Спосіб ультразвукового вимірювання пружності м’яких тканин молочної залози жінок

Реферат: UA 115604 C2 (12) UA 115604 C2 Винахід належить до галузі медицини та стосується способу ультразвукового вимірювання пружності м'яких тканин молочної залози жінок, що включає створення за допомогою ультразвукового перетворювача навантаження на поверхні молочної залози, завдавання площини сканування і множини напрямків зондування в площині сканування, випромінювання принаймні одного потужного сфокусованого ультразвукового пучка хвиль у напрямку, що співпадає з напрямками зондування, подальше випромінювання вздовж кожного з напрямків зондування періодичної послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, оцінку за допомогою електричних сигналів відгуку швидкості розповсюдження зсувних хвиль і модуля Юнга для вимірювальних об'ємів обраної множини напрямків зондування та візуалізацію просторового розподілу модуля Юнга, причому завдавання площини сканування і множини напрямків зондування є таким, при якому вони перетинають жирові тканини молочної залози, а оцінка швидкості розповсюдження зсувних хвиль і модуля Юнга для вимірювальних об'ємів, розташованих у фіброзно-залозистих тканинах молочної залози, проводиться при такому рівні навантаження, при якому оцінка модуля Юнга у вимірювальних об'ємах, розташованих у жирових тканинах молочної залози, відповідає наперед заданому діапазону значень. UA 115604 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до способів медичної діагностики, що використовують ультразвукове зондування для визначення пружних властивостей м'яких тканин молочної залози жінок, зокрема, до способів ультразвукової візуалізації просторового розподілу модуля Юнга у фіброзно-залозистих тканинах молочної залози і визначення на цій основі патологічно змінених тканин. В усіх відомих способах і пристроях для отримання інформації щодо локальних властивостей біологічного об'єкту за допомогою імпульсного ультразвукового зондування загальним є те, що за допомогою електричних сигналів відгуку, отриманих з відбитих ультразвукових хвиль, обирають деяку множину локальних областей досліджуваного об'єкту, що знаходяться на напрямку зондування на різній глибині [1]. Величина кожної області, що називається вимірювальним об'ємом, визначається тривалістю зондуючих ультразвукових імпульсів та ступенем фокусування пучків хвиль, що випромінюються та приймаються. Амплітудна складова сигналів відгуку залежить від відбивної здатності тканин у кожному з вимірювальних об'ємів, яка визначається локальною величиною флуктуацій модуля об'ємної стисливості та густини Ρ тканини. За даними про величину амплітуди сигналів відгуку обраховують величину флуктуацій цих параметрів у кожному з вимірювальних об'ємів та реконструюють їх просторовий розподіл, що дає можливість побудувати так зване чорно-біле Взображення внутрішньої структури біологічного об'єкту [1]· В той же час за допомогою звичайних ультразвукових способів, що використовують чорнобілі В-зображення, неможливо визначити величину модуля зсуву  та модуля Юнга E  3 м'яких тканин, які найбільш сильно змінюють свою величину в тканинах, де мають місце різні патологічні процеси на кшталт мастопатії, доброякісних та злоякісних вогнищевих новоутворень у фіброзно-залозистих тканинах молочної залози. Відомі способи і пристрої винайдення модуля зсуву, що поєднують імпульсне ультразвукове зондування із одночасним створенням визначеного зовнішнього навантаження на біологічний об'єкт [2]. Запропонований спосіб включає в себе створення наперед визначеного зовнішнього навантаження на об'єкт дослідження, завдавання напрямку зондування, який співпадає із напрямом дії навантаження, періодичне випромінювання вздовж напрямку зондування послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, побудову за їх допомогою чорно-білого В-зображення біологічного об'єкту, визначення переміщень ui в напрямку зондування відбивачів ультразвуку в кожному з вимірювальних об'ємів, винайдення за величиною переміщень величини відносної деформації та обрахування модуля зсуву за даними про величину відносної деформації та напруження p . Згідно із описаним вище способом модуль Юнга обчислюється відповідно до формули p E , (1)  де p - напруження на поверхні об'єкту,   [u(r1)  u(r2 )] / l12 - відносна деформація, яка визначається переміщеннями u(r1 ) і u(r2 ) 40 45 50 55 тканини у двох вимірювальних об'ємах, що відрізняються координатою вздовж напрямку зондування, і відстанню між ними l12  r1  r2 до навантаження. Модуль Юнга (1) відповідає середньому значенню цього параметра для ділянки тканини між вимірювальними об'ємами. Навантаження у описаному способі може створюватись за допомогою того самого ультразвукового перетворювача, який здійснює ультразвукове