(57)【要約】超音波振動を印加し、患者の血液脳関門（ＢＢＢ）を一時的に崩壊させるためのシステムおよび方法は、それらの解剖学的特性に基づいて、標的ＢＢＢ領域およびその包囲領域に関連付けられた音響応答レベル、音響応答量、および組織応答量の閾値を記憶することと、超音波変換器に１つ以上のパルス／波を伝送させることと、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域に関連付けられた音響応答レベル、音響応答量、および／または組織応答量を測定することと、測定を対応する記憶された閾値と比較することと、少なくとも部分的に比較に基づいて、変換器を動作させることとを含む。
2020520718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の血液脳関門（ＢＢＢ）を一時的に崩壊させるためのシステムであって、前記システムは、
超音波変換器と、
コントローラと
を備え、
前記コントローラは、
（ａ）少なくとも１つの標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および組織応答量の閾値のうちの少なくとも１つを記憶することと、
（ｂ）前記変換器に少なくとも１つの超音波パルスを伝送させることと、
（ｃ）前記標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域のうちの少なくとも１つに関連付けられた前記音響応答レベル、前記音響応答量、または前記組織応答量のうちの少なくとも１つを取得することと、
（ｄ）前記測定を対応する記憶された閾値と比較することと、
（ｅ）少なくとも部分的に前記比較に基づいて、前記変換器を動作させることと
を行うように構成されている、システム。
【請求項２】
前記コントローラは、
検出デバイスまたは前記変換器のうちの少なくとも１つに前記標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域からの音響信号を測定させることと、
少なくとも部分的に前記測定された音響信号に基づいて、前記音響応答レベル、前記音響応答量、および／または前記組織応答量を決定することと
を行う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３】
前記標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域から測定された音響信号をフィルタ処理するためのフィルタをさらに備えている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記フィルタは、前記伝送された超音波パルスに対する高調波応答または副高調波応答のうちの少なくとも１つを選択するように構成されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記フィルタは、前記伝送された超音波パルスに対する広帯域応答を選択するように構成されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記コントローラは、所定の期間にわたって前記音響応答レベルを積分することによって、前記音響応答量を算出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７】
前記コントローラは、前記変換器を使用して、前記標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域のうちの前記少なくとも１つにおける微小気泡の発生を引き起こす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８】
微小気泡を前記標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域のうちの前記少なくとも１つの中に導入するための投与デバイスをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
シード微小気泡を前記標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域のうちの前記少なくとも１つの中に導入するための投与デバイスをさらに備え、前記コントローラは、前記シード微小気泡および前記変換器を使用して、追加の微小気泡の発生を引き起こす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】
前記コントローラは、少なくとも部分的にその解剖学的特性に基づいて、前記少なくとも１つの標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域に関連付けられた前記音響応答レベル、前記累積音響応答量、および前記組織応答量の前記閾値を決定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】
