JPWO2016163395A1 - 超音波診断治療装置および超音波診断治療方法 - Google Patents
超音波診断治療装置および超音波診断治療方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
また、下記特許文献1に示すように、超音波診断と超音波治療を同一の装置で行う超音波診断治療装置が知られている。同文献に記載された超音波診断治療装置は、球殻状の本体部分の内面側に配設された治療用の超音波振動子群と、球殻状の本体部分の中心部に配設された診断用の超音波プローブとを備えている。治療用の超音波振動子群は、球殻状の本体部分の内面側に配置されていることにより、生体内の一点で焦点を結ぶことができるようになっている。診断用の超音波プローブは、メカニカルスキャンや電子スキャンによって、生体内を診断できるようになっている。
また、上記文献の診断用の超音波プローブは、球殻状の本体部分の中心部に配置されているため、超音波を有効に透過させることができる領域が狭い場合には生体内に広い視野角を確保することができず、満足な診断を行うことができないという問題がある。例えば、超音波は骨に対して大きく減衰するので、脳の診断を行う場合には、頭蓋骨のうちで骨の薄い限られた領域を利用して超音波を透過させることになるが、上記文献の超音波プローブのように超音波が透過可能な領域の真上すなわち法線上に位置している場合には、当該領域から脳内に向けて十分な視野角を確保することが難しい。
また、上記文献の治療用の超音波振動子群は、球殻状の本体部分の内面側に配置されることによって生体内の1点で焦点を結ぶことになっているが、上述のように超音波が透過可能な限られた領域から超音波を照射する場合には、患者の体表面における超音波の照射領域が超音波透過可能領域よりも大きくなってしまうことが生じ得る。このような場合、球殻状の本体部分の外周側に配置された超音波振動子から発せられた超音波は、超音波透過可能領域の外側で遮られてしまい(例えば厚い骨によって遮られてしまい)、これらの超音波振動子を有効に利用できないという問題がある。
すなわち、本発明にかかる超音波診断治療装置は、出射される超音波の焦点が被検体の外表面の外側近傍でかつ該外表面から所定距離だけ離れた位置となるように配列された複数の超音波振動子と、各前記超音波振動子の送受信を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記被検体の内部の診断領域に向けて少なくとも1つの前記超音波振動子を発振させるとともに、前記診断領域からの反射波を少なくとも1つの前記超音波振動子にて受波して可視化する診断モードと、前記被検体の内部に向けて少なくとも1つの前記超音波振動子を発振させる治療モードとを有している。
また、焦点を被検体の外表面の外側近傍の所定位置とすることにより、被検体の外表面における超音波照射領域を可及的に小さくすることができ、被検体に超音波を照射できる領域が限られている場合であっても有効に全ての超音波振動子を利用して診断ないし治療を行うことができる。
なお、本発明の「焦点」は、被検体の外表面に近いほど好ましいが、各超音波振動子から出射された超音波が焦点に集中することによって生じる火傷等の悪影響を回避できる程度に被検体の外表面から離された位置とされる。
凹曲面としては、所望の位置に焦点を位置させる形状であれば特に限定されるものではないが、例えば、部分回転体が挙げられる。部分回転体とは、所定の円弧や線分を中心軸線回りに回転させて形成された形状、換言すると回転体を中心軸線に直交する平面で切り取った部分を意味する。部分回転体の具体例としては、球体の一部分や、回転放物面の一部分が例示できる。
なお、所定値としては、さらに好ましくは、5mm以上20mm以下とされる。
なお、同じ時刻で各超音波振動子を出射させる場合には、各超音波振動子の発振周波数を異ならせることで、反射波を分離することもできる。
また、同じ時刻かつ同じ発振周波数で全ての超音波振動子を発振させる制御を備えていてもよい。
なお、本発明の「広がり角」は、焦点を通る対称軸線(中心軸線)を挟んだ両側の角度を意味する。そして、「最大の広がり角」とは、全ての超音波振動子を用いた場合に可能な広がり角を意味する。最大の広がり角は、さらに好ましくは、100°以上140°以下とされる。
超音波治療促進物質としては、例えば、超音波造影剤として利用されるマイクロバブルが例示でき、このようなマイクロバブルは、内部にガスを含み0.1μm以上100μm以下程度の直径とされた多数のマイクロカプセルを含有する。
なお、上記の周波数掃引モードは、公知の超音波治療装置に適用することもできる。すなわち、本発明のように、出射される超音波の焦点が被検体の外表面の外側近傍でかつ該外表面から所定距離だけ離れた位置となるように配列された複数の超音波振動子という構成を有する超音波治療装置に限定されることなく、単に超音波振動子を備えた超音波治療装置に適用することができる。
