JP6653172B2

JP6653172B2 - 超音波治療装置

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Publication number: JP6653172B2
Application number: JP2015547815A
Authority: JP
Inventors: 佳徳関; 射谷　和徳; 和徳射谷; 下川　宏明; 宏明下川; 浩金井
Original assignee: Tohoku University NUC; Hitachi Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; Hitachi Ltd
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2034-11-17
Also published as: WO2015072566A1; US20160296767A1; JPWO2015072566A1; US11083914B2

Description

本発明は、超音波治療装置に関する。

虚血組織の治療、例えば虚血性心疾患に対する治療などでは、従来から、外科手術による観血的な治療が行われていた。この治療方法は、患者に対する侵襲性が高く、患者への負担が大きい。

そこで、近年になり、衝撃波を用いて虚血組織を治療する方法が開発されている。例えば、心臓の冠動脈の一部の狭窄又は閉塞により損傷を受けた心筋組織に対して、弱い衝撃波を照射して治療する方法である。衝撃波を虚血組織に照射すると、その照射部位において新生血管再生が促される治療効果が知られている。この治療方法は非侵襲的であり、患者への負担が小さい。このような治療方法を実現する装置の例として、例えば、特許文献１に記載されている装置が知られている。この装置は、結石破砕装置を応用したものであり、結石破砕装置よりも出力を弱めた衝撃波を患部に照射する。

特許文献１に記載される種類の装置では、衝撃波照射ヘッドにより生体内の画像を得ることができないため、照射部位の特定などのための超音波診断装置を別に用意する必要があった。しかし、超音波診断装置のプローブを衝撃波照射ヘッドと同一位置に置くことはできないので、超音波診断装置の診断画像は、衝撃波照射ヘッドとは異なる視点、視線方向からのものとなってしまう。

また、衝撃波照射ヘッドが比較的大きいことから、例えば心臓の治療の場合において、治療対象となる心筋以外に、肋骨や肺組織などの組織にも衝撃波が照射されてしまう。この場合、肋骨や肺組織は、生体軟部組織との比較において音響インピーダンスが極めて異なる値であるために、生体軟部組織との境界で衝撃波が反射や散乱を起こし、治療対象となる心筋等へ到達する衝撃波を減少させてしまい、治療対象以外へ到達する衝撃波が増えてしまう。

こうした事情に鑑み、本願の出願人は、特許文献２において、治療部位以外への超音波照射を極力少なくする超音波治療装置を提案している。

特許第３０５８６４５号公報特開２０１１−１５７３２号公報

上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、超音波治療装置のさらなる改良について研究開発を重ねてきた。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、従来よりも治療効果の高い超音波治療装置を提供することにある。

上記目的にかなう好適な超音波治療装置は、超音波を送受するプローブと、プローブを制御して診断用超音波の送信ビームを診断領域内で走査する送信部と、診断用超音波の送信ビームに対応した受信ビームに沿って診断用超音波の受信信号を得る受信部と、診断用超音波の受信信号に基づいて診断領域の超音波画像を形成する画像形成部と、を有し、前記送信部は、プローブを制御することにより、治療用超音波の送信ビームを形成し、診断領域内に設定される治療領域内で治療用超音波の送信ビームを走査する、ことを特徴とする。

上記装置において、診断用超音波は、例えば、従来の超音波診断装置において診断に利用される超音波と比較して、波数や照射強度が同程度であり、例えば従来の一般的な超音波診断装置の振動素子を利用して送受される。これに対し、治療用超音波は、診断用超音波よりも波数が多いことが望ましい。なお、治療用超音波は、診断用超音波と比較して照射強度は同程度でよく、診断用超音波を送受する振動素子を利用して治療用超音波を送波することができる。もちろん、診断用超音波を送受する振動素子と治療用超音波を送波する振動素子を別々に設けてもよい。

