JP2004510514A - 非直線性混変調成分及び高調波成分の超音波診断映像化 - Google Patents

Abstract

開示された超音波診断映像化システム及び方法は、高調波成分及び混変調積（和周波数又は差周波数）成分を用いる非直線性エコー信号映像化を実行する。高調波及び混変調積の両方は、組織又は造影剤の非直線性効果によって生じ、パルス反転処理によってエコー信号の基本伝搬成分から分離される点が有利である。両方の非直線性成分を使用することによって、超音波画像の信号対雑音比を向上させることが可能であり、２種類の成分は、深さ依存性減衰の影響を相殺するため、画像の異なる領域で混合され、使用される。

Description

【０００１】
本発明は、超音波診断映像化システムに係り、特に、非直線性伝送媒体又は体内のターゲットによって生成されたコンポーネント周波数を用いて画像を生成する超音波診断映像化システムに関する。
【０００２】
高周波映像化は、得られる信号セグメンテーション及び画像明瞭さの点で優れているので、近年、超音波映像化において普及している。現在のところ、高調波映像化には、高調波コントラスト映像化と組織高調波映像化の二つのアプリケーションがあり、両方のアプリケーションは非直線性信号成分を必要とする。これらの２種類の高調波映像化は、本願の発明者が共同発明者の一員である（高調波コントラストに関する）米国特許第５，８３３，６１３号と、（組織高調波に関する）米国特許第５，８７９，３０３号に記載されている。高調波コントラスト映像化は、鮮明な信号セグメンテーションと、信号対クラッターの改良が得られる点で有利である。その理由は、高調波造影剤が基本周波数の音波照射に応答して比較的強い高調波信号を返すからである。これらの比較的強い高調波コントラスト信号は、基本周波数及び体内の組織やその他の物質から戻された比較的低レベルの高調波信号から簡単に識別される。組織高調波映像化は、基本周波数映像化よりも信号対雑音比が低下しているが、画像クラッターの減少による画像明瞭さの点で優れている。高調波成分を生じさせる組織を通過する音響波の歪みは、音響波が体内に深く進行したときに発生を開始し蓄積されるので、画像クラッターの発生源である近距離音場散乱体は、浅い深度に存在する高調波エネルギーの低レベル若しくは些細なレベルだけを散乱させる。このようにして、組織高調波画像は、基本周波数画像よりもクラッターが減少する。ただし、高調波成分のレベルがより低下すること、並びに、高周波側の高調波信号の深さ依存性減衰によって、信号レベルが減少する。上述の利点を提供し、信号レベルがより高く、信号対クラッター比がより良好であり、帯域幅が拡大され、深さ依存性減衰が減少した非直線性信号を利用することが望ましい。
【０００３】
本発明の原理によれば、超音波映像化は、二つ以上の異なる周波数成分を用いて超音波ビームを送波することによって実行される。ビームが非直線性伝送媒体を通過するとき、或いは、非直線性散乱体に衝突するとき、異なる周波数成分は、差周波数と和周波数、並びに、多数の基本周波数を混変調し生じる。多数の基本周波数は、反響するエコー信号に含まれ、超音波画像を形成するため検出され使用される。
【０００４】
本発明の一つの局面によれば、送波された周波数成分は、トランスデューサ（送受波器）ピーク応答（中心）周波数の両側に存在し、受波（される）差周波数信号はトランスデューサ特性のピーク応答ポイントの周辺に存在する。
【０００５】
本発明の別の局面によれば、送波（される）周波数の振幅は、深さ依存性減衰及び／又は造影剤超微粒気泡の性質を考慮して選択される。
【０００６】
本発明の更なる局面によれば、和周波数又は差周波数は、送波（された）周波数のうちの一つの高調波又は低調波と調和し、これにより、高調波と混変調の両方の影響による非直線性信号エネルギーを含む受波信号が得られる。
【０００７】
本発明の更に別の局面によれば、非直線性の影響によって生じる和信号及び差信号は、パルス反転処理によって直線性送波信号から分離される。
【０００８】
本発明の更に別の局面によれば、送波ビームは、多数の和周波数成分及び差周波数成分の広帯域エコー信号を生成するための多数の周波数成分を含む。
【０００９】
最初に図１を参照すると、本発明の原理に従って構成された超音波システムがブロック図形式で示されている。このシステムは、映像化される体の領域を超音波送波ビームで走査することによって動作する。各超音波ビームは、２個移住斧周波数成分ｆ_１、ｆ_２、以下同様に続く、を含む。各ビームは、体を通る進行パスに沿って送波されるので、ビームの多数の周波数成分は、ビームが通過する組織の非直線性効果、又は、ビームが衝突する造影剤超微粒気泡の非直線性応答によって混変調される。このビームの多数の周波数成分の混変調は、送波周波数の和周波数及び差周波数における信号成分、すなわち、ｆ_１＋ｆ_２、並びに、ｆ_１−ｆ_２を生成する。和信号成分又は差信号成分は、体から反響したエコーに含まれ、走査領域の超音波画像を生成するため使用される。
【００１０】
和周波数及び差周波数は、従来の超音波システムで使用されている。従来の超音波システムのアプリケーションは、一般的に、別個のトランスデューサによって、２個以上のビームを、特定の目標位置へ同時に送波することを必要とする。特定の目標位置で、ビームは、互いに交差して和信号及び差信号を生成し、これらの和信号及び差信号は、次に、通常、第３のトランスデューサによって検出される。米国特許第３，９８７，６７３号では、このタイプのシステム構成が、入射角の変化に対する感受性が低減された交差点でドップラーシフト信号を生成するため、ドップラー流量計に使用されている。米国特許第５，６０１，０８６号では、２本の交差ビームの相互作用立体におけるビート周波数が、造影剤の流速を測定するため使用される。米国特許第５，９０３，５１６号では、２本のビームの交差箇所で生成されたビート力が受波器によって検出可能な音響波を発生させる。これらの全てのシステム構成は、ビームが所望の場所で交差するように、送波用トランスデューサの精密な照準を要求する。これらは、何れも、一般には、送波用の２台のトランスデューサと受波用の３台目のトランスデューサからなる多数のトランスデューサが必要である。さらに、各送波は、多数のビームが交差する画像フィールド内の信号エリアからの情報だけを引き出す。交差点は、画像フィールド全体を走査するため、フィールド全体を被うように制御される必要がある。
