(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子からなり、複数のフェーズドサブアレイを含むフェーズドアレイ（１２）と、
前記フェーズドアレイのサブアパーチャとしての前記サブアレイを活性化及び不活性化するサブアパーチャ回路（１５）と、
前記サブアパーチャ回路（１５）を制御して前記サブアパーチャの幾つかを選択し、別のサブアパーチャを選択しないように動作可能であり、該選択が前記サブアパーチャからの試験信号の順次送信に基づいて治療対象の標的において測定された分布に応じて行われるプロセッサ（２０）と、
を備え、
前記測定された分布が、前記標的において前記サブアパーチャの各々から順次決定される温度、歪の変化、組織の変位の測定値又は前記サブアパーチャの焦点領域の分布であり、
前記プロセッサ（２０）が、第１及び第２の選択されたサブアパーチャからの同時の試験信号の送信に基づいて前記標的において別の測定された分布に応じて、前記第２の選択されたサブアパーチャのパワーに対して前記第１の選択されたサブアパーチャのパワーに重み付けするように構成された高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御システム。
【請求項２】
前記プロセッサ（２０）が、前記サブアパーチャ回路（１５）を制御して、前記選択された複数のサブアパーチャを組み合わせる際に、前記標的への前記サブアパーチャの各々の近接、前記標的への前記サブアパーチャの角度分布、及び焦点領域の形状に応じて選択するまた選択しないように構成された請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記プロセッサ（２０）が、少なくとも２つのサブアパーチャを用いて各々少なくとも２つの異なる標的を治療するように構成された請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦政府後援の研究又は開発）
合衆国政府は、本発明の支払済みライセンスと、限定された状況の下で、ＤＡＲＰＡにより授与された助成金ＤＡＲＰＡ  ＨＲ００１１−０８−３−０００４号の各条項に規定される妥当な条件で、特許権者が他人にライセンスを供与することを要求する権利とを有する。
【０００２】
本発明の実施形態は、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）治療のためのサブアパーチャ制御に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＨＩＦＵは、非侵襲的な腫瘍切除又はホメオスタシスに使用される。子宮類線維症、様々な骨転移、肝臓、腎臓、脾臓、及び乳癌を治療することができる。ＨＩＦＵを用いたその他の可能な治療は、肝臓及び血管のホメオスタシスを含む。
【０００４】
ＨＩＦＵは、キャビティ内アプリケータを用いる場合のように、患者の体内から適用できるが、これらのデバイスは侵襲的で、特定の器官にしか適用できない。体外ＨＩＦＵデバイスは非侵襲的である。既存の体外ＨＩＦＵデバイスは通常、ボウルの形状を有していて、限られた数の素子を含む。複数素子のＨＩＦＵデバイスは、子宮類線維症の治療に承認されている。幾つかの体外ＨＩＦＵデバイスは、アパーチャサイズと焦点深度との柔軟性を欠くことがある。体外ＨＩＦＵデバイスの一例は、焦点位置の小さい変化を電子的に制御し、焦点位置の大きい変化の場合に機械的に位置決めする機能がある２５１個のＰＺＴ素子からなる２６ｃｍのアパーチャを有する。体外ＨＩＦＵデバイスの別の例は、あらゆる焦点位置及び深度の調整のために機械的に配置された１２ｃｍの球状に湾曲した単一の素子を有する。別のＨＩＦＩデバイスは、１０００未満の素子を含む。通常、素子は個々の位相制御により駆動され、集束及びステアリングを達成する。幾つかの体外ＨＩＦＵデバイスは、アパーチャサイズと焦点深度との柔軟性を欠くことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前置きとして、以下に記載する好ましい実施形態は、高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御に用いる方法、システム、トランスデューサ、アレイ、コンピュータ可読媒体、及び指令を含む。様々なサブアパーチャから試験送信が順次実行される。焦点領域での組織応答が決定され、これを用いてサブアパーチャが選択される。例えば、温度が一定のしきい値を超えないか、又は、介在骨又は減衰組織に関連付けられている場合のように、組織の変位が弱い場合、１つ又は複数のサブアパーチャは使用されない。焦点領域での組織応答の代わりに、又はそれに加えて、別の因子を使用してもよい。病変へのサブアパーチャの相対近接、サブアパーチャの角度分布、治療対象の組織と比較したサブアパーチャの焦点領域の形状又はサイズ、又はこれらの組み合わせを使用できる。サブアパーチャが選択されると、各サブアパーチャの相対重量を各サブアパーチャの組織応答の測定値に基づいて調整し、様々なサブアパーチャからのより均等な治療寄与を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の態様では、高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御方法が提供される。標的が識別される。複数のサブアパーチャから少なくとも１つの第１のサブアパーチャが選択される。選択は、少なくとも第１のサブアパーチャによって提供された焦点領域の領域形状と標的との一致に応じて行われる。高密度焦点式超音波が、少なくとも第１のサブアパーチャによって別のサブアパーチャを用いずに標的に印加される。
【０００７】
第２の態様では、高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御システムが提供される。複数の素子からなるフェーズドアレイは、複数のフェーズドサブアレイを含む。サブアパーチャ回路がフェーズドアレイのサブアパーチャとしてのサブアレイを活性化及び不活性化する。プロセッサは、サブアパーチャ回路を制御してサブアパーチャの幾つかを選択し、別の幾つかのサブアパーチャを選択しないように動作可能である。選択は、サブアパーチャからの送信に基づいて治療対象の病変において測定された分布に応じて行われる。
【０００８】
第３の態様では、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体が、高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御用にプログラミングされたプロセッサによって実行可能な指令を表すデータを内部に記憶している。記憶媒体は、サブアパーチャの第２のセットからサブアパーチャの第１のセットをサブセットとして選択し、この選択が病変へのサブアパーチャの空間的な近接に応じて、病変への第１のセット内のサブアパーチャの角度分布に応じて、又はこれらの組み合わせに応じて行われ、且つ高密度焦点式超音波のためのサブアパーチャの第１のセットを使用する指令を含む。
【０００９】
本発明は以下の特許請求の範囲に記載される。本明細書に記載する内容は、特許請求の範囲に対する限定と考えてはならない。本発明の別の態様及び利点を好ましい実施形態に関連して以下に説明する。これらは、後に独立して、又は組み合わせて特許請求の範囲に入れることができる。
しかして、本発明によれば、
標的を識別するステップと、
複数のサブアパーチャから少なくとも１つの第１のサブアパーチャを選択するステップであって、この選択が前記少なくとも第１のサブアパーチャによって提供された焦点領域の領域形状と前記標的との一致に応じて行われるステップと、
前記少なくとも第１のサブアパーチャによって、別の前記サブアパーチャを用いずに、高密度焦点式超音波を標的に印加するステップと
を含む高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御方法が提供される（請求項１）。
高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御方法に関する本発明の実施態様は次の通りである。
・標的を識別するステップが、前記標的の場所と前記標的の形状とを識別するステップを含む（請求項２）。
・第１のサブアパーチャを選択するステップ（選択ステップ）が、前記領域の形状を検出するステップと、前記第１のサブアパーチャと少なくとも１つの第２のサブアパーチャとを選択し、前記少なくとも第１及び第２のサブアパーチャとによって提供された前記焦点領域に前記所望の標的形状をカバーさせるステップとを含む（請求項３）。
・選択ステップが前記標的への前記第１のサブアパーチャの近接に応じて行われ、前記複数のサブアパーチャが、患者の体外において前記標的を囲む実質的に連続的なアレイの一部である（請求項４）。
・選択ステップが、前記標的への前記少なくとも第１のサブアパーチャの角度分布に応じて行われる（請求項５）。
・選択ステップが、前記サブアパーチャから順次送信するステップと、前記標的に隣接する前記送信の作用の空間分布を測定するステップと、前記標的に対する前記空間分布に応じて前記少なくとも第１のサブアパーチャを選択するステップとを含む（請求項６）。
