用于测量感兴趣的介质的粘弹特性的探头的制作方法

1.本发明涉及对诸如人或动物的生物组织的目标物体或漫射介质进行成像的一般技术领域。
2.更具体地，本发明涉及用于测量感兴趣的生物组织的粘弹特性的装置和方法。
3.本发明尤其适用于(但不仅限于)人类或动物的肝脏的粘弹参数的测量，该测量与肝脏中存在的纤维化的量有关。


背景技术：

4.为了测量组织的粘弹特性，已知使用剪切波弹性成像。
5.该技术包括测量剪切波在组织中的传播速度，该速度与所分析组织的粘弹特性直接相关。
6.可以通过以下方式产生剪切波：
[0007]-机械应力，
[0008]-或者声应力。
[0009]
1.剪切波的机械产生
[0010]
为了估计组织的粘弹特性，已经提出了一种称为的超声脉冲弹性成像医疗设备。
[0011]
参考图1，该设备1包括：
[0012]-超声波换能器11，其用于发射超声波并采集回声，
[0013]-电动致动器12，其形成振动器，
[0014]-壳体(未示出)，其包含电动致动器12。
[0015]
换能器11附接至电动致动器12的端部。电动致动器12能够使换能器11振动，以产生剪切波。医用脉冲弹性成像设备1的工作原理如下。
[0016]
激活电动致动器12以引起换能器11的运动并且在待分析的组织中产生低频剪切波。在低频剪切波的传播过程中，换能器11发射和接收高频超声波，以能够研究低频剪切波的传播。
[0017]
以上提出的剪切波的产生方式在向组织传递机械能的方面相对有效，因为与组织接触的超声波换能器11通过使用者握持的电动致动器12直接运动。
[0018]
然而，该技术的缺点在于其不适合组织的二维(2d)映射。实际上，组织的二维映射需要使用超声波换能器阵列。然而，由于以下原因，很难(如果不是不可能的话)将这样的换能器阵列附接至电动致动器的端部：
[0019]-一方面，在于其尺寸(可能为60mm
×
15mm)，以及
[0020]-另一方面，在于连接至换能器阵列的线束。
[0021]
还提出了(在桑德兰(sandrin)于2002年发表的题为“shear modulus imaging with 2-d transient elastography”的文献中)将机械激励与超声探头分离。具体地，图2示出了脉冲弹性成像系统2，其包括：
[0022]-机械激励装置(形成振动器)，其用于在组织中产生低频弹性剪切波，以及
[0023]-用于对组织进行成像的高频超声波产生装置，该高频超声波产生装置与机械激励装置分离。
[0024]
具体地，脉冲弹性成像系统的机械激励装置包括运动由两个磁电振动器22控制的两个条状物24。高频超声波产生装置包括换能器元件组23(包括128个元件)，从而能够对组织进行成像以研究由机械激励装置产生的弹性剪切波的传播。换能器元件组23设置在两个条状物24之间。
[0025]
脉冲弹性成像系统能够在组织的粘弹特性的估计过程中产生二维映射。然而，该脉冲弹性成像系统的设计具有许多缺点。具体地，将条状物24定位在换能器元件组23的两侧：
[0026]-导致机械激励装置的宽度较大，这使得脉冲弹性成像系统2与患者肋骨之间的肝脏的探查不兼容，
[0027]-此外，还会导致脉冲弹性成像系统2的消毒问题。
[0028]
最近，文献ep3315074提出了一种用于瞬时弹性成像的探头，其包括：
[0029]-壳体，
[0030]-一个(或更多个)具有对称轴线a的超声波换能器，
[0031]-一个(或更多个)振动器，每个振动器位于壳体内，
[0032]-位置传感器，其与壳体接合，
[0033]-反馈电路。
[0034]
位置传感器布置为测量探头的位移。振动器能够在介于1hz至5khz之间的频率范围内振动。该振动器包括固定部件和质量大于或等于探头的总质量的25％的移动部件。移动部件能够沿引导杆平移运动。该振动器布置为引起壳体沿超声波换能器的对称轴线a运动。反馈电路利用探头的位移来控制壳体内的振动器的运动以及通过探头施加的低频脉冲的形状。
[0035]
在ep3315074中描述的探头的一个缺点涉及其较大的尺寸。根据ep3315074的探头的另一个缺点涉及振动器的高电能消耗，这使得该探头不适合电池供电。最后，由振动器产生的振动阻尼会根据探头的方向而变化。
[0036]
2.剪切波的声学产生
[0037]
为了克服上述设备1和系统2的缺点，已经提出了利用声学装置而不是机械装置产生剪切波。
[0038]
因此，在过去的二十年中已经开发出基于超声波辐射压力(其包括在压缩波的传播过程中通过与介质的动量传递在介质中产生的体积力)的不同的解决方案。
[0039]
这些解决方案基于以下物理原理。聚焦高强度超声波束会产生非线性效应，导致力在焦点处作用在介质上。如果超声波能量在短时间内(ms分数(fraction de ms))传递，则会产生瞬时的点应力，这在焦点周围产生具有部分球对称性的剪切波。
[0040]
在这些不同的解决方案中：
[0041]-用于产生剪切波的激励装置，以及
[0042]-用于对组织进行成像的高频超声波产生装置
[0043]
源于使用单个组件(即，换能器阵列)。
[0044]
然后，该换能器阵列能够：
[0045]-第一，产生高强度超声波脉冲，其通过非线性效应引起剪切波的产生，
[0046]-第二，产生对组织进行成像的高频超声波，以研究剪切波的传播。
[0047]
然而，该技术的缺点是：因为其是二阶效应，产生的剪切波的振幅较低，并且通过对深入组织的方式进行限制来以球形传播，快速地失去组织位移所需的振幅。
[0048]
为了克服该缺点，提出了发射在不同深度连续聚焦的超声波以通过辐射压力产生推力。由此产生的构造性的剪切波干涉形成超音速“马赫锥”(其中，波源的速度大于产生的波的速度)，并且产生圆锥形剪切波。然后，换能器阵列切换为超快成像模式(其中，产生高频超声波)，以跟随在介质中传播的剪切波。
[0049]
