JP6016884B2

JP6016884B2 - 集束し交差する超音波を用いて組織を処理するための治療用プローブ

Info

Publication number: JP6016884B2
Application number: JP2014501686A
Authority: JP
Inventors: ムロドゥリマ，ダヴィド; ヴァンスノ，ジェレミー; エマニュエル，ブラン; シャプロン，ジャン−イヴ
Original assignee: Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM; EDAP TMS France SAS
Current assignee: Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM; EDAP TMS France SAS
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: FR2973250B1; WO2012131213A1; JP2014522246A; US9737324B2; FR2973250A1; CN103619411B; EP2691154A1; CN103619411A; US20140081300A1; EP2691154B1

Description

本発明は、複数の超音波トランスデューサ素子によって構成された超音波プローブを含み、高密度焦点式超音波（ハイフ）を放射することに適した装置の技術分野に関する。

本発明の主題は、集束超音波を用いた治療の分野で特に有利に適用され得る。

集束超音波治療が、熱的効果と音響空洞現象（l'activite de cavitation acoustique）との組み合せによって組織に生体損傷を与え得ること知られている。このような組織の損傷の形状は、使用される超音波プローブの放射面の形状に直接的に依存する。

例えば、従来の球面状のＨＩＦＵ超音波トランスデューサの元来の幾何学的焦点は点状（ponctuelle）であるが、幾何収差が原因で、焦点領域は楕円形状を有している。また、トロイド形状（forme torique）のＨＩＦＵトランスデューサによれば、リング形状またはクラウン形状（forme d'anneau ou de couronne）の焦点領域が得られる。

超音波トランスデューサの形状に関わりなく、超音波トランスデューサの焦点を合わせれば合わせるほど、焦点領域における空間分解能および生体損傷が好適化される。このことにより、焦点領域に存在する組織に隣接する組織が保護されるのであるが、損傷の体積が減少し、結果として治療時間が長期化してしまう。

治療時間を短くするためには、各超音波パルスを印加することによる生体損傷の体積を増加させる必要がある。この目的で、種々の解決策が検討されている。例えば、超音波トランスデューサの開口を小さくすることよって焦点の体積を増加させることができる。しかし、そのようにすると、超音波の経路における音圧勾配も小さくなり、トランスデューサと焦点領域との中間における組織の領域がより大きな熱にさらされてしまう。

他の解決策では、動作周波数を低くすることにより焦点の体積を増加させる。しかし、超音波の周波数を低くすると、吸収されるエネルギーも小さくなり、結果として組織内に集まる熱も小さくなる。

超音波トランスデューサによって放射される音響出力を大きくすることも考えられる。しかし、そのようにすると、焦点領域とトランスデューサとの間に位置する組織の領域が、より大きな音響出力にさらされ、目標領域外で損傷が発生する可能性がある。

米国特許第５８７３８４５号明細書は、焦点領域が広がるように、超音波トランスデューサの前方に屈折レンズを配置するという他の解決策を提案している。この解決策はシンプルで経済的であるが、この解決策では限定的な効果しか得られず、放射された音響エネルギーの一部をレンズが吸収してしまう。

欧州特許第０２１４７８２号明細書には、球面状の幾何形状を有するトランスデューサから環状の焦点を得ることを可能とするレンズを備えた超音波トランスデューサに関する他の解決策が記載されている。この特殊な構成は、焦点領域をリングのサイズにまで広げることを可能とするが、複数の超音波ビームの交差部に由来する重複領域をトランスデューサの焦点面の向こう側におけるトランスデューサの中心軸上の位置に生じさせる。この文献は、二次損傷のリスクを排除する目的で、上記の重複領域における圧力場を低減させるシステムを提供している。

非特許文献５５００９８２０には、対称軸から離間した位置に曲率中心を有する凹曲線部分を、対称軸の周囲で回転させることによって得られる回転放射面を含む治療用（therapie）プローブが記載されている。この放射面は、一断面において、対称軸について対称である２つの凹曲線部分を有しており、凹曲線部分の各々は、曲率中心と当該凹曲線部分の中心とを通過する音響軸を有している。

このようなトランスデューサは、一方で、焦点面によって範囲が定められる超音波の焦点のリングをもたらし、他方で、複数の超音波ビームが交差する領域をもたらす。この文献から明らかであるように、第２の圧力のピークに対応する複数の超音波ビームが交差する領域は、焦点面の後方に位置している。