・第２のサブアパーチャに対する前記第１のサブアパーチャのパワーを調整するステップを更に含む（請求項７）。
・調整ステップが、前記少なくとも複数の第１のサブアパーチャから同時に送信するステップと、前記領域形状を測定するステップと、前記パワーの調整ステップによって前記領域形状を変更し、この変更が前記領域形状を前記病変に緊密に一致させるステップとを含む（請求項８）。
・前記領域形状の測定ステップが、前記送信に応答して音響放射力測定を実行するステップを含む（請求項９）。
・前記領域形状の測定ステップが、前記送信に応答して温度又は歪の変化を検出するステップを含む（請求項１０）。
さらに、本発明によれば、複数の素子からなり、複数のフェーズドサブアレイを含むフェーズドアレイと、前記フェーズドアレイのサブアパーチャとしての前記サブアレイを活性化及び不活性化するサブアパーチャ回路と、前記サブアパーチャ回路を制御して前記サブアパーチャの幾つかを選択し、別の幾つかのサブアパーチャを選択しないように動作可能であり、該選択が前記サブアパーチャからの送信に基づいて治療対象の標的において測定された分布に応じて行われるプロセッサとを備える高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御のシステムが提供される（請求項１１）。
高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御のシステムに関する本願発明の実施態様は次の通りである。
・前記測定された分布が、前記標的において前記サブアパーチャの各々から順次決定される温度又は歪の変化の測定値である（請求項１２）。
・前記測定された分布が、前記標的において、前記サブアパーチャの各々から順次決定される組織の変位の測定値である（請求項１３）。
・前記プロセッサが、第１及び第２の選択されたサブアパーチャからの同時の送信に基づいて前記標的において別の測定された分布に応じて、前記第２の選択されたサブアパーチャのパワーに対して前記第１の選択されたサブアパーチャのパワーに重み付けするように構成されている（請求項１４）。
・前記プロセッサが、前記サブアパーチャ回路を制御して、前記選択された複数のサブアパーチャを組み合わせる際に、前記標的への前記サブアパーチャの各々の近接、前記標的への前記サブアパーチャの角度分布、及び焦点領域の形状に応じて選択するまた選択しないように構成されている（請求項１５）。
・前記測定された分布が前記サブアパーチャの焦点領域の分布である（請求項１６）。
・前記プロセッサが、少なくとも２つのサブアパーチャを用いて各々少なくとも２つの異なる標的を治療するように構成されている（請求項１７）。
さらにまた、本願発明によれば、高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御用にプログラミングされたプロセッサによって実行可能な指令を表すデータを記憶した非一時的なコンピュータ可読記憶媒体であって、前記記憶媒体が、
サブアパーチャの第２のセットからサブアパーチャの第１のセットをサブセットとして選択する指令であって、この選択が、病変への前記サブアパーチャの空間的な近接に応じて、前記病変への前記第１のセット内の前記サブアパーチャの角度分布に応じて、又はこれらの組み合わせに応じて行われる指令と、
前記高密度焦点式超音波のための前記サブアパーチャの前記第１のセットを使用する指令とを含む
非一時的なコンピュータ可読記憶媒体が提供される（請求項１８）。
・前記病変の形状に対する前記第１のセットの前記サブアパーチャの組み合わせから焦点領域の形状に応じてサブアパーチャの前記第１のセットを選択する指令を更に含む（請求項１９）。
・焦点分布に応じて前記第１のセットの前記サブアパーチャの相対パワーを調整する指令を更に含む（請求項２０）。
・前記複数のサブアパーチャから順次送信する指令と、前記それぞれのサブアパーチャの焦点領域の温度又は変位測定値を受信する指令と、前記測定値に応じて選択する指令とを更に含む（請求項２１）。
【００１０】
構成要素及び図面は一定の比率に縮小したものではなく、本発明の原理を説明することに力点が置かれている。更に、図面においては、種々の図面を通して対応する部分を同様な参照数字で示している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図２】高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図３】様々なサブアパーチャと患者の病変とのそれらの関係を示すグラフである。
【図４Ａ】病変の一例である。
【図４Ｂ】測定された３つのサブアパーチャからの焦点分布の一例である。
【図４Ｃ】焦点測定に基づいた３つのサブアパーチャの焦点領域の調整の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
体外治療超音波デバイスは、複数の素子からなる連続的又は不連続的なアレイを含む。アレイのサブアパーチャを選択的に活性状態にして、サブアパーチャによって送信パワーを個別に制御できる。サブアパーチャは、コヒーレントに（すなわち、同じ周波数を用いて）又は非コヒーレントに（すなわち、異なる周波数を用いて）制御できる。サブアパーチャが選択され、治療照射量が制御される。
【００１３】
体外ＨＩＦＵデバイスは、非侵襲的に深い部位の癌組織を切除する。構成可能な送信アパーチャを有するデバイスによって、健康な組織を加熱するリスクを低減しながら確実に焦点領域を標的の形状に最適に一致させることができる。標的の形状は、病変又は病変の一部であってもよい。多数の素子からなる制御可能なアパーチャを用いて、アパーチャのサイズと形状を標的のサイズと場所とに合わせ、より最適な腫瘍のカバー範囲を提供できる。利用可能な音響ウィンドウに基づいてアパーチャの部分を選択解除できる。音響経路に沿った閉塞の場合、撮像ベースのフィードバックメカニズムを用いて閉塞によって不感知になり得るサブアパーチャを選択解除できる。アパーチャの操作によって焦点のサイズ及び形状の制御も達成できる。標的の深い、浅いに応じて大きさの異なるサブアパーチャを使用することができる。別々の角度空間からのサブアパーチャによって交差ビームを生成し、球状の病変に合わせて球状の焦点領域を生成し、付帯損傷を低減できる。
【００１４】
複数のサブアパーチャが既知の特性に基づいて及び／又は試験送信に応答した測定値に基づいて選択される。複数のサブアパーチャは低照射量で個別に又は同時に試験できる。組織温度又は変位検出器によって３次元組織応答を試験送信にマッピングできる。検出された組織応答を用いてサブアパーチャと照射量とを選択できる。照射中、同じ温度又は変位検出器からのフィードバックを用いて照射パラメータをその場で調整することができる。
【００１５】
一実施形態では、コントローラは、複数のサブアパーチャからの順次又は同時の試験送信に基づいて複数のサブアパーチャの自動選択を実行する。各サブアパーチャからの低照射量ショットは、組織温度／音響放射力イメージング変位検出器、超音波又はＭＲＩと組み合わされる。検出器は、選択されたサブアパーチャが一定のしきい値を超える温度又は変位を生成するか否かを判定する。超えていない場合、サブアパーチャは不活性化される。すべての選択されたサブアパーチャが低照射量で送信している場合、検出された３次元温度又は変位マップを用いて各サブアパーチャを調整して所望の焦点形状を達成することができる。
【００１６】
病変の部分などの１つの標的病変に対して複数のサブアパーチャが選択される。あるいは、異なるサブアパーチャを同時に用いて異なる標的を治療してもよく、例えばこの例として、ビーム経路がより短い場合に減衰が低減するため、各標的にはアパーチャ全体のサブセットだけが必要である複数の浅い標的のケースが挙げられる。この方法は、一度に複数の標的を治療することで全体の治療時間を短縮することができる。
【００１７】
図１は、高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御のシステム１０を示す。システム１０は、治療トランスデューサ１２と、撮像トランスデューサ１４と、サブアパーチャ回路１５と、送信ビーム形成器１６と、受信ビーム形成器１８と、プロセッサ２０と、メモリ２２とを含む。追加の、異なる、又はより少数の構成要素を使用してもよい。例えば、治療及び撮像トランスデューサ１２、１４は同じデバイスであってもよい。別の例として、いずれかのタイプのトランスデューサの数を増やしてもよい。撮像トランスデューサ又は治療トランスデューサ１２、１４のみを提供してもよい。別の実施形態では、単一のトランスデューサアレイのみが提供される。別の例では、ディスプレイが提供される。異なるタイプのトランスデューサ１２、１４に異なるか又は同じ送信ビーム形成器１６を使用してもよい。
【００１８】
