JP2015217247A - 超音波治療装置及び超音波治療システム - Google Patents

Abstract

【課題】体表面に対する入射角度が異なっても、治療対象部位に照射されるＨＩＦＵエネルギの総量を保持して、所望の効果を得られる超音波治療装置及びシステムを提供する。
【解決手段】複数の治療振動子３９から治療対象部位に設定される焦点４０３に治療超音波を照射する治療プローブと、各治療超音波ビームの強度をそれぞれ制御するＨＩＦＵコントローラと、治療プローブの中心部に設けられ、生体との間で撮像用の超音波を送受する撮像プローブと、撮像プローブの受信信号から生成される焦点を含む超音波画像を生成する超音波画像構成部と、超音波画像を表示するモニタとを備え、ＨＩＦＵコントローラは、モニタに表示された超音波画像に基づいて、各治療振動子から焦点に照射される治療超音波ビームの体表面に対する入射角度を算出し、算出した入射角度に応じて減少する各治療振動子から射出される治療超音波ビームの強度を補償する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、超音波治療装置及び超音波治療システムに係り、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ：High Intensity Focused Ultra sound）を用いて生体に設定される対象部位を治療する超音波治療装置及び超音波治療システムに関する。

ＨＩＦＵ治療は、高密度に集束した超音波を用いて治療対象部位に設定した焦点の生体組織を局所的に加熱し、その部位の組織を焼灼して治療する侵襲性の低い治療として知られている。例えば、生体の直腸内に治療プローブを挿入し、治療対象部位の病変部にＨＩＦＵを照射して治療することが提案されている。また、特許文献１に紹介されているＨＩＦＵを用いた超音波治療装置は、マルチチャンネル発生器から供給される超音波電気信号で複数の治療振動子（トランスジューサ）をそれぞれ駆動する治療プローブが提案されている。これによれば、各治療振動子に供給する超音波電気信号の振幅、周波数及び位相をそれぞれ独立して制御して、広範囲の治療対象部位にＨＩＦＵを集束することができる。

特許第４５１９９０５号

しかし、各治療振動子から周期的に高強度の治療超音波を照射するので、それらの治療超音波ビーム上にある生体表面の皮膚が火傷するおそれがある。すなわち、通常のＨＩＦＵ治療では、トリガパルスと称する高強度の超音波と、トリガパルスよりも強度が低い加熱パルスと称する超音波とを繰り返し照射する。このような治療超音波ビーム上にインピーダンスが極端に異なる伝搬媒体（例えば、皮膚と水など）の境界があると、トリガパルスによりそれらの界面でキャビテーション現象による気泡が発生する。続いて加熱パルスが照射されると気泡が壊れて熱が発生し、治療超音波ビームが強いと高温になって皮膚火傷が発生するおそれがある。このような皮膚火傷が発生すると、生体深部の病変部を治療ができないだけでなく、正常組織へのダメージが問題となる。

したがって、各治療振動子から射出する治療超音波ビームの強度が制限されることから、複数の治療振動子を半球状の凹面に分散して配置した治療プローブが提案されている。これによれば、個々の治療振動子から射出される治療超音波ビームの強度を制限しても、治療に必要な治療超音波エネルギを治療対象部位に集束させることができる。

一方、生体の体表面（皮膚）に対する治療超音波ビームの入射角度は、治療効果に影響することが知られており、理想的な治療超音波ビームの入射角度は体表面に対して垂直（９０°）の場合である。つまり、治療超音波ビームが体表面に垂直に入射すると、皮膚における治療超音波の反射や吸収のロスが少なく、治療超音波が生体内部に入り込んで、治療対象部位に設定される焦点へのエネルギ伝達効率が最も高い。

ところで、治療プローブの治療振動子を半球状の凹面に分散して配置すると、凹面上の治療振動子の位置に応じて、あるいは体表面の形状に応じて、体表面に対する治療超音波ビームの入射角度が異なってくる。しかし、体表面に対する入射角度が垂直から離れるに従い、その治療振動子から射出された治療超音波ビームが体表面で反射あるいは吸収される割合が大きくなり、生体内部及び焦点へのエネルギ伝達効率が低下する。その結果、治療対象部位に照射されるＨＩＦＵエネルギの総量が減少して、治療効果が低下するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、体表面に対する個々の治療振動子の治療超音波ビームの入射角度が異なっても、治療対象部位に照射されるＨＩＦＵエネルギの総量を目標値に保持して、所望の治療効果を得ることができる超音波治療装置及び超音波治療システムを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の超音波治療装置は、半球状の凹面に配設された複数の治療振動子から生体の治療対象部位に設定される焦点に治療超音波を照射する治療プローブと、前記各治療振動子から射出される治療超音波ビームの強度をそれぞれ制御する治療振動子制御部と、前記治療プローブの前記凹面の中心部に設けられ、前記生体との間で撮像用の超音波を送受する複数の撮像振動子を有してなる撮像プローブと、前記撮像プローブの受信信号から生成される前記焦点を含む超音波画像を生成する超音波画像構成部と、前記超音波画像を表示する表示部とを備え、前記治療振動子制御部は、前記表示部に表示された前記超音波画像に基づいて、前記各治療振動子から前記焦点に照射される治療超音波ビームの前記生体の体表面に対する入射角度を算出し、算出した前記入射角度に応じて減少する前記各治療振動子から射出される前記治療超音波ビームの強度を補償することを特徴とする。

本発明の超音波治療装置によれば、複数の治療振動子から射出される治療超音波ビームごとに生体の体表面に対する入射角度を算出し、算出した入射角度に応じて減少する各治療振動子から焦点に照射される治療超音波ビームの強度の減少分を補償する。これにより、体表面に対する治療超音波ビームの入射角度に応じて治療超音波が体表面で反射又は吸収されて減少しても、各治療振動子から焦点に照射される治療超音波ビームの強度が補償される。その結果、治療プローブ全体から治療対象部位に照射されるＨＩＦＵエネルギを目標値に保持することができ、所望の治療精度及び治療効果を安定して得ることができる。

