(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計画画像を生成する撮像装置と、
超音波トランスデューサのフェーズドアレイと、
ターゲット領域にマルチ焦点超音波照射を生成するために、前記フェーズドアレイの前記超音波トランスデューサを個別に駆動させるための超音波トランスデューサドライバのアレイと、
前記計画画像に基づくターゲット温度プロファイルを受信し、
前記超音波トランスデューサのフェーズドアレイに、前記ターゲット温度プロファイルで前記ターゲット領域を加熱するマルチ焦点超音波照射パターンを生成させることができる前記超音波トランスデューサドライバのアレイの前記超音波トランスデューサドライバの各々に対して、電力、周波数、及び相対位相を計算し、
マルチ焦点超音波照射プロファイルが、前記ターゲット領域における音圧を最大音圧より低く維持するように、多数の焦点のための電力、周波数、及び相対位相を計算する
ようにプログラムされる１つ以上のプロセッサと、
を有する、マイルド加温療法処置装置。
【請求項２】
前記１つ以上のプロセッサは、更に、
前記計算された電力及び相対位相に基づいて、音圧分布マップをシミュレーションし、
シミュレーションされた前記音圧分布マップの音圧を予め選択された最大音圧と比較し、
前記シミュレーションされた音圧分布の音圧が、前記予め選択された最大音圧より低いように、前記電力、周波数、相対位相、及び／又は焦点の数を再計算するようにプログラムされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記１つ以上のプロセッサは、更に、
前記シミュレーションされた音圧分布から、超音波照射パターンを評価するようにプログラムされる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記１つ以上のプロセッサは、更に、前記マイルド加温療法処置の開始後に、
温度マップを生成し、
生成された前記温度マップを前記ターゲット温度プロファイルと比較し、
前記生成された温度マップと前記ターゲット温度プロファイルとの間の温度差に基づいて、適用された電力、周波数、及び相対位相の調整を計算し、
前記適用された電力、周波数、及び相対位相を調整するようにプログラムされる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記１つ以上のプロセッサは、更に、
前記ターゲット領域に最も適合するための超音波照射パターンのセットを決定するようにプログラムされる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記撮像装置は、磁気共鳴スキャナである、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記磁気共鳴スキャナは、プロトン共鳴周波数シフト、又はプロトン密度を利用する温度測定撮像シーケンスを適用するために、前記磁気共鳴スキャナを制御するスキャンコントローラを含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記計画画像を表示し、該画像の上に臨床医が前記ターゲット温度プロファイルを入力する計画コンソールを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
撮像装置と、超音波トランスデューサのフェーズドアレイと、被験体のターゲット領域にマルチ焦点超音波照射を生成するために、前記フェーズドアレイの前記超音波トランスデューサを個別に駆動させるための超音波トランスデューサドライバのアレイと、１つ以上のプロセッサと、を備えるマイルド加温療法処置装置の作動方法であって、前記方法は、
前記撮像装置が、前記ターゲット領域を包含する計画画像を生成するステップと、
前記計画画像に基づいた前記ターゲット領域に対するターゲット温度プロファイルを前記プロセッサが受信するステップと、
前記ターゲット温度プロファイルに従って、前記ターゲット領域を加熱するためのマルチ焦点超音波照射パターンを前記ターゲット領域に生成するために、前記超音波トランスデューサのフェーズドアレイを駆動させるための、電力、周波数、及び相対位相を前記プロセッサが計算するステップと、
前記プロセッサが、前記ターゲット温度プロファイルに従って、前記超音波トランスデューサのフェーズドアレイを作動させるステップと、
前記マルチ焦点超音波照射パターンによって被験体の前記ターゲット領域の中に及び隣接して作り出される音圧が、予め選択された最大音圧よりも小さくなるように、前記電力、周波数、及び相対位相を前記プロセッサが抑制するステップと
を有する、方法。
【請求項１０】
前記音圧が、前記最大音圧よりも低くなるように前記プロセッサが抑制するステップは、
前記プロセッサが、計算された前記電力及び相対位相から音圧分布をシミュレーションするステップと、
