(57)【要約】位相アレイ集束超音波変換器の個々の駆動サイン波の位相および振幅を制御するためのシステムおよび方法がデジタル制御されたコンポーネントを利用して、３つ以上の基底サイン波の振幅を成分サイン波ベクトルに調整する。この成分サイン波ベクトルは、選択された位相および振幅の各サイン波を生成するように線形結合される。デジタル制御されたコンポーネントの使用は、変換器の焦点領域の種々の距離、形状、および配向（「特性」）間のスイッチングをデジタル制御することを可能にする。任意の数の可能な焦点領域特性の数のための各入力パラメータは、焦点領域特性間で容易にスイッチングするために包括的テーブルまたはメモリにμ秒で格納され得る。出力周波数の変更は、変換器の特定の焦点領域の出力に影響を与えることなく達成される。
2004514521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の変換器エレメントを有する変換器と、
該変換器エレメントに音響エネルギーを放出させるために該変換器エレメントに駆動信号を提供するための駆動回路であって、該駆動回路は、該駆動信号の相対位相シフト、振幅、または該相対位相シフト、該振幅の両方を制御するためにデジタルに制御されたエレメントを含む、駆動回路と
を含む、集束超音波システム。
【請求項２】
前記デジタル制御されたエレメントに入力パラメータを提供するためのコントローラをさらに含み、それにより、前記変換器エレメントによって放出された音響エネルギーの焦点領域の距離、形状、配向、または該距離、該形状、該配向の任意の組み合わせを決定するために、前記駆動信号の相対位相シフト、振幅、または該相対位相シフト、該振幅の両方を制御する、請求項１に記載の集束超音波システム。
【請求項３】
前記デジタル制御されたエレメントに入力パラメータを提供するためのコントローラをさらに含み、該入力パラメータは、超音波処理中に、前記変換器エレメントの予測された位相シフト、振幅、または該予測された位相シフト、該振幅の両方のセットに対応し、該コントローラは、実際の位相シフト、振幅、または該実際の位相シフト、該振幅の両方と該予測された位相シフト、振幅、または該予測された位相シフト、該振幅の両方とを比較するために、該超音波処理中に、該変換器エレメントの該実際の位相シフト、振幅、または該実際の位相シフト、該振幅の両方をモニタリングするように構成される、請求項１に記載の集束超音波システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記実際の位相シフト、振幅、または該実際の位相シフト、該振幅の両方が、前記予測された位相シフト、振幅、または該予測された位相シフト、該振幅の両方から十分に変更される場合、１つ以上の前記変換器駆動信号を停止するようにさらに構成される、請求項３に記載の集束超音波システム。
【請求項５】
前記駆動回路は、前記駆動信号が生成されるソースサイン波を提供するサイン波発生器を含む、請求項１に記載の集束超音波システム。
【請求項６】
前記サイン波発生器は、前記ソースサイン波の周波数を変更するように構成される、請求項５に記載の集束超音波システム。
【請求項７】
前記駆動回路は、前記ソースサイン波から複数の基底サイン波を生成するためのフェーザ発生回路をさらに含み、該基底サイン波は、互いに同位相にオフセットされる、請求項６に記載の集束超音波システム。
【請求項８】
前記フェーザ発生回路は、前記ソースサイン波から４つの基底サイン波を生成し、該基底サイン波は、約０°、９０°、１８０°、および２７０°の相対位相を有する、請求項７に記載の集束超音波システム。
【請求項９】
前記フェーザ発生回路は、前記ソースサイン波から３つの基底サイン波を生成し、該基底サイン波は、約０°、１２０°、および２４０°の相対位相を有する、請求項７に記載の集束超音波システム。
【請求項１０】
前記フェーザ発生回路は、前記ソースサイン波から６つの基底サイン波を生成し、該基底サイン波は、約０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°および３００°の相対位相を有する、請求項７に記載の集束超音波システム。
【請求項１１】
前記フェーザ発生回路は、前記ソースサイン波から８つの基底サイン波を生成し、該基底サイン波は、約０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°および３１５°の相対位相を有する、請求項７に記載の集束超音波システム。
【請求項１２】
前記駆動回路は、複数の制御チャンネルを含み、各制御チャンネルは、各変換器エレメントに関連付けられ、抵抗性エレメントは各制御チャンネルに複数のデジタルポテンシオメータを含み、該ポテンシオメータは、入力基底サイン波の内の選択された１つを調整するために前記基底サイン波およびデジタル制御信号を入力として受信し、該調整された基底サイン波がその後加算されて、該関連付けられた変換器エレメントの各駆動信号を生成する、請求項７に記載の集束超音波システム。
【請求項１３】
前記デジタル制御信号が超音波処理パラメータとして格納され、該システムは、複数の連続的超音波処理パラメータを該各制御チャンネルに提供し、それにより前記変換器エレメントによって放出された音響エネルギーの焦点領域の距離、形状、配向、または該距離、該形状、該配向の任意の組み合わせを変更するように構成される、請求項１２に記載の集束超音波システム。
