(57)【要約】【課題】  高密度焦点式超音波（HIFU）装置を動作させるとき、グレーティングローブ現象をなくしつつ、多焦点を合わせることができる装置及びその方法を提供する。【解決手段】  本発明の超音波治療のための焦点形成方法は、治療用超音波を照射しようとする領域の焦点位置のうち、少なくとも１つの候補焦点位置を選択する段階、選択された候補焦点の位置に、治療用超音波の焦点が形成される場合、選択された候補焦点位置以外の位置で、負圧増加現象が発生するか否かを判断する段階、及び判断結果に基づいて、現象が発生しない候補焦点位置を、治療用超音波を照射する焦点位置の集合として決定する段階を含む。【選択図】      図１０
2013154173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波治療のための焦点形成方法において、
治療用超音波を照射しようとする領域の焦点位置のうち、少なくとも１つの候補焦点位置を選択する段階と、
前記選択された候補焦点の位置に、前記治療用超音波の焦点が形成される場合、前記選択された候補焦点位置以外の位置で、負圧増加現象が発生するか否かを判断する段階と、
前記判断結果に基づいて、前記現象が発生しない前記候補焦点位置を、前記治療用超音波を照射する焦点位置の集合として決定する段階と、
を含む焦点形成方法。
【請求項２】
前記選択する段階は、前記現象が発生すると判断された場合、前記候補焦点位置を変化させて再選択する、
ことを特徴とする請求項１に記載の焦点形成方法。
【請求項３】
前記選択する段階は、前記現象が発生しないと判断された場合、前記候補焦点位置及び前記候補焦点位置の個数を変化させて再選択する、
ことを特徴とする請求項１に記載の焦点形成方法。
【請求項４】
前記決定された焦点位置の集合に超音波を照射する順序及び照射する時間のうち、いずれか一つ以上を決定する段階をさらに含む、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の焦点形成方法。
【請求項５】
前記判断する段階は、前記候補焦点位置の負圧が第１の数値を有し、前記治療領域以外の位置の負圧が第２の数値を有するトランスデューサ素子の出力を求め、前記候補焦点位置以外の位置で、負圧増加現象が発生するか否かを判断する、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の焦点形成方法。
【請求項６】
前記出力は、トランスデューサ素子に印加される電気的信号の強度及び位相のうちいずれか１つの値に基づいたものである、
ことを特徴とする請求項５に記載の焦点形成方法。
【請求項７】
前記判断する段階は、
前記候補焦点位置の負圧が第１の数値を有する複数個のトランスデューサ素子の出力の集合を求める段階と、
前記複数個のトランスデューサ素子の出力の集合のうち、前記治療領域以外の位置の負圧が第２の数値を有する出力を選択する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の焦点形成方法。
【請求項８】
前記負圧増加現象は、グレーティングローブ現象である、
ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の焦点形成方法。
【請求項９】
前記選択する段階は、遺伝的アルゴリズムを利用して、前記候補焦点位置を選択する、
ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の焦点形成方法。
【請求項１０】
前記選択する段階は、前記決定された治療計画に含まれた焦点位置を、再び選択しない、
ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の焦点形成方法。
【請求項１１】
超音波治療のための焦点形成方法において、
治療用超音波を照射しようとする焦点位置の負圧が第１値になるトランスデューサの出力を算出する段階と、
前記算出されたトランスデューサ出力のうち、前記焦点位置外所定領域の負圧が第２値になるトランスデューサの出力を選択する段階と、
を含む焦点形成方法。
【請求項１２】
前記第２値は、前記第１値より小さい、
ことを特徴とする請求項１１に記載の焦点形成方法。
【請求項１３】
超音波治療のための焦点形成装置において、
治療用超音波を照射しようとする領域の焦点位置のうち、少なくとも１つの候補焦点位置を選択する候補焦点決定部と、
前記選択された候補焦点の位置に、前記治療用超音波の焦点が形成される場合、前記選択された候補焦点位置以外の位置で、負圧増加現象が発生するか否かを判断する焦点形成確認部と、
前記判断結果に基づいて、前記現象が発生しない前記候補焦点位置を、前記治療用超音波を照射する焦点位置の集合として決定する最適焦点決定部と、
を含む焦点形成装置。
【請求項１４】
前記最適焦点決定部は、前記焦点形成確認部が、前記現象が発生すると判断したとき、前記候補焦点決定部に再選択の要求を行い、
前記候補焦点決定部は、前記再選択の要求を入力したとき、前記候補焦点位置を変化させ、前記候補焦点の位置を再選択する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の焦点形成装置。
【請求項１５】
前記焦点形成確認部は、前記現象が発生しないと判断したとき、前記候補焦点決定部に再選択の要求を行い、
前記候補焦点決定部は、前記再選択の要求を入力したとき、前記候補焦点を選択する個数及び位置を変化させ、前記候補焦点の位置を再選択する、
ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の焦点形成装置。
【請求項１６】
前記決定された焦点位置の集合に、前記治療用超音波を照射する順序及び照射する時間のうちいずれか一つ以上を決定する照射決定部をさらに含む、
ことを特徴とする請求項１３乃至１５の何れか一項に記載の焦点形成装置。
【請求項１７】
前記焦点形成確認部は、前記選択された候補焦点位置が第１の負圧を有し、前記治療領域以外の位置が第２の負圧を有するトランスデューサ素子の出力を基に、前記現象が発生するか否かを判断する、
ことを特徴とする請求項１３乃至１６の何れか一項に記載の焦点形成装置。
【請求項１８】
前記出力は、トランスデューサ素子に印加される電気的信号の強度及び位相のうちいずれか１つの値である、
ことを特徴とする請求項１７に記載の焦点形成装置。
【請求項１９】
前記負圧増加現象は、グレーティングローブ現象である、
