JP7475340B2 - スペクトル分析と超音波治療介入の安全性を確保することを可能にするマーカーの決定とのための方法及びシステム - Google Patents
スペクトル分析と超音波治療介入の安全性を確保することを可能にするマーカーの決定とのための方法及びシステム Download PDFInfo
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Description
-Radiology、263(1)、pp.96~106に掲載され、「Blood-Brain Barrier:Real-time Feedback-controlled Focused Ultrasound Disruption by Using an Acoustic Emissions-based Controller」と題されたO’Reillyら著の論文(2012年)
-Phys.Med.Biol.、61、pp.2926~2946に掲載され、「Real-time monitoring of focused ultrasound bloodbrain barrier opening via subharmonic acoustic emission detection:implementation of confocal dual-frequency piezoelectric transducers」と題されたTsaiら著の論文(2016年)
-J.Cereb.Blood Flow Metab.1:271678X17753514に掲載され、「Feedback control of microbubble cavitation for ultrasound-mediated blood-brain barrier disruption in non human primates under magnetic resonance guidance」と題されたKamimuraら著の論文(2018年)
-国際公開第2012042423A1号パンフレット
-国際公開第2008062342A3号パンフレット
-ショットBb中に、一連の時刻taにおいて、微小気泡の受信音響応答信号の低調波及びウルトラハーモニック周波数に対応するスペクトルラインの時間の関数としての変動量を定期的に測定する。受信応答信号は、所定の検出通過帯域を有する受動キャビテーション検出器によって検出される。
-それを定量化することによって、数MDDaによって各時刻taにおいて定義される安全性マーカーの、時間taに渡る時間の関数としての変動量を決定する。この数MDDaは、時刻taで測定される、微小気泡の受信音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、スペクトルラインの面積の合計と、第1の時刻t1で測定された、初期状態での微小気泡の音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、スペクトルラインの面積の合計との比率に等しい。
-微小気泡の受信音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応するスペクトルラインの各時刻taにおける測定は、観察ウィンドウwa内で受信された応答信号を利用しており、この観察ウィンドウwaは時刻taを含み、且つ、くだんのショットに対応する受信時間間隔内に含まれている。
-観察又は分析ウィンドウwaは、隣接しているか、又は分離しているか、又はペアごとに部分的に重なっている。
-上述したスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するための方法は、所与のショットBbについて(bは1~Nbの間に含まれる)、第1の測定及びセグメント化ステップを含み、このステップでは、波列Bbに対する微小気泡の音響応答信号は、等しい持続時間の所定の整数k(kは2以上)の時間ウィンドウwa(aは1からkまで変化する)に分割され、これらの時間ウィンドウwaにより、超音波波列Bbの間の周波数成分の変動が決定可能になり、前述の信号は、受動キャビテーション検出器によって受信され測定される。
-ウィンドウの数k及びそれらのサイズtwは、超音波ショットBbの持続時間及び励起周波数f0に直接的に依存する。超音波ショットの持続時間は、数マイクロ秒~数百ミリ秒の間に含まれる。
-ウィンドウwaの持続時間は、励起信号の8サイクル分の持続時間と、1つのショットの持続時間の半分との間に含まれ、且つ/又は、ウィンドウwaの数kは2以上であり、1つのショットの持続時間TBに超音波励起周波数f0をかけた積の8分の1以下である。
-上述したスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するための方法は、所与のショットBbについて(bは1~Nbの間に含まれる)、スペクトル計算の第2のステップを含み、この第2のステップは第1のステップの後で実行され、この第2のステップでは、ショットBbのウィンドウwa(aは1からkまで変化する)毎に、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステムは、前述のウィンドウwaに含まれる、波列Bbに対する微小気泡の音響応答信号の部分の周波数スペクトルを計算する。
