DE69529798T2

DE69529798T2 - Ultraschallfeststellung von Kontrastmittel

Info

Publication number: DE69529798T2
Application number: DE69529798T
Authority: DE
Inventors: Keith W. Johnson; Jeffry E. Powers
Original assignee: Advanced Technology Laboratories Inc
Current assignee: Advanced Technology Laboratories Inc
Priority date: 1994-11-23
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2015-11-23
Also published as: US5456257A; EP0713680A2; EP0713680A3; EP0713680B1; ATE233518T1; JPH08229032A; DE69529798D1; JP3675916B2

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung bei der Detektion vor Ultraschallkontrastmitteln durch Ultraschalluntersuchungssysteme, und insbesondere auf die Detektion und Ausnutzung von Ultraschallsignalen, herrührend aus der Benutzung von Kontrastmitteln mit beschichteten Mikroblasen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aus dem US Patent Nr. A-5.040.537 ist bereits ein Verfahren und eine Anordnung zum Liefern eines Kontrastmittels an einer bestimmten Stelle einer Schlagader (Herzkranzschlagader) bekannt. Dieses Mittel ist verpackt innerhalb feiner Kapseln. Die Kapseln werden in einer Flüssigkeit im Zustand von Emulsion verteilt und werden in eine Ader eines Patienten eingeführt. Die Kapseln bewegen sich durch das System des Patienten hindurch fort und insbesondere durch die Herzkranzschlagader. Ein externer mechanischer Stoßwellengenerator, wobei ein Sender extern auf der Haut des Patienten angeordnet wird, wird dabei benutzt zum Zuführen eines mechanischen Stoßes in der Nähe der Herzkranzschlagader zum Erzeugen einer Wellenfront ausreichenden Drucks zum Zerbrechen der genannten Kapseln in der selektierten Herzkranzschlagader. Die Kapseln bestehen aus fettem Säureester oder Lezithin mit einem Material, wie Wasserstoffbikarbonatsoda, das Gas erzeugt, wenn es mit Wasser in Berührung kommt. Wenn die mechanische Stoßwelle ausgelöst wird, werden viele Gasblasen in dem Blut in der selektierten Schlagader erzeugt.
Eine B-Mode Ultraschallanordnung wird benutzt zum Erzeugen eines Bildes der Schlagader auf Basis der durchaus bekannten sektoriellen Abtastung. Die vielen Gasblasen dienen als Reflektoren zum Intensivieren des Echobildes der Schlagader. Die Kapseln, die durch die durch den mechanischen Stoß verursachte Welle nicht zerplatzt worden sind, bleiben in der Form von Kapseln in dem Butsystem des Patienten, wodurch im Vergleich zu dem von Mikroblasen schwächere Echos erzeugt werden und deswegen hat der resultierende Echograph das Bild nur der Herzkranzschlagader selektiv intensiviert. Die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes in der genannten Herzkranzschlagader kann durch einen Standard-Doppler-Geschwindigkeitsmesser gemessen werden. Es ist wichtig zu bemerken, dass laut dem genannten Dokument, die B-Mode-Ultraschallanordnung und der Doppler-Geschwindigkeitsmesser ein Sperrsignal liefern, geschaffen von einem Zeitregler, das gleichzeitig mit dem Stoßwellentriggersignal ansteigt und nach einer bestimmten Zeitlänge abfällt. Während der aktiven Periode des Sperrsignals werden die B-Mode-Anordnung und der Doppler-Geschwindigkeitsmesser gesperrt, um ihre interne Wiedergabespeicher einzuschreiben. Folglich gestattet die durch das genannte Dokument beschriebene Anordnung nicht das Echosignal zu detektieren zu einem Zeitpunkt der Zerstörung der Kapseln. Ein spezielles Merkmal der Ausführungsform des genannten Dokumentes D1 ist, dass die mechanische Stoßwelle zu einer geeigneten Periode des Herzimpulses ausgelöst werden muss, damit vermieden wird, dass der Patient darunter leidet oder dadurch geschadet wird. Die Auslösung wird von dem Zeitcontroller gesteuert, der ebenfalls das Sperrsignal steuert.
Aus EP-A-022644 ist ebenfalls bereits ein Ultraschallverfahren bekannt zum Schätzen der Strömungsgeschwindigkeit des Blutes durch Messung der Verlagerung von Flecken.
Bekannt ist ebenfalls aus dem US Patent Nr. A-5.135.000 ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Schlagaderblut unter Verwendung eines als Lichtspurkugel bezeichneten Produktes, das sich in der Schlagader fortbewegt. Um die Echointensitätsfunktionen zu verbessern wird der Hintergrundwert gemessen, bevor das Produkt eingeführt wird und hinterher wird der gemessene Wert von dem detektierten Echointensitätswert subtrahiert, geschätzt in dem Gebiet der Schlagader. Die mittlere Durchgangszeit der Lichtkugel und des Blutvolumens werden in dem betreffenden Gebiet geschätzt, wodurch es möglich ist, eine quantitative Messung der Blutströmung durchzuführen.