【請求項１４】
前記各駆動信号の周波数が前記サイン波発生器に提供された超音波処理パラメータによって決定される、請求項１３に記載の集束超音波システム。
【請求項１５】
音響エネルギーを放出するための複数の変換器エレメントを有する変換器と、
ソースサイン波を生成するためのサイン波発生器と、
該ソースサイン波から複数の基底サイン波を生成し、該基底サイン波が互いに同位相でオフセットされる、フェーザ発生回路と、
複数の制御チャンネルであって、各制御チャンネルが各変換器エレメントに関連付けられ、各制御チャンネルは、入力として該基底サイン波を受信し、各制御チャンネルは、該入力基底サイン波の内の選択された１つを調整するために構成された複数のデジタル制御エレメントを有し、各制御チャンネルは、該各調整された入力基底サイン波を加算するための加算回路を有し、該各変換器エレメントを駆動するための駆動サイン波を生成する、複数の制御チャンネルと
を含む、集束超音波システム。
【請求項１６】
前記各制御チャンネルの抵抗性エレメントに制御パラメータを提供するコントローラをさらに含み、それにより、前記変換器エレメントによって放出された音響エネルギーの焦点領域の距離、形状、配向、または該距離、該形状、該配向の任意の組み合わせを決定するために、前記各駆動サイン波の相対位相シフト、振幅、または該相対位相シフト、該振幅の両方を制御する、請求項１５に記載の集束超音波システム。
【請求項１７】
前記フェーザ発生回路は、前記ソースサイン波から４つの基底サイン波を生成し、該基底サイン波は、約０°、９０°、１８０°、および２７０°の相対位相を有する、請求項１５に記載の集束超音波システム。
【請求項１８】
前記フェーザ発生回路は、前記ソースサイン波から３つの基底サイン波を生成し、該基底サイン波は、約０°、１２０°、および２４０°の相対位相を有する、請求項１５に記載の集束超音波システム。
【請求項１９】
前記フェーザ発生回路は、前記ソースサイン波から６つの基底サイン波を生成し、該基底サイン波は、約０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°および３００°の相対位相を有する、請求項１５に記載の集束超音波システム。
【請求項２０】
前記フェーザ発生回路は、前記ソースサイン波から８つの基底サイン波を生成し、該基底サイン波は、約０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°および３１５°の相対位相を有する、請求項１７に記載の集束超音波システム。
【請求項２１】
前記サイン波発生器は、前記ソースサイン波の周波数を変更するように構成され、それにより、前記コントローラから受信された入力パラメータに基づいて、該各駆動サイン波の周波数を変更する、請求項１６に記載の集束超音波システム。
【請求項２２】
対応する複数のサイン波駆動信号によって駆動され、それにより音響エネルギーを放出する複数の変換器エレメントを有する集束超音波システムにおいて、相対位相シフト、振幅、または該相対位相シフト、該振幅の両方を有する各サイン波駆動信号を生成するための方法であって、
ソースサイン波を提供するステップと、
該ソースサイン波から複数の基底サイン波を生成するステップであって、該基底サイン波は互いに同位相でオフセットされる、ステップと、
第１の基底サイン波の振幅を調整して、第１の調整されたサイン波を生成するステップと、
第２の基底サイン波の振幅を調整して、第２の調整されたサイン波を生成するステップと、
該第１および該第２の調整されたサイン波を加算して、各駆動信号を生成するステップと
を含む、方法。
【請求項２３】
前記第１および第２の基底サイン波は、デジタル制御されたエレメントを用いて調整される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記各駆動信号によって駆動された変換器エレメントの予測された位相シフト、振幅、または該予測された位相シフト、該振幅の両方と、超音波処理の間、前記変換器エレメントの実際の位相シフト、振幅、または該実際の位相シフト、該振幅の両方とを比較するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記変換器エレメントの前記実際の位相シフト、振幅、または該実際の位相シフト、該振幅の両方が、前記予測された位相シフト、振幅、または該予測された位相シフト、該振幅の両方から十分に変更される場合、前記変換器駆動信号をターンオフするステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、概して集束超音波システムに関し、より詳細には、患者の体内の１つ以上の標的焦点領域において各変換器エレメントによって伝搬される音響エネルギーを集束するために、集束超音波システムで位相アレイ変換器を制御するためのシステムおよび方法に関する。
【０００２】
（背景）
超音波（すなわち、約２０ｋＨｚよりも大きい周波数を有する）等の高強度で集束された音波は、患者の内部組織領域を治療的処置するために使用され得る。例えば、超音波は、腫瘍を切除するために使用され、それにより侵襲性手術のための必要性を除外し得る。この目的のために、超音波エネルギーを生成するために電気信号によって駆動された圧電変換器を有する集束超音波システムが利用されてきた。
