(57)【要約】非線形の組織又はコントラストエージェント効果は、第２の高調波帯域よりも下の多数の異なって変調された送信パルスからのエコーを組合すことで検出される。受信されたエコーは、基本送信周波数帯域をオーバーラップしてもよい。変調は、振幅変調、又は、位相若しくは極性変調されたものでもよく、振幅及び位相又は極性変調の両方であることが好ましい。本発明は、送信及び受信の両方に対してトランスデューサ通過帯域の大部分を利用し、マイクロバブル・コントラスト・エージェントをさほど破壊しないパルスを送信することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形超音波撮像方法であって、
振幅、位相又は極性の少なくとも一つにおいて異なって変調される第１の及び第２の基本周波数パルスを非線形のターゲットに送信する段階と、
上記送信されたパルスに応答して上記基本周波数の第２の高調波周波数より下の周波数で上記非線形のターゲットからエコーを受信する段階と、
上記非線形のターゲットの非線形効果を含む信号を生成するために上記第２の高調波周波数より下の上記受信したエコーを組合す段階と、
超音波画像を生成するために上記非線形効果の信号を使用する段階とを有する方法。
【請求項２】
上記送信パルスは異なって振幅変調される請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記送信パルスは位相又は極性において異なって変調される請求項１記載の方法。
【請求項４】
上記送信パルスは振幅において、及び、位相又は極性において異なって変調される請求項１記載の方法。
【請求項５】
上記振幅変調の差を説明するよう上記受信したエコーを正規化する段階を更に有する請求項２記載の方法。
【請求項６】
上記送信されたパルスは、基本周波数帯域を占有し、
上記受信段階は、上記送信されたパルスに応答して上記基本周波数帯域内にある周波数で上記非線形のターゲットからエコーを受信することを含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
上記送信されたパルスは、基本周波数帯域を占有し、
上記受信段階は、上記送信されたパルスに応答して上記基本周波数帯域より下の周波数で上記非線形のターゲットからエコーを受信することを含む請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、超音波診断撮像システムに係わり、特に、基本周波数帯域で非線形信号を撮像する超音波診断撮像システムに関わる。
【０００２】
本発明の発明者が共同発明者でもある米国特許第５，８７９，３０３号は、高調波超音波撮像を行う方法及び装置を開示する。同特許において説明した通り、超音波は、２つの別個のソースから高調波エコー信号を特に、第２の高調波で発生させるために基本周波数で伝送され得る。２つのソースの一方は、マイクロバブル・コントラスト・エージェントの非線形の挙動である。これらマイクロバブル・エージェントが伝送波によって高調波の音波を当てられると、非線形に発振又は共鳴し、伝送周波数の第２の高調波におけるのも含むエコー信号のスペクトルを返す。強い高調波エコー成分は、コントラストエージェントにより注入された血流のＢモード或いはドップラー画像を形成するために使用され得るマイクロバブルから返るエコーと固有に区別される。高調波エコー信号の他方のソースは、超音波が組織の中を移動する際に受ける非線形の歪みである。これら歪んだ波から返されるエコーは、この歪みによって生ずる高調波成分を明らかにする。
【０００３】
前述の米国特許は、これらエコー信号の高調波成分が検出され得る２つの方法を開示する。一方の方法は、高調波帯域で信号を通して基本帯域中の強い方のエコー成分を減衰させる高域通過フィルタを用いる。他方は、２つ以上のパルスの反対の位相或いは極性を伝送し、２つのパルスから応答して受信したエコーを組合わす。伝送パルスのある特性により反対の位相又は極性を有する基本成分は、打ち消される。事実上二次的な組合わされたエコーの高調波成分は、更に組合わされ分離された第２の高調波信号を残す。