また、本発明によれば、体表面への治療超音波ビームの入射角度を算出しているから、術者に各治療振動子の入射角度を画像情報、音声などで警告することができる。これにより、術者は、許容入射角度範囲を超えるような治療超音波の照射を回避することができる。具体的には、警告に基づいて、術者が治療プローブの位置及び角度（本明細書では、位置と総称する。）を変更あるいは維持することにより、エネルギ伝達効率を一定以上に保持し、必要な治療精度を確保した治療効果を得ることができる。また、皮膚火傷等の副作用を抑制することもできる。なお、警告に基づいて術者が治療プローブの位置を変更した場合は、変更した位置における各治療振動子の治療超音波ビームの生体の体表面に対する入射角度を算出して、治療超音波ビームの強度を補償する処理を繰り返すことは言うまでもない。

本発明によれば、体表面に対する個々の治療振動子の治療超音波ビームの入射角度が異なっても、治療対象部位に照射されるＨＩＦＵエネルギの総量を目標値に保持して、所望の治療効果を得ることができることができる。

本発明の一実施形態の超音波治療システムの全体構成を示す図である。 本発明の一実施形態の超音波治療装置のブロック構成図である。 本発明の一実施形態の超音波治療プローブの構成を説明する図である。 集束超音波治療を説明する図である。 本発明の一実施形態の超音波治療システムのナビゲーションガイド表示機能を説明する図である。 本発明の一実施形態の超音波治療システムの処理手順を示すフローチャートである。 図６のフローチャートに示した本発明の一実施形態の特徴部に係る部分の詳細なフローチャートである。 本発明の一実施形態の治療プローブの複数の治療振動子から射出される治療超音波ビームと、複数の治療振動子の配置を示す図である。 ＨＩＦＵのパルスパターンを説明する図である。 本発明の特徴に係る治療超音波ビームが体表面に入射する入射角度の算出法を説明するとともに、入力角度に応じて治療超音波ビームの強度を補償する方法を説明する図である。 本発明により算出された各治療振動子（チャンネル）と、その治療超音波ビームの体表面に対する入射角度と、入射角度に応じて補償する治療超音波ビームの強度を示すデータテーブルである。 本発明の一実施形態の手術又は治療時のＧＵＩの表示例を示す図である。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。

図１に、本発明の超音波治療システムの全体構成を示す。医用画像装置の一つである磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置１は、例えば、垂直磁場永久磁石方式のＭＲＩ装置である。しかし、ＭＲＩ装置に限られるものではなく、周知のＣＴ装置、ＰＥＴ装置、超音波画像装置、等々の医用画像装置を適用することができる。

ＭＲＩ装置１は、図示のように、垂直な静磁場を発生させる上部磁石３と下部磁石５、これら磁石を連結するとともに上部磁石３を支持する支柱７、位置検出デバイス９、アーム１１、モニタ１３、１４、モニタ支持部１５、基準ツール１７、パーソナルコンピュータ１９、ベッド２１、ＭＲＩ制御部２３などを含んで構成されている。ＭＲＩ装置１の図示しない傾斜磁場発生部は、領斜磁場を発生させる。更に、ＭＲＩ装置１は、静磁場中の患者２４に核磁気共鳴を生じさせるための図示しないＲＦ送信器、患者２４からの核磁気共鳴信号を受信する図示しないＲＦ受信器を備えている。

位置検出デバイス９は、超音波治療プローブ３７の三次元の位置及び姿勢（以下、位置と総称する。）を検出する三次元位置検出器である。すなわち、位置検出デバイス９は、２台の赤外線カメラ２５と、赤外線を発光する図示しない発光ダイオードを含んで構成され、超音波治療プローブ３７に取り付けられたポインタ２７の三次元位置を検出する。これにより、ポインタ２７は、超音波治療プローブ３７の位置を検出する機能とともに、超音波画像とＭＲ画像の撮像断層面の指示デバイスとして機能する。また、位置検出デバイス９は、アーム１１により移動可能に上部磁石３に連結され、ＭＲＩ装置１に対する配置を適宜変更可能に形成されている。モニタ１３には、術者２９が把持するポインタ２７により指示された患者２４の断層面の超音波画像が表示される。モニタ１３は、モニタ支持部１５により赤外線カメラ２５と同様に上部磁石３に連結されている。基準ツール１７は、赤外線カメラ２５の座標系とＭＲＩ装置１の座標系をリンクさせるもので、３つの反射球３５を備え、上部磁石３の側面に設けられている。

パーソナルコンピュータ１９には、赤外線カメラ２５が検出し算出したポインタ２７の情報が、超音波治療プローブ３７の位置データとして、例えば、ＲＳ２３２Ｃケーブル３３を介して送信される。ＭＲＩ制御部２３は、ワークステーションで構成され、図示しないＲＦ送信器、ＲＦ受信器などを制御する。また、ＭＲＩ制御部２３は、パーソナルコンピュータ１９と接続されている。パーソナルコンピュータ１９では、赤外線カメラ２５が検出し算出したポインタ２７の位置データをＭＲＩ装置１での撮像範囲の位置データに変換し、ＭＲＩ制御部２３へ送信する。位置データは、撮像シーケンスの撮像断面の制御に反映される。新たな撮像断面で取得されたＭＲ画像はモニタ１３に表示される。また、ＭＲ画像は映像記録装置３４に同時記録される。

超音波治療装置４０は、ポインタ２７が取り付けられた超音波治療プローブ３７で得られた超音波画像を専用のモニタ３８に映し出すようになっている。また、超音波画像はパーソナルコンピュータ１９に転送されて画像処理が行われ、術者用モニタ１３、１４に映し出される。超音波治療プローブ３７はＭＲＩ装置１の磁場内でも作動可能なセラミックなどの非磁性体で形成されている。超音波治療プローブ３７は２ＭＨｚや１ＭＨｚと必要に応じて使い分けられるようにしてもよい。

