JP2017503605A - 媒体内の正確な位置における物理的特性を決定するための方法、媒体の画像を決定するための方法、及び当該方法を実装する装置 - Google Patents

Abstract

媒体（１１）内部の正確な位置（Ｐ０）における物理的特性を決定するための方法は、異なる振幅を有する放出パルスを含む放出シーケンスを送信するステップと、放出パルスのエコーに対応するの受信パルスを含む受信シーケンスを受信するステップと、放出パルスに対する受信パルス間の位相差を計算するステップと、位相差に基づいて物理的特性を決定するステップと、を含む。

Description

本発明は、超音波で媒体内の正確な位置の特性を決定し、媒体内部の超音波の伝搬を用いて媒体内部の領域の画像を決定する方法に関する。本発明はまた、それらの方法を実装する装置に関する。

媒体の超音波画像化は、媒体を画像化、特に人体を画像化するための技術として非常に一般的である。数多くの超音波画像化技術が知られている。

例えば、特許文献１は、媒体内部の線形及び非線形散乱体を検出するための画像化システム及び方法、すなわち「パルス反転ドップラー」を開示している。このシステムは、多数の励起レベルのもとで超音波応答を測定し、非線形応答の検出における感度を向上している。さらに、この方法は、さらに超音波画像化の感度を向上するために、媒体内部へのコントラスト物質の注入を使用することが多い。

しかし、残念ながら、そのような画像化システムでは、使用者は、コントラスト物質の使用にもかかわらず、依然として弱いコントラストしか得ることができず、いくつかの組織信号（すなわちコントラスト物質なし）が画像内に残り、そのため血管の輪郭は画像内における画定が不十分である。

米国特許第６０９５９８０号明細書 米国特許第６６３８２２８号明細書

本発明の１つの目的は、まず、媒体内部の正確な位置における物理的特性を決定するための方法を提供することである。

そのために、本方法は、
ａ）超音波の放出シーケンスを媒体内にその位置に向けて送信するステップであって、放出シーケンスが、異なる振幅を有する少なくとも２つの放出パルスを含む、ステップと、
ｂ）その位置からの超音波の受信シーケンスを受信するステップであって、受信シーケンスが、放出パルスのエコーに対応する少なくとも２つの受信パルスを含む、ステップと、
ｃ）２つの放出パルスに対する受信パルス間の位相差を計算するステップと、
ｄ）位相差に基づいて物理的特性を決定するステップと、
を含む。

これらの特徴により、媒体内の正確な位置における物理的特性を、向上した精度で決定することができる。

本方法の様々な実施形態において、１つ及び／またはその他の以下の特徴が、任意選択的に組み込まれうる。

本方法の１つの態様において、位相差を計算するステップｃ）が、以下のサブステップ、
ｃ１）受信シーケンス内の受信パルスのそれぞれの位相を決定するステップと、
ｃ２）位相を結合することによって、位相差を計算するステップと、
を含む。

本方法の１つの態様において、位相差を計算するステップｃ）が、以下のサブステップ、
ｃ３）受信パルスに対応する受信信号が、結合信号を生成するために重み付け因子により重み付けされて合計されるステップであって、重み付け因子が、放出パルスの異なる振幅を補償するように決定されるステップと、
ｃ４）位相差が結合信号の位相であるステップと、
を含む。

本方法の１つの態様において、物理的特性が、位相差に比例する。

本方法の１つの態様において、連続するステップａ）からｃ）が、複数の位相差を得るために数回繰り返され、
ステップｄ）において、物理的特性が、複数の位相差の平均、標準偏差または分散によって決定される。

本方法の１つの態様において、放出シーケンスが、２つより多い放出パルスを含み、受信シーケンスが、放出パルスの数と少なくとも同じ数の受信パルスを含み、
ステップｃ）において、２つの受信パルス及び放出パルスに対応する対の間の複数の位相差が計算され、放出パルスの各対が異なる振幅を有し、
ステップｄ）において、物理的特性が、複数の位相差の平均、標準偏差または分散によって決定される。

本方法の１つの態様において、物理的特性が第１の限界値以下である場合、物理的特性が第１の種類であり、
物理的特性が第２の限界値以上である場合、物理的特性が第２の種類である。

本方法の１つの態様において、第２の限界値が、第１の限界値より大きい。

本方法の１つの態様において、第１の限界値が０．３ラジアン、好適には０．１ラジアンである。

本方法の１つの態様において、第２の限界値が０．３ラジアン、好適には０．５ラジアンである。

本発明の別の目的は、第２に、媒体内部の正確な位置における物理的特性を決定するための装置を提供することである。本装置は、
−超音波トランスデューサを含むプローブと、
−トランスデューサを制御するための電子ユニットと、
−電子ユニットを制御し、電子ユニットからの信号を処理するための処理ユニットと、を含む。

処理ユニットは、前述の正確な位置における物理的特性を決定するための方法を実装する。

本発明の別の目的は、第３に、媒体内部の領域の画像を決定するための方法であって、画像が複数の画素からなり、本方法が領域内部の複数の位置について含む、方法を提供することである。

本方法は、以下の、
ａ）超音波の放出シーケンスを領域内へその位置に向けて送信するステップであって、放出シーケンスが、少なくとも２つの異なる振幅の放出パルスを含む、ステップと、
ｂ）その位置から超音波の受信シーケンスを受信するステップであって、受信シーケンスが、放出パルスに対応する少なくとも２つの受信パルスを含む、ステップと、
ｃ）放出パルスに対する受信パルスの間の位相差を計算するステップと、
ｄ）位相差に基づいて画像の画素を決定するステップと、
を含む。

