JP4490924B2 - 超音波照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体に向けて治療用超音波を照射する超音波照射装置に関する。

従来、癌治療法として外科的切除術は盛んに用いられてきたが、患者に対し大きな肉体的及び精神的負担を強いてきた。一方、外科的切除術が非適応である症例に対しては、主として抗がん剤投与による薬物療法が利用されているが、その副作用が大きな問題となっていた。そこで、患者への肉体的及び精神的負担の少ない、最小侵襲治療（Minimary invasive treatment: MIT）と呼ばれる治療法が一つのキーワードとなっている。例えば、癌領域に穿刺した穿刺針からエタノールを注入し癌組織を壊死に導く経皮的エタノール注入療法や、穿刺針からマイクロ波やラジオ波を照射して、加熱を行いたんばく質の熱変性を惹起させ、癌細胞を殺傷する穿刺療法が開発されている。

しかしながら、上記にあげた経皮的エタノール注入療法や穿刺療法では、癌細胞に穿刺針を刺すという意味で、侵襲的であり、癌細胞の播種の恐れがあるとの問題点も指摘されている。他方、生体外から生体内のターゲット領域に向けて電磁波等を照射し、癌細胞を加温しアポトーシスを誘導させて壊死に導くハイパーサーミア療法が開発された。これは、腫瘍組織と正常組織の熱感受性の違いを利用して、患部を４２．５℃以上に加温・維持することで癌細胞を選択的に死滅させる治療法である。特に、生体内深部の腫瘍に対しては、深達度の高い超音波エネルギを利用する方法が考えられている（特許文献１参照）。

また、上記加温治療法を更に進めて、凹面形状のピエゾ素子により発生した超音波を患部に集束させて短時間で加熱し熱変性壊死させる治療法も考えられている（特許文献２参照）。上記治療法では、超音波のエネルギを集束させることにより、幅１〜３ｍｍ程度の限局した領域のみを６０℃以上に加温し、数秒以内で熱変性壊死に導くことが可能である。この技術は、主に、肝腫瘍、乳腺腫瘍、子宮筋腫等の腫瘍、脳腫瘍及び泌尿器科系の腫瘍への適応が検討されている。さらにバイオ技術と組合せ、遺伝子を細胞に導入して癌等の治療を行う遺伝子療法が盛んに研究されているが、細胞内への遺伝子導入効率を向上させるために患部に向けて超音波を照射する超音波併用手法が提案されている。

これらのシステムにおいては、患部に向けて照射した超音波が計画どおりのものであるか否かが極めて重要である。そこで、超音波照射源であるアプリケータを非使用時や休止時に置いておくためのアプリケータホルダーに超音波出力計測機能を併せ持つようにしたり、超音波強度等を計測するためのプローブを体腔内に留置しておき、該プローブで実際に照射された超音波を計測するという手法が提案されている（特許文献３参照）。

上述のように、実際に被検体に向けて照射された超音波の性状を計測することが重要視されているものの、アプリケータホルダーでは照射中の状態を計測することは困難であった。また、体腔内で計測プローブを用いる方法においては、留置可能な体腔が近傍に存在する場合にしか適用できないため、使用条件が極めて制限されているといった問題点があった。
特開昭６１−１３９５５号公報参照 特許第３３６９５０４公報 米国特許第５１５０７１１号参照

本発明の目的は、治療動作期間中に治療用超音波の発生動作の検証が可能な超音波照射装置を提供することにある。

本発明の超音波照射装置は、第１局面においては、被検体に向けて治療用超音波を発生する超音波発生源と、前記超音波発生源を駆動するための駆動回路と、前記超音波発生源と前記被検体との間に配置された少なくとも一つの計測用超音波素子と、前記超音波発生源から発生され前記計測超音波素子で受信された超音波信号に基づいて前記治療用超音波の発生動作を検証する検証部とを具備し、前記超音波発生源は複数の治療用超音波素子を有し、前記検証部は、前記計測用超音波素子から発生され前記複数の治療用超音波素子で受信された複数の超音波信号の位相情報に基づいて前記計測用超音波素子の位置を計算する手段を有する。
本発明の超音波照射装置は、第２局面においては、被検体に向けて治療用超音波を発生する超音波発生源と、前記超音波発生源を駆動するための駆動回路と、前記超音波発生源と前記被検体との間に配置された少なくとも一つの計測用超音波素子と、前記計測用超音波素子から発生され前記超音波発生源で受信された超音波信号に基づいて前記治療用超音波の発生動作を検証する検証部とを具備し、前記超音波発生源は複数の治療用超音波素子を有し、前記検証部は、前記計測用超音波素子から発生され前記複数の治療用超音波素子で受信された複数の超音波信号の位相情報に基づいて前記計測用超音波素子の位置を計算する手段を有する。

