JP5186155B2 - Ultrasonic diagnostic equipment - Google Patents
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Description
本発明は、超音波診断装置に関し、特に、造影剤を利用した画像形成技術に関する。 The present invention relates to an ultrasonic diagnostic apparatus, and more particularly to an image forming technique using a contrast agent.
マイクロバブル(またはナノバブル)は、液体などに注入された微細な気泡を意味している。このマイクロバブルは、様々な優れた特性を備えているため、多くの分野で利用されている。例えば、医療分野への応用として、マイクロバブルが超音波の好適な反射体となることから、超音波画像を取得する際の造影剤として利用されている。造影剤を利用した超音波画像の形成手法としては、例えば、フェーズインバージョン法などが知られている(特許文献1参照)。 Microbubbles (or nanobubbles) mean fine bubbles injected into a liquid or the like. Since these microbubbles have various excellent characteristics, they are used in many fields. For example, as an application to the medical field, microbubbles are suitable reflectors for ultrasonic waves, and are therefore used as contrast agents when acquiring ultrasonic images. As a method for forming an ultrasound image using a contrast agent, for example, a phase inversion method is known (see Patent Document 1).
一方、マイクロバブルの表面にたんぱく質(抗原、抗体など)や核酸(DNA、RNAなど)を標識する技術が注目を集めている。例えば、マイクロバブルの表面に分子を修飾し、生体の組織内でマイクロバブルを対象細胞に捕捉させ、そのマイクロバブルを介して、組織内の対象細胞の量や組織内における対象細胞の分布などを画像化して診断する技術である。 On the other hand, techniques for labeling proteins (antigens, antibodies, etc.) and nucleic acids (DNA, RNA, etc.) on the surface of microbubbles are attracting attention. For example, a molecule is modified on the surface of the microbubble, the microbubble is captured by the target cell in the living tissue, and the amount of the target cell in the tissue or the distribution of the target cell in the tissue is determined via the microbubble. This is a technique for imaging and diagnosis.
マイクロバブルを対象細胞に捕捉させて画像化する場合には、例えば捕捉されたマイクロバブルのみを観察するために、対象細胞に捕捉されずに組織内を移動するマイクロバブルと、対象細胞に捕捉された停留しているマイクロバブルとを識別できることが望ましい。こうした要望に応じて、例えば特許文献2には、比較的緩慢に移動するコントラスト剤(停留しているマイクロバブル)から得られる情報を、速く移動するコントラスト剤(移動するマイクロバブル)に対して強調表示する技術が記載されている。
When microbubbles are captured by target cells and imaged, for example, in order to observe only captured microbubbles, microbubbles that move within the tissue without being captured by target cells and captured by target cells It is desirable to be able to distinguish the microbubbles that have stopped. In response to such a request, for example,
停留しているマイクロバブルと移動するマイクロバブルの識別について、特許文献2には、大別すると3つの手法が示されている。第1の手法は、ドプラの原理に基づくものであり、この手法では例えば信号処理などが複雑になる。第2の手法は、停留するマイクロバブルの非線形振動に伴う発生信号のスペクトラムが基本波帯にシフトすることを利用するものである。また、第3の手法は、停留するマイクロバブルでは振動が限定されて信号強度が弱くなるため、同じ位置からの信号を異なる時刻で検出してその強度の変化を利用するものである。しかし、第2と第3の手法では、検出の感度や精度に問題がある。
Regarding the distinction between the stationary microbubbles and the moving microbubbles,
ちなみに、停留するマイクロバブルと移動するマイクロバブルとを識別する技術ではないが、特許文献3,4には、同じ位置からの信号を異なる時刻で検出して画像化する技術が示されている。
Incidentally, although it is not a technique for discriminating between stationary microbubbles and moving microbubbles,
このような状況のもと、本願の発明者は、造影剤を利用した超音波による造影技術について研究を重ねてきた。特に、被検体組織の信号成分と造影剤の信号成分を識別し、さらに、停留する造影剤と移動する造影剤を識別する技術について研究を重ねてきた。 Under such circumstances, the inventor of the present application has repeatedly studied on an imaging technique using ultrasonic waves using a contrast agent. In particular, research has been conducted on a technique for discriminating between a signal component of a subject tissue and a signal component of a contrast agent, and further discriminating between a stationary contrast agent and a moving contrast agent.
本発明は、その研究の過程において成されたものであり、その目的は、被検体組織の信号成分と造影剤の信号成分を適切に識別することにある。また、本発明の他の目的は、停留する造影剤と移動する造影剤を適切に識別することにある。 The present invention has been made in the course of its research, and its purpose is to appropriately distinguish the signal component of the subject tissue and the signal component of the contrast agent. Another object of the present invention is to appropriately distinguish between a contrast agent that remains and a contrast agent that moves.
