(57)【要約】  磁気共鳴（ＭＲ）誘導式の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）治療を計画するとき、ＨＩＦＵトランスデューサ素子パラメータが、関心領域（ＲＯＩ）（１４６）、並びに、ＨＩＦＵトランスデューサ素子とＲＯＩ（１４６）との間の妨害物（１４４）の、大きさ、形状及び位置を記述する３Ｄ  ＭＲデータの関数として最適化される。トランスデューサ素子の位相及び振幅が、ＲＯＩ（１４６）へのＨＩＦＵ放射線送達を最大化しながら妨害物（１４４）への送達を最小化するように調整される。加えて、あるいは代えて、ＲＯＩ（１４６）と所与のトランスデューサ素子との間に妨害物（１４４）が位置する場合に、トランスデューサ素子が選択的に非活性化される。
2013515583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴（ＭＲ）誘導式の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）アブレーション計画作成を支援する治療計画ツールであって：
ＨＩＦＵトランスデューサ素子の送信を最適化するためのコンピュータ実行可能命令を実行するプロセッサであり、該命令は：
トランスデューサ素子の位置、幾何学配置、及び音響パラメータの情報を含むトランスデューサデータを推定し；
焼灼すべき関心領域（ＲＯＩ）の大きさ、形状及び位置を記述するＲＯＩデータと、１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子と前記ＲＯＩとの間の妨害物の大きさ、形状及び位置を記述する妨害物データと、を含む３Ｄ  ＭＲデータを推定し；
前記ＲＯＩへのＨＩＦＵ波形送達を最大化しながら、前記妨害物及び周囲組織へのＨＩＦＵ波形送達を最小化する最適化部を実行する；
ための命令を有する、プロセッサ；並びに
前記コンピュータ実行可能命令と、前記トランスデューサデータと、前記ＭＲデータと、複数の最適化されたＨＩＦＵパラメータとを格納するメモリ；
を含む計画ツール。
【請求項２】
前記最適化部は、ＨＩＦＵ装置内の複数のトランスデューサ素子の各々から送信される波形の位相及び振幅を最適化する位相・振幅最適化部である、請求項１に記載の計画ツール。
【請求項３】
前記命令は更に：
前記ＲＯＩ及び前記妨害物上の複数のプローブ素子からの空間インパルス応答のフーリエ変換を実行し；
前記ＲＯＩ内の音圧と前記妨害物の位置での音圧との比を記述する目的関数を生成し；且つ
各トランスデューサ素子の位相及び振幅の設定を記述する初期解を生成する；
ための命令を含む、請求項２に記載の計画ツール。
【請求項４】
前記位相・振幅最適化部は、前記プロセッサによって実行されるとき、前記フーリエ変換されたインパルス応答、前記目的関数及び前記初期解の関数として、各トランスデューサ素子の位相及び振幅の設定を最適化する、請求項３に記載の計画ツール。
【請求項５】
前記最適化部は、前記トランスデューサデータ、前記ＲＯＩデータ及び前記妨害物データの関数として、ＨＩＦＵ装置内の１つ以上のトランスデューサ素子を非活性化する位置最適化部である、請求項１に記載の計画ツール。
【請求項６】
前記位置最適化部は、前記プロセッサによって実行されるときに：
前記ＲＯＩデータと、前記妨害物データと、トランスデューサの幾何学配置及び音響パラメータを含む前記トランスデューサデータを受信し；
前記ＲＯＩのうちの少なくとも一部を焼灼する位置にある全てのトランスデューサ素子を特定し；
前記ＲＯＩまでのライン・オブ・サイトが前記妨害物を通過するトランスデューサ素子を非活性化し；各トランスデューサ素子によって前記ＲＯＩ内に供給される超音波エネルギーの焦点及び熱供給量を計算し；
前記トランスデューサ素子によるＲＯＩカバレージを計算し；且つ
一連のトランスデューサ素子位置を、非活性化されるトランスデューサ素子のリストとともに出力する；
ための命令を含む、請求項５に記載の計画ツール。
【請求項７】
前記命令は更に、複数のアクティブなトランスデューサ素子の各々に固有のＨＩＦＵ暴露時間及びエネルギーを割り当てるための命令を含む、請求項６に記載の計画ツール。
【請求項８】
前記ＲＯＩは肝臓組織を含み、前記妨害物は肋骨である、請求項１乃至７の何れか一項に記載の計画ツール。
【請求項９】
前記ＲＯＩデータ及び前記妨害物データを生成する磁気共鳴（ＭＲ）スキャナ、を更に有する請求項１乃至８の何れか一項に記載の計画ツール。
【請求項１０】
磁気共鳴（ＭＲ）誘導式の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）アブレーションの計画作成方法であって：
トランスデューサ素子の位置、幾何学配置、及び音響パラメータの情報を含むトランスデューサデータを推定し；
焼灼すべき関心領域（ＲＯＩ）の大きさ、形状及び位置を記述するＲＯＩデータと、１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子と前記ＲＯＩとの間の妨害物の大きさ、形状及び位置を記述する妨害物データと、を含む３Ｄ  ＭＲデータを推定し；且つ
前記ＲＯＩへのＨＩＦＵ波形送達を最大化しながら、前記妨害物及び周囲組織へのＨＩＦＵ波形送達を最小化する最適化部を実行する；
ことを含む、方法。
【請求項１１】
ＨＩＦＵ装置内の複数のトランスデューサ素子の各々から送信される波形の位相及び振幅を最適化することを更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＲＯＩ及び前記妨害物上の複数のプローブ素子からの空間インパルス応答のフーリエ変換を実行し；
前記ＲＯＩ内の音圧と前記妨害物の位置での音圧との比を記述する目的関数を生成し；
各トランスデューサ素子の位相及び振幅の設定を記述する初期解を生成し；且つ
前記フーリエ変換されたインパルス応答、前記目的関数及び前記初期解の関数として、各トランスデューサ素子の位相及び振幅の設定を最適化する；
ことを更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記トランスデューサデータ、前記ＲＯＩデータ及び前記妨害物データの関数として、ＨＩＦＵ装置内の１つ以上のトランスデューサ素子を非活性化する、
ことを更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＲＯＩデータと、前記妨害物データと、トランスデューサの幾何学配置及び音響パラメータを含む前記トランスデューサデータを受信し；
前記ＲＯＩのうちの少なくとも一部を焼灼する位置にある全てのトランスデューサ素子を特定し；
前記ＲＯＩまでのライン・オブ・サイトが前記妨害物を通過するトランスデューサ素子を非活性化し；各トランスデューサ素子によって前記ＲＯＩ内に供給される超音波エネルギーの焦点及び熱供給量を計算し；
前記トランスデューサ素子によるＲＯＩカバレージを計算し；
一連のトランスデューサ素子位置を、非活性化されるトランスデューサ素子のリストとともに出力し；且つ
複数のアクティブなトランスデューサ素子の各々に固有のＨＩＦＵ暴露時間及びエネルギーを割り当てる；
ことを更に含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＲＯＩは肝臓組織を含み、前記妨害物は肋骨である、請求項１０乃至１４の何れか一項に記載の方法。
【請求項１６】
患者特定音響経路モデルを生成し；
ユーザインタフェースを介してユーザに前記音響経路モデルを提示し；
１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子の位置、並びに該１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子の送信位相及び振幅、のうちの少なくとも１つへの調整に関するユーザ入力を受信し；且つ
前記音響経路モデル及び前記ユーザ入力を用いて関心領域（ＲＯＩ）のＨＩＦＵソニケーションをシミュレーションする；
ことを更に含む請求項１０乃至１５の何れか一項に記載の方法。
【請求項１７】
