(57)【要約】複数のトランスデューサ要素を有する超音波トランスデューサの幾何学形状を較正するための種々のアプローチは、全て（または少なくともいくつか）のトランスデューサ要素から集束帯に伝送される超音波の複数のビーム経路によって横断される面積に及ぶ音響反射物を提供することと、トランスデューサ要素に、超音波を集束帯に伝送させることと、音響反射物からの超音波の反射を測定することと、少なくとも部分的に、測定された反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる最適な幾何学的パラメータを判定することとを含む。
2021505291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサの幾何学形状を較正する方法であって、前記方法は、
前記トランスデューサ要素のうちの少なくともいくつかから集束帯に伝送される超音波の複数のビーム経路によって横断される面積に及ぶ第１の音響反射物を提供することと、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、前記超音波を前記集束帯に伝送させることと、
前記第１の音響反射物からの前記超音波の反射を測定することと、
少なくとも部分的に、前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる最適な幾何学的パラメータを判定することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記最適な幾何学的パラメータは、場所または配向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３】
前記測定された反射を分析し、それと関連付けられる位相偏移を取得することと、
前記位相偏移と推定位相値との間の位相差を算出することと
をさらに含み、
前記最適な幾何学的パラメータは、少なくとも部分的に、前記算出された位相差に基づいて判定される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記トランスデューサ要素と前記第１の音響反射物との間に位置する媒体を横断する前記超音波の速度を推定することをさらに含み、前記推定位相値は、少なくとも部分的に、前記超音波の速度に基づいて判定される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記超音波が前記トランスデューサ要素から伝送されるときの時間から、前記反射が測定されるときの時間までの前記超音波の飛行時間を算出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記トランスデューサ要素と前記第１の音響反射物との間に位置する媒体を横断する前記超音波の速度を推定することをさらに含み、前記実際の幾何学的パラメータは、前記超音波の飛行時間および推定速度に基づいて判定される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の音響反射物および前記超音波トランスデューサは、相補的輪郭形状を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記超音波トランスデューサおよび前記第１の音響反射物は、同心球形形状を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の音響反射物および前記超音波トランスデューサは、非相補的輪郭形状を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記集束帯における焦点を改良するように、少なくとも部分的に、前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられるパラメータ値を調節することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記パラメータ値は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素を駆動する信号の周波数、位相、または振幅のうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記超音波の反射は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素によって測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記超音波の反射は、音響信号検出デバイスによって測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の音響反射物を第１の場所から前記第１の場所と異なる第２の場所に移動させることと、
前記第２の場所において前記第１の音響反射物からの前記超音波の反射を測定することと、
少なくとも部分的に、前記第１および第２の場所からの前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
第２の場所に第２の音響反射物を提供することと、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、前記超音波を前記集束帯に伝送させることと、
前記第１および第２の音響反射物からの前記超音波の反射を測定することと、
少なくとも部分的に、前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記伝送波の超音波周波数を変調することと、
少なくとも部分的に、前記第１の音響反射物からの反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる前記幾何学的パラメータを判定することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記超音波周波数は、複数のより低い周波数によって変調される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、複数の一連の前記超音波を連続的に伝送させることであって、各一連の超音波は、異なる周波数に対応する、ことと、
少なくとも部分的に、前記第１の音響反射物からの反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる前記幾何学的パラメータを判定することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
超音波システムの幾何学形状を較正するためのシステムであって、前記システムは、
複数のトランスデューサ要素を備える、超音波トランスデューサと、
前記トランスデューサ要素のうちの少なくともいくつかから集束帯に伝送される超音波の複数のビーム経路によって横断される面積に及ぶ、第１の音響反射物と、
コントローラであって、前記コントローラは、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、前記超音波を前記集束帯に伝送させることと、
前記第１の音響反射物からの前記超音波の反射の測定を行わせることと、
少なくとも部分的に、前記反射測定に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる最適な幾何学的パラメータを判定することと
を行うように構成されている、コントローラと
を備える、システム。
【請求項２０】
前記実際の幾何学的パラメータは、場所または配向のうちの少なくとも１つを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記コントローラはさらに、
前記測定された反射を分析し、それと関連付けられる位相偏移を取得することと、
前記位相偏移と推定位相値との間の位相差を算出することと
を行うように構成され、
前記最適な幾何学的パラメータは、少なくとも部分的に、前記算出された位相差に基づいて判定される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記コントローラはさらに、前記トランスデューサ要素と前記第１の音響反射物との間に位置する媒体を横断する前記超音波の速度を推定するように構成され、前記推定位相値は、少なくとも部分的に、前記超音波の速度に基づいて判定される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記コントローラはさらに、前記超音波が前記トランスデューサ要素から伝送されるときの時間から、前記反射が測定されるときの時間までの前記超音波の飛行時間を算出するように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２４】
前記コントローラはさらに、前記トランスデューサ要素と前記第１の音響反射物との間に位置する媒体を横断する前記超音波の速度を推定するように構成され、前記実際の幾何学的パラメータは、前記超音波の飛行時間および推定速度に基づいて判定される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１の音響反射物および前記超音波トランスデューサは、相補的輪郭形状を有する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２６】
前記超音波トランスデューサおよび前記第１の音響反射物は、同心球形形状を有する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第１の音響反射物および前記超音波トランスデューサは、非相補的輪郭形状を有する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２８】
前記コントローラはさらに、前記集束帯における焦点を改良するように、少なくとも部分的に、前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられるパラメータ値を調節するように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２９】