この特徴により、媒体の画像が向上した感度及び精度で決定される。画像の画像コントラストは、既知の超音波技術と比較して改善される。

本方法の様々な実施形態において、以下の特徴の１つ及び／またはその他が任意選択的に組み込まれうる。

本方法の１つの態様において、位相差を計算するステップｃ）が、以下のサブステップ、
ｃ１）受信シーケンス内の受信パルスのそれぞれについて位相を決定するステップと、
ｃ２）位相を結合することによって、位相差を計算するステップと、
を含む。

本方法の１つの態様において、位相差を計算するステップｃ）が、以下のサブステップ、
ｃ３）受信パルスに対応する受信信号が、結合信号を生成するために重み付け因子によって重み付けされ、合計されるステップであって、重み付け因子が、放出パルスの異なる振幅を補償するように決定される、ステップと、
ｃ４）位相差が、結合信号の位相である、ステップと、
を含む。

本方法の１つの態様において、ステップｄ）において、画素が位相差に比例する。

本方法の１つの態様において、連続するステップａ）からｃ）が、領域内部の各位置について複数の位相差を提供するために複数回繰り返され、
ステップｄ）において、画素が、複数の位相差の平均、標準偏差または分散を計算することによって決定される。

本方法の１つの態様において、放出シーケンスが、２つより多い放出パルスを含み、受信シーケンスが、少なくとも同じ数の受信パルスを含み、
−ステップｃ）において、２つの受信パルス及び放出パルスに対応する対の間の複数の位相差が計算され、放出パルスの各対が、異なる振幅を有し、
−ステップｄ）において、画素が、複数の位相差の平均、標準偏差または分散を計算することによって決定される。

本方法の１つの態様において、画像における各画素が、領域内の位置に対応する。

本方法の１つの態様において、
−領域が、複数のサブ領域に分割され、
−ステップｃ）とステップｄ）の間において、サブ領域位相差が計算され、サブ領域位相差が、サブ領域に属する位置の複数の位相差の平均値であり、
画像内の各画素がサブ領域に対応する。

本方法の１つの態様において、
−各画素が第１の限界値以下である場合、各画素が第１の種類であり、
−各画素が第２の限界値よりも大きい場合、各画素が第２の種類である。

本方法の１つの態様において、第２の限界値が第１の限界値より大きい。

本方法の１つの態様において、第１の限界値が０．３ラジアン、好適には０．１ラジアンである。

本方法の１つの態様において、第２の限界値が０．３ラジアン、好適には０．５ラジアンである。

本方法の１つの態様において、放出シーケンスの２つの放出パルスが、２以上の振幅比を有する。

本方法の１つの態様において、ステップａ）の前に、コントラスト物質が媒体に導入される。

本方法の１つの態様において、コントラスト物質が微小な泡である。

本発明の別の目的は、第４に、媒体内の領域の画像を決定するための装置を提供することであって、当該装置が、
−超音波トランスデューサを含むプローブと、
−トランスデューサを制御するための電子ユニットと、
−電子ユニットを制御し、電子ユニットからの信号を処理するための処理ユニットと、を含む。

処理ユニットは、前述の媒体内部の領域の画像を決定するための方法を実装する。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照し、非限定的な例によって与えられる実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明に従う方法（正確な測定のための方法）の第１の較正を実装するための装置の概略図である。 図１の装置によって実装される方法によって使用される信号の放出シーケンスを示す時間領域曲線である。 図２ａの放出シーケンスに対応する信号の受信シーケンスを示す時間領域曲線である。 準線形材料の挙動を有する媒体の内部の位置に関して放出された信号に対する受信された信号の位相差の分布である。 非線形材料の挙動を有する媒体の内部の位置に関して放出された信号に対する受信された信号の位相差の分布である。 本発明に従う方法（画像化方法）の第２の較正を実装するための装置の概略図である。 図４に表された装置及び方法によって生成され、媒体内部に含まれる２つの臓器を示す画像の区画の２つのサブ領域を示す画像の例である。

図面において、同一の参照符号は、同一または類似の要素を示す。

図１は、例えば、媒体１１内部の位置の特性を決定する目的のための、または例えば媒体１１内の領域を画像化する目的のための、本発明の方法を実装するための装置１０を示す。

媒体１１は、例えば、生体、特に人体または動物の体であり、その他任意の生物学的、または物理化学的媒体（例えば、体外の媒体）であることができる。媒体の体積は、物理的特性のばらつきを含む。例えば、媒体は、組織及び血管を含んでもよく、それぞれは様々な物理的特性を有する。例えば、組織は、病気により損傷した領域（例えば、がん細胞）や、媒体の他の領域と比較して様々な物理的特性を有するその他任意の単一領域を含みうる。媒体１１のいくつかの部分は、これらの部分の物理的特性のコントラストを改善するために、何らかの追加されたコントラスト物質（例えば、微小な泡）を含みうる。超音波を当てると、そのようなコントラスト物質は非線形エコーを生じる。そのため、そのようなコントラスト物質の良く知られた使用は、血管内の所定量のコントラスト物質を含む流体の導入である。このとき、そのような血管の物理的特性は、コントラスト物質を含まない組織の物理的特性と比較してより容易に検出することが可能であり、そのようなコントラスト物質は単に血管内を流れるだけである。

超音波を介して媒体を感知する方法によって検出することができる物理的特性は、固さなどの媒体の機械的特性である。この方法は、そのような物理的特性の値及び／または変化を識別する。例えば、本方法は、媒体内の２つの物質間の機械的界面を検出しうる。例えば、泡のシェルを検出することができる。

装置１０は、
−１つの超音波トランスデューサまたは複数の超音波トランスデューサ（トランスデューサアレイ）を含むプローブ１２であって、各トランスデューサが信号を超音波に変換し（放出し）及び／または超音波を信号に変換する（受信する）ように適合された、プローブ１２と、
−両モード（受信及び／または放出）において、プローブ内のトランスデューサを制御する電子ユニット１３と、
−電子ユニット１３を制御し、信号を処理し、媒体の特性及び／またはその特性の画像を決定するための処理ユニット１４と、を含みうる。