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、造影剤を投与された被検体に対して超音波を送受波するプローブと、プローブを制御して超音波ビームを走査することにより走査空間内において複数の超音波ビームを形成する送信部と、プローブから得られる信号を処理することにより走査空間内の複数の超音波ビームに対応した複数の受信信号を形成する受信部と、各超音波ビームごとに各受信信号に含まれる造影剤の停留成分と移動成分を識別する識別部と、走査空間内の複数の超音波ビームに対応した複数の受信信号に基づいて、造影剤の停留成分と移動成分が識別された表示画像を形成する画像形成部と、を有し、前記プローブは、各受信信号に含まれる被検体組織の信号成分と造影剤の信号成分のうち、造影剤の信号成分が支配的となる低音圧の超音波を送波することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an ultrasonic diagnostic apparatus according to a preferred embodiment of the present invention includes a probe for transmitting and receiving ultrasonic waves to a subject to which a contrast agent is administered, an ultrasonic beam by controlling the probe. And a plurality of reception signals corresponding to the plurality of ultrasonic beams in the scanning space are formed by processing a signal obtained from the probe. Based on a reception unit, an identification unit for identifying a stationary component and a movement component of a contrast agent included in each reception signal for each ultrasonic beam, and a plurality of reception signals corresponding to a plurality of ultrasonic beams in the scanning space An image forming unit for forming a display image in which the stationary component and the moving component of the contrast agent are identified, and the probe includes a signal component of the subject tissue and a signal component of the contrast agent included in each received signal. home, Wherein the signal components of Kagezai to transmit the ultrasonic waves dominant become low sound pressure.
望ましい態様において、前記造影剤には造影用のバブルが含まれており、前記識別部は、各受信信号から抽出される高調波成分に含まれるバブルの停留成分と移動成分を識別することを特徴とする。 In a preferred aspect, the contrast agent includes a contrast bubble, and the identification unit identifies a stationary component and a moving component of the bubble included in a harmonic component extracted from each received signal. And
望ましい態様において、前記送信部は、チャープ信号の波形を備えた送信パルスに基づいてプローブを制御し、前記各受信信号は、当該チャープ信号に対応したパルス圧縮処理を施されることを特徴とする。 In a preferred aspect, the transmission unit controls a probe based on a transmission pulse having a waveform of a chirp signal, and each received signal is subjected to pulse compression processing corresponding to the chirp signal. .
望ましい態様において、前記チャープ信号の中心周波数は、前記造影剤に含まれるバブルの共振周波数に応じて設定されることを特徴とする。 In a preferred aspect, a center frequency of the chirp signal is set according to a resonance frequency of a bubble included in the contrast agent.
望ましい態様において、前記チャープ信号の波形を備えた送信パルスのパルス長に基づいて、前記パルス圧縮処理を施された各受信信号の信号強度が調整されることを特徴とする。これにより、例えば低音圧の送信波形においても、送信パルスのパルス長を長くすることで、受信信号の強度を強めることができる。 In a preferred aspect, the signal strength of each reception signal subjected to the pulse compression processing is adjusted based on a pulse length of a transmission pulse having the waveform of the chirp signal. Thereby, for example, even in a low sound pressure transmission waveform, the intensity of the received signal can be increased by increasing the pulse length of the transmission pulse.
望ましい態様において、前記プローブは、前記高調波成分に含まれる被検体組織の2次高調波成分とバブルの2次高調波成分のうち、バブルの2次高調波成分が支配的となるような低音圧の超音波を送波することを特徴とする。 In a preferred aspect, the probe has a bass sound in which the second harmonic component of the bubble is dominant among the second harmonic component of the subject tissue and the second harmonic component of the bubble included in the harmonic component. A pressure ultrasonic wave is transmitted.
望ましい態様において、前記プローブは、メカニカルインデックス(MI)が0.1以下の低音圧の超音波を送波することを特徴とする。 In a preferred aspect, the probe transmits an ultrasonic wave having a low sound pressure with a mechanical index (MI) of 0.1 or less.
望ましい態様において、前記送信部は、複数の超音波ビームの各ビーム方向ごとに複数回の送信を行い、前記受信部は、各ビーム方向ごとに複数回の送信に対応した複数の受信信号を形成し、前記識別部は、各ビーム方向ごとに、そのビーム方向に対応した複数の受信信号を加算処理することにより前記停留成分を抽出し、そのビーム方向に対応した複数の受信信号を減算処理することにより前記移動成分を抽出することを特徴とする。 In a preferred aspect, the transmission unit performs a plurality of transmissions for each beam direction of a plurality of ultrasonic beams, and the reception unit forms a plurality of reception signals corresponding to the plurality of transmissions for each beam direction. Then, for each beam direction, the identification unit extracts the stationary component by adding a plurality of reception signals corresponding to the beam direction, and subtracts the plurality of reception signals corresponding to the beam direction. Thus, the moving component is extracted.
望ましい態様において、前記画像形成部は、前記停留成分の量の時間的な変化を表した表示画像を形成することを特徴とする。 In a preferred aspect, the image forming unit forms a display image representing a temporal change in the amount of the stationary component.
