JP5497664B2 - 温度制御部を持つ治療システム - Google Patents

Description

本発明は、標的領域を通る軌道に沿って治療行為を実行するための治療モジュールを有する治療システムに関する。該治療システムはまた、測定領域の温度を測定するための温度測定モジュールと、測定された温度に基づいて治療モジュールを制御する制御ユニットも有する。

このような治療システムは、Ｒ．Ｓａｌｏｍｉｒ ｅｔ ａｌ．によるＪ． Ｍａｇｎ． Ｒｅｓ. Ｉｍ． １２（２０００）５７１‐５８３における論文「Ｌｏｃａｌ ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍｉａ ｗｉｔｈ ＭＲ‐ｇｕｉｄｅｄ ｆｏｃｕｓｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ： ｓｐｉｒａｌ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｏｃａｌ ｐｏｉｎｔ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｒｅｇｉｏｎ」から知られている。この論文は、ＭＲガイド下集束超音波システムである治療システムを開示している。治療モジュールは、標的領域を覆う二重逆スパイラル（ｄｏｕｂｌｅ ｉｎｓｉｄｅ‐ｏｕｔ ｓｐｉｒａｌ）軌道に沿ってその焦点が動かされる球形超音波トランスデューサによって形成される。球形超音波トランスデューサの音場の強度は、焦点の周囲におおよそガウス分布を持つ。磁気共鳴画像診断装置は標的決定のための解剖学的情報と温度マップの両方を提供する。引用論文は高速ＭＲ温度測定及び超音波装置へのオンラインフィードバックを利用することについて述べている。フィードバックアルゴリズムは焦点の周囲の温度勾配のリアルタイム評価に基づく。特に、焦点は連続的な最大集束超音波出力下でスパイラル軌道を動かされる。第一スパイラル中の実際の温度と標的温度の差は、第二スパイラル軌道中に修正される。

本発明の目的は、より信頼性が高く、かつ治療行為を適用する上でより高い精度を持つ治療システムを提供することである。

この目的は、
標的を含む標的領域内で連続軌道に沿って標的へ治療行為を向けるための治療モジュールと、
測定領域の温度を測定するため、特に熱線量を計算するための温度測定モジュールと、
測定された温度及び／又は熱線量に基づいて各軌道に沿って治療行為を適用するために治療モジュールを制御するための制御モジュールとを有し、
連続軌道が標的領域内で互いに外側又は内側に標的領域内に位置する、
本発明の治療システムによって実現される。

治療行為、とりわけ標的領域におけるエネルギーの付与は、予め定められた後続軌道に沿って向けられる。治療行為が軌道のうちの１つに沿って実行されると、該軌道自体、及び該軌道の周囲の面積又は体積もが、治療行為によって影響を受ける。治療行為の拡散は、該軌道の周囲の領域が影響されることを引き起こす。これは該軌道においてエネルギーが付与され、熱拡散が該軌道の周囲の領域を加熱させる際に特に当てはまる。本発明によれば測定領域の温度が測定される。測定領域の温度は標的領域の温度を代表する。測定領域は標的領域内に位置すれば十分であることが多い。測定領域が標的領域全体を覆う場合、より正確な結果が得られる。治療行為の現在の適用、すなわち現在の軌道に沿ったエネルギーの付与時の測定結果に基づいて、後続軌道に沿って治療行為を適用するかどうかが決定される。外側へ向かう場合は、連続軌道は互いに及び標的に対して外側へ位置するか、又は標的領域の周辺から始めて内側へ位置する。現在の軌道は、それに沿って前に治療行為が実行された軌道を包含する。従って、治療行為が後続軌道に沿って適用されると、付与された熱の拡散が標的領域にわたって外側へ進行するにつれて、標的領域に治療行為が適用される。内側へ向かう場合は、後続軌道は標的領域の中心へと向かう。次に位置する軌道に沿った治療行為の適用は、測定された温度に依存するため、強制拡散パターンが生成される。この強制拡散パターンは意図した治療効果を持つ温度分布を正確に生成する。これは各軌道におけるエネルギー付与の完了時にかなり均一な温度を実現することができる。軌道ごとの治療モジュールの制御は、治療モジュールのパワーレベルを制御する必要がなく、次の軌道に切り替えるかどうかの時間及び／又はいつ次の軌道に切り替えるかのみを制御する必要がある。これは、二値の、従って非常にロバストで単純なフィードバック制御を治療モジュールにもたらす。特に個々の軌道に沿ってパワーレベルは最大に維持されることができ、壊死をより速くもたらし、ひいてはより効率的な治療をもたらす。パワーレベルが組織の壊死を生じさせるレベルを超えて維持されるとき、とりわけパワーレベルが最大に維持されるとき、前の軌道の各々に沿って、及びその周囲に壊死が引き起こされる。何らかの理由でエネルギー付与が中断される場合、前の軌道によって覆われる標的領域の部分において壊死は既に生じている。従って、エネルギー付与が再開されると、標的領域全体に対して再開する必要はなく、エネルギー付与は中断が起こった軌道において再開されることができる。

