专利名称：超声成象方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用微球造影剂的超声成象方法和设备。
在采用造影剂的超声成象中，造影剂包括液体中的许多直径在数微米量级的气泡(微球)，并且利用了基于微球的非线性回声源特性的二次谐波回声，以获得强反差成象。该非线性回声源特性来源于微球和所发射超声频率的共振。
由于微球在超声脉冲发射中断之后继续共振，微球所产生的回声信号除了包括与所发射超声的脉冲宽度对应的主回声外，还包括后续尾回声。每个回声信号有一个表示反射点深度的主回声返回时间，因此该信号拖尾使得在该反射点的图象中也出现图象拖尾现象。所以，所产生的强反差图象的清晰度差。
所以，本发明的一个目的是提供能够产生高清晰度(定义)的微球造影剂图象的超声成象方法和设备。
根据第一方面，本发明提供一种超声成象方法，它包括下列步骤将微球造影剂注入某物体；以热方式激励微球造影剂使微球共振；并且根据微球的共振所产生的超声波生成图象。
根据第二方面，本发明提供超声成象设备，它包括经以热方式激励被注入到某物体的微球造影剂使微球共振而生成超声波的装置，根据所生成超声波而产生图象的装置。
根据第三方面，本发明提供关于第二方面描述的超声成象设备，其中用于生成超声波的装置利用电磁波、电场、磁场或光以热方式激励微球造影剂，使微球共振，由此产生超声波。
根据第四方面，本发明提供关于第二或第三方面描述的超声成象设备，其中用于产生图象的装置以三维方式接收所产生的超声波，并且根据所接收的信号产生三维或二维图象。
在本发明的第一或第二方面，优选的是微球造影剂可以利用电磁波辐射的加热效应以热的方式加以激励，这是因为它有效地产生微球的共振。
此外，在本发明的第一至第四方面的任何一方面，优选的是使微球共振所产生的超声波受到其它具有不同频率的超声波的作用而进行频率变换，这是因为它使得所接收的超声信号得以恰当地调节。
根据本发明，以热方式激励微球使之共振而产生的超声波，被用于产生超声源即微球的空间分布图象。由于微球所产生的超声波不是回声而是自发声，所以没有信号拖尾现象。
本发明实施了一种超声成象方法和设备，它产生具有高清晰度的微球造影剂的图象。
本发明的其它目的和优点在结合附图参阅下文对优选实施例的详细说明之后将一目了然。
图1是根据本发明一实施例的设备的框图。
图2示意了所述设备的操作情况。
图3是所述设备中一个示例性二维超声换能器阵列的简略表示。
图4是所述设备的接收部分的框图。
图5是所述设备的图象生成部分的框图。
图6是所述设备所显示图象的简略表示。
图7是所述设备所显示另一幅图象的简略表示。
图8是所述设备的示例性超声探头的简略表示。
图9是根据本发明另一实施例的设备的框图。
现在将结合附图对本发明的优选实施例作详细说明。
图1是超声成象设备的框图。该设备是本发明的一个实施例。其结构代表了本发明设备的一个实施例，其操作表示了本发明方法的实施例。
如图1所示，所述设备包括一个超声探头52。超声探头52的位置邻接物体54，被用于接收超声波。物体54中事先插入了一个微球造影剂540。超声探头52配备有一个近邻设置的电磁波辐射器522。电磁波辐射器522例如包括螺线管等等。电磁波辐射器522被供以来自驱动部分524的驱动信号，以用电磁波照射物体54从而达到加热的目的。
电磁波的频率从例如10-2450MHz的频段中选值。电磁波辐射是间隙地施加的。选择间隙的周期，使得它与共振周期，即微球共振频率fs的倒数一致。微球的共振频率fs依赖于其直径，比如为1.6-2.5MHz。
图2示意了电磁波辐射过程的一个实例。利用触发信号(a)作为时序信号，脉冲状电磁波辐射以周期1/fs重复‘n’次，如图(b)所示。重复数，即脉冲数‘n’是，例如，4-16。电磁波辐射以类似脉冲的方式使物体54的内部变暖。
以用类似脉冲的加热对微球进行热激励，微球开始反复扩张和收缩。由于脉冲状加热的周期与微球的共振周期一致，微球开始共振，由此产生超声波。如图2(c)所示，共振在电磁波辐射中断之后仍然继续，因此超声波继续生成。
在该时间周期内的超声波被超声探头52以预定时序接收，如图2(d)所示。由于继续共振的微球是在电磁波辐射中断之后仍然继续产生超声波的仅有来源，故此所接收的超声波唯一地由这些微球生成。这种电磁波辐射和超声接收工作与按某个周期产生的触发信号同步重复。
类似脉冲的加热可以相继施加，对脉冲数没有限制。为了简化控制，这是优选的。如果采用的微球对共振高度敏感，热激励脉冲的数量可以是1(单发)。这对于减少电磁波辐射来说是优选的。
参考图3，超声探头52包括两维(2D)的超声换能器530阵列532。这2D阵列532包括，例如，构成一个128×128矩阵的超声换能器530。这些超声换能器由压电材料比如PZT(锆钛酸铅)陶瓷。
