JP5531015B2 - 治療のための装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波治療装置による生物の治療の分野に関する。
特に、本発明は焦点式超音波（ＨＩＦＵ）による治療に関する。よって、本発明は、治療装置およびこの装置をモニタリングし最適化するための方法に関する。

従来、ＨＩＦＵ（High Intensity Focused Ultrasound、高密度焦点式超音波）技術では、超音波変換器が集束させた音波を標的組織の中に放出する。これらの波が組織によって吸収されると、焦点領域にある組織の温度が上昇し標的が凝固する。

この治療は一般的に、たとえばＦＲ２８８６５３４に記載されているように、超音波検査（echography）モニタリングのもとで行なわれ、超音波検査プローブは変換器に機械的に連結される。このようにして、オンライン超音波撮像システムが得られる。

組織の凝固は、多数の要因、たとえば
−吸収されたパワー（それ自体が、組織の吸収の、およびその場の音響強度の関数）、
−組織の熱容量、および
−熱損失（血流を通した伝導による）
に依存する。

変換器は組織と直に接することがあるが、一般的には超音波を伝達可能なゲルまたは液体で満たされた小さなバルーンが使用される。この小さなバルーンは、可撓性であるため、組織の形状に適合し、変換器と組織が音響的に接触し易いようにする。一般的には、結合液を冷却することによって、組織を、組織と装置との界面において熱的に保護できる。また、一般的には、液が循環することで、この界面の温度を一定に保ち気泡を抜くことができる。

組織の超音波治療における第１の課題は、超音波に晒された組織の治療の有効性を、標的のレベルにおいてだけではなく、装置と組織との間の界面（体外治療の場合は皮膚）といった無傷のままにしておかねばならない組織のレベル、または他の内部解剖学的構造において、即時モニタリングすることである。代わりに、組織の実際の温度上昇をモニタリングすることは有益であろう。超音波エネルギが不十分な場合、一般的には標的がほとんど凝固しないかまたは凝固が不十分となり、一方、エネルギが高すぎると、標的の周囲の器官または組織を脅かす。しかしながら、高強度超音波によって生じた組織の変化は、従来の超音波検査では見ることができない。

上記のように、標的の温度上昇は、多数の要因：
−変換器のパワー放出、
−標的に向けたビームの伝送、
−特に、組織、たとえば皮膚を介した変換器と組織との間の結合、
−標的の組織の吸収、
−標的の熱伝導、
−組織標的の熱容量および潜熱、
に依存する。

したがって、標的における効果のモニタリングを可能にする方法によって、上記要因のうちいずれか１つの偏向を検出しそれによって関連する技術的課題を解決できることが、理解されるであろう。

しかしながら、今まで、標的上の温度または組織に生じた変化を非侵襲的かつ即時に測定するための十分な方法はなかった。ＭＲＩを使用して周囲の温度は確認できるものの、これは煩雑でコストが高い方法であり、測定の反応時間がかなり遅い。温度を超音波によって測定するためのさまざまな方法が提案されてきたが、いずれも十分ではなく、その理由は主に、これらの方法の、患者の動きに対する感度が高いことにある。

第２の課題は、標的に対する、焦点（ＨＩＦＵ波の集束領域）の正確な位置をモニタリングすることである。

焦点の位置または標的に対する超音波の効果をモニタリングするために、オンライン超音波撮像システムによって標的内の高反響性（hyperechoic）スポットを観察することを推奨する著者がいる。こういった高反響性スポットはおそらく、音場によって生じたキャビテーションが原因で高強度超音波によって焦点で発生したガスによって、または、組織の温度が上昇して高温になったときに組織から放出されたガスによって、生じる。この現象は「沸騰（boiling）」と呼ばれる。焦点における高反響性スポットを観察することにより、治療をある程度モニタリングすることができる。高反響性スポットがなければ、より強い音響エネルギを与え、はっきりと目に見える高反響性スポットが観察されれば、エネルギを減少させるであろう。

