JP2021505291A - 幾何学形状および収差補正のための位相アレイ較正 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、概して、超音波システムに関し、より具体的には、トランスデューサ幾何学形状およびそれを通して超音波が進行する媒体からもたらされる超音波収差を較正するためのシステムおよび方法に関する。
集束超音波(すなわち、約20キロヘルツを上回る周波数を有する音響波)が、患者内の内部身体組織を撮像する、または療法的に治療するために使用されることができる。例えば、超音波は、腫瘍のアブレーション、標的化薬物送達、血液脳関門(BBB)の途絶、凝血塊の溶解、および他の外科手術手技を伴う用途において使用され得る。腫瘍アブレーションの間、圧電セラミックトランスデューサが、患者の外部であるが、アブレーションされるべき腫瘍(すなわち、標的領域)に近接近して設置される。トランスデューサは、電子駆動信号を機械的振動に変換し、音響波の放出(以降では「超音波処理」と称されるプロセス)をもたらす。トランスデューサは、それらが放出する超音波エネルギーが、標的領域に対応する(またはその中の)「集束帯」において集束ビームを集合的に形成するように、幾何学的に成形され、他のそのようなトランスデューサとともに位置付けられ得る。代替として、または加えて、単一のトランスデューサが、その位相がそれぞれ独立して制御され得る、複数の個々に駆動されるトランスデューサ要素から形成され得る。そのような「位相アレイ」トランスデューサは、トランスデューサの間の相対的位相を調節することによって、集束帯を異なる場所に操向することを促進する。本明細書に使用されるように、用語「要素」は、アレイにおける個々のトランスデューサまたは単一のトランスデューサの独立して駆動可能な部分のいずれかを意味する。磁気共鳴撮像(MRI)が、患者および標的を可視化し、それによって、超音波ビームを誘導するために使用され得る。
本発明は、トランスデューサ幾何学形状の正確かつ信頼性のある較正ならびにトランスデューサと標的領域との間に位置する不均質媒体によって引き起こされるビーム収差の補正のためのシステムおよび方法を提供する。種々の実施形態では、定義された2次元(2D)または3次元(3D)面積に及ぶ音響反射物が、1つ以上のトランスデューサ要素から集束帯に伝送される超音波のビーム経路上に設置される。音響反射物は、ミラーと同程度に単純であってもよく、集束帯と一致する場合とそうではない場合がある。トランスデューサ幾何学形状を較正するために、トランスデューサ要素は、超音波ビームを音響反射物に指向するために通電されてもよく、それからの超音波反射が、反射された超音波と関連付けられる振幅および/または位相を判定するために分析されてもよい。トランスデューサ要素に関して測定された振幅および/または位相は、次いで、それらの間の逸脱を判定するために、予期される振幅および/または位相と比較されてもよい。続けて、トランスデューサ要素の駆動信号は、幾何学的欠陥を補償するために調節されてもよい。加えて、波がトランスデューサ要素から伝送されるときの時間から、波が検出されるときの時間までの時間間隔を定義する反射と関連付けられる「飛行時間」が、算出されてもよい。飛行時間に基づいて、各トランスデューサ要素の実際の場所が、判定されることができる。
図1は、集束音響エネルギービームを発生させ、患者の身体内の標的領域101に送達するための例示的超音波システム100を図示する。図示されるシステム100は、トランスデューサ要素104の位相アレイ102と、位相アレイ102を駆動するビーム形成器106と、ビーム形成器106と通信するコントローラ108と、入力電子信号をビーム形成器106に提供する周波数発生器110とを含む。
Claims (48)
- 複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサの幾何学形状を較正する方法であって、前記方法は、
前記トランスデューサ要素のうちの少なくともいくつかから集束帯に伝送される超音波の複数のビーム経路によって横断される面積に及ぶ第1の音響反射物を提供することと、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、前記超音波を前記集束帯に伝送させることと、
前記第1の音響反射物からの前記超音波の反射を測定することと、
少なくとも部分的に、前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる最適な幾何学的パラメータを判定することと
を含む、方法。 - 前記最適な幾何学的パラメータは、場所または配向のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記測定された反射を分析し、それと関連付けられる位相偏移を取得することと、
前記位相偏移と推定位相値との間の位相差を算出することと
をさらに含み、
前記最適な幾何学的パラメータは、少なくとも部分的に、前記算出された位相差に基づいて判定される、請求項1に記載の方法。 - 前記トランスデューサ要素と前記第1の音響反射物との間に位置する媒体を横断する前記超音波の速度を推定することをさらに含み、前記推定位相値は、少なくとも部分的に、前記超音波の速度に基づいて判定される、請求項3に記載の方法。
- 前記超音波が前記トランスデューサ要素から伝送されるときの時間から、前記反射が測定されるときの時間までの前記超音波の飛行時間を算出することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記トランスデューサ要素と前記第1の音響反射物との間に位置する媒体を横断する前記超音波の速度を推定することをさらに含み、前記実際の幾何学的パラメータは、前記超音波の飛行時間および推定速度に基づいて判定される、請求項5に記載の方法。
