JP5809770B2 - 電子焦点区域よりも大きい標的区域を加熱するための高密度焦点式超音波 - Google Patents
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Description
コンフォーマル大容量温熱療法アルゴリズムは、治療を計画し、治療を開始するのに必要な情報(すなわち、ベースライン温度、様々な補正因子)を取得し、加熱を実行する一連のステップを使用する。それらのステップは図3で示されており、より詳細に以下で扱われる。
ユーザにより定義される自在画の標的ボリュームは、分断攻略アルゴリズムを用いて自動的にサブボリュームに分割される(図4参照)。サブボリュームの夫々は、HIFU焦点の電子ステアリングを用いて加熱され、一方、HIFUトランスデューサの機械移動は、各ボリュームを加熱するよう適切な位置にトランスデューサを位置付けるために使用され得る。個々のサブボリュームのサイズは、電子ステアリングのみにより適切にカバーされ得るボリュームに制限される(ユーザ定義)。サブボリュームのサイズは様々であることができるが、それは、通常は、最適な焦点合わせ、適正な音強度、及び加熱リージョンの境界の定義(コンフォーマル加熱)を確かにするようトランスデューサの電子ステアリング能力によって制限される。このアプローチは、2D及び3D両方のボリューム分割に適用可能である。
1.治療ボリュームの重心からのユークリッド距離変換(DT)を計算する。
2.治療ボリュームのスケルトン化を実行する。
3.治療ボリューム内で最も高いDT値を有するボクセル(開始ボクセル)を選択する。
4.スケルトンを開始ボクセルまで線形に延長する。
5.開始ボクセルにおいて電子ステアリングボリュームの中心を置き、治療ボリュームとのオーバーラップを計算する(いずれかのサブボリュームに予め割り当てられていないボクセルのみを考慮する。)。
6.延長されたスケルトンに沿って、開始ボクセルまでの距離≦電子偏向の半径にある全てのボクセルに電子ステアリングボリュームの中心を置くことによって、上記の計算を繰り返す。
7.治療ボリューム及び電子ステアリングボリュームが最大のオーバーラップを有するボクセルを決定する。複数のボクセルが選択される場合は、治療ボリュームの境界から一番遠いボクセルを選択する。
8.選択されたボクセルをトランスデューサ位置の組へ加える。
9.考慮中であるトランスデューサ位置から電子ステアリングにより到達され得る全てのボクセルを標識化する。既に標識化されているボクセルがこのステップで再度標識化される必要がある場合は、それらのボクセルに最も近いトランスデューサ位置の標識を選択する。治療ボリューム外のボクセルは標識化されないままである。
10.治療ボリュームにおける全てのボクセルが標識化されるまでステップ2乃至9を繰り返す。
治療ボリューム選択及び分割:マルチスライス2D又は3DMR画像スタックは、治療ボリュームを選択するために使用され得る(図3‘治療計画’、治療計画308)。このボリュームは、上記の治療ボリューム分割アルゴリズムを用いてサブボリュームに分割される(図4)。
大容量コンフォーマル加熱アルゴリズムは、加熱し続けるべきか、あるいは他のサブボリュームへ機械的に移動すべきかを決定するために、決定木を使用する(図3の超音波処理〜フィードバックサイクル、ステップ316及び図5)。
決定木アルゴリズムアーキテクチャの使用は、温度オーバーシュートを制限するので、温度フィードバックアルゴリズムの選択における柔軟性を可能にする。従って、最大電力が(キャビテーションのような機械的な効果による)組織の損傷を可能にするよう制限されることを条件として、フィードバックアルゴリズムの選択は、二進、比例(P)、比例積分(PI)及び比例積分微分(PID)を含むがそれらに限られない。それらのアルゴリズムのいずれも、ボクセル又はリージョンからのMR測温フィードバックに基づき、ボクセルごとに電力を定めるために、又は標的区域内の任意に定義されたリージョン(例えば、3×3×3mm)のために、使用され得る。電力の代わりに、フィードバックアルゴリズムはまた、時間にわたって総出力エネルギに作用する超音波処理の存続期間、デューティサイクル、又は何らかの他のパラメータを調整してよい。トランスデューサの動きから生じるMR測温アーティファクトの影響を制限するために、温度フィードバック制御は、その電力計算を、トランスデューサの動きが止まった後に取得された最新の正確なMR測温画像に基づくことができる。サブリージョンにおける加熱を制御するためのボクセル/リージョンに基づくフィードバック方法は、目標温度へのサブリージョン加熱を可能にする1つの方法である。なお、上記の複数位置加熱及び関連する方法は、他の加熱アルゴリズムと組み合わされてよく、本発明の適用範囲は、代替の加熱方法を更に含む。