図２に、超音波治療装置４０の主要部のブロック構成を示す。超音波治療装置４０は、患者２４に治療超音波を照射して治療する超音波治療プローブ３７を備えて構成され、患者２４にＨＩＦＵ（高密度焦点式超音波）を照射して超音波治療を行うものである。また、超音波治療装置４０は、超音波治療プローブ３７から患者２４内に超音波を送受信して得られた反射エコー信号を用い、治療対象部位を含む二次元超音波画像或いは三次元超音波画像を形成して、モニタ３８に表示する。すなわち、超音波治療プローブ３７は、後述するように、ＨＩＦＵの治療超音波を照射する治療プローブ３７ａと、超音波画像撮像用の撮像プローブ３７ｂが備えられている。また、超音波治療装置４０は、撮像プローブ３７ｂに超音波信号を送受信する超音波送受信部４４と、受信信号に基づいてＨＩＦＵの焦点を含む二次元超音波画像（例えば、Ｂモード画像）或いは三次元超音波画像を構成する超音波画像構成部４５と、超音波画像構成部４５で構成された超音波画像を表示する表示部であるモニタ３８、患者２４に照射する治療プローブ３７ａと撮像プローブ３７ｂに供給する超音波強度を切り換えるＨＩＦＵコントローラ４９、各構成要素を制御する超音波制御部４７と、超音波制御部４７に指示を与えるコントロールパネル４８とから構成されている。

ＨＩＦＵコントローラ４９は、超音波治療装置４０を超音波画像装置として動作させる場合は撮像プローブ３７ｂを駆動して患者２４に撮像用の弱い超音波を照射し、治療装置として動作させる場合は治療プローブ３７ａを駆動して患者２４に治療用の強い超音波を照射する。なお、この例では、超音波治療装置４０に超音波診断装置を組み込んで構成したが、超音波診断装置と超音波治療装置を別々の装置として構成してもよい。なお、ＨＩＦＵコントローラ４９は、治療プローブ３７ａの治療振動子３９を制御する治療振動子制御部であり、各治療振動子から射出される治療超音波ビームの強度をそれぞれ制御するようになっている。

図３に、本発明の特徴部に係る超音波治療プローブ３７の一実施形態の構成図を示す。同図（ａ）は、超音波治療プローブ３７の中心軸を通る面における断面図、同図（ｂ）は超音波治療プローブ３７の超音波射出面側から見た正面図である。同図から明らかなように、超音波治療プローブ３７は、半球状の凹面に形成された治療プローブ３７ａと、凹面の中心軸に配設された超音波画像の撮像用の撮像プローブ３７ｂを備えて形成されている。撮像プローブ３７ｂは、図示扇形領域６０１の断層画像（超音波画像）を撮像可能になっている。

治療プローブ３７ａは、同図（ｂ）に示すように、凹面を同心円状の複数の円環領域に分割し、さらに円環領域を径方向に分割してなる複数の領域に、それぞれ治療振動子３９を配設して形成されている。言い換えれば、治療プローブ３７ａは、複数の治療振動子３９を配列した二次元マトリックス・アレイ・トランスデューサとして構成されている。ここで、複数の治療振動子３９の分割数は、図示例では簡単化のため４０個の例を示しているが、分割数は２^ｎが一般的であり、例えば、５１２個や１０２４個のものが用いられている。撮像プローブ３７ｂは、治療対象部位の焦点を含む断層面６０１を撮像して描出するための撮像用の超音波探触子である。

このように構成される超音波治療装置４０により、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）を照射して治療を実施する概要について、図４を参照して説明する。図４（ａ）に示すように、治療プローブ３７ａの各治療振動子３９から射出される治療超音波ビーム４０４ａの束であるＨＩＦＵ４０４は、焦点４０３に集束するように照射される。また、図４（ｂ）に示すように、１回のＨＩＦＵ照射により治療（焼灼）される範囲は、例えば直径Φが５〜１０ｍｍである。したがって、ＨＩＦＵ照射による治療を行う際は、図４（ｃ）に示すように、ＨＩＦＵ４０４の照射位置である焦点４０３の位置を順次移動させて、治療対象領域（ターゲット）４０２の全域にＨＩＦＵ４０４を照射する。その際、超音波治療プローブ３７の中心に取り付けられた撮像プローブ３７ｂにより撮像される超音波画像で治療の様子をモニタリングする。ただし、治療とモニタリングを同時に行うと互いにノイズとして画像に現れてしまう。そこで、治療プローブ３７ａと撮像プローブ３７ｂを交互に動作させることによりノイズがない明瞭な診断画像を取得する。なお、下記の非特許文献１に示すようなＡＲＦＩ（Acoustic Radiation Force Impulse）による焦点可視化を行うことで理想的な焼灼領域に対して、生体組織内の実際の影響領域が算出され、三次元計測を行うことで立体的な治療予定領域を算出できる。
Palmeri ML, Wang MH, Dahl JJ, Frinkley KD, et al． Quantifyinghepatic shear modulus in vivo using acoustic radiation force. Ultrasound inMedicine & Biology 2008;34:546-58.

次に、図５を参照して、本実施形態のナビゲーションガイド表示機能を説明する。術者２９は患者２４に対して超音波治療装置４０に接続された治療プローブ３７ａの焦点４０３を治療対象部位（ターゲット）の１点に合わせる。つまり、位置検出デバイス９に取り付けられた赤外線カメラにてポインタ２７の位置から超音波治療プローブ３７の位置を検出し、ナビゲーション画面上５３１〜５３４に治療プローブ３７ａの焦点４０３及びＨＩＦＵ４０４の模擬画像がそれぞれ表示される。術者２９はナビゲーション画面５３１〜５３４を見ながら、超音波治療プローブ３７の位置を操作して、治療プローブ３７ａの焦点４０３をターゲットに合わせる。ナビゲーション画面構成は、例えば、３軸断面（Axial、 Sagittal、Coronal）５３１〜５３３の他に、三次元のボリュームレンダリング画像等５３４等を用いることができるが、自由にカスタマイズできる。また、術者２９は、事前に治療対象部位である治療予定領域５３６、及び警告領域とマージン等をそれぞれ設定しておく。

また、ナビゲーション画像には、超音波治療プローブ３７の模擬画像の他に、術前プラニング（手術シミュレーション）情報５３７も画像上に重畳表示することができる。また、ボリュームレンダリング画像等５３４の場合は、治療予定領域５３６を立体的に表示することができる。さらに、ナビゲーション画像５３１〜５３４上の治療予定領域５３６や警告領域内に入った場合に警告を発する機能を備えることができる。また、例えば、治療予定領域５３６が警告領域内に入った場合に、ナビゲーション画像や治療パラメータを自動的に変更する機能を備えることができる。

