(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
個々の患者のための効果的な経頭蓋骨超音波処置の可能性を予測するためのシステムを動作させる方法であって、前記システムは、撮像機とコントローラとを含み、
前記方法は、
前記撮像機が、患者の頭蓋骨の複数の画像を得ることと、
前記コントローラが、前記複数の画像に基づいて、複数の局所パラメータを計算的に決定することであって、各局所パラメータは、複数のビーム経路のうちの１つのビーム経路上の局所構造的頭蓋骨特性を表し、各ビーム経路は、超音波変換器要素から前記頭蓋骨まで延在する、ことと、
前記コントローラが、前記複数の局所パラメータのうちの少なくともいくつかに基づいて、前記複数のビーム経路上の前記頭蓋骨の構造的特性を表す大域パラメータを計算的に決定することと、
前記コントローラが、前記大域パラメータに少なくとも部分的に基づいて、前記患者の超音波処置の成功の可能性を決定することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記コントローラが、前記頭蓋骨を通る関連付けられたビーム経路の入射角に基づいて、加重係数を前記局所パラメータのそれぞれに割り当てることをさらに含み、前記大域パラメータは、前記局所パラメータの少なくともいくつかの加重平均に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
１の加重係数が、臨界角より小さい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当てられ、ゼロの加重係数が、前記臨界角より大きい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当てられる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記加重係数は、ロジスティック関数に基づいて決定される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ロジスティック関数は、以下の方程式を満たし、
【数１２】
0006618537.tif 000017
式中、Ｌｉは、前記ロジスティック関数を示し、θｉは、変換器要素ｉから前記頭蓋骨までの前記ビーム経路の入射角を示し、σは、ステップ関数からの前記ロジスティック関数の曲線の偏差を表す勾配係数を示し、μは、前記ロジスティック関数の変曲点を示す、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記局所パラメータは、局所頭蓋骨密度比率を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記局所頭蓋骨密度比率は、前記画像の強度プロファイルに基づいて決定される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記撮像機は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴画像診断デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、または、超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記コントローラが、前記画像内の処置標的区域の位置を識別することと、
前記コントローラが、超音波エネルギーを前記標的区域に伝送するための複数の超音波変換器要素の位置を決定することと、
前記コントローラが、前記変換器要素および前記標的区域の位置に少なくとも部分的に基づいて、前記複数のビーム経路を決定することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
個々の患者のための効果的な経頭蓋骨超音波処置の可能性を予測するためのシステムであって、前記システムは、
患者の頭蓋骨の複数の画像を得るための撮像システムと、
前記撮像システムに作用可能に結合されているコントローラと
を備え、
前記コントローラは、
前記複数の画像に基づいて、複数の局所パラメータを計算的に決定することであって、各局所パラメータは、複数のビーム経路のうちの１つのビーム経路上の局所構造的頭蓋骨特性を表し、各ビーム経路は、超音波変換器要素から前記頭蓋骨まで延在する、ことと、
前記複数の局所パラメータのうちの少なくともいくつかに基づいて、前記複数のビーム経路上の前記頭蓋骨の構造的特性を表す大域パラメータを計算的に決定することと、
前記大域パラメータに少なくとも部分的に基づいて、前記患者の超音波処置の成功の可能性を決定することと
を行うように構成されている、システム。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記頭蓋骨を通る関連付けられたビーム経路の入射角に基づいて、加重係数を前記局所パラメータのそれぞれに割り当てるようにさらに構成されており、前記大域パラメータは、前記局所パラメータの少なくともいくつかの加重平均に基づいて決定される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記コントローラは、１の加重係数を臨界角より小さい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当て、ゼロの加重係数を前記臨界角より大きい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当てるようにさらに構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記コントローラは、ロジスティック関数に基づいて、前記加重係数を決定するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ロジスティック関数は、以下の方程式を満たし、
【数１３】
0006618537.tif 000018
式中、Ｌｉは、前記ロジスティック関数を示し、θｉは、変換器要素ｉから前記頭蓋骨までの前記ビーム経路の入射角を示し、σは、ステップ関数からの前記ロジスティック関数の曲線の偏差を表す勾配係数を示し、μは、前記ロジスティック関数の変曲点を示す、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記局所パラメータは、局所頭蓋骨密度比率を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記コントローラは、前記得られた画像の強度プロファイルに基づいて、前記局所頭蓋骨密度比率を決定するように構成されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記撮像システムは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴画像診断デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、または、超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
前記コントローラは、
前記画像内の処置標的区域の位置を識別することと、
超音波エネルギーを前記標的区域に伝送するための複数の超音波変換器要素の位置を決定することと、
前記変換器要素および前記標的区域の位置に少なくとも部分的に基づいて、前記複数のビーム経路を決定することと
を行うように構成されている、請求項１０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、概して、音響エネルギー処置に関し、より具体的には、処置の間、頭蓋骨等の非均一組織を通して伝送される音響エネルギーを最適化するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
