JP2022141799A - キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法およびシステム - Google Patents
キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法およびシステム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022141799A JP2022141799A JP2022113764A JP2022113764A JP2022141799A JP 2022141799 A JP2022141799 A JP 2022141799A JP 2022113764 A JP2022113764 A JP 2022113764A JP 2022113764 A JP2022113764 A JP 2022113764A JP 2022141799 A JP2022141799 A JP 2022141799A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cavitation
- delay
- signals
- interest
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 230000004807 localization Effects 0.000 claims abstract description 52
- 239000011295 pitch Substances 0.000 claims description 30
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 28
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 12
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 6
- 230000001934 delay Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 6
- 206010034203 Pectus Carinatum Diseases 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 238000000205 computational method Methods 0.000 description 5
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 5
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 2
- 208000003174 Brain Neoplasms Diseases 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000000259 anti-tumor effect Effects 0.000 description 1
- 239000002246 antineoplastic agent Substances 0.000 description 1
- 230000003416 augmentation Effects 0.000 description 1
- 230000008499 blood brain barrier function Effects 0.000 description 1
- 210000001218 blood-brain barrier Anatomy 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 230000002925 chemical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 229940127089 cytotoxic agent Drugs 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 1
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 230000003278 mimic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 230000000135 prohibitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 1
- 238000005309 stochastic process Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/46—Ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic devices with special arrangements for interfacing with the operator or the patient
- A61B8/467—Ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic devices with special arrangements for interfacing with the operator or the patient characterised by special input means
- A61B8/469—Ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic devices with special arrangements for interfacing with the operator or the patient characterised by special input means for selection of a region of interest
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/52—Devices using data or image processing specially adapted for diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/5215—Devices using data or image processing specially adapted for diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves involving processing of medical diagnostic data
- A61B8/5223—Devices using data or image processing specially adapted for diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves involving processing of medical diagnostic data for extracting a diagnostic or physiological parameter from medical diagnostic data
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N7/00—Ultrasound therapy
- A61N7/02—Localised ultrasound hyperthermia
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
- A61B17/22—Implements for squeezing-off ulcers or the like on the inside of inner organs of the body; Implements for scraping-out cavities of body organs, e.g. bones; Calculus removers; Calculus smashing apparatus; Apparatus for removing obstructions in blood vessels, not otherwise provided for
- A61B17/22004—Implements for squeezing-off ulcers or the like on the inside of inner organs of the body; Implements for scraping-out cavities of body organs, e.g. bones; Calculus removers; Calculus smashing apparatus; Apparatus for removing obstructions in blood vessels, not otherwise provided for using mechanical vibrations, e.g. ultrasonic shock waves
- A61B2017/22005—Effects, e.g. on tissue
- A61B2017/22007—Cavitation or pseudocavitation, i.e. creation of gas bubbles generating a secondary shock wave when collapsing
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N7/00—Ultrasound therapy
- A61N2007/0039—Ultrasound therapy using microbubbles
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N7/00—Ultrasound therapy
