專利名稱：超聲成象方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及采用微球造影劑的超聲成象方法和設備。
在采用造影劑的超聲成象中，造影劑包括液體中的許多直徑在數微米量級的氣泡(微球)，并且利用了基于微球的非線性回聲源特性的二次諧波回聲，以獲得強反差成象。該非線性回聲源特性來源于微球和所發射超聲頻率的共振。
由于微球在超聲脈沖發射中斷之后繼續共振，微球所產生的回聲信號除了包括與所發射超聲的脈沖寬度對應的主回聲外，還包括后續尾回聲。每個回聲信號有一個表示反射點深度的主回聲返回時間，因此該信號拖尾使得在該反射點的圖象中也出現圖象拖尾現象。所以，所產生的強反差圖象的清晰度差。
所以，本發明的一個目的是提供能夠產生高清晰度(定義)的微球造影劑圖象的超聲成象方法和設備。
根據第一方面，本發明提供一種超聲成象方法，它包括下列步驟將微球造影劑注入某物體；以熱方式激勵微球造影劑使微球共振；并且根據微球的共振所產生的超聲波生成圖象。
根據第二方面，本發明提供超聲成象設備，它包括經以熱方式激勵被注入到某物體的微球造影劑使微球共振而生成超聲波的裝置，根據所生成超聲波而產生圖象的裝置。
根據第三方面，本發明提供關于第二方面描述的超聲成象設備，其中用于生成超聲波的裝置利用電磁波、電場、磁場或光以熱方式激勵微球造影劑，使微球共振，由此產生超聲波。
根據第四方面，本發明提供關于第二或第三方面描述的超聲成象設備，其中用于產生圖象的裝置以三維方式接收所產生的超聲波，并且根據所接收的信號產生三維或二維圖象。
在本發明的第一或第二方面，優選的是微球造影劑可以利用電磁波輻射的加熱效應以熱的方式加以激勵，這是因為它有效地產生微球的共振。
此外，在本發明的第一至第四方面的任何一方面，優選的是使微球共振所產生的超聲波受到其它具有不同頻率的超聲波的作用而進行頻率變換，這是因為它使得所接收的超聲信號得以恰當地調節。
根據本發明，以熱方式激勵微球使之共振而產生的超聲波，被用于產生超聲源即微球的空間分布圖象。由于微球所產生的超聲波不是回聲而是自發聲，所以沒有信號拖尾現象。
本發明實施了一種超聲成象方法和設備，它產生具有高清晰度的微球造影劑的圖象。
本發明的其它目的和優點在結合附圖參閱下文對優選實施例的詳細說明之后將一目了然。


圖1是根據本發明一實施例的設備的框圖。
圖2示意了所述設備的操作情況。
圖3是所述設備中一個示例性二維超聲換能器陣列的簡略表示。
圖4是所述設備的接收部分的框圖。
圖5是所述設備的圖象生成部分的框圖。
圖6是所述設備所顯示圖象的簡略表示。
圖7是所述設備所顯示另一幅圖象的簡略表示。
圖8是所述設備的示例性超聲探頭的簡略表示。
圖9是根據本發明另一實施例的設備的框圖。
現在將結合附圖對本發明的優選實施例作詳細說明。
圖1是超聲成象設備的框圖。該設備是本發明的一個實施例。其結構代表了本發明設備的一個實施例，其操作表示了本發明方法的實施例。
如圖1所示，所述設備包括一個超聲探頭52。超聲探頭52的位置鄰接物體54，被用于接收超聲波。物體54中事先插入了一個微球造影劑540。超聲探頭52配備有一個近鄰設置的電磁波輻射器522。電磁波輻射器522例如包括螺線管等等。電磁波輻射器522被供以來自驅動部分524的驅動信號，以用電磁波照射物體54從而達到加熱的目的。
電磁波的頻率從例如10-2450MHz的頻段中選值。電磁波輻射是間隙地施加的。選擇間隙的周期，使得它與共振周期，即微球共振頻率fs的倒數一致。微球的共振頻率fs依賴于其直徑，比如為1.6-2.5MHz。
