带有液压驱动器的磁共振弹性成像系统

摘要

一种磁共振弹性成像(MRE)系统(112)的液压驱动器(100)，用于连接到与被检测对象接触的至少一个被动促动器(110)上。所述液压驱动器(100)包括泵(2)、与所述泵(2)可操作连接的液压活塞-缸单元(3)、以及管道组件。所述管道组件包括与所述液压活塞缸单元(3)流体连通的近端、以及与所述被动促动器(110)流体连通的远端。当所述泵(2)驱动所述活塞(31)在所述液压活塞缸单元(3)的缸内向前和向后运动时，所述被动促动器(110)对液压驱动器(100)内的液体产生的液压能做出响应，产生振荡。

说明书

技术领域

本专利申请涉及一种带有液压驱动器的磁共振弹性成像系统。

背景技术

有许多诊断工具可帮助医师来检查和定位病变组织。可通过成像特征测得的物理特性来检查许多病变组织，但是仍有许多疾病不能被检查。磁共振弹性成像(MRE)可以以下述方式覆盖这些不能被检查的疾病或者FDA新药物测试，这些疾病是例如很小的瘤、癌、肝硬化、动脉硬化、淋巴水肿、轻度认知障碍(MCI)或相关脑部疾病的早期检查。

MRE以非常高的分辨率来检查“原子密度变化”。病变组织在“形状变化”之前，会改变其“弹性”和“密度”。弹性成像可以检查组织在“形状变化”之前的“弹性变化”或者“密度变化”。MRE可以在病变组织的“形状变化”之前检查到它，而“形状变化”可以使用其它的诊断工具来检查，例如X射线、CT、超声波、PET以及磁共振成像(MRI)。MRE可以在病变组织的“功能、酶、化学成分、电解液、脂质和蛋白质变化”之前检查到它，而这些变化可以通过血液测试(例如，肝功能、肝酶、肝化学成分、肝电解液、肝脂质和肝蛋白质)来检查。早期的检查可以改善治疗效果。MRE改善了早期的检查能力，包括(a)小尺寸的“形状变化”；(b)“形状变化”之前的某些其它物理特性的变化；(c)在“功能、酶、化学成分、电解液、脂质和蛋白质变化”之前的某些其它物理特性的变化；以及(d)小尺寸的“某些其它物理特性变化”。

历史上，医师的一种最有价值的诊断手段是触诊。通过触诊病人，医师可以感觉到组织的顺应性上的不同，并检查瘤和其它组织异常的出现。不幸的是，这种有价值的诊断仅限于医师可以感觉到的那些组织和器官，许多病变的内部器官不能被诊断，除非病变碰巧可以通过一种常规的成像特征来检查到。瘤(例如肝和大脑瘤)不能通过现有的成像特征检查，也不能通过对病人的皮肤和肌肉组织进行触诊来接触，瘤的硬度通常在外科由外科医生直接触诊暴露的器官来进行检查。触诊是检查淋巴结肿大、前列腺瘤和乳腺瘤的最普遍的方法。不幸的是，不能接触到这些组织的更深层部分以进行评估。成像系统可扩展医师的能力，以检查病人的整个身体的组织顺应性的不同，从而扩展了这种有价值的诊断手段。

当将振荡应力施加到被MRE方法成像的物体上时，MRI可以被增强。这种方法要求振荡应力产生在待成像的器官或组织中传播的切变波。这些切变波改变了核共振成像(NMR)信号的相位，由此可以确定被检查对象的机械特性。在许多应用中，在组织中产生切变波仅仅是采用电机设备对检测对象的表面进行物理振荡。例如，通过与振动设备直接接触，在乳房和前列腺中产生切变波。并且，对于胃和子宫之类的器官，可通过插入器官内的器具的方式，直接施加振荡力。

MRE早期检查依赖于它的驱动器。已经研发了许多驱动设备，以产生施行MRE所需要的振荡力。电机驱动器设备通常包括线圈，振荡电流流过该线圈。为了产生振荡电流，线圈必须在MRI系统的极化磁场内定向，以避免与磁场相互作用。振荡电流的力被传递到被检查对象上，该被检查对象由多个不同的机械装备成像。这样的MRE驱动器可以通过较大的位移产生较大的力，但是它们受到约束，需要保持线圈相对于极化磁场适当排列。此外，驱动线圈中的电流产生了磁场，该磁场在磁共振脉冲序列中可改变磁场，这将会导致不期望的影像假象。由于涡流的原因，在磁共振(MR)扫描的过程中很容易烧坏，特别是在高场MR系统(例如，3T MR系统)中。

