專利名稱：超聲對比成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲對比成像的方法和設(shè)備并更具體地涉及身體內(nèi)部的壓力和/或溫度的測量。
具體地說，本發(fā)明提供血液中溫度、壓力、氣體濃度等的非浸入式實時測量。這是非常困難的，比如要達(dá)到身體的內(nèi)部器官，同時，在治療期間實時測量比如內(nèi)部器官的溫度卻可以給醫(yī)生提供允許改進(jìn)治療的有價值的信息。
這就要能夠局部測量器官的充盈以及局部測量環(huán)境的壓力、溫度或者氣體濃度由于器官充盈的測量需要X射線技術(shù)，環(huán)境壓力和氣體含量的測量分別需要壓力導(dǎo)管和血液樣本，所以這里發(fā)明的技術(shù)基本上比這些能夠達(dá)到相同目標(biāo)的技術(shù)要優(yōu)越些。
根據(jù)本發(fā)明提供一種超聲對比成像方法，其包括在第一預(yù)定數(shù)量周期的產(chǎn)生第一相對高能量的聲場，以及接著一段預(yù)定時間延遲后，為第二預(yù)定數(shù)量的周期產(chǎn)生第二相對低能量的聲場，所述的第一預(yù)定聲場在使用時產(chǎn)生能量增強(qiáng)散射，所述第二預(yù)定聲場的能量低于能量增強(qiáng)散射的閥值并產(chǎn)生關(guān)于可能產(chǎn)生的自由氣泡的信息的散射。
能量增強(qiáng)散射定義為提供一個一定幅度的聲信號，它至少足夠引起關(guān)心的區(qū)域的聲特性的變化，比如使氣泡從微泡釋放出來。
優(yōu)選聲場具有從100KHz到10MHz的頻率。
本發(fā)明還提供用于超聲對比成像的設(shè)備，其包括用于在第一預(yù)定數(shù)量的時間段中產(chǎn)生第一相對高能量聲場的裝置，用于產(chǎn)生預(yù)定延遲時間的定時裝置，以及用于在接著所述預(yù)定延遲時間之后在第二預(yù)定時間段中產(chǎn)生第二相對低能量的聲場的裝置。
優(yōu)選該設(shè)備包括在接著產(chǎn)生第二相對低能量聲場之后的一段時間里用于接收信號的接收器裝置。
優(yōu)選用于產(chǎn)生第二相對低能量聲場的裝置包括又一個時間延遲裝置，用于在下一個預(yù)定延遲后重復(fù)產(chǎn)生所述的低能量聲場。優(yōu)選該設(shè)備包括信號接收器裝置，用于在所述的下一個預(yù)測量延遲期間檢查接收到的信號。
在一個優(yōu)選實施例中，該設(shè)備包括時序裝置，用于為一系列相對低能量聲場重復(fù)提供插在每個相對低能量聲場之間的預(yù)測量時間延遲；該設(shè)備還包括接收器裝置，用于在每個預(yù)測量時間延遲期間接收和檢查已接收到的信號。
優(yōu)選該設(shè)備包括用于從接收到的信號確定是否還存在一些產(chǎn)生的小氣泡的裝置以及用于確定無小氣泡存在時終止所述的相對低能量聲場信號序列的裝置。
該設(shè)備還優(yōu)選包括用于選擇調(diào)整聲場的空化頻率以調(diào)整產(chǎn)生的自由小氣泡消失期的裝置。
現(xiàn)在參閱附圖通過舉例來描述本發(fā)明的實施例，附圖中

