JP4023909B2 - 超音波撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波撮像方法および装置に関し、特に、マイクロバルーン(microballoon)造影剤を注入した被検体についての超音波撮像方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
造影剤を用いる超音波撮像では、直径が１〜数μｍの多数のマイクロバルーンを液体に混入したマイクロバルーン造影剤を用いる。マイクロバルーンは生体に無害な気体を、生体に無害な物質からなる殻に封入したものとなっている。このようなマイクロバルーンを被検体に注入し、超音波を照射して殻を破壊し、その結果放出される気泡を撮像に利用する。
【０００３】
気泡は、非線形なエコー(echo)源性により送波超音波の第２高調波エコーを発生するので、第２高調波エコーに基づいて画像を生成することにより、体内における気泡の分布を画像化することが行なわれる。あるいは、マイクロバルーンを破壊する前の気泡のない状態で撮像した画像と、マイクロバルーンを破壊して気泡を発生させた状態で撮影した画像との差を求め、気泡像すなわち造影画像を得ることが行なわれる。
【０００４】
殻の破壊によって放出された気泡は、血液等に溶解して例えば数ｍｓ程度で消滅するので寿命が極めて短い。このように短命な気泡を撮像するために、超音波ビーム走査の１音線ごとに、マイクロバルーン破壊用の超音波ビームの送波と、気泡撮像用の超音波ビームの送波およびそのエコーの受波を行なうようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロバルーンの破壊の前後で撮像した画像の差から造影画像を求める場合は、マイクロバルーンの破壊は撮像範囲について一挙に行ない、それに続いて撮像を行なうことが、マイクロバルーンの破壊の前後における撮像の音線走査条件を同一にする点で好ましいが、撮像範囲のマイクロバルーンを一挙に破壊する超音波を送波することは、超音波プローブを駆動する通常の送波トライバ(driver)の瞬時パワー(power) 能力の限界を越えるため実現が困難であるという問題があった。
【０００６】
また、上記のように、１音線ごとに逐一マイクロバルーンを破壊しては撮像する動作を繰り返す方法では、マイクロバルーンの破壊の前後における撮像の音線走査条件が同一でないので、得られた差分画像は必ずしも適正なものとはいえないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、通常の送波トライバの瞬時パワー能力の限界内で撮像範囲のマイクロバルーンを極めて短い時間内に破壊して造影撮像を行なう超音波撮像方法および装置を実現することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の課題を解決する第１の発明は、マイクロバルーン造影剤を注入した被検体を超音波ビームで走査しエコーに基づいて画像を生成する超音波撮像方法であって、撮像予定範囲を、前記マイクロバルーンの殻を破壊する瞬時音圧を持つ第１の超音波ビームにより、１つの方位に送波した超音波ビームの波面が前記撮像予定範囲を進行している間に次の方位に超音波ビームを送波する関係で音線順次で走査し、次いで前記第１の超音波ビームで走査した範囲を第２の超音波ビームにより音線順次で走査しエコーに基づいて画像を生成する、ことを特徴とする超音波撮像方法である。
【０００９】
（２）上記の課題を解決する第２の発明は、マイクロバルーン造影剤を注入した被検体を超音波ビームで走査しエコーに基づいて画像を生成する超音波撮像装置であって、撮像予定範囲を、前記マイクロバルーンの殻を破壊する瞬時音圧を持つ第１の超音波ビームにより、１つの方位に送波した超音波ビームの波面が前記撮像予定範囲を進行している間に次の方位に超音波ビームを送波する関係で音線順次で走査する超音波走査手段と、前記第１の超音波ビームで走査した範囲を第２の超音波ビームにより音線順次で走査しエコーを受信する超音波送受信手段と、前記エコーに基づいて画像を生成する画像生成手段と、を具備することを特徴とする超音波撮像装置である。
【００１０】
第１の発明または第２の発明において、前記撮像予定範囲が、撮像画面の１フレームを複数の領域に分割したものであることが、マイクロバルーン破壊用の超音波ビームの走査時間を短縮する点で好ましい。
【００１１】
（作用）
本発明では、撮像予定範囲を、マイクロバルーンの殻を破壊する瞬時音圧を持つ第１の超音波ビームにより、１つの方位に送波した超音波ビームの波面が撮像予定範囲を進行している間に次の方位に超音波ビームを送波する関係で音線順次で走査する。これにより、撮像予定範囲についてのマイクロバルーン破壊用の超音波の走査時間が短縮される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置のブロック(block) 図を示す。本装置は本発明の超音波撮像装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置についての実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法についての実施の形態の一例が示される。
【００１３】
本装置の構成を説明する。図１に示すように、本装置は、超音波プローブ(probe) ２を有する。超音波プローブ２は、図示しない超音波トランスデューサアレイ(transducer array)を有する。超音波プローブ２は、図示しない操作者により被検体４に当接されて使用される。被検体４には、予めマイクロバルーン造影剤４０が注入されている。
【００１４】
超音波プローブ２は送受信部６に接続されている。送受信部６は、超音波プローブ２に駆動信号を与えて、被検体４内に超音波を送波させるようになっている。送受信部６は、また、超音波プローブ２が受波した被検体４からのエコーを受信するようになっている。超音波プローブ２および送受信部６は、本発明における超音波走査手段の実施の形態の一例である。また、本発明における超音波送受信手段の実施の形態の一例である。