另一个方法是使用压电驱动器。压电驱动器也可以定向于任何方向，因为它们不依靠于极化磁场方向来进行合适的操作。当操作时，这样的驱动器不会在扫描器磁场中产生麻烦的干扰，但是它们受限于它们可以产生的力，特别是在较大的位移时。由于材料较薄和易碎，在加大的力的作用下，它很容易破碎。

另一个方法是使用气动驱动器。气动驱动器产生较大的力，并可以在MR系统中朝任何方向定向。虽然没有假象，但是由于较硬的管道和较硬的被动促动器，很难将其定位。当将较硬的被动促动器放在被检测对象的某些区域尤其是脑部时，被检测对象将会感觉到非常不舒服。气动驱动器末端的刺激频率和功率是未知的。并且，由于管道较长，功率被严重削弱。

以上对背景技术的描述用于帮助理解本申请中公开的用于磁共振弹性成像的液压驱动器，但并不承认描述或构成了用于磁共振弹性成像的液压驱动器的确切现有技术，或者将任何参考文件看作是本申请的权利要求的可专利性的材料。

发明内容

一种磁共振弹性成像(MRE)系统，包括液压驱动器，所述液压驱动器用于产生振荡被检测对象例如人的液压能。

所述液压驱动器连接到用于与被检测对象接触的至少一个被动促动器上。所述液压驱动器包括泵、与所述泵可操作连接的液压活塞缸单元、以及管道组件。所述管道组件包括与所述液压活塞缸单元流体连通的近端、以及与所述被动促动器流体连通的远端。当所述泵驱动所述活塞在所述液压活塞缸单元的缸内向前和向后运动时，所述被动促动器对液压驱动器内的液体产生的液压能做出响应，产生振荡。

所述管道组件至少包括带有近端和远端的柔性软管，所述被动促动器与所述柔性软管的远端液压连接。

所述管道组件还包括管道连接器，所述管道连接器的一端具有用于与从活塞缸单元伸出的管道流体连通的开口，相对的一端至少具有用于与所述柔性软管的近端流体连通的开口。

所述柔性软管和被动促动器的尺寸和形状利于插入人体的内部。

所述管道组件包括储液器，所述储液器的一端具有用于与从活塞缸单元伸出的第一管道流体连通的开口，相对的一端具有用于与引向所述被动促动器的第二管道流体连通的开口。

所述液压驱动器包括用于控制所述泵的控制器。所述被动促动器包括压力传感器，用于测量压力，并将反馈信号提供给所述控制器。所述被动促动器包括频率传感器，用于测量频率并将反馈信号提供给所述控制器。

所述液压驱动器中的液体在MRE图像中产生黑暗的背景。

附图说明

图1是根据本专利申请公开的实施例、用于MRE系统中的液压驱动器的实例的框图。

图2是根据本申请的实施例、液压驱动器和被动促动器的透视图。

图3是图2中的液压驱动器和被动促动器的横截面图。

图4是图2中的被动促动器的放大透视图。

图5是图4的被动促动器的横截面图。

图6是图4的被动促动器的横截面图，其中将压力传感器或者频率传感器从其上移除。

图7(a)-(d)是在本申请中公开的液压驱动器的管道连接器的四个实施例的透视图。

图7(e)-(h)分别是图7(a)-(d)的四个管道连接器的横截面图。

图8示出了用于消化系统的两个液压驱动器，例如分别用于食道和肠道。

图9示出了用于胃部的单液压驱动器，例如用于食管、贲门括约肌、胃底、胃中部、幽门、幽门括约肌和十二指肠。

图10示出了用于气管的单液压驱动器。

图11示出了用于子宫、输卵管、卵巢、子宫颈和阴道的单液压驱动器。

图12示出了用于心肌和血管壁的多液压驱动器，例如用于左右心房、左右心室、下腔静脉、上腔静脉、肺静脉、肺动脉和大动脉。

图13示出了用于血管系统的单液压驱动器，例如用于颈动脉、锁骨下动脉、腹部大血管、肠动脉、肾动脉和回肠动脉；以及锁骨下静脉、颈静脉、肾静脉和髂静脉。

具体实施方式

现在将参照描述在本申请中公开的用于磁共振弹性成像的液压驱动器的优选实施例的细节，其例子也在以下的描述中给出。本申请的液压驱动器的示范性实施例被详细描述，但是对本技术领域的人员来说很明显，为了简洁起见，对于理解液压驱动器来说不是特别重要的某些特征没有示出。