Aus dem US Patent Nr. A-5.255.683 ist ebenfalls bereits die Verwendung eines Kontrastmittels bekannt, das aus Mikroblasen besteht, mit einer Größe der Größenordnung von roten Blutkörperchen oder kleiner. Solche Mikroblasen gehen durch die Lungen in die Schlagadern bei einer intravenösen Injektion und erreichen folglich Organgewebe ohne die Notwendigkeit einer Schlagaderkatheterisierung. Die Anzahl Kontrastmicroblasen aber, die Organggewebe nach einer intravenösen Injektion erreichen, ist unzureichend um seriös die zerstreute Intensität zu vergrößern. Außerdem wird die Streuintensität ebenfalls minimiert durch Dämpfung wegen des Körpergewebes in dem Raum zwischen dem Ultraschallwandler und den untersuchten Geweben. Die Absicht dieses Dokumentes ist, die Durchdrängung oder Verteilung von Blutlieferung innerhalb von Körpergewebe unter Anwendung einer Schätzung der Strömungsgeschwindigkeit von Blut aus der Verlagerung von Butkörperchen zu studieren, verbessert durch Kontrastmittel auf Basis der Schätzung von Änderungen durch die Fortbewegung der genannten Kontrastmittel. Statt der Änderungen in der Streuintensität zur Bewertung der relativen Durchdrängung, benutzt dieses Dokument Änderungen in einer Frequenzcharakteristik. Insbesondere lehrt dieses Dokument, das Gewebe während einer ersten Periode ohne Kontrastmittel und danach in einer zweiten Periode mit Kontrastmittel in dem Gewebe zu bewerten um eine erste und eine zweite Frequenzcharakteristik von Ultraschallenergie während der ersten und der zweiten Periode zu detektieren zum Erhalten von Basis-Frequenzdaten und von Frequenzdaten nach der Einführung, die dann benutzt werden zum Erhalten einer Angabe des Vorhandenseins des Kontrastmittels in dem Gewebe.
Das Patent EP-A-0081045 beschreibt eine Ultraschall-Diagnoseanordnung mit Mitteln zum Liefern eines Doppler-Phasenverschiebungssignals zum erhalten der Strömungsgeschwindigkeit von Blut.
Das US Patent Nr. 5.172.343 beschreibt ein Ultraschallsystem, wobei Phasenanordnung-Sektorabtastung angewandt wird zum Schätzen von Phasenfehlern durch Kreuzkorrelation, als eine Funktion von einem Strahlwinkel. Diese Funktion wird Fourier-transformiert zum Erzeugen von Phasenkorrektur.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ultraschalluntersuchungsbilderzeugungssysteme sind im Stande /können die Physiologie innerhalb des Körpers auf eine völlig nichtverbreitende Weise in Bild zu bringen und zu messen. Ultraschallwellen werden von der Oberfläche der Haut in den Körper hineingesendet und werden an Gewebe und an Zellen in dem Körper reflektiert. Die reflektierten Echos werden von dem Ultraschallwandler empfangen und verarbeitet zum Erzeugen eines Bilder oder einer Messung vom Blutstrom. Dabei ist Diagnose möglich ohne in den Körper des Patienten einzudringen.
Stoffe, bekannt als Kontrastmittel, können aber in den Körper eingeführt werden zur Verbesserung der Ultraschalldiagnose. Kontrastmittel sind Stoffe, die stark auf Ultraschallwellen reagieren, so dass sie durch Reflexion einen größeren Teil einer ausgestrahlten Ultraschallwelle als Echo reflektieren. Ein Stoff, der sich als Ultraschallkontrastmittel besonders nützlich erwiesen hat, ist Luft, in Form kleiner Blasen, die als Mikroblasen bezeichnet werden. Luftblasen sind starke Reflektoren von Ultraschallenergie, und zwar wegen des Unterschieds in Widerstand zwischen Luft und dem Material, in dem die Blasen suspendiert worden sind. Zum Einführen von Luft in den Körper auf eine Art und Weise, die dem Patienten nicht schadet, und in einer Form, in der die Luft durch den Körper geht und auf natürliche Art und Weise abgeführt wird, wird in Lösungen Luft in Form winziger Mikroblasen suspendiert.
Mikroblasen-Kontrasmittel sind nützlich zur Bilderzeugung beispielsweise des Gefäßsystems, da das Kontrastmittel in die Blutbahn injiziert werden kann und mit dem Blutkreislauf durch die Adem und Schlagadern des Körpers gehen wird, bis sie in den Nieren und in der Leber gefiltert werden.
Ein Typ eines Mikroblasen-Kontrastmittels, das zur Zeit untersucht wird, umfasst beschichtete Mikroblasen. Die Mikroblasen des Kontrastmittels sind mit einer dünnen biologisch zerlegbaren Polymerschicht oder Polymerhülle bedeckt. Die Mikroblasen haben einen Durchmesser zwischen 0,1 und 4,0 μm und eine spezifische Dichte von etwa 1/10 der Dichte von Wasser. Die beschichteten Mikroblasen werden in einer wässerigen Lösung suspendiert zum Einflößen in die Blutbahn.
Beschichtete Mikroblasen bieten den Vorteil, dass sie in dem Körper eine bestimmte Periode lang stabil sind, da die Polymerhülle die Mikroblase präserviert. Die Größe der Mikroblasen ist derart gewählt worden, dass die Eigenschaft der Resonanz der beschichteten Mikroblasen erhalten wird, wenn diese einer Ultraschallenergie ausgesetzt werden. Die Resonanz der Mikroblasen lässt sich durch Ultraschall-Doppler-Abfragung relativ einfach detektieren.
Bei relativ hohen Schalldruckamplituden kann die Reaktion der Mikroblasen auf Ultraschallenergie weiterhin nicht linear werden, wodurch die Hüllen zerbrechen. Diese akustisch ausgelöste Zerlegung und das Zusammenfallen der Mikroblasen erzeugt eine B-Mode Reaktion hoher Amplitude und eine starke Doppler-Reaktion und ein charakteristisch klares Muster in der Farb-Doppler-Mode. Folglich ist Farb-Doppler die bevorzugte Modalität geworden zum Detektieren des Kollapses der Hohlkörper von Kontrastmitteln aus beschichteten Mikroblasen.
