CN1976636A - 以适度mi级别进行的超声诊断反差成像 - Google Patents

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Abstract

本说明书描述了一种用于对造影剂成像的方法和设备，该造影剂以大于0.1的MI按照非破坏性模式非线性振荡。沿着每个波束方向发射不同调制的三个发射脉冲。在所示实施例中，以0°、120°和240°对称地不同相位调制发射脉冲。脉冲反转处理器存储并组合响应于每个发射脉冲而接收到的回波。脉冲反转处理导致三次谐波分离，而相对排除一次和二次谐波信号成分。形成了具有较低组织背景的造影剂三次谐波图像。

Description

以适度MI级别进行的超声诊断反差成像
技术领域
本发明涉及医疗超声成像系统，尤其涉及利用造影剂、使用适度机械指数发射波的医疗诊断成像系统。
背景技术
利用超声造影剂能够显著增强血流的超声成像。能够设计造影剂的微泡，使其非线性地振荡或者在被超声波声穿透时破裂。这种振荡或破裂会使得从微泡返回的回波富有非线性成分。接收该回波，并且通过滤波或者称作脉冲反转的两脉冲分离技术使非线性成分与组织返回的回波分离。利用这些回波生成的图像能够清晰地将包含造影剂的血流和脉管系统分段。
通常利用高机械指数(MI)的能量或者低MI能量使造影剂成像。当以高MI成像时，微泡将破裂或者显著分裂，从而返回强谐波回波。这些回波将以相对于周围组织明显轻弱的方式表示破裂或者分裂的微泡的位置。然而，在能够重复该过程之前，需要若干次次心跳以使新鲜的新微泡流补充到成像区域。
当微泡以低MI成像时，它们通常轻柔振荡并且返回谐波信号，而不会破裂或分裂。返回回波不像从高MI脉冲返回的回波那样强，但是能够实时地连续使造影剂成像，这是因为不需要新提供微泡来补充整个像场。当以低MI成像时，诸如Definity(Bristol-Myers Squibb)、Optison(Amersham)和SonoVue(Bracco)的造影剂都十分有效。
已经研发了其它造影剂，例如Sonazoid(Amersham)和Biosphere(Accusphere)，使其易碎性降低，因此延长了存在超声情况下的使用寿命。认为这些造影剂的微泡具有“刚性”，其能够抵抗破裂，直到施加更高的电平或者延长超声能量持续时间。使用这种造影剂的灌输计量能够比更易碎的造影剂小，并且能够用于在人体内更长时间地成像。然而，更大的刚性通常需要更大的MI脉冲，以便引起来自这些微泡的需要的非线性响应。当更高的MI波穿过组织会经历畸变，并且组织将以可探测的级别返回具有非线性成分的回波，相同的现象用于不使用造影剂的组织谐波成像。因此，超声系统将从造影剂接收希望的非线性回波，而从组织接收不希望的非线性回波。当更易碎的造影剂的MI较低时，约为MI＝0.1或更小，非线性组织响应处于几乎不能探测的级别，通常不成为问题。但是当与刚性更大的造影剂一起使用0.1以上的更适度MI时，例如0.3-0.4的级别，非线性造影剂信号会受到损害，具有从组织返回的不可接受的谐波级别。因此，希望能够以适度MI对造影剂成像，而不会受到从组织返回的非线性信号的明显损害。
发明内容
根据本发明的原理，使用多脉冲发射技术来以适度MI对造影剂成像。不同地调制脉冲，从而通过脉冲反转处理能够使非线性信号分离。在所示实施例中，以0°、120°和240°相位调制三个发射脉冲，并且通过脉冲反转处理组合三个所生成的回波，从而将非线性信号分离。发射脉冲的调制造成脉冲反转处理使基本谐波成分和二次谐波成分衰减，从而分离三次谐波成分，该成分能够在来自组织的损害较少的情况下进行成像。
附图说明
在附图中：
图1表示了根据本发明原理构建的超声诊断成像系统的简图。
图2A-2B表示了能够用于脉冲反转谐波分离的两脉冲和三脉冲发射序列的相位。
图3A-5B表示了根据本发明的原理利用三脉冲发射序列的脉冲反转分离的结果。
图6A-9B表示了根据本发明原理的三个不同调制的发射脉冲和其回波信号的脉冲反转处理的结果。
具体实施方式
