JP4232134B2 - Ultrasound contrast drawing device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波造影剤を用いて血流分布情報等の診断に必要な情報を描画する超音波造影描画装置に係り、特に造影剤の分布を鮮明な画像として描画可能にする技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
生体組織中の血流分布情報を計測する方法として、超音波造影剤を用いた超音波造影描画方法および装置が検討されている。例えば、文献「ウルトラサウンドイン メディシン アンド バイオロジー(Ultrasound in Medicine & Biology)、Vol. 26, No. 6, p.965, 2000年、"Ultrasound Contrast Imaging: Current and New Potential Methods: Peter J. A. Frinking et al."」に記載されている。
【0003】
超音波用の造影剤は、一般に、生理食塩水等の媒液に多数の気泡を混入して形成される。気泡は、例えば、不活性ガス(C3F8,C4F10など)を蛋白質膜あるいは脂質膜で覆って形成される。気泡の粒径分布は、例えば、ガウス正規分布になっており、平均粒径は数μmである。しかし、0.5μm以下は互いに集合して実質的に大きな粒径になることが知られており、歪んだ正規分布となる。
【0004】
このような造影剤は、一般に、静脈から生体内に注入される。生体内に注入された造影剤に超音波ビームを照射すると、その音圧が低い場合は気泡が変形し、その変形に伴う音響情報が反射信号に混ざって、超音波の応答信号として放射される。また、音圧が高い場合は気泡が破壊され、強い音響情報が放射される。すなわち、超音波造影剤は超音波の照射に対して非線形応答を示し、基本周波数f0の超音波を照射した場合、応答信号には基本周波数成分f0に対応する信号の他に、2倍周波数の高調波成分2f0の信号が含まれると言われている。
【0005】
そこで、従来、中心周波数が2f0の比較的狭い帯域通過フィルタを用いて、2f0を抽出することにより、造影剤の存在を検出することが行なわれている。つまり、2f0の有無が造影剤の有無に対応し、2f0の大小が造影剤の空間的密度分布に対応するので、組織のどの部位に造影剤が流入するかを描画することができる。
【0006】
ところで、造影剤を用いた描画法においては、造影剤が静脈に注入されてからの時相によって初期と後期に大別される。初期は、静脈から注入された超音波造影剤が血液循環によって診断対象たる肝臓などの組織に流入する時相とされている。また、後期は、造影剤を静脈から注入後3〜8分後で、組織内に流入ないし分布した超音波造影剤が血流循環によって組織外に十分に流出すると想定される時相である。初期時相では、一般に、造影剤を破壊しないが十分な高調波を生むような超音波音圧(例えば、MI:メカニカルインデックス=0.2)、が用いられる。後期時相では、殆どの造影剤は組織から流出しているが、一部は組織内にトラップされる。このトラップの有無は、組織の疾患部と健常部で異なるとされる。この後期時相で、造影剤を破壊するような高い音圧(例えば、MI=約0.8以上と言われている。)の超音波を照射すると、造影剤が破壊される際に強い反射信号を生ずる。そこで、これを検出することによって、造影剤がトラップされている領域、つまり疾患部と、トラップされていない領域、つまり健常部とを弁別でき、診断に資することができる。
【0007】
一方、帯域通過フィルタを用いずに、造影剤応答信号の周波数の非線形性を利用して高調波を抽出する方法として、従来、米国特許第5632277号や米国特許第5706819号に提案されている。これらによれば、生体内に第1の超音波信号に基づく超音波パルスを照射してその応答信号を受信した後、短い時間間隔をおいて第1の超音波信号の極性を反転した第2の超音波信号に基づく超音波パルスを照射してその応答信号を受信する。そして、それらの受信信号を加算等することにより、応答信号中の基本周波数成分に対応する成分を除去して、高調波成分を抽出又は強調することにより、高い精度で造影剤を検出するものである。
【0008】
また、特開2000−300554号公報には、第1の超音波信号を信号レベルが正の一定値となる期間t1と、信号レベルが負の一定値となる期間t2とが、この順で続く波形を有するものとし、この第1の超音波信号を時間軸について反転した波形を有する第2の超音波信号とすることが提案されている。これによれば、第1と第2の超音波信号に基づく超音波パルスの対称性を高めて、基本波成分(線形性成分)の信号を減殺することができるとしている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の技術は、いずれも造影剤に起因する高調波成分を抽出又は強調することについては有効である。しかし、組織の応答信号に含まれる高調波成分が造影剤の応答信号に含まれる高調波成分に比べて無視できない程大きい場合については配慮されていない。そのため、造影剤の応答信号に含まれる高調波成分を高い割合で抽出することができない場合がある。
【0010】
すなわち、従来の造影剤検出の鍵である非線形現象は、造影剤以外に、超音波が組織内を伝播するのに伴っても生じる。この場合、照射した超音波の基本周波数周波数f0の2倍の高調波成分2f0が発生することが判明した。特に、組織の応答信号に含まれる高調波成分2f0の信号は、深度が深くなるにつれて強度が増す。そのため、造影剤の応答信号に含まれる高調波成分2f0の信号に比較して、同等レベルあるいは大きなレベルになると、造影剤検出の精度が低減する。例えば、肝臓内の血流のように組織内に埋没した血管内の造影剤を検出する際に、造影剤と組織との両方から2f0の高調波成分が放射されるから、造影剤の存在を誤って検出するおそれがある。
【0011】
そこで、本発明は、生体組織の応答信号に含まれる高調波成分と造影剤の応答信号に含まれる高調波成分とを弁別して抽出することを課題とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明の解決原理について、図2を参照して説明する。図2は、超音波照射に対する造影剤と組織の非線形応答を詳しく調べた結果であり、組織中に分布した造影剤に超音波を照射した場合の応答信号のスペクトラムを模式的に示している。同図の横軸は周波数を、縦軸は各成分の信号強度を示している。また、同図(A)は探触子に近い比較的浅い部位からの応答信号、同図(B)は探触子から遠い比較的深い部位からの応答信号を示している。それらの図から判るように、浅い部位と深い部位のいずれの場合においても、造影剤の応答信号1は、基本周波数f0に対応する基本波成分に加えて、広い周波数帯域にわたる高調波成分が含まれている。一方、組織の応答信号2は、基本周波数f0の基本波成分2aと2倍高調波2f0の高調波成分2bとに分かれて現れている。そして、浅い部位の場合は、高調波成分2bはそれ程強くないが、深い部位になると極めて強くなり、造影剤の応答信号1の信号強度よりも強くなる。これは、前述したように、組織の応答信号に含まれる高調波成分2bは、超音波が組織内を伝播する際の非線形効果によって生ずることから、探触子から離れた深い部位になるにつれて伝播長さが増大するからである。したがって、従来技術のように、一律に高調波2f0の成分を抽出して、造影剤の応答信号を強調しようとしても、浅い領域を除いては、組織の高調波成分2f0が強調されてしまうので、造影画像の鮮明度を向上させることができない。
【0013】
ここで、図2の考察から導き出される事項を整理する。
(1)造影剤の応答信号の周波数成分(非線形応答)は、2f0に局在せず、広帯域に分布する。この傾向は、送信する超音波信号の周波数スペクトラムが広い程顕著である。
(2)造影剤の応答信号は、造影剤の径に強く依存しており、造影剤の自由共振周波数fRで著しく強調される。なお、前述したように、造影剤は粒径分布を有するから、広い範囲の周波数帯域で高調波が現れる。
(3)造影剤の応答信号の基本波成分は、組織の応答信号の基本波成分に劣らず強い。
(4)組織の応答信号の高調波は、超音波音圧の強さによらず比較的2f0付近に局在している。
(5)組織の応答信号の高調波は、比較的低い超音波音圧の場合、及び浅い部位の場合は、造影剤の高調波成分に比べ大幅に弱い。
【0014】
上記(1)〜(5)の考察に鑑み、本発明は次の特徴を有する解決手段によって、上記の課題を解決するものである。
(第1の特徴)
受信部に、応答信号の中から特定の周波数成分を抽出するフィルタを設け、このフィルタの通過帯域幅を超音波探触子に送信された超音波信号の平均周波数をf0としたとき、0.8f0乃至2.5f0の範囲内に設定することを特徴とする。すなわち、造影剤の応答信号は広い周波数帯域に分布しており、かつ信号強度も広い周波数帯域にわたって高いことに鑑み、従来のように、2f0に限ることなく広い周波数帯域0.8〜2.5f0にわたる応答信号を帯域通過フィルタで抽出する。これにより、造影剤の応答信号を組織の応答信号に比べて相対的に強調することができる。特に、比較的弱い音圧の場合(初期時相)は、組織の高調波成分2f0は無視し得るので有効である。
【0015】
ところで、高い音圧の場合(後期時相)は、組織の高調波成分2f0を無視できなくなることがある。この場合は、帯域通過フィルタの帯域幅を0.8〜1.8f0にして、組織の高調波成分2f0を除去するのが好ましい。つまり、従来技術の専ら強調対象であった高調波成分2f0を除去又は減弱することに、本発明の他の特徴がある。なお、この場合、2f0付近に分布する造影剤に係る高調波成分の減弱を伴うが、0.8〜1.8f0付近の幅広い周波数帯域に分布している造影剤の応答信号を抽出しているので、前記の減弱を補って余りある。
【0016】
また、浅い深度部位と深い深度部位で組織の高調波成分2f0の強さが変わる。そこで、超音波ビームの深度部位に対応する応答信号の時間位置を割り出し、設定された深度より深い深度の応答信号については、高調波成分2f0を減弱するようにフィルタの通過帯域幅をリアルタイムで切り替えることが望ましい。なお、高調波成分2f0を減弱するフィルタとしては、帯域通過フィルタによる他、中心周波数が2f0の帯域除去フィルタを用いることができる。さらに、f0付近に存在する組織応答信号の基本波成分は、人体の呼吸や拍動に伴う成分も含んでいて造影剤画像においてアーチファクトとなる場合がある。この場合は、フィルタの通過帯域幅をやや狭めて1.2〜1.8f0設定することが好ましい。
【0017】
このようにして組織の高調波2f0と造影剤の応答信号に含まれる高調波とを弁別することができる。そして、弁別して抽出された造影剤の応答信号の高調波により造影剤を検出して描画することにより、従来に比べて、造影画像のSN比の改善を図ることができる。
(第2の特徴)
前述したように、本発明の第1の特徴は、造影剤の応答信号成分を強調して抽出するために、受信部のフィルタの通過帯域幅を広げたことにある。第1の特徴の効果をさらに助長するためには、造影剤に照射する超音波の周波数を広帯域にすることが好ましい。つまり、送信部は、複数の周波数成分を有する超音波信号を超音波探触子に送信するように構成することが望ましい。すなわち、造影剤はその粒径分布に対応して、分布した自由共振周波数を有するから、照射超音波の周波数スペクトラムを広い帯域に分布させることによって、より多くの造影剤が応答し、造影剤の応答信号そのものが増強される。その結果、組織の応答信号はf0及び2f0を中心とするのに対し、造影剤の応答信号は一層広い周波数帯域にわたって強いレベルで現れるので、組織の高調波と造影剤の高調波とを一層弁別し易くなる。
(第3の特徴)
上記の第1、2の特徴は、超音波ビームの1回の照射により受信される応答信号に基づいて造影描画を行なう場合を対象とする。しかし、本発明の第1、2の特徴は、超音波ビームの1回照射方式の造影描画に限られるものではなく、次に述べるいわゆる2回照射方式(又は複数回照射方式)の造影描画法にも適用できる。特に、複数回照射方式は、造影剤の移動や破壊による消滅をリアルタイムに検出して描画する場合に有効である。つまり、造影剤の移動や消滅を検出する場合、移動前と移動後又は消滅前と消滅後の2つの画像が必要になる。しかし、1回照射方式により造影剤を描画する場合、2つの画像の時間間隔が1フレーム時間間隔(10〜20ミリ秒)で制限される。したがって、血流速度が速い部位や、造影剤の破裂を検出する場合は、複数回照射方式が好適である。複数回照射方式は、極めて短い時間間隔で超音波ビームを同一方向に2回以上照射し、各照射に対応する応答信号を比較して、所定の時間間隔内に造影剤がその超音波ビーム上から移動したか、あるいは造影剤が破壊して消滅したかを、それらの応答信号を比較することのより検出することができる。
【0018】
具体的には、超音波の送信部は、超音波ビームを同一方向に時間間隔をおいて複数(M、但しM≧2の自然数)回送信する機能を有し、前記超音波信号はそれぞれ周波数の異なる波形の継続よりなり、少なくともその先頭波形の振幅は継続する波形群の振幅より大きく、かつそれら各回の信号は極性反転・時間軸反転に関して互いに非対称に設定され波形を送信されるものとする。これに合わせて、受信部は、複数(M)回の超音波信号の応答信号を整相処理する機能と、整相処理された応答信号を加算又は減算処理して生体組織の応答信号を減弱する機能を有して構成することを特徴とする。この場合において、前記第1波形と前記第2波形のそれぞれの平均周波数f0を等しくすることが最も好ましい。
【0019】
これによれば、従来の2回照射方式に比べて、生体内に照射する超音波の周波数帯域が広がるので、造影剤の応答信号に含まれる高調波成分を、広い周波数帯域にわたって強めることができる。これと同時に、造影剤の応答信号の周波数スペクトラムも周波数偏移し、加算又は減算処理することによって、1.2f0乃至1.8f0付近の帯域に広く分布することになる。その結果、生体組織の応答信号に含まれる高調波成分と、造影剤の応答信号に含まれる高調波成分とを弁別できる。そして、弁別された造影剤の応答信号の高調波により造影剤を検出して描画することにより、従来に比べて、造影画像のSN比の改善を図ることができる。
【0020】