複数の標的ＢＢＢ領域が存在し、前記コントローラは、前記標的ＢＢＢ領域の各々およびそれらの周囲領域の各々に関連付けられた前記音響応答レベル、前記累積音響応答量、および前記組織応答量の前記閾値を決定し、記憶するようにさらに構成されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの標的ＢＢＢ領域に関連付けられた前記音響応答レベル、前記累積音響応答量、および前記組織応答量の閾値のうちの前記少なくとも１つは、前記周囲領域に関連付けられた前記音響応答レベル、前記累積音響応答量、および前記組織応答量の前記閾値と異なる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記周囲領域は、異なる場所における異なるタイプを有する組織を備え、前記コントローラは、前記周囲領域の各場所における各タイプの前記組織に関連付けられた前記音響応答レベル、前記累積音響応答量、および前記組織応答量の前記閾値を決定するようにさらに構成されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域の前記解剖学的特性を取得するための撮像デバイスをさらに備えている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記撮像デバイスは、前記標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域の画像をさらに取得し、前記コントローラは、前記少なくとも部分的に前記取得された画像に基づいて、前記組織応答量を決定するようにさらに構成されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記組織応答量は、前記標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域のうちの前記少なくとも１つに関連付けられた温度を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記組織応答量は、前記標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域のうちの前記少なくとも１つに関連付けられたＭＲＩ  Ｔ２緩和時間を測定することによって取得される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記コントローラは、
前記音響応答レベル、前記音響応答量、または前記組織応答量のうちの前記少なくとも１つが前記対応する閾値を超えるかどうかを決定することと、
超える場合、超音波振動を一時停止し、超えない場合、前記変換器に第２の超音波パルスを伝送させることと
を行う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１９】
前記組織応答量は、前記標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域のうちの前記少なくとも１つに関連付けられたＭＲＩ  Ｔ２＊撮像またはＭＲＩ  Ｔ２＊加重撮像のうちの少なくとも１つから導出される情報を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記コントローラは、前記変換器に関連付けられた伝送電力または超音波振動パターンのうちの少なくとも１つを調整することによって、前記変換器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２１】
変換器から超音波振動を印加し、患者の血液脳関門（ＢＢＢ）を一時的に崩壊させる方法であって、前記方法は、
（ａ）少なくとも１つの標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域の解剖学的特性に基づいて、それらの音響応答レベルの閾値、音響応答量、および組織応答量のうちの少なくとも１つを記憶することと、
（ｂ）前記変換器に少なくとも１つの超音波パルスを伝送させることと、
（ｃ）前記標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域のうちの少なくとも１つに関連付けられた前記音響応答レベル、前記音響応答量、または前記組織応答量のうちの少なくとも１つを取得することと、
（ｄ）前記測定を対応する記憶された閾値と比較することと、
（ｅ）少なくとも部分的に前記比較に基づいて、前記変換器を動作させることと
を含む、方法。
【請求項２２】
前記標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域からの音響信号を測定することと、
少なくとも部分的に前記測定された音響信号に基づいて、前記音響応答レベル、前記音響応答量、および／または前記組織応答量を決定することと
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも１つのフィルタを使用して、前記測定された音響信号をフィルタ処理することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記フィルタは、前記伝送された超音波パルスに対する高調波応答または副高調波応答のうちの少なくとも１つを選択する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記フィルタは、前記伝送された超音波パルスに対する広帯域応答を選択する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記音響応答量は、所定の期間にわたる前記音響応答レベルの積分を備えている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