前記パラメータ値は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素を駆動する信号の周波数、位相、または振幅のうちの少なくとも１つを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項３０】
前記超音波の反射は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素によって測定される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記超音波の反射を測定するための音響信号検出デバイスをさらに備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項３２】
前記第１の音響反射物の配向または場所のうちの少なくとも１つを調節するための調節機構をさらに備え、前記コントローラはさらに、
前記調節機構に、前記第１の音響反射物を第１の場所から前記第１の場所と異なる第２の場所に移動させることと、
前記第２の場所において前記第１の音響反射物からの前記超音波の反射を測定することと、
少なくとも部分的に、前記第１および第２の場所からの前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定することと
を行うように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項３３】
第２の場所に位置する第２の音響反射物をさらに備え、前記コントローラはさらに、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、前記超音波を前記集束帯に伝送させることと、
前記第１および第２の音響反射物からの前記超音波の反射を測定することと、
少なくとも部分的に、前記測定された反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定することと
を行うように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項３４】
前記コントローラはさらに、
前記伝送波の超音波周波数を変調することと、
少なくとも部分的に、前記第１の音響反射物からの反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる前記幾何学的パラメータを判定することと
を行うように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項３５】
前記コントローラはさらに、複数のより低い周波数によって前記超音波周波数を変調するように構成されている、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記コントローラはさらに、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、複数の一連の前記超音波を連続的に伝送させることであって、各一連の超音波は、異なる周波数に対応する、ことと、
少なくとも部分的に、前記第１の音響反射物からの反射に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられる前記幾何学的パラメータを判定することと
を行うように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項３７】
標的領域上に複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサを集束させるためのシステムであって、前記システムは、
それを通して前記トランスデューサからの超音波が進行する介在媒体内の面積に及ぶように構成されている、音響反射物と、
コントローラであって、前記コントローラは、
前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、前記超音波を前記標的領域に伝送させることと、
前記音響反射物からの前記超音波の反射の測定を行わせることと、
前記介在媒体からもたらされるビーム収差を補償するように、少なくとも部分的に、前記反射測定に基づいて、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素と関連付けられるパラメータ値を調節することと
を行うように構成されている、コントローラと
を備え、
前記音響反射物によって及ばれる前記面積は、前記トランスデューサ要素のうちの少なくともいくつかから前記標的領域に伝送される超音波の複数のビーム経路によって横断される、システム。
【請求項３８】
外因性作用物質のための投与デバイスをさらに備え、前記外因性作用物質中の微小気泡が、前記音響反射物を形成する、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記投与デバイスは、
前記外因性作用物質を前記介在媒体の中に送達するための導入デバイスと、
前記外因性作用物質を前記導入デバイスから分注するための作動機構と
を備え、
前記コントローラはさらに、前記作動機構のアクティブ化および非アクティブ化を制御するように構成されている、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記導入デバイスは、針またはカテーテルのうちの少なくとも１つを備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記作動機構は、シリンジまたは蠕動ポンプのうちの少なくとも１つを備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４２】
前記コントローラはさらに、前記音響反射物を形成する微小気泡を発生させるように、前記トランスデューサ要素に超音波を伝送させるように構成されている、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４３】
前記パラメータ値は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素を駆動する信号の周波数、位相、または振幅のうちの少なくとも１つを含む、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４４】
前記超音波の反射は、前記少なくともいくつかのトランスデューサ要素によって測定される、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４５】
前記超音波の反射を測定するための音響信号検出デバイスをさらに備える、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４６】
前記音響反射物および前記超音波トランスデューサは、相補的輪郭形状を有する、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４７】
前記超音波トランスデューサおよび前記音響反射物は、同心球形形状を有する、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４８】
前記音響反射物および前記超音波トランスデューサは、異なる輪郭形状を有する、請求項３７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、超音波システムに関し、より具体的には、トランスデューサ幾何学形状およびそれを通して超音波が進行する媒体からもたらされる超音波収差を較正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）
集束超音波（すなわち、約２０キロヘルツを上回る周波数を有する音響波）が、患者内の内部身体組織を撮像する、または療法的に治療するために使用されることができる。例えば、超音波は、腫瘍のアブレーション、標的化薬物送達、血液脳関門（ＢＢＢ）の途絶、凝血塊の溶解、および他の外科手術手技を伴う用途において使用され得る。腫瘍アブレーションの間、圧電セラミックトランスデューサが、患者の外部であるが、アブレーションされるべき腫瘍（すなわち、標的領域）に近接近して設置される。トランスデューサは、電子駆動信号を機械的振動に変換し、音響波の放出（以降では「超音波処理」と称されるプロセス）をもたらす。トランスデューサは、それらが放出する超音波エネルギーが、標的領域に対応する（またはその中の）「集束帯」において集束ビームを集合的に形成するように、幾何学的に成形され、他のそのようなトランスデューサとともに位置付けられ得る。代替として、または加えて、単一のトランスデューサが、その位相がそれぞれ独立して制御され得る、複数の個々に駆動されるトランスデューサ要素から形成され得る。そのような「位相アレイ」トランスデューサは、トランスデューサの間の相対的位相を調節することによって、集束帯を異なる場所に操向することを促進する。本明細書に使用されるように、用語「要素」は、アレイにおける個々のトランスデューサまたは単一のトランスデューサの独立して駆動可能な部分のいずれかを意味する。磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）が、患者および標的を可視化し、それによって、超音波ビームを誘導するために使用され得る。
【０００３】
集束超音波手技の間、一連の超音波処理が、周辺組織に損傷を及ぼすことなく標的組織（腫瘍等）の凝固壊死を引き起こすために印加される。これを達成するために、トランスデューサから放出される超音波エネルギーは、正確かつ確実に成形され、所望の標的場所上に集束されなければならない。適切に構成されないトランスデューサ要素は、不適切な焦点品質につながり、それによって、非効果的な治療および／または非標的組織への望ましくない損傷を引き起こし得る。加えて、不適切に成形される超音波ビームは、意図される集束帯以外の場所に予期せぬ二次ホットスポットを発生させ得、そのようなホットスポットは、望ましくない加熱、患者の痛み、および／または場合によっては非標的組織の壊死につながり得る。