本発明により、被検体組織の信号成分と造影剤の信号成分を適切に識別することが可能になる。さらに、本発明の好適な態様によれば、停留する造影剤と移動する造影剤を適切に識別することが可能になる。 According to the present invention, the signal component of the subject tissue and the signal component of the contrast agent can be appropriately identified. Furthermore, according to a preferred aspect of the present invention, it is possible to appropriately distinguish between a contrast agent that remains and a contrast agent that moves.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図1は、その全体構成を示す機能ブロック図である。図1に示す超音波診断装置は、造影用のバブル(マイクロバブルやナノバブルなどの微小気泡)を含んだ造影剤を利用して画像を形成するのに適している。造影剤は、例えば生体内の血管や腫瘍などの診断部位に投与される。そして、造影剤が投与されてから、例えば生体内におけるバブルの集積や取り込みが起こるまでの一定時間が経過した後に、図1に示す超音波診断装置によって診断が行われる。 FIG. 1 shows a preferred embodiment of an ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention, and FIG. 1 is a functional block diagram showing the overall configuration thereof. The ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG. 1 is suitable for forming an image using a contrast agent including a contrast bubble (microbubbles such as microbubbles and nanobubbles). The contrast agent is administered to a diagnostic site such as a blood vessel or a tumor in a living body. A diagnosis is performed by the ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG. 1 after a certain period of time has elapsed from the administration of the contrast agent to, for example, the accumulation and uptake of bubbles in the living body.
信号発生器10は、図示しない制御部などによって制御され、送信パルスを形成するための駆動信号を生成して送信回路12へ出力する。本実施形態では、チャープ信号の波形を備えた送信パルスが利用される。信号発生器10は、例えば、中心周波数3.5MHz、開始周波数3MHz、終了周波数4MHz、パルス長20μsecのチャープ信号の波形を備えた送信パルスを出力する。
The
送信回路12は、信号発生器10から出力された送信パルスに基づいて、プローブ14が備える図示しない複数の振動素子を制御して送信ビームを形成し、形成した送信ビームを電子的に走査することにより、走査領域の全域に亘って複数の送信ビームを形成する。本実施形態においては、複数の送信ビームの各ビーム方向ごとに2回の送信が行われる。つまり、一つのビーム方向に対してチャープ信号波形の送信パルスに基づいて1回目の送信が行われて受信信号を取得した後に、続けてその同じビーム方向に対して同じ波形の送信パルスに基づいて2回目の送信が行われて受信信号が取得される。そして、一つのビーム方向に対して2回の送信が行われた後に、ビーム方向を変えて次のビーム方向に対して2回の送信が行われる。こうして、走査領域の全域に亘って各ビーム方向ごとに2回の送信が実行される。
The
ちなみに、送信における繰り返しの周波数、つまり同一のビーム方向における1回目の送信と2回目の送信の時間間隔は、血流中などを移動するバブルからのエコー信号による折り返しが生じないように設定することが望ましい。例えば、送信パルスを形成するチャープ信号の中心周波数が3.5MHzであると、後に説明する2次高調波成分が7MHzとなる。そこで、例えば腹部における血流速の60cm/sec程度をバブルの速度と仮定すると、繰り返し間隔を250μsec、繰り返しの周波数(PRF)を4KHzに設定すると折り返しが発生しない。 By the way, the repetition frequency in transmission, that is, the time interval between the first transmission and the second transmission in the same beam direction, should be set so as not to cause aliasing due to an echo signal from a bubble moving in the bloodstream. Is desirable. For example, if the center frequency of the chirp signal forming the transmission pulse is 3.5 MHz, the second harmonic component described later is 7 MHz. Therefore, for example, assuming that the blood flow velocity in the abdomen is about 60 cm / sec as the bubble velocity, the repetition does not occur when the repetition interval is set to 250 μsec and the repetition frequency (PRF) is set to 4 KHz.