超音波等の音響エネルギーは、軟組織を通してよく透過し、その短波長に起因して、数ミリメートルの寸法を伴うスポットに集束されることができる。これらの特性の結果、音響エネルギーは、身体の多くの部分の超音波撮像および非侵襲性外科手術を含む、種々の診断および治療的医療目的のために使用されることができ、かつそのように使用されている。例えば、超音波を使用して罹患（例えば、癌性）組織を加熱することによって、多くの場合、有意な損傷を周囲の健康な組織に生じさせることなく、罹患部分をアブレーションすることが可能である。
【０００３】
超音波外科手術の非侵襲性性質は、特に、脳組織の処置にとって魅力的である。さらに、ヒト頭蓋骨を通した超音波のコヒーレントな非侵襲性集束は、脳への標的化された薬物送達、改善された血栓溶解脳卒中処置、血流撮像、内部出血の検出、およびトモグラフィ脳撮像のためのツールとして検討されてきた。しかしながら、ヒト頭蓋骨は、これらの用途のうちの多くの臨床実現に対して障壁となっている。経頭蓋骨手技への妨げとして、頭蓋骨の形状、密度、および厚さにおける不規則性によって生じる強力な減衰および歪曲が挙げられ、これは、超音波焦点を滅失することおよび／または受信された診断情報を空間的に位置合わせする能力を低下させることに寄与する。
【０００４】
前述の経頭蓋骨集束の困難性を克服するための従来のアプローチは、脳の中にカテーテルを挿入し、頭蓋骨によって生じる振幅および位相歪曲を測定するために設計された受信プローブの使用を伴う。焦点の補正が、次いで、変換器アレイから放出される超音波ビームを調節することによって行われる。代替として、完全非侵襲性アプローチは、受信プローブではなく、撮像情報（例えば、Ｘ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）またはＭＲＩボリューメトリック画像）を使用して、頭蓋骨表面の厚さ、密度、および幾何学形状を推定し、それによって生じる波歪曲を予測する。
【０００５】
従来のアプローチは、部分的に、超音波焦点を改善し得るが、頭蓋骨を横断する超音波ビームに及ぼす影響を予測することは、患者毎に変動する頭蓋骨およびその複数の層状内部構造の性質のため、困難なままである。これは、従来のアプローチを使用した経頭蓋骨超音波処置の有効性および効率を制限する。その結果、乏しい超音波集束特性をもたらす頭蓋骨構造を有する患者は、送達可能エネルギーレベルを制限する安全規格に準拠した超音波療法から限定された利益を享受し得る。故に、個々の患者のための超音波処置の有効性を予測し、超音波集束特性を改善し、個々の患者の頭蓋骨を通して超音波エネルギーを標的に効果的に送達するアプローチの必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（概要）
本発明は、種々の実施形態では、個々の患者の頭蓋骨の内側多層構造の不均質性を分析することによって、標的領域における経頭蓋骨超音波集束特性を推定し、それに基づいて、患者が超音波処置のための好適な候補であるかどうかを決定するためのシステムおよび方法を提供する。肯定的決定が行われる場合、超音波変換器と関連付けられたパラメータは、観察された頭蓋骨不均質性に従って調節されることにより、超音波集束特性を改善し、それによって、経頭蓋骨超音波処置を最適化してもよい。一実装では、頭蓋骨の構造および幾何学形状の不均質性は、ＣＴ画像、または他のアプローチ（例えば、超短エコー時間を伴う磁気共鳴画像診断）を使用して取得された画像内で測定される頭蓋骨密度に基づいて、微小構造レベル（すなわち、数マイクロメートル、例えば、１、５、または１０マイクロメートルの特徴長さを伴う）で定量化される。定量化された頭蓋骨密度（本明細書では「頭蓋骨密度比率」（ＳＤＲ）と表される）は、超音波反射および／または個々の患者の頭蓋骨を横断する超音波屈折を予測するために利用される。予測に基づいて、標的領域における各ビーム（例えば、ビーム強度、場所、および位相）の集束特性が、推定されることができる。例えば、標的領域における頭蓋骨領域を通して伝送される超音波強度は、頭蓋骨領域のＳＤＲと逆に相関し得、その場合、頭蓋骨領域を横断した後に標的領域に実際に送達される超音波エネルギーは、ＳＤＲに基づいて定量的に決定されることができる。故に、単一変換器要素または変換器要素群が、関連付けられたＳＤＲに基づいて、アクティブ化または非アクティブ化されることにより、最適変換器効率を達成し得、かつ／または、頭蓋骨内の望ましくない熱吸収を最小限にし得る。加えて、変換器要素のパラメータ（例えば、強度または位相）が、ＳＤＲに従って調節されることにより、焦点形状の対称性等の集束特性を改善し、超音波処置の有効性を最適化してもよい。
【０００７】
故に、第１の側面では、本発明は、個々の患者のための効果的な経頭蓋骨超音波処置の可能性を予測する方法に関する。種々の実施形態では、本方法は、患者の頭蓋骨の複数の画像を得ることと、複数のビーム経路上の頭蓋骨の構造的特性を表す大域パラメータを計算的に決定することと、大域パラメータに少なくとも部分的に基づいて、患者の超音波処置の成功の可能性を決定することとを含む。一実装では、各ビーム経路は、超音波変換器要素から頭蓋骨まで延在する。種々の実施形態では、本方法は、決定された大域パラメータが閾値（例えば、０．３）を超える場合、患者を超音波を用いて処置することを含む。当然ながら、パラメータ値が低いほど、処置が要求する時間および送達されるエネルギーが、多くなる。さらに、処置を実際に行うかどうかは、患者の状態の重症度、処置の臨床上の望ましさ、要求される持続時間に耐える患者の能力、併存症等に依存する。故に、大域パラメータは、専ら、処置決定が基づく唯一の要因ではなく、その１つの要因として使用される。
【０００８】
本方法はさらに、複数の局所パラメータを計算的に決定するステップを含んでもよく、各局所パラメータは、ビーム経路のうちの１つ上の局所構造的頭蓋骨特性を表し、大域パラメータは、局所パラメータのうちの少なくともいくつかに基づいて決定される。加えて、本方法は、頭蓋骨を通る関連付けられたビーム経路の入射角に基づいて、加重係数を局所パラメータのそれぞれに割り当てるステップを含んでもよい。大域パラメータは、局所パラメータのうちの少なくともいくつかの加重平均に基づいて決定される。例えば、１の加重係数が、臨界角より小さい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当てられてもよく、ゼロの加重係数が、臨界角より大きい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当てられてもよい。代替として、加重係数は、ロジスティック関数に基づいて決定されてもよい。一実施形態では、ロジスティック関数は、以下の方程式を満たす。
【０００９】
【数１】
0006618537.tif 000002
【００１０】
式中、Ｌｉは、ロジスティック関数を示し、θｉは、変換器要素ｉから頭蓋骨までのビーム経路の入射角を示し、σは、ステップ関数からのロジスティック関数の曲線の偏差を表す勾配係数を示し、μは、ロジスティック関数の変曲点を示す。
【００１１】
種々の実施形態では、局所パラメータは、局所頭蓋骨密度比率を含み、局所頭蓋骨密度比率は、画像の強度プロファイルに基づいて決定される。画像は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴画像診断デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、および／または超音波検査デバイスを使用して取得されてもよい。加えて、大域パラメータは、大域頭蓋骨密度比率を含んでもよい。さらに、いくつかの実施形態では、本方法は、画像内の処置標的区域の位置を識別することと、超音波エネルギーを標的区域に伝送するための複数の超音波変換器要素の位置を決定することと、変換器要素および標的区域の位置に少なくとも部分的に基づいて、ビーム経路を決定することとを含んでもよい。
【００１２】