【００１１】
これに対して、本発明の一実施例は、通常の方法で画像領域の中を進行させられ、他のビームと交差させる必要が無い一つの送波ビームだけを利用する。単一のビームしか必要ではないので、１台の機械的操縦式トランスデューサ、又は、電気的操縦式アレイ・トランスデューサだけが必要である。勿論、本発明は、必要に応じて多数のトランスデューサを用いて実現することが可能である。さらに、ビームがビームパスに沿って体の中を進行するとき、ビームの異なる周波数成分の和信号成分及び差信号成分がビームパスに沿った体内の点から反射され、画像フィールドの単一エリアからの情報だけではなく、画像情報の走査線全体を各送波によって取得することが可能になる。
【００１２】
本発明の一実施例は、映像化のため使用される走査ヘッド型トランスデューサの有限帯域幅を効率的に使用することが可能である。組織及び造影剤の高調波映像化の場合、送波帯域及び受波帯域は、共に、一台のトランスデューサ走査ヘッドが種々の送波帯域及び受波帯域の送波及び受波の両方に使用できるように、トランスデューサ通過帯域に含まれる必要がある。本願の発明者による米国特許第５，８７９，３０３号の図７及び図８に示されるように、一般的に、送波帯域は、トランスデューサ通過帯域の下端に配置され、受波帯域は、トランスデューサ通過帯域の上端に配置される。同一の送波帯域と受波帯域が共に最適な応答が得られるトランスデューサ通過帯域の中心に配置される基本周波数映像化とは異なり、何れの動作帯域もトランスデューサ帯域の中心に設けられない。
【００１３】
本発明の一実施例は、最適下限応答の問題を解決する。図３は、代表的なトランスデューサ通過帯域６０を示す図である。本例において、トランスデューサは、一方が１．４ＭＨｚに配置され、他方が４．２ＭＨｚに配置された二つの送波帯域６２及び６４でビームを送波している。ビームが体の組織を通過するとき、並びに、ビームが造影剤超微粒気泡に衝突するとき、これらの物質の非直線性効果は、送波ビームの二つの周波数を混合させるか、或いは、混変調させ、パラメトリックアレイの形式で和周波数及び差周波数を生成する。和周波数及び差周波数は送波ビームのエコーで戻される。図３の例の場合に、二つの送波周波数の差周波数は、（４．２−１．４）、すなわち、受波帯域６６として示されるように２．８ＭＨｚである。通過帯域６０が示すように、このエコー周波数は、トランスデューサ通過帯域の中心若しくは中心周辺に収まり、トランスデューサはこの帯域で最高感度の応答を示す。このように、送波周波数は、トランスデューサ通過帯域の上方部及び下方部に配置されているが、送波に関して、通過帯域ロール・オフは、送信ビームの電力レベルのため許容可能である。送波ビームよりも強度が何ｄＢも低い受信エコーは、トランスデューサ通過帯域の最高感度領域で受波されるので有利である。
【００１４】
図１は、体内で和信号及び差信号を非直線生成するための多重周波数ビームを送波する送波器１６を利用する。送波器は、送受スイッチ１４によって、走査ヘッド１０のアレイ・トランスデューサ１２の素子に接続される。送波器は、図面に示されるような送波ビームの特性を決定する多数の制御パラメータに応答する。図４は、これらのパラメータを、トランスデューサ１２の通過帯域６０に対して空間的に表わす図である。多重周波数ビームの２個の周波数ｆ_１及びｆ_２は制御され、ビームの二つの周波数成分の間の周波数差Δｆを決め、同時に、和周波数成分（ｆ_１＋ｆ_２）と差周波数成分（ｆ_１−ｆ_２）が収まる周波数を決める。富津の送波周波数成分の振幅又は強度ａ及びｂも制御され、送波ビームは、
ｂ・ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ）＋ａ・ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ）
の形式にされる。受波差信号成分（ｆ_１−ｆ_２）は、図４の帯域６６のサイズによって示されるように振幅ｃを有する。この振幅ｃは、和信号及び差信号が非直線性の影響を受けるので、強度ａと強度ｂの直線性積ではない。
【００１５】
図５は，和信号成分を利用する本発明の一実施例を示す図である。本例の場合に、送波ビームは、１．２ＭＨｚ及び１．６ＭＨｚに配置された２個の周波数帯域７２及び７４をもつ。これらの送波周波数成分は、２．８ＭＨｚに配置されたエコー和信号帯域７６が得られるように、非直線的に混変調若しくは混合される。送波周波数は、トランスデューサ通過帯域６０の下側カットオフよりも低い０．４ＭＨｚの差成分を有する。和成分７６は、トランスデューサ通過帯域６０の中心に収まり、超音波システムによる映像化のため使用される。
【００１６】
