(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集束超音波手技中に患者の標的領域からの複数のキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
複数の解剖学的領域の生理学的特性を取得するための撮像デバイスであって、前記複数のキャビテーション信号は、前記標的領域から前記複数の解剖学的領域を通って進行する、撮像デバイスと、
コントローラであって、前記コントローラは、
前記複数の解剖学的領域の前記生理学的特性に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の解剖学的領域のうちの少なくとも１つを選択することと、
前記選択された解剖学的領域を前記患者の皮膚にコンピュータ的に投影することにより、投影された皮膚領域を形成することと、
前記標的領域から前記複数の解剖学的領域のそれぞれを通って進行するキャビテーション信号のビーム経路およびビーム収差を予測することであって、前記ビーム経路および前記ビーム収差を予測することは、前記ビーム経路に沿った前記複数の解剖学的領域の生理学的特性に基づく、ことと
を行うように構成されている、コントローラと、
前記投影された皮膚領域に取り付けられた少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと
を備えている、システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記複数のキャビテーション信号のうちの１つの伝送効率を予測するようにさらに構成されており、前記伝送効率は、前記ビーム経路に沿った前記生理学的特性に基づいて、前記複数の解剖学的領域のそれぞれに対して予測される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記生理学的特性は、前記複数の解剖学的領域のそれぞれに関連付けられた構造、厚さ、層の数、局所骨密度、表面幾何学形状、または、前記ビーム経路の入射角のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記複数の解剖学的領域に関連付けられた前記伝送効率に基づいて、前記複数の解剖学的領域のうちの少なくとも１つを選択するようにさらに構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記標的領域からの前記予測された信号経路を前記投影された皮膚領域上に投影することによって、前記少なくとも１つの選択された解剖学的領域を前記患者の皮膚にコンピュータ的に投影す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６】
前記コントローラは、前記撮像デバイスの座標と前記患者が位置している部屋における空間座標とを互いに関係付け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７】
前記システムは、少なくとも３つの場所トラッカのリアルタイム画像を取得するための二次撮像デバイスをさらに備えている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記コントローラは、前記二次撮像デバイスにおける座標を前記撮像デバイスにおける座標に位置合わせ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】
前記場所トラッカは、前記患者の３つの異なる解剖学的特徴に取り付けられ、前記場所トラッカのうちの少なくとも１つまたは前記患者の３つの異なる解剖学的特徴のうちの少なくとも１つは、前記撮像デバイスによって検出可能である、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記システムは、前記標的領域または前記投影された皮膚領域のうちの少なくとも１つの生理学的特性を取得するための二次撮像デバイスをさらに備え、前記コントローラは、前記二次撮像デバイスにおける座標を前記撮像デバイスにおける座標に位置合わせす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１１】
前記システムは、前記投影された皮膚領域を表示するためのディスプレイハードウェアをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記キャビテーション検出デバイスによって受信された前記キャビテーション信号に少なくとも部分的に基づいて、前記超音波トランスデューサを動作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１３】
集束超音波手技中に患者の標的領域からの複数のキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
複数の解剖学的領域の生理学的特性を取得するための撮像デバイスであって、前記複数のキャビテーション信号は、前記標的領域から前記複数の解剖学的領域を通って進行する、撮像デバイスと、
コントローラであって、前記コントローラは、
前記複数のキャビテーション信号のうちの１つの伝送効率を算出することであって、前記伝送効率は、前記複数の解剖学的領域の生理学的特性に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の解剖学的領域のそれぞれに対して算出される、ことと、
前記複数の解剖学的領域に関連付けられた前記算出された伝送効率を示す前記複数の解剖学的領域のマップを生成することと、
前記標的領域から前記複数の解剖学的領域のそれぞれを通って進行するキャビテーション信号のビーム経路およびビーム収差を予測することであって、前記ビーム経路および前記ビーム収差を予測することは、前記ビーム経路に沿った前記複数の解剖学的領域の生理学的特性に基づく、ことと
を行うように構成されている、コントローラと、
前記生成されたマップに基づいて前記複数の解剖学的領域のうちの少なくとも１つに取り付けられた少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと
を備えている、システム。
【請求項１４】
前記コントローラは、前記ビーム経路に沿った前記生理学的特性に基づいて、前記伝送効率を予測するようにさらに構成されている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記生理学的特性は、前記複数の解剖学的領域のそれぞれに関連付けられた構造、厚さ、層の数、局所骨密度、表面幾何学形状、または、前記ビーム経路の入射角のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記コントローラは、前記標的領域からの前記予測された信号経路を対応する皮膚領域上に投影することによって、前記少なくとも１つの選択された解剖学的領域のそれぞれを前記対応する皮膚領域にマッピングするようにさらに構成されている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記システムは、前記標的領域または対応する皮膚領域のうちの少なくとも１つの生理学的特性を取得するための二次撮像デバイスをさらに備え、前記コントローラは、前記二次撮像デバイスにおける座標を前記撮像デバイスにおける座標に位置合わせするようにさらに構成されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記撮像デバイスの座標と前記患者が位置している部屋における空間座標とを互いに関係付けるようにさらに構成されている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１９】
前記システムは、少なくとも３つの場所トラッカのリアルタイム画像を取得するための二次撮像デバイスをさらに備えている、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記コントローラは、前記二次撮像デバイスにおける座標を前記撮像デバイスにおける座標に位置合わせするようにさらに構成されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記場所トラッカは、前記患者の３つの異なる解剖学的特徴に取り付けられ、前記場所トラッカのうちの少なくとも１つまたは前記患者の３つの異なる解剖学的特徴のうちの少なくとも１つは、前記撮像デバイスによって検出可能である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記システムは、前記生成されたマップを表示するためのディスプレイハードウェアをさらに備えている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２３】
前記コントローラは、前記キャビテーション検出デバイスによって受信された前記キャビテーション信号に少なくとも部分的に基づいて、前記超音波トランスデューサを動作させるようにさらに構成されている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２４】
前記少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスは、前記生成されたマップに基づいて、前記複数の解剖学的領域のうちの少なくとも１つに取り付けられるように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項２５】
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
解剖学的領域との係合のために構成された筐体であって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記解剖学的領域を通って進行する、筐体と、
前記筐体の内側にある少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスであって、前記標的領域からの前記複数のキャビテーション信号を検出するための少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと、
前記筐体の内側にある音響インピーダンス整合層であって、前記解剖学的領域の音響インピーダンスと前記キャビテーション検出デバイスの音響インピーダンスとを合致させるための音響インピーダンス整合層と
を備え、
前記筐体の少なくとも一部は、キャビテーション検出のために最適化されている、システム。
【請求項２６】
前記筐体は、その表面幾何学形状を前記解剖学的領域の表面幾何学形状に相補的であるように構成することによって最適化されている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記キャビテーション検出デバイスの向きは、前記キャビテーション信号の伝搬方向と整列させられている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記筐体は、前記キャビテーション信号が前記筐体を通って進行するための遅延長を提供するように構成されている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２９】