上述した操作を、ＭＲI装置のガントリ内部で実施する場合、上述した情報を超音波治療システムに対して連続かつリアルタイムにフィードバックし、治療対象領域における超音波治療プローブ３７の模擬画像を含む同一のＭＲＩ撮像断面画像５０８及び超音波画像５０９を表示させることができる。つまり、術者２９はＭＲＩ装置１による二次元リアルタイム画像とナビゲーションによる三次元画像情報を必要に応じて治療に利用することができる。ＭＲＩ装置１の高速撮像シーケンスの応用のひとつとして、フルオロスコピー（透視撮像）と呼ばれるリアルタイム動態画像化法が臨床応用されつつある。フルオロスコピーでは、１秒以下程度の周期で撮像と画像再構成を繰り返すことにより、あたかもＸ線透視撮像のように体内組織の動態抽出や体内に外部から挿入した器具の位置把握に用いることができる動態画像を生成して表示する。この応用は三次元高速撮像にも応用されている。

図６に、本発明の超音波治療システムの一実施形態の処理手順のフローチャートを示す。まず、ＭＲＩ装置１を用いて複数の三次元ボリューム撮像及び三次元画像の再構成を行う（Ｓ１）。次いで、三次元画像から画像処理にて治療が必須な特定領域（セグメンテーション）を描出する（Ｓ２）。描出された特定領域を含む画像に基づいてＨＩＦＵ照射を可とする領域と、不可とする領域を判別して設定する（Ｓ３）。次に、治療予定領域及びそれらを含むマージン領域を設定する（Ｓ４）。ＨＩＦＵ照射に関して必要なパラメータを入力後（Ｓ５）、ＨＩＦＵ治療計画を実施して超音波治療プローブ３７の位置のシミュレーションを行う（Ｓ６）。治療計画後にナビゲーション等の手術支援誘導機能を起動し（Ｓ７）、手術を開始する（Ｓ８）。

手術時は、超音波治療プローブ３７の位置の変化に追随して、治療プローブ３７ａの焦点位置４０３及びＨＩＦＵ照射経路であるＨＩＦＵビーム束４０４を示す模擬画像をナビゲーション画像上に重畳表示する（Ｓ９）。これにより、術者２９は、モニタ３８及びＧＵＩに表示される画像や数値情報を用いて、超音波治療プローブ３７を治療予定位置（目的位置）へ誘導する（Ｓ１０）。誘導後は、ＭＲ画像（例えば、血流画像）又は超音波画像（エラストグラフィ）にてターゲットの位置を確認する（Ｓ１１）。

次に、超音波画像とＭＲ画像から生体の体表面（皮膚）を描出する（Ｓ１２）。そして、位置検出デバイス９により検出された治療プローブ３７ａの位置に基づいて、予め記憶されている各治療振動子３９の位置データを割出し、各治療振動子３９から射出されて焦点４０３に至る治療超音波ビーム４０４ａの模擬画像を超音波画像とＭＲ画像の少なくとも一方に重ねて描出する。その模擬画像に基づいて、体表面に対する治療超音波ビーム４０４ａの入射角度を計算する（Ｓ１３）。計算した全ての治療超音波ビーム４０４ａの入力角度に応じて減少する各治療振動子３９の治療超音波ビーム４０４ａの強度を補償する補正を行う（Ｓ１４）。補償後、ＨＩＦＵ治療を開始する同時に、ＭＲ画像あるいは超音波診断画像によるモニタリングを行い、治療経過を適宜記録する（Ｓ１５）。これらの処理を治療対象領域について複数回繰り返し、治療効果確認（Ｓ１６）後に追加治療必要性の有無を確認して終了となる（Ｓ１７）。

図７に、本発明の特徴部である図１のステップＳ１４の詳細な処理手順のフローチャートを示す。図１のステップＳ１３で算出した各治療振動子３９から射出される治療超音波ビーム４０４ａの入力角度が、予め設定した許容入射角度範囲外か否かを判断する（Ｓ２１）。治療超音波ビーム４０４ａの一つでも許容入射角度範囲外であれば、描出した入力角度の一つ以上が許容入射角度範囲外であることをユーザに通知して警告する（Ｓ２２）。その上で、超音波治療プローブ３７の位置を変更するか否か、ユーザに問い合わせてユーザの判断に委ねる（Ｓ２３）。これに対するユーザの判断が、超音波治療プローブ３７の位置を変更する場合は、図１のステップＳ９に戻る。超音波治療プローブ３７の位置を変更しない判断の場合は、後述のステップＳ２５に移行する。

一方、治療振動子３９から射出される治療超音波ビーム４０４ａの入力角度が規定範囲内である場合、その旨をユーザに通知する（Ｓ２４）。そして、治療超音波ビーム４０４ａの入力角度に応じて減少する治療超音波ビーム４０４ａの強度を補償する（Ｓ２５）。次いで、補償された治療超音波ビーム４０４ａの強度により皮膚火傷が懸念されるか否か、つまり設定された治療超音波ビーム４０４ａの上限値を超えているか否かをチェックする（Ｓ２６）。そして、補償された治療超音波ビーム４０４ａにより皮膚火傷が懸念される場合は警告して、超音波治療プローブ３７の位置の移動を勧告する（Ｓ２７）。また、補償された治療超音波ビーム４０４ａの強度により皮膚火傷が懸念されない場合は、ユーザに各治療振動子３９に対応する治療超音波ビーム４０４ａの強度を含む設定条件を通知して、治療の最終判断決定を促す（Ｓ２８）。なお、ステップＳ２７において超音波治療プローブ３７の位置の移動を勧告した後、ステップＳ２８に移行してユーザに設定条件を通知して治療の最終判断決定を促すようにすることができる。つまり、皮膚火傷が懸念される治療超音波ビーム４０４ａの数と、補償後の治療超音波ビーム４０４ａの強度を提示して、ユーザが問題ないと判断したら治療を開始するようにする。

