(57)【要約】キャビテーションが起こる媒体（Ｍ）中の対象領域（Ｒ）の位置特定方法であって、その方法は：−対象領域（Ｒ）内にキャビテーションを作り出し、そのキャビテーションが音響信号を発生させ、−少なくとも３つの離れた位置の各々で、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号を検出し、−キャビテーション信号のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号の各ペアの、キャビテーション信号間の遅延を決定し、−遅延および位置に基づいて対象領域（Ｒ）の位置特定を計算する、ということからなるステップを含む。
2019528832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビテーションが起こる媒体（Ｍ）中の対象領域（Ｒ）の位置特定方法であって、前記方法は：
−対象領域（Ｒ）内にキャビテーションを作り出し、キャビテーションが音響信号を発生させること、
−少なくとも３つの離れた位置の各々で、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号（Ｃ）を検出すること、
−キャビテーション信号（Ｃ）のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号（Ｃ）の各ペアの、キャビテーション信号（Ｃ）間の遅延を決定すること、
−遅延および位置に基づいて対象領域（Ｒ）の位置特定を計算すること、
からなるステップを含み、
遅延を決定するステップは、キャビテーション信号（Ｃ）のペアごとに：
−キャビテーション信号（Ｃ）のうち一方を他方に対して時間ピッチによって徐々にずらすこと、
−各時間ピッチで、キャビテーション信号（Ｃ）を比較すること、
−最大値でキャビテーション信号（Ｃ）が重なり合う時間ピッチとして、最大相関関係時間ピッチを特定すること、
−最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチの合計として遅延を計算すること、
を含むことを特徴とする方法
【請求項２】
対象領域（Ｒ）の位置特定を計算するステップが：
−遅延を距離に変換すること、
−対象領域を含む空間の幾つかの点に対して、各点が決定座標（ｘ，ｙ）を有し、
３よりも大きいまたは等しい整数ｎは位置の数であり、
【数２４】
2019528832.tif 000026
は位置ｉと音響源（キャビテーションクラウド）との間の距離であり、
【数２５】
2019528832.tif 000027
は遅延を距離に変換して決定された位置ｉと１との間の距離である、費用関数であって、
費用関数
【数２６】
2019528832.tif 000028
を最小化すること、
を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
対象領域（Ｒ）の位置特定を計算するステップが、下記の方程式（２）によって定義される双曲線解法を解くこと、を含み：
【数２７】
2019528832.tif 000029
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは位置の数であり、
【数２８】
2019528832.tif 000030
はｉという番号が付けられた位置と、探索されて音響源（キャビテーションクラウド）の位置に対応する座標（ｘ，ｙ）を有する点との間の距離であり、
【数２９】
2019528832.tif 000031
であり、
双曲線解法を解くことは、：
−位置ｉと１との間の測定された遅延は
【数３０】
2019528832.tif 000032
であり、
方程式（２）は（３）に対応し：
【数３１】
2019528832.tif 000033
−方程式（３）に対して方程式（２）を引くと、
【数３２】
2019528832.tif 000034
という結果を得、
ただし、
【数３３】
2019528832.tif 000035
であり、
−ｎ＝３のｒ１について方程式（４）を解き、それは：
【数３４】
2019528832.tif 000036
であること、
−ｒ１の二次方程式を得るために、ｉ＝１の方程式（２）に方程式（５）を挿入すること、
−ｘおよびｙの解を作り出すために、置換した正根を方程式（５）に戻すこと、を含む、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
キャビテーション信号（Ｃ）を検出するステップが、
少なくとも３つの水中聴音器（１１）をそれぞれの離れた位置に備えること、
水中聴音器（１１）を対象領域（Ｒ）を含むエリア（Ｖ）の方に向けること、
を含む、請求項１〜３のいずれか記載の方法。
【請求項５】
キャビテーションの音響信号が少なくとも１つの特定周波数を有し、
遅延を決定するステップの前に特定周波数周辺の帯域幅で各キャビテーション信号（Ｃ）をフィルタリングすることからなるステップを含み、
前記帯域幅が好ましくは特定周波数の２５％〜７５％、より好ましくは特定周波数の３０％〜６０％である、請求項１〜４のいずれか記載の方法。
【請求項６】
キャビテーションを作り出すステップが焦点（Ｐ）で交差する第一（Ｄ１）および第二（Ｄ２）方向に沿って少なくとも第一および第二超音波ビームを放出することを含み、
第一および第二超音波ビームが焦点（Ｐ）周辺の焦点エリア（Ｖ）にキャビテーションを発生させるように適合される、請求項１〜５のいずれか記載の方法。
【請求項７】
キャビテーション信号（Ｃ）を検出するステップが水中聴音器（１１）を焦点エリア（Ｖ）の方に向けることを含む、請求項４に従属する場合の請求項６記載の方法。
【請求項８】
第一および第二超音波ビームが照射周波数ｆｅを有し、キャビテーションの音響信号の特定周波数が０．４×ｆｅ〜０．６×ｆｅである、請求項５に従属する場合の請求項６および７のいずれか記載の方法。
【請求項９】
第一および第二超音波ビームが照射周波数ｆｅを有し、キャビテーションの音響信号の特定周波数が１．２×ｆｅ〜２．２×ｆｅである、請求項５に従属する場合の請求項６および７のいずれか記載の方法。
【請求項１０】
キャビテーションが起こる媒体（Ｍ）中の対象領域（Ｒ）の位置特定システム（１）であって、：