再度、図１に戻ると、トランスデューサ・アレイ１２は、トランスデューサ通過帯域に収まる和周波数成分及び差周波数成分を含むエコーを体から受波する。これらのエコー信号は、スイッチ１４を介して、ビーム形成器１８へ供給され、異なる素子からのエコー信号は、適切に遅延させられ、浅い深度から深い深度までのビームに沿って和信号及び／又は差信号の系列を形成するため結合される。好ましくは、ビーム形成器は、音場深度の近距離音場から遠距離音場までの離散コヒーレントデジタルエコー信号の系列を生成するため、デジタル化されたエコー信号で動作するデジタルビーム形成器である。ビーム形成器は、信号送波ビームに応答して、多数の空間的に区別可能な受波走査線に沿って、二つ以上のエコー信号の系列を生成するマルチラインビーム形成器でもよい。
【００１７】
ビーム形成されたエコー信号は、非直線性信号分離器２０へ供給される。分離器２０は、和通過帯域又は差通過帯域６６、７６を、送波帯域６２、６４又は７２、７４の相対的な排除（減衰）に通す帯域通過フィルタでもよい。本実施例の場合に、分離器２０は、和成分及び差成分を含む非直線性信号をパルス反転技術によって分離するパルス反転プロセッサである。和周波数信号及び差周波数信号は、非直線性効果によって生じるので、パルス反転処理によって分離される点が有利である。パルス反転のため、送波器は、図示されるように送波パルスの位相である別の可変送波パラメータを有する。
【００１８】
超音波システムは、送波極性若しくは位相が異なる２個以上のビームを送波する。図示された２パルス式の実施例の場合、第１の送波パルスに応じて受波された走査線エコーは、ライン１　バッファ２２に保持される。第２の送波パルスに応答して受波された走査線エコーは、ライン２　バッファ２４に保持され、加算器２６によって、ライン１　バッファの空間的に対応したエコーと組み合わされる。或いは、エコーの第２の走査線は、バッファリングすることなく、保持された第１の走査線のエコーとそのまま結合させてもよい。送波パルスの位相又は極性が異なることの結果として、位相基本（直線性）エコー成分の出力は相殺し、同相である非直線性和成分及び差成分が結合して互いに強め合い、強化され隔離された非直線性和周波数信号及び／又は差周波数信号が生じる。
【００１９】
和周波数信号及び差周波数信号は、フィルタ３０によって更にフィルタ処理され、デシメーションのような操作から生じるような望ましくない信号が除去される。これらの信号は、振幅検出器若しくは位相検出器である検出器３２によって検出される。エコー信号は、次に、後の階調、ドップラー、又は、その他の超音波表示のため信号プロセッサ３４によって処理され、さらに、２次元、３次元、スペクトル、パラメトリック、又は、その他の表示のための画像プロセッサ３６によって処理される。合成表示信号はディスプレイ３８へ表示される。
【００２０】
図２ａ及び２ｂは、図１の送波器１６の詳細な二つの実施例を示す図である。図２の実施例において、送波パルスの異なる周波数成分に対する波形は、デジタル動作の際に別々に形成され、トランスデューサ素子へ供給するための複合多重周波数送波信号を形成するため結合される。ｆ_１発生器４２は、ｆ_１送波信号成分を生成し、ｆ_２発生器４４は、ｆ_２送波信号成分を生成する。これらの発生器は、図示されるｆ_１セレクト及びｆ_２セレクトのような入力制御パラメータに応答してそれぞれの送信波形を生成する。ｆ_１セレクト及びｆ_２セレクトは、送波ビームのｆ_１周波数成分及びｆ_２周波数成分を決定する。他の可変入力パラメータ（図示せず）は、強度パラメータａ及びｂと、パルス反転送波信号用の位相若しくは極性パラメータと、である。或いは、発生器４２及び４４によって生成された出力波形は、結合器４６によって、多数の送波周波数成分を含む複合送波パルスに結合される前又は結合された後に、振幅及び位相若しくは極性が変化する。
【００２１】
図２ａにおいて、発生器によって生成された波形は、重み係数ａ及びｂを生成された波形に適用するデジタル重み付けプロセッサ回路４３及び４５によって重み付けされる。重み付け回路は、デジタル乗算器の形で構成することが可能であり、重み付け係数の符号（＋１，−１）は、出力波形の極性を制御するため使用される。複合送波パルスは、Ｄ／Ａ変換器４８へ供給され、アナログ信号に変換され、このアナログ信号は、必要に応じて、さらに増幅及びフィルタ処理が施され、トランスデューサ素子１２’をドライブするため使用される。
【００２２】
図２ｂは、複合多重周波数送波信号が先行して生成され、デジタルメモリの形式でも構わない波形ライブラリ５０に保存される、第２の送波器の実施例を示す図である。ある種の多重周波数送波パルスが望まれるとき、それは、ライブラリ５０から選択され、重み付け回路５１によって重み付けされ、送波レジスタ５２に保持される。送波器がビームを送波するようトリガをかけられたとき、複合多重周波数波形は、クロック信号ＣＬＫによって送波レジスタ５２から送り出され、Ｄ／Ａ変換器４８によってアナログ信号に変換され、トランスデューサ素子１２’へ供給される。送波パルスの振幅は、重み付け回路で使用されるような、Ａ／Ｄ変換器の後に設置されたデジタル乗算器、又は、Ａ／Ｄ変換器の後のアナログ増幅器によって変更され、必要に応じてアナログドメイン若しくはデジタルドメインでフィルタ処理される。個々の周波数成分の振幅は、送波レジスタ５２の後では、別々に調整されない。なぜならば、波形は、本実施例の場合には、このポイントで既に複合形式になっているからである。
【００２３】
トランスデューサ・アレイによって送波されたビームは、所望のビーム方向に操縦され、所望の焦点深度へ集めされ、これらは共に、送波波形をトランスデューサ・アレイの異なる素子へ供給するタイミングによって実現される。このため、図２ａ及び２ｂに示されるような多数の送波チャネルが送波器で利用され、各送波チャネルはタイミングが異なる送波波形に対応する。送波チャネルは、同じ送波波形を使用しても構わないが、チャネルの波形がトランスデューサ素子に供給されるタイミングは、送波アパーチャのアクティブ素子からの進行方向制御と集束のため必要な時間遅延プロファイルによって変更される。
