JP7267917B2 - 経頭蓋超音波治療及び撮像手順を行うためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は、「経頭蓋超音波治療及び撮像手順を行うためのシステム及び方法」と題されて2016年12月22日に出願された米国仮出願第62/438,283号の優先権を主張し、その全内容は参照により本願に組み入れられる。
患者の頭部の周囲に配置されるように構成される支持フレームと、
前記支持フレームによって支持される複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子であって、前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子が、患者の頭蓋骨を通じて超音波を伝送するために前記支持フレームに対して予め選択された位置及び向きで支持され、それにより、前記支持フレームが患者の頭部の周囲に配置されるときに、前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子とそれぞれ関連付けられる遠距離場領域が患者の脳内に位置される遠距離場オーバーラップ領域内で空間的に重なり合う、複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子と、
前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子に動作可能に接続される制御・処理ハードウェアであって、前記制御・処理ハードウェアが、
各経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子から超音波パルスを生成するように前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子を制御するとともに、超音波エネルギーが前記遠距離場オーバーラップ領域内の前記予め選択された領域に集束されるように、前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子の前記予め選択された位置及び向きを患者に関連する立体画像データと空間的に位置合わせする位置合わせデータに基づいて、前記超音波パルスのタイミングを制御する、
ように構成される、制御・処理ハードウェアと、
を備える。
患者の頭部と関連付けられる立体画像データを取得するステップと、
前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子とそれぞれ関連付けられる遠距離場領域が患者の脳内に位置される遠距離場オーバーラップ領域内で空間的に重なり合うように、立体画像データに基づいて、患者の頭蓋骨に対する複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子の位置及び向きを計算するステップと、
前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子が前記位置及び向きにしたがって支持されるように、患者の頭部の周囲に配置されるように構成される支持フレーム上に複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子を支持するステップと、
を含む。
患者の頭部の周囲に配置されるように構成される支持フレームを用意するステップであって、前記支持フレームがその上に支持される複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子を備え、前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子が、患者の頭蓋骨を通じて超音波を伝送するために前記支持フレームに対して予め選択された位置及び向きで支持され、それにより、前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子とそれぞれ関連付けられる遠距離場領域が患者の脳内に位置される遠距離場オーバーラップ領域内で空間的に重なり合う、ステップと、
各経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子から超音波パルスを生成するように前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子を制御するとともに、超音波エネルギーが遠距離場オーバーラップ領域内の予め選択された領域に集束されるように、前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子の予め選択された位置及び向きを患者に関連する立体画像データと空間的に位置合わせする位置合わせデータに基づいて、超音波パルスのタイミングを制御するステップと、
を含む。
であり、ここで、nが整数=1、2、3、…、cbが骨内の平均音速、dが頭蓋骨の厚さであるため、これらの共振を用いて、術前(例えば、CT又はMRI)の立体画像データから局所的な頭蓋骨厚さを取得して局所音速について解くことによって、局所音速を決定することができる。この局所音速は、遠距離場集束のための様々な経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子の位相遅延又はタイミング遅延を決定(補正、微調整)するために有利に使用することができる。