圖2示意了電磁波輻射過程的一個實例。利用觸發信號(a)作為時序信號，脈沖狀電磁波輻射以周期1/fs重復‘n’次，如圖(b)所示。重復數，即脈沖數‘n’是，例如，4-16。電磁波輻射以類似脈沖的方式使物體54的內部變暖。
以用類似脈沖的加熱對微球進行熱激勵，微球開始反復擴張和收縮。由于脈沖狀加熱的周期與微球的共振周期一致，微球開始共振，由此產生超聲波。如圖2(c)所示，共振在電磁波輻射中斷之后仍然繼續，因此超聲波繼續生成。
在該時間周期內的超聲波被超聲探頭52以預定時序接收，如圖2(d)所示。由于繼續共振的微球是在電磁波輻射中斷之后仍然繼續產生超聲波的僅有來源，故此所接收的超聲波唯一地由這些微球生成。這種電磁波輻射和超聲接收工作與按某個周期產生的觸發信號同步重復。
類似脈沖的加熱可以相繼施加，對脈沖數沒有限制。為了簡化控制，這是優選的。如果采用的微球對共振高度敏感，熱激勵脈沖的數量可以是1(單發)。這對于減少電磁波輻射來說是優選的。
參考圖3，超聲探頭52包括兩維(2D)的超聲換能器530陣列532。這2D陣列532包括，例如，構成一個128×128矩陣的超聲換能器530。這些超聲換能器由壓電材料比如PZT(鋯鈦酸鉛)陶瓷。
如圖1所示，超聲探頭52連接至接收部分56。接收部分56接收超聲探頭52內的各超聲換能器530所拾取的超聲信號。
如圖4所示，接收部分56包括多個放大器561-56n以及多個A/D(模擬-數字)變換器571-57n。放大器561-56n以及A/D(模擬-數字)變換器571-57n與2D陣列532內的各超聲換能器530相關聯。
放大器561-56n將超聲換能器530接收的超聲信號放大。A/D變換器571-57n將來自放大器561-56n的各模擬輸出信號變換為數字信號。
超聲換能器530所接收的各超聲信號然后被轉換為數字數據，其RF(射頻)信號本質未變。這些數字數據構成2D陣列532所接收的超聲信號的全息圖象。
接收部分56連接至圖象產生部分514。接收部分56輸出的數字數據被送入圖象產生部分514。圖象產生部分514基于數字數據產生表示超聲源分布的圖象。
參考圖5，圖象產生部分514包括數據處理器550，全息圖象存儲器552，數據存儲器554和圖象存儲器556。它們經總線558彼此連接。
接收部分56所提供的數字數據存入全息圖象存儲器552。然后全息圖象存儲器552存儲了所接收超聲信號的全息圖象。
數據處理器550對存儲在全息圖象存儲器552、數據存儲器554和圖象存儲器556中的各種數據進行預定的數據處理。經過數據處理，并且根據全息圖象存儲器552內存儲的全息圖象數據計算超聲源的三維(3D)位置。計算是利用諸如逆傳播或傅里葉反變換進行的。計算得到的超聲源的3D位置存儲于數據存儲器554中。
數據處理器550還根據數據存儲器554中存儲的3D位置數據產生表示超聲源分布的圖象。圖象按從理想觀察點觀察所得的3D圖象或者按經所希望的剖視所獲得的層析X射線攝影圖象而構成。該圖象存儲于圖象存儲器556。
圖象產生部分514與顯示部分516相連。顯示部分516接收來自圖象產生部分514的圖象數據，并且根據圖象數據顯示圖象。
接收部分56、圖象產生部分514、顯示部分516和驅動部分524均連接至控制部分518。控制部分518向這些部分提供控制信號，以控制其操作。超聲成象在控制部分518的控制下進行。
控制部分518與操作部分520相連。操作部分520由操作者用于向控制部分518輸入需要的指令和信息。操作部分520由控制面板組成，該面板包括數個操作裝置，比如鍵盤等等。