【０００４】
トランスデューサ出力誤差の１つの原因は、トランスデューサ要素における幾何学的欠陥（すなわち、それらの予期される場所からの逸脱）からもたらされる。例えば、トランスデューサが球形形状を有するように設計されると仮定すると、各トランスデューサ要素を駆動するソフトウェアは、球形モデルまたは設計によるそれらの位置付けに基づいて、個々のトランスデューサ要素をアクティブ化するように構成される。１つ以上のトランスデューサ要素の実際の場所が、製造、使用、および／または修理の間に予期される場所から偏移される範囲で、または場所が、例えば、熱による変形の結果として偏移する場合、結果は、理想的な球形モデルに従ってプログラムされるソフトウェアに起因する永久的焦点誤差であり得る。
【０００５】
トランスデューサ出力誤差の別の原因は、それを通して超音波が集束帯に到達することに先立って進行する介在媒体（例えば、流体または組織）の不均質性である。超音波は、伝搬、散乱、吸収、反射、および屈折を含む、複数のプロセスを通して媒体と相互作用し得る。例えば、媒体の不均質性は、異なる音速を有する領域の境界において音響エネルギーの屈折を引き起こし得る。屈折は、強め合う干渉を減少させ、したがって、集束帯における音響エネルギーの強度を減少させ得る。したがって、不均質な媒体は、焦点を歪め、その強度を低減させるビーム収差および屈折を発生させ、それによって、治療効率に影響を及ぼし得る。
【０００６】
これらの問題を改善することに対する１つのアプローチは、水中のトランスデューサを焦点に集束させ、最大強度の焦点を位置特定するためにハイドロホンを使用することを伴う。各トランスデューサ要素は、最大強度点において別個にアクティブ化され、各信号の位相は、ハイドロホンによって測定される。要素毎に測定される位相は、トランスデューサ要素の幾何学的欠陥からもたらされる位相逸脱および／または水からもたらされる収差を判定するために、予期される位相と比較され、駆動信号は、次いで、観察された位相逸脱を補償するために調節される。しかしながら、本アプローチは、いくつかの欠点を有する。例えば、ハイドロホンは、焦点において精密に設置されなければならないため、本点は、例えば、高度に正確な走査装置および電子機器を使用して、精密に識別されなければならず、本設定は、高価であり得る。加えて、トランスデューサ要素は、連続的に試験および較正され、これは、時間がかかる。さらに、高超音波強度は、ハイドロホンに損傷を及ぼす、またはさらにはそれを破壊し得る。
【０００７】
トランスデューサ幾何学的誤差および／または介在媒体からもたらされるビーム収差を較正するための別のアプローチは、焦点に点源反射物（例えば、微小気泡）を設置することを伴う。点源から反射された信号が、検出され得、反射された信号の測定された位相と予期される位相（意図される焦点に基づく）との間の逸脱が、判定されることができ、駆動信号は、次いで、逸脱を補償するために調節されることができる。しかし、再び、本アプローチは、点源反射物をそれと整合させるように焦点を識別するために、高価な走査装置および電子機器を要求する。加えて、高音響強度において、点源反射物は、標的組織に対して微小気泡キャビテーションおよび／または他の非線形効果を生成し得、これは、制御することが困難であり得、較正手技に干渉し得る。
【０００８】
故に、トランスデューサ幾何学形状の逸脱および超音波がそれを通して通過する際の介在媒体の不均質性を補償し、それによって、高品質焦点を生成することに対する効率的、経済的、および信頼性のあ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】
【０００９】
（要約）
本発明は、トランスデューサ幾何学形状の正確かつ信頼性のある較正ならびにトランスデューサと標的領域との間に位置する不均質媒体によって引き起こされるビーム収差の補正のためのシステムおよび方法を提供する。種々の実施形態では、定義された２次元（２Ｄ）または３次元（３Ｄ）面積に及ぶ音響反射物が、１つ以上のトランスデューサ要素から集束帯に伝送される超音波のビーム経路上に設置される。音響反射物は、ミラーと同程度に単純であってもよく、集束帯と一致する場合とそうではない場合がある。トランスデューサ幾何学形状を較正するために、トランスデューサ要素は、超音波ビームを音響反射物に指向するために通電されてもよく、それからの超音波反射が、反射された超音波と関連付けられる振幅および／または位相を判定するために分析されてもよい。トランスデューサ要素に関して測定された振幅および／または位相は、次いで、それらの間の逸脱を判定するために、予期される振幅および／または位相と比較されてもよい。続けて、トランスデューサ要素の駆動信号は、幾何学的欠陥を補償するために調節されてもよい。加えて、波がトランスデューサ要素から伝送されるときの時間から、波が検出されるときの時間までの時間間隔を定義する反射と関連付けられる「飛行時間」が、算出されてもよい。飛行時間に基づいて、各トランスデューサ要素の実際の場所が、判定されることができる。
【００１０】
加えて、音響反射物の場所および／または配向は、較正手技の間に調節されてもよく、トランスデューサ要素は、次いで、後続の一連の超音波処理を新しい場所における、または新しい配向を有する反射物に伝送し、それからの反射を受信してもよい。このように、明確に異なる幾何学的場所からの複数の反射測定が、トランスデューサ要素の幾何学的情報（例えば、絶対場所）を正確に推定するために取得されてもよい。代替として、または加えて、複数の音響反射物が、利用されてもよく、トランスデューサは、超音波処理を音響反射物に伝送してもよい。受信された反射に基づいて、トランスデューサ要素の絶対場所が、判定されることができる。本明細書に使用されるように、用語「絶対場所」は、超音波座標系における、またはいくつかの実施形態では、それらが実装される環境（例えば、ＭＲＩ装置）におけるトランスデューサ要素の座標を指す。
【００１１】
いくつかの実施形態では、（トランスデューサ要素の実際の絶対幾何学形状と対照的な）トランスデューサ要素の最適な幾何学形状は、反射測定に基づいて判定される。例えば、その予期される場所からのトランスデューサ要素の場所の逸脱は、超音波波長の小さい整数（例えば、１０未満）倍であり得、本状況では、強め合う干渉が、依然として、集束帯において起こり得る。したがって、トランスデューサ要素の幾何学形状は、「最適」と見なされ、逸脱の調節または補償のいかなる必要性も存在しない。他の実施形態では、一定の位相逸脱が、全てのトランスデューサ要素１０４において起こる（これは、例えば、トランスデューサと音響反射物との間に位置する媒体を横断する超音波の速度の不正確な予測に起因し得る）。本状況では、超音波は、依然として、集束帯において強め合う干渉を発生させ得、したがって、トランスデューサ要素の幾何学形状はまた、最適と見なされ、逸脱のいかなる調節／補償も、必要ではない。
【００１２】
種々の実施形態では、音響反射物は、集束帯に進行する全ての（または少なくともいくつかの）トランスデューサ要素からの超音波が反射されることを可能にする、十分に大きい２Ｄまたは３Ｄ面積に及ぶように構成される。したがって、複数のトランスデューサ要素が、一度に較正され得、これは、従来のアプローチにおいて要求される較正時間を有意に短縮する。加えて、音響反射物は、集束帯と一致することを要求されないため、超音波は、ビームが最も強い集束帯に到達することに先立って、反射物によって反射され得、したがって、集束帯における高音響強度からもたらされる反射物への損傷は、回避されることができる。さらに、音響反射物は、集束帯と整合されることを要求されないため、従来のアプローチにおける走査および整合システムを実装する費用は、回避される。
【００１３】
トランスデューサと標的領域との間に位置する不均質な媒体によって引き起こされるビーム収差を補償するために、種々の実施形態では、トランスデューサ要素は、標的領域またはその近傍に集束帯を発生させるように構成され、音響反射物は、再び、トランスデューサ要素から標的領域に（好ましくは、標的領域の近傍に）伝送される超音波のビーム経路上に提供される。音響反射物は、超音波によって発生される、および／または投与システムによって非経口的に導入される微小気泡の群であってもよい。そのような実装では、微小気泡群の表面は、それらが標的領域に到達する前に超音波を反射する超音波反射物を形成する。反射を分析することによって、トランスデューサと微小気泡群との間に位置する不均質な媒体からもたらされるビーム収差が、判定されてもよい。トランスデューサパラメータ（例えば、位相偏移および／または振幅）が、次いで、収差を補償するために調節されてもよい。
【００１４】
種々の実施形態では、微小気泡群の場所、構成（例えば、形状）、および／またはサイズは、微小気泡のキャビテーションまたは他の非線形挙動を回避しながら、ビーム収差についての情報を提供するように最適化される。一実装では、最適化は、例えば、トランスデューサ要素の場所および／または配向、標的領域の場所および／または配向、ならびに／もしくは標的組織および介在媒体の特性に基づく。
【００１５】