首先参照图1，表示了根据本发明原理构建的超声诊断成像系统。图1的超声系统利用了发射器16，其发射多脉冲序列，以用于生成具有非线性响应的回波信号。该发射器通过发射/接收开关14耦合到扫描头10的阵列换能器12的元件。该发射器对多个控制参数作出响应，这些控制参数调制了发射脉冲的特性。该发射器能够控制脉冲波的发射频率f和/或脉冲的振幅a。该发射器还能够控制脉冲波的相对相位。这种调制使响应于这些脉冲而被接收的回波得以组合，以便分离用于成像的非线性回波信号成分。
在图1中，该换能器阵列12从人体接收包含处于换能器通带内的线性和非线性信号成分的回波。这些回波信号通过开关14耦合到波束形成器18，其使来自不同元件的回波信号适当延迟，然后将它们组合，从而沿着波束方向从浅到较深的深度形成相干回波信号序列。优选的是，该波束生成器为数字波束生成器，其作用在数字化回波信号上，从而从近到远景深生成离散相干数字回波信号序列。该波束生成器可以是多线波束生成器，其响应于单一发射波束沿着多个空间上不同的接收扫描线生成两个或多个回波信号序列。将波束生成的回波信号耦合到非线性信号分离器20。该分离器20可以是带通滤波器，其通过包含非线性信号的频带。优选的是，该分离器是脉冲反转处理器，其组合接收到的回波信号以增强非线性成分，而相对排除线性成分(衰减)。在所示实施例中，该分离器20为脉冲反转处理器，其通过组合来自相同位置的三个接收到的回波信号来分离非线性信号。对于三脉冲序列而言，将响应于沿希望的波束方向上的第一发射脉冲接收到的扫描线回波存储在Line1缓冲器22中。将响应于沿该波束方向的第二发射脉冲接收到的扫描线回波存储在Line2缓冲器23中，以及将沿着波束方向的由第三次发射生成的扫描线回波存储在Line3缓冲器24中。然后利用加法器26以空间为基础将来自这三个缓存器的回波组合起来。可选的是，可以直接将回波的第三扫描线与所存储的第一和第二扫描线的回波组合起来，而不用缓存。由于发射脉冲的不同调制，异相基本(线性)回波成分和二次谐波回波成分将相互抵消，并且同相的非线性三次谐波成分将组合起来，从而相互增强，由此生成增强并分离出来的非线性三次谐波信号。滤波器30可以进一步过滤该非线性信号，从而去除不需要的信号，例如由诸如抽取之类的操作而产生的信号。然后利用探测器32探测该信号，该探测器可以是振幅或相位探测器。然后利用信号处理器34处理该回波信号，以便于随后的灰度级、多普勒或其它超声显示器，然后利用图像处理器36为形成二维、三维、光谱、参量或其它显示器进一步处理该回波信号。在显示器38上显示所生成的显示信号。
在两脉冲脉冲反转方案中，按照与图2A所示相反的方式调制发射脉冲。该发射脉冲可以具有相反的极性或者相反的相位(例如0°和180°)，以用于完全消除线性信号成分。图2A是表示了典型的2脉冲脉冲反转序列的发射脉冲的相反相位(0°和П弧度)的相位图。
还可以将更高次的序列用于脉冲反转，例如美国专利6186950和美国专利申请第60/527538号中所示的三脉冲序列和五脉冲序列。利用这些序列，将从人体中同一点接收到的三个或五个回波组合起来，从而通过脉冲反转使非线性信号分离。图2B表示了三脉冲序列，其中发射脉冲的相位以120°的增量均匀分布：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)超声造影成像第六届欧洲专题讨论会(Sixth European Symposiumon Ultrasound Contrast Imaging)的Abstract Book中的论文“用于谐波和分谐波成像的5脉冲序列(A 5-Pulse Sequence for Harmonic andSub-Harmonic Imaging)”上所述，能够将对称相位的三脉冲序列用于脉冲反转中，从而消除基本(线性一次谐波)成分，但是不利的是还消除了需要的二次谐波。因此，Wilkening等人和其他人已经放弃使用这种序列来进行造影成像，支持其他模拟二次谐波增强的观点。