【００１５】
送受信部６のブロック図を図２に示す。同図において、送波タイミング(timing)発生回路６０２は、送波タイミング信号を周期的に発生して送波ビームフォーマ(beamformer)６０４に入力するようになっている。
【００１６】
送波ビームフォーマ６０４は、送波タイミング信号に基づいて、送波ビームフォーミング(beamforming) 信号、すなわち、超音波トランスデューサアレイ中の送波アパーチャ(aperture)を構成する複数の超音波トランスデューサを時間差をもって駆動する複数の駆動信号を発生し、送受切換回路６０６に入力するようになっている。
【００１７】
駆動信号は振幅および波形が可変になっている。これによって、後述するように、マイクロバルーンの殻を破壊する瞬時音圧が高い超音波を送波させる大振幅の駆動信号と、マイクロバルーンの殻を破壊しない瞬時音圧が低い超音波を送波させる小振幅の駆動信号とをそれぞれ発生する。
【００１８】
送受切換回路６０６は、複数の駆動信号を超音波トランスデューサアレイに入力するようになっている。アレイ中の送波アパーチャ(aperture)を構成する複数の超音波トランスデューサは、複数の駆動信号の時間差に対応した位相差を持つ複数の超音波をぞれぞれ発生する。それら超音波の波面合成により超音波ビームが形成される。
【００１９】
超音波ビームの送波は、送波タイミング発生回路６０２が発生する送波タイミング信号により、所定の時間間隔で繰り返し行われる。超音波ビームの方位は送波ビームフォーマ６０４によって順次変更される。それによって、被検体４の内部が、超音波ビームが形成する音線によって走査される。すなわち被検体４の内部が音線順次で走査される。
【００２０】
送受切換回路６０６は、超音波トランスデューサアレイ中の受波アパーチャが受波した複数のエコー信号を受波ビームフォーマ６１０に入力するようになっている。受波ビームフォーマ６１０は、複数の受波エコーに時間差を付与して位相を調整し次いでそれら加算して、音線に沿ったエコー受信信号の形成、すなわち、受波のビームフォーミングを行なうようになっている。受波ビームフォーマ６１０により、受波の音線も送波に合わせて走査される。以上の、送波タイミング発生回路６０２乃至受波ビームフォーマ６１０は、後述の制御部１８によって制御されるようになっている。
【００２１】
このような構成の送受信部６は、例えば図３に示すような走査を行なう。すなわち、放射点２００からｚ方向に延びる超音波ビーム（音線）２０２が扇状の２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタスキャン(sector scan) を行なう。
【００２２】
送波および受波のアパーチャを超音波トランスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、このアパーチャをアレイに沿って順次移動させることにより、例えば図４に示すような走査を行なうことができる。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する音線２０２を直線状の軌跡２０４に沿って平行移動させることにより、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリニアスキャン(linear scan) が行なわれる。
【００２３】
なお、超音波トランスデューサアレイが、超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたいわゆるコンベックスアレイ(convex array)である場合は、リニアスキャンと同様な音線操作により、例えば図５に示すように、音線２０２の放射点２００を円弧状の軌跡２０４に沿って移動させ、扇面状の２次元領域２０６をθ方向に走査して、いわゆるコンベクススキャンが行なえるのは言うまでもない。
【００２４】
送受信部６はＢモード(mode)処理部１０に接続され、各音線毎のエコー受信信号をＢモード処理部１０に入力するようになっている。Ｂモード処理部１０はＢモード画像データ(data)を形成するものである。Ｂモード処理部１０は、例えば図６に示すように基本波処理部１１０および高調波処理部１３０を備えている。基本波処理部１１０および高調波処理部１３０には、受波ビームフォーマ６１０の出力信号が共通に入力される。
【００２５】
基本波処理部１１０は、基本波エコーすなわち送波超音波の中心周波数と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図示しないフィルタ(filter)を有する。高調波処理部１３０は第２高調波エコーすなわち送波超音波の中心周波数の第２高調波と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図示しないフィルタを有する。
【００２６】
基本波処理部１１０は、入力信号につき、基本波エコーを対数増幅および包絡線検波することにより、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号すなわちＡスコープ(scope) 信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。すなわち基本波処理部１１０は基本波エコーに基づくＢモード画像データを生成する。
【００２７】
高調波処理部１３０は、入力信号につき、第２高調波エコーを対数増幅および包絡線検波することにより、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号すなわちＡスコープ信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。すなわち高調波処理部１３０は、第２高調波エコーに基づくＢモード画像データをそれぞれ生成する。
【００２８】