現在說明本設備的操作。操作者將超聲探頭52和電磁波輻射器522置于物體54上的期望位置，并且操作所述操作部分520以開始成象過程。
然后在控制部分518的控制下執行成象操作。控制部分518控制驅動部分524，以驅動電磁波輻射器522，以便生成類似于圖2(b)所示的電磁波脈沖。電磁波脈沖所帶來的脈沖類加熱使得微球造影劑540內的各微球如圖2(c)所示那樣共振，由此生成超聲波。所產生的超聲波可以借助于改變加熱強度，即所施加電磁波強度來加以適當調節。
如此產生的超聲波是由微球本身產生的聲音，而不是回聲。因此，由于與回聲生成的時候不同，成象并不會依賴于返回時間以表示至微球的距離，所以沒有涉及主回聲或其尾波。也就是說，微球生成沒有拖尾的超聲信號。
各微球所產生的超聲波以球面波形式抵達超聲探頭52的2D陣列532，并且它們的波前沿2D陣列532的表面傳播，形成同心圓。
超聲波被2D陣列532內的各超聲換能器530所接收。接收部分56根據2D陣列532內超聲換能器530各自接收的信號產生超聲波的全息圖象。
全息圖象存儲于圖象產生部分514內的全息圖象存儲器552中。數據處理器550利用全息圖象存儲器552所存儲的全息圖象數據，經過逆傳播技術或傅里葉逆變換技術生成超聲源的3D分布數據，即各微球的3D位置數據。由于在所接收的超聲信號中沒有拖尾信號，故此所產生的微球3D分布數據不含有拖尾。這樣的3D分布圖象數據存儲于數據存儲器554中。
數據處理器550根據3D分布圖象數據產生自某個觀察點所看到的3D圖象，并且將該圖象存儲于圖象存儲器556內。觀察點由操作者經操作部分520加以適當選擇。
圖象存儲器556所存儲的圖象數據被送入顯示部分516，并顯示為可視圖象。這給出微球造影劑540的3D強反差圖象542，其示例見圖6。通過改變所選觀察點，可以顯示自各種觀察點所觀察到3D反差圖象。3D反差圖象542是一幅清晰的圖象，沒有拖尾。
當操作者利用熒屏上的線(line)鼠標544指定某個期望的剖面時，數據處理器550產生經指定剖面所取的反差圖象。這給出了剖面反差圖象546，其例子見圖7。剖面反差圖象546可以看作層析X攝影圖象或者正射(orthographic)圖象，這根據該剖面特性而定。剖面強反差圖象546也是一幅清晰的圖象，沒有拖尾。
所采用的超聲探頭52可以包括一維超聲換能器陣列。在該情況下，本設備是用于產生層析X攝影圖象的超聲成象設備。
此外，微球所產生的超聲波可以在接收部分56進行接收波束形成。接收波束形成是通過對來自多個產生換能器的接收信號作附加的相控(phased)操作而進行的。對擬成象區域的掃描是通過聲輻射線循序方式，依次改變所接收聲束的方向，獲取聲輻射線所經過的微球產生的各超聲信號而進行的。在該情況下，通過以距離門限提取聲線上的期望信號范圍，可以單獨地對物體54的期望內部區域進行成象。
此外，如圖8所例示，所采用的超聲探頭52可以配備聲透鏡536，并在2D陣列532的前表面和聲透鏡536之間設置超聲透射介質534比如水，以便用聲透鏡536使聲學圖象聚焦于2D陣列532表面上。在此情況下，將各個超聲換能器的接收信號當作為象素值，可以獲得造影劑圖象的正射圖象。
此外，盡管電磁波加熱因其易于實施而成為優選，用于熱激勵微球的裝置不限于這一類型，可以根據物體54的特性采用利用諸如電場、磁場或光之類的其它能量的加熱裝置。
圖9示意了本發明的另一實施例。其結構表示的是本發明設備的一個實施例，其操作表示了本發明方法的實施例。
