JP4377101B2 - 脂肪分解療法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
〔発明の分野〕
本発明は、脂肪分解療法に特に適した選択可能なパターンで細胞を超音波で破壊することにより人の脂肪をアブレーション（切断又は切除）する方法及びそのパターンを生じさせる装置に関する。
【０００２】
〔発明の背景〕
人体からの脂肪の永久除去は、非常に望ましいが、行うには非常に困難である。ダイエット又は食事の良い習慣をつけることは或る程度有効であるが、大抵の人にとって長きにわたる解決策ではなく、しかも望ましくない沈着物が体内に局所化される状況ではこれらの方法は有効ではない。
【０００３】
一般に、脂肪細胞が人体によって作られるのは思春期に至るまでである。しかる後、既存の脂肪細胞は、脂肪の蓄積及び放出で膨張したり収縮するが、数は変化しない。脂肪細胞が思春期後に破壊されると、残りの脂肪細胞は、或る程度埋め合わせをしようとするが、破壊された細胞中の脂肪の約７０％は人体によって回収されることはない。
【０００４】
脂肪細胞を破壊する従来方法は、人体のターゲット領域中の皮下脂肪細胞層の全て又は一部を手術で取り除く脂肪分解療法又は脂肪吸引法である。これは、侵襲性が高く、潜在的に体を醜くする手技であり、結果的に皮膚が人体から分離するので回復が長くしかも不快である。その理由で、脂肪吸引法はウエイトコントロール療法には実用に供されておらず、限定された領域において体の形を作り変える場合に利用されているに過ぎない。
【０００５】
ウエイトコントロールに関して脂肪細胞破壊療法を実用化するためには、破壊された脂肪細胞が吸収され、皮下組織が治癒する間、皮下組織の十分なネットワークが皮膚を支えたままであるような仕方で脂肪細胞を破壊することが必要である。換言すると、脂肪細胞は、任意所与の治療において狭く、別々に位置していてつながっていない領域で破壊されなければならない。それと同時に、脂肪細胞を十分な数につき、しかもかかる療法を実用化するのに十分迅速に破壊することが必要である。これを達成できる従来技術は存在していない。
【０００６】
また、従来技術においては、高熱、即ち超音波加熱により組織を選択的に破壊する試みが行われた。しかしながら、従来技術においては、かかる手技では、破壊ゾーンの温度は約４０℃まで高められる。この温度では、組織を破壊するのに数分又は数時間にものぼる暴露が必要である。
【０００７】
〔発明の概要〕
本発明は、高強度のシャープに合焦された超音波（ＨＩＦＵ）を用いて切開部を生じさせず、しかも人体から相当な皮膚領域を分離しないで実質的な脂肪細胞の除去を妥当な時間でアブレーションにより達成するパターンで脂肪細胞を別々の皮下箇所で選択的に破壊して、破壊された脂肪細胞の生まれつきの吸収及び皮下層の治癒を可能にすることによって脂肪分解療法をウエイトコントロール及び体の作り直しにとって実用的にする。
【０００８】
この目的のため、本発明は、トランスデューサアレイの要素の新規なフェイジング構造（phasing arrangement ）によって多数の別々の皮下領域に合焦される高強度ビームを伝送する新規な超音波アレイを用いている。
【０００９】
〔好ましい実施形態の説明〕
従来技術においては、特に前立腺手術において組織を破壊するのに高強度合焦超音波（high intensity focused ultrasound ：ＨＩＦＵ）が首尾良く用いられている。ＨＩＦＵビームは、その焦点ゾーンに十分な熱エネルギを集中させ、そのゾーン内に位置する細胞を殺すが、その焦点ゾーンの外部に位置する細胞をそれほど損傷しない。したがって、ＨＩＦＵを用いると、細胞群の周りの組織を切断し又は損傷を与えることなく外部から接近可能な近くの部位から細胞の局所性の高い群を破壊する（例えば、直腸から尿道に沿って前立腺組織を破壊する）ことが可能である。
【００１０】