【０００４】
前記特許で説明したとおり、高調波信号は、高調波コントラストエージェントから返るエコーを識別するその特有の方法のため、多くの撮像情況において有利である。コントラストエージェント無しで使用されるとき、組織の高調波信号が、その体内での発生が近接電磁界効果によって生ずるクラッタの大部分を排除するため有利である。しかし高調波信号は、基本信号エコーよりも著しく低い振幅を有し、より低い信号対ノイズ比を提供し、より大きい増幅を必要とする。更に、高調波信号は、第２の高調波エコー信号がトランスデューサー通過帯域内で受信され得る周波数であるよう比較的低い周波数伝送パルスの使用を必要とする。一般的に、第２の高調波戻り信号がトランスデューサー通過帯域の上部カットオフより下となるよう伝送信号はトランスデューサー通過帯域の低端に中心がおかれる。これにより、広帯域信号が減衰ロールオフとなる極値に送受信信号がおかれる。更に、高い伝送周波数よりもマイクロバブル・コントラスト・エージェントに対して破壊的となり得る低い周波数伝送信号を必要とする。従って、高調波撮像のこれら欠陥及び限界を克服することが望ましい。
【０００５】
本発明の原理によると、組織及びコントラストエージェントから返される非線形の信号は、高調波周波数よりもむしろ基本周波数帯域で検出される。好ましい実施例では、非線形の信号は、振幅変調された２つの（又はそれ以上の）パルス技法によって検出される。伝送パルス波形は、反対の位相及び極性を有し、異なる振幅を有することが好ましい。エコーは、受信の際、異なる伝送振幅に対して正規化され、組合わされ、基本帯域内の信号は撮像のために使用される。
【０００６】
図１は、超音波システムの典型的な基本及び高調波スペクトルを示す図である。この図は、基本周波数パルス又は波を送信し、高調波エコー信号を受信する超音波トランスデューサー／ビーム形成器の通過帯域１０を示す図である。本例では、トランスデューサーは、１から３ＭＨｚまでの通過帯域がある。同じトランスデューサーが送信及び受信の両方に使用されるとき、基本送信パルス及び高調波受信パルスの両方はトランスデューサー通過帯域１０内に含まれなくてはならない。本例では、送信パルスは１．２５ＭＨｚに中心がおかれる通過帯域１２を示す。第２の高調波エコー信号は、２．５ＭＨｚに中心がおかれる通過帯域１４で受信される。送信帯域１２がトランスデューサー通過帯域１０の低い方の端にあるため、高調波の受信通過帯域は通過帯域１０の上部分にあり、従って、送信及び受信の両方がこの特定のトランスデューサーによって実施され得ることが分かる。
【０００７】
図１が示すように、基本帯域１２と高調波帯域１４の両方を同じトランスデューサー通過帯域内に得るためには、送信又は受信通過帯域のいずれか一方又は両方をトランスデューサー通過帯域のカットオフ極値の一つにおくことが時として必要となる。図２は基本送信帯域１６が１．５ＭＨｚの周波数について中心がおかれトランスデューサー通過帯域１０の下半分全体を占有する別の例を示す。従って、送信帯域１６は、図１に示す通過帯域１２によって送信されるよりもより広域の送信信号用であり、画像の詳細及び質を改善する。しかしこの送信パルスに対する第２の高調波受信通過帯域１８は、トランスデューサー通過帯域１０の上限値である３ＭＨｚに中心がおかれる。本例では、高調波帯域の中心は、トランスデューサーの帯域の上部カットオフにあり、結果として帯域１８の上部分において信号が著しく減衰する。従って、広域高調波撮像は、このトランスデューサー通過帯域によって制限されている。
【０００８】