変形例において、単一の電子デバイスは、電子ユニット１３及び処理ユニット１４の機能性全てを満たすことができる。処理ユニット１４はコンピュータでありうる。

プローブ１２は、プローブ前方の所定の位置に超音波を集束することができるように湾曲したトランスデューサを含むことができる。プローブ１２は、超音波の集束を２次元（２Ｄ）平面に実行することができるように、Ｘ軸に沿って並置された数十個のトランスデューサ（例えば１００から３００）の、線形トランスデューサアレイを含むことができる。プローブ１２は、超音波の集束を３次元（３Ｄ）体積に実行することができるように、２次元アレイを含むことができる。

図１に表された方法の第１の構成は、媒体１１の内部の位置Ｐ０の物理的特性を決定することであり、この位置Ｐ０は、実質的に正確な位置またはそのような位置Ｐ０周囲の媒体内部の小さな領域（位置Ｐ０の近傍）である。

上述の処理ユニット１４は電子ユニット１３及びプローブ１２を制御し、
ａ）超音波Ｗｅの放出シーケンスＥＳを位置Ｐ０に向けて媒体１１内に送信し、放出シーケンスＥＳは、異なる強度を有する少なくとも２つの放出パルスＳｅ１、Ｓｅ２を含み、
ｂ）位置Ｐ０からの超音波４の受信シーケンスＲＳを受信し、受信シーケンスＲＳは、少なくとも２つの受信パルスＳｒ１、Ｓｒ２を含み、それぞれは放出パルスＳｅ１、Ｓｅ２に対応する。

その位置へ、またはその位置からの超音波Ｗｅ、Ｗｒは、集束波（ビーム）または非集束ビームとすることができる。

既知のビーム形成方法を使用することができる。
−放出された超音波Ｗｅは、遅延され、トランスデューサアレイの各トランスデューサに伝送された複数のトランスデューサ信号によって生成され、
−受信された超音波Ｗｒは、遅延によって結合され、受信シーケンスＲＳを生成するために合計される複数のトランスデューサ信号からなる。

少なくとも２つの異なる振幅の放出パルスは、伝達電圧を変更することによって、または好適にはアパーチャの大きさを変更することによって（すなわち、放出される超音波を放出するのに寄与するトランスデューサ素子の数を変更することによって）、生成することができる。アパーチャはまた、２つ以上の素子のグループに分割されうる。

図２ａは、それぞれが超音波パルスである２つの信号Ｓｅ１及びＳｅ２を含む放出シーケンスＥＳの例を示す。単純化のために、これらのパルス（信号）は、サイン信号の一部である（単一の周波数成分のみを含む）が、そのようなパルスは、複数の周波数成分を含む、より複雑な信号であってもよい。

図２ｂは、図２ａの放出シーケンスに対応し、受信シーケンスＲＳ内の２つの超音波パルスに対応する２つの受信信号Ｓｒ１及びＳｒ２を含む受信シーケンスＲＳを示す。第１の受信信号Ｓｒ１は、第１の放出信号Ｓｅ１のエコー（反射）に対応し、第２の受信信号Ｓｒ２は、第２の放出信号Ｓｅ２のエコー（反射）に対応する。

本方法の第１の構成において、処理ユニット１４はさらに、以下の、
ｃ）少なくとも２つの受信パルス（受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２によって感知された）間の、２つの放出信号（システムに分かっている、放出信号Ｓｅ１、Ｓｅ２）に対する位相差δを計算するステップと、
ｄ）この位相差δに基づいて、位置Ｐ０における媒体の物理的特性を決定するステップと、を実行する。

超音波Ｗｅのそれぞれの放出シーケンスＥＳは、いくつかの放出パルス（少なくとも２つ）を含む。また、超音波Ｗｒのそれぞれの受信シーケンスＲＳは、いくつかの受信パルスを含む。これらのシーケンス中の各パルスは、例えば複数のサイン信号の組み合わせであるような、より複雑な信号でありうる。しかし、本明細書では、パルスは、単純化のために単なるサイン信号であるとして考える。

サイン信号またはパルスは、位相Φ及び振幅Ｘを含む。そのようなサイン信号の位相は、信号を表す時間スケールの原点における角度である。振幅は、経時的なサイン信号の最大値である。そのような位相は、参照クロック信号に対する時間シフト、参照クロック信号との相互相関、信号が複素数値で表される場合（例えば、ＩＱ復調の場合）におけるアークタンジェント（Ｉｍ／Ｒｅ）の計算、またはその他任意の既知の方法のような様々な方法によって決定され、または推定されることができる。

２つのサイン信号またはパルス間の位相差はまた、上述の方法の任意の１つによって、また、例えば単に各信号の所定の位相の差によって決定することができる。

次いで、ステップｃ）の位相差は、様々な方法によって決定可能である。それらのうち２つのみが、以下の説明で示される。

位相決定のための第１の方法によれば、２つのサイン信号（本方法のステップｃで用いられるような）の２つのシーケンスの間の位相差δは、
−受信信号に関する第１の位相差δ_ｒ、すなわちδ_ｒ＝Φ（Ｓｒ２）−Φ（Ｓｒ１）であって、測定された第１の位相差と、
−放出信号に関する第２の位相差δ_ｅ、すなわちδ_ｅ＝Φ（Ｓｅ２）−Φ（Ｓｅ１）であって、システムに分かっている第２の位相差と、
の差として定義可能である。