−対象領域（Ｒ）内にキャビテーションを作り出し、キャビテーションが音響信号を発生させるように構成された、キャビテーション装置（５）、
−それぞれ離れた位置に配置され、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号（Ｃ）を検出するように構成された、少なくとも３つのセンサー（１１）、
−キャビテーション信号（Ｃ）のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号（Ｃ）の各ペアの、キャビテーション信号（Ｃ）間の遅延を決定し、遅延および位置に基づいて対象領域（Ｒ）の位置特定を計算する、ように構成された処理装置、を含み、
処理装置が、
システムが遅延を決定するため、キャビテーション信号（Ｃ）のペアごとに、
−キャビテーション信号（Ｃ）のうち一方を他方に対して時間ピッチによって徐々にずらし、
−各時間ピッチで、キャビテーション信号（Ｃ）を比較し、
−最大値でキャビテーション信号（Ｃ）が重なり合う時間ピッチとして、最大相関関係時間ピッチを特定し、
−最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチの合計として遅延を計算する、
ように構成されたシステム（１）
【請求項１１】
センサーが対象領域（Ｒ）を含むエリア（Ｖ）の方に向けられた水中聴音器（１１）である、請求項１０記載のシステム（１）。
【請求項１２】
キャビテーションの音響信号が少なくとも１つの特定周波数を有し、
遅延を決定する前に特定周波数周辺の帯域幅で各キャビテーション信号（Ｃ）をフィルタリングするように処理装置が構成され、
前記帯域幅が好ましくは特定周波数の２５％〜７５％、より好ましくは特定周波数の３０％〜６０％である、請求項１０および１１のいずれか記載のシステム（１）。
【請求項１３】
キャビテーション装置（５）が、焦点で交差する第一（Ｄ１）および第二（Ｄ２）方向に沿って第一および第二超音波ビームを放出するように構成された少なくとも第一（６）および第二（７）超音波トランスデューサを含み、
前記第一および第二超音波ビームが焦点（Ｐ）周辺の焦点エリア（Ｖ）にキャビテーションを発生させるように適合されている、請求項１０〜１２のいずれか記載のシステム（１）。
【請求項１４】
水中聴音器（１１）がエリア（Ｖ）の方に向けられている、請求項１１に従属する場合の請求項１３記載のシステム（１）。
【請求項１５】
少なくとも２つの水中聴音器（１１ａ、１１ｂ）がそれぞれ第一（６）および第二（７）超音波トランスデューサに取り付けられている、請求項１４記載のシステム（１）。
【請求項１６】
第一（６）および第二（７）超音波トランスデューサが照射周波数ｆｅを有する第一および第二超音波ビームを放出するように制御され、キャビテーションの音響信号の特定周波数が０．４×ｆｅ〜０．６×ｆｅである、請求項１２に従属する場合の請求項１３〜１５のいずれか記載のシステム（１）。
【請求項１７】
第一（６）および第二（７）超音波トランスデューサが照射周波数ｆｅを有する第一および第二超音波ビームを放出するように制御され、キャビテーションの音響信号の特定周波数が１．２×ｆｅ〜２．２×ｆｅである、請求項１２に従属する場合の請求項１３〜１５のいずれか記載のシステム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法およびシステムに関する。
【０００２】
キャビテーションとは、媒体中のガスおよび／または蒸気気泡の形成および／または移動のことを指し示す。これらの気泡は、動的に振動および／または崩壊することがあり、それによって非常に位置が特定された衝撃波、温度の規則的な上昇または任意の他の機械的および／または化学的な効果が作り出される。とりわけ、音響キャビテーションは、超音波（ＵＳ）で始まる確率過程であり、それは、幅広く研究されてきた（CoussiosおよびRoy、２００８年；Leighton、１９９４年）。２つのタイプのキャビテーションが共存することができる：安定型（ガス気泡の振動）および慣性型（より強い圧力による気泡の激しい崩壊）。気泡クラウドは、興味深い音響特性を示す。気泡ガスが励起音波に出会う時、両方のキャビテーション型は、散乱波からの音響シグネチャによって特徴付けられることができる。
【０００３】
キャビテーションは、高密度焦点式超音波での脳腫瘍の熱剥離のような一部の治療にとって望ましくない副作用として考えられることがある。だが、キャビテーションは、例として脳での治療用物質の送達および化学療法剤の増強のための組織びらん（組織破砕）または血液脳関門の開口を含む、キャビテーションに基づく治療のための診療所での特定の応用も見いだす。とりわけ、キャビテーション関連の技術によって得られる抗腫瘍効果は、有望である（Mitragotri、２００５年；Rosenthalら、２００４年；Umemuraら、１９９７年）。
【０００４】
キャビテーションが有害作用または治療メカニズムのどちらとして考えられるかにかかわらず、そのようなキャビテーション技術の臨床移転への道には、特にキャビテーション現象の、適切な監視が必要である。臨床応用に関連して、キャビテーション活動の完全な特徴付けには、キャビテーション位置特定も含まれる。この分野では、無相関エリア内のクラウドの場所を突き止めるため、従来の超音波スキャナ（GyongyおよびCoussios、２０１０年）または超高速エコー撮像（Prieurら、２０１５年）でのビーム形成がさまざまな方法に使用されている。また、気泡によって作られた高エコー領域を視覚化することによって、キャビテーションの存在の定性的評価を行うことができる（Lafondら、２０１６年）。
【０００５】
しかしながら、これらの方法は、制約を伴う。特に、エコー撮像装置の広帯域周波数では、安定したキャビテーションの位置特定および特徴付けができない。キャビテーションの強度は、強くなければならないなので、重要な後処理の時間が必要であり、それによってリアルタイムでのモダリティが妨げられる。最後に、そのような機器の費用は、臨床装置の開発にとっては法外に高い。
【０００６】
本発明は、先に述べた問題を解決することを目指す。
【０００７】