如图1所示，超声探头52连接至接收部分56。接收部分56接收超声探头52内的各超声换能器530所拾取的超声信号。
如图4所示，接收部分56包括多个放大器561-56n以及多个A/D(模拟-数字)变换器571-57n。放大器561-56n以及A/D(模拟-数字)变换器571-57n与2D阵列532内的各超声换能器530相关联。
放大器561-56n将超声换能器530接收的超声信号放大。A/D变换器571-57n将来自放大器561-56n的各模拟输出信号变换为数字信号。
超声换能器530所接收的各超声信号然后被转换为数字数据，其RF(射频)信号本质未变。这些数字数据构成2D阵列532所接收的超声信号的全息图象。
接收部分56连接至图象产生部分514。接收部分56输出的数字数据被送入图象产生部分514。图象产生部分514基于数字数据产生表示超声源分布的图象。
参考图5，图象产生部分514包括数据处理器550，全息图象存储器552，数据存储器554和图象存储器556。它们经总线558彼此连接。
接收部分56所提供的数字数据存入全息图象存储器552。然后全息图象存储器552存储了所接收超声信号的全息图象。
数据处理器550对存储在全息图象存储器552、数据存储器554和图象存储器556中的各种数据进行预定的数据处理。经过数据处理，并且根据全息图象存储器552内存储的全息图象数据计算超声源的三维(3D)位置。计算是利用诸如逆传播或傅里叶反变换进行的。计算得到的超声源的3D位置存储于数据存储器554中。
数据处理器550还根据数据存储器554中存储的3D位置数据产生表示超声源分布的图象。图象按从理想观察点观察所得的3D图象或者按经所希望的剖视所获得的层析X射线摄影图象而构成。该图象存储于图象存储器556。
图象产生部分514与显示部分516相连。显示部分516接收来自图象产生部分514的图象数据，并且根据图象数据显示图象。
接收部分56、图象产生部分514、显示部分516和驱动部分524均连接至控制部分518。控制部分518向这些部分提供控制信号，以控制其操作。超声成象在控制部分518的控制下进行。
控制部分518与操作部分520相连。操作部分520由操作者用于向控制部分518输入需要的指令和信息。操作部分520由控制面板组成，该面板包括数个操作装置，比如键盘等等。
现在说明本设备的操作。操作者将超声探头52和电磁波辐射器522置于物体54上的期望位置，并且操作所述操作部分520以开始成象过程。
然后在控制部分518的控制下执行成象操作。控制部分518控制驱动部分524，以驱动电磁波辐射器522，以便生成类似于图2(b)所示的电磁波脉冲。电磁波脉冲所带来的脉冲类加热使得微球造影剂540内的各微球如图2(c)所示那样共振，由此生成超声波。所产生的超声波可以借助于改变加热强度，即所施加电磁波强度来加以适当调节。
如此产生的超声波是由微球本身产生的声音，而不是回声。因此，由于与回声生成的时候不同，成象并不会依赖于返回时间以表示至微球的距离，所以没有涉及主回声或其尾波。也就是说，微球生成没有拖尾的超声信号。
各微球所产生的超声波以球面波形式抵达超声探头52的2D阵列532，并且它们的波前沿2D阵列532的表面传播，形成同心圆。
超声波被2D阵列532内的各超声换能器530所接收。接收部分56根据2D阵列532内超声换能器530各自接收的信号产生超声波的全息图象。
全息图象存储于图象产生部分514内的全息图象存储器552中。数据处理器550利用全息图象存储器552所存储的全息图象数据，经过逆传播技术或傅里叶逆变换技术生成超声源的3D分布数据，即各微球的3D位置数据。由于在所接收的超声信号中没有拖尾信号，故此所产生的微球3D分布数据不含有拖尾。这样的3D分布图象数据存储于数据存储器554中。
数据处理器550根据3D分布图象数据产生自某个观察点所看到的3D图象，并且将该图象存储于图象存储器556内。观察点由操作者经操作部分520加以适当选择。
图象存储器556所存储的图象数据被送入显示部分516，并显示为可视图象。这给出微球造影剂540的3D强反差图象542，其示例见图6。通过改变所选观察点，可以显示自各种观察点所观察到3D反差图象。3D反差图象542是一幅清晰的图象，没有拖尾。
当操作者利用荧屏上的线(line)鼠标544指定某个期望的剖面时，数据处理器550产生经指定剖面所取的反差图象。这给出了剖面反差图象546，其例子见图7。剖面反差图象546可以看作层析X摄影图象或者正射(orthographic)图象，这根据该剖面特性而定。剖面强反差图象546也是一幅清晰的图象，没有拖尾。