【０００３】
集束超音波システム等のシステムでは、変換器が患者の外部であるが、一般的に切除されるべき患者内部の標的組織領域に隣接して配置される。この変換器は、超音波エネルギーが標的組織領域に対応する「焦点領域」で集束され、組織が壊死するまで領域を加熱するように幾何学的に形成されそして配置され得る。この変換器は、互いに隣接して複数の焦点領域で連続的に集束され活性化され得る。例えば、一連の「超音波処理」が使用されて、所望の大きさおよび形状の全体の組織構造（例えば腫瘍）の凝固壊死を引き起こし得る。
【０００４】
図示によって、図１は、「球形のキャップ（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｃａｐ）」形状を有する位相アレイ変換器１０を示す。この変換器１０は、球面の一部を規定する曲率半径を有する曲がった表面に配置された複数の同心円状のリング１２を含む。一般的に同心円状のリング１２は、等しい表面積を有し、さらに円周方向１４に分割され、複数の曲がった変換器セクタ（すなわちエレメント１６）を形成し、変換器１０の面の「タイル（ｔｉｌｉｎｇ）」を生成し得る。圧電材料の共振振動数付近のサイン（ｓｉｎｕｓ）波を用いて駆動される場合、エレメント１６は、励起サイン波の位相および振幅に従って振動し、それにより所望の超音波エネルギーを生成するように、変換器エレメント１６は圧電材料から構成される。
【０００５】
図２に示されるように、各変換器エレメント１６のサイン駆動信号の相対的な位相シフトおよび振幅は、所望された集束面および三次元（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ）パターンを有する焦点領域２０において放出された超音波エネルギー１８を加算するように個別に制御される。これは、変換器エレメント１６が特定の位置において建設的に干渉し、他の位置において破壊的に打ち消すように、各変換器エレメント１６の信号位相を調整することによって達成される。例えば、エレメント１６のそれぞれが、互いに位相が同じ（「モード０」として公知）駆動信号を用いて駆動される場合、放出された超音波エネルギー１８は、比較的狭い焦点領域で集束される。あるいは、エレメント１６は、互いに所定のシフトされた位相関係がある各駆動信号を用いて駆動され得る（Ｕｍｅｍｕｒａらへの米国特許第４，８６５，０４２号において「モードｎ」と呼ばれる）。これは、環の周りに配置された複数の２ｎ領域を含む焦点領域（すなわち、一般的に環状形状を規定する）を生じ、焦点領域を横切る焦点面内部のより大きな組織領域の壊死を引き起こすより大きな焦点を生成する。焦点領域の種々の距離、形状、および配向（対称軸に対して）は、変換器アレイからの放出されたエネルギー波の相対位相および振幅を制御すること（ビームのステアリングおよびスキャニングを含む）によって作製され得る。それにより、集束されたビームの電子制御が、患者の体内部の標的組織領域（例えば、規定された腫瘍）において多重スポットを被覆および処置することを可能にする。
【０００６】
特定の焦点領域特性を得るためのより高度な技術は、「Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ａｒｏｕｎｄ　ａ　Ｆｏｃａｌ　Ｐｏｉｎｔ　Ｕｓｉｎｇ　ａ　Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、２０００年７月２７日に出願された米国特許出願Ｓ／Ｎ　０９／６２６，１７６と、「Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｒｅｄｕｃｉｎｇ　Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｈｏｔ　Ｓｐｏｔｓ　ｉｎ　ａ　Ｐｈａｓｅｄ　Ａｒｒａｙ　Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、２０００年４月２１日に出願された米国特許出願Ｓ／Ｎ　０９／５５６，０９５と、「Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｃｒｅａｔｉｎｇ　Ｌｏｎｇｅｒ　Ｎｅｃｒｏｓｅｄ　Ｖｏｌｕｍｅｓ　　Ｕｓｉｎｇ　ａ　Ｐｈａｓｅｄ　Ａｒｒａｙ　Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、２０００年４月２１日に出願された米国特許出願Ｓ／Ｎ　０９／５５７，０７８とにおいて開示される。
【０００７】
各変換器エレメントの位相が独立して制御されることを可能にする変換器制御システムを提供することは、これらの焦点領域位置調整および整形技術を実現するために重要である。正確な位置調整および動的運動を提供するためおよび焦点領域を再整形するためには、焦点領域特性間または動作モード間のスイッチングを可能にすることによって、比較的速く（例えばμ秒の範囲で）個々のエレメントの位相および／または振幅の変更を可能にすることが望ましい。米国特許出願Ｓ／Ｎ　０９／５５６，０９５において教示されるように、１つ以上のエレメントの駆動信号周波数を高速に変更することができることも望ましくあり得る。ＭＲＩが導入された集束超音波システムでは、電気高調波、ノイズ、または画像を生成する超高感度レシーバ信号と干渉するフィールドを生成することなく超音波変換器アレイを駆動することができることが望ましい。
