JP2010507932A - 超音波治療のための対称的かつ選択的に指向されたランダムアレイ - Google Patents

Abstract

超音波生成装置のためのフェーズド超音波アレイが開示される。一実施例において、アレイは、素子サイズ、形状及び/又は素子位置に関して、アレイ中の点又は境界線に対して対称的に配置された複数の超音波素子を含む。他の実施例において、超音波アレイの過半数の大きめの素子はアレイの第１部分に配置され、過半数の小さめの超音波素子はアレイの第２部分に配置される。第１部分は、第２部分より選択された指向方向に近い。他の方法は、ランダムに大きさを決められた超音波素子を選択すること、及びその超音波素子をアレイ上に対称的に配置することを含む。更なる方法は、ランダムに大きさを決められた超音波素子を選択すること、及びその超音波素子を配置することを含み、より大きな超音波素子はアレイの第１部分に配置され、より小さい超音波素子はアレイの第２部分に配置される。

Description

本発明の技術分野は、治療上のアプリケーション（例えば組織切除、薬剤供給、遺伝子供給、温熱療法及び血餅融解）のための超音波フェーズドアレイ変換子である。

超音波は、多くの治療上のアプリケーション（例えば組織切除、薬剤供給、温熱療法及び血餅融解）を持つ。単素子治療変換子は、焦点距離が固定されるという制限があり、体の異なる領域を治療するために機械上の変換が必要である。治療ビームを体の中の異なる場所に向けるために、電子的フェーズドアレイ変換子が一般に使用される。電子的に向きをかえられるアレイは、素子間隔が十分に細かくない場合、望ましくないエネルギー堆積に結びつくグレーティングローブの生成に通じる可能性があることが、従来技術においてよく知られている。

ランダム及び擬似ランダムアレイが、超音波治療アプリケーションのためにすでに示された（E. Hutchinson 等, "Aperiodic ultrasound phased array," PCT特許出願番号WO 97/17018；J.F. Hand 等, "Arrays of quasi-randomly distributed ultrasound transducers," PCT特許出願番号WO 00/49598）。そのようなアレイにおいて、素子の分布はランダム化される。擬似ランダムアレイは、その位置、形状及びサイズは、ユーザーが定める一定の限度内であるランダム化された素子を利用する。そのようなランダム化は、規則性の所望の減少を与え、グレーティングローブにおけるエネルギーの堆積を低減する効果を持つ。

最適なランダムアレイの設計は、多数の未知パラメータを解明することを必要とする。アレイを作り上げる素子の位置、形状及びサイズは、一般的にランダムな値であり、一定の限度を受ける。最適なアレイは、多くの場所の各々におけるコスト関数の最小化に基づいて選択される。コスト関数は、一般に、ビームが焦点に向きをかえられるときのメインローブに対するグレーティングローブの各々の強度の最悪の（最高の）比であると理解される。

傾斜探索に基づく最適化手法の失敗は、多数の極小値の存在に関連がある。遺伝的アルゴリズムのような適応探索アルゴリズムは、この問題の高度に制約された性質（素子は重なり合ってはならない）に起因して、簡単な方法で実現するのが難しい。制約を含まないように適応探索問題を提起しようと試みるには、解空間を解の集合が制約を含まないように選択されることができる問題のクラスに制限するかもしれない。したがって実際には、制限された全数探索が、ランダムアレイを設計する際に実行される（E.B. Hutchinson, et al., Design & optimization of an aperiodic ultrasound phased array for intracavity prostate thermal therapies, 23(5) Med. Phys. 767-76 (1996)）。従来の技術において用いられる一つの方法では、素子サイズが、２つ又は３つの値のサイズに制限されている。制限された検索に起因して、準最適なセットがしばしば選択される。

したがって、本明細書における本発明の特筆すべき実施の形態は、超音波発生装置のためのフェーズド超音波アレイであり、当該アレイは複数の超音波素子を含み、当該アレイの超音波素子は、素子サイズ、形状及び素子位置に関してアレイ中の点又は境界線に関して対称的に配置され、複数の素子のうちの少なくとも１つの素子のサイズ及び/若しくは形状は、複数の素子のうちの残りの素子のサイズ及び/若しくは形状と異なり、並びに/又は、少なくとも１つの素子間の間隔は、残りの間隔と異なる。関連した実施の形態において、超音波素子のサイズ及び/又は形状は、ランダムに選択される。他の関連した実施の形態において、超音波素子の位置は、ランダムに選択される。他の関連した実施の形態において、隣り合う超音波素子の重心の位置の間の複数の距離は、非周期的である。他の関連した実施の形態において、アレイの超音波素子は、回転対称に配置される。

さらに、上述の実施の形態のいずれかによる任意のフェーズド超音波アレイを含む超音波生成装置が提供される。

本明細書における本発明の他の特筆された実施の形態は、複数の超音波素子を持つ選択的に指向されるフェーズド超音波アレイであり、超音波アレイの過半数の大きめの素子は、アレイの第１部分に配置され、過半数の小さめの超音波素子は、アレイの第２部分に配置され、第１部分は第２部分より選択された指向方向に近く、このアレイは、超音波素子サイズや選択された指向方向に関係なく配置される超音波素子を持つ従来のアレイと比較して、より大きなフォーカシング利得及び低減されたグレーティングローブをもたらす。関連した実施の形態において、複数の素子のうちの少なくとも１つの素子のサイズ及び/若しくは形状、複数の素子のうちの残りの素子のサイズ及び/若しくは形状と異なり、並びに/又は、少なくとも１つの素子間間隔は、残りの素子の間隔と異なる。他の関連した実施の形態において、超音波素子のサイズ及び/又は形状は、素子を配置する前にランダムに選択される。他の実施例において、少なくとも１つの部分の中の複数の超音波素子の位置は、ランダムに選択される。他の関連した実施の形態において、各々の部分の中の複数の超音波素子は、ランダムに配置される。