此外，还应当理解，在本专利申请中公开的MRE系统并不限于以下描述的精确实施例。本技术领域的人员可以做出各种改变和修改，而不脱离所附的权利要求的精神或范围。例如，在本公开文件和所附权利要求的范围内，不同示例性实施例的元件和/或特征可以彼此组合和/或彼此替换。

此外，在阅读该公开文件、附图和所附的权利要求之后，对于本技术领域的人员来说显而易见的改进和修改都位于所附的权利要求的精神和范围内。

应当注意的是，在此处的说明书和权利要求书全文中，当一个元件与另一个元件“相连”或者“被连接到”另一个元件时，这并不必然意味着一个元件系紧、紧固或者附接到另一个元件上。相反，术语“连接”或者“被连接到”意味着一个元件直接或者间接连接到另一个元件，或者与另一个元件机械地、电气地、或者流体地连通。

如在此所使用的，术语“远端”指的是朝向磁共振扫描室内的被检测对象的端部，术语“近端”指的是与“远端”相反的、远离被检测对象的端部。如在此使用的，术语“被检测对象”指的是动物或人。

图1示出了根据本专利申请公开的实施例、用于MRE系统112中的液压驱动器100的实例的框图。

MRE系统112包括液压驱动器100，该液压驱动器100至少与MRI系统102的隔离舱内的被动促动器110液压连接。液压驱动器100位于隔离舱外。被动促动器110可以放置在位于MRI系统102的隔离舱内部的患者104的表面或者患者104的内部器官甚至是血管中。患者104可以被送进MRI扫描器中进行MRI扫描。位于MRI系统102的隔离舱内的MRI扫描器103受到MRI控制台105的控制。通过MRI扫描器103进行的MRE系统112的操作会产生MRE数据106，该MRE数据106被后期处理软件107处理，以产生MRE波形图像和可以在显示设备上以图形显示的弹性图像108。

MRE系统112的液压驱动器100使用信号组件(MRE控制器)115产生的信号，信号组件(MRE控制器)115可以是手提式的。信号组件115包括用于发生信号的发生器、用于显示来自发生器的信号的示波镜、以及用于增加信号的功率的放大器。发生器的信号产生可通过信号线(触发器)114与MRI扫描器103的操作同步。典型的频率为40-1000Hz。信号持续时间为整个MRE扫描期间。

MRE系统112可以还包括电-光-电转换器113。液压驱动器100需要电信号以进行操作。但是，使用金属线提供信号可能会使信号中包括干扰，因为金属线将会感应地接收MRI扫描器103产生的EM场。因此，MRI扫描器103可能会与液压驱动器100的操作干涉。离开放大器的信号被转换器113转换成光信号。这样的转换可通过使用LED或者OLED或者LED激光来完成。接下来光信号被光纤传送到液压驱动器100。

在MRE扫描的过程中，可以在患者104身上产生较大的振荡力，而不与MRI系统102的操作产生干涉。振荡力可以由MRE系统112的液压驱动器100产生，该液压驱动器100远离MRI系统102磁场。能量源来自产生声切变波的液压驱动器。因此，液压驱动器产生的任何机械刺激都不会与MRI扫描器103的操作发生干涉。

被动促动器110可以可靠地、持久地、敏感地、以更少的衰减和更高的舒适度在患者104的表面或患者104的内部器官内以任何方向定向。MRE系统112的液压驱动器很容易设定和使用。

图2和图3示出了根据本专利申请公开的实施例、用于磁共振弹性成像的液压驱动器和被动促动器。

液压驱动器可包括泵2和用于控制泵2的控制器1。液压活塞-缸单元3可操作地连接到泵2。液压活塞-缸单元3具有工作活塞31和充满液压流体的液压缸32。工作活塞31可以在液压缸32内向前和向后运动，以通过液压驱动器内的液压流体产生液压能。控制器1、泵2和液压活塞-缸单元3可以位于MRI系统102的隔离舱外部的液压驱动器的近端。

MRI系统的被动促动器110具有膜101，用于与被检测对象的表面接触，或者用于插入到内部器官甚至是被检测对象(例如人)的血管内。被动促动器110可以连接到液压驱动器的远端，且位于MRI系统102的隔离舱内部。当泵2驱动活塞31在液压活塞-缸单元3内往复运动时，膜101对液压驱动器内的流体产生的液压能做出响应，产生振荡。

所述液压驱动器包括管道组件，用于将液压活塞-缸单元3与被动促动器110液压相连。所述管道组件具有与液压活塞-缸单元3流体连通的近端部分、以及与被动促动器110流体连通的远端部分。液压活塞-缸单元3、管道组件以及被动促动器110中的流体可以是油、优选商标为Fomblin的油，或者可以在MRE图像中产生黑暗背景的任何其他流体。如果使用水，将会在MRE图像中产生不期望的光亮背景。