故に、一側面では、本発明は、複数のトランスデューサ要素を有する超音波トランスデューサの幾何学形状を較正するための方法に関する。種々の実施形態では、本方法は、トランスデューサ要素のうちの少なくともいくつかから集束帯に伝送される超音波の複数のビーム経路によって横断される面積に及ぶ第１の音響反射物を提供することと、トランスデューサ要素のうちのいくつかに、超音波を集束帯に伝送させることと、第１の音響反射物からの超音波の反射を測定することと、少なくとも部分的に、測定された反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる最適な幾何学的パラメータ（例えば、場所または配向）を判定することとを含む。第１の音響反射物および超音波トランスデューサは、相補的輪郭形状または非相補的輪郭形状を有してもよい。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサおよび第１の音響反射物は、同心球形形状を有する。加えて、本方法は、測定された反射を分析し、それと関連付けられる位相偏移を取得することと、位相偏移と推定位相値との間の位相差を算出することとを含んでもよく、最適な幾何学的パラメータは、次いで、少なくとも部分的に、算出された位相差に基づいて判定される。一実装では、本方法はさらに、トランスデューサ要素と第１の音響反射物との間に位置する媒体を横断する超音波の速度を推定することを含み、推定位相値は、少なくとも部分的に、超音波の速度に基づいて判定される。
【００１６】
本方法は、超音波がトランスデューサ要素から伝送されるときの時間から、反射が測定されるときの時間までの超音波の飛行時間を算出することを含んでもよい。加えて、本方法は、トランスデューサ要素と第１の音響反射物との間に位置する媒体を横断する超音波の速度を推定することを含んでもよく、実際の幾何学的パラメータは、次いで、超音波の飛行時間および推定速度に基づいて判定されてもよい。さらに、本方法は、集束帯における焦点を改良するように、少なくとも部分的に、測定された反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられるパラメータ値を調節することを含んでもよい。パラメータ値は、トランスデューサ要素を駆動する信号の周波数、位相、および／または振幅を含んでもよい。
【００１７】
超音波の反射は、トランスデューサ要素および／または音響信号検出デバイスによって測定されてもよい。種々の実施形態では、本方法は、第１の音響反射物を第１の場所から第１の場所と異なる第２の場所に移動させることと、第２の場所において第１の音響反射物からの超音波の反射を測定することと、少なくとも部分的に、第１および第２の場所からの測定された反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定することとを含む。他の実施形態では、本方法は、第２の場所に第２の音響反射物を提供することと、トランスデューサ要素のうちのいくつかに、超音波を集束帯に伝送させることと、第１および第２の音響反射物からの超音波の反射を測定することと、少なくとも部分的に、測定された反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定することとを含む。本方法はさらに、伝送波の超音波周波数を変調することと、少なくとも部分的に、第１の音響反射物からの反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる幾何学的パラメータを判定することとを含んでもよい。一実装では、超音波周波数は、複数のより低い周波数によって変調される。代替として、本方法は、トランスデューサ要素に、複数の一連の超音波を連続的に伝送させることであって、各一連の超音波は、異なる周波数に対応する、ことと、少なくとも部分的に、第１の音響反射物からの反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる幾何学的パラメータを判定することとを含んでもよい。
【００１８】
別の側面では、本発明は、超音波システムの幾何学形状を較正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、複数のトランスデューサ要素を有する、超音波トランスデューサと、トランスデューサ要素のうちの少なくともいくつかから集束帯に伝送される超音波の複数のビーム経路によって横断される面積に及ぶ、第１の音響反射物と、トランスデューサ要素のうちのいくつかに、超音波を集束帯に伝送させ、第１の音響反射物からの超音波の反射の測定を行わせ、少なくとも部分的に、反射測定に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる最適な幾何学的パラメータ（場所または配向）を判定するように構成される、コントローラとを含む。第１の音響反射物および超音波トランスデューサは、相補的輪郭形状または非相補的輪郭形状を有してもよい。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサおよび第１の音響反射物は、同心球形形状を有する。加えて、コントローラはさらに、測定された反射を分析し、それと関連付けられる位相偏移を取得し、位相偏移と推定位相値との間の位相差を算出するように構成されてもよく、最適な幾何学的パラメータは、次いで、少なくとも部分的に、算出された位相差に基づいて判定されてもよい。一実装では、コントローラはさらに、トランスデューサ要素と第１の音響反射物との間に位置する媒体を横断する超音波の速度を推定するように構成され、推定位相値は、少なくとも部分的に、超音波の速度に基づいて判定される。
【００１９】
種々の実施形態では、コントローラはさらに、超音波がトランスデューサ要素から伝送されるときの時間から、反射が測定されるときの時間までの超音波の飛行時間を算出するように構成される。加えて、コントローラはさらに、トランスデューサ要素と第１の音響反射物との間に位置する媒体を横断する超音波の速度を推定するように構成され、実際の幾何学的パラメータは、次いで、超音波の飛行時間および推定速度に基づいて判定される。さらに、コントローラは、集束帯における焦点を改良するように、少なくとも部分的に、測定された反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられるパラメータ値を調節するように構成されてもよい。パラメータ値は、トランスデューサ要素を駆動する信号の周波数、位相、および／または振幅を含んでもよい。
【００２０】
超音波の反射は、トランスデューサ要素によって測定されてもよい。代替として、本システムは、超音波の反射を測定するための音響信号検出デバイスを含んでもよい。いくつかの実施形態では、本システムはさらに、第１の音響反射物の配向および／または場所を調節するための調節機構を含む。コントローラは、次いで、調節機構に、第１の音響反射物を第１の場所から第１の場所と異なる第２の場所に移動させ、第２の場所において第１の音響反射物からの超音波の反射を測定し、少なくとも部分的に、第１および第２の場所からの測定された反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定するように構成される。他の実施形態では、本システムはさらに、第１の場所と異なる第２の場所に位置する第２の音響反射物を含む。コントローラはさらに、トランスデューサ要素のうちのいくつかに、超音波を集束帯に伝送させ、第１および第２の音響反射物からの超音波の反射を測定し、少なくとも部分的に、測定された反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる絶対幾何学的パラメータを判定するように構成される。コントローラはさらに、伝送波の超音波周波数を変調し、少なくとも部分的に、第１の音響反射物からの反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる幾何学的パラメータを判定するように構成されてもよい。一実装では、コントローラはさらに、複数のより低い周波数によって超音波周波数を変調するように構成される。代替として、コントローラはさらに、トランスデューサ要素に、複数の一連の超音波を連続的に伝送させることであって、各一連の超音波は、異なる周波数に対応する、ことと、少なくとも部分的に、第１の音響反射物からの反射に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられる幾何学的パラメータを判定することとを行うように構成されてもよい。
【００２１】
本発明の別の側面は、標的領域上に複数のトランスデューサ要素を有する超音波トランスデューサを集束させ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、それを通してトランスデューサからの超音波が進行する介在媒体内の面積に及ぶように構成される、音響反射物と、少なくともいくつかのトランスデューサ要素に、超音波を標的領域に伝送させ、音響反射物からの超音波の反射の測定を行わせ、介在媒体からもたらされるビーム収差を補償するように、少なくとも部分的に、反射測定に基づいて、トランスデューサ要素と関連付けられるパラメータ値を調節するように構成される、コントローラとを含む。パラメータ値は、トランスデューサ要素を駆動する信号の周波数、位相、および／または振幅を含んでもよい。一実装では、音響反射物によって及ばれる面積は、トランスデューサ要素のうちの少なくともいくつかから標的領域に伝送される超音波の複数のビーム経路によって横断される。
【００２２】
加えて、本システムは、外因性作用物質のための投与デバイスを含んでもよく、外因性作用物質中の微小気泡が、音響反射物を形成してもよい。種々の実施形態では、投与デバイスは、外因性作用物質を介在媒体の中に送達するための導入デバイス（例えば、針および／またはカテーテル）と、外因性作用物質を導入デバイスから分注するための作動機構（例えば、シリンジおよび／または蠕動ポンプ）とを含み、コントローラはさらに、作動機構のアクティブ化および非アクティブ化を制御するように構成される。加えて、または代替として、コントローラはさらに、音響反射物を形成する微小気泡を発生させるように、トランスデューサ要素に超音波を伝送させるように構成されてもよい。加えて、超音波の反射は、トランスデューサ要素によって測定されてもよい。代替として、本システムは、超音波の反射を測定するための音響信号検出デバイスを含んでもよい。音響反射物および超音波トランスデューサは、相補的輪郭形状、同心球形形状、または異なる輪郭形状を有してもよい。
【００２３】