上記装置によれば、診断用超音波よりも波数の多い治療用超音波を利用するため、診断用超音波と同程度の波数の治療用超音波を利用する場合に比べて、治療効果が高まる。例えば、診断用超音波の波数が１波または２波程度であれば、治療用超音波の波数は３波以上とされる。治療効果をさらに高めるためには、治療用超音波の波数は、例えば６波程度以上であることが望ましく、例えば１６波、３２波、４８波、６４波などから選択される。実験結果から最も高い治療効果が期待されるのは３２波であり、したがって、治療用超音波の波数は３２波とされることが特に望ましい。もちろん、３２波と同程度の波数によっても高い治療効果が期待されるため、治療用超音波の波数は、厳密な３２波に限らず３２波と同程度の波数に設定されてもよい。３２波と同程度の波数とは、例えば１６波〜４８波、望ましくは２４波〜４０波などであるが、これらの例に限定されない。

また、上記装置によれば、治療領域内で治療用超音波の送信ビームを走査するため、治療用超音波の送信ビームを走査しない場合に比べて、治療効果が高まる。治療用超音波の送信ビームの走査態様としては、１ラインずつ送信ビームの角度や位置をずらす連続的な走査の他に、規則的に又は不規則的に複数ラインを跨いで送信ビームの角度や位置を変更する離散的な走査も含まれる。実験結果によれば、診断用超音波よりも波数の多い治療用超音波を照射した場合に、治療部位（例えば虚血組織）に改善が見られるが、正常部位（例えば正常組織）には有意な影響を与えない。したがって、治療部位と正常部位が治療領域内に混在する場合においても、治療領域の全域に亘って治療用超音波を送波して、正常部位への影響を抑えつつ、治療領域の全域に亘って治療部位を治療できる。つまり、治療領域内で治療用超音波の送信ビームを走査することにより、走査しない場合に比べて、広域的な治療が可能になり治療領域全体としての治療効果が高まる。

望ましい具体例において、一例として前記送信部は、波数が３２波の治療用超音波を送波するようにプローブを制御する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記超音波治療装置は、診断用超音波を利用する診断モードと治療用超音波を利用する治療モードとを備え、治療モードにおいて、前記送信部は、治療用超音波の送信ビームを治療領域内で走査し、前記受信部は、治療用超音波の送信ビームに対応した受信ビームに沿って治療領域内から治療用超音波の受信信号を取得し、前記画像形成部は、治療用超音波の受信信号に基づいて治療領域の超音波画像を形成する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記超音波治療装置は、診断用超音波を利用する診断モードと治療用超音波を利用する治療モードとを備え、治療モードにおいて、前記送信部は、治療用超音波の放射圧が周期的に変動するように、治療用超音波の送信ビームを治療領域内で走査し、変動する放射圧で治療部位を揺動させる、ことを特徴とする。

本発明により、従来よりも治療効果の高い超音波治療装置が提供される。例えば、本発明の好適な態様によれば、診断用超音波よりも波数の多い治療用超音波を利用するため、診断用超音波と同程度の波数の治療用超音波を利用する場合に比べて治療効果が高まる。また、例えば、本発明の好適な態様によれば、治療領域内で治療用超音波の送信ビームを走査するため、治療用超音波の送信ビームを走査しない場合に比べて治療効果が高まる。

本発明の実施において好適な超音波治療装置の全体構成を示す図である。診断用超音波と治療用超音波の具体例を示す図である。血管新生因子の発現に係る実験結果を示す図である。治療用超音波が組織へ与える影響に関する実験結果を示す図である。毛細血管密度に係る実験結果を示す図である。治療用超音波の走査の具体例を示す図である。図１の超音波治療装置の動作例を示すフローチャートである。

図１は、本発明の実施において好適な超音波治療装置１００の全体構成図である。超音波治療装置１００は、例えば虚血組織の治療に適しており、好適な治療対象の一例は心臓である。もちろん、超音波治療装置１００の治療対象は心臓に限定されず、例えば血管や心臓以外の臓器等が治療対象とされてもよい。超音波治療装置１００は、診断用超音波と治療用超音波を利用する。

プローブ１０は、診断用超音波と治療用超音波を送受する図示しない複数の振動素子を備えている。複数の振動素子は、例えば、コンベックス走査型やセクタ走査型やリニア走査型、二次元画像（断層画像）用や三次元画像用等に応じた素子配列のいずれでもよい。なお、プローブ１０が備える複数の振動素子は、各々が診断用超音波と治療用超音波の両方を送受できることが望ましいものの、診断用超音波を送受する振動素子と治療用超音波を送受する振動素子を別々に設けてもよい。