図８（ａ）に、治療プローブ３７ａの各治療振動子３９による治療超音波ビーム４０４ａの照射例を示す。ここで、説明の便宜のため、分割された複数の治療振動子３９を治療超音波を射出するチャンネルと称する。図８（ｂ）に示すように、凹面を同心円状の複数の円環領域ｉ（図示例では、ｉ＝５）に分割し、さらに円環領域を径方向に複数の領域ｊ（図示例では、ｊ＝８）に分割して、複数のチャンネルＣｉｊが設けられている。各チャンネルＣｉｊから射出される治療超音波ビーム４０４ａは焦点４０３に集束される。つまり、各治療振動子３９をそれぞれ独立に位相制御することにより、複数の治療超音波ビーム４０４ａの射出角度を制御して焦点４０３に集束できる。また、焦点４０３は、三次元（前後、左右、深度方向）に移動させることができる。

図９に、図８（ｂ）のチャンネルＣｉｊからそれぞれ照射するＨＩＦＵのパルスパターンを示す。トリガパルス８０１と加熱パルス８０３をそれぞれ設定時間８０２、８０４、交互に繰り返して照射し、トータル設定時間８０５照射することで治療を行う。二次元配列されたチャンネルＣｉｊを基本的に同一のパルスパターンにより駆動して治療を行う。トリガパルス８０１は、気泡を生成するための瞬間的な高強度パルスであり、加熱パルス８０３は生成された気泡を粉砕して熱凝固を誘発する連続波で構成されている。例えば、トリガー強度８０６のトリガパルス８０１が設定時間（例えば、数ms）８０２印加され、その後に加熱強度８０８の加熱パルス８０３が設定時間８０４印加される。このパルスパターンの定義方法は、1秒間に繰り返す回数：Pulse Repetition Frequency （ＰＲＦ）８０９とトータル設定時間８０５で表記され、これによってＨＩＦＵ強度が定義される。すなわち、トリガパルス８０１と加熱パルス８０２の振幅、周波数、及び設定時間を制御することにより、ＨＩＦＵ強度あるいは治療超音波ビームの強度（治療超音波のエネルギ）を制御することができる。

例えば、トリガパルス８０１の設定時間８０２を長く、ＰＲＦ８０９を少なく設定することで気泡生成が容易に発生しやすくなるが、治療超音波ビーム４０４ａが通過する皮膚にエネルギーが集中して火傷を発生させる可能性が高くなる。しかし、治療対象部位における焼灼範囲は大きくなり、治療効果を向上させることができるという、相反する特徴がある。つまり、トリガパルスが１秒間にＰＲＦ回×トリガー設定時間８０２だけ照射されると、トリガパルス８０１の照射時間に比例してキャビテーション発生率が向上するが、皮膚火傷の懸念が増大する。なお、気泡を生成するパルスと、生成した気泡の径を増大させるパルスを生体の対象領域に送信する内容が、特許文献２（特開２０１１-１１５４６１号公報）に紹介されている。これにより、低侵襲かつ血流の遮断効果が高い塞栓治療を実現できるとしている。

図１０を参照して、各チャンネルＣｉｊから射出されるＨＩＦＵビーム４０４ａが、生体の体表面（皮膚）に入射する角度（入射角度θｉｊ）を算出し、入射角度θｉｊに応じて各チャンネルＣｉｊの治療超音波ビーム４０４ａの強度を補償する本発明の一実施形態の強度補償方法を説明する。

（入射角度の算出）
ＨＩＦＵコントローラ４９は、モニタ３８に表示された超音波画像に基づいて、各治療振動子３９から焦点４０３に照射される治療超音波ビーム４０４ａの生体の体表面９００に対する入射角度θｉｊを算出するようになっている。さらに、ＨＩＦＵコントローラ４９は、治療超音波ビーム４０４ａの入射角度θｉｊに応じて、各治療振動子３９に対応する各チャンネルＣｉｊから射出される治療超音波ビーム４０４ａの強度を補償するようになっている。すなわち、ＨＩＦＵコントローラ４９は、治療プローブ３７ａの位置（位置及び姿勢）を位置検出デバイス９で検出し、治療プローブ３７ａと一体に組み付けられた撮像プローブ３７ｂの超音波画像に基づいて、治療プローブ３７ａと焦点４０３との三次元位置関係を求める。つまり、予め登録されている治療プローブ３７ａの幾何学形状と各チャンネルＣｉｊの位置データに基づいて、リアルタイムの超音波画像に基づいて各チャンネルＣｉｊから射出される治療超音波ビーム４０４ａの模擬画像を描出し、超音波画像の輝度の変化から識別できる体表面９００とのなす入射角度θｉｊを算出する。この算出は、三次元幾何学的に行う。ここで、入射角度θｉｊの図示例は、各治療振動子３９のエッジと焦点４０３を結ぶ直線と体表面９００とがなす角度を求めているが、本発明はこれに限られるものではなく、各治療振動子３９の面積中心と焦点４０３を結ぶ直線と体表面９００とがなす角度として求めてもよい。

また、ＨＩＦＵコントローラ４９は、算出された治療超音波ビーム４０４ａ、つまりチャンネルＣｉｊの入射角度θｉｊが、予め定められた許容入射角度範囲を超えている場合、音又は表示により警報を出すように形成されている。

（体表面の検出）
体表面９００は、各チャンネルＣｉｊの三次元位置に応じて異なる位置関係にあることがある。そこで、図１０（ａ）に示した二次元超音波画像の断層面（スキャン面）位置を撮像プローブの位置情報に基づいて求める。次いで、パーソナルコンピュータ１９は、ＭＲ画像のボリュームデータを読み出して、レンダリング法により三次元ＭＲ画像を生成してモニタ３８に表示する。また、治療超音波ビーム４０４ａの三次元模擬画像を生成して、三次元ＭＲ画像に重畳表示する。このようにして表示された三次元ＭＲ画像の体表面９００と治療超音波ビーム４０４ａの三次元模擬画像に基づいて、ＨＩＦＵコントローラ４９は、体表面９００に対する全ての治療超音波ビーム４０４ａの入射角度θｉｊを算出する。

