JP5592888B2 - エネルギーを蓄積させる治療システム - Google Patents

Description

本発明は、目標ゾーンにエネルギーを蓄積させる治療システムに関する。

このような治療システムは、N.J.McDannold他による文献「Determination of the optimal delay between sonications during focused ultrasound surgery in rabbits by using MR imaging to monitor thermal build-up in vivo」(Radiology 211(1999)419-426)から知られている。

この文献には、インビボ超音波処理実験が記述されており、その中で、組織のアブレーションを監視するシステムが研究されている。組織に対する熱損傷が監視される点において、この既知のシステムは、アブレーションプロセスを監視する。アブレーションを監視するための既知のシステムは、例えば磁気共鳴画像に基づいて、監視を実施する。更に、引用された文献は、エネルギーが、集束された超音波の形で超音波処理（sonications）として送り出されることができることを述べている。更に、狭い間隔の超音波処理が送り出され、かかる超音波処理は、熱の増大を最小限にするために、超音波処理間（intersonication）の遅延によって間隔をあけられる。すなわち、エネルギーの連続的な蓄積は、クールダウン期間によって時間的に分離されている。この超音波処理間の遅延を最小限にするために、温度増加が、処置中に測定されるべきである。この温度情報は、超音波処理間の遅延を制御するために使用される。

エネルギーの連続的な蓄積の間のクールダウン期間は、エネルギーが直接的に蓄積される焦点領域周辺の領域において、温度が低下することを可能にする。こうして、焦点領域周辺の領域における温度増加、すなわちいわゆるオフフォーカス温度増加が、低減される。従って、焦点領域の外側の健康な組織に対する熱損傷のリスクが低減される。

治療システムは、測定フィールドの温度を測定する温度測定モジュールを備える。概して、測定フィールドは、エネルギーが直接的に蓄積される焦点領域を含む。エネルギーの連続的な蓄積の間のクールダウン期間の持続時間は、測定された温度に基づいて制御される。このようにして、エネルギーの連続的な蓄積のために必要な時間が必要以上に長くなることが回避されるとともに、オフフォーカスの温度増加が回避される。

本発明の目的は、目標ゾーンに一層正確にエネルギーを適用することが可能な治療システム、特にクールダウン期間をより正確にセットすることが可能な治療システムを提供することである。

この目的は、目標ゾーンにおけるエネルギーの連続的な蓄積を実施する治療モジュールであって、前記連続的な蓄積がクールダウン期間によって分離される治療モジュールを有する本発明による治療システムであって、測定フィールドにおいて温度を測定する温度測定モジュールと、クールダウン期間に先行するエネルギー蓄積の最中に測定されたオフフォーカスの最大温度に依存して、クールダウン期間を調節する制御モジュールと、を有する治療システムによって達成される。

本発明によれば、クールダウン期間は、先行するエネルギー蓄積の焦点領域の外側の最大温度に基づいてセットされる。これは、最大温度の相対的に簡素な測定を含む。クールダウン期間の持続時間は、温度が十分に低下してすぐに次のエネルギー蓄積を開始するために、より正確にセットされるので、オフフォーカスの温度増加のリスクが低い。

特に、ＭＲ温度測定が用いられる場合、特に目標ゾーン及びオフフォーカス領域の温度の相対測定が得られる。すなわち、温度は、個別のエネルギー蓄積の開始時のベースライン値に対して正確に得られる。連続的なエネルギー蓄積の間のクールダウン期間は、第１のエネルギー蓄積からすでに正確にセットされているので、信頼できる等しいベースライン温度が、その後のエネルギー蓄積に適用される。

本発明の洞察の１つは、焦点領域の外側の組織の温度増加が、蓄積されるエネルギー密度に依存することである。特に、これは、集束超音波ビームの形のエネルギー蓄積の場合に生じる。蓄積されるエネルギー密度は、先験的に正確に計算されることができ、オフフォーカス領域の最大温度を評価するために使用されることができる。オフフォーカス領域の最大温度は、蓄積されるエネルギー密度に、すなわちオフフォーカス領域に蓄積される超音波エネルギー密度に、ほぼ線形に依存する。焦点のオフフォーカスは、ビーム経路に対して横方向の断面によって形成される。熱拡散による温度低下が、加熱中、オフフォーカスの超音波コーンの中央において無視されることができる場合、線形依存性が有効であるようにみえる。

本発明の更に別の見地によれば、クールダウン期間の持続時間のかなり簡素な近似が、先行するエネルギー蓄積中にオフフォーカス領域が達した最大温度の二乗に比例する。エネルギー蓄積のビーム経路の横断面が円形である場合（例えばビーム経路が、コーン形状を有する場合）、クールダウン期間の最大温度へのこの依存性が、非常に良く当てはまる。他の場合には、二乗関係はわずかに歪められるが、正確な関係は、任意のビーム経路断面に関して再計算されることができる。