зондування, що дозволяє в принципі обчислити модулі Юнга та зсуву. Недоліком цього способу є низька точність вимірювань, оскільки в реальних умовах неможливо створити у біологічних об'єктах, які зазвичай мають складну геометрію, деформацію однобічного вільного розтягнення або стискання, для якого справедлива формула (1). Внаслідок цього дійсні локальні напруження у тканинах можуть суттєво відрізнятися від тих, що на поверхні об'єкту, до якої прикладається навантаження, навіть у випадку, коли поверхневі напруження точно визначені. Тому у практичних медичних застосуваннях цей спосіб залишається якісним [4]. Крім того, усі м'які тканини характеризуються великою нелінійністю своїх механічних властивостей включно із модулем Юнга. Зокрема, із збільшенням напружень уявна величина модуля Юнга усіх тканин молочної залози зростає тим більше, чим більше навантаження [3]. Для отримання якісного чорно-білого В-зображення та більш точного вимірювання модуля Юнга завжди застосовують таке поверхневе навантаження, яке забезпечує необхідний акустичний контакт. Внаслідок 1 UA 115604 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 такого навантаження вздовж напрямку зондування створюється напруження, яке може суттєво впливати на уявну величину модуля Юнга. Відомі способи ультразвукового вимірювання пружності м'яких тканин молочної залози жінок [4] із застосуванням мінімального навантаження поверхні молочної залози. Спосіб включає в себе створення наперед визначеного зовнішнього навантаження на об'єкт дослідження, завдавання напрямку зондування, який співпадає із напрямом дії навантаження, періодичне випромінювання вздовж напрямку зондування послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, побудову за їх допомогою чорно-білого В-зображення м'яких тканин молочної залози, обрання такого остаточного мінімального рівня навантаження молочної залози, при якому чорно-біле В-зображення ще залишається якісним, визначення переміщень в напрямку зондування відбивачів ультразвуку в кожному з вимірювальних об'ємів, подальше винайдення за величиною переміщень величини відносної деформації та обрахування модуля зсуву за даними про величину відносної деформації та напруження. Підтримання навантаження поверхні молочної залози на мінімально можливому рівні дозволяє зменшити вплив створюваних у тканинах локальних напружень на величину уявного модуля Юнга. До недоліків цього способу відноситься те, що у практичних медичних застосуваннях цей спосіб також залишається якісним [4]. Крім того, якість чорно-білого В-зображення визначається суб'єктивно шляхом візуального спостереження зображення на екрані монітору. В той же час, якість зображення залежить не тільки від навантаження молочної залози ультразвуковим перетворювачем, але й від багатьох інших чинників, серед яких, зокрема, налаштування ультразвукового сканера, монітору, фізіологічні особливості пацієнта і досвід лікаря користувача. В результаті неможливо забезпечити сталість створюваних навантаженням локальних напружень від обстеження до обстеження навіть у одного й того ж самого пацієнта. Ця обставина, у свою чергу, не дозволяє проводити достовірний моніторинг розвитку мастопатії, доброякісних та злоякісних вогнищевих новоутворень у фіброзно-залозистих тканинах молочної залози протягом тривалого часу. Відомі способи винайдення просторового розподілу модуля Юнга за допомогою зсувних хвиль, що збурюються безпосередньо в об'єкті дослідження [5, 6]. Найбільш близьким за технічним рішенням до способу, що пропонується, є спосіб ультразвукового вимірювання пружності м'яких тканин, запропонований в [6]. Спосіб включає в себе створення за допомогою ультразвукового перетворювача навантаження на поверхні молочної залози, завдавання площини сканування і множини напрямків зондування в площині сканування, випромінювання принаймні одного потужного сфокусованого ультразвукового пучка хвиль у напрямку, що співпадає з напрямками зондування, подальше випромінювання вздовж кожного з напрямків зондування періодичної послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, оцінку за допомогою електричних сигналів відгуку швидкості розповсюдження зсувних хвиль і модуля Юнга для вимірювальних об'ємів обраної множини напрямків зондування та візуалізацію просторового розподілу модуля Юнга. В описаному способі випромінювання принаймні одного потужного сфокусованого ультразвукового пучка необхідне для створення сили радіаційного тиску на тканини у визначеній області інтересу. Під дією динамічних напружень, що створюються силою радіаційного тиску, тканини здійснюють початкове зсувне переміщення, що призводить в подальшому до збурення і розповсюдження зсувних хвиль. Згідно із способом, що описується, для винайдення швидкості зсувних хвиль c t   /  і обчислення