JP4131580B2

JP4131580B2 - 超音波治療装置

Info

Publication number: JP4131580B2
Application number: JP33590497A
Authority: JP
Inventors: 洋一高田; 克彦藤本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: JPH11164837A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波による結石破砕効果、温熱効果、焼灼効果等を使って外部から病変を治療する超音波治療装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、結石に強力超音波パルスを集束させ粉砕治療を行う体外衝撃波結石粉砕術が開発され、泌尿器科領域においては結石治療に絶大な効果を発揮している。また、最近は、超音波を腫瘍細胞に照射して温熱治療するハイパーサーミア技術や、強力超音波を腫瘍細胞に集束して高温に加熱し病変部を熱変性壊死させる治療技術が開発され脚光をあびている。これらの技術は、外科的な手術と比較して、患者への侵襲度が少ない治療法として今度の普及が期待されている。
【０００３】
このような装置では、超音波発生源に圧電セラミックを使って治療用超音波を患部に集束させて治療するタイプが一般的である。このタイプでは、音場強度が一定以上を示す焦点領域を小さく絞り込めるため、健常部分への被害を最小限に止めることができるという優位性がある。
【０００４】
このような小さい焦点領域で比較的大きな患部全体を治療するためには、患部に対して焦点を移動させ、これと並行して超音波の照射を繰り返すことが行われている。この焦点を動かす範囲は、断層像を見ながら、操作者が患部をトレースしながら行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、焦点を動かす範囲を治療計画で決定するにあたり、非常に面倒な事態が起きる。というのも、アプリケータの動きには、振動子に電気エネルギーやコントロール信号を伝達するためのケーブルにより、一定の制限が課せられいるが、操作者はこの制限がどこまでなのかよく分からないので、焦点を動かす範囲をうまく設定できないのである。
また、焦点を動かす範囲を、操作者が断層像を見ながら患部トレースにより設定する作業は、非常に面倒で時間のかかるものであった。
さらに、上記動きの制限により、患部に対して焦点を移動させ、これと並行して超音波の照射を繰り返す際に、無駄な動きが多くなり、治療効率が悪くなるという問題もある。
【０００６】
本発明の目的は、位置合わせ等の準備作業や実際に超音波を照射する治療の実質作業を含む治療全体の効率化を図ることのできる超音波治療装置を提供することにある。
より具体的には次の通りである。
本発明の目的は、実質的な治療動作を効率化することのできる超音波治療装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、画像表示を分かり易くして、位置合わせを簡易に且つ効率的に行うできる超音波治療装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、治療範囲の設定を簡易に且つ効率的に行うことができる超音波治療装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アプリケータの治療用超音波発生源から治療用超音波を患者に照射し、患部に前記治療用超音波の焦点を形成させて、前記患部の治療を行う超音波治療装置において、前記治療用超音波発生源に、前記アプリケータと体表面との略接点を中心として前記患者の体軸方向のＸ軸と前記患者の幅方向のＹ軸との直交２軸に関してそれぞれ傾斜させることによる首振り運動をさせながら前記焦点の移動と照射とを繰り返して順次形成した環状の焦点群の組み合わせにより前記患部を治療する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を好ましい実施形態により説明する。図１は、本実施形態に係る超音波治療装置の構成を示す図であり、図２には外観を示している。アプリケータ１には、例えば複数の微小な圧電セラミックが球殻状のホルダの内側に配列されている治療用超音波発生源１１が設けられている。この治療用超音波発生源１１の複数の圧電セラミックに駆動回路６から高周波の電圧パルスが印加されると、これら複数の圧電セラミックから一斉に超音波が発生される。これらの超音波は、アプリケータ１に対して固定的な位置、つまりホルダの中心線上であって、ホルダの曲率に応じた半径だけ離れた深さの点（ホルダの曲率中心点）に集束する。この集束点を中心として、音場強度が一定以上を示す一般的には葉巻形で認知されている縦長の領域において、例えば温熱や焼灼による治療効果が発揮されるが、この葉巻形の領域を、焦点または焦点領域と称している。