【００２４】
本発明の一実施例は、多数の周波数成分のビームプロファイルを変えることによって、横分解能を改良し、クラッターを減少させる。これは、図６ａ乃至６ｄのビームプロファイルによって示されている。図６ａは、比較的広いメインローブ及びサイドローブを有する低い方のｆ_２周波数成分に対するビームプロファイルを例示する。上述の）米国特許第５，８７９，３０３号で説明されているように、サイドローブはクラッターの発生源である。このサイドローブは、図面に示されるようにメインローブのピークよりもｘ_２ｄＢだけ低い。
【００２５】
図６ｂは、高い方のｆ_１周波数成分に対するビームプロファイルを示す。ｆ_１周波数成分のメインローブ９０は、ｆ_１周波数の方が高いので、ｆ_２周波数成分のメインローブよりもかなり狭い。本例の場合、サイドローブ９２は、メインローブレベルよりもｘ_１ｄＢだけ低く、本例では、説明の便宜上、ｘ_１＝ｘ_２である。
【００２６】
図６ｃは、合成和信号又は合成差信号に対するビームプロファイルを示す図である。本例の場合、差周波数成分は、ｆ_１−ｆ_２である。ビームプロファイルは、図６ａと図６ｂの二つの成分の積であり、本例の場合には、ｆ_２周波数よりも高い周波数に対するプロファイルであるため、差周波数のメインローブ１００は、周波数ｆ_２のメインローブ８０よりもかなり狭い。さらに、クラッターの発生源であるサイドローブ１０２は、メインローブ１００のレベルよりもｘ_３ｄＢだけ低い。但し、ｘ_３＞ｘ_１＝ｘ_２である。このようにして、分解能及びクラッター性能は、低周波数ビーム成分だけを使用する場合よりも改良される。また、高周波数成分域での侵入は、より低い差周波数で受波されるので改良される。
【００２７】
図７乃至９は、パラメトリックアレイ差映像化、高調波映像化、及び、和周波数映像化の利点を組み合わせた実施例を示す図である。図７の実施例の場合、送波ビームは、帯域ＢＷ_１を示す高周波成分ｆ_１と、帯域ＢＷ_２を示す低周波成分ｆ_２とを含む。送波ビームの周波数は、二つのタイプの非直線的に発生した成分：本例に示されるような差周波数成分（ｆ_１−ｆ_２）と、下側の送波周波数ｆ_２の２次高調波成分２ｆ_２、及び／又は、（１／２）ｆ_１のような上側の送波周波数の低調波、がトランスデューサ通過帯域６０の中心付近に配置されるように選択される。これらの各非直線性成分は、固有の比較的狭い帯域を示すが、送波周波数を注意深く選択することによって、送波帯域よりも広い合成受波帯域ＢＷ_ｃが得られる。すなわち、エコー通過帯域は、信号分解能を良くするために本質的に非常に広帯域にされ、エコー信号は、改良された信号対雑音レベルを示す。なぜならば、それらは、両方の非直線性効果の組合せによるからである。
【００２８】
本実施例の受波エコー信号は、図６ｄに示されるように、分解能とクラッター性能が高められている。図６ｄには、高調波エコー成分２ｆ_２に対するメインローブ１１０とサイドローブ１１２が示されている。上述の米国特許第５，８７９，３０３号には、サイドローブ１１２がメインローブ１１０のレベルよりもｘ_４ｄＢだけ低いために、高調波ビームプロファイルがクラッター性能と信号対クラッター性能を改良することが示されている。ここで、ｘ_４＞ｘ_１＝ｘ_２であり、特に、非常に不均一な異常性のある組織層の場合に有利である。かくして、得られたエコー信号は、改良された性能を発揮し、ここで、ｘ_３≧ｘ_４＞ｘ_１，ｘ_２であり、差ビームプロファイルの信号対雑音性能は、ｘ_３ｄＢである。したがって、このことから分かるように、図７の実施例は、広帯域映像化実施例において、パラメトリック映像化と高調波映像化の両方の性能上の利点を組み合わせている。
【００２９】
高調波映像化によって生じる問題の一つは、高周波数信号が組織を通過するときの高周波数高調波の減衰である。この深さ依存性減衰は、信号侵入を制限し、したがって、高調波映像化中の画像深さを制限する。図８の実施例の場合に、高調波映像化と、和周波数映像化の組合せは、この問題を取り扱うため使用される。送波ビームは、図示されるように、送波周波数成分ｆ_１及びｆ_２を含む。これらの成分は、トランスデューサ通過帯域６０の下側部分にあり、低周波数は、組織中の優れた深さ侵入を実現する。受波中に、三つのエコー信号帯域である、ｆ_２送波成分の高調波２ｆ_２と、和信号ｆ_１＋ｆ_２と、ｆ_１送波成分の高調波２ｆ_２が、中心、すなわち、トランスデューサ通過帯域６０の非常に高感度部分で受信される。これらの各帯域は、前の帯域よりも徐々に周波数が低下し、各帯域による深さ侵入が徐々に良くなる。三つのエコー信号帯域は、画像の深さ全体を通じて受波され、或いは、異なる深さに亘って選択的に使用され、高調波成分とエコー信号成分の混合である画像を生成する。たとえば、２ｆ_２帯域のエコー信号は、浅い深度の画像を形成するため受信され、帯域ｆ_１＋ｆ_２の和信号は、中間深度の画像を生成するため使用され、２ｆ_１帯域は最深度の画像深さの画像を形成するため使用され、これにより、各帯域の相対的な進入の利点が得られる。雑音を除去するため、エコーがより深い場所のビームから受信されるのに伴って、２ｆ_２帯域を包含する通過帯域から移動するトラッキングフィルタが使用される。図８の一実施例でｆ_１及びｆ_２として利用される周波数の一例は、１．２ＭＨｚと１．６ＭＨｚであり、これにより得られる受波信号帯域は、３．２ＭＨｚ、２．８ＭＨｚ及び２．４ＭＨｚである。
【００３０】
