專利名稱：以適度mi級別進(jìn)行的超聲診斷反差成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)，尤其涉及利用造影劑、使用適度機(jī)械指數(shù)發(fā)射波的醫(yī)療診斷成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
利用超聲造影劑能夠顯著增強(qiáng)血流的超聲成像。能夠設(shè)計(jì)造影劑的微泡，使其非線性地振蕩或者在被超聲波聲穿透時(shí)破裂。這種振蕩或破裂會(huì)使得從微泡返回的回波富有非線性成分。接收該回波，并且通過濾波或者稱作脈沖反轉(zhuǎn)的兩脈沖分離技術(shù)使非線性成分與組織返回的回波分離。利用這些回波生成的圖像能夠清晰地將包含造影劑的血流和脈管系統(tǒng)分段。
通常利用高機(jī)械指數(shù)(MI)的能量或者低MI能量使造影劑成像。當(dāng)以高M(jìn)I成像時(shí)，微泡將破裂或者顯著分裂，從而返回強(qiáng)諧波回波。這些回波將以相對于周圍組織明顯輕弱的方式表示破裂或者分裂的微泡的位置。然而，在能夠重復(fù)該過程之前，需要若干次次心跳以使新鮮的新微泡流補(bǔ)充到成像區(qū)域。
當(dāng)微泡以低MI成像時(shí)，它們通常輕柔振蕩并且返回諧波信號，而不會(huì)破裂或分裂。返回回波不像從高M(jìn)I脈沖返回的回波那樣強(qiáng)，但是能夠?qū)崟r(shí)地連續(xù)使造影劑成像，這是因?yàn)椴恍枰绿峁┪⑴輥硌a(bǔ)充整個(gè)像場。當(dāng)以低MI成像時(shí)，諸如Definity(Bristol-Myers Squibb)、Optison(Amersham)和SonoVue(Bracco)的造影劑都十分有效。
已經(jīng)研發(fā)了其它造影劑，例如Sonazoid(Amersham)和Biosphere(Accusphere)，使其易碎性降低，因此延長了存在超聲情況下的使用壽命。認(rèn)為這些造影劑的微泡具有“剛性”，其能夠抵抗破裂，直到施加更高的電平或者延長超聲能量持續(xù)時(shí)間。使用這種造影劑的灌輸計(jì)量能夠比更易碎的造影劑小，并且能夠用于在人體內(nèi)更長時(shí)間地成像。然而，更大的剛性通常需要更大的MI脈沖，以便引起來自這些微泡的需要的非線性響應(yīng)。當(dāng)更高的MI波穿過組織會(huì)經(jīng)歷畸變，并且組織將以可探測的級別返回具有非線性成分的回波，相同的現(xiàn)象用于不使用造影劑的組織諧波成像。因此，超聲系統(tǒng)將從造影劑接收希望的非線性回波，而從組織接收不希望的非線性回波。當(dāng)更易碎的造影劑的MI較低時(shí)，約為MI＝0.1或更小，非線性組織響應(yīng)處于幾乎不能探測的級別，通常不成為問題。但是當(dāng)與剛性更大的造影劑一起使用0.1以上的更適度MI時(shí)，例如0.3-0.4的級別，非線性造影劑信號會(huì)受到損害，具有從組織返回的不可接受的諧波級別。因此，希望能夠以適度MI對造影劑成像，而不會(huì)受到從組織返回的非線性信號的明顯損害。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的原理，使用多脈沖發(fā)射技術(shù)來以適度MI對造影劑成像。不同地調(diào)制脈沖，從而通過脈沖反轉(zhuǎn)處理能夠使非線性信號分離。在所示實(shí)施例中，以0°、120°和240°相位調(diào)制三個(gè)發(fā)射脈沖，并且通過脈沖反轉(zhuǎn)處理組合三個(gè)所生成的回波，從而將非線性信號分離。發(fā)射脈沖的調(diào)制造成脈沖反轉(zhuǎn)處理使基本諧波成分和二次諧波成分衰減，從而分離三次諧波成分，該成分能夠在來自組織的損害較少的情況下進(jìn)行成像。


在附圖中圖1表示了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的超聲診斷成像系統(tǒng)的簡圖。
圖2A-2B表示了能夠用于脈沖反轉(zhuǎn)諧波分離的兩脈沖和三脈沖發(fā)射序列的相位。