なお、三次元ＭＲ画像を用いないでも、全てのチャンネルＣｉｊのＨＩＦＵビーム４０４ａが体表面に入射する角度を算出することができる。例えば、ＨＩＦＵコントローラ４９は、二次元の超音波画像の断層面（スキャン面）を、治療プローブ３７ａの主軸（プローブ中心と焦点とを結ぶ線）周りに回転させて、任意の回転位置における超音波画像の断層面に対応するＭＲ画像をボリュームデータから切り出して、治療超音波ビーム４０４ａの模擬画像を重ねて表示する。これにより、ＨＩＦＵコントローラ４９は三次元の入射角度θｉｊを算出することができる。

（治療超音波ビームの強度補償）
入射角度θｉｊが９０度のときは、治療超音波ビーム４０４ａは体表面９００で反射することなく、焦点４０３に照射される。ここで、入射角度θｉｊは、０〜９０度の鋭角の範囲として定義する。入射角度θｉｊが９０度よりも小さくなると、その入射角度θｉｊに応じて、治療超音波ビーム４０４ａが体表面９００で反射又は吸収されて、焦点４０３に照射されるＨＩＦＵ強度が減少する。その減少分を補償して、焦点４０３に照射されるＨＩＦＵ強度を目標値に保持するように補正する。言い換えれば、各チャンネルＣｉｊの治療振動子３９から焦点４０３に照射される治療超音波ビーム４０４ａの強度が、各治療振動子３９の目標値の１００％になるように、入射角度θｉｊに応じて補償する。

図１０（ｂ）に、入射角度θｉｊを横軸に、補償後の各チャンネルＣｉｊの治療超音波ビーム４０４ａの強度を縦軸にとって、チャンネルＣｉｊの治療超音波ビーム強度の補償グラフの設定例を示す。図において、治療超音波ビーム強度Ｅ１は、各チャンネルＣｉｊの目標値１００％であり、治療超音波ビーム強度Ｅ２、Ｅ３は補償後の強度である。補償グラフは、図示例のような曲線になるが、入射角度θが７０〜９０度の範囲を許容入射角度として補償するようにしている。すなわち、ＨＩＦＵコントローラ４９には、治療超音波ビーム４０４ａの入射角度θｉｊに応じて、各治療振動子３９に対応する各チャンネルＣｉｊから射出される治療超音波ビーム４０４ａの強度を補償する値が予め定められている。なお、本発明は許容入射角度θを７０〜９０度の範囲に制限するものではないが、入射角度θの補償範囲を広げるには、皮膚火傷を考慮して設定することが望ましい。例えば、入射角度θが７０〜９０度における補償強度は、補償グラフのＥ１〜Ｅ２間に対応する。その範囲の入射角度θについては、自動的に補償される。これに対し、ユーザが認証すれば７０度以下の範囲の入射角度θについても補償することができる。しかし、火傷等の副作用が懸念されるため、実際の照射はリスクの許容を促す警告がＧＵＩ上に表示される。

このようにして算出された入射角度θｉｊは、図１１に示すデータベースに登録する。データベースは、チャンネルＮｏ．入射角度θ（°）、許容入射角度（°）、許容範囲内かどうか（○印は許容範囲内）、ユーザが予め定義しておく治療超音波ビーム強度（補償倍率）によって構成されている。また、各チャンネルＣｉｊの補償後の治療超音波ビーム強度を強度に応じて、色相又は濃淡あるいはそれらの結合により識別可能に画像化して表示することができる。これにより、ＨＩＦＵビーム強度補償後のチャンネルの結果が一目でわかるようになっている。データベース内に登録された治療超音波ビーム強度（補償倍率）に従って、対応するチャンネルＣｉｊからの治療超音波ビームを照射する際に自動的に補償される。

また、超音波画像構成部４５は、治療プローブ３７ａの複数の治療振動子３９の配置を表す模擬画像を生成して、モニタ３８に描出する治療プローブ画像構成部を備えて形成されている。さらに、治療プローブ画像構成部は、補償部により補正された治療超音波ビーム４０４ａの強度に応じて、各治療振動子３９の模擬画像の表示色相又は濃淡を変えて、図１１に示す治療プローブ画像１００８をモニタ３８に表示するようになっている。また、バー表示１００９は、模擬画像の表示色相又は濃淡に対応した治療超音波ビーム４０４ａの強度を表している。これにより、術者は、治療プローブ画像１００８とバー表示１００９を見て、一目で各チャンネルＣｉｊの治療超音波ビーム４０４ａの強度を認識することができる。

図１２に本発明の手術・治療時のＧＵＩ表示例を示す。３Ｄ撮像ボタン１１０１を押下することで、Axial断面１１３１、Sagittal断面１１３２、Coronal断面１１３３、Volume Rendering画面１１３４が再構成されて表示される。セグメンテーションボタン１１０２を押下することで、自動（又は手動）によりセグメンテーション・領域の抽出が行われる。さらに、ＨＩＦＵ照射可／不可領域設定ボタン１１０３を押下することで、描出したセグメンテーション情報に対して、治療すべき領域１１１９の他に超音波アクセス不可領域１１４０を識別する。その他、治療計画・マージン設定ボタン１１０４を押下することで、ＨＩＦＵビーム４０４を予め算出することもでき、治療時にそれに沿うようガイドすることもできる。これらの情報は、Volume Rendering画面１１３４上で自由に回転でき、別視点／角度から観察することもできる。また、腫瘍領域（治療対象部位）１１１９、それらを含むマージン領域１１２０を設定する。

ここで、治療パラメータ設定ボタン１１０５を押下することで、腫瘍領域（治療対象部位）１１１９に対する治療パラメータを入力することができる。具体的な入力値として、治療プローブ３７ａの種類、形状、出力強度、チャンネル毎の単位出力強度などがある。実際の手術時には、ナビゲーションボタン１１０６を押下することで、治療に必要な機器やナビゲーション等の手術支援機能が連動して動作する。超音波治療プローブ３７の位置を検出して、Axial断面１１３１、Sagittal断面１１３２、Coronal断面１１３３、Volume Rendering画面１１３４上に重畳表示する。術者は、事前に求めた治療経路１１３８を参考に超音波治療プローブ３７を誘導する。