磁気共鳴（ＭＲ）誘導式の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）アブレーション手順のためにその場ソニケーションシミュレーションを実行する方法であって：
患者特定音響経路モデルを生成し；
ユーザインタフェースを介してユーザに前記音響経路モデルを提示し；
１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子の位置、並びに該１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子の送信位相及び振幅、のうちの少なくとも１つへの調整に関するユーザ入力を受信し；且つ
前記音響経路モデル及び前記ユーザ入力を用いて関心領域（ＲＯＩ）のＨＩＦＵソニケーションをシミュレーションする；
ことを含む方法。
【請求項１８】
前記ＨＩＦＵソニケーションをシミュレーションすることは：
関心ボリュームを複数のサブボリュームにセグメント化し；
サブボリューム境界を抽出して離散化し；
シミュレーションドメイン内でＨＩＦＵトランスデューサを位置決めし；
前記ＨＩＦＵトランスデューサ内の複数のトランスデューサ素子の位相及び振幅を指定し；
前記関心ボリューム内で１つ以上の関心領域（ＲＯＩ）を指定し；
前記複数のトランスデューサ素子から１つのトランスデューサ素子を選択し；
個別の計算用フォノンを発射し；
前記発射されたフォノンの伝搬特性を分析し；
前記発射されたフォノン及び経路特徴データを、複数のフォノンの経路特徴データを格納するフォノンバッファに格納し；
前記フォノンバッファから新たなフォノンを取り出し；
前記新たなフォノンのフォノン伝搬をシミュレーションし；
フォノン経路を画成するレイがサブボリューム境界と交差するかを決定し；
前記レイがサブボリューム境界と交差する場合に、前記レイを透過部分と反射部分とに分割し；
前記レイの前記透過部分及び反射部分の各々の振幅及び位相の情報を決定し；且つ
前記レイの前記透過部分及び反射部分の各々の前記振幅及び位相の情報を前記フォノンバッファに格納する；
ことを含む、
請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ＨＩＦＵソニケーションをシミュレーションすることは：
関心ボリュームを複数のサブボリュームにセグメント化し；
サブボリューム境界を抽出して離散化し；
シミュレーションドメイン内でＨＩＦＵトランスデューサを位置決めし；
前記ＨＩＦＵトランスデューサ内の複数のトランスデューサ素子の位相及び振幅を指定し；
前記関心ボリューム内で１つ以上の関心領域（ＲＯＩ）を指定し；
トランスデューサ素子を複数のグループに分配し；
トランスデューサ素子の各グループに関して近似的な幾何モデルを生成し；
所与のグループ内の各素子に関してソース分布のフーリエ変換を実行し；
前記所与のグループ内の各素子に関して励起場を計算し；
前記励起場を第１の境界面へと伝搬させ；
前記グループの各素子の場の寄与を足し合わせ；
複数の材料層の積層体内で前記励起場を伝搬させ；
前記励起場の複数の成分の各々に関して、各境界における透過係数を、各成分の波動ベクトルと該境界の各々の側の材料パラメータとに基づいて計算し；
前記励起場に前記透過係数を掛け合わせ；
前記励起場を次の材料層へと伝搬させ；
前記ＲＯＩ内の音響場を計算し；且つ
全てのグループがシミュレーションされるまで、トランスデューサ素子の次のグループに進む；
ことを含む、
請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＨＩＦＵソニケーションをシミュレーションすることは：
ＨＩＦＵトランスデューサ内の複数のトランスデューサ素子のうちのサブセットから集合的な音響場を推定し；
前記集合的な音響場の推定結果に、一度に１つずつ、更なるトランスデューサ素子の推定音響場寄与分を追加し；
各推定音響場寄与分の追加の後に、前記集合的な音響場の推定結果の精度にユーザが満足するかを決定し；且つ
前記集合的な音響場の推定結果の前記精度に前記ユーザが満足したことを指し示すユーザ入力を受けて、集合的な音響場の推定を終了する；
ことを含む、
請求項１６又は１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、特に、磁気共鳴（ＭＲ）誘導式の高密度焦点式超音波（high  intensity  focused  ultrasound；ＨＩＦＵ）アブレーション（焼灼）手順及びシステムに有用である。しかしながら、認識されるように、記載の技術は、その他の種類の治療計画システム、その他の画像誘導治療システム、及び／又はその他の医療用途にも適用され得る。
【背景技術】
【０００２】
肝臓癌は、最も通例の腫瘍タイプのうちの１つであり、激しく出血する傾向があるため手術が特に困難なものである。故に、その治療には、無線周波数（ＲＦ）プローブ若しくはレーザプローブを用いたサーマルアブレーション又は冷凍アブレーションなどを含む焼灼治療が一般的になっている。
【０００３】
高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）の使用が、徐々に、より好まれるものとなってきている。１つの理由は、ＭＲイメージング（撮像）を用いて、治療中に組織温度を監視して治療を低リスクにすることができるためである。肝臓アブレーションでは、２つの重大な問題が存在する：肝臓は、多量の血流を有するとともに、患者の呼吸に伴って動き回っている。もう１つの問題は、肝臓は肋骨の後ろにあるが、肋骨がＨＩＦＵの伝達を妨害してしまうことである。
【０００４】
一般的に言えば、ＭＲ誘導ＨＩＦＵ治療に伴う１つの問題は、印加する熱を適所に分配することが困難なことである。一方で、例えば腫瘍といったＲＯＩは焼灼される必要がある。他方で、トランスデューサから見てその前の領域（近距離場）又はその後ろの領域（遠距離場）は保存される必要がある。肝臓の場合、肝臓は血流によって効率的に冷却されて超音波パワーの必要量を増加させ、それと同時に、肋骨がＲＯＩへのアクセス性を制限することにより、この問題が悪化される。肋骨の問題は２要素からなり、第１に、肋骨に突き当たるビーム部分はＲＯＩに到達することができず、第２に、肋骨は、超音波放射を効率的に吸収し、それ故に容易に過熱されるため、超音波放射の影響を受けやすい。
【０００５】
古典的な計画手順は主として、肋骨間をビームすることなく直接的に到達されることが可能な器官、例えば子宮、のソニケーション（超音波処理）用に設計される。トランスデューサの焦点がＲＯＩへと操舵される。最も洗練されたシステムにおいては、モータを用いる機械操舵と、フェーズドトランスデューサ素子アレイを用いる電子操舵との双方が用いられる。
【０００６】
現在、治療計画における最新技術は、患者からのＭＲＩ画像を用いて所望のトランスデューサ位置及び処置を記述するために計画ソフトウェアツールを使用するものである。このソフトウェアは、ビーム経路内又は安全マージン内にクリティカルな器官が位置しているかどうかを明らかにするために、ＭＲＩ画像上で音響経路を視覚化する。音響ビームは、単純に、トランスデューサから焦点へ、そして遠距離場内への幾何学的な円錐としてモデル化される。治療中、低エネルギーソニケーションを用いて、目標とする焦点からの空間的な逸脱が検出されて手動補正され、熱監視が、温度加熱を制御するためのフィードバックとして用いられる。
【０００７】
波動伝搬を解く全般的な数値法が文献にて知られている。医用超音波の分野において、最も有名な手法は、時間ドメインに基づく方法、有限要素法、及びレイリー積分の様々な派生物である。
【０００８】
従来の治療及び治療計画技術において、音響経路は水（例えば、水ファントム）の中であると仮定される。しかしながら、異なる音響特性を有する様々な物質及び組織が、ヒト被検体又は患者内の音響経路に沿って存在する。特に、皮下脂肪が音響歪み源としての役割を果たすことが広く知られている。境界面での屈折が、音響焦点のその目標位置からのシフトを引き起こし、異なる音響経路長による位相偏移が焦点の鋭さを低下させる。これらの問題は従来、試行錯誤による手動補正と温度フィードバックとを用いて対処されてきた。これらの作業は、音響経路を適切にモデル化することによって軽減されることができる。