夫々のサブボリューム内のHIFU焦点の電子ステアリングの使用は、MR画像分解能に依存して、個々のボクセル、又は小リージョンによって表される範囲の正確な加熱を可能にする。[ボクセル/リージョンに基づくフィードバック]の項で上述されたように、フィードバックアルゴリズムは、夫々のボクセル/リージョンが加熱されるべき音響出力を計算するために使用され得る。加熱は、現在のサブボリュームにわたってHIFUトランスデューサの焦点を電子的に導くことによって、達成された。動的走査時間及び加熱されるボクセルの数に依存して、同じボクセルの複数回の超音波処理が行われてよい。この場合に、そのようなボクセルのための電力は、それらにおける超音波処理の回数だけ分けられてよい。次いで、サブボリュームの加熱が、加熱されるボクセルの数と、夫々のボクセルを通る回数と、ボクセル加熱時間とを乗算した結果に等しい存続期間の間、実行された。ビーム軸沿い且つそれと垂直な電子偏向は、意図されたHIFU焦点で実現される強度を弱め、最大強度の場所を変更してよい。従って、全てのボクセルについて、電力は、自然の焦点位置からの電子偏向に依存して二次多項式乗算器を用いて調整され得る。
1)3D測温撮像−ここで記載される大容量加熱アプローチと併せた3DMR測温の使用は、実時間における起こり得るホット及び/又はクールスポットに対するより良い制御を可能にするとともに、組織内温度分布に関するより完全な認識を提供することができる。そのような情報は、この技術の安全性を改善するとともに、薬物投与及び放射線治療の効果の検討のためのより高品位のデータを提供することができる。最後に、3DMR測温の使用は、等方性又は準等方性のボクセル寸法を可能にし(3D撮像は、MR測温法において、より薄いスライスを可能にする。)これにより、治療の精度を改善する。上述される焦点オフセットの収集は、補正の空間精度を高めるよう3Dにより実行されており、種々のMR撮像コイルの使用によるSNRの改善は、3D撮像が、治療中の温度監視のための十分に高速な動的撮像とともに使用されることを可能にすることができる。
[1]M.O.Kohler,C.Mougenot,B.Quesson等,“Volumetric HIFU ablation under 3D guidance of rapid MRI thermometry”,Med Phys,vol.36,no.8,pp.3521-35,2009年8月
[2]R.Staruch,R.Chopra,及びK.Hynynen,“Localised drug release using MRI-controlled focused ultrasound hyperthermia”,Int J Hyperthermia,vol.27,no.2,pp.156-71,2011年
[3]P.M.Harari,K.Hynynen,R.B.Roemer等,“Development of scanned focused ultrasound hyperthermia: clinical response evaluation”,Int J Radiat Oncol Biol Phys,vol.21,no.3,pp.831-40,1991年8月
[4]J.K.Enholm,M.O.Kohler,B.Quesson等,“Improved volumetric MR-HIFU ablation by robust binary feedback control”,IEEE Trans Biomed Eng,vol.57,no.1,pp.103-13,2010年1月
202 磁気共鳴撮像システム
204 高密度焦点式超音波システム
206 磁石
208 磁石のボア
210 磁場傾斜コイル
212 磁場傾斜コイル電源
214 無線周波数コイル
216 トランシーバ
218 撮像区域
220 対象
222 対象支持体
224 流体で満たされたチェンバ
226 超音波トランスデューサ
228 機械式ポジショニングシステム
230 アクチュエータ
232 超音波の経路
234 超音波ウィンドウ
236 ジェルパッド
238 焦点
240 標的区域
242 コンピュータシステム
244 プロセッサ
246 ハードウェアインターフェース
248 ユーザインターフェース
250 コンピュータストレージ
252 コンピュータメモリ
260 焦点区域定義
262 標的区域座標
264 サブ区域座標
266 トランスデューサ位置座標
268 パルスシーケンス
270 磁気共鳴測温データ
272 シーケンス
274 温度特性マップ
280 制御モジュール
282 サブ区域分割モジュール
284 画像再構成モジュール
286 温度制御アルゴリズム
288 サブ区域選択アルゴリズム
300 撮像
302 磁気共鳴測温
304 治療計画
306 超音波処理フィードバックサイクル
308 治療区域分割アルゴリズム
310 マルチベースライン補正
312 トランスデューサ空間オフセット補正
314 温度フィードバック制御
316 決定木
318 機械移動
400 標的区域のビュー
402 標的区域のビュー