【０００８】
従って、画像システムと干渉しないように、位相アレイ集束超音波変換器の各変換器エレメントの駆動電圧、位相および振幅を個々に制御そして動的に変更するためのシステムおよび方法を提供することが望ましい。
【０００９】
（発明の要旨）
本発明は、位相アレイ集束超音波変換器の個々の駆動サイン波の位相および振幅を制御するためのシステムおよび方法を提供する。一実施形態では、デジタルポテンシオメータが、それぞれ位相０°、９０°、１８０°、および２７０°を有する４つの直交基底サイン波の内の選択された２つの振幅を成分サイン波ベクトルに調整するように使用される。この成分サイン波ベクトルが線形結合されて、選択された位相および振幅の各サイン波を生成する。デジタル制御されたポテンシオメータの使用は、種々の焦点領域特性間のデジタル制御されたスイッチングを可能にする。例えば、任意の数の可能な焦点領域距離、形状、および配向のための各入力パラメータは、種々の焦点領域特性間でμ秒で容易にスイッチングするための包括的（ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ）テーブルまたはメモリに格納され得る。
【００１０】
好適な実施形態では、出力周波数の変更はまた、変換器の出力の特有の焦点領域特性に影響を与えることなく容易に達成され得る。この目的のために、焦点領域の距離、形状、および／または配向の連続的な変更は、個々のサイン波を生成するために中央コントローラから各制御チャンネルに伝搬されたデジタル制御信号の連続的なセット（すなわち「超音波処理パラメータ」）の形態でインプリメントされる。このデジタル制御信号は、単一の熱量（ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｏｓｅ）の一部（または「超音波処理」）として時間ドメイン関数に従って変更され得る。言い換えれば、単一の超音波処理の間、本明細書中で提供されたシステムおよび方法は、患者の組織内で一定の伝熱時間と比較して比較的高い速度で超音波エネルギービーム焦点形状および位置間のスイッチングを可能にする。
【００１１】
本発明のさらなる局面によると、超音波処理入力パラメータの各セットは、各サイン波に対して、予測され、または計画された出力位相および振幅レベルの対応するセットを有する。次いで実際の出力レベルが計測され、実際の位相または振幅のいずれかが各サイン波に対して期待されたものとは異なる場合、特定の駆動サイン波または恐らく全体のシステムは、予備的な安全計測としてシャットダウンされ得る。
【００１２】
本発明の他の目的および特性は、添付図面と共に以下の説明を考慮することによって明らかになる。
【００１３】
本発明の好適な実施形態は、添付図面において、限定によらず、例示によって説明される。
【００１４】
（好適な実施形態の詳細な説明）
図３は、集束超音波システムにおける位相アレイ変換器２４を駆動するための好適なシステム２２を示す。変換器２４は、「ｎ」個の個々の変換器エレメント（図示せず）を有し、それぞれのエレメントは、各サイン波ｉ（ｓｉｎｕｓｉ）によって同じ周波数で別個に駆動されるが、同位相でシフトされ、および／または振幅が制御される。特に制御システム２２は、ここに制御されるべき各変換器エレメントから放出された超音波エネルギー波の位相および振幅が個々に制御されることを可能にする。代替の実施形態では、２つ以上の変換器エレメントが同じサイン駆動信号によって駆動され得、アレイ内部の変換器エレメントが異なる周波数で駆動され得る。さらに、変換器が特定の幾何学的形状（例えば、球面キャップ、線形アレイ、または他の形状であり得る）を有する必要がない。
【００１５】
変換器２４の全ての変換器エレメントを駆動するためのこのサイン波は、好適には、純粋な信号（すなわち、低ひずみ、低ノイズ）を提供する態様で単一ソースサイン波３２から導かれ、集束超音波システムの画像形態（例えばＭＲＩ）の信号干渉を回避する。好適な実施形態では、サイン波源３２が直接デジタル合成器から生成され、これにより周波数は出力周波数の広い範囲間で容易に変化され得る。フェーザ発生器３４は、サイン波源３２から複数の「基底（ｂａｓｅ）」サイン波を生成する。例示的な制御システム２２では、フェーザ発生器３４は、４つの基本サイン波を生成する。各サイン波は正確に９０°位相がオフセットしている。すなわち、０°、９０°、１８０°および２７０°の各位相を有する基底サイン波である。開示の全体から理解されるように、わずか３つの基底サイン波は、本明細書で開示された本発明を実行するための代替の実施形態において生成され得る。他の代替の実施形態では、４未満または４を超える基底サイン波が利用され得る。非限定例によって、互いに１２０°オフセットしている３つの基底サイン波、互いに６０°オフセットしている６つの基底サイン波、または互いに４５°オフセットしている８つの基底サイン波が使用され得る。基底サイン波の数および対応する位相オフセットは、本明細書で教示される発明の概念から逸脱することなく当業者の内の１人の設計選択に従って変更され得る。
【００１６】