на цій основі модуля Юнга використовують перетворення Фур'є хвильового рівняння, що дає змогу винайти ці величини у відповідності до спектральних характеристик зсувних переміщень м'яких тканин при проходженні через них збурених зсувних хвиль. До переваг цього способу відноситься те, що він є кількісним, а вимірювання швидкості розповсюдження зсувних хвиль здійснюється безпосередньо в області їх локального збурення і розповсюдження, в результаті чого досягається просторова локальність визначення модуля Юнга. Недоліком є те, що забезпечення достатньо високого співвідношення "сигнал-шум" і, відповідно, необхідної точності оцінки модуля Юнга у фіброзно-залозистих тканинах у цьому способі можна контролювати тільки за допомогою рівня якості чорно-білого В-зображення. В результаті цього спосіб, що описується, нездатний забезпечити сталість створюваних навантаженням локальних напружень протягом тривалого часу. 2 UA 115604 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу винаходу поставлена задача створення способу ультразвукового вимірювання пружності м'яких тканин молочної залози жінок, який дозволяє підвищити точність визначення пружних параметрів при дифузній мастопатії та при виникненні доброякісних та злоякісних вогнищевих новоутворень у фіброзно-залозистих тканинах молочної залози в процесі їх розвитку шляхом забезпечення сталості внутрішніх напружень, що виникають при навантаженні молочної залози. Поставлена задача вирішується тим, що у способі, прийнятому за найближчий аналог, який включає: створення за допомогою ультразвукового перетворювача навантаження на поверхні молочної залози, завдавання площини сканування і множини напрямків зондування в площині сканування, випромінювання принаймні одного потужного сфокусованого ультразвукового пучка хвиль у напрямку, що співпадає з напрямками зондування, подальше випромінювання вздовж кожного з напрямків зондування періодичної послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, оцінку за допомогою електричних сигналів відгуку швидкості розповсюдження зсувних хвиль і модуля Юнга для вимірювальних об'ємів обраної множини напрямків зондування та візуалізацію просторового розподілу модуля Юнга, згідно з винаходом завдавання площини сканування і множини напрямків зондування є таким, при якому вони перетинають жирові тканини молочної залози, а оцінка швидкості розповсюдження зсувних хвиль і модуля Юнга для вимірювальних об'ємів, розташованих у фіброзно-залозистих тканинах молочної залози, проводиться при такому остаточно обраному рівні навантаження, при якому оцінка модуля Юнга у вимірювальних об'ємах, розташованих у жирових тканинах молочної залози, відповідає наперед заданому діапазону значень. Суть запропонованого винаходу також пояснюється ілюстраціями Фіг. 1 та Фіг. 2. На Фіг.1 показане чорно-біле В-зображення молочної залози в режимі зсувнохвильової еластографії при такому обранні площини сканування і множини напрямків зондування, коли вони перетинають жирові (ЖТ) і фіброзно-залозисті (ФЗТ) тканини; середній модуль Юнга ЖТ у контрольному об'ємі у вигляді кола дорівнює 2,98 кПа (верхнє зображення), середній модуль Юнга ФЗТ - 7,14 кПа (нижнє зображення). На Фіг. 2 представлене зображення молочної залози пацієнта з середнім модулем Юнга ЖТ 3,07 кПа (верхнє зображення) і середнім модулем Юнга ФЗТ 3,41 кПа (нижнє зображення). Спосіб ультразвукового вимірювання пружності м'яких тканин молочної залози жінок включає в себе створення за допомогою ультразвукового перетворювача навантаження на поверхні молочної залози, завдавання такої площини сканування і множини напрямків зондування в площині сканування, при якому вони перетинають жирові тканини молочної залози, випромінювання принаймні одного потужного сфокусованого ультразвукового пучка хвиль у напрямку, що співпадає з напрямками зондування, подальше випромінювання вздовж кожного з напрямків зондування періодичної послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, оцінку за допомогою електричних сигналів відгуку швидкості розповсюдження зсувних хвиль і модуля Юнга у вимірювальних об'ємах, розташованих у жирових тканинах молочної залози, обрання такого остаточного рівня навантаження молочної залози, при якому оцінка модуля Юнга у вимірювальних об'ємах, розташованих у жирових тканинах молочної залози, відповідає наперед заданому діапазону значень, подальшу оцінку швидкості розповсюдження зсувних хвиль і модуля Юнга для вимірювальних об'ємів, розташованих у фіброзно-залозистих тканинах молочної залози та візуалізацію просторового розподілу модуля Юнга. У запропонованому способі використовується той факт, що при розвитку мастопатії, доброякісних та злоякісних новоутворень у фіброзно-залозистих тканинах пружність жирових тканин змінюється в незначному діапазоні [3, 7]. При навантаженні модуль Юнга жирових і фіброзно-залозистих тканин зростає, але при сталих внутрішніх напруженнях результат вимірювання модуля Юнга жирових тканин буде незмінним. Незмінність виміряного модуля Юнга жирових тканин при різних обстеженнях свідчитиме, що кожного разу у одного й того ж пацієнта внутрішні напруження у жирових, а, отже, й у фіброзно-залозистих тканинах, є однаковими у порівнянні з попередніми обстеженнями. Для жирових тканин молочної залози in vitro модуль Юнга має відносно невеликий природний розкид значень 3,25±0,91 кПа [7]. На Фіг. 1-2 наведені дані, які свідчать про те, що при близьких значеннях жорсткості жирової тканини на контрлатеральних ділянках молочних залоз реєструються суттєві відмінності в жорсткості фіброзно-залозистої тканини для різних пацієнтів приблизно одного віку, що свідчить про різний стан цих тканин. Вибір у наведених 3 UA 115604 C2 5 10 15 20 25 30 випадках значення модуля Юнга з діапазону Ε=2,9±0,1 кПа для жирової тканини був обумовлений тим, що при таких значеннях модуля Юнга практично завжди забезпечується відносно невелике навантаження, сумісне в той же час з необхідною точністю обчислення модуля Юнга і якістю чорно-білого В-зображення. Загалом же обрання діапазону значень модуля Юнга жирових тканин молочної залози залежить від віку пацієнта, оскільки з підвищенням віку встановлене зростання модуля Юнга жирової тканини жінок [4, 7, 8]. Заявлений спосіб ультразвукового вимірювання пружності м'яких тканин молочної залози може бути реалізований відомими у техніці пристроями [6]. Зокрема, результати наведених на Фіг. 1-2 вимірювань були отримані за допомогою ультразвукового діагностичного сканеру ULTIMA PA ("Радмір", Харків) в процесі обстеження 80-и хворих, які досліджувалися на базі кафедри променевої діагностики НМАПО ім. П.Л. Шупика. Джерела інформації: 1. Применение ультразвука в медицине. Физические основы/ Под ред. К. Хилла. - М.: Мир, 1989. - с. 346. 2. Пат. 5474070 США, МКИ А61В 8/00. Jonathan Ophir, Ignacio Cespedes, Method and apparatus for elastographic measurement and imaging, United States Patent 5474070, Dec. 12, 1995. 3. Krouskop T.A. Elastic Moduli of Breast and Prostate Tissues under Compression/ Thomas A. Krouskop, Thomas M. Wheeler, Faouzi Kallel et al.// Ultrason Imaging. - 1998. - v. 20. - P. 260-274. 4. Barr R.G. Sonographic Breast Elastography// J Ultrasound Med. - 2012. - V. 31. - P. 773-783. 5. Пат. 7252004 США, МКИ G01N 29/04. Mathias A. Fink, Mickael Tanter, Imaging method and device employing shear waves, United States Patent 7252004, Aug. 7, 2007. 51 6. Пат. 25742 Україна, МПК А61В 8/08, G01N 29/04. Спосіб ультразвукового вимірювання пружності біологічних тканин в реальному часі та пристрій для його здійснення/ Баранник Є.O., Бойченко Ю.П., Динник О.Б. та ін.; заявник і власник Литвиненко С.В. - № а201108624; заявл. 11.07.2011; опубл. 10.01.13, Бюл. № 1. 7. Samani A, Zubovits J, Plewes D. Elastic moduli of normal and pathological human breast tissues: An inversion-technique-based investigation of 169 samples.// Physics in Medicine and Biology. - 2007. - V. 52. - № 6. - P: 1565-1576. 8. Cosgrove D. Shearwave Elasticity Measurements of Breast Fat/ D. Cosgrove, С. Dore, R. Hooley, E.B. Mendelson, L.Barke, A. Cossi, B. Cavanaugh, L. Larsen// Ultrasound in Medicine and Biology. - 2011. - V 37. - № 8. - P. S47. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 Спосіб ультразвукового вимірювання пружності м'яких тканин молочної залози жінок, що включає створення за допомогою ультразвукового перетворювача навантаження на поверхні молочної залози, завдавання площини сканування і множини напрямків зондування в площині сканування, випромінювання принаймні одного потужного сфокусованого ультразвукового пучка хвиль у напрямку, що співпадає з напрямками зондування, подальше випромінювання вздовж кожного з напрямків зондування періодичної послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, оцінку за допомогою електричних сигналів відгуку швидкості розповсюдження зсувних хвиль і модуля Юнга для вимірювальних об'ємів обраної множини напрямків зондування та візуалізацію просторового розподілу модуля Юнга, який відрізняється тим, що завдавання площини сканування і множини напрямків зондування є таким, при якому вони перетинають жирові тканини молочної залози, а оцінка швидкості розповсюдження зсувних хвиль і модуля Юнга для вимірювальних об'ємів, розташованих у фіброзно-залозистих тканинах молочної залози, проводиться при такому рівні навантаження, при якому оцінка модуля Юнга у вимірювальних об'ємах, розташованих у жирових тканинах молочної залози, відповідає наперед заданому діапазону значень. 4 UA 115604 C2 5 UA 115604 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6