根据本专利申请公开的实施例，管道组件至少包括带有近端和远端的柔性软管。被动促动器110和柔性软管18可以由塑料制成，例如聚碳酸酯、或者不会干扰MRI系统102产生的磁场的任何材料。软管18可穿过MRI扫描室的孔，且长度足够将扫描室102内的被动促动器110与扫描室外的液压活塞-缸单元3相连。柔性软管18和被动促动器110的尺寸和形状利于放置在被检测对象的表面、或者插入被检测对象(例如，人)的内部器官、或者甚至是被检测对象(例如，人)的血管。

管道组件可包括管道连接器9。管道连接器9的一端具有用于与从活塞缸单元3伸出的管道8流体连通的开口，相对的一端至少具有用于与柔性软管18的近端流体连通的开口。

管道组件包括储液器5，储液器5的一端具有用于与从活塞缸单元3相连的管道4流体连通的开口，相对的一端具有用于与引向被动促动器110的管道8流体连通的开口。可以看出，管道4的直径大于管道8的直径。当流体通过储液器5从管道4流到管道8时，这可以增加流体的压力。可以在储液器上设置阀门6，以便于增加其中的流体，并调节液压驱动器中的流体。

气体释放阀7可以设置在管道8上，以释放可能在其中形成的气体。如果合适，气体释放阀7可以设置在液压驱动器的任何其他位置。

压力传感器11和频率传感器12可移除地连接到膜101上，用于测量其压力和频率，并将反馈信号提供给控制器1以进行必要的调节。这确保液压驱动器的安全和合适操作。

图4、5和6示出了根据本申请公开的实施例的被动促动器110。被动促动器110与软管18的远端液压连接。根据所示的实施例，被动促动器110具有延伸覆盖被动促动器110的开口的膜101。膜101由塑料或者任何其他合适的材料制成。

液压驱动器的振荡可以通过柔性软管18中的流体传递到被动促动器110中的流体，使得软膜101振荡。膜101抵置在被检测对象上，并对被检测对象施加对应的振荡力。这种类型的被动促动器适合对对检测对象的表面施加振荡力。

本技术领域的人员可以理解，液压驱动器的被动促动器110可以是任何形式，只要它能够抵置在对检测对象的表面，并在接触面上产生必需的振荡力。例如，被动促动器110可以采用软塑料袋(soft plastic sack)的形式。该软塑料袋可液压连接至柔性软管18的远端。液压驱动器的振荡可通过柔性软管18中的流体传递给塑料袋中的流体。该塑料袋抵置在被检测对象上，并将对应的振荡力施加在被检测对象上。这种类型的被动促动器适合于插入到被检测对象的内部器官中。

被动促动器110也可以是弹性管的形式，可对液压能做出响应、进行膨胀和收缩。这种类型的被动促动器适于包围在被检测对象的四肢周围。

在对被检测对象执行MRE操作之前，压力传感器11和频率传感器12可以附于膜101上，如图5所示，以测量其压力和频率。如果与设定的压力/频率相比，压力或频率太高或太低，那么会发送反馈信号到控制器1，进行必要的调整。如果压力和频率都满足操作的要求，可以将压力传感器11和频率传感器12从膜101移除，如图6所示。然后可以将膜101附着于被检测对象上。箭头指示被动促动器110内的流体传播方向。

图7(a)-(h)示出了在本申请中公开的管道连接器9的四个实施例。

如图7(a)和7(e)的第一实施例所示，管道连接器91的一端具有由管状元件85形成的开口，用于与管道8流体连通，相对的一端具有由两个管状元件95形成的两个开口，用于与两个柔性软管18的近端流体连通。管道8和两个柔性软管18固定连接到管道连接器91，形成双液压驱动器。

如图7(b)和7(f)的第二实施例所示，管道连接器92的一端具有由管状元件86形成的开口，用于与管道8流体连通，相对的一端具有由四个管状元件96形成的四个开口，用于与四个柔性软管18的近端流体连通。图7(b)和7(f)示出了一个柔性软管18插入管道连接器92的一个管状元件96。柔性软管18可以通过常规的紧固和/或密封方式固定到管道连接器92的管状元件96内，从而形成四液压驱动器。

如图7(c)和7(g)的第三实施例所示，管道连接器93的一端具有由管状元件87形成的开口，用于与管道8流体连通，相对的一端具有由六个管状元件95形成的六个开口，用于与六个柔性软管18的近端流体连通。管道8和柔性软管18固定连接到管道连接器91，形成多液压驱动器。