然而，本发明发现具有低二次谐波敏感度的多脉冲序列能够有利地用于以适度MI的造影剂成像。图3A表示了来自MI＝0.1的低MI脉冲的频率响应，例如其将与“软”微泡造影剂一起使用，其中微泡以该MI的非破坏性模式非线性振荡。返回回波信号包括处于基本发射频率的较大响应40。该回波信号还包括来自组织的二次谐波频率的较低非线性响应A1。该组织响应比较低是因为MI＝0.1的发射脉冲强度比较低。回波信号还包括如图4A所示的从造影剂微泡返回的非线性二次谐波成分B1，其比较高。通过将来自两个不同调制的发射脉冲的回波(例如图2A)组合起来，以脉冲反转能够分离非线性二次谐波成分，这样留下了图5A中所示的二次谐波成分50。因为B1与A1的比例比较大，所以能够将二次谐波成分用于生成具有微小或者没有组织谐波背景的造影剂图像。
当对“较刚性”的造影剂成像时，返回的回波成分响应更大，这种成像利用了更大的MI脉冲从而非线性振荡，例如MI在0.3-0.4范围内的脉冲。图3B表示了从组织返回的回波成分，包括处于通带40’的基本(一次谐波)成分和处于通带A1’的二次谐波成分。与图3A中的二次谐波响应A1相比，可以看出由于处于更高Mi的发射脉冲具有更大的强度，所以响应A1’更大。还以发射频率的三次谐波显影来自组织的回波成分A2。图4B表示了从造影剂返回的回波成分。这些成分包括处于通带40’中的基本成分和处于二次谐波带中的非线性成分B1’。尽管由于MI发射能量更大，使得B1’带中的响应比图4A中的B1带中的响应大，但B1’与A1’的比例不再像MI较低时那样有利。利用这些成分形成的图像将表现出造影剂响应和组织谐波背景的混和。还存在来自微泡造影剂的三次谐波响应B2，可以看出B2与A2的三次谐波比是有利的。因此，如果使用发射序列，其中通过脉冲反转处理能够使一次和二次谐波分量衰减或消除，则能够分离包含具有有利B2/A2比的三次谐波成分的三次谐波带50’。利用这些信号形成的图像将形成具有需要的最小组织背景的造影剂图像。
根据本发明的原理，将具有2П/3的相对相位差的三个发射脉冲用于以大于0.1的MI对造影剂成像。用于三脉冲的不同相位调制产生以下形式的三种发射脉冲(直到三次谐波)：
p0(t)＝ejax+ej2(ax)+ej3(ax)＝ejax+ej2ax+ej3ax
p1(t)＝ejax+2x/3+ej2(ax+2x/3)+ej3(ax+2x/3)＝ej2x/3ejax+ej4x/3ej2ax+ej2xej3ax
p2(t)＝ejax+4x/3+ej2(ax+4x/3)+ej3(ax+4x/3)＝ej4x/3ejax+ej8x/3ej2ax+ej6xej3ax
将响应于第一发射脉冲p0(t)而被接收的回波存储在Line1缓存器22中，将响应于第二发射脉冲p1(t)而被接收的回波存储在Line2缓存器23中，以及将响应于第三发射脉冲p2(t)而被接收的回波存储在Line3缓存器24中。然后同时从三个缓存器中读取所存储的回波，并且利用加法器26将它们组合起来。三个回波信号的这种脉冲反转组合的结果是以下形式的信号：
p0(t)+p0(t)+p0(t)＝0ejax+0ej2ax+3ej3ax
所示的公式包含三次谐波(3ωt)成分，而相对排除一次和二次谐波成分。利用这些成分形成的造影图像是清楚的，这是因为发射信号的级别更高，但是基本上不存在组织谐波背景。
图6A-9B表示了根据本发明的用于反差成像的多个发射波形。图6A表示了时域中的第一发射波形60。图6A的横坐标是时间，纵坐标是振幅。发射脉冲60生成具有如图6B所示的频率响应特性的回波。在该图中，按照谐波阶次划分横轴(一次谐波、二次谐波、三次谐波等等)。纵坐标表示了相对响应。如图6B所示，基本响应62最大，随后是二次谐波响应64和三次谐波响应66。
图7A表示了第二发射波形70，以相对于第一发射波形60的2П/3相移差来调制该波形。图7B表示了响应于波形70接收到的回波响应。所示的该响应包含一次谐波(基本)响应72、二次谐波响应74和三次谐波响应76。
图8A表示了第三发射波形80，以相对于第一和第三发射波形的2П/3相移来调制该波形。因此这三个波形是对称地不同相位调制的。响应于该发射波形接收的回波具有图8B所示的响应，包括一次谐波响应82、二次谐波响应84和三次谐波响应86。