本発明の第１の実施例において使用される通過帯域は、図３乃至図５に示され、前の図と同じトランスデューサー通過帯域１０が使用される。通過帯域２０を有する２つ以上の異なって変調された広域送信パルスは、図３に示すように画像フィールド中の各走査線の方向に送信される。同図が示すとおり、２ＭＨｚに中心がある基本送信パルスは、４ＭＨｚに中心がある帯域２２において第２の高調波エコー信号を引出す。これら高調波エコー周波数は、トランスデューサー通過帯域１０外であり、従って、トランスデューサーの周波数範囲を超えている。しかし送信パルスは、図４中破線の受信通過帯域２４によって示されるように、基本周波数帯域２０中の及び基本周波数帯域を超えるエコーを引出す。以下に説明するように、これら基本周波数は、画像フィールド中のコントラストエージェントのような非線形のリフレクタの存在に依存して異なる程度の線形及び非線形特性を示し得る。非線形特性が抽出され、線形の基本成分は、図５の受信帯域３０、３２、又は、３４のような選択された受信通過帯域におけるエコー信号を組合すことで打ち消される。受信帯域は、深さの浅いエコーの最初の受信で高い方の周波数位置３２で始められ、深さに依存する周波数減衰の効果を説明するために受信中に低い方の周波数位置３４に動的に移動され得る。送信パルスの変調、及び、リフレクタの非線形性により、基本帯域中の相関関係にある非線形特性は打ち消され、基本帯域中の相関関係にない非線形特性は打ち消されず、基本周波数エコーの非線形性の尺度となるエコー信号成分を残す。従って、第２の高調波周波数より下にある非線形の成分が検出される。
【０００９】
第２の高調波周波数より下にあるこれら非線形の成分の使用は、幾つかの利点を提供する。一つには、多くの又は全てのトランスデューサー通過帯域が伝送に使用され得る点である。これにより、画像の詳細をより微細且つより鋭くする広域エコー信号を結果として生ずる広域送信パルスの使用を可能にする。送信パルスをトランスデューサー通過帯域の狭い範囲に限定する必要はない。別の利点は、送信及び受信通過帯域の両方が、トランスデューサー通過帯域の極値でのロールオフから離れてトランスデューサー通過帯域中でより中心におかれる点である。より高い送信パルス周波数及びより短い持続時間パルスバーストが使用されてもよく、マイクロバブル破壊が減少するといった利点を提供する。
【００１０】
図６は、パルス反転送信及び受信の原理を示す図である。第１の送信パルス４０（図６ａ）は、第１の位相或いは極性特性を有し、第２の送信パルス５０は第２の位相或いは極性特性（図６ｂ）を有する。本例では、両方のパルスが単一のサイクルの波形として示されており、第２のパルス５０は第１のパルスを反転させたものである。第１の送信パルス４０は、送信パルスの位相又は極性変調に従う基本周波数成分４２（図６ｃ）及び第２の高調波成分４４（図６ｅ）を有するマイクロバブルのような非線形のシステムからエコー信号を返す。第２の送信パルス５０は、送信パルスの位相又は極性に従う基本周波数成分５２（図６ｄ）及び第２の高調波成分５４（図６ｆ）を有する非線形システムからエコー信号を返す。２つの送信パルスからのエコー信号が組合わされると、基本周波数成分は互いを打ち消し合い、高調波成分は高調波の二次的性質により互いを更に強め、検出可能な第２の高調波成分６０（図６ｇ）を残す。従って、第２の高調波成分は、エコー信号の基本周波数成分から分離される。
【００１１】
図７は、本発明の原理を例示する波形を示す図である。パルス反転のように本発明の技法は、非線形の信号成分を分離するために多数の異なって変調された送信パルスを使用する。図７ａ及び図７ｂは、異なる振幅の２つの例示的な送信パルス７０及び８０を示す。本例では、第１の送信パルス７０は、第２の送信パルス８０の２倍であるが、他の振幅関係が使用されてもよい。本例では、２つの送信パルスは反対の位相又は極性も有する。送信パルス７０は、非線形の及び線形のターゲットから異なる基本周波数エコー信号特性を引出す。例えば、エコーが非線形のコントラスト・エージェントから返される場合、高調波の音波が当てられるときマイクロバブルの非線形の挙動は図７ｅに示すような基本周波数エコー波形７２を返し、この波形は、送信波形に非線形的に関連している。エコーが組織のような線形のリフレクタから返されるとき、送信パルスに線形的に関連しているとされる、図７ｃに示すような基本周波数エコー７４が生ずる。
【００１２】
第２の送信パルスは、図７ｆ及び図７ｄに示すように非線形の及び線形のリフレクタから基本周波数エコーの返しを引出す。マイクロバブルのような非線形のシステムは、送信波形８０に非線形的に関連するエコー８２を返す。送信パルス８０が第１のパルスよりも小さい振幅を有するため、マイクロバブルは、異なるレベルの高調波の音波を当てることにより異なる挙動を示す。線形のリフレクタは、振幅が小さい方の送信パルス８０に線形的に関連しているとされるエコー８４を返す。