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
解剖学的領域との係合のために構成された筐体であって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記解剖学的領域を通って進行する、筐体と、
前記筐体の内側にある少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスであって、前記標的領域からの前記キャビテーション信号を検出するための少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと
を備え、
前記筐体の少なくとも一部は、キャビテーション検出のために最適化されており、
前記筐体は、前記キャビテーション信号が前記筐体を通って進行するための遅延長を提供するように構成され、
前記遅延長は、ｄ２として表され、以下の方程式を満たし、
【数６０】
0006951560.tif 000010
式中、ｄ１は、前記キャビテーション信号が進行する前記解剖学的領域の遅延長を表し、λは、前記キャビテーション信号の波長を表し、ｎは、整数である、システム。
【請求項３０】
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
解剖学的領域との係合のために構成された筐体であって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記解剖学的領域を通って進行する、筐体と、
前記筐体の内側にある少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスであって、前記標的領域からの前記キャビテーション信号を検出するための少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと
を備え、
前記筐体の少なくとも一部は、キャビテーション検出のために最適化されており、
前記システムは、前記キャビテーション信号以外の雑音を吸収するために、前記筐体の内側に音響吸収器をさらに備えている、システム。
【請求項３１】
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
解剖学的領域との係合のために構成された筐体であって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記解剖学的領域を通って進行する、筐体と、
前記筐体の内側にある少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスであって、前記標的領域からの前記キャビテーション信号を検出するための少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと
を備え、
前記筐体の少なくとも一部は、キャビテーション検出のために最適化されており、
前記システムは、前記キャビテーション信号以外の雑音を反射するために、前記筐体の内側に音響反射器をさらに備えている、システム。
【請求項３２】
前記音響反射器は、空隙を備えている、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
解剖学的領域との係合のために構成された筐体であって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記解剖学的領域を通って進行する、筐体と、
前記筐体の内側にある少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスであって、前記標的領域からの前記キャビテーション信号を検出するための少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと
を備え、
前記筐体の少なくとも一部は、キャビテーション検出のために最適化されており、
前記筐体は、前記キャビテーション信号が前記筐体を通って進行するための伝搬幅を提供するように構成されている、システム。
【請求項３４】
前記伝搬幅は、Ｄｈとして表され、以下の方程式を満たし、
【数７０】
0006951560.tif 000011
式中、Ｄｓは、前記キャビテーション信号が進行する前記解剖学的領域の幅を表し、ｖｓは、前記解剖学的領域における音響速度を表し、ｖｈは、前記筐体における音響速度を表し、Ｔは、前記キャビテーション信号の周期を表し、ｎは、整数である、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
解剖学的領域との係合のために構成された筐体であって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記解剖学的領域を通って進行する、筐体と、
前記筐体の内側にある少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスであって、前記標的領域からの前記キャビテーション信号を検出するための少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと
を備え、
前記筐体の少なくとも一部は、キャビテーション検出のために最適化されており、
前記筐体は、前記検出されたキャビテーション信号の信号対雑音比を増加させるように構成されている、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、概して、超音波システムに関し、より具体的には、標的領域における超音波焦点からのキャビテーション信号を測定するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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または治療的に処置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）の崩壊、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中、圧電セラミックトランスデューサが、患者の外部からであるが、アブレーションされる腫瘍（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、それらの位相の各々が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。本明細書で使用されるように、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】
集束超音波手技中、小さいガス気泡（または「微小気泡」）が、生成され、および／または、標的領域の中に導入され得る。印加される音響場の振幅および周波数に応じて、微小気泡は、振動または圧潰し（この機構は「キャビテーション」と呼ばれる）、それによって、標的領域および／またはその周辺領域において種々の熱効果を引き起こし得る。例えば、低音圧において、微小気泡のキャビテーションは、超音波焦点領域におけるエネルギー吸収を強化し得、それによって、超音波焦点領域における組織は、微小気泡がない場合に起こるであろうよりも速く加熱され、より効率的にアブレーションされ得る。中枢神経系において利用される場合、微小気泡キャビテーションは、血管の崩壊を引き起こし、それによって、標的化薬物送達を強化するためのＢＢＢの「開放」を誘発し得る。しかしながら、高音圧において、安定しない微小気泡キャビテーションが、誘発され得、それは、出血、細胞死、およびその標的を越える広範な組織損傷等の望ましくない生体効果を引き起こし得る。
【０００４】
超音波手技中に微小気泡キャビテーションの望ましくない効果を最小化するために、１つの従来のアプローチは、キャビテーション検出器を超音波トランスデューサに関連付け、各超音波処理後に微小気泡からのキャビテーション信号（例えば、圧力波）を測定し、キャビテーション信号レベルが所定の閾値振幅を上回る場合、超音波手技は、中断される。しかしながら、キャビテーション検出器によって受信される前のキャビテーション信号は、キャビテーション検出器と標的との間に位置する介在組織（例えば、患者の頭蓋骨および頭皮）の１つ以上の層を横断する必要性があり、キャビテーション信号は、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介在組織と相互作用し得る。その結果、伝搬信号以外に、キャビテーション検出器は、反射され、屈折させられ、および／または、散乱させられたキャビテーション信号を検出し得、それによって、標的領域におけるキャビテーション効果を正確に反映する情報を提供することができない。望ましくないキャビテーション信号をフィルタリングすることが可能であり得るが、それは、フィルタリングされるべき雑音に対して十分に大きいキャビテーション信号を取得するために、多数のキャビテーション検出器の展開を要求するであろう。これは、設計および経済的負担を著しく増加させ得る。
【０００５】
故に、多数のキャビテーション検出器を採用する負担を伴わずに、標的領域において超音波からもたらされる微小気泡キャビテーションを正確に検出および監視する必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、多数のキャビテーション検出器の必要性を伴わない超音波手技（超音波治療または撮像等）中に標的領域および／またはその周辺組織における超音波焦点における微小気泡キャビテーションの正確かつ信頼性のある検出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、限定された数（好ましくは、５個未満または１０個未満）のキャビテーション検出デバイスが、キャビテーション信号に関する高伝送効率（例えば、所定の閾値を上回る）を提供する領域において、患者の頭皮と直接接触させられる。各頭皮領域に関連付けられる伝送効率は、標的領域から頭蓋骨および頭皮を通した予測されたビーム経路、ならびに遮断領域における頭皮および／または頭蓋骨の解剖学的特性に基づいて算出されることができる。解剖学的特性は、撮像システム（例えば、ＭＲＩデバイスおよび／またはコンピュータトモグラフィデバイス）を使用して取得され得る。加えて、キャビテーション検出デバイスが取り付けられる頭皮の場所は、頭皮および／または頭蓋骨領域の他の特性（例えば、幾何学形状）を考慮することによって選択され得る。例えば、実質的に平坦な面を有する頭蓋骨領域およびいかなる傷跡も有していない頭皮領域が、好ましくあり得る。キャビテーション検出器は、例えば、伝導性ペーストまたはゲルを使用して患者の頭皮に取り付けられ得る。
【０００７】