このために、第一の態様によると、本発明は、キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定方法を提供し、その方法は：
−対象領域内にキャビテーションを作り出し、そのキャビテーションが音響信号を発生させ、
−少なくとも３つの離れた位置の各々で、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号を検出し、
−キャビテーション信号のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号の各ペアの、キャビテーション信号間の遅延を割り出し、
−遅延および位置に基づいて対象領域の位置特定を計算する、
ということからなるステップを含み、
【０００８】
遅延を割り出すステップは、キャビテーション信号のペアごとに下記を行うことを含む：
−キャビテーション信号のうち一方を他方に対して時間ピッチによって徐々にずらし、
−各時間ピッチで、キャビテーション信号を比較し、
−最大値でキャビテーション信号が重なり合う時間ピッチとして、最大相関関係時間ピッチを特定し、
−最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチの合計として遅延を計算する。
【０００９】
これ故に、本発明は、単純で速く信頼性の高いやり方でキャビテーションの位置が特定されることを可能にする、キャビテーション信号の延長包絡線を利用する。効率が向上するのに加えて、その方法では、少ない数の機器だけが必要であり、それにより費用効果が非常に高くなる。
【００１０】
その方法は、完全に受動的なので、臨床システムに直接組み込むことができる。計算された位置を点として示して、特定の目標エリアの正確な到達を判断するための条件付き監視をより容易にすることができる。キャビテーション関連の治療に関連して、このように、キャビテーション応用の信頼性レベルを上昇させ、臨床解釈の信用をより高めることが期待される。
【００１１】
一部の対策によると、その方法は、キャビテーションに基づく治療の有効性を最適化するため、キャビテーション特徴付けのための特徴付けツールとして使用することができる。また、その方法は、容易にリアルタイム制御ループで実施することができる。
【００１２】
対象領域の位置特定を計算するステップは、下記を含んでいてもよい：
−遅延を距離に変換し、
−各点が決定座標（ｘ，ｙ）を有する、対象領域を含む空間の幾つかの点に対して、費用関数
【数１】
2019528832.tif 000003
を最小化する、
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
【数２】
2019528832.tif 000004
は、位置ｉと点（ｘ，ｙ）との間の距離であり、
【数３】
2019528832.tif 000005
は、遅延を距離に変換して割り出された受容体の位置ｉと１との間の距離である。
【００１３】
あるいは、対象領域の位置特定を計算するステップは、下記の方程式（２）によって定義される双曲線解法を解くことを含んでいてもよく：
【数４】
2019528832.tif 000006
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
【数５】
2019528832.tif 000007
は、ｉという番号が付けられた位置と、探索されて音響源（キャビテーションクラウド）の位置に対応する座標（ｘ，ｙ）を有する点との間の距離であり、
【数６】
2019528832.tif 000008
双曲線解法を解くことは、下記を含む：
−位置ｉと１との間の測定された遅延は、
【数７】
2019528832.tif 000009
であり、方程式（２）は、下記に対応し：
【数８】
2019528832.tif 000010
−方程式（３）に対して方程式（２）を引くと、
【数９】
2019528832.tif 000011
ただし、
【数１０】
2019528832.tif 000012
−ｎ＝３のｒ１について方程式（４）を解き、それは：
【数１１】
2019528832.tif 000013
−ｉ＝１の方程式（２）に方程式（５）を挿入して、ｒ１の二次方程式を得て、
−置換した正根を方程式（５）に戻して、ｘおよびｙの解を作り出す。キャビテーション信号を検出するステップは、少なくとも３つの水中聴音器をそれぞれの離れた位置に備え、水中聴音器を対象領域を含むエリアの方に向けることを含んでいてもよい。
【００１４】
キャビテーションの音響信号は、少なくとも１つの特定周波数を有してもよい。その方法は、遅延を割り出すステップの前に、特定周波数周辺の帯域幅で各キャビテーション信号をフィルタリングし、その帯域幅は、好ましくは特定周波数の２５％〜７５％、より好ましくは特定周波数の３０％〜６０％である、ということからなるステップを含んでいてもよい。これらの対策は、対象の周波数、特に下記から明白になるように低調波周波数周辺に低減させるべきキャビテーション信号の処理を可能にする。キャビテーションの振動している気泡の固有の特徴にそのように焦点を合わせることで、水／ガス気泡の界面によって形成された音響ミラーの画像を検出するというよりもむしろ、キャビテーションの音響源を実際に検出することが可能になる。特定周波数、特に１／２低調波周辺の生信号をそのようにフィルタリングすることは、方法の正確さに大きな改善をもたらす。高調波信号と広帯域ノイズとの間に好適な比率をもたらすために、周波数帯域幅がさらに調整される。
【００１５】
キャビテーションを作り出すステップは、焦点で交差する第一および第二方向に沿って少なくとも第一および第二超音波ビームを放出することを含んでいてもよく、その第一および第二超音波ビームは、焦点周辺の焦点エリアにキャビテーションを発生させるように適合されている。
【００１６】
キャビテーション信号を検出するステップで水中聴音器が実装されている時には、キャビテーション信号を検出するステップは、水中聴音器を焦点エリアの方に向けることを含んでいてもよい。
【００１７】
