專利名稱：超聲波攝像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通過對生物體發(fā)送接收超聲波，對生物體內部進行攝像的超聲波技術，特別是涉及使用微泡系造影劑進行攝像的超聲波攝像技術。
背景技術：
對生物體發(fā)送接收脈沖狀的超聲波，進行生物體內部攝像的超聲波攝像裝置廣泛應用于醫(yī)療診斷。
在圖像診斷方式(modality)中，在X射線或MRI領域，也自以前就開始在血管系統(tǒng)的攝像等中使用造影劑。其目的在于，在血液中投入造影劑，得到血管系統(tǒng)的結構或分布的對比度提高后的圖像，以高準確度診斷反映如惡性腫瘤或血栓這樣的血管系統(tǒng)的疾病。
與此相對，在超聲波診斷中，至今為止尚未廣泛地使用造影劑，但是，這幾年，由于出現(xiàn)以某種方法穩(wěn)定后的制劑所制成的造影劑，具有微米級尺寸的微小氣泡(micro bubble微泡)開始廣泛地使用。其原理是利用直徑1微米左右的微小氣泡與超聲波診斷所使用的數(shù)MHz的超聲波諧振而大振幅地振動，其結果，使該頻帶的超聲波充分的散射，產生造影能。
微泡系超聲波造影劑的特點在于其強烈的非線形性。這是由于微泡中存在受到負壓時的體積增加遠大于受到同振幅的正壓時的體積減少的性質而決定的。因此，被微泡散射的回波信號中包含很多具有發(fā)送信號的2倍的頻率的第2高次諧波成分。V.L.Newhouse等在1992年首次對以該第2高次諧波成分為基礎得到對軟組織強化的血流多普勒信號的方式進行了報告(例如，參照非專利文獻1)。
另外，P.N.Burns等提出了使用正負反轉后的發(fā)送音壓脈沖波形進行兩次發(fā)送接收，將得到的兩次回波信號相加的脈沖反轉(Pulse Inversion)法(例如，專利文獻1)。通過該相加運算，因為將相位反轉180°后的信號相加，所以將來自可以忽視運動的軟組織的回波信號的基波成分抵消了，但是第2高次諧波成分，因為相加了相位旋轉360°后的信號，所以通過相加放大到2倍。雖然需要的發(fā)送次數(shù)增大到2倍，但是原理上沒有帶通濾波器，可以除去來自軟組織的基波成分，所以可以得到距離分辨率高的第2高次諧波回波信號。另外，如血流中的微泡系造影劑之類，對于不能忽視2次發(fā)送接收之間中所產生的變化的散射體，來自它們的基波回波信號不能完全抵消，這與對軟組織得到造影劑強化后的回波圖像的當前目的非常一致。
另外，W.Wilkening提出了將發(fā)送音壓脈沖波形的相位分別旋轉360°/N進行N次發(fā)送接收的方法(例如，參照非專利文獻2)。例如是，在N＝3時，對進行0°、120°、240°三次的發(fā)送接收而得到的回波信號進行相加的方法。使用該方法，甚至可以除去(N-1)次高次諧波成分。另外，不是簡單地相加，而是在相加時使信號通過濾波器，可以嚴格區(qū)別頻譜特性不同信號。為了嚴格區(qū)別來自生物體組織的反射回波和來自造影劑的信號，經由以下處理。首先，預先對分為造影劑回波支配的空間區(qū)域和組織反射回波支配的空間區(qū)域的人體模型(phantom)進行超聲波攝像，獲取信號。接著，以組織反射回波和造影劑信號之差為最大的方式，通過最小二乘法確定上述相加時的濾波器系數(shù)。以下，通過將該濾波器應用于來自生物體的信號，可以嚴格區(qū)分造影劑成分和生物體反射回波成分。
梅村報告了將進行0°、120°、240°三次發(fā)送接收而得到的回波信號相加，辨別造影劑信號和生物體非線性信號的方法(參照非專利文獻3)。但是，關于接收了非專利文獻2記載的3個脈沖后是否使用濾波器沒有記載。
眾所周知有通過對超聲波發(fā)送波形示意地重疊第2高次諧波成分，可以對生物體或液體中的微泡的振動、成長、壓壞進行強化，或與此相反地進行抑制(參照非專利文獻4)。
非專利文獻11992 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings，pp.1175-1177；非專利文獻22001 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings，pp.1733-1737；非專利文獻32003 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings，pp.429-432；非專利文獻41996 IEEE Transactions on Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics andFrequency control，vol.43 no.6 pp.1054-1062；專利文獻1美國專利第6,095,980號。
如上所述，在現(xiàn)有技術(非專利文獻1)中，提出以第2高次諧波成分為基礎得到對軟組織強化后的血流多普勒信號的方式，但是存在以下問題為了從回波信號中提取該第2高次諧波成分，只使用帶通濾波器的話，作為輸出信號而得到的第2高次諧波回波信號的脈沖變長。