他の関連した実施の形態において、超音波素子のサイズは、素子サイズの２つの分布（超音波素子サイズの第１分布及び超音波素子サイズの第２分布）からランダムに選択され、第１分布中の平均サイズは第２分布中の平均サイズよりも大きい。さらに関連した実施の形態において、第１部分の素子は第１分布からランダムに選択され、第２部分の素子は第２分布からランダムに選択される。他の関連した実施の形態において、第１部分及び第２部分はそれぞれ、アレイの領域の約半分を構成する。他の関連した実施の形態において、第１部分及び第２部分はそれぞれ、アレイの領域の半分を構成する。

他の関連した実施の形態において、隣り合う超音波素子の重心の位置の間の複数の距離は、非周期的である。さらに他の関連した実施の形態において、素子の位置は、ランダムに選択される。関連した実施の形態において、前記実施例のいずれかにおけるアレイは、一次元、二次元又は三次元である。他の関連した実施の形態において、上記のいずれかにおける超音波素子は、ジルコン酸チタン酸鉛（PZT）、ポリマー圧電材料及びピエゾ複合材料から成るグループから選択される材料をさらに有する。他の関連した実施の形態において、超音波素子は、曲面に配置される。例えばこの曲面は、球面のシェルである。

本明細書における本発明の他の特筆された実施の形態は、フェーズド超音波アレイを作成する方法であり、当該方法は、ランダムに大きさを決められた超音波素子を選択し、アレイ上に超音波素子を対称的に配置する。

本明細書における本発明の他の特筆された実施の形態は、フェーズド超音波アレイを作成する方法であり、当該方法は、ランダムに大きさを決められた超音波素子を選択して、この超音波素子を配置することを含み、大きめの超音波素子はアレイの第１部分に配置され、小さめの超音波素子はアレイの第２部分に配置され、第１部分は第２部分より選択された指向方向に近い。関連した実施の形態において、本方法は、追加的な方向への指向のために超音波素子の配置を最適化することをさらに含み、最適化は、フォーカシング利得を維持してグレーティングローブを最小限に抑える。

図1は、各々が合計32個の素子を持つ一次元の完全にランダムなアレイ及び対称的な（半ランダムな）アレイの例を示す。

図2は、開口から80mm離れた平面に焦点を定められた一次元の完全にランダムなアレイについての、アレイ中央（x=0）からの横座標上の距離の関数として任意単位での場の強さ（ビームパターン）を示す。観測されるアレイ性能（場の強さ）は、ビームが右に向けられるか左に向けられるかによって一般に異なる。この例において、アレイは、中央から20mm離れた点に焦点を定められた場合、例えば中央から左に20mmに比べて低い性能を示す。メインローブ強度の比としてのグレーティングローブ強度は、ローブ上のテキスト中に示される。

図3は、開口48mm及び32素子の対称的な（半ランダムな）一次元アレイからの場の強さを示す。右側又は左側のいずれに向けられた場合でも同じレベルのグレーティングローブが観測されるという点で、場分布は対称的である。

図4は、250回の試行による、完全にランダムなアレイ及び対称的な（半）ランダムな一次元のアレイの、メインローブ強度（高さ）の比としてのグレーティングローブ強度（高さ）の比較を示す。各々の点は、一つの特定の試行に対するコスト関数を表す。小さい値ほど良好な性能を示す。このデータは、最善の半ランダムなアレイが、最善の完全にランダムなアレイより良好な（すなわちより低い）コスト関数を与えたことを示す。

図5は、10,000回の試行から得られたデータに基づく最適な完全にランダムなアレイからの場の強さを示す。

図6は、10,000回の試行から得られたデータに基づく最適な対称的な（半ランダムな）一次元アレイからの場の強さを示す。

図7は、全10,000回の試行に対する完全にランダムな一次元アレイ及び対称的な（半ランダムな）一次元アレイの比較を示す。各々の点が一つの特定の試行のコスト関数を表す。小さい値ほど良好な性能を示す。このデータは、最善の対称的な（半ランダムな）アレイが、最善の完全にランダムなアレイより良好なコスト関数を与えたことを示す。10,000回の試行の後さえ、対称的な（半ランダムな）設計を用いて得られるデータは、完全にランダムな設計による性能より良好な性能を与えた。

図8は、焦点位置の関数として、最適な完全にランダムなアレイ及び対称的な（半ランダムな）アレイのコスト関数を示す。軸からの指向距離が大きくなるほど、より大きなグレーティングローブが発生した。最適な対称的な（半ランダムな）アレイは、（10,000回の試行の後）最適な完全にランダムなアレイより良好な性能を示す。比較のために、完全にランダムなアレイ又は対称的な（半ランダムな）アレイより悪い（より大きな）コスト関数を示すことが観測された非ランダムアレイのコスト関数も示される。