圖1表示在本發(fā)明中使用的有兩個不同峰值的第一換能器的頻率特征波形；圖2表示第二換能器的頻率特征，它具有第一頻率峰值和一個寬帶區(qū)，以產(chǎn)生一個具有持續(xù)一定時間和幅度的低頻超聲場以及一個用于接收原始散射的寬帶區(qū)；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的一個合成聲場波形；圖4A，B和C表示散射信息曲線，描述圖3中的波形的延遲期不斷增加時的效果；圖4D表示隨延遲時間Δt不斷減小的響應(yīng)；圖5表示比如Δt設(shè)置為80μ秒時測量環(huán)境壓力的方法；圖6表示用于產(chǎn)生和分析圖3中的波形的設(shè)備的框圖；圖7包括一流程圖，表示圖6中的產(chǎn)生和分析圖3中的波形的設(shè)備的事件次序；以及圖8表示不同環(huán)境壓力時散射能量隨時間的變化曲線。
本發(fā)明提供通過非浸入式技術(shù)測量或是壓力、溫度，或是氣體濃度的設(shè)備和方法。
通過非浸入式技術(shù)測量比如動物內(nèi)部器官的即時的壓力或溫度是極其困難的。
本發(fā)明提供的正是這種設(shè)備和方法。
其一般原理在下面通過特例作出解釋。給動物注射進(jìn)或用其他方法輸入一些懸浮微泡，這些微泡懸浮在適當(dāng)?shù)囊后w中，比如等滲無菌鹽水如Isoton。
合適的微泡包括WO96/15814(US5,518,709)，WO94/08627和WO96/15814(USSN 08/676,344，1996年7月19日歸檔)中描述的，由Andaris Limited發(fā)明的稱為“Quantison”的微泡，所有這些都在此參考引用。這些微泡通過霧化干燥血清白蛋白溶液制作，形成直徑通常為1-10μm的中空微泡；比如根據(jù)在Coulter CounterMultisizer II中的測量，90％的直徑在1.0到9.0μm或者1.0到6.0μm之間。然而，任何包含氣體的微泡、微球體或微粒都可以在本發(fā)明的方法中得到應(yīng)用，只要這些它們在以無生理損害的劑量的超聲波的照射下釋放出氣體。
這些微泡充滿空氣或其他的合適氣體，為本發(fā)明起見將假設(shè)它們充滿空氣。動物如人，根據(jù)要研究的部位優(yōu)選把微泡注射進(jìn)血管中，比如靜脈或動脈。要研究的器官包括心臟、腎臟和肝臟。
本發(fā)明的一般原理是將這些微泡置于高能量的聲場中。該聲場使微泡中的空氣排出來，即釋放出小的自由空氣泡。
這些小的自由空氣泡根據(jù)壓力和溫度以不同的速率吸收到液體中。如果血管中的壓力是已知的或恒定的，那么溫度就能測量出來。
如果微泡中充滿其他的氣體，它將產(chǎn)生不同的信號，而不同的時間常數(shù)會導(dǎo)致更多環(huán)境(血液)參數(shù)信息。
因此，例如如果內(nèi)部器官暴露在因治療而升高的溫度下，了解這個溫度就非常重要，這可以用該技術(shù)在假設(shè)壓力恒定時測量得到。
同樣對別的血管，可以假設(shè)溫度是恒定的，因此壓力可以測量得到。
這些小的自由氣泡反射或散射一個容易檢測的非常靈敏的信號。因此它們消失在周圍液體中的速率就容易可測，并且因為全部(如90％)溶解所花費(fèi)的時間依賴于壓力和溫度，該速率可以準(zhǔn)確測量。
參考附圖，該設(shè)備包括一個換能器。為對比成像可能需要三種不同類型的換能器，它們可以是如下述的換能器一個使用基頻和諧頻尤其是三次諧頻的換能器(a1)。
一個具有兩個頻率峰值的換能器(a2)，比如一個峰值在1MHz，另一個在2MHz。這些峰值本身是相對窄帶(20-30％)，兩個峰值之間的靈敏度相對較低(優(yōu)選比1MHz峰值靈敏度低-10dB以下)。在1MHz和2MHz的靈敏度或多或少是相同的。也可以有其他的兩個頻率的峰值組合，如1.5MHz和3MHz，2.5MHz和5MHz等?？梢员热缤ㄟ^匹配1/4λ層，特別是通過選擇合適的阻抗提供這種換能器。
圖1給出了這樣設(shè)計的一個例子，其頻率響應(yīng)表示有兩個清楚的在如1MHz和2MHz的峰值。