また、焦点を被検体の外表面の外側近傍の所定位置とすることにより、被検体の外表面における超音波照射領域を可及的に小さくすることができ、被検体に超音波を照射できる領域が限られている場合であっても有効に全ての超音波振動子を利用して診断ないし治療を行うことができる。
図1には、本実施形態にかかる超音波診断治療装置1が示されている。
超音波診断治療装置1は、超音波診断治療プローブ3(以下、単に「プローブ3」という。)と、超音波振動子の送受信の制御等を行う制御部5とを備えている。
なお、超音波振動子10としては、PZTに代えて、cMUT(Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers)を用いてもよい。cMUTは、は半導体技術を応用した容量性超音波トランスデューサであり、広帯域の超音波周波数を発信・受信することができ、音響特性に優れている。cMUTは、シリコン基板上にリソグラフィ技術を用いて多数の微小センサ(cMUTセル)をパターニングすることにより作製される。
また、焦点における超音波の最大の広がり角αは、80°以上160°以下、好ましくは100°以上140°以下とされている。最大の広がり角αは、焦点Fを通る対称軸線(中心軸線L)を挟んだ両側の角度を意味し、全ての超音波振動子を用いた場合に可能な広がり角を意味する。
制御部5は、各超音波振動子10の周波数、出力等が調整できるようになっており、各超音波振動子10が発振する順番のパターンについても調整できるようになっている。各超音波振動子10の周波数や出力については、それぞれの超音波振動子10毎に個別に調整できるようにしてもよい。また、診断モードと治療モードによって超音波振動子10の周波数や出力を変更しても良い。例えば、診断モードの際には出力を小さくし、治療モードの際には出力を大きくするようにしても良い。
また、制御部5では、各超音波振動子10にて受波した反射波に基づいて、所定の演算を行い可視化する処理が行われるようになっている。可視化される画像としては、Aモード画像、Bモード画像、Mモード画像あるいはカラードップラーといった種々の画像を得ることができる。また、画像処理技術としては、Mickael Tanter氏によって提唱されているUltrafast Imagingを用いることができる(例えば、'Ultrafast Imaging in Biomedical Ultrasound', IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,
vol. 61, no. 1, pp. 102-119 January 2014)。
制御部5には、画像表示装置としてのモニタ(図示せず)が接続されており、上述した各種の画像が表示されるようになっている。
[診断モード]
診断モードの場合、制御部5の指示により、各超音波振動子10は、所定の時間差ないし位相差で順次発振させられる。例えば図4に示されているように、一方の端部に位置する超音波振動子10aから他方の端部に位置する超音波振動子10bまで順次に発振させられる。このように超音波送受信部7の直径方向に各超音波振動子10を発振させ、これを順次異なる直径方向に繰り返す。すなわち、図3に示すように、先ず図中における右下の超音波振動子10cから左上の超音波振動子10dまで順次発振させて(図中の符号I参照)、次に図中における真下の超音波振動子10eから真上の超音波振動子10fまで順次発振させ(図中の符号II参照)、その次に図中における左下の超音波振動子10gから右上の超音波振動子10hまで順次発振させ(図中の符号III参照)、最後に図中における左端の超音波振動子10iから右端の超音波振動子10jまで順次発振させる(図中の符号IV照)。
診断モードには、赤血球による超音波の反射波を捉えて血管内の血流速度を得る血流検査も含まれている。
制御部5は、上述した診断モードによって血管の位置及び向きを把握した後に、診断対象とする血管の向きに対向する方向、すなわち血流の向きに対して略平行に近い方向に超音波を出射する1以上の超音波振動子10を選定する。そして、選定した超音波振動子10を発振させることによって赤血球から反射される反射波を超音波振動子10にて捉えて超音波ドップラーを計測し、血流速度を得る。このように、超音波によるドップラーシフトが得られやすい方向に超音波を照射することより、高い精度で血流速度を得ることができる。
治療モードの場合、制御部5の指示により、所定の超音波振動子10が選定され、選定された超音波振動子10から超音波が出射される。これにより、図6に示すように、治療対象Tに超音波が照射され、治療が行われる。治療を行う超音波振動子10の選定は、上述した診断モードにて治療対象Tの位置を把握した上で、この治療対象Tに対応する位置に配置された超音波振動子10が選定される。あるいは、治療対象Tの位置が予め分かっている場合には、診断モードを省略しても良い。
