JP6979882B2 - 脳組織の治療のための組織破砕療法システムおよび方法 - Google Patents
脳組織の治療のための組織破砕療法システムおよび方法 Download PDFInfo
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Description
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、参照により全体として組み込まれる、２０１５年６月２４日出願の「ＨＩＳＴＯＴＲＩＰＳＹ ＴＨＥＲＡＰＹ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＴＨＥ ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ ＯＦ ＩＮＴＲＡＣＥＲＥＢＲＡＬ ＨＥＭＯＲＲＨＡＧＥ（脳内出血の治療のための組織破砕治療システムおよび方法）」という名称の米国仮特許出願第６２／１８４，１７９号の利益を主張するものである。
[0001]本出願は、参照により全体として組み込まれる、２０１５年６月２４日出願の「ＨＩＳＴＯＴＲＩＰＳＹ ＴＨＥＲＡＰＹ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＴＨＥ ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ ＯＦ ＩＮＴＲＡＣＥＲＥＢＲＡＬ ＨＥＭＯＲＲＨＡＧＥ（脳内出血の治療のための組織破砕治療システムおよび方法）」という名称の米国仮特許出願第６２／１８４，１７９号の利益を主張するものである。
参照による引用
[0002]本明細書で言及するすべての刊行物および特許出願は、個々の刊行物または特許出願それぞれが参照により組み込まれるように明確かつ個々に示されたのと同じ範囲で、参照により本明細書に組み込まれるものである。
[0002]本明細書で言及するすべての刊行物および特許出願は、個々の刊行物または特許出願それぞれが参照により組み込まれるように明確かつ個々に示されたのと同じ範囲で、参照により本明細書に組み込まれるものである。
分野
[0003]本開示は、概して、超音波療法により作り出されたキャビテーションで組織を治療することに関する。さらに具体的には、本開示は、脳内出血（ＩＣＨ）もしくは脳腫瘍などの脳組織または脳の疾患を超音波療法で治療することに関する。
[0003]本開示は、概して、超音波療法により作り出されたキャビテーションで組織を治療することに関する。さらに具体的には、本開示は、脳内出血（ＩＣＨ）もしくは脳腫瘍などの脳組織または脳の疾患を超音波療法で治療することに関する。
[0004]組織破砕（histotripsy：ヒストトリプシー）、またはパルス超音波キャビテーション療法は、音響エネルギーの極短の激しい爆発が、焦点体積内部に制御されたキャビテーション（微小泡形成）を引き起こすテクノロジーである。これらの微小泡の活発な膨張および崩壊は、焦点体積内部の細胞および組織構造を機械的に均質化する。これは、熱アブレーション（thermal ablation）に特徴的である凝固壊死とは非常に異なる最終結果である。非熱的組織破砕の領域で手術するため、低デューティーサイクルの高振幅音響パルスの形態で音響エネルギーを送達することが必要である。
[0005]従来の焦点式超音波テクノロジーと比べて、組織破砕は、以下の重要な利点を有する：１）焦点における破壊プロセスが熱的でなく機械的である；２）気泡雲が超音波画像診断では明るく見えるので、治療の正しい標的化および局在化が確認される；３）治療される組織が超音波画像診断ではより暗く見え（低エコー性）、そのため、オペレーターは、何が治療されたのかが分かる；および４）組織破砕により、制御された正確な方法で損傷が生じる。マイクロ波、無線周波数、または高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）とは異なり、組織破砕は熱によるモダリティ（thermal modality）ではないことを強調することが重要である。
[0006]脳における血管の破裂は、脳の内部での出血および血栓形成（血腫）を引き起こす場合があり、これは出血性卒中または脳内出血（ＩＣＨ）と呼ばれる。ＩＣＨは、すべての卒中の１０〜１５％を占める。現在中心となっている治療は依然として、血栓を除去する高侵襲性手術である開頭術であり、これは、脳神経機能への深刻な損傷に関連する。
[0007]数日かけてカテーテルおよび血栓溶解薬（ｔＰＡ）によって血腫を排出するために、低侵襲性（ＭＩＳ）定位的アプローチが研究されてきた。しかしながら、ｔＰＡに関連する深刻な合併症があり、ＩＣＨの生存者の機能転帰は、恐らくは神経学的障害を発現させる長い治療時間により、改善されない。
[0008]近年の前臨床試験は、頭蓋冠の外側に適用される磁気共鳴ガイド下集束超音波治療（ＭＲｇＦＵＳ）を用いると、脳内の血栓が薬剤なしで溶解し、針で吸引され得ることを示している。しかしながら、ＭＲｇＦＵＳの治療時間は、依然として、神経学的障害を回避するのに十分短いわけではない（４０ｍＬの血栓で最大３時間）。ＭＲｇＦＵＳは、長いＭＲＩ時間が必要となることにより非常に高価であり、頭蓋冠から２ｃｍ以内の距離の血栓を治療することはできない。
[0009]超音波経路内における頭蓋冠は、頭蓋冠を通過する超音波信号の著しい減衰および焦点はずれ（収差効果）を引き起こし得る。収差補正のため、ＭＲｇＦＵＳは、患者の脳の以前の３Ｄ ＣＴスキャンから抽出された頭蓋冠プロファイルを使用する。しかしながら、ＭＲｇＦＵＳ治療中、患者を前のスキャンと全く同じ姿勢にすることはできないので、頭蓋冠を通る正確な焦点合わせをガイドしモニタリングするために、ＭＲＩが必要である。このプロセスは、複雑かつ非常に高価である。