ことを特徴とする請求項１３乃至１８の何れか一項に記載の焦点形成装置。
【請求項２０】
コンピュータに、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）装置の焦点形成に係り、特に、超音波トランスデューサアレイの多焦点形成装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、超音波を利用した治療装置に係り、さらに詳細には、高密度焦点式超音波（HIFU：High  Intensity  Focused  Ultrasound）を利用する治療装置に関する。
【０００３】
医学の発達と共に、腫瘍に対する局所治療は、拡大的治根手術（Extended  Radical  Surgery）から機能温存手術（Function  Preserving  Surgery）に発達して、これはさらに、最小浸襲手術（Minimally  Invasive  Surgery）に発展してきた。しかし、最近になっては、技術の革命的な進歩によって、非浸襲的手術（Non-invasive  Surgery）が開発され、さまざまな手術方法が出現している。
【０００４】
超音波は、身体を貫通することができる良好な直進性を有している機械的エネルギーである。このような超音波は、HIFU波の照射による腫瘍内エネルギー蓄積を介して、大きく見て、２つの効果をもたらすことができ、この２つの効果は、温熱効果（hyperthermal  effect）と機械的効果（mechanical  effect）とである。
【０００５】
最初の効果である温熱効果は、一部分に集束された高密度超音波が、部分的に熱エネルギーに転換されつつ、瞬間的に７０℃以上に上昇させて発生させる効果であり、組職と血管とに凝固懐死を起こさせる。このとき、温度上昇は、急速に、かつ瞬間的に起こるので、周辺組職への熱拡散は発生しない。
【０００６】
第二の音波による機械的効果としては、キャビテーション（cavitation）による組職破壊現象である。人体が高密度超音波に露出すれば、音波の負圧（negative  pressure）による低気圧により、細胞内水気がガス相（gas  phase）になりつつ、微小気泡（microbubble）を発生させ、これが共鳴現状を起こすほどに大きくなれば、急にはじけつつ高圧の衝撃波を発生させて組職を破壊させる。
【０００７】
この２つの効果は、ほぼ同時に起こり、これらによる治療部位の肉眼的な変化は、超音波照射後１〜２週間後に、凝固懐死が起こりつつ、治療部位と周辺の正常部位とが明確に区分され、その境界部は、さらに硬く感じられる。
【０００８】
しかし、かような腫瘍の治療が行われるときは、正常組職の損傷が可能な限り最小化されねばならない。さらに、腫瘍の効果的な治療のためには、治療時間を最少化しなければならない。従って、高密度焦点式超音波（HIFU）装置に要求される条件は、１）超音波を照射して治療する時間を最少化しなければならず、２）超音波の焦点領域が形成されなければならず、３）焦点領域以外の地点では、超音波の増幅が発生してはならないというものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の少なくとも１つの実施の形態がなそうとする技術的課題は、ＨＩＦＵ装置を動作させるとき、グレーティングローブ（grating lobes）現象をなくしつつ、多焦点を合わせることができる装置及びその方法を提供することにある。そして、グレーティングローブ現象をなくしつつ、多焦点を形成するためのトランスデューサ素子の出力を求める方法を提供することにある。また、前記方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体を提供することにある。本実施形態が解決しようとする技術的課題は、前記のような技術的課題に限定されず、他の技術的課題が存在することもある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様による超音波治療のための焦点形成方法は、治療用超音波を照射しようとする領域の焦点位置のうち、少なくとも１つの候補焦点位置を選択する段階、前記選択された候補焦点の位置に、前記治療用超音波の焦点が形成される場合、前記選択された候補焦点位置以外の位置で、負圧増加現象が発生するか否かを判断する段階、及び前記判断結果に基づいて、前記現象が発生しない前記候補焦点位置の組み合わせについての情報を示す治療計画を決める段階を含む。
【００１１】
本発明の他の態様によって、前記超音波治療のための焦点形成方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体が提供される。
【００１２】
本発明のさらに他の態様による超音波治療のための焦点形成装置は、治療用超音波を照射しようとする領域の焦点位置のうち、少なくとも１つの候補焦点位置を選択する候補焦点決定部、前記選択された候補焦点の位置に、前記治療用超音波の焦点が形成される場合、前記選択された候補焦点位置以外の位置で、負圧増加現象が発生するか否かを判断する焦点形成確認部、及び前記判断結果に基づいて、前記現象が発生しない前記候補焦点位置の組み合わせに係わる情報を示す治療計画を決める最適焦点決定部を含む。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＨＩＦＵ装置の動作時、グレーティングローブ現象をなくしつつ、多数個の焦点を同時に形成してＨＩＦＵ装置の治療時間を短縮させることができ、治療時に、病変周辺での器官の損傷を防止することができる。そして、グレーティングローブ現象をなくしつつ、多数個の焦点を同時に形成するトランスデューサ素子の出力を計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態による多焦点形成装置の構成図である。
【図２】ＨＩＦＵ装置のトランスデューサアレイと、治療領域内に存在する複数個の焦点領域とを図示した図である。
【図３Ａ】本発明の一実施の形態によるユーザから入力される治療領域内に存在する複数個の焦点を図示した図である。
【図３Ｂ】最適焦点決定部によって既に決定されている最適焦点集合を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ａの焦点で、最適焦点集合に属する焦点を除外した残りの焦点を示す図である。
【図４】候補焦点決定部が、候補点のうち一定個数の焦点を選択又は再選択するために、候補点を一列に並べた図である。