本発明によれば、治療動作期間中に治療用超音波の発生動作の検証が可能な超音波照射装置を提供することができる。

以下に本発明の一実施形態を図面に従って説明する。図１は、本発明の一実施の形態を示すブロック図である。図１において、超音波アプリケータ１は、径及び周方向にそれぞれ分割され、アニュラーリング状に２次元配列された複数の治療用超音波素子（ピエゾ素子）２からなる治療用超音波発生源を有する。複数の治療用超音波素子２には、複数のインピーダンス整合回路群７を介して複数の駆動回路８がそれぞれ接続される。駆動回路８から治療用超音波素子２に供給される電気エネルギにより、指定された周波数領域の超音波が被検体６に向けて照射される。駆動回路８は信号波形を増幅する役割を有するが、駆動回路８に入力される信号波形は、キーボードやマウス等の入力部１８を介して操作者により指定された方位と深度の位置に焦点９が形成されるように、各チャンネル毎に初期位相が調整されている。この初期位相の調整は、制御部１０のコントロールにより位相制御部１１によって行われる。図１では、位相制御手段１１の出力は、駆動回路８、すなわち超音波素子２の個数と同一である。一方、位相制御部１１の入力は一系統となっている。この入力には、波形発生部１２で発生させた信号波形が入力される。波形発生部１２においても、制御部１０により、出力周波数や波形の形状が制御されている。また、駆動回路８は、治療モードに変更された後に動作可能となるように制御部１０によって制御されている。電源立ち上げ直後は非動作モードであり、制御部１０からの制御信号により動作可能となる（治療モード）。患者情報サーバ１７は、ネットワークを介して本装置に接続されている。ここでは、制御部１０に接続され、患者情報、インフォームドコンセント情報や治療の承諾書のやりとりを行う。

治療用超音波素子２には受信回路２２が接続される。受信回路２２は複数の治療用超音波素子２で受信された複数の受信信号（超音波信号）を増幅するとともにディジタル信号に個別に変換する。複数の治療用超音波素子２にそれぞれ対応する複数のディジタル化された受信信号は後述する動作検証部２１に供給される。

上記超音波発生源の略中心に孔が開けられ、その孔に焦点領域Ｆを含む断面を断層像としてモニタ１６に映像化するためのイメージング用超音波プローブ（インナープローブ）４が挿入されている。超音波診断装置１５は、イメージング用超音波プローブ４へ映像用超音波を送受信して信号処理することにより、被検体６内の超音波断層像を構築する。

超音波発生源には水袋１３が装着される。水袋１３には、治療用超音波素子２からの治療用超音波を被検体６へ効率良く伝播させるための脱気水等のカップリング材３が封入される。さらに、超音波カップリング材３は、治療用超音波素子２で発生した熱を遮断し、被検体６へ伝えないようにするための断熱効果も併せ持っている。典型的には、超音波素子２で発生した熱を逃がすための冷却装置が超音波素子２の背面に付加されている。

水袋１３の内面には治療用超音波発生動作検証用（計測用）としての少なくとも一つの超音波素子１９が装着されている。超音波素子１９は例えば０．５〜１．０ｍｍの径を有し、また治療用超音波が散乱しないで治療用超音波の伝搬を阻害しないように超音波素子１９は治療用超音波の波長に対して著しく薄く形成されている。典型的には単一の計測用超音波素子１９が、図２（ａ）に示すように、水袋１３の略中心に装着される。なお、図２は焦点Ｆ側（下方）から水袋１３を見た様子を示している。この位置では計測用超音波素子１９は図３（ａ）に示すように、水袋１３が被検体６に接触する／しないに関わらず波線で示す集束超音波の伝播経路内に位置する。しかし、被検体６に接触しない状態においては図３（ｂ）に示すように集束超音波の伝播経路外に配置されていてもよいが、その場合であっても、水袋１３が被検体６に押し付けられて変形した状態では図３（ｃ）に示すように少なくとも超音波の伝播経路内に計測用超音波素子１９が収まる位置が設計されている。