しかしながら、高強度ビームは、その放出中に、標的の超音波画像に対して強い干渉または乱れを引起す。一般的には干渉カーテンを作り、画像の全体または一部を、特に、標的の領域をマスキングする。この干渉カーテンを、組織の休止画像（すなわちＨＩＦＵの放射（firing）がない時に得られる）の上に重ねることによって、干渉画像を形成する。この干渉画像の構造はランダム型であり、放射の間に修正される。したがって、実際、放射の間標的は見えないまたははよく見えず、高反響性スポットの観察は、休止画像上の高強度ビーム（放射)が干渉を受けるまで、不可能である。先行技術では、文献ＵＳ２００８００５１６５６、ＵＳ２００６０２６４７４８、およびＵＳ２００３００２８１１１に記載されているように、放射と休止画像の観察を交互に行なうシステムが提案されている。しかしながら、この方法の場合、休止画像、特に高反響性スポットを観察できるようにするには、治療を中断しなければならない。

したがって、現在、放射をその放出の間非侵襲的にかつ低コストでモニタリングすることは不可能である。

本発明は、上記課題の解決策を、非侵襲的で、簡単で、低コストで、測定中高強度ビームの中断が不要である治療装置および治療モニタリング方法を定めることによって提案する。

そのために、本発明は、治療のための装置を提供し、この装置は、標的を治療するためにこの標的に向けて高強度超音波を放出することが可能な音響変換器を備え、このパワー波は焦点を有する。装置は、超音波検査プローブといった撮像プローブを備え、撮像プローブは、前変換器がパワー波を放出する前、放出している間、または放出した後に、波を放出して標的およびその周囲を撮影した画像を提供することが可能であり、プローブおよび変換器は互いに一体的に連結される。装置は、プローブによって撮影された画像、すなわちパワー波の放出前および／または放出後に撮影された休止画像と、高強度波の放出中に撮影された干渉画像とを表示することが可能な表示装置を備え、高強度波の焦点は、プローブの撮像面の中にあり、装置が、高強度波の効果および／または有効性を示す干渉画像の構成の変化を検出するための検出手段をさらに備えることを特徴とする。先行技術と異なり、放射の前または放射と放射の間に撮影された休止画像は観察せずに、放射中の干渉画像を直接観察する。これは、本発明が、干渉画像は乱れているまたは干渉の影響を受けた画像は無意味または解析不能であると想定する先行技術の偏見を克服していることを意味する。本発明は、放射の有効性を休止画像から推定するために休止画像を観察する現在の習慣には従わない。この先行技術では、放射が中断されることが多いが、その理由は、放射が有効にその標的に到達したからではなく、放射が十分効果的か否かを休止画像上で観察するためである。このように、一連の連続する放射は、放射の有効性によって判断されるのではなく、休止画像上の放射の有効性の探索によって判断され、そのためには放射を中断しなければならない。本発明では、放射の効果および／または有効性を、干渉画像に基づき、放射の有効性を表わす構成の変化を検出することにより、リアルタイムで直接モニタリングする。言い換えれば、本発明は、高強度超音波によって生じた組織における音響エネルギの効果を、モニタリング超音波検査画像の干渉を観察することによって、モニタリングする。

本発明の好都合な特徴に従うと、検出手段は、干渉画像の輝度を測定するための手段を含んでいてもよい。したがって、干渉画像の構成は、その輝度または明度に基づいて分析され、干渉画像の構成の変化は、これらの画像の輝度の変化から検出されるであろう。好都合には、この測定手段は、複数の干渉画像に共通する測定エリアを決定し、各干渉画像についてこの測定エリアにおける平均輝度を測定する。この測定エリアは、干渉画像全体または一部を形成するものとして選択できる。好ましくは、測定エリアは、干渉画像のうち非常に小さな一部分を形成し、かつ、たとえば標的または標的近くの重要な器官といった、観察の対象であるが損傷を与えてはならない解剖学的部位を含む位置に置かれる。各干渉画像についてこの測定エリア内の平均輝度を測定することにより、各干渉画像に特徴値を与えることができ、この平均輝度の値の特徴的な変化は、放射されたパワー波の有効性を示すものとして観察されるであろう。