前記プロセッサが、シミュレーションされた前記音圧分布の圧力を前記最大圧力と比較するステップと、
前記プロセッサが、前記シミュレーションされた音圧分布の前記音圧を前記最大音圧より低くするために、前記電力、周波数、及び相対位相を再計算するステップと
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記マイルド加温療法処置装置が患者支持体を更に備え、被験体の部位が前記超音波トランスデューサのフェーズドアレイと接触されて配置されていて、少なくとも前記被験体の前記部位が前記超音波トランスデューサのフェーズドアレイと接触されていて、前記患者支持体が、前記撮像装置の撮像領域の中に前記被験体の前記部位を移動させるステップと、
前記プロセッサが、前記撮像領域で、前記被験体の前記部位の温度マップを生成するステップと、
前記プロセッサが、生成された前記温度マップを前記ターゲット温度プロファイルと比較するステップと、
前記比較に基づいて、前記生成された温度マップを前記ターゲット温度プロファイルと適合させるために、前記プロセッサが、前記超音波トランスデューサのフェーズドアレイに適用された前記電力及び相対位相を調整するステップと、
前記ターゲット領域の温度が、前記マイルド加温療法処置プロシージャにわたって、前記ターゲット温度プロファイルと適合するように維持するために、生成するステップ、比較するステップ、及び調整するステップを、前記プロセッサが、周期的に繰り返すステップと
を更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記適用された電力、周波数、及び相対位相を調整するステップは、前記被験体においてシミュレーションされた音圧分布の音圧が、前記予め選択された最大音圧よりも低いままであるように、前記プロセッサが、前記適用された電力及び位相を抑制するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
効力又は局所送達が熱的に強化される温度感応性治療剤が前記被験体に注入された場合、前記プロセッサが、前記ターゲット温度プロファイルに基づいて前記ターゲット領域における前記温度感応性治療剤の効力及び送達を強化させる当該ステップを更に含む、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記プロセッサが、加熱された前記ターゲット領域の形状を制御するために、電力、周波数、相対位相、及び／又は焦点の数を抑制するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記温度マップを生成するステップは、温度測定撮像シーケンスを適用するステップを含む、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、マルチ焦点超音波照射（sonication）を使用する加温療法処置のための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイルド加温療法（ＨＴ：hyperthermia）は、体温より高いがアブレーション温度よりは低い温度、例えば３８−４５℃まで組織が加熱される治療技法である。こうしたマイルド加温療法処置は、化学療法又は放射線療法と共に使用されるときに治療有効性を改善する生理学的（例えば潅流の）及び細胞上の（例えば遺伝子発現の）変化につながり得る。マイルド加温療法は多数の変化を誘起し、臨床的利点を提供するため、ＨＴは多くの化学療法剤及び放射線療法と協働する。生理学的及び細胞上の変化に加えて、加温療法は、温度応答性又は非応答性の薬物送達システムと共に使用されて、毒性を軽減し、全体的な効力を改善する。毒性を軽減するための一つの解決策は、温度感応性のリポソーム薬物送達で腫瘍をターゲットとすることに関わる。通常の体温（〜３７℃）では、温度感応性のリポソームは比較的安定している一方で、約３８−４５℃のマイルド加温療法温度では、温度感応性のリポソームは１０−２０秒以内に薬物放出を示す。
【０００３】
ターゲット組織をマイルド加温療法範囲まで加熱できる現在利用可能ないくつかの装置がある。一例は、電波周波数（ＲＦ：radiofrequency）エネルギーを身体中に送信する同調されたアンテナを使用するＲＦアプリケータ（applicators）である。ＲＦアプリケータは、ＲＦの長い波長のため、深い位置にある腫瘍を加熱するために最善に使用される。マイクロ波アプリケータも使用されるが、一般的には、その短波長のため、表面的な腫瘍についてのみ使用される。温水浴、レーザ、及び磁性流体も使用されてきた。これらは、侵襲性、限られた又は表面的な加熱、ホットスポットとコールドスポット、不正確な又は空間的に不均等な加熱、及び時空間フィードバック制御の欠如などの欠点に悩まされる。局所的な加温療法は、磁気共鳴ガイドされた高密度焦点式超音波（ＭＲ−ＨＩＦＵ：magnetic resonance-guided high intensity focused ultrasound）によっても実行され、該療法では、集束された超音波スポットが加温療法を達成するために素早く掃引され、ＭＲは処置をモニタリングするために使用される。集束されたスポットは、次の位置に移動する前に、正確な焦点位置でターゲット温度より高い温度まで一時的に組織を加熱する傾向にある。更に、単一の、高密度な焦点は、有害で機械的な組織損傷をより容易に引き起こし得る。