米国特許出願公開第２００９／２３０８２３号明細書には、個別に駆動させられ得る一連の超音波トランスミッタを含む球面状の放射面を有するトランスデューサを含む治療用プローブが記載されている。一群のトランスデューサは、共通の焦点に向かうように方向づけられる。トランスデューサが共焦点型であれば、複数の音響トランスデューサの軸は、一点に集まる。

本発明は、超音波で処理する必要のない隣接する生体領域を保護しつつも生体損傷の体積を比較的大きくすることに適した新たな治療用プローブを提案することにより、種々の従来技術の欠点を解消することを目的とする。

上記の目的を達成するために、集束する超音波を用いて組織を処理するための治療用プローブは、放射面に分布する（repartis）複数の超音波源によって構成され、焦点面において拡がる第１の焦点領域に超音波を集束させるトランスデューサを含み、放射面は、一断面において、有限長を有し、対称面または対称軸について対称である２つの凹曲線部分を有し、凹曲線部分の各々は、当該凹曲線部分の曲率中心と当該凹曲線部分の中心とを通過する音響軸を有し、放射面は、凹曲線部分の一方を対称軸の周囲で回転させることによって、または曲線部分の両方を該曲線部分を含む断面に垂直な方向に平行移動させることによって得られるものである、こととする。

本発明では、
・断面において、２つの凹曲線部分は、重複することなく互いに交差する第１の円および第２の円の各弧に沿い、凹曲線部分の一方は、第２の円の内側に位置する第１の円の弧に沿い、２つの凹曲線部分の他方は、第１の円の内側に位置する第２の円の弧に沿い、
・曲線部分の各々は、第１の焦点領域と放射面との間における対称軸または対称面と交差する音響軸を有し、これらの音響軸は、放射面の複数のビームが交差して第１の焦点領域と放射面との間であって焦点面から離間した位置に第２の焦点領域が形成されるように、第１の焦点領域において１ｍｍから５０ｍｍの範囲の離間距離だけ互いに離間し、
・放射面は、対称軸または対称面の両側で延びる対称な部分が１０ｍｍから１２０ｍｍの範囲の内側距離だけ互いに離間した内縁を有し、第２の焦点領域を放射面から離間させている。

また、本発明に係る治療用プローブは、下記の追加の特徴の１および／または複数の組み合わせをさらに有していてもよい。
・放射面は、対称軸または対称面の両側で延びる対称な部分が３０ｍｍから３００ｍｍの範囲の外側距離だけ互いに離間した外縁を含む。
・放射面における内縁は、超音波イメージングプローブを取り付けるための溝の範囲を定める（le bord interne delimite dans la face d'emission, un logement pour le montage d'une sonde d'imagerie ultrasonore）。
・凹曲線部分の各々は凹状の円の弧の部分である。
・第１の焦点領域がクラウン形状を有するように、放射面は、凹曲線部分の一方を対称軸の周囲で回転させることにより得られるトロイド形状を有する。
・放射面は、対称軸について対称に切り取られている（est tronquee）。
・第１の焦点領域が二重線形状（une forme lineaire double）を有するように、放射面は、曲線部分の両方を、有限長にわたって当該曲線部分を含む断面に垂直な方向に平行移動させることによって得られる筒状の幾何形状を有する。

本発明はまた、集束する超音波を放射することによって組織を処理するための治療用装置であって、超音波が第１の焦点領域において集束し、第１の焦点領域と放射面との間に位置する第２の焦点領域が得られるように、制御回路の一部である信号発生器によって送信された信号によって駆動される超音波源を有する治療用プローブを含む治療用装置に関する。

種々の他の特徴は、添付の図面を参照しながら以下の明細書から明らかとなり、これらは本発明の非限定的実施形態を示す。

図１は、本発明に係る治療用プローブのブロックダイアグラムである。図２は、本発明に係るトロイド状の治療用プローブの斜視図である。図２Ａは、図２に示す本発明に係るトロイド状の治療用プローブの横断立面図である。図３は、切り取られたトロイド状の治療用プローブの斜視図である。図４は、２つの筒状部分からなる治療用プローブの斜視図である。図５は、図４に示す治療用プローブの横断立面図である。

図１からより明らかとなるように、本発明の主題は、一般的な意味で、高密度焦点式超音波（ハイフ）を用いて生体の組織を処理することに適した治療用装置Ｉの一部である治療用プローブ１に関する。具体的に、治療用プローブ１は、１または複数の超音波源３、例えばピエゾ素子等、を含むトランスデューサ２を含んでいる。超音波源３は、同軸ケーブル５によって、増幅段６を介して、超音波源３を駆動させる信号を送信する制御回路７に接続されている。制御回路７の実現は当業者の技術的知識の一部であるため、制御回路７の詳細な説明は割愛する。典型的には、制御回路７は、増幅段６を介して超音波源に接続される制御信号発生器を含んでいる。

