[发明专利]使用超声波波形断层成像的组织成像和分析

说明书

本申请提出了使用超声波波形断层成像来分析组织体积的系统和相关方法。通过使用频域波形断层成像技术和梯度下降算法，所述系统可以将具有变化的密度和不同类型病变的组织体积如乳房组织的声速分布重建。通过允许声速具有表征声音衰减的虚分量，所述系统可以以较细的粒度来分类不同类型的病变。

交叉引用

本申请要求提交于2015年9月1日的美国临时专利申请号62/212,983(代理人案卷号50174-732.101)和提交于2016年2月12日的美国临时专利申请号62/294,360(代理人案卷号50174-732.102)的权益，所述申请通过引用并入本文。本申请与美国专利申请号14/817,470(代理人案卷号50174-728.201)相关，该申请通过引用并入本文。

关于联邦资助研究的声明

本发明在由国立卫生研究院(National Institutes of Health，NIH)通过国立癌症研究所授予的基金R43CA171601和R44CA165320的政府支持下完成。政府对本发明享有一定权利。

援引并入

本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同特别地且单独地指出每一个单独的出版物、专利或专利申请均通过引用而并入。

发明背景

乳腺癌是癌症死亡的主要原因之一，其在较早诊断和检测时具有较低的死亡率。乳房X线照相术(mammography)是乳腺癌筛查的当前标准，但并非不存在问题。这导致了对其他用于检测和筛查乳腺癌的方法的兴趣。超声断层成像通过将断层成像的原理与环形超声换能器阵列相结合，成为了乳房成像中的新技术。

常规的超声涉及从源发射器发射沿着聚焦路径的声波或声束，以及允许该波从其路径中的组织或其他边界散射(例如，以反射、折射、衍射、透射的形式)。散射波返回到一个或多个接收元件的表面，该一个或多个接收元件可以以发射器为中心和/或包括发射器。

发明内容

本申请提出了对组织体积(a volume of tissue)进行成像和分析以用于筛查和诊断目的的系统和相关方法。在一些实施方式中，所述系统通过使所述组织体积经受环形换能器设置来生成声信号、针对所述声信号计算所述组织体积的声学性质如声音衰减，并基于所述声学性质提供关于所述组织体积的诊断信息。通过经由所述环状换能器设置生成广泛且系统性的声信号，所述系统可以提高对所述组织体积的声学性质进行计算的准确性。通过对除声速之外的声音衰减进行建模，所述系统可以进一步提高所述计算的准确性并最终提高所述生成诊断信息的有效性。

在一个方面，根据本发明的其他方面提供了分析组织体积的计算机实现的方法。所述方法包括从换能器接收来源于通过所述组织体积传输的声波波形的一组声信号。所述换能器包括被配置成围绕所述组织体积的超声发射器阵列和超声接收器阵列。所述方法还包括生成表征声音衰减的声速模型以表示跨所述组织体积的区域的声速分布；从所述声信号组提取一组频率分量；根据频率分量和所述声速模型生成模拟波场；针对所述频率分量组中的每一个频率分量相对于所述模拟波场迭代地细化所述声速模型的值，直到满足阈值条件，从而产生所述声速模型的最终值；从所述声速模型的所述最终值计算衰减表示；以及基于所述衰减表示来描绘(render)所述组织体积的一个或多个图像。

在一些实施方式中，生成所述模拟波场包括根据表达为的亥姆霍兹运算(Helmholtz operation)对通过所述组织体积传输的声波的传播进行建模。为拉普拉斯算子(Laplacian operator)，并且为亥姆霍兹算子(Helmholtz operator)，包括ω作为频率分量，c作为所述声速模型，u作为所述频率分量ω在所述换能器的位置r处获得的预期数值波场，以及s作为所述换能器的空间超声源。