(57)【要約】  超音波診断撮像システムは、放射線療法中に、標的領域を画像化するために、患者にテープ又はベルトで取り付けられた薄型２次元アレイトランスデューサプローブを有する。放射線療法処置は、処置前に取得された標的領域の画像に基づいて行われた計画に基づいて行われる。アレイトランスデューサは、治療処置の区分の最中又は間に、電子ビーム操縦により標的領域の３次元画像を生成するために、超音波システムによって操作される。超音波画像は、治療処置中の標的解剖学的構造の動き又は変位に応答して、治療計画を調整するために使用される。
2017530780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元アレイトランスデューサと、前記２次元アレイトランスデューサに結合されたプローブケーブルとを含み、標的領域を含む容積領域内の超音波ビームを電子的に操縦する超音波プローブであって、幅及び長さの寸法を有する患者接触面を有し、前記幅及び長さの寸法よりも小さい前記患者接触面に垂直な厚さを有するアレイ超音波プローブと、
前記超音波プローブから離れて配置され、前記プローブケーブルによって前記超音波プローブに接続された超音波システムであって、前記超音波システムは、患者の前記標的領域の３次元画像の生成のために前記超音波プローブによって生成された超音波信号を処理する、超音波システムと、
前記患者に音響結合された前記患者接触面で前記患者への前記超音波プローブの取り付けを可能にするベルト又は粘着バンドと
を含む、放射線療法治療を受けている患者を撮像するための超音波診断撮像システムであって、
前記超音波プローブは、前記患者が放射線療法治療を受けている間、前記患者に取り付け可能であり、前記超音波システムは、治療中又は治療区分の間の何れかに、前記標的領域の画像を生成する、
超音波診断撮像システム。
【請求項２】
前記超音波プローブは、前記２次元アレイトランスデューサに結合されたマイクロビーム形成器をさらに含み、前記プローブケーブルは前記マイクロビーム形成器に結合される、請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
【請求項３】
前記超音波プローブは、前記２次元アレイトランスデューサ、前記マイクロビーム形成器及び前記プローブケーブルを支持するポリマーフレームを更に含む、請求項２に記載の超音波診断撮像システム。
【請求項４】
前記超音波システムは、前記標的領域の３次元画像を生成するボリュームレンダラを更に含む、請求項２に記載の超音波診断撮像システム。
【請求項５】
前記超音波システムは、前記超音波プローブによって走査される前記容積領域を前記超音波プローブに関して配向するように操作されるユーザ制御部を更に含む、請求項２に記載の超音波診断撮像システム。
【請求項６】
前記ユーザ制御部は、前記超音波プローブの側面に横方向に配置された標的領域を走査するために配向されるように前記容積領域を配向するように操作される、請求項５に記載の超音波診断撮像システム。
【請求項７】
前記標的領域は、標的解剖学的構造を含み、
前記標的解剖学的構造は、前記超音波プローブに隣接する前記患者を通過する治療ビームによって治療される、
請求項６に記載の超音波診断撮像システム。
【請求項８】
前記２次元アレイトランスデューサから離れた前記プローブケーブルの端部に配置されたプローブコネクタを更に含み、
前記プローブコネクタは前記超音波プローブの電子部品を更に含む、
請求項２に記載の超音波診断撮像システム。
【請求項９】
患者に２次元アレイトランスデューサを含む超音波プローブを取り付けるステップであって、前記超音波プローブは、幅及び長さの寸法を有する患者接触面を有し、前記幅及び長さの寸法よりも小さい前記患者接触面に垂直な厚さを有する、ステップと、
前記患者の標的領域上に放射線療法を行うステップと、
標的領域を含む容積領域内の超音波ビームを操縦するステップと、
前記超音波プローブによって生成された信号から前記標的領域の３次元超音波画像を生成する超音波システムを提供するステップと、
前記３次元超音波画像に基づいて前記放射線療法を調整するステップと
を含む、放射線療法治療を受けている患者を超音波撮像するための方法。
【請求項１０】
前記取り付けるステップは、前記超音波プローブをベルト又は粘着バンドで前記患者に取り付けるステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
治療計画画像を生成するために前記容積領域を走査するステップと、
前記治療計画画像を使用して放射線療法を計画するステップと