複数の計測用超音波素子１９が水袋１３に装着されていてもよい。その場合、複数の計測用超音波素子１９は図２（ｂ）に示すように十字形状に配列され、または複数の計測用超音波素子１９は図２（ｃ）に示すように同心円状に配列されることが後述の強度分布形成のためには好ましい。

なお、超音波素子１９は水袋１３の内面に装着されることには限定されず、超音波素子１９は水袋１３の膜内部に埋め込まれていてもよい。また、超音波素子１９は、イメージング用超音波プローブ４の側面（固定位置）に固定するようにしても良い。

計測用超音波素子１９に高周波電力を供給し、また超音波素子１９で受信された受信信号（超音波信号）を伝達するための細心の図示しないケーブルが水袋１３上に配線されている。ケーブルは水袋１３の厚みの中に埋まっていて、操作者や患者によって触れることができないような構成になっている。超音波素子１９に実際に供給される高周波電力、及び超音波素子１９で受信されシステムに伝達される受信信号強度は微弱であり、ヒトに対する電気安全性は確保されている。計測用の超音波素子１９は、送受信回路２０に接続されており、送受信回路２０は、制御部１０及び動作検証部２１に接続されている。動作検証部２１は、制御部１０とともに、治療用超音波の発生動作を検証する。

治療用超音波の発生動作の検証動作について以下に説明する。
図４に示すように、まず、インナープローブ４を用いて治療用超音波を照射する対象をスキャンする。即ち、インナープローブ４で、様々な方向から照射対象及び超音波の伝播経路を確認する（Ｓ１）。一通り確認して問題が無ければ、照射計画に移る（Ｓ２）。操作者は、超音波診断画面を見ながら、集束超音波の強度及び照射時間、及び焦点のスキャン順序を決めていく。ここでは、従来から言われているように、一度熱変性壊死した領域は音響パラメータが変化してしまい、超音波の反射係数や吸収係数が大きくなることから、超音波アプリケータ１に対して被検体６の深部から浅部に向かって順次集束超音波の焦点Ｆの位置を移動するように計画される。ここで、超音波アプリケータ１はフェーズドアレイによる焦点位置制御が可能であり、位相制御部１１で駆動位相を変化させながら高周波電圧を治療用超音波素子２に印加していくことで焦点移動を達成する。本実施形態においては、フェーズドアレイによる焦点位置制御が規定どおり行われるか、及び治療用超音波の出力強度は正常であるかを検証するための治療用超音波発生動作検証（Ｓ３）が、焦点Ｆを次々と移動しながら治療用超音波が断続的に繰り返し照射され（Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７）、その治療用超音波のインターバル期間中に実行される。

図５に示すように、治療用の超音波照射のインターバルに、上記検証のための２種の送受信、つまり計測用超音波素子１９からの超音波送信及び治療用超音波素子２によるその受信、治療用超音波素子２からの微弱な超音波送信及び計測用超音波素子１９によるその受信が実行される。

図６に示すように、照射開始前に微弱な超音波パルスが計測用超音波素子１９から治療用超音波素子２に向けて送信され（Ｓ１１）、各治療用超音波素子２で受信される（Ｓ１２）。超音波素子１９から発生された超音波は球面波として伝達していくが、計測用超音波素子１９から治療用超音波素子２までの距離に応じて超音波素子２における受信タイミングに差が生じる。この時間差に基づいて動作検証部２１で計測用超音波素子１９の位置が計算される（Ｓ１３）。次に、制御部１０は、計算された超音波素子１９の位置に焦点Ｆが形成される位相制御のもとで治療用超音波素子２から、治療超音波より強度の低い微弱な集束超音波を発生させる（Ｓ１４）。ここでは、即ち、焦点位置は超音波素子１９に一致している。治療用超音波素子２から計測用超音波素子１９に向けて照射された微弱な計測用超音波は、超音波素子１９を介して受信回路２０で受信され（Ｓ１５）、その強度が超音波素子１９の受信波強度から検証部２１で計算される。検証部２１では、受信波強度が、所定の適正範囲内か否かを判定する（Ｓ１６）。受信波強度が、所定の適正範囲内であれば、検証部２１は制御部１０を介してモニタ１６に治療用超音波素子２、回路７，８、１１が正常動作していることを表すメッセージを表示させる（Ｓ１７）。