図9は、円形の開口における二次元の完全にランダムなアレイの例を示す。

図10は、円形の開口での対称的な二次元のランダムなアレイの例を示す。アレイの90°セクタは、ランダムに大きさを決められて配置された素子によって占められる。そしてこのセクタは、回転（放射）対称なアレイを生成するために、90°, 180°及び270°で回転されて複製される。

図11は、完全にランダムなアレイ及び対称的なランダムなアレイ（90°対称）のコスト関数の比較から得られるデータを示す。各々の点は、一つの試行に対して得られるコスト関数値である（低い値ほど良好な性能を示す）。得られたデータは、最善の対称的なランダムなアレイが、最善の完全にランダムなアレイより良好な性能を与えたことを示す。

図12は、中心がx=0にある36mmの開口を備える３つの一次元線形アレイ（非ランダム）についての、軸から離れたフォーカシングに関する場の強さに対する素子幅の効果を、縦座標上の任意単位で示す。開口サイズ（素子幅と素子数との積）は、３つ全ての場合で同一に保たれた。波長は1.5 mmであり、グレーティングローブは最初の２つの場合（幅=0.3及び0.6mm）には観測されなかった。グレーティングローブは、1.2mmの幅で観測された。グレーティングローブが存在しない場合でさえ、素子幅が小さいほど良好な信号の強さ（0.3mm対0.6mm）につながることが観測された。任意の特定の理論又は作用機構によって制限されることなく、この相関は、より小さい素子の指向性が大きな素子の指向性よりも良好であるからである。幅が1.2mmに増加すると、焦点における信号の強さは、グレーティングローブの増加したサイズ及び外形に起因してさらに減少する。したがって、これらのデータは、素子幅は、大きいよりも小さいほうが優れた結果を与えることを示す。

図13は、一次元のランダムな線形アレイ及び一次元のソートされた線形ランダムアレイを示す。上部パネルは、0.9mm〜1.5mmの範囲の素子サイズを有するランダムアレイを示す。下部アレイは、上部アレイと同一の素子のセットを用いるが、素子は、左（負のx方向）から右（正のx方向）へと昇順に増加する素子サイズを持つようにソートされた。したがって、x座標が原点から増加すると、素子サイズも増加する（必ずしもxの線形関数としてではない）。

図14は、図13に示される一次元ランダムアレイ中にランダムな素子を再配分することによる場の強さに対する効果を示す。右（正のx）へのより良好な指向及び低減されたグレーティングローブが、ソートされたアレイに対して観察される（特にビームが平面（z = 30mm）上のx=20mmに焦束される場合）。

図15は、２つの異なる素子サイズ分布を持つランダムなアレイを示す。一方の分布は、0.7mm〜1.3mmの間隔（18個の素子）で一様に分散され、他方は、1.2mm〜1.8mmの間隔（12個の素子）で分散される。全体の開口サイズは、図13と同じ（36mm）である。互いに鏡像である２つの構成が示され、一方では、より大きな素子が左に配置され（上部パネル）、他方では、より大きな素子が右に配置される（下部パネル）。

図16は、図15に示される素子サイズの２つの異なる分布を持つランダムアレイ変換子からの場の強さを示す。"[Large; small]"として識別される関数は、より大きな素子が左に配置される図15に示される上部パネルからのデータを示し、"[Small; large]"として識別される関数は、より大きな素子が右に配置される図15の下部パネルからのデータを示す。アレイは、アレイから30mmの距離で軸から20mm離れたところ（すなわちx = 20mm, z = 30mm）で焦点を合わせるように設定された。このデータは、（右への）より良好な指向が、[Small; large]として示されるアレイに対して達成されたことを示す。

図17は、二次元のランダムアレイ（上部）及びこのアレイのソートされたバージョン（下部）を示す。ソートは、各々のロウにおいて、より小さい素子を左に配置するように実行された（素子サイズのわずかな変動は、この図の解像度でははっきりしない）。

図18は、図17に示される二次元の半ランダムなアレイの場の強さを示す。比較のために、非ランダムアレイからのビームプロットがさらに示される。先の結果のように、ここで観測されるデータは、ソートされたランダムなアレイが優れた性能を与えたことを示す。

超音波素子は、ジルコン酸チタン酸鉛（PZT）、ポリマー圧電材料又はピエゾ複合材料で作成されることができる。

完全にランダムな一次元アレイは、ビームがアレイの一方側と他方側に放たれるときで一般に非対称の挙動を引き起こす。例えば、グレーティングローブは、左に向けられたときには小さいかもしれないが、右に向けられたときは大きい可能性がある。この現象は、素子サイズの平均が、右側での平均と比較して左側で大きい場合に発生する。同様の状況が二次元アレイに場合に現れる。

本発明を説明するために、超音波素子のアレイがz=0でx-y平面中に位置し、その軸がz軸に沿う条件が採用される。アレイは、全てアレイから一定の距離で同じx-y平面中にある異なる点（例えば、x-y平面中の円の上に載る異なる点）に焦点を合わせるように活性化される。基本的に、アレイは、異なる方向で焦点を合わせるように活性化される。（「円の上」は、一次元アレイではなく二次元アレイに対してのみ適している。）

