DE19723053C2

DE19723053C2 - Ultraschallabbildungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19723053C2
Application number: DE19723053A
Authority: DE
Inventors: Patrick G Rafter; Ronald D Gatzke; Sa Alwyn P D
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1996-08-09
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2017-06-03
Also published as: US5735281A; JP2009189867A; JP4465050B2; JP4938051B2; DE19723053A1; JP2007330804A; GB2316174B; GB9714034D0; JPH1075951A; GB2316174A; JP4465373B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Ultraschallbildsysteme. Insbesondere ist diese Erfindung auf eine Erhöhung der Emp findlichkeit bei der Erfassung von Antworten von Ultra schallkontrastmitteln ausgerichtet.

Medizinische Ultraschallbildsysteme wurden unter der Prämis se entworfen, daß die auftreffende Ultraschallenergie eine lineare Antwort erzeugt. Damit ein System linear ist, muß es der folgenden Bedingung genügen:
wenn x1(t) ein Systemeingangssignal ist, und y1(t) das ent sprechende Ausgangssignal ist, und wenn x2(t) ein Systemein gangssignal ist, und y2(t) das entsprechende Ausgangssignal ist, dann ergibt (a . x1(t) + b . x2(t)) als Eingabe (a . y1(t) + b . y2(t)) als Ausgangssignal.

Gegenwärtige Forschungstrends konzentrieren sich darauf, nichtlineare Antworten auf Ultraschallenergie zu untersu chen. Es wurde beispielsweise herausgefunden, daß bestimmte Kontrastmittel eine Antwort bei der zweiten Harmonischen auf auftreffende Ultraschallenergie bei der Grunderregungsfre quenz schaffen, wobei diese Energie verwendet werden kann, um mehr diagnostische Informationen über die umgebenden Ge webe zu liefern. Eine Antwort bei der zweiten Harmonischen tritt auf, wenn ein Mittel unter zunehmendem Ultraschall druck Energie in die Harmonischen der Grundfrequenz zusätz lich zu der Grundfrequenz "abbildet". In jüngster Zeit wurde entdeckt, daß, wenn Mikroblasen-basierte Kontrastmittel in Schwingung geraten, dieselben zerstört werden.

Bei einem bekannten diagnostischen System, das von Johnson u. a. in dem U.S. Patent Nr. 5,456,257 offenbart wurde, wird die Anwesenheit von beschichteten Mikroblasenkontrastmitteln in dem Körper eines Patienten durch Senden von Ultraschall energie erfaßt, welche die Zerstörung der Mikroblase be wirkt. Das diagnostische System erfaßt die Mikroblasenzer störung durch eine Phasen-unempfindliche Erfassung und durch eine Differenzierung von Echos, die von einem folgenden Ul traschallsenden empfangen werden.

In IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Bd. 41, 1995, S. 1020-1027, wird die Verwendung eines Kontrastmittels bei der Ultraschallab bildung beschrieben, wobei eine zweite harmonische der emp fangenen Signale zur Bilderzeugung verwendet wird.

Die US-A-5,456,257 offenbart eine Erfassung von Kontrast mitteln mittels Ultraschallenergie, wobei hierbei zunächst das zu untersuchende Objekt mit Ultraschallenergie bestrahlt wird, welche ausreichend hoch ist, um die Mikroblasen in dem Kontrastmittel zu zerstören, und die darin frei gewordene akustische Energie durch die Vorrichtung erfaßt wird. Eine erste Sequenz der so erfaßten Echosignale wird dann für eine nachfolgende Verarbeitung gespeichert. Anschließend erfolgt der Abschluß einer zweiten Energiesequenz mit denselben Eigenschaften wie die erste Sequenz, und eine zweite Sequenz wird empfangen und erfaßt. Waren die Pulse der ersten Sequenz ausreichend stark, um eine Zerstörung der Mikrobla sen zu bewirken, werden aufgrund des zweiten Ultraschallpul ses, welche eine kurze Zeit nach dem ersten gesendet wurde, keine auf der Zerstörung der Mikroblasen basierende Signale von dem Ort empfangen, an denen die Mikroblasen zerstört wurden. Die zweite Sequenz von empfangenen Echosignalen wird dann von den Signalen der ersten Sequenz abgezogen, so daß im wesentlichen nur noch die Signale verbleiben, welche auf grund der Zerstörung der Mirkoblasen hervorgerufen wurden.