【図５】候補焦点決定部が、候補点のうちランダムに５個を選択した場合を、染色体で表現した図である。
【図６】候補焦点決定部が、既存の染色体の組み合わせで、新たな染色体を生成する方法を示す図である。
【図７】治療領域と非治療領域とを示す図である。
【図８】焦点形成確認部の構成を示す図である。
【図９】三次元直交座標上で、トランスデューサ素子の位置ベクトルｒｎと、任意の焦点の位置ベクトルｒｍとを示す図である。
【図１０】本発明の一実施の形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態による多焦点形成装置の構成図である。図１を参照すると、図１に示された実施の形態による多焦点形成装置は、対象点決定部１０１、候補焦点決定部１０２、焦点形成確認部１０３、最適焦点決定部１０４、メモリ１０６、インターフェース１０７、照射決定部１０８及び最適焦点保存部１０９から構成される。
【００１７】
対象点決定部１０１は、ユーザ（例えば、医師）から、治療領域内に存在する複数個の焦点に係わる情報が入力されたとき、その焦点のうち対象点を決定し、候補焦点決定部１０２に出力する。ここで、ユーザによって入力される複数個の焦点に係わる情報とは、高密度焦点式超音波（HIFU：High  Intensity  Focused  Ultrasound）装置が超音波の焦点を形成し、病変を治療するための治療領域内で形成される複数個の焦点の位置及び個数に係わる情報を意味する。そして対象点とは、治療領域内に存在する複数個の焦点のうち、本実施の形態による演算の対象になる点を意味する。
【００１８】
図２は、ＨＩＦＵ装置のトランスデューサアレイと、治療領域内に存在する複数個の焦点領域とを示す図面である。ＨＩＦＵ装置のトランスデューサアレイ２０１は、図２でのように、アンテナ状である場合がある。これは、トランスデューサアレイがアンテナ状となる場合、一定領域に集中させるのが容易であることによる。ＨＩＦＵ装置のトランスデューサアレイから、超音波信号を治療領域２０２に集束させる。ＨＩＦＵ装置は、複数個のトランスデューサ素子に電気的信号を印加して振動をさせ、その振動によって超音波を発生させる。そして、発生した超音波を治療領域２０２内に集束させるが、集束させるとき、治療領域内に一定個数の焦点を決定し、一定個数の焦点に超音波を同時に集束させて熱を発生させることができる。
【００１９】
図３Ａは、本発明の一実施形態による、ユーザから入力される治療領域内に存在する複数個の焦点を示す図である。図３Ａに示された複数個の焦点は、１６ｍｍ×１６ｍｍの広さの治療領域内に存在し、各焦点は、＊印で表示されている。焦点の個数は、２５個に設定されている。
【００２０】
対象点決定部１０１は、ユーザから、治療領域内に存在する複数個の焦点に係わる情報が入力されたとき、この複数個の焦点を候補焦点決定部１０２に直ちに出力する。すなわち、図３Ａに示された焦点全部を候補焦点決定部１０２に出力する。
【００２１】
本発明による焦点形成装置は、超音波の１回の照射で、グレーティングローブ（grating  lobe）現象を発生させずに形成することができる最大個数の焦点集合を決めることができる。焦点形成装置が最大個数の焦点集合を決める過程について具体的に説明すると、まず、焦点形成装置は、１つの焦点形成時に、グレーティングローブ現象が発生するか否かを判断する。
【００２２】
グレーティングローブは、焦点の位置と異なる位置で、超音波信号が増幅される現象を意味する。さらに具体的には、超音波トランスデューサアレイは、複数個のトランスデューサが、一定の間隔を有しつつ、周期的に反復される構造を有する。この周期的に反復される各トランスデューサ間の間隔が、λ/2より大きい場合（λは、超音波の波長）、トランスデューサ間で生成される信号同士が干渉する。この干渉によって、所望の焦点領域外に増幅が生ずる現象がグレーティングローブ現象である。その場合、増幅される程度は、焦点の位置で増幅される程度と類似の大きさになる。グレーティングローブは、ＨＩＦＵ装置において望ましくない現象である。その理由は、次の通りである。ＨＩＦＵ装置が病変の位置を治療するために、病変の位置に、超音波信号の焦点を形成させて熱を発生させ、熱を利用して病変を治療する。ところで、グレーティングローブが生じる場合、病変の位置以外の他の器官領域の地点で、グレーティングローブによって、超音波信号の増幅が形成されることがあるが、そのように、他の器官領域で超音波信号の増幅が形成されると、病変ではない身体の臓器細胞が、超音波が発生した熱によって、損傷することがあるので、グレーティングローブは、ＨＩＦＵ装置において、望ましくない現象であり、従って、取り除かれねばならない。
【００２３】
従って、焦点形成装置は、グレーティングローブ現象を防止するため、１つの焦点形成時に、グレーティングローブ現象が発生するか否かを判断した後、現象が発生しないと判断したとき、焦点の個数を一つずつ増やしつつ、グレーティングローブ現象が発生しない焦点集合を検索することができる。もし焦点形成装置が、超音波の１回の照射によって、ユーザから入力された焦点全部に焦点を形成したときにグレーティングローブ現象が発生しないと仮定した場合、焦点形成装置は、その全体焦点に、一回の超音波照射を行うと決定することができる。
【００２４】
もし焦点形成装置が全体焦点に、超音波の一回照射を行うときにグレーティングローブ現象が発生する場合、焦点形成装置は、超音波の照射を複数回にわたって、順次に行うことができる。その場合、焦点形成装置が超音波を照射する各回ごとに形成する焦点を求めるために、焦点の個数を一つずつ増やしつつ、超音波の一回照射時に、グレーティングローブ現象が発生しない焦点集合を決定することができる。
【００２５】
このように決定する過程を反復して焦点集合をいくつか決定する。焦点形成装置は、このように決定された最大個数の焦点集合に、順次に照射すると、図３Ａに示されている焦点位置全体に超音波の焦点を形成することができる。ただし、焦点形成装置が焦点集合を決定するとき、１回の動作で一グループの焦点集合を決定するしかないので、焦点形成装置がいくつかの焦点集合を決定するためには、同じ動作を何回か反復する過程を介して、超音波を順次に照射する焦点集合を決定する。
【００２６】
