专利名称：在超声波对比成像中提高对比物与组织比的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于医疗诊断目的的人体解剖超声波成像。本发明尤其涉及在超声波对比成像中用于提高对比信号与组织信号比率的方法和装置。
背景技术：
可以将对比剂与超声波成像结合使用以加强血液向器官或组织循环的血流动和灌注的临床评估。对比剂包括一般为1-10μm大小的微型泡。在注射到患者的血液中时，对比微泡产生非线性信号，并与没有对比物时血液的回波强度相比，增加血液回波强度。组织也产生非线性信号，但是这个非线性组织信号一般比非线性的对比物信号弱。
为了观察组织的血液流动或灌注，组织回波强度必须相对于对比物的回波强度显著降低。抑制组织信号的一个方法是成像微泡产生的非线性信号的二次或高次谐波。在基本谐波成像中，在频率f0发送窄带信号。在美国专利No.5,724,979和美国专利No.5,733,527中，在2f0对返回的回波进行带通滤波、以成像微泡和组织产生的二次谐波信号。另外，在美国专利No.5,632,277、5,706,819和63,719,914中，脉冲相位倒置通过使用两个相位倒置的发送脉冲消除基础(线性的)分量留下非线性分量以进行成像、允许基础和谐波段重叠以改善空间分辨率。
对于每项上述传统方法，对比物与组织信号强度的比对于成像组织灌注来说仍显不足。提高对比物与组织比率(CTR)的一个方法是，降低发送机械指数(MI)，因为在MI减小时，组织的非线性信号比对比物的非线性信号下降的快。然而，这个方法受到信噪比(SNR)的限制。
与使用二次和高谐波的技术比，次谐波成像具有的优点是，组织不产生大的次谐波含量，并且因此能够保持高CTR。(见美国专利NO.6,117,0821；James Chomas等“Subharmonic Phase-Inversian for Tumor PerfusionEstimation(用于肿瘤灌注评估的次谐波相位倒置)”；P.M.shankar等“Advantage of Subharmonic Over Second Harmonic Backscatter forContrast-Tissue Echo Enhancement(对于对比组织回波增强次谐波相对于二次谐波反向散射的优点)”)次谐波成像涉及发送基频f0的脉冲和滤波所述接收的回波以拒绝f0的回波，同时接收如f0/2、f0/3等的f0的次谐频率波的回波。但是，这个次谐波信号电平一般比二次谐波和基础信号的小得多。在产生次谐波响应时遇到的另一个问题是，存在可能对于低MI实时灌注成像过高的压力阈值。
次谐波产生是正反馈环。在美国专利No.6,117,082中，在脉冲时间引入在次谐波频率的种子信号以感应次谐波信号产生的正反馈。为了避免所述种子信号产生的组织信号，与基础信号相比，种子信号几乎被降低40dB。种子信号的低振幅限制产生高电平次谐波信号的速度。因此，产生强的次谐波信号需要高压和长的发送脉冲。
近来，为了进一步强化CTR开发了相位倒置次谐波成像方法。已经发现在发送频率是两倍的微泡共振频率时，产生次谐波振动的阈值可以是低的。(James Chomas等“Subharmonic Phase-Inversion for Tumor PerfusionEstimation(用于肿瘤灌注评估的次谐波相位倒置)”)。但是，不使用种子次谐波信号，产生成像足够的次谐波信号仍需要高压。
对于很多对比应用，特别是灌注成像，必须避免泡的破坏。高的MI超声脉冲破坏对比物微泡，因此，为了不破坏对比剂和保持较长的可以成像对比剂的延续时间希望低的MI脉冲。
因此，需要一种使用对比物进行超声波成像的方法，所述方法产生强次谐波信号，并且提高对比物回波信号与组织回波信号比，而不破坏微泡的连续成像中的对比物微泡。本发明的某些实施例的目的是满足这些需要，并且从下面的说明和附图也可清楚地看出其它目的。
发明内容
提供一种在成像对比物灌注组织和血管时提高对比物-组织比的方法。所述方法包括用具有基频微泡的对比剂灌注受治疗者。向受治疗者发送包括第一和第二信号的第一发送脉冲。所述第一信号具有基于基频的第一频率，第二信号具有基于第一频率并且比第一频率低的第二频率。向受治疗者发送第二发送脉冲，所述第二发送脉冲包括分别具有第一和第二频率的第三和第四信号。所述第三和第四信号相对于第一和第二信号相位倒置。