基底サイン波は、バッファ３６を通過し、そして「ｎ」個の制御チャンネル２６のそれぞれに分配され、この「ｎ」個の制御チャンネル２６は、変換器２４のｎ変換器素子のそれぞれから各サイン波駆動信号を生成する。０°基準信号からの９０°の線形位相シフトに対する代替的な設計のように、０°および９０°基準信号を生成するための２つのＤＤＳデバイス、その後、４つの全ての基底的な基準信号０°、９０°、１８０°（０°の反転）、および２７０°（９０°の反転）を生成するための単純なインバータを使用することが可能である。特に各制御チャンネル２６は、デジタルハードウエア回路（例えば、ＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ、またはＡＳＩＣ上で実現され得る）あるいは発生されるべき各サイン波ｉの位相および振幅を制御するためのプロセッサ（図示せず）から構成された中央コントローラからデジタル制御信号２８の形態で命令を受信する。別のコントローラ（図示せず）は、サイン波源３２の出力周波数を制御する。デジタル制御信号２８は、各制御チャンネル２６に配置された複数のデジタル制御されたポテンシオメータ３０に対する各入力パラメータを含む。以下により詳細に説明されたように、デジタルポテンシオメータは、各入力パラメータに含まれた抵抗値に従って、各基底サイン波の振幅を正確に調整する。
【００１７】
次いで、調整されたサイン波は、加算増幅器３８に伝達し、特別に構成された位相シフトおよび振幅を有する各駆動サイン波を生成する。生成された駆動サイン波は、増幅ステージ４０に伝達され、各変換器エレメントを駆動するために、所望のレベルに信号を増大する。制御チャンネル２６からの増幅されたサイン波は、１つ以上の伝送ケーブル４４に束ねられた各ワイヤ４２を介して伝搬される。変換器２４では、ワイヤ４２は束ねられず、公知のワイヤ変換機結合技術に従って各変換器エレメントに電気的に接続される。
【００１８】
より詳細な図示によって、図４は一実施形態を示し、４つのデジタルポテンシオメータ３０を有するコンポーネント３１（例えば、アナログデバイスモデルＡＤ８４０３）が各制御チャンネル２６で提供される。４つの基底サイン波（０°、９０°、１８０°、および２７０°）がコンポーネント３１内の各ポテンシオメータ３０に入力される。各デジタル制御信号２８からの入力パラメータ（すなわち、ポテンシオメータ抵抗値）はまた、各ポテンシオメータ３０に入力される。入力パラメータに基づいて、基底サイン波の内の２つは、完全に０に調整され、残りの２つの（直交）基底サイン波のそれぞれの振幅は、デジタル入力パラメータによって決定されたレベルにそれぞれ調整される。特に、生成されたサイン波ｉの特定の位相角に最も近い２つの基底サイン波が使用されるが、他の２つの基底サイン波は必要とされない。次いで、「調整された」基底サイン波２９は、加算増幅器３８によって線形結合され、各サイン波ｉを生成する。
【００１９】
基底サイン波を調整するようにデジタルポテンシオメータ３０に使用は、変換器２４の焦点領域（本明細書中で一般的に「焦点領域特性」と呼ぶ）の各距離、形状、および／または配向間でデジタルに制御されたスイッチングを可能にすることが理解される。例えば、フィールドプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）の使用によって、任意の数の可能な焦点領域特性のための各入力パラメータが包括テーブルまたはメモリに格納され得る。これらのパラメータは、デジタル制御信号２８を用いて各制御チャンネル２６に転送される。このような焦点領域特性間のスイッチングは、異なるセットの格納されたデジタル制御信号２８を各制御チャンネル２６に転送することによってμ秒で達成される。ソースサイン波の周波数の変更（関連付けられた制御パラメータの異なるセットがあるかまたはなくても）はまた、速やかに実現され得る。
【００２０】
この目的のために、変換器の焦点領域特性の連続的な変更は、中央コントローラから各制御チャンネル２６までの連続的なセットのデジタル制御信号２８の形態で実現され得る。この連続的なセットのデジタル信号は、単一の熱量または「超音波処理」の一部として時間ドメイン関数によって分離される。言い換えると、単一の超音波処理の間に、システム２２は、患者の組織内で一定の伝熱時間と比較して相対的に高い速度で超音波エネルギービーム形状間でスイッチングする能力を有する。この能力は、一回の超音波処理の間でいくつかの「サブ超音波処理」を実行することによって達成される。
【００２１】
例示によって、持続時間１０秒の超音波処理が毎秒の出力周波数を変更すること（例えば、二次的なホットスポット（ｈｏｔ　ｓｐｏｔ）を低減するために２つの周波数間の前後で変更すること）を含むが、例えば０．２５秒毎に各変換器の焦点領域特性を独立して変更することを含み得る。サブ超音波処理間の０．２５秒毎の遷移が、最小線形発振を用いて、および中央コントローラによる介入なしで、好適には実行される。集束超音波システムのための超音波処理パラメータを最適化するシステムは、「Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　Ｆｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｏｓｉｎｇ　ｉｎ　ａ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、２０００年１１月２８日に出願された米国特許出願Ｓ／Ｎ　０９／７２４，６７０に開示されている。
