(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の体内の被覆微気泡コントラスト剤の存在を、超音波探査により検出する超音波診断装置であって、
体内の被覆微気泡の破壊を生じさせるのに十分なエネルギーレベルで患者の体内に超音波パルスを発信し、そして各パルス発信後に戻る音響信号を受信し、それらを電気エコー信号に変換する超音波変換器；
該エコー信号を検出するための位相不感性検出器；
２つのパルス発信から得られた検出されたエコー信号を、空間基準で微分する微分器；および
微気泡破壊事象から生じたものとしての、しきい値を越える微分エコー信号を識別する手段
を有する超音波診断装置。
【請求項２】
該位相不感性検出器が、包絡線検出器からなる請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
該微分器が、各シークエンスのエコー信号の受信の時に対応して、先のパルス発信に続くエコー信号のシークエンスから、後のパルス発信に続くエコー信号のシークエンスを減じる減算器からなる請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
さらに識別された微気泡破壊事象を数える、事象計算器；および、
該事象計算器の計算値を表示する表示装置；
を有する請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項５】
該表示装置が、患者の体内の超音波画像と、数えられた微気泡破壊事象に対応する該画像中の位置とを同時に表示する画像表示装置からなる請求項４に記載の超音波診断装置。
【請求項６】
さらに、患者の体内の超音波画像と、微気泡破壊事象の空間位置に対応する該画像中の位置とを同時に表示する画像表示装置；
を有し、
さらに：該画像表示装置に接続し、そしてある微気泡破壊事象の識別に対応して、該事象を、該事象の発生時間よりも長い時間表示するための手段；
を有する請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項７】
該超音波変換器が、多素子変換器からなり；
さらに：該変換器の素子および該検出器と接続し、該変換器によるパルス発信のタイミングおよび、該電気エコー信号に与えられる遅延のタイミングを制御するためのビーム発生器；および
微気泡破壊事象の識別に対応し、そして該ビーム発生器に接続する、該ビーム発生器のタイミングを調整するための収差修正用サブシステム；
を有する請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項８】
収差修正のために、被覆微気泡コントラスト剤を利用する超音波診断装置であって：
体内の被覆微気泡の破壊を生じさせるのに十分なエネルギーレベルで、患者の体内に超音波パルスを発信し、そして各パルス発信後に戻る音響信号を受信し、それらを電気エコー信号に変換する超音波変換器アレー；
該超音波変換器アレーに接続し、該変換器アレーによりパルス発信のタイミングおよび該電気エコー信号に適用される遅れのタイミングを制御するための、ビーム発生器；および
該ビーム発生器に接続し、該電気エコー信号に応答する、微気泡破壊事象を検出するための検出器；および
該ビーム発生器に接続し、微気泡破壊事象の検出に応答して該ビーム発生器のタイミングをチェックするためのビーム発生器タイミングチェックサブシステム
からなる超音波診断装置。
【請求項９】
該ビーム発生器が、該電気エコー信号に調整可能な遅れを与えるための複数の遅れ信号通路を有し；
該ビーム発生器タイミングチェックサブシステムが、該ビーム発生器遅れ信号通路により遅延された微気泡破壊事象の電気エコー信号の時間同期に応答して、該調整可能な遅れを調整するための手段を有する、
請求項８に記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置による超音波コントラスト剤(contrast agent)の検出方法の改良に関し、特に被覆微気泡(coated microbubbles)からなるコントラスト剤の使用から生じる超音波信号の検出とその利用に関する。
【０００２】
ｎ
【従来の技術】