提供一种使用诊断超声波成像患者的方法，所述方法包括产生分别具有第一和第二频率的第一和第二信号。所述第二频率是相对于第一频率的次谐波频率。所述方法还包括将所述第一和第二信号结合生成第一发送脉冲。以所述第一和第二频率分别产生第三和第四信号，并且相对于所述第一和第二信号所述第三和第四信号是相位倒置的。将所述第三和第四信号结合生成第二发送脉冲。
提供一种在成像对比物灌注组织和血管时提高对比物与组织比的系统。所述系统包括接种(seeded)波形产生器，用于产生包括基本和种子信号的第一和第二发送脉冲。所述基本信号具有第一频率，所述种子信号具有为所述第一频率的次谐波频率的第二频率。所述第一和所述第二发送脉冲彼此相位倒置。所述系统还包括发射机，用于向患者发送所述第一和第二发送脉冲，所述患者具有用包括微泡的对比剂灌注的组织和血管。接收机接收分别基于第一和第二发送脉冲的第一和第二组回波。以基于所述第二频率的频率为中心的滤波器，滤波所述第一和第二组回波以生成表示微泡响应的滤波的信号。
图1是根据本发明的实施例形成的超声波诊断成像系统的方框图；图2说明了如何根据本发明的实施例形成两个连续的接种发送脉冲；图3说明了根本发明实施例形成的图1的接种波形产生器；图4说明了根本发明实施例形成的另一个接种波形产生器；图5是在发送接种发送波形时从组织和对比物微泡接收的回波的模拟功率频谱；图6是在发送基本信号和相位倒置的基本信号时从组织和对比物微泡接收的回波的模拟功率频谱；图7是在根据本发明实施例发送接种发送脉冲和相位倒置的接种发送脉冲时从组织和对比物微泡接收的回波的模拟功率频谱；图8是根据本发明实施例形成的相干波束形成超声波诊断成像系统的方框图；和图9说明了如何根据本发明实施例用接种次谐波相位倒置实现相干波束形成。
在结合附图阅读时，将更好地理解上述本发明内容以及下面的详细说明。为了说明本发明，附图中示出了特定的实施例。但是应理解，本发明不限于在附图中的设置和设备。
具体实施例方式
图1示出根据本发明实施例形成的超声波诊断成像系统100的方框图。系统100包括含在超声波探头103内的换能器排列102。换能器排列102通过发送/接收开关104耦合到发射机106和接收机108。发射机106驱动换能器排列102向目标或人体激发脉冲、或发射脉冲的超声波信号。接种波形产生器110产生在下面进一步说明的接种波形。可以通过发射机控制器112控制的发射机106、沿相同的空间线、以时间顺序发送接种波形。
超声波信号从血液细胞，肌肉组织或对比物微泡等的人体中的结构反向散射以产生换能器排列102探测的回波。接收机108顺序接收从每个发送脉冲来的回波。接收的回波穿过波束形成器114，它进行波束形成和滤波操作，并且由接收机控制器116控制。然后接收的信号被存储在存储器118中。中心控制器126协调超声波成像系统的较高级功能，如来自用户控制屏128的用户输入、在显示器124上显示数据等。
图2示出了如何能够形成两个连续接种发送脉冲。接种波形产生器110产生第一信号，基本信号130，和第二信号，种子信号132。然后，在接种波形产生器110内结合操作134结合基本信号130和种子信号132以产生接种发送脉冲136。结合操作可以包括加、减、相干合成或其它功能。基本信号130可以具有基本频率2f0，其中f0是对比物微泡的共振频率。种子信号132在如f0、2f0/3等的2f0的次谐波频率上。或者，基本信号132也可以具有基本频率f0，同时种子信号132具有如f0/2的f0的次谐波频率。在图2的例子中，基本信号130具有6MHz的发送频率，种子信号132具有3MHz的发送频率。
如背景技术中所述，次谐波产生是正反馈响应。在此，种子信号132被引入启动次谐波产生的正反馈环。种子信号132的振幅相对于基本信号130约在-10dB到-30dB之间。在这里使用的振幅电平上，在如6MHz的4或6周期(cycles)的短脉冲延续时间能够产生次谐波信号到高振幅，例如这使得应用在目前市场上的探头中是实际可行的。另外，因为当微泡受二倍的微泡共振频率的声波作用时，次谐波产生的阈值电平能够很低，故用良好的次谐波响应能够容易地达到低MI值。