図９は、高調波と差周波数エコー信号の両方の組合せを用いることによって深さ依存性減衰の問題を解決する一実施例の説明図である。同図の送波ビームは、周波数成分ｆ_１及びｆ_２を有する。受波エコー信号は、帯域２ｆ_１の信号と、送波周波数ｆ_１の高調波と、差周波数帯域ｆ_２−ｆ_１における信号と、を含む。２ｆ_１高周波数信号は、画像の近距離音場（浅い深度）部分を生成するため使用され、高調波映像化の特性であるクラッター除去を行う。２ｆ_１高周波数は、深さ依存性によって非常に大きく影響されるので、画像の遠距離音場（より深い深度）部分は、低周波数ｆ_２−ｆ_１の差周波数信号から形成される。変形例として、近距離音場の深度と、遠距離音場の深度の間の中間領域で、高周波数と低周波数の両方の混合が使用される。上述の実施例のように、画像中の雑音を除去するため、エコー信号が徐々に増加する深さから受信されるのに応じて、受波信号通過帯域を高周波数から低周波数へ移すためにトラッキングフィルタを使用してもよい。図９の一実施例でｆ_１及びｆ_２として利用される周波数の一例は、３．０ＭＨｚと５．０ＭＨｚであり、これにより得られる高調波信号は６．０ＭＨｚに配置され、差周波数信号は２．０ＭＨｚに配置される。
【００３１】
さらに、パラメトリックエコー成分及び高調波エコー成分は、共に、非直線性処理によって形成され、上述の実施例における送波された信号成分から、帯域通過フィルタリング、或いは、好ましくは、パルス反転技術を用いて分離される点が有利である。これは、位相が１８０°（π）異なる二つの多重周波数送波ビームから得られたエコーによって表わされる。
（＋）：　ｓｉｎω_１ｔ＋ｓｉｎω_２ｔ
（−）：　ｓｉｎ（ω_１ｔ＋π）＋ｓｉｎ（ω_２ｔ＋π）
ここで、２個の送波周波数は、ω_１ｔ及びω_２ｔであり、（＋）及び（−）は、二つのビーム間の位相差を表わす。二つのビームからのエコー信号が、２次高調波成分を分離するためパルス反転技術によって組み合わされたとき、
ｓｉｎ（ω_１ｔ＋π）＝−ｓｉｎω_１ｔ
という結果が得られ、両方のエコーの組合せは、
ｓｉｎω_１ｔ−ｓｉｎω_１ｔ＝０
であり、基本送波成分ω_１ｔを相殺する。二つのエコーの高調波成分は、
ｓｉｎ２ω_１ｔ、並びに、ｓｉｎ（２ω_１ｔ＋２π）＝ｓｉｎ２ω_１ｔ
であり、組み合わせることにより、２ｓｉｎ２ω_１ｔが生成され、ω_１ｔの分離された２次高調波である。２個のエコーが合成されたとき、差信号が生成され、ｓｉｎ（ω_１ｔ−ω_２ｔ）
ｓｉｎ（ω_１ｔ＋π−ω_２ｔ−π）＝ｓｉｎ（ω_１ｔ−ω_２ｔ）
のような結果が得られ、これらを合わせることにより、
２ｓｉｎ（ω_１ｔ−ω_２ｔ）
という結果が得られる。したがって、パラメトリック差信号は、パルス反転分離高調波と同様に、１個のエコー信号中で所望の成分の２倍のレベルまで強められる。図７、８及び９の実施例は、パルス反転分離と共に利用することによって、パラメトリック映像化と高調波映像化の両方の利点を高める効果を奏する。
【００３２】
本発明の実施例で利用される典型的な音圧パルス２００は、図１０ａに示されている。この送波パルスのスペクトルは、図１０ｂに示され、本例の場合に、約１．４ＭＨｚ及び３．６ＭＨｚの周波数に配置された帯域２０２及び２０４に示されるような２個の成分ｆ_１及びｆ_２を有する。多重周波数パルス２００が超微粒気泡又は組織のような非直線性媒体で伝達されるとき、非直線性応答の成分は、基本伝搬周波数の高調波、すなわち、ｆ_１、２ｆ_１、３ｆ_１並びにｆ_２、２ｆ_２、３ｆ_２（以下同様）である。非直線性応答は、伝搬パルスとその高調波の和周波数及び差周波数の成分、すなわち、ｆ_１＋ｆ_２、２（ｆ_１＋ｆ_２）、３（ｆ_１＋ｆ_２）など、並びに、ｆ_１−ｆ_２、２（ｆ_１−ｆ_２）、３（ｆ_１−ｆ_２）など、を含む。高調波ビームは、高調波成分を生じさせる蓄積的生成処理のために、ビーム幅が狭く、サイドローブが低く、異常なアーティファクトが少ない、という上述の特性を備えているので、多数のアプリケーションに関して基本周波数ビームよりも望ましい。差周波数ビームは、累積的生成処理によって形成され、高調波ビームと同じ多数の利点を享受し、さらに、一般的に、高調波ビームよりもサイドローブが低くなり、吸収特性が低下する。
【００３３】
音響パルス２００が、非直線性気泡振動を誘発するには不足する低振幅で高周波の音波を超微粒気泡に当てるため使用されるとき、気泡輻射線の振動は、図１１ａの曲線２１０に示された振動と類似しているであろう。本例は、超微粒気泡が、０．０１ＭＰａの圧力で高調波照射された血液内の３．２μｍの超微粒気泡である、と仮定している。超微粒気泡によって反響するエコーは、本質的に直線性であり、図１１ｂに示されるように２個のスペクトルピーク２１２及び２１４を伴う周波数内容を含み、これは、図１０ｂに示された送波パルスのスペクトルに極めて類似し、また、気泡は共振特性が直線性である。
【００３４】
送波音響パルスの振幅が増加し、非直線性気泡挙動が現れたとき、超微粒気泡の半径は、図１２ａの半径−時間曲線２１６に示されるように非直線的に振動する。本例の場合、音圧は、０．１ＭＰａであるとしている。超微粒気泡によって返されるエコーのスペクトルは、図１２ｂに示されている。このスペクトルは、帯域２１２（ｆ_１＝１．４ＭＨｚ）と帯域２１４（ｆ_２＝３．６ＭＨｚ）の２個の送波周波数成分を含む。このスペクトルは、ｆ_１の２次高調波（２ｆ_１＝２．８ＭＨｚ）にピーク２２２をもち、ｆ_１とｆ_２の間の差周波数（ｆ_２−ｆ_１＝（３．６−１．４）＝２．２ＭＨｚ）にピーク２２０をもつ。二つのエコーが、反対位相又は極性の送波パルスから取得され、合成されたとき、基本周波数を含む奇数次の高調波が除去され、図１３に示されるように、偶数次の高調波と、帯域２２０の和周波数と、帯域２２２の差周波数とだけが残される。
【００３５】