【００２２】
制御システム２２によって利用された一般的な概念に従って、各制御チャンネル２６における基底サイン波の特定のシーリングおよび線形組み合わせ、およびそれにより特定の生成されたサイン波ｉの位相および振幅が以下のように決定される。
【００２３】
所与のサイン波「ｉ」は、Ａｉｃｏｓ（ωｔ＋α）として複素平面でベクトルとして表され得る実成分および虚成分の両方を有する。ここでＡは振幅であり、ωは周波数であり、αはサイン波ｉの位相である。ベクトルＡｉは図５に示されるようにＡｉは、Ａｉ∠αｉｍａｇとしてグラフィカルにＸＹ座標で表される。さらに図５を参照すると、ベクトルＡｉはまた、式Ａｉ＝Ｋ１＊Ｙ＋Ｋ２＊Ｘに従って、２つの基底サイン波ベクトル０°（Ｋ１＊Ｙ）および９０°（Ｋ２＊Ｘ）の和として表現され得る。ここで、Ｋ１およびＫ２は、０°および９０°の基底サイン波定数の振幅である。従って、各基底サイン波の振幅を正確に調整することによって、０°〜９０°の任意の位相の生成したサイン波ｉは、２つの調整された基底サイン波を共に加算することによって導かれ得る。このことから、０°〜３６０°の任意のベクトル和を任意の所望の振幅で生成することが可能である。
【００２４】
同様に、図６を参照すると、角度α３が各角度α１とα２との間にある限り、関係Ａ１ｃｏｓ（ωｔ＋α１）＋Ａ２ｃｏｓ（ωｔ＋α２）＝Ａ３ｃｏｓ（ωｔ＋α３）に従って、第１のサイン波ベクトルＡ１と第２のサイン波ベクトルＡ２とを加算または合計して、第３のサイン波ベクトルＡ３を生成することが可能である。このように、任意の所与の位相角度αｉのサイン波ベクトルは、基底サイン波０°、９０°、１８０°、２７０°から生成され得る。観測されるように、３つのサイン波が少なくとも９０°だけ互いに位相が分離される限り、任意の位相のサイン波は、わずか３つの基底サイン波（例えば、０°、１２０°、および２４０°）から生成され得る。より大きな基底サイン波（例えば、０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、および３１５°）もまた利用され得ることがさらに理解される。
【００２５】
さらなる例示によって、図７（ａ）〜図７（ｄ）は、基底サイン波ベクトルＡ∠９０°、Ａ∠０°から種々のサイン波ベクトルＡ∠７８．７５°、Ａ∠６７．５°、Ａ∠５６．２５°、およびＡ∠４５°の生成を示す。特に、サイン波ベクトルＡ∠４５°は、基底サイン波ベクトルＡ∠９０°、Ａ∠０°を調整および加算することによって生成される。この例では、１８０°および２７０°の基底サイン波は、各デジタルポテンシオメータ３０によって０に調整される。サイン波ベクトルＡ∠６７．５°は、基底サイン波ベクトルＡ∠９０°とサイン波ベクトルＡ∠４５°とを調整および加算することによって生成される。サイン波ベクトルＡ∠７８．７５°は、基底サイン波ベクトルＡ∠９０°とサイン波ベクトルＡ∠６７．５°とを調整および加算することによって生成される。サイン波ベクトルＡ∠５６．２５°は、サイン波ベクトルＡ∠６７．５°とサイン波ベクトルＡ∠４５°とを調整および加算することによって生成される。
【００２６】
図８は、システム２２の代替の実施形態を示す。複数のクロスポイントスイッチアレイ３３は、必要とされたデジタルポテンシオメータ３０の全体の数を低減するために使用される。特に４×４スイッチアレイ３３（例えば、アナログデバイスモデルＡＤ８１０８等）は、４つの基底サイン波（０°、９０°、１８０°、および２７０°）を受信する。デジタル制御信号２８における１つ以上のパラメータフィールドは、各クロスポイントスイッチアレイ３３に入力され、アレイが分離され、特定のチャンネルサイン波ｉをポテンシオメータ３０に生成するために必要なそれぞれ２つの基底サイン波に伝搬させる。当業者に理解されるように、他のクロスポイントスイッチアレイのタイプおよびサイズは、１つ以上の制御チャンネル２６において必要とされた各基底サイン波の対を分離するために使用され得る。著しく、各チャンネル２６は、各サイン波ｉの位相および振幅の両方を決定するように、少なくとも２つのデジタルポテンシオメータ３０を含まなければならない。
【００２７】
本明細書中で説明された本発明の概念をより十分に理解する目的のために、図９は、例示的なＭＲＩが導入された集束超音波システム８０を示す。一般的に、このシステム８０は、円筒形チャンバ８４を有するＭＲＩ装置８２を含み、ＭＲＩ装置８２は、患者のテーブル８６に適応する。密封された水浴８８は、テーブル８６上に横たわる患者の処置されるべき標的組織領域にアクセスするのに適切な位置で患者のテーブル８６に（そうでなければ患者のテーブルの上部に）埋め込まれる。「ｎ」個の変換器エレメントを有する移動可能な位相アレイ変換器９０が水浴８８に配置される。変換器９０は、好ましくは図３の変換器２４と同様な球面キャップ形状を有する。変換器９０のｘおよびｙ座標に沿った位置、間隔、回転、揺れを制御するための好適な変換器位置決定システムの特定の細部は、「Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ　Ｆｏｒ　ＭＲＩ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｔｈｅｒａｐｙ　Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、２０００年７月３１日に出願された米国特許出願Ｓ／Ｎ　０９／６２８，９６４に開示される。ＭＲＩが導入された集束超音波システムの一般的な細部は、米国特許第５，２４７，９３５号、第５，２９１，８９０号、第５，３２３，７７９号、および第５，７６９，７９０号に提供される。