対象点決定部１０１は、前述のように反復される動作では、既に決定されている焦点集合は除外し、残りの焦点で他の焦点集合を決定する。従って、続いて、対象点決定部１０１が対象点を決定するとき、図３Ａのような複数個の焦点のうち、最適焦点保存部１０９に保存されている最適焦点集合に属する焦点は、対象点から除外し、残りの焦点を対象点として決定する。最適焦点集合とは、グレーティングローブが発生せずに、焦点の個数を最大に合わせることができる焦点の集合を意味し、最適焦点は、最適焦点集合に属している焦点を意味する。最適焦点決定部１０４は、対象点決定部１０１が決めた対象点のうち、最適焦点の集合を決定する。このように決定された焦点を除いた残りの焦点のうち、他の最適焦点の集合を決めなければならない。従って、対象点決定部１０１は、既に決定されている最適焦点の集合を除いた残りの焦点を対象点として決定する。
【００２７】
図３Ｂは、最適焦点決定部１０４によって、既に決定されている最適焦点集合を示す。グループ１とグループ２は、それぞれ最適焦点決定部１０４によって、既に決定されている最適焦点集合である。対象点決定部１０１は、図３Ａの複数個の焦点のうち、最適焦点決定部１０４が決定した、既に最適焦点集合に属する焦点の位置を除いた残りの焦点を対象点として決定し、この決定された点の位置と座標情報とを候補焦点決定部１０２に出力する。図３Ｂでのように、グループ１とグループ２とが最適焦点集合であるので、対象点決定部１０１は、グループ１に属する焦点と、グループ２に属する焦点は、対象点から除外し、残りの焦点だけ対象点として決定する。図３Ｃは、図３Ａの焦点で、最適焦点集合に属する焦点を除外した残りの焦点を図示している。対象点決定部１０１は、図３Ｃに該当する焦点を対象点として決定する。
【００２８】
候補焦点決定部１０２は、対象点決定部１０１が決定した対象点のうち、最適焦点決定部１０４から入力された焦点個数位の焦点を選択する。もし最適焦点決定部１０４から焦点個数が入力されていない場合には、候補焦点決定部１０２は、基本的に設定されている焦点個数ほどの点を選択する。このとき、最適焦点決定部１０４に設定されている基本焦点個数は、２個になってもよい。従って、最適焦点決定部１０４から焦点個数の入力がないときには、対象点のうち２個の焦点を選択し、焦点形成確認部１０３に出力する。もし最適焦点決定部１０４から焦点の個数が入力されたときには、対象点のうち、入力された焦点の個数ほど選択し、焦点形成確認部１０３に出力する。例えば、最適焦点決定部１０４から焦点の個数が４個として入力されたとき、対象点のうち４個を選択し、焦点形成確認部１０３に出力する。このとき、対象点のうち選択を行う方法は、以下の図４と共に、詳細に説明する。
【００２９】
このように、候補焦点決定部１０２によって選択された焦点は、焦点形成確認部１０３に出力され、焦点形成確認部１０３は、候補焦点決定部１０２によって選択された焦点が、新たな最適焦点集合になるか否かを演算する。候補焦点決定部１０２は、最適焦点決定部１０４から焦点を再選択するようにという要求がある場合、再び焦点を再選択し、焦点形成確認部１０３に出力する。最適焦点決定部１０４が再選択を要求する理由は、次の通りである。焦点形成確認部１０３は、候補焦点決定部１０２によって選択された焦点に焦点を合わせる場合、グレーティングローブが発生せずに、同時に焦点を合わせることができるか否かを判断する。その場合、焦点形成確認部１０３によって、グレーティングローブが発生せずに、焦点を合わせることができるという判断を行う場合、最適焦点決定部１０４は、候補焦点決定部１０２に、焦点の個数をもう一つ増やすように要求する。すなわち、さらに多くの個数の焦点でも、最適焦点集合を作ることができるか否かを演算するためである。焦点形成確認部１０３がグレーティングローブが発生せずに、同時に焦点を合わせることが不可能であると判断した場合、最適焦点決定部１０４は、候補焦点決定部１０２をして、他の焦点として再び選択させるように要求するのである。すなわち、最適焦点決定部１０４は、選択された焦点集合が最適焦点集合にならないので、候補焦点決定部１０２をして、対象点のうち他の焦点集合を選択させるように要求するのである。
【００３０】
最適焦点決定部１０４が再選択を要求した場合、候補焦点決定部１０２が選択する焦点の個数は、再要求される前に選択した焦点の個数のような個数の焦点を選択する。例えば、候補焦点決定部１０２が焦点３個を選択し、焦点形成確認部１０３が焦点３個に係わる最適負圧を計算し、グレーティングローブが発生するという結果を算出したとするならば、候補焦点決定部１０２は、再選択の要求により、かような焦点の個数である３個の焦点を選択して焦点形成確認部１０３に出力する。
【００３１】
候補焦点決定部１０２は、最適焦点決定部１０４によって、焦点の個数を入力されると共に、再選択の要求を受ければ、対象点決定部１０１が決定した対象点のうち、入力された焦点の個数ほどの焦点を再選択し、焦点形成確認部１０３に出力する。すなわち、要求される前に、候補焦点決定部１０２が選択した焦点集合が、グレーティングローブが発生せずに、焦点を合わせることができるという結果が、焦点形成確認部１０３によって算出されれば、最適焦点決定部１０４は、算出した焦点の個数に一つを加えた焦点個数ほど、候補焦点決定部１０２が再び選択することを要求するのである。焦点形成確認部１０３によって、グレーティングローブが発生しない焦点集合を得たにもかかわらず、候補焦点決定部１０２をして、再び焦点の位置を選択させるように要求する理由は、１回の超音波送信によって、できる限り多数の焦点を同時に合わせようとするからである。すなわち、最適焦点決定部１０４によって、３個の焦点が選択されたが、焦点形成確認部１０３が、グレーティングローブが発生しない焦点集合を演算して求めた場合、その次には、４個の焦点を同時に合わせることができるか否か演算を試みるのである。従って、３個の焦点個数を有する最適焦点集合が演算されたならば、焦点形成確認部１０３は、最適焦点決定部１０４に、焦点の個数を一つ増やすことを要求し、最適焦点決定部１０４は、３個から４個に焦点の個数を増やすと共に、候補焦点決定部１０２に、焦点の個数及び再選択の要求を出力する。
【００３２】