【０００９】
従来の治療計画は、関連ボリューム全体が超音波に及ばれるように、幾何学的な円錐を用いて生成される。しかしながら、例えば骨などの有意に歪ませる物体（すなわち、妨害物）が音響経路に沿って位置することがしばしばである。骨は、反射及び波動回折を生じさせ、焦点の形状を歪ませるとともに、患者及び超音波トランスデューサの双方に潜在的な損害を生成する。
【００１０】
例えば有限要素法又はレイリー積分などの正確な数値法を用いるシミュレーション技術では、問題となる幾何学構成は典型的に、例えば三角形などの有限な幾何プリミティブで構成される個別メッシュとして記述される。プリミティブの寸法は、波長のほんの一部にされる。音響モデル化問題の一般的な特徴は、考慮される構造が音響波長に対して比較的大きく、それに対応して大きいメッシュを生じさせることである。細部は、使用される具体的な数値法に従って変わるが、小さいプリミティブ同士の相互間での相互作用は、それらの方法の全てに共通である。これは、大きいメッシュの場合に、この技術が相互作用的にコスト効率の良くないものになり得るほどの長いシミュレーション時間をもたらす。例えば、このような技術を用いる１つの一般的な手法は、シミュレーションタスクを計画・準備するために一就業日を費やし、実際の計算を夜通しで、あるいは週末の間に実行することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
患者の肋間腔をアブレーション経路及びそれに類するものとして利用するためのＨＩＦＵトランスデューサ素子特性の自動最適化を容易にし、それによって上述の不備を解決するシステム及び方法が技術的に望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一態様によれば、磁気共鳴（ＭＲ）誘導式の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）アブレーション計画作成を支援する治療計画ツールは、ＨＩＦＵトランスデューサ素子の送信を最適化するためのコンピュータ実行可能命令を実行するプロセッサを含み、該命令は、トランスデューサ素子の位置、幾何学配置、及び音響パラメータの情報を含むトランスデューサデータを推定することを有する。前記命令は更に、焼灼すべき関心領域（ＲＯＩ）の大きさ、形状及び位置を記述するＲＯＩデータと、１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子と前記ＲＯＩとの間の妨害物の大きさ、形状及び位置を記述する妨害物データと、を含む３Ｄ  ＭＲデータを推定することを含む。さらに、前記命令は、前記ＲＯＩへのＨＩＦＵ波形送達を最大化しながら、前記妨害物及び周囲組織へのＨＩＦＵ波形送達を最小化する最適化部を実行することを含む。当該計画ツールは更に、前記コンピュータ実行可能命令と、前記トランスデューサデータと、前記ＭＲデータと、複数の最適化されたＨＩＦＵパラメータとを格納するメモリを含む。
【００１３】
他の一態様によれば、磁気共鳴（ＭＲ）誘導式の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）アブレーションの計画作成方法は、トランスデューサ素子の位置、幾何学配置、及び音響パラメータの情報を含むトランスデューサデータを推定することと、焼灼すべき関心領域（ＲＯＩ）の大きさ、形状及び位置を記述するＲＯＩデータと、１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子と前記ＲＯＩとの間の妨害物の大きさ、形状及び位置を記述する妨害物データと、を含む３Ｄ  ＭＲデータを推定することとを含む。当該方法は更に、前記ＲＯＩへのＨＩＦＵ波形送達を最大化しながら、前記妨害物及び周囲組織へのＨＩＦＵ波形送達を最小化する最適化部を実行することを含む。
【００１４】
他の一態様によれば、ＭＲ誘導式の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）アブレーション手順のためにその場ソニケーションシミュレーションを実行する方法は、患者特定音響経路モデルを生成することと、ユーザインタフェースを介してユーザに前記音響経路モデルを提示することと、１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子の位置、並びに該１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子の送信位相及び振幅、のうちの少なくとも１つへの調整に関するユーザ入力を受信することとを含む。当該方法は更に、前記音響経路モデル及び前記ユーザ入力を用いて関心領域（ＲＯＩ）のＨＩＦＵソニケーションをシミュレーションすることを含む。
【発明の効果】
【００１５】
１つの利点は、健常組織におけるＨＩＦＵ照射が低減されることである。
【００１６】
他の１つの利点は、ＲＯＩ内でのＨＩＦＵ照射が最大化されることにある。
【００１７】
他の１つの利点は、音響シミュレーションを用いて、焦点形状をモデル化し且つ漂遊場を監視することにある。
【００１８】
他の１つの利点は、敏感組織の過度の加熱を回避することが可能なことにある。
【００１９】
以下の詳細な説明を読んで理解した当業者は、本発明の更なる利点を認識することになる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
図面は、単に様々な態様を例示するためのものであり、限定として解釈されるべきではない。
【図１】トランスデューサ素子の位相、振幅及び位置などを最適化することと、超音波治療計画中にその場で高速音響シミュレーションを実行することとを容易にする計画ツールを例示する図である。
【図２】所与のＨＩＦＵトランスデューサ位置に対応する送信パラメータ（例えば、振幅及び位相）と、幾何・音響パラメータとを、アブレーションＲＯＩのサイズ及び位置と肋骨の位置とを考慮に入れながら最適化するための処理フローを例示する図である。
【図３】空間インパルス応答技術に基づく最適化手順の処理フローを例示する図である。
【図４】患者の皮膚に隣接配置されたＨＩＦＵトランスデューサアレイの一例を、焼灼すべきＲＯＩへの超音波の伝達を妨げる複数の肋骨とともに示す図である。
【図５】患者の皮膚を通り且つ肋骨のそばを通り過ぎるようにＨＩＦＵアレイが超音波を送信するときにＲＯＩの複数ゾーンを同時に焼灼することができ、それにより総治療時間を最小化するような、超音波波形又は超音波線の重ね合わせ振幅・位相結果の一例を示す図である。
【図６】例えば肝臓アブレーションなどの肋間腔を利用するＭＲ誘導式組織アブレーション治療中にＨＩＦＵトランスデューサ位置を最適化する方法を例示する図である。
【図７】ＨＩＦＵトランスデューサ位置を最適化する方法を例示する図である。
【図８】所与のアレイ位置でのＨＩＦＵアレイ、肋骨及びＲＯＩの概念配置を例示する図である。
【図９】ここに記載される１つ以上の態様に従った、確率的音響シミュレーションを実行する方法を例示する図である。
【図１０】ここに記載される１つ以上の態様に従った、平面近似を用いて音響シミュレーションを実行する方法を例示する図である。
【図１１】ここに記載される１つ以上の態様に従った、全トランスデューサ素子のうちのサブセットの寄与を見積もる方法を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
ここでは、例えば肝臓アブレーションなどの肋間腔を利用するＭＲ誘導式組織アブレーション治療中に、ＨＩＦＵトランスデューサの送信パラメータ及び位置の選択を最適化するシステム及び方法が開示される。この最適化手順は、ＨＩＦＵトランスデューサの位置、幾何学配置、及び音響のパラメータを考慮に入れる。これはまた、関心アブレーション領域（ＲＯＩ）のサイズ及び位置と、肋骨の位置とを３Ｄで考慮する。肋骨の位置は、高解像度ＭＲデータのセグメント化を介して決定される。この最適化手順は、トランスデューサの素子ごとの振幅及び位相、並びに一連の５自由度トランスデューサ位置（３次元＋ピッチ及びヨー（yaw））を、対応した、位置ごとの非活性化素子のリストとともに生成する。これらの振幅及び位相は、ＲＯＩ内への最大の熱供給と肋骨上への最小の熱供給とを確実にする。なお、直接的な素子遮断は存在せず、むしろ、全てのトランスデューサ素子に最適な振幅及び位相が与えられる。さらに、この最適化手順は、ＲＯＩの複数ゾーン（区画）を同時に焼灼して総治療時間を最小化する重ね合わせ振幅・位相結果を生成する。