超音波診断画像処理装置は、完全に非侵襲的に身体内部の生理状態を測定し画像化することができる。超音波は、皮膚表面から体内に発信され、体内の組織および細胞で反射する。反射エコーは、超音波変換器により受信され、処理されて、血流を測定し、または画像を形成する。これにより、患者の体内を侵襲することなく診断が可能となる。
【０００３】
ところでコントラスト剤として知られる物質を、超音波診断の能力を高めるために体内に導入することができる。コントラスト剤とは、発信超音波より強いエコーを戻す等、超音波と強く相互作用する物質である。超音波コントラスト剤として特に有用性が認められている１つの物質が、微気泡と呼ばれる微小な気泡形状の空気である。空気の気泡は、気泡が懸濁している物質と空気とのインピーダンスの不一致のため、超音波エネルギーを強く反射する。患者を傷つけることなく、かつ空気が体内に行き渡り、自然に排出される形状で、体内に空気を注入するために、空気は微小な微気泡の形状で溶液中に懸濁される。コントラスト剤は、血流内に注入され、腎臓および肝臓で血流から濾過されるまで、血液と共に体内の静脈および動脈内を移動するので、微気泡コントラスト剤は、例えば、体内の血管系を画像化するのに有用である。
【０００４】
現在研究中の微気泡コントラスト剤の１つは、被覆微気泡からなっている。コントラスト剤の微気泡は、薄い生分解性ポリマーの被覆または殻で覆われている。この微気泡は、０．１から４．０μｍの間の直径および水の密度の約１／１０の比密度を有する。この被覆微気泡は、血流内に注入するために、水溶液中に懸濁している。
【０００５】
被覆微気泡は、ポリマー殻が微気泡を保護するため、相当の長期間体内で安定であるという利点がある。微気泡の大きさは、超音波の周波数でエネルギーを照射したときに、被覆微気泡が共鳴性を有するように選択される。微気泡の共鳴は、超音波ドップラー探査により比較的容易に検出することができる。
【０００６】
適度な高さの音圧振幅での微気泡の超音波エネルギーに対する反応は、さらに非線形となる場合があり、殻が破裂される。この音響に誘発された微気泡の破壊および崩壊は、色ドップラーモードにおける特徴的な明るいパターンそして強いドップラー応答そして高振幅Ｂモード応答を形成する。従って、色ドップラーは、被覆微気泡コントラスト剤の空殻の崩壊を検出するための好ましい方法となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、超音波パルスによる被覆微気泡の崩壊は、突然でほとんど瞬時の事象である。微気泡殻の破壊からのエコー応答は、殻を崩壊させた単一ドップラー波の後にのみ存在する。集合(ensemble)と呼ばれる一連の超音波パルスで患者を探査することによりなされる色ドップラー探査においては、微気泡崩壊の結果は、ドップラー探査期間中存在する。色ドップラーはこれらの事象を効率的に検出することができるけれども、これらの瞬間的反応は、体内の組織の動きにより、または超音波プローブそれ自身の動きにより発生する反応と類似しており、混乱を生じさせることに本発明者らは気付いていた。これらの条件は、プローブまたは組織の動きにより発生するドップラー色の突然の閃光(flash)からそのように名付けられた、フラッシュ(flash)と呼ばれる望ましくないドップラー虚像を発生させる場合がある。フラッシュ虚像は通常、色流れ処理の前にドップラー信号から除去されるのであるが、この除去が崩壊気泡から受信される信号をも除去する場合がある。微気泡破壊がはっきりと、動きにより発生する信号から識別できるような方法で、微気泡の破壊の結果を検出できることが望ましいであろう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、破壊する被覆微気泡コントラスト剤の検出のための診断用超音波装置が提供される。体内へのコントラスト剤の注入に続いて、被覆微気泡を含有する身体領域には、超音波の通路に存在する微気泡を崩壊させるのに十分なエネルギーの超音波が照射される。微気泡の破壊部位から発生する音響エネルギーは、超音波変換器により受信され、そしてその結果得られる信号は、受信信号波形の振幅検出法により検出される。その後の超音波発信から受信されるエコーは、同様にして検出され、２つの受信時期からの信号は、空間基準で微分される。