虽然这种技术能够通过利用超声波成像换能器本身获得圆锥形剪切波，但其具有在能量方面成本高昂的缺点。
[0050]
3.发明目的
[0051]
总的来说：
[0052]-在文献中提出的机械激励装置对于商业产品(尤其是对于用于肝纤维化的评估的产品)具有难以想象的人体工程学特征，
[0053]-声学激励装置(利用辐射力产生剪切波)具有非常低的机电效率，这对于具有低能耗的超便携式产品来说是不可想象的。
[0054]
本发明的目的是提出一种超声波成像系统，其能够克服上述缺点中的至少一个。
[0055]
更具体地，本发明的目的是提供一种二维脉冲弹性成像系统，其能够通过使产生剪切波所需的能量最小化来测量组织的粘弹特性。


技术实现要素：

[0056]
为此，本发明提出了一种用于测量例如诸如肝脏的人或动物的生物组织的介质的粘弹特性的探头，所述测量包括：
[0057]-在介质中产生至少一个低频弹性波，
[0058]-在产生低频弹性波的同时：
[0059]
●
发射高频超声波，并且
[0060]
●
接收由于超声波在介质中的反射而产生的声学回声，
[0061]
所述探头包括：
[0062]-壳体，
[0063]-换能器阵列，其与壳体机械集成，用于发射高频超声波和接收声学回声，
[0064]-至少一个惯性振动激励装置，其用于发射至少一个低频弹性波，至少一个惯性振动激励装置包括：
[0065]
●
固定部件，其与换能器阵列机械地集成，
[0066]
●
移动部件，其能够相对于固定部件自由地运动以产生振动，从而产生低频弹性波，
[0067]
●
至少一个复位弹簧，其在固定部件与移动部件之间延伸，
[0068]
其特征在于，移动部件的质量介于探头的总重量的5％至25％之间，并且所述至少一个复位弹簧的刚度系数介于300kg.s2至50000kg.s2之间，使得惯性振动激励装置的共振
频率基本上等于低频弹性波的频率。
[0069]
因此，在对应于可以在各自的共振频率下用于发射感兴趣的频率范围内的弹性波的激励装置系列的范围内选择(激励装置的移动部件的)质量和(复位弹簧的)刚度系数。
[0070]
进一步确定该质量和刚度系数，使得激励装置的共振频率等于弹性波的频率。更具体地，如果希望探头发射频率为“f”的弹性波，则激励装置的移动部件的质量“m”和弹簧的刚度系数“k”选择为使得在实践中，为了正确确定探头的尺寸，已知弹性波的期望频率“f”，则刚度系数“k”(相应地，质量“m”)固定在介于300kg.s2至50000kg.s2之间(相应地，介于探头的总重量的5％至25％之间)的范围内，并且计算质量“m”(相应地，刚度系数“k”)，使得满足等式(相应地，k＝m(2πf)2)。
[0071]
在本发明的上下文中，术语“激励装置的移动部件的自由运动”理解为意指：移动部件在不受由激励装置外部的力施加的任何应力(例如，由使用者在抓握探头时施加的力)的情况下运动。具体地，移动部件在运动过程中承受的唯一应力是重力和由激励装置施加的力，即机械回弹力(由复位弹簧施加)和电磁铁激励装置情况下的电磁力。
[0072]
从下面的描述中可以看出，与换能器阵列机械地集成的固定部件可以：
[0073]-直接附接至换能器阵列，即，与换能器阵列物理接触，或者
[0074]-间接附接至换能器阵列，即，与除了换能器阵列之外的探头的组件(例如，探头的底座或壳体)物理接触，该组件(自身直接或间接)固定至换能器阵列。
[0075]
在所有情况下，将固定部件机械地固定至换能器阵列会导致这两个元件没有相对于彼此的相对运动。
[0076]
根据本发明的探头的优选但非限制性方面如下：
[0077]-每个惯性振动激励装置可以没有与引导杆摩擦配合以确保移动部件的平移运动的引导滑道，所述至少一个复位弹簧形成用于移动部件相对于固定部件的运动的引导装置。
[0078]-探头还可以包括控制器，所述控制器用于施加能够驱动移动部件相对于固定部件的运动的电激励信号，移动部件包括至少一个永磁体。
[0079]-每个惯性振动激励装置还可以包括分布在永磁体周围的附加惯性质量；
[0080]-附加惯性质量可以包括至少一个侧壁，所述至少一个侧壁围绕垂直于复位弹簧的压缩段延伸的卷绕轴卷绕，所述至少一个侧壁包围所述压缩段；
[0081]-或者，附加惯性质量可以具有平行于复位弹簧的压缩段的对称轴线并分布在永磁体周围；
[0082]-进一步地，或者，探头还可以包括至少一个电子采集卡，附加惯性质量包括与永磁体机械地集成的所述电子采集卡；
[0083]-探头可以包括由控制器驱动的若干个惯性振动激励装置，每个激励装置包括各自的复位弹簧，每个复位弹簧的刚度系数与其它复位弹簧的刚度系数不同；
[0084]-惯性振动激励装置还可以包括阻尼层，所述阻尼层设置在固定部件与移动部件之间，所述阻尼层由减震材料制成；
[0085]-控制器可以适于将衰减信号施加至每个惯性振动激励装置，以抑制每个惯性振
动激励装置的移动部件相对于所述惯性振动激励装置的固定部件的振荡，所述衰减信号根据表示探头与感兴趣的介质之间的相对位移的信息(通过处理接收的声学回声和/或通过测量在激励装置中流动的电流)来计算，
[0086]-或者，可以将控制器编程为向每个激励装置施加电激励信号，以引起每个激励装置的移动部件的振荡，随后不施加衰减信号，从而使得每个激励装置的移动部件能够自由振荡。
附图说明
[0087]
通过基于附图、以非限制性示例的方式给出的以下多个变体实施方案的描述，根据本发明的探头的其它优点和特征将更好地显现，其中：
[0088]-图1是现有技术的超声波脉冲弹性成像医疗设备的示意图，
[0089]-图2是现有技术的脉冲弹性成像系统的示意图，
[0090]-图3是根据本发明的超声波脉冲弹性成像探头的第一实施方案的示意图，
[0091]-图4是激励装置的第一变体的示意图，
[0092]-图5是激励装置的第二变体的示意图，
[0093]-图6是根据第二变体的激励装置的示例的示意图，
[0094]-图7a是激励装置的第三变体的示意图，