トランスデューサ２は、第１の焦点領域Ｚ₁において集束する超音波を放射する表面８を有しており、第１の焦点領域Ｚ₁の幾何形状は、超音波トランスデューサの放射面の形状に依存する。

図１から図３に示す例では、第１の焦点領域Ｚ₁は、焦点面Ｐfにおいて拡がるリング形状またはクラウン形状をなしており、図４に示す例では、第１の焦点領域Ｚ₁は、焦点面Ｐfにおいて延びる二重線形状を有している。

図１から図３に示す例示的実施形態では、超音波トランスデューサ２の放射面８は、焦点面Ｐfに曲率中心Ｃを有する有限長ｌの凹曲線部分ｓ₁を、対称軸Ｓの周囲で回転させることによって得られる回転面である。曲率中心Ｃは、対称軸Ｓに関して上記曲線部分ｓ₁の反対側に位置している。曲率中心Ｃおよび凹曲線部分ｓ₁の中心を通過する音響軸または焦点軸ａは、焦点面Ｐfと放射面８との間で対称軸Ｓと交差する。上記放射面８の幾何形状は、交差トロイド形状（geometrie torique croisee）であると考えることができる。

図２および図２Ａから明らかであるように、断面（plan de profil）Ｐｐにおいて、放射面８は、対称軸Ｓについて対称である２つの凹曲線部分ｓ₁を有している。放射面８の凹部分ｓ₁の各々は、放射面８からみて対称軸Ｓの向こう側に位置する第１の焦点領域Ｚ₁の一地点で超音波を集束させる。すなわち、図２の右側に位置する曲線部分ｓ₁は、第１の焦点領域Ｚ₁における左側で超音波を集束させ、逆もまた同様である。

図２および図２Ａに示されているように、断面Ｐｐにおいて、放射面８は、中心Ｃを有する第１の円Ｅ₁の弧と、第１の円Ｅ₁の中心とは異なる別の中心Ｃを有する第２の円Ｅ₂の弧とに沿う２つの凹曲線部分ｓ₁を含んでいる。第１の円Ｅ₁および第２の円Ｅ₂は、重複することなく互いに交差している。２つの凹曲線部分ｓ₁の一方（図２および図２Ａの左方）は、第２の円Ｅ₂の内側に位置する第１の円Ｅ₁の弧に沿っている。同様に、２つの凹部分ｓ₁の他方（図２および図２Ａの右方）は、第１の円Ｅ₁の内側に位置する第２の円Ｅ₂の弧に沿っている。

先の記載は、第１の焦点領域Ｚ₁が離間径（diametre d'ecartement）Ｄ_eの環形状を有することを示している。１つの有利な特徴によれば、２つの対称な曲線部分ｓ₁の音響軸ａは、焦点面Ｐfにおいて、１ｍｍから５０ｍｍの範囲の離間径Ｄ_eだけ互いに離間している。

なお、放射面８における２つの部分が対称軸Ｓについて対称に位置するという上記の条件下では、対応する音響軸ａは、第１の焦点領域Ｚ₁と放射面８との間に位置する共通の交差点（point d'intersection commun）Ｉにおいて、対称軸Ｓに交差する。放射面８の複数のビームは、第１の焦点領域Ｚ₁と放射面８との間に位置する第２の焦点領域Ｚ₂を形成するように交差している。複数の超音波ビームの重複領域である第２の焦点領域Ｚ₂は、２つの特徴的な寸法、すなわち、径φと長さｈとを有している（図２）。

図１により具体的に示されている別の特徴によれば、放射面８は、対称軸Ｓを中心とした切り欠きまたは開口１０を有している。放射面８は、切り欠き１０の範囲を定める内縁８₁を有している。内縁８₁における対称軸Ｓについて対称な部分は、１０ｍｍから１２０ｍｍの範囲の内側距離Ｄ_iだけ互いに離間している。すなわち、２つの曲線部分の内縁８₁における対称軸Ｓについて対称な部分は内側距離Ｄ_iだけ互いに離間しているため、第２の焦点領域Ｚ₂を放射面８から離間させることに加え、長さｈを変化させつつ径φを変化させることが可能となる。

図２に明示しているように、第２の焦点領域Ｚ₂は焦点面Ｐfの下方に位置しているため、トランスデューサの焦点面Ｐfとトランスデューサの放射面８との間に音響エネルギーを取り込む（ramener）ことが可能となる。有利には、超音波の重複領域である第２の焦点領域Ｚ₂は、大きな生体損傷を形成することに使用される。