異なる方向に対するアレイの挙動を比較すると、グレーティングローブレベルは、特定の方向には小さいが、他の方向では小さくない。それゆえに、非常に多数の場合が全数探索で試みられない限り、完全にランダムなアレイを使用すると、グレーティングローブが、一つの方向に向けられる場合には小さいが、他の方向に向けられると大きくなるという結果をもたらす傾向がある。

広範囲の治療超音波アプリケーションが、様々な特性を有するアレイを必要とする。例えば、「前方指向」は、前立腺ガンの治療のための直腸内変換器において望まれるが、他の領域に達するために変換子が僅かに引き出されることができるので、後方指向は重要でない。選択的な指向がそれほど重要ではない状況においてさえ、アレイの設計コストはいつも当面の懸念である。したがって、本発明の目的は、アレイ設計が従来利用可能なモデルよりも容易であり、一方向から他の方向に向きをかえる際に非対称挙動を被らないアレイを提供することである。本発明の他の目的は、ビームがアレイの片側に向けられる場合に、改善されたフォーカシング及び治療を示すアレイを提供することである。

本発明の一実施例において、ランダムなアレイと比較される改善は、対称制約を強いることによって得られる。例えば、一次元アレイにおいて、128個のランダムなサイズ/配置の素子を持つ開口全体を設計する代わりに、開口の約半分が64個の素子によって設計され、他の半分は、最初の半分の鏡像とされる。二次元アレイの場合には、アレイの一つの角度（セクタ）部分のみがランダムな素子を用いて設計され、アレイ中の残りのセクタは、最初のセクタ中の全ての素子の位置を適切な角度ずつ回転させることによって、同じ素子で満たされる。本発明はさらに、深さを持つ三次元で配置される曲面を持つ変換子を含む。

本願では、フレーズ「完全にランダムなアレイ」は、対称制約を持たないアレイを指す。フレーズ「半ランダムなアレイ」及び「対称的なランダムアレイ」は、それぞれ、少なくとも一対称度を持つ一次元及び二次元のランダムアレイを指す。

対称制約が強いられると、アレイの設計は簡単になり、アレイが一方向から他の方向への非対称挙動を被らないという利点がある。一次元の場合には、半分の数の素子のみが最適に選択されることを必要とし、他の半分は対称性によって選択される。二次元の場合、x軸及びy軸に沿った対称性が望まれるときは、アレイの1/4のみが設計されることを必要とし、他の3/4は回転対称によって選択される。これは、最適なランダムアレイの設計を非常に単純化する。

いくつかの実施の形態では、アレイは回転対称性を持つ。例えば、アレイは、いくつかの部分（例えば同一の部分）に仕切られる。例えば、円形の形状はいくつかのセクタに分割され、各々のセクタは非周期的な及び/又はランダムな素子を含むが、全てのセクタは転置可能であり、例えば、アレイの中心の周りで一つのセクタを回転させると、他のセクタの外観を生成する。例示的な実施の形態は、1/4対称性を有する円形の二次元アレイを含む。他の実施の形態では、1/N対称性が生成される（Nは２以上の整数を表す）。

設計上の利点に加えて、較正及び検査段階における対称ランダムアレイの他の利点がある。ランダムアレイでは、インピーダンス整合が、各々の素子のために実行されることを必要とする。そのような手法は、特に各々の考え得る動作周波数に対して繰り返される場合、高価であり、時間がかかる。対称性が強いられる場合、アレイの設計された部分のみが検査されることを必要とする。例えば、アレイの1/4のみが設計される二次元アレイでは、アレイの1/4のみが検査及び較正されることを必要とする。さらに、異なる焦点領域のための励起パラメータを記憶するために先験的（a priori）ルックアップテーブルが用いられる場合、焦点領域の1/4のみが較正されることを必要とする。

対称性を通して設計される素子の数を低減する際に生じるかもしれない一つの懸念は、ランダム性の豊かさが低下することである。しかしながら、本願明細書において得られる以下の考察及び結果が示すように、これは当てはまらない。二次元アレイでは、円形状の素子を仮定すると、３つの未知数（素子の中心のx及びy座標並びに素子の半径）がある。これらの３つの量を５つのレベルに量子化することによってさえ、128個の素子の全数探索のための可能な組み合わせの数は、10⁸⁹である（説明を簡単にするため重なりなしの制約を無視する）。しかしながら、32個の素子のみが設計される場合（128個の1/4）、可能な組み合わせの数は10²²であり、依然として十分に豊富である。対称性をアレイに導入することで、適切な設計をもたらし、本明細書中の例において観測されるデータによって示されるように、完全にランダムなアレイよりも良好に機能するアレイを生成する。さらに、最善の完全にランダムなアレイが、ある程度対称的なアレイに収束する傾向があるといういくつかの証拠がある。

本明細書において提供されるシステムにおいて、重要な特徴は、ランダムアレイにおける対称制約である。例えば、一次元の場合において、全開口をランダムに満たす128個の素子によって一次元アレイを設計する代わりに、64個の素子を備える約半分の開口のみが設計される。もう一方の半分を満たすために、素子の鏡像が用いられる。円形の開口を有する二次元の場合において、アレイの一つのセクタ部分（例えば90°の角度）のみが、ランダムなアレイを用いて設計される。他のセクタは、アレイの中心の周りで適切な角度（90°,180°及び270°）でそれらの位置を回転させることによって、同一セットの素子を用いて満たされる。