[0095]-图7b是激励装置的第四变体的示意图，
[0096]-图7c是激励装置的第五变体的示意图，
[0097]-图8是激励装置的框图，
[0098]-图9是根据本发明的超声波脉冲弹性成像探头的第二实施方案的示意图，
[0099]-图10是根据本发明的超声波脉冲弹性成像探头的第三实施方案的示意图，
[0100]-图11是根据本发明的超声波脉冲弹性成像探头的第四实施方案的示意图，
[0101]-图12是第六激励装置的变体的示意图，
[0102]-图13是根据本发明的探头的示例的立体图，
[0103]-图14是根据本发明的探头的另一示例的立体图。
具体实施方式
[0104]
现在将参考附图更详细地描述根据本发明的探头的不同实施方案。在这些不同的附图中，等同的元件由相同的附图标记表示。
[0105]
1.概述
[0106]
参考图3，示出了根据本发明的超声波脉冲弹性成像探头的示例。这种探头能够测量组织或人/动物器官的弹性。
[0107]
探头3包括：
[0108]-壳体31
[0109]-电子采集卡32(可选的)，
[0110]-换能器阵列33，以及
[0111]-惯性振动激励装置34，其包括通过复位弹簧(未在图3中示出)相互连接的固定部件341和移动部件342。
[0112]
激励装置34能够产生振动。如下文将更详细地描述的，激励装置34的固定部件与换能器阵列33机械地集成，以将振动传递至探头3，从而机械地产生测量待分析的组织的粘弹特性所需的剪切波。
[0113]
使用惯性振动激励装置34使得能够获得这样的探头：产生振动的移动部件342的质量仅占探头的总质量的5％至25％，这与根据ep3315074的探头以及图1和图2所示的设备和系统(其中，探头的大部分质量集中在机械激励装置中)不同。这限制了根据本发明的探头的重量和体积。
[0114]
此外，读者将理解，如图9、图10、图11和图13所示，惯性振动激励装置34不一定布置为引起探头沿换能器阵列33的对称轴线的运动。实际上，在许多实施方案中，换能器阵列33的对称轴线与惯性振动激励装置34的移动部件的运动的轴线并不重合。这能够限制根据本发明的探头的尺寸。
[0115]
使用惯性振动激励装置34还能够产生足够功率的剪切波来测量组织的粘弹特性，同时消耗比基于超声波辐射压力的解决方案所需的能量更少的能量。
[0116]
1.1.壳体
[0117]
探头3的壳体31容纳探头采集装置以及剪切波产生装置。更具体地，可选的电子采集卡32、换能器阵列33和惯性振动激励装置34置于壳体31中。
[0118]
这种探头的一个优点在于探头的所有移动部件(尤其是惯性振动激励装置34的移动部件)在壳体31内并因此受到保护。这有利于探头3的消毒。从外表看，探头是不可变形的，这解决了许多可用性问题，并且便于使用者抓取。
[0119]
探头还包括(有线或无线)通信装置35，其用于将采集的数据(可选地，经预处理和波束成形)发送至计算单元(远程计算机和/或平板电脑和/或智能手机等)，以进行目标物体的基本图像的重建和/或目标物体的弹性的估计和/或显示。
[0120]
1.2.换能器阵列
[0121]
换能器阵列33包括一组线性地、或者以曲线的形式、或者以同心圆的形式或者以矩阵的形式设置的“n”个超声波换能器(“n”是大于或等于1的整数)。
[0122]
换能器阵列33能够向待探查的介质(器官、生物组织等)发射激励超声波并接收声学回声(即由待探查的介质的各种界面反射的超声波)。例如，每个换能器包括正面和背面涂有电极的矩形的压电材料板。这种换能器是本领域技术人员已知的，下面将不再进行更详细地描述。
[0123]
在图3所示的变体实施方案中，换能器阵列中的所有换能器都用于发射和接收两者。在其他实施方案中，单独的换能器可以用于发射和接收。
[0124]
1.3.电子卡
[0125]
可选的电子卡32连接至换能器阵列33。电子卡32能够控制换能器阵列的换能器并处理由换能器阵列的换能器采集的数据。更具体地，电子采集卡32能够：
[0126]-命令换能器向待探查的介质发射超声波，
[0127]-命令换能器接收由待探查的介质的各种界面反射的回声，
[0128]-对回声信号进行预处理并且传输至远程计算单元。
[0129]
电子卡还可以包括用于驱动惯性振动激励装置34的控制器(如下文将更详细地描述的)。
[0130]
1.4.惯性振动激励装置
[0131]
惯性振动激励装置34能够使探头3振动以引起产生剪切波。
[0132]
更具体地，激励装置34的移动部件342(或“惯性质量”)在与期望的运动方向相反的方向上的运动使移动换能器阵列33在另一个方向上运动，并且产生期望的剪切波。
[0133]
有利地，与现有技术的解决方案不同，在本发明的上下文中，激励装置34的固定部件341与换能器阵列33(“直接地”或“间接地”)机械地集成。实际上：
[0134]-在图1所示的弹性成像设备1中，换能器11与电动致动器12的移动部件集成，致动器的另一部件(固定部件)由使用者握持在手中。
[0135]-在图2所示的弹性成像系统2中，换能器元件组23与机械激励装置22、24完全分离(由机械激励装置22、24产生的振动不传递至换能器元件组23)。
[0136]
这种特定的布置(使用固定部件341连接至换能器阵列33以使换能器阵列33振动的惯性振动激励装置34)能够利用以下探头产生强度可接受的剪切波：
[0137]-具有最小体积(体积与利用辐射力的探头的体积基本相同)的探头，
[0138]-消耗有限的能量来产生剪切波的探头。当通信装置35的连接是无线连接时，致动器34的激励所需的能量源还可以由嵌入探头中的电池提供。
[0139]
换言之，提出的解决方案具有现有技术的两种技术的优点，而没有各自的缺点，即：
[0140]-较高的剪切波产生产量(就像剪切波的机械产生解决方案一样)，以及
[0141]-较小的体积(就像剪切波的声学产生解决方案一样)。