[0010]さらに、現行の方法はすべて、大きな血腫（＞４０ｍＬ）には有効でない。ｔＰＡなしで脳内の血腫を低侵襲的に、かつ迅速に小さくすることができ、ＩＣＨ患者が著しい神経学的障害なしに回復することを可能にする、より良いＩＣＨ療法に対する、明確な、満たされていない必要性がある。
[0011]組織破砕は、短い高圧超音波パルスによって生成される高密度のエネルギー性気泡雲を通じて、組織分画を生じる。２サイクルより短いパルスを使用すると、これらのエネルギー性気泡雲の生成は、単に、ピーク負圧（Ｐ−）が媒体にキャビテーションを誘発するための固有閾値（典型的には、水分含量が高い軟組織中で２６〜３０ＭＰａ）をどこで超えるかによる。
[0012]人間の患者の脳内に超音波エネルギーを送信する方法が提供され、この方法は、人間の患者の脳内の標的組織内部にドレナージカテーテルを設置するステップと、標的組織内部に療法トランスデューサ(therapy transducer)の複数のトランスデューサ素子の焦点を位置付けるステップと、複数のトランスデューサ素子それぞれから標的組織内へ超音波パルスを送信するステップと、ドレナージカテーテルの上または中に位置付けられた１つまたは複数の圧電センサで超音波パルスを検出するステップと、人間の患者の頭蓋冠を通過する超音波パルスによって引き起こされる収差効果を自動で補正するために、検出された超音波パルスに基づいて、収差補正アルゴリズムで、複数のトランスデューサ素子からの超音波パルスの送信を調節するステップと、を含む。
[0013]一実施形態では、標的組織は、血栓または出血を含む。別の実施形態では、標的組織は、脳腫瘍を含む。
[0014]別の実施形態では、方法は、超音波パルスにより標的組織上に気泡雲を形成するステップをさらに含む。
[0014]別の実施形態では、方法は、超音波パルスにより標的組織上に気泡雲を形成するステップをさらに含む。
[0015]いくつかの実施形態では、方法は、超音波パルスにより標的組織を溶解させるステップをさらに含む。
[0016]別の実施形態では、方法は、溶解した標的組織を、ドレナージカテーテルで脳から排出するステップを含む。
[0016]別の実施形態では、方法は、溶解した標的組織を、ドレナージカテーテルで脳から排出するステップを含む。
[0017]一実施形態では、検出された超音波パルスに基づいて、収差補正アルゴリズムで、複数のトランスデューサ素子からの超音波パルスの送信を調節するステップは、超音波パルスが療法トランスデューサの複数のトランスデューサ素子それぞれから１つまたは複数の圧電センサへと移動する伝搬時間を決定するステップと、療法トランスデューサの複数のトランスデューサ素子それぞれと基準素子との間の、伝搬時間の時間遅延を計算するステップと、計算された時間遅延に基づいて複数のトランスデューサ素子からの超音波パルスの送信を調節するステップと、をさらに含む。
[0018]一実施形態では、１つまたは複数の圧電センサは、第１および第２の圧電センサを含む。この実施形態では、検出された超音波パルスに基づいて、収差補正アルゴリズムで、複数のトランスデューサ素子からの超音波パルスの送信を調節するステップは、超音波パルスが療法トランスデューサの複数のトランスデューサ素子それぞれから、第１および第２の圧電センサへと移動する伝搬時間を決定するステップと、複数のトランスデューサ素子それぞれから第１および第２の圧電センサの中間点への光線上への第１および第２の圧電センサの射影を用いて第１の圧電センサと第２の圧電センサとの間の距離を計算するステップと、複数のトランスデューサ素子それぞれから第１および第２の圧電センサの中間点までの超音波パルスの移動方向および移動の時間を計算するステップと、複数のトランスデューサ素子それぞれについて焦点と中間点との間の隔離距離を計算するステップと、第１の圧電センサと第２の圧電センサとの間の距離、中間点、および隔離距離に基づいて複数のトランスデューサ素子それぞれの時間遅延を計算するステップと、をさらに含む。
[0019]一実施形態では、方法は、１つまたは複数の圧電センサを焦点の内部またはこれに隣接して設置するステップを含む。別の実施形態では、設置するステップは、療法トランスデューサの穴を通してドレナージカテーテルを前進させるステップをさらに含む。
[0020]別の実施形態では、方法は、標的組織を完全に溶解させるため焦点を電子的または機械的に操作するステップを含む。
[0021]人間の患者の脳内の標的組織を治療するように構成された超音波システムも提供され、これは、パルス発生器および増幅器と、パルス発生器および増幅器に連結された超音波療法トランスデューサであって、キャビテーションを生成するために脳内の標的組織内部の焦点(focal point)に向けて人間の患者の頭蓋冠を通じて超音波パルスを送信するように構成された複数のトランスデューサ素子を有する、超音波療法トランスデューサと、１つまたは複数の圧電センサを含むドレナージカテーテルであって、超音波パルスを測定するために脳内部で焦点の近くに設置されるように構成されている、ドレナージカテーテルと、パルス発生器、増幅器、超音波療法トランスデューサ、およびドレナージカテーテルの圧電センサに連結された電子制御装置であって、人間の患者の頭蓋冠を通過する超音波パルスによって生じた収差効果を自動で補正するためにドレナージカテーテルによって検出された超音波パルスに基づいて収差補正アルゴリズムを実行することにより、超音波パルスの送信を制御し、複数のトランスデューサ素子それぞれからの超音波パルスの送信を調節するように構成されている、電子制御装置と、を含む。