Der Kollaps der beschichteten Mikroblasen in Reaktion auf einen Ultraschallimpuls ist ein aber plötzliches, meistens augenblickliches Geschehen. Die Echoreaktion der Destruktion der Mikroblasenhülle wird nur nach der einzelnen Doppler-Welle vorhanden sein, wodurch die Hülle kollabiert. Bei Farb-Doppler-Untersuchung, was durch Untersuchung des Patienten mit einer Reihe von Ultraschallimpulsen erfolgt, wird das Ergebnis des Mikroblasenbruchs während der Doppler-Untersuchungsperiode vorhanden sein. Die Erfinder haben nun gefunden, dass während Farb-Doppler auf effektive Weise dieses Geschehen detektieren kann, diese Übergangsreaktionen verwirrend ähnlich sein können, wie die Reaktion von Gewebe, das sich innerhalb des Körpers verlagert, oder die Bewegung durch den Prüfkopf selber. Diese Umstände können unerwünschte Dopplerbildfehler, die als "Flash" bezeichnet werden verursachen, und zwar so genannt wegen des plötzlichen Blitzes der Doppler-Farbe, erzeugt durch den Prüfkopf oder durch Gewebebewegung. Blitz-Bildfehler werden meistens vor der Farbflussverarbeitung aus den Dopplersignalen entfernt und diese Entfernung kann auch die Signale eliminieren, die von kollabierenden Blasen erhalten worden sind. Es wäre wünschenswert imstande zu sein, das Ergebnis eines Mikroblasenzusammenbruchs auf eine Art und Weise zu detektieren, wobei die Zerstörung der Mikroblase deutlich unterschieden werden kann von Signalen, verursacht durch eine Bewegung.
Entsprechend den Grundlagen der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschalluntersuchungsystem geschaffen zum Detektieren des Zusammenbruchs aus bedeckten Mikroblasen bestehender Kontrastmittel. Nach dem Einbringen des Kontrastmittels in den Körper wird ein Gebiet des Körpers mit den Kontrast-Mikroblasen einer Ultraschallenergie ausgesetzt, die ausreicht zum Zerstören der Mikroblasen in der Bahn der Ultraschallwellen. Akustische Energie ausgehend von der Mikroblasenzerstörung wird von einem Ultraschallwandler empfangen und die resultierenden Signale werden durch Amplitudendetektion der empfangenen Signalwellenform detektiert. Die von einer nachfolgenden Ultraschallausstrahlung empfangenen Echos werden auf dieselbe Art und Weise empfangen und die Signale von den beiden Empfangsperioden werden auf Raumbasis differenziert. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Signale der zweiten Empfangsperiode von denen der ersten Empfangsperiode subtrahiert. Diese Differenzierung wird im Prozess der Nachverarbeitung mit Schwellenbildung, die Signale darlegen, die von der Mikroblasenzerstörung herrühren unter Ausschließung anderer Signale. Eine nützliche Anwendung von Detektion des Mikroblasenzusammenbruchs ist eine Aberrationskorrektur, wodurch die Signale einzelner Kanäle eines Ultraschallstrahlerzeugungssystems zur kohärenten Timing miteinander verglichen werden und wobei die Zeitverzögerungen der Kanäle des Strahlerzeugungssystems eingestellt werden zum Ausgleichen der Aberrationen in dem Ultraschall-Übertragungsmedium.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Ultraschalluntersuchungssystems zum Detektieren der Zerstörung beschichteter Mikroblasen nach der vorliegenden Erfindung,
2a, 2b und 2c je eine Wellenform, zur Erläuterung des Vorteils von Amplitudendetektion der Zerstörung von Mikroblasen,
3 eine Darstellung einer Aberrationskorrektur einer Ultraschallstrahlerzeugungssystems durch Detektion der Zerstörung von Mikroblasen; und
4 eine darstellung von Strahlerzeugungssignalen, die typisch sind für die Aberrationskorrekturanordnung nach 3.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist ein Blockschaltbid eines Ultraschalluntersuchungssystems dargestellt, konstruiert nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung. Ein Ultraschallprüfkopf umfasst eine Anordnung von 12 Ultraschallwandler, die Ultraschallenergie ausstrahlen und empfangen. Während der Ausstrahlung steuert ein Ultraschallstrahlerzeugungssystem 16 die Zeit der Aktivierung der einzelnen Elemente der Anordnung 12 und aktiviert die Wandler-Impulsgeber eines Sender/Empfängers 14 zu den geeigneten Zeitpunkten zum Auslösen des Wandlerelementes, so dass ein gesteuerter und fokussierter Ultraschallstrom erzeugt wird. Während des Empfangs werden Ultraschallechos, die von den Wandlerelementen empfangen werden, durch einzelne Empfänger des Sender/Empfängers 14 empfangen und zu einzelnen Kanälen des Strahlerzeugungssystems 16 gekoppelt, in dem die Signale auf geeignete Art und Weise verzögert und danach kombiniert werden zum Bilde einer Folge kohärenter Echosignale über die Tiefe des Empfangs in dem Körper des Patienten.
Die kohärenten Echosignale werden von einem I,Q-Demodulator 18, der Quadratur I- und Q-Signalanteile erzeugt, quadratur demoduliert. Die demodulierten Signalanteile werden danach von einem Umhüllendendetektor 20 amplitudendetektiert. Die detektierten Signale werden von einem Filter 22 gefiltert zum Entfernen von Störungen und anderen irrelevanten Signalanteilen. Eine erste derartige Folge detektierter Echosignale wird zur späteren Verwendung durch ein Impuls-zu-Impuls-Differenzierungs-Hilfssystem 24 gespeichert.