[0142]-与没有惯性振动激励装置的相同探头相比，重量略有增加(不超过25％，具体为20％)。
[0143]
在图3所示的实施方案中，除了移动部件342之外，设置在壳体31内的所有元件机械地集成。
[0144]
这些机械集成的元件(即壳体31、电子卡32、换能器阵列33和激励装置34的固定部件341)构成大约200克至300克的单一质量。
[0145]
激励装置34的移动部件342(形成惯性质量)的质量介于25克至50克(通常，探头的重量的5％至25％)之间。移动部件342的质量介于25克至50克(通常，探头的总重量的5％至25％)之间使得具有这样的惯性质量：
[0146]-足够高以保证剪切波产生效率，
[0147]-足够低，不会过度增加探头的重量，从而确保其握持。
[0148]
惯性振动激励装置适合在其共振频率下使用。更具体地：
[0149]-激励装置的移动部件的质量和
[0150]-复位弹簧的刚度系数(或多个复位弹簧的总刚度系数)
[0151]
选择为使得激励装置的共振频率与剪切波的期望频率相匹配。
[0152]
具体地：
[0153]-移动部件的质量介于探头的总重量的5％至25％之间，以及
[0154]-复位弹簧(或多个复位弹簧)的刚度系数介于300kg.s2至50000kg.s2之间，优选为1000kg.s2至10000kg.s2之间，甚至更优选为4000kg.s2至6000kg.s2之间。
[0155]
规定以共振频率运行激励装置能够限制产生剪切波所需的能量的量。通过限制激
励装置的能量消耗，就可以通过电池为探头供电。
[0156]
2.激励装置
[0157]
2.1.激励装置的第一变体实施方案
[0158]
参考图4，示出了激励装置的第一变体实施方案(基于电磁铁和柱塞杆的原理)，其中：
[0159]-固定部件341包括称为“柱塞”杆的杆，所述杆包括：
[0160]
■
顶部3411，其位于杆的一端，例如由低碳钢制成，以及
[0161]
■
底部3412，其位于杆的另一端，底部3412旨在直接或间接地附接至壳体31(例如，经由电子卡32)，以及
[0162]-移动部件342包括电磁铁，所述电磁铁包括：
[0163]
■
导电绕组3421(例如，由铜制成)，
[0164]
■
磁芯3422(例如，由低碳钢制成)，其围绕杆延伸并且引导磁场线，
[0165]-复位弹簧343，其在顶部3411与磁芯3422之间延伸。
[0166]
柱塞杆可滑动地安装于在磁芯3422中形成的贯穿通道内。具有电磁铁和柱塞杆的激励装置的工作原理如下。
[0167]
当在绕组3421中施加电流时，顶部3411的铁磁材料突然向下吸引，这导致杆在磁芯3422的贯穿通道内“坠落”。顶部3411向下移动，复位弹簧343压缩。一旦绕组3421不再提供电流，复位弹簧343就会使滑动的杆返回至“高”位置。
[0168]
在这种情况下，柱塞杆的底部3412(直接或间接)附接至探头3的壳体31，当向绕组3421施加电流时，磁芯3422通过压缩弹簧343朝向顶部3411移动。在中断该电流之后，由于由复位弹簧343施加的力，磁芯3422返回至“低”位置。
[0169]
然后，可以根据是在绕组3421中施加电流还是中断绕组3421中的电流来获得磁芯3422的往复运动。磁芯3422的这种往复运动引起整个探头3的振动，这使得产生剪切波。
[0170]
优选地，电激励应接近于dirac(狄拉克)(持续时间为几毫秒)。
[0171]
这种类型的激励装置34的缺点在于难以精细地控制磁芯3422的位移：
[0172]-在施加电流的作用下，磁芯3422通过压缩弹簧343朝向柱塞杆的顶部3411移动，
[0173]-在没有电磁力的情况下，表现出运动学的延续作用，导致磁芯3422的振荡，其脉动取决于其质量和弹簧343的刚度。
[0174]
因此，弹簧343的刚度将决定磁芯3422的运动频率：没有办法精细地控制激励，也没有办法抑制激励。此外，在这种系统中产生的磁力非常依赖于柱塞杆对磁芯3422的穿入，当柱塞杆接触磁芯3422时，磁力为最大。
[0175]
这种类型的激励装置的另一缺点涉及引导柱塞杆的平移移动。具体地，与柱塞杆在通道(形成引导滑道)内的移动相关的摩擦会引起摩擦阻尼。移动部件的这种摩擦阻尼具有不受控制的缺点，随着时间的推移而变化，并且很大程度上取决于探头的方向。
[0176]
这就是发明人提出其他变体实施方案(如下所述)的原因，在该变体实施方案中，惯性振动激励装置没有与柱塞杆摩擦配合以确保移动部件的平移运动的引导滑道。这使得具有优点为具有在时间和空间上不变的固有振荡行为的惯性振动激励装置。
[0177]
在下面描述的这些不同的变体中，在固定部件341与移动部件342之间延伸的一个(或更多个)复位弹簧343确保了移动部件的(平移或旋转)运动的引导。
[0178]
2.2.激励装置的第二变体实施方案
[0179]
参考图5说明允许更多控制的激励装置的第二种变体。该激励装置34仍然使用电磁力，但与由永磁体极化的磁性系统一起工作。
[0180]
更具体地：
[0181]-激励装置34的固定部件341包括：
[0182]
○
骨架(carcasse)3415，其包括：
[0183]
■
底部34151，其旨在(直接或间接地)附接至壳体31，
[0184]
■
管状支撑件34152，其垂直于底部34151突出，管状支撑件34152包括中央通道，
[0185]
○
电激活线圈3416，其安装于管状支撑件34152，
[0186]-激励装置34的移动部件342包括电枢3423，所述电枢3423布置为部分地包围骨架3415，所述电枢3423包括：
[0187]
■
环形永磁体34231，以及
[0188]
■
轴向管状引导件34232，其由低碳钢制成，旨在可滑动地安装在管状支撑件34152的中央通道内，
[0189]
■
环形极片34233，其由低碳钢制成，包围管状支撑件34152和线圈3416，以限定与管状引导件34232的磁气隙，