【０００４】
高密度焦点式超音波の使用は、熱的及び非熱的（機械的）な生理学的効果の両方をもたし得、これらは両方共、伝搬する超音波と組織との複雑な相互作用に起因する。高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）の生理学的効果は、超音波出力電力、周波数、デューティサイクル、超音波照射継続時間、及び焦点特性によって操作及び／又は制御されることができる。超音波吸収及び組織の振動励起を通した熱への変換による熱的効果は、速くて強く局在化された温度上昇をもたらす。ＨＩＦＵに特有の機械的効果は、音響放射力及び音響キャビテーションを含む。放射力は、局所的な組織の変位、せん断歪み、及びストリーミングを引き起こし得る一方で、キャビテーション効果は、気泡運動によってもたらされ、つまり、崩壊する又は振動する気泡が、局所的に生じる圧力及び高いエネルギー放出をもたらし、熱凝固及び壊死という結果になり、これらを促進させる可能性がある。機械的超音波効果は、アブレーション効率を改善する、又はあるアプリケーションにおいて、マイクロバブルの添加による薬物送達若しくはマイクロバブルの添加無しでの薬物送達を改善するために利用されてもよい。
【０００５】
ＭＲＩは、ＨＩＦＵ超音波照射の間、生体環境での温度マップを提供する。温度上昇のリアルタイム評価は、温度マップにおいてモニタリングすることができ、超音波照射の電力、継続時間、周波数、又は軌跡（すなわち時空間パターン）は、温度に応じて調整されることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願は、加熱されるボリュームを限定し、加熱領域におけるピーク音圧を低くするために、温度の正確性及び均一性を制御するマルチ焦点超音波照射アプローチを用いる、拡張された時間にわたって持続的なマイルド加温療法のためのアプローチを提示する。本願は、臨床腫瘍学などにおけるマイルド加温療法アプリケーションのためのツールとしてマルチ焦点加熱ストラテジを改良する。しかしながら、マルチ焦点加熱ストラテジは、ＭＲ−ＨＩＦＵ熱的アブレーションなどにおける他のアプリケーションも持ち得る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様によれば、マイルド加温療法処置装置が提供される。当該装置は、ターゲット領域の計画画像及び温度マップを生成する撮像装置を含む。装置は、更に、超音波トランスデューサのフェーズドアレイを含む。超音波トランスデューサドライバのアレイは、ターゲット領域にマルチ焦点超音波照射を生成するために、フェーズドアレイの超音波トランスデューサを個別に駆動する。１つ以上のプロセッサは、ターゲット温度プロファイルを受信し、超音波トランスデューサアレイのトランスデューサドライバに対する電力、周波数、及び相対位相を計算するようにプログラムされ、これらは、超音波トランスデューサのフェーズドアレイに、ターゲット温度プロファイルでターゲット領域を加熱するように構成されたマルチ焦点超音波照射パターンを生成させるために計算される。
【０００８】
別の態様によれば、マイルド加温療法処置の方法が提供される。被験体のターゲット領域を包含する計画画像が、マイルド加温療法処置を受けるために生成される。ターゲット温度プロファイルが、ターゲット領域に対して作成される。電力、周波数、及び相対位相は、温度プロファイルに従って、ターゲット領域にマルチ焦点超音波照射パターンを生成するように、超音波トランスデューサのフェーズドアレイを駆動するために計算される。
【０００９】
別の態様によれば、撮像装置と、ターゲット領域の計画画像及び温度マップを生成するために撮像装置を制御するスキャンコントローラとを含むマイルド加温療法処置装置が提供される。超音波トランスデューサのアレイは、ターゲット領域に複数の同時焦点スポットを生成するために、超音波トランスデューサのフェーズドアレイを個別に駆動させる。計画コンソールは、計画画像を表示し、臨床医がターゲット温度プロファイル及びターゲット位置（エリア又はボリューム）を入力する入力部を有する。超音波コントローラは、ターゲット温度プロファイルを受信し、トランスデューサドライバに対する電力、周波数、及び相対位相を計算し、これらは、ターゲット温度プロファイルにターゲット領域を加熱するため、超音波トランスデューサのフェーズドアレイに、マルチ焦点超音波照射パターンを生成させるために計算される。