- A61N2007/0078—Ultrasound therapy with multiple treatment transducers
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N7/00—Ultrasound therapy
- A61N7/02—Localised ultrasound hyperthermia
- A61N2007/027—Localised ultrasound hyperthermia with multiple foci created simultaneously
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Public Health (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Physiology (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Surgical Instruments (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
【課題】キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法を提供する。【解決手段】位置特定方法であって、その方法は、対象領域Ｒ内にキャビテーションを作り出し、そのキャビテーションが音響信号を発生させ、少なくとも３つの離れた位置の各々で、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号を検出し、キャビテーション信号のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号の各ペアの、キャビテーション信号間の遅延を決定し、遅延および位置に基づいて対象領域の位置特定を計算する、ということからなるステップを含む。【選択図】図１
Description
本発明は、キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法およびシステムに関する。
キャビテーションとは、媒体中のガスおよび／または蒸気気泡の形成および／または移動のことを指し示す。これらの気泡は、動的に振動および／または崩壊することがあり、それによって非常に位置が特定された衝撃波、温度の規則的な上昇または任意の他の機械的および／または化学的な効果が作り出される。とりわけ、音響キャビテーションは、超音波（ＵＳ）で始まる確率過程であり、それは、幅広く研究されてきた（CoussiosおよびRoy、２００８年；Leighton、１９９４年）。２つのタイプのキャビテーションが共存することができる：安定型（ガス気泡の振動）および慣性型（より強い圧力による気泡の激しい崩壊）。気泡クラウドは、興味深い音響特性を示す。気泡ガスが励起音波に出会う時、両方のキャビテーション型は、散乱波からの音響シグネチャによって特徴付けられることができる。
キャビテーションは、高密度焦点式超音波での脳腫瘍の熱剥離のような一部の治療にとって望ましくない副作用として考えられることがある。だが、キャビテーションは、例として脳での治療用物質の送達および化学療法剤の増強のための組織びらん（組織破砕）または血液脳関門の開口を含む、キャビテーションに基づく治療のための診療所での特定の応用も見いだす。とりわけ、キャビテーション関連の技術によって得られる抗腫瘍効果は、有望である（Mitragotri、２００５年；Rosenthalら、２００４年；Umemuraら、１９９７年）。
キャビテーションが有害作用または治療メカニズムのどちらとして考えられるかにかかわらず、そのようなキャビテーション技術の臨床移転への道には、特にキャビテーション現象の、適切な監視が必要である。臨床応用に関連して、キャビテーション活動の完全な特徴付けには、キャビテーション位置特定も含まれる。この分野では、無相関エリア内のクラウドの場所を突き止めるため、従来の超音波スキャナ（GyongyおよびCoussios、２０１０年）または超高速エコー撮像（Prieurら、２０１５年）でのビーム形成がさまざまな方法に使用されている。また、気泡によって作られた高エコー領域を視覚化することによって、キャビテーションの存在の定性的評価を行うことができる（Lafondら、２０１６年）。
しかしながら、これらの方法は、制約を伴う。特に、エコー撮像装置の広帯域周波数では、安定したキャビテーションの位置特定および特徴付けができない。キャビテーションの強度は、強くなければならないなので、重要な後処理の時間が必要であり、それによってリアルタイムでのモダリティが妨げられる。最後に、そのような機器の費用は、臨床装置の開発にとっては法外に高い。
本発明は、先に述べた問題を解決することを目指す。
このために、第一の態様によると、本発明は、キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法を提供し、その方法は：
－対象領域内にキャビテーションを作り出し、そのキャビテーションが音響信号を発生させ、
－少なくとも３つの離れた位置の各々で、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号を検出し、
－キャビテーション信号のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号の各ペアの、キャビテーション信号間の遅延を割り出し、
－遅延および位置に基づいて対象領域の位置特定を計算する、
ということからなるステップを含み、
－対象領域内にキャビテーションを作り出し、そのキャビテーションが音響信号を発生させ、
－少なくとも３つの離れた位置の各々で、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号を検出し、
－キャビテーション信号のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号の各ペアの、キャビテーション信号間の遅延を割り出し、
－遅延および位置に基づいて対象領域の位置特定を計算する、
ということからなるステップを含み、
遅延を割り出すステップは、キャビテーション信号のペアごとに下記を行うことを含む：
－キャビテーション信号のうち一方を他方に対して時間ピッチによって徐々にずらし、
－各時間ピッチで、キャビテーション信号を比較し、
－最大値でキャビテーション信号が重なり合う時間ピッチとして、最大相関関係時間ピッチを特定し、
－最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチの合計として遅延を計算する。
－キャビテーション信号のうち一方を他方に対して時間ピッチによって徐々にずらし、
－各時間ピッチで、キャビテーション信号を比較し、
－最大値でキャビテーション信号が重なり合う時間ピッチとして、最大相関関係時間ピッチを特定し、
－最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチの合計として遅延を計算する。
これ故に、本発明は、単純で速く信頼性の高いやり方でキャビテーションの位置が特定されることを可能にする、キャビテーション信号の延長包絡線を利用する。効率が向上するのに加えて、その方法では、少ない数の機器だけが必要であり、それにより費用効果が非常に高くなる。
その方法は、完全に受動的なので、臨床システムに直接組み込むことができる。計算された位置を点として示して、特定の目標エリアの正確な到達を判断するための条件付き監視をより容易にすることができる。キャビテーション関連の治療に関連して、このように、キャビテーション応用の信頼性レベルを上昇させ、臨床解釈の信用をより高めることが期待される。
一部の対策によると、その方法は、キャビテーションに基づく治療の有効性を最適化するため、キャビテーション特徴付けのための特徴付けツールとして使用することができる。また、その方法は、容易にリアルタイム制御ループで実施することができる。
対象領域の位置特定を計算するステップは、下記を含んでいてもよい：
－遅延を距離に変換し、
－各点が決定座標（ｘ，ｙ）を有する、対象領域を含む空間の幾つかの点に対して、費用関数
を最小化する、
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
は、位置ｉと点（ｘ，ｙ）との間の距離であり、
は、遅延を距離に変換して割り出された受容体の位置ｉと１との間の距離である。
－遅延を距離に変換し、
－各点が決定座標（ｘ，ｙ）を有する、対象領域を含む空間の幾つかの点に対して、費用関数
を最小化する、
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
は、位置ｉと点（ｘ，ｙ）との間の距離であり、
は、遅延を距離に変換して割り出された受容体の位置ｉと１との間の距離である。
あるいは、対象領域の位置特定を計算するステップは、下記の方程式（２）によって定義される双曲線解法を解くことを含んでいてもよく：
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
は、ｉという番号が付けられた位置と、探索されて音響源（キャビテーションクラウド）の位置に対応する座標（ｘ，ｙ）を有する点との間の距離であり、
双曲線解法を解くことは、下記を含む：
－位置ｉと１との間の測定された遅延は、
であり、方程式（２）は、下記に対応し：
－方程式（３）に対して方程式（２）を引くと、
ただし、
－ｎ＝３のｒ１について方程式（４）を解き、それは：
－ｉ＝１の方程式（２）に方程式（５）を挿入して、ｒ１の二次方程式を得て、
－置換した正根を方程式（５）に戻して、ｘおよびｙの解を作り出す。キャビテーション信号を検出するステップは、少なくとも３つの水中聴音器をそれぞれの離れた位置に備え、水中聴音器を対象領域を含むエリアの方に向けることを含んでいてもよい。
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
は、ｉという番号が付けられた位置と、探索されて音響源（キャビテーションクラウド）の位置に対応する座標（ｘ，ｙ）を有する点との間の距離であり、