を更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記取り付けるステップは、２次元アレイ及びマイクロビーム形成器を含む超音波プローブを前記患者に取り付けるステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記標的領域が前記超音波プローブの下にないように、前記患者に前記超音波プローブを取り付けるステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
超音波システムは前記超音波システムに結合されたユーザ制御部を更に含み、前記超音波プローブの下にない標的領域を視覚化するように前記ユーザ制御部を調整するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記提供するステップは、治療計画の治療区分の間に前記標的領域の３次元画像を生成するために、超音波システムを使用するステップを更に含み、
前記放射線療法を調整するステップは、治療区分の間で生成された前記標的領域の３次元超音波画像に基づいて前記放射線療法を調整するステップを更に含む、
請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線治療処置、特に、このような処置をガイドするための超音波撮像の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線治療又は放射線療法の準備において、処置を計画するために、治療標的（腫瘍）の医用診断画像が撮影される。腫瘍の位置（深さ）、及び、周囲の健康な組織構造の存在の両方が、処置を計画する際に考慮される。これらの考慮は、放射線量の強度と焦点、治療区分が送達される腫瘍内の位置、及び、周囲の健康な組織を通る放射線ビームの経路の選択を導く。典型的には、計画画像は、シミュレーションＣＴスキャンと呼ばれる、標的領域のＣＴ画像である。ＣＴ画像に基づき、計画の結果は、通常は線形加速器である、治療送達装置に送られる一連の指示である。指示は、患者の体内での放射線送達の経路及び計画された線量分布を規定する。計画画像は治療の開始前に取得されるので、治療標的（腫瘍）及び周囲の構造（健康な組織）が、各治療区分の前にシミュレーションＣＴスキャンに表示されるように正確に位置決めされることが非常に重要であり、さもなければ線量は安全かつ正確に伝達されない。したがって、治療の所望の結果を得るために、患者の位置決めがますます関心を集めている。
【０００３】
放射線療法の画像ガイダンスに使用されることができるモダリティの１つは、超音波撮像であり、これにはいくつかの独自の特徴がある。超音波は癌の診断に広く使用されてきた。それは比較的安価で使い易く、画質が改良され続けるため、それは、ＭＲＩ又はＣＴ撮像に匹敵する診断値を有することができる。標的の二次元（２Ｄ）超音波画像は、従来、放射線療法計画のために使用される対応するＣＴ投影と比較される。ＭＲＩと同様、超音波撮像は、良性であり、患者に余分な望ましくない放射線量を追加することはなく、一般的に非侵襲性撮像モダリティである。したがって、超音波撮像は、適応型アプリケーションに必須条件である治療区分間の臓器運動モニタリングによく適している。
【０００４】
放射線療法における超音波の最初の使用は、標的の２つの垂直面を視覚化するための超音波多断面再構成の典型的な使用に従っていた。超音波のこの最初のアプリケーションは、前立腺癌治療のためだけに利用可能であって、多くの制約が示され、文献にドキュメント化されている。Langenらの「Evaluation of ultrasound-based prostate localization for image-guided radiotherapy」Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Physics、 第57巻 （2003）、635-44頁、及び、Van den Heuvelらの「Independent verification of ultrasound based image-guided radiation treatment, using electronic portal imaging and implanted gold markers」Med. Phys.、 第30巻（2003）、2878-87ページを参照されたい。現時点では、前立腺癌治療のみが、照射中に標的を経会陰的に連続的にスキャンする機械的に掃引されたトランスデューサを用いて、臨床的に実施されている。前立腺の位置は、治療計画に使用される処置の開始前に取得された経会陰超音波画像における前立腺の位置と比較される。各治療区分に対する患者のセットアップ中、超音波ガイダンスは、標的の位置及び危険にさらされている近くの臓器を決定する。標的の現在の位置は、線量を再計算し、必要に応じて、適応型アプリケーションにおける患者治療を再計画するために使用されることができる。Abramowitzらの「Noninvasive Real-time Prostate Tracking Using a Transperineal Ultrasound Approach」In’l J. Rad., Oncol., Biol.& Physics、第84巻（2012）、S133頁、及び、Courtらの「Automatic online adaptive radiation therapy  techniques for targets with significant shape change:  a feasibility study」Phys. Med. Biol.,、第51巻（2006）、2493-50頁を参照されたい。