[0021]人間の患者の脳内の標的組織を治療するように構成された超音波システムも提供され、これは、パルス発生器および増幅器と、パルス発生器および増幅器に連結された超音波療法トランスデューサであって、キャビテーションを生成するために脳内の標的組織内部の焦点(focal point)に向けて人間の患者の頭蓋冠を通じて超音波パルスを送信するように構成された複数のトランスデューサ素子を有する、超音波療法トランスデューサと、１つまたは複数の圧電センサを含むドレナージカテーテルであって、超音波パルスを測定するために脳内部で焦点の近くに設置されるように構成されている、ドレナージカテーテルと、パルス発生器、増幅器、超音波療法トランスデューサ、およびドレナージカテーテルの圧電センサに連結された電子制御装置であって、人間の患者の頭蓋冠を通過する超音波パルスによって生じた収差効果を自動で補正するためにドレナージカテーテルによって検出された超音波パルスに基づいて収差補正アルゴリズムを実行することにより、超音波パルスの送信を制御し、複数のトランスデューサ素子それぞれからの超音波パルスの送信を調節するように構成されている、電子制御装置と、を含む。
[0022]一実施形態では、超音波療法トランスデューサは、人間の患者の脳内の標的組織を溶解させるためにキャビテーションを生成するため、組織破砕療法パルスを送信するように構成されている。
[0023]別の実施形態では、ドレナージカテーテルは、溶解した標的組織を人間の患者から排出するように構成されたドレナージポートを含む。
[0024]いくつかの実施形態では、１つまたは複数の圧電センサは、ただ１つの圧電センサを含む。この実施形態では、収差補正アルゴリズムは、超音波パルスが療法トランスデューサの複数のトランスデューサ素子それぞれから圧電センサへと移動する伝搬時間を決定することと、療法トランスデューサの複数のトランスデューサ素子それぞれと基準素子との間の、伝搬時間の時間遅延を計算することと、計算された時間遅延に基づいて複数のトランスデューサ素子からの超音波パルスの送信を調節することと、を含む。
[0024]いくつかの実施形態では、１つまたは複数の圧電センサは、ただ１つの圧電センサを含む。この実施形態では、収差補正アルゴリズムは、超音波パルスが療法トランスデューサの複数のトランスデューサ素子それぞれから圧電センサへと移動する伝搬時間を決定することと、療法トランスデューサの複数のトランスデューサ素子それぞれと基準素子との間の、伝搬時間の時間遅延を計算することと、計算された時間遅延に基づいて複数のトランスデューサ素子からの超音波パルスの送信を調節することと、を含む。
[0025]いくつかの実施形態では、１つまたは複数の圧電センサは、第１および第２の圧電センサを含む。この実施形態では、収差補正アルゴリズムは、超音波パルスが療法トランスデューサの複数のトランスデューサ素子それぞれから、第１および第２の圧電センサへと移動する伝搬時間を決定することと、複数のトランスデューサ素子それぞれから第１および第２の圧電センサの中間点への光線上への第１および第２の圧電センサの射影を用いて第１の圧電センサと第２の圧電センサとの間の距離を計算することと、複数のトランスデューサ素子それぞれから第１および第２の圧電センサの中間点までの超音波パルスの移動方向および移動の時間を計算することと、複数のトランスデューサ素子それぞれについて焦点と中間点との間の隔離距離を計算することと、第１の圧電センサと第２の圧電センサとの間の距離、中間点、および隔離距離に基づいて複数のトランスデューサ素子それぞれの時間遅延を計算することと、を含む。
[0026]一実施形態では、療法トランスデューサは、穴を含み、ドレナージカテーテルは、この穴を通って、人間の患者の脳内に前進するように構成されている。
[0027]本発明の新奇な特徴は、以下の特許請求の範囲において詳細に説明される。本発明の特徴および利点のより良い理解は、本発明の原理が利用されている例示的な実施形態、および添付図面を説明する、以下の詳細な説明を参照することにより、得られる。
[0027]本発明の新奇な特徴は、以下の特許請求の範囲において詳細に説明される。本発明の特徴および利点のより良い理解は、本発明の原理が利用されている例示的な実施形態、および添付図面を説明する、以下の詳細な説明を参照することにより、得られる。
[0032]組織破砕は、高密度でエネルギー性の損傷産生気泡雲(lesion-producing bubble cloud)を生成するために非常に短い高圧超音波パルスを使用する、非侵襲性の、キャビテーションに基づく療法である。この組織破砕治療は、流体と組織との界面を標的とした場合に、制御された組織侵食を生じ、また、バルク組織内部で標的化される場合に、境界の明瞭な組織分画を生じることができる。さらに、組織破砕は、従来の衝撃波砕石術（ＳＷＬ:shockwave lithotripsy）とは機構的に異なる表面侵食を用いて、モデルの腎臓結石を砕くことができることが分かっている。組織破砕療法は、リアルタイムで超音波Ｂモード画像診断を用いてガイドされモニタリングされ得、それは、１）キャビテーション気泡雲がＢモード画像診断において一時的に変化する高エコー領域として現れ、治療が正確に標的化されるのを可能にし、２）組織分画度(degree of tissue fractionation)が高まるにつれて標的領域のエコー輝度が下がり、これが、リアルタイムで損傷産生をモニタリングする（画像フィードバック）方法として使用され得るためである。