定義された位相差δは、δ＝δ_ｒ−δ_ｅである。

この位相差はまた、一方の他方に対する信号の時間シフトによって計算することもできる。この場合、位相差δは、δ＝２πｆ（Ｔ_ｒ−Ｔ_ｅ）＝２πｆ（Δｔ）で与えられる。ここで、ｆは、サイン信号の周波数であり、Ｔ_ｅは図２ａに示された２つの放出信号Ｓｅ１、Ｓｅ２の間の時間シフトであり、Ｔ_ｒは図２ｂに示された２つの受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２の間の時間シフトである。

時間差（Ｔ_ｒ−Ｔ_ｅ）は、２πより大きい場合には、２πを法とする値に小さくされるべきである。

位相を決定するための第２の方法によれば、２つの受信サイン信号は、同一の振幅を有するように拡大され（重み付けされ）てもよく、次いで、得られた重み付けされた信号は一方から他方を減算される。すなわち、δ_ｒ＝Φ（ａ・Ｓｒ２−ｂ・Ｓｒ１）である。

最終的に、第１の重み付け因子は単一であってもよく、ｂのみが、ｂ・Ｓｒ１がＳｒ２と同じ振幅を有するように決定される。

発明者は、上述のように定義された受信信号（受信パルス）の放出信号（放出パルス）に対する位相差δは、集束点Ｐ０における媒体１１の性質に強く依存することを発見した。従って、位置Ｐ０における媒体の物理的特性を決定することができる。

この効果は、第１及び第２の放出パルス（Ｓｅ１、Ｓｅ２）の振幅差並びに点Ｐ０における媒体の非線形的な挙動に起因する。この媒体の非線形的な挙動は、通常は、振幅調和分析（２次調和、３次調和・・・）を介して超音波画像化において分析される。これは、振幅及び周波数分析である。この場合、本方法は、位相差分析である。もちろん、そのような位相技術はまた、調和分析と組み合わせることもできる。

有利には、第１及び第２の放出信号超音波パルス（信号Ｓｅ１、Ｓｅ２）は、２以上の振幅比を有する。

さらに、放出シーケンス（ＥＳ）内の放出信号の合計はヌルである。従って、受信信号を合計する単純な方法は、第１の調和を打ち消し、この和は、媒体１１内の物質の位相及び／または調和挙動を推定するのに直接用いることができる。

より具体的には、放出シーケンスＥＳは、特許文献１に示されたパルス反転法におけるもののように、＋１、−１シーケンスで表された反転された振幅の２つの放出パルスのみを含むことができる。この場合、位相差を計算するための上述の第２の方法における重み付け因子ａ、ｂはまた、信号の合計がヌルとなるように、好適には（＋１、＋１）であるべきである。

より具体的には、放出シーケンスＥＳは、特許文献２に記載された出力変調法などのように、＋１／２、−１、＋１／２振幅の３つの放出パルスを含むことができる。この場合、位相差を計算するための上述の第２の方法は例えば、方程式δ_ｒ＝Φ（Ｓｒ１＋Ｓｒ２＋Ｓｒ３）、すなわち以下の重み付け因子（＋１、＋１、＋１）を有する方程式を使用すべきである。

そのような方法は、以下のように一般化されうる。
−放出シーケンスＥＳは、ｅ１、ｅ２、ｅ３の振幅を有するパルスを含む。
−受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３は、重み付け因子ｒ１、ｒ２、ｒ３によって組み合わされた信号ＣＳ＝ｒ１・Ｓｒ１＋ｒ２・Ｓｒ２＋ｒ３・Ｓｒ３としてのＣＳに組み合わされる。
−次いで、位相差δが結合信号ＣＳの位相：δ＝Φ（ＣＳ）である。

この方法において、振幅及び重み付け因子は、ｅ１・ｒ１＋ｅ２・ｒ２＋ｅ３・ｒ３＝０であるように選択される。このとき、結合信号ＣＳは、位置Ｐ０における媒体が線形材料としての挙動を有する場合にはヌル信号となるべきである。

発明者は、得られた信号の位相（結合信号の位相）、すなわち位相差δを見ると、位置Ｐ０における媒体１１の性質を表すことを発見した。

そのため、所定の正確な位置Ｐ０において測定された位相差δは、この正確な位置Ｐ０において媒体の種類または性質を決定するために使用することができる。

第１の変形例において、正確な位置Ｐ０における、またはその近傍の媒体１１の材料の物理的特性ＰＣは、事前に決定された位相差δの値に比例する。

第２の変形例において、連続するステップａ）からｃ）は、複数の位相差δを得るために、何度か、例えばＭ回繰り返され、この複数は、Ｍ個の位相差の値δ_１、・・・、δ_Ｍを有する。

次いで、ステップｄ）において、物理的特性ＰＣが、
−複数の位相差の平均値、すなわちＰＣ＝ｍｅａｎ（δ_１、・・・、δ_Ｍ）、または
−複数の位相差の標準偏差値、すなわちＰＣ＝ｓｔｄ（δ_１、・・・、δ_Ｍ）、または
−複数の位相差の分散、すなわちＰＣ＝ｖａｒｉａｎｃｅ（δ_１、・・・、δ_Ｍ）、
で決定され、これらの数学的関数は、これらの定義における多数の変数が適用されうるものとして、定義されていることが通常周知であり、またはこれらの周知のものと等価なものである。

Ｍ回の繰り返しは、放出シーケンスＥＳにおける第１及び第２の放出パルス（信号Ｓｅ１、Ｓｅ２）について同一の第１及び第２の振幅で進行可能である。

Ｍ回の繰り返しは、振幅の様々な変数を調べ、媒体内の非線形性の様々な可能性を調べることができるように、放出シーケンスＥＳ内の第１及び第２の放出信号Ｓｅ１、Ｓｅ２に関する、所定の様々な値の振幅で進行することができる。従って、上述の変形例のために、位置Ｐ０における媒体１１の非線形的な挙動が、線形的挙動からより容易に区別することができる。