各キャビテーション信号をフィルタリングすることからなるステップをその方法が含んでいる時には、第一および第二超音波ビームは、照射周波数ｆｅを有してもよく、キャビテーションの音響信号の特定周波数は、０．４×ｆｅ〜０．６×ｆｅであってもよい。
【００１８】
各キャビテーション信号をフィルタリングすることからなるステップをその方法が含んでいる時には、第一および第二超音波ビームは、照射周波数ｆｅを有し、キャビテーションの音響信号の特定周波数は、１．２×ｆｅ〜２．２×ｆｅである。
【００１９】
そのため、第二の態様によると、本発明は、キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定システムを提供し、そのシステムは、下記を含む：
−対象領域内にキャビテーションを作り出してそのキャビテーションが音響信号を発生させるように構成された、キャビテーション装置、
−それぞれ離れた位置に配置され、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号を検出するように構成された、少なくとも３つのセンサー、
−下記を行うように構成された処理装置：
−キャビテーション信号のペア少なくとも２つに対して、キャビテーション信号の各ペアの、キャビテーション信号間の遅延を割り出し、
−遅延および位置に基づいて対象領域の位置特定を計算する、
遅延を割り出すため、キャビテーション信号のペアごとに、処理装置が下記を行うように構成されてもよい：
−キャビテーション信号のうち一方を他方に対して時間ピッチによって徐々にずらし、
−各時間ピッチで、キャビテーション信号を比較し、
−最大値でキャビテーション信号が重なり合う時間ピッチとして、最大相関関係時間ピッチを特定し、
−最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチの合計として遅延を計算する。
【００２０】
センサーは、対象領域を含むエリアの方に向けられた水中聴音器であってもよい。そのため、使用する水中聴音器は、それらのうち１つを遅延割り出しのために二度使用することで３つだけでもよいので、システムは、構造が単純である。
【００２１】
キャビテーションの音響信号は、少なくとも１つの特定周波数を有してもよく、処理装置は、遅延を割り出す前に、特定周波数周辺の帯域幅で各キャビテーション信号をフィルタリングするように構成されてもよく、その帯域幅は、好ましくは特定周波数の２５％〜７５％、より好ましくは特定周波数の３０％〜６０％である。
【００２２】
キャビテーション装置は、焦点で交差する第一および第二方向に沿って第一および第二超音波ビームを放出するように構成された少なくとも第一および第二超音波トランスデューサを含んでいてもよく、その第一および第二超音波ビームは、焦点周辺の焦点エリアにキャビテーションを発生させるように適合されている。
【００２３】
センサーが水中聴音器である時には、水中聴音器は、焦点エリアの方に向けられてもよい。
【００２４】
少なくとも２つの水中聴音器がそれぞれ第一および第二超音波トランスデューサに取り付けられてもよい。このようにして、有効な音響信号のエネルギーの量を最大化することができる。
【００２５】
処理装置が各キャビテーション信号をフィルタリングするように構成されている時には、第一および第二超音波トランスデューサは、照射周波数ｆｅを有する第一および第二超音波ビームを放出するように制御されてもよく、キャビテーションの音響信号の特定周波数は、０．４×ｆｅ〜０．６×ｆｅであってもよい。
【００２６】
処理装置が各キャビテーション信号をフィルタリングするように構成されている時には、第一および第二超音波トランスデューサは、照射周波数ｆｅを有する第一および第二超音波ビームを放出するように制御され、キャビテーションの音響信号の特定周波数は、１．２×ｆｅ〜２．２×ｆｅである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の他の目的および効果は、非限定的な例として挙げられた本発明の特定の態様の下記の開示内容から明らかになり、その開示は、同封の図面を参照しながら行われ、その中で：
【図１】−図１は、本発明の態様による、キャビテーションが起こる媒体中の対象領域の位置特定システムの模式図であり、そのシステムは、対象領域内にキャビテーションを作り出するように構成されたキャビテーション装置を含み、３つの水中聴音器は、それぞれ離れた位置に配置されてキャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号を検出するように構成され、
【図２】−図２は、図１のシステムの斜視図であり、
【図３】−図３は、キャビテーションが媒体中の対象領域の位置特定方法を例示し、その方法は、図１のシステムを実装し、キャビテーション信号のペアのキャビテーション信号間の遅延および水中聴音器の位置に基づいて対象領域の位置特定を計算することを含み、
【図４】−図４は、カメラによって取得された写真上で位置を特定された対象領域と８つのキャビテーション実験でその方法によって位置を特定された対象領域との間の比較を提供し、その方法は、キャビテーション信号をフィルタリングすることを伴って又は伴わずに実施され、
【図５】−図５は、位置特定の差異を表したものであり、
【図６】−図６は、本発明による方法が関与する実験のシミュレーションで、音響源によって放出された合成キャビテーション信号を表したものであり、
【図７】−図７は、シミュレーションで実装された構成を表したものであり、そこでは水中聴音器が十字で表され、音響源がドットで表されており、
【図８】−図８は、遅延に基づく対象領域の位置特定を計算するために実施された２つの計算方法の、計算された点と音響源との間の平均距離についての性能を表したものであり、左には、双曲線解法を実施する計算方法での２０箇所の音響源の位置特定例を、右には、費用関数の最小化を実施する方法（ＣＦ）および双曲線解法の双曲線解法を実施する方法（ＧＰＳ）によって１〜４０箇所の音響源に対して行われたシミュレーションからの期待される正確さを、例示しており、
【図９】−図９は、シミュレーションを行うための実験設定を表したものであり、高速度カメラが発生源位置特定平面と直交する観測平面を有するように配置され、センサーネットワーク変位が２つの矢印によって表されており、