[0033]一般的に組織破砕治療では、１つまたは複数の音響サイクルを持つ超音波パルスが適用され、気泡雲形成は、最初に起こったまばらに分布した気泡（または１つの気泡）からの正の衝撃波面（１００ＭＰａ、Ｐ＋を超えることもある）の圧力解放散乱(pressure release scattering)に依存する。これは、「衝撃散乱メカニズム」と呼ばれている。このメカニズムは、トランスデューサの焦点においてパルスの最初の負の半サイクルで生じる、１つの（または、いくつかのまばらに分布した）気泡に依存している。その後、微小泡の雲が、これらのまばらに生じた気泡から、高ピークの正の衝撃波面の圧力解放後方散乱により形成される。これらの後方散乱した高振幅の疎密波(rarefactional wave)は、固有閾値を超え、そのため、局所的な高密度の気泡雲を産生する。そして、次の音響サイクルはそれぞれ、トランスデューサに向かって成長する、気泡雲表面からの後方散乱によってさらなるキャビテーションを誘発する。その結果、超音波伝搬方向とは反対の音響軸に沿って成長する細長い高密度の気泡雲が、衝撃散乱メカニズムに観察される。この衝撃散乱プロセスは、気泡雲の生成を、ピーク負圧(peak negative pressure)に左右されるだけでなく、音響サイクルの数および正の衝撃（positive shocks）の振幅にも左右されるようにする。非線形伝搬によって生じたこれらの激しい衝撃波面がなければ、ピークの負の半サイクル（peak negative half-cycles）が固有閾値を下回った場合、高密度の気泡雲は生成されない。
[0034]２サイクル未満の超音波パルスが適用される場合、衝撃散乱は、最小限に抑えられ得、高密度の気泡雲の生成は、媒体の「固有閾値」を超える、適用された超音波パルスの１つまたは２つの負の半サイクルによって決まる（「固有閾値メカニズム」）。この閾値は、人体の組織など、水分含量が高い軟組織では２６〜３０ＭＰａの範囲内にあってよい。この固有閾値メカニズムを用いると、損傷の空間範囲は明確に定義され、さらに予測可能となる。この閾値よりそれほど高くないピーク負圧（Ｐ−）では、トランスデューサの−６ｄＢのビーム幅の半分ほどの小ささのサブ波長で再現可能な損傷が、生成され得る。
[0035]組織破砕は、血栓溶解薬なしで、また、血腫の大きさにかかわらず、脳内の血腫の低侵襲性で迅速な縮小をもたらすよう、ＩＣＨの従来の治療の欠点を克服する可能性を有する。本明細書に記載するシステムおよび方法は、焦域内部の血栓中の前から存在する気泡核を使用して微小泡の高密度のキャビテーション雲を生成するように、高い圧力でマイクロ秒長さの超音波パルスを送信する。微小泡の迅速な膨張および崩壊は、隣接する細胞に対して高いひずみおよび応力を誘発して、それらの細胞を、液体様無細胞ホモジネートに砕く。
[0036]いくつかの実施形態によると、組織破砕は、ＩＣＨもしくは脳腫瘍などの脳組織または脳の疾患を治療するのに使用され得る。一実施形態では、組織破砕は、人間の患者の頭蓋冠を通じて血栓または脳腫瘍を溶解させるのに使用され得、結果として得られる液体は、血栓溶解薬または外部物質を使用せずに、ドレナージカテーテルによりその後排出され得る。例えば、組織破砕は、人間の頭蓋冠を通じてｉｎ ｖｉｔｒｏで４０ｍＬの血栓を３０分以内で溶解させるのに使用され得、３０分という時間は、ＭＲｇＦＵＳより６倍速い。パラメータ最適化により、治療時間は、ＭＲｇＦＵＳに比べて、一桁を超えて短縮され得る。これらの最適化されたパラメータは、頭蓋冠まで２ｃｍ以内の場所にある、４０ｍＬより大きい血栓を治療するのに使用され得る。本明細書に記載するシステムおよび方法は、４０ｍＬ超の血栓であっても、低侵襲性アプローチで迅速な血栓除去を可能にし、血栓溶解薬およびＭＲＩの必要性をなくし、それにより、ＩＣＨおよび脳腫瘍療法を大幅に改善する。
[0037]脳を治療するために組織破砕を使用する、本明細書に記載する実施形態によれば、カテーテルが、患者の脳内部の血栓または腫瘍などの標的組織に設置され得る。１つもしくは複数の音響ハイドロホンまたはＰＺＴセンサが、カテーテルの内部に設置されたガイドワイヤに統合され得、カテーテルはその後、脳内の標的組織に挿入されて、患者の外側に位置付けられた組織破砕療法トランスデューサからの超音波信号を直接測定することができる。組織破砕療法トランスデューサの全素子からのパルス送信のタイミングは、組織破砕療法トランスデューサの各素子からセンサにおいて受信される超音波信号のタイミングを使用することによって、頭蓋冠を通じて再び焦点を合わせるように、再調整され得る。本明細書に記載する経頭蓋の組織破砕療法のためのセンサおよび関連する収差補正アルゴリズムは、新奇であり、ＣＴまたはＭＲＩなしで経頭蓋の組織破砕療法をガイドしモニタリングするための、費用効果がある単純化された装置を提供することができる。
[0038]図１は、本明細書に記載する方法および実施形態に従って、組織にキャビテーション気泡または気泡雲を生成するように構成された、組織破砕システムを示す。組織破砕システムおよび発生器は、本明細書に記載する超音波パルスシーケンスを支持するために複雑な波形を生成するように構成されている。システム１００の単純化されたブロック図が図１に示されている。システムの主要構成要素は次のとおりである：コンピュータ／制御装置１０２、ＵＳＢシリアル変換器１０４、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）１０８、高電圧制御装置および電源１１０、増幅器１１２、ならびに療法トランスデューサ１１４、ならびにドレナージカテーテル１１７。
[0039]発生器のすべての制御は、コンピュータ／制御装置１０２（例えば、標準的なＰＣ、ラップトップコンピュータ、タブレット、または他の電子計算システム）で動き、無線、ＵＳＢ、またはシリアル通信１０４などのコネクタを介して発生器に通信することができる、「組織破砕サービスツール」ソフトウェアを用いて確立され得る。制御装置１０２は、制御装置によって実行され得る一組の指示を格納するように構成された、非一時的コンピュータ可読記憶媒体を含み得る。
[0040]システム１００は、複数組の異なる駆動パラメータを受信し、それらをループ化するように構成され得、これにより、全パラメータ（パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）、電圧振幅、サイクル数、セット当たりのパルス数、周波数、有効化したトランスデューサ素子チャネル、および時間遅延）が生成されるパルスごとに別様に設定され得る、広範なカスタムシーケンスをユーザが作り出す能力が与えられる。パルス間の時間遅延は、パラメータセットのＰＲＦにより、またはパルスごとに手動で／個々にそれらを特定することによって、特定され得る。