Ｂモード処理部１０は画像処理部１４に接続されている。Ｂモード処理部１０および画像処理部１４は、本発明における画像生成手段の実施の形態の一例である。画像処理部１４は、Ｂモード処理部１０から入力される複数系統のＢモード画像データに基づいて複数のＢモード画像をそれぞれ生成するものである。
【００２９】
画像処理部１４は、図７に示すように、バス(bus) １４０によって接続された音線データメモリ(data memory) １４２、ディジタル・スキャンコンバータ(digital scan converter)１４４、画像メモリ１４６および画像処理プロセッサ(processor) １４８を備えている。
【００３０】
Ｂモード処理部１０から音線毎に入力された基本波エコーおよび第２高調波エコーによるＢモード画像データは、音線データメモリ１４２にそれぞれ記憶される。音線データメモリ１４２内にはそれぞれの音線データ空間が形成される。
【００３１】
ディジタル・スキャンコンバータ１４４は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間のデータに変換するものである。ディジタル・スキャンコンバータ１４４によって変換された画像データは、画像メモリ１４６に記憶される。すなわち、画像メモリ１４６は物理空間の画像データを記憶する。画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メモリ１４６のデータについてそれぞれ所定のデータ処理を施す。
【００３２】
画像処理部１４には表示部１６が接続されている。表示部１６は、画像処理部１４から画像信号が与えられ、それに基づいて画像を表示するようになっている。表示部１６は、カラー（color)画像が表示可能なものとなっている。
【００３３】
以上の送受信部６、Ｂモード処理部１０、画像処理部１４および表示部１６は制御部１８に接続されている。制御部１８は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御するようになっている。また、制御部１８には、被制御の各部から各種の報知信号が入力されるようになっている。制御部１８による制御の下で、超音波撮像が遂行される。
【００３４】
制御部１８には操作部２０が接続されている。操作部２０は操作者によって操作され、制御部１８に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作部２０は、例えばキーボード(keyboard)やその他の操作具を備えた操作パネル(panel) で構成される。
【００３５】
本装置の動作を説明する。操作者は、超音波プローブ２を被検体４の所望の個所に当接し、操作部２０を操作して撮像を行う。撮像は、制御部１８による制御の下で遂行される。
【００３６】
先ず、マイクロバルーンの殻を破壊するための超音波を送波する。そのような超音波として、図８の（ａ）に示すように、最初の半サイクル(cycle) が負圧となる超音波を用いる。このような超音波は、例えば最初の半サイクルを負極姓とした駆動信号等によって発生させることができる。
【００３７】
このような超音波がマイクロバルーンに加わると、負圧によるキャビテーション(cavitation)効果によって、その殻が破壊する。殻の硬度が比較的高いものほど負圧によって破壊し易い。被検体内での超音波伝播の非線形性により、例えば図８の（ｂ）に示すように、瞬時音圧波形は進行につれて負の期間が伸びる傾向を示す。負の期間が伸びるのは、負圧の印加時間を長くし、ますますマイクロバルーンの殻の破壊に有利に作用する。このため、比較的低い瞬時音圧でも殻を破壊することが可能であり能率が良い。また、瞬時音圧波形の正の部分が急峻になるのも破壊を促進する点で有利である。
【００３８】
これに対して、図９の（ａ）に示すように、最初の半サイクルが正の超音波を用いた場合は、伝播の非線形性があっても同図の（ｂ）に示すように正の部分は急峻になるもののそれらの間隔は変わらず、したがって負圧の期間が伸びるということがないので、図８の場合よりもマイクロバルーンの殻の破壊効果が劣る。そこで、最初の半サイクルが正の超音波を用いる場合は、十分な破壊効果が得られるように送波超音波の瞬時音圧レベルを高める必要がある。
【００３９】
ここでは、図８の（ａ）に示したような超音波を送受信部６によって送波してマイクロバルーンの殻を破壊し、放出気泡を利用して造影撮像を行うものとする。なお、図９の（ａ）に示したような超音波を用い、マイクロバルーンの殻を破壊するようにしても良いのは勿論である。以下ではマイクロバルーンの殻の破壊を単にマイクロバルーンの破壊という。
【００４０】
マイクロバルーンの破壊は、撮像予定範囲である２次元領域２０６を超音波ビームで走査することにより行なう。その際、超音波ビームの送波は、方位を高速に切り換えながら矢継ぎ早に行ない、例えば図１０に示すように、方位の異なる複数の超音波ビームの波面が順次に少しずつ遅れて並進するようにする。これらの超音波ビームは、本発明における第１の超音波ビームの実施の形態の一例である。図１０はセクタスキャンの場合であるが、リニアスキャンおよびコンベックススキャンの場合は、それぞれ、例えば図１１および図１２に示すようになる。
【００４１】
このようにすると、最初に送波した方位において超音波の波面が２次元領域２０６の最深部に到達する時間内に、最後の方位に対する超音波の送波を終えることができる。例えば、２次元領域２０６のｚ方向の深さが１０ｃｍであるとすると、超音波の波面が最深部に到達する時間は１００μｓ程度であり、この時間内に２次元領域２０６の全方位への送波が終了する。なお、超音波ビームの太さをできるだけ太くすることが、少ない音線で２次元領域２０６を走査する点で好ましい。
【００４２】
上記の時間は、通常の音線順次の超音波撮像時に、２次元領域２０６について超音波を１音線分送波しそのエコーを受信するに要する時間の１／２に相当する。したがって、通常の超音波撮像における１音線分の超音波送受信時間より短い時間で、２次元領域２０６全体についてのマイクロバルーン破壊用の超音波の送波を終了させることができる。すなわち、極く短時間で撮像予定範囲のマイクロバルーンを破壊することができる。しかも、マイクロバルーンは１音線ずつ破壊して行くので、そのような超音波を送波することは、送受信部６における送波用ドライバの瞬時パワー能力の範囲で十分に可能である。