微小気泡を前記標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域のうちの少なくとも１つの中に導入することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記微小気泡は、前記変換器をアクティブにし、第２のパルスを伝送することによって導入される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記微小気泡は、投与デバイスを使用して導入される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記投与デバイスは、シード微小気泡を前記標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域のうちの前記少なくとも１つの中に注入し、前記微小気泡は、前記シード微小気泡および前記変換器を使用して発生させられる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域に関連付けられた前記音響応答レベル、前記累積音響応答量、および前記組織応答量の前記閾値のうちの前記少なくとも１つは、少なくとも部分的に前記少なくとも１つの標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域の解剖学的特性に基づいて決定される、請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
複数の標的ＢＢＢ領域が存在し、前記方法は、前記標的ＢＢＢ領域の各々およびその周囲領域の各々に関連付けられた前記音響応答レベル、前記累積音響応答量、および前記組織応答量の前記閾値を決定し、記憶することをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの標的ＢＢＢ領域に関連付けられた前記音響応答レベル、前記累積音響応答量、および前記組織応答量の前記閾値は、前記周囲領域に関連付けられた前記音響応答レベル、前記累積音響応答量、および前記組織応答量の前記閾値と異なる、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記周囲領域は、異なる場所における異なるタイプを有する組織を備え、前記方法は、前記周囲領域における前記組織の各タイプおよび／または各場所に関連付けられた前記音響応答レベル、前記累積音響応答量、および前記組織応答量の前記閾値を決定することをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記少なくとも標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域の画像を取得することをさらに含み、前記解剖学的特性は、少なくとも部分的に前記取得された画像に基づいて決定される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記組織応答量は、前記標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域のうちの前記少なくとも１つに関連付けられた温度を備えている、請求項２１に記載の方法。
【請求項３７】
前記組織応答量は、前記標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域のうちの前記少なくとも１つに関連付けられたＭＲＩ  Ｔ２緩和時間を測定することによって取得される、請求項２１に記載の方法。
【請求項３８】
前記音響応答レベル、前記音響応答量、または前記組織応答量のうちの前記少なくとも１つが前記対応する閾値を超えるかどうかを決定することと、
超える場合、前記超音波振動を一時停止し、超えない場合、前記変換器に第２の超音波パルスを伝送させることと
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３９】
前記組織応答量は、前記標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域のうちの前記少なくとも１つに関連付けられたＭＲＩ  Ｔ２＊撮像またはＭＲＩ  Ｔ２＊加重撮像のうちの少なくとも１つから導出される情報を備えている、請求項２１に記載の方法。
【請求項４０】
前記変換器を動作させることは、前記変換器に関連付けられた伝送電力またはパルスパターンのうちの少なくとも１つを調節することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項４１】
治療薬を脳腫瘍に適用する方法であって、前記方法は、
（ａ）少なくとも１つの標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域の解剖学的特性に基づいて、それらに関連付けられた音響応答レベル、音響応答量、および組織応答量の閾値のうちの少なくとも１つを記憶することと、
（ｂ）変換器の位相アレイを使用して、前記標的ＢＢＢ領域を含む病巣に収束する少なくとも１つの超音波パルスを伝送することと、
（ｃ）前記標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域のうちの少なくとも１つに関連付けられた前記音響応答レベル、前記音響応答量、または前記組織応答量のうちの少なくとも１つを取得することと、
（ｄ）前記測定を対応する記憶された閾値と比較することと、
（ｅ）少なくとも部分的に前記比較に基づいて、前記変換器アレイを動作させることと、
（ｆ）前記治療薬を前記標的ＢＢＢ領域に投与することと