双曲線解法を解くことは、下記を含む：
－位置ｉと１との間の測定された遅延は、
であり、方程式（２）は、下記に対応し：
－方程式（３）に対して方程式（２）を引くと、
ただし、
－ｎ＝３のｒ１について方程式（４）を解き、それは：
－ｉ＝１の方程式（２）に方程式（５）を挿入して、ｒ１の二次方程式を得て、
－置換した正根を方程式（５）に戻して、ｘおよびｙの解を作り出す。キャビテーション信号を検出するステップは、少なくとも３つの水中聴音器をそれぞれの離れた位置に備え、水中聴音器を対象領域を含むエリアの方に向けることを含んでいてもよい。
キャビテーションの音響信号は、少なくとも１つの特定周波数を有してもよい。その方法は、遅延を割り出すステップの前に、特定周波数周辺の帯域幅で各キャビテーション信号をフィルタリングし、その帯域幅は、好ましくは特定周波数の２５％～７５％、より好ましくは特定周波数の３０％～６０％である、ということからなるステップを含んでいてもよい。これらの対策は、対象の周波数、特に下記から明白になるように低調波周波数周辺に低減させるべきキャビテーション信号の処理を可能にする。キャビテーションの振動している気泡の固有の特徴にそのように焦点を合わせることで、水／ガス気泡の界面によって形成された音響ミラーの画像を検出するというよりもむしろ、キャビテーションの音響源を実際に検出することが可能になる。特定周波数、特に１／２低調波周辺の生信号をそのようにフィルタリングすることは、方法の正確さに大きな改善をもたらす。高調波信号と広帯域ノイズとの間に好適な比率をもたらすために、周波数帯域幅がさらに調整される。
キャビテーションを作り出すステップは、焦点で交差する第一および第二方向に沿って少なくとも第一および第二超音波ビームを放出することを含んでいてもよく、その第一および第二超音波ビームは、焦点周辺の焦点エリアにキャビテーションを発生させるように適合されている。
キャビテーション信号を検出するステップで水中聴音器が実装されている時には、キャビテーション信号を検出するステップは、水中聴音器を焦点エリアの方に向けることを含んでいてもよい。
各キャビテーション信号をフィルタリングすることからなるステップをその方法が含んでいる時には、第一および第二超音波ビームは、照射周波数ｆｅを有してもよく、キャビテーションの音響信号の特定周波数は、０．４×ｆｅ～０．６×ｆｅであってもよい。
各キャビテーション信号をフィルタリングすることからなるステップをその方法が含んでいる時には、第一および第二超音波ビームは、照射周波数ｆｅを有し、キャビテーションの音響信号の特定周波数は、１．２×ｆｅ～２．２×ｆｅである。
そのため、第二の態様によると、本発明は、キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定システムを提供し、そのシステムは、下記を含む：
－対象領域内にキャビテーションを作り出してそのキャビテーションが音響信号を発生させるように構成された、キャビテーション装置、
－それぞれ離れた位置に配置され、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号を検出するように構成された、少なくとも３つのセンサー、
－下記を行うように構成された処理装置：
－キャビテーション信号のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号の各ペアの、キャビテーション信号間の遅延を割り出し、
－遅延および位置に基づいて対象領域の位置特定を計算する、
遅延を割り出すため、キャビテーション信号のペアごとに、処理装置が下記を行うように構成されてもよい：
－キャビテーション信号のうち一方を他方に対して時間ピッチによって徐々にずらし、
－各時間ピッチで、キャビテーション信号を比較し、
－最大値でキャビテーション信号が重なり合う時間ピッチとして、最大相関関係時間ピッチを特定し、
－最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチの合計として遅延を計算する。
－対象領域内にキャビテーションを作り出してそのキャビテーションが音響信号を発生させるように構成された、キャビテーション装置、
－それぞれ離れた位置に配置され、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号を検出するように構成された、少なくとも３つのセンサー、
－下記を行うように構成された処理装置：
－キャビテーション信号のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号の各ペアの、キャビテーション信号間の遅延を割り出し、
－遅延および位置に基づいて対象領域の位置特定を計算する、
遅延を割り出すため、キャビテーション信号のペアごとに、処理装置が下記を行うように構成されてもよい：
－キャビテーション信号のうち一方を他方に対して時間ピッチによって徐々にずらし、
－各時間ピッチで、キャビテーション信号を比較し、
－最大値でキャビテーション信号が重なり合う時間ピッチとして、最大相関関係時間ピッチを特定し、
－最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチの合計として遅延を計算する。
センサーは、対象領域を含むエリアの方に向けられた水中聴音器であってもよい。そのため、使用する水中聴音器は、それらのうち１つを遅延割り出しのために二度使用することで３つだけでもよいので、システムは、構造が単純である。
キャビテーションの音響信号は、少なくとも１つの特定周波数を有してもよく、処理装置は、遅延を割り出す前に、特定周波数周辺の帯域幅で各キャビテーション信号をフィルタリングするように構成されてもよく、その帯域幅は、好ましくは特定周波数の２５％～７５％、より好ましくは特定周波数の３０％～６０％である。
キャビテーション装置は、焦点で交差する第一および第二方向に沿って第一および第二超音波ビームを放出するように構成された少なくとも第一および第二超音波トランスデューサを含んでいてもよく、その第一および第二超音波ビームは、焦点周辺の焦点エリアにキャビテーションを発生させるように適合されている。
センサーが水中聴音器である時には、水中聴音器は、焦点エリアの方に向けられてもよい。
少なくとも２つの水中聴音器がそれぞれ第一および第二超音波トランスデューサに取り付けられてもよい。このようにして、有効な音響信号のエネルギーの量を最大化することができる。
処理装置が各キャビテーション信号をフィルタリングするように構成されている時には、第一および第二超音波トランスデューサは、照射周波数ｆｅを有する第一および第二超音波ビームを放出するように制御されてもよく、キャビテーションの音響信号の特定周波数は、０．４×ｆｅ～０．６×ｆｅであってもよい。
処理装置が各キャビテーション信号をフィルタリングするように構成されている時には、第一および第二超音波トランスデューサは、照射周波数ｆｅを有する第一および第二超音波ビームを放出するように制御され、キャビテーションの音響信号の特定周波数は、１．２×ｆｅ～２．２×ｆｅである。
本発明の他の目的および効果は、非限定的な例として挙げられた本発明の特定の態様の下記の開示内容から明らかになり、その開示は、同封の図面を参照しながら行われ、その中で：
－図１は、本発明の態様による、キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定システムの模式図であり、そのシステムは、対象領域内にキャビテーションを作り出するように構成されたキャビテーション装置を含み、３つの水中聴音器は、それぞれ離れた位置に配置されてキャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号を検出するように構成され、
－図２は、図１のシステムの斜視図であり、
－図３は、キャビテーションが媒体中の対象領域の位置特定方法を例示し、その方法は、図１のシステムを実装し、キャビテーション信号のペアのキャビテーション信号間の遅延および水中聴音器の位置に基づいて対象領域の位置特定を計算することを含み、
－図４は、カメラによって取得された写真上で位置を特定された対象領域と８つのキャビテーション実験でその方法によって位置を特定された対象領域との間の比較を提供し、その方法は、キャビテーション信号をフィルタリングすることを伴って又は伴わずに実施され、
－図５は、位置特定の差異を表したものであり、
－図６は、本発明による方法が関与する実験のシミュレーションで、音響源によって放出された合成キャビテーション信号を表したものであり、
－図７は、シミュレーションで実装された構成を表したものであり、そこでは水中聴音器が十字で表され、音響源がドットで表されており、
－図８は、遅延に基づく対象領域の位置特定を計算するために実施された２つの計算方法の、計算された点と音響源との間の平均距離についての性能を表したものであり、左には、双曲線解法を実施する計算方法での２０箇所の音響源の位置特定例を、右には、費用関数の最小化を実施する方法（ＣＦ）および双曲線解法の双曲線解法を実施する方法（ＧＰＳ）によって１～４０箇所の音響源に対して行われたシミュレーションからの期待される正確さを、例示しており、
－図９は、シミュレーションを行うための実験設定を表したものであり、高速度カメラが発生源位置特定平面と直交する観測平面を有するように配置され、センサーネットワーク変位が２つの矢印によって表されており、
－図１０は、センサー間の角度を増やしながらシミュレーションされた位置特定において期待される正確さを表したものであり、左には、発生源が２０箇所ある構成および矢印で表された実験設定に対するセンサー位置の変化を、右には、位置特定の正確さの統計的配分を、例示しており、
－図１１は、センサー間の角度を減らしながらシミュレーションされた位置特定において期待される正確さを表したものであり、左には、発生源が２０箇所ある構成および矢印で表された実験設定に対するセンサー位置の変化を、右には、位置特定の正確さの統計的配分を、例示しており、
－図１２は、実験設定の高速度カメラによって取得された、発生したキャビテーションクラウドの画像であり、
－図１３は、実験条件を模倣したシミュレーションからの、期待される結果を表したものであり、