キャビテーション検出デバイスをそれに取り付けるための頭皮／頭蓋骨領域の場所が決定されると、撮像（例えば、ＭＲＩ）システムにおける頭皮／頭蓋骨領域の座標が、患者が位置する環境の空間座標に位置合わせされる。種々の実施形態では、位置合わせは、少なくとも３つの場所トラッカを少なくとも３つのＭＲＩ基準（例えば、患者の鼻先、耳、眼の縁、または上顎の歯）に取り付けることによって実施される。場所トラッカの光学画像が、リアルタイムで取得され得、これは、ユーザが、リアルタイム画像に基づいて、環境内のトラッカの空間座標を推測することを可能にする。種々の実施形態では、ＭＲ画像内のＭＲ基準の場所および光学画像内のトラッカの場所に基づいて、ＭＲＩ座標を光学撮像システムの座標に変換する位置合わせマトリクスが、取得されることができる。その後、空間座標におけるトラッカの移動が、光学画像を使用して監視されることができ、それは、次いで、位置合わせマトリクスを使用してＭＲＩ座標に変換されることができる。いくつかの実施形態では、患者の頭皮および場所トラッカは、好ましい頭皮領域（例えば、高伝送効率を有する領域）へのキャビテーション検出デバイスの取り付けを補助するために、ユーザに（ＭＲ画像または光学画像として）表示される。例えば、好ましい頭皮領域は、ハイライトまたは円を使用してディスプレイ上で強調され得、トラッカのリアルタイムの場所は、頭皮画像上に重ねられ得る。ユーザは、次いで、場所トラッカをそれらの場所が強調された頭皮領域と満足の行くまで重複するまで移動させ、続けて、キャビテーション検出デバイスを場所トラッカによって示される頭皮場所に取り付けることができる。代替として、頭皮は、各々が対応する頭蓋骨領域を横断するときのキャビテーション信号の伝送効率に対応する種々の色を使用して表示され得る。再び、ユーザは、高伝送効率を有する頭皮領域へのキャビテーション検出デバイスの取り付けを誘導するために、場所トラッカを利用し得る。
【０００８】
キャビテーション検出デバイスは、有線または無線デバイスであり得、時間領域および／または周波数領域における信号を検出し得る。いくつかの実施形態では、キャビテーション検出デバイスは、既製品（例えば、従来通り入手可能な送受信機）である、または既製品を使用して修正される。
【０００９】
種々の実施形態では、受信されたキャビテーション信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）は、キャビテーション検出デバイスを収容する筐体の構成および／または特性を最適化することによって改良される。例えば、筐体の幾何学形状は、トランスデューサと患者の頭部との間の間隙を回避するために、頭蓋骨の幾何学形状に相補的であるように調整され得る。これは、例えば、筐体の表面に沿ってゲルもしくは他の好適な形状適合（但し、音響的に殆ど干渉しない）材料を含むこと、または、例えば、３次元プリンタを誘導するために患者の頭部のカメラ走査もしくはコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）走査を使用して、患者の頭蓋骨の幾何学形状に基づく筐体を製造することによって達成されることができる。
【００１０】
代替として、または加えて、キャビテーション検出デバイスは、キャビテーション検出デバイスの表面において起こる反射を低減させるように、音響信号の伝搬方向と整列するように向けられ得る。いくつかの実施形態では、キャビテーション信号の音響遅延は、キャビテーション検出デバイスに到達することに先立って頭蓋骨および筐体を横断する音響信号の伝搬距離を調節することによって最適化される。加えて、筐体の材料特性は、最大信号電力がキャビテーション検出デバイスによって受信されることを確実にするために、頭蓋骨とキャビテーション検出デバイスとの間のインピーダンス整合を提供するように選択または調節され得る。
【００１１】
代替として、または加えて、筐体は、頭蓋骨とキャビテーション検出デバイスとの間にインピーダンス整合を提供するために、音響インピーダンス整合層を含み得る。異なる患者は、異なる頭蓋骨インピーダンスを有し得るので、筐体の材料特性を調整することおよび／またはインピーダンス整合層を採用することは、性能を有意に改良し得る。いくつかの実施形態では、筐体は、標的領域以外の源から生じる信号を吸収／反射するために、１つ以上の音響吸収器および／または反射器をさらに含む。吸収器／反射器は、キャビテーション検出デバイスが、屈折させられ、反射され、および／または散乱させられており、したがって、標的領域内のキャビテーションを正確に反映する情報を提供することができないより少ない信号を受信することも可能にし得る。加えて、キャビテーション検出デバイスは、受信されたキャビテーション信号のＳＮＲが１０−６よりも大きい（またはいくつかの実施形態では、１よりも大きい）ように標的領域に対して配置され得る。
【００１２】
故に、一側面では、本発明は、集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムに関する。種々の実施形態では、システムは、超音波トランスデューサと、標的領域からのキャビテーション信号が進行する複数の解剖学的領域の生理学的特性を取得するための撮像デバイスと、コントローラと、対応する皮膚領域に取り付けられる１つ以上のキャビテーション検出デバイスとを含む。一実装では、コントローラは、少なくとも部分的にその生理学的特性に基づいて、１つ以上の解剖学的領域を選択し、選択された解剖学的領域を対応する皮膚領域にマッピングするように構成される。いくつかの実施形態では、システムは、対応する皮膚領域を表示するためのディスプレイハードウェアをさらに含む。加えて、コントローラは、少なくとも部分的にキャビテーション検出デバイスによって受信されたキャビテーション信号に基づいて、超音波トランスデューサを動作させるようにさらに構成される。
【００１３】
種々の実施形態では、コントローラは、ビーム経路に沿った解剖学的領域の生理学的特性に基づいて、標的領域から解剖学的領域の各々を通って進行するキャビテーション信号のビーム経路およびビーム収差を予測するようにさらに構成される。加えて、コントローラは、ビーム経路に沿った生理学的特性に基づいて、解剖学的領域の各々に関連付けられた伝送効率を予測するように構成され得る。生理学的特性は、解剖学的領域の各々に関連付けられた構造、厚さ、層の数、局所骨密度、表面幾何学形状、および／またはビーム経路の入射角を含み得る。一実施形態では、コントローラは、それに関連付けられる伝送効率に基づいて、解剖学的領域を選択するように構成される。コントローラは、標的領域からの予測された信号経路を対応する皮膚領域上に投影することによって、選択された解剖学的領域を対応する皮膚領域にマッピングするようにさらに構成され得る。
【００１４】
種々の実施形態では、コントローラは、撮像デバイスの座標を患者が位置している部屋における空間座標と互いに関係付けるように構成される。加えて、システムは、３つ以上の場所トラッカのリアルタイム画像を取得するために、および／または標的領域および／または対応する皮膚領域の生理学的特性を取得するために、二次撮像デバイスを含み得る。場所トラッカは、３つの基準に取り付けられ得、場所トラッカおよび／または基準は、撮像デバイスによって検出可能であり得る。コントローラは、二次撮像デバイスにおける座標を撮像デバイスにおける座標に位置合わせするように構成され得る。一実施形態では、コントローラは、二次撮像デバイスにおける座標を撮像デバイスにおける座標に位置合わせするように構成される。
【００１５】
別の側面では、本発明は、集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムに関する。種々の実施形態では、システムは、超音波トランスデューサと、標的領域からのキャビテーション信号が進行する複数の解剖学的領域の生理学的特性を取得するための撮像デバイスと、コントローラと、生成されたマップに基づいて、１つ以上の解剖学的領域に取り付けられる１つ以上のキャビテーション検出デバイスとを含む。一実装では、コントローラは、少なくとも部分的にその生理学的特性に基づいて、解剖学的領域の各々に関連付けられた伝送効率を算出し、それに関連付けられる算出された伝送効率を示す解剖学的領域のマップを生成するように構成される。いくつかの実施形態では、システムは、生成されたマップを表示するためのディスプレイハードウェアをさらに含む。コントローラは、少なくとも部分的にキャビテーション検出デバイスによって受信されたキャビテーション信号に基づいて、超音波トランスデューサを動作させるようにさらに構成される。
【００１６】
いくつかの実施形態では、コントローラは、ビーム経路に沿った解剖学的領域の生理学的特性に基づいて、標的領域から解剖学的領域の各々を通って進行するキャビテーション信号のビーム経路およびビーム収差を予測するようにさらに構成される。加えて、コントローラは、ビーム経路に沿った生理学的特性に基づいて、伝送効率を予測するように構成され得る。生理学的特性は、解剖学的領域の各々に関連付けられた構造、厚さ、層の数、局所骨密度、表面幾何学形状、および／またはビーム経路の入射角を含み得る。一実施形態では、コントローラは、標的領域からの予測された信号経路を対応する皮膚領域上に投影することによって、解剖学的領域の各々を対応する皮膚領域にマッピングするように構成される。
【００１７】
一実施形態では、システムは、３つ以上の場所トラッカのリアルタイム画像および／または標的領域および／または対応する皮膚領域の生理学的特性を取得するための二次撮像デバイスをさらに含む。場所トラッカは、３つの基準に取り付けられ、場所トラッカおよび／または基準は、撮像デバイスによって検出可能である。加えて、コントローラは、撮像デバイスの座標を患者が位置している部屋における空間座標と互いに関係付けるように構成される。コントローラは、二次撮像デバイスにおける座標を撮像デバイスにおける座標と位置合わせするようにさらに構成され得る。一実施形態では、コントローラは、二次撮像デバイスにおける座標を撮像デバイスにおける座標に位置合わせするように構成される。
【００１８】
本発明の別の側面は、集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するための１つ以上のキャビテーション検出デバイスを設置する方法に関する。種々の実施形態では、方法は、（ａ）標的領域からのキャビテーション信号が進行する複数の解剖学的領域の特性を取得することと、（ｂ）少なくとも部分的にその特性に基づいて、１つ以上の解剖学的領域を選択することと、（ｃ）選択された解剖学的領域を対応する皮膚領域にマッピングすることと、（ｄ）マッピングに基づいて、対応する皮膚領域上にキャビテーション検出デバイスを設置することとを含む。
【００１９】
さらに別の側面では、本発明は、集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するための１つ以上のキャビテーション検出デバイスを設置する方法に関する。いくつかの実施形態では、方法は、（ａ）標的領域からのキャビテーション信号が進行する複数の解剖学的領域の特性を取得することと、（ｂ）解剖学的領域の各々のために、それに関連付けられる伝送効率を算出することと、（ｃ）それに関連付けられる算出された伝送効率を示す解剖学的領域のマップを生成することと、（ｄ）生成されたマップに基づいて、キャビテーション検出デバイスを解剖学的領域に取り付けることとを含む。
【００２０】
本発明のなおも別の側面は、集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムに関する。種々の実施形態では、システムは、超音波トランスデューサと、標的領域からのキャビテーション信号が進行する解剖学的領域との係合のために構成される筐体と、標的領域からのキャビテーション信号を検出するための筐体の内側のキャビテーション検出デバイスとを含む。一実装では、筐体の少なくとも一部は、キャビテーション検出のために最適化される。例えば、筐体は、その表面幾何学形状を解剖学的領域の表面幾何学形状に相補的であるように構成することによって最適化され得る。