を含む、方法。
【請求項４２】
前記治療薬は、ブスルファン、チオテパ、ＣＣＮＵ（ロムスチン）、ＢＣＮＵ（カルムスチン）、ＡＣＮＵ（ニムスチン）、テモゾロミド、メトトレキサート、トポテカン、シスプラチン、エトポシド、イリノテカン／ＳＮ−３８、カルボプラチン、ドキソルビシン、ビンブラスチン、ビンクリスチン、プロカルバジン、パクリタキセル、フォテムスチン、イホスファミド／４−ヒドロキシイフォスファミド／アルドイホスファミド、ベバシズマブ、５−フルオロウラシル、ブレオマイシン、ヒドロキシウレア、ドセタキセル、またはシタラビン（シトシンアラビノシド、ａｒａ−Ｃ）／ａｒａ−Ｕのうちの少なくとも１つを備えている、請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６２／５１０，０２３号（２０１７年５月２３日出願）に対する優先権およびその利益を主張し、上記出願の全内容は、参照により本明細書に引用される。
【０００２】
（発明の分野）
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、超音波手技を使用した血液脳関門の選択的標的開放のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
中枢神経系（ＣＮＳ）内の細胞の層によって形成される、血液脳関門（ＢＢＢ）は、大分子が脳実質に進入することを排除し、それによって、それを毒性異物による損傷から保護する。しかし、ＢＢＢは、多くの脳疾患を治療するための最大の障害物のうちの１つを提示する。具体的には、ＢＢＢは、薬物および遺伝子療法ベクター等の多くの治療薬が患者の脳組織に到達することを阻む。例えば、ＣＮＳ感染症、神経変性疾患、先天性酵素欠損症、および脳癌のための治療の全ては、とりわけ、抗生物質、抗レトロウイルス薬、酵素置換療法、遺伝子製剤、および抗悪性腫瘍薬の通過を遮断するＢＢＢの能力によって妨げられる。したがって、ＢＢＢを一時的かつ局所的に「開放」し、これらの薬剤の療法量が、罹患脳組織にアクセスすることを可能にすることが望ましい。
【０００４】
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、神経的疾患の治療において、ＢＢＢを開放するために利用されている。ＢＢＢ開放の根底にある機構的事象は、超音波パルスに対する微小気泡の反応を伴うと考えられ、それは、音響キャビテーションとして知られる一連の挙動をもたらし得る。安定キャビテーションでは、微小気泡は、いくつかのサイクルにわたって、音響圧力の希薄化および圧縮に伴って拡張および収縮する。すなわち、そのような作用は、近傍の血管の拡張および収縮をもたらし得る。慣性キャビテーションでは、微小気泡は、それらの平衡半径を数倍上回って拡張し、続いて、周囲組織の慣性に起因して、崩れ得る。両方の場合において、血管の結果として生じる崩壊が、ＢＢＢの「開放」を誘発する。
【０００５】
しかしながら、非制御微小気泡キャビテーションは、望ましくない損傷をＢＢＢおよびその周囲にもたらし得る。例えば、ＢＢＢの一部を形成する細胞のアブレートは、ＢＢＢ機能を損なわせるのみならず、望ましくない細胞死または壊死も周囲組織内に引き起こし得る。ＢＢＢ崩壊の間の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、各超音波振動後の微小気泡の音響応答を測定する受動キャビテーション検出器を利用する。すなわち、音響応答レベルが、所定の閾値振幅を上回る場合、超音波手技は、一時停止される。しかしながら、微小気泡キャビテーションの効果は、超音波振動に沿って、かつ一連の超音波振動にわたって、累積し得、キャビテーションが生じる組織の性質にも依存し得る。すなわち、微小気泡からの音響応答を測定することは、周囲組織へのキャビテーションの効果を正確に反映しないこともある。
【０００６】
故に、超音波から生じる微小気泡キャビテーションを確実に検出し、ＢＢＢまたはその周囲組織への恒久的損傷を回避するために、局所組織へのキャビテーションの効果をリアルタイムで監視する必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、制御および可逆的様式において標的ＢＢＢ領域を崩壊させるために、超音波を用いて微小気泡キャビテーションを誘発するためのシステムおよび方法を提供する。微小気泡キャビテーションの形成および累積量は、（ｉ）各超音波振動パルス後の微小気泡の一時的音響効果を表す音響応答レベルと、（ｉｉ）単一超音波振動または複数の超音波振動にわたる微小気泡の累積効果を表す音響応答量（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｄｏｓｅ）とを使用して、確実に検出され得る。例えば、音響応答量は、所定の期間にわたる時変音響応答レベルの積分であり得る。したがって、検出された音響応答レベルおよび／または累積音響応答量が、臨床上容認され得る、例えば、標的ＢＢＢ領域またはその周囲組織に恒久的に影響を及ぼさない、またはそれを損傷させない微小気泡キャビテーションの大きさおよび／または累積量に関する上限を反映する所定の閾値を超える場合、超音波手技は、一時停止され、微小気泡キャビテーションをさらに誘発することを回避し得る。しかしながら、検出された音響応答レベルおよび／または累積音響応答量が、所定の閾値を下回る場合、追加の微小気泡キャビテーションが、誘発され、標的ＢＢＢ領域をさらに崩壊させ得る。これは、超音波変換器を動作させ、追加の音響エネルギーを標的ＢＢＢ領域に送達すること、および／または、微小気泡投与システムをアクティブにし、追加の微小気泡を導入することによって、達成され得る。