本明細書に使用されるように、用語「実質的に」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た「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、実施例と関連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語句「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」の出現は、必ずしも全てが同一の実施例を指すわけではない。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つ以上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見出しは、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もしくは解釈することを意図していない。
【００２４】
図面では、同様の参照文字は、概して、異なる図全体を通して同一の部分を指す。また、図面は、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、概して、本発明の原理を図示することに重点が置かれている。以下の説明では、本発明の種々の実施形態が、以下の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、種々の実施形態による、集束超音波システムを図示する。
【００２６】
【図２】図２は、いくつかの実施形態による、トランスデューサ較正手技を実施するために採用される音響反射物を描写する。
【００２７】
【図３Ａ】図３Ａおよび３Ｂは、種々の実施形態による、トランスデューサ較正手技を実施するトランスデューサ要素の種々の構成を描写する。
【図３Ｂ】図３Ａおよび３Ｂは、種々の実施形態による、トランスデューサ較正手技を実施するトランスデューサ要素の種々の構成を描写する。
【００２８】
【図４Ａ】図４Ａおよび４Ｂは、種々の実施形態による、音響反射物の種々の構成を描写する。
【図４Ｂ】図４Ａおよび４Ｂは、種々の実施形態による、音響反射物の種々の構成を描写する。
【００２９】
【図５Ａ】図５Ａは、種々の実施形態による、トランスデューサ要素の幾何学形状を較正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。
【００３０】
【図５Ｂ】図５Ｂは、種々の実施形態による、集束帯において標的焦点性質を達成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。
【００３１】
【図６】図６は、いくつかの実施形態による、媒体を通して進行するときの超音波の収差を測定するために採用される、音響反射物を描写する。
【００３２】
【図７】図７は、種々の実施形態による、媒体を通して進行するときの超音波の収差を測定し、収差を補償するためにトランスデューサパラメータを調節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。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
（詳細な説明）
図１は、集束音響エネルギービームを発生させ、患者の身体内の標的領域１０１に送達するための例示的超音波システム１００を図示する。図示されるシステム１００は、トランスデューサ要素１０４の位相アレイ１０２と、位相アレイ１０２を駆動するビーム形成器１０６と、ビーム形成器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器１０６に提供する周波数発生器１１０とを含む。
【００３４】
アレイ１０２は、患者の身体の表面上での設置のために好適な湾曲（例えば、球形または放物線状）もしくは他の輪郭形状を有してもよい、または１つ以上の平面もしくは別様に成形される区分を含んでもよい。その寸法は、数ミリメートル〜数十センチメートルに変動し得る。アレイ１０２のトランスデューサ要素１０４は、圧電セラミック要素であってもよく、シリコーンゴムまたは要素１０４の間の機械的結合を減衰させるために好適な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することが可能な任意の材料もまた、使用されてもよい。トランスデューサ要素１０４への最大電力伝達を確実にするために、要素１０４は、入力コネクタインピーダンスに合致する、５０Ωにおける電気共振のために構成されてもよい。
【００３５】
トランスデューサアレイ１０２は、ビーム形成器１０６に結合され、これは、それらが集束超音波ビームまたは場を集合的に生成するように個々のトランスデューサ要素１０４を駆動する。ｎ個のトランスデューサ要素に関して、ビーム形成器１０６は、それぞれ、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、ｎ個の駆動回路を含有してもよく、各駆動回路は、トランスデューサ要素１０４のうちの１つを駆動する。ビーム形成器１０６は、典型的には、０．１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲内の無線周波数（ＲＦ）入力信号を、例えば、Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓから入手可能なＭｏｄｅｌ  ＤＳ３４５発生器であり得る周波数発生器１１０から受信する。入力信号は、ビーム形成器１０６のｎ個の増幅器１１８および遅延回路１２０のためにｎ個のチャネルに分割されてもよい。いくつかの実施形態では、周波数発生器１１０は、ビーム形成器１０６と統合される。無線周波数発生器１１０およびビーム形成器１０６は、トランスデューサアレイ１０２の個々のトランスデューサ要素１０４を、同一の周波数であるが、異なる位相および／または異なる振幅において駆動するように構成される。
【００３６】
ビーム形成器１０６によって課される増幅または減衰定数α１−αｎおよび位相偏移ａ１−ａｎは、トランスデューサ要素１０４と標的領域との間に位置する介在媒体（例えば、流体および／または組織）を通して標的領域１０１上に超音波エネルギーを伝送および集束させ、介在媒体において誘発される波歪みを考慮する役割を果たす。増幅定数および位相偏移は、コントローラ１０８を使用して算出され、これは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、ハード配線、またはそれらの任意の組み合わせを通してコンピュータ機能を提供してもよい。種々の実施形態では、コントローラ１０８は、トランスデューサ要素１０４の周波数、位相偏移、および／または増幅定数を判定するために、従来の様式で、過度の実験を伴わず、ソフトウェアを用いてプログラムされる汎用または専用デジタルデータプロセッサを利用する。いくつかの実施形態では、システム１００はさらに、下記にさらに説明されるように、音響反射物の配向および／または場所調節を可能にする、調節機構１２４（例えば、モータ、ジンバル、または他の操作装置）を含んでもよい。
【００３７】
高品質焦点を生成するために、トランスデューサ１０２を較正し、例えば、それらの予期される場所からのトランスデューサ要素１０４の移動、偏移、および／または変形からもたらされるトランスデューサの幾何学的欠陥を考慮することが、必要であり得る。図２を参照すると、いくつかの実施形態では、較正手技は、トランスデューサ１０２と超音波によって発生される集束帯２０４との間に位置する音響反射物２０２の実装を伴う。種々の実施形態では、音響反射物２０２は、全ての（または少なくともいくつかの）トランスデューサ要素１０４から集束帯２０４に伝送される超音波のビーム経路２０８と交差する定義された２Ｄまたは３Ｄ面積２０６に及ぶように構成される。したがって、全ての（または少なくともいくつかの）トランスデューサ要素１０４から伝送される超音波は、反射物２０２によって一度に反射され得る。いくつかの実施形態では、反射波は、トランスデューサ要素１０４および／または音響信号検出デバイス２１０によって検出され、続けて、下記にさらに説明されるようなさらなる処理のためにコントローラ１０８に提供される。
【００３８】
音響信号検出デバイス２１０は、超音波システム１００と統合されてもよい、または代替として、超音波システム１００と通信する独立型デバイスを形成してもよい。一実施形態では、トランスデューサ要素１０４は、伝送能力および検出能力の両方を保有する。図３Ａを参照すると、一実施形態では、各個々のトランスデューサ要素１０４は、超音波信号を音響反射物２０２に伝送することと、それから反射された超音波信号を受信することとを交互に行う。例えば、全てのトランスデューサ要素１０４は、時間ｔ１において超音波を音響反射物２０２に実質的に同時に伝送し、続けて、時間ｔ２においてそれからエコー信号を受信し得る。図３Ｂを参照すると、一実装では、トランスデューサアレイ１０２は、伝送領域３０２および受信領域３０４に分割され、伝送領域３０２におけるトランスデューサ要素は、超音波を伝送する一方、受信領域３０４におけるトランスデューサ要素は、反射波を受信する。受信された反射波は、次いで、分析のためにコントローラ１０８に伝送される。伝送領域３０２および受信領域３０４は、トランスデューサアレイの種々の場所において異なるパターンおよび形状において構成されてもよい。
【００３９】
加えて、音響反射物２０２は、トランスデューサアレイ１０２と同一または類似する湾曲形状を有するように構成されてもよい。例えば、図４Ａを参照すると、トランスデューサアレイ１０２は、集束帯２０４に中心を伴う球形形状４０２を有してもよい。種々の実施形態では、音響反射物２０２は、トランスデューサアレイ１０２の球形形状４０２と同心の球形形状４０４を有するように構成される。故に、要素１０４から中心（すなわち、集束帯２０４）に伝送される超音波は、反射物２０２によって反射され、波を伝送する同一の要素１０４によって受信され得る。
【００４０】