本発明のこれら及び他の見地は、従属請求項に規定される実施形態に関して、更に詳しく述べられる。

本発明の特定の実施形態において、治療モジュールは、高強度の集束超音波送信器である。この実施形態において、エネルギー蓄積は、高強度の集束超音波（ＨＩＦＵ）ビームにより目標ゾーンを照射することによって実施され、これは、多くの場合「超音波処理（sonication）」と表現される。ＨＩＦＵビームは、主に焦点領域の組織に局所加熱を生じさせ、これは、焦点領域に熱アブレーションを生じさせる。更に、ＨＩＦＵビーム内の他の領域のわずかな加熱も生じる。

本発明の別の実施形態において、治療モジュールは、マイクロ波送信器である。この実施形態において、エネルギー蓄積は、マイクロ波照射により目標ゾーンを照射することによって実施される。マイクロ波照射は、組織の局所加熱を生じさせ、これは、焦点領域に熱アブレーションを生じさせるとともに、オフフォーカス領域の組織をもわずかに加熱する。

本発明の別の実施形態において、治療モジュールは、ＲＦアンテナである。この実施形態において、エネルギーは、目標ゾーンと接触して配置されるアンテナからの熱伝導を通じて蓄積される。ＲＦ加熱は、アンテナ周辺に熱アブレーションを引き起こす局所的な温度増加を生じさせ、最大温度上昇に関するエネルギー密度の依存性を変更することによって、上述された見地の全てが、用いられることができる。

本発明の別の実施形態において、監視モジュールは、治療の監視のためのＭＲＩ、超音波又はＣＴ画像に依存しうる。更に、任意の他の温度感知力のあるイメージングモダリティが、使用されることができる。

本発明は更に、請求項３に記載の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、例えばＣＤ−ＲＯＭディスク又はＵＳＢメモリスティックのようなデータ担体上に提供されることができ、又は本発明のコンピュータプログラムは、例えばワールドワイドウェブのような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。プログラムが治療システムに含められるコンピュータにインストールされるとき、治療システムは、本発明に従って動作するとともに、使用のより高い安全性及びクールダウン期間のより正確な設定を達成することを可能にされる。

本発明のこれら及び他の見地は、以下に記述される実施形態に関して及び添付の図面を参照して説明される。

本発明が用いられる治療システムの概略図。 クールダウン時間の例を示す図。

図１は、本発明が用いられる治療システムの概略的な図を示している。例えば高強度の集束超音波（ＨＩＦＵ）ユニットの形の治療ユニット１が、集束超音波ビーム１１の形で治療アクションを生じさせる。集束超音波ビーム１１は、実際の目標３を含む目標ゾーン２に正確に向けられる。例えば、目標は、処置されるべき患者の器官（の一部）２における腫瘍である。集束超音波ビーム１１が、目標ゾーン２のボリューム上を移動するように、ＨＩＦＵユニット１が動作される。超音波ビーム１１は、目標ゾーンにエネルギーを蓄積し、それによって特に腫瘍に高い温度を生じさせる。このようにして、組織の所望の部分は、組織の壊死が生じるレベルまで温度上昇される。最終的に、一旦所望の温熱量又は温度に達すると、壊死が、目標ゾーンの腫瘍の組織及びその周辺の組織に生じる。特に、温熱量は、

として簡素な近似において計算されることができる。ここで、Ｔ＜４３℃のときｒ＝０．２５であり、Ｔ＞＝４３℃のときｒ＝０．５である。４３℃で２４０分相当の温熱量の限界が、壊死を結果的に生じさせると一般に考えられている。不確実さの効果を考慮する式の変形されたバージョンが存在する。この視野において、１又は幾つかの限界（又は潜在的により低いもの）がチェックされて、一旦それらに達すると、エネルギーの蓄積が止められることを確実にする。温度は、壊死が最も高い可能性で生じることを示すだけであるのに対して、温熱量は、壊死を確実にする。

例えば、集束超音波ビームの焦点における強度が、数十秒のオーダーの持続時間の間、約１６００Ｗｃｍ^−２である場合、壊死が達成される。この最大エネルギーレベルにおいて、効果的な壊死が、空洞化のリスクなしに達成される。超音波ビームは更に、組織温度を非壊死温度レベルまで上昇させるために使用されることができる。これらのより低い温度は、温熱療法（ハイパーサーミア）タイプのアプリケーションにおいて有用である。

測定フィールドの温度分布は、磁気共鳴信号から導き出される。このために、患者は、磁気共鳴検査システム（図示せず）内に置かれ、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、ＲＦ受信アンテナ（コイル）、及び例えばスペクトロメータのような信号処理システムを有する。取得された磁気共鳴信号は、目標ゾーンの温度分布を導き出す温度測定モジュール４に与えられる。磁気共鳴信号の位相だけでなく、他のパラメータも、温度に依存する。磁気共鳴信号は、例えば読み取り及び位相符号化勾配のような勾配磁場を符号化することによって、空間的に符号化される。磁気共鳴信号及び結果として得られる温度分布の空間分解能は、ミリメートルのスケールである；サブミリメートルの分解能が得られることさえ可能であり、この場合、識別されることが可能な最も小さい細部は、数十ミリメートルのサイズを有する。