【００２２】
他の一実施形態において、各トランスデューサ位置は、全ての位置からのソニケーションの後にＲＯＩ全体が焼灼されているように、所与のＨＩＦＵ照射時間・エネルギーに関連付けられる。トランスデューサ位置は、最良のカバレージ（被覆率）を有する位置から治療が開始されるよう、それらのＲＯＩカバレージの降順で並べ替えられ得る。他の一実施形態において、連続したアクティブアパチャーのフットプリント（到達範囲）間の重なりが最小になるようにトランスデューサ位置を並べ替えることによって、皮膚の表層の加熱が最小化され得る。
【００２３】
図１を参照するに、トランスデューサ素子の位相、振幅及び位置などを最適化することと、超音波治療計画中にその場で高速音響シミュレーションを実行することとを容易にする計画ツール１０が例示されている。ツール１０は、ここで説明される様々な機能、方法及び／又はアルゴリズムを実行するためのコンピュータ実行可能命令を実行するプロセッサ１２と、該コンピュータ実行可能命令を格納するメモリ又はコンピュータ読み取り可能媒体１４とを含んでいる。一実施形態において、プロセッサ１２は並列処理アーキテクチャを含んでいる。このツールは更に、ユーザインタフェース（ＵＩ）１６（例えば、モニタ、コンピュータ端末、ワークステーションなど）を含んでおり、それを介して、情報がユーザ又はオペレータに提示され、情報がユーザ又はオペレータから受信される。このツールは、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）装置１８及び磁気共鳴（ＭＲ）スキャナ２０の各々に結合されている。
【００２４】
メモリは、トランスデューサ素子の位置、幾何学配置及び音響パラメータ情報を含むＨＩＦＵトランスデューサデータ２２又は情報を含んでいる。ＲＯＩデータ２４及び妨害物データ２６が、ＭＲスキャナによって提供され、同様にメモリに格納される。ＲＯＩデータは関心領域（例えば、アブレーションターゲット）の３Ｄサイズ及び形状を記述し、妨害物データはトランスデューサ素子とＲＯＩとの間の妨害物（例えば、肋骨又はその他の骨）の位置及び形状を記述する。ＨＩＦＵ装置はまた、メモリに格納されるトランスデューサ素子の位相・振幅情報２８を提供する。プロセッサは、（例えば、ＲＯＩ及び妨害物に結合されるプローブからの）空間インパルス応答情報を分析し、位相・振幅最適化部３２（例えば、プロセッサ１２によって実行されるコンピュータ実行可能命令）に入力される所与の連続波周波数に関してフーリエ変換アルゴリズム３０を実行する。プロセッサはまた、各トランスデューサ素子が送信する際の振幅及び位相の初期（イニシャル）解と、位相・振幅最適化部に入力される目的関数とを生成し、そして、位相・振幅最適化部が、周囲組織及び／又は妨害物への熱伝達を最小化しながらＲＯＩを焼灼するための各トランスデューサの位相及び振幅の最適解を生成する。さらに、メモリは、ＲＯＩの複数ゾーンの同時アブレーションを容易にするように複数の素子の振幅及び位相を重ね合わせるためにプロセッサ１２によって生成される重ね合わせ結果３４を格納する。これらの態様については、図２−５に関連して更に詳細に後述する。
【００２５】
メモリはまた、患者の表面に沿った、またＲＯＩ及び妨害物に対しての、各トランスデューサ素子の位置、に関するトランスデューサデータ２２を受信する位置最適化部３６（例えば、一組のコンピュータ実行可能命令又はそれに類するもの）を含んでいる。位置最適化部は、プロセッサ１２によって実行されるとき、ＲＯＩへの途中に妨害物を通るライン・オブ・サイト（視程）を有するトランスデューサ素子を非活性化する。斯くして、ＲＯＩまで妨害されないライン・オブ・サイトを有する素子のみがアクティブのままにされて、アブレーション中に送信を行う。これらの態様については、図６−８に関連して後述する。
【００２６】
他の一実施形態によれば、メモリは、その場（in-situ）治療計画中に高速音響シミュレーションを実行するその場アブレーションシミュレータ３８（例えば、プロセッサ１２によって実行されるコンピュータ実行可能命令）を含む。これは、アブレーションシミュレーション中に患者生体構造の音響経路モデル４０を使用する。その場シミュレーションを実行することに関して、ここでは、確率的シミュレーションアルゴリズム４２、近似アルゴリズム４４、及び推定アルゴリズム４６を含む３つの好適なアルゴリズムを説明する。確率的シミュレーションアルゴリズムは、シミュレーション手順においてフォノン情報を格納するフォノンバッファ４８を使用する。これらの機能については、図９−１１に関連して更に詳細に後述する。
【００２７】
一実施形態において、音響経路モデルは、水タンク、マイラー（Mylar）フォイル、ゲルパッド及び患者生体構造を含む。典型的には波速、波動減衰及び組織密度である音響パラメータが、シミュレーションボリューム（容積体）の各点に指定される。これは、ボリュームを複数の均一な部分ボリュームにセグメント化（分割）し、サブボリュームごとに一組の音響パラメータを指定することによって行われる。一実施形態において、ユーザが、計画用画像（例えば、ＭＲスキャナ２０を用いて生成される）に基づいて、セグメント化情報を手動で提供する。例えば、子宮筋腫の治療の場合、皮下脂肪層の位置及び近似的な厚さが有用となり得る。他の一実施形態において、音響セグメント化アルゴリズム（図示せず）を用いて、その場撮影された計画用画像からセグメント化を行う。
【００２８】
他の実施形態において、例えば、ＭＲＩ画像の品質又は計算要求の何れかがセグメント化を実行不可能にする用途において、以前に生成された画像に基づいてオフラインでセグメント化を行うことができる。また、ＭＲＩ以外の撮像モダリティも、セグメント化の基礎として使用されることが可能である。
【００２９】
セグメント化を完成させるため、各サブボリュームに具体的な音響パラメータが与えられる。一実施形態において、ユーザがＵＩ１６を用いてパラメータ値を入力する。これらの値は、典型値のテーブル（表）から、その組織（tissue）に基づいて決定され得る。
【００３０】
図２−５及びそれらの関連説明は、アブレーションＲＯＩのサイズ及び位置と肋骨の位置とを考慮に入れながらの、所与のＨＩＦＵトランスデューサ位置に対応するトランスデューサ送信パラメータ（例えば、振幅及び位相）と、幾何・音響パラメータとの最適化に関する。さらに、図２の最適化処理は、ＲＯＩの複数のゾーンの同時アブレーションを容易にする振幅及び位相を与えることによって、総治療時間を最適化する。ステップ１００にて、幾つかの種類の入力情報が（例えば、最適化を実行するプロセッサによって）受信される。この入力情報は、ＨＩＦＵトランスデューサ位置、幾何学配置及び音響パラメータと、アブレーションＲＯＩのサイズ及び位置とを含む。入力情報はまた、３Ｄ肋骨位置情報を含む。
【００３１】
ステップ１０２にて、最適化が実行される。これは、複数のトランスデューサ素子の各々の振幅及び位相を最適化することを含む。この最適化は更に、ＲＯＩの複数ゾーンに関する重ね合わせ振幅・位相結果を生成且つ／或いは最適化すること、ＲＯＩの複数ゾーンの同時アブレーションを実行すること、及びアブレーション治療の所要時間を短縮することを含む。このステップについては、図３に関連して更に後述する。ステップ１０４にて、最適化された振幅・位相情報及び重ね合わせ結果を用いて、アブレーション治療が実行される。
【００３２】
図２の方法は、故に、例えば肝臓アブレーションなどの、肋間腔を利用するＭＲ誘導式の組織アブレーション治療における、ＨＩＦＵトランスデューサ送信パラメータの選択に関する最適化技術を提供する。この最適化手順により、ＨＩＦＵトランスデューサの素子ごとの振幅及び位相が生成される。最適化された振幅及び位相は、ＲＯＩ内への最大の熱供給と肋骨上への最小の熱供給とを確実にする。なお、一実施形態において、直接的な素子遮断は必要でなく、むしろ、全てのトランスデューサ素子に最適な振幅及び位相が与えられ得る。