代替として、音響反射物２０２の形状は、トランスデューサアレイのものと異なってもよい。例えば、図４Ｂを参照すると、トランスデューサアレイ１０２は、球形形状を有するが、図示される音響反射物２０２は、平坦な平面形状を有する。本構成では、反射波は、波を伝送するものと異なるトランスデューサ要素１０４によって検出され得る。反射物２０２の形状にかかわらず、トランスデューサ要素１０４および／または検出デバイス２１０は、音響反射物２０２および波を伝送する要素１０４の幾何学的配列に基づいて、反射物２０２からの反射波を検出するようにアクティブ化されてもよい。例えば、ビーム経路４０８の方向および反射物２０２の配向
【化１】
2021505291.tif 000003
に基づいて、反射波の反射の角度が、算出されることができる。反射波のビーム経路４１０上に位置するトランスデューサ要素は、次いで、反射波を検出するようにアクティブ化されてもよい。種々の実施形態では、伝送および受信トランスデューサ要素は、正確なタイミングおよび測定を確実にするように同期される。
【００４１】
一実施形態では、複数の音響反射物が、利用されてもよく、トランスデューサは、超音波処理を音響反射物に伝送してもよい。受信された反射に基づいて、トランスデューサ要素の絶対場所が、判定されることができる。本明細書に使用されるように、絶対場所は、超音波座標系における、またはいくつかの実施形態では、それらが実装される環境（例えば、ＭＲＩ装置）におけるトランスデューサ要素の座標を指す。
【００４２】
加えて、または代替として、トランスデューサ要素１０４の絶対場所は、周波数変調アプローチを使用して判定されてもよい。例えば、トランスデューサ要素１０４から伝送される波の超音波周波数は、複数のより低い周波数を用いて変調されてもよく、音響反射物２０２から反射される信号の位相偏移が、トランスデューサ要素の絶対場所を判定するために分析されてもよい。一実施形態では、ビーム形成器１０６は、トランスデューサ要素１０４に、相互に対するいかなる位相偏移も伴わない２つの変調周波数ｆ１およびｆ２（例えば、１ｋＨｚおよび１００Ｈｚ）ならびに超音波周波数ｆ３（例えば、２５ｋＨｚ）を、音響反射物２０２に伝送させる。１００Ｈｚ（３つの周波数のうち最も長い波長λ１を有する）の変調周波数における受信された波の位相偏移φ１が、最初に、以下によって与えられる、トランスデューサ要素と反射物２０２との間の距離ｄを推定するために分析される。
【数１】
2021505291.tif 000004
１ｋＨｚ（より短い波長をλ２有する）の変調周波数における受信された波の位相偏移φ２が、次いで、推定のより細かい分解能を提供するために分析されることができる。これは、位相偏移の同一の変化に関して、より高い周波数がより短い対応する距離を有するためである。例えば、πの位相偏移は、それぞれ、１００Ｈｚおよび１ｋＨｚ信号に関して１．７ｍおよび１７０ｍｍの距離に対応する。したがって、測定される範囲へのより正確な近似ｄ２が、以下から取得されることができる。
【数２】
2021505291.tif 000005
距離ｄは、以下によって推定される。
【数３】
2021505291.tif 000006
同様に、２５ｋＨｚの周波数における位相偏移φ３に対応する測定される範囲ｄ３が、以下によって与えられる。
【数４】
2021505291.tif 000007
距離ｄは、以下によって推定される。
【数５】
2021505291.tif 000008
その結果、トランスデューサ要素と反射物２０２との間の距離ｄは、以下によって算出されることができる。
【数６】
2021505291.tif 000009
式中、ｃは、トランスデューサ１０２と音響反射物２０２との間に位置する媒体を横断する超音波の速度を表す。故に、より低い周波数を用いて超音波周波数を変調することによって、トランスデューサ要素１０４の絶対場所が、上記の方程式を使用して判定されてもよい。いくつかの実施形態では、周波数変調の代わりに、複数の周波数（例えば、ｆ１、ｆ２、およびｆ３）が、集束帯に連続的に印加され、音響反射物２０２からの反射が、方程式（１）を使用して、トランスデューサ要素１０４の絶対場所を判定するために分析されてもよい。
【００４３】
音響反射物２０２の場所および／または配向は、較正手技の間に調節されてもよく、トランスデューサ要素１０４は、次いで、後続の一連の超音波処理を新しい場所における、または新しい配向を有する反射物２０２に伝送し、それからの反射を受信してもよい。このように、明確に異なる幾何学的場所からの複数の反射測定が、トランスデューサ要素１０４の幾何学的情報を正確に推定するために取得されてもよい。本アプローチでは、音響反射物２０２の厳密な場所は、反射物２０２が超音波のビーム経路２０８と交差し、超音波を反射する限り、重要ではなく、コントローラ１０８は、下記にさらに説明されるように、トランスデューサ要素１０４と関連付けられる情報（例えば、振幅および／または位相）を取得するために、測定された反射ならびに音響反射物２０２および要素１０４の相対的幾何学的配列を分析し得ることに留意されたい。音響反射物２０２の場所／配向の調節が、ユーザによって手動で、または調節機構１２４によって自動的に実施されてもよい。例えば、調節機構１２４は、その１つ以上の軸の周囲で音響反射物２０２を物理的に回転させる、および／または音響反射物２０２をトランスデューサ１０２に対して所望の場所に移動させてもよい。いくつかの実施形態では、調節機構１２４は、コントローラ１０８からの通信に応答する。したがって、コントローラ１０８は、現在の配向を伴う現在の場所における音響反射物２０２から検出された反射に基づいて、音響反射物２０２の新しい配向／場所を判定し（調節が所望される場合）、調節機構１２４に、それに応じて音響反射物２０２を移動させてもよい。
【００４４】
検出された反射は、それと関連付けられる振幅および／または位相等の情報を取得するために、コントローラ１０８に提供されてもよい。一実施形態では、コントローラ１０８は、測定された反射の位相φｍｅａｓｕｒｅを、トランスデューサ要素の予期される幾何学形状に基づいて判定される反射の予期される位相φｅｘｐｅｃｔと比較し、それらの間の差異（Δφ＝φｍｅａｓｕｒｅ−φｅｘｐｅｃｔ）を算出する。コントローラ１０８は、次いで、幾何学的欠陥からもたらされる出力誤差を補償するために、差異に従ってトランスデューサ要素１０４を動作させてもよい。いくつかの実施形態では、コントローラ１０８はさらに、トランスデューサ要素によるそれらの放出から、反射波が同一または異なるトランスデューサ要素によって、もしくは音響信号検出デバイス２１０によって受信されるときまでの超音波の「飛行時間」を算出する。加えて、コントローラは、音響光線モデル、前臨床研究、治療前手技に基づいて、および／または公知の文献から、トランスデューサ１０２と音響反射物２０２との間に位置する媒体を横断する超音波の速度を推定してもよい。媒体を横断する超音波の速度を推定するためのシステムおよび方法が、例えば、米国特許出願第１５／６１３，９４０号（その全開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明されている。測定された飛行時間および推定された媒体中の音速に基づいて、各トランスデューサ要素の場所が、判定されてもよい。再び、コントローラ１０８は、測定された場所を予期される要素の場所と比較し、それらの間の逸脱を判定し、逸脱を補償するために要素を動作させてもよい。
【００４５】
故に、音響反射物２０２を使用することによって、トランスデューサ要素の実際の場所および配向が、判定されることができ、その駆動信号は、実際の場所と予期される場所および配向との間の幾何学的差異を補償するように調節されることができる。加えて、音響反射物２０２は、トランスデューサ要素１０４からの超音波の複数のビーム経路２０８によって横断される面積に及ぶため、複数のトランスデューサ要素は、実質的に同時に較正され得る。一実施形態では、音響反射物２０２は、全てのトランスデューサ要素が、上記に説明されるアプローチを使用して実質的に同時に較正されることを可能にするために十分に大きい面積に及ぶ。これは、有利なこととして、従来のアプローチにおけるように、ハイドロホンまたは点源反射物を要素のそれぞれと整合させるように連続的に移動させる必要性を省略し、それによって、較正時間を有意に減少させ、整合／走査システムの費用を排除する。さらに、音響反射物２０２は、トランスデューサ１０２と集束帯２０４との間のビーム経路上に設置されるため、超音波は、集束帯に到達することに先立ってそれから反射され、したがって、限定された音響強度のみが、音響反射物２０２において発生される。本アプローチは、従来のアプローチにおけるようなハイドロホンまたは点源反射物への損傷の可能性を回避する。最後に、音響反射物２０２は、単純な金属シートまたは好適な基板上にコーティングされる高反射性材料であり得るため、本明細書に説明される超音波較正手技を実装することは、経済的であり得る。
【００４６】
図５Ａは、種々の実施形態による、トランスデューサ要素の幾何学形状を較正するためのアプローチ５００を図示する、フローチャートである。第１のステップ５０２において、コントローラが、例えば、製造設計に基づいて、超音波システム１００内の各トランスデューサ要素１０４の予期される幾何学形状（例えば、場所および／または配向）を判定する、またはメモリから読み出してもよい。加えて、予期される幾何学形状に基づいて、コントローラは、集束帯を発生させるように各トランスデューサ要素から伝送される超音波と関連付けられる予期される振幅および／または位相を判定してもよい。第２のステップ５０４において、音響反射物が、要素１０４から集束帯に伝送される超音波のビーム経路上に提供される。音響反射物は、複数の（または全ての）トランスデューサ要素１０４のビーム経路と交差する面積に及ぶように構成されてもよい。加えて、音響反射物は、随意に、トランスデューサ１０２のものと類似する輪郭形状を有するように構成されてもよい。第３のステップ５０６において、トランスデューサ要素は、超音波を音響反射物の後方に位置する集束帯に伝送する。第４のステップ５０８において、音響反射物から反射された超音波が、トランスデューサおよび／または音響信号検出デバイス２１０を使用して測定される。第５のステップ５１０において、コントローラ１０８は、測定された反射を分析し、それと関連付けられる情報（例えば、飛行時間、振幅、および／または位相）を判定する。第６のステップ５１２において、測定された飛行時間に基づいて、コントローラ１０８は、トランスデューサ要素の実際の場所を判定してもよい。加えて、コントローラ１０８は、反射波の測定された振幅および／または位相を予期される振幅および／または位相と比較し、それらの間の差異を判定してもよい。続けて、第７のステップ５１４において、コントローラ１０８は、トランスデューサ要素１０４の幾何学的異常からもたらされる出力誤差を補償するように、場所、振幅、および／または位相における判定された差異に基づいて、ビーム形成器１０６に、トランスデューサ要素と関連付けられる駆動信号を調節させてもよい。
