JP5670635B2 - ３ｄ超音波撮像及びセラピーに対する装置 - Google Patents

Description

出願人は、２００６年１１月２８日出願、仮出願番号第６０／８６７，４６４の便益を主張する。

本発明は、２つの別個の二次元（２Ｄ）超音波アレイトランスデューサを包含する装置に係る。２つのうち一方は、三次元（３Ｄ）画像を与えるものであり、他方は、三次元において電子的に操向（ステアリング）され（ｓｔｅｅｒｅｄ）得るセラピービーム（ｔｈｅｒａｐｙ ｂｅａｍｓ）を生成するものである。また本発明は、局所的遺伝子運搬（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｇｅｎｅ ｄｅｌｉｖｅｒｙ）、薬剤運搬、音波血栓溶解（ｓｏｎｏｔｈｒｏｍｂｏｌｙｓｉｓ）、組織アブレーション等である超音波介在セラピーを運搬すること（ｄｅｌｉｖｅｒｉｎｇ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｍｅｄｉａｔｅｄ ｔｈｅｒａｐｙ）における当該装置の使用に係る。

超音波は、組織アブレーション、薬剤運搬、温熱療法、血栓溶解等である多くの治療用途を有する。単一素子セラピートランスデューサアレイは、固定された集束長さによって制限され、身体の異なる領域を治療するための機械的平行移動に依存する。体内の異なる位置に対してセラピービームを操向するよう、電気的位相アレイトランスデューサは、用いられ得る。セラピー中の組織の同時撮像は、治療を計画及び監視することを可能にする。

組み合わされたセラピー及び撮像システムの一例は、Ｎｏｃｋ外による米国特許（ＵＳ６，７１６，１８８）（特許文献１）によって説明される。この特許は、１つのみの素子の線形アレイを備えるトランスデューサを有する薬剤運搬増進及び撮像に対するシステム、を記載する。

米国特許第５，５５８，０９２（Ｕｎｇｅｒ外）（特許文献２）は、同一の基板上で別個のトランスデューサを備える組み合わされた超音波撮像及びセラピーシステムの一例を開示する。複数のトランスデューサ構造が提案されており、そのうちの１つは、順次的線形状の一連の素子が始動されるよう多重に作動される（ｏｐｅｒａｔｅｄ ｉｎ ａ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｍａｎｎｅｒ）撮像及びセラピーの両方に対する素子の２Ｄマトリクスを有する。

Ｐｈｉｌｉｐｓ社に割り当てられる米国特許第６，４２８，４７７（Ｍａｓｏｎ）（特許文献３）は、ビームの操向及び選択的集束によってセラピーを運搬する完全に操向可能な二次元超音波アレイを記載する。同一のトランスデューサは、セラピー及び撮像の両方に対して使用される。

米国特許第６，７１９，６９４（特許文献４）は、セラピー及び撮像の両方を実行する超音波トランスデューサを記載する。線質係数回路（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ）は、トランスデューサの帯域幅を変え、広帯域作動が撮像において使用される。

米国特許第６，５００，１２１（特許文献５）は、撮像、セラピー、及び温度監視を行なう単一のトランスデューサを備える超音波セラピーシステムを記載する。単一のトランスデューサは、３Ｄで撮像又はセラピーを与えるよう作動され得る。

Ｕｒｇｅｒ外による方法は、多重線形素子を使用する（ＵＳ５，５５８，０９２）。セラピーアレイは、ビームの３Ｄ操向を実行するよう構成されず、皮膚表面の近くにおいて浅い作動（ｓｈａｌｌｏｗ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を与えるのみである。さらには、同一の基板は、撮像及びセラピーアレイの両方に対して使用される。これは、特にセラピーアレイがより高い出力（パワー）レベルを一般的に利用するため、２つのアレイ間におけるクロストークの可能性につながる。また、撮像アレイは、固定され、同一のセラピーアレイに対する他の撮像プローブと交換され得ない。両方のアレイに対して同一の基板を使用することは、圧電材料のより最適ではない使用につながる。これは、セラピーアレイが、任意の素子寸法及び形状が作られ得る圧電複合材料（ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）を有して作られることから益を得うるため、である。