【００１０】
本発明の更なる有利な点は、当業者が、下記の詳細な説明を読んで理解す際に認識されるだろう。
【００１１】
本発明は、様々なコンポーネント及びコンポーネントのアレンジメント、並びに様々なステップ及びステップのアレンジメントに具体化してもよい。図は、好ましい実施形態を示すためのものに過ぎず、発明を限定するものと見なされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、マイルド加温療法処置用に磁気共鳴ガイドされたマルチ焦点超音波照射のためのシステムの概略図である。
【図２Ａ】図２Ａは、中心から４ｍｍ左に偏向した単一点のためのシミュレートされた音圧場である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、直径８ｍｍの円に等間隔に並んだ１６同時焦点を用いるマルチ焦点超音波照射のシミュレーションである。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａの単一点超音波照射に対応するサジタル画像面、すなわちビーム経路方向の画像面を示す。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ｂのマルチ焦点超音波照射パターンに対応するサジタル画像面である。
【図３Ａ】図３Ａは、画像原点座標から４ｍｍ左にある単一焦点超音波照射のための音圧マップを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２Ｂの１６焦点パターンのための音圧マップを示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａの単一焦点超音波照射のための位相マップを示す。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３Ｂの１６焦点パターンの位相マップを示す。
【図４Ａ】図４Ａは、単一点が、効果的な熱的平均化を達成するために十分に速く１６焦点間で時間的に掃引される８ｍｍ超音波照射軌跡の使用によって得られるシミュレートされた冠状温度分布マップを示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの超音波照射からのサジタル温度分布マップを示す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、１６同時焦点を用いるマルチ焦点超音波照射パターンの使用によって得られるシミュレートされた冠状温度分布マップを示す。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４Ｃのマルチ焦点超音波照射パターンからのシミュレートされたサジタル温度分布マップを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、プロトン密度加重計画画像上の冠状腫瘍のマッピングを示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、３分間の加熱後、通常の温度分布を示す、マイルド加温療法処置中の計画画像の上に重ねられた、達成された温度の冠状温度マップを示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ａに対応するサジタル画像である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図５Ｂの冠状温度分布マップに対応するサジタル温度マップである。
【図６Ａ】図６Ａは、単一焦点の掃引アプローチを用いて、生体内で５分間の超音波照射を受けた８ｍｍの処置細胞内の平均温度（実線）並びに１０％値及び９０％値温度（破線）を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ターゲット温度範囲がグレー色のボックスで示される、マルチ焦点アプローチを用いて、５分間の超音波照射を受けた８ｍｍの処置細胞内の平均温度（実線）並びに１０％値及び９０％値温度（破線）を示す。
【図７】図７は、単一焦点（実線）及びマルチ焦点（破線）の超音波照射アプローチの両方について、腫瘍の８ｍｍの処置細胞を中心とした時間平均の平均温度動径方向ラインプロファイルを示す。
【図８Ａ】図８Ａは、腫瘍内での単一焦点掃引超音波照射アプローチについて、８ｍｍの処置細胞に対する冠状面における時間平均の空間温度分布を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、腫瘍内でのマルチ焦点超音波照射アプローチを用いる８ｍｍの処置細胞に対する冠状面における時間平均の空間温度分布を示す。を示す。
【図８Ｃ】図８Ｃは、図８Ａに対応するサジタル面における時間平均の温度分布を示す。