【００４７】
上記に説明されるアプローチは、それらの予期される位置から半波長未満の場所の逸脱を有する（すなわち、結果として生じる位相偏移が、π未満である）トランスデューサ要素の幾何学形状を補正するために特に好適である。幾何学的欠陥と関連付けられる位相偏移が、πを超える場合、位相ラッピングが、起こり得る。各要素１０４から集束帯２０４に伝送されるビーム経路は、要素１０４の放出面に略垂直であり、超音波手技の目標は、集束帯２０４においてビームの強め合う干渉を生成することであるため、種々の実施形態では、その予期される位置からの要素の場所の逸脱ｄが、条件：ｄ＝ｎ×波長を満たす場合、いかなる位相補正も、必要ではなく、式中、ｎは、小さい整数（例えば、１０未満）である。
【００４８】
加えて、一定の位相偏移が、全ての要素１０４において起こり得る。これは、例えば、トランスデューサ要素１０４と音響反射物２０２との間に位置する超音波媒体（例えば、水）を横断する超音波の速度の不正確な予測からもたらされ得、超音波の速度の不正確な予測は、媒体を横断するときの超音波と関連付けられる位相偏移の不正確な予測を引き起こし得る。したがって、測定された位相偏移は全て、全てのトランスデューサ要素を横断する予期される値からの一定の逸脱を有し得る。しかし、再び、超音波手技の目標は、集束帯において強め合う干渉を生成することであるため、全ての要素において起こる一定の位相偏移を補正することは、必要ではない場合がある。
【００４９】
故に、いくつかの実施形態では、反射波の測定が、反射波の測定された振幅および／または位相と予期される振幅および／または位相との間の逸脱を示す場合であっても、コントローラ１０８は、差異の補正が不必要であると判定してもよい（例えば、その予期される場所からの要素の場所の逸脱が、超音波の波長の整数倍であるとき、および／または一定の位相偏移が、全ての要素１０４において起こるとき）。したがって、図５Ｂを参照すると、本アプローチを利用すると、トランスデューサ要素の絶対幾何学形状は、重要ではなく、むしろ、コントローラ１０８は、集束帯２０４における標的焦点性質を達成するために、トランスデューサ要素１０４と関連付けられる最適な構成および最適なパラメータ（例えば、振幅ならびに／もしくは位相）を判定する（ステップ５１６）。超音波手技の間、トランスデューサ要素１０４は、判定された最適なパラメータに基づいて駆動されてもよい（ステップ５１８）。
【００５０】
上記に記載されるように、位相偏移の変動は、トランスデューサと音響反射物との間に位置する媒体を横断する超音波の速度が変化するときに起こり得る。したがって、媒体中の超音波の速度の変化が有意ではない（例えば、１０％以内、またはいくつかの実施形態では、５％以内）ことを確実にすることが、重要である。媒体の温度は、その中の音速に直接影響を及ぼすため、いくつかの実施形態では、媒体の温度は、例えば、ＭＲＩ装置を使用して監視される。有意な変化が検出される場合、超音波の速度の予測（およびそれによって、位相偏移）が、調節されてもよく、その結果、測定された位相偏移と予測される位相偏移との間の位相逸脱が、再算出されてもよい。
【００５１】
種々の実施形態では、音響反射物２０２は、トランスデューサ１０２と標的領域１０１との間に位置する不均質な媒体によって引き起こされるビーム収差の判定を促進するように構成される。例えば、図６を参照すると、トランスデューサ要素１０４は、標的領域１０１またはその近傍に集束帯を発生させるように構成されてもよく、音響反射物６０２が、再び、トランスデューサアレイ１０２から標的領域１０１への超音波のビーム経路上に提供されてもよい。一実装では、音響反射物は、超音波によって発生される、および／または投与システム６０４によって導入される微小気泡の群であり、微小気泡群６０２の表面は、標的領域１０１に到達することに先立って超音波を反射する反射物を集合的に形成する。加えて、微小気泡群６０２は、１つを上回るトランスデューサ要素１０４からの超音波ビームがそれから反射され得るように、十分に大きい面積を占有するように構成されてもよい。微小気泡群６０２から反射された超音波は、上記に説明されるような音響信号検出デバイス２１０および／またはトランスデューサ要素１０４によって検出され、続けて、さらなる処理のためにコントローラ１０８に提供されてもよい。投与システム６０４は、カテーテルまたは針と同程度に単純であってもよい。いくつかの実施形態では、投与システム６０４は、微小気泡を搬送する外因性作用物質（例えば、超音波造影剤または任意の他の好適な作用物質）を制御可能に導入するためのより複雑なシステムを含む。例えば、投与システム６０４は、外因性作用物質を患者の身体の中に送達するための導入デバイス（例えば、カテーテルまたは針）６０６と、導入デバイス６０６から分注されるように外因性作用物質を押進するための作動機構（例えば、シリンジ、蠕動ポンプ等）６０８と、外因性作用物質（およびそれによって、微小気泡）の送達量、タイミング、および／またはプロファイルを制御するように、作動機構のアクティブ化および非アクティブ化を制御するためのコントローラ６１０とを含んでもよい。コントローラ６１０および超音波コントローラ１０８は、単一の統合制御設備において実装される、またはそれらの間で通信する２つの独立型デバイスを形成してもよい。好適な投与システムの実施例が、「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｏｆ  Ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃ  Ａｇｅｎｔ  ｉｎ  Ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ」と題され、本明細書と同日付に出願された、米国特許出願（その内容が、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明されている。
【００５２】
種々の実施形態では、コントローラ１０８は、反射されたビームと関連付けられる振幅および／または位相等の情報を取得するために、反射を分析する。一実施形態では、コントローラ１０８は、測定された反射の位相φｒｅｆを伝送波の位相φｔｒａと比較し、それらの間の差異（Δφ＝φｒｅｆ−φｔｒａ）を判定する。差異は、介在媒体から生じるビーム収差からもたらされる。それに基づいて、コントローラ１０８は、超音波治療の間にこれらの収差を補償するためにトランスデューサ要素１０４を動作させ、それによって、標的領域において高品質焦点を提供する。
【００５３】
いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、各トランスデューサ要素１０４に、判定された位相差Δφの位相偏移を有する別の超音波ビームを集束帯に伝送させ、微小気泡群６０２からの結果として生じる反射を測定する。再び、反射された超音波と伝送された超音波との間の位相差は、次の超音波処理のための位相値補正として設定されてもよい。本プロセスは、反射波と伝送波との間の位相差が、ある閾値（例えば、１０°）を下回るまで、反復的に実装されることができ、これは、トランスデューサ１０２と微小気泡群６０２との間に位置する媒体からもたされるビーム収差の正常な補償を示す。しかしながら、他の条件が、位相調節が完了したと見なされ得るときを示してもよい。例えば、位相調節は、多すぎる反復（例えば、２０を上回る）が、実施されているとき、または２つの連続的反復の間の逸脱の改良が、小さすぎる（例えば、Δφｎ＋１−Δφｎ＜５°）ときに停止されてもよい。
【００５４】
加えて、図５Ｂにおいて実装される音響反射物２０２と同様に、コントローラ１０８は、予期される位相偏移からの測定された位相偏移の逸脱の補償が不必要であると判定してもよい。これは、典型的には、例えば、その予期される場所からのトランスデューサ要素１０４の測定された場所の逸脱が、超音波の波長の小さい整数（例えば、１０未満）倍であるとき、および／または一定の位相偏移が全てのトランスデューサ要素１０４において起こるときに起こる。再び、トランスデューサ要素の絶対幾何学形状は、重要ではなく、むしろ、コントローラ１０８は、集束帯において標的焦点性質を達成し得る、トランスデューサ要素１０４の最適な構成およびそれらの関連付けられるパラメータ（例えば、振幅ならびに／もしくは位相）を判定する。さらに、投与システム６０４は、トランスデューサ要素１０４毎に明確に異なる幾何学的場所から複数の反射測定を提供するように、トランスデューサアレイ１０２から標的領域１０１への超音波のビーム経路上の種々の場所において微小気泡反射物６０２を導入してもよく、これは、トランスデューサ幾何学形状の推定正確度を増加させ得る。再び、微小気泡反射物６０２の厳密な場所は、反射物６０２が、超音波のビーム経路と交差し、超音波を反射する限り、重要ではなく、コントローラ１０８は、検出された反射ならびに音響反射物６０２およびトランスデューサ要素１０４の相対的幾何学的配列に基づいて、トランスデューサ要素１０４と関連付けられる情報（例えば、振幅および／または位相）を取得することができる。
【００５５】
