(57)【要約】焦点超音波処理を使用して治療処置を実行するシステムは、変換器アレイ（１２）（これは、複数の変換器要素（２２）を含む）、駆動回路（１４）（これは、該変換器要素に連結されている）、および制御装置（１６）（これは、該駆動回路に連結されている）を含む。該制御装置は、該駆動回路を制御して、該変換器要素のセットに各駆動信号を交互に送る。該制御装置はまた、各駆動信号の位相要素を制御して、所定のサイズ、形状および／または位置の焦点ゾーンを提供し、それにより、該焦点ゾーンにある標的組織領域を壊死する。
2004507280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点超音波を使用して患者の標的組織領域で治療処置を実行するためのシステムであって、該システムは、以下：
変換器アレイであって、該変換器アレイは、複数の「ｎ」個の変換器要素を備える、変換器アレイ；
駆動回路であって、該駆動回路は、該変換器要素に連結され、該変換器要素の各々に各駆動信号のセットを提供するように構成されている、駆動回路；および　制御装置であって、該制御装置は、該駆動回路に連結され、該変換器要素の複数セットからの超音波エネルギーを、処置されている患者に択一的に向けるように構成され、各セットの変換器要素は、複数の「ｍ」個の変換器要素を備え、「ｍ」は、「ｎ」より小さい、制御装置、を備える、
システム。
【請求項２】
前記制御装置が、前記駆動回路を制御して各セットの変換器要素に各駆動信号を択一的に送るように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記制御装置が、前記セットの変換器要素の１個を前記駆動回路に択一的に連結するためのセレクタを備える、それにより、該駆動回路が、前記連結セットの変換器要素に各信号を送り得る、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記制御装置が、前記変換器アレイを「ｐ」セットの変換器要素に分割するようにさらに構成され、「ｐ」が、１より大きく、各セットの変換器要素が、「ｎ／ｐ」変換器要素をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記制御装置が、前記変換器アレイを「ｐ」セットの変換器要素に分割するようにさらに構成され、「ｐ」が、１より大きく、各セットの変換器要素が、全表面積「ａ」を有し、ここで、「ａ」が、「Ａ／ｐ」に等しく、Ａが、変換器アレイ全体の口径面積であり、各セットのｆ数が、該変換器アレイ全体のｆ数よりも実質的に大きい、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記変換器要素が、複数の同心円リングを備え、そしてここで、前記セットの変換器要素が、第一および第二セットの該同心円リングを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記同心円リングの各々が、円周に沿って、複数の曲線要素に分割される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記制御装置が、前記曲線要素に送られる各駆動信号の遅延および振幅の少なくとも１つを制御して、前記変換器要素により作成される所定サイズおよび形状の焦点ゾーンを提供するようにさらに構成されている、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記制御装置が、各駆動信号の遅延および振幅の少なくとも１つを制御して、前記複数セットの各々にある前記変換器要素を、所望焦点ゾーンに実質的に集中させるようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
焦点超音波を使用して患者の標的組織領域で治療処置を実行する方法であって、該方法は、以下：
複数セットの変換器要素を備える変換器アレイを提供する工程；および
各セットの該変換器要素により生じる超音波エネルギーを所望焦点ゾーンに実質的に連続的に集中させつつ、超音波処理中において、所定の持続時間にわたって、該セットの変換器要素の各々を各駆動信号のセットで択一的に駆動する、工程、を包含する、
方法。
【請求項１１】
前記変換器要素の前記超音波エネルギーが、前記各駆動信号の遅延および振幅の少なくとも１つを制御することにより、前記所望焦点ゾーンに集中させる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
各セットの変換器要素が択一的に駆動される前記所定持続時間が、約１秒以下である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記超音波処理が、少なくとも約５秒間の持続時間を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記セットの変換器要素の各々を択一的に駆動する工程が、該セットの変換器要素の各々を、前記各駆動信号を提供する駆動回路に択一的に連結する工程を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記セットの変換器要素の各々が、各セットにより生じる超音波エネルギーが互いに実質的に同じであるように、互いに実質的に同じ全表面積を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記変換器アレイが、複数の「ｎ」個の変換器要素を含み、ここで、前記方法が、前記セットの各々が択一的に駆動される前に該セットの各々に含まれるように、複数の「ｍ」個の変換器要素を選択する工程をさらに包含し、「ｍ」が、「ｎ」より小さい、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