例えば、温度を監視しているスタックに、いくつかのスライスがある場合、焦点ポイントの軌道は、スタックの中央スライスにのみあるが、使用された測定フィールドは、焦点領域のすべての平行なスライスに有利に投影されることができる。一般に楕円形である加熱領域の最も広く最も熱い面は、加熱中、トランスデューサに向かって動くことができるので、これは、処置される領域がビーム軸から測定される所望のものより大きい半径を有するリスクを低減する。更に、矢状平面がある場合に２４０ＥＭ量の長さが最大長を越えないように制御するために、ビーム軸に沿った測定フィールドが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。

オフフォーカスのスライス（例えばそれらのうち２つ）が、例えば音響インピーダンスが大きく変化する組織インタフェースのような特に関心のある領域において、加えられることができる。そのような領域は、オフフォーカス加熱を被りやすいからである。これらは、任意の単一エネルギー蓄積に関するこれらのオフフォーカス関心領域における過剰な加熱及び／又は温熱量、及び処置全体に関する過剰な累積的な加熱及び／又は温熱量を自動的に検出するために使用されることができる。

動き補正が適用され、動きによる位相寄与が、温度変化による位相寄与から分離される場合、移動する組織の正確な結果が得られる。動き補正は、特にｋ空間の中心部からの冗長な磁気共鳴信号によって、磁気共鳴信号から導き出されることができる。動き補償モジュール２３は、動き補正を導き出し、磁気共鳴信号に動き補償を適用するために提供される。動き補正された磁気共鳴信号は、温度測定モジュール４に与えられ、温度測定モジュール４は、目標ゾーン３の局所的な温度分布を導き出す。代替として、動き補償モジュール２３は、動きによる磁気共鳴信号の位相への寄与を導き出し、分離し、温度変化による位相の寄与を計算するために、ソフトウェアにおいて構成され又はプログラムされることができる。局所的な温度分布は、制御モジュール５に与えられ、制御モジュール５は、次の軌道に沿って集束超音波ビームを集束させるために、治療モジュール、すなわちＨＩＦＵユニット１、を制御する。同心の中心は、例えばけいれん又はわずかに不均一の熱拡散により、処置の最中にわずかに（一般に１−２ボクセル又は０．５−５ｍｍ）シフトする処置領域（特に加熱領域）の可能性を考慮するために、（例えばガウスフィット又は加重平均によって）例えば連続的に評価されることができる。

本発明の治療システムは、治療モジュール１の活動化を遅延させる遅延モジュール６備える。遅延は、クールダウン期間につながる。遅延は、測定された温度に基づいて、制御ユニットによってセットされる。遅延ユニットは、治療モジュールをトリガするように構成されることができる。別の実施形態において、治療モジュールは、エネルギーの規則的な蓄積を適用するように、例えば規則的な超音波パルス（すなわち超音波処理）を適用するように、構成される。この実施形態において、遅延モジュールは、治療モジュールを中断するように構成される。実際、多くの超音波処理が、クールダウン期間を生じさせるために中断され又は取り消される。

図２は、最大近接場温度の関数として、開始温度の３℃以内に達するためのクールダウン時間の例を示す。ガウスフィットは、３℃に関してフィットされる最大温度の二乗、すなわち二次関数であり、Ｒ値は、０．９０である。これらのケースでは、温度は、５×５ボクセルメジアンフィルタ（ボクセルサイズ２．５×２．５ｍｍ^２）によってフィルタリングされた。特に、例えばメジアンフィルタによる、測定された温度の空間フィルタリングは、温度測定の信号対雑音比を改善する。オフフォーカス加熱は、一般に、急な空間勾配の空隙であるので、空間分解能の損失は、問題を生じさせない。このデータは、円形ビーム経路の断面を用いてＨＩＦＵ治療モジュールに関して取得された。３℃に対するフィットは、任意の所望の予め規定されたベースライン温度に変更されることができる。

Claims (3)

1. 目標ゾーンにおけるエネルギーの連続的な蓄積を実施する治療モジュールであって、前記連続的な蓄積がクールダウン期間によって分離される、治療モジュールと、
   測定フィールドの温度を測定する温度測定モジュールと、
   クールダウン期間に先行するエネルギー蓄積の最中に測定されたオフフォーカス最大温度に依存して、該クールダウン期間を調節する制御モジュールと、
   を有する治療システム。
2. 前記治療モジュールは、高強度の超音波送信器又はマイクロ波送信器である、請求項１に記載の治療システム。
3. 目標ゾーンにおけるエネルギーの連続的な蓄積を実施する命令であって、前記連続的な蓄積がクールダウン期間によって分離される、命令と、
   測定フィールドの温度を測定する命令と、
   クールダウン期間に先行するエネルギー蓄積の最中に測定されたオフフォーカスの最大温度に基づいて、該クールダウン期間を調節する命令と、
   を含むコンピュータプログラム。

Images