【００２１】
加えて、キャビテーション検出デバイスの向きは、キャビテーション信号の伝搬方向と整列させられ得る。一実施形態では、筐体は、キャビテーション信号がそれを通って進行するための遅延長を提供するように構成される。遅延長は、ｄ２として表され得、以下の方程式を満たし得、
【数１０】
0006951560.tif 000002
式中、ｄ１は、それを通してキャビテーション信号が進行する解剖学的領域の遅延長を表し、λは、キャビテーション信号の波長を表し、ｎは、整数である。
【００２２】
いくつかの実施形態では、システムは、解剖学的領域およびキャビテーション検出デバイスの音響インピーダンスを合致させるために、筐体の内側に音響インピーダンス整合層を含む。加えて、システムは、キャビテーション信号以外の雑音を吸収するために、筐体の内側に音響吸収器をさらに含み得る。加えて、または代替として、システムは、キャビテーション信号以外の雑音を反射するために、筐体の内側に音響反射器（例えば、空隙）を含み得る。一実装では、筐体は、キャビテーション信号がそれを通って進行するための伝搬幅を提供するように構成される。伝搬幅は、Ｄｈとして表され、以下の方程式を満たし、
【数２０】
0006951560.tif 000003
式中、Ｄｓは、それを通してキャビテーション信号が進行する解剖学的領域の幅を表し、ｖｓは、解剖学的領域における音響速度を表し、ｖｈは、筐体における音響速度を表し、Ｔは、キャビテーション信号の周期を表し、ｎは、整数である。いくつかの実施形態では、筐体は、検出されたキャビテーション信号の信号対雑音比を増加させるように構成される。
【００２３】
別の側面では、本発明は、集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムに関する。種々の実施形態では、システムは、超音波トランスデューサと、標的領域からのキャビテーション信号を検出するための１つ以上のキャビテーション検出デバイスとを含む。一実装では、キャビテーション検出デバイスは、検出されたキャビテーション信号のＳＮＲが１０−６よりも大きい（またはいくつかの実施形態では、１よりも大きい）ように標的領域に対して配置される。
【００２４】
本明細書で使用されるように、用語「実質的に」は、±１０％を意味し、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て、「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、こと、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得る。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。
本発明はさらに、例えば、以下を提供する。
（項目１）
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
複数の解剖学的領域の生理学的特性を取得するための撮像デバイスであって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記複数の解剖学的領域を通って進行する、撮像デバイスと、
コントローラであって、前記コントローラは、
少なくとも部分的に前記複数の解剖学的領域の前記生理学的特性に基づいて、前記解剖学的領域のうちの少なくとも１つを選択することと、
前記選択された解剖学的領域を対応する皮膚領域にマッピングすることと
を行うように構成されている、コントローラと、
前記対応する皮膚領域に取り付けられた少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと
を備えている、システム。
（項目２）
前記コントローラは、ビーム経路に沿った前記解剖学的領域の前記生理学的特性に基づいて、前記標的領域から前記解剖学的領域の各々を通って進行するキャビテーション信号の前記ビーム経路およびビーム収差を予測するようにさらに構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記コントローラは、前記ビーム経路に沿った前記生理学的特性に基づいて、前記解剖学的領域の各々に関連付けられた伝送効率を予測するようにさらに構成されている、項目２に記載のシステム。
（項目４）
前記生理学的特性は、前記解剖学的領域の各々に関連付けられた構造、厚さ、層の数、局所骨密度、表面幾何学形状、または前記ビーム経路の入射角のうちの少なくとも１つを含む、項目３に記載のシステム。
（項目５）
前記コントローラは、前記解剖学的領域に関連付けられた前記伝送効率に基づいて、前記解剖学的領域のうちの少なくとも１つを選択するようにさらに構成されている、項目３に記載のシステム。
（項目６）
前記コントローラは、前記標的領域からの前記予測された信号経路を前記対応する皮膚領域上に投影することによって、前記少なくとも１つの選択された解剖学的領域の各々を前記対応する皮膚領域にマッピングするようにさらに構成されている、項目２に記載のシステム。
（項目７）
前記コントローラは、前記撮像デバイスの座標を前記患者が位置している部屋における空間座標と互いに関係付けるようにさらに構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目８）
少なくとも３つの場所トラッカのリアルタイム画像を取得するための二次撮像デバイスをさらに備えている、項目７に記載のシステム。
（項目９）
前記コントローラは、前記二次撮像デバイスにおける座標を前記撮像デバイスにおける座標に位置合わせするようにさらに構成されている、項目８に記載のシステム。
（項目１０）
前記場所トラッカは、３つの基準に取り付けられ、前記場所トラッカまたは前記基準のうちの少なくとも１つは、前記撮像デバイスによって検出可能である、項目８に記載のシステム。
（項目１１）
前記システムは、前記標的領域または対応する皮膚領域のうちの少なくとも１つの生理学的特性を取得するための二次撮像デバイスをさらに備え、前記コントローラは、前記二次撮像デバイスにおける座標を前記撮像デバイスにおける座標に位置合わせするようにさらに構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目１２）
前記対応する皮膚領域を表示するためのディスプレイハードウェアをさらに備えている、項目１に記載のシステム。
（項目１３）
前記コントローラは、少なくとも部分的に前記キャビテーション検出デバイスによって受信された前記キャビテーション信号に基づいて、前記超音波トランスデューサを動作させるようにさらに構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目１４）
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
複数の解剖学的領域の生理学的特性を取得するための撮像デバイスであって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記複数の解剖学的領域を通って進行する、撮像デバイスと、
コントローラであって、前記コントローラは、
少なくとも部分的に前記解剖学的領域の前記生理学的特性に基づいて、前記解剖学的領域の各々に関連付けられた伝送効率を算出することと、
前記解剖学的領域に関連付けられた前記算出された伝送効率を示す前記解剖学的領域のマップを生成することと
を行うように構成されている、コントローラと、
前記生成されたマップに基づいて前記解剖学的領域のうちの少なくとも１つに取り付けられた少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと
を備えている、システム。
（項目１５）
前記コントローラは、ビーム経路に沿った前記解剖学的領域の前記生理学的特性に基づいて、前記標的領域から前記解剖学的領域の各々を通って進行するキャビテーション信号の前記ビーム経路およびビーム収差を予測するようにさらに構成されている、項目１４に記載のシステム。
（項目１６）
前記コントローラは、前記ビーム経路に沿った前記生理学的特性に基づいて、前記伝送効率を予測するようにさらに構成されている、項目１５に記載のシステム。
（項目１７）
前記生理学的特性は、前記解剖学的領域の各々に関連付けられた構造、厚さ、層の数、局所骨密度、表面幾何学形状、または前記ビーム経路の入射角のうちの少なくとも１つを含む、項目１６に記載のシステム。
（項目１８）
前記コントローラは、前記標的領域からの前記予測された信号経路を対応する皮膚領域上に投影することによって、前記少なくとも１つの選択された解剖学的領域の各々を前記対応する皮膚領域にマッピングするようにさらに構成されている、項目１４に記載のシステム。
（項目１９）
前記システムは、前記標的領域または対応する皮膚領域のうちの少なくとも１つの生理学的特性を取得するための二次撮像デバイスをさらに備え、前記コントローラは、前記二次撮像デバイスにおける座標を前記撮像デバイスにおける座標に位置合わせするようにさらに構成されている、項目１８に記載のシステム。
（項目２０）
前記コントローラは、前記撮像デバイスの座標を前記患者が位置している部屋における空間座標と互いに関係付けるようにさらに構成されている、項目１４に記載のシステム。
（項目２１）
少なくとも３つの場所トラッカのリアルタイム画像を取得するための二次撮像デバイスをさらに備えている、項目２０に記載のシステム。
（項目２２）
前記コントローラは、前記二次撮像デバイスにおける座標を前記撮像デバイスにおける座標に位置合わせするようにさらに構成されている、項目２１に記載のシステム。
（項目２３）
前記場所トラッカは、３つの基準に取り付けられ、前記場所トラッカまたは前記基準のうちの少なくとも１つは、前記撮像デバイスによって検出可能である、項目２１に記載のシステム。
（項目２４）
前記生成されたマップを表示するためのディスプレイハードウェアをさらに備えている、項目１４に記載のシステム。
（項目２５）
前記コントローラは、少なくとも部分的に前記キャビテーション検出デバイスによって受信された前記キャビテーション信号に基づいて、前記超音波トランスデューサを動作させるようにさらに構成されている、項目１４に記載のシステム。
（項目２６）
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するための少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスを設置する方法であって、前記方法は、
（ａ）複数の解剖学的領域の生理学的特性を取得することであって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記複数の解剖学的領域を通って進行する、ことと、
（ｂ）少なくとも部分的に前記解剖学的領域の前記特性に基づいて、前記解剖学的領域のうちの少なくとも１つを選択することと、
（ｃ）前記選択された解剖学的領域を対応する皮膚領域にマッピングすることと、
（ｄ）前記マッピングに基づいて、前記対応する皮膚領域上に前記少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスを設置することと
を含む、方法。
（項目２７）