複数の前記変換器要素を、前記セットの変換器要素の各々が択一的に駆動される前に、該セットの各々にランダムに割り当てる工程をさらに包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
集中超音波を使用して患者の標的組織領域で治療処置を実行する方法であって、該方法は、以下の工程：
第一セットの変換器要素および第二セットの変換器要素を備える変換器アレイを提供する工程；
第一セットの該変換器要素により生じる超音波エネルギーを所望焦点ゾーンに実質的に集中させつつ、該第一セットの変換器要素を各駆動信号のセットで駆動する工程；ならびに
第二セットの該変換器要素により生じる超音波エネルギーを所望の焦点ゾーンに実質的に集中させつつ、該第一セットの変換器要素の駆動を中止した後、該第二セットの変換器要素を各駆動信号のセットで駆動する工程、を包含する、
方法。
【請求項１９】
焦点超音波を使用して患者の標的組織領域で治療処置を実行するためのシステムであって、該システムは、以下：
変換器であって、該変換器は、表面積「Ａ」およびｆ数を有し、超音波エネルギーを焦点ゾーンに放射するように構成されている、変換器；
駆動回路であって、該駆動回路は、該変換器に連結され、該変換器に駆動信号を送って該変換器に超音波エネルギーを放射させるように構成されている、駆動回路；および
シャッター装置であって、該シャッター装置は、該変換器と該焦点ゾーンとの間に配置されており、該焦点ゾーンを該変換器の代替の表面積「ａ」に曝すように構成されており、「ａ」が、「Ａ」より小さい、シャッター装置、を備える、システム。
【請求項２０】
前記変換器が、複数の「ｎ」個の変換器要素を備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
制御装置をさらに備え、該制御装置が、前記駆動回路に連結され、該駆動回路を制御して各セットの変換器要素に各駆動信号を択一的に送るように構成されており、各セットの変換器要素が、複数の「ｍ」個の変換器要素を含み、「ｍ」が、「ｎ」より小さい、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記シャッター装置が、複数のシャッターを備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記複数のシャッターの１個またはそれ以上を選択的に開放して前記焦点ゾーンを前記変換器の代替の表面積「ａ」に曝す制御装置をさらに備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記シャッター装置が、そこを通る開口部を備え、該開口部が、断面積「ａ」を有し、ここで、該シャッター装置が、前記焦点ゾーンを、該開口部を通って、前記変換器の代替の表面積に曝すように移動可能である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
焦点超音波を使用して患者の標的組織領域で治療処置を実行するための方法であって、該方法は、以下：
表面積「Ａ」を有する超音波エネルギーを放射するように構成された変換器を提供する工程；
該変換器により生じる超音波エネルギーを該標的組織領域に集中させつつ、超音波処理中において、所定の持続時間にわたって、該変換器を駆動信号で駆動する工程；および
該超音波処理中において、該変換器の表面積「ａ」からの超音波エネルギーを該標的組織領域に択一的に向ける工程であって、「ａ」は、「Ａ」より小さい、工程、を包含する、
方法。
【請求項２６】
前記変換器が、複数の「ｎ」個の変換器要素を備え、ここで、前記超音波エネルギーを向ける工程が、複数の「ｍ」個の変換器要素を択一的に駆動する工程を包含し、ここで、「ｍ」が、「ｎ」より小さい、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記変換器と前記患者との間に、シャッター装置が配置され、ここで、前記超音波エネルギーを向ける工程が、該シャッター装置を制御して、該患者を、該シャッター装置を通って、該変換器の表面積「ａ」に曝す工程を包含する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記シャッター装置を制御する工程が、該シャッター装置上の１個またはそれ以上のシャッターを選択的に開いて、該患者を、該開放シャッターと整列した前記変換器の表面積「ａ」に曝す工程を包含する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記シャッター装置が、そこを通る１個またはそれ以上の開口部を備え、該開口部が、全断面積「ａ」を有し、ここで、該シャッター装置を制御する工程が、該１個またはそれ以上の開口部を移動して、前記患者を、該１個またはそれ以上の開口部と整列した表面積「ａ」に曝す工程を包含する、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記表面積「ａ」が、前記超音波処理中にて、定期的に変化する、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般に、焦点超音波（ｆｏｃｕｓｅｄ　ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）を使用して非侵襲的外科手順を実行するシステムおよび方法に関し、さらに特定すると、焦点超音波変換器アレイを使用して長い壊死容量（ｌｏｎｇｅｒ　ｎｅｃｒｏｓｅｄ　ｖｏｌｕｍｅｓ）を作成するシステムおよび方法に関する。