軌道は二次元であり、面積である標的領域を覆うことができる。軌道は三次元であり、体積の標的領域を包囲することができる。標的領域が、太線又は鉛筆形状の領域など、極度に矩形形状である場合は、一次元の軌道が有利である可能性があるが、１つの軌道のみが可能であり、熱エネルギー集積の利用はこの線に沿うのみとなる。

本発明のこれらの、及び他の態様は、従属請求項に規定される実施形態に関連してさらに詳述される。

本発明の別の態様において、次の軌道に沿ったエネルギーの付与は、現在の熱線量が予め定められた限度を超えるかどうかに基づいて決定される。このようにして、エネルギーの付与は、エネルギーが付与されることによる熱の拡散に正確に従うことができる。次の軌道に沿ったエネルギーの付与が、測定された温度と、適用された熱線量の両方に基づく場合は、標的領域内の組織において壊死が生じるようなやり方で、標的領域においてかなり均一な温度が実現される。

特に、判定基準として使用される、測定された温度と熱線量は、個々の軌道によって異なってもよい。外側の軌道と比較して、内側の軌道において厳密に必要とされるよりも高い温度制限を持つことは、内側の軌道における余分な熱集積を引き起こし、これは時間と共に外側の軌道に拡散する。これは外側の軌道において必要とされる必要エネルギーを減らし（なぜなら熱エネルギーの適用は、治療領域からのわずかな拡散のために、内側の軌道においてより高い温度集積をもたらすからである）、総治療時間を短縮し、治療をより一層効率的にする。さらに、次の軌道に沿ってエネルギーを付与する決定は、いくつかの現在の軌道に対してのみ、測定された温度に基づき得る。他の現在の軌道に対しては、決定は測定された温度と熱線量の組み合わせに基づき得る。測定された温度と熱線量は独立していないが、線量は壊死を予測し（治療の最終目的）、一方温度制御は、１）線量の達成（約５４乃至５６度又はそれ以上の温度は数秒以内に２４０ＥＭの線量を生成する）、及び２）より高い温度制限が内側の軌道において使用される場合は効率的な治療を確実にする。線量制御自体が治療行為を制御するために使用されることができるが、温度に対する指数関係及び積分関係は実施の実用性を下げる。特に、あるセットの最終軌道に沿ってエネルギーを付与する決定は、測定された温度と熱線量の両方に基づく。このようにして、最終軌道内の標的領域において壊死が引き起こされるが、最終軌道以外では致死量が防止される。従って、標的領域の周辺における健常な組織を回避しながら、効果的な治療が実現される。組織において壊死を生じさせるための温度及び熱線量に対する最適標的値は、シミュレーションを用いることによって得られることができる。例えば、温度変化を熱拡散、パワー吸収、及び灌流に関連付けるＰｅｎｎｅｓ生体伝熱方程式に基づいて、良い結果が得られている。次の軌道に沿ってエネルギー付与を適用する決定は、現在の軌道のボクセルに沿って、又は画像内の測定領域において、温度及び／又は熱線量の分析に基づき得るか、又は取得された温度画像全てを検討することによってもよい。第一の実施例である、温度又は線量を現在の軌道に沿って分析することは、比較的低い計算量を伴う。あるいは、次の軌道に沿ってエネルギー付与を適用する決定は、先行する及び／又は現在の軌道のボクセル、及び／又はより大きな測定領域に沿った、温度及び／又は熱線量の分析に基づいてもよい。この実施例はより大きな計算負荷を伴うが、より正確かつよりロバストである。温度及び／又は熱線量は、個々のボクセル又はピクセルに対する値に由来する統計的量に基づいて評価されることができる。特に良い結果は、現在の軌道内のボクセル及び／又は現在の軌道の平均、最小、又は中央温度に基づいて次の軌道に沿ってエネルギーを付与する正確な決定に対して得られる。さらに、データの良好さを判定するために例えば標準偏差が使用されることができ、これが限度を超える場合は、例えば筋の痙攣、緊張などのために危険な治療領域外治療が起こる前に、治療が停止されることができる