- 前記第1の音響反射物および前記超音波トランスデューサは、相補的輪郭形状を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波トランスデューサおよび前記第1の音響反射物は、同心球形形状を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の音響反射物および前記超音波トランスデューサは、非相補的輪郭形状を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記集束帯における焦点を改良するように、少なくとも部分的に、前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられるパラメータ値を調節することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記パラメータ値は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素を駆動する信号の周波数、位相、または振幅のうちの少なくとも1つを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記超音波の反射は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素によって測定される、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波の反射は、音響信号検出デバイスによって測定される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の音響反射物を第1の場所から前記第1の場所と異なる第2の場所に移動させることと、
前記第2の場所において前記第1の音響反射物からの前記超音波の反射を測定することと、
少なくとも部分的に、前記第1および第2の場所からの前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定することと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 第2の場所に第2の音響反射物を提供することと、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、前記超音波を前記集束帯に伝送させることと、
前記第1および第2の音響反射物からの前記超音波の反射を測定することと、
少なくとも部分的に、前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定することと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記伝送波の超音波周波数を変調することと、
少なくとも部分的に、前記第1の音響反射物からの反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる前記幾何学的パラメータを判定することと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記超音波周波数は、複数のより低い周波数によって変調される、請求項16に記載の方法。
- 前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、複数の一連の前記超音波を連続的に伝送させることであって、各一連の超音波は、異なる周波数に対応する、ことと、
少なくとも部分的に、前記第1の音響反射物からの反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる前記幾何学的パラメータを判定することと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 超音波システムの幾何学形状を較正するためのシステムであって、前記システムは、
複数のトランスデューサ要素を備える、超音波トランスデューサと、
前記トランスデューサ要素のうちの少なくともいくつかから集束帯に伝送される超音波の複数のビーム経路によって横断される面積に及ぶ、第1の音響反射物と、
コントローラであって、前記コントローラは、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、前記超音波を前記集束帯に伝送させることと、
前記第1の音響反射物からの前記超音波の反射の測定を行わせることと、
少なくとも部分的に、前記反射測定に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる最適な幾何学的パラメータを判定することと
を行うように構成されている、コントローラと
を備える、システム。 - 前記実際の幾何学的パラメータは、場所または配向のうちの少なくとも1つを含む、請求項19に記載のシステム。
- 前記コントローラはさらに、
前記測定された反射を分析し、それと関連付けられる位相偏移を取得することと、
前記位相偏移と推定位相値との間の位相差を算出することと
を行うように構成され、
前記最適な幾何学的パラメータは、少なくとも部分的に、前記算出された位相差に基づいて判定される、請求項19に記載のシステム。 - 前記コントローラはさらに、前記トランスデューサ要素と前記第1の音響反射物との間に位置する媒体を横断する前記超音波の速度を推定するように構成され、前記推定位相値は、少なくとも部分的に、前記超音波の速度に基づいて判定される、請求項21に記載のシステム。
- 前記コントローラはさらに、前記超音波が前記トランスデューサ要素から伝送されるときの時間から、前記反射が測定されるときの時間までの前記超音波の飛行時間を算出するように構成されている、請求項19に記載のシステム。
- 前記コントローラはさらに、前記トランスデューサ要素と前記第1の音響反射物との間に位置する媒体を横断する前記超音波の速度を推定するように構成され、前記実際の幾何学的パラメータは、前記超音波の飛行時間および推定速度に基づいて判定される、請求項23に記載のシステム。
- 前記第1の音響反射物および前記超音波トランスデューサは、相補的輪郭形状を有する、請求項19に記載のシステム。
- 前記超音波トランスデューサおよび前記第1の音響反射物は、同心球形形状を有する、請求項19に記載のシステム。
- 前記第1の音響反射物および前記超音波トランスデューサは、非相補的輪郭形状を有する、請求項19に記載のシステム。