実際の実施例に従うと、干渉画像は、白から黒までの範囲のグレーレベルで構成される画像であり、測定手段は、各干渉画像について測定エリアにおけるグレーレベルの平均を測定する。これは特に、グレーレベルで構成される白と黒の画像を供給する超音波検査プローブを使用する場合である。

本発明の別の興味深い特徴に従うと、検出手段は、測定手段が連続する干渉画像間における輝度の急激な上昇を測定したときに警告信号をトリガすることが可能な警告手段を含んでいてもよい。この輝度の急激な上昇は、高強度波の有効性を示す干渉画像の特徴的な構成の変化を構成する。この輝度の急激な上昇は、休止画像上で観察できる高反響性スポットの出現に相当することが、経験的にわかっている。

本発明はまた、治療装置をモニタリングし最適化するための方法を定める。この治療装置は、標的を治療するために標的に向けて高強度超音波を放出することが可能な音響変換器と、変換器が高強度波を放出する前、放出している間、または放出した後に、超音波を放出してこの標的およびその周囲を撮影した画像を提供することが可能な超音波検査プローブといった撮像プローブと、プローブによって撮影された画像、すなわち高強度波の放出前および／または放出後に撮影された休止画像と、高強度波の放出中に撮影された干渉画像とを表示することが可能な表示装置とを備え、この方法は、高強度波の有効性を示す干渉画像の構成の変化を検出することをさらに含むことを特徴とする。好都合には、この方法は、時間的に連続する干渉画像のグループについて、このグループの干渉画像に共通する測定エリアを決定するステップと、この測定エリア内におけるこのグループの干渉画像各々の輝度を測定するステップとを含む。好都合には、上記測定するステップは、このグループの干渉画像各々について、測定エリア内における平均輝度を測定することを含んでいてもよい。好都合には、干渉画像は、白から黒までの範囲のグレーレベルで構成される画像であり、上記測定するステップは、各干渉画像について、測定エリア内におけるグレーレベルの平均を測定することを含む。好ましくは、この方法は、時間的に連続する干渉画像間における測定された輝度の急激な上昇を検出するもう１つのステップをさらに含む。

本発明の裏にある発想は、休止画像ではなく、干渉画像を取得して、放射の高強度波の有効性をリアルタイムで判断することである。干渉画像において決定されたエリア内の輝度、特にその平均を測定することによって、比較分析により、放射の有効性を示す特徴的な構成の変化を検出することが可能になる。本発明のパラドックスは、乱れたまたは干渉の影響を受けた画像を分析しながら乱れまたは干渉のない明瞭な画像を利用できる点にある。

以下、本発明について、本発明の１つの実施例を非限定的な例として示す添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。

図１は、本発明に従う治療装置の概略図である。 図２は、患者の甲状腺を治療するときの音響変換器および撮像プローブを示す概略図である。 図３ａは、一連の放射の直後に撮影された休止画像を反転状態で概略的に示す。 図３ｂは、一連の放射の直後に撮影された休止画像を反転状態で概略的に示す。 図４ａは、図３ａの直前に撮影された干渉画像を反転状態で概略的に示す。 図４ｂは、図３ｂの直前に撮影された干渉画像を反転状態で概略的に示す。 図５は、連続する干渉画像の平均輝度を示すグラフである。 図６は、干渉画像の輝度上昇と休止画像上の高反響性スポットの出現との間にある線形的な関係を示す別のグラフである。

最初に図１および図２を参照して、この発明の治療装置のさまざまな構成要素を詳細に説明する。

この装置はまず、好都合には超音波ビームＦｕを発生するのに適した超音波変換器とすることができる音響放出源１を含む。好ましくは、超音波変換器は、正確な焦点で集束した超音波ビームの発生を可能にするＨＩＦＵ集束型である。図２からわかるように、変換器１は、結合液で満たされたチャンバを含んでいてもよく、超音波ビームはこの結合液を通して伝播する。チャンバは、たとえば治療する標的Ｔが位置する身体の領域の外面Ｓと密接することが意図された小さな可撓性のバルーンによって、定められてもよい。一般的に、外面Ｓは患者の皮膚である。この結合液をチャンバ１１内で循環させるために、一般的には循環手段１２が設けられ、これによって、チャンバ１１内部の結合液の流速および温度をモニタリングすることができる。変換器が機能するためには、患者に対して変換器を変位させ正確な位置に置くのに使用することが可能な電源１３および変位コントローラ１４が必要であることは明らかである。このため、好ましくは、変換器１は多関節アーム１６に装着される。最後に、変換器はコンピュータ１５に結合され、これにより、変換器のパワー、周波数、パルス時間などの変換器のパラメータすべてを管理できる。