－図１４は、水中での音響源の相対変位の追跡を表したものであり、
－図１５は、鶏胸部の中での音響源の相対変位の追跡を表したものであり、
－図１６は、水中（左）および鶏胸部の中（右）での平均位置特定誤差を表したものである。
図では、同じ参照番号は、同じまたは類似の要素のことを指している。
図１および２は、キャビテーションが起こる媒体Ｍ中の対象領域Ｒの位置特定システム１を表す。システム１は、対象領域Ｒの位置特定方法を実施するのに使用され、その方法は、具体的には超音波キャビテーションに基づく治療に適用される。
システム１は、対象領域Ｒにキャビテーションを作り出すように構成されたキャビテーション装置５を含む。例示された態様では、それに限定はされないが、キャビテーション装置５は、文書ＷＯ ２０１３／１３２０６０に開示されているタイプの共焦点超音波技術を実施する。
キャビテーション装置５は：
－第一方向Ｄ１に沿って第一超音波ビームを放出するように構成され、第一音響焦点Ｐ１に焦点を合わせた、第一超音波トランスデューサ６および
－第二方向Ｄ２に沿って第二超音波ビームを放出するように構成され、第二音響焦点Ｐ２に焦点を合わせた、第二超音波トランスデューサ７
を含む。
－第一方向Ｄ１に沿って第一超音波ビームを放出するように構成され、第一音響焦点Ｐ１に焦点を合わせた、第一超音波トランスデューサ６および
－第二方向Ｄ２に沿って第二超音波ビームを放出するように構成され、第二音響焦点Ｐ２に焦点を合わせた、第二超音波トランスデューサ７
を含む。
第一６および第二７超音波トランスデューサは、１００ kHz～１０ MHz、好ましくは０．５MHz～２ MHzを含む照射周波数で超音波ビームを発生させるように各々が適合されているトランスデューサであってもよい。下記の説明で詳述する非限定的な例では、第一６および第二７超音波トランスデューサは、直径５０ mm、曲率半径５０ mmの集束トランスジューサである。
第一６および第二７超音波トランスデューサは、第一６および第二７超音波トランスデューサの各々がフレーム８および他の超音波トランスデューサ６、７に対して移動することを可能にする移動装置を介して、フレーム８に取り付けられる。
さらに、キャビテーション装置５は、第一６および第二７超音波トランスデューサならびに移動装置に接続された、制御ユニットを含む。とりわけ、第一Ｐ１および第二Ｐ２音響焦点が重畳する焦点Ｐで、３０ °～１５０ °、特に６０ °～１２０ °、例として９０ °を含む角度αで第一Ｄ１および第二Ｄ２方向が交差するように、恐らくは好適な通信インターフェースを介してユーザーによって操縦される移動装置を制御ユニットが制御してもよい。制御ユニットは、対象領域Ｒを含む焦点Ｐ周辺の焦点エリアＶに、第一および第二超音波ビームがキャビテーションを発生させるように、第一６および第二７超音波トランスデューサも制御してもよい。とりわけ、第一６および第二７超音波ビームは、照射周波数として１ MHz～１．２ MHzで放出されてもよい。非限定的な例では、照射周波数は、１．１ MHzである。
本発明は、キャビテーションを発生させるため、２つの交差する超音波ビームに基づいて共焦点超音波技術を実施する、キャビテーション装置５と関係して開示される。しかしながら、他の態様では、キャビテーション装置５は、共焦点超音波技術を実施するため、複数の第一超音波トランスデューサ６および／または複数の第二超音波トランスデューサ７を有してもよい。超音波技術を異なるように使用して、例として超音波トランスデューサを１つだけ実装して、焦点エリアＶにキャビテーションを作り出してもよい。例として、１つ以上の超音波ビームを使用して、微小気泡を含有する多孔質媒体を活性化させてもよい。さらに、本発明は、超音波技術に限定されず、任意の他の種類の技術を実施して対象領域Ｒにキャビテーションを作り出してもよい。
システム１は、キャビテーション装置５によって発生するキャビテーションが起こる対象領域Ｒの位置特定のために特別に設計された位置特定装置１０も含む。キャビテーションの位置特定は、キャビテーションによって発生する音響信号の検出に基づいている。音響信号は、キャビテーション活動の性質および強度を示し、１または数個の特定周波数によって特徴付けられ、その中には、照射周波数ｆｅの低調波、特に１／２低調波、すなわち第一６および第二７超音波トランスデューサの照射周波数ｆｅの０．４～０．６倍の周波数がある。とりわけ、１／２低調波の特定周波数は、５００ kHz～６００ kHzであってもよい。非限定的な例では、１／２低調波の特定周波数は、５５０ kHzである。例えば、照射周波数ｆｅの超調波、特に照射周波数ｆｅの１．２～２．２倍の超調波、例として照射周波数ｆｅの１．５倍または照射周波数ｆｅの二倍といった、音響信号の他の特定周波数を使用してもよい。
位置特定装置１０は、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号Ｃを検出するように構成されたセンサーとして、３つの水中聴音器１１を含む。水中聴音器１１は、キャビテーション信号Ｃのペア少なくとも２つを含む位置特定情報を提供することができるように、それぞれ離れた位置に配置される。各水中聴音器１１が受け取る音響信号の量を、そしてそれによって位置特定の信頼性を、最大化するため、水中聴音器１１は、対象領域Ｒを含むエリア、すなわち例示された態様では焦点エリアＶの方に向けられる。とりわけ、第一１１ａおよび第二１１ｂ水中聴音器は、それぞれ第一６および第二７超音波トランスデューサに取り付けられる。第三水中聴音器１１ｃは、第一１１ａと第二１１ｂ水中聴音器との間のフレーム８に取り付けられる。
他の態様では、各々がキャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号Ｃを検出してキャビテーション信号のペアを２つ以上提供するように構成された、３つ以上のセンサーの任意の他の装置を位置特定装置１０が含んでいてもよい。とりわけ、図１１に示すもう一つの態様では、水中聴音器１１が可動アーム２０に取り付けられている。
キャビテーションの位置特定を可能にするため、位置特定装置１０は、さらに、キャビテーション信号を処理するために恐らくはキャビテーション装置５の制御ユニットに接続された、処理装置を有する。
これから、図３に関係して、キャビテーション信号の処理について開示する。
ノイズを取り除きながら音響信号から十分な情報を取り出すことによって位置特定の正確さを向上させるため、処理装置がキャビテーションの音響信号の特定周波数周辺の帯域幅で各キャビテーション信号Ｃをフィルタリングしてもよい。キャビテーションの音響信号の特定周波数は、照射周波数ｆｅの低調波の間、特に５５０ kHzの１／２低調波周辺を選んでもよい。帯域幅は、特定周波数の２５％～７５％、好ましくは特定周波数の３０％～６０％であってもよい。５５０ kHzの１／２低調波のケースでは、帯域幅は、１００ kHz～３００ kHz、特におよそ２００ kHzであってもよい。あるいは、キャビテーションの音響信号の特定周波数は、照射周波数ｆｅ７の低調波の間を選んでもよい。第一および第二超音波ビームが照射周波数ｆｅを有し、キャビテーションの音響信号の特定周波数が１．４×ｆｅ～１．６×ｆｅである、請求項３に従属する場合の請求項４および５のいずれか記載の方法。
キャビテーション信号Ｃのペア２つ、すなわち第一１１ａおよび第三１１ｃ水中聴音器のキャビテーション信号Ｃ１、Ｃ３を含む第一ペアならびに第二１１ｂおよび第三１１ｃ水中聴音器のキャビテーション信号Ｃ２、Ｃ３を含む第二ペアに対して、処理装置は、キャビテーション信号の各ペアのキャビテーション信号間の遅延を割り出す。
遅延は、相関関係最大値の検出によって割り出される。とりわけ、キャビテーション信号Ｃ１、Ｃ３の第一ペアに対して、処理装置は、時間ピッチによって第三水中聴音器１１ｃに対して第一水中聴音器１１ａのキャビテーション信号を徐々にずらすように構成されている。各時間ピッチで、処理装置は、第一１１ａおよび第三１１ｃ水中聴音器のキャビテーション信号Ｃ１、Ｃ３を比較する。それから、第一１１ａおよび第三１１ｃ水中聴音器のキャビテーション信号Ｃ１、Ｃ３が最大値で重なり合う、すなわち差の積分が最小化される、時間ピッチが最大相関関係時間ピッチとして特定される。それから、処理装置は、遅延を得るため、最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチを合計してもよい。
キャビテーション信号の各ペアのキャビテーション信号間の遅延を割り出すステップは、図３と関係してまたはキャビテーション信号全体について前に開示されているように、いずれかの選定された帯域幅で、各キャビテーション信号の延長包絡線に対して行われてもよい。あるいは、キャビテーション信号の各ペアのキャビテーション信号間の遅延を割り出すこのステップは、各キャビテーション信号の球形形状に対して行われてもよい。それから、それらのそれぞれの形状を定義するため、恐らくは選定された帯域幅で、キャビテーション信号を適宜に前処理してもよい。
対象領域Ｒの位置特定を可能にする十分な位置特定情報を得るため、キャビテーション信号Ｃ２、Ｃ３の第二ペアに対して同じ相関関係最大値の検出が行われる。
対象領域Ｒの位置特定を計算するステップは、２つ計算方法のいずれか１つによって行うことができる。
計算方法は、下記を含む：
－遅延を距離に変換し、
－各点が決定座標（ｘ，ｙ）を有する、対象領域を含む空間の幾つかの点に対して、費用関数
を最小化する、
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
は、ｉという番号が付けられたセンサーの位置と点（ｘ，ｙ）との間の距離であり、
は、遅延を距離に変換して割り出されたセンサーの位置ｉと１との間の距離である。
－遅延を距離に変換し、
－各点が決定座標（ｘ，ｙ）を有する、対象領域を含む空間の幾つかの点に対して、費用関数
を最小化する、
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
は、ｉという番号が付けられたセンサーの位置と点（ｘ，ｙ）との間の距離であり、
は、遅延を距離に変換して割り出されたセンサーの位置ｉと１との間の距離である。