また、診断モードにおいても、入射角βが大きい超音波振動子10を用いることによって、外表面Sにおける超音波の照射領域の外側でかつ外表面Sから浅い深さに位置する治療対象Tを診断することができる。
超音波の熱エネルギーによる温熱を利用する温熱治療だけでなく、薬物効果を促進する非温熱治療にも適用することができる。
非温熱治療の場合には、薬物及び超音波治療促進物質を治療対象Tに投与して、この治療対象Tに対応する少なくとも1つの超音波振動子10(図6では超音波振動子10k)を発振させる。これにより、超音波エネルギーによる非温熱効果を利用した超音波治療促進物質によって、治療対象Tへの薬物の浸透が促進される。
超音波治療促進物質としては、例えば、超音波造影剤として利用されるマイクロバブルが例示でき、このようなマイクロバブルは、内部にガスを含み0.1から100μm程度の直径とされた多数のマイクロカプセルを含有する。
治療モードの際には、以下のような周波数掃引モードが可能となっている。
周波数掃引モードでは、超音波振動子10から発振されるパルス波に含まれる周波数を高域から低域へと掃引する。これにより、低域から高域に周波数掃引する場合に比べて多くの細胞を死滅させることができる。周波数掃引モードは、例えば、中心周波数510kHzで掃引幅±110kHzとされ、具体的には620kHzから400kHzへと周波数が減少するように掃引する。バルス繰り返し周波数は、例えば、5Hz以上50Hz以下、好ましくは10Hz近傍とされ、超音波出力は、例えば、30mW/cm2以上、好ましくは80mW/cm2以上とれ、照射時間は、例えば、90秒以上、好ましくは180秒以上とされる。
実験方法は以下の通りである。
<細胞培養>
ヒト白血病細胞株U937を使用した。
<超音波照射方法>
振動子直径20mmの超音波振動子の音響放射面上に音響カップリングゲルを介して24ウェル培養プレート(Lumox .A N.)を設置した。
超音波の照射直前に1×106cells/mLに調製したヒト白血病細胞株U937の細胞懸濁液を、各ウェルに2mLずつ満たした。中心周波数510kHzで掃引幅±110kHz、掃引間隔0.2ms、パルス繰り返し周波数10Hz、デューティー比50%、正弦波の条件で発振器(SonoPore KTAC-4000, Nepagene)で20mW/cm2から80mW/cm2の範囲で駆動し(具体的には同発振器で30Vから60Vの範囲で駆動し)、U937に対して超音波強度80mW/cm2の超音波を90秒間照射した。周波数掃引によって駆動周波数が400kHzから620kHzへ増加する場合(以下「Sweep1」という。)と、620kHzから400 kHzへ減少する場合(以下「Sweep2」という。)の2つの異なる超音波照射条件が、細胞殺傷率(前後の生存率の比較)とアポトーシスへ与える影響について検討した。なお、Sweep2が本発明の周波数掃引モードに相当する。
<細胞生存率の測定>
超音波曝露直後のU937の生死判定に、トリパンブルー色素排除法を使用した(n=4)。ここで、nは実験回数を意味する。細胞懸濁液と同量のトリパンブルー染色液を混合して染色後、自動細胞計数装置TC20(Bio Rad)によって生細胞数を計測した。超音波の照射を受けていないコントロールの生細胞数に対する超音波曝露後の生細胞数の割合から細胞生存率を算出した。
<アポトーシス(プログラムされた細胞死)の検出>
超音波照射を受けたU937のアポトーシス評価を行った。超音波曝露から6時間後、細胞をAnnexinV-AlexaとPIで二重標識し、イメージベースサイトメーター(Tali, Life technologies)を使用して初期アポトーシスと後期アポトーシスを検出した。
図7に示されているように、Sweep1とSweep2とでは超音波照射強度が同じとされているにも関わらず、Sweep1よりもSweep2(本発明)の方が多くのアポトーシスが認められた。
また、がん細胞の生存率は、図8に示されているように、Sweep1よりもSweep2(本発明)の方が顕著に減少していることが分かる。
図9には、超音波出力80mW/cm2で、180秒照射の条件で、バルス繰り返し周波数を0.5Hz、10Hz、50Hzに変化させた場合の生存率が示されている。同図から分かるように、パルス繰り返し周波数が10Hz及び50Hzの場合には、Sweep1よりもSweep2(本発明)の方が生存率が減少している。一方、パルス繰り返し周波数が0.5Hzの場合には、Sweep1よりもSweep2(本発明)の方が生存率が増加している。したがって、Sweep2を採用する場合には、パルス繰り返し周波数は0.5Hzよりも大きい5Hz以上が好ましく、50Hzよりも10Hzの方が生存率が低いため10Hz付近がさらに好ましい。