プローブ14は、造影剤が投与された生体に対して超音波を送受波する。プローブ14は、超音波を送受波する複数の振動素子を備えており、複数の振動素子が送信回路12によって送信制御されて送信ビームが走査される。また、複数の振動素子が生体から反射された超音波を受波し、これにより得られた信号が受信回路16へ出力される。
The
受信回路16は、プローブ14の複数の振動素子から得られる信号を整相加算処理することにより、走査領域内の複数の送信ビームの各々に対応した受信ビーム信号を形成する。本実施形態においては、複数の送信ビームの各ビーム方向ごとに2回の送信が行われるため、受信回路16は、各ビーム方向ごとに、1回目の送信に対応した1回目の受信ビーム信号と2回目の送信に対応した2回目の受信ビーム信号を形成する。
The
ローパスフィルタ18は、受信回路16において形成された受信ビーム信号から、基本波成分(基本周波数の成分)を抽出する。基本波成分には、生体内の組織からの反射エコーがバブルからのものよりも優位に含まれている。パルス圧縮処理部20は、ローパスフィルタ18によって抽出された受信ビーム信号の基本波成分に対して、送信時のチャープ信号に応じたパルス圧縮処理を施す。このパルス圧縮処理により、受信ビーム信号(基本波成分)がシャープなパルス信号に変換(圧縮)される。そして、走査領域内の複数の送信ビームの各々に対応した受信ビーム信号(圧縮処理後の基本波成分)のデータが画像メモリ22に記憶される。基本波成分には組織からの反射エコーが優位に含まれているため、画像メモリ22に記憶されたデータは生体内の組織に対応した画像データに相当する。
The low-
ハイパスフィルタ24は、受信回路16において形成された受信ビーム信号から、2次高調波成分(第2高調波の成分)を抽出する。2次高調波成分には、バブルからの反射エコーが組織からのものよりも優位に含まれている。パルス圧縮処理部26は、ハイパスフィルタ24によって抽出された受信ビーム信号の2次高調波成分に対して、送信時のチャープ信号に応じたパルス圧縮処理を施す。このパルス圧縮処理により、受信ビーム信号(2次高調波成分)がシャープなパルス信号に変換(圧縮)される。
The
本実施形態では、複数の送信ビームの各ビーム方向ごとに2回の送信が行われ、各ビーム方向ごとに、1回目の送信に対応した1回目の受信ビーム信号と2回目の送信に対応した2回目の受信ビーム信号が形成される。そこで、パルス圧縮処理部26において、1回目の受信ビーム信号に対してパルス圧縮処理が施されると、その変換後の受信ビーム信号がメモリ28に記憶される。次に、パルス圧縮処理部26において、1回目と同一のビーム方向の2回目の受信ビーム信号に対してパルス圧縮処理が施される。そして、同一のビーム方向についての1回目の受信ビーム信号がメモリ28から出力され、同一のビーム方向についての2回目の受信ビーム信号がパルス圧縮処理部26から出力される。こうして、走査領域の全域に亘って各ビーム方向ごとに1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号の組がメモリ28とパルス圧縮処理部26から次々に出力される。
In the present embodiment, transmission is performed twice for each beam direction of a plurality of transmission beams, and for each beam direction, the first received beam signal corresponding to the first transmission and the second transmission are supported. A second received beam signal is formed. Therefore, when pulse compression processing is performed on the first received beam signal in the pulse
移動成分抽出部30は、各ビーム方向ごとに受信ビーム信号に含まれるバブルの移動成分を抽出する。ハイパスフィルタ24において抽出された受信ビーム信号の2次高調波成分には、バブルからの反射エコーが組織からのものよりも優位に含まれている。つまり、メモリ28とパルス圧縮処理部26から出力される1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号は、共にバブルからの反射エコーが支配的である。
The moving
移動成分抽出部30は、同一ビーム方向の1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号の差分処理(減算処理)を行う。つまり、1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号について、同じ深さ(位置)に相当する信号部分同士の差分を算出する。バブルが停留している場合、そのバブルに対応した信号部分は、1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号において同じ深さに同じ程度の強度で現れる。そのため、1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号の差分を算出することにより、停留するバブルの成分が除去される。これに対し、バブルが移動している場合、そのバブルに対応した信号部分が、1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号において同じ深さに同じ程度の強度で現れる可能性は極めて低い。そのため、1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号の差分を算出することにより、移動するバブルの成分のみが抽出される。
The moving
移動成分抽出部30は、走査領域の全域に亘る複数のビーム方向について、各ビーム方向ごとに、そして各ビーム方向の各深さ(位置)ごとに、移動するバブルの成分を抽出する。こうして抽出された結果が、移動するバブルの画像データとして、画像メモリ34に記憶される。
The moving
一方、停留成分抽出部32は、各ビーム方向ごとに受信ビーム信号に含まれるバブルの停留成分を抽出する。停留成分抽出部32は、同一ビーム方向の1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号の加算処理を行う。つまり、1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号について、同じ深さ(位置)に相当する信号部分同士を加算する。バブルが停留している場合、そのバブルに対応した信号部分は、1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号において同じ深さに同じ程度の強度で現れる。そのため、1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号を加算することにより、停留するバブルの成分の信号強度がほぼ2倍となる。これに対し、バブルが移動している場合、そのバブルに対応した信号部分が、1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号において同じ深さに同じ程度の強度で現れる可能性は極めて低い。そのため、1回目の受信ビーム信号と2回目の受信ビーム信号を加算しても、信号強度は停留成分ほど大きくならない。
On the other hand, the stationary
そこで、停留成分抽出部32は、加算処理により停留するバブルの成分が支配的となった受信ビーム信号を、停留するバブルの受信ビーム信号とみなすことにより、停留するバブルの成分を抽出する。なお、加算処理後の受信ビーム信号のうちの信号強度が大きい部分のみを閾値などにより抽出することにより、停留するバブルの成分を抽出してもよい。停留成分抽出部32は、走査領域の全域に亘る複数のビーム方向について、各ビーム方向ごとに、そして各ビーム方向の各深さ(位置)ごとに、停留するバブルの成分を抽出する。こうして抽出された結果が、停留するバブルの画像データとして、画像メモリ36に記憶される。
Accordingly, the stationary
以上のように、移動成分抽出部30と停留成分抽出部32によって、移動するバブルの成分と停留するバブルの成分が抽出される。つまり、移動成分抽出部30が、停留するバブルからの信号成分を除去するMTIフィルタ(逆Wallフィルタ)に対応した機能を備えており、一方、停留成分抽出部32が、移動するバブルからの信号成分を除去する逆MTIフィルタ(Wallフィルタ)に対応した機能を備えている。
As described above, the moving
但し、本実施形態においては、受信ビーム信号の周波数解析処理などを必ずしも必要としない。そのため、本実施形態では、ドプラの原理に基づいて移動成分を抽出する手法に比べて、比較的簡易な構成で比較的容易な信号処理により、移動するバブルの成分と停留するバブルの成分を識別することができる。また、本実施形態の上記説明では、各ビーム方向ごとに2回の送信と受信の例を示したが、例えば、各ビーム方向ごとに3回または4回(あるいはそれ以上)の送信と受信を行うことにより、移動するバブルの成分と停留するバブルの成分の識別(弁別)の精度などをさらに向上させてもよい。 However, in the present embodiment, the frequency analysis processing of the received beam signal is not necessarily required. Therefore, in this embodiment, compared with the method of extracting the moving component based on the Doppler principle, the moving bubble component and the stationary bubble component are discriminated by relatively easy signal processing with a relatively simple configuration. can do. In the above description of the present embodiment, an example of two transmissions and receptions for each beam direction has been shown. For example, three or four (or more) transmissions and receptions are performed for each beam direction. By performing this, the accuracy of discrimination (discrimination) between the moving bubble component and the stationary bubble component may be further improved.