本発明のさらなる態様において、軌道は等しい又は同様の形状を持つ。これは実施が容易である。さらに、等しい又は同様の形状であること、及び互いに外側に位置することは、前の内側の軌道に沿ったエネルギー付与による熱拡散が均等に分布するようにする。非常に良い結果は同心軌道に対して得られる。均質媒体において点源からの拡散は球形（体積において）又は円形（面において）であるため、滑らかな、又は規則的な形状の軌道は均一な熱拡散を実現する。軌道が角を持つときは、その角における加熱は効率が悪い。こうした角においては、均一な加熱を生じさせるために他の場所よりも多くのパワーが付与されなければならない。理論上、円又は球などの滑らかな軌道は、他方で治療行為、エネルギーの付与を一緒に誘導することがより困難である。機械的に実行される軌道のための良い妥協案は、角の数を少ないままにしながら、それに沿ってエネルギーの付与を制御することが容易な六角形軌道によって形成される。電子的に動かされる軌道の場合は、均質媒体における熱拡散が球形又は円形であるため、円が最良の選択である。

本発明の別の態様においては、治療行為の持続期間が予め設定された最大期間に設定される。最大期間の値は個々の軌道に依存し得る。このようにして、許容可能な期間よりも長い治療行為の継続が防止される。

本発明の別の態様において、個々の軌道内のエネルギーレベルは均一な加熱をもたらすために変化され得る。例えば局所灌流は軌道のある部分をその軌道の他の部分よりも少なく加熱させ得る。熱モジュールがこの変動を示す。軌道が不均一な加熱を起こすに足りるほど大きいこうした場合には、軌道はサブ軌道に分解されることができる。例えば同心円軌道の場合サブ軌道は円弧であり得る。サブ軌道間の移動は、軌道間の移動と同様の方法で制御されることができる。こうしたアプローチは、局所拡散又は灌流効果によって大きな軌道において生じ得る不均一な加熱プロファイルを補う。

本発明の特定の実施例において、治療ユニットは高密度焦点式超音波システムである。この実施例において、エネルギーの付与は高密度超音波によって実行される。この技術は"超音波処理（ｓｏｎｉｃａｔｉｏｎ）"と呼ばれる。治療行為、とりわけ超音波処理は、二次元の面積を覆う、又は三次元の体積を満たす軌道に沿って、一次元の間隔に沿って実行されることができる。治療ユニットの他の実施例はマイクロ波照射装置又は凍結療法システムである。

本発明の別の実施例において、治療モジュールは磁気共鳴検査システム内に組み込まれる。この実施例において、温度は標的領域内で生成される磁気共鳴信号から得られる。標的領域内の温度は磁気共鳴信号の位相から得られることができる。この目的のため、動いている組織において、それぞれ温度と動きによる位相寄与を分離するために、正確な動き補正が実行される。

本発明はまた、請求項１０に規定されるように標的領域へ治療行為を向ける方法にも関する。本発明の方法は、とりわけ、標的領域内で後続軌道に沿って治療行為を適用するために測定された温度に基づいて治療モジュールを制御するべく、本発明の治療システムを制御するステップを含む。

本発明はさらに、請求項１１に規定されるようにコンピュータプログラムに関する。本発明のコンピュータプログラムはＣＤ‐ＲＯＭディスク又はＵＳＢメモリスティックなどのデータキャリア上に提供されることができ、あるいは本発明のコンピュータプログラムはワールドワイドウェブなどのデータネットワークからダウンロードされることができる。治療システム内に含まれるコンピュータにインストールされると、治療システムは本発明に従って動作することが可能になり、正確な治療行為、とりわけエネルギーの付与及び標的領域内の壊死の誘発を実現することが可能になる。

本発明のこれらの、及び他の態様は、以下に記載される実施形態を参照し、添付の図面を参照して説明される。

図１は本発明が使用される治療システムの図表示を示す。 図２は本発明に従って、それに沿って治療行為が適用される後続軌道のセットの様々な実施例を示す。

図１は本発明が使用される治療システムの図表示を示す。治療ユニット１は、例えば高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）ユニットの形で、集束超音波ビーム１１の形で治療行為を生じる。集束超音波ビーム１１は、実際の標的３を含む標的領域２に対して正確に向けられる。例えば標的は治療される患者の臓器２（の一部）内の腫瘍である。ＨＩＦＵユニット１は、集束超音波ビーム１１が標的領域２の体積内の後続軌道（例えば図２を参照）を動くように操作される。超音波ビーム１１はこれらの軌道に沿ってエネルギーを付与し、軌道に沿って上昇した温度を生じさせる。このようにして個々の軌道内の組織は、組織の壊死が起こるレベルまで引き上げられる。所望の熱線量又は温度に達すると、標的領域において腫瘍の組織及びその周辺において最終的に壊死が生じる。特に熱線量は以下の単純近似式において計算されることができ、Ｔ＜４３℃のときｒ＝０．２５であり、Ｔ≧４３℃のときｒ＝０．５である。

