JP6738820B2

JP6738820B2 - 超音波エネルギー表示装置

Info

Publication number: JP6738820B2
Application number: JP2017541800A
Authority: JP
Inventors: 浩▲リ▼ 劉; 静静夏
Original assignee: Chang Gung University CGU
Current assignee: Chang Gung University CGU
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2036-07-05
Also published as: EP3326538A4; KR102075756B1; CN106388855A; EP3326538B1; US10194887B2; US20170035391A1; KR20170122721A; TW201706010A; JP2018523498A; EP3326538A1; CN106388855B; WO2017020531A1; TWI576134B

Description

本発明は表示装置に関し、特に超音波エネルギー表示装置に関する。

従来の集束超音波は、２００キロヘルツ（ｋＨｚ）から２メガヘルツ（ＭＨｚ）といった適切な周波数を選択することで集束作用が生じる。また、集束領域は相当高い音圧を有するので、血液脳関門（ＢＢＢ:ｂｌｏｏｄ−ｂｒａｉｎｂａｒｒｉｅｒ）の一部を破壊する能力を有し、脳の局部への薬剤送達という目的が達成できる。しかし、従来の集束超音波装置は、一時的に局部集束領域の血液脳関門を開くことができるが、多くが高周波システムであるため、血液脳関門を侵襲的に開き、かつ微小領域に集中する血液脳関門を開く一方、比較的広範囲の血液脳関門を開くことができない。また、従来の集束超音波装置は、システムの価格が高くて、より優れて幅広い分野で応用されることができない。

高周波超音波システムは焦点にエネルギーを集束させることが容易にできるが、頭蓋骨等の硬組織によってエネルギーの大半が吸収されて超音波の効力が消失しやすいため、動物の頭蓋骨を取り除いてから操作する必要がある。それゆえに、高周波超音波システムはいまだ侵襲性薬剤送達治療システムのままである。超音波エネルギーは１箇所の焦点のみに集束する特性があるため、効果的かつ広範囲に血液脳関門を開くことができない。頭蓋骨を取り除かない前提で血液脳関門を開きたいのであれば、超音波エネルギーが低すぎてはいけないが、超音波エネルギーが高すぎると血液脳関門を直に傷つけてしまい、血液脳関門に対する治療を施すことができない。現在、連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅ）モードの音響放射力撮像（ＡｃｏｕｓｔｉｃＲａｄｉａｔｉｏｎＦｏｒｃｅＩｍａｇｉｎｇ）技術により、血液脳関門上の音響パターン（ａｃｏｕｓｔｉｃｐａｔｔｅｒｎｓ）を検出できるが、受信時間が長すぎると信号の分布をはっきりと確認し難く、また生体組織に対し超音波エネルギーを長時間励起させることにより熱的損傷または機械的損傷を引き起こし、血液脳関門に対する薬剤送達および有効治療という目的を達成することができない。

したがって、上述した従来技術の抱える問題を解決するために、本発明の超音波エネルギー表示装置が提案される。

本発明の主な目的は、集束超音波送受信装置による生体への超音波信号の送信を制御し、推定期間が過ぎてから返送される超音波信号の受信を開始することで生体の画像を生成し、画像の輝度を超音波信号のエネルギー強度に正比例させることで生物に対する薬剤送達および治療の効果が得られる、超音波エネルギー表示装置を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明が提供する超音波エネルギー表示装置は、集束超音波送受信装置、処理装置およびディスプレイを含む。処理装置は集束超音波送受信装置およびディスプレイに接続し、集束超音波送受信装置は生体の標的位置に対応して設置される。処理装置は集束超音波送受信装置と標的位置の距離および音速に基づいて推定期間を設ける。処理装置は第一電気信号を生成して集束超音波送受信装置に送信することにより、集束超音波送受信装置が標的位置に向かって少なくとも１つの第一超音波信号を送信するのを制御し、標的位置が第一超音波信号を反射することにより少なくとも１つの第二超音波信号が形成される。集束超音波送受信装置が第一電気信号を生成した後、推定期間を過ぎると、処理装置は、設定期間内においてのみ第二超音波信号の受信を開始するように集束超音波送受信装置を駆動する。この設定期間は、集束超音波送受信器の反応時間以上である。処理装置は第二超音波信号に基づいてディスプレイ上に標的位置の第一画像を表示し、第一画像の輝度は第一超音波信号のエネルギー強度に正比例する。