【００３３】
図３は、空間インパルス応答技術に基づく最適化手順の処理フローを例示している。ステップ１２０にて、ＲＯＩ内の格子状の点群上及び肋骨の位置で、トランスデューサプローブ素子について空間インパルス応答が計算される。明瞭化のため、図４（後述）に、ＨＩＦＵトランスデューサ、肋骨の位置、及びアブレーションＲＯＩを示す。ステップ１２２にて、所与の連続波（ＣＷ）周波数でのインパルス応答（低ＭＩでは音響線形伝搬が仮定される）についてフーリエ変換を実行することによって、連続波（ＣＷ）解が取得される。ステップ１２４にて、素子の振幅及び位相の初期解が最適化手順１０２に提供される。例えば、１２８素子を有するトランスデューサの場合、２５６個の値が提供される。ステップ１２６にて、ＲＯＩ内の音圧と肋骨レベルでの音圧との比により、目的関数が決定される。ステップ１２２、１２４及び１２６からの入力情報を用いて、目的関数を最小化するように最適化機能１０２が実行される。ステップ１２８にて、素子の振幅及び位相の最適解が提供される。認識されるように、例えば、ＲＯＩからトランスデューサアパチャー素子への逆伝搬を用い且つ肋骨位置を考慮するものなど、周波数ドメインで展開される同様の手法も使用され得る。
【００３４】
図４は、患者の皮膚１４２に隣接配置されたＨＩＦＵトランスデューサアレイ１４０の一例を、焼灼すべきＲＯＩ１４６への超音波の伝達を妨げる複数の肋骨１４４とともに示している。
【００３５】
図５は、患者の皮膚１４２を通り且つ肋骨１４４のそばを通り過ぎるようにＨＩＦＵアレイ１４０が超音波を送信するときにＲＯＩ１４６の複数のゾーン１５２を同時に焼灼することができ、それにより総治療時間を最小化するような、超音波波形又は超音波線の重ね合わせ振幅・位相結果の一例を示している。図５は、ＲＯＩからの複数ゾーンが最適化においてどのように考慮され得るかを示している。
【００３６】
以下の説明は、最適化モジュール若しくは機能１０２の動作、並びに図１−５の関連システム及び方法を更に詳述するために、例として提示されるものである。ＨＩＦＵアレイ１４０は数字ｎで指名される複数の送信素子（図示せず）を有する。それらは各々、パワーＩｎを送達し、該パワーの或る部分がＲＯＩ内で消散される。この部分は、音波強度、局所吸収係数及びＲＯＩに到達する前の波動減衰、の体積積分に比例する。波動によって生成されるＲＯＩ内部の局所的な強度はＩｎに等しい。吸収ユニットに所与の時間に届けられるエネルギーに比例するＥＲＯＩなる数値が：
【００３７】
【数１】
2013515583.tif 000003
として定義される（以下、“ｒ”等の上に付された“→”記号を“ベクトル”と称することがある）。ＥＲＯＩは故に、図５に示すようなＲＯＩ内の総エネルギーを表す。数字ｎは、トランスデューサ素子の各々に対応し、Ｉｎは、トランスデューサ素子の各々に対応した、ＲＯＩ内の平均音響強度である。ＲＯＩの体積にわたっての積分は、トランスデューサ素子の各々に対応する位相（ψｎ）、波数ｋ、及びトランスデューサの自然焦点に対するＲＯＩ内の点の相対距離｜ベクトルｒ−ベクトルｒｆ｜を考慮に入れている。
【００３８】
全ての（すなわち、全てのトランスデューサの）Ｉｎ及びψｎがそれぞれ相等しい場合、球面波が画成され、これがトランスデューサ開口によって画成される開円錐を通って入射する。焦点が新たな位置であるベクトルｒｆ１にシフトされ、それと同時に各トランスデューサのψｎが調整される場合、等式は同じ形態を有する。これは、アレイの焦点を電子的に移動させることの周知の効果に相当する。焦点の各位置に対して、空間のその点にエネルギーを送達する波の波動関数を定める、対応する一組の、アレイ素子の値が存在する。
【００３９】
治療にＨＩＦＵシステムを用いるとき、超音波エネルギーは数分間にわたって印加される。この時間の間に、処置中の点又はスポットから熱が拡散する。故に、全ての場所に等しく熱を印加する必要はなく、むしろ、焦点より大きい距離を互いに対して置いたラスター（線）をなす点群を選択することができる。その結果、
【００４０】
【数２】
2013515583.tif 000004
となるように、スポット間の干渉効果を、無視することができるのに十分な小ささにすべく制御することできる。治療中のスポットが、個々の素子のビーム幅内で、トランスデューサの自然焦点に対して妥当な近さにある限り、Ａｎｍ振幅はｍに依存しない。妨害されていないトランスデューサ素子特性の場合、ψｎｍ＝ｋ｜ベクトルｒｍｎ｜＋αｍとするように位相が選定される。この場合、ＥＲＯＩは、期待される通り、ボリューム要素のエネルギー数の和になる。見て分かるように、エネルギーは、例えば肋骨によって近距離場内に妨害を有する一層複雑なケースを最適化するために使用可能な角度αに依存しなくなる。
【００４１】
近距離場を最適化するために使用され得る別の１つのパラメータは波数ｋであり、これは、波長ひいては波動の回折パターンに影響する。ｋは、一実施形態において０．５ＭＨｚであるＨＩＦＵトランスデューサの帯域幅の範囲内で最適化される。
【００４２】
妨害されるケースでは、エネルギー関数は：
【００４３】
【数３】
2013515583.tif 000005
として記述される。次に、ＥＲＩＢ（肋骨の妨害によって吸収されるエネルギー）が最小化される。肋骨群をカバーする好適なボリューム要素の系が選定され、それに対して振幅Ｂｎｍ及び位相βｎｍが計算される。さらに、肋間腔（intercostal  space）に対応するエネルギー関数を：
【００４４】
【数４】
2013515583.tif 000006
として記述することができる。ＥＲＩＢを最小化しながら、肋間エネルギーＥＩＣＳＴが最大化される。ＥＲＩＢと同様に、肋骨間の空間をカバーする好適なボリューム要素の系が選定され、それに対して振幅Ｃｎｍ及び位相γｎｍが計算される。
【００４５】
上述の目的関数は、ＥＲＯＩの最大化と、それと同時のＥＲＩＢの最小化及びＥＩＣＳＴの最大化となる。数値最適化に好適な固有ベクトルは全トランスデューサ素子に同じ振幅を与えることによって表されることが分かっている。これらの関数は全て、異なる複数の位置に場を集束させることに相当する。アレイの位相は、該複数の位置から計算されるが、共通の未定の位相を含む。故に、固有関数は、エネルギーが焦点位置及び共通位相の双方に依存しないという点で、完全に縮退したものである。
【００４６】
続いて、上記固有関数を用いて肋骨領域内（肋骨内及び肋間腔内の双方）の加熱を表現することにより、システムを最適化することができる。肋骨領域内では、それらの縮退が持ち上げられることになり、得られる振幅及び位相がＲＯＩの複数ゾーンを同時に焼灼し得るように固有値を変化させることにより、総治療時間が最小化される。
【００４７】
斯くして、肋間腔を利用するＭＲ誘導ＨＩＦＵ手順において、所与のＨＩＦＵトランスデューサ位置、幾何学配置及び音響パラメータに対応するとともに、アブレーションＲＯＩのサイズ及び位置並びに肋骨の位置を考慮に入れた最適な送信パラメータ（振幅及び位相）の組が生成される。振幅及び位相の結果はまた、ＲＯＩの複数ゾーンが同時に焼灼されて総治療時間が最小化されるように重ね合わされることができる。
【００４８】
図６−８及びそれらの関連説明は、ＭＲ誘導式組織アブレーション中に肋間腔を利用するための、トランスデューサ位置及び素子の非活性化の最適化に関する。この最適化手順は、ＨＩＦＵトランスデューサの幾何学配置及び音響パラメータと、アブレーションＲＯＩのサイズ及び位置と、３Ｄでの肋骨位置とを考慮に入れる。この最適化はまた、器官の呼吸運動を考慮に入れる。肋骨の位置は、高解像度ＭＲデータのセグメント化を介して提供され得る。この最適化手順の出力は、一連の５自由度トランスデューサ位置（例えば、３次元＋ピッチ及びヨー）と、対応した、位置ごとの非活性トランスデューサ素子のリストである。各トランスデューサ位置は、全ての位置からのソニケーションの後にＲＯＩ全体が焼灼されているように、所与のＨＩＦＵ暴露時間及びエネルギーに関連付けられる。一実施形態において、この最適化手順によって生成されるトランスデューサ位置は、最良のカバレージを有する位置から治療が開始されるよう、それらのＲＯＩカバレージの降順で並べ替えられる。他の一実施形態において、連続したアクティブアパチャーのフットプリント間の重なりが最小になるようにトランスデューサ位置を並べ替えることによって、皮膚の表層の加熱が最小化される。