【図８Ｄ】図８Ｄは、図８Ｂに対応するサジタル面における時間平均の空間温度分布を示す。
【図９】図９は、マイルド加温療法に導入されるマルチ焦点超音波照射のためのコンピュータ処理又は処置ステップを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ほとんどのマイルド加温療法アプリケーションのための最適温度は４０〜４５℃の範囲である。４０℃より低い温度では効果が限定され、４５℃よりも高い温度では組織潅流を停止する。対照的に、アブレーション技術では、温度は壊死を誘起することのできるレベル、通常５５℃よりも高い温度にまで上げられ、次いで組織を冷まさせる。アブレーションされるべきターゲット組織の過熱は有害ではない。現在のマイルド加温療法技法は、ターゲット領域における温度を所望されるレベル、例えば４０．５℃と４１．０℃との間に、長時間にわたって、通常３〜４５分かこれ以上にわたって維持する。この時間の間、例えば均一な組織増感又は薬物送達のためターゲットボリュームにおける最適な加熱の均一性を得るために、電力、周波数、及び軌跡が調整される。
【００１４】
組織へのＨＩＦＵの影響は、焦点領域の音響インテンシティに大きく依存し、ＨＩＦＵエネルギー伝搬の種々異なるメカニズムが高い及び低い音響インテンシティで影響している。低い音響インテンシティで動作するとき、音響場は主に線形であり、波は高調波形状を持ち、音響インテンシティは、圧力の二乗に比例する。より高い音響インテンシティレベルでは、ピーク負（希薄）圧はキャビテーション効果の発現と良好に相関し、非線形波の伝搬は、より高い高調波の生成、圧力波形の非対称な歪み、及び、最終的に、急勾配の衝撃波面の形成をもたらす。より高い周波数へのスペクトルの非線形拡張及び衝撃の形成は、音響エネルギーの局所吸収、特に焦点領域における吸収を顕著に増加させることができる。音響エネルギーのこの吸収は、局所加熱率を大幅に増加させる。非線形音響伝搬の予測不能な性質及び機械的な生理学的効果は、高密度の焦点が迅速にスキャンされる場合であっても、多様な患者母集団における臨床適用に対する潜在的な懸念を引き起こす。マイルド加温療法は、機械的及び熱的な生理学的効果の両方による直接的な組織損傷を回避することを試みる。むしろ、マイルド加温療法は、熱的に活性化される薬物治療などのアジュバント療法に対して組織を敏感にさせることのみを目的とする。
【００１５】
図１を参照すると、磁気共鳴ガイドされたマイルド加温療法処置システム１０は、磁気共鳴撮像システム１２と、超音波プローブ１４とを含む。磁気共鳴撮像システムは、撮像領域２２を通る時間的に一定のＢ０主磁場を生成するための主磁石２０を含む。勾配磁場コイル２４は、主磁場と交差する磁場勾配を生成するために選択的にパルス化される。全身ＲＦコイル２６は、撮像領域の被験体に磁気共鳴を誘起するため制御される。誘起された磁気共鳴信号は、全身ＲＦコイル２６又は局所ＲＦコイル２８によって受信される。
【００１６】
磁気共鳴スキャンコントローラ３０は、プロトン共鳴周波数シフト（ＰＲＦＳ：proton resonance frequency shift）を利用するファストフィールドエコー‐エコープラナー撮像（ＦＦＥ−ＥＰＩ：fast field echo-echo planar imaging）シーケンスなど、選択された磁気共鳴プロトン密度撮像プロトコル及び熱的撮像プロトコルを適用するため勾配コイル及びＲＦコイルを制御する。磁気共鳴再構成システム３２は、受信した共鳴信号を、処置の前に、プロトン密度強調計画画像３４に再構成し、超音波処置の間に、一連のＭＲ熱的画像マップ３６に再構成する。臨床医は、計画用端末３８を使用して、処置プロファイルメモリ４０に保存される空間的及び熱的処置プロファイルを提供するためにマイルド加温療法処置の空間的及び熱的特性を計画する。超音波コントローラ４２は、選択された空間的及び熱的プロファイルを達成するマルチ焦点超音波照射パターン（図９と共により詳細に下記に説明される）を計算する。
【００１７】
超音波プローブ１４は、２５６要素トランスデューサアレイなどのフェーズドアレイ超音波トランスデューサ５０を含む。超音波プローブ１４は、例示された実施形態では、患者及び超音波トランスデューサを磁気共鳴撮像システムの検査領域２２に運ぶために移動可能に取り付けられる患者支持体４４に配置される。超音波コントローラ４２によって計算されたマルチ焦点超音波照射パターンを送達するために、適切な相対位相と共に、各超音波トランスデューサに個別に適切な電力及び周波数を提供するための、超音波トランスデューサドライバ５２（各ドライバは対応するトランスデューサに平行である）のアレイを含む駆動電子部品が提供される。超音波トランスデューサは、個別に制御される。駆動電子部品は、マルチ焦点ビームを、種々異なる空間位置、種々異なる深さ、及びプロファイルの周辺の種々異なる相対電力レベルに向けるのに使用することができる。任意選択で、超音波プローブの角度及び位置、従って患者内のマルチ焦点ビームの相対位置を機械的に調整するための機械的照準装置５４が提供される。駆動電子部品は、二次極大値の低いレベルと関連する同時マルチ焦点の生成を通して、所望の焦点パターンの作成を可能とする。一実施形態では、音響カップリング５６は、患者とコントラクトしインタフェースするために、トランスデューサレイによって担持される。