上述の目的を達成するために、本発明が提供する超音波エネルギー表示装置は、
生体の標的位置に向かって少なくとも１つの第一超音波信号を送信し、前記標的位置が前記第一超音波信号を反射することにより少なくとも１つの第二超音波信号が形成される集束超音波送受信装置と、
前記集束超音波送受信装置に接続し、前記集束超音波送受信装置と前記標的位置との距離および音速に基づいて推定期間を設定し、第一電気信号を生成して前記集束超音波送受信装置に送信することにより、前記集束超音波送受信装置が前記第一超音波信号を送信するのを制御し、続いて、前記推定期間が過ぎると、設定期間内においてのみ前記第二超音波信号の受信を開始するように前記集束超音波送受信装置を駆動し、前記設定期間が前記集束超音波送受信装置の反応時間以上である処理装置と、
前記処理装置に接続し、前記処理装置が前記第二超音波信号に基づいて前記標的位置の第一画像を表示し、前記第一画像の輝度が前記第一超音波信号のエネルギー強度に正比例するディスプレイと、
を含み、
前記集束超音波送受信装置は、前記第一電気信号を受信し、前記第一電気信号に基づいて前記第一超音波信号を生成するための少なくとも１つまたは複数の集束超音波送受信器をさらに含み、
前記処理装置は、前記第二超音波信号を受信するように前記集束超音波送受信器を駆動し、
前記設定期間は、前記集束超音波送受信器の反応時間以上であり、
前記第一画像は第一ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は、
を満たし、
その中の
は前記標的位置の座標であり、F は第一フィルター係数であり、N は前記集束超音波送受信器の数量であり、n は各前記集束超音波送受信器の添字であり、
はM×N の第一ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第一再変調周波数であり、
はM×N の第一チャネルデータ行列であり、
は前記第二超音波信号のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は前記第二超音波信号が前記標的位置からそれぞれN 個の前記集束超音波送受信器に戻る第一時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM×N の行列であり、M は前記第一時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値であり、前記推定期間は前記標的位置から最も遠く離れた前記集束超音波送受信器と前記標的位置との距離を２倍にした値を前記音速で割ることにより求められ、
前記処理装置は、前記第一画像の前記輝度と設定輝度との差に基づき、前記第一電気信号を調整して第二電気信号として前記集束超音波送受信器に受信させ、
前記集束超音波送受信器は、前記第二電気信号を利用して、エネルギー強度が前記第一超音波信号よりも大きい少なくとも１つの第三超音波信号を前記標的位置に向かって送信し、
前記標的位置は、前記第三超音波信号を反射することにより少なくとも１つの第四超音波信号が形成され、
前記処理装置は、前記集束超音波送受信器が前記第三超音波信号を生成した後に前記推定期間が過ぎると、前記設定期間内においてのみ前記第四超音波信号の受信を開始するように前記集束超音波送受信器を駆動し、前記第四超音波信号に基づいて前記ディスプレイ上に前記標的位置の第二画像を表示し、
前記第二画像の輝度は、前記第三超音波信号のエネルギー強度に正比例し、
前記第二画像は第二ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は、
を満たし、
その中の
は前記標的位置の座標であり、F’ は第二フィルター係数であり、N は前記集束超音波送受信器の数量であり、n は各前記集束超音波送受信器の添字であり、
はM’×N の第二ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第二再変調周波数であり、
はM’×N の第二チャネルデータ行列であり、
は前記第四超音波信号のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は前記第四超音波信号が前記標的位置からそれぞれN 個の前記集束超音波送受信器に戻る第二時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM’×N の行列であり、M’ は前記第二時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値であり、前記推定期間は前記標的位置から最も遠く離れた前記集束超音波送受信器と前記標的位置との距離を２倍にした値を前記音速で割ることにより求められる。