一実施形態では、システム１０は超音波撮像及び／又は治療システムの一部である。システム１０は、患者の体内又は体外のトランスデューサ１２、１４の１つ以上と動作できる。カートイメージングシステム、コンピュータ、ワークステーション、又はその他のシステムを使用できる。システム１０は磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）、Ｘ線、又はその他の撮像システムからの情報を含むことができ、又はその情報にアクセスできる。別の実施形態では、システム１０は、医者、兵士、救急救命士などが持ち運びできるように携帯型である。携帯型システム１０は、１〜３０ｋｇの重量がある。
【００１９】
トランスデューサ１２、１４は、医療用超音波トランスデューサである。トランスデューサ１２、１４は各々、１つ又は複数の素子を含む。例えば、各トランスデューサ１２、１４は複数の素子からなるアレイを含む。
【００２０】
治療トランスデューサ１２は、電気エネルギーから高密度焦点式超音波を生成する現在既知の又は今後開発される任意のトランスデューサである。電気ベースの集束又はステアリングに使用する、例えばＮ×Ｍ個の素子（ＮとＭは両方共２以上）のアレイなどの、１次元又は複数次元のアレイ内の複数の素子を使用してもよい。一実施形態では、連続的なアレイの１つの治療トランスデューサ１２のみが提供される。別の実施形態では、複数の治療トランスデューサ１２が提供される。例えば、複数の２次元素子アレイを用いて様々な場所から治療領域へ送信が行われる。
【００２１】
治療トランスデューサ１２は、連続的又は不連続的なフェーズドアレイとして構成される。一実施形態では、治療トランスデューサ１２は、径方向に離間したセクタに細分化されたくぼみアパーチャである。アパーチャは円形であるが、他の形状を有してもよい。各セクタは、サブアレイ又はサブアパーチャとして動作可能な幾つかの素子を含む。撮像アレイ１４には中央に中空状の空間が提供される。
【００２２】
別の実施形態では、治療トランスデューサ１２は同心円状の環状アレイである。各環は複数の素子を含む。各環又は隣接する環のグループはサブアレイであってもよく、又はサブアパーチャとして選択可能である。１つ又は複数の環内の個別の素子又は素子のグループはサブアレイであってもよく、又はサブアパーチャとして選択可能である。
【００２３】
別の実施形態は、１つ又は複数の行及び／又は列に並んだ正方形、矩形又はその他の形状のサブアレイの連続的又は不連続的なグループ化である。各々の正方形、矩形又はその他の形状のサブアレイはサブアパーチャとして選択可能である。２つ以上のサブアレイの全部に亘る、及び／又はそれより少ないサブアレイを使用するサブアパーチャを使用できる。実質的に連続的なアレイは、切溝又は素子の離間距離よりも大きい１つ又は複数のギャップを含んで蝶番機能又は柔軟性を提供できるが、全長の大半は素子を含む。
【００２４】
一例では、治療トランスデューサ１２はコンフォーマルフェーズドアレイである。ブランケット様の柔軟なアパーチャは、幾つかの（例えば、２つ以上の、例えば数十の）埋込み式の矩形フェーズドアレイを含む。コンフォーマルアレイは、患者に巻き付けることができる。例えば、参照によりその開示を本明細書に組み込むものとする米国特許出願公開第２００８／０１８３０７７号、第２００９／００２４０３４号、又は第２００９／０００３６７５号に開示されたコンフォーマル又はその他のアレイの１つが使用される。撮像アレイ１４及び治療トランスデューサ１２を含むブランケットはカフの形状であり、そのようなブランケットはバルーン又は拡張可能なチャンバを含んでもよい。あるいは、ベルクロ（登録商標）ファスナー、ジップファスナー、ボタン、バックル又はその他の接続具を用いて四肢又は異なるサイズの身体部分の周囲にカフを調整可能に配置することができる。別の実施形態では、ブランケットは、身体の部分を取り囲む又は囲繞することなくその部分になじむ、例えば患者の胴体になじむパッチなどがある。コンフォーマルアレイは、トランスデューサ１２、１４及び／又は同じアレイの素子を柔軟に相互接続する。
【００２５】
コンフォーマル医用超音波トランスデューサの別の実施形態では、単一のアレイが素子を柔軟に相互接続することで身体になじむ。光ファイバ又はその他のセンサが素子の相対位置を検出する。あるいは、トランスデューサ１４は柔軟ではなく、身体になじむこともない。その代わりに、ゲルと圧力を用いてトランスデューサ１４と患者との間の音響接続を維持する。
【００２６】
１つ又は複数の素子は、電気エネルギーを音響エネルギーに変換する圧電、マイクロ電子機械、又はその他のトランスデューサである。例えば、治療トランスデューサ１２は、容量性膜超音波トランスデューサである。
【００２７】
治療トランスデューサ１２は、患者の体外から動作可能である。例えば、治療トランスデューサ１２は、患者の皮膚に対して保持されるプローブ又はその他のデバイスである。治療トランスデューサ１２は手持ち式であり、デバイスによって配置され、又は患者にテーピングされる。別の実施形態では、治療トランスデューサ１２は、患者の体内からの動作のためにプローブ、カテーテル又はその他のデバイスの内部にある。
【００２８】
撮像トランスデューサ１４は、治療トランスデューサ１２と同じ又は異なるタイプ、材料、サイズ、形状、及び構造である。例えば、１つ又は複数の撮像トランスデューサ１４の各々は、容量性膜超音波トランスデューサ素子の多次元アレイを含む。撮像トランスデューサ１４は、診断超音波撮像に使用する現在既知の又は今後開発される任意のトランスデューサである。撮像トランスデューサ１４は、音響エネルギーを送信及び受信するよう動作可能である。代替実施形態では、撮像トランスデューサ１４は提供されない。
【００２９】
トランスデューサ１２、１４、アレイの素子、及び／又は異なるアレイ間の空間的関係は測定可能である。例えば、撮像及び治療トランスデューサ１２、１４のペアを固定的に接続できる。センサ（例えば、光ファイバ、又は磁気）は、固定接続されたペア間の相対位置を測定する。別の例として、センサは、撮像及び治療トランスデューサ１２、１４間の相対運動を測定する。別の実施形態では、走査データを補正して相対位置が決定される。
【００３０】
サブアパーチャ回路１５はサブアパーチャを選択する。例えば、異なるサブアレイが選択される。別の例として、素子の異なるグループが選択される。サブアパーチャ回路１５は、マルチプレクサ、デジタル信号プロセッサ、及び／又はビーム形成器１６、１８の一部である。一実施形態では、サブアパーチャ回路１５は様々なチャネルを活性化し、又は活性化しないことで、且つ、異なるチャネルについて別々にビーム形成することで提供される。例えば、デジタル信号プロセッサ、又はビーム形成器１６、１８はコンフォーマルアレイ内の幾つかのアレイとだけ信号を送受信し、該アレイを活性化し、残りのアレイを活性化しない。代替実施形態では、切替を用いてサブアパーチャが選択される。マルチプレクサが幾つかのサブアパーチャだけを活性化し、他のサブアパーチャは活性化しない。各サブアパーチャからの信号は共にビーム形成され、他のサブアパーチャの信号から分離する。例えば、あるサブアパーチャ内で信号を互いに遅延させ、複数のサブアパーチャに亘ってはこれを実行しないことで、サブアパーチャによって送信ビームが別々に形成される。別々の送信ビーム形成を用いていても、同時に送信された場合、１つのサブアパーチャからの信号は他のサブアパーチャからの他のビームに寄与することができる。
【００３１】
送信ビーム形成器１６は、複数の波形生成器、増幅器、遅延、位相回転器、及び／又はその他の構成要素を有する。例えば、送信ビーム形成器１６は、複数のチャネルの各々で方形波又は正弦波を生成する波形生成器を有する。波形生成器又は下流の増幅器は、電気波形の振幅を設定する。撮像の場合、振幅が設定されて撮像振幅上の任意の制限より下の音響ビームを用いた走査が提供される。振幅は、例えば撮像の場合よりも高い高密度焦点式超音波に合わせて設定されてもよい。
【００３２】
波形の相対遅延及び／又は整相によって送信音響エネルギーが集束する。相対遅延及び／又はアポダイズされた波形をトランスデューサの様々な素子に適用することで、音響エネルギーのビームが走査線に沿った１つ又は複数の焦点を有して形成される。ビームは、深さに応じて変化する幅（例えば、ピークから１０ｄＢ下）を有する。ＨＩＦＵでは一般に楕円形の領域、又は撮像では細長い直線的領域といった焦点領域が提供される。焦点領域はより大きいパワーに関連付けられている。同時に複数のビームを形成できる。電子式ステアリングの場合、相対遅延は、トランスデューサ１２、１４に対するビーム位置と角度とを確立する。トランスデューサ１２、１４上のビームの原点は固定されるか、又は電子制御によって調整してもよい。例えば、原点は、多次元アレイ上の様々な場所に配置してもよい。様々な原点があることでそれぞれのビームの位置は多様なものとなる。
【００３３】
受信ビーム形成器１８は、撮像トランスデューサ１４から電気信号を受信する。電気信号は様々な素子から受信する。遅延及び総和ビーム形成、高速フーリエ変換処理、又はその他のプロセスを用いて、平面又は体積内の様々な空間的な場所を表すデータが形成される。１つ、少数の、又は多数の送信及び受信イベントを用いて撮像トランスデューサ１４で体積を走査できる。例えば、平面波送信及び受信を体積の走査に使用できる。合成ビーム補間を用いた又は用いない複数ビーム受信によって遅延及び総和ビーム形成による体積走査を高速化できる。代替実施形態では、３次元体積の代わりに２次元平面又は走査線が走査される。