- 前記コントローラはさらに、前記集束帯における焦点を改良するように、少なくとも部分的に、前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられるパラメータ値を調節するように構成されている、請求項19に記載のシステム。
- 前記パラメータ値は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素を駆動する信号の周波数、位相、または振幅のうちの少なくとも1つを含む、請求項19に記載のシステム。
- 前記超音波の反射は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素によって測定される、請求項19に記載のシステム。
- 前記超音波の反射を測定するための音響信号検出デバイスをさらに備える、請求項19に記載のシステム。
- 前記第1の音響反射物の配向または場所のうちの少なくとも1つを調節するための調節機構をさらに備え、前記コントローラはさらに、
前記調節機構に、前記第1の音響反射物を第1の場所から前記第1の場所と異なる第2の場所に移動させることと、
前記第2の場所において前記第1の音響反射物からの前記超音波の反射を測定することと、
少なくとも部分的に、前記第1および第2の場所からの前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定することと
を行うように構成されている、請求項19に記載のシステム。 - 第2の場所に位置する第2の音響反射物をさらに備え、前記コントローラはさらに、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、前記超音波を前記集束帯に伝送させることと、
前記第1および第2の音響反射物からの前記超音波の反射を測定することと、
少なくとも部分的に、前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定することと
を行うように構成されている、請求項19に記載のシステム。 - 前記コントローラはさらに、
前記伝送波の超音波周波数を変調することと、
少なくとも部分的に、前記第1の音響反射物からの反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる前記幾何学的パラメータを判定することと
を行うように構成されている、請求項19に記載のシステム。 - 前記コントローラはさらに、複数のより低い周波数によって前記超音波周波数を変調するように構成されている、請求項34に記載のシステム。
- 前記コントローラはさらに、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、複数の一連の前記超音波を連続的に伝送させることであって、各一連の超音波は、異なる周波数に対応する、ことと、
少なくとも部分的に、前記第1の音響反射物からの反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる前記幾何学的パラメータを判定することと
を行うように構成されている、請求項19に記載のシステム。 - 標的領域上に複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサを集束させるためのシステムであって、前記システムは、
それを通して前記トランスデューサからの超音波が進行する介在媒体内の面積に及ぶように構成されている、音響反射物と、
コントローラであって、前記コントローラは、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、前記超音波を前記標的領域に伝送させることと、
前記音響反射物からの前記超音波の反射の測定を行わせることと、
前記介在媒体からもたらされるビーム収差を補償するように、少なくとも部分的に、前記反射測定に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられるパラメータ値を調節することと
を行うように構成されている、コントローラと
を備え、
前記音響反射物によって及ばれる前記面積は、前記トランスデューサ要素のうちの少なくともいくつかから前記標的領域に伝送される超音波の複数のビーム経路によって横断される、システム。 - 外因性作用物質のための投与デバイスをさらに備え、前記外因性作用物質中の微小気泡が、前記音響反射物を形成する、請求項37に記載のシステム。
- 前記投与デバイスは、
前記外因性作用物質を前記介在媒体の中に送達するための導入デバイスと、
前記外因性作用物質を前記導入デバイスから分注するための作動機構と
を備え、
前記コントローラはさらに、前記作動機構のアクティブ化および非アクティブ化を制御するように構成されている、請求項38に記載のシステム。 - 前記導入デバイスは、針またはカテーテルのうちの少なくとも1つを備える、請求項39に記載のシステム。
- 前記作動機構は、シリンジまたは蠕動ポンプのうちの少なくとも1つを備える、請求項39に記載のシステム。
- 前記コントローラはさらに、前記音響反射物を形成する微小気泡を発生させるように、前記トランスデューサ要素に超音波を伝送させるように構成されている、請求項37に記載のシステム。
- 前記パラメータ値は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素を駆動する信号の周波数、位相、または振幅のうちの少なくとも1つを含む、請求項37に記載のシステム。
- 前記超音波の反射は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素によって測定される、請求項37に記載のシステム。
- 前記超音波の反射を測定するための音響信号検出デバイスをさらに備える、請求項37に記載のシステム。
- 前記音響反射物および前記超音波トランスデューサは、相補的輪郭形状を有する、請求項37に記載のシステム。
- 前記超音波トランスデューサおよび前記音響反射物は、同心球形形状を有する、請求項37に記載のシステム。
- 前記音響反射物および前記超音波トランスデューサは、異なる輪郭形状を有する、請求項37に記載のシステム。
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