Ｍａｓｏｎ（ＵＳ６，４２８，４７７）、Ｗｅｎｇ（ＵＳ６，７１９，６９４）、及びＳｌａｙｔｏｎ外（６，５００，１２１）の方法は、撮像及びセラピーに対して同一のトランスデューサを使用する。しかしながら、セラピー及び撮像は、集束性能及び周波数必要条件が異なるため、異なる必要条件を有する。両方の用途に対してトランスデューサを最適化することは、しばしば困難である。例えば典型的には、超音波撮像は２ＭＨｚより大きい周波数を用いる一方、セラピーは２ＭＨｚより小さい周波数を用いる。小動物の研究では、１５ＭＨｚ等であるより高い周波数が撮像には望ましい。撮像トランスデューサの小さな開口寸法は、通常はより大きなトランスデューサを必要とするセラピーに対して必要とされる集束ゲインを達成するには不十分である。更に、撮像アレイは、規則的に離間された素子を有し、セラピーに対して使用される場合、グレーティング・ローブ（ｇｒａｔｉｎｇ ｌｏｂｅｓ）を避けるために必要要件を受け入れるよう、多数の素子を必要とする。

米国特許６，７１６，１８８ 米国特許５，５５８，０９２ 米国特許第６，４２８，４７７ 米国特許第６，７１９，６９４ 米国特許第６，５００，１２１

しかしながら、上述した通り、超音波撮像及びセラピーにおけるかかるシステム及び方法論には、特には動いている空間体積における生体組織に関して、依然として問題があり、本願において開示される装置及び方法論は、かかる問題を克服するものである。

本発明によれば、本願は、一方が三次元（３Ｄ）画像を与え、他方が三次元において電子的に操向され得るセラピービームを生成する、２つの別個の二次元（２Ｄ）超音波撮像アレイを包含する装置、及び、局所的遺伝子運搬、薬剤運搬、音波血栓溶解、組織アブレーション等である超音波介在セラピーを運搬することにおける当該装置の使用を開示する。

具体的には、本発明の目的は、三次元超音波撮像及びセラピーの適用に対する装置を与えることであり、当該装置は：
超音波ビームを三次元の可動又は静止空間体積に対して形成し、操向し（ｓｔｅｅｒｓ）、且つ選択的に集束する（ｆｏｃｕｓｅｓ）、画像信号トランスミッタ及びレシーバを有するトランスデューサ素子の二次元超音波撮像アレイ；
超音波セラピー体積に対して形成し、操向し、且つ選択的に集束及び運搬する（ｄｅｌｉｖｅｒ）セラピー信号トランスミッタを各々が有する、１つ又はそれより多くのトランスデューサ素子の二次元超音波セラピーアレイ；及び、
体積の三次元画像を与えるよう画像トランスミッタ及びレシーバを制御すると同時に、体積に対してセラピーを運搬するよう１つ又はそれより多くのセラピートランスミッタの各々を独立して制御する、コントローラ、
を有し、撮像及びセラピートランスデューサ素子のアレイの位置は、互いに対して既知である（ｋｎｏｗｎ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｏｎｅ ａｎｏｔｈｅｒ）。

本発明の他の目的は、撮像及びセラピートランスデューサアレイの各々が、作動の振幅、位相、及び周波数において個別に制御可能である複数の超音波素子を備える、ことを更なる特徴とする装置を与えることである。

本発明の他の目的は、コントローラが、撮像される体積をセラピートランスデューサアレイに相互に関連付け、セラピーは体積に対して運搬される、ことを更なる特徴とする装置を与えることである。

本発明の他の目的は、セラピートランスデューサアレイが２つの同心円間における二次元環状空間において位置決めされ、撮像トランスデューサアレイが内側の円の二次元空間内に位置決めされる、ことを更なる特徴とする装置を与えることである。

本発明の他の目的は、セラピートランスデューサアレイが、撮像トランスデューサアレイの一側に対して固定的に取り付けられる、ことを更なる特徴とする装置を与えることである。

本発明の他の目的は、複数のセラピートランスデューサアレイが２つの同心円間における二次元環状空間において位置決めされ、撮像トランスデューサアレイが内側の円の二次元空間内に位置決めされる、ことを更なる特徴とする装置を与えることである。該複数のセラピートランスデューサアレイの各々は、異なる空間体積においてセラピーを与えることができ、異なるセラピー法（ｔｈｅｒａｐｙ ｒｅｇｉｍｅｎｓ）が異なる超音波周波数及び異なる組織侵入度（深さ）を有する。