図４は、候補焦点決定部１０２が、対象点のうち、一定個数の焦点を選択または再選択するために、対象点を一列に並べるところを図示した図面である。一実施形態による候補焦点決定部１０２の焦点選択過程は、遺伝的アルゴリズムを利用する。遺伝的アルゴリズムとは、自然な進化を模倣する発見的な探索過程である。本発明を例として説明すれば、候補焦点決定部１０２が、対象点のうち焦点を選択する過程で、ランダムに選択するのではなく、候補焦点決定部１０２が、最初の１０回まではランダムに選択を行った後、１０回のうち優秀な効果を出した５個を選別し、選別された５個の結果同士を再び組み合わせて焦点を選択することをいう。すなわち、優秀な種子同士を交配させるのが自然の進化と類似しているとして、遺伝的アルゴリズムと呼ばれるのである。図４は、候補焦点決定部１０２が遺伝的アルゴリズムを適用させるために、対象点を一列に配しているが、このように一列に配列された対象点集合を染色体と呼ぶ。図４の左側上の＊印の表示は、図３Ｃの対象点集合である。候補焦点決定部１０２がこの対象点集合を一列に配しているが、中間で除外された焦点は、配列からも除外される。従って、図３Ｃの場合、候補焦点決定部１０２が染色体を生成する場合、全１９個の要素を有する。染色体の数字は、選択いかんを示す。例えば、図４のように、１、０で構成された染色体で、１は、候補焦点決定部１０２が焦点を選択したことを示し、０は、候補焦点決定部１０２が焦点を選択していないということを示す。従って、図４で例示される染色体は、１の個数が５個であるので、対象点１９個のうち、５個の焦点が候補焦点決定部１０２によって選択されたということを示す。
【００３３】
図５は、候補焦点決定部１０２が対象点のうち、ランダムに５個の焦点を選択した場合について、染色体で表現したものを示す図である。それぞれの染色体は、候補焦点決定部１０２が対象点のうち、５個を選択した場合を示している。例えば、このように、候補焦点決定部１０２が染色体１０個を生成したとするとき、性能が優秀な５個を選別することができる。その場合、性能が優秀であるという意味は、選択された５個の焦点を合わせたとき、グレーティングローブの個数が少なかったり、あるいは強度が弱いということを意味するのである。あるいは、グレーティングローブの個数と強度とをいずれも考慮して優れていると示すこともできる。性能に優れる５個の染色体が選別されると、候補焦点決定部１０２は、その５個の染色体を利用して新たな組み合わせを生成する。その場合、性能に優れるとして選別された５個の染色体を、親染色体（chromosoma  maternum）又は母性染色体と呼ぶ。
【００３４】
図６は、候補焦点決定部１０２が、既存の染色体の組み合わせで、新たな染色体を生成する方法を示す図である。第１染色体と第２染色体は、既存にあった染色体であり、第３染色体と第４染色体は、候補焦点決定部１０２が第１染色体と第２染色体との組み合わせで新たに生成した染色体である。第１染色体と第２染色体は、図５で配列された染色体のうち、候補焦点決定部１０２が優れるとしてと算出した染色体である。候補焦点決定部１０２が、第１染色体と第２染色体とを組み合わせるときには、図６でのように、第１染色体の一部と、第２染色体の一部とを互いに交換して生成する。その場合、交換される第１染色体の一部の個数並びに第２染色体の一部の個数は等しい。その場合、交換される一部の個数は、候補焦点決定部１０２によって、予め決定された値でもあり、一部の個数を、１から染色体全体の個数まで全部交換することもできる。簡潔に説明すれば、第１染色体及び第２染色体のうち、一つを交換することから始め、第１染色体で一つを残して残りの全部と、第２染色体で一つを残して残りの全部を交換することまで含むことができる。かような方法で候補焦点決定部１０２は、親染色体を組み合わせて新たな染色体を生成し、このように生成された染色体を子染色体（child  chromosome）と呼ぶ。しかし、その場合、候補焦点決定部１０２が、染色体の一部交換によって生成した染色体の選択された焦点の個数が、既存に親染色体が有している選択された焦点の個数と異なる場合が発生することがある。選択された焦点は、数字１で表現されるので、数字１の個数、あるいは、数字０の個数の異なる場合が、選択された焦点の個数が異なるという場合である。候補焦点決定部１０２は、そのように形成された子染色体のうち、親染色体と選択された焦点の個数が異なるものを除外する。すなわち、候補焦点決定部１０２は、対象点のうち、決定された焦点の個数ほど焦点を選択しなければならないが、ランダムに選択せずに、かような遺伝的アルゴリズムを利用して選択する。このように、遺伝的アルゴリズムを利用して選択する場合、優秀な染色体が新たに組み合わされるので、ランダムに選択される場合より、さらに効率的に結果を算出することができる。候補焦点決定部１０２は、このような過程を反復し、新たな染色体の組み合わせを無限に生成することができ、そのように生成された新たな染色体は、焦点形成確認部１０３に出力される。
【００３５】
焦点形成確認部１０３は、候補焦点決定部１０２によって選択された焦点に、焦点を形成する場合、グレーティングローブ現象が発生するか否かを判断する。焦点形成確認部１０３は、グレーティングローブ現象が発生するか否かを最適焦点決定部１０４に出力する。
【００３６】
図７は、治療領域７０２と非治療領域７０３とを示す図である。治療領域７０２は、病変のある領域であり、非治療領域７０３は、病変の周辺を取り囲んでいる器官領域である。そして、治療領域７０２内には、図３Ａの複数個の焦点７０１が形成される。ＨＩＦＵ装置は、治療領域７０２には、超音波信号を集中させなければならないが、治療領域７０２ではない非治療領域７０３では、超音波信号が増幅されてはならない。前述のように、非治療領域７０３では、超音波信号が増幅される現象は、グレーティングローブである。
【００３７】
１つの例で、図３Ｂのグループ１に属する焦点が、候補焦点決定部１０２によって選択されると、焦点形成確認部１０３は、候補焦点決定部１０２によって選択された焦点位置には、負圧が１でありつつ、同時に非治療領域７０３の一部での負圧が０になる解を求め、前記解を利用して焦点を形成したとき、非治療領域７０３全体でグレーティングローブ現象が発生するか否かを判断する。以下では、図面と共に、焦点形成確認部１０３が、グレーティングローブ現象が発生するか否かを判断する方法について説明する。
【００３８】
図８は、焦点形成確認部１０３の構成を図示した図面である。図８を参照すると、図１に図示された焦点形成確認部１０３は、素子出力計算部１０５及び負圧発生判断部１１０から構成される。素子出力計算部１０５は、候補焦点決定部１０２が選択した候補焦点に焦点を合わせると共に、非焦点領域一部の負圧が０であるためのトランスデューサそれぞれの出力を求める。以下、図９と共に、素子出力計算部１０５が、非焦点領域一部で負圧が０であると共に、候補焦点に焦点を形成する出力を求める過程について説明する。図９は、三次元直交座標上で、トランスデューサ素子８０１の位置ベクトル
【００３９】
【数１】