【０００８】
いくつかの実施形態では、撮像デバイス（例えば、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）デバイス）が、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲組織の組織タイプおよび／または性質を特性評価するために採用される。すなわち、組織の各タイプおよび場所は、その性質に応じて、音響応答レベルおよび音響応答量に対する対応する許容量を有し得る。加えて、撮像デバイスは、標的ＢＢＢ領域および／または周囲組織へのキャビテーション効果（例えば、温度上昇または崩壊させられる面積）をリアルタイムで測定し得る。標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲組織への望ましくない効果が、観察される（例えば、温度上昇が閾値を超える、および／または崩壊させられる面積が所望のサイズより大きい）場合、超音波手技は、中止され得る。故に、本発明に説明されるアプローチは、有利には、微小気泡キャビテーション事象を確実に検出し、標的および／または周囲組織へのキャビテーションの効果をリアルタイムで監視することによって、標的ＢＢＢ領域およびその周囲組織の恒久的損傷を回避し得る。
【０００９】
故に、第１の側面では、本発明は、患者の血液脳関門（ＢＢＢ）を一時的に崩壊させ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、超音波変換器と、（ａ）１つ以上の標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域に関連付けられた１つ以上の音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値を記憶し、（ｂ）変換器に１つ以上の超音波パルスを伝送させ、（ｃ）標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域に関連付けられた音響応答レベル、音響応答量、および／または組織応答量を取得し、（ｄ）測定を対応する記憶された閾値と比較し、（ｅ）少なくとも部分的に比較に基づいて、変換器を動作させるように構成されているコントローラとを含む。一実装では、コントローラは、変換器に関連付けられた伝送電力および／または超音波振動パターンを調整することによって、変換器を動作させるように構成される。加えて、コントローラは、所定の期間にわたって音響応答レベルを積分することによって、音響応答量を算出するようにさらに構成され得る。
【００１０】
いくつかの実施形態では、コントローラは、検出デバイスおよび／または変換器に標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域からの音響信号を測定させ、少なくとも部分的に測定された音響信号に基づいて、音響応答レベル、音響応答量、および／または組織応答量を決定するようにさらに構成される。加えて、システムは、標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域から測定された音響信号をフィルタ処理するための１つ以上のフィルタをさらに含み得る。フィルタは、伝送された超音波パルスに対する高調波および／または副高調波応答を選択するように構成され得る。代替として、フィルタは、伝送された超音波パルスに対する広帯域応答を選択するように構成され得る。
【００１１】
一実施形態では、コントローラは、変換器を使用して、微小気泡の発生を標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域内で引き起こすようにさらに構成される。加えて、または代替として、システムは、微小気泡を標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域の中に導入するための投与デバイスを含み得る。一実装では、投与デバイスは、シード微小気泡を標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域の中に導入し、コントローラは、次いで、シード微小気泡および変換器を使用して、追加の微小気泡の発生を引き起こすように構成される。
【００１２】
種々の実施形態では、コントローラは、少なくとも部分的にその解剖学的特性に基づいて、標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値を決定するようにさらに構成される。一実施形態では、システムは、標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域の解剖学的特性を取得するための撮像デバイスを含む。例えば、撮像デバイスは、標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域の画像を取得し得、コントローラは、少なくとも部分的に取得された画像に基づいて、組織応答量を決定するようにさらに構成される。
【００１３】