圖3A-5B表示了根據(jù)本發(fā)明的原理利用三脈沖發(fā)射序列的脈沖反轉(zhuǎn)分離的結(jié)果。
圖6A-9B表示了根據(jù)本發(fā)明原理的三個(gè)不同調(diào)制的發(fā)射脈沖和其回波信號的脈沖反轉(zhuǎn)處理的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
首先參照圖1，表示了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的超聲診斷成像系統(tǒng)。圖1的超聲系統(tǒng)利用了發(fā)射器16，其發(fā)射多脈沖序列，以用于生成具有非線性響應(yīng)的回波信號。該發(fā)射器通過發(fā)射/接收開關(guān)14耦合到掃描頭10的陣列換能器12的元件。該發(fā)射器對多個(gè)控制參數(shù)作出響應(yīng)，這些控制參數(shù)調(diào)制了發(fā)射脈沖的特性。該發(fā)射器能夠控制脈沖波的發(fā)射頻率f和/或脈沖的振幅a。該發(fā)射器還能夠控制脈沖波的相對相位。這種調(diào)制使響應(yīng)于這些脈沖而被接收的回波得以組合，以便分離用于成像的非線性回波信號成分。
在圖1中，該換能器陣列12從人體接收包含處于換能器通帶內(nèi)的線性和非線性信號成分的回波。這些回波信號通過開關(guān)14耦合到波束形成器18，其使來自不同元件的回波信號適當(dāng)延遲，然后將它們組合，從而沿著波束方向從淺到較深的深度形成相干回波信號序列。優(yōu)選的是，該波束生成器為數(shù)字波束生成器，其作用在數(shù)字化回波信號上，從而從近到遠(yuǎn)景深生成離散相干數(shù)字回波信號序列。該波束生成器可以是多線波束生成器，其響應(yīng)于單一發(fā)射波束沿著多個(gè)空間上不同的接收掃描線生成兩個(gè)或多個(gè)回波信號序列。將波束生成的回波信號耦合到非線性信號分離器20。該分離器20可以是帶通濾波器，其通過包含非線性信號的頻帶。優(yōu)選的是，該分離器是脈沖反轉(zhuǎn)處理器，其組合接收到的回波信號以增強(qiáng)非線性成分，而相對排除線性成分(衰減)。在所示實(shí)施例中，該分離器20為脈沖反轉(zhuǎn)處理器，其通過組合來自相同位置的三個(gè)接收到的回波信號來分離非線性信號。對于三脈沖序列而言，將響應(yīng)于沿希望的波束方向上的第一發(fā)射脈沖接收到的掃描線回波存儲(chǔ)在Line1緩沖器22中。將響應(yīng)于沿該波束方向的第二發(fā)射脈沖接收到的掃描線回波存儲(chǔ)在Line2緩沖器23中，以及將沿著波束方向的由第三次發(fā)射生成的掃描線回波存儲(chǔ)在Line3緩沖器24中。然后利用加法器26以空間為基礎(chǔ)將來自這三個(gè)緩存器的回波組合起來。可選的是，可以直接將回波的第三掃描線與所存儲(chǔ)的第一和第二掃描線的回波組合起來，而不用緩存。由于發(fā)射脈沖的不同調(diào)制，異相基本(線性)回波成分和二次諧波回波成分將相互抵消，并且同相的非線性三次諧波成分將組合起來，從而相互增強(qiáng)，由此生成增強(qiáng)并分離出來的非線性三次諧波信號。濾波器30可以進(jìn)一步過濾該非線性信號，從而去除不需要的信號，例如由諸如抽取之類的操作而產(chǎn)生的信號。然后利用探測器32探測該信號，該探測器可以是振幅或相位探測器。然后利用信號處理器34處理該回波信號，以便于隨后的灰度級、多普勒或其它超聲顯示器，然后利用圖像處理器36為形成二維、三維、光譜、參量或其它顯示器進(jìn)一步處理該回波信號。在顯示器38上顯示所生成的顯示信號。
在兩脈沖脈沖反轉(zhuǎn)方案中，按照與圖2A所示相反的方式調(diào)制發(fā)射脈沖。該發(fā)射脈沖可以具有相反的極性或者相反的相位(例如0°和180°)，以用于完全消除線性信號成分。圖2A是表示了典型的2脈沖脈沖反轉(zhuǎn)序列的發(fā)射脈沖的相反相位(0°和П弧度)的相位圖。