この発明の治療装置はまた、たとえば音波検査器（echograph）２１に結合された超音波検査プローブ２の形態でもよい撮像手段と、プローブ２によってスキャンされた解剖学的部位の断面の写真または画像を表示する表示画面２２とを含む。プローブ２は棒状型でもよい。プローブ２は、図１および図２からわかるように、変換器１に機械的に結合される。より具体的には、プローブ２および変換器１は、互いに一体的に連結されているので、プローブ２は超音波ビームＦｕの焦点を辿る。超音波ビームＦｕの最大強度の領域は、常に画面２２の画像上に示される。そのために、図１からわかるように、音波検査器２１を変換器のコンピュータ１５に結合してもよい。好ましくは、超音波検査画像は、コンピュータによって、２１と１５１との間の電子的なリンクを介して取得される。

超音波検査プローブ２によって、音波検査器２１は、表示画面２２上に、超音波ビームＦｕの焦点を囲む領域の時間的に連続する画像を生成する。これらの画像は、黒から白までの範囲のグレーレベルを有する画素で構成される。白の画素は、非常に強い音響発生要素を表わし、黒の画素は、音響発生特性がほとんどまたは全くない要素を表わす。これは超音波検査画像では周知である。表示画面２２は、パワー波Ｆｕ放出前、パワー波放出中、およびパワー波放出後の画像を提供する。言い換えれば、超音波検査画像は、放射前、放射中、および放射後に利用できる。放射前および放射後に撮影された画像は比較的明瞭であり、治療する標的およびその解剖学的な周囲部分を示す。これらの画像をここでは「休止画像」と呼ぶ。すなわち、これらの画像は放射されていないときに撮影された画像である。図３ａおよび図３ｂに、このような休止画像を反転状態で概略的に示す。これらは実際、上記図面中の白い領域は表示画面２２上では黒色に見え、黒い領域は表示画面上では白色に見えるという意味で、反転画像である。図３ａおよび図３ｂの下部は、点線で示された標的Ｔを含む解剖学的部位にある組織を示す。患者の皮膚Ｓを明確に識別できる。図３ｂは高反響性マークＨを示す。これらの休止画像に加え、表示画面は、放射段階に対応する画像も生成する。高強度波Ｆｕによって与えられるパワーのため、相当な干渉が発生し、これが画像を乱すまたは画像に干渉を生じさせるので、図３ａおよび図３ｂからわかるように解剖学的部位の表示は、認識できないかまたは弱くしか認識できない。言い換えれば、パワー波によって生じた干渉は、休止画像上に重ねられるが、これらの干渉が強すぎるので、休止画像は非常に大きく劣化する。この放射段階中の画像を以下「干渉画像」という用語で示す。図４ａおよび図４ｂに、このような画像を反転状態で概略的に示す。図４ａは、例として休止画像３ａの直前に撮影されたものである。図４ｂの干渉画像については、これは例として図３ｂの休止画像の直前に撮影されたものである。図４ａにおいて、皮膚Ｓの輪郭を見分けることは非常に困難である。上向きに分岐するビームの形の干渉は、図３ａおよび図３ｂからわかるように解剖学的部位の表示をほぼ全体的にマスクする。これは図４ｂにおいて一層顕著であり、この場合は干渉が特に強いため、解剖学的部位は全く見えない。このため、これらの干渉画像は今まで、放射からの高強度超音波の存在および／または有効性に関する情報を導き出すために使用されたことはなかった。