這是由于回波信號中所包含的基波成分的振幅比第2高次諧波成分至少大一個數(shù)量級以上，必須使用具有陡峭的頻帶遮斷特性或窄頻帶通過特性的濾波器的緣故。該問題，在要將血流進行二維圖像顯示時，由于使其距離方向的分辨率惡化，所以特別關鍵。
在現(xiàn)有技術(特許文獻1)中提出，以解決該問題為目的，使用正負反轉后的發(fā)送音壓脈沖進行2次發(fā)送接收，將所得到的2次回波信號相加的脈沖反轉法。
眾所周知，生物體軟組織等多種物質中的音速，在高壓力下比在低壓力下大。由于這種非線形性，超聲波脈沖在軟組織中傳播時，音壓高的部分比音壓低的部分傳播快，其結果，原來是正弦波狀的音壓波形在傳播中會變?yōu)榧眲∩仙徛陆档腘波狀，即，成為具有第2高次諧波等的高次諧波成分。
這樣成為，在軟組織中散射時，即使不存在微泡系造影劑，自軟組織返回具有高次諧波成分的回波信號。以該高次諧波成分為基礎形成回波圖像的方法，稱為組織諧波成像(Tissue Harmonic Imaging)法，與基波成分所生成的回波圖像相比聲音S/N比高令人滿意。最近，普遍開始使用。但是，這樣意味著即使使用脈沖反轉法，得到了由微泡系造影劑散射而生成的高頻波成分和由發(fā)送脈沖傳播而生成的高頻波成分混合后的回波信號，將作為本來目的的造影劑與軟組織嚴格區(qū)別的圖像是困難的。
微泡系造影劑所引起的非線性散射，與軟組織中的非線性傳播比較，一般在低音壓下也可以觀測。因此，廣泛進行通過將發(fā)送音壓抑制得很低的脈沖反轉法，抑制組織諧波(Tissue Harmonic)成分的生成，主要通過來自微泡系造影劑的非線性成分形成回波圖像，但是因為信號振幅不充分，所以處于難以得到足以進行造影診斷所期待的確定診斷的S/N比高的回波圖像的現(xiàn)狀。
作為在某種程度解決該問題的方法，在現(xiàn)有技術(非專利文獻2)中，如上所述，提出用相位旋轉了360°/N后的脈沖波形進行N次的發(fā)送接收的方法。但是，該方法，因為是由人體模型最佳化后的濾波器，因此對每個被檢測體不同的信號未必適用。另外，由于反射或散射源的深度改變信號的頻譜、以及非線性現(xiàn)象也依賴音壓而改變頻譜，上述的最小二乘濾波器難以對應于所有深度、聚焦條件而達到最優(yōu)化。

發(fā)明內容
本發(fā)明鑒于上述現(xiàn)狀，其目的在于，提供一種通過明確嚴格區(qū)分由微泡系造影劑散射所產生的回波成分和由于發(fā)送脈沖非線性傳播產生的組織諧波(Tissue Harmonic)成分而成像，實現(xiàn)足以以造影回波圖像為基礎進行確定診斷的、S/N比高的造影回波圖像的超聲波攝像技術。
作為根本地解決該問題的手段，在本發(fā)明中提出一種使發(fā)送音壓脈沖波形的包絡線信號相同，將該載波的相位分別旋轉120°，進行3次的發(fā)送接收，將得到的3個回波信號相加的方法。通過該加法運算，同時消除可忽視變化的線形散射體所散射的回波信號的基波成分和第2高次諧波成分。這是由于著眼于由這樣的散射體散射的三個回波信號的相位時，基波成分的相位分別旋轉120°，第2高次諧波成分的相位在基波成分的逆方向分別旋轉120°。
其原理容易理解為考慮了往復4沖程直列發(fā)動機的振動問題。曲軸(crankshaft)以一定的角速度旋轉時，構成往復發(fā)動機的各個活塞振動的線速度不僅包括該角速度的基波成分，還包括不可忽視的振幅的高次諧波成分。4沖程直列4缸發(fā)動機，通常構成為，由對稱配置的兩個同相位活塞構成的2個組呈180°的曲柄(crank)角。
圖1是說明脈沖反轉法的原理和直列4缸4沖程發(fā)動機的振動原理的圖。
圖1(a)表示基波的相位關系，根據(jù)該構成，可以消除各組的活塞所產生的基波成分，圖1(b)表示第2高次諧波的相位關系，第2高次諧波成分增大到2倍，其結果，產生具有曲軸轉速的2倍頻率的振動的問題。圖1中，實線表示第1活塞組所引起的振動的相位，點線表示第2活塞組所引起的振動相位。4缸發(fā)動機之所以安裝以曲軸的2倍的角速度旋轉的平衡器是因為抵消該振動的緣故。
一方面，4沖程直列6缸發(fā)動機，通常構成為，由對稱配置的2個同相位的活塞組成的3個組呈120°的曲柄角。
圖2是用于說明本發(fā)明的3脈沖法的原理和直列6缸4沖程發(fā)動機的振動的原理的圖。
圖2(a)表示基波的相位關系，根據(jù)該構成，各組活塞所產生的基波成分按照以曲柄角計算呈120°的方式產生而互相抵消。圖2(b)表示第2高次諧波的相位關系，第2高次諧波成分也如圖2所示，以曲柄角計算為120°×2＝240°，即以反向計算呈120°的相位產生，所以互相抵消。這是直列6缸發(fā)動機振動小的原因。圖2中，單點劃線表示第3活塞組所引起的振動的相位。該第2高次諧波振動原理上被強化的直列4缸發(fā)動機的構成相當于脈沖反轉法，不僅是基波，第2高次諧波的振動也在原理上被抵消的直列6缸發(fā)動機的構成相當于本發(fā)明的方法。