例えば、加算又は減算処理して得られる造影剤の応答信号の周波数スペクトラムは、1.2f0乃至1.8f0付近の帯域で強調され、2f0付近ではむしろ減弱される。したがって、応答信号を広い周波数帯域にわたって受信処理することにより、造影剤の応答信号SN比を高めることができ、造影剤の応答信号を選択的に描画することができる。
【0021】
特に、上記各回の波形は、それぞれ周波数がf1、f2、…、fn、…、fN(但し、N≧2の自然数)のN個の波形を連続させてなり、f1乃至fNの平均周波数をf0としたとき、f1乃至fNの周波数分布幅Δfは0.0f0乃至0.4f0の範囲内に設定することが好ましい。これによれば、一層、造影剤の応答信号成分を強調することができる。また、周波数分布幅Δfの制限は特にないが、好ましくは0.1f0乃至0.4f0の範囲とし、さらに0.2f0乃至0.3f0の範囲にすると、回路構成上から実用的である。また、f1乃至fNの周波数分布幅Δfを、造影剤の注入後所定時間、例えば2分間は0.0f0に、2分間経過後は0.0f0乃至0.4f0の範囲内で可変設定してもよい。
【0022】
なお、第1波形又は第2波形を形成する単位波形は、正弦波の半サイクル、1サイクル以上を用いることができる。また、逆に1/4サイクル、1/8サイクルのように細かくしていき、ついには周波数が連続的に増減するチャ−プ波形を用いてもよい。チャープ波形の場合は、事実上1回目の照射波形の開始位相が異なるが、その振幅が開始波形から後続の波形に向かって漸減するチャープ波形、つまり振幅強勢型のチャープ波形が本発明には好適である。これによれば、2回の照射間の造影剤の周波数スペクトラムの差を、1回目の振幅を大きくして、さらに強調することができる。
【0023】
また、第1波形と第2波形を、周波数fと振幅Aと開始位相θとを規定するコードf(A、θ)によって設定し、第1波形はf1(A1、θ1)<f2(A2、θ2)<…<fn(An、θn)<…<fN(AN、θN)のN個の波形を連続させてなり、振幅をA1=A2=…=An=…=AN、位相をθ1=θ2=…=θn=…=θN=0°(又は180°)に設定する。一方、第2波形はf1’(A1’、θ1’)>f2’(A2’、θ2’)>…>fn’(An’、θn’)>…>fN’(AN’、θN’)のN個の波形を連続させてなり、振幅をA1’=A2’=…=An’=…=AN’に、位相をθ1’=θ2’=…=θn’=…=θN’=0°(又は180°)に設定することが好ましい。つまり、第1波形と第2波形は、周波数列の増減関係を互いに逆にし、開始位相は同一にし、振幅は同一でも異ならせてもよい。この場合は、整相処理された応答信号を減算処理して生体組織の応答信号を減弱する。位相を異ならせた場合は、整相処理された応答信号を加算処理して生体組織の応答信号を減弱する。
【0024】
また、第1波形の開始位相を180°にした場合は、立下り(負極性側)から開始るので、低い周波数f1<fNから連続する波形とし、逆に、第2波形の開始位相を0°とした場合は、立上り(正極性側)から開始するので、高い周波数fN’>f1’から連続する波形とすることを特徴とする。すなわち、立下り波形で超音波を照射すると造影剤の気泡が膨張から変形開始するので、応答信号の周波数分布は平均周波数f0よりも低めの周波数側に偏移する。一方、立上り波形で超音波を照射すると造影剤が収縮から変形開始するので、応答信号の周波数分布は平均周波数f0よりも高めの周波数側に偏移する。したがって、このように設定することにより、造影剤の応答信号の周波数分布を一層広げて、一層、造影剤の応答信号成分を強調することができるという格別の効果がある。
【0025】
この第3の特徴においても、フィルタの通過帯域幅を第1の特徴に合わせ可変設定することが望ましい。また、応答信号の深度あるいは照射する超音波音圧に応じて可変設定すること好ましい。例えば、深度が浅い部位あるいは初期時相のときは、フィルタの帯域通過幅を広くし、深度が深い部位あるいは後期時相のときは、フィルタの帯域通過幅を狭くすることができる。
(第4の特徴)
第3の特徴においては、第1波形と第2波形のそれぞれを形成する複数の周波数f1、f2、…、fNを漸次増大又は減少させて、造影剤の応答信号を強調することを特徴としている。これに対し、第4の特徴は、さらに第1波形と第2波形の少なくとも最初の半波の振幅Aを、それに続く波形の振幅よりも大きくすることにより、造影剤の応答信号を一層強調することにある。
【0026】
本発明者らは、この特徴をシミュレーション及び実験的に見出したのであり、その物理的背景は必ずしも判然としているわけではないが、仮に造影剤をある種の共鳴体と考えると説明しやすい。すなわち、造影剤に照射された音圧波形のうち、開始波形の周波数・位相・振幅が造影剤の開始応答を定めると考えられるが、ひとたび開始波形によりその応答の形を定められた造影剤の振る舞いは、後続の波形の周波数・位相・振幅が変化しても、初期応答で定められた応答に従う傾向を有するのである。丁度、ひとたびある周波数で共鳴し始めた系はその共鳴周波数から外れた入力には応答しにくいのが通例であるが、造影剤の場合にはその非線形性からこの傾向が著しいためと考えることができる。本発明の第4の特徴は、造影剤応答のこの初期波形依存性、換言すれば、初期過渡応答依存性を用いて、開始波形の最初の半波の振幅Aをそれに続く波形の振幅より大きくすることにより、開始波形の周波数成分の寄与をより強調するのである。
【0027】
これにより、生体組織の応答信号に含まれる高調波成分よりも、造影剤の応答信号に含まれる高調波成分を強調させて、かつ広い周波数帯域にわたって発生させることができる。つまり、照射開始波形の振幅を大きくしたことから、造影剤の膨張及び収縮に伴う変形によって発生する造影剤起因の応答信号を一層増大させすことができる。
【0028】
その結果、高い割合で造影剤の信号成分が強調されるから、組織の高調波と弁別して抽出でき、これに基づいて描画することにより、従来に比べて、造影画像のSN比の改善を図ることができる。
【0029】
具体的には、第1波形と第2波形を、周波数fと振幅Aと開始位相θとを規定するコードf(A、θ)によって設定し、第1波形は、f1(A1、θ1)<f2(A2、θ2)<…<fn(An、θn)<…<fN(AN、θN)のN個の波形を連続させ、振幅をA1>A2>…>An>…>ANに、位相をθ1=θ2=…=θn=…=θN=180°に設定し、第2波形を、f1’(A1’、θ1’)>f2’(A2’、θ2’)>…>fn’(An’、θn’)>…>fN’(AN’、θN’)のN個の波形を連続させ、振幅をA1’>A2’>…>An’>…>AN’に、位相をθ1’=θ2’=…=θn’=…=θN’=0°に設定することができる。
【0030】
以上の説明においては、超音波探触子に供給する超音波信号の波形について述べたが、本発明は造影剤そのものに照射される超音波音圧の波形についても成立する。つまり、最近の超音波探触子の周波数応答特性は、中心周波数に対して比帯域60%以上であれば、超音波信号の波形の理論がそのまま音響的波形の理論に当てはまることを確認している。
【0031】
【実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、以下に示す実施形態によって本発明が限定されるものではない。
(第1実施形態)
図1に、本発明が適用される一実施形態の超音波造影描画装置の全体構成図を示す。本実施形態は、本発明の第3と第4の特徴を実施するのに好適なものである。つまり、超音波信号を超音波ビームの同一方向に時間間隔をおいて2回送信し、第1回目と第2回目の超音波信号の応答信号に基づいて、造影剤の応答信号を強調した画像を得ようとするものである。
【0032】
図1に示すように、超音波造影描画装置100は、探触子10、送波部20、受波部30、画像作成表示部40、およびシステム制御部50から構成される。また、送波部20は、任意波形発生器21、送波器23から構成される。受波部30は、受波器31、整相加算器32、ライン加算器33、帯域選択フィルタ34から構成される。
【0033】
送波部20の任意波形発生器21は、図3(A)、図4(A)、図5(A)に示す第1波形61、71、81及び第2波形62、72、82の超音波信号を発生するように形成されている。任意波形発生器21の出力は送信器23を介して広帯域型の超音波探触子10に供給される。送信器23の出力部には、配列型の超音波探触子10に対応する必要なチャンネル数のパワーアンプが並列に設けられている。このようにして超音波探触子10から平均周波数f0の超音波パルスが生体組織に照射される。生体組織に分布している造影剤からの応答信号と、生体組織からの応答信号は混合された信号として超音波探触子10で受信される。
【0034】
超音波探触子10で受信された応答信号は、受信器31に入力される。受信器31は、必要なチャンネル数の前置増幅器、TGC増幅器、A/D変換器等を備え、入力される応答信号を増幅処理した後、ディジタル信号に変換して整相加算器32に出力する。整相加算器32は、1本の超音波ビームに係る複数の振動子からの応答信号の位相を整相して加算する。整相加算器32の具体例としては、加算処理中の歪の発生を最小にするため、いわゆるデジタルビームフォーマであることが望ましい。その理由は、整相加算処理によって不要な高調波2f0成分を発生させないためである。
【0035】
整相加算器32によって整相加算された応答信号は、ライン加算器33においてシステム制御部50の指令に基づいて、2回照射に対応する2つの応答信号を加算又は減算して帯域通過フィルタ34に出力する。帯域通過フィルタ34の帯域幅は、後述するように、可変調整できるようになっている。帯域通過幅の調整は、帯域通過フィルタ34をデジタルFIRフィルタとして知られるデジタルフィルタにより形成し、そのデジタルFIRフィルタの各係数列をシステム制御部50によって、深度に応じて又は超音波音圧に応じて、可変することによって実現できる。デジタルフィルタとしては、3次のチェビショフ型フィルタがとくに好適である。帯域通過フィルタ34で選択抽出された周波数成分を有する応答信号は、造影剤の起因の信号として、造影剤モード以外の処理と共通にあるいは並列して画像作成表示部40に送られる。画像作成表示部40は、通常の検波及び圧縮などの画像処理やカラーフローなどのドップラ処理あるいは走査変換処理を含む処理を行なう。
【0036】
上述の処理操作は、生体組織の所望の断面あるいは領域を覆うのに必要な回数だけ、超音波ビームの方向を走査しながら実施される。そして、画像作成表示部40の処理により、造影剤の分布、大きさとしての輝度などの画像情報として表示部に表示される。システム制御部50は上記の一連の操作をコントロールする。
【0037】
このように構成される図1の実施形態の特徴動作について、次に説明する。造影剤を注入して行なう造影剤モードの撮像は、例えばBモード断層像を撮像して表示モニタに表示しておき、造影剤モードに撮像によって得られた造影モード像を通常のBモード像に重ねて表示することが通常である。
【0038】
通常のBモード像の撮像は、システム制御部50からの制御指令に基づいて、任意波形発生器21から基本周波数f0の単一周波数を有する超音波信号を発生し、送信器23において送波フォーカス処理した後、増幅して超音波探触子10に供給して超音波ビームを生体に照射することにより行なう。生体からの応答信号は受信器31によって増幅されてディジタル信号に変換された後、整相加算器32において複数の振動子により受信された同一部位からの応答信号の位相が合わせられる。整相加算された超音波ビームごとの応答信号は帯域通過フィルタ34により特定の周波数成分の応答信号が選択して抽出される。通常のBモード像撮像の場合は、帯域通過フィルタ34の帯域幅は基本周波数f0を中心周波数とする帯域に調整される。画像作成表示部40は、帯域通過フィルタ34の出力を検波処理し、圧縮などの画像処理あるいは走査変換処理等行なって生体組織の二次元画像(Bモード像)を作成して表示部(ディスプレイ)に描画する。
【0039】
次に、本発明の特徴に係る造影剤モード像の撮像及び描画について説明する。造影剤モード像の撮像及び描画の基本的な手順及び動作は、通常のBモード像撮像と同様である。
(第3の特徴を実現する場合)
任意波形発生器21は、図3(A)に示すような、第1波形61又は第2波形62を有する超音波信号を発生するように構成されている。これらの第1波形61と第2波形62は、後述するように、周波数、開始位相及び振幅によってコード化することができ、コード化された1サイクル波形を連続して任意の波形を発生することができる。
【0040】
任意波形発生器21は、システム制御部50の制御により同一の超音波ビーム方向に対して、図3(A)の第1波形61の超音波信号を時間間隔をあけて2つ発生する。発生された1つ目の超音波信号は送信器23を介して超音波探触子10に入力される。一方、発生された2つ目の超音波信号はシステム制御部50の制御により図3(A)の第2波形62となって送信器23を介して超音波探触子10に入力される。また、任意波形発生器21が第1波形61と第2波形62の両方を発生する機能を有する場合は、データセレクタで双方の波形を選択する構成とする。
【0041】
これらの第1波形61と第2波形62の超音波信号が生体に照射されると、それらに対する2つの応答信号が受信器31に入力される。それら2つの応答信号は、同一方向の超音波ビームについての応答信号であり、時間がずれて入力される。受信器31及び整相加算器32では、それら2つの応答信号を別々に増幅、A/D変換、整相加算処理し、位相情報を有したままの応答信号(RFライン信号)としてライン加減算器33に出力する。ライン加減算器33は、2つの応答信号を位相まで考慮してRF加算し、1本の表示すべき応答信号(RFライン信号)とする。
【0042】
このようにして、2回の超音波照射の応答信号を加減算処理して得られる応答信号は、2つの応答信号に含まれる同一成分(線形成分)が減弱されて、造影剤や組織の高調波成分等の非線形成分が帯域通過フィルタ34に入力される。通過帯域フィルタ34は図1の実施形態で説明したのと同様の構成を有し、システム制御部50からの指令に基づいて、応答信号成分の深度及び造影剤の時相に応じて通過帯域幅を可変して、所望の造影剤に係る応答信号を強調するようになっている。
【0043】