第３の変形例において、放出シーケンスＥＳは、様々な振幅の２つより多くの信号を含みうる。Ｎ個のパルス（信号）、３つ、４つ、５つまたはそれ以上を含みうる。そのため、受信シーケンスＲＳは、少なくとも同じＮ個の受信パルス（信号）、好適には同じＮ個の受信パルス（信号）を含む。指数ｉの各受信信号Ｓｒｉは、同一の指数ｉの対応する放出信号Ｓｅｉに正しく関連したものでなければならない。

そして、ステップｃ）において、複数の放出−受信信号の対（指数ｉ及びｊ、ｉ≠ｊ及びｉ、ｊ≦Ｎ）が抽出可能であり、放出信号Ｓｅｉ、Ｓｅｊの各組合せは異なる振幅を有する。各組合せについて、位相差δｉｊは、複数の位相差を提供するように、前述のように決定される。

次いで、ステップｄ）において、物理的特性ＰＣは、（ｉｊがすべて所定の組み合わせとして）、
−複数の位相差の平均値、すなわちＰＣ＝ｍｅａｎ（δ_ｉｊ）、または
−複数の位相差の標準偏差値、すなわちＰＣ＝ｓｔｄ（δ_ｉｊ）、または
−複数の位相差の分散値、すなわちＰＣ＝ｖａｒｉａｎｃｅ（δ_ｉｊ）
で決定される。

前述の数学的関数は、通常周知に定義され、またはそれらと等価なものである。

Ｎ個の信号は、全て異なる振幅を有してもよいし、それらのうちいくつかが同一であることもできる。そして、振幅の様々な変動が、プロセスにおいて試験され、または経験されることができる。従って、位置Ｐ０における媒体１１内部の非線形的な挙動は、線形的な挙動からより容易に区別することができる。

図３ａは、実質的に線形的な挙動を有する媒体内部の位置に関する複数の位相差δの第１の分布２０の例を示す。そのような分布は、位相差δの所定の値（曲線の横軸）を与える試験の数の計数（曲線の縦軸）である。

この分布曲線２０は、ほぼゼロラジアン、小さな標準偏差または分散（曲線の幅がＳ）の平均値（曲線の最大値の横軸）を含む。

平均値Ａの絶対値は、例えば、０．１ラジアンより小さく、標準偏差は０．１ラジアンより大きい。

そのような測定結果は、実質的に線形的な挙動を有する媒体１１内の位置に対応する。これは、組織の、またはコントラスト物質（例えば、微小な泡）を含まない位置または領域でありうる。

図３ｂは、実質的に非線形的な挙動を有する媒体内部の位置に関する複数の位相差δの第２の分布２１の例を示す。これは、血管の、またはコントラスト物質（例えば、微小な泡）を含む位置または領域でありうる。

この分布曲線２０は、非ゼロラジアンである平均値Ａ（曲線の最大値の横軸）及び図３ａの場合よりもずっと大きな標準偏差Ｓまたは分散（曲線の幅）を含む。

平均値Ａの絶対値は、例えば０．３ラジアンより大きく、標準偏差は０．３ラジアンより大きい。そのため、どちらの値も、媒体内側の第１の種類の材料（物理的特性）を第２の種類の材料（物理的特性）から区別するために使用することができる。

そのため、本方法の上述の変数の全ては、媒体１１の内側の位置Ｐ０における物理的特性の性質または種類を分類しまたは区画するために、以下のステップを含むことができる。
−物理的特性ＰＣが第１の限界値Ｌ１以下である場合、物理的特性は第１の種類の材料に対応し、
−物理的特性ＰＣが第２の限界値Ｌ２より大きい場合、物理的特性は第２の種類の材料に対応する。

最終的に、第２の限界値Ｌ２は第１の限界値Ｌ１よりも大きく、物理的特性がこれら２つの限界値（Ｌ１、Ｌ２）の範囲内にある場合、材料の種類は決定されない。

最終的に、第２の限界値Ｌ２は第１の限界値１に等しい。

これらの分類ステップにより、物理的特性の種類が決定される。

例えば、物理的特性が低い（線形的挙動）か否かを決定するためには、第１の限界値Ｌ１は０．３ラジアンまたは０．１ラジアンである。

例えば、物理的特性が高い（非線形的挙動）か否かを決定するためには、第２の限界値Ｌ２は０．３ラジアンまたは０．５ラジアンである。

これらの限界値は、本方法の各応用である、コントラスト物質を含む領域をコントラスト物質を含まない別の領域から区別すること、または組織を血管と区別すること、または病的な細胞を健康な細胞から区別することに適合することができる。

本方法の第２の構成は、図４に示されており、そのような方法は、媒体１１の内部の領域Ｒの画像を決定するために使用される。

本方法は、図１の上述の装置１０と同一または類似の要素を用いる。

本方法によって生成される画像は、複数の画素（例えば、Ｋ個の画素）からなり、各画素は領域Ｒ内の異なる位置（Ｐｋ）に対応し、ｋは画像内の各画素または領域Ｒ内の各位置を特定する指数である。最終的に、画像は、ただ１つの画素からなるものでありうる。しかし、画像は、好適には、１００００画素（１００×１００の画像）よりも多い画素を含みうる。

本発明の第２の構成（画像化の方法）は主に、領域の画像を生成するために、領域Ｒの内側の複数の位置の走査による本方法の前述の第１の構成とは異なる。

領域Ｒの内側の各位置Ｐｋにおいて、処理ユニット１４は電子ユニット１３及びプローブ１２を制御し、
ａ）超音波Ｗｅの放出シーケンスＥＳをその位置に向けて送信するステップであって、放出シーケンスが少なくとも２つの放出パルス（放出信号Ｓｅ１、Ｓｅ２に対応する）を含み、これらのパルスは異なる振幅を有する、送信するステップと、
ｂ）その位置から超音波Ｗｒの受信シーケンスＲＳを受信するステップであって、受信シーケンスＲＳが少なくとも２つの受信パルス（受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２に対応する）を含み、これらの受信パルスが放出パルスからの応答（エコー）である、受信するステップと、を実施する。