しかしながら、ＨＩＦＵ技術を人体の外部からの皮下脂肪細胞の選択的且つ実質的に瞬時（即ち、アブレーションによる）破壊に適用すると、相当大きな問題が生じる。根本的な問題は、超音波エネルギの経皮的な伝達のためにトランスデューサアレイを皮膚に装着すると、人体の脂肪層は、これに対し横断方向よりも、超音波ビームに対し軸方向に寸法が非常に小さくなるということにある。しかしながら、ビームの焦点ゾーンは軸方向に比較的長く、横断方向に短い。
【００１１】
焦点ゾーンの軸方向寸法は、脂肪細胞層の深さよりも長ければ、超音波信号の周波数を高くすることによりかかる軸方向寸法を短くすることができる。しかしながら、焦点ゾーンの長さと幅の比は一定なので、焦点ゾーンの体積は非常に小さくなり、脂肪組織の数ポンドの破壊に長い時間がかかることになる。
【００１２】
出力を増大させ、そしてトランスデューサを物理的に迅速に走査するか、或いはアレイを用い、そしてビームを電子的に迅速に走査することが考えられる。満足のいくような手法はない。というのは、或る特定のビーム強度では、キャビテーションが生じ、強度をそれ以上増大させても、加熱速度がそれに比例して増大するということはないからである。さらに、キャビテーションによって生じた気泡により、ビームは不可測に挙動する。本発明は、アレイを用いて多数の焦点ゾーンを同時に作ることにより脂肪細胞層が比較的薄い患者でも超音波脂肪細胞破壊法を実用化する。トランスデューサ出力は、１つのゾーンをキャビテーションを十分に越える状態にするのではなく、各ゾーンをキャビテーションの発生直前又はキャビテーションの発生時のアブレーションレベル（即ち、約８０℃）にするために用いられる。これらのゾーンを側方に配置し、又は恣意的なマトリックスの状態に配列することができる。この方法により、キャビテーションの問題が解決され、しかも以下に記載する他の利点が得られる。
【００１３】
１）合焦ゾーンの寸法を電子的に制御することにより軸方向寸法を必要に応じて小さく保ち又は調節することができる。
２）多数のゾーンの体積の合計が大きいので細胞の破壊速度を高くすることができる。
３）合焦ゾーンマトリックスを治療中互いに異なる形状及びテーパに合わせて調節して個人差に合わせることができる。
４）焦点ゾーンを調節して生体組織のスポンジ状マトリックスが破壊された組織相互間に留まるようにすることができる。これは、層全体が破壊され、本質的に皮膚を人体から切り離す脂肪吸引法と比較して顕著な利点である。脂肪吸引法では、患者は、回復中、皮膚を体に付着させた状態に保持するためボディスーツを身に纏わなければならない。生きたマトリックスを保存することにより、患者は、回復時間を最小限に抑え又は無くした状態で、治療を終えて通常の活動に戻ることができる。
【００１４】
本発明の技術は、脂肪細胞の破壊には限定されない。本発明は、除去を必要とする皮下細胞を含む他の医用条件にそのまま良好に使用できる。かかる条件としては、男性胸部の拡大、良性の脂肪性腫瘍、脂肪腫症、腋の下の発汗過剰、創傷後脂肪組織その他が挙げられる。
【００１５】
他の良く知られている器官では、広い側方覆い及び狭い軸方向覆いは不要であるが、破壊ゾーンを付形することは有用な場合が多く、これが必要な場合もある。これらの場合、多数のビームを利用することは、ビームを移動させるよりも満足のいく場合が多い。というのは、これは、小さな焦点を生じさせ、したがって破壊された組織の領域のより正確な境界部を生じさせる高周波数を用いることができるからである。
【００１６】
上述の目的で多数の焦点ゾーンを生じさせる本発明の装置は、新規なフェイジング構造を備えた平らな又は湾曲した平面状トランスデューサアレイである。図１は、個々のトランスデューサ１２から成る直線アレイ１０を概略的に示している。トランスデューサ１２の各々を超音波信号の異なる位相で励振させることにより、アレイ１０は、視界中の任意所望の場所で合焦する超音波ビームを生じさせることができる。
【００１７】
アレイ１０のビームを焦点Ｆのところに合焦させるためには、アレイ１０の任意所与のトランスデューサ要素１２に適用されるそれぞれの位相は次の通りである。
【数１】