この技術は、焦点面Ｐfとトランスデューサ２との間に介在する生体構造を保護することを優先するべく、トランスデューサから離間した位置、具体的には焦点面Ｐfの向こう側に音響エネルギーを集めることを推奨する従来の手法とは一線を画する。本発明の利点は、焦点面Ｐfの下方に位置する複数のビームの重複領域を処理領域として用いつつ、焦点面の向こう側において複数の超音波ビームが交差することによって処理されるべき組織の幾何形状とは無関係であり先鋭で無秩序な幾何形状を有する二次損傷が引き起こされることを防止することにある。本発明は、第１の焦点領域Ｚ₁と第２の焦点領域Ｚ₂との組み合わせにより与えられる損傷の幾何形状を調整することを可能にする。

第２の焦点領域Ｚ₂の寸法φおよびｈは、内縁８₁における対向する部分が離間する内側距離Ｄ_iによっても調整できる。なお、この点に関し、有利には、内縁８₁は、超音波イメージングプローブを取り付けるための溝の範囲を定める。外側距離Ｄ_sは、第２の焦点領域Ｚ₂を焦点面Ｐ_fから離間させることを可能とする。つまり、第２の焦点領域Ｚ₂は、焦点面Ｐ_fに接していない。他の一実施形態では、第２の焦点領域Ｚ₂と第１の焦点領域Ｚ₁とが互いに区別されている、すなわち離間している。

さらに、第２の焦点領域Ｚ₂の寸法は、放射面８の縁を規定する外縁８₂における、対称軸Ｓについて対称な部分の間の外側距離Ｄｓによっても調整できる。有利には、外縁８₂における対称軸の両側で延びる対称な部分は、３０ｍｍから３００ｍｍの範囲の外側距離Ｄｓだけ互いに離間している。

図１および２に示す別の有利な実施形態では、凹曲線部分ｓ₁の各々は、凹状の円の弧の部分である。図１および２に示す例では、放射面８は、例えば、対称軸Ｓについて互いに同心状に設けられた一連の超音波トランスデューサ素子３を含む、完全な回転面である。当然ながら、図３に示すように、例えば５ｍｍから２５０ｍｍの範囲の長さを有する交差トロイドの一部にトランスデューサの範囲が制限されるように（afin que le transducteur se limite a une portion d'un tore croise）、放射面８を対称軸Ｓについて対称に切り取ることも考えられる。この例示的な実施形態では、トランスデューサ２は、各々がリング部分またはクラウン部分を構成するように対称軸Ｓについて互いに同心状に設けられた一連の超音波トランスデューサ素子３を有している。

図４および５は放射面８の他の実施形態を示し、この放射面８は、２つの対称な曲線部分ｓ₁を、２つの曲線部分ｓ₁を含む断面Ｐｐに垂直な方向Ｘに平行移動させることによって得られるものである。この平行移動は、方向Ｘについて、放射面８の所望サイズに適合した限られた長さにわたって実行されるものである。図１および２に示す例では、放射面８は回転面であるのに対し、この他の実施形態では、放射面８は、擬似円筒形状、筒形状または２つの筒状部からなる形状を有している。ただし、図２と図５とで対比されるように、断面では、図４および５に示す放射面８は、図１および２に示す放射面８と同じ幾何的な特徴を有している。

曲線部分ｓ₁の各々は、凹形状と有限長とを有している。２つの曲線部分ｓ₁は、断面Ｐｐに垂直な対称面Ａ₁について対称である。曲線部分ｓ₁の各々は、第１の焦点領域Ｚ₁と放射面８との間において対称面Ａ₁と交差する音響軸ａを有している。放射面８の曲線部分ｓ₁の各々は、放射面８からみて対称面Ａ₁の向こう側に位置する第１の焦点領域Ｚ₁における一地点において、超音波を集束させる。面タイプの対称の場合には、第１の焦点領域Ｚ₁は、二重線形状を有している。放射面８の各部分は、焦点面Ｐfにおいて方向Ｘに平行に延びる直線部分に沿って、対称面Ａ₁の向こう側で集束させる。

２つの対称な曲線部分ｓ1の音響軸ａは、第１の焦点領域Ｚ₁において、上述の特徴と同様に内側距離Ｄ_eだけ離間している。また、この変形例によれば、第１の焦点領域Ｚ₁と放射面８との間に位置する第２の焦点領域Ｚ₂が形成される。第２の焦点領域Ｚ₂は、図１および２に関して記載したものと同じ特徴を有している。