【００１６】
この治療用超音波発生源１１の略中央部分には孔が開けられ、ここに例えばセクタ走査対応のイメージング用の超音波プローブ１２が、挿入されている。この超音波プローブ１２は、プローブ移動機構１３に支持されて、治療用超音波発生源１１とは完全に独立した状態で、その軸方向（深さ方向）とそれに直角する各面内で自由に動かせるようになっている。ロータリーエンコーダ１４は、この超音波プローブ１２と治療用超音波発生源１１との相対的な位置関係を計測するために設けられている。また、この超音波プローブ１２を介して焦点を含む断面を走査して、その組織断層像（Ｂモード像）を生成するために超音波診断装置４が設けられている。この断層像は装置本体７のディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）７２を介してＣＲＴディスプレイ９に濃淡表示される。
【００１７】
治療用超音波発生源１１のホルダの下方には、カップリング液１６を充填されたカップリング膜１５が設けられて、治療用やイメージング用の超音波を患者まで損失少なく導くことができるようになっている。
【００１８】
このような複数の構成要素１１〜１６からなるアプリケータ１は、キャスター付きのスタンド２から伸びているアーム３の先に支持されて、スタンドコントローラ５の制御のもとで、スタンド２やアーム３の現在の位置や姿勢を、ケーブルなどから受ける制約の範囲内で自由に移動し、また姿勢を変えることができ、このアプリケータ１の位置や姿勢を変えながら、超音波の照射を繰り返して、比較的大きく複雑な形状の患部全体を治療することができるようになっている。
【００１９】
装置本体７には、このディジタルスキャンコンバータ７２の他に、装置全体の制御中枢だけでなくアプリケータ１の移動（焦点移動）や治療用超音波の照射（ショット）を制御するシーケンサとしての機能を有するシステムコントローラ７１が設けられている。さらに、装置本体７には、アーム３の移動条件（制約条件）に関する情報を保持しているテーブル７３や、アーム３の現在位置や姿勢から移動条件に基づいてアプリケータ３の可動範囲（焦点の可動範囲）を計算する可動範囲計算部７４や、ここで計算したアプリケータ１の可動範囲をＢモード像上に描画するための可動範囲描画部７４等が設けられている。
（焼灼動作の効率化）
上述したように、小さい焦点でそれより大きな患部を治療するためには、患部に対して焦点を移動させ、これと並行して超音波の照射を繰り返すという動きが必要になる。まず、この動きの効率化について説明する。まず、治療中においては、図３に示すように、超音波プローブ１２と治療用超音波発生源１１とをそれぞれ独立して移動できるようになっているので、超音波プローブ１２と患部との相対的な位置関係を略固定しままで、治療用超音波発生源１１だけを動かすことができる。これにより、断層像上で患部像を固定させて、見やすくすることができる。
【００２０】
次に、焦点の効率的な移動について説明する。ここでは、患者の体表面近くに、超音波を遮蔽するような肋骨等の遮蔽物（Ｓ１、Ｓ２）が存在しており、この遮蔽物（Ｓ１、Ｓ２）より深い場所に存在する比較的大きな腫瘍細胞等の患部を治療する場合を想定する。また、治療用超音波の照射により、焦点を中心として例えば直径が３ｍｍで、長さが１０ｍｍ程度の葉巻形の領域が焼灼されるものとする。なお、患者の体軸方向にＸ軸を、患者の幅方向にＹ軸を、そしてＸＹ２軸と直角方向にＺ軸をそれぞれ規定して、以下説明するものとする。
【００２１】
図４に示すように、患部を深さ方向に複数層（Ａ、Ｂ、Ｃ）に分割して捉える。これら複数層は、深い層Ｃから浅い層Ｂ、Ａの順序で行われる。各層では、アプリケータ１と体表面との接点を中心に、アプリケータ１を体表面との略接点を中心としてＹ軸回りに傾斜させ（首振り運動）、その動きに同期して照射を繰り返す。このような手順で治療を進めていくことで、無駄な動きを減らして効率的に患部全体を治療することが可能になる。また、浅い層から焼灼していくと、焼灼した後の組織の音響インピーダンスが変化し超音波を通しにくくなる。このため、深い層の腫瘍細胞と正常細胞との境界が見えずらいという問題が生じてしまう。できるだけ、夕一ゲット領域の深い層から焼灼していくことが望ましい（特願平６−２４６８４３号）。