還可以將更高次的序列用于脈沖反轉(zhuǎn)，例如美國專利6186950和美國專利申請第60/527538號中所示的三脈沖序列和五脈沖序列。利用這些序列，將從人體中同一點(diǎn)接收到的三個(gè)或五個(gè)回波組合起來，從而通過脈沖反轉(zhuǎn)使非線性信號分離。圖2B表示了三脈沖序列，其中發(fā)射脈沖的相位以120°的增量均勻分布0°、120°(2П/3弧度)和240°(4П/3弧度)。如W.Wilkening等人在(2001年1月25-26日)超聲造影成像第六屆歐洲專題討論會(huì)(Sixth European Symposiumon Ultrasound Contrast Imaging)的Abstract Book中的論文“用于諧波和分諧波成像的5脈沖序列(A 5-Pulse Sequence for Harmonic andSub-Harmonic Imaging)”上所述，能夠?qū)ΨQ相位的三脈沖序列用于脈沖反轉(zhuǎn)中，從而消除基本(線性一次諧波)成分，但是不利的是還消除了需要的二次諧波。因此，Wilkening等人和其他人已經(jīng)放棄使用這種序列來進(jìn)行造影成像，支持其他模擬二次諧波增強(qiáng)的觀點(diǎn)。
然而，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)具有低二次諧波敏感度的多脈沖序列能夠有利地用于以適度MI的造影劑成像。圖3A表示了來自MI＝0.1的低MI脈沖的頻率響應(yīng)，例如其將與“軟”微泡造影劑一起使用，其中微泡以該MI的非破壞性模式非線性振蕩。返回回波信號包括處于基本發(fā)射頻率的較大響應(yīng)40。該回波信號還包括來自組織的二次諧波頻率的較低非線性響應(yīng)A1。該組織響應(yīng)比較低是因?yàn)镸I＝0.1的發(fā)射脈沖強(qiáng)度比較低?；夭ㄐ盘栠€包括如圖4A所示的從造影劑微泡返回的非線性二次諧波成分B1，其比較高。通過將來自兩個(gè)不同調(diào)制的發(fā)射脈沖的回波(例如圖2A)組合起來，以脈沖反轉(zhuǎn)能夠分離非線性二次諧波成分，這樣留下了圖5A中所示的二次諧波成分50。因?yàn)锽1與A1的比例比較大，所以能夠?qū)⒍沃C波成分用于生成具有微小或者沒有組織諧波背景的造影劑圖像。
當(dāng)對“較剛性”的造影劑成像時(shí)，返回的回波成分響應(yīng)更大，這種成像利用了更大的MI脈沖從而非線性振蕩，例如MI在0.3-0.4范圍內(nèi)的脈沖。圖3B表示了從組織返回的回波成分，包括處于通帶40’的基本(一次諧波)成分和處于通帶A1’的二次諧波成分。與圖3A中的二次諧波響應(yīng)A1相比，可以看出由于處于更高M(jìn)i的發(fā)射脈沖具有更大的強(qiáng)度，所以響應(yīng)A1’更大。還以發(fā)射頻率的三次諧波顯影來自組織的回波成分A2。圖4B表示了從造影劑返回的回波成分。這些成分包括處于通帶40’中的基本成分和處于二次諧波帶中的非線性成分B1’。盡管由于MI發(fā)射能量更大，使得B1’帶中的響應(yīng)比圖4A中的B1帶中的響應(yīng)大，但B1’與A1’的比例不再像MI較低時(shí)那樣有利。利用這些成分形成的圖像將表現(xiàn)出造影劑響應(yīng)和組織諧波背景的混和。還存在來自微泡造影劑的三次諧波響應(yīng)B2，可以看出B2與A2的三次諧波比是有利的。因此，如果使用發(fā)射序列，其中通過脈沖反轉(zhuǎn)處理能夠使一次和二次諧波分量衰減或消除，則能夠分離包含具有有利B2/A2比的三次諧波成分的三次諧波帶50’。利用這些信號形成的圖像將形成具有需要的最小組織背景的造影劑圖像。
根據(jù)本發(fā)明的原理，將具有2П/3的相對相位差的三個(gè)發(fā)射脈沖用于以大于0.1的MI對造影劑成像。用于三脈沖的不同相位調(diào)制產(chǎn)生以下形式的三種發(fā)射脈沖(直到三次諧波)p0(t)＝ejax+ej2(ax)+ej3(ax)＝ejax+ej2ax+ej3axp1(t)＝ejax+2x/3+ej2(ax+2x/3)+ej3(ax+2x/3)＝ej2x/3ejax+ej4x/3ej2ax+ej2xej3axp2(t)＝ejax+4x/3+ej2(ax+4x/3)+ej3(ax+4x/3)＝ej4x/3ejax+ej8x/3ej2ax+ej6xej3ax將響應(yīng)于第一發(fā)射脈沖p0(t)而被接收的回波存儲(chǔ)在Line1緩存器22中，將響應(yīng)于第二發(fā)射脈沖p1(t)而被接收的回波存儲(chǔ)在Line2緩存器23中，以及將響應(yīng)于第三發(fā)射脈沖p2(t)而被接收的回波存儲(chǔ)在Line3緩存器24中。