【０００２】
（背景）
高強度焦点音波（例えば、超音波（約２０キロヘルツより大きい周波数を有する音波））は、患者内の内部組織を処置するのに使用され得る。例えば、超音波は、腫瘍を切除したり侵襲的手術の必要性をなくすのに使用され得る。組織を切除または壊死するのに十分なエネルギーを発生させるために、圧電性変換器が使用されている。このような変換器は、患者の外部ではあるが切除する組織に近接して配置され、超音波を生じる電気信号により、駆動される。この変換器は、超音波が患者内の標的組織領域に対応する焦点ゾーンに集中して組織が壊死するまで標的組織領域を加熱するような幾何学的な形状にされ配置される。この変換器は、互いに近接した多数の焦点ゾーンに連続集中され起動され得る。この一連の超音波処理は、所望のサイズおよび形状の組織構造全体（例えば、腫瘍）の凝固壊死を引き起こすために使用される。
【０００３】
球形キャップ変換器アレイ（例えば、Ｕｍｅｍｕｒａらに登録された米国特許第４，８６５，０４２号で開示されたもの）は、この目的のために提案されている。この球形キャップ変換器アレイは、複数の同心円リングを備え、これは、球の一部を規定する曲率半径を有する曲面上に配置されている。この同心円リングは、一般に、等しい表面積を有し、また、円周に沿って、複数の曲線変換器要素またはセクターに分割され得、セクター−ボーテックスアレイを形成する。この変換器要素は、全て、位相および振幅が相殺される単一周波数で、高周波（ＲＦ）電気信号により、同時に駆動される。特に、各駆動信号の位相および振幅は、放射した超音波エネルギーを所望の焦点ゾーンに集中するように制御され、そして標的組織領域で所望のエネルギーレベルを生じ得る。
【０００４】
壊死領域のサイズを大きくするために、この各駆動信号の振幅が大きくされ得、それにより、一般に、超音波により焦点ゾーンで壊死される組織領域のサイズが大きくなり、結果的に、組織構造全体（例えば、腫瘍）を処置するのに必要な超音波処理の回数が減り得る。しかしながら、振幅を大きくすると、また、焦点ゾーンの各側面にある組織を通るエネルギーの量が多くなる。これにより、患者に対して望ましくない苦痛を与え、標的領域の外側（特に、「近接領域」、すなわち、この変換器と焦点ゾーンとの間にある領域）にある組織の加熱および／または壊死を引き起こし得る。
【０００５】
代替法として、超音波処理１回あたりの壊死容量を高めるために、球形キャップ変換器アレイ（例えば、Ｕｍｅｍｕｒａらに登録された米国特許第４，８６５，０４２号で開示されたもの）が提案されており、これは、円周方向に沿って、複数の「セクター」に分割されている。これらのセクターの各々に対する各駆動信号の位相は、焦点ゾーンに対して望ましいサイズおよび形状を作製するために、制御され得る。例えば、これらのセクターの各々が、互いに位相が一致した（「モード０」）各駆動信号で駆動される場合、超音波エネルギーは、実質的に、上記同心円リング変換器アレイと類似して、比較的に狭い焦点ゾーンに実質的に集中される。
【０００６】
あるいは、これらのセクターは、互いに所定の位相関係（「位相がずれた」または「モードｎ」と呼ぶ）にある各駆動信号で駆動され得る。この結果、一般に、リング形状を有する焦点ゾーンが生じ、さらに広い焦点を形成し、これは、焦点ゾーンを交差する焦点平面内で、大きな組織領域の壊死を引き起こす。この大きな焦点ゾーン内で十分な壊死を達成するには、しかしながら、全超音波処理エネルギーを増大させる（超音波処理出力および／または持続時間を高める）必要があり、これもまた、焦点ゾーンのいずれかの側面にある漏斗を通ってさらに多くのエネルギーが流れ出し得るので、標的組織領域の外側の加熱を高め得る。これにより、特に、近接領域での組織内において、熱の蓄積を防止するために、超音波処理間の冷却時間を追加する必要が生じ得る。
【０００７】
この焦点平面に実質的に垂直な方向での壊死容量のサイズを高めるために、「アポディゼーション」として知られている方法が提案されている。アポディゼーションは、超音波処理中の同心円リングアレイ内でのリングの内部セットだけを起動する工程、すなわち、超音波処理の全持続期間にわたって、その外部リングの１個またはそれ以上を停止する工程を包含する。これは、この変換器アレイの「ｆ」番（ｆ数とは、この変換器アレイの曲率半径と「口径」または直径のサイズとの比である）を上げ、この変換器と焦点ゾーンとの間で超音波エネルギーが通る漏斗が狭くなる。アポディゼーションを使用して、同じ全エネルギー量を焦点ゾーンに集中する場合、長い壊死容量が得られる。しかしながら、漏斗が狭いことで、また、焦点ゾーンのいずれかの側面（特に、近接領域）にある組織が過剰に加熱される危険が高まり得る。
【０００８】
従って、超音波エネルギーを使用して組織領域を処置するシステムおよび方法であって、焦点ゾーンの外側を加熱する危険を実質的に高めることなく、壊死容量を大きくし得るシステムおよび方法を提供することが望まれている。
【０００９】
（発明の要旨）
本発明は、超音波エネルギーを使用して治療処置を実行するシステムおよび方法に関し、これは、焦点ゾーンの外側を加熱する危険を実質的に高めることなく、壊死容量を大きくする。
【００１０】