なお、システム制御部50は、任意波形発生器21、受信器31、整相加算器32、ライン加減算器33、帯域通過フィルタ34に係る一連の操作をコントロールする。例えば、任意波形発生器21に対しては、超音波の第1波形61と第2波形62を予め定めたコードに従って発行する。
【0044】
ここで、図3(A)に示した第1波形61と第2波形62を用いて造影モード撮像を行なえば、造影剤の応答信号を効果的に強調できることについてのシミュレーション結果を説明する。図3(B)に、同図(A)の第1波形61の超音波信号を第1回目、同図の第2波形62の超音波信号を2回目に照射した場合に、ライン加減算器33から出力される信号をシミュレーションして得られた一例の周波数スペクトラムを示す。同図(B)の横軸は、基本周波数f0で正規化した周波数であり、縦軸は規格化された信号強度である。また、同図(B)中の線63は送信超音波の周波数スペクトラム、線64はライン加減算器33から出力される応答信号の周波数スペクトラムである。
【0045】
このシミュレーションにおいて、1回目送信の第1波形61は、最初の1サイクルは周波数がf1(=1.8MHz)であり、次の1サイクルは周波数がf2(=2.2MHz)であって、その平均周波数f0は2MHzに設定した。また、2回目送信の第2波形62は、最初の1サイクルは周波数がf2(=2.2MHz)で、次の1サイクルは周波数がf1(=1.8MHz)で、その平均周波数f0は2MHzに設定した。つまり、第1波形61と第2波形62は、1回目送信の第1波形61のコード「周波数f(振幅A、位相θ)」は、1.8MHz(1.0、180°)、2.2MHz(1.0、180°)である。また、2回目送信の第2波形62のコードは、2.2MHz(1.0、0°)、1.8MHz(1.0、0°)である。また、周波数変化幅は0.4MHzで、振幅変化幅は0.0である。各波形には、その時間軸方向にハニング重みを掛けて生体中の波形に類似させてある。また、シミュレーションは、周知の造影剤の径変化を支配する微分方程式にて、直径2ミクロンの造影剤にMI=0.7の音圧波形を付加した場合の造影剤の径変化を求め、この径変化を二次音源とみなした時の放射波動を造影剤から遠方にある観測点で観察する構成としている。
【0046】
ここで、図3(B)に示した本実施形態により得られる応答信号の周波数スペクトルの特徴を、従来技術による2回照射方式の周波数スペクトルと比較して説明する。図6(A)に従来方式の超音波送信波形を示し、同図(B)に送信信号と応答信号の周波数スペクトルを示す。それらの縦軸及び横軸は図3の場合と同一である。図6(A)において、第1波形91は1回目の送信波形を示し、第2波形92は2回目の送信波形を示す。それらの周波数はいずれも基本周波数f0=2MHzに設定されている。図6(B)において、線93は送信超音波の周波数スペクトラム、線94はライン加減算器33から出力される応答信号の周波数スペクトラムである。
【0047】
図3(B)の線64と図6(B)の線94を対比してみると、従来技術では基本周波数f0付近の応答信号成分が大幅に減弱され、2f0付近の組織の高調波成分が強調されている。これは、いわゆる組織高調波撮像(Tissue Harmonic Imagingと呼ばれている)に好適であるが,f0〜2f0にかけて広く分布する造影剤の応答信号成分は却って減弱されている。とりわけ、造影剤の応答信号の基本波成分f0が著しく減弱されている。したがって、図6に示した従来の2回照射方式の場合は、造影剤の応答信号を組織の高調波と弁別して、強調表示するという狙いを満たすことはできない。これは、従来技術による2回送信の超音波信号波形の極性又は時間軸を互いに単に反転しただけでは、2f0付近に局在する組織応答信号の高調波成分を一緒に強調するだけでなく、広い範囲にわたって分布する造影剤応答信号の基本波成分f0を著しく減弱しているからである。
【0048】
この点、本発明による図3(B)によれば、造影剤応答信号と組織応答信号の高調波との弁別比は、スペクトラム上で1.2f0乃至1.8f0付近の帯域の面積比(エネルギ比)となるから、概略10dBから20dBにも及ぶことになる。
【0049】
したがって、ライン加減算32で得られた信号は、浅い部位の描画に際しては、0.8f0乃至2.5f0付近の幅広い帯域に広がった造影剤の応答信号を含むので、帯域通過フィルタ34の通過帯域幅は0.8f0乃至2.5f0に設定して、そのまま造影剤の効果信号として描画する。また、超音波の音圧がMI=0.2から0.7の通常の造影剤描画においても同様である。一方、超音波の音圧が高いMI値(例えば、1.3)の場合は、0.8f0乃至1.8f0にする。なお、2f0を中心周波数とする帯域除去フィルタをに代えてもよい。深い部位の描画に際しては、2f0付近の組織の高調波を減弱させるため、また体動による組織基本波のアーチファクトを低減するため、帯域幅を1.2f0乃至1.8f0に変更する。
【0050】
なお、図示はしていないが、図3(A)の第1波形61と第2波形62の周波数f1、f2を入れ替えても、つまり第1コードの周波数f1と第2のコードの周波数f2の関係をf1>f2にしても、同様な効果が得られる。
【0051】
以上述べたように、第1実施形態では、超音波の送信波形を構成する1サイクルの各波形を、周波数fと振幅Aと開始位相θによってコード化し、それらの波形を連続させている。特に、図3(A)に示した波形のように、第1波形61と第2波形62の1サイクル目の周波数を異ならせることにより、2回照射する超音波送信信号の周波数を強調することを特徴とする。そして、このように周波数強調した送信信号を2回の送信し、その応答信号を加算処理すると、造影剤の応答信号のスペクトラムが2f0を中心とする帯域に強い信号が現れる分布(図6(B))から、1.2f0乃至1.8の帯域に強い信号が現れる分布(図3(B))に、周波数スペクトラムの低周波偏移が起きることが判明した。
【0052】
この応答信号のスペクトラムが低周波偏移する理由は、造影剤が非線形応答であるため必ずしも明快に理解できるわけではない。しかし、次のように考えることができる。まず、第1波形61は、開始位相が180°であるから立下り(負極性側)から開始する。逆に、第2波形62は、開始位相が0°であるから立上り(正極性側)から開始する。ここで、超音波の照射を立下り波形で開始すると造影剤の気泡が膨張から開始するから、応答信号の周波数分布は平均周波数f0よりも低めの周波数側に偏移することが考えられる。一方、立上り波形で照射開始すると造影剤の気泡が収縮から開始するから、応答信号の周波数分布は平均周波数f0よりも高めの周波数側に偏移することが考えられる。したがって、第1波形61と第2波形62の開始位相と周波数の関係によって造影剤の非線形応答の様子が変わり、その応答信号の周波数スペクトラムが異なってくるものと考えられる。換言すれば、開始波形の周波数をそれに続く他の波形の周波数と異ならせることにより、2回の照射により得られる造影剤応答信号の周波数スペクトラムが同一ではなくなり、造影剤の応答信号の周波数分布を一層広げて、造影剤の応答信号成分を強調することができるのである。
【0053】
上記の実施形態においては、超音波を時間間隔を空けて2回照射する場合について説明したが、本発明は3回以上照射する場合についても適用できる。つまり、 任意波形発生器21は、正弦波状の少なくとも1サイクルの超音波信号を、超音波ビームの同一方向に時間間隔をおいて複数(M、但しM≧2の自然数)回発生する機能を有するものとする。発生する超音波信号は、位相軸又は極性に関して対称な第1波形と第2波形の2種類の超音波信号とする。そして、第1波形と第2波形はそれぞれ周波数がf1、f2、…、fn、…、fN(但し、N≧2の自然数)のN個の波形を連続させてなる複数の周波数成分を有するものとする。そして、第1波形と第2波形の超音波信号を送信回ごとに交互に切り換えて送信するようにする。この場合において、第1波形と第2波形のf1乃至fNの平均周波数f0を等しくすることが最も好ましい。そして、f1乃至fNの周波数分布幅Δfは、0.0f0乃至0.4f0の範囲内に設定する。しかし、好ましくは0.1f0乃至0.4f0の範囲とし、さらに0.2f0乃至0.3f0の範囲にするのが回路構成上から実用的である。
【0054】
なお、第1波形又は第2波形を形成する単位波形は、正弦波の半サイクル、1サイクル以上を用いることができる。また、逆に1/4サイクル、1/8サイクルのように細かくしていき、ついには周波数が連続的に増減するチャ−プ波形を用いてもよい。チャープ波形の場合は、事実上1回目の照射波形の開始位相が異なるが、その振幅が開始波形から後続の波形に向かって漸減するチャープ波形、つまり振幅強勢型のチャープ波形が本発明には好適である。これによれば、2回の照射間の造影剤の周波数スペクトラムの差を、1回目の振幅を大きくしてさらに強調することができる。
【0055】
また、第1波形と第2波形を、周波数fと振幅Aと開始位相θとを規定するコードf(A、θ)によって設定し、第1波形はf1(A1、θ1)<f2(A2、θ2)<…<fn(An、θn)<…<fN(AN、θN)のN個の波形を連続させてなり、振幅をA1=A2=…=An=…=AN、位相をθ1=θ2=…=θn=…=θN=180°に設定する。一方、第2波形はf1’(A1’、θ1’)>f2’(A2’、θ2’)>…>fn’(An’、θn’)>…>fN’(AN’、θN’)のN個の波形を連続させてなり、振幅をA1’=A2’=…=An’=…=AN’に、位相をθ1’=θ2’=…=θn’=…=θN’=0°に設定する。つまり、第1波形と第2波形は、周波数列の増減関係を互いに逆にし、開始位相は180°差を持たせ、振幅は同一でも異ならせてもよい。この場合は、整相処理された応答信号を加算処理して生体組織の応答信号を減弱する。なお、開始位相は同一にしてもよく、この場合は、整相処理された応答信号を減算処理して生体組織の応答信号を減弱する。
【0056】
また、f1乃至fNとf1’乃至fN’の周波数分布幅ΔfとΔf’を、それぞれ超音波照射フォーカスの深度に応じて0.0f0乃至0.4f0の範囲内で可変設定することが好ましい。また、これに代えて、f1乃至fNとf1’乃至fN’の周波数分布幅ΔfとΔf’を、造影剤の注入後2分間は0.0f0に、2分経過後は0.0f0乃至0.4f0の範囲内で可変設定することができる。
【0057】
また、例えば、N=3の場合にはf1=1.8MHz、f2=2MHz、f3=2.2MHzとする。また、N=4以上であっても本発明の趣旨は損なわれない。しかし、波数が増加するつれ、各波の差は相対的に軽減するから、N<6程度の波数が有効であることを確認している。また、M≧3の場合の加減算処理は、例えば、奇数回目の応答信号を加算し、偶数回目の応答信号を信号の極性に合わせて加算又は減算することにより、造影剤の応答信号成分を抽出する。
(第4の特徴を実現する場合)
ここで、本発明の第4の特徴を実現する超音波造影描画装置に係る他の実施形態について説明する。本実施形態は、図1に示した超音波造影描画装置を用いて実現できる。第3の特徴に対しては、任意波形発生器21の機能が異なるのみである。つまり、任意波形発生器21は、図4(A)に示す第1波形71、第2波形72、又は図5(A)に示す第1波形81、第2波形82を発生するようにした点が異なる。その他は、図1に示した超音波造影描画装置と同様であることから、相違する特徴点を中心に説明する。
【0058】
図4(A)及び図5(A)が図3(A)と異なる点は、第1波形と第2波形の第1のサイクルの波形の振幅が、これに続く波形の振幅よりも大きく設定されていることにある。なお、図4(B)及び図5(B)は、図3(B)と同様のシミュレーション結果であり、線73、83は照射超音波の周波数スペクトラム、線74、84は加減算処理した応答信号の周波数スペクトラムである。
【0059】
図4(A)の第1波形71のコードf(A、θ)は、順に1.7MHz(1.1、180°)、2.3MHz(0.8、180°)であり、第2波形72のコードf(A、θ)は、順に2.3MHz(1.1、0°)、1.7MHz(0.8、0°)である。つまり、周波数変化幅Δfは、図3の0.4MHzに対し、それぞれ0.6MHzとし、振幅変化幅ΔAは、図3の0.0に対し、それぞれ0.3としている。
【0060】
図4(A)の超音波波形によれば、2回の超音波送信に対応する応答信号を加算して得られる造影剤の応答信号の受信スペクトラムは、図4(B)から明らかなように、さらに基本波f0寄りに偏移する。組織の高調波成分2f0の減弱はやや劣るものの、加算して得られる応答信号の分布を、1.2f0から1.8f0に変移して分布する造影剤の応答信号を検出することにより、造影剤を強調して、組織高調波を減弱することができる。したがって、組織の呼吸や拍動に伴う移動が顕著でない部位において、もっぱら組織の高調波を減弱させて、造影剤の応答信号と組織の高調波との弁別比をより向上させることができる。
【0061】
図5(A)の第1波形81のコードf(A、θ)は、順に1.8MHz(1.0、180°)、2.2MHz(0.9、180°)であり、第2波形82のコードf(A、θ)は、順に2.2MHz(1.0、0°)、1.8MHz(0.9、0°)で、それらの平均周波数はいずれの場合も2MHzである。つまり、周波数変化幅Δfは、図3の0.4MHzと同じ、振幅変化幅ΔAは、図3の0.0に対し、それぞれ0.1としている。
【0062】
これによれば、図4(A)に比べて、さらに組織の高調波2f0が減弱されることから、一層、造影剤の応答信号と組織の高調波との弁別比をより向上させることができる。なお、3回照射による場合は、各波形の振幅変化を、A1=1.1、A2=1.0、A3=0.9とすればよい。
【0063】
このように、図4(A)、図5(A)に示す波形を採用することにより、つまり、第1の1サイクル波形の周波数と振幅を強調した超音波波形の超音波を2回照射し、それらの応答信号を加算処理することにより、造影剤応答信号のスペクトラムが2f0強勢から、1.2f0から1.8f0の帯域の強勢へと、周波数スペクトラムの低周波偏移を起こす。この周波数遷移を起こす理由は、前述したように、超音波の照射開始の波形の極性と周波数の関係によって、造影剤の非線形応答が異なり、そのために周波数スペクトラムが遷移するものと解する。それに加えて、開始波形の振幅を大きくすることによって、造影剤の非線形応答の差が強調されると考えられる。言いかえれば、開始波形の周波数を他の順次波形の周波数に対して、異ならせることにより、2回の送波により得られる造影剤の各周波数スペクトラムが同一ではなくなり、さらに開始波形の振幅を他の順次波形列より大きくすることにより、スペクトラムの差異をより強調することができるのである。