受信波強度が、所定の適正範囲内でなければ、検証部２１は制御部１０を介して計測用超音波素子１９を通る直線上で焦点Ｆを移動しながら、治療用超音波素子２から微弱な超音波を繰り返し送信し、また計測用超音波素子１９で繰り返し受信する（Ｓ１８）。計測用超音波素子１９で繰り返された受信により発生する受信信号の強度に基づいて検証部２１は超音波素子１９を原点と見立てた際の超音波の横方向軸上強度分布を生成する（Ｓ１９）。検証部２１は、強度分布の中心としての極大点が、超音波素子１９の位置に一致しているか否かを判定する（Ｓ２０）。強度分布の中心が、超音波素子１９の位置に一致しているとき、位相制御は正常に行われているが、超音波発生素子２もしくは駆動系７、８に異常があって出力が小さいということが予想でき、それにより検証部２１は制御部１０を介してモニタ１６に治療用超音波素子２、回路７，８が異常動作していることを表すメッセージを表示させる（Ｓ２４）。

強度分布の中心が、超音波素子１９の位置に一致していないとき、位相制御が正常に行われていないことが予想され、その原因箇所としては治療用超音波素子２と位相制御回路１１の一方の異常であることが想定される。そこで、治療用超音波素子２の正常／異常を先ず確認するために、検証部２１は、Ｓ１２で受信した各治療用超音波素子２の受信信号の強度が適正範囲内であるか否かを判定する（Ｓ２１）。または検証部２１はＳ１２で受信した各治療用超音波素子２の受信信号の強度を隣の治療用超音波素子２の受信信号の強度と比較する。受信信号の強度が適正範囲から外れている又は隣の治療用超音波素子２の受信信号の強度との差が所定の適正範囲から外れているとき、その判定により特定した治療用超音波素子２又は対応するチャンネルが異常であるとして、検証部２１は制御部１０を介してモニタ１６に当該特定した治療用超音波素子２又はチャンネルが異常動作していることを表すメッセージを表示させる（Ｓ２２）。一方、Ｓ２１において、すべての治療用超音波素子２の動作が適正であるとき、位相制御部１１が異常であるとして、検証部２１は制御部１０を介してモニタ１６に当該位相制御部１１が異常動作していることを表すメッセージを表示させる（Ｓ２３）。

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以上のように本実施形態によれば、治療用超音波に対して影響のない計測用超音波素子１９を装備させているので、計測用超音波素子１９を使って短時間で治療用超音波発生の検証を行うことができる。それにより治療動作期間中であって、治療用超音波のインターバルに検証動作を完了することができる。

なお、Ｓ２１の判断で、位相制御部１１もしくは超音波素子２に異常が見つかった場合には、該当するチャンネルの動作が制御部１０の制御により停止される。フェーズドアレイは元々多チャンネルシステムであることから、１〜２ｃｈの動作が停止しても、ある程度の正常動作を実現できる、つまり他の正常チャンネルで異常チャンネルによる強度低下を補償できる。但し、停止したチャンネル分の出力は総出力から低下するため、緊急処置としてその分を補うように他のチャンネルの出力を向上させればよい。もし、他のチャンネルで補えない場合は、操作者にアプリケータ１の交換を促すようメッセージを表示させることが必要とされる。もちろん、あくまでも緊急処置であるので、一連の集束超音波照射が終了した際には、操作者にアプリケータ１の交換を促すようにしても良い。

以上述べた検証は、治療用超音波素子２で受信した計測用超音波素子１９からの微弱超音波パルスの位相情報から計算した条件でフェーズドアレイを動作させたが、治療用超音波素子２で超音波パルスを受信したら、それをトリガとして個々の超音波素子２を直ちに動作させれば、半自動的に計測用超音波素子１９上に超音波素子２から照射される超音波パルスの焦点が形成されることになる。