【００４９】
図６は、例えば肝臓アブレーションなどの肋間腔を利用するＭＲ誘導式組織アブレーション治療中にＨＩＦＵトランスデューサ位置を最適化する方法を例示している。ステップ１６０にて、アブレーションＲＯＩがユーザによって画成される。ステップ１６２にて、高分解能ＭＲイメージングを用いて肋骨がセグメント化される。ステップ１６４にて、ＲＯＩ情報、肋骨の位置、及びトランスデューサの幾何・音響パラメータが、最適化手順又はアルゴリズム（例えば、一組のコンピュータ実行可能命令）によって使用されて、一連のトランスデューサ位置が、それに対応する、各位置における非活性化素子のリストとともに生成される。トランスデューサ位置は、５自由度のパラメータ（例えば、３次元＋ピッチ及びヨー）として指定され、各トランスデューサ位置が、所与のＨＩＦＵ暴露の時間及びエネルギーと関連付けられる。ステップ１６６にて、ＲＯＩ全体が焼灼されるように、全ての位置からのソニケーションが実行される。ステップ１６８にて、アブレーション処理を監視するため、ソニケーション中にＭＲサーマルイメージングが実行される。
【００５０】
図７は、例えば図６のステップ１６４にて行われるような、ＨＩＦＵトランスデューサ位置を最適化する方法を例示している。ステップ１８０にて、最適化アルゴリズムへの入力として、ＨＩＦＵトランスデューサの幾何・音響パラメータと、アブレーションＲＯＩのサイズ及び位置と、肋骨の位置とに関する情報が受信される。ステップ１８２にて、ＲＯＩの少なくとも一部を焼灼するように超音波を放射可能な全てのトランスデューサ位置が、ＨＩＦＵトランスデューサの理論的な音響フォーカシング及び熱供給に基づいて決定される。ステップ１８４にて、ステップ１８２で決定されたトランスデューサ位置の各々において、肋骨を直視する素子が非活性化される。すなわち、その位置からの超音波がアブレーション標的への途中に肋骨を通過するライン・オブ・サイトを有するトランスデューサ位置が非活性化される。
【００５１】
ステップ１８６にて、ステップ１８２で決定された各トランスデューサ位置に関して、ＲＯＩ内の音響フォーカシング及び熱供給が計算され、各ケースにおいて、肋骨を通るライン・オブ・サイトを有する素子が切り捨てられる。ステップ１８８にて、ＲＯＩ内で最大の熱供給を有するトランスデューサ位置が選択される。ステップ１９０にて、ＲＯＩ全体がカバーされるか（すなわち、アクティブ（活性）なトランスデューサ位置によってＲＯＩ全体が焼灼されることになるか）に関して、決定が為される。ＲＯＩ全体がカバーされる場合、最適化は完了し、ステップ１９２にて、一連のアクティブトランスデューサ位置が、それに対応する、位置ごとの非活性化素子のリストとともに出力される。各アクティブトランスデューサ位置は、所与のＨＩＦＵ暴露の時間及びエネルギー（すなわち、ドーズ量）に関連付けられる。ＲＯＩの全体がカバーされない場合、この最適化手順はステップ１８６へと戻り、残りの、カバーされていないＲＯＩ内で次に最大の熱供給を有するトランスデューサ位置を選択する。
【００５２】
図８は、所与のアレイ位置でのＨＩＦＵアレイ１４０、肋骨１４４及びＲＯＩ１４６の概念配置を例示している。肋骨を直視する素子を非活性化することによって、肋骨は回避される。非活性化素子２０２は考慮せずに、アクティブ素子２００のみを考慮して、ＲＯＩ内でフォーカシング及び熱供給が計算される。斯くして、肋間腔を利用するＭＲ誘導ＨＩＦＵ手順において、アブレーションＲＯＩのサイズ及び位置と、トランスデューサの幾何・音響パラメータと、肋骨の３Ｄ位置とに基づいて、治療の事前計画が実行される。この態様は、サーマルイメージングに基づく手動でのトランスデューサアレイの再位置決めの必要性を軽減する。
【００５３】
図９−１１及びそれらに関する説明は、高速音響シミュレーションを介してその場ソニケーション最適化に関する様々な実施形態を更に詳述するものである。焦点式超音波治療において、達成される熱エネルギー及び累積熱量の分布は、ソニケーション経路内の組織の音響特性に依存する。一実施形態によれば、音響経路モデルを用いた高速音響その場シミュレーションが、治療を最適化するためのインタラクティブツールとして提供される。これらのシミュレーションは、ソニケーションパラメータを最適化するために、治療の直前に実行されてもよい。音響経路の適切な患者特定モデリングは、焦点の位置決め及び鋭さを向上させる。様々な組織内での音速が近似的に知られていると仮定すると、これらのシミュレーションはまた、強く集束された焦点を達成するために、異なる複数のトランスデューサ素子の位相を決定することに使用されることができる。他の例では、素子の位相は、焦点の品質が十分になるまでインタラクティブに変化され得る。ツール上でインタラクティブに作業することで、ユーザは、例えば近傍の器官に伝達される熱などのその他の因子を考慮に入れながら、トランスデューサの位置決め及び熱暴露を最適化することができる。
【００５４】
図９−１１にて、上述の機能を可能にする３つのアルゴリズムを説明する。第１のアルゴリズムは、確率的シミュレーションを使用して、シミュレーション時間とともに向上する近似予測を生成する。第２のアルゴリズムは、平面状の境界面の積層体として音響経路を近似することによって、高速計算を達成する。第３のアルゴリズムは、トランスデューサ素子のサブセット（部分集合）について音響場を推定する。
【００５５】
図９は、ここに記載される１つ以上の態様に従った、確率的音響シミュレーションを実行する方法を例示している。この方法は、一組のコンピュータ実行可能命令としてコンピュータ読み取り可能媒体に格納され得る。この方法によれば、確率的シミュレーションを用いて、徐々に向上される音響場の見積もりが迅速に形成される。ＨＩＦＵアレイの複数のトランスデューサ素子から離散的な音響線（レイ）がランダムに放射され、レイトレーシング（光線追跡）技術を用いて、ＲＯＩへと向かうそれらの伝搬がモデル化される。得られる見積もりは、最初こそ大まかなものとなり得るが、より多くのレイがシミュレーションされるに連れて、時間とともに向上する。ユーザは、この見積もりをリアルタイムに監視し、ソニケーション設定を認容あるいは拒絶する準備が整ったときにシミュレーションを中断することができる。
【００５６】
従って、ステップ２２０にて、関心ボリューム（ＶＯＩ）の幾何モデルが、各サブボリュームに指定されている音響パラメータを用いてセグメント化される。ステップ２２２にて、サブボリューム間の境界面が抽出され、計算に適したデータ構造へと離散化される。すなわち、各サブボリュームが、それぞれの音響パラメータと、その範囲を決める境界面とによって指定される。ステップ２２４にて、シミュレーションドメイン内で、トランスデューサが位置決めされる。ステップ２２６にて、個々のトランスデューサ素子の位相及び振幅が指定される。ステップ２２８にて、ＶＯＩ内の関心領域が指定される。
【００５７】
ステップ２３０にて、所定のアルゴリズムに基づいて、トランスデューサ素子が選択される。一実施形態において、全ての素子が所定の順序で体系的に分析され、素子の相対的な振幅に基づいて確率論的に選択が為される。ステップ２３２にて、選択されたトランスデューサ素子から、個別の計算用フォノンが発射される。フォノンの向きは、所定の指向性分布に従ってランダムあるいは擬似ランダムに選択される。一実施形態において、この分布は、素子の指向性パターンに基づく。このフォノンに、トランスデューサ素子の振幅及び位相で初期化される振幅及び位相が関連付けられる。ステップ２３４にて、このフォノンがフォノンバッファ内に置かれる。
【００５８】