好ましい実施形態では、焦点超音波システムには、複数の変換器要素を含む変換器アレイを備える。この変換器要素には、駆動回路が連結され、該駆動回路は、該変換器要素の各々に、各駆動信号を送るように構成されている。該変換器要素のセットからの超音波エネルギーを、処置する患者に択一的に向けるように、制御装置が提供される。好ましくは、この制御装置は、該駆動回路に連結され、変換器要素の各々に各駆動信号のセットを択一的に送るように構成されている。
【００１１】
該制御装置はまた、該変換器要素により形成される焦点ゾーンの所定のサイズおよび形状を提供するために、および／または実質的に所望焦点位置で該セットの各々にある該変換器要素を集中するために、該変換器要素に送られる各駆動信号の位相要素を制御するように、構成され得る。該制御装置は、該セットの変換器要素の１個を該駆動回路に択一的に連結するためのセレクタを含み得、それにより、該駆動回路は、該連結セットの変換器要素に各信号を送り得るか、および／または該制御装置は、該駆動回路を電子的に制御するマイクロプロセッサを備え得る。
【００１２】
代表的な実施形態では、該変換器アレイは、同心円リングアレイであり得、これは、複数セットの同心円環状変換器要素またはリングを備える。該同心円リングの各々は、円周方向に沿って、複数の曲線要素または「セクター」に分割され得る。あるいは、変換器要素の他の形状、配置または外形が提供され得、これらは、セットに分割され得る。
【００１３】
該セットの変換器要素の各々は、各セットの該変換器要素により生じる超音波エネルギーを所望焦点ゾーンに実質的に連続的に集中させつつ、超音波処理中において、所定の持続時間にわたって、該セットの変換器要素の各々を各駆動信号のセットで択一的に駆動し得る。結果的に、該焦点ゾーンの外側での望ましくない加熱および／または壊死の危険を実質的に減らす別個の漏斗に沿ってエネルギーを分散させつつ、該焦点ゾーンで得られる壊死組織領域は、実質的に容量が大きくなり得る。
【００１４】
本発明の他の目的および特徴は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を考慮することから、明らかとなる。
【００１５】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
ここで図面に目を向けると、図１および２Ａは、本発明に従って、焦点超音波を使用して患者の標的組織領域で治療処置を実行するシステム１０の代表的な実施形態を示す。システム１０は、一般に、変換器１２、駆動回路１４（これは、変換器１２に電気駆動信号１５を送る）および制御装置１６（これは、駆動回路１４により送られた駆動信号１５を制御する）を含む。変換器１２は、好ましくは、位相アレイ超音波変換器であり、これは、圧電材料から形成され、当業者に知られているように構成される。変換器１２は、複数の「ｎ」個の個々の変換器要素２２（ｎは、変換器要素２２の全数を規定するものよりも大きい整数である）を含み、変換器要素２２は、通常の様式で、駆動回路１４に連結されている。
【００１６】
図１および２Ａで示した代表的な実施形態では、変換器１２は、実質的に凸形状または椀形状であり、好ましくは、「球形カップ」形状であり、これは、すなわち、変換器１２が球の一部を規定する内面２０を有するように、実質的に一定の曲率半径１８を有する。あるいは、この変換器は、実質的に平坦であるか、細長いか、または他の所望の全体形状（図示せず）を有し得る。
【００１７】
図２Ａで示すように、変換器要素２２は、例えば、同心円を圧電性シェル（図示せず）を通って切断することにより、同心円リング２２−１〜２２−ｎの形状で設けられ得る。好ましくは、リング２２−１〜２２−ｎは、互いに実質的に同じ表面積を有し、それゆえ、リング２２−１〜２２−ｎの幅は、最内リング２２−１から最外リング２２−ｎに向かって段々と小さくなる。あるいは、リング２２−１〜２２−ｎが設けられ得、これらは、互いに実質的に等しい幅を有するか、または他のリング形状（図示せず）が設けられ得る。リング２２−１〜２２−ｎの間の任意の空間（図示せず）は、リング２２−１〜２２−ｎを互いから実質的に分離するために、シリコーンゴムなどで満たされ得る。
【００１８】
好ましい実施形態では、変換器１２は、約８〜１２ｃｍの間の外径、約８〜１６ｃｍの間の曲率半径１８を有し、約１０個と３０個の間のリング２２−１〜２２−ｎを含む。本発明と併用するのに適切な同心円リングフェイズドアレイ変換器に関するそれ以上の情報は、例えば、Ｃ．Ｃａｉｎ　ａｎｄ　Ｓ．Ｕｍｅｍｕｒａ，「Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ−Ｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｅｃｔｏｒ−Ｖｏｒｔｅｘ　Ｐｈａｓｅｄ−Ａｒｒａｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｏｒｓ　ｆｏｒ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍｉａ」、ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ＭＴＴ−３４巻、５号、５４２〜５５１ページ（１９８６年５月）に見出され得、その開示内容は、本明細書中で参考として援用されている。
【００１９】