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するための少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスを設置する方法であって、前記方法は、
（ａ）複数の解剖学的領域の生理学的特性を取得することであって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記複数の解剖学的領域を通って進行する、ことと、
（ｂ）前記解剖学的領域の各々のために、それに関連付けられた伝送効率を算出することと、
（ｃ）前記解剖学的領域の各々に関連付けられた前記算出された伝送効率を示す前記解剖学的領域のマップを生成することと、
（ｄ）前記生成されたマップに基づいて、前記少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスを前記解剖学的領域のうちの少なくとも１つに取り付けることと
を含む、方法。
（項目２８）
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
解剖学的領域との係合のために構成された筐体であって、前記キャビテーション信号は、前記標的領域から前記解剖学的領域を通って進行する、筐体と、
前記標的領域からの前記キャビテーション信号を検出するための前記筐体の内側の少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと
を備え、
前記筐体の少なくとも一部は、キャビテーション検出のために最適化されている、システム。
（項目２９）
前記筐体は、その表面幾何学形状を前記解剖学的領域の表面幾何学形状に相補的であるように構成することによって最適化されている、項目２８に記載のシステム。
（項目３０）
前記キャビテーション検出デバイスの向きは、前記キャビテーション信号の伝搬方向と整列させられている、項目２８に記載のシステム。
（項目３１）
前記筐体は、前記キャビテーション信号が前記筐体を通って進行するための遅延長を提供するように構成されている、項目２８に記載のシステム。
（項目３２）
前記遅延長は、ｄ２として表され、以下の方程式を満たし、
【数２１】
0006951560.tif 000004
式中、ｄ１は、前記キャビテーション信号が進行する前記解剖学的領域の遅延長を表し、λは、前記キャビテーション信号の波長を表し、ｎは、整数である、項目３１に記載のシステム。
（項目３３）
前記解剖学的領域と前記キャビテーション検出デバイスとの音響インピーダンスを合致させるために、前記筐体の内側に音響インピーダンス整合層をさらに備えている、項目２８に記載のシステム。
（項目３４）
前記キャビテーション信号以外の雑音を吸収するために、前記筐体の内側に音響吸収器をさらに備えている、項目２８に記載のシステム。
（項目３５）
前記キャビテーション信号以外の雑音を反射するために、前記筐体の内側に音響反射器をさらに備えている、項目２８に記載のシステム。
（項目３６）
前記音響反射器は、空隙を備えている、項目３５に記載のシステム。
（項目３７）
前記筐体は、前記キャビテーション信号が前記筐体を通って進行するための伝搬幅を提供するように構成されている、項目２８に記載のシステム。
（項目３８）
前記伝搬幅は、Ｄｈとして表され、以下の方程式を満たし、
【数２２】
0006951560.tif 000005
式中、Ｄｓは、前記キャビテーション信号が進行する前記解剖学的領域の幅を表し、ｖｓは、前記解剖学的領域における音響速度を表し、ｖｈは、前記筐体における音響速度を表し、Ｔは、前記キャビテーション信号の周期を表し、ｎは、整数である、項目３７に記載のシステム。
（項目３９）
前記筐体は、前記検出されたキャビテーション信号の信号対雑音比を増加させるように構成されている、項目２８に記載のシステム。
（項目４０）
集束超音波手技中に患者の標的領域からのキャビテーション信号を検出するためのシステムであって、前記システムは、
超音波トランスデューサと、
前記標的領域からの前記キャビテーション信号を検出するための少なくとも１つのキャビテーション検出デバイスと、
を備え、
前記キャビテーション検出デバイスは、前記検出されたキャビテーション信号の信号対雑音比が１０−６よりも大きいように前記標的領域に対して配置されている、システム。
（項目４１）
前記キャビテーション検出デバイスは、前記検出されたキャビテーション信号の前記信号対雑音比が１よりも大きいように前記標的領域に対して配置されている、項目４０に記載のシステム。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
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。さらに、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。
【００２６】
【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。
【００２７】
【図２Ａ】図２Ａは、いくつかの実施形態による、標的領域において生成および／または注入される微小気泡を図式的に描写する。
【００２８】
【図２Ｂ】図２Ｂは、種々の実施形態による、微小気泡キャビテーションから発生する音響信号を図式的に描写する。
【００２９】
【図３Ａ】図３Ａは、ヒト頭部の組織層を図式的に図示する。
【００３０】
【図３Ｂ】図３Ｂは、種々の実施形態による、各々が標的領域からのキャビテーション信号経路に関連付けられる複数の頭蓋骨領域を描写する。
【００３１】
【図４】図４Ａおよび４Ｂは、種々の実施形態による、選択された頭蓋骨領域を頭皮領域にマッピングするためのアプローチを図示する。
【００３２】
【図５】図５は、種々の実施形態による、撮像システムにおける座標の患者が位置する環境の空間座標との位置合わせを描写する。
【００３３】
【図６】図６は、種々の実施形態による、色もしくは陰影マッピングされる、または別様に強調される頭皮領域を図示する。
【００３４】
【図７】図７は、種々の実施形態による、選択された患者の頭皮領域に直接取り付けられるキャビテーション検出デバイスを使用して標的領域からの微小気泡キャビテーション信号を検出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。
【００３５】
【図８Ａ】図８Ａは、種々の実施形態による、キャビテーション信号のＳＮＲを増加させるためにキャビテーション検出デバイスを収容する筐体の幾何学形状を構成するためのアプローチを図示する。
【００３６】
【図８Ｂ】図８Ｂおよび８Ｃは、種々の実施形態による、受信される信号の品質を改良するために、キャビテーション検出デバイスの向きおよび場所を調節するための種々のアプローチを図示する。
【図８Ｃ】図８Ｂおよび８Ｃは、種々の実施形態による、受信される信号の品質を改良するために、キャビテーション検出デバイスの向きおよび場所を調節するための種々のアプローチを図示する。
【００３７】
【図８Ｄ】図８Ｄおよび８Ｅは、それぞれ、種々の実施形態による、受信される信号の品質を改良するための筐体内の音響インピーダンス整合層および音響吸収器／反射器の実装を描写する。
【図８Ｅ】図８Ｄおよび８Ｅは、種々の実施形態による、受信される信号の品質を改良するための、それぞれ、筐体内の音響インピーダンス整合層および音響吸収器／反射器の実装を描写する。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、集束音響エネルギービームを生成し、頭蓋骨を通してそれを患者の脳内の標的領域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。しかしながら、当業者は、本明細書に説明される超音波システム１００が人体の任意の部分に適用され得ることを理解するであろう。種々の実施形態では、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。種々の実施形態では、システムは、標的領域１０１およびその周辺領域の情報を取得するために、および／または患者の頭部１１６の頭蓋骨１１４の解剖学的特性を決定するために、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、光学カメラ、または超音波検査デバイス等の１つ以上の撮像システム１１２をさらに含む。超音波システム１００および／または撮像システム１１２は、下でさらに説明されるように、微小気泡キャビテーションに関連付けられる情報を検出するために利用され得る。
【００３９】
アレイ１０２は、頭蓋骨１１４の表面または頭蓋骨以外の身体部分上での設置のために好適な湾曲（例えば、球形もしくは放物線）形状を有し得るか、または、アレイ１０２は、１つ以上の平面もしくは別様に成形された区分を含み得る。その寸法は、用途に応じて、数ミリメートル〜数十センチメートルで変動し得る。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またはシリコンベースの要素であり得、要素１０４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に搭載され得る。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（例えば、シリコンデバイス）も、使用され得る。トランスデューサ要素１０４への最大電力伝達および最小反射を確実にするために、要素１０４は、特定の（すなわち、合致する）電気インピーダンス（例えば、５０Ω）のために構成され得る。
【００４０】
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、ビーム形成器１０６は、個々のトランスデューサ要素１０４が標的領域１０１において集束超音波ビームまたは場を集合的に生成するようにそれらを駆動する。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、各々が増幅器１１８と位相遅延回路１２０とを含むか、またはそれらから成るｎ個の駆動回路を含み得、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）入力信号を周波数発生器１１０（例えば、Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓから入手可能なＭｏｄｅｌ  ＤＳ３４５発生器であり得る）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得る。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、同一の周波数であるが、異なる位相および／または異なる振幅で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を駆動するように構成される。
【００４１】
