JP5025738B2 - 超音波撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて検査対象のエコー像を撮像する装置、特に、マイクロバブル系造影剤を併用するモードをもつ超音波撮像装置に関する。

医療画像診断に用いられる超音波撮像装置は、超音波パルスエコー法を用いて、生体の軟部組織の断層像や生体内を流れる血流像等を実質的にリアルタイムでモニタに表示して観察できる。また、最近では、安定化したマイクロバブルを主成分とする超音波造影剤を静脈注射などによって投与することにより、血管系や造影剤を取り込みやすい肝臓などの臓器を強調して描出する造影超音波法が開発されている。

更に、マイクロバブルには、安全に超音波診断を行うことの出来る範囲内の送信超音波音圧においても、非線形反射体として機能する、すなわち、容易に検出できる非線形エコーを発生するという特徴がある。この特徴は、造影剤によるエコーを、周囲の生体組織によるエコーと識別することに生かすことができる。マイクロバブルを用いる造影超音波法の開発が始まった初期には、帯域通過フィルタを用いて、非線形エコー信号に含まれる基本波成分を抑圧し第２高調波成分を抽出する方法が用いられた。しかし、帯域通過フィルタによって、エコー信号が時間方向に長くなり、超音波エコー像の距離分解能が劣化してしまうという問題があった。この問題を解決したのが、パルス反転法である（特許文献１）。極性を反転させた２つの送信パルスを用いて、２回の送受信を行い、得られた受信エコー信号を互いに加算することにより、帯域通過フィルタに依存することなく、基本波成分を抑圧し第２高調波成分を抽出する方法である。２倍の撮像時間を必要とするものの、距離分解能の劣化を招かずに非線形信号成分を抽出できる特長をもつので、この方法をもとにした様々な方式が開発され、実用に供している。

一方、診断用超音波撮像において受信パルスの反転・非反転を検出する方法が提案されている（特許文献２）。これは、第２高調波エコー成分の位相を、基本波エコー成分の自乗を参照波とする位相敏感検波（ＰＳＤ）により検出する方法である。
米国特許第６，０９５，９８０号明細書 特開２００４−１１３３６４号公報

送信パルス波が生体組織を伝播するときに生ずる非線形成分が、一般の生体組織のような線形反射体に反射されて生ずる非線形エコー信号レベルが、造影剤のような非線形反射体による非線形エコー信号レベルに対して無視できないということが、エコーの非線形成分を用いる造影超音波法の開発が進むにつれて明らかになってきた。これを解決するために、送受信を３回以上行う様々な方式が提案されているが、さらなる撮像速度の低下を招いてしまうという未解決の問題があった。

本発明は、これまで述べたような従来技術がそれぞれもつ特長と問題点を鑑みてなされたものであり、その課題は、従来技術がそれぞれもつ特長と問題点を克服し、撮像速度の低下が小さい２回以内の送受信によって、距離分解能の劣化を招くことなく、マイクロバブル系造影剤により反射されて生ずるエコー信号を、非線形伝播した送信パルスが一般の生体組織により反射されて生ずるエコー信号と識別する超音波撮像装置を提供することにある。

マイクロバブルにより反射されて生ずるエコー信号に含まれる第２高調波成分の基本波成分を基準とした位相関係は、送信パルス波が生体組織を非線形伝播したのち、一般の生体組織のような線形反射体に反射されて生ずるエコー信号に含まれる第２高調波成分の基本波成分を基準とした位相関係とは異なるので、位相敏感検出法によって、両者を識別できる可能性がある。

図１は、非線形伝播した送信パルスが一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号（上段及び中段）と、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号（下段）について、それらの第２高調波成分（実線）の位相を基本波成分（点線；振幅を縮めて表示）の位相と比較した図である。音響インピーダンスが深さ方向に上昇する“硬い”反射体により、非線形伝播した送信パルスが線形反射されて生ずるエコー信号（上）では、基本波成分と第２高調波成分がともに負から正へ上昇する時点で、両者の位相がほぼ揃っている。また、音響インピーダンスが深さ方向に下降する“柔らかい”反射体により、非線形伝播した送信パルスが線形反射されて生ずるエコー信号（中）では、反射によって位相が反転するので、両者がともに正から負へ下降する時点で、両者の位相がほぼ揃っている。これに対し、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号（下）では、基本波成分と第２高調波成分がともに正のピークに達する時点で両者の位相がほぼ揃っている。本発明では、この基本波成分を基準にした第２高調波成分の位相の違いを検出することにより、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号を、非線形伝播した送信パルスが一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号と識別する。