その他、超音波治療プローブ３７の過去の位置を表示することができ、情報画面１１２５に治療経過・生体情報の他にログ情報として腫瘍領域と治療領域の差や治療回数、時間、割合、残治療回数予定も手術情報としてリアルタイム表示することができる。治療直前に、チャンネル強度補償ボタン１１０７を押下することで、焦点４０３に対する治療超音波ビーム４０４ａと体体表との入射角度を計算して、プローブ情報１１１１としてのデータベースが作成される。また、データベース化された治療超音波ビーム強度の補償情報はチャンネル毎に可視化できるようにもなっている。

また、パーソナルコンピュータ１９は、超音波アクセス不可領域１１４０をＨＩＦＵ４０４の照射経路が通る場合には、プローブの位置変更を促す警告機能も有している。治療直前にこれらの情報をナビゲーション画像上に表示することで、ユーザに対して視覚的に情報伝達する。ＨＩＦＵ照射・効果確認ボタン１１０８を押下することで、治療超音波７０２と撮像超音波６０１が交互に照射され、ターゲット１１１９に対する治療領域１１１８の治療情報・超音波画像１１１７がリアルタイムに表示され、治療画像に各種情報および警告情報を表示することもできる。例えば、過去に治療した治療済領域１１１８を重畳表示し、予定している治療予定領域１１２０を越えている場合や患者に異常が生じた場合には警告を発する機能を自動的にＯＮ/Ｏｆｆすることもできる。ターゲット１１１９の他に「残治療領域＝ターゲット１１１９−治療済領域１１１８」及びマージン１１２０も表示される。これにより、術者には視覚的に残治療領域がわかるようになっており、ＭＲＩ下にあればＭＲＩ撮像と超音波撮像が連動して交互に撮像する機能も備わっている。ＭＲ画像上には特定領域、マージン領域、ＡＲＦＩによる治療予定領域が同じように表示され、組織コントラストの異なる画像が表示される。ユーザは治療前後の画像情報１１３１〜１２３４と手術経過情報から再治療を行うかどうか判断し、必要に応じて再治療する。また、ＭＲＩの長所としては、身体の深部まで画像化できることが挙げられる。これより、術者は直前の治療画像を目視して術具の移動と追加治療を行うことができる。治療前後の情報は超音波画像１１１７、３軸断面１１３１〜１１３３及びVolume Rendering画像１１３４、ＭＲ画像の他に、手術情報１１２５が全て連動することができる。

超音波治療プローブ３７は人の手による操作のほかに、マニピュレータによる機械操作にも対応している。位置情報は位置検出デバイス9から取得してもマニピュレータによる座標を用いて三次元表示１１３１〜１１３４してもよい。

以上説明したように、本発明の超音波治療装置は、半球状の凹面に配設された複数の治療振動子３９から生体の設定される焦点４０３に治療超音波を照射する治療プローブ３７ａと、各治療振動子３９から射出される治療超音波ビーム４０４ａの強度をそれぞれ制御する治療振動子制御部であるＨＩＦＵコントローラ４９と、治療プローブ３７ａの凹面の中心部に設けられ、生体との間で撮像用の超音波を送受する複数の撮像振動子を有してなる撮像プローブ３７ｂと、撮像プローブの受信信号から生成される焦点を含む超音波画像を生成する超音波画像構成部４５と、超音波画像を表示するモニタ３８とを備え、ＨＩＦＵコントローラ４９は、モニタ３８に表示された超音波画像に基づいて、各治療振動子３９から焦点４０３に照射される治療超音波ビーム４０４ａの体表面に対する入射角度θｉｊを算出し、算出した入射角度θｉｊに応じて減少する治療超音波ビーム４０４ａの強度を補償するように構成されている。

さらに、本発明の超音波治療システムは、上記の超音波治療装置に加えて、治療プローブ３７ａの位置を検出する位置検出デバイス９と、生体の治療対象部位を含めた三次元ボリューム画像データが蓄積された映像記録装置３４と、位置検出デバイス９により検出された治療プローブ３７ａの位置に基づいて，三次元ボリューム画像データから超音波画像の断層面に対応するナビゲーション画像を生成してモニタ３８に表示するパーソナルコンピュータ１９に組み込まれたナビゲーション画像構成部とを有するＭＲＩ装置１とを備えて構成する。

特に、ＭＲＩ装置１は、各治療振動子と焦点を結ぶ治療超音波ビームの模擬画像を生成してナビゲーション画像に重ねて描出する治療超音波ビーム描出部が組み込まれたパーソナルコンピュータ１９を備える。また、ＨＩＦＵコントローラ４９は、ナビゲーション画像に重ねて描出される治療超音波ビーム４０４ａの模擬画像に基づいて、体表面９００に入射する治療超音波ビーム４０４ａの入射角度θｉｊを算出する。また、治療超音波ビーム描出部は、治療プローブ３７ａの中心軸を通る断面に配置された治療振動子３９の模擬画像を生成して超音波画像に重ねて描出する。

さらに、ナビゲーション画像構成部は、三次元ナビゲーション画像を生成してモニタ３８に描出し、治療超音波ビーム描出部は、治療超音波ビーム４０４ａの三次元模擬画像を生成して三次元ナビゲーション画像に重ねてモニタ３８に描出する。また、ＨＩＦＵコントローラ４９は、モニタ３８に描出された三次元ナビゲーション画像と治療超音波ビームの三次元模擬画像に基づいて治療超音波ビームの入射角度を算出する。

これに代えて、ナビゲーション画像構成部は、二次元の前記超音波画像の断層面を治療プローブ３７ａの主軸周りに回転させた位置における超音波画像の断層面に対応する二次元ナビゲーション画像を生成してモニタ３８に描出し、治療超音波ビーム描出部は、治療プローブ３７ａを仮想的に回転させた位置における治療超音波ビームの二次元模擬画像を生成して二次元ナビゲーション画像に重ねてモニタ３８に描出しＨＩＦＵコントローラ４９は、モニタ３８に描出された二次元ナビゲーション画像と治療超音波ビーム４０４ａの二次元模擬画像に基づいて、治療プローブ３７ａを仮想的に回転させた位置における治療超音波ビーム４０４ａの入射角度を算出することができる。