ステップ２３６にて、フォノンバッファからフォノンが取り出される。バッファがエンプティである場合、この方法はステップ２２０へと戻る。ステップ２３８にて、レイトレーシング法を用いて、該フォノンの伝搬がシミュレーションされる。ステップ２４０にて、レイがサブボリューム又は関心ボリュームの境界と交差するかが決定される。フォノンの位相は、進行した音響距離に従って伝搬される。境界に突き当たる場合、ステップ２４２にて、レイは反射部分と透過部分とに分裂される。ステップ２４４にて、振幅、位相及び伝搬方向が、入射角と、境界の相異なる側のサブボリュームの材料パラメータとに基づいて決定される。一実施形態によれば、伝搬方向は、スネルの法則を用いて決定される。他の一実施形態において、方向は、指向性分布から決定される。ステップ２４６にて、双方（例えば、反射されたもの及び透過されたもの）のフォノンがフォノンシミュレーションバッファ内に置かれ、この方法はステップ２３６へと戻る。
【００５９】
ステップ２４０での決定が、フォノン経路が関心ボリュームと交差することを指し示す場合、ステップ２４８にて、ボリュームの音響強度マップが然るべくインクリメント（増分）される。フォノンは、フォノンの振幅が基準より小さくなる場合、又はフォノンの軌道がシミュレーション範囲の外側をとる場合にターミネイトされ、この方法はステップ２３６へと戻る。一実施形態において、フォノンバッファは、最低の振幅を有するフォノンが最初に選択されるように構成される。
【００６０】
図１０は、ここに記載される１つ以上の態様に従った、平面近似を用いて音響シミュレーションを実行する方法を例示している。この方法は、一組のコンピュータ実行可能命令としてコンピュータ読み取り可能媒体に格納され得る。この方法によれば、音響経路は、平面状の境界面間に拘束された均一な材料の積層体で構成されるものとして近似される。全てのトランスデューサ素子に同一の幾何モデルが使用される場合に、最大のシミュレーション速度が達成される。精度の向上のため、トランスデューサ素子を、各々がそれ自身の幾何学配置近似を有する複数の素子グループに区分化することができる。
【００６１】
ステップ２７０にて、ＶＯＩの幾何モデルが、各サブボリュームに指定されている音響パラメータを用いてセグメント化される。ステップ２７２にて、サブボリューム間の境界面が抽出され、計算に適したデータ構造へと離散化される。すなわち、各サブボリュームが、それぞれの音響パラメータと、その範囲を決める境界面とによって指定される。ステップ２７４にて、シミュレーションドメイン内で、トランスデューサが位置決めされる。ステップ２７６にて、個々のトランスデューサ素子の位相及び振幅が指定される。ステップ２７８にて、ＶＯＩ内の関心領域が指定される。
【００６２】
ステップ２８０にて、トランスデューサ素子が複数のグループに分配される。ステップ２８２にて、各グループに対して、境界面を平面で近似して、近似的な幾何モデルが形成される。そのグループに属する全てのトランスデューサ素子がこのステップ中に横断され、各トランスデューサ素子に対して近似的な幾何モデルが形成される。ステップ２８４にて、各素子に対して、素子のソース分布のフーリエ変換が、該素子の自然面内で計算される。ステップ２８６にて、対応する励起場が計算される。ステップ２８８にて、この場が第１の境界面に伝搬され、全ての素子からの寄与が足し合わされる。この段階で、第１の平面は、そのトランスデューサ素子グループによって励起された場を含むものとなる。
【００６３】
ステップ２９０にて、この場が組織層の積層体内を伝搬される。一実施形態によれば、生物組織に一般的であるように、音響反射が弱い場合、多重反射された場は無視し得る。この場合、反射された場の部分は無視され、場の透過部分のみが追跡される。ステップ２９２にて、各境界において、フーリエ変換された場の各成分に対して、該成分の波動ベクトルと該境界の相異なる側の材料パラメータとに基づいて、透過係数が計算される。ステップ２９４にて、場は、透過係数を掛け合わされて、次の組織層へと伝搬される。ステップ２９６にて、音響場が関心領域内で計算され、次のトランスデューサ素子グループへと進む。
【００６４】
代替的な一実施形態において、反射を考慮に入れる必要がある場合、それほど強くない場合、反復方式を当てにしてもよい。各境界で、透過された場と反射された場とが関連付けられる。当初、第１の境界はそのトランスデューサ素子グループからの励起場を含み、その他全ての場はエンプティである。これらの場は、各境界において反射場及び透過場の成分を計算し、それらを隣接境界へと伝搬させることによって更新される。反射が弱い場合、この反復法は迅速に集束する。
【００６５】
図１０のアルゴリズムは、故に、音響場を１つの表面から別の表面へと伝搬させるために高速フーリエ変換を使用する。この点を例証するため、各々がＮ個の幾何プリミティブへと離散化される２つの表面が存在すると仮定し得る。その場合、空間ドメイン内で表面１から表面２へと場を伝搬させることは、Ｏ（Ｎ２）の計算を必要とする。しかしながら、２つの表面が平面状で、平行で、均一に離散化される場合、Ｏ（Ｎ）の演算を用いて表面１の場にフーリエ変換が適用され、フーリエ変換された場がＯ（Ｎ）の演算で表面２へと伝搬され、そして、Ｏ（Ｎｌｏｇ２Ｎ）の演算にて逆変換される。また、幾つかの層が存在する場合、中間の層ではフーリエ変換を実行する必要がない。
【００６６】
全ての表面が平坦且つ平行であるとの要件は、制限的なものではあるが、例えば子宮筋腫治療で脂肪収差を補正する用途といった一部の用途では許容可能であり得る。しかしながら、平行性の要件は幾分緩和され得る。例えば、フーリエ変換された場は、最小限の計算コストのみで、僅かに傾斜された平面へと伝搬させることができる。変換の際に、音響スペクトルの一部が喪失され得るが、この部分は側方に伝搬する波動を意味し、検討される用途において通常は殆ど関心のないものである。平坦性に関して、個々のトランスデューサ素子の指向性パターンは狭くなる傾向にある。従って、少なくとも、単一のトランスデューサ素子のレベルでは、多くの用途において、幾何学配置は、必ずしも平行ではないが平面状の境界によって制約される積層体として近似されることができる。
【００６７】
一実施形態において、図１０のアルゴリズムは、最初又は最後の何れかの層が強く反射することができるように変更され得る。全ての平面が平行であるという近似を幾何学配置が許す場合、単一の繰り返しで多重反射を考慮に入れることができる。音響場が関心ボリューム内で計算され、次のトランスデューサ素子グループへと進む。
【００６８】
他の一実施形態において、空間依存する反射率及び透過率が境界に関連付けられる。例えば、骨の中心に境界を配置し、骨を横切って低透過率のゾーンを指定することによって、骨をモデル化することができる。
【００６９】
図１１は、ここに記載される１つ以上の態様に従った、全トランスデューサ素子のうちのサブセットの寄与を推定する方法を例示している。ステップ３２０にて、トランスデューサ素子の小さいサブセットから音響場が推定される。ステップ３２２にて、この推定結果を向上させるため、徐々に、更なる素子からの推定音響場の寄与分が追加される。中間強度分布が、最終的な全トランスデューサ素子の分布を代表したものとなるよう、トランスデューサ表面上にかなり均等に分布させて素子を選択する。ステップ３２４にて、所望の精度が得られたかに関して決定が為される。そうであれば、ステップ３２６にて、シミュレーションが中断あるいは終了され得る。そうでなければ、この方法はステップ３２２へと戻って、更なる素子の音響場寄与分を追加する。この手法を用いて、シミュレーションされる素子の位相共鳴、ひいては、焦点品質を推定することができる。
【００７０】
図１１の手法は、図９及び１０の何れか若しくは双方の手法、又はその他のシミュレーション手順と組み合わされることが可能である。適切な素子が選択され、それらから、結果的に得られる音響強度分布がシミュレーションされる。トランスデューサ表面で相互に比較的遠く離れた素子を選択することにより、数個の素子から得られた強度分布が、全トランスデューサ素子による最終分布を代表したものとなる。このシミュレーションは、ユーザが精度に満足した時点で終了され得る。
【００７１】
複数の実施形態を参照して本発明を説明した。以上の詳細な説明を読んで理解した者は変更及び改変に想到し得る。本発明は、添付の請求項の範囲又はその均等範囲に入る限りにおいて、そのような全ての変更及び改変を含むとして解釈されるものである。
【図１】