【0064】
このように、従来技術では、図6(A)に示す同一の波形を単に極性反転した超音波を2回照射しても、2f0成分を強調することはできる。しかし、本発明の図3(A)、4(A)、5(A)のような、サイクルごとに周波数が異なり、特に送信波形の始めのサイクルの周波数を異ならせることにより、1.2f0から1.8f0の信号が強調され、逆に2f0成分を減弱することができる。特に、送信波形の始めのサイクルの振幅を2番目以降に比べて大きくすれば、始めのサイクルの周波数成分を強調することができる。その結果、加算処理後のスペクトラムを2f0中心から低周波領域へ変移させることができるから、容易に組織の高調波を弁別できる。しかも、送信波形の始めのサイクルの周波数と振幅の強め方の度合いを変えることにより、低周波領域への応答信号の周波数遷移を制御することができる。
(第1、第2の特徴を実施する場合)
図1の実施形態を用いて、本発明の第1の特徴を実現する場合は、組織の撮像と同様に、任意波形発生器21から単一の基本周波数f0を有する超音波信号を発生させて、超音波ビームを生体の所望部位に走査して照射する。また、生体からの応答信号についても、組織の撮像と同様に、組織の撮像の場合と同様に、受信器31と整相加算器32によって増幅及び整相処理を行なう。この場合は、図1のライン加算器33は不要である。つまり、整相処理された応答信号に含まれる造影剤起因の応答信号を抽出する帯域通過フィルタ34が特徴要素になる。すなわち、図2で説明したように、組織の応答信号の基本波成分2a及び高調波成分2bに比べて、造影剤起因の応答信号1は高い信号強度を有し、かつ広い周波数帯域にわたって存在する。帯域通過フィルタ34の帯域通過幅を広くして、組織の応答信号に対して相対的に造影剤の応答信号を強調することを特徴とする。特に、帯域通過フィルタ34の帯域幅は、次の(A),(B)、(C)のように可変調整することが好ましい。
(A)造影剤分布の深度に応じて、浅い部位の場合は、0.8f0乃至2.5f0に調整し、深い場合には0.8f0乃至1.8f0に、好ましくは1.2f0乃至1.8f0(又は、1.1f0乃至1.8f0)に変更する。
(B)造影剤注入後の初期位相においては、送信する超音波信号の振幅を初期の低音圧(MI=0.4〜0.7程度)とする。そして、浅い部位の場合は(1)と同様に0.8f0乃至2.5f0に調整する。
(C)造影剤注入後の後期時相においては、送信する超音波信号の振幅を後期の高音圧(MI=1.0〜1.3程度)に連動して、帯域通過フィルタ34の帯域幅は0.8f0乃至1.8f0に、好ましくは1.2f0乃至1.8f0(又は、1.1f0乃至1.8f0)に変更する。
【0065】
つまり、比較的弱い音圧の場合や、初期時相のときは、組織の高調波成分2f0は無視し得る。そこで、広い周波数帯域0.8〜2.5f0にわたる応答信号を抽出することにより、造影剤の応答信号を組織の応答信号に比べて相対的に強調することができる。なお、深度が深い場合は、組織の高周波成分2f0が強くなるが、0.8〜2.5f0にわたる応答信号を抽出しても、従来技術よりは造影剤の応答信号を強調できる。一方、後期時相のように高い音圧にする場合は、組織の高調波成分2f0を無視できないので、帯域幅を0.8〜1.8f0にして、組織の高調波成分2f0を除去又は減弱する。この場合、2f0付近に分布する造影剤に係る高調波成分の減弱を伴う。しかし、広い周波数帯域に分布している造影剤の応答信号を抽出しているので減弱を補って余りある。また、f0付近に存在する組織の応答信号の基本波成分は、人体の呼吸や拍動に伴う成分も含んでいて造影剤画像においてアーチファクトが生ずる場合は、フィルタの通過帯域幅をやや狭めて1.2〜1.8f0(又は、1.1f0乃至1.8f0)に設定することが好ましい。
【0066】
帯域幅の切り換えは、設定される送波フォーカス又は受波フォーカスを基準にしてシステム制御部50により制御する。例えば、応答信号の深度は時間軸に対応するから、システム制御部50は、帯域通過フィルタ34に入力される応答信号の時間位置が設定深度より浅い範囲は、帯域幅を0.8f0乃至2.5f0にし、深い範囲は1.2f0乃至1.8f0にリアルタイムで切り替える。
【0067】
このように通過帯域フィルタ34の帯域幅を調整することにより、組織の高調波2f0と造影剤の応答信号に含まれる高調波とを弁別することができる。そして、弁別して抽出された造影剤の応答信号の高調波により造影剤を検出して描画することにより、従来に比べて、造影画像のSN比の改善を図ることができる。なお、高調波成分2f0を減弱するフィルタとしては、帯域通過フィルタ34による他、中心周波数が2f0の帯域除去フィルタを用いることができる。
(第2の特徴を実現する場合)
上述した帯域通過フィルタ34の通過帯域幅を広げて造影剤の応答信号成分を強調して抽出する効果を、さらに助長するためには、第2の特徴に示したように、造影剤に照射する超音波の周波数を広帯域にすることが望ましい。つまり、任意波形発生器21により発生する超音波信号を、例えば、図3(A)に示す波形61のように、複数の周波数を有し、かつ平均周波数f0の超音波信号にすることで、広い範囲の周波数成分を有する信号にする。図3(A)において、波形61は周波数f1、f2の正弦波1サイクル分を連続させた波形を有し、それらの周波数f1、f2の平均周波数はf0である。図示例では、f1<f2に設定されている。なお、平均周波数f0は、組織及び装置に適した周波数を選択する。また、周知のように、時間軸方向に周知のハニング重みを掛けて生体中の波形に類似させている。このような複数の周波数を有する超音波信号を生体に照射することにより、造影剤の応答信号は周波数スペクトルの広帯域にわたって強くなる。つまり、造影剤はその粒径分布に対応して、分布した自由共振周波数を有するから、照射超音波の周波数スペクトラムを広い帯域に分布させることによって、より多くの造影剤が応答し、造影剤の応答信号そのものが増強されるからである。なお、組織の応答信号はf0及び2f0を中心とするものに変わりはない。しかし、造影剤の応答信号は一層広い周波数帯域にわたって強いレベルで現れるので、組織の高調波と造影剤の高調波とを一層弁別し易くなる。
【0068】
ここで、周波数f1、f2の差の絶対値|f1―f2|、つまり構成周波数の分布幅Δfは、0.0f0〜0.4f0の範囲内で選択する。好ましくは0.1f0〜0.4f0がよく、さらに好ましくは0.2f0〜0.3f0がよい。なお、任意波形発生器21は上述した2つの周波数f1、f2を有する波形に限られるものではなく、後述するようにN(≧2)個の周波数を有する波形を適用できる。
【0069】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、造影剤の応答信号に含まれる高調波成分を、生体組織の応答信号に含まれる高調波成分と弁別して相対的に強い信号として抽出できるから、造影剤描画の鮮明度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の超音波造影描画装置の全体構成図である。
【図2】本発明の造影剤応答信号を高い割合で抽出できる原理を説明するグラフである。
【図3】本発明の一実施形態の周波数強調に係る2回照射の送信波形の一例と、その送信波形による送信信号及び得られる応答信号の周波数スペクトラムのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図4】本発明の一実施形態の周波数及び振幅強調に係る2回照射の送信波形の一例と、その送信波形による送信信号及び得られる応答信号の周波数スペクトラムのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図5】本発明の一実施形態の周波数及び振幅強調に係る2回照射の送信波形の他の例と、その送信波形による送信信号及び得られる応答信号の周波数スペクトラムのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図6】比較のため、従来技術による2回照射の送信波形と、その送信波形による送信信号及び得られる応答信号の周波数スペクトラムのシミュレーション結果を示すグラフである
【符号の説明】
10 超音波探触子
20 送信部
21 任意波形発生器
23 送信器
30 受信部
31 受信器
32 整相加算器
33 ライン加算器
34 帯域通過フィルタ
40 画像作成表示部
50 システム制御部
61、71、81 第1波形
62、72、82 第2波形
63、73、83 送信信号スペクトラム
64、74、84 応答信号スペクトラム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasound contrast drawing apparatus that draws information necessary for diagnosis such as blood flow distribution information using an ultrasound contrast agent, and more particularly to a technique that enables a contrast agent distribution to be drawn as a clear image.
[0002]
[Prior art]
As a method for measuring blood flow distribution information in a living tissue, an ultrasonic contrast drawing method and apparatus using an ultrasonic contrast agent have been studied. For example, the document “Ultrasound in Medicine & Biology, Vol. 26, No. 6, p.965, 2000,” Ultrasound Contrast Imaging: Current and New Potential Methods: Peter JA Frinking et al. . ""It is described in.
[0003]
An ultrasound contrast agent is generally formed by mixing a large number of bubbles in a medium such as physiological saline. The bubble is, for example, an inert gas (C 3 F 8 , C 4 F 10 Etc.) is covered with a protein membrane or a lipid membrane. The particle size distribution of the bubbles is, for example, a Gaussian normal distribution, and the average particle size is several μm. However, it is known that 0.5 μm or less aggregate each other and become a substantially large particle size, resulting in a distorted normal distribution.
[0004]
Such a contrast agent is generally injected into a living body from a vein. When an ultrasound beam is irradiated onto a contrast medium injected into a living body, when the sound pressure is low, bubbles are deformed, and acoustic information associated with the deformation is mixed with the reflected signal and emitted as an ultrasonic response signal. . When the sound pressure is high, the bubbles are destroyed and strong acoustic information is emitted. That is, the ultrasonic contrast agent exhibits a non-linear response to the irradiation of ultrasonic waves, and has a fundamental frequency f. 0 When the ultrasonic wave is irradiated, the fundamental frequency component f is included in the response signal 0 In addition to the signal corresponding to 2nd harmonic component 2f 0 The signal is said to be included.
[0005]
Therefore, conventionally, the center frequency is 2f. 0 Using a relatively narrow bandpass filter 0 The presence of a contrast agent is detected by extracting. That is, 2f 0 2f corresponds to the presence or absence of contrast agent, 2f 0 Since this corresponds to the spatial density distribution of the contrast medium, it is possible to draw which part of the tissue the contrast medium flows into.