然后同時(shí)從三個(gè)緩存器中讀取所存儲(chǔ)的回波，并且利用加法器26將它們組合起來。三個(gè)回波信號的這種脈沖反轉(zhuǎn)組合的結(jié)果是以下形式的信號p0(t)+p0(t)+p0(t)＝0ejax+0ej2ax+3ej3ax所示的公式包含三次諧波(3ωt)成分，而相對排除一次和二次諧波成分。利用這些成分形成的造影圖像是清楚的，這是因?yàn)榘l(fā)射信號的級別更高，但是基本上不存在組織諧波背景。
圖6A-9B表示了根據(jù)本發(fā)明的用于反差成像的多個(gè)發(fā)射波形。圖6A表示了時(shí)域中的第一發(fā)射波形60。圖6A的橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是振幅。發(fā)射脈沖60生成具有如圖6B所示的頻率響應(yīng)特性的回波。在該圖中，按照諧波階次劃分橫軸(一次諧波、二次諧波、三次諧波等等)?？v坐標(biāo)表示了相對響應(yīng)。如圖6B所示，基本響應(yīng)62最大，隨后是二次諧波響應(yīng)64和三次諧波響應(yīng)66。
圖7A表示了第二發(fā)射波形70，以相對于第一發(fā)射波形60的2П/3相移差來調(diào)制該波形。圖7B表示了響應(yīng)于波形70接收到的回波響應(yīng)。所示的該響應(yīng)包含一次諧波(基本)響應(yīng)72、二次諧波響應(yīng)74和三次諧波響應(yīng)76。
圖8A表示了第三發(fā)射波形80，以相對于第一和第三發(fā)射波形的2П/3相移來調(diào)制該波形。因此這三個(gè)波形是對稱地不同相位調(diào)制的。響應(yīng)于該發(fā)射波形接收的回波具有圖8B所示的響應(yīng)，包括一次諧波響應(yīng)82、二次諧波響應(yīng)84和三次諧波響應(yīng)86。
當(dāng)將響應(yīng)于這三個(gè)發(fā)射波形接收的回波組合起來時(shí)，時(shí)域中的結(jié)果是如圖9A所示的波形90。波形90最顯著的頻率成分處于如圖9B所示的三次諧波帶92中。如圖9B所示，在一次和二次諧波帶中基本上沒有殘留成分，這是因?yàn)樵诿}沖反轉(zhuǎn)組合處理中已經(jīng)將這些頻率的信號消除了。三次諧波帶92中的信號能夠用于生成造影圖像，其具有很少或者沒有來自于組織諧波信號成分的損害。
權(quán)利要求
1.一種用于分離由超聲造影劑返回的非線性信號的方法，包括以大于0.1的MI沿著給定方向發(fā)射多個(gè)不同調(diào)制的發(fā)射波形；響應(yīng)于每個(gè)發(fā)射波形接收回波序列；通過脈沖反轉(zhuǎn)處理將接收到的回波組合起來，該處理使三次諧波成分分離，而相對排除一次和二次諧波成分；以及利用所分離的三次諧波成分形成超聲圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射還包括發(fā)射不同相位調(diào)制的多個(gè)發(fā)射波形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中發(fā)射還包括發(fā)射按照對稱方式不同調(diào)制的多個(gè)發(fā)射波形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中發(fā)射還包括發(fā)射以2П/3的相位差不同相位調(diào)制的三個(gè)發(fā)射波形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中接收回波序列還包括至少存儲(chǔ)響應(yīng)于第一和第二發(fā)射波形而接收的回波序列。