Eine zweite Folge wird aus derselben Richtung und auf dieselbe Art und Weise empfangen wie die erste Folge. Wenn die ausgestrahlten Impulse eine ausreichende Intensität haben um zu verursachen, dass alle beschichteten Mikroblasen in der Bahn der Ultraschallstrahlen zerstört werden, und wenn die Impulse über dieselbe Strecke in relativ schneller Aufeinanderfolge ausgestrahlt werden, wird der erste Impuls dafür sorgen, dass die beschichteten Mikroblasen zerplatzen, wodurch akustische Wellen zu der Wandleranordnung zurückgesendet werden, wo die Wellen von dem System empfangen und verarbeitet werden. Wenn der zweite Impuls eine relativ kurze Zeit danach ausgestrahlt wird, werden von denselben Stellen, an denen durch den ersten Impuls Mikroblasen zerstört wurden keine Signale ausgestrahlt. Die zweite Folge von Echosignalen wird dann mit Hilfe des Impuls-zu-Impuls-Differenzierungshilfssystems auf Raumbasis von den Signalen der ersten Folge subtrahiert. Echos, die von dem ortsfesten Gewebe in der Bahn der beiden Strahlen zurückgeworfen werden, werden nahezu auf gleiche Weise in den beiden Folgen reproduziert und werden durch Subtraktion rückgängig gemacht. Die Signale aber, die während der ersten Folge von Mikroblasenzerstörungsvorgängen empfangen wurden, werden nicht durch entsprechende Signale in der zweiten Folge rückgängig gemacht. Die Ergebnisse des Subtrhierprozesses werden mit einem Schwellenpegel verglichen, der von einer Schwellenschaltung 26 geliefert wird, wodurch geringfügige Variationen von Echos, die von Gewebe und strömenden Flüssigkeiten in den beiden Folgen empfangen wurden, eliminiert werden, wodurch nur die Signale der Mikrowellenzerstörungsvorgängen zurückkehren.
Die detektierten Mikroblasenzerstörungsvorgänge können weiterhin verschiedenartig verarbeitet und wiedergegeben werden. Eine Art und Weise zum Wiedergeben dieser Information auf Basis der Anzahl Vorgänge, die in einer bestimmten Zeit in einem bestimmten Gebiet des Körpers aufgetreten sind. In 1 liegt hinter dem Impuls-zu-Impuls-Differenzierungssystem 24 ein Vorgängezähler 28, der Mikroblasenzerstörungsvorgänge in jeder Strahlstrecke in dem abgetasteten Gebiet zählt und die Frequenz solcher Vorgänge berechnet. Das Auftreten einer wesentlichen Anzahl Vorgänge in einer Zeitperiode wird durch Hervorhebung des entsprechenden Gebietes eines Bildes des Körpers mit Bildhelligkeit oder Farbe angegeben. So kann beispielsweise das Mikrblasenkontrastmittel in die Blutbahn eines Patienten einge spritzt werden und ein Gebiet des Gefäßsystems, wie des Herzens, kann auf diese Art und Weise überwacht werden. Wenn das Kontrastmittel in das Herz hineinströmt, wird die Ultraschallabtastung mit der Zerstörung der Mikroblasen anfangen und die Herzkammern, in die das Kontrastmittel einströmt, wird in Helligkeit oder in Farbe hervorgehoben. Ein zusammengesetztes Bild, entsprechend dem, bei dem ein Farbstrom dargestellt wird, kann erzeugt werden, wobei ein strukturelles Bild des Herzens mit Farbe überlegt wird, wodurch die Frequenz der Mikroblasenzerstörungsauftritte in dem dargestellten Gebieten des Herzens räumlich dargestellt wird.
Eine andere Wiedergabe ist diejenige, bei der jeder auftritt des Mikroblasenzerstörungsvorgangs in dem Bild wiedergegeben wird. Da diese Vorgänge aber im Wesentlichen augenblickliche Vorgänge sind, wird eine Echtzeitwiedergabe zu sehr flüchtig um als Diagnose Bedeutung zu haben. Um diese zu berücksichtigen ist ein Bildbehaltungshilfssystem 30 vorgesehen, das dafür sorgt, dass jeder wiedergegebene Vorgang in einem Bild einige Zeit beibehalten wird. Obschon ein einzelner Vorgang in Reaktion auf einen einzelnen Ultraschallimpuls auftritt, bleibt der detektierte Vorgang in dem Bild wesentlich länger behalten. Ein Benutzer steuert die Beibehaltungszeit, die von einigen Zehntel einer Sekund bis zu mehr als eine Sekunde reicht, als bevorzugtes Diktat. Die beibehaltene Vorgangswiedergabe kann als zunehmende Helligkeit oder Farbe moduliert werden und kann mit einem strukturellen Bild überdeckt werden, wie oben bereits erwähnt. Der Vorgängezähler 28 und das Bildbeibehaltungshilfssystem 30 können zusammen für eine beibehaltene Bildwiedergabe auf Basis der Auftrittsfrequenz benutzt werden, oder die beiden können abwechselnd und einzeln benutzt werden. In beiden Fällen wird die räumlich definierte Vorgangsinformation einem Abtastwandler 40 zugeführt, wo die Information in ein gewünschtes Bildformat gebracht wird und gewünschtenfalls unter ein strukturiertes (B-Mode) Bild gelegt wird, und das resultierende Bild am einer Wiedergabeeinrichtung 50 wiedergegeben wird.
Der Grund, weshalb Amplitudendetektion der Mikroblasenzerstörungsvorgänge gegenüber Doppler-Signalverarbeitung bevorzugt wird, kann anhand der 2a, 2b und 2c näher erläutert werden. 2a zeigt eine Wellenform 60, wobei eine empfangene Doppler-Wellenform aus der Bewegung von Gewebe innerhalb des Körpers entsteht, wie Bewegung der Herzwand. Die Punkte A und B auf der Wellenform bezeichnen zwei Punkte in der Zeit, an denen die Phase der Wellenform abgetastet wird.