以上、本発明を一実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の主旨の範囲で変形又は変更された形態で実施することが可能であることは、当業者にあっては明白なことであり、そのような変形又は変更された形態が本願の特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…ＭＲＩ装置、３…上部磁石、５…下部磁石、７…支柱、９…位置検出デバイス、１１…アーム、１３、１４…モニタ、１５…モニタ支持部、１７…基準ツール、１９…パーソナルコンピュータ、２１…ベッド、２３…制御部、２４…患者、２５…赤外線カメラ、２７…ポインタ、２９…術者、３３…ＲＳ２３２Ｃケーブル、３４…映像記録装置、３５…反射球、３７…超音波治療プローブ、３７ａ…治療プローブ、３７ｂ…撮像プローブ、３８…モニタ、３９…治療振動子、４０…超音波治療装置、４４…超音波送受信部、４５…超音波画像構成部、４７…超音波制御部、４８…コントロールパネル、４９…ＨＩＦＵコントローラ

Claims (10)

1. 半球状の凹面に配設された複数の治療振動子から生体の治療対象部位に設定される焦点に治療超音波を照射する治療プローブと、前記各治療振動子から射出される治療超音波ビームの強度をそれぞれ制御する治療振動子制御部と、前記治療プローブの前記凹面の中心部に設けられ、前記生体との間で撮像用の超音波を送受する複数の撮像振動子を有してなる撮像プローブと、前記撮像プローブの受信信号から生成される前記焦点を含む超音波画像を生成する超音波画像構成部と、前記超音波画像を表示する表示部とを備え、
   前記治療振動子制御部は、前記表示部に表示された前記超音波画像に基づいて、前記各治療振動子から前記焦点に照射される治療超音波ビームの前記生体の体表面に対する入射角度を算出し、算出した前記入射角度に応じて減少する前記各治療振動子から射出される前記治療超音波ビームの強度を補償する超音波治療装置。
2. 前記治療振動子制御部は、前記治療超音波ビームの入射角度に対応させて予め定められている補償値に基づいて前記治療超音波ビームの強度を補償することを特徴とする請求項１に記載の超音波治療装置。
3. 前記治療振動子制御部は、算出された前記治療超音波ビームの入射角度が、予め定められた許容入射角度範囲を超えている場合、音又は表示により警報を出すことを特徴とする請求項１に記載の超音波治療装置。
4. 前記超音波画像構成部は、前記治療プローブの複数の前記治療振動子の配置を表す模擬画像を生成し、前記補償された前記治療超音波ビームの強度に応じて前記各治療振動子の模擬画像の表示色相又は濃淡を変えて前記表示部に表示することを特徴とする請求項１に記載の超音波治療装置。
5. 前記治療振動子は、前記治療プローブの前記凹面を同心円状の複数の円環領域に分割し、該円環領域を径方向に分割してなる複数の領域のそれぞれに配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波治療装置。
6. 前記治療振動子は、それぞれの超音波射出面積が均等に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の超音波治療装置。
7. 半球状の凹面に配設された複数の治療振動子から生体の治療対象部位に設定される焦点に治療超音波を照射する治療プローブと、前記各治療振動子から射出される治療超音波ビームの強度をそれぞれ制御する治療振動子制御部と、前記治療プローブの前記凹面の中心部に設けられ、前記生体との間で撮像用の超音波を送受する複数の撮像振動子を有してなる撮像プローブと、前記撮像プローブの受信信号から生成される前記焦点を含む超音波画像を生成する超音波画像構成部と、前記超音波画像を表示する表示部とを備え、
   前記治療振動子制御部は、前記表示部に表示された前記超音波画像に基づいて、前記各治療振動子から前記焦点に照射される治療超音波ビームの前記生体の体表面に対する入射角度を算出し、算出した前記入射角度に応じて減少する前記各治療振動子から射出される前記治療超音波ビームの強度を補償する超音波治療装置と、
   前記治療プローブの位置を検出する三次元位置検出器と、
   前記生体の前記治療対象部位を含めた三次元ボリューム画像データが蓄積されたメモリと、前記三次元位置検出器により検出された前記治療プローブの位置に基づいて、前記三次元ボリューム画像データから前記超音波画像の断層面に対応するナビゲーション画像を生成して前記表示部に表示するナビゲーション画像構成部とを有する医用画像装置とを備え、
   前記医用画像装置は、前記各治療振動子と前記焦点を結ぶ治療超音波ビームの模擬画像を生成して前記ナビゲーション画像に重ねて描出する治療超音波ビーム描出部を備え、
   前記治療振動子制御部は、前記ナビゲーション画像に重ねて描出される前記治療超音波ビームの模擬画像に基づいて、前記体表面に入射する前記治療超音波ビームの入射角度を算出することを特徴とする超音波治療システム。
8. 前記治療超音波ビーム描出部は、前記治療プローブの中心軸を通る断面に配置された前記治療振動子の模擬画像を生成して前記超音波画像に重ねて描出することを特徴とする請求項７に記載の超音波治療システム。
9. 前記ナビゲーション画像構成部は、三次元ナビゲーション画像を生成して前記表示部に描出し、
   前記治療超音波ビーム描出部は、前記治療超音波ビームの三次元模擬画像を生成して前記三次元ナビゲーション画像に重ねて前記表示部に描出し、
   前記治療振動子制御部は、前記表示部に描出された前記三次元ナビゲーション画像と前記治療超音波ビームの三次元模擬画像に基づいて前記治療超音波ビームの入射角度を算出することを特徴とする請求項７に記載の超音波治療システム。
10. 前記ナビゲーション画像構成部は、二次元の前記超音波画像の断層面を前記治療プローブの主軸周りに回転させた位置における超音波画像の断層面に対応する二次元ナビゲーション画像を生成して前記表示部に描出し、
    前記治療超音波ビーム描出部は、前記治療プローブを仮想的に回転させた位置における前記治療超音波ビームの二次元模擬画像を生成して前記二次元ナビゲーション画像に重ねて前記表示部に描出し、
    前記治療振動子制御部は、前記表示部に描出された前記二次元ナビゲーション画像と前記治療超音波ビームの二次元模擬画像に基づいて、前記治療プローブを仮想的に回転させた位置における前記治療超音波ビームの入射角度を算出することを特徴とする請求項７に記載の超音波治療システム。

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