【００２２】
ここで、肝臓などの臓器において発生する腫瘍の８割近くは、球形に近い。そこで、図４に示したように各層で同じ角度だけ傾斜させると、正常細胞まで無駄に焼かれてしまうだけでなく、その分、治療時間が長くなってしまう。そこで、図５に示すように、首振り運動の角度を焦点深度に応じて変えるように、具体的には層Ａや層Ｂは同じ角度だけ超音波発生源１１の中心軸（ＡＰＺ〜ＡＰＺ′）を倒すことになるが、最深層Ｃについては、層ＡやＢと同じ角度までは倒さずに、浅い角度までしか倒さない。こうすることで、Ｘ−Ｚ面上で、全体の治療領域を患部の球形に近似させて、層Ｃの外側部分で無駄に焼灼していた正常細胞を焼灼することなく治療することができ、またその分だけ治療時間を短縮できる。
【００２３】
このようなアプリケータ１をＹ軸回りに傾斜させて行う首振り運動に、アプリケータ１を体表面との略接点を中心としてＹ軸に直交するＸ軸回りに傾斜させて行う首振り運動を組み合わせることにより、図６に示すように、アプリケータ１をみそすり運動させ、患部を環状を焼灼していくことができる。
【００２４】
例えば、図９に示すように、α回転軸回りの回転運動とβ回転軸回りの回転運動とを複合させてアプリケータを動かしたり、図１０に示すようにオイラー角（γ回転軸、θ回転軸）それぞれの回りの回転運動を複合させてアプリケータ１を動かしたりする方法が考えられる。
【００２５】
このように焦点を環状に移動しながら照射を繰り返し、この動きを環状の半径や深さを変えながら繰り返すことで、球形に近い患部を、効率的な動きで治療することができる。
【００２６】
なお、このようなみそすり運動で患部を環状に治療していくには、図７（ａ）に示すように、患部中心で照射するようにしてもよいし、図７（ｂ）に示すように、患部中心の周囲で照射するようにしてもよい。なお、図７では、照射位置（ショット位置）を丸印で表している。図７（ａ），（ｂ）の場合とも、最内環から最外環に向かって順番に照射していってもよいし、最外環から最内環に向かって順番に照射していってもよい。このように、各層で環状に治療していくことにより、無駄な動きを減らして、しかも少ないショット数で患部を球形に治療することができる。また、図７（ａ）の方法のみで球形に治療した場合、一つの焦点の直径の２倍のステップで治療範囲は大きくなっていくが、図７（ａ），（ｂ）の方法を組みあわせることで、一つの焦点の直径のステップで焼灼範囲を大きくしていくことができる。つまり、患部を細かいステップで高密度に治療することができる。
【００２７】
さらに、焦点の効率的な動きとして、図８に示している。図８はＸ−Ｚ面上のショット位置を示している。図８（ａ）に示すように、患部が方形に近いならば、各層を同じ環数（５）で焼灼すればよいが、患部が球形に近い場合には、図８（ｂ）に示すように、外側の環、特に最外環をそれより内側の環よりも、焦点の長さの半分程度だけずらすように深さを調整することで、球形の患部を効率的に治療できる。このような動きにより、分割領域を深さ方向に見ると、その深さ方向に並んでいる領域の数は、一定ではない、つまり最外では、領域数は２、その内側では、３になる。
【００２８】
このような動きの効果は、ショット数の減少という観点から見るとよく分かる。図８（ａ）の場合、各層の環数は５で、各環のショット数は内側から順番に１，６，１３，１９，２６であり、したがって、層全体を治療するのに要するショット数は６５になり、さらに３層であるので、患部全体を治療するためには、１９５ショット必要になる。一方、図８（ｂ）の場合、各層環数は４で、各環のショット数は内側から順番に１，６，１３，１９であり、層全体を治療するのに要するショット数は３９になり、これが３層であるので、１１７ショットになり、さらに最外側の環数は２であり各環では２６ショットを要するので、患部全体を治療するためには、１６９ショット必要になる。このように、従来では、球形の患部も、図８（ａ）に示すように、方形に治療することが多かったが、図８（ｂ）に示すように、球形に近似して治療することにより、ショット数を減少させることができる。
【００２９】