另一方面，由微泡系造影劑散射產生的回波信號的相位，因為其強烈的非線性諧振特性受包絡線振幅影像，對于發(fā)送信號的載波的相位不存在一定關系。因此，即使對將發(fā)送脈沖載波的相位分別旋轉120°進行3次發(fā)送接收而得到的3個回波信號進行相加，在由造影用微泡所散射而生成的回波信號時，未抵消的成分也殘留。因此，該殘留的回波信號成分，因為只反映微泡系造影劑的存在，使用其可以實現(xiàn)將造影劑與軟組織明確嚴格地區(qū)分的超聲波成像。
非專利文獻2的公知例中，在加法運算時需要濾波處理，但是在本發(fā)明不需要此處理的理由在于，除了使用上述發(fā)送波信號載波和造影劑回波的相位關系不是一定關系的音壓高的區(qū)域外，而且具備可以發(fā)送按照設計的發(fā)送波形的硬件構成。具體地說，設賦予D/A變換器的發(fā)送波波形的采樣間隔為中心頻率的3倍。由此，可以使包絡線相同且分別以120°相位變化的3個超聲波探頭輸出的發(fā)送波信號的相加值為0。
本發(fā)明的超聲波攝像裝置，對被導入了造影用微泡的生物體發(fā)送接收超聲波脈沖，形成生物體內部的圖像，設N為3以上的整數(shù)時，通過在相同的發(fā)送接收聚焦條件下使用波形不同的發(fā)送脈沖波進行N次發(fā)送接收，按照抑制針對從來自生物體的軟組織的超聲波回波信號的基波到第(N-1)高次諧波成分的發(fā)送接收靈敏度，得到針對來自造影用微泡的超聲波回波信號的發(fā)送接收靈敏度的方式構成。超聲波攝像裝置，備有用于將發(fā)送脈沖波發(fā)送到生物體內的發(fā)送用放大器，賦予發(fā)送用放大器的信號輸入周期相對于發(fā)送脈沖的頻率成分中的最大頻率為N的整數(shù)倍。另外，作為對發(fā)送用放大器賦予信號的機構備有D/A變換器，D/A變換器的信號輸出周期相對于發(fā)送脈沖的頻率成分中的最大頻率為N的整數(shù)倍。進而，發(fā)送脈沖波，為將基波和相對于該基波的第2諧波相加的波形。
本發(fā)明的超聲波攝像裝置，對被導入了造影用微泡的生物體發(fā)送接收超聲波脈沖，形成生物體內部的圖像，備有以下兩個步序通過在同一發(fā)送接收聚焦條件下使用波形不同的發(fā)送脈沖進行3次發(fā)送接收，抑制針對從來自生物體軟組織的超聲波回波信號的基波到第2高次諧波的成分的發(fā)送接收靈敏度，對于來自造影用的微泡的超聲波回波信號選擇地得到發(fā)送接收靈敏度的攝像步序；通過在與所述相同的發(fā)送接收聚焦條件下使用波形不同的發(fā)送脈沖波進行2次發(fā)送接收，抑制針對從來自生物體的軟組織的超聲波回波信號的基波成分的發(fā)送接收靈敏度，對于2次以上的非線性信號得到發(fā)送接收靈敏度的攝像步序，可以適當?shù)厍袚Q兩個步序進行攝像。在進行3次的發(fā)送接收和進行2次的發(fā)送接收的步序中，構成不同的發(fā)送振幅。另外，使進行3次發(fā)送接收的步序中的發(fā)送振幅比進行2次發(fā)送接收的步序中的發(fā)送振幅大。
本發(fā)明的超聲波攝像裝置中，對生物體進行超聲波脈沖的發(fā)送接收，形成生物體內部的造影用微泡所產生的造影圖像，在同一發(fā)送接收聚焦條件下，使用包絡線信號相同的發(fā)送脈沖波，進行該載波的相位為(a)＝0°、(b)＝120°、(c)＝-120°、(d)＝180°的4次發(fā)送接收，將(a)、(b)、(c)3個時序列接收回波信號相加生成造影圖像，將(a)、(b)2個時序列接收回波信號相加生成生物體傳播非線性圖像，重疊所得到的2種圖像進行顯示。其結果，可以將微泡系造影劑所散射生成的回波成分與發(fā)送脈沖的非線性傳播所生成的組織諧波(Tissue Harmonic)成分明確嚴格地區(qū)分并進行顯像化，得到S/N比高的造影回波圖像。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，從回波信號中，不包含源于軟組織中的非線性傳播等的信號成分，提取只源于造影用微泡的信號，將其作為表示造影用微泡的空間分布的信號，在表示軟組織的位置和形態(tài)的背景之上，以可識別的色調重疊，通過2維或3維的圖像能夠清楚地顯示。由此，可以提供足以以造影回波圖像為基礎進行確診的高S/N比的診斷用圖像。這樣，實施了本發(fā)明的裝置在醫(yī)療診斷方面上的有用性極大，因此，在支持醫(yī)療診斷的工業(yè)中本發(fā)明的意義重大。


圖1是說明脈沖反轉法的原理和直列4缸4沖程發(fā)動機的振動原理的圖。
圖2是說明本發(fā)明的3脈沖法的原理和直列6缸4沖程發(fā)動機的振動的原理的圖。
圖3是表示本發(fā)明的實施例的超聲波診斷裝置的構成的框圖。
圖4是表示由本發(fā)明的3脈沖法得到的、基于具有非線性傳播特性的生物體軟組織中的點反射體的回波信號的例子的圖。
圖5是表示由本發(fā)明的脈沖反轉法得到的、基于具有非線性傳播特性的生物體軟組織中的點反射體的回波信號的例子的圖。
圖6是表示由本發(fā)明3脈沖法得到的、基于造影用微泡的散射回波信號的例子的圖。
圖7是表示由本發(fā)明的3脈沖法得到的、基于造影用微泡的散射回波信號通過帶通濾波器后的波形的圖。
圖8是由脈沖反轉法得到的、基于造影用微泡的散射回波信號的例子的圖。
圖9是表示由脈沖反轉法得到的、基于造影用微泡的散射回波信號通過帶通濾波器之后的波形的圖。