あるいは、もう一つの計算方法は、双曲線解法を解くことを含む。そのような方法は、Y. T. ChanおよびK. C. Ho、「A simple and efficient estimator for hyperbolic location」、IEEE Trans. Signal Process.、４２巻、８号、ｐ．１９０５～１９１５、１９９４年８月に開示されている。
３つのセンサーの空間内の任意分布のケースでは、下記の方程式（２）を直接書き出すことができる：
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
は、ｉという番号が付けられたセンサーの位置と、探索されて音響源（キャビテーションクラウド）の位置に対応する座標（ｘ，ｙ）を有する点との間の距離であり、
位置ｉと１との間の測定された遅延は、
なので、それから
であり、方程式（２）は、下記に対応し：
方程式（３）に対して方程式（２）を引いた結果として下記の方程式（４）になる：
ただし、
ｎ＝３のｒ１について方程式（４）を解くことができ、それは：
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
は、ｉという番号が付けられたセンサーの位置と、探索されて音響源（キャビテーションクラウド）の位置に対応する座標（ｘ，ｙ）を有する点との間の距離であり、
位置ｉと１との間の測定された遅延は、
なので、それから
であり、方程式（２）は、下記に対応し：
方程式（３）に対して方程式（２）を引いた結果として下記の方程式（４）になる：
ただし、
ｎ＝３のｒ１について方程式（４）を解くことができ、それは：
ｉ＝１の方程式（２）に方程式（５）を挿入すると、ｒ１の二次方程式を得ることが可能になる。それから、置換した正根を方程式（４）に戻して、ｘおよびｙの解を作り出すことができる。二次方程式の解の曖昧さは、対象領域を制限することによって解決することができる。
実施例１
実験の非限定的な例で、先に記載したキャビテーション５および位置特定１０装置で、キャビテーションが起こる媒体Ｍ中の対象領域Ｒの位置特定システム１および方法が実施される。
実験の非限定的な例で、先に記載したキャビテーション５および位置特定１０装置で、キャビテーションが起こる媒体Ｍ中の対象領域Ｒの位置特定システム１および方法が実施される。
高速度カメラ観測に向けて、キャビテーション位置特定の信頼性の推定が行われる。
物質および方法
キャビテーション装置５
直径５０mm、曲率半径５０ mm、１．１ MHzで駆動する、２つの集束トランスジューサ６、７が９０ °の角度αでそれらのそれぞれの音響焦点Ｐ１、Ｐ２に一致するやり方で取り付けられている。一対のトランスジューサ６、７のインピーダンスは、増幅器の出力に一致するように５０ Ωに調整される。システム１は、媒体Ｍとして部分的に脱気された水（４ mg／Ｌ）で満たされたタンク１５の中に設置されている。デジタル波形発生器により１．４ Vrmsの電圧で、単一２７５０サイクルパルスが発生する。それから、信号は、１ kWのＲＦ電力増幅器１１４０ＬＡ（E&I、ロチェスター、ニューヨーク州）で増幅される。焦点Ｐでの陰圧は、１３MPaであると推定される。超音波照射時に、記録オシロスコープおよび高速度カメラの両方にトリガー信号が送られる。前に開示されているように、３つの社内製のＰＶＤＦ水中聴音器１１は、キャビテーション装置５に取り付けられ、焦点領域Ｖに向きを合わせて置かれる（図１および２）。水中聴音器１１によって検出されたキャビテーション信号Ｃは、１００ MHzのサンプリング周波数で記録オシロスコープを使用してトリガー信号で記録される。その一方で、キャビテーション活動は、後に記載するように高速度カメラで観測される。
キャビテーション装置５
直径５０mm、曲率半径５０ mm、１．１ MHzで駆動する、２つの集束トランスジューサ６、７が９０ °の角度αでそれらのそれぞれの音響焦点Ｐ１、Ｐ２に一致するやり方で取り付けられている。一対のトランスジューサ６、７のインピーダンスは、増幅器の出力に一致するように５０ Ωに調整される。システム１は、媒体Ｍとして部分的に脱気された水（４ mg／Ｌ）で満たされたタンク１５の中に設置されている。デジタル波形発生器により１．４ Vrmsの電圧で、単一２７５０サイクルパルスが発生する。それから、信号は、１ kWのＲＦ電力増幅器１１４０ＬＡ（E&I、ロチェスター、ニューヨーク州）で増幅される。焦点Ｐでの陰圧は、１３MPaであると推定される。超音波照射時に、記録オシロスコープおよび高速度カメラの両方にトリガー信号が送られる。前に開示されているように、３つの社内製のＰＶＤＦ水中聴音器１１は、キャビテーション装置５に取り付けられ、焦点領域Ｖに向きを合わせて置かれる（図１および２）。水中聴音器１１によって検出されたキャビテーション信号Ｃは、１００ MHzのサンプリング周波数で記録オシロスコープを使用してトリガー信号で記録される。その一方で、キャビテーション活動は、後に記載するように高速度カメラで観測される。
高速度カメラ観測
高速度カメラは、３つの水中聴音器１１の平面に対して垂直に設置される。赤いレーザーがカメラの方に向けられ、ニードル型水中聴音器を使用して見いだすことができる焦点エリアＶをレーザービームが通り抜ける。それから、水中聴音器１１の縁をはっきりと観測するため、カメラの焦点が調整される。１ cm×１．２ cmのエリアが観測される。速度記録が３２ kfpsに設定され、１０２枚の画像が記録される。キャビテーションが起こることが期待される焦点に超音波トランスデューサ６、７によって放出された音響ビームが到達した時から焦点エリアＶを観測するために、トリガー信号に対する３３ μsの遅延が適用される。３．２ msの記録期間（画像１０２枚／３２ kfps）は、焦点エリアＶ内の２．５ msの音響信号の存在を観測することを可能にする（２７５０サイクル／１．１ MHz）。その一方で、先に記載したように、水中聴音器１１によって検出されたキャビテーション信号Ｃが記録される。処理された画像から、対象領域Ｒとしてのクラウドの位置が盲目的なやり方（水中聴音器によって位置を特定された発生源の位置が分からないまま）で、３つの独立演算子によって推定される。
高速度カメラは、３つの水中聴音器１１の平面に対して垂直に設置される。赤いレーザーがカメラの方に向けられ、ニードル型水中聴音器を使用して見いだすことができる焦点エリアＶをレーザービームが通り抜ける。それから、水中聴音器１１の縁をはっきりと観測するため、カメラの焦点が調整される。１ cm×１．２ cmのエリアが観測される。速度記録が３２ kfpsに設定され、１０２枚の画像が記録される。キャビテーションが起こることが期待される焦点に超音波トランスデューサ６、７によって放出された音響ビームが到達した時から焦点エリアＶを観測するために、トリガー信号に対する３３ μsの遅延が適用される。３．２ msの記録期間（画像１０２枚／３２ kfps）は、焦点エリアＶ内の２．５ msの音響信号の存在を観測することを可能にする（２７５０サイクル／１．１ MHz）。その一方で、先に記載したように、水中聴音器１１によって検出されたキャビテーション信号Ｃが記録される。処理された画像から、対象領域Ｒとしてのクラウドの位置が盲目的なやり方（水中聴音器によって位置を特定された発生源の位置が分からないまま）で、３つの独立演算子によって推定される。
キャビテーションクラウドの音響学的位置特定
前に開示された方法は、位置が分かっている３つの水中聴音器１１で得られた遅延に基づくキャビテーションクラウドＲの場所の三角測量である。キャビテーション信号Ｃは、Matlabソフトウェア（MathWorks、ネイティック、マサチューセッツ州）にインポートされる。水中聴音器１１のキャビテーション信号Ｃ間の遅延は、前に解説されているように、記録されたキャビテーション信号Ｃ間の相関関係を最大化する遅延を見いだすことによって計算される。クラウドＲの計算された位置特定は、最後にカメラからの画像に重畳される。ここで計算された位置は、視覚的に推定されたクラウドＲの位置と比較される。平均誤差が計算される。低調波周波数（５５０ kHz）周辺の２００ kHzの広帯域だけを維持した後、これらの作業が繰り返される。
前に開示された方法は、位置が分かっている３つの水中聴音器１１で得られた遅延に基づくキャビテーションクラウドＲの場所の三角測量である。キャビテーション信号Ｃは、Matlabソフトウェア（MathWorks、ネイティック、マサチューセッツ州）にインポートされる。水中聴音器１１のキャビテーション信号Ｃ間の遅延は、前に解説されているように、記録されたキャビテーション信号Ｃ間の相関関係を最大化する遅延を見いだすことによって計算される。クラウドＲの計算された位置特定は、最後にカメラからの画像に重畳される。ここで計算された位置は、視覚的に推定されたクラウドＲの位置と比較される。平均誤差が計算される。低調波周波数（５５０ kHz）周辺の２００ kHzの広帯域だけを維持した後、これらの作業が繰り返される。
結果
図４は、重畳位置が位置特定技術で計算された、８つの独立したキャビテーション事象の６０枚目の画像を示す。図４で、四角い円は、焦点の推定位置を表し、破線の円および実線の円は、それぞれ全および低減周波数帯域幅のための方法によって割り出されたキャビテーションクラウドの位置特定である。
図４は、重畳位置が位置特定技術で計算された、８つの独立したキャビテーション事象の６０枚目の画像を示す。図４で、四角い円は、焦点の推定位置を表し、破線の円および実線の円は、それぞれ全および低減周波数帯域幅のための方法によって割り出されたキャビテーションクラウドの位置特定である。
全周波数帯域幅のケースでは、キャビテーションクラウドの位置は、３．１±１．８ mmの差異で計算される。５５０ kHz低調波周辺の２００ kHz周波数帯だけのデータを処理することによって、正確さが１．４±０．８ mmに改善する。円は、相関関係の広がりに対応する空間的距離を表す（最大値の２／３）。サイズは、キャビテーション活動の強度と相関しない。
図５は、平均差異だけでなく観測された差異も示す。円および十字は、それぞれ個別のおよび全部の平均値を示す。前のように、破線は、全帯域幅であり、実線は、フィルタリングされたキャビテーション信号である。平均差異は、計算されたキャビテーション位置特定に定誤差がないことを示している。