【図１０】−図１０は、センサー間の角度を増やしながらシミュレーションされた位置特定において期待される正確さを表したものであり、左には、発生源が２０箇所ある構成および矢印で表された実験設定に対するセンサー位置の変化を、右には、位置特定の正確さの統計的配分を、例示しており、
【図１１】−図１１は、センサー間の角度を減らしながらシミュレーションされた位置特定において期待される正確さを表したものであり、左には、発生源が２０箇所ある構成および矢印で表された実験設定に対するセンサー位置の変化を、右には、位置特定の正確さの統計的配分を、例示しており、
【図１２】−図１２は、実験設定の高速度カメラによって取得された、発生したキャビテーションクラウドの画像であり、
【図１３】−図１３は、実験条件を模倣したシミュレーションからの、期待される結果を表したものであり、
【図１４】−図１４は、水中での音響源の相対変位の追跡を表したものであり、
【図１５】−図１５は、鶏胸部の中での音響源の相対変位の追跡を表したものであり、
【図１６】−図１６は、水中（左）および鶏胸部の中（右）での平均位置特定誤差を表したものである。
【００２８】
図では、同じ参照番号は、同じまたは類似の要素のことを指している。
【００２９】
図１および２は、キャビテーションが起こる媒体Ｍ中の対象領域Ｒの位置特定システム１を表す。システム１は、対象領域Ｒの位置特定方法を実施するのに使用され、その方法は、具体的には超音波キャビテーションに基づく治療に適用される。
【００３０】
システム１は、対象領域Ｒにキャビテーションを作り出すように構成されたキャビテーション装置５を含む。例示された態様では、それに限定はされないが、キャビテーション装置５は、文書ＷＯ  ２０１３／１３２０６０に開示されているタイプの共焦点超音波技術を実施する。
【００３１】
キャビテーション装置５は：
−第一方向Ｄ１に沿って第一超音波ビームを放出するように構成され、第一音響焦点Ｐ１に焦点を合わせた、第一超音波トランスデューサ６および 
−第二方向Ｄ２に沿って第二超音波ビームを放出するように構成され、第二音響焦点Ｐ２に焦点を合わせた、第二超音波トランスデューサ７
を含む。
【００３２】
第一６および第二７超音波トランスデューサは、１００ kHz〜１０ MHz、好ましくは０．５MHz〜２ MHzを含む照射周波数で超音波ビームを発生させるように各々が適合されているトランスデューサであってもよい。下記の説明で詳述する非限定的な例では、第一６および第二７超音波トランスデューサは、直径５０ mm、曲率半径５０ mmの集束トランスジューサである。
【００３３】
第一６および第二７超音波トランスデューサは、第一６および第二７超音波トランスデューサの各々がフレーム８および他の超音波トランスデューサ６、７に対して移動することを可能にする移動装置を介して、フレーム８に取り付けられる。
【００３４】
さらに、キャビテーション装置５は、第一６および第二７超音波トランスデューサならびに移動装置に接続された、制御ユニットを含む。とりわけ、第一Ｐ１および第二Ｐ２音響焦点が重畳する焦点Ｐで、３０ °〜１５０ °、特に６０ °〜１２０ °、例として９０ °を含む角度αで第一Ｄ１および第二Ｄ２方向が交差するように、恐らくは好適な通信インターフェースを介してユーザーによって操縦される移動装置を制御ユニットが制御してもよい。制御ユニットは、対象領域Ｒを含む焦点Ｐ周辺の焦点エリアＶに、第一および第二超音波ビームがキャビテーションを発生させるように、第一６および第二７超音波トランスデューサも制御してもよい。とりわけ、第一６および第二７超音波ビームは、照射周波数として１ MHz〜１．２ MHzで放出されてもよい。非限定的な例では、照射周波数は、１．１ MHzである。
【００３５】
本発明は、キャビテーションを発生させるため、２つの交差する超音波ビームに基づいて共焦点超音波技術を実施する、キャビテーション装置５と関係して開示される。しかしながら、他の態様では、キャビテーション装置５は、共焦点超音波技術を実施するため、複数の第一超音波トランスデューサ６および／または複数の第二超音波トランスデューサ７を有してもよい。超音波技術を異なるように使用して、例として超音波トランスデューサを１つだけ実装して、焦点エリアＶにキャビテーションを作り出してもよい。例として、１つ以上の超音波ビームを使用して、微小気泡を含有する多孔質媒体を活性化させてもよい。さらに、本発明は、超音波技術に限定されず、任意の他の種類の技術を実施して対象領域Ｒにキャビテーションを作り出してもよい。
【００３６】
システム１は、キャビテーション装置５によって発生するキャビテーションが起こる対象領域Ｒの位置特定のために特別に設計された位置特定装置１０も含む。キャビテーションの位置特定は、キャビテーションによって発生する音響信号の検出に基づいている。音響信号は、キャビテーション活動の性質および強度を示し、１または数個の特定周波数によって特徴付けられ、その中には、照射周波数ｆｅの低調波、特に１／２低調波、すなわち第一６および第二７超音波トランスデューサの照射周波数ｆｅの０．４〜０．６倍の周波数がある。とりわけ、１／２低調波の特定周波数は、５００ kHz〜６００ kHzであってもよい。非限定的な例では、１／２低調波の特定周波数は、５５０ kHzである。例えば、照射周波数ｆｅの超調波、特に照射周波数ｆｅの１．２〜２．２倍の超調波、例として照射周波数ｆｅの１．５倍または照射周波数ｆｅの二倍といった、音響信号の他の特定周波数を使用してもよい。
【００３７】
位置特定装置１０は、キャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号Ｃを検出するように構成されたセンサーとして、３つの水中聴音器１１を含む。水中聴音器１１は、キャビテーション信号Ｃのペア少なくとも２つを含む位置特定情報を提供することができるように、それぞれ離れた位置に配置される。各水中聴音器１１が受け取る音響信号の量を、そしてそれによって位置特定の信頼性を、最大化するため、水中聴音器１１は、対象領域Ｒを含むエリア、すなわち例示された態様では焦点エリアＶの方に向けられる。とりわけ、第一１１ａおよび第二１１ｂ水中聴音器は、それぞれ第一６および第二７超音波トランスデューサに取り付けられる。第三水中聴音器１１ｃは、第一１１ａと第二１１ｂ水中聴音器との間のフレーム８に取り付けられる。