上式において、φ_e,fは、ｆ番目の焦点に関するｅ番目の要素についての位相、ｄ_eは、所与のアレイ要素１２から所望の焦点Ｆまでの距離、ｄ_minは、アレイ１０に垂直な線に沿うアレイ１０から焦点Ｆまでの距離、λは、超音波励振信号の波長である。
【００１８】
図２は、多数の焦点Ｆ₁，Ｆ₂を生じさせるようフェイジングされた上記と同一のアレイ１０を示している。ビームをＦ₁のところに合焦させるためには、アレイ１０の最も上に位置する要素１２₁を次の位相の正弦波で励振しなければならない。
【数２】

さらにビームをＦ₂のところに合焦させるためには、この要素を、周波数は同一であるが、位相が次式で示されるような正弦波で励振しなければならない。
【数３】

【００１９】
ビームがＦ₁とＦ₂のところで合焦するためには、これら２つの正弦波を合計（合成）しなければならない。周波数は同一であるが位相が異なる２つの正弦波の合成により生じる正弦波は、周波数はその周波数であるが、成分としての正弦波の位相とは異なる合成位相のものであり、しかも成分としての正弦波の振幅とは異なる合成振幅のものであることは数学的な事実である。この点に関し、成分としての正弦波の振幅は、異なる焦点のところに異なるビーム強度を生じさせるようにするためには、互いに異なっていてもよいことは理解されるべきである。
【００２０】
２つの焦点Ｆ₁，Ｆ₂についての上述の計算を、互いに一線をなすのがよいが、必ずしもそうである必要はない任意の数の焦点Ｆ₁，Ｆ₂，・・・Ｆ_nを生じさせるよう同一の仕方で拡張することができる。ｉ番目の要素及びｊ番目の焦点の計算された位相がφ_i,jであり、ｊ番目の焦点の振幅がＡ_jであれば、ｉ番目の要素のところの合成位相

は次の通りである。
【数４】

合成振幅

は次の通りである。
【数５】

【００２１】
焦点相互間の側方離隔距離がビームの側方分解能以上でなければならず、この側方分解能は、λｄ_{min max}／Ａ、ここでｄ_{min max}は、種々の焦点についてのｄ_minの最大値であり、Ａは、図２のビームの横断方向におけるアレイ１０の長さである。
【００２２】
トランスデューサ要素１２を適切にフェイジングする好ましい装置が図３に示されている。発信器１４によって得られる基本的な超音波信号は、タップ付き遅延線路１６に与えられる。遅延線路のタップ１８はマイクロプロセッサ２２によって制御される交差点型スイッチ２０のｙ入力を形成する。アレイ１０のトランスデューサ要素１２の各々は、可変利得増幅器２４により交差点型スイッチ２０のｘ出力にそれぞれ１つずつ接続されている。増幅器２４の利得も又マイクロプロセッサ２２によって制御される。
【００２３】
遅延線路のタップ１８は、要素１２を十分に高い精度でフェイジングするのに十分な基本超音波信号の位相の選択を交差点型スイッチ２０に与えるのに十分多く、且つこれらタップ間の十分に小さい位相差を有している。実際問題として、これは例えば７２個のタップが５゜の位相差だけ間隔を置いて位置していることを意味している。アレイ１０の各要素１２は、交差点型スイッチ２０により遅延線路１６のタップ１８のうち１つ（１つだけ）に接続されていることは理解されよう。
【００２４】
本発明の利用にあたり、アレイ１０に対する所望の焦点の座標をキーボード２６等からマイクロプロセッサ２２に入力できる。マイクロプロセッサ２２の機能は、図４のフローチャートに示されている。交差点型スイッチ２０内の接続部及び増幅器２４の相対利得をマイクロプロセッサ２２で繰り返しコンピュータ処理して設定する。図４のフローチャートは、それぞれａ，ｂで示された２つのネスト状態の繰返しルーチンを示しており、ルーチンａは、複数の焦点Ｆ₁〜Ｆ_nについて個々の要素１２の組合せ位相及び利得を計算して設定し、ルーチンｂは、トランスデューサ要素１２₁〜１２_nの各々についてこれらのコンピュータ計算及び設定を繰り返す。図４では、ｆは、ルーチンａの繰返しの回数、ｅは、ルーチンｂの繰返しの回数、ｎ_fは焦点Ｆの個数、ｎ_eはトランスデューサ要素１２の個数、Ａ_fは焦点Ｆ_fの所望のビーム振幅、φ_e,fは、要素１２_bが焦点Ｆ_aのところに合焦するのに必要な位相、φ_e,fは、要素１２_bについての位相φ_e,fの正弦波全ての合成である正弦波の位相、Ａ_eは、要素１２_bについての成分正弦波の振幅に対する合成正弦波の相対的振幅である。
【００２５】
上述の説明は、直線アレイ１０が１次元であることを仮定して行われている。細長いトランスデューサ要素１２を備えた平面状の２次元アレイ１０を示す図５ａ及び図５ｂに示されているように、第２の寸法における合焦は代表的には、物理的なレンズ２８によって行われる。その結果、かかるアレイ中の種々の焦点Ｆは全て、同一平面内に位置し、この平面は、レンズ２８の中心に垂直な平面である。焦点Ｆを３次元空間内に位置決めする自由度を有することが望ましい場合、各細長い要素１２の各々に代えて列状の個々の励振可能な要素１２（図６）を用いるのがよい。これにより、各要素についてｄの幾何学的計算が複雑になるが、ｄがこの要素から選択された焦点位置までの距離であるという事実は変わらず、その結果、位相のコンピュータ処理に関する同一の公式が依然として適用できる。
【００２６】
図７に示す本発明の変形実施形態では、多数の焦点又は焦点ゾーンを、トランスデューサアレイ３０をレンズによって合焦される一群の別個独立の従来型固定焦点トランスデューサ３２として構成することにより、特別な駆動エレクトロニクスを用いないで達成できる。このアレイ３０は通常、一線をなした焦点を生じさせることを目的としており、かくして一線をなす破壊された組織を生じさせることになる。
【００２７】
トランスデューサ要素３２の相互間隔を大きく取ることによりアレイ３０を設計できる。かかるトランスデューサは、格子ローブ（grating lobe）を有している。格子ローブの間隔は次式によって与えられる。
【数６】