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および位相シフトａ１−ａｎは、患者の頭蓋骨１１４を通して標的領域１０１上に超音波エネルギーを伝送し、集束させること、および、頭蓋骨１１４および軟質脳組織において誘発される波歪みを考慮することに役立つ。増幅定数および位相シフトは、コントローラ１０８を使用して算出され、コントローラ１０８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得る。例えば、コントローラ１０８は、所望の集束または任意の他の所望の空間場パターンを取得するために必要な位相シフトおよび増幅定数を決定するために、従来の様式で、かつ過度の実験を伴わずに、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し得る。ある実施形態では、算出は、頭蓋骨１１４の特性（例えば、構造、厚さ、密度等）および音響エネルギーの伝搬に対するそれらの影響についての詳細な情報に基づく。そのような情報は、下でさらに説明されるように、撮像システム１１２から取得され得る。画像取得は、３次元であり得るか、または代替として、撮像システム１１２は、厚さおよび密度が推測され得る頭蓋骨１１４の３次元画像を再構成するために好適な２次元画像の組を提供し得る。画像操作機能性が、撮像システム１１２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得る。
【００４２】
いくつかの実施形態では、投与デバイス１２２が、微小気泡を患者の血流に注入するために採用され、それは、患者の脳の中に全身的に注入されるか、または標的領域１０４の中に局所的に注入され得る。微小気泡は、ガス充填気泡としてその後蒸発する液滴の形態において導入されるか、または、従来の超音波造影剤等の別の好適な物質に混入され得る。投与デバイス１２２は、患者の血流の中に微小気泡の懸濁液を送達するための任意の好適な装置であり得、例えば、手動または自動化シリンジ、静脈内投与バッグおよび針セット、蠕動ポンプ等の形態をとることができる。種々の実施形態では、システム１００は、ユーザから入力を受信するためのユーザインターフェースコンポーネント１２４（例えば、スクリーン、キーボード、およびマウスを含む）と、標的組織１０１および／または介在組織の画像をユーザに表示するためのディスプレイ１２６とをさらに含む。
【００４３】
図２Ａを参照すると、加えて、または代替として、トランスデューサ要素１０４によって放出される音響エネルギーは、ある閾値を上回り、それによって、標的領域１０１内に含まれる液体および／または血漿中に微小気泡２０２の生成を引き起こし得る。微小気泡２０２は、伝搬する超音波またはパルスによって生成される負圧に起因して、または、加熱された液体が破裂し、ガス／蒸気で充填されるとき、または、弱い音響場がキャビテーション核を含む組織に印加されるときに形成されることができる。注入および／または生成された微小気泡２０２は、それ自体が追加の微小気泡を生成するか、またはその生成を促進し得る。したがって、標的組織１０１に対する実際の微小気泡キャビテーション効果は、注入および／または直接生成された微小気泡と組織内に付随的に生成される微小気泡との組み合わせからもたらされ得る。
【００４４】
概して、比較的に低い音響出力（例えば、微小気泡生成閾値を上回る１〜２ワット）において、生成された微小気泡２０２は、大きさにおいて等しい圧縮および希薄化を伴う振動を受け、したがって、微小気泡２０２は、概して、破裂しないままである（「安定したキャビテーション」または「流動キャビテーション」として公知の条件）。微小気泡２０２の音響応答は、この低音響出力において線形であり、微小気泡２０２から放出される超音波の周波数は、入射超音波のそれと同一であるか、またはその高調波である（すなわち、基本周波数または基本高調波周波数）。より高い音響出力（例えば、微小気泡生成閾値を上回る１０ワットを上回る）において、生成された微小気泡２０２は、圧縮を上回る希薄化を受け、それは、微小気泡２０２のキャビテーションおよび非線形音響応答を引き起こし得る。キャビテーション事象から返される音響信号は、基本周波数および／または基本周波数の高調波、超高調波、および／または低調波における周波数を含み得る。本明細書で使用されるように、用語「基本」周波数または「基本高調波」周波数ｆ０は、トランスデューサアレイ１０２から放出された超音波／パルスの周波数（または時変周波数）を指し、用語「高調波」は、基本周波数の整数倍算（例えば、２ｆ０、３ｆ０、４ｆ０等）を指し、用語「超高調波」は、２つの非ゼロ整数高調波の間の分数周波数（例えば、３ｆ０／２、５ｆ０／４等）を指し、用語「低調波」は、基本周波数と第１の高調波との間の分数周波数（例えば、ｆ０／２、ｆ０／３、ｆ０／４等）を指す。
【００４５】
標的組織１０１に対するキャビテーション効果を監視するために、および／またはそれからもたらされる標的組織および／またはその周辺組織の望ましくない損傷を回避するために、種々の実施形態では、標的領域１０１における微小気泡２０２のキャビテーション事象は、超音波トランスデューサアレイ１０２および／または１つ以上のキャビテーション検出デバイス（送受信機または好適な代替等）２０６を使用して、それらから発生するキャビテーション信号２０４を検出することによって監視される。キャビテーション検出デバイス２０６は、コントローラ１０８と通信する有線または無線デバイスであり得、時間領域および／または周波数領域における信号を検出し得る。いくつかの実施形態では、キャビテーション検出デバイス２０６は、既製品（例えば、従来通り入手可能な送受信機）である。典型的には、５つよりも少ないキャビテーション検出デバイス２０６が、キャビテーション信号の信頼性のある分析を提供するために十分である。いくつかの実施形態では、５個を上回るが、１０個よりも少ないキャビテーション検出デバイス２０６が、必要である。
【００４６】
上で説明されるように、周波数が入射超音波のそれと同一である微小気泡から反射される信号と異なり、微小気泡キャビテーションから発生する信号は、特有のスペクトルシグネチャを含む（すなわち、入射超音波の高調波、超高調波、および／または低調波を有する）。加えて、図２Ｂを参照すると、反射信号の方向は、トランスデューサ要素１０４の場所および／または励起音響場の振幅に大いに依存するが、キャビテーション信号２０４は、点源（すなわち、標的領域１０１における微小気泡キャビテーションの場所）から放出され、それによって、全方向性である。一実施形態では、キャビテーション信号２０４は、１つ以上のキャビテーション検出デバイス（送受信機または好適な代替等）２０６を使用して測定される。検出されたキャビテーション信号は、標的組織１０１に対する効果を監視するために、および／または微小気泡キャビテーションからもたらされる標的組織１０１および／またはその周辺組織の望ましくない損傷を回避するために、処理および分析のためにコントローラ１０８に伝送され得る。代替として、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し得る。微小気泡のキャビテーション信号を検出することに対するアプローチが、例えば、米国特許出願第１５／４１５，３５１号（その内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に提供されている。
【００４７】
キャビテーション信号が全方向性であるので、キャビテーション検出デバイス２０６は、理論的には、患者の頭部１１６上またはその近傍の任意の場所に設置され得る。しかし、標的領域１０１からのキャビテーション信号２０４は、キャビテーション検出デバイス２０６に到達する前に介在組織（例えば、頭蓋骨および頭皮）の複数の層を横断しなければならず、介在組織は、典型的には、不均質であるので、キャビテーション信号２０４は、それにおいて反射され、屈折させられ、吸収され、および／または散乱させられ得る。反射され、屈折させられ、および／または散乱させられた信号の検出を低減させ、キャビテーション信号の品質を改良するために、種々の実施形態では、キャビテーション検出デバイス２０６は、例えば、伝導性ペーストまたはゲルもしくは任意の他の好適な材料を使用して、患者の頭皮に直接取り付けられる。加えて、キャビテーション検出デバイス２０６が取り付けられる頭皮領域は、十分に高い伝送効率（例えば、下でさらに説明されるように、０．５、０．８、または０．９等の所定の閾値を上回る）を有するキャビテーション信号によって横断される経路上に位置するように選択され得る。
【００４８】
概して、キャビテーション信号２０４は、介在頭蓋骨を横断するまで、全ての方向に均一に伝搬する。各頭蓋骨領域の解剖学的特性（構造、厚さ、層、局所骨密度、および／または層の界面に対する法線を含む方向もしくは幾何学的特徴）は、異なり得るので、種々のビーム経路上の種々の頭蓋骨領域に関連付けられる伝送効率は、変動し得る。故に、種々の実施形態では、各頭蓋骨領域に関連付けられる伝送効率は、その解剖学的特性に基づいて決定される。図３Ａは、ヒト頭部１１６の組織層を図式的に図示する。典型的には、ヒト頭部は、頭皮３０２と、頭蓋骨３０４とを含み、後者は、外層３０６と、骨髄層３０８と、内層または皮層３１０とを含む複数の組織層を有し、頭蓋骨３０４の各層は、形状、厚さ、および密度が非常に不規則であり、患者に特有であり得る。その結果、標的領域１０１における微小気泡２０２から放出されるキャビテーション信号２０４が頭蓋骨３０４に遭遇すると、入射音響エネルギーの一部は、界面３１２、３１４、３１６、３１８において反射され得、残りのエネルギーは、波の周波数と頭蓋骨３０４および頭皮３０２の構造不均質性とに応じて、頭蓋骨３０４および頭皮３０２を通して、部分的に吸収され、部分的に屈折され、伝搬され得る。キャビテーション信号２０４は、超音波手技に先立って測定および／または予測され得る特有のスペクトルを有するので、種々の頭蓋骨領域を通した信号伝搬に対する効果は、頭蓋骨３０４の構造不均質性（例えば、各層３０６−３１０の厚さ、局所密度、および／または形状）等の頭蓋骨特徴および／または頭蓋骨３０４に入射するキャビテーション信号の入射角に従って正確に推定され得る。
【００４９】
図３Ｂを参照すると、種々の実施形態では、頭蓋骨は、各々が標的領域１０１からのキャビテーション信号経路３２２に関連付けられる複数の領域３２０に分割される。各頭蓋骨領域３２０に関連付けられる頭蓋骨特徴は、撮像システム１１２によって取得される画像を使用して取得される。例えば、患者の頭蓋骨３０４の一連の画像（例えば、ＣＴおよび／またはＭＲ画像）が、最初に、超音波手技に先立って取得される。各画像は、典型的には、少なくとも１つの頭蓋骨領域３２０に対応し、一連の画像は、キャビテーション信号がキャビテーション検出デバイス２０６に到達することに先立って進行するであろう頭蓋骨の予測された領域を集合的に網羅する。代替として、頭蓋骨３０４の３次元画像が、取得された一連の画像を使用して再構成され得、頭蓋骨領域３２０は、再構成された画像に基づいて、ユーザによって生成される。加えて、画像は、頭皮層３０２および／または頭蓋骨層３０６−３１０を定義するために区分化され得る。頭蓋骨３０４および標的領域１０１の画像は、同一の撮像システムまたは異なる撮像システムを使用して取得され得る。例えば、ＣＴシステムは、骨構造の詳細を視認するために非常に好適であり、ＭＲＩシステムは、軟質組織形態および機能のわずかな変化を区別することができるので、ＣＴシステムが、頭蓋骨特徴を取得するために使用され得る一方、ＭＲＩシステムが、頭皮および標的組織の特徴を取得するために使用され得る。２つの撮像システムの座標が、任意の好適な位置合わせおよび／または変換アプローチを使用して位置合わせされることができ、例示的アプローチが、米国特許公開第２０１７／０１０３５３３号（その全開示は、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。撮像位置合わせを適用することによって、１つのシステムを使用して取得された画像が、別のシステムを使用して取得された画像に変換され、それと組み合わせられることができる。