[0006]
By the way, in the drawing method using a contrast agent, it is divided roughly into an early stage and a late stage according to the time phase after the contrast agent is injected into the vein. The initial phase is a time phase in which an ultrasound contrast agent injected from a vein flows into a tissue such as a liver to be diagnosed by blood circulation. Further, the latter phase is a time phase in which the ultrasound contrast agent flowing or distributed in the tissue is sufficiently flowed out of the tissue by blood circulation after 3 to 8 minutes after the contrast agent is injected from the vein. In the initial time phase, in general, an ultrasonic sound pressure (for example, MI: mechanical index = 0.2) that does not destroy the contrast agent but generates sufficient harmonics is used. In the late time phase, most of the contrast agent flows out of the tissue, but some is trapped in the tissue. The presence or absence of this trap is considered to be different between the diseased part and the healthy part of the tissue. In this late time phase, when an ultrasonic wave with a high sound pressure (for example, MI = about 0.8 or more) that destroys the contrast agent is irradiated, strong reflection occurs when the contrast agent is destroyed. Produces a signal. Therefore, by detecting this, a region where the contrast agent is trapped, that is, a diseased part, and a region where it is not trapped, that is, a healthy part can be distinguished, which can contribute to diagnosis.
[0007]
On the other hand, U.S. Pat. No. 5,632,277 and U.S. Pat. No. 5,706,819 have been proposed as methods for extracting harmonics using the nonlinearity of the frequency of the contrast agent response signal without using a band pass filter. According to these, after the ultrasonic pulse based on the first ultrasonic signal is irradiated into the living body and the response signal is received, the second is obtained by inverting the polarity of the first ultrasonic signal at a short time interval. An ultrasonic pulse based on the ultrasonic signal is irradiated and a response signal is received. Then, by adding these received signals, etc., the component corresponding to the fundamental frequency component in the response signal is removed, and the harmonic component is extracted or emphasized, thereby detecting the contrast agent with high accuracy. is there.
[0008]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-300554 discloses a period t in which the first ultrasonic signal has a positive signal level. 1 And a period t during which the signal level is a negative constant value. 2 Have a waveform that continues in this order, and it has been proposed that the first ultrasonic signal be a second ultrasonic signal having a waveform that is inverted with respect to the time axis. According to this, the symmetry of the ultrasonic pulse based on the first and second ultrasonic signals can be increased, and the signal of the fundamental wave component (linearity component) can be reduced.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Any of the conventional techniques described above is effective for extracting or enhancing harmonic components caused by a contrast agent. However, no consideration is given to the case where the harmonic component contained in the tissue response signal is so large that it cannot be ignored compared to the harmonic component contained in the contrast agent response signal. For this reason, harmonic components included in the contrast agent response signal may not be extracted at a high rate.
[0010]
That is, the non-linear phenomenon that is the key to conventional contrast medium detection also occurs when ultrasonic waves propagate through the tissue in addition to the contrast medium. In this case, the fundamental frequency frequency f of the irradiated ultrasonic wave 0 2f harmonic component 2f 0 Was found to occur. In particular, the harmonic component 2f included in the tissue response signal 0 The signal increases in intensity as the depth increases. Therefore, the harmonic component 2f included in the response signal of the contrast agent 0 As compared with the above signal, the contrast medium detection accuracy decreases when the signal level is equal to or larger than the above signal. For example, when detecting a contrast medium in a blood vessel buried in a tissue, such as a blood flow in the liver, 2f from both the contrast medium and the tissue. 0 Therefore, the presence of the contrast agent may be detected erroneously.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to discriminate and extract a harmonic component included in a response signal of a biological tissue and a harmonic component included in a response signal of a contrast agent.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
First, the solution principle of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a result of a detailed examination of the nonlinear response between the contrast agent and the tissue with respect to the ultrasound irradiation, and schematically shows the spectrum of the response signal when the contrast agent distributed in the tissue is irradiated with the ultrasound. In the figure, the horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the signal intensity of each component. FIG. 6A shows a response signal from a relatively shallow part close to the probe, and FIG. 4B shows a response signal from a relatively deep part far from the probe. As can be seen from these drawings, the
[0013]
Here, items derived from the consideration of FIG. 2 will be organized.
(1) The frequency component (nonlinear response) of the response signal of the contrast agent is 2f 0 It is not localized in and is distributed over a wide band. This tendency becomes more prominent as the frequency spectrum of the ultrasonic signal to be transmitted is wider.
(2) The response signal of the contrast agent strongly depends on the diameter of the contrast agent, and is remarkably emphasized at the free resonance frequency fR of the contrast agent. As described above, since the contrast agent has a particle size distribution, harmonics appear in a wide frequency band.