第１の構成の場合と同様に、超音波Ｗｅ、Ｗｒは、既知の技術に従い、集束波または非集束波とすることができる。

放出信号及び受信信号（パルスを表す）はまた、図２ａ及び２ｂに表されたものと類似または同一であり、対応する前述の説明も、本方法の第２の構成に適用される。

本発明の第２の構成の方法において、処理ユニット１４は、領域Ｒの内側の各位置Ｐｋについて、以下の、
ｃ）２つの放出信号Ｓｅ１、Ｓｅ２に対する２つの受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２の間の位相差δを計算するステップと、
ｄ）位相差に基づいて領域Ｒの内側の位置Ｐｋに対応する、画像内の画素値を決定するステップと、を実施する。

本方法の第１の構成における信号の位相及び位相差δについて与えられた定義は依然として有効である。位相または位相差を決定するための様々な方法が存在する。

ステップｃ）における位相差δは、様々な方法、及び以下の２つの方法の少なくとも１つによって決定可能である。

第１の方法によれば、位相差δは、２つの位相差の差である。１つは受信信号（δ_ｒ、測定されたもの）に関し、１つは放出信号（δ_ｅ、既知のもの）に関する。次いで、位相差は例えば以下の方程式（本方法の第１の構成において説明されたもの）によって計算される。
δ＝δ_ｒ−δ_ｅ＝Φ（Ｓｒ２）−Φ（Ｓｒ１）−δ_ｅ

次いで、本方法は、以下のサブステップ、
ｃ１）受信シーケンス（ＲＳ）における２つのパルスのそれぞれについて位相を決定するステップ、及び
ｃ２）この位相を差し引くことにより、位相差δを計算するステップ、を含む。

第２の方法によれば、位相差δは、結合した信号の位相であり、結合した信号は、受信信号の重み付け合計である。

例えば、２つのパルス（信号）の場合、位相差は以下の方程式によって計算可能である。
δ_ｒ＝Φ（ａ・Ｓｒ２−ｂ・Ｓｒ１）

重み付け因子ａ、ｂは、媒体が線形的挙動を有する場合には、重み付けされた信号（ａ・Ｓｒ２、ｂ・Ｓｒ１）を打ち消すように決定される。

より一般的には、位相差δは、以下の通りである。
δ＝Φ（ＣＳ）＝Φ（ｒ１・Ｓｒ１＋ｒ２・Ｓｒ２＋ｒ３・Ｓｒ３）

放出パルスについての振幅ｅ１、ｅ２、ｅ３及び受信信号についての重み付け因子ｒ１、ｒ２、ｒ３は、ｅ１・ｒ１＋ｅ２・ｒ２＋ｅ３・ｒ３＝０となるように選択される。

次いで、本方法は、以下のサブステップ、
ｃ３）受信パルスに対応する受信信号が重み付け因子により重み付けされ、結合信号ＣＳを生成するために合計され、内積がヌルとなるように、放出パルスの振幅及び受信信号の重み付け因子があらかじめ決定され、
ｃ４）位相差δは結合信号ＶＳの位相である。換言すれば、振幅がまず定義されると、重み付け因子は所定の振幅を補償するように決定される。

第１の変形例において、領域Ｒの内側の各位置Ｐｋに対応する画素値は、直接的に、あらかじめ決定された位相差δの値である。

第２の変形例において、連続するステップａ）からｃ）は、複数の位相差δを提供するために数回繰り返され、例えばＭ回繰り返され、この複数回のステップは、位相差δ_１、・・・δ_ＭのＭ個の値を有する。

次いで、ステップｄ）において、画素値は複数の位相差の平均値、標準偏差値または分散値によって決定される。

Ｍ回の繰り返しは、放出シーケンスＥＳにおける第１及び第２の放出パルス（信号Ｓｅ１、Ｓｅ２）について同一の第１及び第２の振幅で進行可能である。

Ｍ回の繰り返しは、振幅の様々な変動を試験し、各位置Ｐｋにおける媒体の非線形性の様々な可能性を試験するために、放出シーケンスＥＳの第１及び第２の放出パルス（信号Ｓｅ１、Ｓｅ２）についての振幅の所定の変動する値で進行可能である。従って、領域内の各位置Ｐｋの非線形的挙動は、線形的挙動からより容易に区別可能である。

第３の変形例において、放出シーケンスＥＳは、様々な振幅の２つより多いパルスを含みうる。これは、Ｎ回のパルス、３回、４回、５回またはそれ以上のパルスを含みうる。次いで、受信シーケンスＲＳは受信パルスと少なくとも同じＮ個を含み、好適には受信パルスと同じ数Ｎ個を含む。指数ｉ（パルスｉに対応する）の各受信信号Ｓｒｉは、同じ指数ｉの対応する放出パルス（すなわち放出信号Ｓｅｉ）に正しく関連したものでなければならない。

次いで、ステップｃ）において、送受信信号の複数の対（指数ｉ及び指数ｊ、ｉ≠ｊ及びｉ、ｊ≦Ｎ）を抽出することができ、放出信号Ｓｅｉ、Ｓｅｊの各対は、異なる振幅を有する。各対について、位相差δ_ｉｊは、複数の位相差を提供するように、前述のように決定される。

次いで、ステップｄ）において、画素値が複数の位相差の平均値ｅ、標準偏差値または分散値によって決定される。

Ｎ個の放出パルス（信号）は、全て異なる振幅を有してもよく、そのうちのいくつかは同一であることもできる。次いで、振幅の様々な変動がプロセスにおいて試験可能である。従って、領域Ｒ内の各位置Ｐｋにおける媒体１１の非線形的挙動は、線形的挙動からより容易に区別可能である。