図1の説明に戻り、画像合成部38は、画像メモリ22,34,36に記憶された画像データを合成して、バブルの停留成分と移動成分が識別された表示画像を形成する。つまり、画像合成部38は、画像メモリ22に記憶された画像データに基づいて生体内の組織に対応した組織画像(例えばBモード画像)を形成する。さらに、画像合成部38は、画像メモリ34に記憶された画像データに基づいて移動するバブルの画像を形成し、画像メモリ36に記憶された画像データに基づいて停留するバブルの画像を形成する。そして、画像合成部38は、移動するバブルの画像と停留するバブルの画像を組織画像上に合成する。その合成の際には、移動するバブルの画像と停留するバブルの画像に対して、各々に対応した表示処理が施される。形成された表示画像(合成画像)は表示部40に表示される。
Returning to the description of FIG. 1, the
図2は、表示部(図1の符号40)に表示される表示画像50を説明するための図である。図2の表示画像50は、血管などの組織を含んだBモード画像52内に、停留するバブル(中抜きされた複数の丸点)と移動するバブル(塗り潰された複数の丸点)を合成したものである。なお、停留するバブルと移動するバブルは、色付け処理により識別表示されてもよい。例えば、移動しているバブルを赤色で表現し、停留しているバブルを青色で表現する。
FIG. 2 is a diagram for explaining a
図2において、移動する複数のバブルは、例えば血管内を流れるバブルである。一方、停留するバブルは、例えば組織などに捕捉されたバブルである。本実施形態では、移動するバブルと停留するバブルを識別した表示画像の他に、停留するバブルの量の時間的な変化を表した時間変化画像56が形成されてもよい。 In FIG. 2, the plurality of moving bubbles are bubbles flowing in the blood vessel, for example. On the other hand, the bubble to be retained is a bubble trapped in, for example, a tissue. In the present embodiment, in addition to the display image that identifies the moving bubble and the stationary bubble, a time-change image 56 that represents a temporal change in the amount of the stationary bubble may be formed.
時間変化画像56は、表示画像50内に設定された関心領域(ROI)54内におけるバブルの量の時間変化を示している。時間変化画像56は、横軸を時間軸として縦軸にバブルの信号強度の積算値を示したグラフである。時間変化画像56から、例えば特定の部分(特定の細胞)に捕捉されるバブルの量の時間変化を観察することができる。なお、関心領域54は、例えばユーザ(観察者)の操作に応じて、観察対象となる所望の位置に設定されることが望ましい。
The time change image 56 shows the time change of the amount of bubbles in the region of interest (ROI) 54 set in the
図2の表示画像50や時間変化画像56により、例えば血管内や組織内に停留しているバブルと血管内を移動しているバブルとが識別表示される。これにより、例えばバブル(微小気泡)の表面に、病変が特異的に発現している蛋白質などの分子を捕捉するための低分子のリガントを標識し、病変特異的に発現している蛋白質などにバブルを集積させて画像化(分子イメージング)することが可能になる。
The
また、肝細胞内の貧食細胞(クッパー細胞)に捕捉されるバブル(例えばソナゾイド)を利用して間接的にクッパー細胞を画像化してもよい。例えばソナゾイドを利用することにより、転移によって発生した癌細胞ではクッパー細胞がないため、癌細胞の部分のみが表示されない(黒く抜けた)画像を形成することが可能になる。その画像を癌の診断に利用してもよい。 Alternatively, the Kupffer cells may be indirectly imaged using bubbles (eg, sonazoids) trapped by phagocytic cells (Kupffer cells) in hepatocytes. For example, by using sonazoid, since cancer cells generated by metastasis do not have Kupffer cells, it is possible to form an image in which only a portion of cancer cells is not displayed (blackened). The image may be used for cancer diagnosis.