本発明の実施例では、複数の前記集束超音波送受信器は同一曲面上に２次元配列または同心円配列に形成される。

また、上述の目的を達成するために、本発明が提供する超音波エネルギー表示装置は、
生体の標的位置に向かって少なくとも１つの第一超音波信号を送信し、前記標的位置が前記第一超音波信号を反射することにより少なくとも１つの第二超音波信号が形成される集束超音波送受信装置と、
前記集束超音波送受信装置に接続し、前記集束超音波送受信装置と前記標的位置との距離および音速に基づいて推定期間を設定し、第一電気信号を生成して前記集束超音波送受信装置に送信することにより、前記集束超音波送受信装置が前記第一超音波信号を送信するのを制御し、続いて、前記推定期間が過ぎると、設定期間内においてのみ前記第二超音波信号の受信を開始するように前記集束超音波送受信装置を駆動し、前記設定期間が前記集束超音波送受信装置の反応時間以上である処理装置と、
前記処理装置に接続し、前記処理装置が前記第二超音波信号に基づいて前記標的位置の第一画像を表示し、前記第一画像の輝度が前記第一超音波信号のエネルギー強度に正比例するディスプレイと、
を含み、
本発明の実施例では、前記集束超音波送受信装置は、前記処理装置に接続する少なくとも１つの集束超音波送信器および少なくとも１つの集束超音波受信器をさらに含み、
前記集束超音波受信器は前記集束超音波送信器の外周に位置し、
前記集束超音波送信器は、前記第一電気信号を受信し、前記第一電気信号に基づいて前記第一超音波信号を生成し、
前記処理装置は、前記第二超音波信号を受信するように前記集束超音波受信器を駆動し、
前記設定期間は、前記集束超音波受信器の反応時間以上であり、
前記第一画像は第一ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は、
を満たし、
その中の
は前記標的位置の座標であり、F は第一フィルター係数であり、N は前記集束超音波受信器の数量であり、n は各前記集束超音波受信器の添字であり、
はM×N の第一ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第一再変調周波数であり、
はM×N の第一チャネルデータ行列であり、
は前記第二超音波信号のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は前記第二超音波信号が前記標的位置からそれぞれN 個の前記集束超音波受信器に戻る第一時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM×N の行列であり、M は前記第一時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値であり、前記推定期間は前記標的位置から最も遠く離れた前記集束超音波受信器と前記標的位置の距離を２倍にした値を前記音速で割ることにより求められ、
前記処理装置は、前記第一画像の前記輝度と設定輝度との差に基づき、前記第一電気信号を調整して第二電気信号として前記集束超音波受信器に受信させ、
前記集束超音波送信器は、前記第二電気信号を利用して、エネルギー強度が前記第一超音波信号よりも大きい少なくとも１つの第三超音波信号を前記標的位置に向かって送信し、
前記標的位置は、前記第三超音波信号を反射することにより少なくとも１つの第四超音波信号が形成され、
前記処理装置は、前記集束超音波受信器が前記第三超音波信号を生成した後に前記推定期間が過ぎると、前記設定期間内においてのみ前記第四超音波信号の受信を開始するように前記集束超音波受信器を駆動し、前記第四超音波信号に基づいて前記ディスプレイ上に前記標的位置の第二画像を表示し、
前記第二画像の輝度は、前記第三超音波信号のエネルギー強度に正比例し、
前記第二画像は第二ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は、
を満たし、
その中の
は前記標的位置の座標であり、F’ は第二フィルター係数であり、N は前記集束超音波受信器の数量であり、n は各前記集束超音波受信器の添字であり、
はM’×N の第二ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第二再変調周波数であり、
はM’×N の第二チャネルデータ行列であり、
は前記第四超音波信号のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は前記第四超音波信号が前記標的位置からそれぞれN 個の前記集束超音波受信器に戻る第二時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM’×N の行列であり、M’ は前記第二時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値であり、前記推定期間は前記標的位置から最も遠く離れた前記集束超音波受信器と前記標的位置の距離を２倍にした値を前記音速で割ることにより求められる。

本発明の実施例では、前記集束超音波送信器は複数で長い帯状の１次元配列に形成され、
前記集束超音波受信器は１個であり、
複数の前記集束超音波送信器および前記集束超音波受信器は、いずれも同一曲面上に位置する。

本発明の実施例では、前記集束超音波送信器は１個であり、
前記集束超音波受信器は複数個であり、
前記集束超音波送信器および複数の前記集束超音波受信器は、いずれも同一曲面上に位置し、
複数の前記集束超音波受信器は環状配列を呈する。

本発明の実施例では、前記第三超音波信号および前記第四超音波信号はいずれもバースト波である。

本発明の実施例では、前記第一超音波信号および前記第二超音波信号はいずれもバースト波である。

本発明の実施例では、前記第一超音波信号および前記第三超音波信号は骨を透過して前記標的位置に到達し、前記第一超音波信号および前記第三超音波信号の周波数が高いほど前記骨の厚さが薄くなる。

本発明の実施例では、前記生体は血液脳関門である。

本発明の超音波エネルギー表示装置は、生体に向けて超音波信号を送信し、推定期間を過ぎると戻ってくる超音波信号の受信を開始し、これに基づいて生体の画像を生成する。画像の輝度は超音波信号のエネルギー強度に正比例するので、これにより生体に加えるエネルギー量を把握でき、効果的な薬剤送達および治療が可能となる。

本発明の装置のブロック図である。本発明の２次元配列を呈する集束超音波送受信器を示す図である。本発明の同心円配列を呈する集束超音波送受信器を示す図である。本発明の装置の動作フローチャートである。本発明の複数の超音波送信器および１つの超音波受信器から成る超音波送受信装置を示す図である。本発明の１つの超音波送信器および複数の超音波受信器から成る超音波送受信装置を示す図である。本発明の０．４６７メガパスカル（ＭＰａ）の音圧を受ける血液脳関門のイメージ図である。本発明の図７ａに対応する第二画像のイメージ図である。本発明の０．７０５メガパスカル（ＭＰａ）の音圧を受ける血液脳関門の画像である。本発明の図８ａに対応する第二画像である。本発明の超音波信号のエネルギー強度と音圧の正比例関係を示す図である。

本発明の構造的特徴および達成できる作用効果をより理解、認識するために、添付の図面と併せて好ましい実施例について以下に詳細に説明する。

以下、図１、図２および図３を参照しながら、本発明の第一実施例について説明する。本発明は集束超音波送受信装置１０、処理装置１４およびディスプレイ１６を含む。処理装置１４は、集束超音波送受信装置１０およびディスプレイ１６に接続する。集束超音波送受信装置１０は、生体１７の標的位置に対応して設置される。この生体１７は例えば血液脳関門であってもよい。集束超音波送受信装置１０は少なくとも１個または複数個の集束超音波送受信器１８をさらに含む。第一実施例では、複数個の集束超音波送受信器１８を含む集束超音波送受信装置１０を例とし、図２および図３でそれぞれ示すように、集束超音波送受信器１８は同一曲面上において２次元配列または同心円配列に形成される。

