JP4394440B2 - 超音波治療 - Google Patents
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Description
本発明は、医療システムに関し、より具体的には、ヒト等の被検者、特に、ヒトの被検者の脳への集束超音波エネルギーの非侵襲的付与に関する。
頭蓋骨内の特定の位置にある組織の処置は、除去または切除に限定され得る。これらの治療は、腫瘍等の特定の限局性疾患に対して有効であることが実証されているが、これらの治療は、場合によっては健康な組織を破壊し得る、最新の注意を要する、時間のかかる処置である。これらの治療は、健康な組織の破壊が神経機能に過度な影響を及ぼさない場合を除いて、通常、病気の組織が健康な組織と一体化している疾患には適していない。
概して、ある局面において、本発明は、超音波信号を送達する方法を提供する。この方法は、超音波信号のソースと、集束超音波信号の受信が所望される被検者の部位との間の超音波を受信するように意図された、被検者の少なくとも一部分の画像を提供するステップと、ソースと所望の部位との間の物質の種々の物理特性をこの画像から識別するステップと、各ソースと所望の部位との間に配置された層の各々の部分のそれぞれの厚さに依存して、ソースの位相補正および振幅補正の少なくとも1つを決定するステップとを包含する。
ΔΦ=2πf[(d/c0)−(1/(2Δf))]
によって決定され、ここで、ΔΦは、位相補正であり、fは、伝送されるべき周波数であり、dは、厚さであり、c0は、水中の音速であり、Δfは、同様の極値間の周波数差である。
ΔΦ=2πf[(d/c0)−(1/(2Δf))]
によって位相補正を決定させるように構成され、ここで、ΔΦは、位相補正であり、fは、伝送されるべき周波数であり、dは、厚さであり、c0は、水中の音速であり、Δfは、同様の極値間の周波数差である。
超音波エネルギー等のエネルギーは、様々な処置のために人間または動物等の対象内に伝搬され得る。放射トランスデューサ素子のアレイは、エネルギーを対象に伝送するように用いられ得、素子に伝送された信号の振幅は、対象を通るエネルギー量に影響を与え得、伝送されたエネルギーの相対的位相および振幅は、エネルギ分布を対象に集中させることの助けになり得る。超音波信号の位相および振幅は、多くの原因により影響され得る/歪められ得る。例えば、信号が伝搬する物質の材料定数が異なることである。例えば、患者内部の異なる種類の物質(例えば、骨、筋肉および脂肪)は、超音波エネルギーの異なる伝播および減衰係数を有する。また、他の材料定数(例えば、患者内部の物質の密度および構造)は、超音波信号の位相および/または減衰に影響を与え得る。なぜなら、トランスデューサ素子とイメージングされる/処置される領域との間にある、厚さおよびコンター(contour)が異なる物質、ならびに、空気が充填した可能性のあるポケットまたは液体が充填した可能性のあるポケットに、異なるトランスデューサ素子からの信号が直面し得るので、トランスデューサ素子からの信号の位相が歪められることが多い。従って、伝送している位相および/または振幅がこの歪みに対して補正されない場合、位相および/または振幅は、所望の位相および/または振幅と異なることが多い。
ここで、fは伝送される周波数であり、位相補正はこの周波数に対して用いられるべきである。dはイメージから決定された頭蓋骨の厚さであり、c0は水中の音速である。密度補正技術を用いて、この位相シフトに対する調節がなされ得る。プロセス70は、トランスデューサ素子16の残余に対して繰り返される。
波動ベクトル周波数領域の推定アルゴリズムは、頭蓋骨28を通る伝搬、および、超音波アレイトランスデューサ16の補正因子を決定するように用いられる。この推定アルゴリズムは、音響フィールドが線形のストークス方程式を満たすと仮定する。