複数の標的ＢＢＢ領域が存在し得、コントローラは、標的ＢＢＢ領域の各々およびその周囲領域の各々に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値を決定し、記憶するようにさらに構成され得る。いくつかの実施形態では、標的ＢＢＢ領域に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値は、周囲領域に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値と異なる。加えて、周囲領域は、異なる場所における異なるタイプを有する組織を含み得る。コントローラは、周囲領域の各場所における各タイプの組織に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値を決定するようにさらに構成され得る。
【００１４】
組織応答量は、標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域に関連付けられた温度を含み得る。いくつかの実施形態では、組織応答量は、標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域に関連付けられたＭＲＩ  Ｔ２緩和時間を測定することによって取得される。加えて、組織応答量は、標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域に関連付けられたＭＲＩ  Ｔ２＊撮像および／またはＭＲＩ  Ｔ２＊加重撮像から導出される情報を含み得る。さらに、コントローラは、音響応答レベル、音響応答量、および／または組織応答量が、対応する閾値を超えるかどうかを決定し、超える場合、超音波振動を一時停止し、超えない場合、変換器に第２の超音波パルスを伝送させるように構成され得る。
【００１５】
別の側面では、本発明は、変換器から超音波振動を印加し、患者のＢＢＢを一時的に崩壊させる方法に関する。種々の実施形態では、方法は、（ａ）それらの解剖学的特性に基づいて、１つ以上の標的ＢＢＢ領域およびその周囲領域に関連付けられた１つ以上の音響応答レベル、音響応答量、および／または組織応答量の閾値を記憶することと、（ｂ）変換器に１つ以上の超音波パルスを伝送させることと、（ｃ）標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域に関連付けられた音響応答レベル、音響応答量、および／または組織応答量を取得することと、（ｄ）測定を対応する記憶された閾値と比較することと、（ｅ）少なくとも部分的に比較に基づいて、変換器を動作させることとを含む。例えば、変換器を動作させることは、変換器に関連付けられた伝送電力および／またはパルスパターンを調節することを含み得る。一実装では、音響応答量は、所定の期間にわたる音響応答レベルの積分を含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、方法は、標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域からの音響信号を測定することと、少なくとも部分的に測定された音響信号に基づいて、音響応答レベル、音響応答量、および／または組織応答量を決定することとをさらに含む。加えて、方法は、１つ以上のフィルタを使用して、測定された音響信号をフィルタ処理することを含み得る。例えば、フィルタは、伝送された超音波パルスに対する高調波および／または副高調波応答を選択し得る。代替として、フィルタは、伝送された超音波パルスに対する広帯域応答を選択し得る。
【００１７】
いくつかの実施形態では、方法は、微小気泡を標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域の中に導入することをさらに含む。微小気泡は、変換器をアクティブにし、第２のパルスを伝送すること、および／または投与デバイスを使用することによって、導入され得る。一実施形態では、投与デバイスは、シード微小気泡を標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域の中に注入し、微小気泡が、シード微小気泡および変換器を使用して発生させられる。
【００１８】
種々の実施形態では、標的ＢＢＢ領域および周囲領域に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値が、少なくとも部分的にその解剖学的特性に基づいて、決定される。一実施形態では、方法は、標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域の画像を取得することをさらに含み、解剖学的特性が、次いで、少なくとも部分的に取得された画像に基づいて、決定される。
【００１９】
複数の標的ＢＢＢ領域が存在し得、方法は、標的ＢＢＢ領域の各々およびその周囲領域の各々に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値を決定し、記憶することをさらに含み得る。加えて、標的ＢＢＢ領域に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値は、周囲領域に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値と異なり得る。いくつかの実施形態では、周囲領域は、異なる場所における異なるタイプを有する組織を含み、方法は、周囲領域内の組織の各タイプおよび／または各場所に関連付けられた音響応答レベル、累積音響応答量、および／または組織応答量の閾値を決定することをさらに含む。
【００２０】