図1の下部パネルは、一次元の半ランダムなアレイのそのような実施の形態を示す。この半ランダムなアレイを評価して完全にランダムなアレイと比較するために、FIELDIIでのシミュレーションが実行された。（Field IIは、線形音響効果を用いる超音波変換子フィールド及び超音波撮像をシミュレートするための一セットのプログラムである。）一次元のランダムなアレイが、48mmの開口サイズによってシミュレートされた。２つの場合のための素子の総数は32であった。素子サイズは、1.25mmから1.75mmの間であり、平均サイズが1.5mmであるようにランダムに分布した（簡単にするために、カーフ（kerf）はシミュレーションにおいて用いられなかった）。動作周波数は、1.5MHzであった。完全にランダムな場合では、48mmの開口全体は、32個の素子で満たされた。対称的な（半ランダムな）アレイの場合には、24mmのアレイサイズの半分が16個の素子で満たされ、それから他方の半分を得るために鏡映された。

図2は、アレイから80mmの平面におけるアレイの両側の２つの焦点に対する完全にランダムな一次元アレイの一つの実現からのビームパターンを示す。焦点が+20 mmの場所である場合のグレーティングローブは、メインローブ強度の28%であった。ビームが他方の側に焦点を定められた場合に、優れた性能が観測され、グレーティングローブはメインローブのわずか12%であった。一般に、片側だけの指向が選択されることはないので、この実現に対するコスト関数は28%である。

図3は、半ランダムなアレイの一つの実現から観測されるビームパターンを示す。ビームパターンは、焦点が+20mmの場所であっても-20mmの場所であっても同じであり、コスト関数は21%である。これらがランダムアレイの一つの特定の試行に対するものであるので、図2及び3における結果の直接的な比較はできないことが、指摘されなければならない。従来の技術では、250回の試行が最適なアレイ選択のために実行された（E.B. Hutchinson, et al., Design & optimization of an aperiodic ultrasound phased array for intracavity prostate thermal therapies, 23(5) Med. Phys. 767-76 (1996)）。したがって、図4は、250回の試行のコスト関数を示し、各々の実現に対して一つの点としてプロットされる。最善の対称的な（半ランダムな）アレイは、最善の完全にランダムなアレイより良好な性能を持つことが観測された。

完全にランダムな一次元アレイ及び半ランダムな一次元アレイをさらに比較するために、合計10,000回の試算が実行された。図5は、最善の（最適な）完全にランダムなアレイからの場の強さを示す。グレーティングローブ強度は、図2の強度と比べて非常に低減されることが観測された。焦点が+20mm及び-20mmの場所である場合のビームパターンは、幾分対称的であるように見える。図6は、最適な半ランダムアレイの場の強さを示す。２つの焦点に対するビームパターン（場の強さ）は、対称的であり、最適な完全にランダムなアレイと比べて小さいグレーティングローブを示すことが観測された。図7は、10,000回の試行に対する２つのアレイのコスト関数プロットを示し、完全にランダムなアレイと比べて良好である対称的な（半ランダムな）アレイの挙動を裏付ける。

焦点位置を２点以上に変更することの効果を決定するために、（10,000回の試算後に選択された）最適な完全にランダムなアレイと半ランダムな（対称的な）アレイとの更なる比較が実行された。図8は、焦点の範囲を-30mmから30mmまで変えることで得られるビームプロットを示す。最適な半ランダムアレイが最適な完全にランダムなアレイと比べて小さいコスト関数を与えることが分かる。完全にランダムなアレイは、-30mm及び30mmでのフォーカシングに対して、1.5mmの一定幅を有する非ランダムアレイに相当する容認できないほど大きなグレーティングローブを呈した。

二次元ランダムアレイのための他の実施の形態が以下に説明される。このアレイは、120個の素子で満たされる40mmの円形開口を含む。この実施の形態の素子は、形状が円形であり、ランダムな半径が1mmから2mmの間で一様に分布する。動作周波数は1.5MHzであった。図9は、完全にランダムな二次元アレイの一つの実現を示す。図10は、90°対称性を有する二次元の対称的なランダムアレイの一つの実現を示す。このアレイのために、30個の素子が一つの四分円に嵌まるようにランダムに選択され、他の四分円は、この四分円を90°, 180°及び270°ずつ回転させることによって同じ素子を配置することで満たされた。

完全にランダムなアレイと対称的なランダムアレイとのコスト関数を比較するために、ビームプロットシミュレーションが、８つの焦点位置に対してFIELDIIで実行された（焦点ごとであり、同時に複数の焦点についてではない）。８つの焦点が、円上に設置されて、アレイから80mmの平面中に置かれた。これらの８つの焦点は、20mmの半径を持つ円上で45度ずつ離れて分けられた。グレーティングローブとメインローブとの間の最悪の比が報告される。計算時間の制約のために、一次元の場合のように10,000回ではなく、250回の試算が実行された。しかしながら、統計的有意性が達成されたと考えられる。

図11は、完全にランダムなアレイ及び対称的な二次元のランダムアレイの各々に対するこれらの250回の試算に対して観測されるコスト関数を示す。これらの多くの試算によってさえも、対称的なランダムアレイがより良好な性能を与えることが観察された。したがって、対称的なアレイではランダム性の量が低減されるが、実際には、完全にランダムなアレイよりも性能が優れている。