説明している具体例において、２番目の受信時期の信号は、第１番目の受信時期のものから減じられる。この微分は、しきい値処理(thresholding)を含む後処理に続いて他の信号を除去することにより、微気泡破壊事象から発生する信号を、明瞭にする。微気泡崩壊の検出の有用な応用は、収差修正(aberration correction)であり、それにより、超音波ビーム発生器の異なる信号通路(channel)からの事象信号(event signal)が、超音波発信媒体中の収差を補償するために調整されたビーム発生器の信号通路の位相の合ったタイミングと時間遅れのために比較される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず図１を参照すると、本発明により構成された超音波診断装置のブロックダイヤグラムが示されている。超音波プローブは、超音波エネルギーを発信し受信する超音波変換器のアレー１２を有する。発信の間、超音波ビーム発生器１６が、アレー１２の各素子の作動のタイミングを調整し、誘導され焦点の合った超音波ビームが作成されるように、変換器素子が適正な時にパルスを発生するように発信器／受信器１４の変換器パルス発生器を活性化する。受信の間、変換器素子が受信した超音波エコーは、発信器／受信器１４の個々の受信器が受信し、ビーム発生器１６の別々の信号通路に転送し、そこで該信号を適度に遅延し、次いで結合して、患者の体内の受信深さについて一連の位相のそろったエコー信号を形成する。
【００１０】
位相のそろったエコー信号は、直交ＩとＱ信号成分を作成するＩ，Ｑ復調器１８により直交復調する。復調された信号成分は次いで、包絡線検出器（envelope detecter）２０により振幅検出される。検出した信号は、フィルター２２により濾過され、雑音およびその他の関係のない信号成分が除かれる。検出エコー信号の第１のこのようなシークエンスは、パルス間微分(pulse to pulse differentiation)サブシステム２４に、後の使用のために記憶される。
【００１１】
第２のそのようなシークエンスが受信され、第１のシークエンスと同じ方向から、そして同じ方法で、検出される。該発信パルスが、その超音波ビームの通路内にある被覆微気泡の破壊を起こすのに十分な強度であり、そしてパルスが比較的短い間隔で同じ通路に発信されるとき、第１のパルスは、被覆微気泡の崩壊を生じさせ、音響波を変換器アレーに送り返し、そこでこの音響波が受信され、装置により処理される。第２のパルスがその後比較的短時間で発信されるとき、第１のパルスにより微気泡が崩壊した同じ位置から発生する信号はない。エコー信号の第２のシークエンスは、次にパルス間微分サブシステム２４により、第１のシークエンスの信号から空間基準で減じられる。２つのビームの進路内の静的組織から戻るエコーは、この２つのシークエンスにおいて実質的に同様に再形成され、減算により消去される。しかし第１のシークエンス中に受信された、微気泡の破壊事象からの信号は、第２のシークエンス中の対応する信号により消去されることはない。減算処理の結果は、しきい値回路２６により与えられるしきい値の大きさと比較され、２つのシークエンス中の組織および流れる液体から受信されるエコーの微小な変化が除去され、微気泡破壊事象から戻る信号のみが残される。
【００１２】
この検出された微気泡破壊事象はさらに処理され、種々の方法で表示される。１つの方法は、この情報をある期間内に体内の所定領域内に生じた事象の回数を基準に表示することである。図１には、パルス間微分サブシステム２４に続いて、事象計算器２８があり、走査領域内の各ビームに沿って生じる微気泡破壊事象を数え、かかる事象の頻度を計算する。ある期間の間の相当数の事象の発生は、体内の画像の対応する領域を、画像の明度または色彩で強調することにより表示される。例えば、被覆微気泡コントラスト剤を、患者の血流内に注入し、心臓などの血管系領域をこのような方法で観察することができる。コントラスト剤が心臓内を流れ始めると、超音波走査を開始し、微気泡の破壊を生じさせ、コントラスト剤が流れている心臓の室が、明度または色彩で強調される。色流れ画像処理と同様の合成画像を形成することができ、心臓の構造画像が、心臓の画像領域内の微気泡破壊事象の頻度を空間基準で検出した色彩と重ねられる。
【００１３】