上式において、λは、超音波信号の波長、ｘは、アレイ３０の焦線及び平面との間の距離、ｅは、要素３２の側方広がりである。形成されるゾーンの数は、各要素によって作られるビームの幅ｗで決まる。かくして、作られる焦点ゾーンの数は、ｗ／ｓである。
【００２８】
上述したトランスデューサと比較した場合のこのトランスデューサの利点は、構造及び電子駆動装置が簡単なことにある。欠点は、融通性に欠けることである（焦点ゾーンが固定されていること、焦点ゾーンのラインがたった１本であること、各焦点ゾーンの強度が一定であること）。しかしながら、脂肪分解療法ではトランスデューサ３０を固定焦点ゾーンに用いてこれら焦点ゾーンを脂肪層を介して走査して線状の死んだ組織を生じさせることができる。
【００２９】
図１〜図７の装置は、極めて融通性が高く、しかも多くの実用的用途に向いている。上述したように、この装置は、高強度焦点ゾーンの任意所望のパターンを３次元空間中に形成できるだけでなく、超音波ビームの強度をこれら焦点ゾーンの各々について別々に制御することもできる。加うるに、マイクロプロセッサ２２が合成正弦波を連続的に再計算するようにすると共に患者の体の上でのトランスデューサアレイの動きに応じて成分正弦波の振幅の重み付けを変えることにより、強度を動的に変化させることができる。
【００３０】
脂肪分解療法では、例えば振幅は、中央の脂肪層中では互いに等しく、次にエッジの近くでテーパしているのがよい（図８）。これを達成するため、マイクロプロセッサ２２を、脂肪の中央層中に多数の焦点層を形成すると共に脂肪のエッジの近くに焦点層を１つだけ形成するようプログラムするのがよい。別法として、ビームを点群に合焦させ、次にグループ３６，３８相互間で切り換えてもよい（図９）。極端な場合には、アレイ１０を各焦点に高速で、しかしながら通常用いられている出力レベルで順序付けしてもよいが、これは各焦点のところにキャビテーションを生じさせ、予測不可能な結果を生じさせる場合がある。別の方法は、走査中、焦点の位置を切り換えて死んだ組織の独立したポケットを生じさせることである。これは、一平面内においてハニカムパターンで又は多数の平面内で多数のパターンをなして行うことができる。この最後に述べた手順により、全ての死んだ組織に非常に密接して位置する生きた組織が、生まれつき備わっている身体プロセスにより死んだ組織を一層迅速に除去できる。また、この手順により、生きた組織の脂肪層の一方の側から他方の側への連続的なつながりを得ることができる。かくして、皮膚をその下に位置する組織に付着保持する上で人工器具は不要である。また、アレイ１０を静止状態に保持し、焦点パターンを順序付けすることにより連続的なキルゾーン（kill zone ）を生じさせるようアレイ１０をプログラムしてもよい。図１０は、４つのパターンの順序を示している。このように使用することは、腫瘍の除去又は恣意的な形状の腺の治療に適している。
【００３１】
マイクロプロセッサ２２がトランスデューサ要素１２の位相及び強度を連続的に再コンピュータ処理できることにより、アレイ１０を移動させ又は走査することなく、焦点ゾーンＦを３次元空間内で動かすことができる。これは、アレイ１０を動かすことができない場合、例えばアレイが患者の体内で用いられている場合に有用である。
【００３２】
本発明の装置は多くの用途を有しているが、その最も大きな利点は、これにより非侵襲的脂肪分解療法が実用的になるということにある。上述したように、本発明を利用しなければ、焦点ゾーンの距離をこれがほんの僅か太りすぎの患者の脂肪層の限度を越えないところまで減少させると、その結果として焦点が非常に小さくなるので、少ない数の脂肪細胞を破壊するためには単一の焦点ゾーンについて極端で非現実的なほど長い時間が必要になる。
【００３３】
しかしながら、本発明の多数の焦点を用いると、治療時間が大幅に減少する。それと同時に、本発明によって別々の焦点が作られるのでその結果として破壊された脂肪細胞の周りに皮膚を支え、死んだ組織の吸収を促進する健康な組織のスポンジ状構造が保持されることになる。
【００３４】
画像化装置４０（図３）を用いると、治療に先立って組織の深さ及び定量的診断測定が可能であると共に脂肪分解療法中の組織の破壊の状態をモニタすることができる。画像化装置は、当業者に周知の任意種類のものであってよく、例えば超音波画像化法、ＣＴ、ＭＲＩ、熱像法（サーモグラフィ）等である。超音波画像化装置を治療用トランスデューサと一体にし、これによって時間増幅（time-amplify）するのがよいが、この超音波画像化装置は、別個独立の装置であってもよい。
【００３５】
また、トランスデューサの所望の温度及びこれが接触する皮膚表面の温度を維持するために流体循環温度制御装置４２を用いるのがよい。この温度制御装置は、当業者に周知の任意の種類のものであってよく、例えば電気ヒートポンプ、蒸発式クーラ、大容量リザーバ等である。
【００３６】
本明細書において説明し図面に記載した非脂肪分解療法のための例示の方法及び装置は、本発明の現時点において好ましい実施形態を表しているに過ぎない。事実、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、かかる実施形態の種々の変形例及び追加例を想到できる。かくして、他の変形例及び追加例は、当業者には明らかであり、本発明を改変して多種多様な用途で用いることができるようこれら変形例及び追加例を具体化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 フェイジングされたトランスデューサアレイの合焦状態を示す略図である。
【図２】 複数の焦点のところでの図１のアレイの合焦状態を示す略図である。
【図３】 本発明のフェイジングシステムのブロック図である。
【図４】 図３のマイクロプロセッサの動作状態を示すフローチャートである。
【図５ａ】 直線合焦アレイの側面図である。
【図５ｂ】 図５ａの５ｂ−５ｂ線矢視断面図である。
【図６】 ３次元的に合焦可能なアレイの表面図である。
【図７】 本発明の変形実施形態の概略側面図である。
【図８】 本発明で達成できる一パターンを示す図である。
【図９】 本発明で達成できる別のパターンを示す図である。
【図１０】 本発明で達成できる別のパターンを示す図である。