2013515583.tif 000007
【図２】
2013515583.tif 000008
【図３】
2013515583.tif 000009
【図４】
2013515583.tif 000010
【図５】
2013515583.tif 000011
【図６】
2013515583.tif 000012
【図７】
2013515583.tif 000013
【図８】
2013515583.tif 000014
【図９】
2013515583.tif 000015
【図１０】
2013515583.tif 000016
【図１１】
2013515583.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月28日(2012.8.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴（ＭＲ）誘導式の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）アブレーション計画作成を支援する治療計画ツールであって：
ＨＩＦＵトランスデューサ素子の送信を最適化するためのコンピュータ実行可能命令を実行するプロセッサであり、該命令は：
トランスデューサ素子の位置、幾何学配置、及び音響パラメータの情報を含むトランスデューサデータを推定し；
焼灼すべき関心領域（ＲＯＩ）の大きさ、形状及び位置を記述するＲＯＩデータと、１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子と前記ＲＯＩとの間の妨害物の大きさ、形状及び位置を記述する妨害物データと、を含む３Ｄ  ＭＲデータを推定し；
前記ＲＯＩへのＨＩＦＵ波形送達を最大化しながら、前記妨害物及び周囲組織へのＨＩＦＵ波形送達を最小化する最適化部を実行する；
ための命令を有する、プロセッサ；並びに
前記コンピュータ実行可能命令と、前記トランスデューサデータと、前記ＭＲデータと、複数の最適化されたＨＩＦＵパラメータとを格納するメモリ；
を含む計画ツール。
【請求項２】
前記最適化部は、ＨＩＦＵ装置内の複数のトランスデューサ素子の各々から送信される波形の位相及び振幅を最適化する位相・振幅最適化部である、請求項１に記載の計画ツール。
【請求項３】
前記命令は更に：
前記ＲＯＩ及び前記妨害物上の複数のプローブ素子からの空間インパルス応答のフーリエ変換を実行し；
前記ＲＯＩ内の音圧と前記妨害物の位置での音圧との比を記述する目的関数を生成し；且つ
各トランスデューサ素子の位相及び振幅の設定を記述する初期解を生成する；
ための命令を含む、請求項２に記載の計画ツール。
【請求項４】
前記位相・振幅最適化部は、前記プロセッサによって実行されるとき、前記フーリエ変換されたインパルス応答、前記目的関数及び前記初期解の関数として、各トランスデューサ素子の位相及び振幅の設定を最適化する、請求項３に記載の計画ツール。
【請求項５】
前記最適化部は、前記トランスデューサデータ、前記ＲＯＩデータ及び前記妨害物データの関数として、ＨＩＦＵ装置内の１つ以上のトランスデューサ素子を非活性化する位置最適化部である、請求項１に記載の計画ツール。
【請求項６】
前記位置最適化部は、前記プロセッサによって実行されるときに：
前記ＲＯＩデータと、前記妨害物データと、トランスデューサの幾何学配置及び音響パラメータを含む前記トランスデューサデータを受信し；
前記ＲＯＩのうちの少なくとも一部を焼灼する位置にある全てのトランスデューサ素子を特定し；
前記ＲＯＩまでのライン・オブ・サイトが前記妨害物を通過するトランスデューサ素子を非活性化し；各トランスデューサ素子によって前記ＲＯＩ内に供給される超音波エネルギーの焦点及び熱供給量を計算し；
前記トランスデューサ素子によるＲＯＩカバレージを計算し；且つ
一連のトランスデューサ素子位置を、非活性化されるトランスデューサ素子のリストとともに出力する；
ための命令を含む、請求項５に記載の計画ツール。
【請求項７】
前記命令は更に、複数のアクティブなトランスデューサ素子の各々に固有のＨＩＦＵ暴露時間及びエネルギーを割り当てるための命令を含む、請求項６に記載の計画ツール。
【請求項８】
前記ＲＯＩは肝臓組織を含み、前記妨害物は肋骨である、請求項１乃至７の何れか一項に記載の計画ツール。
【請求項９】
前記ＲＯＩデータ及び前記妨害物データを生成する磁気共鳴（ＭＲ）スキャナ、を更に有する請求項１乃至８の何れか一項に記載の計画ツール。
【請求項１０】
磁気共鳴（ＭＲ）誘導式の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）アブレーションの計画作成方法であって：
トランスデューサ素子の位置、幾何学配置、及び音響パラメータの情報を含むトランスデューサデータを推定し；
焼灼すべき関心領域（ＲＯＩ）の大きさ、形状及び位置を記述するＲＯＩデータと、１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子と前記ＲＯＩとの間の妨害物の大きさ、形状及び位置を記述する妨害物データと、を含む３Ｄ  ＭＲデータを推定し；且つ
前記ＲＯＩへのＨＩＦＵ波形送達を最大化しながら、前記妨害物及び周囲組織へのＨＩＦＵ波形送達を最小化する最適化部を実行する；
ことを含む、方法。
【請求項１１】
ＨＩＦＵ装置内の複数のトランスデューサ素子の各々から送信される波形の位相及び振幅を最適化することを更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＲＯＩ及び前記妨害物上の複数のプローブ素子からの空間インパルス応答のフーリエ変換を実行し；
前記ＲＯＩ内の音圧と前記妨害物の位置での音圧との比を記述する目的関数を生成し；
各トランスデューサ素子の位相及び振幅の設定を記述する初期解を生成し；且つ
前記フーリエ変換されたインパルス応答、前記目的関数及び前記初期解の関数として、各トランスデューサ素子の位相及び振幅の設定を最適化する；
ことを更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記トランスデューサデータ、前記ＲＯＩデータ及び前記妨害物データの関数として、ＨＩＦＵ装置内の１つ以上のトランスデューサ素子を非活性化する、
ことを更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＲＯＩデータと、前記妨害物データと、トランスデューサの幾何学配置及び音響パラメータを含む前記トランスデューサデータを受信し；
前記ＲＯＩのうちの少なくとも一部を焼灼する位置にある全てのトランスデューサ素子を特定し；
前記ＲＯＩまでのライン・オブ・サイトが前記妨害物を通過するトランスデューサ素子を非活性化し；各トランスデューサ素子によって前記ＲＯＩ内に供給される超音波エネルギーの焦点及び熱供給量を計算し；
前記トランスデューサ素子によるＲＯＩカバレージを計算し；
一連のトランスデューサ素子位置を、非活性化されるトランスデューサ素子のリストとともに出力し；且つ
複数のアクティブなトランスデューサ素子の各々に固有のＨＩＦＵ暴露時間及びエネルギーを割り当てる；
ことを更に含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
患者特定音響経路モデルを生成し；
ユーザインタフェースを介してユーザに前記音響経路モデルを提示し；
１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子の位置、並びに該１つ以上のＨＩＦＵトランスデューサ素子の送信位相及び振幅、のうちの少なくとも１つへの調整に関するユーザ入力を受信し；且つ
前記音響経路モデル及び前記ユーザ入力を用いて関心領域（ＲＯＩ）のＨＩＦＵソニケーションをシミュレーションする；
ことを更に含む請求項１０乃至１４の何れか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2013515583.tif 000018
2013515583.tif 000019
2013515583.tif 000020
2013515583.tif 000021
2013515583.tif 000022