-周波数スペクトルを計算するための方法は、フーリエ変換を使用する。
-上記で定義した、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するための方法は、所与のショットBbについて(bは1~Nbの間に含まれる)、キャビテーション信号s(a)の、そのショット中の変動量を計算する第3のステップを含み、このステップは第2のステップの後に実行され、この第3のステップでは、時間ウィンドウwa(aは1からkまで変化する)毎に、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステムは、キャビテーション信号s(a)が、時刻taで測定される、微小気泡の音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、スペクトルラインの面積の合計になるように、計算する。
-キャビテーション信号s(a)の計算で考慮されるウルトラハーモニック及び/又は低調波の成分の数は、キャビテーションを検出するために使用され且つ受動キャビテーション検出器を形成する、1つ又は複数のトランスデューサの通過帯域に依存する。
-受動キャビテーション検出器の通過帯域内に含まれるウルトラハーモニック及び/又は低調波成分の測定されたピークの振幅は、計算の際に、キャビテーション信号s(a)に加えて又はキャビテーション信号s(a)の代わりに使用される。
-上述した、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するための方法は、所与のショットBbについて(bは1~Nbの間に含まれる)、キャビテーションマーカーs(a)の、そのショット中の変動量を計算する第4のステップを含み、このステップは第3のステップ(108)の後に実行され、この第4のステップでは、ショットBbの時間ウィンドウwa(aは1からkまで変化する)毎に、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステムは、「キャビテーション線量MDDa」と呼ばれる安全性マーカーを計算し、この安全性マーカーは、a番目のウィンドウwa内のキャビテーション信号s(a)と、第1の時間ウィンドウw1のキャビテーション信号s(1)との比率に等しい数MDDaによって定義され、キャビテーション線量MDDaは、線形又は対数尺度で表現される。
-上述した、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するための方法は、所与のショットBbについて(bは1~Nbの間に含まれる)、第1の警告パラメータAl1(a)及び/又は第2の警告パラメータAl2(a)の、そのショット中の変動量を計算する第5のステップを含み、このステップは第4のステップの後に実行され、この第5のステップでは、第1の警告パラメータAl1は、安全性マーカーMDDaが第1の所定の安全性閾値Th1を超えたときにアクティブ状態におかれ、第2の警告パラメータAl2は、安全性マーカーMDDaが第1の閾値Th1を超えた回数nfが第2の所定の閾値Th2を超えたときに、アクティブ状態におかれる。
-上述した、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するための方法は、所与のショットBbについて(bは1~Nbの間に含まれる)、第6のステップを含み、このステップは第4又は第5のステップの後に実行され、この第6のステップでは、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステムは、ショットパラメータを制御するフィードバックループ中に介在する命令及び制御デバイスに向けて、第4のステップで提供されたキャビテーション線量MDDaであって、前述の線量はショット中に変化するキャビテーション線量MDDa、並びに/又は、第5のステップで決定された第1の警告パラメータ及び/若しくは第2の警告パラメータの状態Al1(a)、Al2(a)を送信する。
-ショットBb中に、一連の時刻taにおいて、微小気泡の受信音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応するスペクトルラインの時間の関数としての変動量を定期的に測定する。受信応答信号は、所定の検出通過帯域を有する受動キャビテーション検出器によって検出される。
-それを定量化することによって、数MDDaによって各時刻taにおいて定義される安全性マーカーの、その時系列の時間taに渡る時間の関数としての変動量を決定する。この数MDDaは、時刻taで測定される、微小気泡の受信音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、スペクトルラインの面積の合計と、第1の時刻t1で測定された、微小気泡の音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、スペクトルラインの面積の合計との比率に等しい。