【００３８】
他の態様では、各々がキャビテーションの音響信号を表すキャビテーション信号Ｃを検出してキャビテーション信号のペアを２つ以上提供するように構成された、３つ以上のセンサーの任意の他の装置を位置特定装置１０が含んでいてもよい。とりわけ、図１１に示すもう一つの態様では、水中聴音器１１が可動アーム２０に取り付けられている。
【００３９】
キャビテーションの位置特定を可能にするため、位置特定装置１０は、さらに、キャビテーション信号を処理するために恐らくはキャビテーション装置５の制御ユニットに接続された、処理装置を有する。
【００４０】
これから、図３に関係して、キャビテーション信号の処理について開示する。
【００４１】
ノイズを取り除きながら音響信号から十分な情報を取り出すことによって位置特定の正確さを向上させるため、処理装置がキャビテーションの音響信号の特定周波数周辺の帯域幅で各キャビテーション信号Ｃをフィルタリングしてもよい。キャビテーションの音響信号の特定周波数は、照射周波数ｆｅの低調波の間、特に５５０ kHzの１／２低調波周辺を選んでもよい。帯域幅は、特定周波数の２５％〜７５％、好ましくは特定周波数の３０％〜６０％であってもよい。５５０ kHzの１／２低調波のケースでは、帯域幅は、１００ kHz〜３００ kHz、特におよそ２００ kHzであってもよい。あるいは、キャビテーションの音響信号の特定周波数は、照射周波数ｆｅ７の低調波の間を選んでもよい。第一および第二超音波ビームが照射周波数ｆｅを有し、キャビテーションの音響信号の特定周波数が１．４×ｆｅ〜１．６×ｆｅである、請求項３に従属する場合の請求項４および５のいずれか記載の方法。
【００４２】
キャビテーション信号Ｃのペア２つ、すなわち第一１１ａおよび第三１１ｃ水中聴音器のキャビテーション信号Ｃ１、Ｃ３を含む第一ペアならびに第二１１ｂおよび第三１１ｃ水中聴音器のキャビテーション信号Ｃ２、Ｃ３を含む第二ペアに対して、処理装置は、キャビテーション信号の各ペアのキャビテーション信号間の遅延を割り出す。
【００４３】
遅延は、相関関係最大値の検出によって割り出される。とりわけ、キャビテーション信号Ｃ１、Ｃ３の第一ペアに対して、処理装置は、時間ピッチによって第三水中聴音器１１ｃに対して第一水中聴音器１１ａのキャビテーション信号を徐々にずらすように構成されている。各時間ピッチで、処理装置は、第一１１ａおよび第三１１ｃ水中聴音器のキャビテーション信号Ｃ１、Ｃ３を比較する。それから、第一１１ａおよび第三１１ｃ水中聴音器のキャビテーション信号Ｃ１、Ｃ３が最大値で重なり合う、すなわち差の積分が最小化される、時間ピッチが最大相関関係時間ピッチとして特定される。それから、処理装置は、遅延を得るため、最大相関関係時間ピッチまでの時間ピッチを合計してもよい。
【００４４】
キャビテーション信号の各ペアのキャビテーション信号間の遅延を割り出すステップは、図３と関係してまたはキャビテーション信号全体について前に開示されているように、いずれかの選定された帯域幅で、各キャビテーション信号の延長包絡線に対して行われてもよい。あるいは、キャビテーション信号の各ペアのキャビテーション信号間の遅延を割り出すこのステップは、各キャビテーション信号の球形形状に対して行われてもよい。それから、それらのそれぞれの形状を定義するため、恐らくは選定された帯域幅で、キャビテーション信号を適宜に前処理してもよい。
【００４５】
対象領域Ｒの位置特定を可能にする十分な位置特定情報を得るため、キャビテーション信号Ｃ２、Ｃ３の第二ペアに対して同じ相関関係最大値の検出が行われる。
【００４６】
対象領域Ｒの位置特定を計算するステップは、２つ計算方法のいずれか１つによって行うことができる。
【００４７】
計算方法は、下記を含む：
−遅延を距離に変換し、
−各点が決定座標（ｘ，ｙ）を有する、対象領域を含む空間の幾つかの点に対して、費用関数
【数１２】
2019528832.tif 000014
を最小化する、
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
【数１３】
2019528832.tif 000015
は、ｉという番号が付けられたセンサーの位置と点（ｘ，ｙ）との間の距離であり、
【数１４】
2019528832.tif 000016
は、遅延を距離に変換して割り出されたセンサーの位置ｉと１との間の距離である。
【００４８】
あるいは、もう一つの計算方法は、双曲線解法を解くことを含む。そのような方法は、Y. T. ChanおよびK. C. Ho、「A simple and efficient estimator for hyperbolic location」、IEEE Trans. Signal Process.、４２巻、８号、ｐ．１９０５〜１９１５、１９９４年８月に開示されている。
【００４９】
３つのセンサーの空間内の任意分布のケースでは、下記の方程式（２）を直接書き出すことができる：
【数１５】
2019528832.tif 000017
ただし、３よりも大きいまたは等しい整数ｎは、位置の数であり、
【数１６】
2019528832.tif 000018
は、ｉという番号が付けられたセンサーの位置と、探索されて音響源（キャビテーションクラウド）の位置に対応する座標（ｘ，ｙ）を有する点との間の距離であり、
【数１７】
2019528832.tif 000019
位置ｉと１との間の測定された遅延は、
【数１８】
2019528832.tif 000020
なので、それから
【数１９】
2019528832.tif 000021
であり、方程式（２）は、下記に対応し：
【数２０】
2019528832.tif 000022
方程式（３）に対して方程式（２）を引いた結果として下記の方程式（４）になる：
【数２１】
2019528832.tif 000023
ただし、
【数２２】
2019528832.tif 000024
ｎ＝３のｒ１について方程式（４）を解くことができ、それは：
【数２３】
2019528832.tif 000025
【００５０】