Die US-A-5,016,642 beschreibt eine EKG-Triggerung eines Ultraschallgeräts zur Erzeugung von Ultraschallbildern, durch die eine Zeitlupenaufnahme eines schlagenden Herzens mit in gleichmäßigen und einstellbaren Intervallen aufeinan derfolgenden Bildern ermöglicht wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, sequenzierungstechniken zu entwickeln, die die Empfind lichkeit der Blasenerfassung verbessern, und die eine ver längerte Verbesserung der Kontrastwirkung durch Minimieren der Blasenzerstörung erlauben.

Diese Aufgabe wird durch eine Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Es wurde beobachtet, daß Ultraschallenergie eine große Menge von Blasen schnell zerstört. Die Dauer und Intensität der Kontrastwirkung wird durch herkömmliche Bilderzeugungsrah menraten und Leistungspegel stark verringert. Eine Verände rung der Abbildungssequenz durch strategisches Abschießen von Ultraschallbildrahmen bei verschiedenen Sendeleistungen und das Reduzieren der Anzahl von Sendelinien pro Rahmen er lauben eine Steigerung der Kontrastwirkung (Erhöhen der ma ximalen Intensität und Dauer). Es kann wünschenswert sein, die Rahmensequenz aus dem EKG-Signal zu triggern, da der Blutfluß und die Rückstreuung in dem Herzzyklus variieren. Alternativ kann es wünschenswert sein, daß die Sequenz aus dem EKG getriggert wird und durch das Atemsignal freigegeben wird, um die Atembewegung des Herzens und die Variation des Herzblutflusses mit der Atmung zu kompensieren. Diese Se quenzen werden auf Farbdoppler-, Leistungsdoppler- oder zweidimensionale Bilderzeugungstechniken angewendet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsblockdiagramm für eine Ultraschall bilderzeugungseinrichtung;

Fig. 2 ein Prozeßflußdiagramm bezüglich der Zeit für das Verfahren;

Fig. 3 eine Variation des in Fig. 2 gezeigten Flußdia gramms;

Fig. 4 eine Variation des in Fig. 2 gezeigten Flußdia gramms;

Fig. 5 eine Variation des in Fig. 2 gezeigten Flußdia gramms;

Fig. 6 eine Variation des in Fig. 2 gezeigten Flußdia gramms;

Fig. 7 eine Variation des in Fig. 6 gezeigten Flußdia gramms;

Fig. 8 eine Variation der in Fig. 2 und in Fig. 3 gezeig ten Flußdiagramme;

Fig. 9 eine Variation des in Fig. 8 gezeigten Flußdia gramms;

Fig. 10 eine Variation des in Fig. 2 gezeigten Flußdia gramms;

Fig. 11 eine Variation des in Fig. 2 gezeigten Flußdia gramms;

Fig. 12 eine Variation des in Fig. 10 gezeigten Flußdia gramms; und

Fig. 13 eine Variation des in Fig. 12 gezeigten Flußdia gramms.

Kontrastmittel resonieren bei der Anwesenheit eines Ultra schallfelds, wobei das empfangene Signal durch heutige Ul traschallabtasteinrichtungen erfaßt werden kann. Es wurde beobachtet, daß höhere Sendeleistungen den Rückstreuquer schnitt der Mikroblasen besonders im harmonischen Modus er höhen, und daß sie daher einen größeren Anteil des auftref fenden Ultraschallsignals streuen. Die Dauer der Kontrast wirkung ist jedoch bei höheren Leistungspegeln kürzer, wahr scheinlich aufgrund der erhöhten Mikroblasenzerstörung und der folgenden geringeren Konzentrationen. Unterschiedliche Abbildungssequenzen können verwendet werden, um diese Kon trastwirkung zu optimieren.

