el medio viscoelastico que hay que medir no se haya movido entre dos adquisiciones y que la solicitaci6n de baja frecuencia aplicada este sincronizada para cada posici6n de elevaci6n.

En el caso de una exploraci6n mecanica doble, es decir que comprenda dos barras 5, 6 o una barra que se desplace segun dos ejes, son conocidas todas las componentes del vector velocidad tisular. Un caso mas general (medio compresible) consiste en utilizar la ecuaci6n de Navier, que se escribe:

2 ρδ v = (λ + μ)∇(∇�v)+ μ∇2v

δt

este resultado puede afinarse gracias a la ecuaci6n siguiente:

δ 2v ⎡ δv ⎤ ⎡⎛ δv δv ⎞⎤

8 δ j δ 8 vj

ρ =⎢λ ⎥+ ⎢μ⎜⎜+ ⎟⎟⎥

δt 2 δx8 ⎣ δxj ⎦ δxj ⎢⎝ δxj δx8 ⎠⎥

⎣⎦

donde v1 =vx, v2 =vy, v3 =vz, x1 = x, x2 = y y x3 =z

Se tiene entonces un sistema de tres ecuaciones con dos inc6gnitas: λ(x, y, z) y I(x, y, z) porque la densidad p varia muy poco en los tejidos.

Con la ecuaci6n anterior, se comprende por que despreciar las velocidades tisulares ligadas a las ondas de compresi6n es fuente de error. Ciertamente, las velocidades tisulares ligadas a las ondas de compresi6n son pequenas comparadas con las generadas por la onda de cizallamiento, sin embargo su contribuci6n no puede ser despreciada porque el coeficiente λ en factor es grande frente al termino de compresi6n. La discretizaci6n de esta ecuaci6n puede realizarse si se conocen las tres componentes del vector velocidad tisular. En efecto, esta ecuaci6n hace intervenir acoplamientos entre las evoluciones de las velocidades tisulares en todas las direcciones.

La invenci6n propone utilizar un montaje o dispositivo tal como el representado en la figura 6. Este dispositivo permite medir las tres componentes del vector velocidad tisular en el 6rgano estudiado, explorando sucesivamente el

medio segun tres ejes diferentes 13, 14, y 15. La barra 16 permite medir las velocidades tisulares segun la direcci6n y indicada por uy, la barra 17 para medir ux y la barra 18 para medir uz. La utilizaci6n de un algoritmo de medici6n de los desplazamientos transversales puede permitir llevar el numero de zonas de exploraci6n de tres a dos eliminando por ejemplo la barra 18. El desplazamiento uz seria determinado entonces a la vez con la barra 16 y la barra 17, lo que permitiria efectuar una media uz=(uzB1 + uzB2)/2.

Un sistema de sincronizaci6n permite desplazar el transductor 12 entre dos adquisiciones, una adquisici6n que comprenda la generaci6n de las ondas elasticas de cizallamiento y la adquisici6n de las senales ultras6nicas. El desplazamiento del sistema puede ser realizado por ejemplo con un motor paso a paso o un accionador electrodinamico.

Esta secuencia de adquisici6n debe ser reproducida tantas veces como planos haya en la imagen. Utilizando tres barras 16, 17, 18 que toman cada una 128 posiciones diferentes, el sistema necesita 384 secuencias de adquisici6n distintas. El medio estudiado puede ser segmentado entonces en 1283 voxeles 19 de forma cubica. La cadencia de adquisici6n de las senales ultras6nicas esta comprendida entre 100 y 100 000 disparos por segundo.

Si se supone que en el medio estudiado, las ondas de cizallamiento se propagan a 1 m/s y que la dimensi6n principal de este medio sea 12,8 cm y que los voxeles tengan por dimensi6n 1 mm3, la propagaci6n de la onda de cizallamiento en dicho medio y en una longitud de 12,8 cm dura 128 ms. Para una cadencia tipica de 1 000 disparos por segundo, deberan realizarse 128 disparos ultras6nicos para seguir la propagaci6n de la onda de cizallamiento. Se puede estimar, entonces, que la adquisici6n termina al cabo de 150 ms. Sup6ngase que el dispositivo ultras6nico se desplaza al cabo de 500 ms y que se realiza una segunda serie de 128 disparos ultras6nicos. Si se utilizan tres barras ultras6nicas con el fin de acceder a las tres componentes del desplazamiento, se necesitaran aproximadamente 3 minutos (384 veces 500 ms) para adquirir el conjunto de los datos necesarios para la resoluci6n del problema inverso. Este tiempo de medici6n puede disminuirse entrelazando los disparos ultras6nicos, 128 disparos necesitaran por tanto un minuto de adquisici6n.