送信部１２は、プローブ１０が備える複数の振動素子に送信信号を出力してプローブ１０を制御する。送信部１２は、プローブ１０を制御することにより、診断用超音波の送信ビームを診断領域内で走査する。また、送信部１２は、プローブ１０を制御することにより、治療用超音波の送信ビームを治療領域内で走査する。つまり、送信部１２は、送信ビームフォーマの機能を備えている。送信部１２による具体的な走査処理については後に詳述する。

受信部１４は、プローブ１０が備える複数の振動素子から得られる複数の受波信号を整相加算処理するなどして受信ビームを形成し、受信ビームに沿って受信信号を得る。つまり、受信部１４は、受信ビームフォーマの機能を備えている。受信部１４は、診断用超音波の送信ビームに対応した受信ビームを形成して診断領域内から診断用超音波の受信信号を得る。また、受信部１４は、治療用超音波の送信ビームに対応した受信ビームを形成して治療領域内から治療用超音波の受信信号を得る。

画像形成部２０は、診断用超音波の受信信号に基づいて診断領域の超音波画像を形成する。また、画像形成部２０は、治療用超音波の受信信号に基づいて治療領域の超音波画像を形成する。超音波画像の好適な具体例は、公知のＢモード画像の形成処理により得られるＢモード画像である。なお、画像形成部２０は、超音波画像として、３次元の超音波画像やカラードプラ画像などを形成してもよい。画像形成部２０において形成された超音波画像は、表示部３０に表示される。

制御部４０は、超音波治療装置１００内を集中的に制御する。操作デバイス５０は、ユーザから操作を受け付けるデバイスであり、操作デバイス５０がユーザから受け付けた指示は、制御部４０へ送られて超音波治療装置１００内の制御に反映される。

なお、送信部１２と受信部１４と画像形成部２０は、それぞれ、例えばプロセッサや電子回路等のハードウェアを利用して実現される。また、表示部３０の好適な具体例は例えば液晶ディスプレイ等である。また、操作デバイス５０は、例えば、マウス、トラックボール、キーボード、タッチパネル、その他のスイッチ類などのうちの少なくとも一部で構成される。そして、制御部４０は、例えば、演算機能を備えたＣＰＵ等のハードウェアにより構成され、ハードウェアとその動作を規定するソフトウェア（プログラム）との協働により、制御部４０の機能が実現される。

超音波治療装置１００の全体構成は以上のとおりである。次に、超音波治療装置１００により実現される機能等について詳述する。なお、図１に示した構成（部分）については以下の説明において図１の符号を利用する。

図２は、診断用超音波と治療用超音波の具体例を示す図である。図２には、図１の超音波治療装置１００において送波される診断用超音波と治療用超音波の波形が図示されている。

診断用超音波は、例えば、従来から知られている一般的な超音波診断装置の診断に利用される超音波と比較して、波数や照射強度が同程度である。一般的な超音波診断装置において診断に利用される超音波は、通常１波から２波程度である。そのため、図１の超音波治療装置１００において、診断用超音波の波数は、例えば１波から２波程度である。図２＜Ａ＞には、診断用超音波の具体例として、波数１（１波）の波形が図示されている。なお、診断用超音波として、例えば２波から６波程度の波形が利用されてもよい。

一方、治療用超音波は、診断用超音波よりも波数が多いロングバースト波である。治療用超音波の波数は、例えば６波程度以上であることが望ましく、具体的には、例えば１６波、３２波、４８波、６４波などから選択される。図２＜Ｂ＞には、治療用超音波の具体例として、波数１６（１６波）の波形が図示されており、図２＜Ｃ＞には、治療用超音波の具体例として、波数３２（３２波）の波形が図示されており、図２＜Ｄ＞には、治療用超音波の具体例として、波数６４（６４波）の波形が図示されている。