また、本実施の形態では、照射インターバル中に検査用の微弱超音波パルスを照射したが、超音波発生素子群２から照射される集束超音波周波数と異なる周波数帯の超音波を検査用に用いて、超音波発生素子群２で受信された超音波信号に対してフィルタ処理を行って検査用の超音波信号を抽出するようにしても良い。その際、受信感度をできるだけ低下させないように、検査用超音波の周波数を超音波発生素子群２から照射される集束超音波の周波数の整数倍の高調波に合せるようにしたり、超音波発生素子群２の近傍に受信専用の超音波素子を複数個設けるようにしても良い。以上の工夫により、超音波発生素子群２から集束超音波が照射されている最中であっても、検査用の超音波を使用することが可能となる。そして、検査用の超音波を照射する超音波素子の位置が計測できたら、先に述べた方法により、超音波強度等の検証を行うようにしてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態における超音波治療装置の構成を示す図。 図１の計測用超音波素子の配置を下方から示す図。 図１の計測用超音波素子の配置を側方から示す図。 本実施形態による治療手順を示す流れ図。 図４の手順を補足するためのたタイムチャート。 本実施形態による検証手順を示す流れ図。

符号の説明

１…超音波アプリケータ、２…治療用超音波素子（ピエゾ素子）、３…超音波カップリング材、４…イメージング用超音波プローブ（インナープローブ）、６…被検体、７…インピーダンス整合回路、８…駆動手段、Ｆ…治療用超音波焦点、１０…制御部、１１…位相制御部、１２…波形発生部、１３…水袋膜、１５…超音波診断装置、１６…モニタ、１７…患者情報サーバ、１８…入力部、１９…計測用超音波素子、２０…送受信回路、２１…動作検証部、２２…受診回路。

Claims (10)

1. 被検体に向けて治療用超音波を発生する超音波発生源と、
   前記超音波発生源を駆動するための駆動回路と、
   前記超音波発生源と前記被検体との間に配置された少なくとも一つの計測用超音波素子と、
   前記超音波発生源から発生され前記計測超音波素子で受信された超音波信号に基づいて前記治療用超音波の発生動作を検証する検証部とを具備し、
   前記超音波発生源は複数の治療用超音波素子を有し、
   前記検証部は、前記計測用超音波素子から発生され前記複数の治療用超音波素子で受信された複数の超音波信号の位相情報に基づいて前記計測用超音波素子の位置を計算する手段を有することを特徴とする超音波照射装置。
2. 前記検証部は、前記計測超音波素子で受信された超音波信号の強度を所定の閾値と比較する手段を有することを特徴とする請求項１記載の超音波照射装置。
3. 前記超音波発生源は複数の治療用超音波素子を有することを特徴とする請求項１記載の超音波照射装置。
4. 前記検証部は、前記計測超音波素子で受信された超音波信号に基づいて前記計測超音波素子周辺の超音波強度分布を生成する手段を有することを特徴とする請求項１記載の超音波照射装置。
5. 前記計測超音波素子は複数が十字状に配列されることを特徴とする請求項１記載の超音波照射装置。
6. 前記計測超音波素子は複数が同心円状に配列されることを特徴とする請求項１記載の超音波照射装置。
7. 前記超音波発生源から前記被検体に向けて治療用超音波を繰り返し照射するインターバル期間中に、前記超音波発生源から前記治療用超音波より強度の低い計測用超音波が発生され前記計測超音波素子により前記計測用超音波が受信されることを特徴とする請求項１記載の超音波照射装置。
8. 被検体に向けて治療用超音波を発生する超音波発生源と、
   前記超音波発生源を駆動するための駆動回路と、
   前記超音波発生源と前記被検体との間に配置された少なくとも一つの計測用超音波素子と、
   前記計測用超音波素子から発生され前記超音波発生源で受信された超音波信号に基づいて前記治療用超音波の発生動作を検証する検証部とを具備し、
   前記超音波発生源は複数の治療用超音波素子を有し、
   前記検証部は、前記計測用超音波素子から発生され前記複数の治療用超音波素子で受信された複数の超音波信号の位相情報に基づいて前記計測用超音波素子の位置を計算する手段を有することを特徴とする超音波照射装置。
9. 前記検証部は、前記計測用超音波素子から発生され前記複数の治療用超音波素子で受信された複数の超音波信号を比較することにより前記複数の治療用超音波素子を個別に検証する手段を有することを特徴とする請求項８記載の超音波照射装置。
10. 前記超音波発生源から前記被検体に向けて治療用超音波を繰り返し照射するインターバル期間中に、前記計測超音波素子から計測用超音波が発生され前記超音波発生源により前記計測用超音波が受信されることを特徴とする請求項８記載の超音波照射装置。

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