【００２８】
ＭＲＩ装置８２および患者テーブル８６は、遮蔽されたＭＲＩ室９２に配置される。ホスト制御コンピュータ（「ホストコンローラ」）９４は、ＭＲＩ装置８２の動作を妨害しないように（ホストコントローラの動作を妨害しないように）、隣接する設備室９６に配置される。ホストコントローラ９４は、変換器ビーム制御システム（「変換器コントローラ」）９８と通信する。変換器コントローラは、好ましくは、そうでなければＭＲＩ装置８２の動作を妨害しないように、患者のテーブル８６のより低い周辺付近に取り付けられる。集合的に、ホストコントローラ９４および変換器ビーム制御システム９８は、上述の制御システム２２の機能を実行する。特に、ホストコントローラ９４は、システム８０によって実行された各患者の処置セッションに対して超音波処理パラメータを変換器制御システム９８に提供する。各患者処置セッションは、典型的には一連の超音波処理を含み、例えば各超音波処理は約１０秒間継続し、そして各超音波処理の間、冷却期間（例えば約９０秒）を有する。各超音波処理自体が、典型的には複数のサブ超音波処理（例えば、各超音波処理に対して約１〜２秒）を含む。周波数および／または焦点領域特性は、各サブ超音波処理によって変動し得る。ホストコントローラ９４から変換器９８に提供された超音波処理パラメータは、各サブ超音波処理に対して変換器９０の各変換器エレメントのための駆動サイン波の振幅および位相オフセットを設定するためのデジタル制御パラメータを含む。
【００２９】
さらにＭＲＩワークステーション１００が設備室９６に配置され、患者内部の処置領域のＭＲ画像は、処置セッションを監視する担当医または技術者に提示される。米国特許出願Ｓ／Ｎ　０９／７２４，６７０の教示によると、ＭＲＩワークステーション１００は、好適には、超音波処理中に患者の標的組織領域のリアルタイム組織温度変化のフィードバック画像をホストコントローラ９４に提供する。ホストコントローラ９４は、フィードバック画像に基づく処置セッションの１つ以上の超音波処理のための超音波パラメータを調整し得る。
【００３０】
図１０を参照すると、各処置セッションが開始する前に、次いで各超音波処理の前の冷却期間中に、変換器コントローラ９８は、ホストコントローラ９４からその後の超音波処理のための超音波処理パラメータを受信し、これらのパラメータをメモリ１０４に格納する。超音波処理の開始時に、パラメータは、変換器９０のｎ個の変換器エレメントをそれぞれ駆動するために、ソースサイン波発生器１１０およびフェーザ発生器１１２からそれぞれｎ個のサイン駆動波１０８を生成するためのｎ個の各制御チャンネル１０６に入力される。
【００３１】
ホストコントローラ９４はまた、好適には、各サイン波ｉ駆動信号の実際の出力位相および振幅を監視し、次いで各超音波処理パラメータの予測され、計画された出力レベルの対応するセットと実際の値とを比較することによって、各超音波処理中に患者の安全性を監視するように構成される。一実施形態では、これはホストコントローラ９４のＡ／Ｄ基板へのサイン駆動波１０８（十分に増幅された）の低ノイズ多重化によって達成される、計測が行われる。実際の位相または振幅が、各サイン波ｉに対して予測されたものと異なる場合、特定の駆動サイン波１０８または恐らく全体のシステム８０は、予備的な安全な計測として停止され得る。
【００３２】
本発明が種々の改変の影響を受けやすいが、本発明の代替的な形態、特定の例が図面に示され、本明細書中で詳細に説明されてきた。しかし、本発明が特定の形態または開示された方法に限定されないが、対称的に本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての改変、均等物、および代替物を含むものとして理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、位相アレイにおいて駆動される複数の変換器エレメントを含む例示的な球面キャップ変換器の平面図である。
【図２】
図２は、標的焦点領域の集束超音波エネルギーの集中された放出を示す、図１の変換器の部分的切断側面図である。
【図３】
図３は、集束超音波システムにおける位相アレイ変換器を動作するための好適な制御システムのブロック図である。
【図４】
図４は、図３のシステムにおいて各変換器エレメントサイン波を生成するための１つの好適な回路の実施形態の概略図である。
【図５】
図５は、サイン波を表すための複雑な平面のベクトルを示す。
【図６】
図６は、第３のサイン波ベクトルを生成するための第１および第２のサイン波ベクトルの加算を示す。
【図７ａ】
図７ａは、図３のシステムの種々の位相のサイン波ベクトルの生成を示す。
【図７ｂ】
図７ｂは、図３のシステムの種々の位相のサイン波ベクトルの生成を示す。
【図７ｃ】
図７ｃは、図３のシステムの種々の位相のサイン波ベクトルの生成を示す。
【図７ｄ】
図７ｄは、図３のシステムの種々の位相のサイン波ベクトルの生成を示す。
【図８】