処理装置１４は集束超音波送受信器１８と標的位置の距離および音速に基づいて推定期間を設定する。例えば、この推定期間は、標的位置から最も遠く離れた集束超音波送受信器１８と標的位置の距離を２倍にした値を音速で割ることにより求められる。処理装置１４は第一電気信号Ｅ１を生成して集束超音波送受信器１８に送信することにより、集束超音波送受信器１８が標的位置に向かって少なくとも１つの第一超音波信号Ｕ１を送信するのを制御し、第一超音波信号Ｕ１は骨を透過して標的位置に到達し、標的位置が第一超音波信号Ｕ１を反射することにより少なくとも１つの第二超音波信号Ｕ２が形成される。ここでは、第一超音波信号Ｕ１および第二超音波信号Ｕ２はいずれも複数のものを例とする。処理装置１４は、第一電気信号Ｅ１の生成後に推定期間が過ぎると、設定期間内においてのみ骨を透過した標的位置からの第二超音波信号Ｕ２の受信を開始し、その他の期間においていかなる超音波信号の受信も停止するように集束超音波送受信器１８を駆動する。この設定期間は集束超音波送受信器１８の反応時間以上である。処理装置１４は第二超音波信号Ｕ２に基づいてディスプレイ１６上に標的位置の第一画像を表示する。第一超音波信号Ｕ１のエネルギー強度は第二超音波信号Ｕ２のエネルギー強度に正比例し、かつ第一画像の輝度は第二超音波信号Ｕ２のエネルギー強度に正比例するので、第一画像の輝度は第一超音波信号Ｕ１のエネルギー強度に正比例する。処理装置１４は、第一画像の輝度と設定輝度との差に基づいて第一電気信号Ｅ１を調整して第二電気信号Ｅ２とし、集束超音波送受信器１８に受信させる。集束超音波送受信器１８は第二電気信号Ｅ２を利用して、エネルギー強度が第一超音波信号Ｕ１よりも大きい少なくとも１つの第三超音波信号Ｕ３を標的位置に向かって送信し、第三超音波信号Ｕ３は骨を透過して標的位置に到達し、標的位置が第三超音波信号Ｕ３を反射することにより少なくとも１つの第四超音波信号Ｕ４が形成される。ここでは、第三超音波信号Ｕ３および第四超音波信号Ｕ４はいずれも複数のものを例とする。集束超音波送受信器１８が第三超音波信号Ｕ３の生成後に推定期間が過ぎると、処理装置１４は、設定期間内においてのみ骨を透過した標的位置からの第四超音波信号Ｕ４の受信を開始し、その他の期間においていかなる超音波信号の受信も停止するように集束超音波送受信器１８を駆動する。上述の第一超音波信号Ｕ１、第二超音波信号Ｕ２、第三超音波信号Ｕ３および第四超音波信号Ｕ４はいずれもバースト波（ｂｕｒｓｔｗａｖｅ）である。また、第一超音波信号Ｕ１、第二超音波信号Ｕ２、第三超音波信号Ｕ３および第四超音波信号Ｕ４の周波数が高いほど、透過される骨の厚さが薄くなる。処理装置１４は第四超音波信号Ｕ４に基づいてディスプレイ１６上に標的位置の第二画像を表示する。第三超音波信号Ｕ３のエネルギー強度は第四超音波信号Ｕ４のエネルギー強度に正比例し、かつ第二画像の輝度は第四超音波信号Ｕ４のエネルギー強度に正比例するので、第二画像の輝度は第三超音波信号Ｕ３のエネルギー強度に正比例する。

以下、図４を参照しながら、第一実施例の動作プロセスを説明する。まず、ステップＳ１０、Ｓ１２およびＳ１４を含む補正プロセスを行う。まず、ステップＳ１０では、処理装置１４は第一電気信号Ｅ１を生成して集束超音波送受信器１８に送信することにより、集束超音波送受信器１８が標的位置に向かって第一超音波信号Ｕ１を送信するのを制御する。続いて、ステップＳ１２では、推定期間中に、第一超音波信号Ｕ１は骨を透過して標的位置に到達し、標的位置が第一超音波信号Ｕ１を反射することにより第二超音波信号Ｕ２が形成される。推定期間が過ぎると、処理装置１４は設定期間内においてのみ骨を透過した標的位置からの第二超音波信号Ｕ２の受信を開始するように集束超音波送受信器１８を駆動する。その後、ステップＳ１４では、処理装置１４は第二超音波信号Ｕ２に基づいてディスプレイ１６上に標的位置の第一画像を表示し、第一画像の輝度を第一超音波信号Ｕ１のエネルギー強度に正比例させる。

第一画像は第一ビーム形成（ｂｅａｍｆｏｒｍｅｄ）フィルターデータ
に基づいて表示され、
は下記式[数９５]、[数９６]、[数９７]、[数９８]および[数９９]を満たす。