代替実施形態では、変換器素子２２は、他の形状、配置または外形を有し得る。例えば、図２Ｂに目を向けると、同心円リング変換器アレイ１２’の代替実施形態が示されており、これは、円周方向に沿って、曲線要素または「セクター」２３に分割されている。変換器１２’の各リング２２’−１〜２２’−ｎは、円周方向に沿って、セクター２３に分割され得る（２３−１ａ〜２３−１ｈは、図２Ｂでは、最内リング２２−１について、例として示されている）。例えば、この変換器では、上記のように、放射状カットが行われ得るか、または各セクター２３間にて、変換器１２’の後部から、電極（図示せず）の薄い放射状ストリップが除去され得る。このような変換器は、例えば、Ｔ．Ｆｊｉｅｌｄ　ａｎｄ　Ｋ．Ｈｙｎｙｎｅｎ，「Ｔｈｅ　Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ−Ｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｅｃｔｏｒ−Ｖｏｒｔｅｘ　Ｐｈａｓｅｄ　Ａｒｒａｙ　ｆｏｒ　ＭＲＩ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｓｕｒｇｅｒｙ」、ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，４４巻、５号、１１５７〜１１６７ページ（１９９７年９月）で示されており、その開示内容は、本明細書中で参考として明確に援用されている。
【００２０】
さらなる代替実施形態では、球形キャップまたは他の変換器は、他の形状または配置（図示せず）（例えば、変換器素子の格子縞パターン、六方晶系格子、または実質的にランダムなパターン）を有する複数の変換器素子に分割され得る。なおさらなる代替実施形態では、変換器素子（図示せず）の線形アレイが設けられ得る。これらの変換器素子は、実質的に同じサイズまたは表面積であり得るか、または異なるサイズの変換器素子が設けられ得る。それゆえ、個々の変換器素子は、任意の所望の個々の外形または形状を有し得、そして／または互いに関して任意の所望の全体的なレイアウトを有し得る。
【００２１】
図１を参照すると、制御装置１６は、駆動回路１４により発生する駆動信号１５のいくつかの局面を制御するために、駆動回路１４に連結されている。第一に、制御装置１６は、例えば、変換器１２により送達される超音波エネルギーの強度を制御するために、駆動信号１５の振幅を制御し得る。それに加えて、制御装置１６は、変換器素子２２の各々の間で、その位相を制御し得る。例えば、図２Ａで示した同心円リング２２−１〜２２−ｎの間の位相をシフトすることにより、変換器１２により生じる超音波エネルギーにより形成される焦点ゾーン２６の位置または「焦点距離」（すなわち、変換器１２から焦点ゾーン２６までの距離）は、図１で示すように、ｚ軸に沿って、調節され得る。それに加えて、図２Ｂで示した実施形態については、制御装置１６は、セクター２３間で位相をシフトするか、または変換器１２’の「モード」を変えて、当業者に公知なように、超音波エネルギーにより生じる焦点ゾーンのサイズおよび形状を制御し得る。制御装置１６は、プロセッサ、例えば、マイクロコンピューター（図示せず）を含み得、これは、その操作のこれらの局面を制御するために、駆動回路１４と連結されている。フェイズドアレイ変換器の位相シフトに関するさらなる情報は、上で引用したＣａｉｎの文献、ならびにＵｍｅｍｕｒａらに発行された米国特許第４，８６５，０４２号で見出され得、その開示内容も、本明細書中で参考として明確に援用されている。
【００２２】
制御装置１６はまた、好ましくは、変換器１２を、複数セットの変換器素子２２に効果的に分割する。例えば、制御装置１６は、１回の超音波処理の過程において、これらのセットの各々を択一的または連続的に起動するために、すなわち、各セットに含まれる特定の変換器素子２２だけを択一的に駆動するために、駆動回路１４を向け得る。あるいは、以下でさらに詳細に記述するように、この制御装置は、処置する患者を、各セットに含まれる特定の変換器素子２２により発生する超音波エネルギーに択一的または連続的に晒すように、機械的シャッター装置（図示せず）を制御し得る。それゆえ、この制御装置は、任意の時点で、変換器素子２２の全てを効果的に起動する訳ではないが、その代わりに、以下で詳細に説明するように、１回の超音波処理中にて、個々のセットを連続的および／または選択的に起動する。
【００２３】
各セットは、複数の「ｍ」個の変換器素子を含み、「ｍ」は、１個より多く、「ｎ」個（変換器素子の全数）未満の整数である。これらのセットは、同じ群の変換器素子が同じ各セットと常に連動するように、予め規定（例えば、固定）され得る。あるいは、制御装置１６は、例えば、超音波処理の開始時点または超音波処理の過程において規定され得るセットに変換器素子をランダムに分割することにより、任意の所望の様式で、これらのセットを規定し得る。
【００２４】
例えば、制御装置１６は、変換器２２を、各々が同数の変換器素子２２を有するセット、または各々が同じ全表面積を有するセットに分割し得る。好ましくは、変換器素子２２は、同じ個々の表面積の全てであり、従って、各セットは、同数の変換器素子および同じ全表面積を含み得る。これにより、超音波処理中に送達される超音波エネルギーは、実質的に一定のままとなることが保証され得る。１実施形態では、制御装置１６は、変換器１２を、「ｐ」個のセットに分割し得（「ｐ」は、１より大きい整数であり）、各セットは、「ｎ／ｐ」個の変換器素子を含み、そして／または制御装置１６は、変換器１２を、「ｐ」個のセットに分割し得、各セットは、全表面積「ａ」を有し、これは、「Ａ／ｐ」である（「Ａ」は、変換器１２全体の全表面積である）。
【００２５】