[0041]電圧振幅調整全体について、高電圧レベルは、これに応じて、ＨＶ制御装置１１０を通じて、変化され得る。この方法は、ＨＶライン上の全コンデンサが放電するのに時間がかかりすぎるので、２つのパルス間の動的な電圧振幅変化には使用できない。パルス間の動的な電圧振幅変化については、ＰＷＭ（パルス幅変調）が、ＦＰＧＡ１０８において使用され得、ここで、コンデンサ充電パルスのデューティーサイクルが、所望のパルス電圧および結果として得られる圧力振幅を産生するために、変調され得る。
ＵＳＢシリアル変換器
[0042]ＵＳＢシリアル変換器１０４は、ＰＣまたは電子制御装置からＦＰＧＡに通信するために、ＵＳＢコンビネーションをシリアルに変換することができる。発生器と制御装置との間の接続がＵＳＢ接続ではない実施形態では、他の変換器を使用してよい（またはまったく使用しなくてもよい）ことを理解されたい。
[0042]ＵＳＢシリアル変換器１０４は、ＰＣまたは電子制御装置からＦＰＧＡに通信するために、ＵＳＢコンビネーションをシリアルに変換することができる。発生器と制御装置との間の接続がＵＳＢ接続ではない実施形態では、他の変換器を使用してよい（またはまったく使用しなくてもよい）ことを理解されたい。
ＦＰＧＡ
[0043]ＦＰＧＡ１０８は、ＰＣまたは電子制御装置１０２から情報を受信し、増幅器１１２を駆動するのに必要である複雑なパルスシーケンスを生成することができる。ＦＰＧＡは、パルスのスピードが少なくとも１０ｎｓ刻みで時間調整されることが重要であるので、１００ＭＨｚのクロックで動き得る。
[0043]ＦＰＧＡ１０８は、ＰＣまたは電子制御装置１０２から情報を受信し、増幅器１１２を駆動するのに必要である複雑なパルスシーケンスを生成することができる。ＦＰＧＡは、パルスのスピードが少なくとも１０ｎｓ刻みで時間調整されることが重要であるので、１００ＭＨｚのクロックで動き得る。
高電圧制御装置および電源
[0044]高電圧制御装置および電源１１０は、増幅器の出力において適切な電圧振幅レベルを有するために、増幅器回路に供給される必要があるＤＣ電圧のレベルを決定する。
[0044]高電圧制御装置および電源１１０は、増幅器の出力において適切な電圧振幅レベルを有するために、増幅器回路に供給される必要があるＤＣ電圧のレベルを決定する。
増幅器
[0045]増幅器１１２は、ＦＰＧＡにより生成されたパルスを受信し、高電圧制御装置および電源から高電圧を供給される。増幅器は、療法トランスデューサのインピーダンスを増幅器のインピーダンスに適切に適合させる、マッチングネットワークコンポーネントを通じて療法トランスデューサ１１４に供給される高電圧振幅パルスを生成する。高電圧振幅パルスの生成中にピーク電流需要を支持するために十分なエネルギーを蓄積することができる、多数のコンデンサを使用する必要があり得る。
[0045]増幅器１１２は、ＦＰＧＡにより生成されたパルスを受信し、高電圧制御装置および電源から高電圧を供給される。増幅器は、療法トランスデューサのインピーダンスを増幅器のインピーダンスに適切に適合させる、マッチングネットワークコンポーネントを通じて療法トランスデューサ１１４に供給される高電圧振幅パルスを生成する。高電圧振幅パルスの生成中にピーク電流需要を支持するために十分なエネルギーを蓄積することができる、多数のコンデンサを使用する必要があり得る。
療法トランスデューサ
[0046]療法トランスデューサ１１４は、単一素子トランスデューサ、または複数のトランスデューサ素子を含み、本明細書に記載する超音波療法パルスを生成し組織または他の媒体内に送達するように構成された、多素子超音波療法トランスデューサであってよい。いくつかの実施形態では、多素子超音波療法トランスデューサは、２つまたは３つ以上の周波数の超音波パルスを生成することができる。療法トランスデューサのアクティブなトランスデューサ素子は、圧電トランスデューサ素子であってよい。いくつかの実施形態では、トランスデューサ素子は、共通の幾何学的焦点を有する音響レンズに装着され得る。
[0046]療法トランスデューサ１１４は、単一素子トランスデューサ、または複数のトランスデューサ素子を含み、本明細書に記載する超音波療法パルスを生成し組織または他の媒体内に送達するように構成された、多素子超音波療法トランスデューサであってよい。いくつかの実施形態では、多素子超音波療法トランスデューサは、２つまたは３つ以上の周波数の超音波パルスを生成することができる。療法トランスデューサのアクティブなトランスデューサ素子は、圧電トランスデューサ素子であってよい。いくつかの実施形態では、トランスデューサ素子は、共通の幾何学的焦点を有する音響レンズに装着され得る。
[0047]他の実施形態では、トランスデューサ素子は、頭蓋冠を過熱せずに経頭蓋(transcranial)の組織破砕血栓溶解の治療スピードおよび場所を最大化するように操作パラメータで最適化されるフェーズドアレイを含み得る。頭蓋冠の過熱は、経頭蓋の超音波療法の治療スピードおよび場所を制限する主要な制約である。提案されるパラメータ最適化によって、迅速な脳組織治療が確実となり、頭蓋冠への加熱が最小限に抑えられる。いくつかの実施形態では、療法トランスデューサは、１ｍＬ／分超の脳組織溶解速度を達成することができ、これは、受動性血栓溶解作用よりも数桁速い。
[0048]療法トランスデューサは、約１〜４μｓ続く１つの負の高圧相を有する１つの超音波パルスにより頭蓋冠を通じてキャビテーションを生成するように構成され得、パルスのピーク負圧は、媒体のキャビテーションの「固有閾値」（血栓など脳組織では約２７ＭＰａ）をすぐに超える。療法トランスデューサの焦点は、大きな治療体積を覆うように、他の場所まで電気的に操作され得、治療時間は、他の療法モダリティと比べて１桁超短縮され得る。いくつかの実施形態では、焦点操作速度（focal steering rate）は、頭蓋冠の過熱を回避するため１％未満のデューティーサイクルに維持され得る。