その中の
は標的位置の座標であり、F は第一フィルター係数（ｆｉｌｔｅｒｆａｃｔｏｒ）であり、N は集束超音波送受信器１８の数量であり、n は各集束超音波送受信器１８の添字であり、
はM×N の第一ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第一再変調周波数であり、
はM×N の第一チャネルデータ行列であり、
は第二超音波信号Ｕ２のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は第二超音波信号Ｕ２が標的位置からそれぞれN 個の集束超音波送受信器１８に戻る第一時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM×N の行列であり、M は第一時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値である。

第一超音波信号Ｕ１のエネルギー強度が強すぎてはいけないのは、強すぎると生体１７を傷つけてしまうからである。ゆえに、第一超音波信号Ｕ１は比較的小さなエネルギー強度で生体１７に加えられ、すでに把握されている第一超音波信号Ｕ１のエネルギー強度のうち、どれくらいのエネルギーが生体１７に加えられるか、どれくらいのエネルギーが骨に吸収されるかを確認できる。処理装置１４が、第一画像の輝度に基づきどれくらいのエネルギーが生体１７に加えられるかを把握できるのは、輝度が高いほど生体１７の標的位置に加えられたエネルギーが強くなることを表すからである。本発明の処理装置１４は、生体１７の標的位置に加えたいエネルギーの程度を示すものとして設定輝度を設ける。

補正プロセスが完了した後、ステップＳ１６、Ｓ１８およびＳ２０を含む実行プロセスを行う。実行プロセスにおいて、まず、ステップＳ１６では、処理装置１４が第一画像の輝度と設定輝度との差に基づき、第一電気信号Ｅ１を調整して第二電気信号Ｅ２として集束超音波送受信器１８に受信させ、集束超音波送受信器１８は第二電気信号Ｅ２を利用して、エネルギー強度が第一超音波信号Ｕ１よりも大きい第三超音波信号Ｕ３を標的位置に向かって送信する。続いて、ステップＳ１８では、推定期間中に、第三超音波信号Ｕ３は骨を透過して標的位置に到達し、標的位置が第三超音波信号Ｕ３を反射することにより第四超音波信号Ｕ４が形成される。そして、推定期間が過ぎると、処理装置１４は設定期間内においてのみ骨を透過した標的位置からの第四超音波信号Ｕ４の受信を開始するように集束超音波送受信器１８を駆動する。最後に、ステップＳ２０では、処理装置１４は第四超音波信号Ｕ４に基づいてディスプレイ１６上に標的位置の第二画像を表示し、第二画像の輝度を第三超音波信号Ｕ３のエネルギー強度に正比例させる。

第二画像は第二ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は下記式[数１１８]、[数１１９]、[数１２０]、[数１２１]および[数１２２]を満たす。

その中の
は標的位置の座標であり、F’は第二フィルター係数であり、N は集束超音波送受信器１８の数量であり、n は各集束超音波送受信器１８の添字であり、
はM’×N の第二ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第二再変調周波数であり、
はM’×N の第二チャネルデータ行列であり、
は第四超音波信号Ｕ４のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は第四超音波信号Ｕ４が標的位置からそれぞれN 個の集束超音波送受信器１８に戻る第二時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM’×N の行列であり、M’ は第二時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値である。

ステップＳ２０の後にステップＳ１０に戻り、新たに別の１つの標的位置に対して補正プロセスおよび実行プロセスを行う。これらのプロセスを続けて繰り返すことにより、血液脳関門の１箇所の治療領域に対してエネルギーを加える動作が完了し、薬剤送達および治療の効果が達成される。

以下、図１、図５および図６を参照しながら、本発明の第二実施例について説明する。第二実施例と第一実施例の相違点は集束超音波送受信装置１０の構成にある。第二実施例では、集束超音波送受信装置１０は、処理装置１４に接続する少なくとも１つの集束超音波送信器２０および少なくとも１つの集束超音波受信器２２をさらに含む。集束超音波受信器２２は集束超音波送信器２０の外周に位置する。設定期間は、集束超音波受信器２２の反応時間と等しい、または
その反応時間より長い。推定期間は標的位置から最も遠く離れた集束超音波受信器２２と標的位置との距離を２倍にした値を音速で割ることにより求められる。第二実施例では、図５で示すように、集束超音波送信器２０は複数で長い帯状の１次元配列を形成し、集束超音波受信器２２は１個であり、全ての集束超音波送信器２０および集束超音波受信器２２はいずれも同一曲面上に位置する。このとき、第一超音波信号Ｕ１、第二超音波信号Ｕ２、第三超音波信号Ｕ３および第四超音波信号Ｕ４はいずれも複数である。もしくは、図６で示すように、集束超音波送信器２０は１個であり、集束超音波受信器２２は複数個であり、集束超音波送信器２０および集束超音波受信器２２はいずれも同一曲面上に位置し、集束超音波受信器２２は環状配列を呈する。このとき、第一超音波信号Ｕ１、第二超音波信号Ｕ２、第三超音波信号Ｕ３および第四超音波信号Ｕ４はいずれも１つである。