2013154173.tif 000003
と、任意の焦点８０２の位置ベクトル
【００４０】
【数２】
2013154173.tif 000004
とを示す図である。トランスデューサ素子の個数は、複数個であり、三次元空間上で、各トランスデューサ素子の位置が異なるために、任意の焦点での負圧を計算するためには、各トランスデューサ素子の位置ベクトル
【００４１】
【数３】
2013154173.tif 000005
を定義しなければならない。図９でのように、任意に三次元直交座標系を設定することができる。設定された直交座標系の原点を開始点にし、ｎ番目のトランスデューサ素子の位置を終点にするベクトルを
【００４２】
【数４】
2013154173.tif 000006
ベクトルと定義し、該
【００４３】
【数５】
2013154173.tif 000007
ベクトルを、ｎ番目のトランスデューサ素子の位置ベクトルとして使用することができる。同様に設定された三次元直交座標系で、原点を開始点にして、ｍ番目の焦点の位置を終点にするベクトル
【００４４】
【数６】
2013154173.tif 000008
を定義し、該
【００４５】
【数７】
2013154173.tif 000009
ベクトルを、ｍ番目の焦点の位置ベクトルとして使用することができる。
【００４６】
式（１）は、素子出力計算部１０５が負圧を計算する基本的な式であり、式（１）内部の積分領域は、Rayleigh-Sommerfeld積分と呼ばれる。
【００４７】
【数８】
2013154173.tif 000010
式（１）は、ｍ番目の焦点で、負圧である
【００４８】
【数９】
2013154173.tif 000011
を計算する数式である。
【００４９】
式（１）でｊは、複素数である
【００５０】
【数１０】
2013154173.tif 000012
を示し、
【００５１】
【数１１】
2013154173.tif 000013
は複素数であって、トランスデューサから印加される信号の振幅及び位相
【００５２】
【数１２】
2013154173.tif 000014
は空気の密度、ｋは波数、ｃは音速、Ｎはトランスデューサ素子の個数、Ｍは対象点の個数、
【００５３】
【数１３】
2013154173.tif 000015
は図９におけるようなｍ番目の焦点の位置ベクトル、図９と同じように
【００５４】
【数１４】
2013154173.tif 000016
は、ｎ番目のトランスデューサ素子の位置ベクトル、
【００５５】
【数１５】
2013154173.tif 000017
は、トランスデューサ素子表面積の広さを意味する。Rayleigh-Sommerfeld積分が、式（１）で、総和の式で表現される理由は、トランスデューサの素子の数がＮ個であるので、それぞれのトランスデューサ素子で発生する負圧を全部合わせることで、実際に
【００５６】
【数１６】
2013154173.tif 000018
ベクトルの位置で生成される負圧の結果が導出されるからである。
【００５７】
さらに、ｍ番目の焦点での負圧だけではなく、さまざまな焦点に該当する負圧である
【００５８】
【数１７】
2013154173.tif 000019
を一回に行列の式で演算するために、式（２）のように、
【００５９】
【数１８】
2013154173.tif 000020
を定義することができる。
【００６０】
【数１９】
2013154173.tif 000021
式（２）におけるように
【００６１】
【数２０】
2013154173.tif 000022
を定義する場合、下記式（３）のように、Ｍ個の焦点での負圧を行列の式で、数式一つだけでも表現することができる。
【００６２】
【数２１】
2013154173.tif 000023
式（３）での
【００６３】
【数２２】
2013154173.tif 000024
は、式（１）におけるのと同様である。
【００６４】
そして、式（４）、式（５）、式（６）を順に、下記のように定義すれば、式（３）は、式（７）のように表現される。
【００６５】
【数２３】
2013154173.tif 000025
式（７）は式（３）と同一の式であり、式（４）乃至式（６）での特定の行列を定義し、表現のみ簡略に表現したものに過ぎない。すなわち、Ｐは、式（６）で表現されたように、焦点の位置である
【００６６】
【数２４】
2013154173.tif 000026
まで位置の負圧を、
【００６７】
【数２５】
2013154173.tif 000027
行列で表現したものであり、図３Ａのような例の場合、Ｍ＝２５である。Ｈは、式（４）に正義された式（２）の配列を示す（Ｍ×Ｎ）行列を示し、
【００６８】
【数２６】
2013154173.tif 000028
は、Ｎ個のトランスデューサ素子に印加される信号の振幅及び位相を示す（Ｎ×１）行列を示す。
【００６９】
素子出力計算部１０５は、候補焦点決定部１０２が焦点領域７０２内で選択した焦点の負圧が１、焦点領域７０２内で選択していない焦点の負圧が０で設定された後、式（７）を満足する
【００７０】
【数２７】
2013154173.tif 000029
の値を導き出す。一方、式（７）を満足させる
【００７１】
【数２８】
2013154173.tif 000030
の値は、一つではなく、複数個が存在してもよい。なぜならば、決定しなければならない未知数は、トランスデューサ素子の個数であるＮ個であり、式（７）によって生成される連立方程式の個数は、Ｍ個であり、もし（Ｎ＞Ｍ）であるならば、未知数の個数が連立方程式の個数よりさらに多いからである。結局、焦点形成確認部１０３は、式（７）を満足させる複数個の解のうち、グレーティングローブが発生しない条件を満足させる解を求める。式（７）は、線形代数を利用すれば、式（８）で表現することができる。
【００７２】
【数２９】
2013154173.tif 000031
式（８）のｗは、任意のベクトルであり、上添え字＋は、疑似逆行列を意味する。
【００７３】
ｗベクトルは、任意のベクトルであるので、任意の値を指定することができるが、図７の非治療領域には、グレーティングローブを発生させない値を求める。すなわち、非治療領域の負圧が０になる条件を満足するｗベクトルを求める。しかし、非治療領域には、無限大の点が存在するので、非治療領域全体で負圧が０になる条件を、方程式で表現するのは、たやすいことではない。このために、非治療領域でがランダムに一部個数の点だけ選択して負圧を０にするか、あるいは熱に弱くて保護しなければならない部分の負圧を０にする方程式を作り、該方程式を満足するｗベクトルを求める。例えば、保護領域の負圧を０にする実施形態について説明すると、保護領域内の位置の個数をＣ個としたとき、保護領域での負圧を、式（９）のように、行列で表現し、その位置の負圧値が全部０になる条件が、グレーティングローブが発生しない条件である。