2b zeigt eine zweite empfangene Doppler-Wellenform 60', die an denselben zwei Punkten in der Abtastzeit entsprechend den Punkten dass A und B abgetastet wird. Diese Zeitausrichtung bedeutet, dass die zweite Wellenform 60' nicht an den auf der Wellenform dargestellten Punkten A und b abgetastet wird, sondern an den punkten A' und B'. Es ist ersichtlich, dass es eine wesentliche Phasendifferenz des Dopplersignals gibt zwischen den A-Abtastwerten und den B-Abtastwerten der beiden Wellenformen.
Wenn aber die Umhüllende der Doppler-Wellenformen 60 und 60' detektiert werden, werden die Umhüllenden 62 und 62' erscheinen, wie in 2c angegeben.
In dieser Figur sind die Wellenformumhüllenden im Vergleich zu einem Bezugswertpegel V_R dargestellt. 2c zeigt, dass eine Ganzwellen-Umhüllendendetektion der Wellenformen 60 und 60' verursacht, dass die Abtastwerte an den punkten A und B eine geringfügige Amplitudendifferenz aufweisen, und dass es zwischen den Amplituden der Umhüllenden 62 und 62' zu dem Abtastzeitpunkten A und B eine geringfügige Differenz gibt. Folglich werden die scharfen Wellenformphasendifferenzen an den Punkten A und B nicht als Mikroblasenzerstörungsvorgänge erkannt werden, wenn Amplitudendetektion angewandt wird zum Detektieren solcher Auftritte. Die Differenz, erforderlich zum Detektieren eines Mikroblasenzerstörungsvorgangs ist eine wesentliche Amplitudendifferenz zwischen den Umhüllendenpegeln zu den betreffenden Abtastzeitpunkten. Auf diese Weise lassen sich durch Detektion von Mikroblasenzerstörungsvorgängen mit Hilfe einer phasenunempfindlichen Technik wie eine Umhüllendendetektion, die Vorgänge unzweideutig detektieren.
Der akustische Impuls, herrührend aus einem Mikroblasenzerstörungsvorgang kann von dem Diagnosensystem adaptiv benutzt werden zum Einstellen der Zeitbestimmung des Strahlerzeugungssystems für Aberrationen, die von dem Medium erzeugt werden, durch das die Ultraschallwellen sich fortpflanzen. In 3 ist die Wandleranordnung 12 des Prüfkopfes 10 dargestellt, die einen Ultraschallstrahl in den Körper eines Patienten sendet. Das Profil BP des Ultraschallstrahls ist durch gestrichelte Linien angegeben, die von der Wandleranordnung 12 herrühren. Wenn die von den Elementen der Anordnung herrührenden Ultraschallwellenanteile durch den Körper des Patienten laufen, gehen sie durch verschiedene Schichten 92, 94 von Haut, Muskeln, Fett, und anderen Arten von Gewebe. Echos, die von Gewebeschnittstellen herrühren kehren durch dieselben Schichten zu der Senderanordnung zurück. Obschon herkömmlicherweise vorausgesetzt wird, dass Ultraschallwellen mit einer vorbestimmten, festen Geschwindigkeit (beispielsweise 1540 m/s) sich durch Gewebe fortpflanzen, ist dies in der Praxis nicht immer wahr; die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen kann abhängig von dem Gewebe, durch das sie sich fortpflanzen, einigermaßen variieren. Dadurch kann die Zeit, die von einem Impuls gebraucht wird, um von einem Wandlerelement und über denselben Weg wieder zu demselben zurückzukehren, von der Zeit, die theoretisch vorausgesagt wird, einigermaßen abweichen. Weiterhin können diese Laufzeiten von Wandlerelement zu Wandlerelement durch die Öffnung 13 der Anordnung variieren, da verschiedene Elemente längs der Öffnung gegenüber anderen Typen Gewebe verschiedener Dicken liegen. Dadurch werden die Verzögerungszeiten des Strahlerzeugungssystems, gewählt zum Ausgleichen der Laufzeiten jedes Signalanteils, aber vorhergesagt auf Grund einer theoretischen, konstanten Ultraschallgeschwindigkeit, einigermaßen unrichtig sein. Dies wird dazu führen, dass das kombinierte Ausgangssignal von den jeweiligen Kanälen einigermaßen defokussiert sein werden, und zwar durch die Aberrationen in der Einheitlichkeit des Mediums der Gewebe des Körpers.
Wie oben angegeben, wird das Aberrationsproblem bei einem Impulsecho-Ultraschallsystem zusammengesetzt durch die Tatsache, dass die ausgehenden gesendeten Impulse diesen Aberrationen begegnen, denn die eintreffenden akustischen - Echos begegnen ebenfalls Aberrationen in dem akustischen Medium. Die Kombination der beiden bedeutet, dass es sein kann, dass der gesendete Strahl nicht einwandfrei fokussiert ist, und dass es ebenfalls sein kann, dass die empfangenen Echoanteile nicht einwandfrei fokussiert sind. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass Mikroblasenzerstörungsvorgänge ein Mittel sind, einen Hauptteil dieser Beschränkungen zu überwinden. Nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung wird das Auftreten eines Mikroblasenkollapses benutzt als Punktquelle von Ultraschallenergie innerhalb des darzustellenden Mediums, d. h. der Körpergewebe. Probleme eines aberrationsbehafteten, übertragenen Fokus werden dadurch vermieden, dass diese Erzeugung akustischer Punktquellenenergie induziert wird. Die akustische Energie, herrührend von dem Auftritt einer Mikroblasenzerstörung, geht über die jeweiligen akustischen Strecken, die zu den jeweiligen Wandlerelementen der Anordnungsöffnung 13 führen, wobei diese Energie verschiedenen Materialien in jeder Strecke begegnet. Die empfangenen Vorgangssignalanteile werden von den einzelnen Elementen der Anordnung 12 über einzelne Kanäle des Sender/Empfängers 14 zu einzelnen Kanälen des Strahlerzeugungssystems 16 gekoppelt. In 3 sind die verzögerungen von fünf Kanälen des Strahlerzeugungssystems durch DL1 bis DL5 dargestellt, wobei die jeweilige Länge die Länge der Verzögerung in der Zeit dieses betreffenden Kanals darstellt. An den Ausgängen der Verzögerungselemente werden die einzelnen Signalanteile von den Elementen des Wandlers von einem Summierer 17 kombiniert zum Erzeugen eines fokussierten, kohärenten Signals zur nachfolgenden Signalverarbeitung.