[0190]-复位弹簧343在底部34151与电枢34233之间延伸。
[0191]
该激励装置可以由控制器(未示出)(例如，集成在电子卡32中)驱动。该控制器能够发射电激励信号(从几毫秒到几十毫秒)，从而为激励装置34的激活线圈3416供电，其工作原理如下。
[0192]
机械地附接至壳体31的激活线圈3416在通过环形永磁体34231不断极化电枢3423的气隙中变化(
é
volue)。
[0193]
当利用电流对激活线圈3416供电时(即，当控制器发射电激励信号时)，与电流成比例的垂直电磁力施加至电枢3423，所述垂直电磁力的方向(朝向底部34151或与底部34151相反)取决于电流的方向。
[0194]
该力引起移动部件342沿固定部件341的(管状支撑件34152的)中央通道的平移运动。更具体地，根据电流的方向，该力将：
[0195]-引起移动部件朝向固定部件的底部34151的平移运动，使得复位弹簧343压缩，
[0196]-或者引起移动部件342在与固定部件341的底部34151相反的方向上的平移运动，使得复位弹簧343拉伸。
[0197]
在中断电流之后，移动部件342通过连续地压缩和拉伸直到返回至静止位置的复位弹簧343引起的振荡而返回其初始位置。然后，根据是在激活线圈3416中施加电流还是中断激活线圈3416中的电流，可以获得移动部件342的来回运动。移动部件342的这种来回运动通过反作用力引起整个探头3的振动，这使得在探头3与组织接触时产生剪切波。
[0198]
这种装置在商业上存在，称为音频激励装置。作为说明，图6示出了包括图5的惯性激励装置的特征的商用音频激励装置的示例(产品构造参考teax 14c02-8)。
[0199]
参考图6，该音频激励装置包括：
[0200]-形成底部的圆形环3417，环3417的外表面覆盖有粘合剂层，
[0201]-感应线圈3418，其位于环3417的内侧，
[0202]-四个自恢复弹性凸耳3431，其形成复位弹簧并且从环3417向外突出，
[0203]-基本上为矩形的框架3432，其形成电枢，与环3417相反的每个弹性耳状件3431的端部与框架3432的各个角相连，
[0204]-由附接至较大的框架边缘的永磁体3424极化的磁路，
[0205]-电连接装置3428'、3428”，其用于将感应线圈3418电连接至电流源(未示出)。
[0206]
这种音频激励装置适合附接于支撑件(例如，谐振板)并使其通过惯性进行振动。该示例的商用音频激励装置的尺寸与现有探头中使用的电子卡的宽度和厚度兼容。在1a的电流下产生的力为2.4牛顿。这种激励装置的移动部件的质量为12.8克，并且以100hz振荡(对于235克的探头的总重量)。
[0207]
因此，为了使这种激励装置以50hz的共振频率振荡，需要将移动部件的质量增大至51.2克，例如，通过将38.4克的附加惯性质量附接至永磁体3424。
[0208]
该附加惯性质量3425可以附接在永磁体3424的上表面上，如图7a所示。这引起激励装置34的移动部件342的重心3426的位置的改变，于是重心3426位于包含与移动部件相反的复位弹簧的端部的固定点的移动部件的固定平面之外。在本发明的上下文中，将术语“复位弹簧的端部”理解为表示：
[0209]-如果复位弹簧包括单个的自恢复弹性元件：弹性元件的两个尖端，
[0210]-如果复位弹簧包括多个自恢复弹性元件，位于与分别连接至固定部件和移动部件中任一者的所述弹性元件的尖端等距的位置处的中心点：
[0211]
○
第一中心点，其位于与连接至固定部件341的多个弹性元件的尖端等距的位置处，其形成复位弹簧343的第一端，以及
[0212]
○
第二中心点，其位于与连接至移动部件342的多个弹性元件的尖端等距的位置处，其形成复位弹簧343的第二端。
[0213]
作为变体，如图7b所示，附加惯性质量3425可以分布在复位弹簧343周围，使得移动部件342的重心3426位于靠近移动部件的固定平面p的位置。
[0214]
在图7c所示的实施方案中，附加惯性质量分布在移动部件342周围。更具体地，在该实施方案中，附加惯性质量包括侧壁。该侧壁围绕垂直于复位弹簧343的压缩段sc延伸的卷绕轴卷绕，侧壁包围压缩段sc。这能够限制激励装置的体积。此外，在该实施方案中，激励装置包括设置在固定部件341与移动部件342之间的阻尼层3419。该阻尼层由减震材料制成。这能够限制在探头掉落时损坏激励装置的风险。或者，附加惯性质量可以具有平行于复位弹簧的压缩段的对称轴线并分布在永磁体周围。这能够降低激励装置的高度(在移动部件的移动方向上)，从而限制超声脉冲弹性成像探头的体积。
[0215]
如前所述，每次由控制器施加激励信号时，激励装置34的移动部件342相对于固定部件341振荡，直到其返回至初始静止位置。有利地，移动部件342的振动(尤其是由复位弹簧343引起的移动部件的振荡直到其返回至初始静止位置)可以通过控制器进行衰减(“阻尼”)，以能够对机械激励装置进行最佳控制。这种衰减可以是自适应的。具体地，衰减可以适应于由探头与患者身体之间的接触提供的阻尼变化。为此目的，需要了解探头的实际运动。这种对探头的实际运动的了解可以通过各种直接或间接的方式获得。例如，可以在不使用特定的位置传感器的情况下确定这些运动：
[0216]-通过处理由换能器阵列接收的声学回声(机械激励期间和之后的超声波位移膜
(film de d
é
placement ultrasonore)可以给出探头与组织之间的相对位移的精确值)，
[0217]-或者在电激励阶段之后，通过使用由激励装置线圈的电流放大器放大的信号。该信号表示激励装置34的移动部件与探头31的相对运动。当该信号为零时，意味着移动部件不再振荡，因此探头不再振荡。
[0218]