本発明の原理に従って、他の実施の形態は、形状が円形ではない（例えば、矩形、三角形、五角形、n角形、楕円、台形、菱形又は正方形の）二次元のランダムアレイ開口である。

他の実施の形態において、対称性のためのセクタ角度は90°に制限されず、例えば、0〜180°の範囲であることができる。20〜180°の間の角度は、対称的な複製のための超音波素子のより豊富なパターンを可能にする。

前記実施例は、集束超音波が組織を熱的に切断するために用いられる任意のアプリケーションにおいて用いられることができる。典型的な例は、脳病巣の治療、子宮類繊維腫、肝腫瘍切除、乳房腫瘍切除などを含む。実施の形態はさらに、例えば脳卒中又は深部静脈血栓症（DVT）患者のための、血餅融解のための超音波の使用方法を含む。

前記実施例はさらに、熱的に誘発された生体効果が必要であるアプリケーション（例えば、局所的な遺伝子治療、薬剤供給及びタンパク質供給）において用いられることができる。

ランダムアレイは治療目的を意図するが、前記実施例は、超音波撮像アレイに適用できることも考えられる。

本発明の他の実施の形態において、大きい素子ほど好ましい指向方向の近くになり、小さい素子ほどアレイの他の（遠い）側に配置されるように素子が配置され、ビームがアレイの片側に向けられたときにより良いフォーカシング及び治療が行われる。

小さい素子は、いくつかの観点において大きな素子と比べて有利であり、それらは、大きな素子と比べてより等方的なビームパターンを持ち、小さい素子から軸を離れて、特にアレイ近くに向きをかえることがより容易である超音波ビームを生成する。さらに、小さい素子が用いられるほど、グレーティングローブは小さくなる。グレーティングローブの低減は、メインローブ中のエネルギー堆積の改善や、ビームが軸を外れた方向に向けられるときに特に有用である特徴につながる。

単純な非ランダムアレイの例は、前記実施例を図示する。一定の素子サイズを有する３つの一次元線形アレイ（非ランダムアレイ）が、FIELDIIプログラムを用いてシミュレートされた。全体の開口サイズは３つ全ての場合で同じで、36mmであった。３つの場合の素子幅は、それぞれ0.3mm、0.6mm及び1.2mmであり、素子の数は、それぞれ120、60及び30であった。周波数は1.0MHzに設定され、1.5mmの波長に対応する。簡単のため、カーフはシミュレーションに用いられず、したがって素子間の間隔は、素子の幅によって決定されたものである。グレーティングローブは、最初の２つの場合には観測されなかった。

図12は、ビームが開口から30mmの面において軸から20mm離れてフォーカスするように設定された場合の、３つのアレイから観測される場の強さを示す。データは、焦点での信号の強さが素子サイズの増加と共に徐々に減少することを示している。グレーティングローブが存在しない場合でさえ、素子幅が小さいほど信号の強さが良好である(0.3 mm vs. 0.6 mm)。これは、素子が小さいほど指向性が良好であるからである。幅が1.2mmに増加すると、焦点での信号の強さは、増加したサイズ及びグレーティングローブの出現に起因してさらに減少する。したがって、より小さい素子が優先される。

すでに説明されたランダムアレイは、素子間隔がλ/2より大きな場合でさえ、グレーティングローブを最小限に抑える（λは音の波長）(E. Hutchinson等, "Aperiodic ultrasound phased array," 国際公開番号WO 97/17018; J.F. Hand等, "Arrays of quasi-randomly distributed ultrasound transducers," 国際公開番号WO 00/49598)。しかしながら、それらは、ビームが軸を外れた方向に向けられると、指向能力が低下する傾向があり、これは大きな素子の使用に関連していると考えられる。これを説明するために、他の例が提供される。図13は、ランダムに大きさを決められた素子の同一セットによる２つのランダムアレイ構成を示す。素子サイズは、0.9mm〜1.5mmの一様な分布から選択された（最近傍の0.05mmに量子化された）。素子の数は30であり、全体の開口サイズは、先の例と同じ（36mm）であった。図13の下部パネル中のアレイは、上部パネルと同一の素子セットを用い、下部パネル中の素子は、左から右にサイズの昇順で素子を配置するようにさらにソートされた。両方のアレイの平均素子サイズは1.2mmであった。

図14は、フォーカシングが開口から30mmの面で右に20mmに設定された場合の、２つのアレイからのビームパターンを示す。両方のランダムアレイは、1.2mmの一定の素子サイズを有するアレイと比べて改善を示す。しかしながら、ソートされたランダムアレイは、同一の素子セットを用いた未ソートのアレイと比べて、さらに大きな改善を示す。この改善は、比較的劣った素子指向性を持つ大きな素子ほど焦点の近くに配置することによって促進された。より良好な指向性を持つより小さい素子は、焦点からより遠くに配置された。ソートされたランダムアレイは、低減されたグレーティングローブを持つことが観測された。このように、そのようなソートされたアレイは、アレイの片側に対して優れた指向能力を持つことが見いだされた。アレイの他方の側への指向は、小さい素子に起因して比較的劣っているが、内部変換子（例えば直腸内プローブ）を補償するために可能であり、すなわち、通常、体の中に正常に向けることが可能であり、他の側に対するフォーカシングは、単に僅かに変換子を後退させることによって、引き続き容易に達成されることができる。