以下、図４を参照しながら第二実施例の動作プロセスについて説明する。まず、ステップＳ１０、Ｓ１２およびＳ１４を含む補正プロセスを行う。まず、ステップＳ１０では、処理装置１４は第一電気信号Ｅ１を生成して集束超音波送信器２０に送信することにより、集束超音波送信器２０が標的位置に向かって第一超音波信号Ｕ１を送信するのを制御する。続いて、ステップＳ１２では、推定期間中に、第一超音波信号Ｕ１は骨を透過して標的位置に到達し、標的位置が第一超音波信号Ｕ１を反射することにより第二超音波信号Ｕ２が形成される。推定期間が過ぎると、処理装置１４は設定期間内においてのみ骨を透過した標的位置からの第二超音波信号Ｕ２の受信を開始するように集束超音波受信器２２を駆動する。その後、ステップＳ１４では、処理装置１４は第二超音波信号Ｕ２に基づいてディスプレイ１６上に標的位置の第一画像を表示し、第一画像の輝度を第一超音波信号Ｕ１のエネルギー強度に正比例させる。

第一画像は第一ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は下記式[数１４１]、[数１４２]、[数１４３]、[数１４４]および[数１４５]を満たす。

その中の
は標的位置の座標であり、F は第一フィルター係数であり、N は集束超音波受信器２２の数量であり、n は各集束超音波受信器２２の添字であり、
はM×N の第一ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第一再変調周波数であり、
はM×N の第一チャネルデータ行列であり、
は第二超音波信号Ｕ２のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は第二超音波信号Ｕ２が標的位置からそれぞれN 個の集束超音波受信器２２に戻る第一時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM×N の行列であり、M は第一時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値である。

第二実施形態では、第一実施例と同様に、本発明の処理装置１４には生体１７の標的位置に加えたいエネルギーの程度を表すものとして設定輝度を設定する。

補正プロセスが完了した後、ステップＳ１６、Ｓ１８およびＳ２０を含む実行プロセスを行う。実行プロセスにおいて、まず、ステップＳ１６では、処理装置１４が第一画像の輝度と設定輝度との差に基づき、第一電気信号Ｅ１を調整して第二電気信号Ｅ２として集束超音波送信器２０に受信させ、集束超音波送信器２０は第二電気信号Ｅ２を利用して、エネルギー強度が第一超音波信号Ｕ１よりも大きい第三超音波信号Ｕ３を標的位置に向かって送信する。続いて、ステップＳ１８では、推定期間中に、第三超音波信号Ｕ３は骨を透過して標的位置に到達し、標的位置が第三超音波信号Ｕ３を反射することにより第四超音波信号Ｕ４が形成される。そして、推定期間が過ぎると、処理装置１４は設定期間内においてのみ骨を透過した標的位置からの第四超音波信号Ｕ４の受信を開始するように集束超音波受信器２２を駆動する。最後に、ステップＳ２０では、処理装置１４は第四超音波信号Ｕ４に基づいてディスプレイ１６上に標的位置の第二画像を表示し、第二画像の輝度を第三超音波信号Ｕ３のエネルギー強度に正比例させる。

第二画像は第二ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は下記式[数１６４]、[数１６５]、[数１６６]、[数１６７]および[数１６８]を満たす。

その中の
は標的位置の座標であり、F’は第二フィルター係数であり、N は集束超音波受信器２２の数量であり、n は各集束超音波受信器２２の添字であり、
はM’×N の第二ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第二再変調周波数であり、
はM’×N の第二チャネルデータ行列であり、
は第四超音波信号Ｕ４のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は第四超音波信号Ｕ４が標的位置からそれぞれN 個の集束超音波受信器２２に戻る第二時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM’×N の行列であり、M’ は第二時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値である。

適切な超音波エネルギーにより局部集束領域にある血液脳関門を開くことができ、血液脳関門を傷つけないという前提下では、血液脳関門に加える超音波のネルギー強度が高いほど、血液脳関門の開く度合いが大きくなり、第二画像の輝度も高くなる。図７ａは、０．４６７メガパスカル（ＭＰａ）の音圧を受ける血液脳関門のイメージ図である。図７ｂは、図７ａに対応する第二画像のイメージ図である。このとき、第三超音波信号のエネルギーは４．５４ワット（Ｗ）である。図からわかるように、血液脳関門における、色がより濃い部分が超音波エネルギーを加えた箇所である。このとき、第二画像は同様の位置上で対応する輝度を表す。さらに、図８ａは、０．７０５メガパスカル（ＭＰａ）の音圧を受ける血液脳関門のイメージ図である。図８ｂは、図８ａに対応する第二画像のイメージ図である。このとき、第三超音波信号のエネルギーは９．１２ワット（Ｗ）である。図からわかるように、血液脳関門における、色がより濃い部分が超音波エネルギーを加えた箇所である。このとき、第二画像は同様の位置上で対応する輝度を表す。図７ｂと図８ｂを比較すると、図８ｂで表された輝度は図７ｂよりも明るいことがわかる。これは第三超音波信号のエネルギー強度が高まったからである。また、図９は、送信する超音波信号のエネルギー強度と血液脳関門に加える音圧との関係を示している。五角形は開いていない血液脳関門を表し、円形はすでに低レベルで開いた血液脳関門を表し、四角形は血液脳関門が出血状態にあり、すなわち血液脳関門が高レベルで開いていることを表し、三角形は以上の３種類のデータのエラーバー（ｅｒｒｏｒｂａｒ）を表す。以上のデータを分析すると、図９の破線で示すように、送信する超音波信号のエネルギー強度と血液脳関門に加える音圧とは正比例関係であることがわかる。