【００１３】
第１の及び第２のエコー信号は、異なる送信パルスの振幅を説明するために正規化される。２つの送信パルスが本例におけるように２倍の差があるとき、第２のパルスからのエコーは例えば、２倍増幅される。対応するエコーが正規化後に組合わされると、線形のエコーが図７ｇの線９４によって示されるように打ち消されることが分かる。非線形のリフレクタによって返されるエコーは部分的に打ち消されるが、図７ｈの波形９２によって示されるようにエコーの異なる非線形性の表示である差を残す。これは、エコー７２及び８２の非線形の特性が線形の正規化によって等しくされず、２つの非線形のエコー信号の相関関係がないため組み合わせ後に残留信号を残す。エコー中の非線形の効果は、２つの送信パルスのパルス振幅における差に線形的に関連されない。つまり、２つの線形のエコー７４及び８４を均等にし、結果として打ち消しを生ずる正規化は、非線形のリフレクタからのエコーを等しくしない。異なる振幅のパルスによって高調波の音波が当てられるマイクロバブルの発振は非線形であり、振幅差だけよりもより複雑である。更に、第２のパルスによって呼掛けられるマイクロバブルが第１のパルスによるものと異なる特性を有するよう、マイクロバブルは第１のパルスによって分離され得る。非線形システムのこれら異なる非線形及び挙動の特性の組み合わせは、基本周波数帯域において非線形システムからエコーを明らかに区別する能力を提供する。
【００１４】
図８は、本発明の別の実施例の通過帯域を示す図である。基本周波数の送信パルスは、２ＭＨｚに中心がおかれる斜線の通過帯域２００によって示される。受信帯域２０２は、２．７ＭＨｚに中心がおかれ、受信したエコー帯域２０４の一部分におけるエコーを受信するために送信通過帯域を大きくオーバーラップする。従来技術では、第２の超音波信号が基本周波数信号からきれいに分離され得るよう受信帯域をオーバーラップしない帯域においてパルスを送信するのに多くの苦労があった。関心のある基本帯域において及びその周りにおいて非線形の成分である本発明ではこれは問題でない。
【００１５】
図９は、受信帯域２１２が送信パルス帯域２１０より下である本発明の別の実施例を示す図である。本例では、送信帯域は約３．３ＭＨｚに中心がある高周波数帯域である。高周波数の送信信号は、エコー信号においてより良い解像度を生ずる。トランスデューサー通過帯域１０の上端に送信帯域を位置させることは、トランスデューサー通過帯域中に基本及び第２の超音波帯域の両方を含むことを試みるとき明らかに可能で得ない。従って、本発明は、従来技術の超音波システムよりもより良い解像度が可能である。受信帯域２１２は、エコー信号帯域２１４中の幾つかのエコー信号周波数を含み、本実施例では２．７ＭＨｚに中心がおかれる。
【００１６】
コントラスト撮像を実施するときの一つの望みは、超音波の高調波の音波が当てられること（ｉｎｓｏｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）によって生ずるマイクロバブルの破壊を最小化し、それによりコントラスト撮像の期間を延長することである。マイクロバブルは、より低い周波数パルス、より高い振幅パルス、及び、より長いパルスバーストによってより大きい程度に分離され破壊され得る。図９ａは、図２の実施例で使用された送信周波数である１．５送信パルス２２の４つのサイクルと、図９で使用される３．３ＭＨｚの４つのサイクルとを比較する。これらの図が示すように、３．３ＭＨｚパルスの持続時間は、低い方の周波数バーストの持続時間よりもかなり少なく、より少ないマイクロバブルの分離を生ずる。高周波数である３．３ＭＨｚパルスもこの更なる理由により低周波数パルスよりも少ない分離を生ずる。更に、低振幅送信パルス（図７ｂ）は、高振幅送信パルスよりも少ない分離を生ずる。異なる振幅パルスがどの順番ででも伝送され得る一方で、低い方の振幅パルスを第１のパルスとして伝送することは第２の高い方の振幅パルスが直面するマイクロバブルフィールドに対する分離をより少なくする。２つの送信パルスは、振幅だけ、又は、位相或いは極性だけが異なってもよいが、振幅及び位相或いは極性の両方の２つの変調差の組み合わせは、より良い非線形の相関関係の無さを、従って、より良い非線形の感度を提供する。