これらのセットの各々は、「Ａ」よりも小さい表面積「ａ」を有するので、これらのセットの各々の「ｆ数」（「ｆｍ」）は、効果的には、変換器１２全体のｆ数「ｆｎ」と比較して、高い。変換器のｆ数は、変換器の「口径」に対する焦点距離の比として定義される（「口径」とは、その直径、または表面積の平方根に比例した他の有効な断面寸法である）。それゆえ、この変換器の表面積（最終的には、その口径サイズ）が小さくなるにつれて、例えば、これらの変換器素子の全てよりも少ない変換器素子が同時に起動されるとき、そのｆ数は、効果的には、所定の焦点距離に対して、実質的に高くなる。
【００２６】
例えば、図２Ａの代表的なシステム１０に関して、制御装置１６は、変換器１２を２セット（同心円リング２２−１〜２２−（ｎ／２）の内部セット２５ａおよび同心円リング２２−（ｎ／２＋１）〜２２−ｎの外部セット２５ｂ）に分割し得る。各セット２５ａ、２５ｂは、同数のリング（「ｎ／２」）を有し得、そして／または実質的に同じ全表面積（「ａ＝Ａ／２」）を有し得る。あるいは、３セットまたはそれ以上の同心円リング（「ｐ」＝３、４、５など）が設けられ得（図示せず）、各セットは、複数のリングを含む。各セットにあるリングは、互いに隣接して配置され得るが、あるいは、各セットに対して、任意の「ｎ／ｐ」リングが選択され得る。
【００２７】
制御装置１６は、各変換器素子２２により生じる超音波エネルギーを焦点ゾーン２６に集中しつつ、内部および外部セット２５ａ、２５ｂに択一的に駆動信号１５を送るように駆動回路１４を制御する（図１を参照）。制御装置１６は、駆動回路１４を制御するプロセッサを含み得、そして／またはセット２５ａ、２５ｂの１個を駆動回路１４に択一的に連結するセレクタまたは他の切換装置を含み得る。
【００２８】
１回の超音波処理（これは、約５秒以上、好ましくは、約１０秒以上続き得る）中にて、好ましくは、約１秒以下、さらに好ましくは、約０．２〜０．５秒にわたって、制御装置１６は、リング２２の内部および外部セット２５ａ、２５ｂを択一的および／または連続的に起動し得る。同時に、制御装置１６は、駆動信号１５の位相（定期的な連続波信号、またはさらに広義には、遅延）、および／または振幅を制御して、患者の体内にある標的組織領域で、変換器１２により発生する超音波エネルギーの焦点ゾーンを維持し得る。それゆえ、制御装置１６は、駆動信号１５の複数の交互セットを生じるように駆動回路１４を向け得、各々は、異なるセットのリングを起動する。
【００２９】
リング２２の各セット２５は、別々に起動されるので、リング２２の各セット２５は、上で説明したように、あたかも実質的に高いｆ数を有するように挙動する。それゆえ、リング２２の各セット２５から送達される超音波エネルギーは、比較的に狭い漏斗を通って移動し、リング２２の全てを同時に作動することと比較して、比較的に長い焦点ゾーンを生じる。それに加えて、リング２２の内部および外部セット２５ａ、２５ｂの外形が異なるために、各狭い漏斗は、（図３Ｄで分かるように）、異なる組織領域を通る。これにより、組織で発生する熱は、各漏斗にある焦点ゾーンのいずれかの側で、さらに広く分散され、これにより、望ましくない加熱が実質的に最小になり得、そして／または超音波処理間で必要な冷却時間が短くなり得る。
【００３０】
あるいは、制御装置１６は、１回の超音波処理を進めるにつれて、各セットの変換器素子を規定し得、規定セットを所望のシーケンスまたはパターンで起動し得る。例えば、制御装置１６は、その変換器全体を規定する変換器素子２２の全数よりも少ない任意数を特定セットにランダムに割り当て得、次いで、次のセットを規定している間、そのセットを起動し得る。それゆえ、１回の超音波処理は、複数の連続パルスに分割され得、この複数の連続パルスは、規定され起動されるにつれて、各セットにより作成される。
【００３１】
本発明に従ってシステム１０により作製される焦点ゾーンＡは、図３Ａ〜３Ｅで図示されており、これらは、種々のモードで作動される類似寸法の同心円リング変換器アレイの漏斗形状を比較する。図示された漏斗形状は、漏斗ゾーン「Ｂ」（この場合、その組織は、ある程度の熱に遭遇し得るが、壊死しない）および焦点ゾーン「Ａ」（これは、所望の壊死領域に対応している）を概略的に示すように意図しており、これは、この変換器アレイで形成される実際の漏斗形状を反映しないかもしれない。図３Ａおよび３Ｂは、それぞれ、そのアレイ全体を同時に起動して、また、アポディゼーションで、このアレイにより形成された漏斗形状を示しているのに対して、図３Ｃは、このアレイがセレクタに分割されてモードｎで起動される場合の漏斗形状を示している。図３Ｄおよび３Ｅは、それぞれ、モード０およびモードｎで、本発明に従って作動される同心円リングアレイの形状を図示している。分かるように、図３Ｄおよび３Ｅの焦点ゾーンＡは、図３Ａおよび３Ｃの対応する焦点ゾーンＡよりも実質的に長いのに対して、加熱されるが壊死しない漏斗ゾーンＢの幅は、同様に、広い分布を有する。図３Ｂのアポダイズしたアレイは、比較的に長い焦点ゾーンＡを有し得るのに対して、形成された漏斗ゾーンＢは、図３Ｄで示した漏斗ゾーンＢよりも実質的に狭く、本発明によるシステムと比較して、その焦点ゾーンのいずれかの側面で望ましくない加熱が起こる危険性が高くなる。
【００３２】
変換器の焦点ゾーンの長さＬ（すなわち、図３Ａ〜３Ｅで示した領域Ｂ間で伸長している領域Ａの長さ）は、この変換器素子により伝達される超音波エネルギーの波長□とｆ数の平方とに比例している。この長さは、以下により定義される：
Ｌ＝ｋ＊□＊ｆｎ２
ここで、「ｋ」は、定数であり、そして「ｆｎ」は、その変換器のｆ数である。定数「ｋ」は、その変換器アレイの物理的構成に基づいて一定であり、上記の代表的な同心円リング変換器アレイについて、約６．５である。それゆえ、一定波長の超音波エネルギーを使用すると、長さ「Ｌ」を変えるように変化させ得る唯一のパラメータは、ｆ数である。