应当理解的是，液压驱动器可以只有一个柔性软管18。如图7(d)-(h)所示的第四实施例中，管道连接器94的一端具有由管状元件88形成的开口，用于与管道8流体连通，相对的一端具有由管状元件98形成的一个开口，用于与一个柔性软管18的近端流体连通，从而形成单液压驱动器。

应当理解的是，双或者多液压驱动器的柔性软管18可以插入到内部器官的不同区域，或者插入被检测对象的不同内部器官，这样便可以在被检测对象的不同位置放置多个被动促动器110以进行可能的同时操作。

图8示出了使用两个液压驱动器来检查消化系统的不同部位，例如食道和肠道。液压驱动器分别有两个柔性软管18和两个被动促动器110。一个柔性软管118插入食道，另一个柔性软管18插入肠道。可以看出，两个被动促动器110位于两个柔性软管18的远端，且根据器官的尺寸而具有不同的尺寸。

图9示出了使用单液压驱动器来检查胃部的不同部分，例如食管、贲门括约肌、胃底、胃中部、幽门、幽门括约肌和十二指肠。该单液压驱动器具有用于插入到被检查对象的胃部的一个柔性软管18、以及位于远端且用于检查胃部的不同区域的一个被动促动器110。

图10示出了使用单液压驱动器来检查气管。同样，该单液压驱动器具有用于插入到被检查对象的气管的一个柔性软管18、以及位于远端且用于检查气管的不同区域的一个被动促动器110。

图11示出了使用单液压驱动器来检查子宫、输卵管、卵巢、子宫颈和阴道、以早期检查生殖器癌症或瘤。同样，该单液压驱动器具有用于插入到被检测对象的子宫的一个柔性软管18、以及位于远端且用于检查子宫的不同区域的一个被动促动器110。

图12示出了使用多液压驱动器来检查心脏的不同部分，包括心肌和血管壁，例如左右心房、左右心室、下腔静脉、上腔静脉、肺静脉、肺动脉和大动脉。该多液压驱动器有多个柔性软管18，每个的远端都液压连接有一个或多个被动促动器110。柔性软管18可以通过上腔静脉和下腔静脉到达右心房，或者通过右心房到达右心室和肺动脉，或者通过肺静脉到达左心室和大动脉。

图13示出了使用单液压驱动器来检查血管系统的不同部分，例如颈动脉、锁骨下动脉、腹部大血管、肠动脉、肾动脉、回肠动脉、锁骨下静脉、颈静脉、肾静脉和髂静脉，以在早期检查动脉硬化。该单液压驱动器具有用于插入到被检测对象的血管系统的一个柔性软管18，其远端液压连接有一个被动促动器110。可以理解，用于检查血管系统的被动促动器110的尺寸远远小于用于检查其他较大的内部器官(例如胃)的被动促动器的尺寸。

在医学上有四种主要应用。第一种应用是瘤的检查。外科医生采用触诊找出瘤的猜测工作通过使用MRI扫描器进行高质量精确3D成像来代替。第二种应用是在可以通过血液检测检查出来的反常的肝功能、酶、化学成分、脂质和蛋白质变化之前，早期检测肝硬化。第三种应用是早期检测动脉硬化，这是一种没有已知方法可以诊断的主要疾病，除了通过次生效应(secondary effect)或者外科手术。第四种应用是早期检查阿尔茨海默氏症(AD)或者相关的脑部疾病。根据尸体解剖，已经得知AD脑的结构与正常的大脑不同，也就是，发现了β-淀粉样肽和纤维状混乱结构。所有的应用都基于疾病引起的组织的弹性改变。虽然在文献中已经报告了瘤和肝硬化的诊断，但是第三和第四种应用还没有被报告，尽管这是很明显的。

本申请公开的用于磁共振弹性成像的液压驱动器适用于轻度认知障碍(MCI)、阿尔茨海默氏症(AD)、肝硬化、动脉硬化、淋巴瘤、以及乳腺、肝脏、肾和前列腺瘤的感知和特殊检查。它使用入侵式的液压驱动器对消化系统(例如食道、胃和肠道)以及气管进行硬度分析。它还可以检查生殖器疾病和瘤，例如子宫、输卵管、卵巢、子宫颈和阴道。

虽然已经图示并特别参照本申请的几个优选实施例对本申请中公开的用于磁共振弹性成像的液压驱动器进行了描述，但应该注意，可以做出各种其他改变或者修改而不脱离所附的权利要求的范围。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求申请日为2009年2月16日的美国临时专利申请61/029,324的优先权，并将其全文引用于此。