专利名称：利用超声造影剂的呼吸门控治疗评估的制作方法
利用超声造影剂的呼吸门控治疗评估本申请要求2008年1月23日提交的美国临时申请No. 61/022，888的权益，该申 请通过引用合并于此。本发明涉及超声诊断成像系统，并且尤其涉及使用超声诊断成像系统评估肿瘤治 疗处理的进展。国际专利公开W0 2006/090309 (Bruce等)描述了用于通过使用超声造影剂对肝 脏中的病变进行检测的超声成像技术。将一团造影剂引入身体，并且对肝脏中造影剂的到 达时间进行检测。当一团造影剂流经身体的血管并且开始出现在身体中的特定器官或位置 时，把图像中对比度的增强称为造影剂的“洗入(wash-in)”。当造影剂输注在身体中的该 位置处达到稳定水平并且然后随着由血流从该位置将其携带走而下降时，把该下降称为造 影剂的“洗出(wash-out)”。在前述专利公开中，发明者利用了这样的事实，即到肝脏的血 流来自肝动脉和门静脉两个源。由于在血流的第一动脉期期间血流将首先灌注HCC和转移 性的肝脏病变，所以发明者通过在血流的动脉期和稍后的门静脉期期间对肝脏中造影剂的 到达时间进行检测来识别该病变。早期的造影剂洗入到肝脏的区域可能是病变的症状。一旦通过这种以及/或者其它方式对病变或者转移(metastasis)进行了识别，医 师一般就开出治疗疗法。例如，治疗可以包括超低温/低温疗法、细胞毒素化学疗法、或者 抗血管生成剂。通常不在单独一段会话内、而是在几周或几个月的周期上的几个会话内履 行治疗。在每个治疗会话，医师一般期望评估治疗的进展，从而确定其对患者的有效性。例 如，可以对病变或者转移进行诊断成像看其是否收缩。但是，处理的进展通常是缓慢的，并 且自前一会话以来病变或转移中仅发生了很小变化。在该实例中，期望通过测量肿瘤的某 个特性对治疗的进展进行定量评估。一个这种测量是肿瘤血管生成的衰退。当病变或转 移随着其细胞的坏死而收缩时，发展以滋养病变的微脉管系统将对病变提供更少的供血， 并且其自身可能开始收缩。一种定量方法是评估血管生成的这种衰退、病变微脉管系统的 性能的下降。期望这种定量测量可重复，并且对从一个成像过程到下一个成像过程的变化 免疫，例如可能随不同检查日而变化的注射剂团、患者心脏输出量、以及超声机器设置的变 化。消除这些变化的影响使得能够测量的一个治疗会话与另一个治疗会话可比较。本发明 的目标是提供在对肿瘤治疗期间用于评估病变或转移的血管生成的新的以及改进的技术。根据本发明的原理，生成超声造影剂的洗入和洗出时间_强度曲线，并且使用其 对作为治疗结果的肿瘤血管生成进行量化。通过超声成像系统采集病变或转移的图像，并 且当造影剂洗入到正在被观测的组织或器官和从其洗出时对病状进行连续成像。为了本过 程的精确测量，期望当造影剂洗入和洗出时从同一个转移位置稳定地采集超声信号，使得 从同一个病变点连续发出用于时间_强度曲线计算的信号信息。根据本发明的第一方面， 通过对用于时间-强度曲线产生的数据采集进行呼吸门控来移除呼吸运动的影响。呼吸门 控的优选技术是通过图像分析履行的一种技术，其中，使用在图像中出现或者不出现诸如 横隔膜的解剖标记来决定图像是否用于或者不用于时间_强度曲线处理。根据本发明的另一方面，为来自肿瘤的超声数据和来自正常组织的超声数据生成 时间-强度曲线。为每条时间-强度曲线计算洗入时间(WIT)参数。洗入时间比率(WITR)
4由这样的两个参数构成，其减小了洗入时间量化中由诸如团注差异、心脏输出量、以及超声 系统设置的因素引起的变化。因此，WITR提供了精确并且可比较的治疗进展指示符。根据本发明的另一方面，肿瘤和正常组织的时间_强度曲线彼此相减，以形成差 异时间-强度曲线。差异时间-强度曲线的形状及其在时间上的变化是治疗进展的另一个 指示符。在附图中
图1以方框图的形式图示说明了根据本发明的原理构造的超声诊断成像系统；图2和图3根据本发明的原理图示说明了图1的Qlab处理器的操作细节；图4图示说明了根据本发明的原理的通过图像处理的呼吸门控；图5是对在动脉期期间所采集的肝脏图像中根据本发明的时间_强度曲线的R0I 的图示说明；图6是对在稍后的门静脉期期间所采集的肝脏图像中根据本发明的时间-强度曲 线的R0I的图示说明；图7图示说明了对于转移性病变和正常实质(parenchyma)的时间-强度曲线；图8图示说明了根据本发明的原理的在用于呼吸门控的超声图像中的横膈膜识 别；图9a_9d图示说明了根据本发明的原理的时间-强度曲线的生成和减法以形成差 异时间-强度曲线；图10图示说明了根据本发明的治疗进展评估的临床结果。首先参考图1，图中以方框图形式示出了根据本发明的原理构建的超声系统。该系 统通过扫描正在利用超声发送波束被成像的二维或三维身体区域工作。当每个波束沿着其 被操纵路径发送经过身体时，该波束返回具有对应于所发送频率分量的线性和非线性(基 波频率和谐波频率)分量的回波信号。