【００１８】
超音波コントローラ４２及び駆動電子部品５４は、任意の非常に多様な構成自在なパターンを超音波照射するために超音波トランスデューサのアレイを制御する。例えば、パターンは、円の直径が４〜３２ｍｍの焦点の円形アレイを含んでもよい。より大きなボリュームを加熱するために、２つ以上の円が同時に又は交互に超音波照射されることができる。より複雑なパターンには、超音波コントローラ４２は、アレイのトランスデューサのそれぞれに対して個別に、適切な駆動電圧及びポテンシャルを計算する。交互に、超音波コントローラは、複数のパターン：１次元、２次元、及び／又は３次元で、予めプログラムされることができる。これらのパターンは、加熱されるべきボリュームの形状及びサイズに適合するために、必要に応じて、拡大縮小される及び組み合わされることができる。操作者は、ターゲット領域に最も良く適合させるために加熱用に決定された形状を有する一連の超音波照射パターンにその後分解されるターゲット領域を特定してもよい。超音波、超音波照射ターゲットサイズ、及び超音波照射深さも調整可能である。
【００１９】
超音波コントローラ及び駆動電子部品は、同時に超音波照射される複数の焦点を含むパターンを生成するためにトランスデューサを制御する。幅が約４ｍｍから約３２ｍｍまで及ぶ広がりを有するパターンは、ほとんどの臨床アプリケーションに適している。しかしながら、この幅は、ジオメトリを調整することによって、又はトランスデューサ要素の数若しくはサイズを増加することによって広げることができる。
【００２０】
対照的に、熱的アブレーションに対しては、周辺組織における望まない温度上昇を制限するために、ターゲット領域における迅速で非常に局所化された温度上昇を達成することが望ましい。高いエネルギー効率を有する良好に決定された加熱パターンは、アブレーションボリュームと近接場加熱との間の比率を極大化させる。急勾配の温度勾配は、病変描写を改善する。但し、アブレーションが完了すると、温度均一性は必要ではない。その結果として、アブレーションボリュームを増加させるための単一の高密度に集束された点の掃引は、アブレーションにとって有益である。高い音圧レベルによって焦点で誘起される低レベルのキャビテーション及び衝撃波形成は、アブレーションの加熱効率を更に向上させるのに有益であり得る。周辺組織への副次的な損傷は回避されるべきである。
【００２１】
マイルド加温療法では、加熱ストラテジは非常に異なる。衝撃波、高い音圧勾配、及びキャビテーションなどの機械的影響は、完全に回避されるまでいかなくとも、少なくとも最小化されるべきである。むしろ、マイルド加温療法では、ゴールは、直接的な組織損傷を回避しながら単に局所組織温度を上げることである。マイルド加温療法では、比較的狭い温度範囲内での加熱均一性は、ターゲットボリューム全体にわたって類似する生理学的効果を達成する。しかしながら、マイルド加温療法の低い温度により、ターゲット近くの皮膚又は組織への熱的損傷は、起こり難い。
【００２２】
マルチ焦点超音波照射パターンは、広いエリアにわたって任意の所与時間で音圧を分配させる。これは加熱効率を減少させ、処置境界を明確に規定されにくくすることもあるが、分配された音圧は、例えば一時的な温度ピークがより良好に回避されるので、マイルド加温療法にとってやはり有利である。駆動電子部品は、マルチ焦点ビームをターゲットボリュームの所定の形状に導き、集束させるために使用される。
【００２３】
超音波コントローラ４２は、現在のＭＲ熱的マップ３６を処置プロファイル４０と比較し、超音波コントローラ４２は、機械的損傷を回避するために、ピーク圧力を所定の閾値より低く保ちながら、実際の熱的プロファイルが所望の処置プロファイルに可能な限り近いように維持するため、超音波アレイの個別のトランスデューサに供給される電力を調整するために駆動電子部品を制御する。磁気共鳴システム及び磁気共鳴熱的マップ３６は、ターゲット領域におけるピーク圧力を制限しながら、温度均一性を制御するために、フィードバックループを提供する。ピーク圧力を最小化するために、ピーク圧力は、不均一な媒体に適合する音響シミュレーション、例えば同様に迅速な確率的レイトレーサを用いて推定されることができる。一実施形態では、トランスデューサは、ターゲット領域に最小加熱を作り出すように駆動され、フィードバックループは、反復的に、実際の温度をターゲット温度プロファイルと一致する温度にまで持っていく。
【００２４】