その他の表示の選択は、微気泡破壊事象が生じる毎に、画像中にそれぞれの事象を表示することである。しかしこれら事象は、基本的に瞬時の出来事であるから、実時間表示は、あまりに短かすぎて診断には役立たない。この対策として、画像持続(image sustain)サブシステム３０が設けられ、各表示された事象を画像中に、ある時間持続させる。１つの事象は、１つの超音波パルスの応答として生じるとしても、検出事象は、画像表示上に相当の期間持続される。使用者は、１０分の１秒から１秒以上の範囲で持続時間を選択的指示で調整することができる。持続事象表示は、明度または色彩の増加として調整され、上記したように構造画像に重ねることができる。事象計算器２８と画像持続サブシステム３０は、事象の頻度を基準とする持続画像表示のために、共に使用することができ、または両者は選択的に使用しても別個独立に使用してもよい。いずれの場合にも、空間内に特定された事象情報は、走査変換器４０に転送され、希望する画像方式(image format)に変換され、もし望むなら構造（Ｂモード）画像に重ねられ、その画像は、表示装置５０上に表示される。
【００１４】
微気泡破壊事象の振幅検出が、ドップラー信号処理よりも好ましい理由は、図２ａ、２ｂおよび２ｃを見ることにより理解することができる。図２ａは、心臓壁の動きなどの、体内組織の動きにより発生する受信ドップラー波形を表現する波形６０を示す。波形上の点ＡおよびＢは、波形位相が採取された時間上の２点を示す。図２ｂは、２番目に受信されたドップラー波形６０’を示し、それは点ＡおよびＢのサンプリング時間配列の同じ２点でサンプリングされたものである。この時間配列は、第２の波形６０’は、波形上に示される点ＡおよびＢでサンプリングされたのではなく、点Ａ’およびＢ’でサンプリングされたものであることを意味している。２つの波形のＡ試料とＢ試料の間にはドップラー信号の相当な位相差があることが分かる。
【００１５】
しかしドップラー波形６０および６０’の包絡線(envelope)が、検出されたとき、包絡線６２および６２’が図２ｃに示されるように現れる。この図において、この波形包絡線は、基準レベル、ＶＲと比較して示されている。図２ｃは、波形６０および６０’の全波包絡線検出が、点ＡおよびＢでの試料値をほどんど振幅差なく表示させること、およびＡとＢのサンプリング時間での包絡線６２と６２’の振幅の間にほとんど差がないことを示している。従って、点ＡおよびＢでのはっきりした波形位相差は、振幅検出が、このような事象の検出に採用されたとき、微気泡破壊事象として識別されないであろう。微気泡破壊事象の検出に必要な違いは、それぞれのサンプリング時間での包絡線レベルの間の実質的な振幅の違いである。従って、包絡線検出などの位相不感性な(insensitive)技術による微気泡破壊事象の検出により、この事象は不明瞭でなく検出することができる。
【００１６】
超音波が通過する媒体により生起される収差（aberrations）にビーム発生器のタイミングを調整するために、微気泡破壊事象から生じる音響パルスは診断装置により適宜使用されることができる。図３を参照すると、患者の体内に超音波ビームを発信しているプローブ１０の変換器アレー１２が示されている。超音波ビームの外輪郭ＢＰは、変換器アレー１２から発生する点線により示されている。アレーの素子が発信する超音波成分が、患者の体内を通過するにつれて、皮膚、筋肉、脂肪そしてその他の種々の組織からなる異なる層９２、９４を通過する。組織界面から戻るエコーは、同じ層を通って変換器アレーに戻る。従来、超音波は、組織内を予め定められた一定速度（例えば、１５４０ｍ／秒）で進むとされていたが、実際にはそれは必ずしも真実ではなかった；即ち超音波の速度は、それが通過する組織によってわずかに相違する場合がある。この結果、変換器から出て、同じ道筋をエコーとして戻るパルスの進行に要する時間は、理論的に予測されたものと相違する場合がある。さらに、開口に沿った異なる素子が、異なる厚さの異なる型の組織と相対しているため、これらの進行に要する時間は、アレーの開口１３に沿った変換器素子毎に相違する場合がある。この結果、ビーム発生器の時間遅れは、各信号成分の進行時間を等しくするように、但し理論的に一定の超音波速度を基礎として、選択されているのであるが、わずかに不正確となるであろう。これは、異なる信号通路からの結合出力信号を、体内組織媒体の不均一による収差が原因で、わずかに焦点外れにする。