优选地，根据本发明的装置利用表示探头与组织之间的相对位移的信息(通过处理接收的声学回声和/或通过测量在激励装置线圈中流动的电流)来计算能够使移动部件的振荡衰减的信号。相比于利用表示探头的绝对位移的信息，这能够使移动部件的振荡更有效地衰减。
[0219]
当然，移动部件342的振动可能不进行衰减。在这种情况下，每次由控制器施加激励信号时，激励装置34的移动部件342自由振荡。这种自由振荡使探头位移，直到移动部件返回至其初始静止位置。
[0220]
探头的位移(与激励装置的自由振荡有关)可以通过对采集的数据进行数字滤波而与剪切波前进的表达式分离。实际上，在本发明的上下文中，应用后处理能够将探头的位移与剪切波的位移的表达式分离。不对移动部件的振荡进行衰减能够减少由探头消耗的电能。实际上，在激励装置的移动部件的振荡衰减的探头的情况下，需要：
[0221]-使用更高强度的电激励信号来获得能量等于从激励装置的移动部件的振荡不衰减的探头获得的剪切波的能量的剪切波，
[0222]-施加能量不为零的电衰减信号，以抑制移动部件的振荡。
[0223]
2.3.关于图7a至图7c的实施方案的说明
[0224]
由于没有与引导杆摩擦配合以确保移动部件的平移运动的引导滑道，因此图7a至图7c所示的激励装置的实施方案的优点为具有在时间和空间上更稳定的固有振荡行为。在这些不同的实施方案中，该(或者一部分或者每个)复位弹簧形成移动部件的运动引导装置，其减少摩擦并且使振荡阻尼现象最小化。
[0225]
这种激励装置以共振频率进行激励，这能够限制激励装置产生剪切波所消耗的能量，尤其与ep3315074中描述的振动器不同。
[0226]
2.4.与本发明有关的理论
[0227]
图4、图5、图6以及图7a、图7b所示的激励装置34的不同变型实施方案可以由图8所示的框图表示。
[0228]
在该图中：
[0229]-质量“m”表示激励装置34的移动部件342；“v”表示质量“m”的瞬时速度，“x”表示质量“m”位置，
[0230]-质量“m”表示：
[0231]
○
激励装置34的固定部件341以及
[0232]
○
探头的其他组件(壳体、换能器、电子卡等)；
[0233]
该质量“m”通常介于200克至300克之间；“v”表示质量“m”的瞬时速度，“x”表示质量“m”的位置，
[0234]-刚度系数“k”表示复位弹簧343。
[0235]
读者将理解，难以限定与实际质量“m”相关的有效质量，因为这样的有效质量具体取决于：
[0236]
○
探头被握持在手中的力，
[0237]
○
手与探头之间的接触的类型(构成探头的抓握装置的材料的柔性)，
[0238]
○
由探头施加到组织的压力(force d'appui)。
[0239]
在其余的计算中，将认为与质量“m”相关的有效质量等于实际质量“m”的两倍(即有效质量介于400克至600克之间)。
[0240]
在时刻t0＝0时，复位弹簧处于静止位置。对探头施加脉冲力，该脉冲力趋向于在几毫秒的持续时间内以总能量e将两个质量“m”和“m”分离。
[0241]
由于相同的力作用在具有相反符号的两个质量上，因此可以写为：
[0242]
m*d(v)/d(t)＝
–
m*d(v)/d(t)
[0243]
在初始脉冲之后，当复位弹簧对两个质量的分离做出反应时，这个等式仍然成立，因为其总是对两个质量“m”和“m”施加相同振幅、符号相反的力。因此可以写为：
[0244]
d(m*v+m*v)/dt＝0，
[0245]
其中：m*v+m*v＝常数(其只不过是在喷气推进理论框架内考虑的动量守恒定律)。
[0246]
因此，我们得到：v＝m/m*v，并且通过积分：
[0247]
x＝m/m*x
ꢀꢀꢀ
(1)
[0248]
方程(1)的各项之间的关系表明速度和位移与质量成反比。该关系进一步能够验证系统的第一一致性(coh
é
rence)：为了获得质量“m”的0.1毫米的位移，需要将惯性质量“m”移动1毫米(其比质量“m”轻十倍)；这种毫米级位移是真实的，尤其是使用图6所示的音频激励装置时。
[0249]
在消耗的能量方面，可以写为：
[0250]
e＝1/2*m*v2+1/2*m*v2。
[0251]eu
为有效能量，并且：eu＝1/2*m*v2[0252]
于是：
[0253]
e＝eu*(1+m/m*(v/v)2)＝eu(1+m/m)
[0254]
因此，能量效率ξ为：
[0255]
ξ＝m/(m+m)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0256]
如果质量“m”和“m”的比率为10，则能量效率为9％，其低于(接近100％)的能量效率，但远高于“推(push)”超声波的能量效率(可能在1/1000左右)。因此，我们仍然处于系统的一致性中。
[0257]
现在将研究这种能量的绝对值。
[0258]
在初始脉冲之后，两个质量“m”和“m”以对应于脉冲ω的频率振荡。
[0259]
弹簧刚度、k和ω之间的常规关系可以很容易地证明：
[0260]
ω＝√(k*(1/m+1/m))
ꢀꢀꢀ
(3)
[0261]
此外：v
max
＝ω*x
max
[0262]
其中：
[0263]-v
max
是惯性质量“m”的速度的最大值，并且
[0264]-x
max
是惯性质量“m”的距离的最大值。
[0265]
因此，提供给探头的能量满足以下等式：
[0266]
e＝1/2*m*v2+1/2*m*v2＝1/2*m/m*(m+m)*ω2*x
max2
[0267]
在以下特定情况下：
[0268]
‑“
m”的质量是“m”的质量的十分之一，
[0269]-m＝0.25kg，
[0270]-频率为50hz，并且
[0271]-x
max
为1mm，
[0272]
那么提供的能量为：e＝0.5*0.1*0.275*(2*π*50*10-3
)2＝1.4mj
[0273]
与分配给探头的操作的能量的量(通常小于五瓦)相比，该能量非常低。即使必须假设有效质量比探头的质量大三倍，因此x