Claims (6)

1. 超音波トランスデューサアレイを複数の焦点ゾーンに同時に合焦させる装置であって、
   ａ）正弦波を生じさせるよう構成された発振器と、
   ｂ）複数のタップ夫々のところに前記正弦波の種々の位相を生じさせるよう前記発振器に接続されたタップ付き遅延線路と、
   ｃ）前記トランスデューサアレイの各要素の夫々が、前記タップのうちの異なる１つのタップに選択的に接続されるよう構成されたスイッチとを有し、
   ｄ）前記タップは各々、これに接続された要素に所定の正弦波を与えるように配置され、前記所定の正弦波は、前記焦点各々に別々に前記アレイを合焦させるのに前記要素に付与する必要のある正弦波を合成して得られた正弦波の位相を有することを特徴とする装置。
2. ｅ）前記要素のうちの１つとそのタップとの各接続部中に介在して設けられた可変利得増幅器を更に有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. ｅ）前記スイッチに接続されていて、前記スイッチを切り換えるマイクロプロセッサを更に有し、前記マイクロプロセッサは、前記アレイの各要素に付与される前記最初に記載された正弦波の位相を計算し、前記アレイを前記焦点ゾーンの各々のところに同時に合焦させると共に前記スイッチを上記のように計算された位相の値に従って切り換えるよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. ｅ）前記要素と前記タップとの接続部中に介在して設けられた可変利得増幅器と、マイクロプロセッサと、を更に有し、前記マイクロプロセッサは更に、前記アレイの各要素に付与される前記最初に記載された正弦波の振幅を計算し、前記焦点ゾーンの各々のところに選択されたビーム強度を生じさせると共に前記可変利得増幅器を上記のように計算された振幅の値に従って制御するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. ｆ）前記アレイ及びこれに接触している皮膚表面を所定の温度に維持するよう前記トランスデューサアレイに接続された温度制御装置を更に有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記焦点ゾーンを画像化するよう前記トランスデューサアレイに接続された画像化装置を更に有していることを特徴とする請求項１記載の装置。

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