以上に説明したように、本実施形態においては、2次高調波成分にバブルからの反射エコーが優位に含まれていることを利用して、バブルからの信号と組織からの信号を識別している。 As described above, in the present embodiment, the signal from the bubble and the signal from the tissue are discriminated by utilizing the fact that the reflected echo from the bubble is predominantly included in the second harmonic component. Yes.
組織から発生される高調波信号は、超音波に対する組織の非線形性に基づいており、一般に、組織からの2次高調波は、超音波の音圧の2乗に比例する。一方、バブルからの高調波信号は、バブルの非線形振動に伴って発生する。超音波の音圧が小さくなると、バブルの振動量が減少するため、バブルから発生される2次高調波も減少する。但し、バブルから発生される2次高調波の減少の度合いは、組織から発生される2次高調波の減少の度合いに比べて小さい。そのため、超音波の送信音圧を小さくすることにより、バブルからの2次高調波信号と組織からの2次高調波信号の比であるCTR(Contrast to Tissue Ratio)を向上させることができる。 The harmonic signal generated from the tissue is based on the non-linearity of the tissue with respect to the ultrasound. In general, the second harmonic from the tissue is proportional to the square of the sound pressure of the ultrasound. On the other hand, the harmonic signal from the bubble is generated along with the nonlinear vibration of the bubble. When the sound pressure of the ultrasonic wave is reduced, the amount of vibration of the bubble is reduced, so that the second harmonic generated from the bubble is also reduced. However, the degree of reduction of the second harmonic generated from the bubble is smaller than the degree of reduction of the second harmonic generated from the tissue. Therefore, CTR (Contrast to Tissue Ratio), which is the ratio of the second harmonic signal from the bubble and the second harmonic signal from the tissue, can be improved by reducing the ultrasonic transmission sound pressure.
図3は、シミュレーションによって音圧を小さくした場合のCTRの向上を検討した結果を示す図である。シミュレーションでは、組織伝搬中の非線形信号の発生をKZK方程式で、バブルの振動モデルをへリング(Herring)の方程式を用い、数値計算によって解析した。解析の条件は、バブルの直径2μm、送信パルスを形成するチャープ信号として、開始周波数3MHz、終了周波数4MHz、パルス長2μsecの信号を利用した。また、送信音圧を300KPaと30KPaの2種類、振動子径1.3cm、フォーカス深さ7cmとした。この条件で、メカニカルインデックス(MI値)は、フォーカスでの波形より、300KPaの送信音圧時MI=0.32、30KPaでMI=0.042となった。 FIG. 3 is a diagram showing a result of examining improvement in CTR when sound pressure is reduced by simulation. In the simulation, the generation of nonlinear signals during tissue propagation was analyzed by numerical calculation using the KZK equation and the bubble vibration model using the Herring equation. As analysis conditions, a bubble having a diameter of 2 μm, a chirp signal forming a transmission pulse, a signal having a start frequency of 3 MHz, an end frequency of 4 MHz, and a pulse length of 2 μsec was used. Further, two kinds of transmission sound pressures of 300 KPa and 30 KPa, a vibrator diameter of 1.3 cm, and a focus depth of 7 cm were used. Under this condition, the mechanical index (MI value) was MI = 0.42 at a transmission sound pressure of 300 KPa and MI = 0.042 at 30 KPa from the waveform at the focus.
図3(a)は、MI=0.32におけるバブルからの2次高調波(パルス圧縮処理後)を示している。同様に、図3(b)は、MI=0.32における組織からの2次高調波(パルス圧縮処理後)を示している。このとき、組織からの反射係数を、バブルからの信号と同じ振幅(CTR=1)となるように仮定した。この高い音圧での反射係数の条件を用いて、音圧を300KPaから30KPa、すなわちMIを0.32から0.042にした場合のバブルと組織からの信号比(CTR)を算出した。 FIG. 3A shows the second harmonic (after pulse compression processing) from the bubble at MI = 0.32. Similarly, FIG. 3B shows the second harmonic (after pulse compression processing) from the tissue at MI = 0.32. At this time, it was assumed that the reflection coefficient from the tissue had the same amplitude (CTR = 1) as the signal from the bubble. Using this reflection coefficient condition at a high sound pressure, the signal ratio (CTR) from the bubble to the tissue when the sound pressure was changed from 300 KPa to 30 KPa, that is, the MI was changed from 0.32 to 0.042 was calculated.
図3(c)は、バブルからの信号波形を示しており、図3(d)は、組織からの信号を示したものである。なお、図3(c)と(d)において縦軸は同じスケールである。このとき、バブルと組織からの信号比CTRは、7.76となり、MI=0.32の場合に比べて17.8dB向上した。 FIG. 3C shows a signal waveform from the bubble, and FIG. 3D shows a signal from the tissue. In FIGS. 3C and 3D, the vertical axis is the same scale. At this time, the signal ratio CTR from the bubble to the tissue was 7.76, which was 17.8 dB higher than that in the case of MI = 0.32.