【００３３】
これらの変換器素子の一部だけ（例えば、複数の「ｍ」個の変換器素子）を同時に起動する場合、ｆ数「ｆｍ」は、効果的に高くなり、それにより、この焦点ゾーンの長さＬが実質的に長くなる。例えば、ｆ数が１０％程度しか高くならなくても、単に、この変換器上の変換器素子を（表面積に関して）１０％機能停止することにより、その焦点ゾーンの長さは、２０％を超えて長くなり得る。例えば、上記のように、同心円リングアレイを内部セットと外部セットとに分割することによって、この変換器の半分だけを同時に起動することにより、この焦点ゾーンの長さは、この変換器の全体的なエネルギー出力を高める必要なしに、４倍長くなり得る。
【００３４】
患者を処置する（例えば、良性または癌性の腫瘍を切除する）ために本発明によるシステム１０を使用することは、図４で示されている。変換器１２（例えば、上記アレイのいずれか）は、流体を満たしたケーシング（例えば、テーブル３０）に取り付けられ得る。テーブル３０は、脱気水または類似の音響透過流体で満たしたチャンバ３２を含む。変換器１２は、好ましくは、位置決めシステム３４に連結されており、これは、変換器１２をチャンバ３２内で移動し、結果的に、変換器１２の焦点ゾーン３６を機械的に調節する。例えば、位置決めシステム３４は、３つの直交方向（例えば、水平前後、水平側方および垂直）のいずれか１方向で変換器１２をチャンバ３２内で移動するように構成され得る。Ｃｌｉｎｅらに発行された米国特許第５，２４７，９３５号およびＥｔｔｉｎｇｅｒらに発行された米国特許第５，２７５，１６５号（それらの内容は、本明細書中で参考として明確に援用されている）は、使用され得る代表的な位置決めシステムを記述している。あるいは、位置決めシステム３４は、単に、チャンバ４５内の一定点の周りで変換器１２を旋回して、すなわち、水平面（図示せず）に関して変換器１２（結果的に、焦点ゾーン３６）の角度を変え得る。この代替例では、この焦点ゾーンの焦点距離は、上記のように、変換器１２に送られる駆動信号１５の位相および／または振幅を変えることにより、電気的に制御され得る。さらなる代替例では、位置決めシステム３４は、その焦点距離を電気的に制御して、伝播ライン（図示せず）に対して垂直な水平面で変換器１２を移動し得るか、または当業者が理解しているように、機械的および電気的位置決めの他の組合せが使用され得る。
【００３５】
テーブル３０の上部は、超音波を実質的に透過する可撓性膜３８（例えば、マイラー、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）または他のプラスチックシート）を含む。それに加えて、このテーブルの上部に沿って、流体を満たしたバッグ（図示せず）が一般に設けられ、これは、このテーブルに配置した患者の体形に容易に一致し得る。さらなる代替例では、変換器１０は、患者と接触して配置され得る可動アーム（図示せず）（例えば、米国特許第５，５２６，８１４号（その開示内容は、本明細書中で参考として援用されている）で開示されているもの）上に据えられた流体を満たしたバッグに、取り付けられ得る。
【００３６】
それに加えて、システム１０は、患者の処置中におけるシステムの使用をモニターする画像処理装置（図示せず）を含み得る。例えば、システム１０は、磁気共鳴画像処理（ＭＲＩ）装置（例えば、Ｃｌｉｎｅらに発行された米国特許第５，２４７，９３５号、同第５，２９１，８９０号、同第５，３６８，０３１号、同第５，３６８，０３２号、同第５，４４３，０６８号、およびＨａｒｄｙらに発行された米国特許第５，３０７，８１２号、同第５，３２３，７７９号、同第５，３２７，８８４号（これらの開示内容は、本明細書中で参考として援用されている）で開示されたもの）内に設置され得る。
【００３７】
図４を参照すると、使用中にて、患者４０は、テーブル３０上に配置され得、患者４０とバッグまたは膜３８との間には、水、超音波伝導ゲルなどが適用され、それにより、患者４０を変換器１２に音響的に連結する。変換器１２は、組織構造体４２内の標的組織領域（これは、例えば、癌性または良性の腫瘍であり得る）に向かって集中され得る。変換器１２は、発生した超音波エネルギーを標的組織領域４２に集中させつつ、駆動信号１５のセットを変換器素子２２の各セット２５に択一的に供給することにより、起動され得る。変換器１２は、標的組織領域４２を実質的に壊死するのに十分な時間（例えば、約１０秒間以上）にわたって起動され得る。
【００３８】
変換器１２は、例えば、患者の組織に吸収された熱を消散できるのに十分な時間（例えば、約６０秒間以上）にわたって、停止され得る。変換器１２は、次いで、例えば、標的組織領域４２に隣接した他の標的組織領域（図示せず）に集中され得、標的組織構造全体が切除されるまで、このプロセスが繰り返され得る。
【００３９】
代替実施形態では、変換器１２と患者４０との間には、シャッター装置（図示せず）が配置され得、これは、例えば、テーブル３０内の変換器１２の上に取り付けられる。このシャッター装置は、複数の機械的シャッターを含み得、これらは、選択的に開閉するように、制御装置（図４では図示せず）により制御され得る。これらのシャッターの各々は、変換器１２上の１個またはそれ以上の個々の変換器素子に対応し得、その結果、各シャッターを開いたとき、各変換器素子により生じた超音波エネルギーは、そこを自由に通って患者に入るようにされる。各シャッターを閉じたとき、各変換器素子により生じた超音波エネルギーは、遮断されるか逸らされて、患者には達しない。