404 標的区域のビュー
406 中心軸
408 重心
410 最遠のボクセル
412 焦点
414 焦点区域
416 サブ区域1
418 サブ区域2
420 サブ区域3
422 サブ区域4
424 サブ区域5
426 サブ区域6
428 サブ区域7
430 サブ区域8
500 磁気共鳴測温データの取得
502 決定木
504 決定の結果
506 加熱される次のサブ区域
600 決定
602 撮像
604 遅延
606 加熱
608 移動
610 時間(秒)
700 計画画像
702 熱画像
704 時間対温度グラフ
706 第1のサブ区域
708 第2のサブ区域
710 平均温度
712 加熱開始
714 加熱停止
Claims (15)
- 撮像区域内にある対象から磁気共鳴測温データを取得する磁気共鳴撮像システムと、
電子制御される焦点を有する超音波トランスデューサを有し、該超音波トランスデューサの位置合わせを行う機械式ポジショニングシステムを更に有し、前記電子制御される焦点が焦点区域内で当該焦点を調整するよう動作可能であり、前記焦点区域の場所が前記超音波トランスデューサの位置に依存する、高密度焦点式超音波システムと、
機械により実行可能な命令を記憶するメモリと、
医療機器を制御するプロセッサと
を有し、
前記命令の実行は、前記プロセッサに、
前記焦点区域よりも大きい、前記対象内のボリュームを記述する標的区域を受け取らせ、
夫々がトランスデューサ位置を有する複数のサブ区域に前記標的区域を分割させ、前記超音波トランスデューサが特定のトランスデューサ位置にある場合に、前記焦点区域が前記複数のサブ区域の中の前記特定のトランスデューサ位置に関連するサブ区域を有するようにし、
前記複数のサブ区域の夫々へ前記特定のトランスデューサ位置を動かすシーケンスを決定させ、
前記シーケンスを用いて、前記複数のサブ区域から選択される被選択サブ区域を決定させ、前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、繰り返し
前記被選択サブ区域のトランスデューサ位置へ前記超音波トランスデューサを動かすよう前記機械式ポジショニングシステムを制御し、
前記被選択サブ区域におけるボクセルの夫々の温度を記述する前記磁気共鳴測温データを取得し、
少なくとも前記磁気共鳴測温データを用いて、前記ボクセルの夫々における温度を記述する温度特性マップを決定し、
前記温度特性マップを用いる温度フィードバック制御アルゴリズムにより前記電子制御される焦点を制御することによって、前記被選択サブ区域を目標温度へと加熱し、
前記シーケンスを用いて前記被選択サブ区域を変更する
ことによって、所定時間存続期間の間、前記標的区域を前記目標温度に保たせる、医療機器。 - 前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、
前記磁気共鳴測温データを用いて、前記複数のサブ区域の夫々について温度特性を決定させ、
前記複数のサブ区域の夫々についての前記温度特性を用いて、次のサブ区域を選択させ、
前記次のサブ区域が前記シーケンスにおいて順序的に次であるように前記シーケンスを修正させる、
請求項1に記載の医療機器。 - 前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、前記標的区域を前記目標温度に加熱する前に、前記複数のサブ区域の夫々について、前記トランスデューサ位置へ前記超音波トランスデューサを動かすよう前記機械式ポジショニングシステムを制御させる、
請求項1又は2に記載の医療機器。 - 前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、前記標的区域を前記目標温度に加熱する前に、前記複数のサブ区域の夫々について、前記トランスデューサ位置にある間、較正用磁気共鳴測温データを取得させ、
前記温度特性マップは、少なくとも前記較正用磁気共鳴測温データを用いて決定される、
請求項3に記載の医療機器。 - 前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、
前記標的区域を前記目標温度に加熱する前に、前記複数のサブ区域のうちの2又はそれ以上について、前記トランスデューサ位置にある間、前記高密度焦点式超音波システムを用いて試験超音波照射を実行させ、
前記複数のサブ区域の夫々について電子焦点補正を決定させ、及び/又は前記複数のサブ区域のうちの2又はそれ以上について前記焦点区域の場所を調整させ、及び/又は前記複数のサブ区域の夫々について温度上昇率を計算させる、
請求項3又は4に記載の医療機器。 - 前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、磁気共鳴データを用いて前記ボクセルの夫々について繰り返しかん流係数及び/又は拡散係数を計算させる、