今では、驚くべきことに、高反響性スポットＨが焦点で生じると、干渉画像が大きく変化することがわかっている。これは、図３ａおよび図４ａと比較すべき図３ｂおよび４ｂに示されている。先に述べたように、高反響性スポットは、「沸騰（boiling）」としても知られている、焦点でのガス形成が原因であると考えられる。干渉画像の輝度または明度の上昇も観察された。この画像の構成の変化は以下に述べるものとしても観察できる。すなわち、輝度の上昇がより大きくなるということは、（超音波撮像において）組織の輝度が治療効果によって増すことと同じである。したがって、干渉画像（図４ｂ）の輝度は、焦点の周りにある画像の領域において、まさに高反響性スポットがこの同じ焦点領域に出現したときに、強くなる。この観察において重要なことは、放射中、この高反響性スポットは干渉画像によって隠されているので直接観察できないが、干渉画像の変化ははっきりと見えることである。

図４ｂは、Ｚｍで示された画像の予め定められた測定エリアにおける、干渉画像の輝度の上昇を、如何にして検出できるかを示す。画像の輝度、言い換えればグレーレベルを、エリアＺｍ内で測定する。好ましくは、エリアＺｍは放射変換器の焦点を含む。

このエリアは、好ましくは高反響性マークを生じさせる、放射中に最も上昇する画像の部分をカバーするように決定される。干渉画像全体を含めることは避ける。なぜなら、上昇は、時折画像の側方部分で観察され、これは効果的な治療を示していないからである。典型的には、測定エリアは、変換器に向かって細長い形状であり、その横方向の中心が焦点に位置し、焦点を含むが変換器に向かってオフセットされて焦点前領域の一部を含むようにされている。

しかしながら、たとえば音波から保護すべき解剖学的構造を含む、焦点を含まないエリアＺｍを定めることが可能である。実際、標的に隣接する構造が、治療中に高反響性になることがあり、これは超音波による変化を示すことがわかっている。これは、図２に示される皮膚または頸動脈Ｃといった皮下組織の場合であろう。一般的にこの効果は回避しなければならず、本発明ではこれは可能である。本発明に従うと、測定エリアＺｍは、保護すべき解剖学的領域の周りに定められ、このエリア内の干渉画像における上昇がモニタリングされるであろう。

放射中に定められたエリアＺｍにおけるグレーレベルの平均輝度を計算することができる。この値によって、まず干渉画像の存在を検出することができ、したがって、高強度の放射の有効な放出をモニタリングすることができる。計算した値によって、効果的な放射中のグレーレベルの上昇を検出することもできる。この上昇は特に、干渉がエリアＺｍに集中する場合に生じる。現在、輝度の上昇は、高反響性マークの存在と関連することがわかっており、放射の効果および／または有効性にとって特徴的なまたはこれを示す干渉画像の構成の変化を明らかにする。

ＨＩＦＵ放射の有効性を検出するための数多くの方法が可能である。第１のモードでは、放射中に撮影された各画像のエリアＺｍにおける平均を画素毎に計算する。次に、画像上で得た各平均を、放射の期間にわたって平均する。得た数が実験で求めたしきい値よりも大きい場合、ＨＩＦＵ放射は有効であると考えられる。

第２のモードでも、画像のエリアＺｍにおける画素毎の平均を、放射の時点で計算し、その値から、先行する時点ｔ−ｄｔでの画像のエリアＺｍにおける画素毎の平均を減算する。得た数が実験で求めたしきい値よりも大きい場合、ＨＩＦＵ放射は有効であるとみなされる。この第２のモードによって、有効性のしきい値に達したときに放射を中断することができる。

高反響性マークを検出するために、放射前に撮影した画像との比較によって、放射後に撮影した画像のエリアＺｍにおける画素毎の差を計算する。次にこの差の最大値を計算する。この最大値を、高反響性マークの不在または存在を示すものとして使用することができる。

図５は、第２の方法に従う、放射中のエリアＺｍにおける平均グレーレベルの傾向を示す。曲線が、高反響性スポットの存在を示ししたがって効果的な治療であることを示す、輝度の急激な上昇に対応する、突然の上向きの途切れを表わしていることがわかる。

図６は、ＨＩＦＵによって治療される甲状腺結節のある１１人の患者から得た結果を示す。放射中にビデオに記録した超音波検査画像を帰納的に分析した。各放射の後、高反響性マークの有無を検出し、各放射中に、干渉画像において起こりうる急激な上昇を検出した。これらの検出は、上述の画像解析法によって行なった。