通过由波束遇到的造影剂微泡的非线性响应对发送 信号进行调制，从而生成具有谐波分量的回波信号。图1的超声系统利用发射器16，发射器16在用于从身体内的散射体返回谐波回波 分量的期望波束方向上发送所选择调制特性的波形或脉冲。发射器对确定发送波束特性的 控制参数的数目做出响应，该发射波束特性包括发送波束频率分量、它们的相对强度或幅 度、以及发送信号的相位或极性。通过发射/接收开关14将发射器耦合到超声探头10的 换能器阵列12的元件。换能器阵列可以是用于平面(二维)成像的一维阵列或者是用于 二维或体(三维)成像的二维阵列。换能器阵列12从身体接收回波，其中身体中包含处于换能器通频带内的基波(线 性)和谐波(非线性)频率分量。通过开关14将这些回波信号耦合到波束形成器18，其对 来自不同换能器元件的回波信号进行适当延迟、随后对它们进行组合以沿着波束从浅到较 深深度形成线性和谐波信号序列。该波束形成器最好是对经数字化的回波信号进行操作、 以产生从图像近场到远场深度的离散相干数字回波信号序列的数字波束形成器。该波束形 成器可以是多线波束形成器，其作为对单一发射波束的响应、沿着多个空间不同的接收扫 描线生成两个或多个回波信号序列，这对3D成像特别有用。将经波束形成的回波信号耦合 到集群存储器(ensemble memory) 22。在图1的超声系统中，使用不同调制技术在每个波束方向上发送多个波形或脉冲，这导致对于图像场中的每个被扫描点的多回波接收。这里将对应于共同空间位置的回 波称为回波集群，并且将其存储在集群存储器22中，可以从集群存储器22中重新得到并 且一起处理回波集群。通过非线性信号分离器24以各种方式对集群的回波进行组合、以 产生所期望的非线性或谐波信号。例如，可以将具有不同相位或极性调制的两个脉冲发送 到图像场中的每个点。当通过超声系统接收到由两个脉冲导致的回波并且相加合并时，不 同调制导致回波的基频分量消除并且谐波分量彼此增强。这分离出了回波信号的谐波分 量。备选地，当两个回波彼此相减时，增强了基频分量并且消除了谐波分量。这分离出用 于构造标准B模式图像的基波频率。将本调制称为“脉冲反转”，并且可以通过如在美国专 利 No. 5，706，819 (Hwang 等)、No. 5，951，478 (Hwang 等)、以及 No. 5，577，505 (Brock Fisher 等)中所描述的相位、极性或者幅度调制来完成。通过滤波器30对经分离的信号进行滤波，以进一步移除不想要的频率分量，随后 接受通过检测器32进行的B模式或者多普勒检测。将所检测的信号耦合到非线性信号组 合器34，以减少图像斑点含量。随后，为了形成二维、三维、频谱、参数、或者其它期望图像， 在图像处理器36中对信号进行处理，并且随后在显示器38上显示该图像。将不需要斑点 减少处理的所检测到的基波(线性)信号直接耦合到图像处理器36用于图像形成和显示。根据本发明的原理，为了产生时间强度曲线以及造影剂洗入和洗出特性，还将超 声图像数据耦合到Qlab图像处理器40。将通过Qlab处理器产生的时间-强度曲线和特性 耦合回到图像处理器，在图像处理器处，可以将该时间-强度曲线和特性与超声图像一起 数字地或者图表地显示在显示器38上。适合于生成时间-强度曲线的标准Qlab处理器可 从马萨诸塞州安杜佛的Philips Healthcare获得。标准Qlab处理器生成众所周知的时间_强度曲线，也称为灌注曲线或者再灌注曲 线。见美国专利5，833，613 (Averkiou等)、国际专利公开W02005/099579 (Rafter)、以及国 际专利公开W0 2005/054898 (Garg等)。如这些公开所说明的，在造影剂到达身体中各位置 期间对组织中的点(图像中的点)的造影剂增强进行监控。当造影剂洗入到组织内时，通 过在每点处从造影剂微泡返回的回波强度指示一点处的造影剂的量，并且在以低功率(低 Ml)发送所采集的图像序列中呈现该造影剂的量。对于逐帧返回回波时间序列的组织中的 每个点，可以形成具有这种造影剂增强以及其在造影剂洗出期间的后续下降的时间-强度 曲线。可以通过以代表图像中每点处的时间-强度曲线参数的颜色给解剖图像中的每个像 素上色来形成对于正在被观察的整个组织的时间_强度曲线的定性表示。例如，Garg等的 申请说明了心肌的参数图像的形成，其中，图像中每个像素的颜色代表在心肌中每点处通 过时间_强度曲线获得的峰值水平。也见美国专利No. 6，692，438(Skyba等)。在本发明的实现方式中，在随着造影剂到达身体中的转移位置、增强、并且随后消 除的一系列图像上采集造影剂灌注回波数据。因此，回波的强度值将从无造影剂存在的基 线水平开始、随后上升、达到平衡、并且随着造影剂洗出而下降。随后，曲线拟合算法将该数 据变化拟合到如下定义的误差函数I (t) = A [erf {(t-t0) /T} +I0]其中，I(t)是在时间t时的线性强度、A是在基线偏移量上的最大强度、T是与洗 入时间成线性比例(例如，从5% -95% )的洗入时间参数、h是基线偏移量、并且、是时 间偏移量。最好从经拟合的曲线而不是噪声图像数据中提取出洗入时间。在该处理之前造