別の側面では、本発明は、個々の患者のための効果的な経頭蓋骨超音波処置の可能性を予測するシステムに関し、いくつかの実施形態では、その予測に基づいて処置を制御または制限するためのシステムに関する。種々の実施形態では、本システムは、患者の頭蓋骨の複数の画像を得るための撮像システムと、撮像システムに作用可能に結合され、（ｉ）複数のビーム経路上の頭蓋骨の構造的特性を表す大域パラメータを計算的に決定し、（ｉｉ）大域パラメータに少なくとも部分的に基づいて、患者の超音波処置の成功の可能性を決定するように構成されるコントローラとを含む。各ビーム経路は、超音波変換器要素から頭蓋骨まで延在する。種々の実施形態では、コントローラは、決定された大域パラメータに少なくとも部分的に基づいて、変換器要素のうちの少なくともいくつかをアクティブ化することにより、患者を処置するように構成され、例えば、パラメータ値が閾値（例えば、０．４）を超える場合、処置は、自動的に進んでもよい、または逆に言えば、パラメータが閾値を下回る場合、処置は、自動的に防止されてもよい（概して、臨床医の権限に従って、決定を無効にし、処置を進める）。前述のように、大域パラメータは、処置決定が基づく唯一の要因ではなく、その１つの要因にすぎなくてもよい。故に、処置を進めるかどうかの最終決定は、具体的患者の臨床ステータス（全体的健康を保存するための処置の必要性、高エネルギー用量に対する患者の期待できる耐性等）と、患者の臨床ステータスを前提として、適正な処置結果を達成する全体的確率とに依存してもよい。
【００１３】
加えて、コントローラは、複数の局所パラメータを計算的に決定するように構成されてもよく、各局所パラメータは、ビーム経路のうちの１つ上の局所構造的頭蓋骨特性を表し、大域パラメータは、局所パラメータのうちの少なくともいくつかに基づいて決定される。コントローラは、頭蓋骨を通る関連付けられたビーム経路の入射角に基づいて、加重係数を局所パラメータのそれぞれに割り当ててもよく、大域パラメータは、局所パラメータのうちの少なくともいくつかの加重平均に基づいて決定される。例えば、コントローラは、１の加重係数を臨界角より小さい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当て、ゼロの加重係数を臨界角より大きい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当ててもよい。代替として、コントローラは、ロジスティック関数に基づいて、加重係数を決定してもよい。例えば、ロジスティック関数は、以下の方程式を満たし得る。
【００１４】
【数２】
0006618537.tif 000003
【００１５】
式中、Ｌｉは、ロジスティック関数を示し、θｉは、変換器要素ｉから頭蓋骨までのビーム経路の入射角を示し、σは、ステップ関数からのロジスティック関数の曲線の偏差を表す勾配係数を示し、μは、ロジスティック関数の変曲点を示す。
【００１６】
いくつかの実施形態では、局所パラメータは、局所頭蓋骨密度比率を含む。コントローラは、得られた画像の強度プロファイルに基づいて、局所頭蓋骨密度比率を決定するように構成される。撮像システムは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴画像診断デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、および／または超音波検査デバイスを含んでもよい。種々の実施形態では、コントローラは、画像内の処置標的区域の位置を識別し、超音波エネルギーを標的区域に伝送するための超音波変換器要素の位置を決定し、変換器要素および標的区域の位置に少なくとも部分的に基づいて、ビーム経路を決定するように構成される。
【００１７】
本発明のさらに別の側面は、標的領域における最適化された集束特性を用いた経頭蓋骨超音波処置のための方法に関する。種々の実施形態では、本方法は、患者の頭蓋骨の複数の画像を得ることと、複数の局所パラメータを計算的に決定することであって、各局所パラメータは、変換器要素からのビーム経路上の局所頭蓋骨領域の構造的特性を表す、ことと、変換器要素と関連付けられた局所パラメータに少なくとも部分的に基づいて決定された伝送電力を用いて、変換器要素のうちの少なくともいくつかをアクティブ化することとを含む。
【００１８】
各変換器要素からの伝送電力は、関連付けられた局所パラメータと逆に相関し得る。例えば、各変換器要素からの伝送電力は、以下の方程式を満たし得る。
【００１９】
【数３】
0006618537.tif 000004
【００２０】
式中、電力ｉは、変換器要素ｉの伝送電力を示し、Ｎは、アクティブ化された変換器要素の数を示し、総印加電力は、アクティブ化された変換器要素によって印加される総電力を示し、ＬＰｉは、変換器要素ｉと関連付けられた局所パラメータを示す。
【００２１】
いくつかの実施形態では、局所パラメータは、局所頭蓋骨密度比率を含む。局所頭蓋骨密度比率は、画像の強度プロファイルに基づいて決定される。画像は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴画像診断デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、および／または超音波検査デバイスを使用して取得されてもよい。種々の実施形態では、変換器要素は、変換器要素と関連付けられた局所パラメータが閾値を上回る場合、アクティブ化されてもよい。閾値は、超音波処置を受けた患者の頭蓋骨の後向き研究に基づいて経験的に決定されてもよい。一実装では、本方法はさらに、画像内の処置標的区域の位置を識別することと、超音波エネルギーを標的区域に伝送するための超音波変換器要素の位置を決定することと、変換器要素および標的区域の位置に基づいて、各変換器要素から頭蓋骨までのビーム経路を決定することとを含む。
【００２２】
さらに別の側面では、本発明は、標的領域における最適化された集束特性を用いた経頭蓋骨超音波処置のためのシステムに関する。種々の実施形態では、本システムは、患者の頭蓋骨の複数の画像を得るための撮像システムと、撮像システムに作用可能に結合されたコントローラであって、コントローラは、（ｉ）画像内の処置標的区域の位置を識別し、（ｉｉ）複数の局所パラメータを計算的に決定し、各局所パラメータは、変換器要素からのビーム経路上の局所頭蓋骨領域の構造的特性を表すように構成される、コントローラと、コントローラに結合された駆動回路であって、駆動回路は、変換器要素と関連付けられた局所パラメータに少なくとも部分的に基づいて決定される伝送電力を用いて、変換器要素のうちの少なくともいくつかをアクティブ化する、駆動回路とを含む。
【００２３】
いくつかの実施形態では、駆動回路は、関連付けられた局所パラメータと逆に相関する伝送電力を用いて、各変換器要素を駆動させるように構成される。例えば、各変換器要素からの伝送電力は、以下の方程式を満たす。
【００２４】
【数４】
0006618537.tif 000005
【００２５】
電力ｉは、変換器要素ｉの伝送電力を示し、Ｎは、アクティブ化された変換器要素の数を示し、総印加電力は、アクティブ化された変換器要素によって印加される総電力を示し、ＬＰｉは、変換器要素ｉと関連付けられた局所パラメータを示す。
【００２６】
種々の実施形態では、局所パラメータは、局所頭蓋骨密度比率を含む。コントローラは、画像の強度プロファイルに基づいて、局所頭蓋骨密度比率を決定するように構成される。撮像システムは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴画像診断デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、および／または超音波検査デバイスを含んでもよい。種々の実施形態では、駆動回路は、変換器要素と関連付けられた局所パラメータが閾値を上回る場合、変換器要素をアクティブ化するように構成される。コントローラは、超音波処置を受けた患者の頭蓋骨に関する後向き研究に基づいて、閾値を経験的に決定してもよい。いくつかの実施形態では、コントローラはさらに、超音波エネルギーを標的区域に伝送するための超音波変換器要素の位置を決定し、変換器要素および標的区域の位置に基づいて、各変換器要素から頭蓋骨までのビーム経路を決定するように構成される。