【００４３】
このような破壊用超音波ビームの走査に続いて、音線順次による通常の超音波撮像を行なう。すなわち、例えば図３に示したようなセクタスキャンを音線順次で行ない、各音線ごとに撮像用の超音波ビームを送波し、そのエコーを受信し、エコー受信信号に基づいてＢモード画像を生成する。勿論、図４および図５に示したリニアスキャンおよびコンベックススキャンを行なうようにしても良い。このとき送波する超音波ビームは、上記のマイクロバルーン破壊用の超音波ビームよりも瞬時音圧が低いものとして良い。この超音波ビームは、本発明における第２の超音波ビームの実施の形態の一例である。
【００４４】
撮像予定範囲内のマイクロバルーンが、上記のようにして例えば１００μｓ程度の時間で破壊されるので、殻から放出された寿命が例えば数ｍｓ程度の気泡は、音線順次による撮像期間中消滅することなく存在し続ける。したがって、気泡を利用した安定な造影撮像が可能になる。
【００４５】
各音線のエコー受信信号に基づき、Ｂモード処理部１０でＢモード画像データが形成される。Ｂモード画像データは、基本波エコーに基づくものと第２高調波エコーに基づくものとがそれぞれ形成され、画像処理部１４の音線データメモリ１４２に記憶される。
【００４６】
画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２の複数系統のＢモード画像データを、ディジタル・スキャンコンバータ１４４で走査変換してそれぞれ画像メモリ１４６に書き込む。
【００４７】
操作者は、操作部２０を操作して、これらのＢモード画像を表示部１６に表示させる。すなわち、例えば図１３に示すように、組織の断層像１６０と第２高調波エコー像１６２との合成画像を表示させる。マイクロバルーンを破壊する前に、同じ撮像範囲を予めマイクロバルーンを破壊しない超音波で撮像したときは、基本波エコー像同士または第２高調波エコー像同士で、それぞれ、マイクロバルーンの破壊の前後の画像の差を求め、差分画像を表示させるようにしても良い。この場合、マイクロバルーンの破壊の前後の撮像の音線走査条件が同一になり、適正な差分画像を得ることができる。
【００４８】
基本波エコー像同士の差分画像は気泡像を示すものとなり、造影画像を得ることができる。第２高調波エコー像同士の差分画像では、超音波送受信における非線形性よる気泡エコーに無関係な共通成分が相殺され、気泡像のみを示す画像すなわち精密な造影画像を得ることができる。
【００４９】
以上は、表示画面の１フレーム(frame) に相当する撮像範囲のマイクロバルーンを１回の走査で破壊する例であるが、１フレームを複数の領域に分け、各領域ごとにマイクロバルーンの破壊とそれに続く撮像を逐一行なうようにしても良い。これは、破壊用の超音波の走査時間を短縮する点で好ましい。その際、複数の領域は、方位方向に沿って設定しても良く、また、深さ方向に沿ってフォーカルゾーン(focal zone)ごとに設定しても良い。あるいはそれらを組み合わせるようにしても良い。なお、分割領域についての画像は最後に合成して表示する。
【００５０】
また、差分画像は、画像メモリの画像に限るものではなく、音線データメモリの音線データについて行なっても良いのはいうまでもない。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、通常の送波トライバの瞬時パワー能力の限界内で撮像範囲のマイクロバルーンを極めて短い時間内に破壊して造影撮像を行なう超音波撮像方法および装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図である。
【図２】 本発明の実施の形態の一例の装置における送受信部のブロック図である。
【図３】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図４】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図５】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図６】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるＢモード処理部のブロック図である。
【図７】 本発明の実施の形態の一例の装置における画像処理部のブロック図である。
【図８】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるマイクロバルーン破壊用の送波信号の一例を示す波形図である。
【図９】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるマイクロバルーン破壊用の送波信号の一例を示す波形図である。
【図１０】 本発明の実施の形態の一例の装置によるマイクロバルーン破壊用の超音波走査の概念図である。
【図１１】 本発明の実施の形態の一例の装置によるマイクロバルーン破壊用の超音波走査の概念図である。
【図１２】 本発明の実施の形態の一例の装置によるマイクロバルーン破壊用の超音波走査の概念図である。
【図１３】 本発明の実施の形態の一例の装置における表示画像の模式図である。
【符号の説明】
２ 超音波プローブ
４ 被検体
４０ マイクロバルーン造影剤
６ 送受信部
１０ Ｂモード処理部
１４ 画像処理部
１６ 表示部
１８ 制御部
２０ 操作部
６０２ 送波タイミング発生回路
６０４ 送波ビームフォーマ
６０６ 送受切換回路
６１０ 受波ビームフォーマ
１１０ 基本波処理部
１３０ 高調波処理部
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波撮像方法および装置に関し、特に、マイクロバルーン(microballoon)造影剤を注入した被検体についての超音波撮像方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