【００７４】
【数３０】
2013154173.tif 000032
式（９）で、ｐの’は、保護領域が負圧であることを区分するために印されている。そして、保護領域で
【００７５】
【数３１】
2013154173.tif 000033
の行列は、焦点領域と区分するために、式（１０）のように、Ｂと表現することができる。そして、Ｈの上添え字は、保護領域でのＨ値であるということを示すためのものである。
【００７６】
【数３２】
2013154173.tif 000034
式（９）及び式（１０）を利用すれば、式（１１）を得ることができる。
【００７７】
【数３３】
2013154173.tif 000035
式（１１）は、保護領域での負圧がいずれも０になる条件を示す。素子出力計算部１０５が、式（７）と式（１１）とを同時に満足させる
【００７８】
【数３４】
2013154173.tif 000036
の値を算出すれば、式（７）によって、所望の焦点に超音波を集中させることができ、式（１１）によって、保護領域の負圧を除去することができる。式（１１）の解を求めるために、素子出力計算部１０５は、式（１１）に式（８）の
【００７９】
【数３５】
2013154173.tif 000037
値を代入して、下記式（１２）を得ることができる。
【００８０】
【数３６】
2013154173.tif 000038
式（１２）でｗの解は、さらに線形代数によって、式（１３）のように得られる。式（１３）でのｗの値が意味するところは、保護領域で負圧が０になる条件、すなわち、保護領域でのグレーティングローブが発生しない条件である。
【００８１】
【数３７】
2013154173.tif 000039
素子出力計算部１０５は、ｗベクトルの値を算出すれば、ｗベクトルの値を式（８）に代入し、トランスデューサ素子の出力値である
【００８２】
【数３８】
2013154173.tif 000040
値を算出した後、入力された候補焦点と対応させてメモリ１０６に保存する。このように算出された
【００８３】
【数３９】
2013154173.tif 000041
の値は、式（７）と式（１１）とを同時に満足させる値であるので、候補焦点に焦点を形成すると共に、保護領域では、負圧が０であることを満足させるトランスデューサの出力値である。このように算出したトランスデューサの出力である
【００８４】
【数４０】
2013154173.tif 000042
を、負圧発生判断部１１０に出力する。
【００８５】
負圧発生判断部１１０は、素子出力計算部１０５が求めたトランスデューサの出力である
【００８６】
【数４１】
2013154173.tif 000043
をトランスデューサに印加するとき、非焦点領域全体で、グレーティングローブ現象が発生するか否かを判断する。素子出力計算部１０５は、グレーティングローブ現象が、非焦点領域のうち、特に、保護領域で発生しないように、保護領域での負圧が０である条件として
【００８７】
【数４２】
2013154173.tif 000044
を求めた。従って、素子出力計算部１０５によって計算された出力
【００８８】
【数４３】
2013154173.tif 000045
を利用する場合、保護領域では、グレーティングローブ現象が発生しない。しかし、保護領域外の全体非焦点領域でグレーティングローブ現象が発生することがあるため、負圧発生判断部１１０は、全体非焦点領域で、グレーティングローブが発生するか否かを判断する。さらに、負圧発生判断部１１０は、非焦点領域でグレーティングローブ現象が発生するが、その発生したグレーティングローブの負圧が低いレベルであったり、あるいは人体に無害である領域であると判断する場合も、グレーティングローブが発生しないことと同一に判断することができる。負圧発生判断部１１０は、グレーティングローブ現象が発生するか否かを判断し、最適焦点決定部１０４に出力する。
【００８９】
最適焦点決定部１０４は、負圧発生判断部１１０からグレーティングローブ現象が発生すると入力されると、候補焦点決定部１０２をして、同一の焦点の個数を出力させ、その個数ほどの焦点の再選択を要求する。候補焦点決定部１０２が再選択した焦点集合は、焦点形成確認部１０３によって、再びグレーティングローブ現象が発生するか否かを演算される。候補焦点決定部１０２が、このように反復して所定回数以上再選択を行ったにもかかわらず、グレーティングローブ現象が維持される場合、最適焦点決定部１０４は、候補焦点決定部１０２への再選択の要求を中止する。すなわち、最適焦点決定部１０４は、継続して選択を行った焦点の個数では、グレーティングローブの発生をなくすことができないと判断し、再選択の要求を中止するのである。例えば、最適焦点決定部１０４が、候補焦点決定部１０２に対して、継続して７個の焦点の選択を要求したにもかかわらず、５０回内でグレーティングローブ現象を除外することができなければ、７個の焦点では、グレーティングローブ現状の発生をなくすことができないと決定し、候補焦点決定部１０２に再選択の要求をしない。
【００９０】
最適焦点決定部１０４は、候補焦点決定部１０２に対して再選択の要求を中止する場合、メモリ１０６に記憶されている最も最近の焦点集合を最適焦点集合と決定する。メモリ１０６には、再選択要求を放棄した焦点の個数より一つ少ない焦点の個数が選択された焦点集合として、グレーティングローブの発生のない焦点の集合、及びそれに対応するトランスデューサの出力である
【００９１】
【数４４】
2013154173.tif 000046
が記憶されている。すなわち、前記例のように、最適焦点決定部１０４が７個の焦点でもって、グレーティングローブの発生をなくすことができないと決定した後、メモリ１０６に記憶されている６個の焦点からなる焦点集合を、最適焦点集合として決定するのである。その焦点集合は、グレーティングローブの発生がない焦点集合である。このように、最適焦点決定部１０４が得た最適焦点集合は、最適焦点保存部１０９に最適焦点集合として、
【００９２】
【数４５】
2013154173.tif 000047
の値と共に記憶される。
【００９３】