[0049]本明細書に記載するシステムおよび方法によれば、組織破砕脳療法は、リアルタイム撮像なしで実行され得る。ＣＴスキャンは、標的組織診断の一部として必要とされ得るが、治療前に実行される。以前のＣＴスキャンおよび定位的アプローチを用いて、ドレナージハイドロホンが、血栓の中に設置され得、血栓位置に対するカテーテル先端部の正確な位置が分かる。次に、組織破砕療法トランスデューサからの焦点が、脳組織の大部分を溶解させるために操作され、組織の薄い縁を残して隣接する脳組織への損傷を回避することができる。
ドレナージカテーテル
[0050]図２は、システムのドレナージカテーテル１１７の拡大図であり、ドレナージカテーテル１１７は、シース部分１１８と、ガイドワイヤ部分１２０と、を含み得る。シース部分は、可撓性材料を含んでよく、カテーテルを通じた体液または組織の除去を促進するために１つまたは複数のドレナージポート１１９を含み得る。ガイドワイヤ部分１２０は、カテーテルを組織の標的領域へと操作するためにシース部分１１８内に挿入可能であってよい。ドレナージカテーテルは、ガイドワイヤ部分１２０に沿って配された１つまたは複数の圧電（ＰＺＴ）センサ１２２をさらに含み得る。図２の実施形態は、２つのＰＺＴセンサを示すが、任意の数のＰＺＴセンサが実装され得ることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態は、１つのＰＺＴセンサを利用する。カテーテルのＰＺＴセンサは、療法トランスデューサによって送信された波形間の時間遅延を抽出するため、療法トランスデューサ１１４の個々の素子からの超音波パルス波形を測定するように構成され得る。時間遅延はその後、収差補正のためにシステムによって使用され得る。
[0050]図２は、システムのドレナージカテーテル１１７の拡大図であり、ドレナージカテーテル１１７は、シース部分１１８と、ガイドワイヤ部分１２０と、を含み得る。シース部分は、可撓性材料を含んでよく、カテーテルを通じた体液または組織の除去を促進するために１つまたは複数のドレナージポート１１９を含み得る。ガイドワイヤ部分１２０は、カテーテルを組織の標的領域へと操作するためにシース部分１１８内に挿入可能であってよい。ドレナージカテーテルは、ガイドワイヤ部分１２０に沿って配された１つまたは複数の圧電（ＰＺＴ）センサ１２２をさらに含み得る。図２の実施形態は、２つのＰＺＴセンサを示すが、任意の数のＰＺＴセンサが実装され得ることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態は、１つのＰＺＴセンサを利用する。カテーテルのＰＺＴセンサは、療法トランスデューサによって送信された波形間の時間遅延を抽出するため、療法トランスデューサ１１４の個々の素子からの超音波パルス波形を測定するように構成され得る。時間遅延はその後、収差補正のためにシステムによって使用され得る。
[0051]さらに、ＰＺＴセンサは、キャビテーションの開始および維持をモニタリングするのに使用されてもよく、これは、好結果の組織破砕療法の指標であり、キャビテーション部位からの増大した音響放出としてモニタリングされ得る。頭蓋冠により生じた減衰が患者によって変化し得るので、そのようなリアルタイムのキャビテーション検出は、個々の患者でキャビテーションを開始するのに必要な電力を識別するのに使用され得る。
[0052]ソフトウェアおよびハードウェアは、療法トランスデューサの各素子からのパルス送信を連続して自動で制御し、ＰＺＴセンサから信号を収集し格納するように構成され得る。超音波が素子からハイドロホンへと移動するように、一度に、かつ約１００μｓで１つの素子から１つのパルスを送信するのに必要なのはわずか数マイクロ秒なので、データ取得全体が、自動パッケージを使用して１秒以内に迅速に達成され得る。
組織破砕サービスツールおよび電子制御装置
[0053]組織破砕サービスツールは、任意のＰＣまたは計算システム（例えば電子制御装置）で動くことができ、システムの制御に使用され得る、ソフトウェアである。組織破砕サービスツールは、療法トランスデューサで療法を開始／停止し、高電圧レベル、療法パラメータ（ＰＲＦ、サイクル数、デューティー比、有効化したチャネルおよび遅延など）を設定し読み取り、他のサービスおよび維持関連アイテムを設定し読み取ることができる。組織破砕サービスツールおよび電子制御装置は、加工パラメータを設定し／読み取り、療法を開始／停止などするように構成され得る。パラメータをすべて格納するために内部フラッシュメモリまたは他の電子記憶媒体を使用することができる。組織破砕サービスツールおよび電子制御装置は、複雑なパルスを生成するのに必要なすべての駆動パラメータをＦＰＧＡ１０８に通信することができる。これらは、シリアル通信または他の電子通信を用いて高電圧制御装置および電源１１０に通信することもでき、ここで、駆動電圧の適切なレベルを設定し／読み取ることができる。
[0053]組織破砕サービスツールは、任意のＰＣまたは計算システム（例えば電子制御装置）で動くことができ、システムの制御に使用され得る、ソフトウェアである。組織破砕サービスツールは、療法トランスデューサで療法を開始／停止し、高電圧レベル、療法パラメータ（ＰＲＦ、サイクル数、デューティー比、有効化したチャネルおよび遅延など）を設定し読み取り、他のサービスおよび維持関連アイテムを設定し読み取ることができる。組織破砕サービスツールおよび電子制御装置は、加工パラメータを設定し／読み取り、療法を開始／停止などするように構成され得る。パラメータをすべて格納するために内部フラッシュメモリまたは他の電子記憶媒体を使用することができる。組織破砕サービスツールおよび電子制御装置は、複雑なパルスを生成するのに必要なすべての駆動パラメータをＦＰＧＡ１０８に通信することができる。これらは、シリアル通信または他の電子通信を用いて高電圧制御装置および電源１１０に通信することもでき、ここで、駆動電圧の適切なレベルを設定し／読み取ることができる。