【０００５】
放射線治療ガイダンスのための超音波の適用において固有の問題の１つは、超音波プローブの患者の身体への良好な音響結合を維持する必要性である。典型的な超音波プローブは、臨床医に把持され、プローブの保持のため、及び、患者の皮膚との良好な音響接触のために押されるハンドルを有する。これが放射線療法においてもたらす問題は、患者に対してプローブを押し付けるために必要な強い圧力により、腫瘍並びに隣接し介在する組織及び臓器が変位することである。したがって、超音波そのものの使用は、計画画像に示されているものから患者の解剖学的構造の再位置決めのソースとなってしまい、結果として治療の再計画及び治療送達システムの再プログラミングを必要とする。よって、安全で効果的な放射線療法処置のために必要な臓器及び組織の定位置を乱さないような態様で、放射線療法画像誘導のために超音波を使用できることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の原理に従って、治療計画段階中に観察された組織及び臓器の位置を変位することなく、放射線療法中の画像ガイダンスに使用される超音波診断撮像システム及び撮像プローブが説明される。撮像プローブは、従来の超音波プローブの他の部品から物理的に切り離された、制御マイクロビーム形成器及び圧電トランスデューサの薄く構成されたマトリクス（２次元）アレイである。この薄く最小限のプローブ構造により、医療用の粘着テープ又はベルトを用いてプローブを患者との音響接触状態に維持されることができ、プローブと患者との音響接触を維持するのに必要な圧力の量、及び、結果として組織変位の問題を最小限に抑える。マトリクスアレイの使用により、撮像プローブを、治療標的領域を含む身体の容積領域にわたって撮像ビームを操縦できる３次元位相アレイとして、動作させることができる。したがって、治療部位の３次元撮像は、電子的に（可動部分なしで）リアルタイムで行うことができる。撮像プローブと患者との音響接触を維持するためのベルト又は粘着バンドの使用は、操作者が放射線発生システムによってプローブを室内に保持する必要性をなくし、ロボットアームシステムのような複雑で高価なプローブ保持装置の必要性を排除する。最後に、最小限のプローブの薄い構成は、治療ビームの干渉問題を低減する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の超音波撮像プローブによって治療標的がリアルタイムで視覚化される間に、線形加速器を用いて放射線療法処置を受けている患者を示す。
【図２】本発明の撮像プローブと共に使用するのに適した超音波撮像システムを示す。
【図３】本発明の撮像プローブの底面図である。
【図４】本発明の撮像プローブを用いた放射線療法中の腫瘍の３Ｄ撮像を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
放射線療法において、各治療区分の前後、及び、場合によっては各治療区分中に、放射線療法治療計画の準備中に使用される標的の位置に関して患者内の治療標的の位置を評価することが必要である。現在、走査中に患者と音響接触するトランスデューサを保持するために提案された代替案は、人間の操作者又はロボット式／機械式アームシステムを含む。これの主な理由は、放射線療法アプリケーションのために特別に設計されたプローブがないからである。外用の従来の診断撮像プローブは、一般に技術者又は医師によって操作され、トランスデューサの結晶及び電子部品を取り囲むハンドル付きのケースを有する。しかし、放射線療法処置中の超音波画像誘導のためには、プローブは、理想的には、遠隔操作されなければならず、治療室で人間の操作者を必要とすることなく作動しなければならない。本発明は、圧電アレイ素子及びそのマイクロビーム形成器が、一般に超音波プローブ内に組み込まれた他の電子部品から分離されている、放射線療法用に特別に設計されたプローブを含み、圧電素子は、リアルタイム３次元撮像のための２次元マトリクスに配列され、素子及びマイクロビーム形成器は、平らで軽いケース内に組み立てられ、他の任意の電子部品は、ケーブル内に、又は、好ましくは、プローブケーブルの端のコネクタ内に組み込まれる。したがって、プローブの能動的撮像素子は、患者の上に位置決めされ、粘着性の部品又はベルトを用いて、定位置に保持されることができる。