【００２７】
本明細書で使用される場合、用語「約」および「実質的に」とは、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。本明細書全体を通して、「一実施例」、「ある実施例」、「一実施形態」、または「ある実施形態」の言及は、実施例と関係して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本技術の少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通した種々の箇所における「一実施例では」、「ある実施例では」、「一実施形態」、または「ある実施形態」という語句の出現は、必ずしも全てが同じ実施例を指すわけではない。その上さらに、特定の特徴、構造、ルーチン、ステップ、または特性は、本技術の１つまたは複数の実施例において、任意の好適な様式で組み合わせられてもよい。本明細書に提供される表題は、便宜上のためだけのものであり、請求される技術の範囲または意味を限定または解釈することは意図されない。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
個々の患者のための効果的な経頭蓋骨超音波処置の可能性を予測する方法であって、前記方法は、
患者の頭蓋骨の複数の画像を得ることと、
複数のビーム経路上の前記頭蓋骨の構造的特性を表す大域パラメータを計算的に決定することであって、各ビーム経路は、超音波変換器要素から前記頭蓋骨まで延在する、ことと、
前記大域パラメータに少なくとも部分的に基づいて、前記患者の超音波処置の成功の可能性を決定することと
を含む、方法。
（項目２）
複数の局所パラメータを計算的に決定することをさらに含み、各局所パラメータは、前記ビーム経路のうちの１つ上の局所構造的頭蓋骨特性を表し、前記大域パラメータは、前記局所パラメータのうちの少なくともいくつかに基づいて決定される、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記頭蓋骨を通る関連付けられたビーム経路の入射角に基づいて、加重係数を前記局所パラメータのそれぞれに割り当てることをさらに含み、前記大域パラメータは、前記局所パラメータの少なくともいくつかの加重平均に基づいて決定される、項目２に記載の方法。
（項目４）
１の加重係数が、臨界角より小さい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当てられ、ゼロの加重係数が、前記臨界角より大きい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当てられる、項目３に記載の方法。
（項目５）
前記加重係数は、ロジスティック関数に基づいて決定される、項目３に記載の方法。
（項目６）
前記ロジスティック関数は、以下の方程式を満たし、
（数１２）
0006618537.tif 000006
式中、Ｌｉは、前記ロジスティック関数を示し、θｉは、変換器要素ｉから前記頭蓋骨までの前記ビーム経路の入射角を示し、σは、ステップ関数からの前記ロジスティック関数の曲線の偏差を表す勾配係数を示し、μは、前記ロジスティック関数の変曲点を示す、項目５に記載の方法。
（項目７）
前記局所パラメータは、局所頭蓋骨密度比率を含む、項目２に記載の方法。
（項目８）
前記局所頭蓋骨密度比率は、前記画像の強度プロファイルに基づいて決定される、項目７に記載の方法。
（項目９）
前記画像は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴画像診断デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、または超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを使用して取得される、項目１に記載の方法。
（項目１０）
前記画像内の処置標的区域の位置を識別することと、
超音波エネルギーを前記標的区域に伝送するための複数の超音波変換器要素の位置を決定することと、
前記変換器要素および前記標的区域の位置に少なくとも部分的に基づいて、前記複数のビーム経路を決定することと
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１１）
個々の患者のための効果的な経頭蓋骨超音波処置の可能性を予測するためのシステムであって、前記システムは、
患者の頭蓋骨の複数の画像を得るための撮像システムと、
コントローラと
を備え、前記コントローラは、前記撮像システムに作用可能に結合され、前記コントローラは、
複数のビーム経路上の前記頭蓋骨の構造的特性を表す大域パラメータを計算的に決定することであって、各ビーム経路は、超音波変換器要素から前記頭蓋骨まで延在する、ことと、
前記大域パラメータに少なくとも部分的に基づいて、前記患者の超音波処置の成功の可能性を決定することと
を行うように構成されている、システム。
（項目１２）
前記コントローラは、複数の局所パラメータを計算的に決定するようにさらに構成され、各局所パラメータは、前記ビーム経路のうちの１つ上の局所構造的頭蓋骨特性を表し、前記大域パラメータは、前記局所パラメータのうちの少なくともいくつかに基づいて決定される、項目１１に記載のシステム。
（項目１３）
前記コントローラは、前記頭蓋骨を通る関連付けられたビーム経路の入射角に基づいて、加重係数を前記局所パラメータのそれぞれに割り当てるようにさらに構成され、前記大域パラメータは、前記局所パラメータの少なくともいくつかの加重平均に基づいて決定される、項目１２に記載のシステム。
（項目１４）
前記コントローラは、１の加重係数を臨界角より小さい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当て、ゼロの加重係数を前記臨界角より大きい入射角を有するビーム経路に対応する各局所パラメータに割り当てるようにさらに構成されている、項目１３に記載のシステム。
（項目１５）
前記コントローラは、ロジスティック関数に基づいて、前記加重係数を決定するように構成されている、項目１３に記載のシステム。
（項目１６）
前記ロジスティック関数は、以下の方程式を満たし、
（数１３）
0006618537.tif 000007
式中、Ｌｉは、前記ロジスティック関数を示し、θｉは、変換器要素ｉから前記頭蓋骨までの前記ビーム経路の入射角を示し、σは、ステップ関数からの前記ロジスティック関数の曲線の偏差を表す勾配係数を示し、μは、前記ロジスティック関数の変曲点を示す、項目１５に記載のシステム。
（項目１７）
前記局所パラメータは、局所頭蓋骨密度比率を含む、項目１２に記載のシステム。
（項目１８）
前記コントローラは、前記得られた画像の強度プロファイルに基づいて、前記局所頭蓋骨密度比率を決定するように構成されている、項目１７に記載のシステム。
（項目１９）
前記撮像システムは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴画像診断デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、または超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを含む、項目１１に記載のシステム。
（項目２０）
前記コントローラは、
前記画像内の処置標的区域の位置を識別することと、
超音波エネルギーを前記標的区域に伝送するための複数の超音波変換器要素の位置を決定することと、
前記変換器要素および前記標的区域の位置に少なくとも部分的に基づいて、前記複数のビーム経路を決定することとを
行うように構成されている、項目１１に記載のシステム。
（項目２１）
標的領域における最適化された集束特性を用いた経頭蓋骨超音波処置のための方法であって、前記方法は、
患者の頭蓋骨の複数の画像を得ることと、
複数の局所パラメータを計算的に決定することであって、各局所パラメータは、変換器要素からのビーム経路上の局所頭蓋骨領域の構造的特性を表す、ことと、