(3) The fundamental wave component of the contrast agent response signal is as strong as the fundamental wave component of the tissue response signal.
(4) The harmonics of the tissue response signal are relatively 2f regardless of the strength of the ultrasonic sound pressure. 0 Localized in the vicinity.
(5) The harmonic of the response signal of the tissue is significantly weaker than the harmonic component of the contrast agent in the case of a relatively low ultrasonic sound pressure and in a shallow region.
[0014]
In view of the above considerations (1) to (5), the present invention solves the above problems by means of a solution having the following characteristics.
(First feature)
The receiving unit is provided with a filter for extracting a specific frequency component from the response signal, and the passband width of this filter is set to the average frequency of the ultrasonic signal transmitted to the ultrasonic probe. 0 0.8f 0 To 2.5f 0 It is characterized by being set within the range. That is, in view of the fact that the contrast agent response signal is distributed over a wide frequency band and the signal intensity is high over a wide frequency band, 0 Wide frequency band not limited to 0.8-2.5f 0 Is extracted with a band pass filter. Thereby, the response signal of the contrast agent can be relatively emphasized as compared with the response signal of the tissue. In particular, in the case of a relatively weak sound pressure (initial time phase), the harmonic component 2f of the tissue 0 Is effective because it can be ignored.
[0015]
By the way, in the case of high sound pressure (late time phase), the harmonic component 2f of the tissue 0 May not be ignored. In this case, the bandwidth of the band pass filter is 0.8 to 1.8 f. 0 The harmonic component 2f of the tissue 0 Is preferably removed. In other words, the harmonic component 2f that was exclusively emphasized in the prior art. 0 There is another feature of the present invention in removing or attenuating. In this case, 2f 0 0.8 to 1.8f with attenuation of harmonic components related to the contrast agent distributed in the vicinity 0 Since the response signal of the contrast agent distributed in the wide frequency band in the vicinity is extracted, the above attenuation is more than compensated.
[0016]
In addition, the harmonic component 2f of the tissue at a shallow depth region and a deep depth region. 0 The strength of will change. Therefore, the time position of the response signal corresponding to the depth part of the ultrasonic beam is determined, and the harmonic component 2f is obtained for the response signal having a depth deeper than the set depth. 0 It is desirable to switch the passband width of the filter in real time so as to attenuate the noise. Note that the harmonic component 2f 0 As a filter that attenuates the center frequency, in addition to a band pass filter, the center frequency is 2f. 0 Can be used. Furthermore, f 0 The fundamental wave component of the tissue response signal existing in the vicinity includes a component associated with breathing and pulsation of the human body, and may be an artifact in the contrast agent image. In this case, the passband width of the filter is slightly narrowed to 1.2 to 1.8 f. 0 It is preferable to set.
[0017]
In this way, the tissue harmonic 2f 0 And harmonics contained in the response signal of the contrast agent can be discriminated. Then, by detecting and drawing the contrast medium based on the harmonic of the response signal of the contrast medium extracted by discrimination, the SN ratio of the contrast image can be improved as compared with the conventional technique.
(Second feature)
As described above, the first feature of the present invention is that the passband width of the filter of the receiving unit is widened in order to emphasize and extract the response signal component of the contrast agent. In order to further promote the effect of the first feature, it is preferable that the frequency of the ultrasonic wave applied to the contrast agent is widened. That is, it is desirable that the transmission unit is configured to transmit an ultrasonic signal having a plurality of frequency components to the ultrasonic probe. That is, since the contrast agent has a distributed free resonance frequency corresponding to the particle size distribution, more contrast agents respond by distributing the frequency spectrum of the irradiated ultrasound over a wide band, and the contrast agent The response signal itself is enhanced. As a result, the tissue response signal is f 0 And 2f 0 In contrast, since the response signal of the contrast agent appears at a strong level over a wider frequency band, it becomes easier to distinguish the harmonics of the tissue from the harmonics of the contrast agent.
(Third feature)
The first and second features described above are for the case where contrast drawing is performed based on a response signal received by one irradiation of an ultrasonic beam. However, the first and second features of the present invention are not limited to the one-irradiation contrast-enhanced drawing of the ultrasonic beam, but the so-called two-irradiation-type (or multiple-irradiation-type) contrast drawing method described below. It can also be applied to. In particular, the multiple-irradiation method is effective when drawing is performed by detecting in real time the disappearance due to the movement or destruction of the contrast agent. That is, when detecting the movement or disappearance of the contrast agent, two images before and after the movement or before and after the disappearance are required. However, when the contrast medium is drawn by the one-time irradiation method, the time interval between the two images is limited to one frame time interval (10 to 20 milliseconds). Therefore, when detecting a site where the blood flow velocity is high or a contrast medium rupture, a multiple irradiation method is preferable. In the multiple irradiation method, an ultrasonic beam is irradiated twice or more in the same direction at an extremely short time interval, and the response signal corresponding to each irradiation is compared, and the contrast agent is placed on the ultrasonic beam within a predetermined time interval. It can be detected by comparing the response signals whether the contrast medium has moved or the contrast medium has been destroyed and disappeared.
[0018]
Specifically, the ultrasonic wave transmission unit has a function of transmitting an ultrasonic beam a plurality of times (M, where M ≧ 2 is a natural number) at intervals in the same direction, and each of the ultrasonic signals has a frequency. It is assumed that the amplitude of the first waveform is larger than the amplitude of the continuing waveform group, and the signals at each time are set asymmetric with respect to polarity inversion and time axis inversion and the waveform is transmitted. . In accordance with this, the receiving unit attenuates the response signal of the biological tissue by adding or subtracting the response signal subjected to the phasing process and the function of phasing the response signal of a plurality of (M) ultrasonic signals. It is characterized by having a function to perform. In this case, the average frequency f of each of the first waveform and the second waveform 0 Are most preferably equal.
[0019]
According to this, since the frequency band of the ultrasonic wave irradiated into the living body is widened compared with the conventional two-time irradiation method, the harmonic component included in the response signal of the contrast agent can be strengthened over a wide frequency band. . At the same time, the frequency spectrum of the response signal of the contrast agent is also shifted in frequency and added or subtracted to obtain 1.2f. 0 To 1.8f 0 It will be widely distributed in nearby bands. As a result, the harmonic component contained in the response signal of the living tissue can be discriminated from the harmonic component contained in the response signal of the contrast agent. Then, by detecting and drawing the contrast agent by the harmonic of the response signal of the contrast agent thus discriminated, the SN ratio of the contrast image can be improved as compared with the conventional case.
[0020]
For example, the frequency spectrum of the response signal of the contrast agent obtained by addition or subtraction processing is 1.2f 0 To 1.8f 0 Emphasized in nearby bands, 2f 0 Rather it is attenuated in the vicinity. Therefore, by receiving and processing the response signal over a wide frequency band, the response signal SN ratio of the contrast agent can be increased, and the response signal of the contrast agent can be selectively drawn.
[0021]
In particular, each of the above-mentioned waveforms consists of N waveforms having frequencies f1, f2,..., Fn,..., FN (where N ≧ 2 is a natural number), and the average frequency of f1 to fN is represented by f. 0 When the frequency distribution width Δf of f1 to fN is 0.0f 0 To 0.4f 0 It is preferable to set within the range. According to this, the response signal component of the contrast agent can be further enhanced. Further, there is no particular limitation on the frequency distribution width Δf, but preferably 0.1 f. 0 To 0.4f 0 And 0.2f 0 To 0.3f 0 If it is within the range, it is practical from the viewpoint of circuit configuration. Further, the frequency distribution width Δf of f1 to fN is set to 0.0 f for a predetermined time after injection of the contrast agent, for example, 2 minutes. 0 And after 2 minutes, 0.0f 0 To 0.4f 0 It may be variably set within the range.
[0022]
Note that a unit waveform forming the first waveform or the second waveform can use a half cycle of a sine wave, one cycle or more. Conversely, it is possible to use a chirp waveform in which the frequency is made finer, such as ¼ cycle and 、 cycle, and the frequency continuously increases and decreases. In the case of a chirp waveform, the start phase of the first irradiation waveform is actually different, but a chirp waveform whose amplitude gradually decreases from the start waveform toward the subsequent waveform, that is, an amplitude-enhanced chirp waveform is suitable for the present invention. It is. According to this, the difference in the frequency spectrum of the contrast medium between the two irradiations can be further enhanced by increasing the first amplitude.
[0023]
Further, the first waveform and the second waveform are set by a code f (A, θ) that defines the frequency f, the amplitude A, and the start phase θ, and the first waveform is f1 (A1, θ1) <f2 (A2, θ2) <... <fn (An, θn) <... <fN (AN, θN), N waveforms are continuous, the amplitude is A1 = A2 =... = An =... = AN, and the phase is .theta.1 = .theta.2. = ... = θn = ... = θN = 0 ° (or 180 °). On the other hand, the second waveform is f1 ′ (A1 ′, θ1 ′)> f2 ′ (A2 ′, θ2 ′)>...> Fn ′ (An ′, θn ′)>...> FN ′ (AN ′, θN ′). N waveforms are continuously arranged, the amplitude is A1 ′ = A2 ′ =... = An ′ =... = AN ′, and the phase is θ1 ′ = θ2 ′ =. Or 180 °). That is, the first waveform and the second waveform may have the frequency sequence increase / decrease relationship reversed, the start phase may be the same, and the amplitude may be the same or different. In this case, the response signal subjected to phasing is subtracted to attenuate the response signal of the living tissue. When the phases are different, the response signal subjected to phasing is added to attenuate the response signal of the living tissue.
[0024]
In addition, when the start phase of the first waveform is 180 °, it starts from the falling (negative polarity side), so that the waveform continues from the low frequency f1 <fN, and conversely, the start phase of the second waveform is set to 0. When it is set to °, since it starts from the rising edge (positive polarity side), it is characterized in that the waveform is continuous from the high frequency fN ′> f1 ′. That is, when the ultrasonic wave is irradiated with the falling waveform, the bubbles of the contrast medium start to deform from the expansion, so that the frequency distribution of the response signal has an average frequency f 0 It shifts to a lower frequency side. On the other hand, when the ultrasonic wave is irradiated with the rising waveform, the contrast medium starts to be deformed from the contraction, so that the frequency distribution of the response signal has an average frequency f. 0 It shifts to a higher frequency side. Therefore, by setting in this way, the frequency distribution of the response signal of the contrast agent can be further expanded, and the response signal component of the contrast agent can be further enhanced.
[0025]
Also in the third feature, it is desirable to variably set the passband width of the filter in accordance with the first feature. Moreover, it is preferable to variably set according to the depth of the response signal or the ultrasonic sound pressure to be irradiated. For example, the band pass width of the filter can be widened at a shallow part or an initial time phase, and the filter band pass width can be narrowed at a deep part or a late time phase.
(Fourth feature)
In the third feature, the response signal of the contrast agent is emphasized by gradually increasing or decreasing the plurality of frequencies f1, f2,..., FN forming the first waveform and the second waveform, respectively. . In contrast, the fourth feature further enhances the response signal of the contrast agent by making the amplitude A of at least the first half wave of the first waveform and the second waveform larger than the amplitude of the subsequent waveform. There is.