【００３４】
ビーム形成されたデータが検出される。例えば、Ｂモード検出が提供される。別の例では、ドップラーパワー、速度、及び／又は変動が検出される。現在既知の又は今後開発される任意の検出が使用できる。検出されたデータは走査変換し、走査フォーマット（例えば、極座標）でフォーマットされたままとし、３次元格子に補間し、これらの組み合わせ処理を行うか、又は別のフォーマットに変換することができる。検出及び／又はフォーマット変換は別々のデバイスによって実行されるが、プロセッサ２０によって実施できる。
【００３５】
獲得したデータを超音波温度測定に使用できる。例えば、無線周波数又は同相及び直角位相データを分析して温度測定を計画できる。
【００３６】
プロセッサ２０は、汎用プロセッサ、中央処理装置、制御プロセッサ、グラフィックスプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、３次元レンダリングプロセッサ、画像プロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、デジタル回路、アナログ回路、これらの組み合わせ、又はサブアパーチャ選択回路１５を制御するためのその他の現在既知の又は今後開発されるデバイスである。一実施形態では、プロセッサ２０は、例えばビーム形成器コントローラ、システムコントローラ、サブアパーチャ回路コントローラ、専用コントローラ、汎用コントローラ、又はシステムコントローラなどのサブアパーチャの自動選択を実行するコントローラである。プロセッサ２０は、直列、並列、又は別々に動作する単一デバイス又は複数のデバイスである。プロセッサ２０は、ラップトップ又はデスクトップコンピュータなどのコンピュータのメインプロセッサであってもよく、又は撮像システムなどのより大きいシステム内での幾つかのタスクを扱うプロセッサであってもよい。
【００３７】
プロセッサ２０は、サブアパーチャの幾つかを選択し、その他は選択しないようにサブアパーチャ回路１５を制御する。制御は、特定のサブアレイ用に符号化された起動信号などのコマンド信号によって実行される。
【００３８】
任意の選択判定基準を使用できる。サブアレイと病変との間の経路、病変での焦点領域、又は病変に対するサブアレイの位置は判定基準の例である。一実施形態では、経路に沿った組織又はその他の構造のタイプを用いて、例えば、米国特許出願公開第２００８／０１８３０７７号、第２００９／００２４０３４号、又は第２００９／０００３６７５号に開示された所与のサブアレイを使用するか否かが判定される。撮像データを分析して組織のタイプを決定し、それに従って経路を選択できる。
【００３９】
サブアパーチャは、治療領域において測定された作用に基づいて選択できる。例えば、選択は、治療対象の病変において測定された分布に応じて行われる。可能な治療サブアパーチャは、数度以下程度の致命的でない温度上昇を生成する低照射量ビームを送信する。測定は病変の場所で、又はその周囲で実行される。予測焦点領域から戻る信号が測定される。焦点領域より大きい領域も測定できる。例えば、ビームの焦点領域が焦点領域を測定領域内に配置することを予測する際の不正確性が確実であるか又は可能であるほど十分大きい領域における測定などが挙げられる。送信の結果としての測定された分布は、サブアパーチャの焦点領域の分布である。低照射量送信の効果の分布は１、２又は３次元で測定される。
【００４０】
各サブアパーチャの寄与をよりよく隔離するために、試験送信が順次実行される。各サブアパーチャ又はサブアパーチャのセットは、組織応答が検出可能なレベルに達する程度の長さの離間距離間隔のシーケンスで送信する。検出可能なレベルは、温度測定と比べて組織変位測定の方がより頻繁に発生する。
【００４１】
分布は、病変内及びその周囲の様々な場所での温度変化を決定することで測定できる。例えば、参照によりその開示を本明細書に組み込むものとする米国特許出願公開第＿＿＿＿＿号（第１２／５５４，７４９号）及びＵＳ２００７／０１０６１５７Ａ１号に開示されるように、温度変化が測定される。温度変化の代わりに、歪を検出することもできる。歪は変位から導かれ、温度の予測に使用される。
【００４２】
撮像超音波走査又はＭＲＩ、ＣＴ、Ｘ線走査から得た解剖学的情報をモデリングと併用して温度又はその他の温度関連パラメータが決定される。解剖学的情報を用いて領域から測定されたモデル特徴を位置合わせさせることができる。解剖学的情報をモデルへの入力として使用できる。解剖学的情報を用いて、例えば、組織のタイプに基づいた選択などの適当なモデルを選択できる。解剖学的情報を用いてモデルの出力の補正が可能であり、例えば、隣接する血管又はその他の導通組織による温度分布を考慮できる。
【００４３】
所与の期間後のより大きい、又は最大の温度変化の場所は、サブアパーチャの送信ビーム形成器の設定のための焦点領域であってもよい。しきい値温度変化に関連付けられた領域は焦点領域として扱われる。
【００４４】
代替実施形態では、試験送信によって引き起こされる組織の変位が測定される。例えば超音波せん断波又は縦波の検出に関連付けられた音響送信は、組織を変位させることがある。音響放射力イメージングは音響力を組織に加える。低照射量信号は、組織を移動させる音響力放射である。病変に集束したサブアパーチャからの送信によって、組織は病変内又はその周囲でより大きく変位することがある。組織が定常状態に戻る間に得られる撮像送信及び受信信号を定常状態からの信号と相関させて変位後一定時間の変位量を決定でき、又は測定シーケンスを用いて場所ごとの最大変位を決定することができる。
【００４５】
障害物がある場合、焦点領域での温度、変位、又はその他の測定は予測よりも小さく、又はしきい値よりも小さいことがある。しきい値より小さい測定値に関連付けられたサブアパーチャは選択されず、しきい値より大きい測定値に関連付けられたサブアパーチャが選択される。代替的に又は追加的に、一定数のサブアパーチャしか選択されないので、最大測定値に関連付けられたサブアパーチャが選択される。測定された分布を用いて病変に基づいてサブアパーチャを選択できる。個別に、又はグループとして病変を最小限程度超えた分布を選択できる。他のサブアパーチャよりも更に病変を超えた分布を示すサブアパーチャは選択されない。
【００４６】
試験送信の使用に加え、又は代替的に、サブアパーチャは病変へのサブアパーチャの各々の近接に応じて選択される。病変により近いサブアパーチャを選択してより長い経路に亘る高出力送信による組織の損傷を回避するか最小限にすることができる。より近い病変の場合、発生する減衰が少ないためより少数のサブアパーチャを選択できる。病変が深い場合、全体としてより大きいアパーチャを使用できる。
【００４７】
病変に対するサブアパーチャの角度分布を用いてサブアパーチャを選択できる。選択したサブアパーチャをより大きい入射角の周囲に配置することで、付帯する損傷を低減できる。様々なサブアパーチャからのビームが様々な方向に交差するので、ビームの重なりは低減し、病変外の治療レベルパワーは低下する。１つ又は複数のサブアパーチャを用いて、又は選択された複数のサブアパーチャ間の空間の量を変えることで、付帯する損傷を低減できる。角度分布に従ってサブアパーチャを選択する別の利点は、焦点の形状のよりよい制御である。例えば、角度空間内で広域に拡散したサブアパーチャからの重畳ビームは、比較的対称の焦点を生成する。
【００４８】
一実施形態では、フィードバック又は試験測定がない標的の形状を用いてサブアパーチャが選択される。例えば、Ｆ＃又はビームを定めるその他の送信パラメータに基づく予測によって、各サブアパーチャの焦点領域が予測される。病変外の重なりを最小限にしながら、病変又は病変の部分を最も広く覆うサブアパーチャの組み合わせが使用される。別の実施形態では、サブアパーチャからの予測入力パワー、病変の場所での吸収パワー、及び皮膚表面での侵入パワーを用いてサブアパーチャを選択できる。例えば、必要な総計パワーがアパーチャの表面積と、使用するパワー密度とを決定する。皮膚火傷しきい値が、採用する最小アパーチャ面積を制限する。
【００４９】
また、プロセッサ２０を用いて選択したサブアパーチャからの寄与を重み付けすることができる。サブアパーチャ回路１５又は送信ビーム形成器１６を制御してパワーに重み付けすることができる。ＨＩＦＵビームの送信波形の周波数、サイクル数、振幅、サブアパーチャサイズ、及び／又はその他の特性を変えて相対寄与を調整することができる。別のサブアパーチャを調整することなく１つのサブアパーチャからのパワーを増減することができる。あるいは、全サブアパーチャを調整できる。１つ又は複数のサブアパーチャによって提供されるパワーを変化させて相対寄与を変更できる。
【００５０】
距離、減衰、サブアパーチャサイズ、又は障害物の差によって、幾つかのサブアパーチャは治療中に他のサブアパーチャより多くのパワーを病変に印加できる。これらの差は許容できる一方で、空間的に様々なサブアパーチャからのより均等な寄与の提供によってより球形の病変が生成され、付帯する損傷を低減できる。