複数の変換器要素と関連付けられた前記局所パラメータに少なくとも部分的に基づいて決定される伝送電力を用いて、前記複数の変換器要素のうちの少なくともいくつかをアクティブ化することと
を含む、方法。
（項目２２）
各変換器要素からの前記伝送電力は、前記関連付けられた局所パラメータと逆に相関する、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
各変換器要素からの前記伝送電力は、以下の方程式を満たし、
（数１４）
0006618537.tif 000008
式中、電力ｉは、変換器要素ｉの伝送電力を示し、Ｎは、アクティブ化された変換器要素の数を示し、総印加電力は、前記アクティブ化された変換器要素によって印加される総電力を示し、ＬＰｉは、前記変換器要素ｉと関連付けられた前記局所パラメータを示す、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
前記局所パラメータは、局所頭蓋骨密度比率を含む、項目２１に記載の方法。
（項目２５）
前記局所頭蓋骨密度比率は、前記画像の強度プロファイルに基づいて決定される、項目２４に記載の方法。
（項目２６）
前記変換器要素は、前記変換器要素と関連付けられた前記局所パラメータが閾値を上回る場合、アクティブ化される、項目２１に記載の方法。
（項目２７）
前記閾値は、超音波処置を受けた患者の頭蓋骨に関する後向き研究に基づいて経験的に決定される、項目２６に記載の方法。
（項目２８）
前記画像は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴画像診断デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、または超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを使用して取得される、項目２１に記載の方法。
（項目２９）
前記画像内の処置標的区域の位置を識別することと、
超音波エネルギーを前記標的区域に伝送するための複数の超音波変換器要素の位置を決定することと、
前記変換器要素および前記標的区域の位置に基づいて、各変換器要素から前記頭蓋骨までの前記ビーム経路を決定することと
をさらに含む、項目２１に記載の方法。
（項目３０）
標的領域における最適化された集束特性を用いた経頭蓋骨超音波処置のためのシステムであって、前記システムは、
患者の頭蓋骨の複数の画像を得るための撮像システムと、
前記撮像システムに作用可能に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、
前記画像内の処置標的区域の位置を識別することと、
複数の局所パラメータを計算的に決定することであって、各局所パラメータは、変換器要素からのビーム経路上の局所頭蓋骨領域の構造的特性を表す、ことと
を行うように構成されている、コントローラと、
前記コントローラに結合された駆動回路であって、前記駆動回路は、複数の変換器要素と関連付けられた前記局所パラメータに少なくとも部分的に基づいて決定される伝送電力を用いて、前記複数の変換器要素のうちの少なくともいくつかをアクティブ化する、駆動回路と
を備える、システム。
（項目３１）
前記駆動回路は、前記関連付けられた局所パラメータと逆に相関する伝送電力を用いて、各変換器要素を駆動させるように構成されている、項目３０に記載のシステム。
（項目３２）
各変換器要素からの前記伝送電力は、以下の方程式を満たし、
（数１５）
0006618537.tif 000009
式中、電力ｉは、変換器要素ｉの伝送電力を示し、Ｎは、アクティブ化された変換器要素の数を示し、総印加電力は、前記アクティブ化された変換器要素によって印加される総電力を示し、ＬＰｉは、前記変換器要素ｉと関連付けられた前記局所パラメータを示す、項目３１に記載のシステム。
（項目３３）
前記局所パラメータは、局所頭蓋骨密度比率を含む、項目３０に記載のシステム。
（項目３４）
前記コントローラは、前記画像の強度プロファイルに基づいて、前記局所頭蓋骨密度比率を決定するようにさらに構成されている、項目３３に記載のシステム。
（項目３５）
前記駆動回路は、前記変換器要素と関連付けられた前記局所パラメータが閾値を上回る場合、前記変換器要素をアクティブ化するように構成されている、項目３０に記載のシステム。
（項目３６）
前記コントローラは、超音波処置を受けた患者の頭蓋骨に関する後向き研究に基づいて、前記閾値を経験的に決定するようにさらに構成されている、項目３５に記載のシステム。
（項目３７）
前記撮像システムは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴画像診断デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、または超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを含む、項目３０に記載のシステム。
（項目３８）
前記コントローラは、
超音波エネルギーを前記標的区域に伝送するための複数の超音波変換器要素の位置を決定することと、
前記変換器要素および前記標的区域の位置に基づいて、各変換器要素から前記頭蓋骨までの前記ビーム経路を決定することと
を行うように構成されている、項目３０に記載のシステム。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
前述は、図面と併せて、以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【図１】図１は、本発明の種々の実施形態による、超音波を集束させるためのシステムの概略図である。
【図２Ａ】図２Ａは、ヒト頭蓋骨の組織層を概略的に図示する。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の種々の実施形態による、患者の頭蓋骨の解剖学的特性を決定するために使用される画像分析を図示する。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の種々の実施形態による、頭蓋骨領域の例示的ＣＴ強度プロファイルを図示する。
【図３】図３Ａは、本発明の種々の実施形態による、大域ＳＤＲと、標的領域における治療用温度を発生させるために処置の間に印加される最大超音波エネルギーとの間の関係を描写する。図３Ｂは、本発明の種々の実施形態による、入射角に依存するロジスティック関数のプロットを示す。
【図４】図４は、本発明の種々の実施形態による、個々の患者のための効果的超音波処置の可能性を予測するためのアプローチを図示するフローチャートである。
【図５】図５Ａは、複数の頭蓋骨領域を描写し、それぞれ、本発明の種々の実施形態による、特定の変換器要素または要素群に対応する。図５Ｂは、本発明の種々の実施形態による、ＳＤＲと、ＳＤＲと関連付けられた頭蓋骨を通して伝送される超音波強度との間の関係を描写する。
【図６】図６Ａは、本発明の種々の実施形態による、患者の頭蓋骨のＣＴデータから算出された平面局所ＳＤＲ分布を描写する。図６Ｂは、本発明の種々の実施形態による、変換器要素の伝送される電力のマップを描写し、各変換器要素の印加される電力は、ＳＤＲ加重アプローチを使用して決定される。図６Ｃは、本発明の種々の実施形態による、ＳＤＲ加重アプローチを使用した、焦点スポットにおける変換器要素からの均一電力寄与を図示する。図６Ｄは、ＳＤＲ加重アプローチを使用しない、焦点スポットにおける変換器要素からの非均一電力寄与を図示する。
【図７】図７は、本発明の種々の実施形態による、焦点における各変換器要素から均一電力分布を得るためのアプローチを図示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（詳細な説明）