４３℃における２４０当量分（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｉｎｕｔｅｓ）の線量限度が、通常は壊死をもたらすと考えられる。不確実性の影響を考慮する、該式の修正版が存在する。この範囲において１つ又は複数の限度（又は潜在的にはより低いもの）がチェックされ、この限度に達すると、治療が停止されるか又は軌道が切り替えられることを確実にすることができる。温度のみに従うと、壊死がほぼ間違いなく起こるであろうことがわかり、一方熱線量はそのことを確実にする。

例えば、集束超音波ビームの焦点における強度が約１６００Ｗｃｍ^−２であるとき、壊死がもたらされる。この最大エネルギーレベルにおいて、キャビテーションのリスクなく、効率的な壊死がもたらされる。超音波ビームは、組織温度を非壊死温度レベルに上昇させるためにも使用されることができる。こうした低い温度は温熱療法タイプの用途において有用である。

測定領域の温度分布は、磁気共鳴信号から得られる。この目的のため、患者は磁気共鳴検査システム（図示せず）の中に置かれ、磁気共鳴信号２２が生成される。磁気共鳴信号は、磁気共鳴検査システムの一部であるＭＲ信号取得システム２１によって受信される。ＭＲ信号取得システムは、分光計など、ＲＦ受信アンテナ（コイル）と信号処理システムを含む。取得された磁気共鳴信号は、標的領域内の温度分布を導き出す温度測定モジュール４に適用される。磁気共鳴信号の位相は温度に依存する。磁気共鳴信号は、読み出し及び位相エンコーディング勾配など、エンコーディング傾斜磁場を用いて空間的にエンコードされる。磁気共鳴信号の空間分解能及びその後の温度分布はミリメートルのスケールである。識別されることができる最小細部が１０分の数ミリメートルのサイズを持つ場合は、サブミリメートルの分解能さえも得られることができる。

例えば、温度をモニタリングするスタックに複数のスライスがある場合、軌道を切り替えるか否かを決定するために使用される測定領域は、焦点軌道がスタックの中央スライスにしかなくても、焦点領域の全ての平行スライスに有利に投影されることができる。典型的に楕円形の加熱領域の中で最も幅が広く最も高温の面は、加熱中にトランスデューサへ向かってふらつき得るので、これは治療領域がビーム軸から測定される所望の半径よりも大きな半径を持つリスクを軽減する。ビーム軸に沿った測定領域はまた、矢状面を持つ場合に２４０ＥＭ線量の長さ（ｄｏｓｅ ｌｅｎｇｔｈ）が最大長を超えないように制御するためにも適用されることができる。これは安全性を大幅に改善する。従って、超音波処理軌道と、判定基準のために見られる領域（測定領域）が分離される。

動いている組織における正確な結果は、動き補正が適用され、かつ、動きに起因する位相寄与が温度変化に起因する位相寄与から分離される際に得られる。動き補正は磁気共鳴信号から得られることができ、とりわけｋ空間の中心部からの冗長磁気共鳴信号による。この目的のため、例えばラジアル、スパイラル、又はＰＲＯＰＥＬＬＥＲ収集など、ｋ空間の中心をオーバーサンプリングする収集法が適切である。また、ＭＲナビゲータ信号は動きを引き出すために特に有用であり、短い収集時間を必要とするのみである。動き補正を導き出し、動き補正を磁気共鳴信号に適用するために、動き補正モジュール２３が設けられる。動き補正された磁気共鳴信号は、標的領域３の局所温度分布を導き出す温度測定モジュール４に適用される。あるいは、動き補正モジュール２３は、動きに起因する磁気共鳴信号の位相への寄与を別々に導き出し、温度変化に起因する位相の寄与を計算するために、ソフトウェアに構成されるか又はプログラムされることができる。局所温度分布は、治療モジュール、すなわち次の軌道に沿って集束超音波ビームを集束するＨＩＦＵユニット１を制御する、制御モジュール５に適用される。例えば痙攣又はわずかに不均一な熱拡散に起因して、治療中に治療領域（とりわけ加熱領域）がわずかに（典型的には１乃至２ボクセル又は０．５乃至５ｍｍ）シフトする可能性を考慮するために、例えば同心性の中心が（例えばガウスフィット又は加重平均により）連続的に評価されることができる。