一個具有單一的頻率峰值即比如在1MHz的峰值和一個中心頻率在比如2MHz的寬帶區(qū)的換能器(a3)。第一峰值是相對窄帶(20-30％)并用于為發(fā)射電路產(chǎn)生具有高振幅的低頻超聲波場。第二寬帶區(qū)用于接收散射信號。與換能器類型a2主要的不同之處是這個換能器a3還適合僅通過2MHz附近的靈敏區(qū)域進(jìn)行組織成像。也可以有其他的兩個頻率的峰值組合，如1.5MHz和3MHz，2.5MHz和5MHz等。可以比如通過使用兩個匹配層，第一個(離換能器近的)具有高阻抗比如20MRayls(±10MRayls)，第二個具有3MRayls(±2MRayls)來開發(fā)這種換能器。
圖2給出了這樣設(shè)計的一個例子，其頻率響應(yīng)表示在1MHz具有一個清晰的峰值和一個在2MHz附近的寬帶區(qū)。
測量過程對相控陣，其峰值聲壓由于不斷增加掃描角度而降低。通常這可以通過增加接收信號的增益進(jìn)行補(bǔ)償。對于使用能量增強(qiáng)散射的超聲對比成像來說，補(bǔ)償必須通過增加是掃描角度的函數(shù)的反射信號實現(xiàn)。這樣峰值聲壓振幅將與掃描角度無關(guān)，形成均勻的掃描。
環(huán)境參數(shù)(象壓力、溫度、氣體濃度)的測量這樣實現(xiàn)，通過產(chǎn)生如圖3所示的具有確定頻率(100KHz-10MHz)的聲場，它具有大于產(chǎn)生能量增強(qiáng)散射閥值的聲峰值振幅和數(shù)目在1到20個之間的周期，之后是一段時間延遲(Δt)，然后是聲振幅低于產(chǎn)生能量增強(qiáng)散射閥值的聲場。第二合成聲場產(chǎn)生散射，它帶有產(chǎn)生(可能)的自由氣泡的信息，象氣泡的尺寸。該散射信息依賴于延遲時間(Δt)，并且由于延遲的不斷增加將減少到零，這表示自由氣泡已消失。這些信息包括環(huán)境的溫度、壓力、氣體濃度，以及通過擴(kuò)散常數(shù)得到的自由氣泡中的氣體含量。圖4表示這樣的一個示例。
在一優(yōu)選示例中，開始使用1MHz的換能器發(fā)射，然后使用2MHz的寬帶換能器進(jìn)行發(fā)射和接收。發(fā)射由兩個正弦波列組成，一個是1MHz，一個是2MHz。在一優(yōu)選示例中，第一波列(A)的振幅為300V或更高(等于大約0.6Mpascal或更大)，第二波列(B)的振幅是，比如第一波列的1/3，對300V即是100V。第二波列的振幅應(yīng)當(dāng)是這樣一個不會引起任何明顯的氣泡釋放的振幅。振幅V1和兩個波列的頻率范圍可以控制。兩個波列之間的延遲是Δt。使用的液體濃度是1.51的Isoton中含有60μl直徑為1.0-6.0μm霧化干燥的白蛋白微泡。
雖然上述的能量值能為所述的微泡帶來合適的效果，如果使用的微泡的壁的強(qiáng)度較低，使用較小的能量值也可能達(dá)到能量增強(qiáng)散射的目的。
由波列B產(chǎn)生的作為延遲Δt函數(shù)的散射時間軌跡如圖4所示。圖中給出了用2MHz換能器接收到的延遲為Δt的接收信號，圖4A中的延遲為1ms，圖4B中為10ms，圖4C中為20ms。在t等于零時，用1MHz的強(qiáng)聲信號空化(insolify)媒質(zhì)。正如所看到的，20ms后信號就已經(jīng)消失了(圖4C)。
信號的軌跡也可以如圖4D所示，圖中表示信號振幅(y軸)隨時間降低(x軸)。
發(fā)明者還發(fā)現(xiàn)氣泡消失速率和空化頻率之間的關(guān)系。檢測這些消失或未消失的釋放的自由氣泡可以用于成像。
實驗數(shù)據(jù)表示下面的消失速率對應(yīng)于0.5，1，2.5MHz的空化頻率。