【００５０】
種々の実施形態では、頭蓋骨３０４および標的領域１０１の画像（または組み合わせられた画像）は、頭蓋骨３０４を横断するキャビテーション信号のビーム経路３２２を決定し、ビーム経路３２２に沿った頭蓋骨領域３２０に関連付けられる頭蓋骨特徴を特性評価するために処理される。特性評価された頭蓋骨特徴は、次いで、各頭蓋骨領域３２０を通したキャビテーション信号の収差を予測するために利用され得る。一実施形態では、頭蓋骨特徴は、頭蓋骨３０４の微細構造レベルにおいて定量化され得る（すなわち、約数マイクロメートル、例えば、１、５、または１０マイクロメートルの感度もしくは特徴長さを有する）インジケータを使用して特性評価される。例えば、インジケータは、ＣＴ画像から取得される頭蓋骨ＣＴ強度プロファイルを使用して作成される定量化された頭蓋骨密度比（ＳＤＲ）であり得る。ＳＤＲを算出するための例示的アプローチが、例えば、米国特許公開第２０１６／０１８４０２６号（その内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に提供されている。種々の実施形態では、各頭蓋骨領域３２０に関連付けられるＳＤＲ値を決定すると、それに関連付けられる伝送効率が、決定されることができる。例えば、伝送効率は、頭蓋骨３０４を通したキャビテーション信号の０％および１００％伝送にそれぞれ対応する０〜１の範囲を有し得る。算出されたＳＤＲ値は、最大値を伴う範囲を有し得、この範囲は、任意の好適なアプローチを使用して伝送効率の範囲（すなわち、０〜１）に再スケーリングされ得る。例えば、線形変換関数が、最大ＳＤＲ値を１の伝送効率にスケーリングし、他のＳＤＲ値を伝送効率の範囲（すなわち、０〜１）に線形に再スケーリングし得る。
【００５１】
別の実施形態では、各頭蓋骨領域３２０に関連付けられる頭蓋骨特徴は、頭蓋骨領域に入射するキャビテーション信号の入射角θを使用して特性評価される。約２ＭＨｚの周波数において、キャビテーション信号は、典型的には、縦波モードで伝搬する。これらの信号の速度は、頭蓋骨３０４において約２，７００ｍ／秒であり、脳の軟質組織において約１，５００ｍ／秒であるので、臨界角（約３０°）を上回る入射角において頭蓋骨３０４に着信する信号は、反射される。故に、各頭蓋骨領域３２０に関連付けられる伝送効率は、任意の好適な関数を使用して、それに入射するキャビテーション信号の入射角θに基づいて算出され得る。例えば、伝送効率ＴＥは、以下として算出され得、
【数３０】
0006951560.tif 000006
式中、θは度の単位を有する。
【００５２】
さらに、伝送効率は、他の頭蓋骨特徴に基づいて同様に算出され得る。例えば、頭蓋骨領域３２０がキャビテーション信号の約１／４波長の厚さを有するとき、キャビテーション信号は、完全に反射され得、その結果、この頭蓋骨領域３２０に関連付けられる伝送効率は、この領域においてゼロとして定義され得る。いくつかの実施形態では、伝送効率は、２つ以上のパラメータ（例えば、変数としてのＳＤＲおよび入射角の両方を含む）の関数として定義されることができる。所定の閾値（例えば、０．５、０．８、または０．９）を上回る伝送効率を有する頭蓋骨領域は、次いで、キャビテーション検出デバイス２０６のための好ましい場所として選択され得る。
【００５３】
加えて、または代替として、頭皮上のキャビテーション検出デバイス２０６の場所は、頭皮３０２および／または頭蓋骨３０４の幾何学形状に基づいて選択され得る。例えば、キャビテーション検出デバイス２０６は、概して、平坦面を有するので、実質的に平坦な面を有する頭蓋骨領域が、好ましい。加えて、キャビテーション検出デバイス２０６をいかなる傷跡も有していない頭皮領域に取り付けることが、望ましくあり得る。その結果、いくつかの実施形態では、キャビテーション検出デバイス２０６の場所は、複数の頭蓋骨特徴（例えば、ＳＤＲ、入射角、骨厚さ、表面幾何学形状等）および／または頭皮特徴（例えば、表面平滑度）を含むコスト関数を使用して最適化される。例えば、より高いＳＤＲ値、より小さい入射角、キャビテーション信号の１／４波長よりも実質的に薄い骨厚さ、および／または実質的に平坦な面を有する頭蓋骨領域に関するコスト関数の値は、より低いＳＤＲ値、より大きい入射角、キャビテーション信号の１／４波長に実質的に等しい骨厚さ、および／または湾曲面を有する頭蓋骨領域に関するコスト関数の値よりも低くあり得る。採用されるコスト関数は、重要ではなく、公知のまたは経験的に決定されるコストパラメータもしくは制約を利用し得る。これらは、少数の患者での臨床経験に基づいて、容易に、かつ過度の実験を伴わずに取得され得る。
【００５４】
選択された頭蓋骨領域に基づいて、キャビテーション信号に対する頭蓋骨および頭皮特徴の効果を組み合わせるために、および／または、キャビテーション検出デバイスを頭皮領域に取り付けるために、頭蓋骨３０４を頭皮３０２にマッピングすることが、必要である。そのようなマップは、１つ以上の撮像システム（ＭＲＩ撮像システムおよび／またはＣＴ撮像システム等）によって取得される画像を使用して取得され得る。例えば、図４Ａを参照すると、ＭＲＩ画像４０２は、標的領域１０１と、頭皮４０４と、複数の定義された領域４０８−４１２を有する頭蓋骨４０６とを含み得る。頭蓋骨領域４０８を頭皮４０４にマッピングするために、一実施形態では、標的１０１における微小気泡２０２を頭蓋骨領域４０８の境界に接続する予期されるビーム経路４１４および４１６が、頭皮４０４上にコンピュータ的に投影される。投影された領域４１８は、次いで、頭蓋骨領域４０８に対応する頭皮領域として定義される。故に、十分に高い伝送効率および／または実質的に平坦な面を有する頭蓋骨領域が選択されると、それらの対応する頭皮領域が、マッピング／決定されることができ、キャビテーション検出デバイス２０６は、次いで、それに取り付けられ得る。
【００５５】
別の実施形態では、図４Ｂを参照すると、頭蓋骨特徴は、ＣＴ画像４２２において取得される一方、頭皮および標的組織は、ＭＲ画像４２４において取得される。再び、２つのシステムを位置合わせすることによって、一方のシステムにおける座標は、他方のシステムにおける座標に変換されることができ、２つのシステムにおける画像情報が、単一の座標系（好ましくは、ＭＲＩ座標系）において組み合わせられ得る。例えば、ＣＴ画像４２２において定義される頭蓋骨領域の座標は、ＭＲ座標に変換され得、頭蓋骨領域は、次いで、ＭＲ画像４２４上に表示され得る。標的領域、頭蓋骨、および頭皮が全て同一の座標系に存在すると、好ましい頭蓋骨領域に対応する頭皮領域が、図４Ａに関連して上で説明されるアプローチを使用して識別され得る。
【００５６】
種々の実施形態では、ユーザを選択された頭皮領域上へのキャビテーション検出デバイス２０６の取り付けで補助するために、撮像システム（好ましくは、ＭＲＩシステム）における頭皮の座標をユーザが位置する環境の空間座標と互いに関係付けることが、必要である。図５を参照すると、種々の実施形態では、これは、少なくとも３つの場所トラッカ（例えば、光学トラッカおよび／またはＲＦトラッカ）５０２ならびに光学撮像システムを使用することによって達成される。例えば、ユーザは、最初に、視覚的に検出可能であり、安定している３つのＭＲＩ基準（例えば、患者の鼻先、耳、眼の縁、上顎の歯等）を識別し、３つの場所トラッカ５０２をそれに取り付け得る。トラッカ５０２の場所は、光学撮像システムを使用してリアルタイムで監視されることができ、これは、下で説明されるように、トラッカ５０２の場所を操作するとき、ユーザにリアルタイムフィードバックを提供する。言い換えると、ユーザは、リアルタイム光学画像に基づいて、トラッカ５０２の空間座標を互いに関係付け得る。種々の実施形態では、トラッカ５０２の光学画像およびＭＲＩ基準のＭＲＩ画像に基づいて、光学撮像システムの座標をＭＲＩ座標に変換する位置合わせマトリクスが、算出されることができる。その後、場所トラッカ５０２は、環境内で移動させられ、光学カメラによってリアルタイムで追跡され得、ＭＲＩ座標における場所トラッカ５０２の新しい場所が、次いで、位置合わせマトリクスを使用して算出され得る。代替として、ＭＲＩ座標における頭皮／頭蓋骨の場所は、光学撮像システムの座標に変換され得る。
【００５７】
種々の実施形態では、ユーザは、患者の頭皮の直感的な視覚表現およびＭＲ画像または光学画像内の場所トラッカ５０２によって、キャビテーション検出デバイス２０６を取り付けることにおいて補助され、いくつかの実施形態では、キャビテーション検出デバイス２０６のための標的場所は、画像上に直接示され、ユーザは、場所トラッカ５０２を参照して、患者の頭皮上の対応する領域を容易に位置特定し得る。図６を参照すると、患者の頭皮６０２は、それらの対応する頭蓋骨領域の伝送効率によって色マッピングされる複数の頭皮領域６０４に分割され得る。場所トラッカ５０２の場所は、色付けされた頭皮領域６０４上に重ねられ得る。ユーザは、次いで、最も高い伝送効率を有する頭皮領域に場所トラッカ５０２を移動させ、続けて、キャビテーション検出デバイス２０６を場所トラッカ５０２の場所に取り付け得る。代替として、または加えて、キャビテーション検出デバイス２０６が取り付けられるであろう選択された頭皮および頭蓋骨領域は、視覚表現において（例えば、ハイライトまたは円６０６を使用して）強調され得る。再び、場所トラッカ５０２は、キャビテーション検出デバイス２０６を設置することにおいてユーザを誘導するために利用され得る。
【００５８】
図７は、種々の実施形態による、キャビテーション信号の高伝送効率に対応する患者の頭皮の選択された領域に直接取り付けられるキャビテーション検出デバイスを使用して、標的領域からの微小気泡キャビテーション信号を正確かつ確実に検出するためのアプローチを図示するフローチャート７００である。第１のステップ７０２において、患者の頭部の一連の画像が、処置に先立って１つ以上の撮像システムを使用して取得される。各画像は、少なくとも１つの頭蓋骨領域を含んでもよく、一連の画像は、頭蓋骨を通したキャビテーション信号の予測された進行経路を集合的に網羅する。第２のステップ７０４において、画像は、標的領域１０４、頭皮、および頭蓋骨の複数の層の場所を識別するために、コントローラ１０８によって処理される。画像が異なる撮像システムを使用して取得される場合、画像位置合わせが、任意の好適なアプローチを使用して達成され、１つの撮像システムにおける座標を分析のために別の撮像システムにおける座標に変換するために適用され得る。第３のステップ７０６において、画像は、各頭蓋骨領域および／または頭皮領域に関連付けられる解剖学的特性を決定するためにさらに分析される。第４のステップ７０８において、解剖学的特性に基づいて、コントローラは、標的領域から各頭蓋骨／頭皮領域を通って進行するビーム経路およびビーム収差を予測し得る。第５のステップ７１０において、コントローラは、各頭蓋骨／頭皮領域を横断するときのキャビテーション信号の伝送効率を決定し得る。随意に、第６のステップ７１２において、コントローラは、キャビテーション検出デバイスが、それらの伝送効率および／または他の解剖学的特性（例えば、表面幾何学形状）に基づいて取り付けられるべき頭蓋骨／頭皮領域を選択し得る。