図２は本発明に従って、それに沿って治療行為が適用される後続軌道のセットの様々な実施例を示す。個々の実施例において、それに沿って集束超音波ビームが集束される一連の軌道は、アルファベット順にＡ，Ｂ，…Ｅと示される。実施例は特に、同心円、同心六角形、又は同心正方形である。これらの実施例は実施が容易であり、同心円、及び機械的な動きにとっては六角形が特に効率的であり、エネルギーを均一に付与し、なおかつ比較的単純な制御を必要とする。より複雑な実施例、例えば非同心円、様々な同心の異なる形状の混合物、又は不均一な相互距離にある同心円などは、標的領域にわたって必要な温度及び／又は熱線量を得るために、より正確であるが効果的なエネルギーの付与を実現する上で効果的である。

Claims (14)

1. 標的を含む標的領域内で少なくとも第１の軌道と第２の軌道を有する複数の軌道に沿って前記標的へ治療行為を向けるための治療モジュールと、
   測定領域の温度を測定するため、及び熱線量を計算するための温度測定モジュールと、
   前記測定された温度及び／又は熱線量に基づいて前記複数の軌道の各々に沿って前記治療行為を適用するために前記治療モジュールを制御するための制御モジュールとを有する、治療システムであって、
   前記測定された温度及び／又は熱線量に基づいて、前記治療モジュールが次の軌道に沿って治療行為を適用するかどうかが決定され、
   前記軌道が閉じた軌道であり、前記第１の軌道が前記第２の軌道によって包含される、治療システム。
2. 前記制御モジュールは、測定された温度及び計算された熱線量が予め定められた閾値を超えることに基づいて、前記治療モジュールが次の軌道に沿って治療行為を適用することを可能にし、前記予め定められた閾値の各々は各々の関連する軌道に依存する、請求項１に記載の治療システム。
3. 前記軌道が同一又は同様の幾何学形状を持ち、滑らかな及び／又は規則的な形状を持つ、請求項１に記載の治療システム。
4. 前記温度測定モジュールが、前記標的領域へ適用される熱線量を前記測定された温度から計算する、請求項１に記載の治療システム。
5. 前記制御モジュールが、前記治療行為の持続期間が予め設定された最大期間を超えないように制御する、請求項１に記載の治療システム。
6. 前記制御モジュールが、前記標的領域の内部及び外側の温度が、異なり得る予め設定された最大限度を超えないように制御する、請求項１に記載の治療システム。
7. 前記治療モジュールが高密度焦点式超音波システムである、請求項１に記載の治療システム。
8. 前記温度測定モジュールが、前記標的領域の前記温度を磁気共鳴信号から導き出す磁気共鳴検査システムである、請求項１に記載の治療システム。
9. 大きな軌道がサブ軌道に分解され、前記大きな軌道内の不均一なエネルギー付与を補うために前記軌道と同様の方法で移行される、請求項１に記載の治療システム。
10. 標的を含む標的領域内で、少なくとも第１の軌道と第２の軌道を有する複数の軌道に沿って前記標的へ治療行為を向けるための治療モジュールと、温度測定モジュールと、制御モジュールとを有する治療システムの作動方法であって、
    前記温度測定モジュールが測定領域内の温度を測定する及び／又は熱線量を計算するステップと、
    前記制御モジュールが前記測定された温度及び／又は熱線量に基づいて前記複数の軌道の各々に沿って前記治療行為の適用を制御するステップとを有し、
    前記測定された温度及び／又は熱線量に基づいて、前記治療モジュールが次の軌道に沿って治療行為を適用するかどうかが決定され、
    前記軌道が閉じた軌道であり、前記第１の軌道が前記第２の軌道によって包含される、方法。
11. 標的を含む標的領域内で少なくとも第１の軌道と第２の軌道を有する複数の軌道に沿って前記標的へ治療行為を向ける命令と、
    測定領域内の温度を測定する及び／又は熱線量を計算する命令と、
    前記測定された温度及び／又は熱線量に基づいて前記複数の軌道の各々に沿って前記治療行為を適用するために治療モジュールを制御する命令とを有するコンピュータプログラムであって、
    前記測定された温度及び／又は熱線量に基づいて、前記治療モジュールが次の軌道に沿って治療行為を適用するかどうかが決定され、
    前記軌道が閉じた軌道であり、前記第１の軌道が前記第２の軌道によって包含される、コンピュータプログラム。
12. 前記軌道が二次元である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の治療システム。
13. 前記軌道が三次元である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の治療システム。
14. 均一な加熱をもたらすように前記複数の軌道の各々におけるエネルギーレベルが変化される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の治療システム。

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