組織応答量は、標的ＢＢＢ領域および周囲領域に関連付けられた温度を含み得る。いくつかの実施形態では、組織応答量は、標的ＢＢＢ領域および／または周囲領域に関連付けられたＭＲＩ  Ｔ２緩和時間を測定することによって取得される。加えて、組織応答量は、標的ＢＢＢ領域または周囲領域に関連付けられたＭＲＩ  Ｔ２＊撮像および／またはＭＲＩ  Ｔ２＊加重撮像から導出される情報を含み得る。一実施形態では、方法は、音響応答レベル、音響応答量、および／または組織応答量が、対応する閾値を超えるかどうかを決定することと、超える場合、超音波振動を一時停止し、超えない場合、変換器に第２の超音波パルスを伝送させることとをさらに含む。
【００２１】
本発明のさらに別の側面は、治療薬を脳腫瘍に適用する方法に関する。種々の実施形態では、方法は、（ａ）それらの解剖学的特性に基づいて、１つ以上の標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域に関連付けられた１つ以上の音響応答レベル、音響応答量、および／または組織応答量の閾値を記憶することと、（ｂ）標的ＢＢＢ領域を含む病巣に収束する変換器の位相アレイを使用して、１つ以上の超音波パルスを伝送することと、（ｃ）標的ＢＢＢ領域またはその周囲領域に関連付けられた音響応答レベル、音響応答量、および／または組織応答量を取得することと、（ｄ）測定を対応する記憶された閾値と比較することと、（ｅ）少なくとも部分的に比較に基づいて、変換器アレイを動作させることと、（ｆ）治療薬を標的ＢＢＢ領域に投与することとを含む。治療薬は、ブスルファン、チオテパ、ＣＣＮＵ（ロムスチン）、ＢＣＮＵ（カルムスチン）、ＡＣＮＵ（ニムスチン）、テモゾロミド、メトトレキサート、トポテカン、シスプラチン、エトポシド、イリノテカン／ＳＮ−３８、カルボプラチン、ドキソルビシン、ビンブラスチン、ビンクリスチン、プロカルバジン、パクリタキセル、フォテムスチン、イホスファミド／４−ヒドロキシイフォスファミド／アルドイホスファミド、ベバシズマブ、５−フルオロウラシル、ブレオマイシン、ヒドロキシウレア、ドセタキセル、および／またはシタラビン（シトシンアラビノシド、ａｒａ−Ｃ）／ａｒａ−Ｕを含み得る。
【００２２】
本明細書で使用されるように、用語「実質的に」は、±１０秒、いくつかの実施形態では、±５秒を意味する。「臨床上許容可能」は、例えば、そこへの損傷の発症を誘起することに先立って臨床医によって重要ではないと見なされる組織への望ましくない効果を有する（時として、所望の効果を欠いている）ことを意味する。本明細書の全体を通して、「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、本明細書の全体を通した種々の箇所における「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」という語句の出現は、必ずしも全てが同一の実施例を指すわけではない。その上さらに、特定の特徴、構造、ルーチン、ステップ、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。本明細書で提供される表題は、便宜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または解釈することを意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
前述は、図面と併せて、以下の発明を実施するための形態からより容易に理解されるであろう。
【００２４】
【図１】図１は、本発明の種々の実施形態による、例示的超音波システムを図式的に描写する。
【００２５】
【図２−１】図２Ａは、種々の実施形態による、標的組織領域内の微小気泡の存在を描写する。
【００２６】
【図２−２】図２Ｂ−２Ｄは、種々の実施形態による、キャビテーション検出アプローチを実施する変換器要素の種々の構成を描写する。
【図２−３】図２Ｂ−２Ｄは、種々の実施形態による、キャビテーション検出アプローチを実施する変換器要素の種々の構成を描写する。
【００２７】
【図３−１】図３Ａおよび３Ｂは、種々の実施形態による、検出された音響応答レベルの振幅と微小気泡キャビテーションの大きさとの間の種々の関係を描写する。
【００２８】
【図３−２】図３Ｃは、種々の実施形態による、一時的音響応答レベルと累積音響応答量との間の例示的関係を描写する。
【００２９】
【図４−１】図４Ａ−４Ｃは、種々の実施形態による、超音波手技の間の超音波パルスの振幅変動を図示する。
【００３０】
【図４−２】図４Ｄ−４Ｆは、種々の実施形態による、超音波手技の間に印加される種々の超音波振動パターンを図示する。
【００３１】
【図５Ａ】図５Ａは、種々の実施形態による、組織応答量と検出された音響応答レベルとの間の関係を描写する。
【００３２】
【図５Ｂ】図５Ｂは、種々の実施形態による、組織応答量と微小気泡キャビテーションによって崩壊させられる標的／非標的領域のサイズとの間の関係を描写する。
【００３３】