En caso de exploraci6n, una de las dificultades consiste en mantener durante toda la duraci6n de la exploraci6n un buen acoplamiento entre el transductor y el medio estudiado. En el caso en que la superficie del medio sea plana, la exploraci6n puede realizarse utilizando un acoplador ultras6nico, por ejemplo un gel a base de agua. Cuando esto no sea posible o cuando la superficie del medio sea « accidentada » se propone sumergir el medio viscoelastico en agua. Este caso particular esta representado en la figura 6 en donde el pecho 21 de una paciente esta sumergido en un dep6sito 22, paralelepipedico lleno de agua que comprende ventanas transparentes a los ultrasonidos.

Como se ha visto anteriormente, el dispositivo de acuerdo con la invenci6n necesita al menos una barra ecografica. Esta necesita igualmente un equipo electr6nico para la adquisici6n ultras6nica constituido por emisores y receptores ultras6nicos, convertidores digital-anal6gico y anal6gico-digital, memorias, lineas de transmisi6n digital y anal6gica, etc. A esta electr6nica dedicada a la digitalizaci6n de las senales ultras6nicas, se anade en general una unidad de tratamiento que puede ser por ejemplo un ordenador de tipo PC asociado a una interfaz de usuario. Los elementos mencionados en este apartado no estan representados en las diferentes figuras pero son perfectamente conocidos por el especialista en la materia.

Las tecnicas de obtenci6n ultras6nica ultrarrapida de imagenes solamente utilizan en general un numero limitado de emisiones ultras6nicas para iluminar el conjunto del medio del que hay que obtener imagenes. Estas por tanto presentan el inconveniente de enviar menos energia al medio que un sistema ecografico estandar. En consecuencia, la relaci6n entre senal y ruido cae y la dinamica de la imagen ultras6nica disminuye, lo que provoca una degradaci6n de los datos ultras6nicos brutos y se repercuten en la cadena de algoritmos para degradar las mediciones de elasticidad en terminos de sensibilidad, de resoluci6n, etc.

Para paliar este inconveniente, el dispositivo de la invenci6n embarca una parte del citado equipo electr6nico en la proximidad de la barra ultras6nica, es decir tipicamente a una distancia inferior a 50 centimetros, con las consecuencias de:

�: el aumento de la sensibilidad del sistema,

�: el aumento de la energia transmitida,

�: la simplificaci6n de las conexiones entre la parte de sensor motorizado (barra + equipo electr6nico embarcado) y la unidad de tratamiento de los datos (PC o tarjeta de PC embarcada o procesador DSP o etc.),

�: una mayor inmunidad al ruido.

Estas modificaciones provocan una disminuci6n de la movilidad de la barra que no seria compatible con una utilizaci6n estandar en ecografia porque las barras ecograficas deben ser ligeras y manejables. Es importante observar que en el caso de que se trata, la movilidad de la barra esta de cualquier modo limitada por el recorrido de la exploraci6n. El peso de la barra tiene una menor importancia porque la barra no es manipulada. Esta esta motorizada.

De acuerdo con una posibilidad ofrecida por la invenci6n, el dispositivo propone colocar en la proximidad de la barra,o sea tipicamente a menos de 50, la parte anal6gica de emisi6n y de recepci6n, es decir los amplificadores de emisi6n y de recepci6n, conservando una transmisi6n de senales anal6gicas de niveles medios entre la parte de sensor y la unidad de tratamiento. De este modo, la trayectoria de las senales anal6gicas de emisi6n fuertes (despues de amplificaci6n) y la de las senales de recepci6n debiles (antes de amplificaci6n) quedan reducidas, por consiguiente la sensibilidad en recepci6n aumenta y la transferencia de energia en la emisi6n mejora.

De acuerdo con otra posibilidad ofrecida por la invenci6n, el dispositivo propone colocar igualmente en la proximidad de la barra, siempre tipicamente a menos de 50 cm (centimetro), los convertidores anal6gico-digital (CAN) y digitalanal6gico (CNA) (para la emisi6n y la recepci6n) y unir la parte de sensor y la unidad de tratamiento por una conexi6n digital a muy alta velocidad (de tipo LVDS por ejemplo). La estructura del dispositivo de acuerdo con la invenci6n asi realizada provoca las mejoras siguientes:

�: la relaci6n entre senal y ruido aumenta alojando toda la parte anal6gica a nivel de la fuente. Las senales anal6gicas fuertes (emisores) y debiles (receptores) son concentradas a nivel del sensor y no recorren la distancia entre la unidad de tratamiento y la parte de sensor.

�: el ruido recibido y el ruido emitido disminuyen porque la conexi6n entre la unidad de tratamiento y la parte de sensor se hace puramente digital.

La conexi6n entre el medio de mando/tratamiento y la parte de sensor queda simplificada en terminos de numeros de cables.