人間の頭部のCTスキャン(LightSpeed VCT、GE Healthcare、Chalfont St Giles、UK)を取得してこれを数値シミュレーションのそれぞれにおいて使用することができる。CTデータセット(サイズが625×625×625mm3の均一ボクセルを伴う512×512×328ボクセル)を使用して密度及び形態の情報を抽出することができる。CTスキャンにおける脳組織及び空気の密度の知識を用いて、ハウンズフィールドユニットとの線形関係を使用して密度が得られる。その後、頭蓋骨CTデータは、数値シミュレーションにおける離散化がλ=10となるようにセグメント化されて補間される。ここで、λは水中の超音波の波長である。多周波数数値シミュレーションの場合、離散化は最高周波数でλ=10と見なされる。
1)音響シミュレーション
経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子から放射される可変長の超音波バーストの伝搬を伴うシミュレーションを実行するためにハイブリッド数値モデルが使用される。数値解法は有限差分シミュレーションと格子法とを組み合わせたものである。このハイブリッドモデルは、有限差分法を使用して脳内の圧力場と頭蓋骨内の粒子変位場とを計算しつつ、グリッド法を使用して境界でこれらの異なる方程式を結合する。流体中の音響伝搬の支配方程式は、次式で与えられる。
ここで、pは音圧を示し、αLは縦方向減衰係数であり、cは音速であり、ρは密度である。中実領域では、支配方程式が次のようになる。
ここで、uは3つのデカルト方向の粒子変位のベクトル場であり、λ及びμは第1及び第2のLame係数であり、η及びξは第1及び第2の粘度パラメータである。式1及び式2の数値実装の詳細は、Pulkkinenらの付録で与えられる(A.Pulkkinen、B.Werner、E.Martin、及びK.Hynynen、「臨床集束超音波機能性神経外科手術の数値シミュレーション」 医学と生物学の物理学、第59巻、第7号、1679~700頁、2014年)。頭蓋骨内の縦方向の音速cL及び減衰量αLは、スプライン補間を使用して求められた[30]。本発明者らは、密度の関数としての実験的な剪断速度及び減衰データを知らないため、スケーリング係数が使用され、その結果、
及び
[15]となる。時間ステップ及び空間ボクセルサイズは周波数依存性であり、そのため、空間ボクセルサイズはλ/10のサイズであり、0.1の最大クーラント-フリードリッヒ-ルイ(CFL)値が得られる。CFLは、空間離散化ステップサイズΔh及び時間ステップサイズΔtに関して、CFL=cΔtΔh-1として計算され、ここで、CFLは、各領域において別々に、骨の縦方向音速及び剪断断音速の両方に関して計算される。
は、トランスデューサ表面と結合液体との間の界面で使用され、ここで、nはトランスデューサ表面の法線であり、pは圧力であり、gはトランスデューサ表面の規定の振動を表わす項である。吸収境界条件は他の境界で使用される。
骨内の粒子変位場から、以下の関係式を使用して吸収出力密度が計算される。
ここで、ωは角周波数であり、σは応力テンソルを示し、εはひずみテンソルを示し、また、
は虚数成分を示す。領域全体の吸収出力密度は、Pennesバイオヒート方程式で時間に依存しない熱源として使用され、以下のように定義される。
ここで、ρは頭蓋骨密度であり、Cは頭蓋骨の比熱容量であり、κは頭蓋骨の熱伝導率であり、Qは一定の熱源である。方程式(5)は、有限差分時間領域(FDTD)技術を用いて解かれる。図4は、音響場及び熱場のシミュレーションを実行するときに使用されるパラメータを要約する。
図5A~図5Bは、頭蓋骨の内側に集束する凹形トランスデューサ(図5A)を平面λ/2半径素子(図5B)と比較して、頭蓋骨の内側に集束することの有効性を例示する。両方のトランスデューサ出力は同じ値に正規化され、圧力場は集束トランスデューサの場合に最大圧力に正規化される。音圧場をプロットするために対数目盛が使用されることに留意されたい。両方のトランスデューサは頭蓋骨表面に対して垂直に位置される。これらの図は、冠状面を通る幾何学的形態の概略図を示し、この場合、矢印は圧力マップが表示される横断面の位置を示している。この実施例では、湾曲した(集束された)トランスデューサが、頭蓋骨を通して、サイズλ/2の平面トランスデューサよりも分散した音響場を伴って、より高い強度の音響場を伝達することが明らかである。
アレイのトランスデューサ素子の形態は幾つかの要因に依存する。第1に、トランスデューサは患者の頭部に比較的近い(皮膚表面から数ミリメートル程度)ため、素子の総数は、トランスデューサ素子のより伝統的な半球状のアレイと比較して、アレイの限られた表面積によって著しく制限される。第2に、集束深さ及び頭蓋骨表面までの距離は、各固定焦点トランスデューサの曲率半径を決定付ける(ただしフェイズドアレイではない)。最後に、等しい集束深さ及び異なるサイズの2つのトランスデューサが異なる面積を有する最初の2つの効果の組み合わせは、異なるf値を有することになり、したがって、遠距離場の音響場は全く異なることになる。これらの要因のそれぞれは、経頭蓋トランスデューサアレイの操向範囲及び音響出力に影響を及ぼす。
256素子アレイ超音波処理を使用して、二周波励起の経頭蓋的実現可能性を検査した。経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子の半分(128)が250kHzで超音波処理するように設定され、また、半分が500kHzで超音波処理するように設定された。各周波数で超音波処理する要素はアレイの周りに均等に分布され、それにより、単一の周波数で超音波処理する素子が集中することはなかった。