Gegenwärtige Ultraschallabtasteinrichtungen senden etwa bei 30 Rahmen pro Sekunde für eine dynamische Visualisierung von anatomischen Strukturen in Echtzeit. Die Rahmenrate variiert abhängig von der Abbildungstiefe, der Anzahl von Sendelinien pro Rahmen und der Abbildungsfrequenz. Wenn mit Kontrastmit teln abgebildet wird, kann es besser sein, einen Rahmen mit hoher Leistung gefolgt von einer Serie von Rahmen mit nied riger Leistung zu senden. Die Rahmen mit niedriger Leistung werden eine Echtzeitabbildung ermöglichen, während die Kon trastwirkung verlängert wird, während die Rahmen mit hoher Leistung eine Zunahme des Kontrastmittel-zu-Gewebe-(Si gnal-zu-Rausch-)Verhältnisses bewirken werden.

Eine Synchronisierung der Abbildungssequenz mit dem EKG des Patienten erlaubt es, daß eine Serie von Rahmen mit hoher Leistung strategisch erhalten wird. Diese Rahmen können am gleichen Punkt des Herzzyklus oder an unterschiedlichen Punkten abgefeuert werden, um das Zusammenstückeln eines vollständigen Herzzyklus aus mehreren Herzzyklen unter Ver wendung der Filmschleifentechnologie oder "Cine-Loop"-Tech nologie zu erlauben. Das Minimieren von Rahmen mit hoher Leistung wird eine verlängerte Kontrastwirkung ermöglichen, wodurch eine endokardiale Grenzerfassung für Auswurfbruch teil- und Volumen-Berechnungen sowie eine Wandbewegungsanalyse einfacher gemacht werden. Gleichzeitig ermöglichen die Rahmen mit hoher Leistung eine Messung der myokardialen Durchblutung und wesentlicher Zeitsteuerungsparameter, wie z. B. das Hinein- und Herauswaschen des Kontrasts. Das Frei geben mittels eines Atemsignals wird dabei helfen, Kunstpro dukte zu minimieren, die aus einer Herzbewegung resultieren, die durch das Patientenatmen von Herzzyklus zu Herzzyklus verursacht wird. Als Option kann die Sequenz mit einer Mi schung aus einem Abbilden bei der Fundamentalfrequenz und bei der harmonischen Frequenz erreicht werden. Es kann bei spielsweise sehr gut sein, die Rahmen mit hoher Leistung im harmonischen Modus zu senden, während die Rahmen mit nie driger Leistung im Grundmodus gesendet werden. Diese Se quenzen sind für alle Ultraschallabbildungsmodalitäten, d. h. die zweidimensionale Abbildung, Farbfluß, Leistungsdopp lerabbildung, Doppler-Gewebefärbung, usw., anwendbar.

Zusätzlich kann ein Begrenzen der Anzahl der Sendelinien die Kontrastwirkung ebenfalls erhöhen und verlängern. Typischer weise besteht jeder Ultraschallbildrahmen aus 100 oder mehr Sendelinien, welche bei unterschiedlichen Winkeln gelenkt werden. Wenn weniger Linien gesendet werden würden, würde es möglich sein, eine parallele Verarbeitung in dem Empfangsweg zu verwenden, um ein Bild zu füllen. Eine Kombination dieses Punkts mit den erörterten Abbildungssequenzen wird eine noch längere Kontrastwirkung liefern.

Fig. 1 stellt ein Funktionsblockdiagramm einer Ultraschall abbildungseinrichtung 110 dar. Eine Ultraschallsonde 114 ist mit einer Empfangsschaltung 116 und einer Sendeschaltung 117 verbunden. Die Empfangsschaltung 116 ist ferner mit einer Anzeige 118 verbunden.