Si se supone que un operador utiliza una barra de 128 elementos, convertidores (CNA y CAN) de 8 bits a 50 MHz para la emisi6n y la recepci6n. Si emisi6n y recepci6n estan separadas en el tiempo y todas las vias son activas, la tasa de transferencia de datos digitales llega a 128 x 8 x 50 = 51,2 Gbps (Gigabits por segundo). Actualmente son suficientes 17 conexiones digitales de alta velocidad a 3,125 Gbps para transmitir estos datos en tiempo real. Por comparaci6n, una soluci6n anal6gica necesitaria 128 conexiones bifilares.

En la figura 7, el dispositivo de acuerdo con la invenci6n esta representado en un nuevo montaje. En esta variante del dispositivo, se utilizan dos sondas ultras6nicas 23 y 24 y que estan sumergidas en un recipiente hermetico 26, lleno de agua o de otro liquido adecuado.

El recipiente o caja hermeticos es apto para girar, por ejemplo un cuarto de vuelta, de modo que la sonda 23 pueda no solamente explorar segun la direcci6n � sino igualmente segun la direcci6n Z. La sonda ultras6nica 24 explora unicamente segun la direcci6n Z. La adquisici6n de las senales ultras6nicas se hace por tanto en tres tiempos:

-: exploraci6n segun las direcciones � y Z gracias a las dos sondas 23 y 24,

-: rotaci6n del recipiente o caja hermeticos 26 por ejemplo un cuarto de vuelta, o sea 90 grados,

-: exploraci6n segun la direcci6n Z, gracias a la sonda 23.

Durante las adquisiciones, pueden utilizarse vibradores mecanicos 25, insertados en orificios presentes en el contorno o la circunferencia del recipiente hermetico 26, para generar solicitaciones de baja frecuencia. Uno de los dos vibradores mecanicos, o los dos vibradores mecanicos, representados en la figura 7 puede/pueden ser reemplazados por una sonda de hipertermia y/o un transductor ultras6nico utilizado en modo de palpaci6n a distancia. En el ejemplo elegido para ilustrar la invenci6n, los dos orificios presentes en el interior o en la caja hermetica 26 estan situados a 90 grados uno del otro, es decir que los vibradores mecanicos lineales estaran dispuestos perpendicularmente uno respecto del otro, de manera que incluso despues de una rotaci6n de un cuarto de vuelta (90°) del recipiente 26, los vibradores mecanicos se extienden siempre segun las mismas direcciones, es decir las mismas rectas que anteriormente.

La invenci6n se ha descrito en lo que precede a titulo de ejemplo. Se comprende que el especialista en la materia es capaz de realizar diferentes variantes del dispositivo y del procedimiento para la medici6n de la elasticidad de un 6rgano humano o animal y el establecimiento consecutivo de una representaci6n de la elasticidad en dos o tres dimensiones, en particular en lo concerniente a la disposici6n o la organizaci6n de los diferentes elementos que constituyen el citado dispositivo o el orden asi como la importancia de las etapas del citado procedimiento, sin por otra parte salirse del marco de la patente.

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Dispositivo para la medici6n de la elasticidad de un 6rgano humano o animal, en particular un pecho, que presenta una senal ultras6nica despues de iluminaci6n ultras6nica y el establecimiento consecutivo de una imagen de la elasticidad en dos dimensiones, que comprende al menos una barra ultras6nica (1) que comprende una pluralidad de transductores (12), un medio de excitaci6n que genera una excitaci6n de baja frecuencia comprendida entre 5 Hz y 1 000 Hz, un medio de exploraci6n para efectuar una exploraci6n de la barra (1), un medio de adquisici6n de senales ultras6nicas, un medio de mando y de tratamiento de datos, determinando el citado medio de mando y de tratamiento de los datos la velocidad de los tejidos biol6gicos en el plano de la imagen utilizando las senales ultras6nicas en puntos situados a una y otra parte del plano de la imagen.
2.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado por que comprende medios de exploraci6n para focalizar el haz ultras6nico de la citada barra ultras6nica (1) a una y otra parte del plano de la imagen de acuerdo con uno de los procedimientos siguientes:

-

un desplazamiento mecanico de la citada barra ultras6nica (1) segun una direcci6n perpendicular al plano de la imagen;

-

un desplazamiento mecanico de la citada barra ultras6nica (1) y un desplazamiento mecanico de una barra ultras6nica adicional (6), comprendiendo el citado dispositivo (1) la citada barra ultras6nica adicional (6);

-

una modificaci6n electr6nica de la focalizaci6n de la citada barra ultras6nica (1).
3.