請求項1乃至5のうちいずれか一項に記載の医療機器。 - 前記温度フィードバック制御アルゴリズムは、温度制御アルゴリズムパラメータを有し、
前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、前記かん流係数及び/又は拡散係数を用いて前記温度制御アルゴリズムパラメータを繰り返し再計算させる、
請求項6に記載の医療機器。 - 前記温度フィードバック制御アルゴリズムは、二進温度制御アルゴリズム、比例温度制御アルゴリズム、比例積分温度制御アルゴリズム、及び比例積分微分温度制御アルゴリズムのうちのいずれか1つである、
請求項1乃至6のうちいずれか一項に記載の医療機器。 - 前記標的区域は、中心軸変換を用いて前記複数のサブ区域に分割される、
請求項1乃至8のうちいずれか一項に記載の医療機器。 - 当該医療機器は、前記対象を冷却する流体を循環させる流体冷却システムを有し、該流体冷却システムは、前記流体を動作温度に保つよう動作可能であり、前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、
前記流体のスピン相の変化を決定するよう該スピン相を記述する磁気共鳴データを繰り返し取得させ、
前記流体の前記スピン相の変化を用いて、前記温度特性マップを補正させる、
請求項1乃至9のうちいずれか一項に記載の医療機器。 - 前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、前記標的区域を前記目標温度に保ち始めた後に、前記サブ区域及び/又は前記トランスデューサ位置のサイズ及び/又は場所を調整させる、
請求項1乃至10のうちいずれか一項に記載の医療機器。 - 前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、前記被選択サブ区域を変更しながら前記標的区域を加熱させる、
請求項1乃至11のうちいずれか一項に記載の医療機器。 - 決定木アルゴリズムは、前記被選択サブ区域を変更することを開始するために使用される、
請求項1乃至12のうちいずれか一項に記載の医療機器。 - 前記目標温度は、38℃から40℃の間、39℃から40℃の間、40℃から45℃の間、40℃から44℃の間、40℃から43℃の間、40℃から42℃の間、40℃から41℃の間、41℃から45℃の間、41℃から44℃の間、41℃から43℃の間、41℃から42℃の間、42℃から45℃の間、42℃から44℃の間、42℃から43℃の間、43℃から45℃の間、43℃から44℃の間、44℃から45℃の間、38℃から39℃の間、52℃から55℃の間、55度以上、及び50℃から55℃の間のうちのいずれか1つである、
請求項1乃至13のうちいずれか一項に記載の医療機器。 - 撮像区域内にある対象から磁気共鳴測温データを取得する磁気共鳴撮像システムを有する医療機器を制御するプロセッサによる実行のための機械により実行可能な命令を有するコンピュータプログラムであって、前記医療機器は、電子制御される焦点を有する超音波トランスデューサを有する高密度焦点式超音波システムを更に有し、該高密度焦点式超音波システムは、前記超音波トランスデューサの位置合わせを行う機械式ポジショニングシステムを更に有し、前記電子制御される焦点は、焦点区域内で当該焦点を調整するよう動作可能であり、前記焦点区域の場所は、前記超音波トランスデューサの位置に依存する、コンピュータプログラムにおいて、
前記命令の実行は、前記プロセッサに、
前記焦点区域よりも大きい、前記対象内のボリュームを記述する標的区域を受け取らせ、
夫々がトランスデューサ位置を有する複数のサブ区域に前記標的区域を分割させ、前記超音波トランスデューサが特定のトランスデューサ位置にある場合に、前記焦点区域が前記複数のサブ区域の中の前記特定のトランスデューサ位置に関連するサブ区域を有するようにし、
前記複数のサブ区域の夫々へ前記特定のトランスデューサ位置を動かすシーケンスを決定させ、
前記シーケンスを用いて、前記複数のサブ区域から選択される被選択サブ区域を決定させ、
前記命令の実行は更に、前記プロセッサに、繰り返し
前記被選択サブ区域のトランスデューサ位置へ前記超音波トランスデューサを動かすよう前記機械式ポジショニングシステムを制御し、
前記被選択サブ区域におけるボクセルの夫々の温度を記述する前記磁気共鳴測温データを前記磁気共鳴撮像システムを用いて取得し、
少なくとも前記磁気共鳴測温データを用いて、前記ボクセルの夫々における温度を記述する温度特性マップを決定し、
前記温度特性マップを用いる温度フィードバック制御アルゴリズムにより前記電子制御される焦点を制御することによって、前記被選択サブ区域を目標温度へと加熱し、
前記シーケンスを用いて前記被選択サブ区域を変更する
ことによって、所定時間存続期間の間、前記標的区域を前記目標温度に保たせる、コンピュータプログラム。
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