ＭＲ−ＨＩＦＵを用いるマルチ焦点マイルド加温療法の超音波照射は、ターゲット領域における均一温度分布を得る一方で高い瞬間圧力に関連して起こり得るリスクを減少させる。現在の技術は、単一焦点スポットスイープ超音波照射技術に比べて、加熱の間中、著しく低い音圧及びより良い空間制御を用いて、ターゲット領域内での正確且つ精密な加熱を達成する。音圧の減少及び空間制御の向上は、マルチ焦点加熱を、臨床腫瘍学へのマイルド加温療法アプリケーションのための有益なツールとして提供する。
【００２５】
対照的に、マイルド加温療法に適用された場合のバイナリアブレーション・フィードバック・ストラテジ、例えば迅速なスキャン・スポットは、マイルド加温療法を長時間維持できないか、ピーク音圧を低くすることができないか、あるいは、結果として加熱の正確性及び／又は加熱の時空間均一性が劣るかのいずれかである。
【００２６】
図２Ｂは、例示的なマルチ焦点超音波照射パターンを図示する。比較として、図２Ａは、単一焦点スポットを図示する。より具体的には、図２Ａ及び図２Ｂは、コンピュータシミュレーションを通して得られた音圧マップである。右の圧力目盛りから分かる通り、図２Ｂのマルチ焦点超音波照射パターンは、より小さな圧力を広いエリアにわたって分配させるのに対し、図２Ａの単一スポットは、より局所化されたエリアに、より高い圧力を作り出す。図２Ｃ及び図２Ｄは、図２Ａ及び図２Ｂの音圧マップのそれぞれに対して直交する次元における音圧マップを図示する。図示された実施形態では、マルチ焦点超音波照射は、ピーク音圧の約７０％の減少をもたらす。
【００２７】
図３Ａ及び図３Ｂも単一焦点対マルチ焦点超音波照射パターンの音圧マップの測定値を比較する。図３Ｃ及び図３Ｄは、単一焦点及びマルチ焦点超音波照射パターンの位相マップである。
【００２８】
図４Ａ乃至図４Ｄは、単一及びマルチ焦点超音波照射パターンの加熱特性を、コンピュータシミュレーションを通して比較する。マルチ焦点及び単一焦点スイープ超音波照射は、バイナリフィードバックで制御されたＭＲ−ＨＩＦＵボリューム測定マイルド加温療法シミュレーションにおいて評価された。マルチ焦点超音波照射パターンのための図４Ｃ及び図４Ｄを、単一焦点スイープ超音波照射のための図４Ａ及び図４Ｂと比較することによって分かるであろうように、マルチ焦点超音波パターンは、図示された例では、ターゲット温度範囲の４０．５℃〜４１℃を超える温度オーバーシュート６０が少ない、より均一な温度分布をもたらす。
【００２９】
図５Ａ乃至図５Ｄは、生体環境研究、特に、マルチ焦点超音波照射アプローチを用いる、太ももの筋肉にＶｘ２腫瘍を持つラビットモデルにおいて、処置計画及び結果として生じる加熱の例（温度マップ）を図示する。計画の間、腫瘍は、プロトン密度加重計画画像上に破線で識別される。腫瘍内及び健康な筋肉内の両方のターゲット領域が選択され、円１〜５及び円６〜１０で注記される。図５Ｂ及び図５Ｄを参照すると、処置の間、温度マップは、好ましくはカラーで、動的な大きさの画像の上に重ねられる。図５Ｂ及び図５Ｄは、３分間の加熱の後の通常の温度分布を示す。超音波コントローラ４２は、これらの温度マップを処置プロファイルメモリ４０からの温度プロファイルと比較し、実際の温度マップ及び所望の温度マップが互いに適合するようにし、それを保持するために、超音波トランスデューサアレイに印加されるエネルギーの電力及び位相を調整する。
【００３０】
図６乃至図８は、平均温度曲線、ターゲット領域における温度の動径方向ライン・プロファイル、並びに生体環境研究におけるマルチ焦点スイープ方法及び単一焦点スイープ方法の両方のための温度分布マップを示す。マルチ焦点アプローチを用いる温度６２（図６Ｂ）は、図６Ａに図示される単一焦点スイープアプローチよりもターゲット温度範囲６４からのオーバーシュートが少ないことに留意されたい。同様に、図７の破線は、加熱された領域の中心付近の温度が、実線で図示される単一焦点超音波照射の温度よりも低く、ターゲット温度範囲４０．５℃〜４１℃の範囲内にあることを示す。図８Ｂ及び図８Ｄでは、図８Ｂにおいて破線の円によって示される通り、ターゲット領域内の温度は、主に、４１℃の範囲に２つの小さな領域６６のみを有する４０．５℃の範囲にあることに留意されたい。一方、単一焦点スイープ超音波照射を用いるターゲット領域は、ターゲットエリアのかなりの部分を４１℃まで加熱することをもたらし、領域の中心付近の大きなエリア６８を４１．５℃の範囲にする。
【００３１】
再び図１を参照し、更に図９を参照すると、超音波コントローラ４２及び磁気画像再構成ユニット３２は、図９のステップを実行するためにプログラミングされた１つ以上のプロセッサを含む。計画画像３４は、ステップ７０で生成される。計画画像は、計画コンソール３８を用いて臨床医によって分析され、ステップ７２で、ターゲット温度分布又はプロファイルを含む処置プロファイルが生成され、処置プロファイルメモリ４０に保存される。超音波コントローラのプロセッサはターゲット温度分布を受信し、ステップ７４で、フェーズドアレイ５０の個別のトランスデューサのそれぞれに印加されるべき電力と、ターゲット温度分布を達成するマルチ焦点超音波照射を生成するために、印加される電力の相対位相及び周波数とを計算する。