各トランスデューサは頭蓋内で集束されるため、頭蓋骨の完全性に対する高音場の影響は合理的な関心事であり、したがって、安全性解析を実行するために頭蓋骨の完全性に対するトランスデューサの影響がモデル化された。熱影響を評価するために、可変長の音響パルスから生じる温度上昇が音響シミュレーション及び熱シミュレーションを用いてシミュレートされる。方程式1,2によって生成される安定な音場から、中実の骨における吸収出力密度Qが方程式4を使用して生成される。その後、頭蓋骨の内側の温度マップがシミュレートされ、この場合、温度-時間の漸進的変化は方程式5によって決定される。この温度測定データを使用して、安全な処置のための最大パルス持続時間が決定された。更に、脳組織に対する超音波処理の潜在的な安全性を評価するために、焦点から離れた外部からの音響エネルギー蓄積を評価するべく、頭蓋骨の内面上のポイントにおける相対圧力が焦点におけるピーク圧力振幅と比較された。
頭蓋骨の異なる部分にわたる超音波伝送を改善するために可変周波数を使用する可能性は、既に研究されてきている(White、Clement&Hynynen 2006)。提示されたアレイ形態は頭蓋骨を横切って局部的な平面波を伝送するため、このアレイ形態は可変周波数伝送にとって理想的である。次式によって定義される周波数fで超音波がアレイのトランスデューサから送出されるシミュレーションが行われた。
ここで、cは伝送経路を横切る骨内の平均音速であり、dは骨の厚さであり、m>0は整数である。標的での音圧は、次の関係式を使用して、時間tに関して全てのトランスデューサnにわたって合計された。
ここで、fnはトランスデューサnの周波数である。骨を通じた集束超音波伝送についてのこの導出の詳細は、Whiteらの付録において見出すことができる(White P J、Hynynen K、Clement G T及びHynynen K、2006 Ultrasound in Medicine&Biology 32(7)、1085-1096)。頭蓋骨を通じた超音波の伝達をシミュレートするために、既に導入された光線音響モデルが使用された(Jones R M、O’Reilly M A、Hynynen K、O’Reilly M a&Hynynen K、2013 Physics in Medicine and Biology 58(14)、4981-5005)全波モデルを使用して超音波を伝送することは実行不可能であった。これは、グリッドサイズがこの技術によって必要とされる周波数の微妙な変化を正確にモデリングするのに十分に小さくなく、光線音響モデルが異なる周波数のための再離散化を必要としなかったからである。光線音響モデルは、頭蓋骨を通じた縦波及び剪断波の両方の伝搬をシミュレートした。
標的に送られるバーストのデューティサイクルを変えることによって、個々のパルスが各バースト内でどれだけ近くなり得るかを決定できる。図17は、集束の質に対する10、25、50及び75%デューティサイクルの影響を示す。いずれの場合も-6dB等値面が半透明の赤で示され、一方、-3dB等値面が青の実線で示される。デューティサイクルを75%から10%まで減らすと、集束の質が著しく向上する。
Claims (18)
- 診断用又は治療用の経頭蓋超音波処置を行うためのシステムにおいて、
患者の頭部の周囲に配置されるように構成される支持フレームと、
前記支持フレームによって支持される複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子であって、前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子が、患者の頭蓋骨を通じて超音波を伝送するために前記支持フレームに対して予め選択された位置及び向きで支持され、それにより、前記支持フレームが患者の頭部の周囲に配置されるときに、前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子とそれぞれ関連付けられる遠距離場領域が患者の脳内に位置される遠距離場オーバーラップ領域内で空間的に重なり合う、複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子と、
前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子に動作可能に接続される制御・処理ハードウェアであって、前記制御・処理ハードウェアが、
各経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子から超音波パルスを生成するように前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子を制御するとともに、超音波エネルギーが前記遠距離場オーバーラップ領域内の前記予め選択された領域に集束されるように、前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子の前記予め選択された位置及び向きを患者に関連する立体画像データと空間的に位置合わせする位置合わせデータに基づいて、前記超音波パルスのタイミングを制御する、
ように構成される、制御・処理ハードウェアと、
を備えるシステム。 - 前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子は、前記支持フレームが患者の頭部の周囲に配置されるときに各経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子のそれぞれのビーム軸が患者の頭蓋骨に関連するそれぞれの局所表面法線ベクトルの±15°以内に向けられるように、前記支持フレームに対して前記予め選択された位置及び向きで支持される、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子のうちの1つ以上がフェイズドトランスデューササブアレイとして設けられる、請求項1から2のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記制御・処理ハードウェアは、前記支持フレームが患者の頭部の周囲に配置されるときに前記フェイズドトランスデューササブアレイとそれぞれ関連付けられる焦点が患者の頭蓋骨の内面と外面の間に位置するように前記フェイズドトランスデューササブアレイを制御するべく構成される、請求項3に記載のシステム。