-各時刻taにおける、微小気泡の受信音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応するスペクトルラインの測定は、観察ウィンドウwa内で受信された応答信号を利用しており、この観察ウィンドウwaは時刻taを含み、且つ、くだんのショットに対応する受信時間間隔内に含まれている。
-観察又は分析ウィンドウwaは、隣接しているか、又は分離しているか、又はペアごとに縁部が僅かに部分的に重なっている。
-所定の放射周波数f0で1つ又は複数の励起ショットの治療シーケンスを励起及び放射するためのデバイス。前述のショットは、生体組織の治療対象領域に焦点を合わせている。
-シーケンスのショットに応答して、当該領域内に含まれる微小気泡の応答を検出し測定するための受動キャビテーションセンサ、
-上述したように、スペクトル分析を実施し、微小気泡の不安定化状態を表す安全性マーカーを決定するためのシステム、
-超音波励起デバイスの1つ又は複数のショットのパラメータを制御するための、命令及び制御デバイス、
受動キャビテーションセンサ、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム、命令及び制御デバイス、及び超音波励起デバイスは、安全フィードバックループを形成するように、鎖状に直列に配置される。
-所定の放射周波数f0で1つ又は複数の励起波列の治療シーケンスを励起及び放射するためのデバイス12。前述の列は「ショット」と呼ばれ、生体組織6の治療対象の領域4に焦点を合わせている。
-シーケンスのショットに応答して、領域4内に含まれる微小気泡の応答を検出し測定するための、1つ又は複数の受信トランスデューサを使用して形成される、受動キャビテーションセンサ14。
-スペクトル分析を実施し、微小気泡8の不安定化状態を表す安全性マーカーを決定するための、本発明によるシステム16。
-励起デバイス12の1つ又は複数のショットのパラメータを制御するための、命令及び制御デバイス18。
-ショットBb中に、一連の時刻taにおいて、微小気泡の受信音響応答信号の低調波及びウルトラハーモニック周波数に対応するスペクトルラインの時間の関数としての変動量を定期的に測定する。受信応答信号は、所定の検出通過帯域を有する受動キャビテーション検出器によって検出される。
-それを定量化することによって、数MDDaによって各時刻taにおいて定義される安全性マーカーの、その時系列の時間taに渡る時間の関数としての変動量を決定する。この数MDDaは、時刻taで測定される、微小気泡の受信音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、スペクトルラインの面積の合計と、第1の時刻t1で測定された、微小気泡の音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、スペクトルラインの面積の合計との比率に等しい。
-ショットBb中に、一連の所定の整数kの時刻taにおいて(aは1からkまで変化する)、微小気泡の受信音響応答信号の低調波及びウルトラハーモニック周波数に対応するスペクトルラインの時間の関数としての変動量を定期的に測定する。受信応答信号は、所定の検出通過帯域を有する受動キャビテーション検出器によって検出される。
-それを定量化することによって、数MDDaによって各時刻taにおいて定義される安全性マーカーの、時間taに渡る時間の関数としての変動量を決定する。この数MDDaは、時刻taで測定される、微小気泡の受信音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、スペクトルラインの面積の合計と、第1の時刻t1で測定された、微小気泡の音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、スペクトルラインの面積の合計との比率に等しい。
-第4のステップで提供されたキャビテーション線量MDDaであって、前述の線量はショット中に変化するキャビテーション線量MDDa、並びに/又は、
-第5のステップで決定された、第1の警告パラメータ及び/若しくは第2の警告パラメータの状態Al1(a)、Al2(a)。
Claims (15)
- スペクトル分析を実施し、軟血管新生した生体組織(6)の領域(4)内に含まれる微小気泡(8)の不安定化状態を表す安全性マーカーを決定するためのシステムであって、前記微小気泡(8)は、前記領域(4)において生物学的バリアの局所的で可逆の開口を誘起するために、所定の放射周波数f0で超音波励起信号にさらされ、前記微小気泡(8)の前記不安定化状態は前記生体組織(6)にとって有害であり、
前記超音波励起信号は、「ショット」と呼ばれる、1以上の所定の整数Nbの波列から構成される超音波シーケンスによって形成され、
スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するための前記システムは、各ショットBbがトリガーされた後で、ここで、bは1~Nbの間に含まれており、
-前記ショットBb中に、一連の時刻taにおいて、前記微小気泡の受信音響応答信号の低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応するスペクトルラインの時間の関数としての変動量を定期的に測定し(106、108)、なお、前記受信音響応答信号は、所定の検出通過帯域を有する受動キャビテーション検出器によって検出され、
-数MDDaによって各時刻taにおいて定義される安全性マーカーの、複数の時刻taに渡る時間の関数としての変動量を決定および定量化し(110、112)、なお前記数MDDaは、前記時刻taで測定される、前記微小気泡の前記受信音響応答信号の前記低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、前記スペクトルラインの面積の合計と、第1の時刻t1で測定された、初期状態での前記微小気泡の前記受信音響応答信号の前記低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、前記スペクトルラインの面積の合計との比率に等しい、
ように構成されることを特徴とする、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。 - 前記微小気泡の前記受信音響応答信号の前記低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する前記スペクトルラインの各時刻taにおける前記測定は、時間ウィンドウwa内で受信された前記受信音響応答信号を利用しており、前記時間ウィンドウwaは前記時刻taを含み、且つ、前記ショットBbに対応する受信時間間隔内に含まれている、請求項1に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。
- 一連の時刻taにおける測定は、複数の時間ウィンドウwa内で受信された前記受信音響応答信号を利用しており、各時間ウィンドウwaは、対応する前記時刻taを含み、2つの時間ウィンドウwaごとに、隣接しているか、又は分離しているか、又は部分的に重なっている、請求項2に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。
- 所与のショットBbについて、bは1~Nbの間に含まれており、
第1の測定及びセグメント化ステップ(104)において、ショットBbに対する前記微小気泡の前記受信音響応答信号を、等しい持続時間の所定の整数k、の時間ウィンドウwaに分割するように構成され、kは2以上であり、aは1からkまで変化し、なお、前記時間ウィンドウwaにより、前記ショットBb中の周波数成分の変動量が決定可能になり、前記受信音響応答信号は、前記受動キャビテーション検出器によって受信され測定される、請求項1~3の何れか一項に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。 - ウィンドウの数k及びそれらのサイズtwは、前記ショットBbの持続時間及び前記放射周波数f0に直接的に依存し、
前記ショットBbの前記持続時間は、マイクロ秒~百ミリ秒のオーダーである、請求項4に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。 - 前記時間ウィンドウwaの前記持続時間は、前記超音波励起信号の8サイクル分の持続時間と1回のショットの前記持続時間の半分との間に含まれ、且つ/又は、
時間ウィンドウwaの数kは、2以上であり、且つ、1回のショットの持続時間TBに前記放射周波数f0をかけた積の8分の1以下である、請求項4又は5に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。 - ショットBbは、bが1~Nbの間に含まれる状態で与えられ、
前記第1の測定及びセグメント化ステップ(104)の後で実行されるスペクトル計算の第2のステップ(106)では、前記ショットBbの時間ウィンドウwa毎に、ここで、aは1からkまで変化し、前記時間ウィンドウwaに含まれる、前記ショットBbに対する前記微小気泡の前記受信音響応答信号の部分の周波数スペクトルを計算する、ように構成される、請求項4~6の何れか一項に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。 - 前記周波数スペクトルの前記計算は、フーリエ変換を使用する、請求項7に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。
- ショットBbは、bが1~Nbの間に含まれる状態で与えられ、