以上により、本発明の超音波エネルギー表示装置は、生体に向けて超音波信号を送信し、推定期間を過ぎると戻ってくる超音波信号の受信を開始し、これに基づいて生体の画像を生成する。画像の輝度は超音波信号のエネルギー強度に正比例するので、これにより生体に加えるエネルギー量を把握でき、効果的な薬剤送達および治療が可能となる。

１０集束超音波送受信装置
１４処理装置
１６ディスプレイ
１７生体
１８集束超音波送受信器
２０集束超音波送信器
２２集束超音波受信器

Claims

生体の標的位置に向かって少なくとも１つの第一超音波信号を送信し、前記標的位置が前記第一超音波信号を反射することにより少なくとも１つの第二超音波信号が形成される集束超音波送受信装置と、
前記集束超音波送受信装置に接続し、前記集束超音波送受信装置と前記標的位置との距離および音速に基づいて推定期間を設定し、第一電気信号を生成して前記集束超音波送受信装置に送信することにより、前記集束超音波送受信装置が前記第一超音波信号を送信するのを制御し、続いて、前記推定期間が過ぎると、設定期間内においてのみ前記第二超音波信号の受信を開始するように前記集束超音波送受信装置を駆動し、前記設定期間が前記集束超音波送受信装置の反応時間以上である処理装置と、
前記処理装置に接続し、前記処理装置が前記第二超音波信号に基づいて前記標的位置の第一画像を表示し、前記第一画像の輝度が前記第一超音波信号のエネルギー強度に正比例するディスプレイと、
を含み、
前記集束超音波送受信装置は、前記第一電気信号を受信し、前記第一電気信号に基づいて前記第一超音波信号を生成するための少なくとも１つまたは複数の集束超音波送受信器をさらに含み、
前記処理装置は、前記第二超音波信号を受信するように前記集束超音波送受信器を駆動し、
前記設定期間は、前記集束超音波送受信器の反応時間以上であり、
前記第一画像は第一ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は、
を満たし、
その中の
は前記標的位置の座標であり、F は第一フィルター係数であり、N は前記集束超音波送受信器の数量であり、n は各前記集束超音波送受信器の添字であり、
はM×N の第一ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第一再変調周波数であり、
はM×N の第一チャネルデータ行列であり、
は前記第二超音波信号のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は前記第二超音波信号が前記標的位置からそれぞれN 個の前記集束超音波送受信器に戻る第一時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM×N の行列であり、M は前記第一時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値であり、前記推定期間は前記標的位置から最も遠く離れた前記集束超音波送受信器と前記標的位置との距離を２倍にした値を前記音速で割ることにより求められ、
前記処理装置は、前記第一画像の前記輝度と設定輝度との差に基づき、前記第一電気信号を調整して第二電気信号として前記集束超音波送受信器に受信させ、
前記集束超音波送受信器は、前記第二電気信号を利用して、エネルギー強度が前記第一超音波信号よりも大きい少なくとも１つの第三超音波信号を前記標的位置に向かって送信し、
前記標的位置は、前記第三超音波信号を反射することにより少なくとも１つの第四超音波信号が形成され、
前記処理装置は、前記集束超音波送受信器が前記第三超音波信号を生成した後に前記推定期間が過ぎると、前記設定期間内においてのみ前記第四超音波信号の受信を開始するように前記集束超音波送受信器を駆動し、前記第四超音波信号に基づいて前記ディスプレイ上に前記標的位置の第二画像を表示し、
前記第二画像の輝度は、前記第三超音波信号のエネルギー強度に正比例し、
前記第二画像は第二ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は、
を満たし、
その中の
は前記標的位置の座標であり、F’ は第二フィルター係数であり、N は前記集束超音波送受信器の数量であり、n は各前記集束超音波送受信器の添字であり、
はM’×N の第二ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第二再変調周波数であり、
はM’×N の第二チャネルデータ行列であり、
は前記第四超音波信号のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は前記第四超音波信号が前記標的位置からそれぞれN 個の前記集束超音波送受信器に戻る第二時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM’×N の行列であり、M’ は前記第二時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値であり、前記推定期間は前記標的位置から最も遠く離れた前記集束超音波送受信器と前記標的位置との距離を２倍にした値を前記音速で割ることにより求められることを特徴とする超音波エネルギー表示装置。
複数の前記集束超音波送受信器は同一曲面上に２次元配列または同心円配列に形成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波エネルギー表示装置。
生体の標的位置に向かって少なくとも１つの第一超音波信号を送信し、前記標的位置が前記第一超音波信号を反射することにより少なくとも１つの第二超音波信号が形成される集束超音波送受信装置と、