【０００９】
まず、図１を参照すると、放射線療法治療を受けている患者８が示されている。線形加速器１２は、患者の上に位置決めされ、患者内の解剖学的構造を標的とするために、治療区分と呼ばれる間隔で放射線ビームを送達する。この例において、治療ビームは、肝臓腫瘍への治療の送達のために患者の肝臓に向けられる。粘着テープ又はベルトによって患者の腹部に取り付けられているのが、本発明の超音波撮像プローブである。プローブケーブル１４は、プローブによって取得された撮像信号を、図２に記載されるような超音波撮像システムに伝達する。遠隔操作者が治療の行われている間の患者の任意の動きを観察できるように、プローブは、処置中に腫瘍の撮像を行う。また、プローブは、治療を再開する前に、腫瘍の位置を計画画像に関連して評価されることができるように、治療区分間で腫瘍の領域を画像化する。撮像プローブのために、患者がいる治療室内には操作者が必要ではなく、プローブの薄型デザインは、放射線治療の送達にほとんど障害を与えない。
【００１０】
図２は、本発明の原理に従って構成された超音波システムをブロック図形式で示す。この実施形態では、プローブ１０は、２次元アレイトランスデューサ５００とマイクロビーム形成器５０２とを含む。マイクロビーム形成器は、アレイトランスデューサ５００の素子のグループ（「パッチ」）に印加される信号を制御する回路を含み、部分的にビーム形成された信号を生成するために、各グループの素子によって受信されるエコー信号の処理を行う。プローブ内でのマイクロビーム形成は、プローブと超音波システムとの間のケーブル５０３の導体の数を有利に減少させ、これは米国特許第5,997,479号明細書（Savordら）及び米国特許第6,436,048号（Pesque）に記載されている。
【００１１】
プローブ１０は、超音波システムのスキャナサブシステム３１０に結合される。ユーザ制御部６０に応答し、送信ビームのタイミング、周波数、方向及び集束についてプローブに指示する制御信号をマイクロビームフォーマ５０２に供給するビーム形成器コントローラ３１２を、スキャナは含む。ビーム形成器コントローラはまた、アナログ‐デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３１６及びビーム形成器１１６への結合によって、受信されたエコー信号のビーム形成を制御する。プローブによって受信されたエコー信号は、スキャナ内のプリアンプ及びＴＧＣ（時間利得制御）回路３１４によって増幅され、次いでＡ／Ｄ変換器３１６によってデジタル化される。次いで、デジタル化されたエコー信号は、ビーム形成器１１６によって完全にコヒーレントビームに形成される。任意に、アレイの素子から及び素子への信号は、ビーム形成器のみでビーム形成され得る。エコー信号は、デジタルフィルタリング、Ｂモード検出、ドップラ処理を行う画像プロセッサ３１８によって処理され、高調波分離、周波数合成によるスペックル低減、及び他の所望の画像処理等の、他の信号処理も行うことができる。
【００１２】
スキャナサブシステム３１０によって生成されたエコー信号は、所望の画像形式で表示するためにエコー信号を処理する、デジタルディスプレイサブシステム３２０に結合される。エコー信号は、エコー信号のサンプリング、ビームのセグメントの完全なライン信号へのスプライス化、及び、信号対雑音比改善又はフロー持続のためのライン信号の平均化が可能な、画像ラインプロセッサ３２２によって処理される。画像ラインは、当技術分野で知られているように、Ｒ‐θ変換を行う走査変換器３２４によって、所望の画像形式に走査変換される。走査変換器は、補間によって、受信されたビーム間の画像エリアを埋めることもできる。個々の画像又は画像シーケンスは、画像ループのキャプチャ中にシネメモリ３２６に格納される。また、メモリ内の画像は、例えば、患者識別情報の入力又はカーソルの移動のためのユーザ制御に応答するグラフィクス生成器３３０によって生成された、画像と共に表示されるグラフィクスが重ね合わされる。
【００１３】