舉例說明測量環(huán)境壓力的方法如圖5所示。
延遲時間設(shè)置為80μs。使用的濃度為1.51 Isoton中含有100μl“Quantison”微泡。振幅A設(shè)置為300V(0.51MPascal)，B為100V(0.17MPascal)?？栈l率為1MHz。使用的接收器是10MHz的寬帶換能器。測試是在160mmHg的過壓施加前(上圖)，施加中(中圖)和施加后(下圖)進(jìn)行。
在過壓施加期間，測量到高次諧頻的降低，還伴隨一次諧頻的移動，當(dāng)過壓去除后它們都保留下來。這就提供一種在假設(shè)其它的參數(shù)如溫度是已知或常數(shù)時測量環(huán)境壓力的方法。
在測試的液體中，以恰當(dāng)?shù)臐舛茸⑸溥M(jìn)微泡包裹的空氣泡(Quantison Andaris Ltd.，Nottingham，UK)。發(fā)射低頻、高聲振幅的波列(0.5MHz，11.8Mpa，10μs)以激發(fā)微泡產(chǎn)生自由空氣泡。釋放出來的自由空氣泡的消失速率通過使用一高頻、低聲振幅、寬帶波列(10MHz，25Kpa，-20dB水平100％的帶寬，1.6KHz的波列重復(fù)頻率)來測量?？芍貜?fù)的結(jié)果表明作為環(huán)境壓力(50，100，150和200mmHg)函數(shù)的氣泡保持率之間有著顯著的差別。
圖8表示描述四個不同環(huán)境壓力時作為時間函數(shù)的釋放出的空氣泡的散射能量曲線。x軸以毫秒為單位表示時間，y軸以分貝為單位表示能量。
第一條實線表示在一定環(huán)境周邊壓力下釋放出的空氣泡的散射能量。第二條虛線表示有50mmHg壓力，第三條點(diǎn)畫線表示有100mmHg的壓力，第四條點(diǎn)線表示有200mmHg的壓力。
基本參考能量級設(shè)置在-55dB。
可以看到0(環(huán)境周邊壓力)，50，100，和200mmHg的曲線與參考級相交在33，29，26，和18毫秒，因此如果壓力在它們之間，用這些曲線通過外推就能夠測量到這個壓力。
在Isoton和去氣的Isoton中的氣泡消失速率發(fā)現(xiàn)差別很大。用1MHz的波列發(fā)射高的聲能量，用10MHz的換能器發(fā)射和接收(以低的聲能量)，所得結(jié)果如下
參考圖6，用于產(chǎn)生圖3中的波形的設(shè)備包括連接到開關(guān)902的波形發(fā)生器900和通過開關(guān)902與接收和發(fā)射信號連接的換能器904。
從開關(guān)902來的信號由接收器906接收，其輸出發(fā)送到信號分析器908。分析器908連接到頻率、時間和振幅控制電路910，控制電路接著又連接到波形發(fā)生器900以提供控制信號。
提供圖6中的波形的設(shè)備操作如圖7所示。從開始1000起，對關(guān)心的區(qū)域1002進(jìn)行測試。波形發(fā)生器900產(chǎn)生高聲振幅的傳聲線(1004和該波列之后是一段優(yōu)選在1-10μs的時間延遲1006)。
然后由發(fā)生器900產(chǎn)生低振幅的傳聲線，分析在接收器906接收的從關(guān)心的區(qū)域(ROI)來信號以決定優(yōu)化頻率1010。檢查這些信號確定是否存在小氣泡1012。如果有小氣泡存在，那么發(fā)生器產(chǎn)生一個又一個的傳聲線1008。所述又一個傳聲線在確定優(yōu)化頻率1014之后產(chǎn)生，而所述傳聲線在第二時間延遲1016之后產(chǎn)生。該過程是重復(fù)的。如果沒有產(chǎn)生的氣泡存在，那么就分析輸出的信號以確定氣泡持續(xù)的時間以及它們的原始尺寸。