【００１７】
図１０は、本発明の原理に従って構成されるブロック図の形態にある超音波システムを示す図である。アレイトランスデューサ１０２を含む超音波走査ヘッド１００は、送信／受信（Ｔ／Ｒ）切換器１０４に接続されている。ユーザインタフェース（図示せず）に応答する中央制御部１１０は、送信パルスの周波数、振幅、及び、位相又は極性を設定する。送信器１０６は、中央制御部によって設定されるパルスをＴ／Ｒスイッチを用いて送信し、適当に進められ焦点が合わされたビームを送信するために時限式シーケンスでトランスデューサアレイの要素を励起する。トランスデューサアレイ１０２によって受信されたエコーは、Ｔ／Ｒスイッチによって受信ビーム形成器１０８に結合される。本例では、ビーム形成器は、中央制御部の下でコヒーレントなエコー信号Ａ及びＢの２つの空間的に隣接する受信ラインを生成するマルチラインビーム形成器として示される。第１の送信パルスに応答して生成されるエコーシーケンスは、Ａ及びＢマルチラインのためのラインフバッファ１２０及び１３０夫々に記憶される。第２の送信パルス、本例では、振幅が低い方のパルスに応答して生成されるエコーシーケンスは、振幅における差が２倍であるとき乗算回路１２２及び１３２において２倍にされる。乗算器は、２倍するためにエコー信号値を左に１ビット（又は、他方の信号の振幅の二倍である信号を半分にするために右に１ビット）シフトすることによって、ディジタルシステムにおいて２倍にするのに容易に実施される。この正規化後、エコーシーケンスは、加算器１２４及び１３４において夫々組合わされ、非線形の基本成分が分離される。これら加算器が減算するために設定されるとき、反対の位相の又は分極された送信パルスに関して線形成分が強調される。エコー信号は、フィルタ１２６及び１３６によってフィルタ処理される。好ましい実施例ではこれらフィルタは、前述の特許において説明したとおり直角帯域通過フィルタであり、直角信号成分を生成し、受信通過帯域のために帯域通過フィルタ処理する。
【００１８】
エコー信号は、Ｂモードプロセッサ１４０、ドップラープロセッサ１５０及び／又はコントラスト信号プロセッサ１６０によって処理され得る。Ｂモードプロセッサは、画像信号の生成においてエコー信号を振幅検出し、ドップラープロセッサは組織又は流れ動きの画像信号を生成するためにエコー信号全体を処理する。コントラスト信号プロセッサは、前のプロセッサに類似し、組織超音波信号からコントラスト超音波信号を分離する閾値を一般的に有する。コントラストエージェントは、ドップラー又はＢモードフォーマットのいずれかで表示されてもよい。３つのプロセッサからの画像信号は、画像信号を補間し、走査線を所望の画像フォーマットにする走査変換器１７０への画像信号バス１７２上で結合される。画像情報は、ディスプレイ１９０上に二次元画像を表示するためにビデオプロセッサ１８０に供給され得る。画像情報は、３Ｄ画像レンダリング１８２によって三次元表示に形成され得る。三次元画像は、３Ｄ画像メモリ１８４に記憶され、ビデオプロセッサ１８０を用いてディスプエリ１９０に表示される。
【００１９】
他の変形例も明らかである。図１０の実施例は、走査線密度を二倍にする又はフレームレートを半分にする２ｘマルチラインの明らかな利点を提供する一方で、これらの倍数は補間によって更に改善され得る。例えば、異なる特性の２つのＡラインシーケンス及び異なる特性の２つのＢラインシーケンスを生成するために異なる変調特性を有する２つのパルスを送信した後、ＡとＢラインとの間の非線形の又は線形の信号の更なるラインを補間するために一方の特性のＡラインシーケンスが他方の特性のＢラインシーケンスと組合わされ得る。これは、例えば、乗算回路１２２及びラインバッファ１３０の出力を更なる加算器で組合わすことで行われる。