【００１７】
上述したように、この収差の問題は、外に向かう発信パルスが、これらの収差と遭遇し、次に内に向かう音響エコーもまた音響媒体内で収差に遭遇するという事実により、パルスエコー超音波装置には内在している。両者を総合すると、発信ビームは、完全には焦点合わせされず、そして受信エコー成分も完全には焦点合わせされないということを意味している。本発明者らは、微気泡破壊事象は、これらの制限の大部分を解決する手段となることを確認した。本発明によると、微気泡崩壊の事象は、画像処理される媒体、即ち体内組織の中の超音波エネルギーの点源として使用される。この点源音響エネルギーの生成を誘発することによって、発信焦点合わせを悪くする収差に関する問題を未然に防止する。微気泡破壊の事象から発生する音響エネルギーは、アレー開口１３の異なる変換器素子に通じる異なる音響通路に沿って、各通路毎に異なる物質に遭遇しながら進む。この受信事象信号成分は、発信器／受信器１４の個々の信号通路を通じて、アレー１２の個々の素子から、ビーム発生器１６の個々の信号通路に転送される。図３には、それぞれがその特定の信号通路における時間遅延の長さを表示するそれぞれの長さと共に、ビーム発生器の５つの信号通路の遅延が、ＤＬ１からＤＬ５までに表されている。遅延出力で、変換器素子からの個々の信号成分は、加算器１７により合計され、続く信号処理のために焦点合わせされた位相のそろった信号を作成する。
【００１８】
完全に焦点合わせされた信号を作るためには、変換器素子まで進行するのに各エコー成分に必要な時間の相違を正確に補償する遅れを与えられた各エコーからの信号成分を、全ての遅延出力に同時に出力しなければならない。しかしもし、身体を通過する超音波の速度が、収差効果のために相違するならば、ある信号成分は、他よりも早くまたは遅く遅延出力に出力されるであろう。図４は、その進行時間が、収差効果により影響されている５つの遅延出力で作成されたエコー信号成分１００から１０４を示す。もし遅延時間により正確に各素子からの音響波の進行の相違が補償されているならば、５つの信号は、時間ｔnで一直線になるであろう。しかしこの例では、信号通路遅延ＤＬ４により遅延された音響信号成分は、他よりも遅い音響速度により、時間ｔnよりも遅れている。また、信号通路遅延ＤＬ３により遅延された音響信号成分は、他よりも大きな音響速度により、時間ｔnの前に遅延ＤＬ３の出力に到達していることが分かる。他の３つの信号成分１０１、１０２、および１０４は、全て時間ｔnに正しく一直線になっている。
【００１９】
これらの遅延のばらつきは、誘発された微気泡破壊事象を通じて検出し、調整することができる。図３は血流に、被覆微気泡コントラスト剤が導入された血管８０を示している。超音波プローブ１０は、血管８０を画像化し、微気泡の殻の崩壊を起こさせるのに十分な超音波パルスを血流に照射し始める。このパルスは、ビーム整形器（beam profile）ＢＰにより整形されたビームとして発信される。プローブが血流にパルスを発信すると、超音波装置は、連続的に上述したように受信エコーを処理し、微気泡破壊事象を検出する。１つのこの事象が、血管８０中の、矢印８２によって表わされている。この微気泡の破裂は、微気泡が破裂するときに該微気泡が位置している血管内の点からの音響エネルギーの効果的な点源発信となるであろう。微気泡の破裂は、変換器アレー１２の開口１３に音響エネルギーを発信し返し、そこでは該事象の音響信号成分は、わずかに異なる時間に開口に沿った異なる変換器素子により受信される。
【００２０】
血管の各パルス発信後に変換器素子により受信されたエコー成分は、別々に遅延され、一時的にエコー記憶装置および比較モジュール１１０に記憶される。エコー成分はまた、加算器１７により結合され、発信ビームの方向に沿って位相のそろった一連のエコー信号を形成し、これらのエコー信号は、図１に示すように微気泡破壊事象の検出のために処理される。もしも事象が検出されないならば、もはやモジュール１１０に個々の信号成分を記憶しておく必要はなく、次の一連のパルスからのエコー成分を記憶する準備がなされる。
【００２１】