Zum Erzeugen eines einwandfrei fokussierten Signals müssen die Signalanteile von jedem Echo an den Ausgängen aller Verzögerungselemente simultan erscheinen, wobei die Verzögerungselemente Schwankungen in der Zeit genau ausgleichen, was erforderlich ist, damit jeder Echoanteil einem Wandlerelement zugeführt wird. Wenn aber die Geschwindigkeit des Ultraschalls durch den Körper wegen Aberrationseffekte variiert hat, können einige Signalanteile früher oder später als die anderen an den Ausgängen der Verzögerungselemente erscheinen. 4 zeigt Echosignalanteile 100 – 104, erzeugt an den Ausgängen der fünf Verzögerungselemente, deren Laufzeiten durch Aberrationseffekte beeinflusst sind. Wenn die Verzögerungszeiten Variationen in dem akustischen Wellengang von Element zu Element genau ausgeglichen hätten, wären die fünf Signale genau gegenüber der Zeit t_n ausgerichtet. Das Beispiel zeigt aber, dass der akustische Signalanteil, verzögert um die Kanalverzögerung DL4, eine niedrigere akustische Geschwindigkeit erfahren hat als die anderen und über die Zeit t_n verzögert worden ist. Es ist ebenfalls ersichtlich, dass der akustische Signalanteil, der um die Kanalverzögerung DL3 verzögert worden ist, eine höhere akustische Geschwindigkeit als die anderen erfahren hat und an dem Ausgang der Verzögerungsanorndung DL3 vor der Zeit t_n angelangt ist. Es hat sich gezeigt, dass die anderen drei Signalanteile 101, 102 und 104 zu der Zeit t_n genau ausgerichtet sind.
Diese Verzögerungsungenauigkeiten lassen sich detektieren und einstellen über induzierte Mikroblasenzerstörungsvorgänge. 3 zeigt ein Blutgefäß 80, wobei in dem der Blutstrom ein beschichtetes Mikroblasenkontrasmittel eingespritzt worden ist. Der Ultraschallprüfkopf 10 gibt ein Bild des Blutgefäßes 80 und beginnt mit der Pulsierung des Blutstromes mit Ultraschallimpulsen, die ausreichen um ein Zerplatzen der Hülle einer Mikroblase herbeizuführen. Die Impulse werden in Strahlen gesendet, die durch das Strahlprofil BP definiert werden. Wenn der Prüfkcopf den Blutstrom pulsiert verarbeitet das Ultraschallsystem ständig empfangene Echos, wie oben beschrieben, zum Detektieren von Mikroblasenzerstörungsvorgängen. Ein derartiger Vorgang ist in dem Blutgefäß 80, durch den Pfeil 82 angegeben, dargestellt. Das Zerreißen dieser Mikroblase wird eine effektive Punktquellenausstrahlung der akustischen Energie von demjenigen Punkt in dem Gefäß sein, an dem die Mikroblase sich beim Zerplatzen befindet. Das Zerplatzen der Mikroblase wird akustische Energie zurückstrahlen zu der Öffnung 13 der Wandleranordnung 12, wo zu einigermaßen verschiedenen Zeitpunkten akustische Signalanteile des Vorgangs von verschiedenen Wandlerelementen längs der Öffnung empfangen werden.
Die von den Wandlerelementen nach jeder Pulsierung des Blutgefäßes empfangenen Echoanteile werden einzeln verzögert und in einem Echospeicher-und-Vergleichsmodul 110 vorübergehend gespeichert. Die Echoanteile werden ebenfalls von einem Summierer 17 kombiniert zum Bilden einer kohärenten Echosignalfolge in der Richtung des ausgestrahlten Strahles und diese Echosignale werden wie in 1 dargestellt, verarbeitet zum Detektieren von Mikroblasenzerstörungsvorgängen. Wenn kein Vorgang detektiert wird gibt es auch keine Notwendigkeit zur Speicherung der einzelnen Signalanteile in dem Modul 110, das zur Speicherung von Echoanteilen aus der nächsten Impulsfolge bereit gemacht wird.
Wenn ein Mikroblasenzerstörungsvorgang 82 detektiert wird, wird die Stelle des Ereignisses in der Strahlrichtung von dem Verarbeitungssystem nach 1 dem Echospeicher-und-Vergleichsmodul 110 zugeführt, wodurch das Modul informiert wird über die Zeit t_n, zu der das Ereignis in der Zeit liegen sollte. Das Modul 110 fängt dann an die Ereignissignalanteile 100–104 der jeweiligen Verzögerungsanordnungen miteinander zu vergleichen um zu sehen, ob die Signalanteile zu der Zeit t_n alle noch ausgerichtet sind. Wenn dieser Vergleich zeigt, dass der Signalanteil 100 eine größere Verzögerung als die anderen erfahren hat, wird der Verzögerungseinstellschaltung 112 ein Befehl zugeführt, wodurch diese Schaltungsanordnung die Verzögerungszeit der Verzögerungsanordnung DL4 auf eine etwas kürzere Verzögerungszeit einstellt um Anteile, die von diesem Kanal verarbeitet worden sind, mit den anderen zurück in Deckung zu bringen. Auf gleiche Weise wird, wenn der Vergleich zeigt, dass ein Signalanteil 103 eine größere Verzögerung braucht um sich deckend mit den anderen zu dem Zeitpunkt t_n zu machen, der Verzögerungseinstellschaltung 112 ein Befehl zugeführt, wodurch eine ausgleichende Zunahme der Verzögerungszeit der Verzögerungsanordnung DL3 herbeigeführt wird. Wenn die Verzögerungsanordnungen auf diese Art und Weise zur optimalen Fokussierung eingestellt werden, wird ein schärferes Bild von dem Bildfeld erhalten.