Im Betrieb wird ein Kontrastmittel in den Blutstrom eines Patienten, wie z. B. in die Vena Cava Superior, injiziert. Das Kontrastmittel verbessert die Blutansammlungsrückstreu ung bezüglich des Gewebes. Das Blut ist schwarz und das Ge webe ist weiß. Wie es bei der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, wird eine Ultraschallbildenergie an das Herz 112 über die Ultraschallsonde 114 angelegt. Die empfangenen Bilder können verwendet werden, um den Herzblutfluß des Pa tienten zu charakterisieren.

Fig. 2 stellt ein Zeitprozeßflußdiagramm für das Verfahren dar. In einem Schritt 10 wird ein Rahmen mit hoher Leistung pro Zyklus abgeschossen, wobei das Bild gesammelt wird. Der Rahmen mit hoher Leistung wird optional aus der EKG-Signal form getriggert, oder derselbe wird aus dem EKG getriggert und ferner durch die Atemsignalform freigegeben. In einem Schritt 20 werden M (M ≧ 0) Rahmen mit niedriger Leistung zwischen Rahmen mit hoher Leistung abgeschossen. Die Rahmen mit hoher Leistung können separat getrennt und in einer Filmschleife oder "Cineloop" gespeichert werden.

Fig. 3 stellt eine Variation des in Fig. 2 gezeigten Pro zeßflußdiagramms dar. In einem Schritt 10A wird ein Rahmen mit hoher Leistung pro N Zyklen (N ≧ 1) abgeschossen.

Fig. 4 stellt eine weitere Variation des Prozeßflußdia gramms, das in Fig. 2 gezeigt ist, dar. In einem Schritt 10B wird ein Rahmen mit hoher Leistung pro N (N ≧ 1) Herzzyklen abgeschossen, wobei jeder folgende Rahmen mit hoher Leistung bezüglich eines EKG-Triggers (d. h. der R-Welle) zunehmend verzögert ist. Ebenfalls ist ein Triggern aus dem EKG mit einem Atem-Freigeben wünschenswert, um Lungenkunstprodukte und eine Herzbewegung aufgrund des Atmens zu reduzieren.

Fig. 5 stellt eine weitere Variation des Prozeßflußdiagramms dar, das in Fig. 2 gezeigt ist. In dem Schritt 10B wird ein Rahmen mit hoher Leistung pro N (N ≧ 1) Herzzyklen abge schossen, wobei jeder Rahmen von einem EKG-Trigger (d. h. der R-Welle) inkrementell verzögert ist. Alternativ können die Rahmen von einem EKG-Trigger verzögert und durch die At mung freigegeben werden. Dies ist ein spezieller Fall von Fig. 3 ohne die Rahmen mit niedriger Leistung.

Fig. 6 stellt eine weitere Variation des in Fig. 2 gezeigten Prozeßflußdiagramms dar. Diese ist eine Kombination der in den Fig. 2 und 4 offenbarten Verfahren. Es ist möglich, daß der Fluß aus diesem Verfahren gemessen wird. Die Rahmen mit hoher Leistung, welche an dem gleichen Punkt in dem Herzzyk lus alle N Zyklen (N ≧ 1) abgeschossen werden, werden ver wendet, um das Kontrastmittel zu zerstören. Der zweite Rah men mit hoher Leistung, der alle N Zyklen (N ≧ 1) abgeschos sen wird, jedoch nicht notwendigerweise in dem gleichen Zyk lus wie der erste Rahmen mit hoher Leistung, mißt dann die Menge an Kontrastmittel, welches seit dem ersten Rahmen mit hoher Leistung zurückgekehrt ist. Diese Sequenz kann eine Anzeige eines myokardialen Blutflusses (oder eines Blutflus ses eines anderen Organs) ergeben.