造影剤を用いる超音波撮像では、直径が１〜数μｍの多数のマイクロバルーンを液体に混入したマイクロバルーン造影剤を用いる。マイクロバルーンは生体に無害な気体を、生体に無害な物質からなる殻に封入したものとなっている。このようなマイクロバルーンを被検体に注入し、超音波を照射して殻を破壊し、その結果放出される気泡を撮像に利用する。
【０００３】
気泡は、非線形なエコー(echo)源性により送波超音波の第２高調波エコーを発生するので、第２高調波エコーに基づいて画像を生成することにより、体内における気泡の分布を画像化することが行なわれる。あるいは、マイクロバルーンを破壊する前の気泡のない状態で撮像した画像と、マイクロバルーンを破壊して気泡を発生させた状態で撮影した画像との差を求め、気泡像すなわち造影画像を得ることが行なわれる。
【０００４】
殻の破壊によって放出された気泡は、血液等に溶解して例えば数ｍｓ程度で消滅するので寿命が極めて短い。このように短命な気泡を撮像するために、超音波ビーム走査の１音線ごとに、マイクロバルーン破壊用の超音波ビームの送波と、気泡撮像用の超音波ビームの送波およびそのエコーの受波を行なうようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロバルーンの破壊の前後で撮像した画像の差から造影画像を求める場合は、マイクロバルーンの破壊は撮像範囲について一挙に行ない、それに続いて撮像を行なうことが、マイクロバルーンの破壊の前後における撮像の音線走査条件を同一にする点で好ましいが、撮像範囲のマイクロバルーンを一挙に破壊する超音波を送波することは、超音波プローブを駆動する通常の送波トライバ(driver)の瞬時パワー(power) 能力の限界を越えるため実現が困難であるという問題があった。
【０００６】
また、上記のように、１音線ごとに逐一マイクロバルーンを破壊しては撮像する動作を繰り返す方法では、マイクロバルーンの破壊の前後における撮像の音線走査条件が同一でないので、得られた差分画像は必ずしも適正なものとはいえないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、通常の送波トライバの瞬時パワー能力の限界内で撮像範囲のマイクロバルーンを極めて短い時間内に破壊して造影撮像を行なう超音波撮像方法および装置を実現することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の課題を解決する第１の発明は、マイクロバルーン造影剤を注入した被検体を超音波ビームで走査しエコーに基づいて画像を生成する超音波撮像方法であって、撮像予定範囲を、前記マイクロバルーンの殻を破壊する瞬時音圧を持つ第１の超音波ビームにより、１つの方位に送波した超音波ビームの波面が前記撮像予定範囲を進行している間に次の方位に超音波ビームを送波する関係で音線順次で走査し、次いで前記第１の超音波ビームで走査した範囲を第２の超音波ビームにより音線順次で走査しエコーに基づいて画像を生成する、ことを特徴とする超音波撮像方法である。
【０００９】
（２）上記の課題を解決する第２の発明は、マイクロバルーン造影剤を注入した被検体を超音波ビームで走査しエコーに基づいて画像を生成する超音波撮像装置であって、撮像予定範囲を、前記マイクロバルーンの殻を破壊する瞬時音圧を持つ第１の超音波ビームにより、１つの方位に送波した超音波ビームの波面が前記撮像予定範囲を進行している間に次の方位に超音波ビームを送波する関係で音線順次で走査する超音波走査手段と、前記第１の超音波ビームで走査した範囲を第２の超音波ビームにより音線順次で走査しエコーを受信する超音波送受信手段と、前記エコーに基づいて画像を生成する画像生成手段と、を具備することを特徴とする超音波撮像装置である。
【００１０】
第１の発明または第２の発明において、前記撮像予定範囲が、撮像画面の１フレームを複数の領域に分割したものであることが、マイクロバルーン破壊用の超音波ビームの走査時間を短縮する点で好ましい。
【００１１】
（作用）
本発明では、撮像予定範囲を、マイクロバルーンの殻を破壊する瞬時音圧を持つ第１の超音波ビームにより、１つの方位に送波した超音波ビームの波面が撮像予定範囲を進行している間に次の方位に超音波ビームを送波する関係で音線順次で走査する。これにより、撮像予定範囲についてのマイクロバルーン破壊用の超音波の走査時間が短縮される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置のブロック(block) 図を示す。本装置は本発明の超音波撮像装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置についての実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法についての実施の形態の一例が示される。
【００１３】
本装置の構成を説明する。図１に示すように、本装置は、超音波プローブ(probe) ２を有する。超音波プローブ２は、図示しない超音波トランスデューサアレイ(transducer array)を有する。超音波プローブ２は、図示しない操作者により被検体４に当接されて使用される。被検体４には、予めマイクロバルーン造影剤４０が注入されている。
【００１４】
超音波プローブ２は送受信部６に接続されている。送受信部６は、超音波プローブ２に駆動信号を与えて、被検体４内に超音波を送波させるようになっている。送受信部６は、また、超音波プローブ２が受波した被検体４からのエコーを受信するようになっている。超音波プローブ２および送受信部６は、本発明における超音波走査手段の実施の形態の一例である。また、本発明における超音波送受信手段の実施の形態の一例である。
【００１５】
送受信部６のブロック図を図２に示す。同図において、送波タイミング(timing)発生回路６０２は、送波タイミング信号を周期的に発生して送波ビームフォーマ(beamformer)６０４に入力するようになっている。
【００１６】