実施の形態は、ランダムな素子の配置の使用を提供し、大きな素子ほど好適な指向方向の近くに配置され、小さい素子ほど好適な方向からさらに離れた他方の側に配置される。図14に示されるように、このアレイでは、同じ素子サイズのセットを持つランダムアレイに対して観測されるものと比べて、フォーカシング利得は改善され、グレーティングローブは低減される。

最適化は、特許中に開示されるように素子の最善の分布を選択するために、関連した実施の形態において実行された（E. Hutchinson等, "Aperiodic ultrasound phased array," 国際公開WO 97/17018; J.F. Hand等, "Arrays of quasi-randomly distributed ultrasound transducers," 国際公開WO 00/49598）。しかしながら、それらの特許に説明されるような最善の構成は、本明細書の方法によって提供されるような好適な指向能力を欠いていることに注意しなければならない。したがってそれらは、選択的な指向が必要な場合には、提案されたアレイと比べてより劣った性能を示す。

図13において、下部パネルが選択的に指向されるアレイの実施の形態を示し、一次元のランダムアレイが最初に選択され、そして素子は、サイズの昇順にソートされる。ビームパターンは、アレイの一つの方向における一セットの焦点に対するシミュレーション又は実験を通して決定される。最適化スキームは、最善の構成（すなわち、フォーカシング利得及び/又はグレーティングローブレベルによって決定される最善の性能を持つアレイ）を選択するために、ソートされたランダムアレイのそれぞれの試行によって実現される。さらに、逆方向の特定の角度までの良好な指向を含む最適化が実行される。

図15は、一次元線形アレイの実施の形態の他の例を示す。ここで、アレイは、素子サイズの２つの分布から作成される。一つの分布は大きな平均サイズを持ち、もう一方は小さい平均サイズを持つ。好ましくは、両方のセット中の素子の数は、各々のセットがアレイの半分を満たすように選択される。より大きな分布の素子は、優れた又は選択的な指向を得るために用いられるアレイの側を満たす。

図16は、図15に示されるランダムアレイによる結果として生じるビームパターンから得られるデータを示し、フォーカシングは右側に対して行われた。大きなサイズ分布からの素子がアレイの右側半分に配置される配列によって、小さい素子を右側半分に配置する配列と比較して、指向は大幅に改善されることが観察されることが分かる。フォーカシング利得及び/又はグレーティングローブレベルに関して最善の性能を持つ分布の中から選択するために、最適化戦略がさらに使用されることができる。

逆方向指向が優先して必要な場合には、大きな素子と小さな素子の場所を切り替えることによって、前記実施例が使用されることができることが、当業者にとって直ちに明らかである。

更なる実施の形態は、例えば、一つの方向における改善された又は優れた指向を必要とする二次元アレイであり、目標組織は、音響ウィンドウの片側に位置する（例えば心臓への肋骨下アクセス）。二次元のアプリケーションを説明するために、256個の素子（16x16）を有する半ランダムな二次元アレイがシミュレートされた（図17）。開口サイズは36 mm x 36 mm四方であり、x方向の素子サイズは、（0.05mmステップで量子化された）1.75mmと2.75mmとの間の一様なランダム分布から選択された。簡単のために、素子サイズは、y方向では2.25mmに等しい一定サイズであった。16のロウの各々で異なるランダム分布が選択され、ひいては、二次元アレイは、一セットの一次元ランダムアレイから構成された。カーフがゼロに設定されたので、素子間隔は素子幅によって決定された。図18は、元のアレイとソートされたアレイの両方について、焦点が開口から80mmの距離で軸の右側25mmに設定された場合の1MHz（λ=1.5 mm）におけるビームパターンを示す。さらに、2.25mmの一定の素子サイズを有する非ランダムアレイからのビームプロットが比較のために示される。これらのデータは、上記の実施の形態のように、ソートされたランダムアレイが優れた結果を与えることを示す。

前記実施例はさらに、素子が曲面（例えば球面のシェル）に設置される一次元又は二次元のアレイに拡張されることができる。

前記実施例は、集束超音波が組織を熱的に切断するために用いられ、変換子が体内を進むことを必要とする任意のアプリケーションにおいて用いられることができる。典型的なアプリケーションは、前立腺治療のために用いられるような腔内変換子、妨害物又は凝血塊を崩壊させる危険性のために解剖学的部位を越えて進むことができないカテーテル型の変換子、腹腔鏡治療変換子、及び子宮類繊維腫治療用の変換子にある。カテーテル型のアプリケーションは、血餅融解及び心臓細胞の異常な電気的発射を修正するための電気生理学（EP）アプリケーションを含む。

経胸腔的又は経腹的アプリケーション（例えば、治療ボリュームが音響ウィンドウから一貫して非対称的にシフトされて位置するアプリケーション）も本明細書における実施の形態の範囲内である。これらのアプリケーションは、肋骨の下から若しくは特定の肋骨の間からの心臓へのアクセス、又は、腸若しくは膀胱を回避する肝臓若しくは他の臓器への経腹部アクセスを含む。本発明はさらに、熱的に誘発された生体効果（例えば局所的な遺伝子治療）、薬剤供給、タンパク質供給などが必要であるアプリケーションにおいて用いられることができる。