max
也必须比1毫米大三倍，那么所需的能量也只会增加十倍，也就是说略大于10mj，这仍然是非常合理的。
[0274]
总之，在以下方面，数量级：
[0275]
○
惯性质量，
[0276]
○
惯性质量的位移的振幅，以及
[0277]
○
提供给探头的能量
[0278]
都是合理和可以接受的，以便产生剪切波。
[0279]
使用惯性振动激励装置可以获得适合产生具有以下特征的剪切波的探头：
[0280]-远高于“推”类型解决方案的能量效率的能量效率，以及
[0281]-比使用机械激励装置(例如)的解决方案的体积小得多的体积。
[0282]
3.激励装置的布置的示例
[0283]
图3示出了探头的第一实施方案。如图9至图12所示，惯性振动激励装置34在探头3中的布置可以变化。现在将参考这些图9至图12更详细地描述探头的不同实施方案。
[0284]
3.1.第二实施方案
[0285]
参考图9说明探头3的示例，所述探头包括：
[0286]-壳体31
[0287]-电子采集卡32，
[0288]-换能器阵列33，以及
[0289]-一对惯性振动激励装置34a、34b。
[0290]
各激励装置34a、34b包括通过复位弹簧相互连接的固定部件341a、341b和移动部件342a、342b。各激励装置34a、34b的固定部件341a、341b固定至电子卡32与连接至换能器阵列33的边缘相反的边缘。
[0291]
惯性振动激励装置34a、34b可以由控制器(例如，集成在电子卡32中)驱动。该控制器能够施加电激励信号(几毫秒的)以引起激励装置34a、34b的振动的产生。
[0292]
该系统的优点在于：
[0293]-如果两个惯性激励装置34a、34b由控制器同相驱动(即激活信号同时施加至两个惯性振动激励装置34a、34b)，则能够产生探头的(垂直)平移运动，
[0294]-另一方面，如果两个惯性激励装置34a、34b由控制器反相控制，则能够在换能器的平面上产生具有主要水平分量的探头的旋转位移。
[0295]
当然，读者将理解，可以以除了同相或反相之外的配置控制激励装置34a、34b，(例如)以产生具有任意预定时间变化的位移。此外，读者将理解，探头可以包含多于两个的布置在壳体中的可变位置的惯性振动激励装置。
[0296]
最后，读者将理解，激励装置可以根据其它变体实施方案进行布置。例如，在图12所示的实施方案中，移动部件342包括：
[0297]-两个磁电机，每个磁电机具体包括：
[0298]
○
激活线圈3416'、3416”，以及
[0299]
○
永磁体3424'，3424”，
[0300]-两个不同刚度k'、k”的复位弹簧343'、343”(例如k'＝2
×
k”)，每个弹簧与相应的磁电机相关联。
[0301]
由此获得两个耦合振荡器。这能够探查广泛的振荡频率范围，以能够评估目标物体的粘稠度。
[0302]
3.2.第三实施方案
[0303]
参考图10，探头3的另一示例包括：
[0304]-壳体31
[0305]-电子采集卡32，
[0306]-换能器阵列33，以及
[0307]-惯性振动激励装置34。
[0308]
本该实施方案中，惯性振动激励装置34：
[0309]-靠近换能器阵列33而定位(即，位于电子卡的连接至换能器阵列的边缘)，并且
[0310]-定向成使得移动部件342沿垂直于探头3的纵向轴线a
–
a'的横向轴线平移振动，
[0311]
与图3所示的实施方案不同，在图3所示的实施方案中，惯性振动激励装置34：
[0312]-距换能器阵列33一定的距离而定位(即，位于电子卡的与换能器阵列33相反的边缘)，并且
[0313]-定向成使得移动部件342平行于纵向轴线a-a'平移运动(即，垂直于换能器阵列33的换能器延伸的平面)。
[0314]
在第三实施方案中，惯性振动激励装置34的定位和方向使得在换能器阵列33的换能器的平面中产生移动部件342的位移。
[0315]
3.3.第四实施方案
[0316]
参考图11，示出了探头的另一示例，其中，固定至激励装置34的永磁体3424的附加惯性质量3425包括探头3的电子卡32a。
[0317]
更具体地，在该实施方案中，探头包括：
[0318]-壳体31，
[0319]-第一电子采集卡32a和第二电子采集卡32b，所述第一电子采集卡32a和第二电子采集卡32b通过柔性连接电线36相互电连接，
[0320]-换能器阵列33，以及
[0321]-惯性振动激励装置34，其包括:
[0322]
○
固定部件(未示出)，其与换能器阵列33机械地集成，
[0323]
○
移动部件，其包括通过永磁体3424极化的磁路，以及
[0324]
○
复位弹簧343，其位于固定部件和移动部件之间。
[0325]
如图11所示，第一电子卡32a与激励装置34的永磁体3424机械地集成。因此，第一电子卡32a构成以50hz的频率引起激励装置34的振动所需的附加惯性质量。一方面，这能够
限制探头3的尺寸，另一方面，能够通过使用其组件中的一个组件形成附加惯性质量来限制探头的重量的增加。
[0326]
第二电子卡32b与换能器阵列33机械地集成。
[0327]
工作原理如下。当激活信号(几毫秒的)施加至激励装置34时，永磁体3424和第一电子卡32a沿与换能器阵列33相反的方向平移运动。复位弹簧343拉伸。在中断电激活信号之后，复位弹簧343向磁体3424和第一电子卡32a施加力，使其向换能器阵列33返回。永磁体3424和电子卡32a朝向换能器阵列33平移运动并且超过其静止位置，使得复位弹簧343压缩。然后，复位弹簧对永磁体3424(和第一电子卡32a)施加趋向于使其与换能器阵列分离的力。这种阻尼振荡一直持续，直到永磁体和电子卡回到静止位置。
[0328]
为了继续这种振动，可以周期性地施加激活信号。因此，当探针施加至患者的皮肤时，会在组织中产生剪切波序列。