送波ビームフォーマ６０４は、送波タイミング信号に基づいて、送波ビームフォーミング(beamforming) 信号、すなわち、超音波トランスデューサアレイ中の送波アパーチャ(aperture)を構成する複数の超音波トランスデューサを時間差をもって駆動する複数の駆動信号を発生し、送受切換回路６０６に入力するようになっている。
【００１７】
駆動信号は振幅および波形が可変になっている。これによって、後述するように、マイクロバルーンの殻を破壊する瞬時音圧が高い超音波を送波させる大振幅の駆動信号と、マイクロバルーンの殻を破壊しない瞬時音圧が低い超音波を送波させる小振幅の駆動信号とをそれぞれ発生する。
【００１８】
送受切換回路６０６は、複数の駆動信号を超音波トランスデューサアレイに入力するようになっている。アレイ中の送波アパーチャ(aperture)を構成する複数の超音波トランスデューサは、複数の駆動信号の時間差に対応した位相差を持つ複数の超音波をぞれぞれ発生する。それら超音波の波面合成により超音波ビームが形成される。
【００１９】
超音波ビームの送波は、送波タイミング発生回路６０２が発生する送波タイミング信号により、所定の時間間隔で繰り返し行われる。超音波ビームの方位は送波ビームフォーマ６０４によって順次変更される。それによって、被検体４の内部が、超音波ビームが形成する音線によって走査される。すなわち被検体４の内部が音線順次で走査される。
【００２０】
送受切換回路６０６は、超音波トランスデューサアレイ中の受波アパーチャが受波した複数のエコー信号を受波ビームフォーマ６１０に入力するようになっている。受波ビームフォーマ６１０は、複数の受波エコーに時間差を付与して位相を調整し次いでそれら加算して、音線に沿ったエコー受信信号の形成、すなわち、受波のビームフォーミングを行なうようになっている。受波ビームフォーマ６１０により、受波の音線も送波に合わせて走査される。以上の、送波タイミング発生回路６０２乃至受波ビームフォーマ６１０は、後述の制御部１８によって制御されるようになっている。
【００２１】
このような構成の送受信部６は、例えば図３に示すような走査を行なう。すなわち、放射点２００からｚ方向に延びる超音波ビーム（音線）２０２が扇状の２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタスキャン(sector scan) を行なう。
【００２２】
送波および受波のアパーチャを超音波トランスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、このアパーチャをアレイに沿って順次移動させることにより、例えば図４に示すような走査を行なうことができる。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する音線２０２を直線状の軌跡２０４に沿って平行移動させることにより、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリニアスキャン(linear scan) が行なわれる。
【００２３】
なお、超音波トランスデューサアレイが、超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたいわゆるコンベックスアレイ(convex array)である場合は、リニアスキャンと同様な音線操作により、例えば図５に示すように、音線２０２の放射点２００を円弧状の軌跡２０４に沿って移動させ、扇面状の２次元領域２０６をθ方向に走査して、いわゆるコンベクススキャンが行なえるのは言うまでもない。
【００２４】
送受信部６はＢモード(mode)処理部１０に接続され、各音線毎のエコー受信信号をＢモード処理部１０に入力するようになっている。Ｂモード処理部１０はＢモード画像データ(data)を形成するものである。Ｂモード処理部１０は、例えば図６に示すように基本波処理部１１０および高調波処理部１３０を備えている。基本波処理部１１０および高調波処理部１３０には、受波ビームフォーマ６１０の出力信号が共通に入力される。
【００２５】
基本波処理部１１０は、基本波エコーすなわち送波超音波の中心周波数と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図示しないフィルタ(filter)を有する。高調波処理部１３０は第２高調波エコーすなわち送波超音波の中心周波数の第２高調波と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図示しないフィルタを有する。
【００２６】
基本波処理部１１０は、入力信号につき、基本波エコーを対数増幅および包絡線検波することにより、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号すなわちＡスコープ(scope) 信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。すなわち基本波処理部１１０は基本波エコーに基づくＢモード画像データを生成する。
【００２７】
高調波処理部１３０は、入力信号につき、第２高調波エコーを対数増幅および包絡線検波することにより、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号すなわちＡスコープ信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。すなわち高調波処理部１３０は、第２高調波エコーに基づくＢモード画像データをそれぞれ生成する。
【００２８】
Ｂモード処理部１０は画像処理部１４に接続されている。Ｂモード処理部１０および画像処理部１４は、本発明における画像生成手段の実施の形態の一例である。画像処理部１４は、Ｂモード処理部１０から入力される複数系統のＢモード画像データに基づいて複数のＢモード画像をそれぞれ生成するものである。
【００２９】
画像処理部１４は、図７に示すように、バス(bus) １４０によって接続された音線データメモリ(data memory) １４２、ディジタル・スキャンコンバータ(digital scan converter)１４４、画像メモリ１４６および画像処理プロセッサ(processor) １４８を備えている。