また、図12及び図13は、それぞれ、図10及び図11に対応し、照射時間を90秒に変化させたときの生存率を示している。図12及び図13からも、図10及び図11と同様に、超音波出力が20mW/cm2よりも80mW/cm2の方が生存率が減少し、超音波出力が35VのときはSweep1とSweep 2(本発明)の間に有意な差は認められない。一方、図13から分かるように、照射時間が90秒であっても、超音波出力が80mW/cm2でパルス繰り返し周波数が50Hzであれば、Sweep 2(本発明)とすることによって、生存率を減少させることができる。
以上から、超音波出力は、30mW/cm2以上、好ましくは80mW/cm2以上が好ましい。
中心周波数510kHzで掃引幅±110kHz、掃引間隔0.2ms、掃引幅22%、パルス繰り返し周波数10Hz、デューティー比50%、照射時間180秒、超音波出力80mW/cm2の条件で癌細胞に超音波を照射した。そして、5%のCO2を含む37℃の加湿空気の環境とされたインキュベーション条件で6時間静置した。このインキュベーション時間の後、癌細胞は、アポトーシス及び細胞周期を測定するTALI Image-Based Cytometerによって分析された。
図14に示すように、Sweep1よりもSweep2(本発明)の方が多くの初期アポトーシス及び後期アポトーシスが認められるとともに、生存率が減少した。
超音波振動子の入力インピーダンスの周波数特性が略フラットとなる位置で周波数掃引を行った。実験条件は下表の通りである。実験条件(1)が図16に対応し、実験条件(2)が図17に対応する。
細胞殺傷効果は、SW1よりもSW2(本発明)の方が良い。
中心周波数1.5MHz、入力電圧60Vの時のSW2の細胞殺傷効果が良い(図17参照)。
中心周波数1.0111MHz、入力電圧15V及び20Vの時のSW2の細胞殺傷効果が良い(図23及び図24参照)。
ウェル22は、図28に1つのウェル22が拡大して示されているように、円筒形の容器とされている。ウェル22は、円筒状の側壁部22aを有し、この側壁部22aの底部にフィルム22bが液密的に固定されている。フィルム22bは、超音波が透過しやすい樹脂製の薄膜体とされている。ウェル22内に、ソナゾイドMBやデキストリンが添加された水溶液が満たされる。
各溝26aは、図30に示されているように、超音波振動子24の収容体24b(図28参照)を収納する円形溝26a1と、円形溝26a1に連通して直線状に延在するリード溝26a2とを備えている。リード溝26a2には、電線24c(図28参照)が収納される。この実験治具26の表面上にパレット20(図27参照)を設置することにより、図28に示したようにウェル22の底面のフィルム22bに対して斜めに超音波振動子24を配置できるようになっている。
被検体Mの外表面Sの外側近傍でかつ外表面から所定距離Aだけ離れた位置に焦点Fが位置するように、複数の超音波振動子10が球体の内表面7aとされた配置面上に配置される。これにより、各超音波振動子10から発せられる超音波が被検体Mの外表面上や体内の1ヶ所に集中することを避けることができ、被検体に火傷等の熱的な悪影響を及ぼすことがない。
また、焦点Fを被検体Mの外表面から外側近傍の所定位置とすることにより、被検体Mの外表面Sにおける超音波照射領域を可及的に小さくすることができ、被検体に超音波を照射できる面積が限られている場合であっても有効に全ての超音波振動子10を利用して診断ないし治療を行うことができる。
超音波振動子10の発振の順序は、図3を用いて示したような超音波送受信部7の直径方向に限定されるものではなく、図31のように中心Cから半径方向に順次発振することとしても良いし、図32のように円周方向に順次発振することとしても良い。
また、治療モード時にはもちろんのこと、診断モード時においても反射波が分離できる限りにおいて(例えば各超音波振動子10の発振周波数を異ならせることにより)、全ての超音波振動子10あるいは一部分の超音波振動子10を同時に発振させても良い。
また、図33に示すように、各超音波振動子10の設置角度を内表面7aの傾斜角度よりも大きく傾斜させることとしてもよい。より具体的には、中心軸線Lから離れている超音波振動子10ほど中心軸線L側に向くように設置する。これにより、内表面7aの曲率半径を小さくすることで、超音波振動子10を支持する超音波送受信部7の厚さBを小さくすることができ、装置のコンパクト化を図ることができる。
図34に示したように、プローブ3を被検体Mに対して傾斜させると、この傾斜に応じて変形接触部9dの底部9cが被検体Mに接触しながら変形し、骨の真下に存在する治療対象Tに対しても超音波が到達して良好に診断及び治療を行うことができる。