[0026]
The present inventors have found this characteristic through simulation and experiment, and the physical background is not necessarily clear, but it is easy to explain if the contrast agent is considered as a kind of resonator. That is, among the sound pressure waveforms irradiated to the contrast agent, the frequency, phase, and amplitude of the start waveform are considered to determine the start response of the contrast agent, but once the shape of the response is determined by the start waveform The behavior tends to follow the response defined by the initial response even if the frequency, phase, and amplitude of the subsequent waveform change. A system that has just started to resonate at a certain frequency is usually difficult to respond to an input that deviates from the resonance frequency, but in the case of contrast agents, this tendency is remarkable due to its nonlinearity. it can. The fourth feature of the present invention is that this initial waveform dependence of the contrast agent response, in other words, the initial transient response dependence, is used to make the amplitude A of the first half wave of the starting waveform greater than the amplitude of the subsequent waveform. By doing so, the contribution of the frequency component of the starting waveform is further emphasized.
[0027]
Thereby, the harmonic component contained in the response signal of a contrast agent can be emphasized rather than the harmonic component contained in the response signal of a biological tissue, and can be generated over a wide frequency band. That is, since the amplitude of the irradiation start waveform is increased, it is possible to further increase the response signal due to the contrast agent generated by the deformation accompanying the expansion and contraction of the contrast agent.
[0028]
As a result, since the signal component of the contrast agent is emphasized at a high rate, it can be extracted by being distinguished from the harmonics of the tissue, and drawing based on this can improve the SN ratio of the contrast image compared to the conventional case. be able to.
[0029]
Specifically, the first waveform and the second waveform are set by a code f (A, θ) that defines the frequency f, the amplitude A, and the start phase θ, and the first waveform is f1 (A1, θ1) < f2 (A2, θ2) <... <fn (An, θn) <... <N waveforms of fN (AN, θN) are continued, and the amplitude is set to A1>A2>...>An>...> AN. θ1 = θ2 = ... = θn = ... = θN = 180 °, and the second waveform is expressed as f1 ′ (A1 ′, θ1 ′)> f2 ′ (A2 ′, θ2 ′)>...> fn ′ (An ′ , Θn ′)>...> FN ′ (AN ′, θN ′), N waveforms are continued, the amplitude is A1 ′> A2 ′>...> An ′>...> AN ′, and the phase is θ1 ′ = θ2. '= ... = θn' = ... = θN '= 0 ° can be set.
[0030]
In the above description, the waveform of the ultrasonic signal supplied to the ultrasonic probe has been described. However, the present invention also holds true for the waveform of the ultrasonic sound pressure applied to the contrast agent itself. In other words, if the frequency response characteristics of recent ultrasonic probes have a relative bandwidth of 60% or more with respect to the center frequency, it is confirmed that the theory of the waveform of the ultrasonic signal is directly applied to the theory of the acoustic waveform. Yes.
[0031]
Embodiment
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.
(First embodiment)
FIG. 1 shows an overall configuration diagram of an ultrasonic contrast drawing apparatus according to an embodiment to which the present invention is applied. This embodiment is suitable for implementing the third and fourth features of the present invention. That is, an image in which an ultrasonic signal is transmitted twice in the same direction of the ultrasonic beam with a time interval and the response signal of the contrast agent is emphasized based on the response signals of the first and second ultrasonic signals. Is going to get.
[0032]
As shown in FIG. 1, the ultrasound contrast imaging apparatus 100 includes a
[0033]
The
[0034]
The response signal received by the
[0035]
The response signal subjected to the phasing addition by the phasing
[0036]
The above processing operations are performed while scanning the direction of the ultrasonic beam as many times as necessary to cover a desired cross section or region of the living tissue. And by the process of the image
[0037]
The characteristic operation of the embodiment of FIG. 1 configured as described above will be described next. In contrast agent mode imaging performed by injecting contrast agent, for example, a B-mode tomographic image is captured and displayed on a display monitor, and the contrast mode image obtained by imaging in contrast agent mode is converted into a normal B-mode image. Usually, the images are displayed in an overlapping manner.
[0038]
A normal B-mode image is captured from the
[0039]
Next, imaging and drawing of a contrast agent mode image according to the features of the present invention will be described. The basic procedure and operation for capturing and drawing a contrast agent mode image are the same as those for normal B-mode image capturing.
(When realizing the third feature)
The
[0040]
The
[0041]
When the ultrasonic signals of the
[0042]
In this way, in the response signal obtained by adding / subtracting the response signal of the two ultrasonic irradiations, the same component (linear component) included in the two response signals is attenuated, and the harmonics of the contrast agent and tissue Non-linear components such as components are input to the
[0043]
The
[0044]
Here, a simulation result will be described that the contrast mode response signal can be effectively enhanced by performing contrast mode imaging using the
[0045]
In this simulation, the
[0046]
Here, the characteristics of the frequency spectrum of the response signal obtained by the present embodiment shown in FIG. 3B will be described in comparison with the frequency spectrum of the double irradiation method according to the prior art. FIG. 6A shows a conventional ultrasonic transmission waveform, and FIG. 6B shows a frequency spectrum of the transmission signal and the response signal. Their vertical and horizontal axes are the same as in FIG. In FIG. 6A, a
[0047]
When the
[0048]
In this regard, according to FIG. 3B according to the present invention, the discrimination ratio between the contrast agent response signal and the harmonic of the tissue response signal is 1.2 f on the spectrum. 0 To 1.8f 0 Since it is the area ratio (energy ratio) of the nearby band, it is approximately 10 dB to 20 dB.
[0049]
Therefore, the signal obtained by the line addition /
[0050]
Although not shown, even if the frequencies f1 and f2 of the
[0051]
As described above, in the first embodiment, each waveform of one cycle constituting the ultrasonic transmission waveform is coded by the frequency f, the amplitude A, and the start phase θ, and these waveforms are made continuous. In particular, as in the waveform shown in FIG. 3A, the frequency of the ultrasonic transmission signal irradiated twice is emphasized by making the
[0052]
The reason why the spectrum of the response signal shifts at a low frequency cannot be clearly understood because the contrast agent has a nonlinear response. However, it can be considered as follows. First, the
[0053]
In the above embodiment, the case of irradiating ultrasonic waves twice with a time interval has been described, but the present invention can also be applied to the case of irradiating three times or more. That is, the
[0054]
Note that a unit waveform forming the first waveform or the second waveform can use a half cycle of a sine wave, one cycle or more. Conversely, it is possible to use a chirp waveform in which the frequency is made finer, such as ¼ cycle and 、 cycle, and the frequency continuously increases and decreases. In the case of a chirp waveform, the start phase of the first irradiation waveform is actually different, but a chirp waveform whose amplitude gradually decreases from the start waveform toward the subsequent waveform, that is, an amplitude-enhanced chirp waveform is suitable for the present invention. It is. According to this, the difference in the frequency spectrum of the contrast medium between the two irradiations can be further enhanced by increasing the first amplitude.
[0055]
Further, the first waveform and the second waveform are set by a code f (A, θ) that defines the frequency f, the amplitude A, and the start phase θ, and the first waveform is f1 (A1, θ1) <f2 (A2, θ2) <... <fn (An, θn) <... <fN (AN, θN), and N waveforms are continuous, the amplitude is A1 = A2 =... = An =... = AN, and the phase is .theta.1 = .theta.2. = ... = θn = ... = θN = 180 °. On the other hand, the second waveform is f1 ′ (A1 ′, θ1 ′)> f2 ′ (A2 ′, θ2 ′)>...> Fn ′ (An ′, θn ′)>...> FN ′ (AN ′, θN ′) N waveforms are continuous, the amplitude is A1 '= A2' = ... = An '= ... = AN', and the phase is θ1 '= θ2' = ... = θn '= ... = θN' = 0 ° Set. That is, the first waveform and the second waveform may have the frequency sequence increase / decrease relationship reversed, the start phase may have a 180 ° difference, and the amplitude may be the same or different. In this case, the response signal subjected to the phasing process is added to attenuate the response signal of the living tissue. The start phase may be the same. In this case, the response signal subjected to the phasing process is subtracted to attenuate the response signal of the living tissue.
[0056]
Further, the frequency distribution widths Δf and Δf ′ of f1 to fN and f1 ′ to fN ′ are set to 0.0 f according to the depth of the ultrasonic irradiation focus, respectively. 0 To 0.4f 0 It is preferable to variably set within the range. Alternatively, the frequency distribution widths Δf and Δf ′ of f1 to fN and f1 ′ to fN ′ are set to 0.0 f for 2 minutes after the injection of the contrast agent. 0 And after 2 minutes, 0.0f 0 To 0.4f 0 Can be variably set within the range.
[0057]
For example, when N = 3, f1 = 1.8 MHz, f2 = 2 MHz, and f3 = 2.2 MHz. Further, even if N = 4 or more, the gist of the present invention is not impaired. However, as the wave number increases, the difference between the waves is relatively reduced, and it has been confirmed that a wave number of about N <6 is effective. In addition, in the case of M ≧ 3, the addition / subtraction processing extracts the response signal component of the contrast agent, for example, by adding the odd response signals and adding or subtracting the even response signals according to the signal polarity. To do.
(When realizing the fourth feature)
Here, another embodiment according to an ultrasonic contrast rendering apparatus that realizes the fourth feature of the present invention will be described. This embodiment can be realized by using the ultrasonic contrast drawing apparatus shown in FIG. The third feature is that the function of the
[0058]
4A and 5A are different from FIG. 3A in that the amplitude of the waveform of the first cycle of the first waveform and the second waveform is set larger than the amplitude of the subsequent waveform. There is in being. 4B and 5B show the same simulation results as in FIG. 3B,
[0059]
The code f (A, θ) of the
[0060]
According to the ultrasonic waveform of FIG. 4A, the reception spectrum of the contrast agent response signal obtained by adding the response signals corresponding to two ultrasonic transmissions is clear from FIG. And the fundamental wave f 0 Shift to the side. Harmonic component 2f of tissue 0 Although the attenuation is slightly inferior, the distribution of the response signal obtained by addition is 1.2f. 0 To 1.8f 0 By detecting the response signal of the contrast medium that is shifted and distributed to the contrast medium, it is possible to emphasize the contrast medium and attenuate tissue harmonics. Therefore, the harmonics of the tissue can be attenuated exclusively in the region where the movement due to the respiration and pulsation of the tissue is not remarkable, and the discrimination ratio between the response signal of the contrast agent and the harmonics of the tissue can be further improved.
[0061]
The code f (A, θ) of the
[0062]
According to this, as compared with FIG. 0 Therefore, the discrimination ratio between the response signal of the contrast agent and the harmonics of the tissue can be further improved. In the case of three irradiations, the amplitude change of each waveform may be A1 = 1.1, A2 = 1.0, and A3 = 0.9.
[0063]
Thus, by adopting the waveforms shown in FIGS. 4 (A) and 5 (A), that is, the ultrasonic wave of the ultrasonic waveform emphasizing the frequency and amplitude of the first one-cycle waveform is irradiated twice. By adding the response signals, the spectrum of the contrast agent response signal is 2f. 0 From the stress, 1.2f 0 To 1.8f 0 This causes a low frequency shift of the frequency spectrum to the stress of the band. As described above, the reason why this frequency transition occurs is that the non-linear response of the contrast agent differs depending on the relationship between the polarity of the waveform of the start of ultrasonic irradiation and the frequency, and therefore the frequency spectrum transitions. In addition, it is considered that the difference in the non-linear response of the contrast agent is emphasized by increasing the amplitude of the starting waveform. In other words, by making the frequency of the starting waveform different from the frequency of other sequential waveforms, the frequency spectrum of the contrast agent obtained by two transmissions is not the same, and the amplitude of the starting waveform is different from the other By making it larger than the sequential waveform sequence, it is possible to further emphasize the difference in spectrum.