最適焦点決定部１０４は、焦点形成確認部１０３から、グレーティングローブ現象が発生しないという結果と、現在焦点の個数とが入力されたとき、現在焦点の個数よりさらに一つ多い焦点の個数を出力し、その出力の個数ほど候補焦点決定部１０２が選択することを要求する。すなわち、現在焦点の集合は、グレーティングローブ現象が発生せずに、焦点を合わせることができる集合であるということを意味する。しかし、焦点の個数をさらに増やしても、グレーティングローブ現象が発生するか否かを判断するために、最適焦点決定部１０４は、候補焦点決定部１０２に対して、さらに多い焦点の個数を選択することを要求する。
【００９４】
対象点決定部１０１が、焦点形成確認部１０３から入力された最適焦点集合を、対象点を決定するときに除外するところは、前述の通りである。対象点決定部１０１がユーザから入力された治療領域内に存在する複数個の焦点のうち、最適焦点集合を除いたとき、残る焦点がなければ演算が終了する。
【００９５】
メモリ１０６は、焦点形成確認部１０３が演算した焦点集合のうち、グレーティングローブが発生しない焦点集合と、素子出力計算部１０５が演算したその焦点集合に対応する
【００９６】
【数４６】
2013154173.tif 000048
の値とを記憶する。
【００９７】
最適焦点保存部１０９は、最適焦点決定部１０４が最適焦点集合であると決定した焦点集合と、その焦点集合に対応する
【００９８】
【数４７】
2013154173.tif 000049
の値とを記憶する。
【００９９】
インターフェース１０７は、ユーザから対象点決定部１０１に焦点の情報を入力したり、あるいは最適焦点保存部１０９から最適焦点集合及びその最適焦点集合に対応する
【０１００】
【数４８】
2013154173.tif 000050
の値を出力する。
【０１０１】
照射決定部１０８は、最適焦点決定部１０４が最適焦点として定した焦点に照射する順序または時間を決定する。最適焦点決定部１０４が最適焦点として決定した焦点の集合は、複数個が存在しうる。従って、かような焦点の集合を順次に照射するが、照射を行う順序、または焦点の集合に超音波を照射する時間を決定する。
【０１０２】
図１０は、本発明の一実施の形態によるフローチャートを示している。９０１段階で、候補焦点決定部１０２が決定する焦点の個数であるｎを１に設定する。９０２段階で、対象点決定部１０１は、ユーザから入力された治療領域内の複数個の焦点のうち、最適焦点決定部１０４から最適焦点集合であるとして入力された焦点を除外し、残りの焦点を対象点として選択する。９０３段階で、候補焦点決定部１０２は、対象点のうちｎ個の候補焦点を選択する。９０４段階で、焦点形成確認部１０３は、候補焦点決定部１０２が決定したｎ個の焦点の最適負圧を計算し、グレーティングローブが発生する場合には９０６段階に進み、グレーティングローブが発生しない場合には９０５段階に進む。９０５段階は、グレーティングローブが発生しない場合であるが、最適焦点決定部１０４は、候補焦点決定部１０２が決定する焦点の個数であるｎ個に一つを加えた後、９０３段階を反復する。９０６段階は、グレーティングローブが発生する場合であるが、最適焦点決定部１０４は、所定の反復回数が超えた場合には９０７段階に進み、所定の反復回数を超えていない場合には９０３段階を反復する。９０７段階で、対象点決定部１０１は、対象点が残っているか否かを判断し、対象点が残っていない場合には終了し、対象点が残っている場合には９０２段階を反復する。
【０１０３】
一方、前述の本発明の実施の形態は、コンピュータで実行されるプログラムで実施可能であり、コンピュータで読み取り可能な記録媒体を利用し、前記プログラムを動作させる汎用デジタルコンピュータで具現される。また、前述の本発明の実施の形態で使用されたデータの構造は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に、さまざまな手段を介して記録される。前記コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、ハードディスク、フロプティカルディスク及び磁気テープのような磁気記録媒体、ＣＤ−ＲＯＭディスク及びＤＶＤのような光媒体、光ディスクのような光磁気媒体、及び、リードオンリメモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、フラッシュメモリ等のようなプログラム命令を記憶及び実行するように特別に構成されるハードウェア装置を含む。
【０１０４】
以上、本発明についてその望ましい実施の形態を中心に説明した。当業者であれば、本発明が、本発明の本質的な特性から外れない範囲で変形された形態に具現可能であるということを理解することができるであろう。従って、開示された実施の形態は、限定的な観点ではなく、例示的な観点で考慮されなければならない。本発明の範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にあるあらゆる差異点は、本発明に含まれるものであると解釈されなければならないのである。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明の超音波トランスデューサアレイの多焦点形成方法及びその装置は、例えば、超音波医療治療関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１０１：対象点決定部
１０２：候補焦点決定部
１０３：焦点形成確認部
１０４：最適焦点決定部
１０５：素子出力計算部
１０６：メモリ
１０７：インターフェース
１０８：照射決定部
１０９：最適焦点保存部
１１０：負圧発生判断部
２０１：トランスデューサアレイ
２０２，７０２：治療領域
７０１：複数の焦点
７０３：非治療領域
８０１：トランスデューサ素子
８０２：任意の焦点
【図１】
2013154173.tif 000051
【図２】
2013154173.tif 000052
【図３Ａ】
2013154173.tif 000053
【図３Ｂ】
2013154173.tif 000054
【図３Ｃ】
2013154173.tif 000055
【図４】
2013154173.tif 000056
【図５】
2013154173.tif 000057
【図６】
2013154173.tif 000058
【図７】
2013154173.tif 000059
【図８】
2013154173.tif 000060
【図９】
2013154173.tif 000061
【図１０】
2013154173.tif 000062