第４の変形例において、領域Ｒは、画像内のサブ領域に対応する複数のサブ領域に下位分割される。

本方法のステップｃ）とステップｄ）の間で、サブ領域位相差（δ_ｓｒ）が計算され、このサブ領域位相差（δ_ｓｒ）は、ステップｃ）において計算されたこのサブ領域に属する位置の複数の位相差（δ）の平均値である。

このとき、画像内の画素は、サブ領域に対応する。

さらに、上述の変形例のいずれも、媒体のより感度のよい画像を提供する方法を有するために、別の変形例と結合することが可能である。非線形的挙動は、線形的挙動からより容易に識別される。

図５は、患者の体内の長方形領域について決定された、そのような画像ＩＭの例を示す。グレイスケールは、マトリクスまたはグリッドの各位置において決定された位相差の値を直接表す。

本発明の第１の構成と同様に、本方法の全ての変形例は、画像を分類し、または区分するために以下のステップを含むことができる。
−画素値が第１の限界値Ｌ１以下である場合、画素は第１の種類に対応し、
−画素値が第２の限界値Ｌ２よりも大きい場合、物理的特性は第２の種類に対応する。

最終的に、第２の限界値Ｌ２は、第１の限界値Ｌ１よりも大きく、画素値がこれら２つの限界値（Ｌ１、Ｌ２）の範囲内にある場合、画素の種類は決定されない。

最終的に、第２の限界値Ｌ２は、第１の限界値Ｌ１と等しい。

これらの分類ステップによって、画像は異なる特性を有するサブ領域に区分可能である。

例えば、第１の限界値Ｌ１は０．３ラジアンまたは０．１ラジアンであり、第１の種類のサブ領域（線形的挙動）を決定できる。

例えば、第２の限界値Ｌ２は０．３ラジアンまたは０．５ラジアンであり、第２の種類のサブ領域（非線形的挙動）を決定できる。

これらの限界値は、本方法の各応用である、組織を血管に対して識別すること、または病的な細胞を健康な細胞に対して識別することに適合可能である。

例えば、図５は、
−第１の種類（線形的）の第１のサブ領域Ｒ１であって、組織である媒体１１の部分に対応するサブ領域、及び
−第２の種類（非線形）の第２のサブ領域Ｒ２であって、血管である媒体１１の部分に対応するサブ領域、を示す。

次いで、本方法の全てにおいて、媒体１１内のコントラスト物質の使用を利用することができる。

例えば、コントラスト物質は血管に入るが組織には入らない。そのため、媒体１１のコントラスト物質を含む領域と含まない領域の異なる領域間のコントラストが、図５に示されるように増大されることとなる。

超音波コントラスト物質は、小さな、気体が充填された微小な泡状のコントラスト物質とすることができる。小さな、気体が充填された微小な泡は、例えば、血流内に投入され、またはカプセル化された微小な泡から投入されることができる。コントラスト物質は、弾性的なシェルによってカプセル化された気体を充填された微視的な小さな泡からなることができる。様々な微小泡コントラスト物質が存在する。微小泡は、カプセル化された（シェル脂質、アルブミン、ポリマー）、重たいガス／空気の混合物（ＰＦＣ、ＳＦ８）とすることができる。微小泡は、シェルの性質、気体コアの性質、及びターゲットとされるか否かの点で異なる。微小泡の大きさは、ほぼ均一である。これらは、直径１から１０マイクロメートルの範囲内にある。これは、赤血球よりも小さく、微小循環系と同様に、循環系を容易に流れることができる。微小な泡は、静脈注射によって体循環系に投与可能である。これらは、循環中に溶解し、肝臓で濾過されて除去され、１５分でなくなる。

微小な泡は、高度に超音波を反射することができる能力を有する。微小な泡が超音波周波数の場に捕捉されると、これらは圧縮し、振動し、特徴的なエコーを反射し、非線形超音波後方散乱を発生させる。そのため、超音波パルスは、微小な泡を含む媒体内の気体によって、及びその周囲の軟組織によって異なる反射をする。

１０ 装置
１１ 媒体
１２ プローブ
１３ 電子ユニット
１４ 処理ユニット

Claims (25)