図３は、血管新生因子の発現に係る実験結果を示す図である。図３には、治療用超音波の波数を１波（１Ｃｙｃｌｅ），１６波（１６Ｃｙｃｌｅ），３２波（３２Ｃｙｃｌｅ），４８波（４８Ｃｙｃｌｅ），６４波（６４Ｃｙｃｌｅ）とした場合における血管新生因子（ＶＥＧＦ）の発現（縦軸）が図示されており、３２波における発現が最も高い。つまり、この実験結果によれば、治療用超音波の波数が３２波の場合に、虚血組織の治療効果が最も高い。そこで、図１の超音波治療装置１００においては、例えば波数が３２波の治療用超音波が利用される。

図４は、治療用超音波が組織へ与える影響に関する実験結果を示す図である。図４＜Ａ＞は、血管新生因子（ＶＥＧＦ）の発現に係る実験結果を、図４＜Ｂ＞は、内皮型一酸化窒素合成酵素（ｅＮＯＳ）の発現に係る実験結果を、図４＜Ｃ＞は、塩基性線維芽細胞増殖因子（ｂＦＧＦ）の発現に係る実験結果を示している。図４＜Ａ＞〜＜Ｃ＞には、虚血組織と正常組織のそれぞれについて、治療用超音波を送波した場合における各因子の発現量が示されている。

図４に示すように、治療用超音波を送波することにより、＜Ａ＞〜＜Ｃ＞の全ての因子において、虚血組織については発現が促されているものの、正常組織については発現が抑えられている。つまり、治療用超音波により、正常組織に対する影響を抑えつつ、虚血組織に対して治療の効果が現れている。

図５は、毛細血管密度に係る実験結果を示す図である。図５には、虚血組織と正常組織のそれぞれについて、治療用超音波を送波した場合の毛細血管密度が示されている。図５に示すように、治療用超音波を送波することにより、虚血組織については毛細血管密度が高くなるものの、正常組織については毛細血管密度の増加が抑えられている。つまり、治療用超音波により、毛細血管密度が虚血部位だけで亢進している。

そこで、図１の超音波治療装置１００は、治療部位（虚血組織）と正常部位（正常組織）が治療領域内に混在する場合においても、治療領域の全域に亘って治療用超音波の送信ビームを走査して、正常部位への影響を抑えつつ、治療領域の全域に亘って治療部位を治療する。

図６は、治療用超音波の走査の具体例を示す図である。図６は、心臓の心筋における虚血組織を治療する場合の具体例を示しており、図６には、表示部３０に表示される表示画像３２が図示されている。表示画像３２は、心臓を含む診断領域の超音波画像、つまり心臓短軸のＢモード画像（短軸像）を含んでいる。

心臓短軸のＢモード画像は、診断用超音波を介して、公知のＢモード画像の形成処理によって形成される。つまり、送信部１２が診断用超音波の送信ビームを診断領域内で走査し、受信部１４がその送信ビームに対応した受信ビームに沿って診断領域内から受信信号を収集し、その受信信号に基づいて、画像形成部２０が診断領域のＢモード画像を形成する。

診断領域のＢモード画像が形成されると、治療部位である心筋の虚血組織を含むように治療領域が設定される。例えば、図６に示すように、診断領域内において、右側境界ラインの角度θ１と左側境界ラインの角度θ２が設定され、設定された右側境界ラインと左側境界ラインの間の領域が治療領域となる。超音波治療装置１００のユーザ（医師等の治療者）は、心臓の短軸像を映し出した表示画像３２を見ながら、トラックボール等の操作デバイス５０を操作して、治療対象である虚血組織が含まれるように、右側境界ラインの角度θ１と左側境界ラインの角度θ２を調整し、診断領域内に治療領域を設定する。

治療領域が設定されると、送信部１２が治療用超音波の送信ビームを治療領域内で走査して、虚血組織の治療が行われる。送信部１２は、例えば、図６に示すように、治療用超音波の送信ビームを、右側境界ラインに対応するライン１からライン２，３，４，・・・の順に左側境界ラインに対応するラインｎまで走査する。なお、送信部１２は、１ラインずつ送信ビームのラインをずらす走査に代えて、規則的に又は不規則的に複数ラインを跨いで送信ビームのラインをずらす走査を行ってもよい。