Fig. 7 ist ein Spezialfall von Fig. 6, bei dem nur Rahmen mit hoher Leistung abgeschossen werden.

Fig. 8 stellt eine Variation der Fig. 2 und 3 dar. In einem Schritt 10C wird ein Rahmen mit hoher Leistung pro N (N ≧ 1) Zyklen mit einer abwechselnden Verzögerung (d. h. Systole ein Zyklus, Diastole nächster Zyklus) abgeschossen. In einem Schritt 20A werden M (M ≧ 0) variable Rahmen mit niedriger Leistung zwischen den Rahmen mit hoher Leistung abgeschos sen. Die Rahmen sind entweder aus dem EKG synchronisiert oder aus dem EKG getriggert und durch die Atemsignale frei gegeben.

Fig. 9 stellt eine Variation von Fig. 8 dar, bei der keine Rahmen mit niedriger Leistung abgeschossen werden.

Fig. 10 stellt eine Variation von Fig. 2 dar. Q (Q ≧ 1) Rah men mit hoher Leistung werden pro Herzzyklus abgeschossen, wobei M (M ≧ 0) variable Rahmen mit niedriger Leistung zwi schen den Rahmen mit hoher Leistung abgeschossen werden. Die Sequenz ist wieder aus dem EKG oder aus dem EKG und durch die Atmung freigegeben synchronisiert.

Fig. 11 stellt eine Variation von Fig. 2 dar. Q (Q ≧ 1) Rah men mit hoher Leistung werden pro Herzzyklus abgeschossen. Dies ist eine EKG-synchronisierte Rahmenratensteuerung. Op tional könnte eine nicht-synchronisierte Rahmenrate mit Kon trastmitteln verwendet werden, wodurch ein Zurückeinstellen von der üblichen 30-Hz-Abbildung ermöglicht wird.

Fig. 12 ist eine Variation von Fig. 10. Q (Q ≧ 1) Rahmen mit hoher Leistung werden pro Zyklus abgeschossen, was alle N (N ≧ 1) Herzzyklen wiederholt wird, wobei eine variable Menge von Rahmen mit niedriger Leistung dazwischen abgeschossen wird. Diese Sequenz wird aus dem EKG oder aus dem EKG mit einer Freigabe durch die Atmung getriggert.

Fig. 13 ist eine Variation von Fig. 12, wobei die Rahmen mit niedriger Leistung nicht abgefeuert werden. Q (Q ≧ 1) Rahmen mit hoher Leistung werden pro Zyklus abgeschossen, was sich alle N (N ≧ 1) Zyklen wiederholt.

Claims

1. Ultraschallabbildungsvorrichtung, mit
einer Sendeschaltung (117), die in jeder Sendesequenz periode einen Ultraschallpuls mit hoher Leistung sen det, um ein Bild der Erregung mit hoher Leistung zu erzeugen, und M (M ≧ 0) Ultraschallpulse mit niedriger Leistung sendet, um mehrere Bilder für Erregungen mit niedriger Leistung zu erzeugen; und
einer Empfangs- und Verarbeitungsschaltung (116, 118), die das Bild für die Erregung mit hoher Leistung und die Bilder für Erregungen mit niedriger Leistung emp fängt und verarbeitet.

2. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Erregung mit hoher Leistung jede Sendesequenz periode beginnt.

3. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Erregung mit hoher Leistung mit dem EKG des Pa tienten synchronisiert ist, wobei die Sendesequenzpe riodendauer N (N ≧ 1) Herzzyklen beträgt.

4. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Sendesequenzperiode durch das Atemsignal des Patienten freigegeben ist.

5. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der jede folgende Sendesequenzperiode von einem EKG- synchronisierten Trigger inkrementell verzögert ist, wobei der Trigger alle N (N ≧ 1) Herzzyklen auftritt (10B).

6. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei dem der EKG-synchronisierte Trigger aus dem Atemsignal des Patienten synchronisiert ist.

7. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei dem eine Serie von Sendesequenzperioden mit einem EKG- basierten Trigger synchronisiert ist, wobei der Trigger alle N (N ≧ 1) Herzzyklen auftritt (10A).

8. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der jede Sendesequenzperiodendauer eine feste Bruchzahl von Herzzyklen für die Serie ist.

9. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Serie ferner durch ein Atemsignal freigegeben ist.

10. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der N gleich ein Herzzyklus ist.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Anzahl von Bildern mit niedriger Leistung 0 beträgt (20).

12. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Serie aus zwei Sendesequenzperioden besteht, wobei eine Sendesequenzperiode an der Enddiastole be ginnt, während die zweite Sendesequenzperiode an der Endsystole beginnt (10C).

13. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der N gleich ein Herzzyklus ist.

14. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der die Anzahl M von Bildern mit niedriger Leistung 0 beträgt (20).

15. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß einem der vor hergehenden Ansprüche, bei der die Erregung mit niedri ger Leistung mehr als 3 dB oder 3 dB kleiner als die Erregung mit hoher Leistung ist.

16. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der
die Sendeschaltung (117) in jeder Sendesequenzperiode Q (Q ≧ 1) Ultraschallpulse mit hoher Leistung sendet, um das Kontrastmittel zu zerstören, und um mehrere Bilder der Erregungen mit hoher Leistung zu erzeugen, und die Empfangs- und Verarbeitungsschaltung (116, 118) die mehreren Bilder der Erregungen mit hoher Leistung emp fängt und verarbeitet;
die Sendeschaltung (117) in jeder Sendesequenzperiode M (M ≧ 0) Ultraschallpulse mit niedriger Leistung sendet, um mehrere Bilder von Erregungen mit niedriger Leistung zu erzeugen (20), und die Empfangs- und Verarbeitungs schaltung (116, 118) die mehreren Bilder der Erregungen mit niedriger Leistung empfängt und verarbeitet;
die Sendeschaltung (117) in der gleichen Sendesequenz periode einen zusätzlichen Ultraschallpuls mit hoher Leistung, welche bezüglich der Q Ultraschallpulse mit hoher Leistung verzögert ist, sendet, und die Empfangs- und Verarbeitungsschaltung (116, 118) das Bild der zweiten Erregung mit hoher Leistung empfängt und verar beitet; und
die Sendeschaltung (117) in jeder Sendesequenzperiode eine zweite Gruppe von S (S ≧ 0) Ultraschallpulsen mit niedriger Leistung sendet, um mehrere Bilder der Er regungen mit niedriger Leistung zu erzeugen, und die Empfangs- und Verarbeitungsschaltung (116, 118) die mehreren Bilder von Erregungen mit niedriger Leistung empfängt und sendet.

17. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der eine Sendesequenzperiode eine Sequenz ist, die mit Q (Q ≧ 1) mehreren Erregungen mit hoher Leistung gefolgt von M (M ≧ 0) Erregungen mit niedriger Leistung beginnt, wonach eine Erregung mit hoher Leistung folgt, wobei die Sendesequenzperiode mit S (S ≧ 0) Erregungen mit niedriger Leistung beendet wird, wobei die Sende sequenzperiode auf einen spezifischen Punkt in dem EKG synchronisiert ist und eine Dauer von N (N ≧ 1) Herz zyklen aufweist, und wobei eine Erregung eine Gruppe von Sendelinien ist, die ein Bild bilden.

18. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 17, bei der die zweite Erregung mit hoher Leistung bezüglich der ersten Q Erregungen mit hoher Leistung inkrementell verzögert ist.

19. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 18, bei der die Sequenz ferner durch ein Atemsignal freigegeben ist.

20. Ultraschallabbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 18 oder 19, bei der die Erregung mit niedriger Leistung mehr als 3 dB oder genau 3 dB kleiner als die Erregung mit hoher Leistung ist.