リアルタイム容積撮像のために、ディスプレイサブシステム３２０はまた、３Ｄデータセット又は空間的に分離された２Ｄ画像のセットを受信しそれらをリアルタイム３次元画像にレンダリングするボリュームレンダラ３２８を含む。走査された解剖学的構造の３Ｄ画像がディスプレイ１５０に表示される。ユーザインターフェース６０は、２次元アレイプローブによって走査された容積領域の配向の制御のための制御部６２‐６６を含む。ユーザは、走査される領域の配向等、制御部６６によって制御される機能を選択できる。次いで、ユーザはジョイスティック又はトラックボール６２を使用して、走査された領域を位置決めする。走査された領域が設定されると、ユーザは制御部６４を押して設定をロックする。ビーム形成器コントローラ３１２、ビーム形成器１１６、及びマイクロビーム形成器５０２は、２次元アレイ５００の素子を用いた段階的送信によって所望の方向にビームを送信することで、これらの設定変更に応答し、次いで、走査される容積領域全体にわたって一連の受信ビームを取得するために、受信されたビームを同じ方向に操縦する。これらの受信ビームは３Ｄ空間内の走査線に処理され、次いで、ボリュームレンダリングによって走査されたボリュームの３Ｄ画像にレンダリングされる。したがって、容積領域は、プローブ内の可動素子なしで再配置され、走査される。これらの制御の動作の効果は図４に示される。
【００１４】
図３は、患者接触側から見た本発明の撮像プローブ１０の平面図である。プローブは、例えばＰＺＴセラミック製の圧電トランスデューサ素子の２次元（マトリクス）アレイ１６を含む。圧電素子は、図１に示されるような腹部適用におけるプローブの性能を改善する、音響送信エネルギー及び感度が優れていることから、マイクロマシン変換素子（ＭＵＴｓ）と比較して好ましい。マトリクスアレイは、アレイの素子の動作を制御し、マトリクスアレイの素子のパッチからケーブル１４の同軸導体を介して超音波システムに部分的にビーム形成された信号を生成するマイクロビーム形成器アプリケーション固有の集積回路によって支持される。ケーブルの導体は、マイクロビーム形成器集積回路の接続パッドに結合される。プローブの側面図に見られるカバーはケーブル接続を覆っている。マトリクスアレイ及びマイクロビーム形成器アセンブリは、平らなポリマーフレーム１８内に取り付けられ、プローブには実質的に平らな外観を与える。プローブは、一般に、その幅又は長さ（図３参照）よりも小さい厚さ又は高さ（図１及び図４参照）を有し、患者にしっかりとテープ又はベルトで固定されることができる。この薄いプローブには更に利点があり、張力緩和部２０は、ケーブル１４のプローブ本体及びフレームへの取り付けを支援し、保護する。その限定された数の部品によって補助されたプローブの、実質的に平坦な構成は、プローブが患者の皮膚にしっかりとテープ又はベルトで固定され、放射線療法処置中ずっと静止したままにすることを可能にする。
【００１５】
トランスデューサ素子１６の面上の整合層及び被覆層（レンズ）等、他の通常使用される材料は、一般に、マトリクスアレイの面上で使用される。熱発散素子は、マイクロビーム形成器の背面に配置され得る。受信信号用のインピーダンス整合素子及びプリアンプ等、他の電子部品は、ケーブル１４に沿って一列に、又は、ケーブルの端部のコネクタ内に配置され、それによりプローブが超音波システムに差し込まれる。
【００１６】
図４は、本発明の撮像プローブ１０の電子的に操縦された撮像ビームが、どのようにプローブを取り付け、患者内の標的領域への治療ビームの送達を妨げることなく使用されるかを示す。この図は、患者の肝臓４０内の腫瘍４２を示す。撮像プローブ１０は、患者の皮膚表面６に取り付けられ、撮像のための円錐形パターン２２の超音波ビームを走査する。この例において、撮像プローブは、標的領域のすぐ上ではなく、その側面に隣接して取り付けられていることがわかる。ユーザ制御部６０は、円錐形走査領域２２をある角度で操縦するように操作され、その結果、標的領域４２をプローブ１０の側面に包含する。これは、患者の体内に治療ビームをまっすぐに導き、腫瘍４２に到達するために、短い又は最短の経路を進むことを可能にする。したがって、最小の健康な組織は、治療ビームに影響される。治療ビームをどこに導くかには柔軟性があることがわかっており、プローブからの干渉なしに、体内及び標的領域への侵入点に再配置されることができる。これは、治療ビーム３０が、腫瘍において最も効果的に導かれ、治療部位周辺の健康な器官及び組織に損傷を与えないように、必要に応じて配置されることを可能とする。この例から、本発明にしたがって構成された超音波プローブの更なる利点が、より明らかになる。２次元アレイは、プローブに隣接する領域内でのビーム操縦を可能にし、最小限の（小型の）プローブの薄い構造は、治療ビームとの干渉を低減する。これは、治療計画手順の柔軟性を増加し、その結果、プローブの電子部品との干渉を引き起こすことなく、治療ビーム経路を減少させ、プローブの近くに導くことができる。
【図１】
2017530780.tif 000003
【図２】
2017530780.tif 000004
【図３】
2017530780.tif 000005
【図４】
2017530780.tif 000006
【国際調査報告】
2017530780.tif 000007
2017530780.tif 000008
2017530780.tif 000009
2017530780.tif 000010