6影剂回波数据最好不经历数据压缩，使得数据保持在其被采集的线性关系中。另一种方法 是将整个时间-强度曲线(而不是仅仅洗入部分)拟合到合适的算术模型，作为例如如下 定义的对数正态分布
权利要求
一种用于评估肿瘤治疗的进展的超声诊断成像系统，包括超声探头，用于当造影剂灌注组织时采集肿瘤及其邻接组织的超声图像的序列，所述图像中的多个还包括指示组织运动的解剖标记；造影剂灌注处理器，其根据所述超声图像对灌注参数进行处理；以及图像处理器，其对所述图像中的所述解剖标记进行识别，并且使得能够对包括期望的解剖标记的图像进行造影剂灌注处理。
2.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述解剖标记还包括横膈膜。
3.如权利要求2所述的超声诊断成像系统，其中，通过手动描绘来指示所述图像中所 述横膈膜的位置，其中，所述图像处理器对所述手动描绘中所述横膈膜的图像数据的存在进行识别。
4.如权利要求2所述的超声诊断成像系统，其中，通过图像处理来指示所述图像中所 述横膈膜的位置。
5.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述图像处理器还操作用于对所述 序列中的图像中所述解剖标记的位置的变化进行识别。
6.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述图像处理器还操作用于省略对 所述解剖标记不出现在预定位置处的图像进行处理。
7.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述造影剂灌注处理器还操作用于 生成造影剂洗入参数。
8.如权利要求7所述的超声诊断成像系统，其中，所述造影剂灌注处理器还操作用于 生成归一化造影剂洗入参数。
9.一种用于对肿瘤治疗的进展进行超声监测的方法，包括当造影剂灌注组织时，采集肿瘤及其邻接组织的超声图像的序列； 对所述图像进行处理，以在所述图像中对组织运动进行识别； 对所述序列的不受组织运动不利影响的图像进行灌注参数处理，以确定作为治疗生物 标志物的灌注参数。
10.如权利要求9所述的方法，还包括从所述序列中省略受组织运动不利影响的图像。
11.如权利要求10所述的方法，还包括从所述序列中省略受组织运动不利影响的图 像，其中所述组织运动由所述图像中解剖标记的位置指示。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述解剖标记是横膈膜。
13.如权利要求9所述的方法，其中，所述灌注参数是造影剂洗入参数。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述灌注参数是归一化造影剂洗入参数。
15.一种用于对肿瘤治疗的进展进行超声监测的方法，包括当造影剂灌注组织时，采集肿瘤及其邻接组织的超声图像的序列； 通过呼吸门控选择所述序列中用于处理的超声图像；从所选择的图像的数据中提取利用所述造影剂的所述组织的所述灌注的归一化参数;以及显示所述归一化参数作为肿瘤治疗的进展的肿瘤生物标志物。
16.如权利要求15所述的方法，其中，选择还包括借助于呼吸传感器选择用于处理的超声图像。
17.如权利要求15所述的方法，其中，呼吸门控还包括针对呼吸影响对所采集的图像 的数据进行分析。
18.如权利要求15所述的方法，其中，呼吸门控还包括针对呼吸运动对所采集的图像 的数据进行分析。
全文摘要
描述了用于借助于造影剂成像的对诸如病变、肿瘤和转移的病状的治疗进展进行监测的超声成像装置和方法。当一团造影剂注入包含所述病状的组织时采集图像序列。为肿瘤和正常组织计算造影剂洗入时间参数，并且计算两个洗入时间参数(称为WITR)的比率，其移除了从一个治疗监测会话到另一个治疗监测会话的过程中变化的影响。还生成病状和正常组织的时间强度曲线的差异曲线，其同样不受过程变化的影响。通过检测图像序列的每幅图像中诸如横膈膜的标记位置、并且放弃对在标记位置相对于探头呈现变化的那些进行处理，可以将呼吸的运动影响计入考虑。
文档编号A61B8/08GK101951839SQ200980102889
公开日2011年1月19日 申请日期2009年1月23日 优先权日2008年1月23日
发明者K·基里亚科普路, M·兰帕斯基斯, M·阿韦基乌 申请人:M·阿韦基乌;M·兰帕斯基斯;K·基里亚科普路