このように、送信音圧を小さくすることによりCTRを向上させることができるが、バブルからの信号自体は減少する。上記の解析条件では、バブルからの信号強度は、MI=0.32のときに比べて約20dB小さくなった。そのため、本実施形態ではパルス圧縮処理を利用している。パルス圧縮処理では、送信パルスのパルス長を長くすることにより、パルス圧縮処理後の信号の強度を増強することができる。シミュレーションでは、パルス長2μsecから8μsecとすることにより、信号強度が3.6dB増強された。 Thus, although the CTR can be improved by reducing the transmission sound pressure, the signal itself from the bubble is reduced. Under the above analysis conditions, the signal intensity from the bubble was about 20 dB smaller than when MI = 0.32. Therefore, in this embodiment, pulse compression processing is used. In the pulse compression process, the intensity of the signal after the pulse compression process can be enhanced by increasing the pulse length of the transmission pulse. In the simulation, the signal intensity was increased by 3.6 dB by changing the pulse length from 2 μsec to 8 μsec.
以上の解析から、パルス圧縮処理を利用してMI=0.1以下の低い音圧の長い送信波形を用いることにより、バブルからの信号を効率よく抽出できることが分かる。ちなみに、クッパー細胞に捕捉されるソナゾイドを最適な感度で画像化するためのMIは、0.2〜0.4程度と言われている。しかし、この範囲のMIに対応した超音波の音圧でも、ある程度のソナゾイドは消失してしまう。これに対し、MI=0.1以下の低い音圧を利用することにより、ソナゾイドの消失(破裂)を極力少なくすることが可能になる。また、バブルに対して送波される超音波の送信周波数、例えば本実施形態におけるチャープ信号の中心周波数は、バブルの共振周波数と同じ程度から、それ以下の範囲であることが望ましい。 From the above analysis, it can be seen that the signal from the bubble can be extracted efficiently by using the pulse compression process and using a transmission waveform having a low sound pressure of MI = 0.1 or less. By the way, it is said that MI for imaging sonazoid captured by Kupffer cells with an optimum sensitivity is about 0.2 to 0.4. However, even with the sound pressure of ultrasonic waves corresponding to this range of MI, a certain amount of sonazoid disappears. On the other hand, by using a low sound pressure of MI = 0.1 or less, it is possible to minimize the disappearance (rupture) of the sonazoid as much as possible. In addition, it is desirable that the transmission frequency of the ultrasonic wave transmitted to the bubble, for example, the center frequency of the chirp signal in this embodiment is in the range from the same level as the resonance frequency of the bubble.
図4は、造影剤の音響特性を示す図であり、直径2.5μmのマイクロバブルについてのシミュレーションによって得られた音響特性グラフを示している。図4のグラフにおいて、横軸は超音波の送信周波数である。また、縦軸に示す「対組織信号規格化第2高調波量」は、高調波レベルに相当する。なお、図4のグラフ内には、Pa=100,200,300,400(単位KPa)の各送信音圧についての結果が示されている。 FIG. 4 is a diagram showing the acoustic characteristics of the contrast agent, and shows an acoustic characteristics graph obtained by simulation of microbubbles having a diameter of 2.5 μm. In the graph of FIG. 4, the horizontal axis represents the ultrasonic transmission frequency. Further, the “versus-organization signal normalized second harmonic amount” shown on the vertical axis corresponds to the harmonic level. In the graph of FIG. 4, the results are shown for each transmission sound pressure of Pa = 100, 200, 300, 400 (unit KPa).
図4に示すグラフにおいては、共振周波数が2.5MHz程度となっている。そして、2.5MHz程度以下の範囲においては、2.5MHz程度より大きい場合に比べて、高調波レベルの減衰が比較的小さい。つまり、超音波の送信周波数が、バブルの共振周波数と同じ程度からそれ以下の範囲では、比較的高い高調波レベルを維持することができる。 In the graph shown in FIG. 4, the resonance frequency is about 2.5 MHz. And, in the range of about 2.5 MHz or less, the attenuation of the harmonic level is relatively small as compared with the case of being larger than about 2.5 MHz. That is, a relatively high harmonic level can be maintained when the ultrasonic transmission frequency is in the range from about the same as or below the bubble resonance frequency.
以上、本発明の好適な実施形態を説明した。ちなみに、本実施形態において、バブルの直径は例えば0.2〜15μmであることが望ましい。また、複数のバブルの粒径分布が揃っていることが望ましい。例えば、一定以上の大きさのバブルが取り除かれることが望ましい。また、チャープ信号に換えて他のコード化された信号を利用してもよい。なお、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。 The preferred embodiment of the present invention has been described above. Incidentally, in this embodiment, it is desirable that the diameter of the bubble is, for example, 0.2 to 15 μm. Moreover, it is desirable that the particle size distribution of the plurality of bubbles is uniform. For example, it is desirable to remove bubbles of a certain size or larger. In addition, other coded signals may be used instead of the chirp signal. The above-described embodiments are merely examples in all respects, and do not limit the scope of the present invention. The present invention includes various modifications without departing from the essence thereof.