【００３０】
Ｂモード処理部１０から音線毎に入力された基本波エコーおよび第２高調波エコーによるＢモード画像データは、音線データメモリ１４２にそれぞれ記憶される。音線データメモリ１４２内にはそれぞれの音線データ空間が形成される。
【００３１】
ディジタル・スキャンコンバータ１４４は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間のデータに変換するものである。ディジタル・スキャンコンバータ１４４によって変換された画像データは、画像メモリ１４６に記憶される。すなわち、画像メモリ１４６は物理空間の画像データを記憶する。画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メモリ１４６のデータについてそれぞれ所定のデータ処理を施す。
【００３２】
画像処理部１４には表示部１６が接続されている。表示部１６は、画像処理部１４から画像信号が与えられ、それに基づいて画像を表示するようになっている。表示部１６は、カラー（color)画像が表示可能なものとなっている。
【００３３】
以上の送受信部６、Ｂモード処理部１０、画像処理部１４および表示部１６は制御部１８に接続されている。制御部１８は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御するようになっている。また、制御部１８には、被制御の各部から各種の報知信号が入力されるようになっている。制御部１８による制御の下で、超音波撮像が遂行される。
【００３４】
制御部１８には操作部２０が接続されている。操作部２０は操作者によって操作され、制御部１８に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作部２０は、例えばキーボード(keyboard)やその他の操作具を備えた操作パネル(panel) で構成される。
【００３５】
本装置の動作を説明する。操作者は、超音波プローブ２を被検体４の所望の個所に当接し、操作部２０を操作して撮像を行う。撮像は、制御部１８による制御の下で遂行される。
【００３６】
先ず、マイクロバルーンの殻を破壊するための超音波を送波する。そのような超音波として、図８の（ａ）に示すように、最初の半サイクル(cycle) が負圧となる超音波を用いる。このような超音波は、例えば最初の半サイクルを負極姓とした駆動信号等によって発生させることができる。
【００３７】
このような超音波がマイクロバルーンに加わると、負圧によるキャビテーション(cavitation)効果によって、その殻が破壊する。殻の硬度が比較的高いものほど負圧によって破壊し易い。被検体内での超音波伝播の非線形性により、例えば図８の（ｂ）に示すように、瞬時音圧波形は進行につれて負の期間が伸びる傾向を示す。負の期間が伸びるのは、負圧の印加時間を長くし、ますますマイクロバルーンの殻の破壊に有利に作用する。このため、比較的低い瞬時音圧でも殻を破壊することが可能であり能率が良い。また、瞬時音圧波形の正の部分が急峻になるのも破壊を促進する点で有利である。
【００３８】
これに対して、図９の（ａ）に示すように、最初の半サイクルが正の超音波を用いた場合は、伝播の非線形性があっても同図の（ｂ）に示すように正の部分は急峻になるもののそれらの間隔は変わらず、したがって負圧の期間が伸びるということがないので、図８の場合よりもマイクロバルーンの殻の破壊効果が劣る。そこで、最初の半サイクルが正の超音波を用いる場合は、十分な破壊効果が得られるように送波超音波の瞬時音圧レベルを高める必要がある。
【００３９】
ここでは、図８の（ａ）に示したような超音波を送受信部６によって送波してマイクロバルーンの殻を破壊し、放出気泡を利用して造影撮像を行うものとする。なお、図９の（ａ）に示したような超音波を用い、マイクロバルーンの殻を破壊するようにしても良いのは勿論である。以下ではマイクロバルーンの殻の破壊を単にマイクロバルーンの破壊という。
【００４０】
マイクロバルーンの破壊は、撮像予定範囲である２次元領域２０６を超音波ビームで走査することにより行なう。その際、超音波ビームの送波は、方位を高速に切り換えながら矢継ぎ早に行ない、例えば図１０に示すように、方位の異なる複数の超音波ビームの波面が順次に少しずつ遅れて並進するようにする。これらの超音波ビームは、本発明における第１の超音波ビームの実施の形態の一例である。図１０はセクタスキャンの場合であるが、リニアスキャンおよびコンベックススキャンの場合は、それぞれ、例えば図１１および図１２に示すようになる。
【００４１】
このようにすると、最初に送波した方位において超音波の波面が２次元領域２０６の最深部に到達する時間内に、最後の方位に対する超音波の送波を終えることができる。例えば、２次元領域２０６のｚ方向の深さが１０ｃｍであるとすると、超音波の波面が最深部に到達する時間は１００μｓ程度であり、この時間内に２次元領域２０６の全方位への送波が終了する。なお、超音波ビームの太さをできるだけ太くすることが、少ない音線で２次元領域２０６を走査する点で好ましい。
【００４２】
上記の時間は、通常の音線順次の超音波撮像時に、２次元領域２０６について超音波を１音線分送波しそのエコーを受信するに要する時間の１／２に相当する。したがって、通常の超音波撮像における１音線分の超音波送受信時間より短い時間で、２次元領域２０６全体についてのマイクロバルーン破壊用の超音波の送波を終了させることができる。すなわち、極く短時間で撮像予定範囲のマイクロバルーンを破壊することができる。しかも、マイクロバルーンは１音線ずつ破壊して行くので、そのような超音波を送波することは、送受信部６における送波用ドライバの瞬時パワー能力の範囲で十分に可能である。
【００４３】
