DE19723053A1 - Verfahren zum Steigern und Verlängern der Wirkung von Ultraschallkontrastmitteln - Google Patents

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.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Rah­ mensequenzierungstechniken 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 ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 16 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 Wandbewegungsana­ lyse 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 Funktionsblockdiagramin 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 be­ schrieben 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 (20)

1. Verfahren zum Steigern und Verlängern der Wirkung von Ultraschallkontrastmitteln mit folgenden Schritten:
Einführen eines Ultraschallkontrastmittels in einen Pa­ tienten;
Anlegen einer Erregung mit hoher Leistung bei jeder Pe­ riode, um ein Bild der Erregung mit hoher Leistung zu erzeugen (10);
Empfangen und Verarbeiten des Bilds der Erregung mit hoher Leistung (10);
Anlegen von M (M 0) Erregungen mit niedriger Leistung in jeder Periode, um mehrere Bilder für Erregungen mit niedriger Leistung zu erzeugen (20); und
Empfangen und Verarbeiten der Bilder für Erregungen mit niedriger Leistung (20).

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Erregung mit hoher Leistung jede Periode beginnt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Erregung mit hoher Leistung mit dem EKG des Patienten synchronisiert ist, wobei die Periodendauer N (N 1) Herzzyklen be­ trägt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Periode durch das Atemsignal des Patienten freigegeben wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem jede folgende Pe­ riode von einem EKG-synchronisierten Trigger inkremen­ tell verzögert ist, wobei der Trigger alle N (N 1) Herzzyklen auftritt (10B).

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der EKG-synchroni­ sierte Trigger aus dem Atemsignal des Patienten syn­ chronisiert ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem eine Serie von Pe­ rioden mit einem EKG-basierten Trigger synchronisiert ist, wobei der Trigger alle N (N 1) Herzzyklen auf­ tritt (10A).

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem jede Periodendauer eine feste Bruchzahl von Herzzyklen für die Serie ist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Serie ferner durch ein Atemsignal freigegeben wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem N gleich ein Herz­ zyklus ist.

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

12. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Serie aus zwei Perioden besteht, wobei eine Periode an der Enddiastole beginnt, während die zweite Periode an der Endsystole beginnt (10C).

13. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem N gleich ein Herz­ zyklus ist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die Anzahl M von Rahmen mit niedriger Leistung 0 beträgt (20).

15. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erregung mit niedriger Leistung mehr als 3 dB oder 3 dB kleiner als die Erregung mit hoher Leistung ist.

16. Verfahren zum Steigern und Verlängern der Wirkung von Ultraschallkontrastmitteln mit folgenden Schritten:
Einführen eines Ultraschallkontrastmittels in einen Patienten;
Anlegen von Q (Q 1) Erregungen mit hoher Leistung in jeder Periode, um das Kontrastmittel zu zerstören, und um mehrere Bilder der Erregungen mit hoher Leistung zu erzeugen (10);
Empfangen und Verarbeiten der mehreren Bilder der Erre­ gungen mit hoher Leistung (10);
Anlegen von M (M 0) Erregungen mit niedriger Leistung in jeder Periode, um mehrere Bilder von Erregungen mit niedriger Leistung zu erzeugen (20);
Empfangen und Verarbeiten der mehreren Bilder der Erre­ gungen mit niedriger Leistung (20A);
Anlegen einer zusätzlichen Erregung mit hoher Leistung in der gleichen Periode, welche bezüglich der Q Erre­ gungen mit hoher Leistung verzögert ist (10A);
Empfangen und Verarbeiten der Abbildung der zweiten Er­ regung mit hoher Leistung (10A);
Anlegen einer zweiten Gruppe von S (S 0) Erregungen mit niedriger Leistung in jeder Periode, um mehrere Bilder der Erregungen mit niedriger Leistung zu erzeu­ gen (20); und
Empfangen und Verarbeiten der mehreren Bilder von Er­ regungen mit niedriger Leistung (20A).

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem eine Periode 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 Periode mit S (S 0) Erregungen mit niedriger Leistung beendet wird, wobei die Periode 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. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem die zweite Erre­ gung mit hoher Leistung bezüglich der ersten Q Erregun­ gen mit hoher Leistung inkrementell verzögert ist.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem die Sequenz ferner durch ein Atemsignal freigegeben ist.

20. Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem die Erre­ gung mit niedriger Leistung mehr als 3 dB oder genau 3 dB kleiner als die Erregung mit hoher Leistung ist.