在圖9中，采用與圖1所示相同的參考標號代表相同的組件，故此略去說明。在該實施例中，超聲輻射器590鄰接物體54，它向物體54的內部發射超聲波。超聲輻射器590例如由超聲換能器組成，并且設計成由驅動部分592驅動以發射頻率預定為fo的非指向性超聲波。
頻率fo被選擇為不同于微球的共振頻率fs。例如，如果微球共振頻率fs是1.8MHz，那么所發射超聲波的頻率fo被選為1.5MHz。此外，在不會破壞微球以及不影響共振的范圍內選擇超聲輻射的強度。
驅動部分592由控制部分518控制。在其控制下，比如以與圖2(d)所示的超聲波接收時間周期同步的方式發射超聲波。即，在微球共振的同時發射超聲波。超聲波可以在本設備被激勵的同時連續發射。為簡化控制起見這是優選的。在另一方面，與接收時間周期同步地發射超聲波對于減少不必要的輻射時間來說是優選的。
當共振在頻率fs的微球受到頻率fo的超聲波作用時，各微球經微球上的頻率轉換效應產生頻率為fr=fo±fs的超聲信號。
超聲探頭52接收這樣的超聲信號。接收部分56經濾波器(未示)從所產生的超聲信號中提取頻率例如為fr=fo±fs的超聲信號。所提取的超聲信號頻率例如為3.3MHz。圖象產生部分514基于這些信號進行圖象產生，其方式類似于上文。
很明顯，頻率為fr的超聲信號不存在諸如拖尾的問題，這是因為它們是簡單地通過微球共振所產生的超聲信號的頻率變換而獲得的。這樣，基于這些超聲信號而產生的圖象很清晰，不含有拖尾。
此外，該實施例的格外優勢是所接收的超聲信號強度可以通過恰當地調節所發射超聲波在不影響微球共振的范圍內的強度而準確得以調整。另外，該實施例是優選的，因為它使得所接收超聲信號的頻率可以經選擇所發射超聲波頻率加以適當調整。
同樣在該實施例中，超聲探頭52可以包括1D超聲換能器陣列，超聲探頭可以采用圖8所示的類型。另外，熱激勵微球的裝置可以是采用電場、磁場、光之類的裝置，如上所述。
盡管上述說明是關于將微球分布加以視覺化的實例的，很明顯可以將微球的動態過程加以視覺化，其辦法是對微球重復作適當數量的熱激勵，相繼地接收超聲波，在產生圖象之前或之后對所得到的數據進行差操作或高階濾波操作，并且例如進行僅提取變化的動態目標指示(MTI)處理或代表多普勒成象的處理過程。
本發明可以構設許多差別很大的實施例，而不會偏離本發明的精神和范圍。應當理解，除后附的權利要求書外，本發明不限于說明書所描述的特定實施例。
權利要求
1．超聲成象方法，包括下列步驟將微球造影劑注入某物體；以熱方式激勵微球造影劑使微球共振；并且基于微球共振所產生的超聲產生圖象。
2．超聲成象設備，它包括經以熱方式激勵被注入到某物體的微球造影劑使微球共振而生成超聲波的裝置；以及根據所生成的超聲波而產生圖象的裝置。
3．根據權利要求2所述的超聲成象設備，其特征在于用于生成超聲波的裝置利用電磁波、電場、磁場或光以熱方式激勵微球造影劑，使微球共振，由此產生超聲波。
4．根據權利要求2所述的超聲成象設備，其特征在于用于產生圖象的裝置以三維方式接收所產生的超聲波，并且根據所接收的信號產生三維或二維圖象。
全文摘要
為了獲得清晰的微球造影劑圖象,本發明包括經以熱方式激勵被注入到某物體的微球造影劑使微球共振而生成超聲波522的裝置;以及根據所生成超聲波而產生圖象514的裝置。
文檔編號G10K15/04GK1236905SQ9910361
公開日1999年12月1日 申請日期1999年3月5日 優先權日1998年3月5日
發明者竹內康人 申請人:通用電器橫河醫療系統株式會社