先の記載では、放射面８は、トランスデューサ２の一部として示されている。当然ながら、放射面８は、トランスデューサによって構成されていてもよいが、反射体、音響レンズ等の表面によって構成されていてもよいことは自明である。

Claims

集束する超音波を用いて組織を処理するための治療用プローブであって、
放射面（８）に分布する複数の超音波源（３）によって構成され、焦点面（Ｐf）において拡がる第１の焦点領域（Ｚ₁）に超音波を集束させるトランスデューサ（２）を含み、前記放射面（８）は、一断面（Ｐ_p）において、有限長を有し、対称面（Ａ₁）または対称軸（Ｓ）について対称である２つの凹曲線部分（ｓ₁）を有し、凹曲線部分（ｓ₁）の各々は、前記凹曲線部分（ｓ₁）の曲率中心（Ｃ）と前記凹曲線部分（ｓ₁）の中心とを通過する音響軸（ａ）を有し、前記放射面（８）は、前記凹曲線部分（ｓ₁）の一方を前記対称軸（Ｓ）の周囲で回転させることによって、または曲線部分（ｓ₁）の両方を該曲線部分を含む前記断面（Ｐ_p）に垂直な方向（Ｘ）に平行移動させることによって得られるものであり、
・前記断面（Ｐ_p）において、前記２つの凹曲線部分（ｓ₁）は、重複することなく互いに交差する第１の円（Ｅ₁）および第２の円（Ｅ₂）の各弧に沿い、前記凹曲線部分（ｓ₁）の一方は、前記第２の円の内側に位置する前記第１の円の前記弧に沿い、前記２つの凹曲線部分（ｓ₁）の他方は、前記第１の円の内側に位置する前記第２の円の前記弧に沿い、
・曲線部分（ｓ₁）の各々は、前記第１の焦点領域（Ｚ₁）と前記放射面（８）との間における前記対称軸（Ｓ）または前記対称面（Ａ₁）と交差する音響軸（ａ）を有し、これらの音響軸（ａ）は、前記放射面（８）の複数のビームが交差して前記第１の焦点領域（Ｚ₁）と前記放射面（８）との間であって前記焦点面（Ｐf）から離間した位置に第２の焦点領域（Ｚ₂）が形成されるように、前記第１の焦点領域（Ｚ₁）において１ｍｍから５０ｍｍの範囲の離間距離（Ｄ_e）だけ互いに離間し、
・前記放射面（８）は、前記対称軸（Ｓ）または前記対称面（Ａ₁）の両側で延びる対称な部分が１０ｍｍから１２０ｍｍの範囲の内側距離（Ｄ_i）だけ互いに離間した内縁（８₁）を含み、前記第２の焦点領域を前記放射面から離間させていることを特徴とする治療用プローブ。
前記放射面（８）は、前記対称軸または前記対称面の両側で延びる対称な部分が３０ｍｍから３００ｍｍの範囲の外側距離（Ｄ_s）だけ互いに離間した外縁を含むことを特徴とする、請求項１に記載の治療用プローブ。
前記放射面（８）における前記内縁（８₁）は、超音波イメージングプローブを取り付けるための溝の範囲を定めること特徴とする、請求項１に記載の治療用プローブ。
凹曲線部分（ｓ₁）の各々は、凹状の円の弧の部分であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の治療用プローブ。
前記第１の焦点領域（Ｚ₁）がクラウン形状を有するように、前記放射面（８）は、前記凹曲線部分（ｓ₁）の一方を前記対称軸（Ｓ）の周囲で回転させることにより得られるトロイド形状を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の治療用プローブ。
前記放射面（８）は、前記対称軸（Ｓ）について対称に切り取られていることを特徴とする、請求項５に記載の治療用プローブ。
前記第１の焦点領域（Ｚ₁）が二重線形状を有するように、前記放射面（８）は、曲線部分の両方を、有限長にわたって当該曲線部分を含む前記断面（Ｐp）に垂直な方向（Ｘ）に平行移動させることによって得られる筒状の幾何形状を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の治療用プローブ。
集束する超音波を放射することによって組織を処理するための治療用装置であって、超音波が第１の焦点領域（Ｚ₁）において集束し、前記第１の焦点領域（Ｚ₁）と前記放射面（８）との間に位置する第２の焦点領域（Ｚ₂）が得られるように、制御回路（７）の一部である信号発生器によって送信された信号によって駆動される超音波源（３）を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の治療用プローブを含む治療用装置。