超音波焦点は、標的領域１０１において発生されるため、微小気泡群６０２および標的領域１０１の場所の間の距離Ｄを増加させることによって、微小気泡群６０２における音響強度は、低減され、微小気泡のキャビテーション事象および／または他の非線形挙動を回避し、それによって、介在組織への損傷を回避し、潜在的に、較正に干渉し得る。距離Ｄを増加させることは、微小気泡キャビテーションを低減させ得るが、これは、トレードオフを伴い、本距離内に位置する媒体によって引き起こされるビーム収差は、補償されない。いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、媒体の特性（例えば、構造、均質性、密度等）および音響ビームの伝搬に対するそれらの効果についての情報に基づいて、微小気泡群６０２の最適な場所を判定する。例えば、標的領域１０１を囲繞する組織の大部分が、非常に均質であり、それによって、限定されたビーム収差を引き起こす場合、微小気泡群６０２と標的領域１０１との間の距離Ｄは、微小気泡キャビテーションを回避するために増加されてもよい。逆に、標的領域１０１を囲繞する組織が、非常に不均質であり、熱に対して高い耐性を有する場合、微小気泡群６０２と標的領域１０１との間の距離Ｄは、介在組織の不均質性によって引き起こされるビーム収差の測定正確度を増加させるために低減されてもよい。種々の実施形態では、微小気泡群６０２の最適な場所、構成（例えば、形状）、および／または及ぶ面積は、例えば、標的領域１０１に対するトランスデューサ要素１０４の相対的場所および／または、これらの因子が媒体を通して進行するビームの収差に影響するため、標的組織ならびに／もしくは介在媒体の特性、ならびに微小気泡キャビテーションまたは他の非線形挙動を回避することの所望に基づいて判定される。
【００５６】
種々の実施形態では、介在媒体および／または標的領域１０１の特性についての情報は、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）デバイス、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、陽電子放出トモグラフィ（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放出コンピュータトモグラフィ（ＳＰＥＣＴ）デバイス、または超音波検査デバイス等のイメージャ６１２を使用して取得される。イメージャ６１２は、介在媒体および／または標的領域の３Ｄ画像を再構成するために好適な２Ｄ画像のセットを提供してもよく、代替として、画像入手は、３Ｄであってもよい。加えて、画像操作機能性は、イメージャ６１２において、コントローラ１０８において、または別個のデバイスにおいて実装されてもよい。
【００５７】
加えて、微小気泡群６０２の場所、構成、および／または及ぶ面積は、例えば、超音波によって生成される音響放射力を使用して操作されてもよい。音響放射力は、媒体からの吸収、散乱、または反射からもたらされる伝搬する超音波のエネルギーおよび運動量の密度の変化によって生成される。概して、音響放射力の振幅は、超音波強度に比例する。故に、一実装では、微小気泡群６０２に指向される超音波ビームの強度は、発生される音響放射力が、群６０２内の微小気泡を操作および移動させるために十分になるまで徐々に増加する。別の実施形態では、微小気泡群の操作に先立って、介在媒体の特性（例えば、吸収係数）が、上記に説明されるように測定され、群６０２内の微小気泡を移動させるために十分な超音波強度が、それに基づいて算出されることができる。
【００５８】
代替として、超音波操向ビームが、それらを移動させるように群６０２内の微小気泡に対して応力を印加するために生成されてもよい。超音波操行ビームは、機械的または電気的に発生されてもよい。一実施形態では、トランスデューサ要素１０４は、微小気泡に対して物理的に移動され、それらを機械的に操向する。別の実施形態では、トランスデューサ要素によって放出される音響エネルギーの相対的位相の調節からもたらされる電子操向が、使用される。そのような電子操向によって提供される制御度は、個々のトランスデューサ要素１０４のサイズに反比例する。例えば、概して、超音波ビームを効果的に操向するために、トランスデューサ要素のサイズを、アレイによって放出される音響エネルギーの波長ほどにすること、好ましくは、波長の半分と同程度に小さくすることが、望ましい。したがって、多くの場合、集束超音波システムのために使用されるように、約２ミリメートル（２ｍｍ）の波長を有する音響エネルギーを用いて、類似するサイズ、すなわち、断面が約２ｍｍまたはそれ未満を有するトランスデューサ要素が、効果的な操向のために必要とされるであろう。電子操向は、トランスデューサアレイの物理的移動が要求されず、操向が迅速に起こるため、好ましい。
【００５９】
図７は、種々の実施形態による、トランスデューサと標的領域との間に位置する媒体を横断するときの超音波ビーム収差を測定し、測定された収差を補償するためにトランスデューサパラメータを調節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。第１のステップ７０２において、音響反射物（例えば、微小気泡群）が、トランスデューサ要素から標的領域へのビーム経路上に提供される。微小気泡群は、ある閾値を上回る強度を有する超音波を放出することによって発生される、および／または投与デバイスから導入されてもよい。加えて、微小気泡群の場所、構成、および／または及ぶ面積は、微小気泡キャビテーションまたは他の非線形挙動を回避しながら、複数のトランスデューサ要素から超音波を反射するために操作および最適化されてもよい。微小気泡群６０２の操作は、超音波によって生成される音響放射力および／または超音波操向ビームによって生成される応力を使用することによって実施されることができる。第２のステップ７０４において、トランスデューサ要素は、超音波を標的領域に伝送する。第３のステップ７０６において、微小気泡群から反射された超音波は、トランスデューサ要素１０４および／または音響信号検出デバイス２１０を使用して測定される。第４のステップ７０８において、コントローラ１０８は、測定された反射を分析し、トランスデューサと微小気泡群との間に位置する媒体によって引き起こされるビーム収差（例えば、位相偏移）を判定する。第５のステップ７１０において、コントローラ１０８は、判定された収差を補償するように、ビーム形成器１０６に、トランスデューサ要素への駆動信号を調節させ、それによって、標的領域１０１において高品質焦点を発生させる。
【００６０】
本明細書に説明されるトランスデューサ較正手技および収差補償手技は、超音波を反射するために微小気泡を利用するが、超音波は、他のアプローチを使用して反射され得ることに留意されたい。例えば、投与システム６０４は、種々の液体パーフルオロカーボン剤から成るエマルションおよび／または液滴を、治療に先立って、および／またはその間に標的領域の中に投与してもよい。超音波パルスの初期印加は、液滴を微小気泡に蒸発させ得、超音波パルスの後続印加は、微小気泡から反射され得る。反射は、上記に説明されるように検出および分析されてもよい。
【００６１】
一般に、上記に説明されるような機能性（例えば、それと関連付けられる振幅および／または位相等の情報を取得するために反射波を分析すること、測定された反射の位相を予期される位相と比較すること、超音波の「飛行時間」を算出すること、トランスデューサと音響反射物との間に位置する媒体を横断する超音波の速度を推定すること、測定された反射の位相を伝送波の位相と比較すること、トランスデューサ要素と関連付けられる最適なパラメータを判定すること、ならびに／もしくは音響反射物の最適な場所を判定すること）は、撮像システム６１２、音響信号検出デバイス２１０、および／または超音波システム１００のコントローラ内に統合される、もしくは別個の外部コントローラまたは他のコンピュータエンティティもしくは複数のエンティティによって提供されるかどうかにかかわらず、ハードウェア、ソフトウェア、または両方の組み合わせにおいて実装される１つ以上のモジュール内に構築されてもよい。機能が１つ以上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、ＰＹＴＨＯＮ、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うちのいずれかにおいて書き込まれてもよい。加えて、ソフトウェアは、標的コンピュータ（例えば、コントローラ）上に常駐するマイクロプロセッサを対象とするアセンブリ言語において実装されることができ、例えば、ソフトウェアは、これがＩＢＭ  ＰＣまたはＰＣクローン上で起動するように構成される場合、Ｉｎｔｅｌ  ８０×８６アセンブリ言語において実装されてもよい。ソフトウェアは、限定ではないが、フロッピーディスク、ジャンプドライブ、ハードディスク、光学ディスク、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つ以上のＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ、またはＡＳＩＣプロセッサを使用して実装されてもよい。
【００６２】
加えて、本明細書に使用される用語「コントローラ」は、上記に説明されるような任意の機能性を実施するために利用される全ての必要なハードウェアコンポーネントおよび／またはソフトウェアモジュールを広く含み、コントローラは、複数のハードウェアコンポーネントおよび／またはソフトウェアモジュールを含んでもよく、機能性は、異なるコンポーネントおよび／またはモジュール間で分散されることができる。
【００６３】
本発明のある実施形態が、上記に説明される。しかしながら、本発明は、それらの実施形態に限定されず、むしろ、本明細書に明示的に説明されるものへの追加および修正もまた、本発明の範囲内に含まれることが明示的に留意される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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