圖10是表示在本發(fā)明的3脈沖法中的、示意地在發(fā)送脈沖波中疊加第2高次諧波時得到的、基于生物體軟組織中的點反射體的回波信號的例子的圖。
圖11是表示在本發(fā)明的3脈沖法中的、示意地在發(fā)送脈沖波中疊加第2高次諧波時得到的、基于造影用微泡的回波信號的例子的圖。
圖12是表示在本發(fā)明的3脈沖法中的、示意地在發(fā)送脈沖波中疊加第2高次諧波時得到的、基于造影用微泡的回波信號通過帶通濾波器后的波形的圖。
圖13是表示在本發(fā)明的3脈沖法中的、在發(fā)送脈沖的相位中存在誤差時得到的、基于生物體軟組織中的點反射體的回波信號的、加法器輸出信號波形的例子的圖。
圖14是表示在本發(fā)明的3脈沖法中的、在發(fā)送脈沖相位中存在誤差時得到的、基于生物體軟組織中的點反射體的回波信號的、加法器的輸出信號的振幅的相位誤差依賴性的圖。
圖15是說明在本發(fā)明的3脈沖法中的、發(fā)送脈沖的包絡線和各脈沖的載波的關系的圖。
圖16是說明在本發(fā)明的3脈沖法中的、發(fā)送脈沖的包絡線和各脈沖的載波的關系的圖。
圖17是表示發(fā)送放大器的輸入輸出特性的一例的圖。
圖18是說明D/A變換器的輸出波形和抽樣點的關系的圖。
圖19是說明造影劑信號和生物體非線性信號的增益比和造影劑信號的靈敏度的發(fā)送振幅依賴性的圖。
圖20是脈沖反轉法和3脈沖法的切換攝像順序的控制流程圖。
圖21是脈沖反轉法和3脈沖法的切換攝像順序的控制流程圖。
圖中1-超聲波探頭，2-切換開關組，3-發(fā)送波束成形器，4-發(fā)送波形選擇部，5-接收波形存儲器，6-發(fā)送接收順序控制部，10-接收波束成形器，11-接收存儲選擇部，12-接收波形存儲器，13-加法器，14-帶通濾波器A，15-帶通濾波器B，16-包絡線信號檢測器A，17-包絡線信號檢測器B，18-掃描變換器，19-顯示器，20-脈沖反轉攝像處理，21-判斷處理，22-3脈沖攝像處理，23-判斷處理，101-180°脈沖發(fā)送接收處理，102-0°脈沖發(fā)送接收處理，103-120°脈沖發(fā)送接收處理，104-120°脈沖發(fā)送接收處理，105-判斷處理。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施例進行說明。另外，在圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖15、圖16中，縱軸表示與音壓成比例的信號振幅(用相對值表示)，橫軸表示時間(μs)。
圖3是為實施本發(fā)明而構成的超聲波診斷裝置的框圖的典型例。
構成超聲波探頭1的各個元件，經由切換開關組2，與發(fā)送波束成形器3和接收波束成形器10連接。在發(fā)送波束成形器3中，按照發(fā)送接收順序控制部6的控制，使用由發(fā)送波形選擇部4自發(fā)送波形存儲器5中所選擇讀出的波形，生成由各個元件發(fā)送時具有指向性的超聲波脈沖的信號。該信號，由超聲波探頭1的各個元件變換為超聲波脈沖并發(fā)送到生物體。由生物體反射或散射而返回到超聲波探頭1的超聲波回波信號，被各個元件接收，變換為電信號。
在接收波束成形器10中，按照發(fā)送接收順序控制部6的控制，為了生成具有指向性的接收靈敏度，對各個接收信號賦予延遲時間并互相相加。由延遲相加得到的時間序列信號，還按照發(fā)送接收順序控制部6的控制，暫時寫入到由接收存儲選擇部11所選擇的接收波形存儲器12中的一個存儲體(bank)，在應該互相相加的時間序列信號備齊之后讀出，由加法器13互相相加。加法器13的輸出信號，通過除去噪聲成分的帶通濾波器A14后，在包絡線信號檢測器A16中變換為包絡線信號，輸入到掃描變換器18。
另一方面，寫入到接收波形存儲器12的時間序列信號的一部分，被讀出后并不互相相加，而是通過除去噪聲成分的帶通濾波器B15，由包絡線信號檢測器B17變換為包絡線信號，輸入到掃描變換器18。在掃描變換器18中，將輸入的多個信號適當疊加，為了由顯示部19進行2維乃至3維的顯示，而進行信號的生成與控制。
圖15、圖16是在本發(fā)明的3脈沖法中說明發(fā)送脈沖包絡線和各個脈沖的載波的關系的圖。圖16(a)、圖16(b)、圖16(c)分別是在圖15(b)、圖15(c)、圖15(d)中疊加包絡線信號(用虛線表示)的圖。
圖4是表示由本發(fā)明的3脈沖法得到的、具有非線性傳播特性的生物體軟組織中的點反射體的回波信號的例子的圖。
可向發(fā)送波形存儲器5寫入如圖15(a)所示的、具有共同的包絡線信號(Envelope)且分別在圖15(b)、圖15(c)、圖15(d)中表示的載波相位各差大致120°的3個超聲波脈沖波形，通過發(fā)送波形選擇部4，選擇其中的1個進行發(fā)送接收的這樣的順序替換波形執(zhí)行3次時，在接收波形存儲器12中的各個存儲體中寫入的信號表示在圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中。這里，為了簡單，將發(fā)送超聲波脈沖在生物體軟組織中傳播之后由一個點反射體反射生成的接收回波信號由數(shù)值計算仿真求得并顯示。載波頻率設為2MHz。