【００５１】
相対寄与は、例えば、組織の特性に基づくモデルを用いて予測できる。あるいは、相対寄与は測定される。個々のサブアパーチャの試験からの測定された分布を使用できる。別の実施形態では、すべての選択されたサブアパーチャが同時に試験信号を送信する。温度又は変位の測定など、病変での、又は病変の周囲での効果が測定される。個々の場合と全体の場合とを問わず、効果の空間分布はより大きい寄与を有する１つ又は複数のサブアパーチャを示すことがある。例えば、検出された焦点領域の形状は１つ又は複数のサブアパーチャから延びた経路に沿って細長いことがあり、これは、それらのサブアパーチャからのパワーがより大きいことを示す。それらのサブアパーチャのパワーを低減し、又は残りのサブアパーチャのパワーを増加させて、病変の形状によりよく一致させることができる。プロセッサ２０は、測定された分布に応じて相対パワーに重み付けする。
【００５２】
プロセッサ２０又は様々なプロセッサは、他のステップを実行できる。他の可能なステップは、トランスデューサ１２、１４の相対位置及び／又は病変に対する位置を決定するステップ、画像データを位置合わせさせ合成するステップ、経路（例えば、サブアパーチャ上の原点）を決定するステップ、組織タイプを予測するステップ、モデルを適用するステップ、照射量シーケンス及び量を決定するステップ、及び／又は送信された高密度焦点式超音波のパワー、周波数、又はその他の特性を決定するステップを含む。
【００５３】
メモリ２２は、温度及び／又は組織の変位を決定するデータなどの画像処理の超音波データを記憶する。代替的に又は追加的に、メモリ２２は、高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御のためにプロセッサ２０をプログラミングする情報及び指令を記憶する。使用される情報は、各サブアパーチャから得られる入力及び出力パワーの関係、ステアリング指向性、様々な深さ及び周波数での焦点領域の予測サイズ、及びその他の特性を含む。事前演算された、又は予測されたサブアパーチャ特性のルックアップテーブルをプロセッサ２０は使用できる。
【００５４】
上記のプロセス、方法及び／又は技術を実施する指令は、キャッシュ、バッファ、ＲＡＭ、リムーバブルメディア、ハードドライブ又はその他のコンピュータ可読記憶媒体などの非一時的コンピュータ可読記憶媒体又はメモリ上に提供される。コンピュータ可読記憶媒体は、様々なタイプの揮発性及び不揮発性記憶媒体を含む。図に示すか又は本明細書に記載する機能、ステップ又はタスクは、コンピュータ可読媒体内又は上に記憶された１つ又は複数の指令セットに応答して実行される。機能、ステップ又はタスクは、指令セット、記憶媒体、プロセッサ又は処理ストラテジーの具体的なタイプから独立し、単独で又は組み合わせて動作するソフトウェア、ハードウェア、集積回路、ファームウェア、マイクロコードなどによって実行可能である。同様に、処理ストラテジーは、マルチ処理、マルチタスキング、並列処理などを含む。一実施形態では、指令はローカル又はリモートシステムから読み出せるようにリムーバブルメディアデバイス上に記憶される。別の実施形態では、指令は、コンピュータネットワークを通した、又は電話回線上で転送するために遠隔地に記憶される。更に別の実施形態では、指令は、所与のコンピュータ、ＣＰＵ、ＧＰＵ又はシステム内に記憶される。
【００５５】
図２は、高密度焦点式超音波のサブアパーチャ制御方法を示す。この方法は、図１のシステム１０、様々なトランスデューサ、様々なコンフォーマルアレイ、及び／又は様々なシステムを使用する。ステップは図示の順序又は別の順序で実行される。追加の、異なる、又はより少数のステップを使用できる。例えば、この方法はステップ３０、４２、及び／又は４４なしで実行できる。別の例として、この方法は少なくともステップ３０、３２、及び３６を含む。別の例では、この方法は、ステップ３２及び３４、又はステップ３２及び３８、又はステップ３２及び４０、又はステップ３２と３４、３６、３８、及び４０のいずれかとの組み合わせを含む。
【００５６】
ステップ３０で、１つ又は複数の病変が識別される。病変を識別するために、患者を表す画像データが獲得される。１つ又は複数のトランスデューサを用いて患者の部位が走査される。例えば、様々な部位が様々なサブアパーチャ又は１つのアレイによって走査される。ブランケット超音波デバイス又はコンフォーマルアレイなどのトランスデューサが患者の上に配置される。超音波デバイスの撮像アレイ又はコンフォーマルアレイは、患者の異なるが重複する部位を走査する。例えば、異なった重複する体積が２次元アレイで走査される。別の走査、例えば、１つのアパーチャを用いた１つのアレイによる走査も使用できる。
【００５７】
走査のために、音響エネルギーが複数の走査線に沿って送信され、送信に応答して反響が受信される。受信された反響は受信電気信号に変換される。撮像、治療、及び／又は可能な経路の試験のために送信及び受信が実行される。あるいは、別の撮像モードを用いてＭＲＩ又はＣＴデータなどの体積を表すデータが獲得される。
【００５８】
超音波の場合、平面又は体積の走査のために走査線がフォーマットされる。セクタ又はその他のフォーマット走査は、直線走査よりも多くの重なりを提供することがある。一実施形態では、３次元体積を表すデータセットが送信及び受信によって形成される。データセットは体積全体を走査することで形成される。あるいは、重複する体積の別々の走査が実行され、重複する体積が開始され、複数の体積が外部又は後処理プロセッサへ転送される。
【００５９】
あるいは、走査線は可能な治療経路に対応する。例えば、送信及び受信ビームが、凝固させる部位を横切り、例えば、様々なサブアパーチャなどの高密度焦点式超音波の利用可能な出力源から延びた走査線に沿って形成される。１つ又は複数のアレイを用いて所望の走査線に沿ってビームが形成される。
【００６０】
様々なサブアパーチャ又は様々な位置へ移動する１つのアレイから画像データが獲得される場合、データは位置合わせし、体積を表すデータセットに組み合わされる。超音波撮像システムはボクセル又はデータサンプルのトランスデューサとの空間的関係を決定し、トランスデューサ位置センシングは１つ又は複数のトランスデューサの相対又は絶対位置を提供する。これによって、各ソノグラフによる獲得のボクセルごとに空間位置を割り当てることができる。獲得中に、トランスデューサの位置及び／又は向きが感知される。各音響ウィンドウのトランスデューサ位置が決定され、結果として得られる獲得データの空間的位置合わせに用いられる。あるいは、データ補正を用いてサブアパーチャの絶対位置決定を行わずにデータセットが位置合わせされる。
【００６１】
病変の標的は、ステップ３０で画像データから識別される。病変の場所が識別される。場所は、箇所、領域、又は体積であってもよい。一実施形態では、病変の輪郭は少なくとも２次元で識別され、病変のサイズと形状とが提供される。病変の標的は、有り得る癌の成長、その他の望ましくない構造、又は循環システムの穴などのあらゆる組織の異常である。単一の超音波処理によってより大きい病変は形成されない。この場合、病変は幾つかのより小さいサブセットに分割でき、各サブセットは１回の超音波処理でカバーできる部位に対応する。同じか又は異なるサブアパーチャ及び照射指令を用いて様々な病変のサブセットを治療できる。
【００６２】
手動の、自動の、又は半自動の識別が使用される。例えば、ユーザは、出血している血管又はその他の病変標的の場所を示す箇所を様々な画像内で選択する。様々な画像の幾何学的関係は、治療のための体積内の場所の表示を提供できる。別の例として、プロセッサは内出血の血管閉鎖の部位を識別する。更に別の例では、空間的場所のユーザ入力があるか又はない状態で、プロセッサは組織の特性又は境界の検出に基づいて病変標的を識別する。画像処理が実行されて病変標的が識別される（例えば、血管の漏れ）。超音波、ＣＴ、Ｘ線、又はＭＲＩなどのあらゆるタイプのデータを処理できる。
【００６３】
一実施形態では、ブランケット超音波デバイスで獲得したような体積を表す超音波データを用いて、例えば血友病患者などの病変標的をプロセッサで局所化する。例えば、ドップラー情報は、出血又は癌の成長に関連付けられたフローパターンを示す。別の例として、Ｂモードデータは境界検出及び境界の高パスフィルタリングを用いて血管壁又は結節の裂け目又は穴を示す。別の例では、パワードップラーデータがセグメント化されて体積内のフローの場所が識別される。更に別の例では、音響力放射を用いて血管壁又はその他の組織を振動させる。振動結果の差は、出血又はその他のタイプの病変の場所を示すことができる。
【００６４】
ステップ３２で、病変の形成のために複数のサブアパーチャの少なくとも１つが選択される。アレイは複数のサブアレイを含む。各サブアレイは残りのサブアレイとは物理的に分離し、例えば異なる電気接続を有し、及び／又はアレイの外縁部の間に素子間の空間よりも大きい空間を有する。各サブアレイは病変を生成するのに使用するアパーチャの異なるサブアパーチャである。代替的に又は追加的に、アレイは連続的で、様々なサブアパーチャは電気的に画定され、例えば協働する様々な素子のグループが選択される。サブアパーチャは、様々な時間又は用途のためにプログラミングできる。例えば、連続的なアレイは、等間隔又は不等間隔又はサイズでサブアパーチャに分割される。反復的ゾーンの等面積の球形又はその他の分割を使用してもよい。所望のゾーン数が入力され、ゾーン入力数を提供するためにアレイの大半又は全体を用いたサブアパーチャが決定される。