このように球形に近似する患部に対して、焦点を効率的に動かして、治療を進めることにより、少ないショット数で患部全体を効率的に焼くことが可能になる。以下の表に、ショット数の減少効果を示している。
【００３０】
【表１】

【００３１】
さらに本発明では、制御ケーブルや電源ケーブル、さらに超音波発生源１１に電圧パルスを与えるためのケーブルの干渉等の機構上の理由によるアプリケータの動きの制約にも言及している。例えば、回転中心軸周りの回転角度が３６０度の場合（オイラー角でθ回転軸回りの回転範囲が３６０度のとき）、図１１（ａ）に示すように、開始点から３６０度回転したら、アプリケータ１の傾斜を少し戻して、焦点を少し内側に移動して、そこから逆向きに３６０度回転する。最内環から始まって最外環へ移動しても同様である。
【００３２】
回転中心軸周りの回転角度が１８０度の場合（オイラー角でθ回転軸回りの回転範囲が１８０度のとき）、図１１（ｂ）に示すように、最外環の開始点から焼灼をはじめて１８０度回転させる。１８０度の回転限界まで行ったら、次の内側の環に移動して逆向きに１８０度回転する。以降同様に、半円ずつ焼灼し、最内環の半分を焼灼したら、今度は、焦点位置を最内環の半径だけ少し移動して、最内環から最外環に向かって残りの半円を焼灼していく。つまり、治療用超音波の焦点が半周移動するごとに半径を変え、且つ移動の向きを逆転するような動きである。
【００３３】
なお、焼灼を最内環上の点から開始すると、半円分を焼灼してから残りの半円に移るために、直交２軸の複合的な動きが必要になるので、できるだけ、最外環から焼灼を開始する方が望ましい。図１２には、図１１（ｂ）の変形例で、円形の層領域でなくて、四角形の層領域を治療する場合の手順を示している。このように、一筆書きで各層を焼灼することにより、アーム３の動きを最小限にすることが可能になる。その結果、アーム１１を高速に動かす必要がないので、容量の大きなモータを使う必要がなくなる。省スペース、ローパワーが実現可能になるし、さらには治療時間の短縮効果も達成することができる。
【００３４】
さらに、図１１や図１２の手順では、焼灼を移動限界点から最も近い場所から開始している。しかし、焼灼を、図１３（ａ）に示すように、最外環の途中から開始する場合、最初に略半円分を焼灼して、次に残りの半円分を焼灼して、それが終わると、最初の半円の残りの部分を焼灼するわけだが、残りの半円分の最後の点（１）から最初の半円の残りの部分の始点（２）へ焦点を移動するときに、ｙ軸に関して符号反転が生じてしまい、アーム３の直交軸が大きく移動してしまう。そこで、図１３（ｂ）に示すように、各層を１／４円ずつ４領域に区分し、１／４円領域ごとに焼灼していくことにより、Ｙ軸の符号反転時のアーム３の直交軸の移動を最小にすることができる。つまり、治療用超音波の焦点が１／ｎ周移動するごとに半径を短くして、且つ移動の向きを逆転しながら、１／ｎ円ごとに治療を進めていくという動きである。
【００３５】
結果として、アーム３の移動時間は短くて済むので、その分、治療時間も短くすることができる。なお、図１３（ｂ）では領域を４分割して焼灼したが、偶数分割であれば図１３（ｂ）と同様に、一筆書きで照射することが可能である。
（表示範囲を分かり易くする）
超音波発生源１１を動かして、焦点を移動する場合、その移動には制限があるのは上述した通りである。治療計画の段階では、この可動範囲から患部が一部でも外れていれば、患部全体が可動範囲に収まるようにスタンド２やアーム３の初期位置自体を変えなければならない。このとき問題になるのが、スタンド２やアーム３をどの方向にどれだけ動かせば、患部全体が可動範囲に収まるようになるのかということが非常に重要になってくる。つまり、図１４（ａ）に示すように、断層像上で患部（ターゲット）は確認できるが、患部全体が可動範囲に収まっているか否かの確認が困難である。また、可動範囲から患部が一部でも外れている状態で治療を開始したとしても、この可動範囲外の患部の一部分は治療できず、再度、位置合わせを行う必要が生じてしまう。このため、位置合わせに要する時間が長くなり、その分、治療時間が長時間化してしまう。
【００３６】