12 送信回路、14 プローブ、16 受信回路、18 ローパスフィルタ、24 ハイパスフィルタ、30 移動成分抽出部、32 停留成分抽出部、38 画像合成部。 12 transmitting circuit, 14 probe, 16 receiving circuit, 18 low-pass filter, 24 high-pass filter, 30 moving component extracting unit, 32 stationary component extracting unit, 38 image synthesizing unit.
Claims (9)
プローブを制御して超音波ビームを走査することにより走査空間内において複数の超音波ビームを形成する送信部と、
プローブから得られる信号を処理することにより走査空間内の複数の超音波ビームに対応した複数の受信信号を形成する受信部と、
各超音波ビームごとに各受信信号に含まれる造影剤の停留成分と移動成分を識別する識別部と、
走査空間内の複数の超音波ビームに対応した複数の受信信号に基づいて、造影剤の停留成分と移動成分が識別された表示画像を形成する画像形成部と、
を有し、
前記送信部は、複数の超音波ビームの各ビーム方向ごとに複数回の送信を行い、
前記受信部は、各ビーム方向ごとに複数回の送信に対応した複数の受信信号を形成し、
前記識別部は、各ビーム方向ごとに、そのビーム方向に対応した複数の受信信号を加算処理することにより前記停留成分を抽出し、そのビーム方向に対応した複数の受信信号を減算処理することにより前記移動成分を抽出する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 A probe that transmits and receives ultrasound to and from a subject to which a contrast medium is administered;
A transmitter that forms a plurality of ultrasonic beams in a scanning space by controlling the probe to scan the ultrasonic beams;
A receiver that forms a plurality of received signals corresponding to a plurality of ultrasonic beams in the scanning space by processing a signal obtained from the probe;
An identification unit for identifying a stationary component and a moving component of a contrast agent included in each reception signal for each ultrasonic beam;
An image forming unit that forms a display image in which a stationary component and a moving component of a contrast agent are identified based on a plurality of reception signals corresponding to a plurality of ultrasonic beams in a scanning space;
Have,
The transmission unit performs transmission a plurality of times for each beam direction of a plurality of ultrasonic beams,
The receiving unit forms a plurality of received signals corresponding to a plurality of transmissions for each beam direction,
For each beam direction, the identification unit extracts the stationary component by adding a plurality of reception signals corresponding to the beam direction, and subtracts the plurality of reception signals corresponding to the beam direction. Extracting the moving component;
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記造影剤には造影用のバブルが含まれており、
前記識別部は、各受信信号から抽出される高調波成分に含まれるバブルの停留成分と移動成分を識別する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 1,
The contrast agent contains a contrast bubble,
The identification unit identifies a stationary component and a moving component of a bubble included in a harmonic component extracted from each received signal.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記送信部は、チャープ信号の波形を備えた送信パルスに基づいてプローブを制御し、
前記各受信信号は、当該チャープ信号に対応したパルス圧縮処理を施される、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 2,
The transmitter controls the probe based on a transmission pulse having a chirp signal waveform,
Each received signal is subjected to a pulse compression process corresponding to the chirp signal.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記チャープ信号の中心周波数は、前記造影剤に含まれるバブルの共振周波数に応じて設定される、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 3.
A center frequency of the chirp signal is set according to a resonance frequency of a bubble included in the contrast agent.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記チャープ信号の波形を備えた送信パルスのパルス長に基づいて、前記パルス圧縮処理を施された各受信信号の信号強度が調整される、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 3 or 4,
Based on the pulse length of the transmission pulse having the waveform of the chirp signal, the signal strength of each reception signal subjected to the pulse compression processing is adjusted,
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記プローブは、前記高調波成分に含まれる被検体組織の2次高調波成分とバブルの2次高調波成分のうち、バブルの2次高調波成分が支配的となるような低音圧の超音波を送波する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to any one of claims 2 to 5,
The probe is a low sound pressure ultrasonic wave in which the second harmonic component of the bubble is dominant among the second harmonic component of the subject tissue and the second harmonic component of the bubble contained in the harmonic component. To transmit,
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記プローブは、メカニカルインデックス(MI)が0.1以下の低音圧の超音波を送波する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 6,
The probe transmits a low sound pressure ultrasonic wave having a mechanical index (MI) of 0.1 or less.
An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記チャープ信号の中心周波数は、前記造影剤に含まれるバブルの共振周波数以下に設定される、A center frequency of the chirp signal is set to be equal to or lower than a resonance frequency of a bubble contained in the contrast agent;
ことを特徴とする超音波診断装置。An ultrasonic diagnostic apparatus.
前記画像形成部は、前記停留成分の量の時間的な変化を表した表示画像を形成する、
ことを特徴とする超音波診断装置。 The ultrasonic diagnostic apparatus according to any one of claims 1 to 8,
The image forming unit forms a display image representing a temporal change in the amount of the stationary component;
An ultrasonic diagnostic apparatus.
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