【００３２】
前述のとおり、高い音圧を使用する場合、サンプリング間隔（動的撮像フレームレート）に対して、ターゲット温度があまりに早く、例えばほんの数マイクロ秒のうちに達することがあり、これによって温度における深刻なオーバーシュートが誘起される。更に、比較的高い音圧は、処置される組織が音圧波によって機械的に損傷を受け得る位に十分高いことがある。ステップ７６で、計算された電力及び相対位相が最大音圧を臨床医が選択した制約よりも低く維持するように、最大圧力制約が計算に適用される。このような制約を用いることで、加熱は、よりゆっくり、例えば約１秒の１０分の１のオーダーにすることができるが、圧力は許容可能に低いままである。圧力制約を適用するために、ステップ７８で、プロセッサは、音圧分布マップをシミュレーションする又は推定することができる。Ｎ個の要素を有するフェーズドアレイ・トランスデューサに対して、ｍ＝１，２，Ｍである、位置ｒ＝ｒｍでのＭ制御点における所定の圧力は、
［式１］
0006496662.tif 000002
と表すことができ、
0006496662.tif 000003
ｐ：密度、ｃ：音速、ｋ：波数、Ｓ´：線源の面、ｕ：線源面の通常の速度、ｒ：観測点、及びｒ´：線源点である。圧力分布マップからの最大値は、ステップ８０で、予め選択された最大圧力と比較される。各超音波トランスデューサに適用される電力及び位相は、ステップ８２で、音圧制約を満たすために、必要に応じて再計算又は調整される。このプロセスは、繰り返し適用される。
【００３３】
ステップ９０で、処置が開始する。これは、熱によって活性が向上される化学療法剤又はペイロード（payload）がある温度閾値で放出されるリポソームを含む薬物の注入を伴ってもよい。ステップ９２で、磁気共鳴スキャンコントローラ３０は、温度マップ３６の生成を開始するために磁気共鳴スキャナ１２を制御する。各温度マップ３６は、ステップ９４で、任意選択で計画画像の上に重ね合わせられ、臨床医に対して計画コンソール３８上に表示される。ステップ９６で、生成された温度マップは、ターゲット温度分布と比較される。実際の温度分布とターゲット温度分布とが異なる場合、ステップ９８で、超音波トランスデューサ要素に適用される電力及び相対位相が再計算又は調整される。再計算された電力及び相対位相は、上記に説明されたステップ７６に類似するステップ７６´で最大圧力制約によって抑制される。ステップ１００で、超音波トランスデューサ要素に適用される電力及び相対位相は調整される。温度マップは、ターゲット温度プロファイルと比較されて生成され続け、トランスデューサ要素に適用される電力及び相対位相は、処置の継続時間、例えば約３０〜４５分のオーダーの間、調整される。
【００３４】
フェーズドアレイのトランスデューサ５０に適用される電力及び相対位相は、静的であり得るか、又はマルチ焦点超音波照射パターンを移動させるために時間で変化することができる。これは、後続する温度マップの取得の途中でも行われることができる。例えば、計算された電力及び位相が円形の輪のマルチ焦点をもたらす場合、輪は、より均一な温度分布のために回転することができる。より大きなエリアをカバーするために、輪又は他のパターンのマルチ焦点は半径方向に拡大縮小される。拡大縮小は、ステップで行われるか、又は連続体に掃引させることができる。
【００３５】
個別の音響トランスデューサに適用されるべき電力、位相、及び周波数の計算も、トランスデューサアレイとターゲット領域との間の領域の圧力が予め選択された最大値よりも低く保たれるように維持するために制約される。例えば、トランスデューサのフェージングは、圧力場がトランスデューサアレイとターゲット領域との間の領域に否定的に干渉するように選択されることができる。
【００３６】
上記に説明された方法は、より大きな加熱領域を作り出すために、複数の個別の機械的トランスデューサの位置又は角度において、加熱するためのトランスデューサの機械的な動き又は傾斜角度と有利に組み合わせられることができる。これは、より大きな腫瘍を加熱するのに有益である。
【００３７】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されてきた。当業者が前述の詳細な説明を読んで理解する際に、修正及び変更が起こり得る。本発明は、これらが添付の請求項又はこれらの等価物の範囲内にある限りにおいて、全てのこうした修正及び変更を含むものとして見なされることを意図する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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