治療用超音波の送信ビームの焦点（フォーカスの深さ）は、虚血組織が存在する深さに設定されることが望ましい。例えば、ユーザが表示画像３２を見ながら、操作デバイス５０を操作して、治療用超音波のフォーカス深さを設定する。なお、治療領域の治療レンジ（治療用超音波のパルス繰り返し周期）は、診断領域の診断レンジ（診断用超音波のパルス繰り返し周期）と同じであってもよいし、例えば、治療用超音波のフォーカス深さに応じて、治療領域の治療レンジが調整されてもよい。

また、組織に対して超音波を送波した際に発生する超音波の放射力により、組織が変位することが知られている。そこで、送信部１２は、治療用超音波の放射圧が周期的に変動するように、治療用超音波の送信ビームを治療領域内で走査し、変動する放射圧で治療部位を揺動させる。治療部位を揺動させつつ治療用超音波が送波されることにより、治療効果がさらに増大する。

組織が振動する範囲は、超音波の繰り返し周波数と横波の速度によって決定される。生体内の横波の速度は、１〜１０ｍ／ｓｅｃ程度であるので、例えば、横波の速度が１ｍ／ｓｅｃの組織であれば、１００Ｈｚの周期で超音波を繰り返し送波すると、超音波のフォーカス点付近の１０ｍｍ程度の長さの範囲がより効果的に振動する。治療したい組織の大きさと横波の速度に応じて治療用超音波の繰り返し周波数を決定することにより、放射力による機械的な振動による効果を加えた治療効果が期待できる。

図６には、放射力による振動に好適な治療用超音波の送信シーケンスの具体例が図示されている。図６に示す具体例では、治療用超音波の送信ビームがライン１からライン２，３，４，・・・の順にラインｎまで走査される。隣接するビーム間のパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）を１０ｋＨｚとし、ビーム本数ｎを１００本とすると、同一の組織箇所に治療用超音波が照射される周期は１００Ｈｚとなり、その組織箇所を効果的に振動させることができる。なお、治療用超音波に代えて、放射力を発生させる放射用超音波により、治療部位を振動させてもよい。

図７は、図１の超音波治療装置による治療例を示すフローチャートである。まず、治療用超音波を利用した治療モードの前に診断用超音波を利用した診断モードが実行される。つまり、診断用超音波の送受が開始され（Ｓ６０１）、治療部位を含む被検体に関する診断領域の超音波画像が表示される（Ｓ６０２）。

超音波治療装置１００のユーザ（医師等の治療者）は、表示部３０に表示される超音波画像（例えば、図６に示す心臓の短軸像）を見ながら、必要に応じてプローブ１０を手で動かして、被検体内の治療部位を探索する（Ｓ６０３）。治療部位が探索されると、ユーザは、超音波画像内に映し出される治療部位が含まれるように、操作デバイス５０を操作して治療領域（一例であるが、図６に示す角度θ１と角度θ２）を設定する（Ｓ６０４）。なお、超音波画像が三次元画像であれば、例えば、任意の二次元平面内において二次元の治療領域（角度θ１と角度θ２）を設定し、さらに、当該二次元平面に交差する（例えば直交する）二次元平面内において二次元の治療領域（角度θ３と角度θ４）を設定し、これら２つの二次元治療領域に基づいて三次元の立体的な治療領域が設定されてもよい。もちろん、三次元の治療領域を設定する手法は上記具体例に限定されない。さらに、ユーザは、治療部位に対して効果的に治療用超音波が送波されるように、治療用超音波の送信ビームに関するフォーカス深さを設定し、治療用超音波が送波される治療領域の治療レンジを設定する（Ｓ６０５）。

治療に係る設定が終了すると、超音波治療装置１００が診断モードから治療モードに切り替えられ（Ｓ６０６）、治療用超音波の送波が開始され、治療用超音波の送信ビームが治療領域内において走査され（Ｓ６０７）、治療用超音波による治療が行われる。なお、治療部位の探索（Ｓ６０３）が行われた後から、治療用超音波の送波が開始（Ｓ６０７）される前の、いずれかのタイミングにおいて、プローブ１０を治具などにより固定することが望ましい。