水中聴音器１１間の遅延に基づく方法で行われた位置特定は、優れた正確さを示した。全周波数帯域幅または５５０ kHz低調波周辺の２００ kHz帯だけを使用して相関関係を計算することによって、測定された位置の正確さは、それぞれ３．１±１．８ mmおよび１．４±０．８ mmだった。狭められた帯域幅の使用は、提案された方法に実質的な改善を提供する。また、計算された位置が常にキャビテーションクラウドの内側または非常に近い、ということが画像に見てとれる。
実施例２
実験のもう一つの非限定的な例は、本発明の位置特定方法を実施して行われる。
実験のもう一つの非限定的な例は、本発明の位置特定方法を実施して行われる。
シミュレーション
この数値実験では、３つのセンサーおよび任意の数の音響源が体積内の選ばれた場所に設置される。音響源は、好適なカメラで測定された時のキャビテーションクラウドの広がりによって画定されるエリア内に、ランダムなやり方で設置される。各音響源の合成キャビテーション信号は、高調波（１オクターブにつき３ dB低下）、低調波および超調波を対応する高調波の４０ dB下で加えることによって作られる。それから、これらのピークの１つ１つが各音響源に対して６ dBの範囲内でランダムに調整される。慣性キャビテーションをシミュレーションするため、－３０ dBのランダムホワイトノイズが最後に加えられる。それから、各音響源のキャビテーション信号が各センサーに伝搬する。この時点で、測定ノイズを提示するため、もう一つのランダムノイズが含まれる。図６は、センサーのうち１つによって取得された信号例の周波数成分を示す。図７は、センサーおよび音響源の位置決めを例示する。
この数値実験では、３つのセンサーおよび任意の数の音響源が体積内の選ばれた場所に設置される。音響源は、好適なカメラで測定された時のキャビテーションクラウドの広がりによって画定されるエリア内に、ランダムなやり方で設置される。各音響源の合成キャビテーション信号は、高調波（１オクターブにつき３ dB低下）、低調波および超調波を対応する高調波の４０ dB下で加えることによって作られる。それから、これらのピークの１つ１つが各音響源に対して６ dBの範囲内でランダムに調整される。慣性キャビテーションをシミュレーションするため、－３０ dBのランダムホワイトノイズが最後に加えられる。それから、各音響源のキャビテーション信号が各センサーに伝搬する。この時点で、測定ノイズを提示するため、もう一つのランダムノイズが含まれる。図６は、センサーのうち１つによって取得された信号例の周波数成分を示す。図７は、センサーおよび音響源の位置決めを例示する。
位置特定方法の選択
一辺が５mmの立方体の中でランダムに分布した１～４０個の合成キャビテーション源に対して、シミュレーションが実行される。測定された遅延からの場所の計算は、同じ気泡分布に対して２つの計算方法で並行して処理される。図８は、計算された点と発生源との間の平均距離について、両方の計算方法の位置特定性能を示す。平均の正確さは、費用関数の最小化および双曲線解法に基づく計算方法で、それぞれ５ mmおよび４ mmである。しかしながら、費用関数に基づく計算方法での正確さには、より高い変動性がある。その上、計算時間は、費用関数だと５０ ms周辺であるのに対して双曲線解法だと０．５ msである（非最適化、Matlabで実行、Intel i5、２．４ GHz（２コア）、４ GB ＲＡＭの市販のノートパソコンで）。この差は、主に、双曲線解法が陽解法である、という事実によって解説される。これによって、信頼性および計算時間の両方の点で、双曲線解法がより優れた選択となる。
一辺が５mmの立方体の中でランダムに分布した１～４０個の合成キャビテーション源に対して、シミュレーションが実行される。測定された遅延からの場所の計算は、同じ気泡分布に対して２つの計算方法で並行して処理される。図８は、計算された点と発生源との間の平均距離について、両方の計算方法の位置特定性能を示す。平均の正確さは、費用関数の最小化および双曲線解法に基づく計算方法で、それぞれ５ mmおよび４ mmである。しかしながら、費用関数に基づく計算方法での正確さには、より高い変動性がある。その上、計算時間は、費用関数だと５０ ms周辺であるのに対して双曲線解法だと０．５ msである（非最適化、Matlabで実行、Intel i5、２．４ GHz（２コア）、４ GB ＲＡＭの市販のノートパソコンで）。この差は、主に、双曲線解法が陽解法である、という事実によって解説される。これによって、信頼性および計算時間の両方の点で、双曲線解法がより優れた選択となる。
実験設定
図９に示すように、方法を実験的に検証するため、３つのセンサー、特に水中聴音器１１のアンテナが可動アーム２０に取り付けられ、集束トランスジューサが含まれている脱気水タンク（酸素２ mg／Ｌ）の中に設置されている。トランスデューサは、よく画定されたキャビテーションクラウドが再現可能なやり方で作られる１ MHzで、５０サイクル、１５ MPaオーダーのピーク圧力で、単一パルスを発生させる。高速度カメラは、位置特定平面と直交する平面を撮像するため向きを合わせて置かれ、超音波パルスと同期化されている。その結果生じた画像は、各パルスのキャビテーションクラウドの正確な形成を確認するのに使用される。キャビテーション信号は、デジタルオシロスコープを通じて１００ MHzサンプリング周波数で記録される。アンテナをキャビテーションクラウド下の数カ所の場所に移動させながら、取得が行われる。１．５超調波周辺でのフィルタリングおよび信号包絡線の抽出の後で、音響源の相対変位が正確に検出されているかどうかを評価するため、キャビテーション信号が位置特定アルゴリズムによって処理される。水中および鶏胸部の中の両方で実験が繰り返される。この最後のケースでは、１．５超調波の出現は、キャビテーションの存在を表す。
図９に示すように、方法を実験的に検証するため、３つのセンサー、特に水中聴音器１１のアンテナが可動アーム２０に取り付けられ、集束トランスジューサが含まれている脱気水タンク（酸素２ mg／Ｌ）の中に設置されている。トランスデューサは、よく画定されたキャビテーションクラウドが再現可能なやり方で作られる１ MHzで、５０サイクル、１５ MPaオーダーのピーク圧力で、単一パルスを発生させる。高速度カメラは、位置特定平面と直交する平面を撮像するため向きを合わせて置かれ、超音波パルスと同期化されている。その結果生じた画像は、各パルスのキャビテーションクラウドの正確な形成を確認するのに使用される。キャビテーション信号は、デジタルオシロスコープを通じて１００ MHzサンプリング周波数で記録される。アンテナをキャビテーションクラウド下の数カ所の場所に移動させながら、取得が行われる。１．５超調波周辺でのフィルタリングおよび信号包絡線の抽出の後で、音響源の相対変位が正確に検出されているかどうかを評価するため、キャビテーション信号が位置特定アルゴリズムによって処理される。水中および鶏胸部の中の両方で実験が繰り返される。この最後のケースでは、１．５超調波の出現は、キャビテーションの存在を表す。
構成最適化
双曲線解法の方法を使用して、トランスデューサの位置の影響が簡潔に数値的に評価される。図１０および図１１は、受容体間の角度をそれぞれ増やしまたは減らしながら、期待される正確さを示す。驚いたことに、正確さは、分離角を減らした時には許容範囲のままだが、角度を増やした時には悪くなる。
双曲線解法の方法を使用して、トランスデューサの位置の影響が簡潔に数値的に評価される。図１０および図１１は、受容体間の角度をそれぞれ増やしまたは減らしながら、期待される正確さを示す。驚いたことに、正確さは、分離角を減らした時には許容範囲のままだが、角度を増やした時には悪くなる。
驚いたことに、より広い分離角が必ずしもより優れているとは限らない。これは、焦点領域内の発生源間の干渉の数が多いので、放出された信号は、全ての方向で同一であるわけではない、という事実によって解説することができる。このように、互いに空間的に近い２つの水中聴音器は、情報の内容も近い信号を取得する。このように相関関係が正確であることが可能であり、その結果として遅延の推定が正確になる。反対に、互いに遠く離れた２つのセンサーは、相関性の低い信号を受け取る可能性がある。これは、相関関係最大値割り出しの不正確さを誘発することがあり、その結果としてこのように遅延の評価が不正確になる。
結果
キャビテーション観測
図１２に示すように、キャビテーション事象は、位置特定平面と直交する平面で観測される。取得された画像から、キャビテーションクラウドのサイズは、位置特定平面で２．５ mm、直交方向に７．２ mmである、と測定された。
キャビテーション観測
図１２に示すように、キャビテーション事象は、位置特定平面と直交する平面で観測される。取得された画像から、キャビテーションクラウドのサイズは、位置特定平面で２．５ mm、直交方向に７．２ mmである、と測定された。
シミュレーション
測定されたキャビテーションクラウドのサイズによって、位置特定平面の両方向に２．５ mm、直交方向に７．２ mmの発生源の広がりに対して、位置特定処理がシミュレーションされる。図１３は、実験条件を模倣したシミュレーションからの期待される正確さを示す。この期待される正確さは、位置特定平面での発生源の空間的広がりに対応する、２ mm～３ mmであろう。
測定されたキャビテーションクラウドのサイズによって、位置特定平面の両方向に２．５ mm、直交方向に７．２ mmの発生源の広がりに対して、位置特定処理がシミュレーションされる。図１３は、実験条件を模倣したシミュレーションからの期待される正確さを示す。この期待される正確さは、位置特定平面での発生源の空間的広がりに対応する、２ mm～３ mmであろう。
実験検証
図１４および図１５は、発生源をアンテナに対して相対的に変位させながらの、キャビテーションクラウド（それぞれ水および鶏胸部の中）の位置特定を示す。キャビテーションクラウドが水の実験結果の目盛り上に表示されている。たとえ比較的重大な誤差が鶏胸部の中での位置特定に現れたとしても、受容体アンテナに対して相対的なキャビテーションクラウドの移動を追跡することは、それでも可能である。これは、その方法が受容体ネットワークに対して相対的なキャビテーションクラウドの位置を正確に特定することができる、ということを証明している。