重复上述处理以产生相位倒置的基本信号138和相位倒置的种子信号140。结合操作142将相位倒置的基本信号138和相位倒置的种子信号140结合以形成相位倒置的接种发送脉冲144。结合操作142可以是与结合操作134相同的操作和/或结构。
基本信号138是基本信号130的相位倒置的形态。种子信号140是种子信号132的相位倒置形态。因此，应理解，基本信号130和种子信号132之间的相位关系与相位倒置的基本信号138和相位倒置的种子信号140之间的相位关系是相同的。也就是说，相对于正的第一激发的接种发送脉冲136，第二激发的相位倒置的接种发送脉冲144是相位倒置的，或负的。或者，可以通过相位倒置接种发送脉冲136产生相位倒置的接种发送脉冲144。
回到图1，在处理并在存储器18中存储这两个相位倒置的接收信号后，信号处理器120用相干合成将这两个相位倒置的接收的信号合成到一起。然后，信号处理器120在如f0的次谐波频带，或如4f0/3的超谐波频带滤波合成的信号。结果的处理信号被包络探测和对数(log)压缩，然后被信号处理器120送到扫描转换器122。然后，显示器124显示处理的信号。。
图3示出图1的接种波形产生器110。接种波形产生器110包括基本波形产生器150和种子波形产生器152。基本波形产生器150产生第一频率的基本信号130，种子波形产生器152产生第一频率的次谐波频率的种子信号132。为了参考示出基本信号130和种子信号132。基本波形产生器150在输出154上输出基本信号130，种子产生器152在输出156上输出种子信号132。然后，基本信号130和种子信号132由结合操作134结合以形成接种发送脉冲136(图2)。然后，直到被发送接种发送脉冲136被存储在波形存储器158中。信号的相位倒置形态，如相位倒置基本信号138和相位倒置种子信号140(图2)以相同方式被产生、结合和存储以产生相位倒置接种发送脉冲144。
图4示出另一个接种波形产生器160。在图4中，单一波形产生器162通过使用例如由中心控制器126存储的预定参数、或通过用户控制屏128输入的参数、产生接种发送脉冲136。接种发送脉冲136然后被存储在波形存储器164直到被发送。以与相对应的接种发送脉冲136相同的方式产生相位倒置接种发送脉冲144。因此，本领域的技术人员应该理解，可以使用几个不同方法和/或装置产生，接种发送脉冲136和相位倒置的接种发送脉冲144，不限于所述的实施例。另外，应理解，可以改变基本和种子信号130和132及相位倒置基本和相位倒置种子信号138和140的相位、带宽和振幅，并且为了次谐波信号产生的优化可以改变将种子信号132和140分别合并成基本信号130和138的时间。
图5是在发送接种发送波形136时从组织和对比物微泡接收的回波的模拟功率频谱。在图5中，接种发送波形136包括在6MHz，即2f0发送的基本信号和在3MHz或f0发送的种子信号132。调节泡的浓度使得整个微泡回波具有与在基础频率2f0的组织相同电平的响应。线170表示接收机108从对比物微泡接收的回波组的功率频谱。线172表示接收机108从组织接收的回波组的功率频谱。对比物微泡响应，即线170，在6MHz或2f0具有大约与组织响应，即线172相同电平的响应。另外，能够见到，在种子信号f0(3MHz)频率组织的线性响应是强的，因此，在次谐波频率f0泡和组织响应之间仅存在小的差别。结果，在仅用接种发送脉冲136成像时，图像的CTR很低。
图6示出了在发送基本信号130和相位倒置的基本信号138时从组织和对比物微泡接收的回波的模拟功率频谱。图6中，在2f0，或6MHz发送基本信号130和相位倒置的基本信号138，其中f0是对比物微泡的共振频率。线166表示接收机108从基本信号130和相位倒置的基本信号138作用的对比物微泡接收的合成回波组的功率频谱。线168表示接收机108从基本信号130和相位倒置的基本信号138作用的组织接收的合成回波组的功率频谱。在图5中以模拟信号的相同振幅电平对发送信号进行模拟。能够看到，这时在约3MHz的次谐波频带上，CTR也是很低的。