[0054]組織破砕サービスツールおよび電子制御装置は、経頭蓋の組織破砕療法中にドレナージカテーテルからのフィードバックを使用するために、療法トランスデューサおよびドレナージカテーテルのＰＺＴセンサに連結され得る。超音波パルスが人間の頭蓋冠を通って伝搬されると、収差効果(aberration effect)は、超音波パルスのピーク負圧の低下をもたらす。いくつかの実験では、頭蓋冠の収差効果は、ピーク負圧をパルスの自由境界条件の約２０％以下まで低下させることが分かっている。
[0055]一実施形態では、ドレナージカテーテルのＰＺＴセンサは、療法トランスデューサの各トランスデューサ素子からの超音波パルス信号を測定することができ、組織破砕サービスツールおよび電子制御装置は、これらの測定値を用いて、収差補正アルゴリズムを実行し、各トランスデューサ素子への電気的パルスのタイミングを調節して収差効果を補正することができる。ソフトウェアおよびハードウェアは、次に、各素子からのパルス送信を連続して自動で制御し、測定された信号を収集および格納することができる。超音波が各素子からＰＺＴセンサへと移動するように、一度に、かつ約１００μｓで１つの素子から１つのパルスを送信するのに必要なのはわずか数マイクロ秒なので、データ取得全体が、提案された自動パッケージを使用して１秒以内に達成され得る。
[0056]光線追跡に基づいた収差補正アルゴリズムが、頭蓋冠を通じた正確な焦点合わせおよび療法トランスデューサの電気的または機械的焦点操作を達成するためにＰＺＴセンサからの測定された信号を処理するように構成されている。以下に記載する特定の実施形態では、システムは、２つまたは３つ以上のＰＺＴセンサを含み得る。アルゴリズムは、３つのステップを含み、図３に示されている。これらのステップは以下のとおりである：１）カテーテル内部の２つまたは３つ以上のＰＺＴセンサ（Ｈ１、Ｈ２）および療法トランスデューサの放出トランスデューサ素子（ＴＮ）の既知の場所を用いて、光線の移動方向が制限される平面ΠＮが画定される。Ｈ１およびＨ２は、個々の素子それぞれからの放出された信号が平面波として有効に移動するのに十分ＴＮから離れていると考えられる。超音波がＴＮからＨ１およびＨ２まで移動する伝搬時間（ｔ１およびｔ２）は、ＰＺＴセンサへの信号の到達とトランスデューサ素子からのその送信との間の期間に基づいて、計算され得る。Δｔ＝ｔ１−ｔ２を使用すれば、ｄＮ１とｄＮ２との間の距離は、ｄｉｓｔ（ｄＮ１−ｄＮ２）＝ｃｔｉｓｓｕｅ＊Δｔとして計算され、式中、ｄＮ１およびｄＮ２は、ＴＮから２つのセンサの中間点Ｈｍｉｄへの光線上へのＨ１およびＨ２の射影である。ＴＮからＨｍｉｄまでの波の移動方向θｉ、および移動の時間が次に計算され得る。２）θｉが分かれば、この波動伝搬に直交する平面Πｏｒｔｈが定められ、Ｈｍｉｄに中心を置くことができる。次に、平面波伝搬を仮定し、各トランスデューサ素子の必要な時間遅延が、所与の焦点場所ｆｎについて、Πｏｒｔｈとｆｎとの間の隔離距離ｄｘを計算して、式Ｔ（ｆｎ）＝ｔｍｉｄ＋ｄｘ／ｃｔｉｓｓｕｅに代入することによって、計算され得る。３）治療体積内部のすべての操作場所について計算された時間遅延に基づいて、操作パターンが、ソフトウェアにおいて生成され得る。このソフトウェアは、操作パラメータならびにキャビテーションのモニタリングを制御するように構成され得、また、ＰＺＴセンサ信号を自動で収集および処理し、調節された操作パターンを生成するために収差補正アルゴリズムを組み込むことができる。
[0057]一実施形態では、時間遅延に基づいた収差補正アルゴリズムが、頭蓋冠を通じた正確な焦点合わせおよび療法トランスデューサの電気的または機械的焦点操作を達成するために使用される。直後に記載する特定の実施形態では、１つのＰＺＴセンサが使用され得る。この実施形態によると、アルゴリズムは、超音波パルスが療法トランスデューサの複数のトランスデューサ素子それぞれから圧電センサへと移動する伝搬時間を決定するステップと、療法トランスデューサの複数のトランスデューサ素子それぞれと基準素子との間の、伝搬時間の時間遅延を計算するステップと、計算された時間遅延に基づいて複数のトランスデューサ素子からの超音波パルスの送信を調節するステップと、を含む。
[0058]超音波による経頭蓋の療法の１つの制約は、頭蓋冠に対する過熱である。この問題に対応するため、パラメータ最適化に加えて、いくつかの戦略が採用され得る。特定の素子が発射される順序は、個々の素子により引き起こされる局所加熱を低減するよう交互に入れ替えられ得る。熱は、頭蓋冠への超音波連結媒体として冷水を使用することによって低減されてもよい。
[0059]図４〜図５は、脳組織を組織破砕超音波療法で治療するための一実施形態および方法を示している。図４は、患者の頭蓋冠に隣接して位置付けられた療法トランスデューサ１１４と、患者の脳の内部に部分的に位置付けられたドレナージカテーテル１１７と、を示し、カテーテルのドレナージポートは、血栓または脳腫瘍など、脳の標的組織の内部またはこれに隣接して位置付けられる。正確な焦点合わせおよび焦点操作を得るために、カテーテルのＰＺＴセンサは、トランスデューサの幾何学的焦点に近接して設置され得る。一実施形態では、療法トランスデューサ１１４は、トランスデューサアレイを通じたカテーテル挿入を容易にするために穴１２３を含み得る。カテーテルホルダーは、この穴にねじ込まれ得、カテーテル上には目盛りの数字があるので、オペレーターは、挿入位置、角度、および距離に基づいてカテーテル先端部の正確な位置を知ることができる。