層状投影法は、表面が最高の相対波数に関して十分滑らかである場合、曲面を通るフィールドの伝播に用いられ得る。このフィールドは、表面近くの平面に投影され、一連の仮想ソースに分解される。所与のソースによって貫通された表面の領域は、平面に近似される。ソースビーム幅の実際の表面は、最大周波数kmaxの少なくとも1/4.内で好ましくはこの近似に一致する。同時に、ソースの直径Sは、ソースのより小さな周波数成分がレイリー距離と比べて近いフィールドにあるように、好ましくは十分大きい。ここで、レイリー距離は、
アレイ14、および頭蓋骨28のイメージを記録するために標準の技術が用いられ得る。アレイ14およびイメージを記録することは、超音波の適切な焦点が達成されることを保証する助けとなる。適切な記録は、頭蓋骨28の適切な部分が正確な厚さ、密度、方向(例えば、入射角度)、およびアレイ14と頭蓋骨28内の所望の焦点との間の頭蓋骨28の層の位置を生み出すために解析されていることを保証する助けとなる。正確な計測を伴って、コントローラ20は、増幅器24および位相シフタ26に対する正確な位相および振幅補正を決定して、アレイ14からの超音波を頭蓋骨28内の所望の位置で焦点を合わせることができる。アレイ14および頭蓋骨のイメージを記録するための標準的な技術は、アレイ14および頭蓋骨28に取り付けられて、CTおよびMRイメージが識別できる基準のマーカーを有する基準フレームを用いることを含む。この基準マーカーは、CTおよびMRイメージ(CTイメージは骨の特性をもたらすが、MRイメージは、より柔らかい組織に起因する治療の間に用いられ得る)を回転させて、イメージを記録するために用いられ得る。あるいは、CTおよびMRイメージのいずれか、または両方は、それらが適合するまで回転され得る。頭蓋骨28に対するアレイの方向が決定され得るような記録をもたらす他の技術も受け入れられる。
0.51MHzのトランスデューサを用いる、10個の頭蓋骨によって行われた1000回の計測の解析に基づいて、頭蓋骨の密度関数としての音速の線形フィッティングが得られた。式(22)を用いてえら得られた第一次(線形)フィッティングは、1.82×103kg/m3と2.45×103kg/m3との間の厚さ平均密度の範囲において、MKS単位系の方程式
実験データは、超音波減衰と頭蓋骨の密度との間の関係を決定するために用いられ得、用いられてきた。周波数が増加するにつれて減衰が増え、概して、密度が増加するにつれて減衰が非線形に減少することが見られた。さらに、減衰と密度との関係は、最小であり、密度が約2000kg/m3を超えて増加するときに減衰が若干増加する。
頭蓋骨28を通る焦点を作るために、頭蓋骨28を通る伝播後に、各素子16の意図する焦点において、コントローラ20を用いて音響圧力が計算される。コントローラ20は、少なくとも2つの異なるシナリオの下にその計算を実行し得る。第1の場合(ケース1)、コントローラ20は、入射角度を無視し、超音波が頭蓋骨28に垂直に入射すると仮定する。第2の場合(ケース2)、コントローラ20は、モデルにおける入射を含む、頭蓋骨の表面において式(26)から決定された入射角度γiを用いる。圧力位相は、頭蓋骨28が存在しない場合に期待される位相と比較される。頭蓋骨28によって引き起こされた位相の変化は、記録されて、トランスデューサアレイ14の駆動位相を補正するために用いられる。各素子16の駆動位相は、
全体の投影アルゴリズムは、NTネットワークを介する一連のPentium(R)およびAMDベースのコンピュータにおいて、Matlabを用いて実施された。256MBのRAMを有する1GHzマシーンを用いて、320個の素子16の頭蓋骨28内に焦点を作り出す通常の処理時間は、約5時間であった。
Claims (12)
- 超音波信号を送達するシステムであって、
該システムは、
超音波信号を受信することが意図される被験者の少なくとも一部分であって、該超音波信号のソースと、該被験者の集束超音波信号を受信するための所望の領域との間の少なくとも一部分の画像を解析するように構成された装置であって、スペクトル伝播解析を利用し、該被検者の少なくとも一部分に関する情報を該画像から決定するように構成され、該情報を利用して該集束超音波信号の予測伝播経路を計算し、該集束超音波信号の該計算された予測伝播経路を利用して、超音波信号を該被験者の少なくとも一部分に集束するための位相および振幅を決定するように構成される装置と、