一般に、ランダムに選択された素子サイズ及び位置は、乱数値を生成する任意の標準的手段によって生成される。これらの手段は、乱数発生器、乱数テーブル、ランダム分布及び擬似ランダム分布を含む。

前記実施例は、さまざまな種類及びサイズの超音波素子に一般に適用可能である。これは、約0.1mm〜約100mmの範囲のサイズを持つ素子を含む（但しそれらに限られない）。

本発明の他の及び更なる形態や、上述された特定の例示的な実施の形態以外の実施の形態が、添付された特許請求の範囲及びそれらの均等物の精神と範囲から逸脱することなく工夫されることができることがさらに明らかである。したがって、本発明の範囲がこれらの均等物を包含し、説明及び特許請求の範囲は、例示を目的としており、さらに制限するものとして解釈されてはならないことが意図される。

Claims (22)

1. 超音波生成装置のためのフェーズド超音波アレイであって、当該アレイは複数の超音波素子を有し、前記アレイの前記超音波素子は、素子サイズ、形状及び素子配置に関して、前記アレイ中の点又は境界線に対して対称的に配置され、前記複数の素子のうちの少なくとも一つの素子が、前記複数の素子のうちの残りの素子とは異なるサイズ及び/若しくは形状を備え、並びに/又は、少なくとも一つの素子間の間隔が残りの間隔とは異なる、フェーズド超音波アレイ。
2. 前記超音波素子のサイズ及び/又は形状がランダムに選択される、請求項１に記載のフェーズド超音波アレイ。
3. 前記超音波素子の位置がランダムに選択される、請求項１に記載のフェーズド超音波アレイ。
4. 隣り合う超音波素子の重心の位置の間の複数の距離が非周期的である、請求項１に記載のフェーズド超音波アレイ。
5. 請求項１に記載のフェーズド超音波アレイを有する超音波生成装置。
6. 複数の超音波素子を有する選択的指向フェーズド超音波アレイであって、当該超音波アレイの過半数の大きめの素子が当該アレイの第１部分に配置され、過半数の小さめの超音波素子が当該アレイの第２部分に配置され、第１部分が、第２部分よりも選択された指向方向に近く、超音波素子サイズ及び選択された指向方向と無関係に配置された超音波素子を持つアレイと比べて、大きなフォーカシング利得及び小さいグレーティングローブをもたらすフェーズド超音波アレイ。
7. 前記複数の素子のうちの少なくとも一つの素子が、前記複数の素子のうちの残りの素子とは異なるサイズ及び/若しくは形状を持ち、並びに/又は、少なくとも一つの素子間の間隔が、残りの間隔とは異なる、請求項６に記載のフェーズド超音波アレイ。
8. 前記超音波素子のサイズ及び/又は形状が、当該素子を配置する前にランダムに選択される、請求項６に記載のフェーズド超音波アレイ。
9. 各々の部分内の複数の超音波素子がランダムに配置される、請求項６に記載のフェーズド超音波アレイ。
10. 前記超音波素子のサイズが、素子サイズの２つの分布である、超音波素子サイズの第１分布及び超音波素子サイズの第２分布からランダムに選択され、第１分布中の平均サイズが、第２分布中の平均サイズよりも大きい、請求項６に記載のフェーズド超音波アレイ。
11. 第１部分の素子が第１分布からランダムに選択され、第２部分の素子が第２分布からランダムに選択される、請求項１０に記載のフェーズド超音波アレイ。
12. 第１部分及び第２部分が各々、当該アレイの約半分を構成する、請求項１１に記載のフェーズド超音波アレイ。
13. 第１部分及び第２部分が各々、アレイの領域の半分を構成する、請求項１１に記載のフェーズド超音波アレイ。
14. 隣り合う超音波素子の重心の位置の間の複数の距離が非周期的である、請求項６に記載のフェーズド超音波アレイ。
15. 素子の位置がランダムに選択される請求項６に記載のフェーズド超音波アレイ。
16. 一次元、二次元又は三次元のアレイである、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のフェーズド超音波アレイ。
17. 前記超音波素子がさらに、ジルコン酸チタン酸鉛（PZT）、ポリマー圧電材料及びピエゾ複合材料から成るグループから選択される材料を含む、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のフェーズド超音波アレイ。
18. 前記超音波素子が曲面に配置される、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のフェーズド超音波アレイ。
19. 前記曲面が球面シェルである、請求項１８に記載のフェーズド超音波アレイ。
20. フェーズド超音波アレイの製造方法であって、ランダムに大きさを決められた超音波素子を選択し、当該超音波素子をアレイ上に対称的に配置する製造方法。
21. フェーズド超音波アレイを設計する方法であって、
    ランダムに大きさを決められた超音波素子を選択して、当該超音波素子を配置することを含み、大きめの超音波素子はアレイの第１部分に配置され、小さめの超音波素子はアレイの第２部分に配置され、第１部分が、第２部分よりも選択された指向方向に近い方法。
22. 追加的な方向への指向のために超音波素子の配置を最適化することをさらに含み、前記最適化により、フォーカシング利得を維持してグレーティングローブを最小化する、請求項２１に記載のフェーズド超音波アレイを設計する方法。

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