これら２種類の検出の間には非常に良い相関関係があることがわかる。
さらに、治療の成功と、放射中に干渉画像における急激な上昇が検出された放射の割合との間にほぼ線形的な関係があることも観察された。

これらは、先のセクションにおけるものと同じＨＩＦＵによる甲状腺結節の治療であった。この治療の目的はこうした結節の体積を減じることであるため、治療の成功は、これらの結節の減少の割合によって評価した。

よって、干渉画像における急激な上昇の測定は、治療の成功を予測するものである。
上記のやり方で干渉画像を分析するために、特にパワー波の有効性を示す干渉画像の特徴的な構成の変化を検出するために、治療装置は、たとえばコンピュータ１５の中に一体化させることが可能な検出手段１５０を組み込んでいる。この検出手段は、適切な処理ソフトウェアの形態でもよい。検出手段１５０は特に、干渉画像の輝度または明度を測定するための手段１５１を含む。好都合には、この干渉手段１５１を用いて、各干渉画像の平気輝度を測定する測定エリアＺｍの位置および形状を決定することができる。測定手段１５１は、特に、各干渉画像について、測定エリアＺｍ内のグレーレベルの平均を計算する。検出手段１５０は、測定手段１５１が連続する２つの干渉画像の間で輝度の急激な上昇を検出したときに警告信号をトリガすることができる警告手段１５２も含んでいてもよい。警告信号は、可聴信号またはたとえばコンピュータの画面上にまたは表示画面２２上に表示される可視信号でもよい。警告信号は、変換器１から放出される超音波パワーを中断または変調するために、電源１３のモニタに結合されていてもよい。

本発明により、放射を中断する必要なく、放出されたパワー波の存在、より具体的には有効性をリアルタイムでモニタリングすることができる。

Claims (5)

1. 治療のための装置であって、
   標的（Ｔ）を治療するために前記標的（Ｔ）に向けて高強度波（Ｆｕ）を放出することが可能な音響変換器（１）を備え、前記高強度波は焦点を有し、
   超音波検査プローブといった撮像プローブ（２）を備え、前記撮像プローブは、前記変換器（１）が高強度波（Ｆｕ）を放出する前、放出している間、または放出した後に、波を放出して前記標的（Ｔ）およびその周囲を撮影した画像を提供することが可能であり、前記プローブおよび前記変換器は互いに一体的に連結され、
   前記プローブ（２）によって撮影された画像、すなわち前記高強度波（Ｆｕ）の放出前および／または放出後に撮影された休止画像と、前記高強度波（Ｆｕ）の放出中に撮影された干渉画像とを表示することが可能な表示装置（２１、２２）を備え、前記高強度波の焦点は、前記プローブ（２）によって撮影された画像の中にあり、
   前記装置が、前記高強度波（Ｆｕ）の効果を示す前記干渉画像の輝度の変化を検出するための検出手段（１５０）をさらに備えることを特徴とする、治療のための装置。
2. 前記検出手段（１５０）は、前記干渉画像の輝度を測定するための手段（１５１）を含む、請求項１に記載の治療のための装置。
3. 前記測定手段（１５１）は、複数の干渉画像に共通する測定エリア（Ｚｍ）を決定し、各干渉画像についてこの測定エリア（Ｚｍ）における平均輝度を測定する、請求項２に記載の治療のための装置。
4. 前記干渉画像は、白から黒までの範囲のグレーレベルで構成される画像であり、前記測定手段（１５１）は、各干渉画像について前記測定エリア（Ｚｍ）におけるグレーレベルの平均を測定する、請求項３に記載の治療のための装置。
5. 前記検出手段（１５０）は、前記測定手段（１５１）が連続する干渉画像間における輝度の急激な上昇を測定したときに警告信号をトリガすることが可能な警告手段（１５２）を含み、前記警告信号は、好都合には前記変換器（１）を停止させるためまたはそのパワーを変調するために前記変換器（１）に結合される、請求項２、３、または４に記載の治療のための装置。

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