当将响应于这三个发射波形接收的回波组合起来时，时域中的结果是如图9A所示的波形90。波形90最显著的频率成分处于如图9B所示的三次谐波带92中。如图9B所示，在一次和二次谐波带中基本上没有残留成分，这是因为在脉冲反转组合处理中已经将这些频率的信号消除了。三次谐波带92中的信号能够用于生成造影图像，其具有很少或者没有来自于组织谐波信号成分的损害。

Claims (17)

1.一种用于分离由超声造影剂返回的非线性信号的方法，包括：
以大于0.1的MI沿着给定方向发射多个不同调制的发射波形；
响应于每个发射波形接收回波序列；
通过脉冲反转处理将接收到的回波组合起来，该处理使三次谐波成分分离，而相对排除一次和二次谐波成分；以及
利用所分离的三次谐波成分形成超声图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中发射还包括发射不同相位调制的多个发射波形。
3.根据权利要求2所述的方法，其中发射还包括发射按照对称方式不同调制的多个发射波形。
4.根据权利要求3所述的方法，其中发射还包括发射以2П/3的相位差不同相位调制的三个发射波形。
5.根据权利要求1所述的方法，其中接收回波序列还包括至少存储响应于第一和第二发射波形而接收的回波序列。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将接收到的回波组合还包括将存储的第一和第二回波序列与接收到的第三回波序列组合起来，从而通过脉冲反转方法使非线性信号成分分离。
7.根据权利要求6所述的方法，其中通过脉冲反转方法将接收到的回波组合还包括使三次谐波信号成分分离，而相对排除一次和二次谐波信号成分。
8.根据权利要求7所述的方法，其中使三次谐波信号成分分离还包括使来自造影剂的三次谐波信号成分分离，而相对排除来自于组织的相干基本谐波成分和二次谐波成分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中形成超声图像还包括形成造影剂的三次谐波图像，其具有较低级别的背景组织图像。
10.一种超声诊断成像系统，用于对超声造影剂成像，包括：
换能器探测器，其用于以大于0.1的MI沿着给定方向发射多个不同调制的发射波形；
耦合到该换能器探测器的接收器，其响应于每个发射波形接收回波信号序列；
耦合到该接收器的脉冲反转处理器，其分离三次谐波回波信号成分，而相对排除一次和二次谐波信号成分；以及
耦合到该脉冲反转处理器的图像处理器，其形成造影剂的三次谐波图像。
11.根据权利要求10所述的超声诊断成像系统，其中该脉冲反转处理器还包括用于存储响应于至少两个发射波形而接收的回波信号序列的缓存器。
12.根据权利要求11所述的超声诊断成像系统，其中该脉冲反转处理器还包括用于存储三个回波信号序列的第一、第二和第三缓存存储器，以及耦合到缓存存储器的输出端的加法器，以用于组合该缓存存储器中存储的信号。
13.根据权利要求10所述的超声诊断成像系统，其中该换能器探测器还包括沿着给定方向发射三个不同相位调制的发射波形的换能器探测器。
14.根据权利要求13所述的超声诊断成像系统，其中该换能器探测器还包括沿着给定方向发射对称相位调制的三个不同相位调制的发射波形的换能器探测器。
15.根据权利要求14所述的超声诊断成像系统，其中该换能器探测器还包括沿着给定方向发射以0°、120°和240°的相对相位角相位调制的三个不同相位调制的发射波形的换能器探测器。
16.根据权利要求14所述的超声诊断成像系统，其中该换能器探测器还包括沿着给定方向发射具有2П/3的相对相位差的三个不同相位调制的发射波形的换能器探测器。
17.根据权利要求10所述的超声诊断成像系统，其中该图像处理器还包括形成造影剂三次谐波图像的图像处理器，所述谐波图像具有较低的背景组织图像。
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