図２では、図１中に示した基本波成分を自乗又は両波整流した信号から第２高調波成分（点線）を抽出し、原信号の第２高調波成分（実線）に重ねて表示した。図１から予想されていた通り、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号（下）では、実線・点線両者の第２高調波成分の位相がほぼ揃っているのに対し、非線形伝播した送信パルスが一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号（上、中）では、“硬い”反射体の場合（上）でも、“柔らかい”反射体の場合（中）でも、両者の位相がほぼ９０°ずれている。従って、両者の間で位相の変化（ずれ）を検波する位相敏感検波（ＰＳＤ）を行うことにより、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号を、非線形伝播した送信パルスが一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号と識別することができる。

本発明によれば、撮像速度の低下が小さい２回以内の送受信によって、距離分解能の劣化を招くことなく、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号を、非線形伝播した送信パルスが一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号に対し識別して検出し、それを超音波診断用エコー像として表示することができる。

非線形伝播した送信パルスが一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号と、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号について、それらの第２高調波成分（実線）の位相を基本波成分（点線；振幅を縮めて表示）の位相と比較した図。 図１中に示した基本波成分を自乗又は両波整流した信号から第２高調波成分（点線）を抽出し、原信号の第２高調波成分（実線）に重ねて表示した図。 本発明における超音波撮像装置の構成例を示した図。 一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号波形と、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号波形を示した図。 一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号とマイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号について、和信号波形と差信号波形を示した図。 一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号とマイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号について、位相敏感検波用参照信号波形を示した図。 一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号とマイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号について、位相敏感検波の入力信号波形と出力信号波形を示した図。 低域通過フィルタの時間軸方向の長さの関数として、（造影剤／組織）感度比の相対値を示した図。 実現される距離分解能の関数として、（造影剤／組織）感度比の相対値を示した図。

符号の説明

１ 超音波探触子
２ 送受切り替えスイッチ郡
３ 送波ビームフォーマ
５ 位相補正部
７ スキャンコンバータ
８ 表示部
９ シーケンス制御部
１０ 受波ビームフォーマ
２１ 受波メモリＡ
２２ 受波メモリＢ
３０ 和信号演算部
３１ フィルタ
４０ 自乗信号演算部
４１ フィルタ
６０ 位相敏感検波部
６１ 低域通過フィルタ

以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。

図３は、本発明の超音波撮像装置の構成例を示す図である。この装置は、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号を、非線形伝播した送信パルスが一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号と識別して表示することができる。

超音波探触子１は、検査対象（図示してない）に対し、超音波パルスを送波し、検査対象からの超音波エコーを受波する。シーケンス制御部９の制御下にある送波ビームフォーマ３により、送波パルスに指向性が与えられ、また、２種類の送信波形が使い分けられる。送波パルスは、同じくシーケンス制御部９の制御下にある送受切り替えＳＷ（スイッチ）群２を介して超音波探触子１に送られ、超音波として送波される。検査対象中で反射もしくは散乱されて超音波探触子１に戻った超音波エコーは、超音波探触子１によって電気信号に変換され、再び送受切り替えスイッチ群２を介し受波ビームフォーマ１０に送られる。受波ビームフォーマ１０は、シーケンス制御部９の制御下で、送波タイミングを基準とした受波タイミングに応じて遅延時間を調整するダイナミックフォーカスを行う。

本実施例では、図４上に示したパルス信号のような第１の送信波形と、それを正負反転した同図（上から二段目）に示したパルス信号のような第２の送信波形とが使い分けられる。第１の送信波形を送信して得られる受信信号Ａは一旦メモリＡ２１に蓄えられ、第２の送信波形を送信して得られる受信信号Ｂは一旦メモリＢ２２に蓄えられる。図４の上二つの波形は、一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号波形（“硬い”反射体の場合）、下二つの波形は、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号波形である。

和信号演算部３０では、受信信号Ａと同Ｂとの和信号が演算される。図５の上二つの波形は、一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号の和信号波形（一段目）と差信号波形（二段目）を示したものである。一段目図中の点線は、和信号をフィルタ３１に通し低周波成分を除いた信号である。一方、図５の下二つの波形は、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号について、和信号波形（三段目）と差信号波形（四段目）を示したものである。和信号をとった時点で超音波の基本波成分は除去されている。よって、生体伝搬に伴う非線形成分と造影剤信号の弁別ができれば、生体からのエコー信号と、造影剤からのエコー信号を区別するという本発明の目的を達成することができる。以下、生体伝搬に伴う非線形成分と造影剤信号の具体的な弁別方法を説明する。

自乗信号演算部４０及びフィルタ４１では、上記差信号か受信信号Ａ又はＢのいずれかを、自乗又は全波整流（もしくは絶対値をとる）し、位相敏感検波（ＰＳＤ）用参照信号のもととなる信号を生成する。図６は、一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号（上）とマイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号（下）について位相敏感検波用参照信号を示したものである。図中点線は、自乗して得られる信号そのもの、実線は、その信号をフィルタ４１に通し低周波成分を除いた参照信号である。