圖4(d)是在圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中所示的信號輸入到加法器13時得到的輸出信號。因為發(fā)送超聲波脈沖在生物體軟組織中非線性傳播，在圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中所示的信號中不僅包括基波成分還包含第2高次諧波成分，但是，在加法器輸出結果圖4(d)中，如根據(jù)本發(fā)明的原理所預測，不僅基波成分之間互相抵消，而且第2高次諧波成分之間也互相抵消，信號振幅幾乎為零。為了與其進行對比，圖5表示使用了脈沖反轉法時的結果。
圖5表示由脈沖反轉法得到的、具有非線性傳播特性的生物體軟組織中的點反射體的回波信號的例子的圖。
此時，可向發(fā)送波形存儲器5寫入具有共同包絡線信號、載波相位相差180°的2種超聲波脈沖波形，通過波形選擇部4選擇其中1個并進行發(fā)送接收。在圖5(a)、圖5(b)中表示將該順序替換波形執(zhí)行2次后時，寫入到接收波形存儲器12中的各個存儲體的信號。圖5(c)是此時得到的加法器13的輸出信號，得到基波成分之間互相抵消，且第2高次諧波之間互相加強后的結果信號。該信號，稱為組織諧波(Tissue Harmonic)信號，因此在描述生物體軟組織時，存在得到高聲音S/N比的優(yōu)點，但是僅將造影劑的分布或動態(tài)與軟組織嚴格區(qū)別描繪時，成為妨礙其的最大原因。
接著，在與圖4、圖5相同的發(fā)送接收順序中，表示造影微泡所產生的接收回波信號。
圖6是表示由本發(fā)明的3脈沖法得到的、造影用微泡所產生的散射回波信號的例子的圖。
圖8是表示由脈沖反轉法得到的、造影用微泡所產生的散射回波信號的例子的圖。
圖7是表示由本發(fā)明的3脈沖法得到的、由造影用微泡所產生的散射回波信號通過帶通濾波器后的波形的圖。
圖9是表示由脈沖反轉法得到的、造影用微泡所產生的散射回波信號通過帶通濾波器之后的波形的圖。
圖6、圖8是作為一例，通過數(shù)值計算仿真而求得通過半徑1.5μm的微泡所散射生成的接收回波信號的結果，圖7、圖9是此時的帶通濾波器A14的輸入輸出信號。通過圖6、圖7、圖8、圖9，與音壓成比例的縱軸尺度是相同的。
若對于各個對應關系進行說明，則在實施了與圖4情況相同的本發(fā)明時的發(fā)送接收順序中，在接收波形存儲器12中的各個存儲體中寫入的信號是圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)，此時得到的加法器13的輸出信號即帶通濾波器A14的輸入信號是圖6(d)和圖7中的(a)。圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)、圖7(e)、圖7(f)是分別將通過頻帶中心頻率設定為基波頻率(2MHz)、1.5倍高次諧波頻率(3MHz)、第2高次諧波頻率(4MHz)、2.5倍高次諧波頻率(5MHz)、第3高次諧波頻率(6MHz)時的帶通濾波器A14的輸出信號。
另一方面，實施了與圖5情況相同的脈沖反轉法時的發(fā)送接收順序中，寫入到接收波形存儲器12中的各個存儲體中的信號，是圖8(a)、圖8(b)，此時得到的加法器13的輸出信號，即帶通濾波器A14的輸入信號是圖8(c)或圖9(a)。圖9(b)、圖9(c)、圖9(d)、圖9(e)、圖9(f)是將通過頻帶中心頻率設定為與圖8的情況相同時的帶通濾波器A14的輸出信號。
本來，通過為了強化回波信號中的第2次高次諧波成分而考慮的脈沖反轉法，如圖9(c)、圖9(d)所示，當然得到包括很多從1.5倍的高次諧波到第2高次諧波成分的源于微泡的信號，更應該關注的是，通過為了抵消回波信號中的第2高次諧波成分中由非線性傳播等所產生的成分而考慮的本發(fā)明的發(fā)送接收順序，如圖7(d)、圖7(e)、圖7(f)所示，得到包含很多從第2到第3高次諧波成分的源于微泡的足夠振幅的信號。
該特異且有益的現(xiàn)象的起源是，微泡是具有很大非線性的諧振體，更一般地說，具有延遲時間依賴于振幅的響應特性。即，輸入輸出音壓之間，即使存在非線性如果在延遲響應時間中不存在振幅依賴性，如圖4(d)所示，則輸出信號中的第2高次諧波成分被抵消。另一方面，在單一的線性諧振體中，當然不會產生第2高次諧波成分。
本發(fā)明的發(fā)送接收順序中存在這樣的優(yōu)點，以上述的原理為背景，即使示意地對發(fā)送脈沖波形疊加第2高次諧波成分，也可以邊抵消該成分邊得到源于造影用微泡的足夠的振幅的信號?，F(xiàn)有技術(非專利文獻4)中記載的疊加第2高次諧波發(fā)送波，即使在使用造影用微泡的超聲波成像時也認為是很有用的。
圖10是表示在本發(fā)明的3脈沖法中，示意地對發(fā)送脈沖波疊加第2高次諧波時得到的、由生物體軟組織中的點反射體所產生的回波信號的例子的圖。