[0329]
3.4.其他类型的激励装置
[0330]
当然，也可以使用其他类型的惯性振动激励装置，使得探头产生剪切波。例如，探头包括具有驱动偏心质量的电机的惯性振动激励装置34。
[0331]
4.结论
[0332]
无论使用何种激励装置34或为探头3保留何种布置，探头的工作原理都如下。
[0333]
激活致动器振动激励装置34以响应于移动部件342的运动而引起探头3的运动，并且在待分析的组织中产生低频弹性波(剪切波)。具体地，控制器向激励装置34发射激励信号。
[0334]
该信号引起移动部件相对于固定部件的运动(同时地或连续地，例如反相)。当此信号(几毫秒的)中断时，移动部件通过振荡返回其原始位置，或者如果控制器发出衰减信号以抑制移动部件的振荡，则不会返回其原始位置。由激励装置产生的振动运动通过与换能器阵列机械集成的固定部件传递至探头。
[0335]
在低频剪切波在接触的组织的传播过程中，换能器阵列33发射和接收高频超声波，以能够研究低频弹性波的传播。
[0336]
以上提出的剪切波的产生的方式在向组织传递机械能的方面是有效的，因为与组织接触的换能器阵列33通过惯性振动激励装置直接运动。这还能够获得体积最小化的探头。
[0337]
对于将上述惯性振动激励装置集成到探头中，可以考虑不同的解决方案。例如，所述激励装置可以并入到次级容器312中，如图13所示。在这种情况下，壳体31包括：
[0338]-主容器311，其具体集成有可选的电子采集卡和换能器阵列，
[0339]-次级容器312，次级容器312与主容器311机械地集成。
[0340]
或者，惯性振动激励装置可以集成到探头3的壳体31中(图14)。在所有情况下，惯性振动激励装置与换能器阵列集成安装，激励装置的移动部件与握持探头的使用者不接触，这使得其能够自由振荡。使用者对探头的握持使得由激励装置引起的振动的振幅衰减，但由于使用者的手组织的弹性，不会阻止与患者接触的剪切波的发射。
[0341]
读者将理解，在实质上不脱离在此描述的新教示和优点的情况下，可以对上述发明进行许多修改。
[0342]
因此，所有这些修改都旨在并入所附权利要求的范围。

技术特征：
1.一种用于测量介质的粘弹特性的探头，所述介质例如为诸如肝脏的人或动物的生物组织，所述测量包括：-在介质中产生至少一个低频弹性波，-在产生低频弹性波的同时：
○
发射高频超声波，并且
○
接收由于超声波在介质中的反射而产生的声学回声，所述探头包括：-壳体(31)，-换能器阵列(33)，其与壳体机械地集成，用于发射高频超声波和接收声学回声，-至少一个惯性振动激励装置(34)，其用于发射所述至少一个低频弹性波，所述至少一个激励装置包括：
○
固定部件(341)，其与换能器阵列(33)机械地集成，
○
移动部件(342)，其能够相对于固定部件自由地运动以产生振动，从而产生低频弹性波，
○
至少一个复位弹簧(343)，其在固定部件(341)与移动部件(342)之间延伸，其特征在于，移动部件(342)的质量介于探头的总重量的5％至25％之间，并且所述至少一个复位弹簧的刚度系数介于300kg.s2至50000kg.s2之间，使得惯性振动激励装置(34)的共振频率基本上等于低频弹性波的频率。2.根据权利要求1所述的探头，其中，每个惯性振动激励装置(34)不具有与引导杆摩擦配合以确保移动部件的平移运动的引导滑道，所述至少一个复位弹簧形成用于移动部件相对于固定部件的运动的引导装置。3.根据权利要求1或2的任一项所述的探头，其进一步包括控制器，所述控制器用于施加能够驱动移动部件(342)相对于固定部件(341)的运动的电激励信号，移动部件包括至少一个永磁体。4.根据权利要求3所述的探头，其中，每个惯性振动激励装置(34)进一步包括分布在永磁体(3424)周围的附加惯性质量。5.根据权利要求4所述的探头，其中，所述附加惯性质量包括至少一个侧壁，所述至少一个侧壁围绕垂直于复位弹簧的压缩段(sc)延伸的卷绕轴卷绕，所述至少一个侧壁包围所述压缩段(sc)。6.根据权利要求4所述的探头，其中，所述附加惯性质量围绕平行于复位弹簧的压缩段(sc)的对称轴线延伸，所述附加惯性质量分布在永磁体(3424)周围。7.根据权利要求4所述的探头，其进一步包括至少一个电子采集卡(32a)，附加惯性质量包括与永磁体(3424)机械地集成的所述电子采集卡(32a)。8.根据权利要求3所述的探头，其包括由控制器驱动的若干个惯性振动激励装置(34a，34b)，每个激励装置包括各自的复位弹簧(343'，343”)，每个复位弹簧(343')的刚度系数与其它复位弹簧(343”)的刚度系数不同。9.根据权利要求1至8中任一项所述的探头，其中，惯性振动激励装置进一步包括阻尼层(3419)，所述阻尼层(3419)设置在固定部件(341)与移动部件(342)之间，所述阻尼层由减震材料制成。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的探头，其中，所述控制器适于将衰减信号施加至每个惯性振动激励装置(34)，以抑制每个惯性振动激励装置(34)的移动部件(342)相对于所述惯性振动激励装置(34)的固定部件(341)的振荡，所述衰减信号根据表示探头与感兴趣的介质之间的相对位移的信息(通过处理接收的声学回声和/或通过测量在激励装置中流动的电流)来计算。11.根据权利要求3至9中任一项所述的探头，其中，将控制器编程为向每个激励装置施加电激励信号，以引起每个激励装置的移动部件的振荡，随后不施加衰减信号，从而使得每个激励装置的移动部件能够自由振荡。

技术总结
本发明涉及用于测量诸如肝脏的感兴趣的人或动物介质的粘弹特性的探头，所述测量包括：-在感兴趣的介质中产生至少一个低频弹性波，-在产生低频弹性波的同时：


技术研发人员：F
受保护的技术使用者：易思科波伊克斯公司
技术研发日：2021.10.22
技术公布日：2023/8/4