前記第2のステップ(106)の後で実行される、キャビテーション信号s(a)の前記ショットBb中の変動量を計算する第3のステップ(108)では、時間ウィンドウwa毎に、ここで、aは1からkまで変化し、前記キャビテーション信号s(a)を、前記時刻taで測定された、前記微小気泡の前記受信音響応答信号の前記低調波及び/又はウルトラハーモニック周波数に対応する、前記スペクトルラインの面積の合計になるように、計算する、ように構成される、請求項7~8の何れか一項に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。 - 前記キャビテーション信号s(a)の前記計算で考慮されるウルトラハーモニック及び/又は低調波成分の数は、キャビテーションを検出するために使用され、且つ前記受動キャビテーション検出器を形成する1つ又は複数のトランスデューサの通過帯域に依存する、請求項9に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。
- 前記受動キャビテーション検出器の前記通過帯域内に含まれる前記ウルトラハーモニック及び/又は低調波成分の測定されたピークの振幅は、前記計算の際に、前記キャビテーション信号s(a)に加えて又は前記キャビテーション信号s(a)の代わりに使用される、請求項10に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。
- ショットBbは、bが1~Nbの間に含まれる状態で与えられ、
前記第3のステップ(108)の後で実行される、キャビテーション信号s(a)の前記ショットBb中の変動量を計算する第4のステップ(110)では、前記ショットBbの時間ウィンドウwa毎に、ここで、aは1からkまで変化し、「キャビテーション線量MDDa」と呼ばれる安全性マーカーを計算するように構成され、この安全性マーカーは、a番目の時間ウィンドウwa内の前記キャビテーション信号s(a)と、第1の時間ウィンドウw1のキャビテーション信号s(1)との比率に等しい数MDDaによって定義され、前記キャビテーション線量MDDaは、線形又は対数尺度で表現される、請求項9~11の何れか一項に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。 - 所与のショットBbについて、bは1~Nbの間に含まれており、
前記第4のステップ(110)の後で実行される、第1の警告パラメータAl1(a)及び/又は第2の警告パラメータAl2(a)の前記ショットBb中の変動量を計算する第5のステップ(112)では、
前記安全性マーカーが第1の所定の安全性閾値Th1を超えたときに、前記第1の警告パラメータAl1をアクティブ状態におき、
前記安全性マーカーが前記第1の所定の安全性閾値Th1を超えた回数nfが第2の所定の閾値Th2を超えたときに、前記第2の警告パラメータAl2をアクティブ状態におく、ように構成される、請求項12に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。 - ショットBbは、bが1~Nbの間に含まれる状態で与えられ、
前記第4(110)又は前記第5のステップ(112)の後で実行される第6のステップ(114)では、ショットパラメータを制御するフィードバックループ内に介在する命令及び制御デバイスに、
-前記第4のステップで提供された前記キャビテーション線量MDDaであって、前記キャビテーション線量MDDaは、前記ショット中に変化する前記キャビテーション線量MDDa、並びに/又は、
-前記第5のステップで決定された、前記第1の警告パラメータAl1(a)及び/若しくは前記第2の警告パラメータAl2(a)の状態Al1(a)、Al2(a)、
を送信するように構成される、請求項13に記載のスペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するためのシステム。 - 微小気泡(8)を含む軟血管新生した生体組織(6)の領域(4)を標的とした治療に超音波支援を提供するためのシステムであって、
-所定の放射周波数f0で1つ又は複数の励起ショットの治療シーケンスを励起及び放射するための超音波励起デバイス(12)であって、前記励起ショットは、前記生体組織(6)の治療対象の前記領域(4)に焦点を合わせているデバイス(12)と、
-前記治療シーケンスの前記励起ショットに応答して、前記領域(4)内に含まれる前記微小気泡(8)の応答を検出し測定するための受動キャビテーションセンサ(14)と、
-請求項1~14の何れか一項に記載の、スペクトル分析を実施し、前記微小気泡(8)の不安定化状態を表す安全性マーカーを決定するためのシステム(16)と、
-前記超音波励起デバイス(12)の前記1つ又は複数の励起ショットのパラメータを制御するための、命令及び制御デバイス(18)と、を含み
前記受動キャビテーションセンサ(14)、スペクトル分析を実施し安全性マーカーを決定するための前記システム(16)、前記命令及び制御デバイス(18)、及び前記超音波励起デバイス(12)は、安全フィードバックループ(20)を形成するように、鎖状に直列に配置される、システム。
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