そこで、焦点の可動範囲を表す情報を分かり易い態様で表示する。この表示態様としては、例えば図１４（ｂ）に示すような可動範囲のアウトラインを線画として、断層像に重ねて表示するのが好ましいと考えられるが、これに限定されることなく、その可動範囲だけに特定のカラーを付けたり、可動範囲内の輝度レベルを底上げしたり、可動範囲内の表示態様を可動範囲外と変えればよいが、いずれにしても、わかりやすさや見易さの観点からは、可動範囲を断層像上に直接的に表すものである。こうすることで、どの範囲まで焦点を動かすことが可能か一目でわかる。当然、ターゲットとする患部が可動範囲外であれば、可動範囲内に患部全体が収まるように、位置合わせを簡易に行うことができる。
（焼灼範囲を明示する）
ターゲットとする患部の形状や大きさは、千差万別で、それぞれの形状や大きさに合わせて、治療領域を決める必要がある。前述したように、殆どの患部は球形で近似することができる。そこで、図１５に示すように、患部７のほぼ中心にガイドセンター（０）を持っていき、患部中心にガイドセンター（０）を合わせる。ガイドセンター（０）を中心として、同心円の複数個の治療領域候補をアウトライン線画で断層像に重ねて表示しておく。操作者はガイドセンター（０）に患部中心を合わせた後に、複数の候補の中から適当な１つの治療領域を選択する。選択された治療領域は、線太さや輝度などを変化させたり照射領域を塗りつぶしたりして、残りの選択されなかった治療領域と異なる態様で表示する。図１５の例では、６個の治療領域を選択可能であり、腫瘍細胞の場合、照射領域４を選択されている。こうすることで、治療領域を簡便に設定することができ、治療時間も短くすることができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によると、位置合わせ等の準備作業や実際に超音波を照射する治療の実質作業を含む治療全体の効率化が図れる。
請求項１乃至１１それぞれの発明によると、焦点を効率的に動かすことができ、これにより無駄な動きを減らすことができる。
【００３８】
請求項１２の発明によると、断層像上に焦点の可動範囲が提示されるので、可動範囲を把握した状態で位置合わせを行うことができ、これにより位置合わせ作業を短時間のうちに効率的に進めることができ、治療時間の短縮化を図ることができる。
【００３９】
請求項１３、１４それぞれの発明によると、断層像上に複数の治療領域候補が表示されるので、その中から適当な１つを選択するだけで、治療領域を設定できるので、その設定作業を短時間のうちに効率的に進めることができ、治療時間の短縮化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波治療装置の構成図。
【図２】図１の超音波治療装置の外観図。
【図３】従来の一般的な焦点の移動方法を示す図。
【図４】本実施形態によるアプリケータの首振り運動を示す模式図。
【図５】深さごとに首振り角を変えたアプリケータの首振り運動を示す模式図。
【図６】本実施形態によるアプリケータのみそすり運動を示す模式図。
【図７】アプリケータのみそすり運動で得られる照射領域の環状列を示す図。
【図８】環状領域の深さ制御を示す図。
【図９】みそすり運動を実現するアプリケータの回転軸を示す図。
【図１０】みそすり運動を実現するアプリケータの他の回転軸を示す図。
【図１１】球形患部に対する効率的な照射順序を示す図。
【図１２】方形患部に対する効率的な照射順序を示す図。
【図１３】環の途中から照射開始する場合の効率的な照射順序を示す図。
【図１４】焦点の可動範囲の表示例を示す図。
【図１５】治療領域候補の表示例を示す図。
【符号の説明】
１…アプリケータ、
２…スタンド、
３…アーム、
４…超音波診断装置、
５…スタンドコントローラ、
６…駆動回路、
７…本体、
８…コンソールパネル、
９…ＣＲＴディスプレイ、
１１…治療用超音波発生源、
１２…イメージング用超音波プローブ、
１３…プローブ移動機構、
１４…ロータリエンコーダ、
１５…カップリング膜、
１６…カップリング液、
７１…システムコントローラ、
７２…ディジタルスキャンコンバータ、
７３…移動条件テーブル、
７４…可動範囲計算部、
７５…可動範囲描画部。

Claims

アプリケータの治療用超音波発生源から治療用超音波を患者に照射し、患部に前記治療用超音波の焦点を形成させて、前記患部の治療を行う超音波治療装置において、
前記治療用超音波発生源に、前記アプリケータと体表面との略接点を中心として前記患者の体軸方向のＸ軸と前記患者の幅方向のＹ軸との直交２軸に関してそれぞれ傾斜させることによる首振り運動をさせながら前記焦点の移動と照射とを繰り返して順次形成した環状の焦点群の組み合わせにより前記患部を治療することを特徴とする超音波治療装置。