走査ラインのために２つ以上の送信パルスを用いることにより、本願の発明者が共同発明者でもある“Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｐｕｌｓｅ　Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｗｉｔｈ　Ｒｅｄｕｃｅｄ　Ｍｏｔｉｏｎｌ　Ｅｆｆｅｃｔｓ”なる名称の米国特許出願０９／４３４，３２８において説明するように動き効果が減少され得る。図１０のシステムは、本願の発明者が共同発明者である“Ｒｅａｌｔｉｍｅ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｏｆ　Ｐｅｒｆｕｓｉｏｎ　Ｕｓｉｎｇ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒａｓｔ　Ａｇｅｎｔｓ”なる名称の米国特許（出願第０９／３０２，０６３号）に開示するように連続的なリアルタイムコントラスト撮像に使用され得る。発明者による発明の実施例は、マイクロバブルコントラストエージェントのような多数の非線形のリフレクタの非線形の効果、及び、組織中を移動するパルスによる非線形の効果を検出するために使用され得る。フィルタ１２６及び１３６によって実施される帯域の選択は省略されるか、ＦＩＲフィルタ又はドップラープロセッサ１５０のウォールフィルタにおいて実施される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
トランスデューサー通過帯域内の従来の送信及び高調波受信スペクトルを示す図である。
【図２】
トランスデューサー通過帯域の上限における高調波スペクトルの位置を示す図である。
【図３】
本発明の実施例の基本的な送信及び第２の高調波受信スペクトルを示す図である。
【図４】
図３の送信スペクトルから結果として生ずる基本非線形エコー信号のスペクトルを示す図である。
【図５】
図４の非線形エコー信号に対する受信通過帯域を示す図である。
【図６】
（ａ）乃至（ｇ）は、パルス極性反転高調波分離の原理を示す波形を示す図である。
【図７】
（ａ）乃至（ｈ）は、本発明の原理による基本帯域における非線形エコー信号検出の原理を示す波形を示す図である。
【図８】
本発明の一実施例の送受信通過帯域を示す図である。
【図９】
本発明の別の実施例の送受信通過帯域を示す図である。
【図１０】
本発明の原理に従って構成される超音波撮像システムを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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2004504911.tif 000012
2004504911.tif 000013
2004504911.tif 000014
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2004504911.tif 000019
2004504911.tif 000020
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2004504911.tif 000022
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2004504911.tif 000024
2004504911.tif 000025
2004504911.tif 000026
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004504911.tif 000027
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004504911.tif 000028
【国際調査報告】
2004504911.tif 000029
2004504911.tif 000030
2004504911.tif 000031
2004504911.tif 000032
2004504911.tif 000033
2004504911.tif 000034