1. 媒体（１１）内部の正確な位置（Ｐ０）における物理的特性を決定するための方法であって、
   ａ）超音波（Ｗｅ）の放出シーケンス（ＥＳ）を前記媒体（１１）内に前記位置（Ｐ０）に向けて送信するステップであって、前記放出シーケンス（ＥＳ）が、異なる振幅を有する少なくとも２つの放出パルスを含む、ステップと、
   ｂ）前記位置（Ｐ０）からの超音波（Ｗｒ）の受信シーケンス（ＲＳ）を受信するステップであって、前記受信シーケンス（ＲＳ）が、前記放出パルスのエコーに対応する少なくとも２つの受信パルスを含む、ステップと、
   ｃ）前記放出パルスに対する前記受信パルス間の位相差（δ）を計算するステップと、
   ｄ）前記位相差（δ）に基づいて物理的特性を決定するステップと、
   を含む、方法。
2. 位相差を計算する前記ステップｃ）が、以下のサブステップ、
   ｃ１）前記受信シーケンス（ＲＳ）内の前記受信パルスのそれぞれの位相を決定するステップと、
   ｃ２）前記位相を結合することによって、前記位相差（δ）を計算するステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 位相差を計算する前記ステップｃ）が、以下のサブステップ、
   ｃ３）前記受信パルスに対応する受信信号が、結合信号（ＣＳ）を生成するために重み付け因子により重み付けされて合計されるステップであって、前記重み付け因子が、前記放出パルスの異なる振幅を補償するように決定される、ステップと、
   ｃ４）前記位相差（δ）が前記結合信号（ＣＳ）の位相であるステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記物理的特性が、前記位相差（δ）に比例する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 連続する前記ステップａ）からｃ）が、複数の位相差（δ）を得るために数回繰り返され、
   前記ステップｄ）において、前記物理的特性が、前記複数の位相差の平均、標準偏差または分散によって決定される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記放出シーケンスが、２つより多い放出パルスを含み、前記受信シーケンスが、前記放出パルスの数と少なくとも同じ数の受信パルスを含み、
   ステップｃ）において、２つの受信パルス及び放出パルスに対応する対の間の複数の位相差が計算され、前記放出パルスの各対が異なる振幅を有し、
   ステップｄ）において、前記物理的特性が、前記複数の位相差の平均、標準偏差または分散によって決定される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記物理的特性が第１の限界値以下である場合、前記物理的特性が第１の種類であり、
   前記物理的特性が第２の限界値以上である場合、前記物理的特性が第２の種類である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第２の限界値が、前記第１の限界値より大きい、請求項７に記載の方法。
9. 媒体（１１）内部の正確な位置（Ｐ０）における物理的特性を決定するための装置であって、
   −超音波トランスデューサを含むプローブ１２と、
   −前記トランスデューサを制御するための電子ユニット１３と、
   −前記電子ユニット１３を制御し、前記電子ユニットからの信号を処理するための処理ユニット１４と、を含み、
   前記処理ユニット１４が、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実装する、装置。
10. 媒体（１１）内部の領域（Ｒ）の画像を決定するための方法であって、前記画像が複数の画素からなり、前記方法が前記領域（Ｒ）内部の複数の位置（Ｐｋ）について、以下の、
    ａ）超音波（Ｗｅ）の放出シーケンス（ＥＳ）を前記領域（Ｒ）内へ前記位置（Ｐｋ）に向けて送信するステップであって、前記放出シーケンス（ＥＳ）が、少なくとも２つの異なる振幅の放出パルスを含む、ステップと、
    ｂ）前記位置（Ｐｋ）から超音波（Ｗｒ）の受信シーケンス（ＲＳ）を受信するステップであって、前記受信シーケンス（ＲＳ）が、前記放出パルスに対応する少なくとも２つの受信パルスを含む、ステップと、
    ｃ）前記放出パルスに対する前記受信パルスの間の位相差（δ）を計算するステップと、
    ｄ）前記位相差（δ）に基づいて画像の画素を決定するステップと、
    を含む、方法。
11. 位相差を計算する前記ステップｃ）が、以下のサブステップ、
    ｃ１）前記受信シーケンス（ＲＳ）内の前記受信パルスのそれぞれについて位相を決定するステップと、
    ｃ２）前記位相を結合することによって、前記位相差（δ）を計算するステップと、
    を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 位相差を計算する前記ステップｃ）が、以下のサブステップ、
    ｃ３）前記受信パルスに対応する受信信号が、結合信号（ＣＳ）を生成するために重み付け因子によって重み付けされ、合計されるステップであって、前記重み付け因子が、前記放出パルスの異なる振幅を補償するように決定される、ステップと、
    ｃ４）前記位相差（δ）が、前記結合信号（ＣＳ）の位相である、ステップと、
    を含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記ステップｄ）において、前記画素が前記位相差（δ）に比例する、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 連続する前記ステップａ）からｃ）が、前記領域内部の各位置について複数の位相差（δ）を提供するために複数回繰り返され、
    前記ステップｄ）において、前記画素が、前記複数の位相差の平均、標準偏差または分散を計算することによって決定される、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記放出シーケンスが、２つより多い放出パルスを含み、前記受信シーケンスが、少なくとも同じ数の受信パルスを含み、
    −前記ステップｃ）において、２つの受信パルス及び放出パルスに対応する対の間の複数の位相差が計算され、前記放出パルスの各対が、異なる振幅を有し、
    −前記ステップｄ）において、前記画素が、前記複数の位相差の平均、標準偏差または分散によって決定される、請求項１０または１１に記載の方法。
16. 前記画像における各画素が、前記領域内の位置（Ｐｋ）に対応する、請求項１０から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. −前記領域（Ｒ）が、複数のサブ領域に分割され、
    −前記ステップｃ）とステップｄ）の間において、サブ領域位相差（δ_ｓｒ）が計算され、前記サブ領域位相差（δ_ｓｒ）が、前記サブ領域に属する位置の複数の位相差（δ）の平均値であり、
    前記画像内の各画素がサブ領域に対応する、請求項１０から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. −各画素が第１の限界値以下である場合、前記各画素が第１の種類であり、
    −各画素が第２の限界値よりも大きい場合、前記各画素が第２の種類である、請求項１０から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記第２の限界値が前記第１の限界値より大きい、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１の限界値が０．３ラジアン、好適には０．１ラジアンである、請求項１８または１９に記載の方法。
21. 前記第２の限界値が０．３ラジアン、好適には０．５ラジアンである、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記放出シーケンス（ＥＳ）の２つの放出パルスが、２以上の振幅比を有する、請求項１０から２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記ステップａ）の前に、コントラスト物質が前記媒体に導入される、請求項１０から２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記コントラスト物質が微小な泡を含む、請求項２３に記載の方法。
25. 媒体（１１）内の領域（Ｒ）の画像を決定するための装置であって、
    −超音波トランスデューサを含むプローブ１２と、
    −前記トランスデューサを制御するための電子ユニット１３と、
    −前記電子ユニット１３を制御し、前記電子ユニットからの信号を処理するための処理ユニット１４と、を含み、
    前記処理ユニット１４が、請求項１０から２４のいずれか一項に記載の方法を実装する、装置。

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