図１は、超音波を頭蓋骨を通して患者の脳上に集束させるための例示的超音波療法システム１００を図示する。システム１００は、変換器要素１０４の位相アレイ１０２と、位相アレイ１０２を駆動させるビーム形成装置１０６と、ビーム形成装置１０６と通信するコントローラ１０８と、入力電子信号をビーム形成装置１０６に提供する周波数発生器１１０とを含む。種々の実施形態では、本システムはさらに、患者１１６の頭蓋骨１１４の解剖学的特性を決定するために、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）デバイス、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、または超音波検査デバイス等の撮像機１１２を含む。
【００３０】
アレイ１０２は、それを頭蓋骨１１４の表面上に配置するために好適な湾曲（例えば、球状または放物線）形状を有してもよい、または、１つまたは複数の平面もしくは別様に成形された区分を含んでもよい。その寸法は、用途に応じて、数ミリメートル〜数十センチメートルの間で変動してもよい。アレイ１０２の変換器要素１０４は、圧電セラミック要素であってもよく、要素１０４間の機械的結合を制動するために好適なシリコーンゴムまたは任意の他の材料内に搭載されてもよい。圧電複合材料または概して電気エネルギーを音響エネルギーに変換可能な任意の材料もまた、使用されてもよい。変換器要素１０４への最大電力伝達を保証するために、要素１０４は、入力コネクタインピーダンスに合致する５０Ｗにおける電気共鳴のために構成されてもよい。
【００３１】
変換器アレイ１０２は、ビーム形成装置１０６に結合され、ビーム形成装置１０６は、個々の変換器要素１０４が、集合的に、集束された超音波ビームまたは場を産生するように、個々の変換器要素１０４を駆動させる。ｎ個の変換器要素に関して、ビーム形成装置１０６は、ｎ個のドライバ回路を含んでもよく、各回路は、増幅器１１８と、位相遅延回路１２０とを含む、またはそれらから成る。駆動回路は、変換器要素１０４のうちの１つを駆動させる。ビーム形成装置１０６は、例えばＳｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓから利用可能なＭｏｄｅｌ  ＤＳ３４５発生器であり得る周波数発生器１１０から、典型的には、０．１ＭＨｚ〜１．０ＭＨｚの範囲内の無線周波数（ＲＦ）入力信号を受信する。入力信号は、ビーム形成装置１０６のｎ個の増幅器１１８および遅延回路１２０のためのｎ個のチャネルに分けられてもよい。いくつかの実施形態では、周波数発生器１１０は、ビーム形成装置１０６と統合される。無線周波数発生器１１０およびビーム形成装置１０６は、変換器アレイ１０２の個々の変換器要素１０４を、同一周波数であるが異なる位相および／または異なる振幅で駆動させるように構成される。
【００３２】
ビーム形成装置１０６によって課される増幅または減衰係数α１−αｎおよび位相偏移ａ１−ａｎは、超音波エネルギーを患者の頭蓋骨１１４を通して患者の脳の選択された領域上に伝送し、集束させ、頭蓋骨１１４および軟脳組織内で誘導される波歪曲を考慮する役割を果たす。増幅係数および位相偏移は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、ハード配線、または任意のそれらの組み合わせを通じて算出機能を提供し得る、コントローラ１０８を使用して算出される。例えば、コントローラ１０８は、所望の焦点を得るために必要な位相偏移および増幅係数を決定するために、従来の様式で、過度の実験を伴わずに、ソフトウェアを用いてプログラムされる、汎用または特殊目的デジタルデータプロセッサを利用し得る。ある実施形態では、算出は、頭蓋骨１１４の特性（例えば、構造、厚さ、密度等）についての詳細な情報に基づく。そのような情報は、撮像機１１２から得られてもよい。画像取得は、３次元であってもよい、または代替として、撮像機１１２は、頭蓋骨１１４の３次元画像を再構築するために好適な２次元画像のセットを提供してもよく、そこから、厚さおよび密度が推測されることができる。画像操作機能性が、撮像機１１２内、コントローラ１０８内、または別個のデバイス内に実装されてもよい。
【００３３】
システム１００は、本発明の範囲内の種々の方法において改変されてもよい。例えば、診断用途のために、本システムはさらに、伝送または反射された超音波を測定し、さらなる処理のために、受信した信号をコントローラ１０８に提供し得る、検出器デバイス（図示せず）を含んでもよい。反射および伝送信号はまた、ビーム形成装置１０６の位相および振幅調節のためのフィードバックとして使用されてもよい。システム１００は、変換器要素１０４のアレイ１０２を患者の頭蓋骨１１４に対して配列するためのポジショナを含んでもよい。超音波療法を脳以外の身体部分に適用するために、変換器アレイ１０２は、異なる、例えば、円筒形形状をとってもよい。いくつかの実施形態では、変換器要素１０４は、移動可能かつ回転可能に搭載され、集束特性を改善するために利用され得る機械的自由度を提供する。そのような移動可能な変換器は、コントローラ１０８の構成要素または別個の機械的コントローラによって駆動され得る従来のアクチュエータによって調節されてもよい。
【００３４】
図２Ａを参照すると、典型的ヒト頭蓋骨１１４は、外部層２０２と、骨髄層２０４と、内部層または皮質２０６とを含む、複数の組織層を有する。頭蓋骨１１４の各層は、形状、厚さ、および密度が非常に不規則であり、患者に特有であり得る。その結果、システム１００から放出される超音波が頭蓋骨１１４に遭遇すると、入射音響エネルギーの一部は、界面２０８、２１０、２１２において反射され得る。残りのエネルギーは、波の周波数および頭蓋骨１１４の構造的不均質性に応じて、部分的に吸収され、部分的に屈折させられ、頭蓋骨１１４を通して伝搬させられ得る。超音波の周波数は、制御可能であるため、頭蓋骨１１４を通る波伝搬の影響および標的領域２１４における集束特性は、頭蓋骨１１４の構造的不均質性（例えば、各層２０２−２０６の厚さ、密度、および／または形状）に従って、正確に推定され得る。種々の実施形態では、構造的不均質性は、頭蓋骨１１４の微小構造レベル（すなわち、約数マイクロメートル、例えば、１、５、または１０マイクロメートルの感度または特徴長さを有する）で定量化され得るインジケータを使用して特徴付けられる。インジケータは、撮像機１１２を使用して取得された画像内で測定される頭蓋骨密度に基づいて決定される。
【００３５】
例えば、インジケータは、ＣＴ画像から得られる頭蓋骨ＣＴ強度プロファイルを使用して生成される、定量化された頭蓋骨密度比率（ＳＤＲ）であってもよい。図２Ｂは、脳内の標的領域２１４における頭蓋骨領域を表すＣＴボリューム２２２を通して進行する音線２２０を図示する。いくつかの実施形態では、線２２０の経路に沿って、標的領域２１４と各変換器要素１０４との間の距離に及ぶ、ピクセル値２２４は、頭蓋骨領域２２２毎のＣＴ強度プロファイルを形成するように決定および配列される。ピクセル値２２４は、例えば、頭蓋骨領域２２２内のＸ線の吸収を表し得る（典型的には、「ハウンスフィールドユニット」、「ＣＴ値」、または「ＣＴ数」で測定される）。例えば、図２Ｃを参照すると、ＣＴ強度プロファイル２２６では、音線２２０によって通過される頭蓋骨領域２２２の外部層２０２および内部皮質層２０６は、より高いＣＴ値、すなわち、それぞれ、極大値２２８および２３０を有し得る一方、その間の層は、より低いＣＴ値（すなわち、極小値２３２）を有し得る。一実装では、変換器要素ｉと標的領域２１４との間の音線経路上の頭蓋骨領域２２２の局所構造的不均質性は、極小ＣＴ値２３２と極大ＣＴ値２２８、２３０の平均との比率（または「局所」ＳＤＲ）によって特徴付けられる。局所ＳＤＲは、変換器要素ｉ毎に、以下のように表され得る。
【００３６】
【数５】
0006618537.tif 000010
【００３７】
したがって、局所ＳＤＲは、頭蓋骨１１４の局所幾何学的特性マッピングを生成するために使用されてもよい。
【００３８】