第７のステップ７１４において、撮像システムにおける選択された頭蓋骨／頭皮領域の座標が、患者が位置する環境の空間座標に変換され得る。これは、例えば、３つのＭＲＩ基準（例えば、患者の鼻先、耳、眼の縁、または上顎の歯等）に取り付けられる少なくとも３つの場所トラッカを使用して実施され得る。いくつかの実施形態では、トラッカの場所は、光学撮像システムを使用して取得され、ユーザは、環境内のトラッカの空間座標を光学撮像システムにおける座標と互いに関係付けることができ、ＭＲＩ基準の場所は、ＭＲＩシステムを使用して取得される。トラッカの光学画像およびＭＲＩ基準のＭＲＩ画像に基づいて、光学撮像システムとＭＲＩシステムとにおける座標が、位置合わせされることができる。第８のステップ７１６において、ステップ７１２において選択された頭蓋骨／頭皮領域および場所トラッカのリアルタイム場所が、ユーザに（ＭＲ画像または光学画像として）表示され得る。それに基づいて、ユーザは、光学画像によって提供されるリアルタイムフィードバックに基づいて、場所トラッカを選択された領域に移動させ、次いで、キャビテーション検出デバイスをその上に取り付けることができる（第９のステップ７１８において）。代替として、頭蓋骨／頭皮領域は、色マップにおいて表示され得、各色は、伝送効率に関する値を表す。再び、ユーザは、所望の頭蓋骨／頭皮領域（例えば、より高い伝送効率を有する領域）へのキャビテーション検出デバイスの取り付けを誘導するために、場所トラッカを使用し得る。超音波手技中、キャビテーション検出デバイスは、次いで、標的領域１０１からのキャビテーション信号を測定するためにアクティブにされ得る。それに基づいて、標的組織および／またはその周辺組織に対するキャビテーション効果は、監視されることができる。種々の実施形態では、超音波トランスデューサ１０２は、検出されたキャビテーション信号に基づいて動作させられる。例えば、トランスデューサ要素１０４のパラメータ（例えば、振幅、周波数、位相、または方向）が、非標的組織への損傷を回避しながら処置有効性を確実にするように調節され得る。
【００５９】
概して、キャビテーション検出デバイス２０６を患者の頭皮と直接接触させることによって、受信されるキャビテーション信号２０４のＳＮＲは、従来のアプローチにおいて使用されるような超音波トランスデューサに取り付けられるキャビテーション検出デバイスのそれよりも良好である。加えて、キャビテーション検出デバイス２０６を高伝送効率に対応する頭皮領域に取り付けることによって、キャビテーション信号のＳＮＲは、さらに改良されることができる。加えて、または代替として、種々の実施形態では、受信されるキャビテーション信号のＳＮＲは、キャビテーション検出デバイス２０６を収容する筐体の幾何学形状を構成することによって増加させられる。例えば、図８Ａを参照すると、頭蓋骨８０２は、典型的には、表面幾何学形状が不規則であり、種々の実施形態では、キャビテーション検出デバイス８０６を収容する筐体８０４は、頭蓋骨８０２の幾何学形状に相補的な表面幾何学形状を有する。このように、キャビテーション検出デバイス８０６は、頭蓋骨８０２と全体的に緊密に接触し、それによって、受信される信号の雑音を低減させることができる。筐体８０６の表面８０８は、例えば、それに沿ってゲルまたは他の好適な形状適合（但し、音響的に殆ど干渉しない）材料を含むことによって構成され得る。代替として、筐体８０６は、患者の頭蓋骨のカメラ走査に基づいて、３次元印刷技法を使用して製造され得、結果として生じる形状は、特定の患者の頭蓋骨８０２の表面幾何学形状に密接に形状適合する。
【００６０】
加えて、筐体８０４を頭蓋骨８０２と完全に係合させることによって、筐体８０４内のキャビテーション検出デバイス８０６の向きおよび／または場所は、それらの間の係合を確実にするためにキャビテーション検出デバイス８０６と頭蓋骨８０２との間の接触面を最大化する必要性がもはや存在しないので、性能を改良するために変動させられ得る。故に、図８Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、キャビテーション検出デバイス８０８の向き
【数３１】
0006951560.tif 000007
は、標的領域１０１からの音響信号の伝搬方向８１０と整列させられ、音響場の強度は、伝搬方向８１０に非常に指向性であり得るので、このアプローチは、受信デバイス８０６の検出効率を増加させ得る。
【００６１】
加えて、または代替として、キャビテーション信号の音響遅延を最適化することが、所望され得る。種々の実施形態では、図８Ｃを参照すると、これは、キャビテーション検出デバイス８０６に到達することに先立つ頭蓋骨８０２および筐体８０４を通した音響信号の伝搬距離Ｄを最適化することによって達成される。例えば、筐体８０４内のキャビテーション検出デバイス８０６の場所は、Ｄが以下を満たすように調節され得、
【数４０】
0006951560.tif 000008
式中、ｄ１、ｄ２は、キャビテーション信号がキャビテーション検出デバイス８０６に到達することに先立って進行する頭蓋骨８０２の音響遅延長および筐体部分８１２の音響遅延長をそれぞれ表し、λは、キャビテーション信号の波長を表し、ｎは、整数である。加えて、筐体８０４、特に、キャビテーション信号がキャビテーション検出デバイス８０６に到達することに先立って伝搬する部分８１２のインピーダンスは、頭蓋骨８０２とキャビテーション検出デバイス８０６との間にインピーダンス整合を提供するために調節され、それによって、キャビテーション検出デバイス８０６によって受電される電力を最大化し得る。一実装では、筐体のインピーダンスは、筐体の材料特性を調節することによって制御される。種々の実施形態では、筐体部分８１２は、最適な音響変成器としての役割を果たすように設計される。例えば、筐体部分８１２の材料は、その音響特性が頭蓋骨８０２のそれと実質的に類似するように選定され得る。このように、筐体部分８１２および頭蓋骨８０２は、キャビテーション信号がそれを通って進行するとき、連続的な単一の層として挙動する。代替として、筐体部分８１２の音響特性は、頭蓋骨８０２のそれと異なり得、したがって、頭蓋骨８０２における音響速度は、筐体部分８１２におけるそれと異なり得る。音響差異を最小化するために、種々の実施形態では、筐体部分８１２の幅Ｄｈは、以下を満たすように調節され、
【数５０】
0006951560.tif 000009
式中、Ｄｓは、頭蓋骨の幅を表し、ｖｓ、ｖｈは、それぞれ、頭蓋骨８０２および筐体部分８１２における音響速度を表し、Ｔは、音響波の周期を表し、ｎは、整数である。
【００６２】
図８Ｄを参照すると、いくつかの実施形態では、筐体８０４は、頭蓋骨８０２とキャビテーション検出デバイス８０６との間のインピーダンス整合をさらに改良するために、音響インピーダンス整合層８１４（好ましくは、キャビテーション検出デバイス８０６と接触する）を含む。異なる患者は、異なる頭蓋骨インピーダンスを有し得るため、筐体の材料特性を変動させることおよび／またはインピーダンス整合層８１４を含むことは、キャビテーション検出デバイス８０６（そのインピーダンスは、概して、固定される）のインピーダンスを患者の頭蓋骨（そのインピーダンスは患者特有である）のものと合致させ得る。
【００６３】
図８Ｅを参照すると、種々の実施形態では、筐体８０４は、受信される信号の雑音レベルを低減させるために、１つ以上の音響吸収器および／または反射器８１６を含む。反射器は、周辺材料（すなわち、筐体）のそれと異なる音響インピーダンスを有する任意の好適な材料を含み得る。例えば、反射器は、空隙と同程度に単純であり得る。同様に、吸収器は、音響雑音を効果的に吸収し得る任意の好適な材料を含み得る。一実施形態では、吸収器は、既製品である（例えば、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ａｃｏｕｓｔｉｃｓ．ｃｏ．ｕｋ／ｐｒｏｄｕｃｔ−ｃａｔｅｇｏｒｙ／ａｃｏｕｓｔｉｃ−ｍａｔｅｒｉａｌｓ／ａｎｅｃｈｏｉｃ−ａｂｓｏｒｂｅｒｓ／参照）。音響吸収器／反射器８１６は、標的領域１０１以外の源から生じる信号、および／または、屈折させられ、反射され、および／または散乱させられ、したがって、標的領域１０１に対するキャビテーション効果を正確に反映する情報を提供することができない信号を効果的に吸収／反射し得る。
【００６４】
キャビテーション検出デバイスによって測定される信号のＳＮＲを改良するための本明細書に説明される種々のアプローチは、単独で、または他のアプローチと組み合わせて実装され得る。例えば、キャビテーション検出デバイスは、高伝送効率に対応する頭皮領域に取り付けられ得、その筐体は、インピーダンス整合層８１４および音響吸収器／反射器８１６の両方を含み得る。
【００６５】
一般に、撮像システムのコントローラ、キャビテーション検出デバイス２０６、および／または超音波システム１００内に統合されるか、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にかかわらず、上で説明されるような機能性（例えば、頭皮、頭蓋骨、および標的領域の場所を識別すること、頭蓋骨／頭皮の解剖学的特性を取得するために画像を分析すること、各頭蓋骨／頭皮領域を通って進行するビーム経路およびビーム収差を予測すること、各頭蓋骨／頭皮領域に関連付けられる伝送効率を予測すること、それらの伝送効率に基づいて、頭蓋骨／頭皮領域を選択すること、撮像システムの座標を環境の空間座標に変換すること、および／または種々の頭蓋骨領域を頭皮領域にマッピングすること）は、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において構築され得る。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、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、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得る。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得る。ソフトウェアは、限定ではないが、フロッピー（登録商標）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得る。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得る。
【００６６】
加えて、本明細書で使用される用語「コントローラ」は、上で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み得、機能性は、異なるコンポーネントおよび／またはモジュールの間で拡散されることができる。
【００６７】
本発明のある実施形態が、上で説明される。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、本明細書に明確に説明されるものへの追加および修正も、本発明の範囲内に含まれることが明確に留意される。
【図１】
0006951560.tif 000012
【図２Ａ】
0006951560.tif 000013
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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