ｉ＝１の方程式（２）に方程式（５）を挿入すると、ｒ１の二次方程式を得ることが可能になる。それから、置換した正根を方程式（４）に戻して、ｘおよびｙの解を作り出すことができる。二次方程式の解の曖昧さは、対象領域を制限することによって解決することができる。
【００５１】
実施例１
実験の非限定的な例で、先に記載したキャビテーション５および位置特定１０装置で、キャビテーションが起こる媒体Ｍ中の対象領域Ｒの位置特定システム１および方法が実施される。
【００５２】
高速度カメラ観測に向けて、キャビテーション位置特定の信頼性の推定が行われる。
【００５３】
物質および方法
キャビテーション装置５
直径５０mm、曲率半径５０ mm、１．１ MHzで駆動する、２つの集束トランスジューサ６、７が９０ °の角度αでそれらのそれぞれの音響焦点Ｐ１、Ｐ２に一致するやり方で取り付けられている。一対のトランスジューサ６、７のインピーダンスは、増幅器の出力に一致するように５０ Ωに調整される。システム１は、媒体Ｍとして部分的に脱気された水（４ mg／Ｌ）で満たされたタンク１５の中に設置されている。デジタル波形発生器により１．４ Vrmsの電圧で、単一２７５０サイクルパルスが発生する。それから、信号は、１ kWのＲＦ電力増幅器１１４０ＬＡ（E&I、ロチェスター、ニューヨーク州）で増幅される。焦点Ｐでの陰圧は、１３MPaであると推定される。超音波照射時に、記録オシロスコープおよび高速度カメラの両方にトリガー信号が送られる。前に開示されているように、３つの社内製のＰＶＤＦ水中聴音器１１は、キャビテーション装置５に取り付けられ、焦点領域Ｖに向きを合わせて置かれる（図１および２）。水中聴音器１１によって検出されたキャビテーション信号Ｃは、１００ MHzのサンプリング周波数で記録オシロスコープを使用してトリガー信号で記録される。その一方で、キャビテーション活動は、後に記載するように高速度カメラで観測される。
【００５４】
高速度カメラ観測
高速度カメラは、３つの水中聴音器１１の平面に対して垂直に設置される。赤いレーザーがカメラの方に向けられ、ニードル型水中聴音器を使用して見いだすことができる焦点エリアＶをレーザービームが通り抜ける。それから、水中聴音器１１の縁をはっきりと観測するため、カメラの焦点が調整される。１ cm×１．２ cmのエリアが観測される。速度記録が３２ kfpsに設定され、１０２枚の画像が記録される。キャビテーションが起こることが期待される焦点に超音波トランスデューサ６、７によって放出された音響ビームが到達した時から焦点エリアＶを観測するために、トリガー信号に対する３３ μsの遅延が適用される。３．２ msの記録期間（画像１０２枚／３２ kfps）は、焦点エリアＶ内の２．５ msの音響信号の存在を観測することを可能にする（２７５０サイクル／１．１ MHz）。その一方で、先に記載したように、水中聴音器１１によって検出されたキャビテーション信号Ｃが記録される。処理された画像から、対象領域Ｒとしてのクラウドの位置が盲目的なやり方（水中聴音器によって位置を特定された発生源の位置が分からないまま）で、３つの独立演算子によって推定される。
【００５５】
キャビテーションクラウドの音響学的位置特定
前に開示された方法は、位置が分かっている３つの水中聴音器１１で得られた遅延に基づくキャビテーションクラウドＲの場所の三角測量である。キャビテーション信号Ｃは、Matlabソフトウェア（MathWorks、ネイティック、マサチューセッツ州）にインポートされる。水中聴音器１１のキャビテーション信号Ｃ間の遅延は、前に解説されているように、記録されたキャビテーション信号Ｃ間の相関関係を最大化する遅延を見いだすことによって計算される。クラウドＲの計算された位置特定は、最後にカメラからの画像に重畳される。ここで計算された位置は、視覚的に推定されたクラウドＲの位置と比較される。平均誤差が計算される。低調波周波数（５５０ kHz）周辺の２００ kHzの広帯域だけを維持した後、これらの作業が繰り返される。
【００５６】
結果
図４は、重畳位置が位置特定技術で計算された、８つの独立したキャビテーション事象の６０枚目の画像を示す。図４で、四角い円は、焦点の推定位置を表し、破線の円および実線の円は、それぞれ全および低減周波数帯域幅のための方法によって割り出されたキャビテーションクラウドの位置特定である。
【００５７】
全周波数帯域幅のケースでは、キャビテーションクラウドの位置は、３．１±１．８ mmの差異で計算される。５５０ kHz低調波周辺の２００ kHz周波数帯だけのデータを処理することによって、正確さが１．４±０．８ mmに改善する。円は、相関関係の広がりに対応する空間的距離を表す（最大値の２／３）。サイズは、キャビテーション活動の強度と相関しない。
【００５８】
図５は、平均差異だけでなく観測された差異も示す。円および十字は、それぞれ個別のおよび全部の平均値を示す。前のように、破線は、全帯域幅であり、実線は、フィルタリングされたキャビテーション信号である。平均差異は、計算されたキャビテーション位置特定に定誤差がないことを示している。
【００５９】
水中聴音器１１間の遅延に基づく方法で行われた位置特定は、優れた正確さを示した。全周波数帯域幅または５５０ kHz低調波周辺の２００ kHz帯だけを使用して相関関係を計算することによって、測定された位置の正確さは、それぞれ３．１±１．８ mmおよび１．４±０．８ mmだった。狭められた帯域幅の使用は、提案された方法に実質的な改善を提供する。また、計算された位置が常にキャビテーションクラウドの内側または非常に近い、ということが画像に見てとれる。
【００６０】
実施例２
実験のもう一つの非限定的な例は、本発明の位置特定方法を実施して行われる。
【００６１】
シミュレーション
この数値実験では、３つのセンサーおよび任意の数の音響源が体積内の選ばれた場所に設置される。音響源は、好適なカメラで測定された時のキャビテーションクラウドの広がりによって画定されるエリア内に、ランダムなやり方で設置される。各音響源の合成キャビテーション信号は、高調波（１オクターブにつき３ dB低下）、低調波および超調波を対応する高調波の４０ dB下で加えることによって作られる。それから、これらのピークの１つ１つが各音響源に対して６ dBの範囲内でランダムに調整される。慣性キャビテーションをシミュレーションするため、−３０ dBのランダムホワイトノイズが最後に加えられる。それから、各音響源のキャビテーション信号が各センサーに伝搬する。この時点で、測定ノイズを提示するため、もう一つのランダムノイズが含まれる。図６は、センサーのうち１つによって取得された信号例の周波数成分を示す。図７は、センサーおよび音響源の位置決めを例示する。