超音波処置の効率および有効性を決定するために、変換器アレイ１０２によって被覆される頭蓋骨領域全体の構造的不均質性が、評価されてもよい。一実施形態では、頭蓋骨領域を被覆する変換器要素１０４毎の局所ＳＤＲが、得られ、分析され、局所ＳＤＲと関連付けられた類似性レベルが、超音波処置を以前に正常に受けた患者の頭蓋骨のＳＤＲ統計との比較に基づいて割り当てられる。変換器アレイ１０２に関する局所ＳＤＲの大部分（例えば、５０％を上回る）が、閾値を上回る類似性レベルを有する場合、患者は、適用可能な安全ガイドライン内の効果的超音波処置の候補と見なされる。別の実施形態では、「大域」ＳＤＲ等の単一値が、局所ＳＤＲの収集に基づいて計算される。大域ＳＤＲは、次いで、超音波処置の成功の可能性を決定するために使用されることができる。
【００３９】
図３Ａは、５０名の患者の研究に基づく、大域ＳＤＲと、標的領域において治療用温度を発生させるために処置の間に要求される最大超音波エネルギーとの間の関係を描写する。示されるように、より小さい大域ＳＤＲを有する患者の頭蓋骨は、概して、標的領域２１４において処置用温度に達するために、変換器要素１０４から伝送されるより多くのエネルギーを要求する。加えて、０．４未満の大域ＳＤＲを伴う頭蓋骨を有する患者は、治療用標的温度が安全伝送電力レベルに達しなかったため、処置の失敗を経験した。故に、種々の実施形態では、候補患者の算出された大域ＳＤＲは、処置成功の可能性を決定するために、超音波で以前に処置された患者の大域ＳＤＲ値（例えば、図３Ａに描写される統計）と比較される。本アプローチは、１つのみの単一値が関与するため、患者評価プロセスを促し得る。大域ＳＤＲは、例えば、頭蓋骨を被覆する変換器要素１０４に対する全ての局所ＳＤＲの平均のように単純であってもよい。しかしながら、一部の超音波は、頭蓋骨の外部表面上のその入射角が臨界角（すなわち、それを上回ると、音線の大部分が、横断されるのではなく、反射される、角度）を上回る場合、頭蓋骨を通して伝送されないことがあることが周知である。一実施形態では、そのような波を放出する変換器要素１０４は、非アクティブ化される。その結果、非アクティブ化された変換器要素に対応する局所ＳＤＲは、無視され、大域ＳＤＲが、アクティブ化された変換器要素に対応する局所ＳＤＲに基づいて決定される。本アプローチは、したがって、対応する変換器要素から放出される超音波の入射角に従って局所ＳＤＲに割り当てられるステップ加重関数を利用する。すなわち、１の加重係数が、より多くのエネルギーを標的に送達する（すなわち、臨界角を下回る入射角を有する）要素に対応する局所ＳＤＲに割り当てられ、ゼロの加重係数が、より少ないエネルギーを標的に送達する（すなわち、臨界角を上回る入射角を有する）要素に対応する局所ＳＤＲに割り当てられる。
【００４０】
加えて、頭蓋骨１１４を通る超音波エネルギー伝送および標的領域２１４における位相予測の正確度の両方の漸次的低下が、入射角が増加するにつれて生じ得ることが公知である。その結果、臨界角を数度下回る入射角を有する超音波は、依然として、焦点強度に殆ど寄与しないことがある。したがって、頭蓋骨評価基準をさらに改善するために、前述のようなステップ加重関数は、臨界角における平滑かつ連続した形態を有する関数と置換されてもよい。一実施形態では、加重関数Ｗｉは、以下のように定義される。
【００４１】
【数６】
0006618537.tif 000011
【００４２】
式中、Ｎは、変換器要素の総数であり、Ｌｉは、以下のように表され得るロジスティック関数である。
【００４３】
【数７】
0006618537.tif 000012
【００４４】
式中、θｉは、変換器要素ｉから頭蓋骨まで伝送される超音波の入射角を示し、σは、ステップ関数からのロジスティック関数の曲線偏差を表す勾配係数であり、μは、曲線の変曲点である。σおよびμの値は、超音波処置を経験した患者の後向き研究に基づいて経験的に決定されてもよい。いくつかの実施形態では、σは、１と無限との間の範囲内で選択されることができ、μは、８と１８との間の範囲内で選択されることができる。図３Ｂは、μ＝１２におけるσの種々の値に対する、入射角に依存するロジスティック関数のプロットを描写する。本明細書における加重関数は、ロジスティック関数を使用して定義されるが、加重関数を定義するために好適な調節可能パラメータを伴う任意の他の関数（例えば、シグモイド関数）もまた、本発明において利用されてもよい。加重関数が決定されると、大域ＳＤＲは、以下の加重関数を使用して局所ＳＤＲの加重平均として算出されてもよい。
【００４５】
【数８】
0006618537.tif 000013
【００４６】
好ましい実施形態では、各変換器要素１０４は、超音波を５×５ｍｍ２の面積を有する頭蓋骨パッチ上に伝送する。パッチ上の頭蓋骨構造は、異なる場所で変動し得るため、各パッチは、複数の区画に分割されてもよく、複数の区画は、それぞれ、音線によって通過されるＣＴ領域に対応する。パッチ毎の局所ＳＤＲが、次いで、複数のパッチ区画（またはＣＴ領域）の局所ＳＤＲの平均として算出されてもよく、すなわち、以下となる。
【００４７】
【数９】
0006618537.tif 000014
【００４８】
式中、Ｍは、各パッチ内の区画の数であり、ＳＤＲｉｊは、各パッチ区画の局所ＳＤＲを示す。故に、大域ＳＤＲは、以下のように算出され得る。
【００４９】
【数１０】
0006618537.tif 000015
【００５０】
各パッチ上の区画の数Ｍは、異なる頭蓋骨区画の解剖学的構造の距離相関および／または撮像機１１２を使用して取得された画像の分解能に依存し得る。好ましい実施形態では、各区画の面積は、画像分解能の２乗に等しい。その結果、Ｍは、パッチ面積を画像分解能の２乗によって除算することによって導出される。例えば、ＣＴ画像が１ｍｍの分解能を有する場合、５×５ｍｍ２の面積を有するパッチは、２５の区画に分割されてもよく、２５の区画は、それぞれ、局所ＳＤＲｉｊを有する。
【００５１】
患者の大域ＳＤＲは、処置成功の可能性を決定するために、超音波で以前に処置された患者の大域ＳＤＲと比較されてもよい。例えば、再び、図３Ａを参照すると、後向き研究では、閾値（例えば、０．４１）を上回る大域ＳＤＲを有する患者は、より多くのエネルギーが頭蓋骨１１４を通過して標的領域２１４に送達されることができるため、処置が成功し得る（例えば、腫瘍組織の５０％を上回るものがアブレーションされた）一方、閾値を下回る大域ＳＤＲを有する患者は、より少ないエネルギーが頭蓋骨１１４を通して伝送されるため、より少ない有効結果をもたらし得る。閾値は、体外実験ラボ結果および処置データ分析の両方に基づいて決定され得るため、本発明は、患者が超音波処置に好適であるかどうかを決定するための信頼性のあるアプローチを提供する。
【００５２】
本発明の種々の実施形態による、個々の患者のための超音波処置の成功の可能性を推定するアプローチを図示する、代表的方法４００が、図４に示される。第１のステップ４０２において、患者の頭部および頭蓋骨全体の画像が、撮像機１１２を使用して取得される。第２のステップ４０４において、取得された画像は、コントローラ１０８にアップロードされ、コントローラ１０８は、（例えば、骨フィルタ等の従来の撮像フィルタを適用することによって）画像を処理し、画質を改善し、かつ／または頭蓋骨の３次元画像を再構築する。第３のステップ４０６において、取得された画像内の処置標的区域が、自動的に検出され得る、またはオペレータによって手動でマークされ得る。第４のステップ４０８において、コントローラ１０８は、変換器要素１０４が、集合的に、標的において集束された超音波ビームを産生することができるように、標的区域の場所に従って、場所、向き、強度、および／または位相を含む、超音波変換器要素１０４のパラメータを決定してもよい。第５のステップ４１０において、コントローラ１０８は、変換器要素および標的領域の位置ならびに前述のような画像データセットに基づいて、各変換器要素１０４から頭蓋骨までのビーム投影を算出してもよい。患者の大域ＳＤＲが、次いで、算出されることができる。算出された大域ＳＤＲが閾値（効果的および／または非効果的超音波処置を有する患者の大域ＳＤＲに基づいて決定され得る）を上回る場合、超音波処置が患者に行われる（ステップ４１２）。しかしながら、算出された大域ＳＤＲが閾値を下回る場合、患者は、代替処置を模索するように提案される（ステップ４１４）。