Diese Einstellungen der Verzögerungszeit für Signalempfang sind ebenfalls anwendbar auf die Sendezeit. Effekte in dem Bildfeld, welche die Geschwindigkeit von Ultraschallechos variieren, die zu dem Wandler zurückkehren, werden auf gleiche Weise abgehende Wellen, die von dem Wandler ausgestrahlt werden, beeinflussen. Die für das dritte und vierte Empfangskanäle gemachten Zeiteinstellungen werden ebenfalls gemacht zum entsprechenden Vorschieben oder Verzögern der Zeit der Sendeimpulserzeugung in diesen Kanälen, wodurch fokussierte Insonifikation aller ausgestrahlten Impulsanteile in dem ausgestrahlten Brenngebiet ermöglicht wird.
Es dürfte einleuchten, dass das Gewebematerial, das die Quelle der Aberrationsungenauigkeiten ist, sich ändern wird, wenn die Position des Prüfkopfes 10 sich geändert hat, wodurch verursacht wird, dass die akustischen Signalanteile durch verschiedene Schichten und Kombinationen von Geweben und Substanzen hindurchgehen. Auf entsprechende Art und Weise wird die Folge von Vorgangsdetektion, Zeitvergleichund Verzögerungseinstellung ständig auf periodischer Basis durchgeführt, wobei die Verzögerungsanordnungen zur optimalen Fokussierung in jeder Lage des Prüfkopfes ständig nachgeregelt werden. Aberrationskorrektur wird auf diese Art und Weise solange durchgeführt, bis die beschichteten Mikroblasen des Kontrastmittels in dem Bildfeld vorhanden sind.
TEXT IN DER ZEICHNUNG
1:
14: Sender/Empfänger
16: Strahlerzeugungssystem
18: I,Q Demodulator
20: Umhüllendendetektor
22: Filter
24: Impuls-Impuls-Differenzierung
26: Schwelle
28: Vorgängezähler
30: Bildbeibehaltungsanordnung
40: Abtastwandler
50: Wiedergabeanordnung
2B Zeit
3:
110: Echospeicherungs- und -Vergleichsschaltung
112: Verzögerungseinstellung zu dem Ultraschallsignalprozessor Zeit

Claims

Verfahren zum Detektieren des Vorhandenseins eines beschichteten Mikroblasenkontrastmittels innerhalb sich bewegenden Gewebes in dem Körper eines Patienten durch Untraschalluntersuchung, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: – das Ausstrahlen (10) von Ultraschallimpulsen in das bewegende Gewebe des Körpers eines Patienten auf einem Energiepegel, der ausreicht zum Verursachen der Zerstörung beschichteter Mikroblasen in dem bewegenden Gewebe des Körpers; – das Empfangen (10) der zurückgekehrten Signale nach jeder Impulsausstrahlung; dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verfahren weiterhin die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst zum Identifizieren der Zerstörungsereignisse bedeckter Mikroblasen durch Detektion von Signalen der Zerstörung bedeckter Mikroblasen, wobei – das Detektieren (20) der durch phasenunempfindliche Detektion empfangenen Signale während der Zerstörung der bedeckten Mikroblasen durch Impulsausstrahlung; – das Differenzieren (24) der empfangenen detektierten Signale nach zwei Impulsausstrahlungen auf einer räumlichen Basis um Signale der Zerstörung von Mikroblasen zu unterscheiden von Signalen von bewegendem Gewebe; – das Definieren einer vorbestimmten Schwelle (26) und – das Erkennen der Signale, die aus der Signaldifferenzierung herrühren, welche die genannte vorbestimmte Schwelle (26) überschreiten, als Signale der Zerstörung bedeckter Mikroblasen um Signale von bewegendem Gewebe auszuschließen, wobei die genannten identifizierten Signale Zerstörungsvorgängen bedeckter Mikroblasen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verfahrensschritt der Detektion das Detektieren der durch Umhüllendendetektion empfangenen Signale umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Verfahrensschritt der Differenzierung das Subtrahieren der empfangenen Signale nach einer späteren Impulsausstrahlung der Signale umfasst, die nach einer vorhergehenden Impulsaustrahlung auf einer räumlichen Basis empfangen wurden, wobei die Signale jedes subtrahierten Paares von derselben Stelle in dem untersuchten Feld empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin mit den nachfolgenden Verfahrensschritten: – das Zählen (28) der Anzahl identifizierter Mikroblaseblasenzerstörungsvorgänge; und – das Wiedergeben (50) eines Bildes, das die Anzahl gezählter Vorgänge darstellt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Verfahrensschritt der Wiedergabe den Schritt der Wiedergabe eines Ultraschallbildes des Innern des Körpers des Patienten umfasst und die Anzahl Vorgänge wiedergibt, die entsprechend dem genannten Ultraschallbild gezählt wurden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Verfahrensschritt der Wiedergabe den Schritt der Wiedergabe eines Ultraschallbildes des Innern des Körpers des Patienten umfasst und in Farbe auf dem Ultraschallbild die Anzahl gezählter Vorgänge darstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin mit den nachfolgenden Verfahrensschritten: – das Wiedergeben eines Ultraschallbildes des Innern eines Körpers des Patienten; und – das Wiedergeben identifizierter Mirkoblasenzerstörungsvorgänge entsprechend dem genannten Ultraschallbild.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Verfahrensschritt der Wiedergabe identifizierter Mikroblasenzerstörungsvorgänge das Wiedergeben der genannten Vorgänge in dem genannten Ultraschallbild in räumlicher Übereinstimmung damit umfasst, und das Wiedergeben der genannten Vorgänge länger als die reelle Zeitspanne eines auftretenden Vorgangs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Verfahrensschritt des Empfangens das Empfangen der zurückgekehrten Signale nach jeder Impulsausstrahlung mit den Elementen einer Multielementwandleranordnung und das einzelne Verzögern des Signalanteils, der von jedem Wandlerelement empfangen wurde umfasst; und – weiterhin den Schritt der Überprüfung des Zusammentreffens der genannten verzögerten Signalanteile in Reaktion auf die Identifikation eines Mikroblasenzerstörungsvorgangs.