図１４および図１５は、発生源をアンテナに対して相対的に変位させながらの、キャビテーションクラウド（それぞれ水および鶏胸部の中）の位置特定を示す。キャビテーションクラウドが水の実験結果の目盛り上に表示されている。たとえ比較的重大な誤差が鶏胸部の中での位置特定に現れたとしても、受容体アンテナに対して相対的なキャビテーションクラウドの移動を追跡することは、それでも可能である。これは、その方法が受容体ネットワークに対して相対的なキャビテーションクラウドの位置を正確に特定することができる、ということを証明している。
Claims (17)
- キャビテーションが起こる媒体（Ｍ）中の対象領域（Ｒ）の位置特定方法であって、前記方法は：
－対象領域（Ｒ）内にキャビテーションを作り出し、キャビテーションが音響信号を発生させること、
－少なくとも３つの離れた位置の各々で、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号（Ｃ）を検出すること、
－キャビテーション信号（Ｃ）のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号（Ｃ）の各ペアの、キャビテーション信号（Ｃ）間の遅延を決定すること、
－遅延および位置に基づいて対象領域（Ｒ）の位置特定を計算すること、
からなるステップを含み、
遅延を決定するステップは、キャビテーション信号（Ｃ）のペアごとに：
－キャビテーション信号（Ｃ）のうち一方を他方に対して時間ピッチによって徐々にずらすこと、
－各時間ピッチで、キャビテーション信号（Ｃ）を比較すること、
－最大値でキャビテーション信号（Ｃ）が重なり合う時間ピッチとして、最大相関関係時間ピッチを特定すること、
－最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチの合計として遅延を計算すること、
を含むことを特徴とする方法 - 対象領域（Ｒ）の位置特定を計算するステップが：
－遅延を距離に変換すること、
－対象領域を含む空間の幾つかの点に対して、各点が決定座標（ｘ，ｙ）を有し、
３よりも大きいまたは等しい整数ｎは位置の数であり、
は位置ｉと音響源（キャビテーションクラウド）との間の距離であり、
は遅延を距離に変換して決定された位置ｉと１との間の距離である、費用関数であって、
費用関数
を最小化すること、
を含む、請求項１記載の方法。 - 対象領域（Ｒ）の位置特定を計算するステップが、下記の方程式（２）によって定義される双曲線解法を解くこと、を含み：
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは位置の数であり、
はｉという番号が付けられた位置と、探索されて音響源（キャビテーションクラウド）の位置に対応する座標（ｘ，ｙ）を有する点との間の距離であり、
であり、
双曲線解法を解くことは、：
－位置ｉと１との間の測定された遅延は
であり、
方程式（２）は（３）に対応し：
－方程式（３）に対して方程式（２）を引くと、
という結果を得、
ただし、
であり、
－ｎ＝３のｒ１について方程式（４）を解き、それは：
であること、
－ｒ１の二次方程式を得るために、ｉ＝１の方程式（２）に方程式（５）を挿入すること、
－ｘおよびｙの解を作り出すために、置換した正根を方程式（５）に戻すこと、を含む、
請求項１記載の方法。 - キャビテーション信号（Ｃ）を検出するステップが、
少なくとも３つの水中聴音器（１１）をそれぞれの離れた位置に備えること、
水中聴音器（１１）を対象領域（Ｒ）を含むエリア（Ｖ）の方に向けること、
を含む、請求項１～３のいずれか記載の方法。 - キャビテーションの音響信号が少なくとも１つの特定周波数を有し、
遅延を決定するステップの前に特定周波数周辺の帯域幅で各キャビテーション信号（Ｃ）をフィルタリングすることからなるステップを含み、
前記帯域幅が好ましくは特定周波数の２５％～７５％、より好ましくは特定周波数の３０％～６０％である、請求項１～４のいずれか記載の方法。 - キャビテーションを作り出すステップが焦点（Ｐ）で交差する第一（Ｄ１）および第二（Ｄ２）方向に沿って少なくとも第一および第二超音波ビームを放出することを含み、
第一および第二超音波ビームが焦点（Ｐ）周辺の焦点エリア（Ｖ）にキャビテーションを発生させるように適合される、請求項１～５のいずれか記載の方法。 - キャビテーション信号（Ｃ）を検出するステップが水中聴音器（１１）を焦点エリア（Ｖ）の方に向けることを含む、請求項４に従属する場合の請求項６記載の方法。
- 第一および第二超音波ビームが照射周波数ｆｅを有し、キャビテーションの音響信号の特定周波数が０．４×ｆｅ～０．６×ｆｅである、請求項５に従属する場合の請求項６および７のいずれか記載の方法。
- 第一および第二超音波ビームが照射周波数ｆｅを有し、キャビテーションの音響信号の特定周波数が１．２×ｆｅ～２．２×ｆｅである、請求項５に従属する場合の請求項６および７のいずれか記載の方法。
- キャビテーションが起こる媒体（Ｍ）中の対象領域（Ｒ）の位置特定システム（１）であって、：
－対象領域（Ｒ）内にキャビテーションを作り出し、キャビテーションが音響信号を発生させるように構成された、キャビテーション装置（５）、
－それぞれ離れた位置に配置され、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号（Ｃ）を検出するように構成された、少なくとも３つのセンサー（１１）、
－キャビテーション信号（Ｃ）のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号（Ｃ）の各ペアの、キャビテーション信号（Ｃ）間の遅延を決定し、遅延および位置に基づいて対象領域（Ｒ）の位置特定を計算する、ように構成された処理装置、を含み、
処理装置が、
システムが遅延を決定するため、キャビテーション信号（Ｃ）のペアごとに、
－キャビテーション信号（Ｃ）のうち一方を他方に対して時間ピッチによって徐々にずらし、
－各時間ピッチで、キャビテーション信号（Ｃ）を比較し、
－最大値でキャビテーション信号（Ｃ）が重なり合う時間ピッチとして、最大相関関係時間ピッチを特定し、
－最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチの合計として遅延を計算する、
ように構成されたシステム（１） - センサーが対象領域（Ｒ）を含むエリア（Ｖ）の方に向けられた水中聴音器（１１）である、請求項１０記載のシステム（１）。
- キャビテーションの音響信号が少なくとも１つの特定周波数を有し、
遅延を決定する前に特定周波数周辺の帯域幅で各キャビテーション信号（Ｃ）をフィルタリングするように処理装置が構成され、
前記帯域幅が好ましくは特定周波数の２５％～７５％、より好ましくは特定周波数の３０％～６０％である、請求項１０および１１のいずれか記載のシステム（１）。 - キャビテーション装置（５）が、焦点で交差する第一（Ｄ１）および第二（Ｄ２）方向に沿って第一および第二超音波ビームを放出するように構成された少なくとも第一（６）および第二（７）超音波トランスデューサを含み、
前記第一および第二超音波ビームが焦点（Ｐ）周辺の焦点エリア（Ｖ）にキャビテーションを発生させるように適合されている、請求項１０～１２のいずれか記載のシステム（１）。 - 水中聴音器（１１）がエリア（Ｖ）の方に向けられている、請求項１１に従属する場合の請求項１３記載のシステム（１）。
- 少なくとも２つの水中聴音器（１１ａ、１１ｂ）がそれぞれ第一（６）および第二（７）超音波トランスデューサに取り付けられている、請求項１４記載のシステム（１）。
- 第一（６）および第二（７）超音波トランスデューサが照射周波数ｆｅを有する第一および第二超音波ビームを放出するように制御され、キャビテーションの音響信号の特定周波数が０．４×ｆｅ～０．６×ｆｅである、請求項１２に従属する場合の請求項１３～１５のいずれか記載のシステム（１）。
- 第一（６）および第二（７）超音波トランスデューサが照射周波数ｆｅを有する第一および第二超音波ビームを放出するように制御され、キャビテーションの音響信号の特定周波数が１．２×ｆｅ～２．２×ｆｅである、請求項１２に従属する場合の請求項１３～１５のいずれか記載のシステム（１）。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP16306088.2 | 2016-08-26 | ||
| EP16306088 | 2016-08-26 | ||
| PCT/EP2017/071497 WO2018037130A1 (en) | 2016-08-26 | 2017-08-28 | Method and system for localizing a region of interest in a medium in which cavitation occurs |
| JP2019510970A JP7402686B2 (ja) | 2016-08-26 | 2017-08-28 | キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法およびシステム |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2019510970A Division JP7402686B2 (ja) | 2016-08-26 | 2017-08-28 | キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法およびシステム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022141799A true JP2022141799A (ja) | 2022-09-29 |
Family
ID=57083223
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2019510970A Active JP7402686B2 (ja) | 2016-08-26 | 2017-08-28 | キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法およびシステム |