- 前記制御・処理ハードウェアは、前記支持フレームが患者の頭部の周囲に配置されるときに、頭蓋骨の内面と外面の間で、前記フェイズドトランスデューササブアレイによりそれぞれ生成される波面が患者の頭蓋骨の少なくとも一部を通じて伝搬する際に平面であるように前記フェイズドトランスデューササブアレイを制御するべく構成される、請求項3に記載のシステム。
- 前記制御・処理ハードウェアは、前記支持フレームが患者の頭部の周囲に配置されるときに前記フェイズドトランスデューササブアレイによりそれぞれ放射される超音波ビームが患者の頭蓋骨の内面と外面の間で前記遠距離場オーバーラップ領域内よりも狭くなるように前記フェイズドトランスデューササブアレイを制御するべく構成される、請求項3に記載のシステム。
- 前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子のうちの1つ以上が単一素子超音波トランスデューサである、請求項1から2のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記単一素子超音波トランスデューサは、前記支持フレームが患者の頭部の周囲に位置されるときに前記単一素子超音波トランスデューサとそれぞれ関連付けられる焦点が患者の頭蓋骨の内面と外面の間に位置するように、前記予め選択された位置及び向きで支持される、請求項7に記載のシステム。
- 前記単一素子超音波トランスデューサは、前記支持フレームが患者の頭部の周囲に配置されるときに、頭蓋骨の内面と外面の間で、前記単一素子超音波トランスデューサによりそれぞれ生成される波面が患者の頭蓋骨の少なくとも一部を通じて伝搬する際に平面であるように前記予め選択された位置及び向きで支持される、請求項7に記載のシステム。
- 前記単一素子超音波トランスデューサは、前記支持フレームが患者の頭部の周囲に配置されるときに前記単一素子トランスデューサによりそれぞれ放射される超音波ビームが患者の頭蓋骨の内面と外面の間で前記遠距離場オーバーラップ領域内よりも狭くなるように前記予め選択された位置及び向きで支持される、請求項7に記載のシステム。
- 前記支持フレームは、患者の頭蓋骨の一部の解剖学的曲率に適合するように構成され、前記支持フレームは、患者と関連付けられる立体画像データに基づいて製造されている、請求項1から10のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記支持フレームは、経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子の位置及び/又は向きが調整可能であるように構成される、請求項1から11のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記制御・処理ハードウェアは、前記経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子のうちの少なくとも1つによって放射される前記超音波パルスのタイミングを経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子とそれぞれ関連付けられる局所音速にしたがって調整するように更に構成される、請求項1から11のいずれか一項に記載のシステム。
- 所定の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子と関連付けられる前記局所音速は、前記超音波パルスを生成するように前記複数の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子を制御する前に、
前記所定の経頭蓋超音波トランスデューサアレイ素子を制御して初期超音波パルスを送出するステップと、
頭蓋骨から反射される超音波エネルギーと関連付けられる信号を検出するステップと、
前記信号を処理してその中の共振スペクトル特徴を特定するステップと、
前記立体画像データに基づいて、頭蓋骨の局所厚さを決定するステップと、
前記立体画像データと前記局所厚さとに基づいて前記局所音速を計算するステップと、
にしたがって決定されるように、前記制御・処理ハードウェアがさらに構成される、請求項13に記載のシステム。 - 少なくとも2つの経頭蓋超音波素子が異なる周波数で動作するように構成される、請求項1から13のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記異なる周波数がmc/2dによって与えられ、cは頭蓋骨内の平均音速であり、dは頭蓋骨の局所厚さであり、mはゼロよりも大きい整数である、請求項15に記載のシステム。
- 前記パルスが複数のサイクルを備えるバーストである、請求項1から16のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記バーストのデューティサイクルが50%以下である、請求項17に記載のシステム。
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JP2023042487A JP2023085350A (ja) | 2016-12-22 | 2023-03-17 | 経頭蓋超音波治療及び撮像手順を行うためのシステム及び方法 |
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