さらに、治療用超音波の送信ビームが治療領域内において走査されて治療が行われている間に、受信部１４は、治療用超音波の送信ビームに対応した受信ビームを形成して治療領域内から治療用超音波の受信信号を得る。そして、画像形成部２０は、治療用超音波の受信信号に基づいて治療領域の超音波画像（例えばＢモード画像）を形成し、形成された超音波画像が表示部３０に表示される（Ｓ６０８）。これにより、ユーザは、治療領域の超音波画像から、治療状況を確認することができる。ユーザは、例えば治療用超音波が治療領域に送波されているかどうかを確認することができる。

こうして、Ｓ６０４において設定された治療領域に対して、例えば２０分程度の治療が行われると、治療用超音波の送波が終了し（Ｓ６０９）、その治療領域に関する治療が終了する。なお、被検体内に複数の治療領域を設定する必要があれば、例えば各治療領域ごとに図７のフローチャートが実行される。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０プローブ、１２送信部、１４受信部、２０画像形成部、３０表示部、４０制御部、５０操作デバイス、１００超音波治療装置。

Claims

超音波を送受するプローブと、
プローブを制御して診断用超音波の送信ビームを診断領域内で走査する送信部と、
診断用超音波の送信ビームに対応した受信ビームに沿って診断用超音波の受信信号を得る受信部と、
診断用超音波の受信信号に基づいて診断領域の超音波画像を形成する画像形成部と、
を有し、
前記送信部は、６波〜６４波の中から選択される波数のパルスである治療用超音波を送波するようにプローブを制御することにより、診断用超音波よりも波数の多い治療用超音波の送信ビームを形成し、診断領域内に設定される虚血組織と正常組織が混在する治療領域内で、治療用超音波の放射圧が周期的に変動するように治療用超音波の送信ビームを走査し、変動する放射圧で治療部位を揺動させる、
ことを特徴とする超音波治療装置。
請求項１に記載の超音波治療装置において、
前記送信部は、１６波〜６４波の中から選択される波数の治療用超音波を送波するようにプローブを制御する、
ことを特徴とする超音波治療装置。
請求項２に記載の超音波治療装置において、
前記送信部は、波数が３２波の治療用超音波を送波するようにプローブを制御する、
ことを特徴とする超音波治療装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波治療装置において、
前記送信部は、虚血組織と正常組織が混在する治療領域内の全域に亘って治療用超音波の送信ビームを走査する、
ことを特徴とする超音波治療装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波治療装置において、
前記送信部は、治療用超音波の送信ビームの焦点を虚血組織の深さに設定する、
ことを特徴とする超音波治療装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波治療装置において、
診断用超音波を利用する診断モードと診断用超音波よりも波数の多い治療用超音波を利用する治療モードとを備え、
治療モードにおいて、
前記送信部は、治療用超音波の送信ビームを虚血組織と正常組織が混在する治療領域内で走査し、
前記受信部は、治療用超音波の送信ビームに対応した受信ビームに沿って前記治療領域内から治療用超音波の受信信号を取得し、
前記画像形成部は、治療用超音波の受信信号に基づいて前記治療領域の超音波画像を形成する、
ことを特徴とする超音波治療装置。
請求項６に記載の超音波治療装置において、
前記送信部は、治療モードにおいて、虚血組織と正常組織が混在する治療領域内の全域に亘って治療用超音波の送信ビームを走査する、
ことを特徴とする超音波治療装置。
請求項６または７に記載の超音波治療装置において、
前記送信部は、治療モードにおいて、治療用超音波の送信ビームの焦点を虚血組織の深さに設定する、
ことを特徴とする超音波治療装置。
請求項１から８のいずれか１項に記載の超音波治療装置において、
前記送信部は、治療用超音波の放射圧が周期的に変動するように治療用超音波の送信ビームを治療領域内で走査し、変動する放射圧で治療部位である虚血組織を揺動させる、
ことを特徴とする超音波治療装置。