| JP2022113764A Pending JP2022141799A (ja) | 2016-08-26 | 2022-07-15 | キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法およびシステム |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2019510970A Active JP7402686B2 (ja) | 2016-08-26 | 2017-08-28 | キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法およびシステム |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11602327B2 (ja) |
| EP (1) | EP3503975B1 (ja) |
| JP (2) | JP7402686B2 (ja) |
| WO (1) | WO2018037130A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102124422B1 (ko) * | 2018-06-05 | 2020-06-18 | 한국과학기술연구원 | 고강도-저강도 집속초음파 치료장치 |
| US20210312294A1 (en) * | 2020-04-03 | 2021-10-07 | International Business Machines Corporation | Training of model for processing sequence data |
| CN111415408B (zh) * | 2020-04-14 | 2022-06-07 | 西安交通大学 | 一种超声空化的微秒级多尺度时空成像及特征图谱计算方法与系统 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012507320A (ja) * | 2008-11-05 | 2012-03-29 | アイシス イノベーション リミテッド | キャビテーション活動のマッピング及び特性評価 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5827204A (en) * | 1996-11-26 | 1998-10-27 | Grandia; Willem | Medical noninvasive operations using focused modulated high power ultrasound |
| US6406429B1 (en) * | 1999-08-23 | 2002-06-18 | City Of Hope | Detection of cystic structures using pulsed ultrasonically induced resonant cavitation |
| EP2636428A1 (en) | 2012-03-08 | 2013-09-11 | INSERM (Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale) | Method for determining parameters to generate ultrasound intensity and device for the same |
-
2017
- 2017-08-28 US US16/326,294 patent/US11602327B2/en active Active
- 2017-08-28 WO PCT/EP2017/071497 patent/WO2018037130A1/en unknown
- 2017-08-28 EP EP17755540.6A patent/EP3503975B1/en active Active
- 2017-08-28 JP JP2019510970A patent/JP7402686B2/ja active Active
-
2022
- 2022-07-15 JP JP2022113764A patent/JP2022141799A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012507320A (ja) * | 2008-11-05 | 2012-03-29 | アイシス イノベーション リミテッド | キャビテーション活動のマッピング及び特性評価 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2018037130A1 (en) | 2018-03-01 |
| EP3503975B1 (en) | 2020-06-03 |
| EP3503975A1 (en) | 2019-07-03 |
| JP2019528832A (ja) | 2019-10-17 |
| US20190175146A1 (en) | 2019-06-13 |
| JP7402686B2 (ja) | 2023-12-21 |
| US11602327B2 (en) | 2023-03-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2022141799A (ja) | キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法およびシステム | |
| JP6389213B2 (ja) | キャビテーション活動のマッピング及び特性評価 | |
| Rasmussen et al. | 3-D imaging using row-column-addressed arrays with integrated apodization-part i: apodization design and line element beamforming | |
| CN103505243B (zh) | 测量超声波的声吸收或衰减 | |
| JP7340868B2 (ja) | 超音波方法及び装置 | |
| CN108778530A (zh) | 具有稀疏阵列探测器的超声成像 | |
| CN103999151B (zh) | 计算上有效的宽带滤波和相加阵列聚焦 | |
| WO2018138576A1 (en) | Cavitation localization | |
| RU2016142405A (ru) | Система и способ акустической визуализации с помощью когерентного объединения с использованием межреберных пространств | |
| US9883851B2 (en) | System and method for shear wave generation with steered ultrasound push beams | |
| Wei et al. | High frame rate volumetric imaging of microbubbles using a sparse array and spatial coherence beamforming | |
| Denison et al. | The effects of source placement on time reversal focusing in rooms | |
| Jeong et al. | A novel approach for the detection of every significant collapsing bubble in passive cavitation imaging | |
| CN106572837B (zh) | 剪切波成像方法及系统 | |
| US11766242B2 (en) | Method and device for mapping fibrous media | |
| US20070167805A1 (en) | Ultrasound Imaging | |
| Song et al. | Dynamic Mode Decomposition for Transient Cavitation Bubbles Imaging in Pulsed High Intensity Focused Ultrasound Therapy | |
| Therre et al. | 3D Localization of Cavitation Bubbles with a two-Array Angular Spectrum Method Implementation | |
| JP5937890B2 (ja) | 超音波治療システム | |
| Yan et al. | Horizontal spatial correlation of reverberation for rough sea-bottom interface | |
| Kim et al. | Development of an algorithm for HIFU focus visualization | |
| CN118468521A (zh) | 一种基于光声成像设备的光声信号仿真方法 | |
| Li et al. | Model-based reconstruction for photoacoustic tomography with finite aperture detectors | |
| Nguyen | Passive monitoring of high-intensity focused ultrasound | |
| Anderson | Acoustic cavitation localization in reverberant environments |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220801 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220801 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231024 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20240521 |