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中將接收到的回波組合還包括將存儲(chǔ)的第一和第二回波序列與接收到的第三回波序列組合起來，從而通過脈沖反轉(zhuǎn)方法使非線性信號成分分離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中通過脈沖反轉(zhuǎn)方法將接收到的回波組合還包括使三次諧波信號成分分離，而相對排除一次和二次諧波信號成分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中使三次諧波信號成分分離還包括使來自造影劑的三次諧波信號成分分離，而相對排除來自于組織的相干基本諧波成分和二次諧波成分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中形成超聲圖像還包括形成造影劑的三次諧波圖像，其具有較低級別的背景組織圖像。
10.一種超聲診斷成像系統(tǒng)，用于對超聲造影劑成像，包括換能器探測器，其用于以大于0.1的MI沿著給定方向發(fā)射多個(gè)不同調(diào)制的發(fā)射波形；耦合到該換能器探測器的接收器，其響應(yīng)于每個(gè)發(fā)射波形接收回波信號序列；耦合到該接收器的脈沖反轉(zhuǎn)處理器，其分離三次諧波回波信號成分，而相對排除一次和二次諧波信號成分；以及耦合到該脈沖反轉(zhuǎn)處理器的圖像處理器，其形成造影劑的三次諧波圖像。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中該脈沖反轉(zhuǎn)處理器還包括用于存儲(chǔ)響應(yīng)于至少兩個(gè)發(fā)射波形而接收的回波信號序列的緩存器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中該脈沖反轉(zhuǎn)處理器還包括用于存儲(chǔ)三個(gè)回波信號序列的第一、第二和第三緩存存儲(chǔ)器，以及耦合到緩存存儲(chǔ)器的輸出端的加法器，以用于組合該緩存存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中該換能器探測器還包括沿著給定方向發(fā)射三個(gè)不同相位調(diào)制的發(fā)射波形的換能器探測器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中該換能器探測器還包括沿著給定方向發(fā)射對稱相位調(diào)制的三個(gè)不同相位調(diào)制的發(fā)射波形的換能器探測器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中該換能器探測器還包括沿著給定方向發(fā)射以0°、120°和240°的相對相位角相位調(diào)制的三個(gè)不同相位調(diào)制的發(fā)射波形的換能器探測器。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中該換能器探測器還包括沿著給定方向發(fā)射具有2П/3的相對相位差的三個(gè)不同相位調(diào)制的發(fā)射波形的換能器探測器。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中該圖像處理器還包括形成造影劑三次諧波圖像的圖像處理器，所述諧波圖像具有較低的背景組織圖像。
全文摘要
本說明書描述了一種用于對造影劑成像的方法和設(shè)備，該造影劑以大于0.1的MI按照非破壞性模式非線性振蕩。沿著每個(gè)波束方向發(fā)射不同調(diào)制的三個(gè)發(fā)射脈沖。在所示實(shí)施例中，以0°、120°和240°對稱地不同相位調(diào)制發(fā)射脈沖。脈沖反轉(zhuǎn)處理器存儲(chǔ)并組合響應(yīng)于每個(gè)發(fā)射脈沖而接收到的回波。脈沖反轉(zhuǎn)處理導(dǎo)致三次諧波分離，而相對排除一次和二次諧波信號成分。形成了具有較低組織背景的造影劑三次諧波圖像。
文檔編號G01S7/52GK1976636SQ200580022105
公開日2007年6月6日 申請日期2005年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者M·布魯斯, M·阿弗基歐 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司