本発明の他の目的は、超音波セラピーを三次元可動又は静止空間体積における生物組織に対して運搬する方法、を与えることである。当該方法は：
三次元超音波撮像及びセラピーの適用に対する装置を利用して体積を撮像する段階；及び、
装置を利用してセラピーを組織に対して運搬する段階、
を有する。前出の装置は：
超音波ビームを三次元の可動又は静止空間体積に対して形成し、操向し、且つ選択的に集束する、画像信号トランスミッタ及びレシーバを有するトランスデューサ素子の二次元超音波撮像アレイ；
超音波セラピーを体積に対して形成し、操向し、且つ選択的に集束及び運搬するセラピー信号トランスミッタを各々が有する、１つ又はそれより多くのトランスデューサ素子の二次元超音波セラピーアレイ；及び、
体積の三次元画像を与えるよう画像トランスミッタ及びレシーバを制御すると同時に、体積に対してセラピーを運搬するよう１つ又はそれより多くのセラピートランスミッタの各々を独立して制御する、コントローラ、
を有し、撮像及びセラピートランスデューサ素子のアレイの位置は、互いに対して既知である。

本発明の他の目的は、撮像及びセラピートランスデューサアレイの各々が、作動の振幅、位相、及び周波数において個別に制御可能である複数の超音波素子を備える、ことを更なる特徴とする方法を与えることである。

本発明の他の目的は、コントローラが、撮像される体積をセラピートランスデューサアレイに位置合わせし（ｃｏ−ｒｅｇｉｓｔｅｒｉｎｇ）、セラピーが特定の体積に対して運搬される、ことを更なる特徴とする方法を与えることである。

本発明の他の目的は、セラピートランスデューサアレイが２つの同心円間における二次元環状空間において位置決めされ、撮像トランスデューサアレイが内側の円の前記二次元空間内に位置決めされる、ことを更なる特徴とする方法を与えることである。

本発明の他の目的は、セラピートランスデューサアレイが撮像トランスデューサアレイの一側に対して固定的に取り付けられる、ことを更なる特徴とする方法を与えることである。

本発明の他の目的は、複数のセラピートランスデューサアレイが２つの同心円間における二次元環状空間において位置決めされ、撮像トランスデューサアレイが内側の円の二次元空間内に位置決めされる、ことを更なる特徴とする方法を与える。該複数のセラピートランスデューサアレイの各々は、異なる空間体積においてセラピーを与えることができ、異なるセラピー法は、異なる超音波周波数及び異なる組織侵入度を有する。

本発明の他の目的は、脳障害、子宮筋腫、肝臓腫瘍、乳房腫瘍、哺乳類の身体の他の腫瘍、及び血栓を有する群から選択される生体組織に対して超音波セラピーを運搬する段階、を更に有する方法を与えることである。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下の実施例及び図面を参照してより詳細に説明される。

組み合わされた２Ｄセラピー及び２Ｄ撮像アレイ又はプローブを備える装置の一実施例を図示する。四角の形状における撮像アレイは、環状孔の中心において配置され、円で示される複数の素子を備えるセラピーアレイは、環形に撮像アレイを取り囲む。

非侵襲的セラピー用途において、計画、ガイダンス、及び監視は重要である。本発明は、かかる目標に対して３つの重要な利点を与える。該３つの利点とは、標的生体組織を取り囲む３Ｄ空間体積の早いリアルタイム三次元インテロゲーション、超音波３Ｄ撮像情報に対する超音波セラピー又は治療ビームの正確且つ精密な相関又は位置合わせ、及び、関心生体組織を包含する３Ｄ空間体積標的域の寸法及び形状、並びに治療ビームの経路の近リアルタイム（ｎｅａｒ−ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ）調節、である。例えば、心臓の治療において、標的組織の運動は、呼吸動作及び不整脈により不規則且つ複雑であり得る。撮像アレイは、この動作をリアルタイムで撮像することができ、続いてセラピーアレイは、一時的通門（ｔｅｍｐｏｒａｌ ｇａｔｉｎｇ）及び／又は空間操向を有して治療超音波を運搬するようプログラムされ得、治療域は、標的体積に一致するようにされる。