图7示出在接种发送脉冲136和相位倒置的接种脉冲144都被发送时的从组织和对比物微泡接收的回波的模拟功率频谱。线174表示从对比物微泡接收的合成回波组的功率频谱，线176表示从组织接收的合成回波组的功率频谱。在模拟中，对比物微泡浓度与在图5和6中用的对比物微泡的相同。在次谐波频率带f0中明显地提高了在组织信号(线176)和泡信号(线174)之间的差别，结果是，与图5所示的接种发送脉冲136的单一激发结果、和图6所示仅用基本信号130和相位倒置的基本信号138的相位倒置激发相比，CTR高得多。
图5、6和7说明了图7使用的接种次谐波相位倒置方法提高了超声波对比成像中的CTR。在短的脉冲延续时间和用低的MI设定值，-20dB到-13dB的接种信号电平帮助正反馈环开始和达到很高电平，甚至饱和，同时相位倒置帮助消除由组织内的种子信号产生的强线性组织信号。此外，在使用低MI设定值的高频率探头(大于或等于5MHz)时，能够显著提高对比成像性能。作为例子，在平卧胸部和甲状腺需要高频探头时，提高了成像血液流动和区域的微血管灌注的能力。
图8示出了根据本发明实施例形成的相干波束形成超声波诊断成像系统180的方框图。系统180使用用相同参考号表示的与系统100相同的一些组件。通过使用相干波束形成技术，与系统100的帧速相比能够增加(例如，增加1倍)帧速。
图9示出了如何可以用接种次谐波相位倒置实现相干波束的形成。下面一起说明图8和9。在图8中，如前所述，接种波形产生器110产生接种发送脉冲136和相位倒置的接种发送脉冲144。在相干波束形成系统180中，不象系统100中那样沿相同空间线以时间顺序发送136和144，而是在沿线188，即Tx1发送接种脉冲144的同时，沿线182，即Tx0发送接种脉冲136。沿与线182相同的空间线将接收接种发送脉冲136作用的微泡的回波，并且沿与图9中示出的线188相同的空间线接收相位倒置的接种发送脉冲144作用的微泡的回波。这个扫描顺序将继续沿线194，Tx2发送接种发送脉冲136；沿线188，Rx2接收回波；沿线200，Tx3发送相位倒置的接种发送脉冲144；沿线190，Rx3接收回波等，直到形成整个图像。
波束形成器206波束形成接收机108接收的回波信号，然后，送到线存储器208。然后RF合成器214相干地合成相邻的接收线，从而在发送和接收线之间，形成一组新合成线SN 192、196、198和202。新合成线SN192、196、198和202是接种发送脉冲136和相位倒置接种发送脉冲144作用的微泡的回波的结合。因此，在没有沿相同空间线两次激发下，在一个帧扫描中实现相位倒置。因此，能够加倍帧速。RF合成器214向信号处理器120输出相干合成的相位倒置信号SN(N＝1，2，…)。信号处理器120在次谐波或超谐波频带进一步滤波，然后，所述信号被包络探测和对数(log)压缩。然后所述信号被送到扫描转换器122，然后到显示器124。与系统100的中心控制器126相似，中心控制器126协调系统180的所有较高层功能。
虽然参照特定实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员应该理解在不脱离本发明范围的情况下，可以进行变形和等同替代。另外，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种修改以适应特殊环境或解释说明本发明的材料。因此，本发明不限于已公开的特定实施例，而是包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种在成像灌注对比物的组织和血管时提高对比物与组织比的方法，行述方法包括下列步骤用对比剂灌注受治疗者，所述对比剂包括具有基础频率的微泡；向所述受治疗者发送第一发送脉冲(136)，所述第一发送脉冲(136)包括第一(130)和第二(132)信号，所述第一信号(130)具有基于所述基础频率的第一频率，所述第二信号(132)具有基于所述第一频率的第二频率，并且所述第二频率比所述第一频率低；和向所述受治疗者发送第二发送脉冲(144)，所述第二发送脉冲(144)包括分别具有所述第一和第二频率的第三(138)和第四(140)信号，所述第三(138)和第四信号(140)相对于所述第一(130)和第二信号(132)相位倒置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括下列步骤接收基于所述第一发送脉冲(136)的第一组回波(184)；接收基于所述发送脉冲(144)的第二组回波(186)；和用基于所述第二频率的频率为中心的滤波器对所述第一组(184)和第二组(186)回波进行滤波。