[0064]
As described above, in the conventional technique, even if the same waveform shown in FIG. 0 The ingredients can be emphasized. However, as shown in FIGS. 3 (A), 4 (A), and 5 (A) of the present invention, the frequency is different for each cycle. In particular, by changing the frequency of the first cycle of the transmission waveform, 1.2f 0 To 1.8f 0 The signal of 0 Ingredients can be attenuated. In particular, if the amplitude of the first cycle of the transmission waveform is increased compared to the second and subsequent cycles, the frequency component of the first cycle can be emphasized. As a result, the spectrum after addition processing is 2f. 0 Since it can be shifted from the center to the low frequency region, the harmonics of the tissue can be easily distinguished. In addition, the frequency transition of the response signal to the low frequency region can be controlled by changing the frequency of the first cycle of the transmission waveform and the degree of amplitude enhancement.
(When implementing the first and second features)
When the first feature of the present invention is realized using the embodiment of FIG. 1, a single fundamental frequency f is generated from the
(A) 0.8f in the case of a shallow part depending on the depth of contrast medium distribution 0 To 2.5f 0 If it is deep, adjust to 0.8f 0 To 1.8f 0 And preferably 1.2f 0 To 1.8f 0 (Or 1.1f 0 To 1.8f 0 ).
(B) In the initial phase after contrast agent injection, the amplitude of the ultrasonic signal to be transmitted is set to the initial low sound pressure (MI = about 0.4 to 0.7). And in the case of a shallow part, it is 0.8f like (1). 0 To 2.5f 0 Adjust to.
(C) In the later time phase after contrast medium injection, the bandwidth of the
[0065]
That is, in the case of a relatively weak sound pressure or in the initial time phase, the harmonic component 2f of the tissue 0 Can be ignored. Therefore, wide frequency band 0.8 ~ 2.5f 0 The response signal of the contrast agent can be relatively emphasized relative to the response signal of the tissue. When the depth is deep, the high-frequency component 2f of the tissue 0 Is stronger, 0.8-2.5f 0 The response signal of the contrast agent can be emphasized as compared with the conventional technique. On the other hand, when the sound pressure is high as in the later phase, the harmonic component 2f of the tissue 0 Can not be ignored, so the bandwidth is 0.8-1.8f 0 The harmonic component 2f of the tissue 0 Is removed or attenuated. In this case, 2f 0 It is accompanied by attenuation of harmonic components related to the contrast agent distributed in the vicinity. However, since the response signal of the contrast agent distributed over a wide frequency band is extracted, there is a sufficient compensation for attenuation. F 0 When the fundamental wave component of the response signal of the tissue existing in the vicinity includes a component accompanying breathing or pulsation of the human body and an artifact occurs in the contrast agent image, the passband width of the filter is slightly narrowed to 1.2 to 1.8 f. 0 (Or 1.1f 0 To 1.8f 0 ) Is preferable.
[0066]
The switching of the bandwidth is controlled by the
[0067]
By adjusting the bandwidth of the
(When realizing the second feature)
In order to further enhance the effect of enhancing and extracting the response signal component of the contrast agent by expanding the pass band width of the
[0068]
Where frequency f 1 , F 2 Absolute value of difference | f 1 -F 2 |, That is, the distribution width Δf of the component frequency is 0.0 f. 0 ~ 0.4f 0 Select within the range. Preferably 0.1f 0 ~ 0.4f 0 Better, more preferably 0.2f 0 ~ 0.3f 0 Is good. The
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the harmonic component included in the response signal of the contrast agent can be extracted as a relatively strong signal by distinguishing it from the harmonic component included in the response signal of the biological tissue. The sharpness of the agent drawing can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ultrasonic contrast drawing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph for explaining the principle that a contrast agent response signal of the present invention can be extracted at a high rate.
FIG. 3 is a graph showing an example of a two-irradiation transmission waveform related to frequency enhancement according to an embodiment of the present invention, and a simulation result of a frequency spectrum of a transmission signal and an obtained response signal according to the transmission waveform.
FIG. 4 is a graph showing an example of a transmission waveform of twice irradiation according to frequency and amplitude enhancement according to an embodiment of the present invention, and a simulation result of a frequency spectrum of a transmission signal and an obtained response signal according to the transmission waveform.
FIG. 5 is a graph showing another example of a two-irradiation transmission waveform related to frequency and amplitude emphasis according to an embodiment of the present invention, and a simulation result of a frequency spectrum of a transmission signal and an obtained response signal according to the transmission waveform. is there.
FIG. 6 is a graph showing a simulation result of a transmission waveform of a two-time irradiation according to the prior art and a frequency spectrum of a transmission signal and the response signal obtained by the transmission waveform for comparison.
[Explanation of symbols]
10 Ultrasonic probe
20 Transmitter
21 Arbitrary waveform generator
23 Transmitter
30 Receiver
31 Receiver
32 Phased adder
33 line adder
34 Band pass filter
40 Image creation display
50 System controller
61, 71, 81 First waveform
62, 72, 82 Second waveform
63, 73, 83 Transmission signal spectrum
64, 74, 84 Response signal spectrum
Claims (8)
前記送信部は、超音波ビームを同一方向に時間間隔をおいて複数(M、但しM≧2の自然数)回送信する機能を有し、各回の超音波信号はそれぞれ周波数の異なる波形の継続よりなり、少なくともその先頭波形の振幅は継続する波形群の振幅より大きく、かつそれら各回の信号は極性反転・時間軸反転に関して互いに非対称に設定され、
前記受信部は、前記複数(M)回の超音波信号の応答信号を整相処理する機能と、該整相処理された応答信号を加算又は減算処理して前記生体組織の応答信号を減弱する機能とを有してなる超音波造影描画装置。An ultrasonic probe that transmits and receives ultrasonic waves to and from a living body, a transmitter that transmits ultrasonic signals to the ultrasonic probe, and an ultrasonic response signal received by the ultrasonic probe. A receiving unit for processing, and a drawing unit for creating a tomographic image of the living body based on the response signal processed by the receiving unit;
The transmitting unit has a function of transmitting an ultrasonic beam a plurality of times (M, where M ≧ 2 is a natural number) times at a time interval in the same direction, and each time an ultrasonic signal is obtained by continuation of waveforms having different frequencies. At least the amplitude of the leading waveform is larger than the amplitude of the continuing waveform group, and the signals of each time are set asymmetric with respect to polarity inversion and time axis inversion,
The receiving unit attenuates the response signal of the living tissue by performing a phasing process on the response signal of the plurality of (M) times of ultrasonic signals and adding or subtracting the phasing process response signal. An ultrasonic contrast drawing apparatus having a function.
前記送信部は、超音波ビームを同一方向に時間間隔をおいて複数(M、但しM≧2の自然数)回送信する機能を有し、各回の超音波信号は周波数がf1、f2、…、fn、…、fN(但し、N≧2の自然数)のN個の波形を連続させてなる平均周波数f0の信号であり、前記f1乃至fNの周波数分布幅Δfは0.0f0乃至0.4f0の範囲内に設定され、かつ少なくともその先頭波形の振幅は継続する波形群の振幅より大きく、かつその各回の信号は極性反転・時間軸反転に関して互いに非対称に設定されてなり、
前記受信部は、前記複数(M)回の超音波信号の応答信号を整相処理する機能と、該整相処理された応答信号を加算又は減算処理して前記生体組織の応答信号を減弱する機能とを有してなる超音波造影描画装置。An ultrasonic probe that transmits and receives ultrasonic waves to and from a living body, a transmitter that transmits ultrasonic signals to the ultrasonic probe, and an ultrasonic response signal received by the ultrasonic probe. A receiving unit for processing, and a drawing unit for creating a tomographic image of the living body based on the response signal processed by the receiving unit;
The transmitting unit has a function of transmitting an ultrasonic beam a plurality of times (M, a natural number of M ≧ 2) at time intervals in the same direction, and the frequency of each ultrasonic signal is f1, f2,. fn, ..., fN (where natural number N ≧ 2) is the average signal of a frequency f 0 are N comprising a by continuous waveform, the frequency distribution width Δf of the f1 to fN are 0.0f 0 to 0.4F 0 And at least the amplitude of the first waveform is larger than the amplitude of the continuing waveform group, and each time signal is set asymmetric with respect to polarity inversion and time axis inversion,
The receiving unit attenuates the response signal of the living tissue by performing a phasing process on the response signal of the plurality of (M) times of ultrasonic signals and adding or subtracting the phasing process response signal. An ultrasonic contrast drawing apparatus having a function.
f1(A1、θ1)<f2(A2、θ2)<…<fn(An、θn)<…<fN(AN、θN)のN個の波形を連続させてなり、振幅がA1>A2>…>An>…>ANに、位相がθ1=θ2=…=θn=…=θN=180°に第1波形を設定され、
f1’(A1’、θ1’)>f2’(A2’、θ2’)>…>fn’(An’、θn’)>…>fN’(AN’、θN’)のN個の波形を連続させてなり、振幅がA1’>A2’>…>An’>…>AN’に、位相がθ1’=θ2’=…=θn’=…=θN’=0°に第2波形を設定されてなることを特徴とする請求項2に記載の超音波造影描画装置。Each waveform is set by a code f (A, θ) that defines a frequency f, an amplitude A, and a starting phase θ,
f1 (A1, θ1) <f2 (A2, θ2) <... <fn (An, θn) <... <fN (AN, θN), and the amplitude is A1>A2>.An>...> AN, the first waveform is set to a phase of θ1 = θ2 = ... = θn = ... = θN = 180 °,
f1 ′ (A1 ′, θ1 ′)> f2 ′ (A2 ′, θ2 ′)>...> fn ′ (An ′, θn ′)>...> fN ′ (AN ′, θN ′) The second waveform is set with an amplitude of A1 '>A2'>...> An '>...>AN' and a phase of θ1 '= θ2' = ... = θn '= ... = θN' = 0 °. The ultrasound contrast imaging apparatus according to claim 2, wherein:
前記送信部は、超音波ビームを同一方向に時間間隔をおいて複数(M、但しM≧2の自然数)回送信する機能を有し、各回の超音波信号は異なる周波数成分を有する半波群からなり、かつ少なくとも第1半波の振幅はそれに継続する半波群の振幅より大きく、かつそれらの半波群は位相軸又は極性に関し非対称に設定され、
前記受信部は、前記複数(M)回の超音波信号の応答信号を整相処理する機能と、該整相処理された応答信号を加算又は減算処理して前記生体組織の応答信号を減弱する機能とを有してなる超音波造影描画装置。An ultrasonic probe that transmits and receives ultrasonic waves to and from a living body, a transmitter that transmits ultrasonic signals to the ultrasonic probe, and an ultrasonic response signal received by the ultrasonic probe. A receiving unit for processing, and a drawing unit for creating a tomographic image of the living body based on the response signal processed by the receiving unit;
The transmitting unit has a function of transmitting an ultrasonic beam a plurality of times (M, where M ≧ 2 is a natural number) times in the same direction at time intervals, and each time an ultrasonic signal has a different frequency component. And at least the amplitude of the first half-wave is greater than the amplitude of the half-wave group that continues to it, and the half-wave group is set asymmetric with respect to the phase axis or polarity,
The receiving unit attenuates the response signal of the living tissue by performing a phasing process on the response signal of the plurality of (M) times of ultrasonic signals and adding or subtracting the phasing process response signal. An ultrasonic contrast drawing apparatus having a function.
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