本発明によれば、当該装置は、２つの別個の２Ｄ超音波アレイトランスデューサを包含する。２つのうち一方は、３Ｄ画像を与えるものであり、他方は、三次元において電子的に操向可能であるセラピービームを与えるものである。両アレイの個別の素子は、二次元に沿って分布され、作動の振幅、位相、及び周波数において個別に制御可能である。撮像及びセラピーアレイの両方の素子は、表面にわたってランダム又は不規則に分布され得る。２つのアレイは、操向及び集束に対して別個のビームフォーマ（形成器）を使用し得る。２つのアレイにより、３Ｄ画像及びセラピービームは、互いに対して位置合わせ又は相互関連付けされ得る。

一実施例において、セラピーアレイは、２Ｄ球環を有する。該球環の穴は、撮像アレイに対する空間を与える。セラピーアレイの素子は、形状が円形であり、アレイにわたってランダムに分布される。図１は、中心において撮像アレイを有する治療アレイを示す。この実施例は、撮像アレイによって与えられる画像の空間におけるセラピープローブの位置合わせに対する単純な実行を与える。撮像プローブは、Ｐｈｉｌｉｐｓ社によって販売されるＸ３−１トランスデューサ等であるマトリクストランスデューサであり得る。

他の実施例において、２Ｄ撮像アレイは、セラピーアレイの側部に対して取り付けられ、それに対して固定される。２つのアレイは、互いに対して剛性に固定され、故に位置合わせ情報は、推測的に既知である。

他の実施例において、複数のセラピーアレイの配置は、１つの撮像トランスデューサとともに使用される。異なる２Ｄセラピーアレイは、撮像アレイの周囲に円形に位置決めされる。各アレイは、異なる空間領域、又は周波数及び侵入度等である異なる治療レジメント（ｒｅｇｉｍｅｎｔｓ）における治療を与え得る。撮像アレイは、計画を目的として広い視野を与える。１つ又はそれより多くのセラピーアレイは、治療領域の空間位置及び深度、使用可能な音響窓、又は他のファクタに基づいてセラピーを始動するよう、スイッチをオンにされる。

超音波セラピー運搬を超音波画像トランスミッタ及びレシーバによって与えられる３Ｄ画像に制御及び位置合わせするコントローラは、１つ又はそれより多くのコンピュータ又はプロセッサを有し得る。コントローラによって制御されるビーム形成及び操向電子機器は、従来通りであり、当業者には既知であるコンピュータプログラムに従って作動され得る。セラピーシステムは、高、低負荷サイクル、又はより低い、より長い、負荷サイクル圧力場のいずれかを生成することができる、圧電性、圧電複合、クリスタル、又はセラミック素子のアレイを有する。トランスデューサ素子は、高出力増幅器によって供給され、また任意波又は単一周波数減のいずれかによって生成される電圧によって励起される。かかる信号のタイミングは、プログラム可能なトリガ回路又は治療ビームフォーマのいずれかによって制御される。セラピー圧力場（ｔｈｅｒａｐｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｉｅｌｄ）の開始及び停止は、プログラム可能なトリガを介して制御され得、外部から、あるいは２Ｄ撮像アレイからの運搬されたトリガイベントから制御され得る（例えば、所望される組織体積が特定の空間位置内にある際）。全体的なシステムは、治療及び撮像アレイを両方有し、対応する電子回路（増幅器、電源、信号源、ビームフォーマ、トリガ回路）は、通常はパーソナルコンピュータである外部コントローラによって制御される。この外部コントローラは、大半のタイミングイベント、ユーザインタラクション、並びに、撮像及びセラピープローブの一体化の主コントローラである。

超音波セラピーは、新しい用途及びビジネスの機会である。現在超音波セラピーは、中国では癌治療において日常的に使用され、米国においては、子宮筋腫の治療に対して、並びに試験的に前立腺癌及び良性前立腺過形成に対してＦＤＡによって承認され、欧州においては臨床試験が進行中である。