常温にて弾性変形可能な樹脂やゴムのような弾性材料で超音波送受信部7を構成し、この弾性変形可能な超音波送受信部7の内表面7aに複数の超音波振動子10を配列する(図2参照)。超音波送受信部7には雨傘のように骨組みが取り付けられている。すなわち、骨組みは、略半球形状の超音波送受信部7の頂点から外表面に沿って放射状に延在する複数の伸縮部材から構成されている。各伸縮部材は、例えば複数の圧電素子を長手方向に積層して所定の曲率半径で曲げられた棒状の部材とされ、通電することによって各圧電素子が伸びることで伸縮部材が伸びるとともに曲率半径が変化するようになっている。伸縮部材が伸びることで伸縮部材の曲率半径が増大するように圧電素子を積層しておくことで、通電せずに曲率半径が小さい状態(図37(b)参照)から、通電して曲率半径が大きい状態(図37(a)参照)まで変形させることができる。圧電素子への通電状態は、制御部5(図1参照)によって制御されるようになっている。なお、超音波振動子10が配列された内表面の曲率半径を変化させる機構としては、上述した圧電素子を用いた骨組み構造に限定されるものではなく、例えば油圧や水圧を用いたアクチュエータでもよく、あるいは他の機構を用いても良い。
このように、診断や治療を行う部位に応じて制御部5からの指令によって超音波振動子10が配列された内表面の曲率半径を任意に変化させて広がり角α1,α2を調整することにより、所望の視野範囲や治療範囲を確保することができる。
3 超音波診断治療プローブ
5 制御部
7 超音波送受信部
7a 内表面
7b パッキング部
9 カップリング部
9a 流入口
9b 流出口
9c 底面
9d 変形接触部
9e 本体部
10 超音波振動子
F 焦点
L 中心軸線
M 被検体
S 外表面
T 治療対象
Claims (11)
- 出射される超音波の焦点が被検体の外表面の外側近傍でかつ該外表面から所定距離だけ離れた位置となるように配列された複数の超音波振動子と、
各前記超音波振動子の送受信を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記被検体の内部の診断領域に向けて少なくとも1つの前記超音波振動子を発振させるとともに、前記診断領域からの反射波を少なくとも1つの前記超音波振動子にて受波して可視化する診断モードと、
前記被検体の内部に向けて少なくとも1つの前記超音波振動子を発振させる治療モードと、
を有している超音波診断治療装置。 - 複数の前記超音波振動子は、凹曲面とされた配置面上に配列されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波診断治療装置。
- 前記所定距離は、3mm以上30mm以下とされている請求項1又は2に記載の超音波診断治療装置。
- 前記制御部は、前記診断モードにおいて、前記各超音波振動子を、異なる時刻又は異なる位相で順次発振させる請求項1から3のいずれかに記載の超音波診断治療装置。
- 前記焦点における前記超音波の最大の広がり角は、80°以上160°以下とされている請求項1から4のいずれかに記載の超音波診断治療装置。
- 前記制御部は、前記診断モードにおいて、血管内を流れる血流の進行方向に対向する方向に超音波を照射する少なくとも1つの超音波振動子を選定し、選定した該超音波振動子を前記血管に向けて発振して超音波ドップラーを得て、前記血流の速度を計測する請求項1から5のいずれかに記載の超音波診断治療装置。
- 前記制御部は、前記治療モードにおいて、薬物及び超音波治療促進物質が投与された治療位置に向けて、該治療位置に対応する少なくとも1つの前記超音波振動子を発振させる請求項1から6のいずれかに記載の超音波診断治療装置。
- 前記被検体の表面に接触しつつ弾性変形可能な変形接触部が設けられていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の超音波診断治療装置。
- 前記制御部は、前記治療モードにおいて、前記超音波振動子から発振されるパルス波に含まれる周波数を高域から低域へと掃引する周波数掃引モードを備えていることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の超音波診断治療装置。
- 前記焦点における前記超音波の最大の広がり角を変更するように各前記超音波振動子の配列形状を変化させる超音波振動子配列形状変更部を備えていることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の超音波診断治療装置。
- 出射される超音波の焦点が被検体の外表面の外側近傍でかつ該外表面から所定距離だけ離れた位置となるように配列された複数の超音波振動子と、
を備えた超音波診断治療装置を用いた超音波診断治療方法であって、
前記被検体の内部の診断領域に向けて少なくとも1つの前記超音波振動子を発振させるとともに、前記診断領域からの反射波を少なくとも1つの前記超音波振動子にて受波して可視化する診断モードと、
前記被検体の内部に向けて少なくとも1つの前記超音波振動子を発振させる治療モードと、
を行う超音波診断治療方法。
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