造影剤と共に使用されたときの本発明の別の利点は、多数の送波周波数が多数のサイズの超微粒気泡を励起することである。現在使用されている殆どの造影剤は、直径が１乃至１０μｍの超微粒気泡を含む。より小さい気泡は、高周波励起パルスによりよく応答し、大きい気泡は、低い方の周波数に良好に応答する。送波パルスのそれぞれの周波数成分の振幅は、所与のサイズ及びある範囲のサイズの超微粒気泡を優先的に励起するよう選択される。これは、上記の式の係数ａ及びｂを選択することによって実行される。たとえば、図１４は、図１０ａ及び１０ｂに示されるような２個の周波数成分を含むパルスによって高調波を照射されたときに異なるサイズの超微粒気泡からのエコーのスペクトルを示す。本例の場合、小さい（直線性）振幅関係が説明の便宜上使用される。図１４ａには、１μｍの気泡の「応答が示され、図１４ｂには、４μｍの気泡の応答が示されている。図１４ａの小さい方の気泡は、高周波数側でより大きい応答２１４’を示し、小さい方の応答２１２’は低い方の周波数で得られる。図１４ｂの大きい方の気泡は、低周波数側でより大きい応答２１２”を示し、小さい方の応答２１４”は高周波数側で得られる。広範囲の周波数が送波されるとき、広範囲のサイズの気泡が励起される。造影剤ではなく、気泡が存在しない組織高調波映像化のため使用された場合、高い方の帯域２１４’は、高周波数側を低周波数側よりも大きい程度で減衰させる深さ依存性減衰の影響を相殺するため、低い方の帯域２１２’よりも大きい送信強度をもつ。ｆ_１送波成分及びｆ_２送波成分に対する係数ａ及びｂの異なる比率は、異なる深さゾーン、又は、多数の送波ゾーン集中の実施例のため使用される。たとえば、高周波数成分用の係数ａは、一定を維持するか、又は、深さに応じて減少し、低周波数成分用の係数ｂは、深さに伴って、又は、ゾーンが深くなるのに伴って増加する。高周波数成分及び低周波数成分に対するこれらの振幅変動は、特定の実施例では、個別に使用され、或いは、併せて使用され得る。
【００３６】
図１５ａ及び１５ｂは、送波パルス波形２３０と、３個の周波数成分を有する多重周波数送波ビームのスペクトルとを示す。図１５ｂのスペクトルに示されるように、図１５ａの圧力パルスは、ｆ_１＝１．４ＭＨｚ、ｆ_２＝２．０ＭＨｚ、及び、ｆ_３＝３．６ＭＨｚに配置された３個の周波数ピーク２３２、２３４及び２３６をもつ。これらの送波周波数成分は、以下の成分を含む非直線性エコー成分を生成する。
【００３７】
ｆ_３−ｆ_２＝１．６ＭＨｚ
ｆ_３−ｆ_１＝２．２ＭＨｚ
２ｆ_１＝２．８ＭＨｚ
ｆ_１＋ｆ_２＝３．４ＭＨｚ
２ｆ_２＝４．０ＭＨｚ
これらの成分は、全て、トランスデューサ通過帯域６０内に含まれる。したがって、ここからわかるように、３個の周波数成分から構成された多重周波数送波パルスから、広帯域幅の受信エコー信号が得られる。上述の通り、受信エコー信号の直線性成分は、パルス反転処理によって除去され得る。
【００３８】
本発明の別の実施例は、図１６ａ及び１６ｂに示されている。本実施例の場合に、送波パルスは、周波数変調される（チャープパルスとしても知られるＦＭパルスである）。低周波数側から高周波数側へ周波数変調された音圧波形２４０は、図１６ａに示されている。例示された波形のスペクトルは、図１６ｂに示されるように公称中心周波数の２．１ＭＨｚを有する。このようなパルスの異なる周波数成分（高調波、和周波数及び差周波数）の相互作用によって生じる非直線性結果は、トランスデューサ通過帯域全体を、１．６ＭＨｚから４．０ＭＨｚまでのエコー成分で埋め尽くす。
【００３９】
図１７は、マルチライン受波、すなわち、１個の送波イベントに応答して多数の受波ラインで受信する仕組みを、和信号又は差信号のパルス反転分離と共に採用する実施例の説明図である。本実施例の場合、アレイ・トランスデューサ１２は、２個の周波数成分を用いて、
ｓｉｎω_１ｔ＋ｓｉｎω_２ｔ
のように表現されるビームＴ_１を送波する。この送波ビームに応答して、送波ビームＴ_１の何れかの側に並んで配置された二つの受波ビームＲ_Ａ及びＲ_Ｂが生成される。第１の送波ビームとは位相がずれている第２の多重周波数ビームＴ_２が送波される。第２の送波ビームは、
ｓｉｎ（ω_１ｔ＋π）＋ｓｉｎ（ω_２ｔ＋π）
のように表現される。再度、この第２の送波ビームに応答して、送波ビームＴ_２の何れかの側に並んで配置された２個の受波ビーム対が生成される。本実施例の場合に、２個の送波ビームは、側方に空間的に並べられ、受波ビームは、送波ビームの場所の一方側に並べられる。和信号成分又は差信号成分を分離するため、並べられた受波ビームは、パルス反転によって合成される。すなわち、Ｒ_Ａ＋Ｒ_ｃ、及び、Ｒ_Ｂ＋Ｒ_Ｄが合成される。送信波形の位相差のために、基本成分は相殺し、和信号又は差信号は互いに強め合う。図１７の実施例の場合に、二つの空間的に識別可能な和信号又は差信号の受信走査線は、１：１の対応関係と、従来の２回（又は、それ以上の）送波イベントパルス反転の２回の送波イベントから作成されることがわかる。高次マルチラインは、送波イベント毎により多数の受信走査線を生じる可能性があるので、表示のフレームレートが増大する。
【００４０】
図１８は、横方向に空間的に分離した送波ビームが空間的に中程度の和受波ビーム又は差受波ビームを生成するため利用される実施例を示す図である。
ｓｉｎω_１ｔ＋ｓｉｎω_２ｔ
の形式の送波ビームＴ_１が最初に送信され、Ｔ_１送波ビームと揃ったビームＲ_Ａが受信される。
ｓｉｎ（ω_１ｔ＋π）＋ｓｉｎ（ω_２ｔ＋π）
の形式の第２の送波ビームＴ_２は、トランスデューサ１２のアパーチャに沿った空間的に区別可能な場所で送信され、第２の送波と揃ったビームＲ_Ｂが受信される。二つの受波ビームＲ_Ａ及びＲ_Ｂは、中間的な空間位置３００に和信号成分又は差信号成分の受波ビームを形成するため、パルス反転（Ｒ_Ａ＋Ｒ_Ｂ）によって組み合わされる。Ｔ_１及びＴ_２によって示されるように位相が交互に代わる横方向に離れた送波ビームの並びは、送波ビーム位置のそれぞれの対の間に分離された和走査線又は差走査線を生成するため使用され、これにより、送波ビームと分離した和走査線又は差走査線の比として、約１：１の比が得られる。