圖11是表示在本發(fā)明的3脈沖法中，示意地對發(fā)送脈沖波疊加第2高次諧波時得到的、由造影用微泡所產生的散射回波信號的例子的圖。
圖12是表示在本發(fā)明的3脈沖法中，示意地對發(fā)送脈沖波疊加第2高次諧波時得到的、由造影用微泡所產生的散射回波信號通過帶通濾波器后的波形的圖。
圖10、圖11、圖12表示對發(fā)送脈沖波形示意地疊加第2高次諧波成分后得到的回波信號的例子。在發(fā)送波形存儲器5中，可以寫入具有共同包絡線信號，且作為載波的基波和第2高次諧波的相位分別相差120°的3個超聲波脈沖波形，通過發(fā)送波形選擇部4，將選擇其中的1個并發(fā)送接收這樣的順序取代波形執(zhí)行3次時，將在接收波形存儲器5中的各個存儲體中寫入的信號，與圖4的情況同樣地求得，并表示在圖10(a)、圖10(b)、圖10(c)中，此時得到的加法器13的輸出信號表示在圖10(d)中。
另外，與圖6的情況同樣地求得由造影用微泡散射而產生的接收回波信號，在接收波形存儲器12中的各個存儲體中所寫入的信號如圖11(a)、圖11(b)、圖11(c)所示，此時得到的加法器13的輸出信號，即帶通濾波器A14的輸入信號如圖11(d)或圖12(a)所示。圖12(b)、圖12(c)、圖12(d)、圖12(e)、圖12(f)是將通過頻帶中心頻率設定為與圖8情況相同時的帶通濾波器A14的輸出信號。
根據(jù)圖10(d)可以明了，即使對發(fā)送脈沖波形示意地疊加第2高次諧波成分時，對于由點反射體散射所產生的接收回波信號，加法器13的輸入信號的第2高次諧波成分之間與由圖4的非線性傳播所產生的第2高次諧波成分同樣地被抵消，加法器的輸出信號的振幅幾乎為零。另一方面，對于由造影用微泡散射而生成的接收回波信號，與圖6的情況相同，不會通過加法器13的加法運算而抵消，而是得到包含很多從第2到第3高次諧波成分的足夠的振幅的輸出信號。
進一步，對于發(fā)送脈沖波的相位，對為了得到本發(fā)明的效果所需要的誤差范圍進行討論。
圖13是表示在本發(fā)明的3脈沖法中，發(fā)送脈沖相位中存在誤差時得到的、由生物體軟組織中的點反射體所產生的回波信號的、加法器輸出信號波形的例子的圖。
作為例子，對于第2發(fā)送脈沖波的相位偏差為20°的情況，與圖4的情況相同地求得加法器13的輸出信號、即帶通濾波器A14的輸入信號，和將通過頻帶中心頻率一致于基波和第2高次諧波時的濾波器輸出信號，并示出在圖13(b)、圖13(c)中。圖13(a)為了比較而示出了，如圖5的情況下，即可無相位誤差地實施脈沖反轉法后的情況下的信號。圖13(c)是按照與第2發(fā)送脈沖波的相位偏差20°相對應，使第3發(fā)送脈沖波的相位偏差為10°，3個發(fā)送脈沖波之和信號為零的方式進行調整的情況。
若發(fā)送脈沖波的包絡線信號作為時間t的函數(shù)記為A(t)時，則本發(fā)明的實施例中的第1、第2、第3各個發(fā)送脈沖信號P1(t)、P2(t)、P3(t)在沒有相位誤差時，可以記為(式1)、(式2)、(式3)。此時(式4)的關系成立。
P1(t)＝A(t)sinωt (式1)P2(t)＝A(t)sin(ωt+2π/3) (式2)P3(t)＝A(t)sin(ωt-2π/3) (式3)P1(t)+P2(t)+P3(t)＝0 (式4)在第2脈沖中產生相位誤差φ時，第2脈沖可以記為(式5)。
此時，將第3脈沖按照(式6)(式7)進行調整，則與相位誤差φ無關，(式4)可以成立。圖13(c)是進行這樣的第3脈沖的修正后的結果，與第2脈沖相位誤差無關，可以抵消加法器13的輸出信號中的基波成分。(式4)成立，一般是通過用于發(fā)送的N個脈沖波形的和信號實質上為零，相加N個接收回波信號而得到的信號中的基波成分被抵消。
P2(t)＝A(t)sin(ωt+2π/3+φ) (式5)P3(t)＝A3(t)sin(ωt-2π/3+φ/2) (式6)A3(t)＝2A(t)cos(π/3+φ/2) (式7)圖14是說明在本發(fā)明的3脈沖法中，在發(fā)送脈沖相位存在誤差時得到的、由生物體軟組織中的點反射體所反射的回波信號的、加法器的輸出信號的振幅的相位誤差依賴性的圖。
圖14表示加法器13的輸出信號的振幅的peak-to-peak值(輸出信號相對振幅值PP值)(縱軸)作為賦予第2脈沖的相位誤差(度)(橫軸)的函數(shù)。在進行第3脈沖修正的情況(圖14中的(a))和進行了修正后的情況(圖14中的(b))下示出了用可無相位誤差地實施脈沖反轉法時的值進行歸一化后的信號振幅。相位誤差達到20°時，即使進行第3脈沖的修正，來源于軟組織中的非線性傳播，不來源于造影用微泡的信號振幅達到現(xiàn)有脈沖反轉法的一半以上，不能充分發(fā)揮本發(fā)明的效果。根據(jù)該結果，為了充分得到本發(fā)明的效果，優(yōu)選發(fā)送脈沖的相位誤差設為10°左右以下。
如以上的說明，通過實施本發(fā)明，從回波信號中可提取不含有來源于軟組織中的非線性傳播等的信號成分的、僅來源于造影用微泡的信號。
可以得到這樣的信號作為加法器13的輸出信號，進而，將提高了S/N比的信號作為帶通濾波器A14的輸出信號求得，作為其包絡線信號得到包絡線信號檢測器A16的輸出信號，其作為表示造影用微泡的空間分布的信號輸入到掃描變換器18。