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括下列步骤接收分别基于所述第一(136)和第二(144)发送脉冲的第一(184)和第二(186)组回波；用基于所述第二频率的频率为中心的带通滤波器对所述第一(184)和第二(186)组回波进行滤波以生成第一和第二组滤波回波；和用相干求和与相干减之一结合所述第一和第二组滤波回波以生成代表所述微泡的响应的输出(174)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一频率等于所述基础频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一频率等于所述基础频率的整数倍，所述整数至少是2。
6.一种在成像灌注对比物的组织和血管时提高对比物与组织比的系统(180)，所述系统(180)包括接种波形产生器(110)，用于产生包括基本(130，138)和种子(132，140)信号的第一(182)和第二发送脉冲(188)，所述基本信号(130，138)具有第一频率，所述种子信号(132，140)具有第二频率，所述第二频率是所述第一频率的次谐波频率，所述第一(182)和所述第二(188)发送脉冲彼此相位倒置；发射机(106)，用于向患者发送所述第一(182)和第二(188)发送脉冲，所述患者具有灌注了对比剂的组织和血管，所述对比剂包括微泡；接收机(108)，用于接收分别基于所述第一(182)和第二(188)发送脉冲的第一(184)和第二(1186)组回波；和滤波器，具有所述第二频率，所述滤波器滤波所述第一(184)和第二(186)组回波以生成代表所述微泡的响应的滤波信号。
7.根据权利要求6所述的系统(180)，其中所述微泡具有基础频率，所述第一频率基于所述基础频率。
8.根据权利要求6所述的系统(180)，其中所述接种波形产生器(110)还包括结合操作器(134)，用于结合所述基本(130，138)和种子信号(132，140)以形成所述第一(182)和第二(188)发送脉冲。
9.根据权利要求6所述的系统(180)，其中接种波形产生器(110)产生所述基本(130，138)和种子(132，140)信号，所述种子信号(132，140)具有相对于所述基本信号(130，138)减少13dB到20dB范围的振幅。
10.根据权利要求6所述的系统(180)，其中所述微泡具有基础频率，所述第二频率基本与所述基础频率相同。
11.根据权利要求6所述的系统(180)，其中所述发射机(106)沿相邻的空间线发送所述第一(182)和第二(188)脉冲，所述接收机(108)沿所述相邻空间线接收所述第一(184)和第二(186)组回波，所述系统(180)还包括RF合成器(214)，用于相干合成所述接收机(108)沿所述相邻空间线接收的所述第一(184)和第二(186)组回波以产生合成线(192，196)。
全文摘要
在成像灌注对比物的组织时提高对比物与组织比。接受治疗者被灌注具有基础频率微泡的对比剂。向接收治疗者发送第一(136)和第二(144)发送脉冲。第一(136)和第二(144)发送脉冲每个包括第一或基本信号(130，138)和第二，或种子(132，140)信号。基本信号(130，138)具有基于基础频率的频率，种子信号(132，140)具有基于基本信号(130，138)的频率的次谐波频率。第一(136)和第二(144)发送脉冲彼此相位倒置。在次谐波或超次谐波频率对从第一(136)和第二(144)发送脉冲接收的回波(184，186)进行滤波、以除去组织响应并使得微泡响应通过。
文档编号A61B8/06GK1500445SQ20031011411
公开日2004年6月2日 申请日期2003年11月3日 优先权日2002年11月1日
发明者郝晓慧, 理查德·Y·奇奥, Y 奇奥 申请人:Ge医药系统环球科技公司