【００４１】
上述の送波ビームと揃った受波ビームＲ_Ａ及びＲ_Ｂの代わりに、受波ビームは、図１８に同時に揃えられたビームＲ_Ａ’及びＲ_Ｂ’によって示されるような同じ中間位置へ進路制御され得る。二つの受波ビームは、パルス反転によって結合され、中間位置に和信号走査線又は差信号走査線を生成する。マルチライン受信は、図１８における送波ビームＴ_１及びＴ_２の片側で二つ以上のビームを受信するため使用され、次に、和信号又は差信号のパルス反転分離が行われ、これにより、受波走査線対送波ビームの比が非常に大きくなり、表示フレームレートも非常に高くなる。
【００４２】
以上の通り、感度が最大である通過帯域の中心で励起及び受信を行うため、トランスデューサ帯域幅の上端と下端の両方を使用する非直線性映像化技術について説明した。受信された帯域幅は、２次高調波と差周波数の両方を聴取することによって効率的に増大される。多重成分受信エコー信号によって得られる分解能を犠牲にすることなく、よりすぐれた信号対雑音特性を得るため、より多くのエネルギーがターゲットへ配分されるように、幅の狭い帯域幅が励起のため使用される。本発明の原理は、３次元映像化にそのまま適用することが可能であり、その場合に、和信号成分又は差信号成分、及び／又は、高調波成分は、３次元領域へ音波を照射することによって生成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の原理に従って構成された超音波診断映像化システムのブロック構成図である。
【図２ａ】
図１の実施例で使用するため適したビーム送波器の構成図（その１）である。
【図２ｂ】
図１の実施例で使用するため適したビーム送波器の構成図（その２）である。
【図３】
本発明に従って動作するトランスデューサの送波帯域及び受波帯域の説明図である。
【図４】
本発明の多重周波数送波器の一部の可変送波パラメータの説明図である。
【図５】
本発明に従って動作するトランスデューサの別の送波帯域及び受波帯域の組の説明図である。
【図６ａ】
本発明の別の実施例のビームパターンの説明図（その１）である。
【図６ｂ】
本発明の別の実施例のビームパターンの説明図（その１）である。
【図６ｃ】
本発明の別の実施例のビームパターンの説明図（その１）である。
【図６ｄ】
本発明の別の実施例のビームパターンの説明図（その１）である。
【図７】
混変調積信号と２次高調波信号の両方を使用する本発明の別の実施例の説明図である。
【図８】
深さ依存性減衰の問題を解決するため非直線性和成分及び高調波成分を使用する本発明の一実施例の説明図である。
【図９】
深さ依存性減衰の問題を解決するため非直線性差成分及び高調波成分を使用する本発明の一実施例の説明図である。
【図１０ａ】
多重周波数送波パルス波形とパルスのスペクトルの説明図（その１）である。
【図１０ｂ】
多重周波数送波パルス波形とパルスのスペクトルの説明図（その２）である。
【図１１ａ】
図１０ａのパルスに対する低振幅（低非直線性）超微粒気泡応答と応答によって反響するエコーのスペクトルの説明図（その１）である。
【図１１ｂ】
図１０ａのパルスに対する低振幅（低非直線性）超微粒気泡応答と応答によって反響するエコーのスペクトルの説明図（その２）である。
【図１２ａ】
図１０ａのパルスに対する非直線性超微粒気泡応答からのエコーとそのスペクトルの説明図（その１）である。
【図１２ａ】
図１０ａのパルスに対する非直線性超微粒気泡応答からのエコーとそのスペクトルの説明図（その２）である。
【図１３】
パルス反転処理によって分離された図１２ｂのスペクトルの非直線性部分の説明図である。
【図１４ａ】
二つの別々のサイズの超微粒気泡のため設計された送波パルスのスペクトルの説明図（その１）である。
【図１４ｂ】
二つの別々のサイズの超微粒気泡のため設計された送波パルスのスペクトルの説明図（その２）である。
【図１５ａ】
３個の周波数送波ビームに対するパルス波形とそのパルスのスペクトルの説明図（その１）である。
【図１５ｂ】
３個の周波数送波ビームに対するパルス波形とそのパルスのスペクトルの説明図（その２）である。
【図１６ａ】
周波数変調型多重周波数送波パルスとそのパルスのスペクトルの説明図（その１）である。
【図１６ｂ】
周波数変調型多重周波数送波パルスとそのパルスのスペクトルの説明図（その２）である。
【図１７】
マルチライン受波器からの和信号成分と差信号成分を分離するため使用されるパルス反転の説明図である。
【図１８】
空間的に区別可能な送波ビームを用いて和信号成分又は差信号成分を分離するため使用されるパルス反転の説明図である。

Claims (27)

1. 非直線性信号成分を利用する超音波映像化方法であって、
   少なくとも２個の異なる周波数成分を含む超音波を映像化されるべき領域へ送波する手順と、
   映像化されるべき領域内の物質の非直線性効果によって生じた高調波信号成分及び混変調信号成分を含む波形に応じてエコー信号を受波する手順と、
   高調波信号成分及び混変調信号成分を利用して２次元又は３次元超音波画像を生成する手順と、
   を有する超音波映像化方法。
2. 送波する手順及び受波する手順は、中心周波数をもつトランスデューサ通過帯域を示すトランスデューサ素子のアレイによって実行され、
   送波する手順は、トラスデューサ通過帯域の中心から少なくとも１個の受波信号成分よりも離れた場所にある少なくとも１個の送波された、異なる周波数成分を用いてビームを送波する、
   請求項１記載の超音波映像化方法。