另一方面，由包絡線信號檢測器B17根據(jù)S/N比提高的信號得到包絡線信號，其作為表示軟組織的位置與形態(tài)的信號輸入到掃描變換器18，該S/N比提高的信號是將寫入到接收波形存儲器12中的一個存儲體的信號通入帶通濾波器B15使S/N比提高而得到的。
在掃描變換器18中，將包絡線信號檢測器B17的輸出信號作為背景，為了識別方便由不同的色調重疊包絡線信號檢測器A16的輸出信號并顯示在顯示部19。這樣，可以通過2維或3維圖像清除易懂地顯示作為檢查對象的患者的體內的造影用微泡的分布。
在實施例中，對直接使用寫入到接收存儲器12中的1個存儲體的信號，作為表示軟組織的位置和形態(tài)的信號進行了說明，但是一般，可以使用對寫入到接收波形存儲器12中的3個存儲體的信號進行適當?shù)募訖嗪蟮南嗉有盘枴?br> 另外，以上的一系列的說明中，對使用3個發(fā)送脈沖的實施例進行了詳細的說明，但是如原理說明中所示，通過使用具有共同的包絡線信號的3以上的整數(shù)N個的發(fā)送脈沖波，將該載波的相位分別旋轉360°/N，進行N次的發(fā)送接收，將得到的N個回波信號暫時寫入到接收波形存儲器12中的N個存儲體中，將讀出的信號輸入到加法器13中，也可以實施本發(fā)明。
接著，對于發(fā)送波形的賦予方法使用圖17、18進行說明。
圖17表示發(fā)送放大器的輸入輸出特性的一例的圖。
圖18是說明D/A變換器的輸出波形和抽樣點之間的關系的圖。
作為發(fā)送波形的輸出方法，公知的方法有通過開關賦予正負信號的方式、和組合D/A變換器和發(fā)送放大器的方法。前者僅對應于0°和180°的信號，因此不適用于發(fā)送3個以上的不同相位的多個波形。另一方面，即使是使用了D/A轉換器時，也并非能直接進行多個波形發(fā)送。圖17是表示一般的發(fā)送放大器的輸入輸出特性的圖。橫軸是輸入電壓，縱軸是輸出電壓。優(yōu)選輸出相對于本來的輸入成比例，但是實際上存在圖17所示的非線性。該放大器的非線性特性給3脈沖發(fā)送帶來很大的影響。
圖18分別用實線、虛線、點線表示0°、120°、-120°的3個脈沖的D/A變換器的輸出波形。圓點處表示D/A變換器的抽樣點。在圖18中，縱軸表示D/A變換器的輸出值(相對值)，橫軸表示對D/A變換器賦予控制用的輸出的定時的無量綱數(shù)。圖18(a)表示以中心頻率的4倍頻率進行抽樣的情況，圖18(b)表示以中心頻率的6倍頻率進行抽樣的情況，圖18(c)表示以中心頻率的8倍頻率進行抽樣的情況。4倍、8倍時，按每個脈沖而D/A變換器的輸出值取不同的值。這時，因為是圖17所示的發(fā)送放大器的非線性，所以不能成為按照設定的輸出值。
因此，甚至完全沒有非線性的來自介質的接收信號，在相加后抵消并產生余量，因此不能實現(xiàn)目的。這是在非專利文獻2的第5頁第2段記載的3脈沖的非對稱性的問題。在本發(fā)明中，如圖18(b)所示，以中心頻率的6倍(N脈沖時為N的整數(shù)倍)的抽樣頻率從D/A變換器輸出。其結果，D/A變換器輸出值在每個脈沖中沒有很大的差異，因此即使在發(fā)送放大器中存在非線性也沒問題。
接著，關于考慮了造影劑的破壞的攝像法進行說明。
圖19是說明造影劑信號和生物體非線性信號的增益比以及造影劑信號的靈敏度的發(fā)送振幅依賴性的圖。圖19(a)是相對于發(fā)送信號的振幅繪制脈沖反轉法和3脈沖法的造影劑信號和生物體非線性信號的增益比的圖，圖19(b)是相對于發(fā)送信號的振幅繪制造影劑信號的靈敏度的圖。在圖19中，橫軸以音壓振幅×0.1Mpa表示發(fā)送振幅，縱軸的(a)表示增益比(Sensitivity，dB)，縱軸的(b)表示靈敏度(Sensitivity，dB)，實線表示3脈沖法，點線表示脈沖反轉(倒轉)法。關于增益比，3脈沖法比以往的脈沖反轉法通常優(yōu)越20dB到40dB左右。
另一方面，關于靈敏度，在發(fā)送振幅小時，3脈沖法的靈敏度降低。這是由于大的發(fā)送振幅，即僅在非線性大時，來自上述造影劑的信號和發(fā)送信號的相位關系未失衡的緣故。但是，為了得到靈敏度而以大的發(fā)送振幅攝像時，在攝像進行過程中造影劑被破壞，結果難以維持靈敏度良好的狀態(tài)。
因而，在本發(fā)明中，通過以下的方法回避該問題。其一，如圖10所示，使用疊加第2高次諧波后的波形。例如，因為造影劑被拉伸的時候比被擠壓的時候容易破裂，所以按照負壓比正壓小的方式，使用重疊了第2高次諧波后的波形，由此即使音壓大也相比較而言難以破壞造影劑。
另外，作為其他的方法，基于順序控制的方法也很有效。這是用脈沖反轉法和3脈沖法交替進行發(fā)送接收的方法。這是平常以弱音壓，用脈沖反轉法進行監(jiān)視，時常使用高音壓的3脈沖法的方法。
圖20、圖21是脈沖反轉法和3脈沖法的切換攝像順序的控制流程圖。