位相敏感検波部６０では、前記和信号と上記参照信号との間で、位相敏感検波（ＰＳＤ）を行う。位相敏感検波は、参照信号と入力信号の掛け算を行い、低域通過フィルタを通す処理であり、周波数が同一でかつ同位相の信号を抽出する処理である。具体的には次に示す処理を行う。

図７は、一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号（一段目と二段目）とマイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号（三段目と四段目）について、位相敏感検波部６０の入力信号（各上段）と出力信号（各下段）を示したものである。一段目と三段目の太線の波形は和信号、細線の波形は参照信号である。二段目と四段目の波形の細線の波形は出力信号、太線の波形は出力信号を低域通過フィルタ６１に通し高周波成分を除いた信号であり、スキャンコンバータ７を経て表示部８に画像として表示される。二段目と四段目に太線で示されているように、位相敏感検波（ＰＳＤ）により、一般の生体組織により線形反射されて生ずるエコー信号（二段目）を抑圧しながら、マイクロバブル系造影剤により非線形反射されて生ずるエコー信号（四段目）が検出されている。

図８は、低域通過フィルタ６１の時間軸方向の長さを変化させたとき、両者の感度比、すなわち、（造影剤／組織）感度比がどのように変化するか、その相対値を、他の方法と比較してプロットした図である。本発明のパルス反転ＰＳＤ法では、数波長以上のフィルタ長を用いることにより、他の方法に比べて１０ｄＢ程度以上良好な感度比が得られている。これに対し、パルス反転法のみの場合には低域通過フィルタによる感度比上昇はほとんどなく、本発明のパルス反転ＰＳＤ法に比べ、１５ｄＢ以上感度が劣っている。また、１回の送信により得られる信号を用いてＰＳＤ法を行った場合には、良好な感度比を得るのにフィルタ長１０波長以上を要し、その場合においても、本発明のパルス反転ＰＳＤ法に比べ、１０ｄＢ程度感度が劣っている。図９は、図８の結果を得られる距離分解能についてプロットした図である。本発明のパルス反転ＰＳＤ法によれば、距離分解能の劣化をほとんど招くことなく、他の方法に比べて著しく良好な（造影剤／組織）感度比が実現されていることがわかる。

位相補正部５では、超音波探触子１・送受切り替えＳＷ群２・送波ビームフォーマ３・受波ビームフォーマ１０及び生体中の超音波伝播そのものにより生ずるエコー信号の位相回転を、送信からの経過時間の関数として、位相敏感検波が目的の動作をするよう補正する。この補正は、装置を構成する回路素子の特性から算出したものであってもよいし、予め工場出荷前に取得された校正データに基づいて行っても良い。なお、位相敏感検波部を和信号側に設けてもよいし、また、位相敏感検波部を２系統用い、位相敏感検波部の後段に位相補正部を設けてもよい。

Claims (10)

1. 検査対象に対して超音波信号を送受信する超音波探触子と、
   前記超音波探触子によって送信される超音波信号について、第１の送信超音波信号と、前記第１の送信超音波信号を正負反転した第２の送信超音波信号との送信を制御する送信制御部と、
   前記探触子によって受信される超音波信号について、前記第１の送信超音波信号に基づく第１の受信信号と前記第２の送信超音波信号に基づく第２の受信信号との和信号の位相の変化を検波処理する信号処理部と、
   前記信号処理部によって検波処理された和信号の位相変化に基づいて造影剤による反射エコー信号と前記検査対象の生体組織からの反射エコー信号とを識別する信号識別部と
   を有する超音波撮像装置。
2. 前記信号処理部は、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号との差信号又は両者のどちらか一方の受信信号に基づいて得る参照波を用いて、前記位相の変化を検波することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
3. 前記信号処理部は、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号との差信号又は両者のどちらか一方の受信信号を自乗してもしくは全波整流して得られる信号に基づいて得る参照波を用いて、前記位相の変化を検波することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
4. 前記自乗してもしくは全波整流して得られる信号に含まれる第２高調波成分を参照波として前記位相の変化を検波することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
5. 前記信号処理部は、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号との差信号又は両者のどちらか一方の受信信号の絶対値に基づいて得る参照波を用いて、前記位相の変化を検波することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
6. 前記信号処理部は、前記位相の変化の検波として位相敏感検波をすることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
7. 前記位相の変化を検波する信号に対して位相補正を行う位相補正部を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
8. 前記信号処理部は、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号との差信号又は両者のどちらか一方の受信信号と、前記参照波との掛け算、及び前記掛け算の結果のフィルタリングにより、前記位相の変化を検波することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
9. 前記信号処理部は、低域通過フィルタによって前記フィルタリングを行うことを特徴とする請求項８に記載の超音波撮像装置。
10. 前記信号処理部は、周波数が同一でかつ同位相の信号を抽出することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。

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