【００６５】
可能な１つ又は複数のサブアパーチャが選択される。例えば、可能な２０〜３０個のサブアパーチャの中から５〜１０個のサブアパーチャが選択される。サブアパーチャの選択によって、治療対象でない皮膚又は内部組織への熱負荷が分散されることがある。各々の選択されたサブアパーチャは、ビームが病変まで移動するためのサブアパーチャからの別の経路に関連付けられている。可能なサブアパーチャの全部、あるいは１つ又は複数のサブセットが選択される。
【００６６】
図３は、治療部位又は病変標的５４を囲繞するＨＩＦＵトランスデューサ１２ａ〜ｈを示す。治療部位には、脚の金属片による出血に関連付けられた骨５０及び金属片５２が隣接する。治療ビームの可能な経路が各ＨＩＦＵトランスデューサ１２ａ〜ｈから治療部位５４へ向かう線によって表されている。各経路は、原点から患者内部の治療対象部位への直線であり、超音波治療ビームの送信のための走査線又はビーム量に対応する。ＨＩＦＵトランスデューサ１２ａ及び１２ｆ〜ｈの場合、線は金属５２又は骨５０に交差するか又は近接している。凝固又はその他の治療のための所望のパワーを提供するため、ＨＩＦＵは障害物内に送信すべきではない。さらなる損傷を引き起こす可能性がある加熱物質（例えば、金属５２）を阻止するために、物質に交差するか又は近接した経路は選択されない。ＨＩＦＵトランスデューサ１２ｂ〜ｅのような障害物がない経路が選択される。障害物は画像データの分析によって検出できる。選択は自動又は手動である。
【００６７】
サブアパーチャの選択のその他の判定基準も使用できる。組織又は病変を特徴付けることなく空間的であってもよい（例えば、病変への相対距離、１つ又は複数のサブアパーチャへの病変の近接、及び／又は角度分布）。判定基準は、病変の形状及び／又はサイズに関連していてもよい。例えば、病変を越えて延びる焦点領域を最小限にしながら（例えば、付帯する損傷を最小限にしながら）病変の所望部分（例えば、全体）を覆うように焦点領域内で重なり合うアパーチャを選択してもよい。判定基準は試験送信からのフィードバックに基づいてもよく、例えば、各サブアパーチャの別々の順次送信及び測定値及び／又はサブアパーチャのグループ（例えば、全部の又はあらかじめ選択したサブアパーチャ）からの送信と測定に基づく病変での測定温度の変化又は組織の変位に基づいてもよい。
【００６８】
上記選択の判定基準の組み合わせも使用できる。判定基準の組み合わせは任意の関数を使用でき、又は任意の順序で実行できる。例えば、各判定基準を用いて各サブアパーチャの値が重み付けされる。より小さい値、より大きい値、又はしきい値限度内の値に関連付けられた複数のサブアパーチャが選択される。一実施形態では、順次選択プロセスが使用される。第１次プロセスでは、複数のサブアパーチャが標的へのその空間的な近接、サブアパーチャの角度分布、及び／又は所望の病変の形状に基づいて試験なしに選択される。画像データを用いて複数のサブアパーチャが選択され、例えば、サブアパーチャへの標的病変の相対的な場所が決定され、病変の形状が決定される。第２次プロセスではさらなる選択が実行される。第１次プロセスで選択された複数のサブアパーチャから順次又は同時に試験送信が実行される。この選択で、以前に選択された複数のサブアパーチャの一部が選択解除される（すなわち、別のサブセットの複数のサブアパーチャが選択される）。
【００６９】
ステップ３４、３６、３８、及び４０は、別々の選択判定基準を表す。これらのステップは単独で、又は組み合わせて使用される。
【００７０】
ステップ３４で、病変への複数のサブアパーチャの空間的な近接に基づいて複数のサブアパーチャが選択される。より近いサブアパーチャは、アレイでより低いパワーで動作してより遠くのサブアパーチャと同じレベルの治療を提供できる。これによって、患者内のむだな熱負荷、付帯損傷が最小限になり、入力消費パワーが低減する。病変と各サブアパーチャの中心又はその他の部分との間の距離が計算される。各ボクセルのサイズとアレイの相対位置が既知の場合、距離は画像データから決定できる。
【００７１】
ＨＩＦＵトランスデューサの治療対象場所との空間的関係は既知であるか又は測定される。例えば、各ＨＩＦＵトランスデューサは、撮像トランスデューサ上に堅固に装着される。様々な撮像トランスデューサからのデータの位置合わせと撮像データを使用した治療部位の識別によって、ＨＩＦＵトランスデューサの治療対象場所との空間的関係が提供される。別の例として、撮像トランスデューサに対するＨＩＦＵトランスデューサの相対位置は、歪みゲージ又はその他のセンサなどで測定可能である。別の例では、ＨＩＦＵトランスデューサからの音響反射がＨＩＦＵトランスデューサの撮像トランスデューサに対する空間関係を示す。別の例では、ＨＩＦＵトランスデューサと撮像トランスデューサは、ＭＲＩ画像の分量内でその自然な境界又はトランスデューサに取り付けられた基準マーカによって識別される。これらの技術又はその他の技術の組み合わせを使用できる。
【００７２】
しきい値が距離に適用される。しきい値距離を超えたサブアパーチャは選択されず、より近いサブアパーチャが選択される。例えば図３では、サブアパーチャ１２ｂ〜ｆがしきい値距離内にあり、サブアパーチャ１２ａ及び１２ｇ〜ｈは選択されない。標的に到達するのにより少ない貫通とより小さいステアリング角が使用されるため、物理的に標的に近いサブアパーチャが優先度を与えられる。
【００７３】
あるいは、アレイ、所望のサブアパーチャ数に基づいて、又は事前プログラミングされて、最も近いＮ個のサブアパーチャ（Ｎはユーザが設定した整数）が選択される。Ｎは、病変から最も近いアレイまでの距離に基づいて変化してもよい。より少ないアパーチャが浅い標的に割り当てられる。より多くのアパーチャが深い標的に割り当てられる。例えば図３では、アパーチャ１２ｄ及び１２ｅが病変５４に近く、２つのサブアパーチャだけが選択される。病変がサブアパーチャからより遠い場合、より多数のサブアパーチャが選択される。例えば、アレイは、カフではなく、ある人物の身体の一部の周囲にのみある。例えば、サブアパーチャ１２ａ〜ｃと１２ｇ〜ｈだけが利用可能な場合などである。サブアパーチャ１２ａ〜ｃと１２ｇ〜ｈは病変５４から更に離れているため、より多数のサブアパーチャが選択される（例えば、１２ａ〜ｂと１２ｇ〜ｈが選択される）。
【００７４】
ステップ３６で、サブアパーチャは、病変に対する角度分布に基づいて選択される。サブアパーチャは、病変に対して様々な角度にある。図３の例では、サブアパーチャは、一般に病変５４に対して２０、８０、１３５、１９０、２６０、２９０、３０５、及び３５０度の位置にある。より大きい角度分布を有するサブアパーチャは、病変外の部位でのビームの重なりを低減できる。例えば、サブアパーチャ１２ａと１２ｈは病変５４の近くでビームの重なりを有することがあるが、より浅い、またより深い位置では、病変外の付帯する健康な組織に印加されるパワーは増加する。この代わりにサブアパーチャ１２ａと１２ｃを選択すると、病変外のビームの重なりは低減する。サブアパーチャは、ビームが可能な限り大きい角度で横切るか、又は交差するように選択される。
【００７５】
角度分布に基づく選択にはあらゆる機能を使用できる。例えば、異なる選択率又は周期を異なる数の利用可能なサブアパーチャに使用できる。多数のサブアパーチャがある場合、４番目又は５番目ごとのサブアパーチャが選択される。サブアパーチャの数が少ない場合、サブアパーチャを１つおきに、又は３つのサブアパーチャごとに２つが選択される。しきい値角度差を使用できる。例えば、サブアパーチャは順次検証される。次のサブアパーチャが、現在のサブアパーチャのビームとしきい角度を超えて交差するビームに関連付けられている場合、このサブアパーチャが選択される。選択されない場合、現在選択中のサブアパーチャの角度を次に可能なサブアパーチャの角度と比較する（例えば、１２ａの角度を１２ｂと比較し、１２ｂを選択せず、次に１２ａを１２ｃと比較する）。別の選択を実行すると、そのサブアパーチャを比較に用いて次のサブアパーチャを選択する。
【００７６】
ステップ３８で、サブアパーチャは、選択されたサブアパーチャによって提供された焦点領域の領域形状と病変標的との一致に基づいて選択される。病変標的は、図４Ａに示す球形の病変標的６０などのサイズ及び形状を有する。各サブアパーチャの焦点領域は、楕円形、砂時計又はその他の形状を有する。図４Ｂ及び図４Ｃは、３つの楕円形の焦点領域６２、６４、６６を示す。焦点領域は、ピークから下の一定量（例えば、６ｄＢ又は１２ｄＢ）によって画定される領域のように、ビームに沿った強度によって決定される。焦点領域は、治療に寄与するのに十分な量のパワーに関連付けることができる。焦点の場所又は深度、サブアパーチャのサイズ又は空間的な大きさ、アポダイゼーション、Ｆ＃、又はその他の情報などの送信設定に応じて、所与のサブアパーチャの焦点領域は、異なる形状又はサイズを有してもよい。