[0060]まず図５のステップ５０と図４を参照すると、ドレナージカテーテル１１７は、患者の頭蓋冠を通じて挿入され、脳内の標的組織内部またはこれに隣接して設置され得る。次に、図５のステップ５２と図４を参照すると、療法トランスデューサ１１４の焦点が、標的組織上に位置付けられ得る。療法トランスデューサ自体は、患者の頭蓋に音響連結され得る。次に、図５のステップ５４を参照すると、超音波パルスは、療法トランスデューサから標的組織内に送信され得る。図５のステップ５６では、ドレナージカテーテルのＰＺＴセンサは、療法トランスデューサからの超音波パルスを検出または測定することができる。最後に、図５のステップ５８で、システムのソフトウェアおよび電子制御装置は、頭蓋冠により生じた収差効果を補正するためにＰＺＴセンサからの測定値に基づいて、収差補正アルゴリズムで超音波パルスのタイミングを調節することができる。
[0061]超音波パルスは、標的組織を溶解させるために脳の標的組織内部にキャビテーションまたは気泡雲を生成するように構成され得る。いくつかの実施形態では、溶解した標的組織は、カテーテルにより排出され得る。さらなる実施形態では、療法トランスデューサの焦点は、標的組織を完全に溶解させるために電子的または機械的に操作され得る。
[0062]本明細書に含まれる実施例および実例は、例証として、また限定を目的とせずに、主題が実行され得る特定の実施形態を示している。前述のとおり、他の実施形態が利用され、これらから引き出されてよく、本開示の範囲から逸脱せずに、構造的および論理的な代用および変更を行うことができる。発明の主題のこのような実施形態は、実際に２つ以上のものが開示されている場合、本出願の範囲を任意の１つの発明または発明概念に自発的に限定することを意図せずに、単に便宜上、本明細書では個々にまたはまとめて「発明」という用語で言及され得る。よって、特定の実施形態が本明細書に例示および記載されているが、同じ目的を達成するように計算された任意の構造が、図示する特定の実施形態に置き換わり得る。本開示は、さまざまな実施形態のありとあらゆる改作物または変形形態を含むことが意図されている。前述した実施形態、および本明細書に具体的には記載していない他の実施形態の組合せが、前述の説明を吟味すれば当業者には明らかとなるであろう。
Claims (8)
- 人間の患者の脳内の標的組織を治療するように構成された超音波システムであって、
パルス発生器および増幅器と、
前記パルス発生器に連結された超音波療法トランスデューサであって、キャビテーションを生成するために前記脳内の前記標的組織の内部の焦点に向けて前記人間の患者の頭蓋冠を通じて超音波パルスを送信するように構成された複数のトランスデューサ素子を有する、超音波療法トランスデューサと、
１つまたは複数の圧電センサを含むドレナージカテーテルであって、前記超音波パルスを測定するために前記脳内で前記焦点の近くに設置されるように構成されている、ドレナージカテーテルと、
前記パルス発生器、前記超音波療法トランスデューサ、および前記ドレナージカテーテルの前記圧電センサに連結された電子制御装置であって、前記人間の患者の前記頭蓋冠を通過する前記超音波パルスによって生じた収差効果を自動で補正するために前記ドレナージカテーテルによって検出された前記超音波パルスに基づいて収差補正アルゴリズムを実行することにより、前記超音波パルスの送信を制御し、前記複数のトランスデューサ素子それぞれからの超音波パルスの前記送信を調節するように構成されている、電子制御装置と、
を含む、超音波システム。 - 前記超音波療法トランスデューサは、前記人間の患者の前記脳内の前記標的組織を溶解させるためにキャビテーションを生成するため、組織破砕療法パルスを送信するように構成されている、請求項１に記載の超音波システム。
- 前記ドレナージカテーテルは、溶解した前記標的組織を前記人間の患者から排出するように構成されたドレナージポートを含む、請求項２に記載の超音波システム。
- 前記１つまたは複数の圧電センサは、ただ１つの圧電センサを含む、請求項１に記載の超音波システム。
- 前記収差補正アルゴリズムは、
前記超音波パルスが前記療法トランスデューサの前記複数のトランスデューサ素子それぞれから圧電センサへと移動する伝搬時間を決定することと、
前記療法トランスデューサの前記複数のトランスデューサ素子それぞれと基準素子との間の、前記伝搬時間の時間遅延を計算することと、
計算された前記時間遅延に基づいて前記複数のトランスデューサ素子からの超音波パルスの前記送信を調節することと、を含む、請求項４に記載の超音波システム。 - 前記１つまたは複数の圧電センサは、第１および第２の圧電センサを含む、請求項１に記載の超音波システム。
- 前記収差補正アルゴリズムは、
前記超音波パルスが前記療法トランスデューサの前記複数のトランスデューサ素子それぞれから、前記第１および第２の圧電センサへと移動する伝搬時間を決定することと、
前記複数のトランスデューサ素子それぞれから前記第１および第２の圧電センサの中間点への光線上への前記第１および第２の圧電センサの射影を用いて前記第１の圧電センサと前記第２の圧電センサとの間の距離を計算することと、
前記複数のトランスデューサ素子それぞれから前記第１および第２の圧電センサの前記中間点までの前記超音波パルスの移動方向および移動の時間を計算することと、
前記複数のトランスデューサ素子それぞれについて前記焦点と前記中間点との間の隔離距離を計算することと、
前記第１の圧電センサと前記第２の圧電センサとの間の前記距離、前記中間点、および前記隔離距離に基づいて前記複数のトランスデューサ素子それぞれの時間遅延を計算することと、を含む、請求項６に記載の超音波システム。 - 前記療法トランスデューサは、穴を含み、前記ドレナージカテーテルは、前記穴を通って、前記人間の患者の前記脳内に前進するように構成されている、請求項１に記載の超音波システム。
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