超音波信号のソースのアレイであって、該超音波信号は、該装置によって提供された該決定された位相および振幅ならびに該被検者の少なくとも一部分に関する情報に従った、それぞれの相対位相および振幅のセットのうちの少なくとも一つを有する、アレイと
を備える、システム。 - 前記装置は、前記被検者の前記一部分の複数の層の物理特性を識別する手段を備え、該物理特性は、密度および厚さを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記物理特性は、それぞれのソースに対する前記層の入射角をさらに含み、前記装置は、前記被検者の前記一部分を考慮する、前記ソースから前記所望の領域への信号の投影位相と、該被検者の該一部分を無視する、該ソースから該所望の領域への信号の投影位相とを比較する手段をさらに備える、請求項2に記載のシステム。
- 前記装置は、波動ベクトル周波数ドメイン投影アルゴリズムを実行する手段を備える、請求項1に記載のシステム。
- プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な格納媒体であって、
該プログラムは、コンピュータに、
複数の超音波信号を受信する被験者の少なくとも一部分であって、該複数の超音波信号の複数のソースと、該被験者の集束超音波信号を受信するための所望の領域との間の少なくとも一部分の画像を解析して、該ソースと該所望の領域との間の物質のそれぞれの部分の物理特性を該画像から識別することと、
波動ベクトル周波数ドメイン投影アルゴリズムを利用し、各ソースと該所望の領域との間に位置する該物質の一部分のそれぞれの物理特性に応じて、該ソースの位相補正および振幅補正のうちの少なくとも一つを決定することであって、該波動ベクトル周波数ドメイン投影アルゴリズムは、該ソースと該所望の領域との間の物質のそれぞれの部分の物理特性を利用して予測伝播経路を計算し、該計算された予測伝播経路を利用して、超音波信号を該ソースと該所望の領域との間の物質のそれぞれの部分に集束するための位相および振幅を決定し、該決定された位相および振幅は、該ソースの位相補正および振幅補正のうちの少なくとも一つのために利用される、ことと
を実行させる、コンピュータ読み取り可能な格納媒体。 - 前記物理特性は、密度および厚さを含む、請求項5に記載のコンピュータ読み取り可能な格納媒体。
- 前記プログラムは、前記物質の前記一部分の異なる層の前記物理特性を前記コンピュータに識別させる、請求項5に記載のコンピュータ読み取り可能な格納媒体。
- 前記物理特性は、前記ソースに対する層の界面の角度を含む、請求項7に記載のコンピュータ読み取り可能な格納媒体。
- 前記プログラムは、前記物質の一部分を考慮する、前記ソースから前記所望の領域への投影位相と、該物質の一部分を無視する、該ソースから該所望の領域への投影位相とを前記コンピュータに比較させる、請求項5に記載のコンピュータ読み取り可能な格納媒体。
- 超音波の垂直入射を想定して、前記物質の一部分を考慮する前記投影位相を前記コンピュータに決定させるプログラムをさらに含む、請求項9に記載のコンピュータ読み取り可能な格納媒体。
- 前記物質の一部分の前記層に対する超音波の入射角を決定および利用することによって、該物質の一部分を考慮する前記投影位相を前記コンピュータに決定させるプログラムをさらに含む、請求項9に記載のコンピュータ読み取り可能な格納媒体。
- 前記コンピュータに入射角を決定させるプログラムは、該コンピュータに前記物質の一部分の層ごとに入射角を決定させる、請求項11に記載のコンピュータ読み取り可能な格納媒体。
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