このような破壊用超音波ビームの走査に続いて、音線順次による通常の超音波撮像を行なう。すなわち、例えば図３に示したようなセクタスキャンを音線順次で行ない、各音線ごとに撮像用の超音波ビームを送波し、そのエコーを受信し、エコー受信信号に基づいてＢモード画像を生成する。勿論、図４および図５に示したリニアスキャンおよびコンベックススキャンを行なうようにしても良い。このとき送波する超音波ビームは、上記のマイクロバルーン破壊用の超音波ビームよりも瞬時音圧が低いものとして良い。この超音波ビームは、本発明における第２の超音波ビームの実施の形態の一例である。
【００４４】
撮像予定範囲内のマイクロバルーンが、上記のようにして例えば１００μｓ程度の時間で破壊されるので、殻から放出された寿命が例えば数ｍｓ程度の気泡は、音線順次による撮像期間中消滅することなく存在し続ける。したがって、気泡を利用した安定な造影撮像が可能になる。
【００４５】
各音線のエコー受信信号に基づき、Ｂモード処理部１０でＢモード画像データが形成される。Ｂモード画像データは、基本波エコーに基づくものと第２高調波エコーに基づくものとがそれぞれ形成され、画像処理部１４の音線データメモリ１４２に記憶される。
【００４６】
画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２の複数系統のＢモード画像データを、ディジタル・スキャンコンバータ１４４で走査変換してそれぞれ画像メモリ１４６に書き込む。
【００４７】
操作者は、操作部２０を操作して、これらのＢモード画像を表示部１６に表示させる。すなわち、例えば図１３に示すように、組織の断層像１６０と第２高調波エコー像１６２との合成画像を表示させる。マイクロバルーンを破壊する前に、同じ撮像範囲を予めマイクロバルーンを破壊しない超音波で撮像したときは、基本波エコー像同士または第２高調波エコー像同士で、それぞれ、マイクロバルーンの破壊の前後の画像の差を求め、差分画像を表示させるようにしても良い。この場合、マイクロバルーンの破壊の前後の撮像の音線走査条件が同一になり、適正な差分画像を得ることができる。
【００４８】
基本波エコー像同士の差分画像は気泡像を示すものとなり、造影画像を得ることができる。第２高調波エコー像同士の差分画像では、超音波送受信における非線形性よる気泡エコーに無関係な共通成分が相殺され、気泡像のみを示す画像すなわち精密な造影画像を得ることができる。
【００４９】
以上は、表示画面の１フレーム(frame) に相当する撮像範囲のマイクロバルーンを１回の走査で破壊する例であるが、１フレームを複数の領域に分け、各領域ごとにマイクロバルーンの破壊とそれに続く撮像を逐一行なうようにしても良い。これは、破壊用の超音波の走査時間を短縮する点で好ましい。その際、複数の領域は、方位方向に沿って設定しても良く、また、深さ方向に沿ってフォーカルゾーン(focal zone)ごとに設定しても良い。あるいはそれらを組み合わせるようにしても良い。なお、分割領域についての画像は最後に合成して表示する。
【００５０】
また、差分画像は、画像メモリの画像に限るものではなく、音線データメモリの音線データについて行なっても良いのはいうまでもない。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、通常の送波トライバの瞬時パワー能力の限界内で撮像範囲のマイクロバルーンを極めて短い時間内に破壊して造影撮像を行なう超音波撮像方法および装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図である。
【図２】 本発明の実施の形態の一例の装置における送受信部のブロック図である。
【図３】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図４】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図５】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図６】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるＢモード処理部のブロック図である。
【図７】 本発明の実施の形態の一例の装置における画像処理部のブロック図である。
【図８】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるマイクロバルーン破壊用の送波信号の一例を示す波形図である。
【図９】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるマイクロバルーン破壊用の送波信号の一例を示す波形図である。
【図１０】 本発明の実施の形態の一例の装置によるマイクロバルーン破壊用の超音波走査の概念図である。
【図１１】 本発明の実施の形態の一例の装置によるマイクロバルーン破壊用の超音波走査の概念図である。
【図１２】 本発明の実施の形態の一例の装置によるマイクロバルーン破壊用の超音波走査の概念図である。
【図１３】 本発明の実施の形態の一例の装置における表示画像の模式図である。
【符号の説明】
２ 超音波プローブ
４ 被検体
４０ マイクロバルーン造影剤
６ 送受信部
１０ Ｂモード処理部
１４ 画像処理部
１６ 表示部
１８ 制御部
２０ 操作部
６０２ 送波タイミング発生回路
６０４ 送波ビームフォーマ
６０６ 送受切換回路
６１０ 受波ビームフォーマ
１１０ 基本波処理部
１３０ 高調波処理部
Claims (1)
- マイクロバルーン造影剤を注入した被検体を超音波ビームで走査しエコーに基づいて画像を生成する超音波撮像装置であって、
撮像予定範囲を、前記マイクロバルーンの殻を破壊する瞬時音圧を持つ第１の超音波ビームにより、１つの方位に送波した超音波ビームの波面が前記撮像予定範囲を進行している間に次の方位に超音波ビームを送波する関係で音線順次で走査する超音波走査手段と、
前記第１の超音波ビームで走査した範囲を第２の超音波ビームにより音線順次で走査しエコーを受信する超音波送受信手段と、
前記エコーに基づいて画像を生成する画像生成手段と、
を具備することを特徴とする超音波撮像装置。
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