【００４０】
好ましくは、このシャッター装置は、この変換器アレイの変換器素子とは異なる構成のシャッター配置を有する。各シャッターは、複数の変換器素子または個々の変換器素子の一部だけの上に横たわり得る。例えば、このシャッター装置は、各々が各変換器素子の交互半分を塞ぐシャッターを含み得る。これらのシャッターは、次いで、各変換器素子の各半分を交互に覆うように制御され得、それにより、その焦点ゾーンのｆ数および長さを２倍にする。それゆえ、シャッター装置は、変換器アレイの上に載せられ得、所定変換器構成で、変換器素子の数を効果的に増やし得る。あるいは、シャッター装置の代わりに、レンズ装置（例えば、同時係属中の米国特許出願第０９／５５７，１８５号（その開示内容は、本明細書中で参考として明確に援用されている）で開示された音響レンズ）が設けられ得る。それゆえ、この制御装置に起動を電子的に制御させる代わりに、変換器素子のセットを交互に起動するのに、機械装置もまた使用され得る。
【００４１】
さらなる代替例では、超音波処理中の任意の所定時点で、この変換器の表面積の全てより少ない領域に患者を機械的に晒すために、単一素子変換器（図示せず）が設けられ得、そしてシャッター装置（これもまた、図示せず）が使用され得、それにより、超音波処理中の変換器のｆ数を効果的に高める。例えば、このシャッター装置は、単に、ディスクであり得、これは、この変換器の断面と類似した直径を有し、１個またはそれ以上の開口部（例えば、パイ形開口部）を備えており、これらは、このディスク（図示せず）を通って設けられる。このディスクは、それが回転するにつれて開口部と整列した変換器の表面領域だけが患者に晒されるように、この変換器の上で回転可能に配置され得る。この開口部のサイズは、一定にされ得るか、あるいは、この開口部のサイズは、可変であり得、その結果、晒された表面積「ａ」は、超音波処理の過程において、変えられ得る。
【００４２】
超音波処理中における任意の時点で、この変換器の表面積の一部だけが晒されるので、そのｆ数は、効果的に高められ、結果的に、この焦点ゾーンの長さは、実質的に長くされる。例えば、もし、この変換器の表面積「Ａ」の４分の１に等しい断面積「ａ」を有する開口部（または複数の開口部）を設けるなら、この変換器の有効なｆ数は、２倍にされ得、その焦点ゾーンの長さは、４倍になり得る。
【００４３】
さらなる代替例では、複数のシャッターを有するシャッター装置またはレンズが、単一素子変換器（図示せず）と併用され得る。これらのシャッターの１個またはそれ以上は、選択的に開かれて、この変換器の代替表面積「ａ」に患者を晒し得る。代替表面積「ａ」は、（例えば、類似のサイズのシャッターを設けてそれらを同時に開くことにより）互いに実質的に類似しているか、または表面積「ａ」のサイズおよび形状は、（例えば、複数のシャッターを開くかまたはシャッター装置でサイズが異なるシャッターを設けることにより）超音波処理の過程で変えられ得る。
【００４４】
このシャッター装置を正しく制御することにより、超音波エネルギーは、超音波処理中にて、この変換器の代替表面積「ａ」から、異なる経路を経由して、標的組織領域の方へと向けられ得る。それゆえ、この超音波エネルギーが異なる経路を通って焦点ゾーンの方へと移動するので、特に、それに近い領域での望ましくない加熱は、異なる組織領域を通って分散され得、それにより、患者に対する不快感および／または焦点ゾーンの外側にある組織の損傷を少なくする。
【００４５】
本発明は、種々の改良および代替形態にされ得るものの、それらの特定の例が、図面で示されており、また、本明細書中にて、詳細に記述されている。しかしながら、本発明は、開示された特定の形態または方法には限定されず、それとは反対に、本発明は、添付の請求の範囲内に入る全ての改変、等価物および代替物を含むことが理解できる。
【図面の簡単な説明】
本発明の好ましい実施形態は、添付の図面において、例によって説明されており、限定するものではなく、ここで、同じ参照番号は、同じ要素を意味する。
【図１】
図１は、本発明による焦点超音波システムの概略図である。
【図２Ａ】
図２Ａは、図１の焦点超音波システム用の変換器アレイの第一の好ましい実施形態の上面図である。
【図２Ｂ】
図２Ｂは、図１の焦点超音波システム用の変換器アレイの第二の好ましい実施形態の上面図である。
【図３Ａ】
図３Ａは、球形キャップ変換器アレイの代替の実施形態により達成される超音波エネルギーの相対漏斗形状を示す概略図である。
【図３Ｂ】
図３Ｂは、球形キャップ変換器アレイの代替の実施形態により達成される超音波エネルギーの相対漏斗形状を示す概略図である。
【図３Ｃ】
図３Ｃは、球形キャップ変換器アレイの代替の実施形態により達成される超音波エネルギーの相対漏斗形状を示す概略図である。
【図３Ｄ】
図３Ｄは、球形キャップ変換器アレイの代替の実施形態により達成される超音波エネルギーの相対漏斗形状を示す概略図である。
【図３Ｅ】
図３Ｅは、球形キャップ変換器アレイの代替の実施形態により達成される超音波エネルギーの相対漏斗形状を示す概略図である。
【図４】
図４は、その中に超音波変換器アレイを有する水充填テーブル上の患者の概略側面図である。
【図１】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2004507280.tif 000032
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004507280.tif 000033
【国際調査報告】
2004507280.tif 000034