3. 送波する手順は、トランスデューサ通過帯域の中心から２個の受波信号成分よりも離れた場所にある２個の異なる周波数成分を用いてビームを送波する、請求項２記載の超音波映像化方法。
4. 受波する手順は、高調波信号成分及び差周波数信号成分を受波する、請求項１記載の超音波映像化方法。
5. 受波する手順は、高調波信号成分及び和周波数信号成分を受波する、請求項１記載の超音波映像化方法。
6. 送波する手順は、チャープ信号を送波する、請求項１記載の超音波映像化方法。
7. 送波する手順は、異なる相対強度を有する２個の異なる周波数成分を示す超音波を送波する、請求項１記載の超音波映像化方法。
8. 受波する手順は、送波されたビームに応答して、２個以上の空間的に異なるエコー信号のビームを受波し、
   受波されたビームは、映像化されるべき領域内の物質の非直線性効果によって生じた高調波信号成分及び混変調信号成分を含む、
   請求項１記載の超音波映像化方法。
9. 受波されたエコー信号の高調波信号成分及び混変調信号成分を、パルス反転処理によって、基本周波数成分から分離する手順を更に有する請求項１記載の超音波映像化方法。
10. 送波する手順は、２個以上の異なる周波数成分を含む２個の別々の位相の超音波ビームを映像化されるべき領域へ送波し、
    受波する手順は、各ビームに応答して、基本送波周波数成分、高調波信号成分及び混変調信号成分を含むエコー信号を受波する、
    請求項９記載の超音波映像化方法。
11. 送波する手順は、２個の空間的に揃えられた、別々の位相の超音波ビームを更に送波する、請求項１０記載の超音波映像化方法。
12. 受波する手順は、送波された各ビームに応答して、送波ビーム位置と空間的に揃えられたエコー信号のビームを更に受波する、請求項１１記載の超音波映像化方法。
13. 受波する手順は、送波された各ビームに応答して、エコー信号の複数のビームを更に受波し、
    受波されたビームのうちの少なくとも一つは送波ビーム位置から横方向に離れている、
    請求項１１記載の超音波映像化方法。
14. 受波する手順は、送波された第１のビームに応答して受波されたビームの位置と揃えられた位置で、送波された第２のビームに応答して、エコー信号の複数のビームを更に受波する、請求項１３記載の超音波映像化方法。
15. 送波する手順は、２個の横方向に分離した、別々の位相の超音波ビームを更に送波する、請求項１０記載の超音波映像化方法。
16. 受波する手順は、送波された各ビームに応答して、送波ビーム位置と空間的に揃えられたエコー信号のビームを更に受波する、請求項１５記載の超音波映像化方法。
17. 受波する手順は、送波された各ビームに応答して、エコー信号の複数のビームを更に受波し、
    受波されたビームのうちの少なくとも一つは送波ビーム位置から横方向に離れている、
    請求項１５記載の超音波映像化方法。
18. 受波する手順は、少なくとも一つが送波された第１のビームに応答して受波されたビームの位置と揃えられた位置で、送波された第２のビームに応答して、エコー信号の複数のビームを更に受波する、請求項１７記載の超音波映像化方法。
19. 受波する手順は、送波ビーム位置から横方向に離れた場所で、送波された各ビームに応答して、エコー信号のビームを更に受波する、請求項１５記載の超音波映像化方法。
20. 受波する手順は、送波された第１のビームに応答して受波されたビームの位置と揃えられた位置で、送波された第２のビームに応答して、エコー信号のビームを更に受波する、請求項１９記載の超音波映像化方法。
21. ２個の異なる送波周波数成分の周波数、高調波受波周波数、及び、２個の異なる送波周波数成分の混変調積の周波数を包含する通過帯域を示すトランスデューサ・アレイと、
    トランスデューサ・アレイに接続され、２個の異なる送波周波数成分を含むビームを送波するようにトランスデューサ・アレイを作動する送波器と、
    トランスデューサ・アレイに接続され、送波周波数成分及び２個の異なる送波周波数成分の混変調積の高調波でコヒーレントエコー信号を生成する受波器と、
    受波器に接続され、送波周波数成分及び２個の異なる送波周波数成分の混変調積の高調波から超音波画像信号を生成する画像プロセッサと、
    ディスプレイと、
    を有する超音波診断映像化システム。
22. 画像プロセッサは、受波されたエコー信号の高調波信号成分及び混変調信号成分を、基本周波数成分から分離するパルス反転プロセッサを具備する、請求項２１記載の超音波診断映像化システム。
23. 画像プロセッサによって生成された超音波画像信号は、超音波画像フィールドの異なる領域で高調波信号成分対混変調信号成分の異なる比率を示す、請求項２２記載の超音波診断映像化システム。
24. 画像プロセッサによって生成された緒音波画像信号は、浅い深度で高調波信号成分の比率が高く、深い深度で混変調信号成分の比率が高くなる、請求項２３記載の超音波診断映像化システム。
25. 受波されたエコー信号の高調波信号成分及び混変調信号成分に応答し、異なる深さのエコー信号に対して高調波信号成分対混変調信号成分を異なる比率で通過させるよう動作するトラッキングフィルタを更に有する請求項２３記載の超音波診断映像化システム。
26. 異なる送波周波数成分の周波数は、高調波受波周波数及び混変調積の周波数よりも、通過帯域内で中心の近くに配置されている、請求項２１記載の超音波診断映像化システム。
27. 高調波受波周波数及び混変調積の周波数は、異なる送波周波数成分の周波数よりも、通過帯域内で中心の近くに配置されている、請求項２１記載の超音波診断映像化システム。

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