也可以在檢測到下限例如-55dB(參見圖8)的情況下中斷該過程，并根據(jù)插入的中斷時間確定介質(zhì)的壓力、溫度或其它特征量。
權(quán)利要求
1.超聲對比成像方法，包括在第一預(yù)定數(shù)量的周期中產(chǎn)生第一相對高能量的聲場，以及在接著的預(yù)定時間延遲后在第二預(yù)定數(shù)量的周期中產(chǎn)生第二相對低能量聲場，所述的第一預(yù)定聲場在使用中產(chǎn)生微泡的能量增強(qiáng)散射，所述的第二預(yù)定聲場低于能量增強(qiáng)散射閥值并產(chǎn)生帶有可能產(chǎn)生的自由氣泡的信息的散射。
2.權(quán)利要求1中的超聲對比成像方法，其中的聲場頻率為10KHz到10MKz。
3.用于超聲對比成像的設(shè)備，包括用于在第一預(yù)定時間周期內(nèi)產(chǎn)生第一相對高能量聲場的裝置，用于產(chǎn)生預(yù)測量延遲時間的定時裝置，以及用于在所述預(yù)定延遲時間后的第二預(yù)定周期內(nèi)產(chǎn)生第二相對低能量聲場的裝置。
4.權(quán)利要求3中的用于超聲對比成像的設(shè)備，包括用于在產(chǎn)生第二相對低能量聲場之后的一段時間里接收信號的接收器裝置。
5.權(quán)利要求4中的用于超聲對比成像的設(shè)備，用于產(chǎn)生第二相對低能量聲場的裝置包括用于在下一個預(yù)測量延遲后重復(fù)所述低能量聲場的又一個定時延遲裝置。
6.權(quán)利要求5中的用于超聲對比成像的設(shè)備，其中的設(shè)備包括用于在所述的下一個預(yù)測量延遲期間檢查接收到的信號的信號接收器裝置。
7.權(quán)利要求6中的用于超聲對比成像的設(shè)備，其中的設(shè)備包括用于重復(fù)提供一系列具有相對低能量聲場的時序裝置，一個預(yù)定的時間延遲插在每兩個相對低能量聲場之間，并且還包括用于在每個預(yù)定時間延遲期間接收和檢查所接收到的信號的接收器裝置。
8.權(quán)利要求5中的用于超聲對比成像的設(shè)備，其中的設(shè)備包括用于從接收到的信號確定是否還有產(chǎn)生的小氣泡存在的裝置以及用于確定無小氣泡存在時終止所述的相對低聲場能量信號序列的裝置。
9.權(quán)利要求5中的用于超聲對比成像的設(shè)備，其中的設(shè)備包括用于從接收到的信號確定是否有產(chǎn)生的小氣泡存在的裝置以及用于確定只有更低的氣泡限存在時終止所述的相對低聲場能量信號的裝置，從較低聲場能量信號開始的時間長度指示有小氣泡存在的媒質(zhì)中的壓力、溫度或其它的特征量。
10.在前述的所有權(quán)利要求中的用于超聲對比成像的設(shè)備，所述的設(shè)備包括用于選擇性調(diào)整聲場空化頻率從而調(diào)整產(chǎn)生的自由氣泡消失時間的裝置。
11.基本上參考附圖描述的超聲對比成像方法。
12.基本上參考附圖描述的用于超聲對比成像的設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明提供了超聲成像的改進(jìn)性非侵入性方法和裝置,用于利用非侵入性超聲對比成像技術(shù)測量環(huán)境壓力、溫度或氣體濃度。
文檔編號A61B8/04GK1251028SQ9880354
公開日2000年4月19日 申請日期1998年1月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月22日
發(fā)明者N·德容, P·弗林金 申請人:廓德倫特健康護(hù)理(英國)有限公司