【００７７】
異なるサブアパーチャは異なる角度の焦点領域を有するため、組み合わせた焦点領域は異なる形状を有することがある。例えば、図４Ｃは、病変標的６０上に中心を有する重なり合った部位に最大の強度を有する星状の焦点領域を提供する重なり合う３つの楕円形の焦点領域６２、６４、６６を示す。各成分ビームに異なる焦点領域の形状を提供するための、例えば、異なるパワー、焦点深度、焦点パラメータ、及び異なる形状の組み合わせを用いて別の形状を提供できる。例えば、図４Ｂは、回転した“Ｔ”形状の病変の重複する焦点領域を示す。２つ、４つ、又はその他の数のサブアパーチャが選択されて病変をカバーし、付帯する損傷を最小限にする。例えば、単一の焦点領域６４は図４Ａの病変標的６０全体をカバーするには狭すぎるため、図４Ｃに示すように、３つのサブアパーチャを選択して病変６０をカバーする。特定の形状の病変標的が望ましい場合、複数のサブアパーチャを選択してコヒーレント又は非コヒーレントに駆動して標的のサイズと形状を近似することができる。病変標的のサブアレイへの空間関係が与えられると、ビームプロファイルのシミュレーションによってサブアパーチャの選択が案内される。
【００７８】
一実施形態では、ステップ３２で、近接、角度分布、及び病変標的形状を用いてサブアパーチャの初期選択が実行される。３つの判定基準は順次使用できる。例えば、最初は距離に基づいて、次に病変標的の形状に基づいて選択し、角度分布を用いて３つ以上の組み合わせが所望の病変形状を提供するあらゆる選択を解決する。３つの判定基準は重み関数を用いて選択できる。例えば、各判定基準に基づいて各サブアパーチャを重み付けし、重みを総計し、最大の重みを付けられたサブアパーチャを選択する。このプロセスは反復的であってもよい。例えば、３つの判定基準に基づく重み付け、次いで最大の重みを付けられたサブアパーチャの選択を実行できる。第１の選択を選択に利用せず、各判定基準について重みを決定するために重み付けが再度適用される。反復のたびに次のサブアパーチャが選択される。最終セットを試験して所望の病変形状又はその他のパラメータが満足される。病変の形状が一致しない場合、異なる関数、異なる重み付け、又はある程度制限してプロセスを反復することができる。ファジー論理、相関の程度、ベクトル相関、又はその他の相似性尺度を用いてアパーチャを選択できる。３つの判定基準の１つ以上が標的病変の周囲の吸収されたパワーに関連する場合、それらを組み合わせてもよい。近接、角度分布、及び病変形状の吸収されたパワーへのマッピングは、ルックアップテーブルによって実行できる。ルックアップテーブルは、シミュレーション及び／又は実験的特徴付けによって作成される。サブアパーチャからの予測吸収パワーが特定の体積内に重畳され、集積される。様々なサブアパーチャに重みを適用して均等なパワーを達成できる。最大化アルゴリズムで集積パワーを評価し、最適なサブアパーチャのセットを選択できる。
【００７９】
ステップ４０で、試験送信からのフィードバックを用いて１つ又は複数のサブアパーチャが選択される。焦点領域の測定された形状を用いてサブアパーチャが選択される。焦点領域のシミュレーションによらずに焦点領域の形状が検出される。各サブアパーチャから１回又は複数回の試験送信が実行され、試験送信の効果の結果が測定される。各サブアパーチャの作用領域が焦点領域を示す。上記のように、サブアパーチャが選択されて、付帯する損傷を最小限にしながら所望の部分又は病変全体をカバーする重なり合う焦点領域が提供される。カバーされる病変外の体積によってカバーされる病変の体積の割合は、様々なサブアパーチャのセットをグループ化することで最大にされる。
【００８０】
照射の開始前に、低照射量の超音波処理を用いて第２次又は元のサブアパーチャ選択を案内できる。第２次選択では、以前に選択されたサブアパーチャだけが試験される。これらのサブアパーチャの全部又はそのサブセットだけが選択される。１つ又は複数の以前に選択されたサブアパーチャは選択解除できる。試験送信を用いて領域形状に一致させ、及び／又は標的化精度を検査できる。
【００８１】
測定のために、サブアパーチャの各々から試験送信が実行される。各サブアパーチャは低照射量集束ビームを放出する。サブアパーチャの全部、又は他の判定基準又は方法を用いて以前に選択されたサブアパーチャだけが試験される。試験送信は順次実行されるので、各サブアパーチャの作用を測定できる。試験の間には送信が行われない十分な期間があり、組織は定常状態に達する。
【００８２】
試験送信は、治療トランスデューサのサブアレイから実行される。試験送信は、実際の治療送信と同じ又は異なる周波数、パワー、及び／又は期間で実行される。例えば、同じ周波数を使用し、パワーは低減し、及び／又は期間を短くして実行する。送信は、測定可能な作用を即時に（例えば、縦波又はせん断波を発生させる音響放射力）、又は時間と共に（例えば、３度以下の温度変化）実現するのに十分な程度であってもよい。
【００８３】
試験送信の作用が測定される。病変標的及び病変標的の周囲の部位が撮像トランスデューサ又は治療トランスデューサによって走査される。例えば撮像用の音響エネルギーが、試験送信に使用される同じ又は異なる走査線に沿って送信される。戻り反響を表す信号が検証されて作用が検出される。
【００８４】
一実施形態では、組織の変位が音響放射力インパルス撮像（ＡＲＦＩ）によって検出される。試験送信によって引き起こされる縦波又はせん断波の変位が検出される。走査のシーケンスが実行できる。時間経過による定常状態からの変位を用いて場所ごとに最大変位を決定できる。様々な時間から得たデータが、例えば絶対差分の最小和を用いて相関付けられ、回転を考慮した又は考慮しない１、２、又は３次元の変位が見つけられる。変位は距離として測定できるが、速度又は時間として決定することもできる。別の例では、変位は音響力が組織を移動させた後の設定時間が測定される際に決定できる。設定時間は音響力が加えられる焦点からの距離が異なる場所によって様々である。
【００８５】
別の実施形態では、温度変化が測定される。結果として得られる組織の温度が組織温度検出器によって測定される。ＭＲ、超音波、又はその他の温度測定法が使用される。超音波の場合、組織の１つ又は複数の特性が測定される。特性はモデルに入力される。モデルは特性を組織の温度にマッピングする。変化が測定されるため、正確な温度予測は必要ない。
【００８６】
測定は複数の空間的場所について実行される。例えば、測定は体積全体について実行される。別の例として、測定は病変標的内の場所、病変標的のサブセット、及びセット内の場所、病変標的からプログラミングされたか又はその他の方法で決定された距離又は病変標的の中心について測定が実行される。ユーザによって又は自動的に設定された関心部位は効果を測定する場所を示す。
【００８７】
測定に基づいてサブアパーチャを選択できる。一実施形態では、病変標的内の測定値の平均、又は病変標的内からの最大値が使用される。値がしきい値未満であれば、音響エネルギーが病変標的に十分に到達するのを阻止する障害物が存在する可能性がある。例えば、あるサブアパーチャに対する温度変化が１度未満である一方で、隣接するサブアパーチャに対する温度変化が３度を超える場合を考える。１度又はその他の温度変化のしきい値を用いてサブアパーチャが含まれるか又はそれを除外する。他のサブアパーチャの測定値に対して前記測定値の方が作用が小さい場合、対応するサブアパーチャを選択解除できる。
【００８８】
測定値の空間分布に基づいてサブアパーチャを選択できる。サブアパーチャの焦点領域が病変標的に十分重なり合わない場合、又は測定された焦点領域が治療が提供されない組織又は構造（例えば、金属片５２又は器官）を含む場合、サブアパーチャを選択解除できる。複数のサブアパーチャを選択して、測定時に治療の作用を受ける音響妨害物、感熱部位、高減衰部位、散乱体、又はこれらの組み合わせを回避することができる。
【００８９】
その他の、又は異なる選択判定基準も使用できる。例えば、経路に沿った組織は感熱性であり、したがって、経路は選択されない。別の例として、経路は減衰が少ない流体及び／又は組織を通過する率が高いため、選択される。音響ウィンドウがないために１つ又は複数のサブアパーチャを選択解除できる。例えば、肋骨はサブアパーチャを遮断することがある。サブアパーチャは選択されない。遮断は、撮像データ又は試験送信から決定される。例えば、音響ウィンドウは、治療計画ステージでＣＴ又はＭＲ画像を用いて決定される。患者の体外から病変標的に十分にアクセスできるため、１つ又は複数のサブアパーチャが選択される。各サブアパーチャのサイズ及び形状は所望のウィンドウの形状に合わせて構成され、骨内部への送信を回避することができる。
【００９０】
ステップ４２で、選択された複数のサブアパーチャの各々が提供する相対パワーを調整できる。選択されたサブアパーチャのうち０個、１個だけ、幾つかの、又は全部のパワーを変更できる。パワーは、振幅、周波数、デューティサイクル、又は継続時間を変えることで増減させることができる。他のサブアパーチャと比較して１つのサブアパーチャについてパワーを増減することで、該１つのサブアパーチャが寄与する相対パワーが調整される。付帯損傷を制限するため、各サブアパーチャによって提供されるパワーはより均等になる。