所采用的超声探头52可以包括一维超声换能器阵列。在该情况下，本设备是用于产生层析X摄影图象的超声成象设备。
此外，微球所产生的超声波可以在接收部分56进行接收波束形成。接收波束形成是通过对来自多个产生换能器的接收信号作附加的相控(phased)操作而进行的。对拟成象区域的扫描是通过声辐射线循序方式，依次改变所接收声束的方向，获取声辐射线所经过的微球产生的各超声信号而进行的。在该情况下，通过以距离门限提取声线上的期望信号范围，可以单独地对物体54的期望内部区域进行成象。
此外，如图8所例示，所采用的超声探头52可以配备声透镜536，并在2D阵列532的前表面和声透镜536之间设置超声透射介质534比如水，以便用声透镜536使声学图象聚焦于2D阵列532表面上。在此情况下，将各个超声换能器的接收信号当作为象素值，可以获得造影剂图象的正射图象。
此外，尽管电磁波加热因其易于实施而成为优选，用于热激励微球的装置不限于这一类型，可以根据物体54的特性采用利用诸如电场、磁场或光之类的其它能量的加热装置。
图9示意了本发明的另一实施例。其结构表示的是本发明设备的一个实施例，其操作表示了本发明方法的实施例。
在图9中，采用与图1所示相同的参考标号代表相同的组件，故此略去说明。在该实施例中，超声辐射器590邻接物体54，它向物体54的内部发射超声波。超声辐射器590例如由超声换能器组成，并且设计成由驱动部分592驱动以发射频率预定为fo的非指向性超声波。
频率fo被选择为不同于微球的共振频率fs。例如，如果微球共振频率fs是1.8MHz，那么所发射超声波的频率fo被选为1.5MHz。此外，在不会破坏微球以及不影响共振的范围内选择超声辐射的强度。
驱动部分592由控制部分518控制。在其控制下，比如以与图2(d)所示的超声波接收时间周期同步的方式发射超声波。即，在微球共振的同时发射超声波。超声波可以在本设备被激励的同时连续发射。为简化控制起见这是优选的。在另一方面，与接收时间周期同步地发射超声波对于减少不必要的辐射时间来说是优选的。
当共振在频率fs的微球受到频率fo的超声波作用时，各微球经微球上的频率转换效应产生频率为fr=fo±fs的超声信号。
超声探头52接收这样的超声信号。接收部分56经滤波器(未示)从所产生的超声信号中提取频率例如为fr=fo±fs的超声信号。所提取的超声信号频率例如为3.3MHz。图象产生部分514基于这些信号进行图象产生，其方式类似于上文。
很明显，频率为fr的超声信号不存在诸如拖尾的问题，这是因为它们是简单地通过微球共振所产生的超声信号的频率变换而获得的。这样，基于这些超声信号而产生的图象很清晰，不含有拖尾。
此外，该实施例的格外优势是所接收的超声信号强度可以通过恰当地调节所发射超声波在不影响微球共振的范围内的强度而准确得以调整。另外，该实施例是优选的，因为它使得所接收超声信号的频率可以经选择所发射超声波频率加以适当调整。
同样在该实施例中，超声探头52可以包括1D超声换能器阵列，超声探头可以采用图8所示的类型。另外，热激励微球的装置可以是采用电场、磁场、光之类的装置，如上所述。
尽管上述说明是关于将微球分布加以视觉化的实例的，很明显可以将微球的动态过程加以视觉化，其办法是对微球重复作适当数量的热激励，相继地接收超声波，在产生图象之前或之后对所得到的数据进行差操作或高阶滤波操作，并且例如进行仅提取变化的动态目标指示(MTI)处理或代表多普勒成象的处理过程。
本发明可以构设许多差别很大的实施例，而不会偏离本发明的精神和范围。应当理解，除后附的权利要求书外，本发明不限于说明书所描述的特定实施例。
权利要求
1．超声成象方法，包括下列步骤将微球造影剂注入某物体；以热方式激励微球造影剂使微球共振；并且基于微球共振所产生的超声产生图象。
2．超声成象设备，它包括经以热方式激励被注入到某物体的微球造影剂使微球共振而生成超声波的装置；以及根据所生成的超声波而产生图象的装置。
3．根据权利要求2所述的超声成象设备，其特征在于用于生成超声波的装置利用电磁波、电场、磁场或光以热方式激励微球造影剂，使微球共振，由此产生超声波。
4．根据权利要求2所述的超声成象设备，其特征在于用于产生图象的装置以三维方式接收所产生的超声波，并且根据所接收的信号产生三维或二维图象。
全文摘要
为了获得清晰的微球造影剂图象,本发明包括经以热方式激励被注入到某物体的微球造影剂使微球共振而生成超声波522的装置;以及根据所生成超声波而产生图象514的装置。
文档编号G10K15/04GK1236905SQ9910361
公开日1999年12月1日 申请日期1999年3月5日 优先权日1998年3月5日
发明者竹内康人 申请人:通用电器横河医疗系统株式会社