図８は、図３のシステムの各変換器エレメントサイン波を生成するための別の好適な回路の実施形態の概略図である。
【図９】
図９は、例示的なＭＲＩが導入された集束超音波システムのブロック図である。
【図１０】
図１０は、図９の集束超音波システムの位相アレイ変換器を動作するための好適な制御システムのブロック図である。
【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年2月5日(2003.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サイン波信号を生成するように構成されたサイン波源と、
該サイン波源に接続され、該サイン波信号に応答して複数の基底波を生成するように構成されたフェーザ発生器と、
該フェーザ発生器に接続され、該複数の基底波に応答して複数の駆動信号を生成するように構成された複数の制御チャンネルであって、該複数の制御チャンネルのそれぞれは、該複数の駆動信号の対応する１つの相対位相シフト、振幅、または該相対位相シフト、該振幅の両方を制御する、複数の制御チャンネルと、
該複数の制御チャンネルに接続され、該複数の駆動信号に応答して音響エネルギービームを放出するように構成された複数の変換器エレメントを有する変換器アレイと
を含む、集束超音波システム。
【請求項２】
入力パラメータを提供するための前記複数の制御チャンネルに接続されたコントローラであって、前記音響エネルギービームの焦点領域の距離、形状、配向、または該距離、該形状、該配向を決定するために、前記複数の駆動信号のそれぞれの前記相対位相シフト、前記振幅または該相対位相シフト、該振幅の両方を制御する、コントローラをさらに含む、請求項１に記載の集束超音波システム。
【請求項３】
超音波処理中に、予測された位相シフト、振幅、または該予測された位相シフト、該振幅の両方のセットに対応する入力パラメータを提供するため、該超音波処理中に、実際の位相シフト、振幅、または該実際の位相シフト、該振幅の両方のセットをモニタリングするため、ならびに、該実際の位相シフト、該振幅、または該実際の位相シフト、該振幅の両方のセットと、予測された位相シフト、振幅、または該予測された位相シフト、該振幅の両方の該セットとを比較するための該複数の制御チャンネルに接続されたコントローラをさらに含む、請求項１に記載の集束超音波システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記予測された位相シフト、振幅、または該予測された位相シフト、該振幅の両方の該セットから十分に変更する、前記実際の位相シフト、振幅、または該実際の位相シフト、該振幅の両方のセットに応答して１つ以上の前記複数の駆動信号を停止させるようにさらに構成される、請求項３に記載の集束超音波システム。
【請求項５】
前記複数の制御チャンネルのそれぞれが、
デジタルコントローラと、
複数のデジタルポテンシオメータであって、該デジタルポテンシオメータのそれぞれは、該デジタルコントローラに接続された第１の入力と、前記フェーザ発生器に接続された第２の入力と、前記変換器アレイに接続された出力とを有する、請求項１に記載の集束超音波システム。
【請求項６】
前記複数の制御チャンネルのそれぞれが、
前記複数のデジタルポテンシオメータと前記変換器アレイとの間に接続されたサンプリング増幅器をさらに含む、請求項５に記載の集束超音波システム。
【請求項７】
前記複数の制御チャンネルのそれぞれが、
前記フェーザ発生器と前記複数のデジタルポテンシオメータとの間に接続されたクロスポイントスイッチアレイをさらに含む、請求項５に記載の集束超音波システム。
【請求項８】
前記フェーザ発生器は、約０°、９０°、１８０°、および２７０°の相対位相を有する４つの基底波を生成する、請求項１に記載の集束超音波システム。
【請求項９】
前記フェーザ発生器は、約０°、１２０°、および２４０°の相対位相を有する３つの基底波を生成する、請求項１に記載の集束超音波システム。
【請求項１０】
前記フェーザ発生器は、約０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°および３００°の相対位相を有する６つの基底波を生成する、請求項１に記載の集束超音波システム。
【請求項１１】
前記フェーザ発生器は、約０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、および３１５°の相対位相を有する８つの基底波を生成する、請求項１に記載の集束超音波システム。
【請求項１２】
前記複数のデジタルポテンシオメータは、前記デジタルコンローラからの制御信号に応答して前記複数の基底波を調整する、請求項５に記載の集束超音波システム。
【請求項１３】
前記デジタルコントローラは、前記音響エネルギービームの焦点領域の距離、形状、配向、または該距離、該形状、該配向の任意の組み合わせを変更する複数の連続的な超音波処理パラメータを提供するように構成される、請求項５に記載の集束超音波システム。
【請求項１４】
前記複数の駆動信号の周波数が前記サイン波源に供給された前記複数の連続的な超音波処理パラメータに従って決定される、請求項１３に記載の集束超音波システム。
【国際調査報告】
2004514521.tif 000037
2004514521.tif 000038
2004514521.tif 000039