【００９１】
一実施形態では、選択されたサブアパーチャの相対パワーは、焦点分布に応じて調整される。例えば、ステップ４０で測定される又は異なる時間に獲得されるような焦点分布を用いて、相対パワーを調整できる。各サブアパーチャについて深さ減衰の調整を行い、又は行わずに同じパワーで送信が実行される。試験送信の検出結果を用いて各サブアパーチャからのパワーを拡大縮小できる。各サブアパーチャによって引き起こされる平均又はピーク温度の変化又は変位が計算される。その他の値も使用できる。これらの値は各サブアパーチャの相対寄与を表す。例えば、サブアパーチャ１２ｃ〜ｅは、それぞれ、２度、３度、１度の平均温度変化を有する。サブアパーチャを均等化するために、サブアパーチャ１２ｃのパワーに０．５の重み付け、サブアパーチャ１２ｄのパワーに０．３３の重み付け、サブアパーチャ１２ｅのパワーに１．０の重み付けを行う。均等な、より同様の、又はより様々な相対パワーを提供するその他の重み付けも使用できる。
【００９２】
別の実施形態では、パワーを調整して焦点領域の形状を変更して病変標的に一致させる。１つの焦点領域、例えば焦点領域６６は、他の焦点領域に対して細長くてもよい。より少ない減衰又は別の因子によって、所与のサブアパーチャからのパワーを増加させることができる。図示の別のサブアパーチャの焦点領域６４は予測通りである。別のサブアパーチャの焦点領域６２は、例えば収差のために、サブアパーチャに向かってオフセットしている（すなわち、より浅くなっている）。各サブアパーチャの焦点及び／又はパワーは、検出された焦点領域に基づいて調整できる。例えば、図４Ｃは、病変標的６０をより緊密にカバーする組み合わせ焦点領域に合わせてパワーを調整し焦点を変更した焦点領域６２、６４、６６を示す。
【００９３】
別の又は追加の実施形態では、更にパワー調整が可能な又は不可能な選択された複数のサブアパーチャが同時に試験信号を送信する。組織の変位及び／又は温度測定値を用いて、結果として得られる組み合わせ焦点領域が検出される。組み合わせ焦点領域を変更して所望の病変標的によりよく一致させるか、又は特定の組織の治療をよりよく回避することができる。例えば、すべての選択されたサブアパーチャが低照射量送信している状態で、検出された３Ｄ温度マップを用いて各々のサブアパーチャを調整できる。所与のサブアパーチャによって引き起こされる組み合わせ焦点領域の部分を、例えば、走査線に沿って１つのサブアパーチャから病変標的に至る細長い部分を有する組み合わせ焦点領域に基づいて決定できる。所望の焦点形状を達成するために、サブアパーチャの相対パワーが調整される。例えば、組み合わせ焦点領域は図４Ｂに示す通りで、図４Ｃに示す組み合わせ焦点領域を提供するように調整される。
【００９４】
相対パワーが調整された後で、ＨＩＦＵ送信ビームを構成できる。治療計画中にルックアップテーブルによって初期照射パラメータを決定できる。１つ又は複数のＨＩＦＵ送信ビームの特性がプロセッサ、ユーザ、又はこれらの組み合わせによって決定される。特性は、パワー、整相、周波数、これらの組み合わせ、及び／又はその他の特性（例えば、継続時間、シーケンス、又はパルス反復間隔）を含む。決定は、選択された複数のサブアパーチャに応じて行われてもよい。例えば、経路の数が少ない場合、より高いパワーパルスを送信できる。決定は、特定の期間に送達されて凝固を発生させるか、又は治療を提供する所望の治療又はパワー量（すなわち、照射量）に応じて行われる。１つ又は複数のＨＩＦＵビームに現在既知の又は今後開発される任意の照射量の設定を使用できる。
【００９５】
一実施形態では、高密度焦点式超音波のパワーと周波数が経路の特性に応じて少なくとも部分的に決定される。例えば、高密度超音波の周波数はＨＩＦＵトランスデューサから治療部位までの深さに応じて、経路に沿った減衰特性、又はその組み合わせを適応させる。最適ＨＩＦＵ周波数は、標的の深さ、減衰定数、トランスデューサの送信伝達関数、及び任意の制限因子によって変わる。制限因子は、例えば、標的深さでのパワー吸収の最大化又は皮膚でのパワー吸収の最小化を含んでいてもよい。周波数は音響吸収に依存するため、音響強度が最高の周波数は最適なＨＩＦＵ周波数ではないことがある。所望の、又は最適なＨＩＦＵ周波数は、標的の深さ、及び標的とトランスデューサとの間の組織のタイプが与えられると計算できる。画像処理、閾値処理、又はその他の技術を用いて組織タイプを識別できる。例えば、流体、軟組織及び骨組織のタイプ又は構造を識別できる。軟組織のタイプのより微妙な区別も可能である。様々なタイプが様々な音響減衰に関連付けられている。
【００９６】
組織の加熱は、音響パワーの吸収によって達成される。音響吸収は減衰係数に正比例する。減衰が大きいと音響パワー吸収と熱生成が大きくなる。減衰および吸収は周波数と共に増加するため、加熱のためにはより高い周波数を使用することが望ましい。しかし、高い周波数でのより大きい伝搬減衰はより浅い貫通深さを意味する。貫通深さと周波数、熱との間にはトレードオフが存在する。
【００９７】
追加的に又は代替的に、選択されたサブアパーチャの各々からの高密度超音波のパワー照射量が決定される。パワー照射量は、経路に沿った組織、トランスデューサから治療部位までの距離、選択されたサブアパーチャの数、送信周波数、これらの組み合わせ、又はその他の因子に応じて決定できる。例えば、組織のタイプが異なれば減衰も異なる。治療部位と、治療部位とトランスデューサとの間の部位で減衰を変えることで治療に必要なパワーを変化させることができる。経路に沿った減衰を増加させるには、トランスデューサから送信されるパワー照射量を増やす必要がある。治療部位での吸収を増やすには、トランスデューサから送信されるパワー照射量を減らす必要がある。パワー照射量は、周波数、振幅、デューティサイクル、及び送信される波形の継続時間によって変えられる。
【００９８】
各サブアパーチャの照射量への寄与が決定される。均等な寄与を使用できる。あるいは、試験送信の効果を測定することで決定された相対重み付けを用いて送信パワーを設定できる。各サブアレイの寄与が設定されて重みに一致する。ステップ４２で、各サブアパーチャの寄与に基づいて病変の照射量がサブアパーチャの間で分割される。
【００９９】
ステップ４４で、選択されたサブアパーチャのセットが高密度焦点式超音波に使用される。選択されたサブアパーチャを用いて別のサブアパーチャを用いずに高密度超音波が病変標的に印加される。高密度超音波は選択された複数のサブアパーチャから１つ又は複数の経路に沿って送信される。高密度焦点式超音波は、選択された光線又は走査線に沿って送信される。提供されるサブアパーチャの数が増えるにつれて、所与のビームに必要なＨＩＦＵパワーは組み合わせ送信パワーの総計のために少なくなる。
【０１００】
ＨＩＦＵビームは同時に、又は実質的に同時に各々の選択されたサブアパーチャから送信されるため、治療部位で所与の時間に送達されるパワーは十分である。様々な、又は同じサブアパーチャによる順次送信又は順次及び同時送信の組み合わせを用いて、所望の総計パワー、一時的な分布パワー、及び／又は空間的に分布したパワーを提供することができる。
【０１０１】
超音波エネルギーは治療部位で集束する。治療部位に十分なエネルギーが放射される場合、焦点体積に位置する細胞を急速に加熱する一方で、焦点外の介在／周囲組織には同じレベルの加熱が実行されない。エネルギーは対応するより大きい領域に広がるため、超音波ビームの非集束部分では、周囲組織は影響を受けないか又は受ける影響が小さい。送信ＨＩＦＵパルスは、所定の周波数、パワー照射量、又はその他の特性を有する。
【０１０２】
サブアパーチャの相対寄与は、治療中に変化することがある。組織温度又は変位検出器からのフィードバックを用いてその場で照射量を調整できる。例えば、標的の周囲の平均温度、焦点の形状、又はその他の情報を用いて変化が識別される。必要な手順は、サブアパーチャの停止、個別のサブアパーチャでのデューティサイクルの増減、及び／又は焦点の変更を含む。焦点の周囲のピーク又は平均温度を用いて照射のオン／オフ時間を案内することができる。キャビテーションが検出された場合、１つ又は複数のサブアパーチャからのパワーを低減できる。時間と共に変化する検出された焦点の形状を用いてパワー及び焦点パターンの調整を案内できる。例えば、あるサブアパーチャの方向の過剰な加熱は、その方向からのパワーを低減しなければならないということを意味する。
【０１０３】
以上、様々な実施形態を参照しながら本発明について説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく多数の変更及び修正が可能であるということを理解されたい。したがって、上記の詳細な説明は限定的ではなく例示的であることが意図されており、以下の特許請求の範囲とそのすべての同等物が、本発明の精神及び範囲を定義するように意図されていることを理解されたい
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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