如圖20所示的控制處理流程，除了以預先設定的M次和N次進行切換以外，也可以按照來自操作者的輸入進行切換。根據(jù)脈沖倒轉(反轉)攝像處理20的N次攝像結束或外部輸入，進行切換判斷處理21，進行3脈沖攝像處理22。根據(jù)3脈沖攝像處理22的M次攝像結束或外部輸入進行切換判斷處理23。
圖20是按每一幀切換脈沖反轉(倒轉)和3脈沖法的方法，但在圖21所示的方法中，按每一光柵(raster)進行切換。如圖21所示，(a)進行180°脈沖發(fā)送接收處理101，(b)進行0°脈沖發(fā)送接收處理102，(c)進行120°脈沖發(fā)送接收處理103，(d)進行-120°脈沖發(fā)送接收處理104，進行一幀是否結束的判斷處理105，在一幀結束后進行光柵移動。根據(jù)該方法，即使被檢測體移動時，由于切換時間充分地短，因此以脈沖反轉法和3脈沖法攝像后的信號的對象可以視為相同。因此，在由脈沖反轉法攝像的黑白圖像上可以用其他的色碼(color code)重疊由3脈沖法得到的造影劑信號。
產業(yè)上的應用可能性根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種足以以造影回波圖像為基礎進行確定診斷的、S/N比高的超聲波攝像裝置。
權利要求
1.一種超聲波攝像裝置，對被導入了造影用微泡的生物體發(fā)送接收超聲波脈沖，生成所述生物體內部的圖像，其特征在于，該超聲波攝像裝置構成為設N為3以上的整數(shù)時，通過在同一發(fā)送接收聚焦條件下使用波形不同的發(fā)送脈沖波進行N次的發(fā)送接收，抑制針對從來自所述生物體軟組織的超聲波回波信號的基波到第(N-1)高次諧波的成分的發(fā)送接收靈敏度，得到針對來自所述造影用微泡的超聲波回波信號的發(fā)送接收靈敏度，備有用于對生物體發(fā)送所述發(fā)送脈沖波的發(fā)送用放大器，賦予所述發(fā)送用放大器的信號的輸入周期相對于發(fā)送脈沖的頻率成分中的最大頻率為N的整數(shù)倍。
2.根據(jù)權利要求1所述的超聲波攝像裝置，其特征在于，備有D/A變換器作為對所述發(fā)送用放大器賦予信號的機構，所述D/A變換器的信號輸出周期相對于所述發(fā)送脈沖的頻率成分中的最大頻率為N的整數(shù)倍。
3.一種超聲波攝像裝置，對被導入了造影用微泡的生物體發(fā)送接收超聲波脈沖，生成所述生物體內部的圖像，其特征在于，該超聲波攝像裝置構成為設N為3以上的整數(shù)時，通過在同一發(fā)送接收聚焦條件下使用波形不同的發(fā)送脈沖波進行N次的發(fā)送接收，抑制針對從來自所述生物體軟組織的超聲波回波信號的基波到第(N-1)高次諧波的成分的發(fā)送接收靈敏度，得到針對來自所述造影用微泡的超聲波回波信號的發(fā)送接收靈敏度，所述發(fā)送脈沖波為將基波和相對該基波的第2高次諧波相加后的波形。
4.一種超聲波攝像裝置，對被導入了造影用微泡的生物體發(fā)送接收超聲波脈沖，生成所述生物體內部的圖像，其特征在于，該超聲波攝像裝置包括以下兩個步序通過在同一發(fā)送接收聚焦條件下使用波形不同的發(fā)送脈沖波進行3次的發(fā)送接收，抑制針對從來自所述生物體軟組織的超聲波回波信號的基波到第2高次諧波的成分的發(fā)送接收靈敏度，對于來自所述造影用微泡的超聲波回波信號選擇地得到發(fā)送接收靈敏度的攝像步序；通過在同一發(fā)送接收聚焦條件下使用波形不同的發(fā)送脈沖波進行2次的發(fā)送接收，抑制針對來自所述生物體軟組織的超聲波回波信號的基波成分的發(fā)送接收靈敏度，對2次以上的非線性信號得到發(fā)送接收靈敏度的攝像步序，適當?shù)厍袚Q所述兩個步序進行攝像。
5.根據(jù)權利要求4所述的超聲波攝像裝置，其特征在于，在所述進行3次的發(fā)送接收的步序和所述進行2次的發(fā)送接收步序中，構成不同的發(fā)送振幅。
6.根據(jù)權利要求5所述的超聲波攝像裝置，其特征在于，在所述進行3次的發(fā)送接收的步序中的發(fā)送振幅比所述進行2次的發(fā)送接收步序中的發(fā)送振幅大。
全文摘要
提供一種可明確嚴格區(qū)分由微泡系造影劑散射而生成的回波成分和由發(fā)送脈沖的非線性傳播生成的組織諧波成分，進行顯像化的超聲波攝像裝置，其對生物體進行超聲波脈沖的發(fā)送接收，并形成基于生物體內部的造影用微泡的造影圖像，在同一的發(fā)送接收聚焦條件下，使用包絡線信號相同的發(fā)送脈沖波，進行其載波的相位為(a)＝0°、(b)＝120°、(c)＝－120°、(d)＝180°的4次發(fā)送接收，相加(a)、(b)、(c)3個時間序列接收回波信號形成造影圖像，并相加(a)、(b)、(c)3個時間序列接收回波信號來形成造影圖像，而且相加(a)、(b)2個時間序列接收回波信號來形成生物體傳播非線性圖像，并將2種圖像重疊顯示。
文檔編號A61B8/00GK1909837SQ20058000279
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月6日 優(yōu)先權日2004年3月12日
發(fā)明者東隆, 梅村晉一郎, 栗原浩, 林達也 申請人:株式會社日立醫(yī)藥