微気泡破壊事象８２が検出されたとき、図１の処理装置によるビーム方向に沿った事象の位置は、エコー記憶装置および比較モジュール１１０に転送され、時間ｔnのモジュールに、どこに該事象が起こったかを予め報告する。次にモジュール１１０は、個々の遅延の事象信号成分１００ー１０４の比較を開始し、信号成分が全て時間ｔnで一直線になっているか否かを見る。この比較が、信号成分１００が、他よりも大きな遅れを経験していることを示しているとき、遅延調整回路１１２に命令が送られ、遅延ＤＬ４の遅延時間をわずかに短く調整し、他と一致するようにその信号通路により処理される成分を返送する。同様にもし該比較が、信号成分１０３が、他と時間ｔnで一致させるために、より長い遅延を必要とすることを示すときには、遅延ＤＬ３の遅延時間を補償するために延長させる命令が、遅延調整回路１１２に送られる。そのように最適焦点に調整された遅延により、よりはっきりした画像が、画像域から得られる。
【００２２】
これらの信号受信の遅延タイミングの調整は、発信のタイミングにも同様に適用可能である。変換器に戻る超音波エコーの速度を変化させる画像領域における影響は、変換器が発信した外に向かう波にも同様に影響する。従って第３と第４の受信信号通路に対して行われるタイミング調整はまた、これらの信号通路上の発信パルス作成のタイミングの、対応する進行または遅延にも行われ、発信焦点領域に向けて全ての発振パルス成分が、焦点合わせされた照射を可能とする。
【００２３】
収差によるバラツキの原因である組織物質は、プローブ１０の位置が変化するときには常に変化し、音響信号成分は、異なる層、組織および物質の組み合わせの中を通過する。従って、事象検出のシークエンス、タイミング比較および遅延調整は、連続的に時間的基準で実施され、連続的に各プローブ位置での最適焦点のために遅延を調整する。従ってコントラスト剤の被覆微気泡が画像領域に存在する限り収差修正が可能となる。
【００２４】
本発明を要約すると、被覆微気泡の破壊を起こす超音波エネルギーの発信により患者体内の被覆微気泡コントラスト剤の存在を検出し、位相不感性検出法および、２つの連続超音波発振から受信されたエコーの微分により微気泡破壊を検出する超音波診断装置が提供される。微気泡の破壊はまた、収差修正のための音響エネルギーの点源としても使用することができ、これにより検出された微気泡破壊事象から得られるビーム発生器の信号の分析に基いてビーム発生器のタイミングが調整される。
【００２５】
【発明の効果】
空気の微小な気泡を薄い生分解性ポリマー等で被覆した被覆微気泡からなるコントラスト剤を懸濁した溶液を血管などの体内に注入し、該コントラスト剤に超音波パルスを照射すると、該被覆微気泡は破壊される。これを体内の超音波エネルギーの点源として利用して、そのときの音響波を検出、処理することにより、皮膚、筋肉、脂肪その他の相違する身体組織を通るときの超音波速度の相違を補償し、より焦点合わせされた超音波ビームを発生させることができる。この検出は、エコー信号の微分により微気泡破壊による成分のみを抽出することにより容易となる。この事象から得られる信号は、種々の表示方法で表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明により被覆微気泡の破壊を検出するために構成された超音波診断装置のブロックダイヤグラムである。
【図２】  図２ａ、２ｂおよび２ｃは、微気泡破壊事象を振幅検出することの利益を説明するための波形である。
【図３】  微気泡破壊事象の検出を通じての超音波ビーム発生器の収差修正を説明する。
【図４】  図３の収差修正配置に特徴的なビーム発生器信号を示す。
【符号の説明】
１０  超音波プローブ
１２  超音波変換器アレー
１３  アレー開口
１４  発信器／受信器
１６  超音波ビーム発生器
１７  加算器
１８  Ｉ，Ｑ復調器
２０  包絡線検出器
２２  フィルター
２４  パルス間微分サブシステム
２６  しきい値回路
２８  事象計算器
３０  画像持続サブシステム
４０  走査変換器
５０  表示装置
６０，６０’  ドップラー波形
６２，６２’  包絡線
【図１】
0003675916.tif 000002
【図２】
0003675916.tif 000003
【図３】
0003675916.tif 000004
【図４】
0003675916.tif 000005