【００５３】
種々の実施形態では、患者が超音波処置に好適であると決定されると、最適処置計画が、患者の頭蓋骨の局所ＳＤＲに基づいて準備されてもよい。図５Ａを参照すると、頭蓋骨１１４は、１つより多い領域５０２を有するように定義されることができ、それぞれ、特定の変換器要素１０４または要素群に関連または対応してもよい。超音波焦点５０４が、変換器要素１０４から放出されるビームによって生成され、異なる方向から種々の頭蓋骨領域５０２を横断し、最後に、標的領域に収束し得る。全ての頭蓋骨領域５０２からのビームの電力振幅は、焦点歪曲を最小限にし、焦点５０４の形状対称性を最大限にするために、焦点において実質的に均一であることが望ましい。標的領域において対称形状を有する超音波焦点を発生させることは、脳腫瘍の処置のために重要であり得る。これは、標的領域が、命にかかわる構造の近傍にあり、この構造は、歪曲された焦点によって損傷され得るためである。異なる頭蓋骨領域５０２は、異なる量のエネルギーが異なる頭蓋骨領域５０２を通って進行することを可能にし得るため、局所ＳＤＲによって生成される頭蓋骨の幾何学的特性マッピングが、標的領域において、焦点の対称形状等の最適化された集束特性を達成するために利用されてもよい。図５Ｂを参照すると、局所ＳＤＲは、超音波が頭蓋骨を通して進行した後の焦点における音響エネルギーと正に相関し得る。言い換えると、より高い局所ＳＤＲを有する頭蓋骨領域では、変換器要素１０４によって伝送されるエネルギーのより大きい割合が、焦点５０４に送達される。これは、関連付けられた変換器要素１０４からの伝送エネルギー要件の低減をもたらし得る。逆に言えば、より低い局所ＳＤＲを有する頭蓋骨領域では、エネルギーのより小さい割合が焦点５０４に送達されるため、変換器要素１０４からの伝送エネルギーの増加が、要求され得る。
【００５４】
故に、一実施形態では、局所ＳＤＲが閾値（例えば、０．３、または超音波処置を受けた患者の後向き研究に基づいて決定され得る別の値）を下回る場合、頭蓋骨１１４を通る超音波横断は、非効果的と見なされる。したがって、小さい局所ＳＤＲに対応する変換器要素１０４は、非アクティブ化されることにより、変換器効率を最適化する。非寄与要素の非アクティブ化は、頭蓋骨加熱を最小限にし、変換器アレイ１０２によって要求される全体的伝送電力を低減させる等、他の利点を有し得る。アクティブであるべきと決定される変換器要素１０４に関して、その関連付けられた局所ＳＤＲは、焦点において略等しい強度寄与を得るために使用され、それによって、対称焦点形状を生成してもよい。これを達成するために、ＳＤＲ加重アプローチが、使用されてもよい。例えば、より低い局所ＳＤＲを有する（すなわち、頭蓋骨のより密度の高い区域に面し、その区域を通してより少ないエネルギーが伝送される）変換器要素は、より高い局所ＳＤＲを有する変換器要素より高い電力を伝送してもよい。一実施形態では、各変換器要素１０４から伝送される電力は、局所ＳＤＲと逆に相関し、以下の式に従って決定され得る。
【００５５】
【数１１】
0006618537.tif 000016
【００５６】
式中、電力ｉは、変換器要素ｉによって伝送される電力を示す。
【００５７】
図６Ａは、患者の頭蓋骨のＣＴデータから算出される平面局所ＳＤＲ分布を描写する。示されるように、ＳＤＲによって表される頭蓋骨構造は、非常に非均質である。図６Ｂは、前述の式を使用して算出された各変換器要素１０４の印加される電力を描写する。より高い電力が、より低いＳＤＲを有する区域６０２に伝送されてもよく、より低い電力が、より高いＳＤＲを有する区域６０４に伝送されてもよい。その結果、図６Ｃを参照すると、焦点スポットにおける各変換器要素からの電力寄与は、実質的に均一となる。対照的に、各要素の印加される電力が、単に、変換器アレイ１０２の総電力をアクティブ化される変換器要素の数によって除算すること（すなわち、電力ｉ＝総印加電力／Ｎａｃｔｉｖｅ）によって決定される場合、焦点５０４における変換器要素からの電力寄与は、比較的に非均一となり得る（図６Ｄ）。
【００５８】
本発明の種々の実施形態による、焦点における各変換器要素からの均一電力寄与を得るためのアプローチを図示する代表的方法７００が、図７に示される。第１のステップ７０２において、患者の頭部および頭蓋骨全体の画像が、撮像機１１２を使用して取得される。第２のステップ７０４において、取得された画像は、コントローラ１０８にアップロードされ、コントローラ１０８は、（例えば、骨フィルタ等の撮像フィルタを適用することによって）画像を処理し、画質を改善し、頭蓋骨の３次元画像を再構築する。第３のステップ７０６において、取得された画像内の処置標的区域が、自動的に検出され得る、またはオペレータによって手動でマークされ得る。第４のステップ７０８において、コントローラ１０８は、変換器要素１０４が、集合的に、標的区域において集束された超音波ビームを産生することができるように、標的区域の場所に従って、場所、向き、強度、および／または位相を含む、超音波変換器要素１０４のパラメータを決定してもよい。コントローラ１０８は、次いで、決定されたパラメータに基づいて、変換器要素１０４の場所および角位置を制御するアクチュエータを駆動させてもよい。第５のステップ７１０において、コントローラ１０８は、要素の位置および再構築された３次元画像に基づいて、各変換器要素から頭蓋骨までのビーム投影を算出してもよい。各変換器要素１０４と関連付けられた局所ＳＤＲは、次いで、頭蓋骨上のビーム投影に基づいて算出されることができる。局所ＳＤＲが閾値を下回る場合、関連付けられた変換器要素は、非アクティブ化される（ステップ７１２）。局所ＳＤＲが閾値を上回る場合、関連付けられた変換器要素は、アクティブ化される（ステップ７１４）。各アクティブ変換器要素からの伝送電力は、前述のような式に従って計算され、焦点スポットにおける均一強度寄与を達成してもよい（ステップ７１６）。
【００５９】
本明細書で使用されるコントローラ１０８は、ハードウェア、ソフトウェア、またはその２つの組み合わせで実装されてもよい。機能が１つまたは複数のソフトウェアプログラムとして提供される実施形態に関して、プログラムは、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、種々のスクリプト言語、および／またはＨＴＭＬ等のいくつかの高レベル言語のいずれかで書かれてもよい。加えて、ソフトウェアは、標的コンピュータ上に存在するマイクロプロセッサ向けのアセンブリ言語で実装されることができる。ソフトウェアは、限定ではないが、フロッピー（登録商標）ディスク、ジャンプドライブ、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはＣＤ−ＲＯＭを含む、製造品上で具現化されてもよい。ハードウェア回路を使用する実施形態は、例えば、１つまたは複数のＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ、またはＡＳＩＣプロセッサを使用して実装されてもよい。
【００６０】
本明細書で採用される用語および表現は、説明の用語および表現として使用され、限定ではなく、そのような用語および表現の使用において、図示および説明される特徴またはその一部の任意の均等物を除外することを意図するものではない。加えて、本発明のある実施形態が説明されたが、本明細書に開示される概念を組み込む他の実施形態も、本発明の精神および範囲から逸脱することなく使用されてもよいことは、当業者に明白となるであろう。本発明は、具体的詳細を参照して説明されたが、そのような詳細は、付随の特許請求の範囲に含まれるものを除き、かつその範囲において、本発明の範囲における限定として見なされるべきであることを意図するものではない。故に、説明される実施形態は、あらゆる点で例証的にすぎず、制限的ではないものと見なされる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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