Ultraschalluntersuchungssystem zum Detektieren des Vorhandenseins eins beschichteten Mikroblasenkontrastmittels innerhalb bewegenden Gewebes in dem Körper eines Patienten durch Ultraschalluntersuchung, wobei dieses System die nachfolgenden Elemente umfasst: – einen Ultraschallwandler (10), der Ultraschallimpulse in das bewegende Gewebe des Körpers eines Patienten sendet, und zwar mit einem Energiepegel, der ausreicht um eine Zerstörung beschichteter Mikroblasen in dem bewegenden Gewebe des Körpers zu verursachen, und der die zurückgekehrten akustischen Signale nach jeder Impulsausstrahlung empfängt und sie umwandelt in elektrische Echosignale; dadurch gekennzeichnet, dass das genannte System weiterhin Mittel aufweist zum Identifizieren Zerstörungsereignisse beschichteter Mikroblasen durch Detektion von Signalen der Zerstörung beschichteter Mikroblasen unter Ausschließung von Signalen von bewegendem Gewebe, wobei: – ein phasenunempfindlicher Detektor (20) vorgesehen ist zum Detektieren der genannten Echosignale während der Zerstörung beschichteter Mikroblasen durch Impulsausstrahlung; – ein Differenzierer (24) vorgesehen ist, der auf einer räumlichen Basis die detektierten Echosignale, hervorgehend aus zwei Impulsausstrahlungen, differenziert; zum Unterscheiden von Signalen von der Zerstörung beschichteter Mikroblasen von Signalen von bewegendem Gewebe; - ein Generator (26) vorgesehen ist zum Erzeugen einer Schwelle; und – Mittel vorgesehen sind zum Identifizieren differenzierter Echosignale, die eine Schwelle (26) übersteigen, als Signale der Zerstörung von Mikroblasen unter Ausschließung von Signalen von bewegendem Gewebe, wobei die identifizierten Signale Ereignissen der Zerstörung beschichteter Mikroblasen entsprechen.
Ultraschalluntersuchungssystem nach Anspruch 10, wobei der genannte phasenunempfindliche Detektor (20) einen Umhüllendendetektor umfasst.
Ultraschalluntersuchungssystem nach Anspruch 10, wobei der genannte Differenzierer (24) einen Subtrahierer aufweist, der eine Folge von Echosignalen nach einer späteren Impulsausstrahlung von einer Folge von Echosignalen nach einer früheren Impulsausstrahlung subtrahiert und zwar entsprechend den Empfangszeiten von Echosignalen jeder Folge.
Ultraschalluntersuchungssystem nach Anspruch 10, wobei dieses System weiterhin die nachfolgenden Elemente aufweist: – einen Vorgängezähler (28) zum Zählen identifizierter Mikroblasenzerstörungsvorgänge; und – eine Wiedergabeanordnung (50) zum Wiedergeben des Zählwertes des genannten Vorgängezählers.
Ultraschalluntersuchungssystem nach Anspruch 13, wobei die genannte Wiedergabeanordnung (50) eine Bildwiedergabeanordnung zum gleichzeitigen Wiedergeben eines Ultraschallbildes des Innern des Körpers eines Patienten und zum Wiedergeben von Stellen in dem genannten Bild, die gezählten Mikoblasenzerstörungsvorgängen entsprechen.
Ultraschalluntersuchungssystem nach Anspruch 10, das weiterhin die nachfolgenden Elemente aufweist: – eine Bildwiedergabeanordnung (50) zum gleichzeitigen Wiedergeben eines Ultraschallbildes des Innern des Körpers eines Patienten und zum Wiedergeben von Stellen in dem genannten Bild, die örtlichen Stellen von Mikroblasenzerstörungsvorgängen entsprechen; und wobei das System weiterhin die nachfolgenden Elemente aufweist: – Mittel (30), die mit der genannten Bildwiedergabeanordnung gekoppelt sind und die auf die Identifikation eines Mikroblasenzerstörungsvorgangs reagieren zum Wiedergeben des genannten Vorgangs während einer längeren Zeit als die Dauer des genannten Vorgangs.
Ultraschalluntersuchungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der genannte Ultraschallwandler einen Multielementwandler aufweist; und weiterhin die nachfolgenden Elemente aufweist: – ein Strahlerzeugungssystem (16), das mit den Elementen des genannten Wandlers sowie mit dem genannten Detektor (20) gekoppelt ist, zum Steuern der Zeit der Impulsausstrahlung durch die genannten Wandlerelemente und der Zeit der Verzögerungen, denen die genannten elektrischen Echosignale ausgesetzt werden; und – ein Aberrationskorrekturhilfssystem, das auf die Identifikation eines Mikroblasenzerstörungsvorgangs reagiert, und das mit dem genannten Strahlerzeugungssystem gekoppelt ist zum Einstellen der Zeit des genannten Strahlerzeugungssystems.