【００６２】
位置特定方法の選択
一辺が５mmの立方体の中でランダムに分布した１〜４０個の合成キャビテーション源に対して、シミュレーションが実行される。測定された遅延からの場所の計算は、同じ気泡分布に対して２つの計算方法で並行して処理される。図８は、計算された点と発生源との間の平均距離について、両方の計算方法の位置特定性能を示す。平均の正確さは、費用関数の最小化および双曲線解法に基づく計算方法で、それぞれ５ mmおよび４ mmである。しかしながら、費用関数に基づく計算方法での正確さには、より高い変動性がある。その上、計算時間は、費用関数だと５０ ms周辺であるのに対して双曲線解法だと０．５ msである（非最適化、Matlabで実行、Intel i5、２．４ GHz（２コア）、４ GB ＲＡＭの市販のノートパソコンで）。この差は、主に、双曲線解法が陽解法である、という事実によって解説される。これによって、信頼性および計算時間の両方の点で、双曲線解法がより優れた選択となる。
【００６３】
実験設定
図９に示すように、方法を実験的に検証するため、３つのセンサー、特に水中聴音器１１のアンテナが可動アーム２０に取り付けられ、集束トランスジューサが含まれている脱気水タンク（酸素２ mg／Ｌ）の中に設置されている。トランスデューサは、よく画定されたキャビテーションクラウドが再現可能なやり方で作られる１ MHzで、５０サイクル、１５ MPaオーダーのピーク圧力で、単一パルスを発生させる。高速度カメラは、位置特定平面と直交する平面を撮像するため向きを合わせて置かれ、超音波パルスと同期化されている。その結果生じた画像は、各パルスのキャビテーションクラウドの正確な形成を確認するのに使用される。キャビテーション信号は、デジタルオシロスコープを通じて１００ MHzサンプリング周波数で記録される。アンテナをキャビテーションクラウド下の数カ所の場所に移動させながら、取得が行われる。１．５超調波周辺でのフィルタリングおよび信号包絡線の抽出の後で、音響源の相対変位が正確に検出されているかどうかを評価するため、キャビテーション信号が位置特定アルゴリズムによって処理される。水中および鶏胸部の中の両方で実験が繰り返される。この最後のケースでは、１．５超調波の出現は、キャビテーションの存在を表す。
【００６４】
構成最適化
双曲線解法の方法を使用して、トランスデューサの位置の影響が簡潔に数値的に評価される。図１０および図１１は、受容体間の角度をそれぞれ増やしまたは減らしながら、期待される正確さを示す。驚いたことに、正確さは、分離角を減らした時には許容範囲のままだが、角度を増やした時には悪くなる。
【００６５】
驚いたことに、より広い分離角が必ずしもより優れているとは限らない。これは、焦点領域内の発生源間の干渉の数が多いので、放出された信号は、全ての方向で同一であるわけではない、という事実によって解説することができる。このように、互いに空間的に近い２つの水中聴音器は、情報の内容も近い信号を取得する。このように相関関係が正確であることが可能であり、その結果として遅延の推定が正確になる。反対に、互いに遠く離れた２つのセンサーは、相関性の低い信号を受け取る可能性がある。これは、相関関係最大値割り出しの不正確さを誘発することがあり、その結果としてこのように遅延の評価が不正確になる。
【００６６】
結果
キャビテーション観測
図１２に示すように、キャビテーション事象は、位置特定平面と直交する平面で観測される。取得された画像から、キャビテーションクラウドのサイズは、位置特定平面で２．５ mm、直交方向に７．２ mmである、と測定された。
【００６７】
シミュレーション
測定されたキャビテーションクラウドのサイズによって、位置特定平面の両方向に２．５ mm、直交方向に７．２ mmの発生源の広がりに対して、位置特定処理がシミュレーションされる。図１３は、実験条件を模倣したシミュレーションからの期待される正確さを示す。この期待される正確さは、位置特定平面での発生源の空間的広がりに対応する、２ mm〜３ mmであろう。
【００６８】
実験検証
図１４および図１５は、発生源をアンテナに対して相対的に変位させながらの、キャビテーションクラウド（それぞれ水および鶏胸部の中）の位置特定を示す。キャビテーションクラウドが水の実験結果の目盛り上に表示されている。たとえ比較的重大な誤差が鶏胸部の中での位置特定に現れたとしても、受容体アンテナに対して相対的なキャビテーションクラウドの移動を追跡することは、それでも可能である。これは、その方法が受容体ネットワークに対して相対的なキャビテーションクラウドの位置を正確に特定することができる、ということを証明している。
【図１】
2019528832.tif 000037
【図２】
2019528832.tif 000038
【図３】
2019528832.tif 000039
【図４】
2019528832.tif 000040
【図５】
2019528832.tif 000041
【図６】
2019528832.tif 000042
【図７】
2019528832.tif 000043
【図８】
2019528832.tif 000044
【図９】
2019528832.tif 000045
【図１０】
2019528832.tif 000046
【図１１】
2019528832.tif 000047
【図１２】
2019528832.tif 000048
【図１３】
2019528832.tif 000049
【図１４】
2019528832.tif 000050
【図１５】
2019528832.tif 000051
【図１６】
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【国際調査報告】
2019528832.tif 000053
2019528832.tif 000054
2019528832.tif 000055