Dispositivo de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que para obtener una representaci6n de la elasticidad en tres dimensiones se combinan una pluralidad de imagenes.
4.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado por que el medio de excitaci6n consiste en una vibraci6n mecanica, que podra ser transversal, longitudinal o de modo mas general una mezcla de las dos.
5.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado por que el medio de excitaci6n consiste en una palpaci6n a distancia utilizando la presi6n de radiaci6n, ya sea con el transductor o los transductores (12) utilizados para la adquisici6n de las senales ultras6nicas, o bien con uno o varios transductores dispuestos alrededor del medioviscoelastico.
6.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado por que el medio de excitaci6n consiste en movimientos internos del cuerpo humano o animal, tales como por ejemplo los latidos cardiacos.
7.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado por que el medio de excitaci6n consiste en uno o varios transductores de hipertermia, ya sea con el transductor o los transductores utilizados para la adquisici6n de las senales ultras6nicas o bien con uno o varios transductores dispuestos alrededor del medio viscoelastico.
8.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado por que la barra ultras6nica es un transductor cruciforme (12) que permite focalizar en una pluralidad de diferentes puntos de elevaci6n.
9.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado por que el espacio existente entre la barra ultras6nica (1) y el citado medio viscoelastico esta constituido al menos en parte por agua o cualquier otro elemento apto para asegurar el libre paso de las ondas ultras6nicas.
10.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 4, caracterizado por que la vibraci6n mecanica es obtenida o realizada gracias a una o varias placas vibrantes (20), uno o varios pistones y/o una o varias barras.
11.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado por que el medio de adquisici6n comprende emisores y receptores ultras6nicos, convertidores digital-anal6gico (CNA) y anal6gico-digital (CAN), memorias, lineas de transmisi6n digital y anal6gica.
12.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 11, caracterizado por que los emisores y los receptores ultras6nicos estan dispuestos en la proximidad de la citada barra ultras6nica, o sea tipicamente a una distancia inferior a 50 centimetros.
13.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 11, caracterizado por que los convertidores digital-anal6gico (CNA) y anal6gico-digital (CAN) estan situados en la proximidad de la citada barra ultras6nica, o sea a una distancia inferior a 50 centimetros.
14.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 11, caracterizado por que el conjunto constituido por transductores ultras6nicos y su electr6nica embarcada esta unido al medio de mando y de tratamiento por una conexi6n digital de muy alta velocidad, por ejemplo de tipo LVDS.
15.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado por que comprende tres barras (16, 17, 18) aptas

para respectivamente para medir las velocidades tisulares segun las direcciones y, x y z. 10
16.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 2, caracterizado por que las dos barras (1 y 6) estan sumergidas en un recipiente hermetico (26) lleno de un liquido, por ejemplo agua.
17.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 16, caracterizado por que el recipiente hermetico (26) esta unido a un medio de rotaci6n apto para hacer girar el citado recipiente (26).
18.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 16, caracterizado por que el recipiente hermetico (26) comprende una pluralidad de orificios en los cuales estan introducidos respectivamente un vibrador mecanico (25) y/o un transductor ultras6nico.
19.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 18, caracterizado por que los orificios en o en el interior de la caja hermetica (26) estan situados a 90° (grados) unos de otros o uno del otro.
20.

Procedimiento para la medici6n de la elasticidad de un 6rgano humano o animal, en particular un pecho, utilizando un dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 19, comprendiendo el citado procedimiento las etapas siguientes:

-

generaci6n de una solicitaci6n, o senal, de baja frecuencia comprendida entre 5 Hz y 1 000 Hz y adquisici6n de senales ultras6nicas,

-

desplazamiento de la barra gracias al medio de exploraci6n, segun dos direcciones perpendiculares,

. calculo de las imagenes ultras6nicas,

-

calculo de las velocidades tisulares,

-

inversi6n de los datos consistente en recuperar los parametros que describen el citado medio viscoelastico.
21.

Procedimiento segun la reivindicaci6n 20, caracterizado por que comprende en otra etapa el calculo de las velocidades de deformaci6n tisular.
22.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 20, caracterizado por que en el transcurso de la etapa de calculo de las velocidades tisulares, se miden las derivadas segundas de la componente longitudinal de la citada velocidad segun las tres direcciones ortogonales del espacio.
23.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 20, caracterizado por que en el transcurso de la etapa de calculo de las velocidades tisulares, se miden las derivadas espaciales de las tres componentes de la citada velocidad, segun las tres direcciones del espacio.
24.

Dispositivo de acuerdo con la reivindicaci6n 20, caracterizado por que la adquisici6n de senales ultras6nicas se efectua emitiendo, con los transductores ultras6nicos (12) un impulso que es reflejado por las particulas contenidas en el medio viscoelastico.
25.

Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 20 y 23, caracterizado por que la adquisici6n de senales ultras6nicas es realizada a una cadencia de 1/T, comprendida tipicamente entre 100 Hz y 100 000 Hz, siendo T el periodo entre dos emisiones ultras6nicas.

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