本発明は、温熱療法、高負荷集束超音波（ＨＩＦＵ）、及び、超微粒気泡／ナノ粒子介在治療等におけるような、超音波セラピーを運搬するよう多くの適用分野において使用され得る。最後の適用分野は、例えば薬剤物質を包含する前に投入されたミクロスフィア（ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ）を組織部位において破裂させ、薬剤物質を放出するための高強度超音波ビームの運搬である薬剤運搬、及び局所的遺伝子増進及び制御するよう、音響誘発される生体効果（ｂｉｏｅｆｆｅｃｔｓ）を活用する。また、他の用途は、超音波介在分子医学の分野における。この分野はまた、アテロームイベントの後の急性の状態（ａｎ ａｃｕｔｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａｎｄ ａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｔｉｃ ｅｖｅｎｔ）において使用される血栓溶解剤の効果を高めるために、超音波の使用を有する。用途はまた、超音波が卒中又はＤＶＴ患者に対する血栓溶解に使用される場合に、使用され得る。

本発明は、集束される超音波が治療効果を与え得るいかなる分野においても使用され得る。典型的な例には、脳障害、子宮筋腫、肝臓腫瘍、乳房腫瘍、哺乳類の身体の他の腫瘍、及び血栓が含まれる。心臓環境（ｃａｒｄｉａｃ ｓｅｔｔｉｎｇ）において新しい用途は、心筋梗塞の前又は後に心臓を保護するよう展開されている。

本発明は特定の実施例に関して説明されてきたが、当業者は、多くの修正、強化、及び／又は変更が本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく達成され得る、ことを認識する。したがって、本発明は、請求項及びそれと同等のものの範囲によってのみ制限される、ことが明らかに意図される。

Claims (2)

1. 三次元超音波撮像及びセラピーの適用に対する装置であって：
   超音波ビームを三次元の可動又は静止空間体積に対して形成し、操向し、且つ選択的に集束する画像信号トランスミッタ及びレシーバを有するトランスデューサ素子の二次元超音波撮像アレイと；
   超音波セラピーを前記体積に対して形成し、操向し、且つ選択的に集束及び供給するセラピー信号トランスミッタを各アレイが有する、トランスデューサ素子の１つ以上の二次元超音波セラピーアレイであって、
   前記二次元超音波撮像アレイ及び前記二次元超音波セラピーアレイの位置は互いに対して位置合わせ、又は、相互に関連付けされ、さらに、前記１つ以上の二次元超音波セラピーアレイは２つの同心円間における二次元環状空間内に位置決めされ、前記１つ以上の二次元超音波セラピーアレイの前記トランスデューサ素子は（ｉ）円形状であり且つ（ｉｉ）それぞれの前記二次元超音波セラピーアレイにわたってランダムに分布され、前記二次元超音波撮像アレイが前記２つの同心円のうちの内側の円の二次元空間内に位置決めされる、
   １つ以上の二次元超音波セラピーアレイと；
   （ｉ）前記体積の三次元画像を与えるよう前記二次元超音波撮像アレイの前記画像信号トランスミッタ及びレシーバを制御し、且つ、（ｉｉ）同時に、前記体積に対して超音波セラピーを供給するよう前記１つ以上の二次元超音波セラピーアレイの前記セラピー信号トランスミッタを独立して制御する、コントローラと、
   を有し、
   更に、前記二次元超音波撮像アレイ及び前記二次元超音波セラピーアレイの各々は、作動の振幅、位相、及び周波数において個別に制御可能である複数の超音波トランスデューサ素子を備え、
   （ｉ）前記１つ以上の二次元超音波セラピーアレイは、前記２つの同心円間における前記二次元環状空間内に位置決めされた複数の二次元超音波セラピーアレイを有し、（ｉｉ）前記二次元超音波撮像アレイは、前記内側の円の前記二次元空間内に位置決めされ、前記複数の二次元超音波セラピーアレイの各々は、異なる超音波セラピー法で異なる空間体積において超音波セラピーを与えることができ、前記異なる超音波セラピー法は、異なる超音波周波数と異なる組織侵入度とを有する、
   装置。
2. 前記コントローラは、撮像される体積を前記１つ以上の二次元超音波セラピーアレイに位置合わせし、前記超音波セラピーは、前記体積に対して供給される、
   ことを更に特徴とする請求項１記載の装置。

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