前記集束超音波送受信装置に接続し、前記集束超音波送受信装置と前記標的位置との距離および音速に基づいて推定期間を設定し、第一電気信号を生成して前記集束超音波送受信装置に送信することにより、前記集束超音波送受信装置が前記第一超音波信号を送信するのを制御し、続いて、前記推定期間が過ぎると、設定期間内においてのみ前記第二超音波信号の受信を開始するように前記集束超音波送受信装置を駆動し、前記設定期間が前記集束超音波送受信装置の反応時間以上である処理装置と、
前記処理装置に接続し、前記処理装置が前記第二超音波信号に基づいて前記標的位置の第一画像を表示し、前記第一画像の輝度が前記第一超音波信号のエネルギー強度に正比例するディスプレイと、
を含み、
前記集束超音波送受信装置は、前記処理装置に接続する少なくとも１つの集束超音波送信器および少なくとも１つの集束超音波受信器をさらに含み、
前記集束超音波受信器は前記集束超音波送信器の外周に位置し、
前記集束超音波送信器は、前記第一電気信号を受信し、前記第一電気信号に基づいて前記第一超音波信号を生成し、
前記処理装置は、前記第二超音波信号を受信するように前記集束超音波受信器を駆動し、
前記設定期間は、前記集束超音波受信器の反応時間以上であり、
前記第一画像は第一ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は、
を満たし、
その中の
は前記標的位置の座標であり、F は第一フィルター係数であり、N は前記集束超音波受信器の数量であり、n は各前記集束超音波受信器の添字であり、
はM×N の第一ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第一再変調周波数であり、
はM×N の第一チャネルデータ行列であり、
は前記第二超音波信号のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は前記第二超音波信号が前記標的位置からそれぞれN 個の前記集束超音波受信器に戻る第一時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM×N の行列であり、M は前記第一時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値であり、前記推定期間は前記標的位置から最も遠く離れた前記集束超音波受信器と前記標的位置の距離を２倍にした値を前記音速で割ることにより求められ、
前記処理装置は、前記第一画像の前記輝度と設定輝度との差に基づき、前記第一電気信号を調整して第二電気信号として前記集束超音波受信器に受信させ、
前記集束超音波送信器は、前記第二電気信号を利用して、エネルギー強度が前記第一超音波信号よりも大きい少なくとも１つの第三超音波信号を前記標的位置に向かって送信し、
前記標的位置は、前記第三超音波信号を反射することにより少なくとも１つの第四超音波信号が形成され、
前記処理装置は、前記集束超音波受信器が前記第三超音波信号を生成した後に前記推定期間が過ぎると、前記設定期間内においてのみ前記第四超音波信号の受信を開始するように前記集束超音波受信器を駆動し、前記第四超音波信号に基づいて前記ディスプレイ上に前記標的位置の第二画像を表示し、
前記第二画像の輝度は、前記第三超音波信号のエネルギー強度に正比例し、
前記第二画像は第二ビーム形成フィルターデータ
に基づいて表示され、
は、
を満たし、
その中の
は前記標的位置の座標であり、F’ は第二フィルター係数であり、N は前記集束超音波受信器の数量であり、n は各前記集束超音波受信器の添字であり、
はM’×N の第二ビーム形成データ行列であり、t は時間であり、
は第二再変調周波数であり、
はM’×N の第二チャネルデータ行列であり、
は前記第四超音波信号のベースバンド信号のm×N の行列であり、m は自然数であり、
は
内のi 行目の列関数であり、k および i はいずれも１以上の自然数であり、
は
のサンプリング周波数であり、
は
のリサンプリング周波数であり、
は前記第四超音波信号が前記標的位置からそれぞれN 個の前記集束超音波受信器に戻る第二時間行列であり、
は要素０および１のみを含むM’×N の行列であり、M’ は前記第二時間行列の最大要素よりも大きい自然数であり、
は遷移ベクトルであり、
は
の共役値であり、前記推定期間は前記標的位置から最も遠く離れた前記集束超音波受信器と前記標的位置の距離を２倍にした値を前記音速で割ることにより求められることを特徴とする超音波エネルギー表示装置。
前記集束超音波送信器は複数で長い帯状の１次元配列に形成され、
前記集束超音波受信器は１個であり、
複数の前記集束超音波送信器および前記集束超音波受信器は、いずれも同一曲面上に位置することを特徴とする請求項３に記載の超音波エネルギー表示装置。
前記集束超音波送信器は１個であり、
前記集束超音波受信器は複数個であり、
前記集束超音波送信器および複数の前記集束超音波受信器は、いずれも同一曲面上に位置し、
複数の前記集束超音波受信器は環状配列を呈することを特徴とする請求項３に記載の超音波エネルギー表示装置。
前記第三超音波信号および前記第四超音波信号はいずれもバースト波であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の超音波エネルギー表示装置。
前記第一超音波信号および前記第二超音波信号はいずれもバースト波であることを特徴とする請求項６に記載の超音波エネルギー表示装置。
前記第一超音波信号および前記第三超音波信号は骨を透過して前記標的位置に到達し、前記第一超音波信号および前記第三超音波信号の周波数が高いほど前記骨の厚さが薄くなることを特徴とする請求項６に記載の超音波エネルギー表示装置。
前記生体は血液脳関門であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の超音波エネルギー表示装置。