【図６】図６は、本発明のいくつかの実施形態による、超音波振動および微小気泡を使用して、患者のＢＢＢを一時的に崩壊させるアプローチを図示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、頭蓋骨を通して超音波を患者の脳（例えば、標的ＢＢＢ領域）内に集束させるための例示的超音波システム１００を図示する。印加される超音波振動は、制御および可逆的様式で微小気泡キャビテーションを誘発し、標的ＢＢＢ領域を崩壊させ得る。種々の実施形態では、システム１００は、変換器要素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、頭蓋骨、標的ＢＢＢ領域、およびＢＢＢ領域を包囲する組織の解剖学的特性を決定するために、磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）デバイス、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、単一光子放射断層撮影（ＳＰＥＣＴ）デバイス、または超音波検査デバイス等の撮像機１１２をさらに含む。超音波システム１００および／または撮像機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た存在、タイプ、および／または場所を検出するために利用され得る。加えて、または代替として、いくつかの実施形態では、システムは、微小気泡キャビテーションに関連付けられた情報を検出するためのキャビテーション検出デバイス（ハイドロフォンまたは好適な代替等）１１４をさらに含む。
【００３５】
アレイ１０２は、それを頭蓋骨の表面上に設置するために好適な湾曲（例えば、球状または放物線）形状を有し得るか、または、１つ以上の平面または成形された区分を含み得る。その寸法は、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の変換器要素１０４は、圧電セラミック要素であり得、シリコーンゴムまたは要素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内に搭載され得る。圧電複合材料、すなわち、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も、使用され得る。変換器要素１０４への最大電力伝達を保証するために、要素１０４は、入力コネクタインピーダンスに合致する５０Ωにおける電気共鳴のために構成され得る。
【００３６】
変換器アレイ１０２は、ビーム形成器１０６に結合され、ビーム形成器１０６は、個々の変換器要素１０４が、集束超音波ビームまたは場を集合的に生産するように、それらを駆動する。ｎ個の変換器要素に関して、ビーム形成器１０６は、ｎ個の駆動回路を含み得、各々は、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り、各駆動回路は、変換器要素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〜１．０ＭＨｚの範囲内の無線周波数（ＲＦ）入力信号を周波数発生器１１０から受信し、周波数発生器１１０は、例えば、Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓから利用可能なモデルＤＳ３４５発生器であり得る。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のための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、同一周波数であるが、異なる位相および／または異なる振幅で変換器アレイ１０２の個々の変換器要素１０４を、駆動するように構成される。
【００３７】
ビーム形成器１０６によって課される増幅または減衰係数α１−αｎおよび位相シフトａ１−ａｎは、患者の頭蓋骨を通して超音波エネルギーを患者のＢＢＢの選択された領域１２２上に伝送し、集束させ、頭蓋骨および軟質脳組織内で誘発される波形の歪を考慮する役割を果たす。増幅係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、結線接続、または任意のそれらの組み合わせを通して、算出機能を提供し得る。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係数を決定するために、従来の様式で、過度の実験を伴わずに、ソフトウェアでプログラムされる汎用または特殊目的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、変換器要素と選択された領域１２２との間に位置する介在組織（例えば、頭蓋骨および／または脳組織）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へのそれらの効果についての詳細な情報に基づく。そのような情報は、撮像機１１２から取得され得る。画像入手は、３次元であり得るか、または代替として、撮像機１１２は、頭蓋骨の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、それらから、厚さおよび密度は、推測されることができる。画像操作機能性が、撮像機１１２、コントローラ１０８、または別個のデバイス内に実装され得る。
【００３８】
図２Ａを参照すると、種々の実施形態では、変換器要素１０４によって放出される音響エネルギーは、閾値を上回り、それによって、小気泡群（または「微小気泡」）２０２の発生を標的ＢＢＢ領域２０４内に含まれる液体中に引き起こし得る。微小気泡２０２は、加熱された液体が、破裂し、ガス／蒸気で充填されるとき、または軽度の音響場が、キャビテーション核を含む組織上に印加されるとき、伝搬する超音波またはパルスによって生産される負圧に起因して、形成されることができる。しかしながら、概して、比較的に低音響電力（例えば、微小気泡発生閾値を１〜２ワット上回る）では、発生させられた微小気泡２０２は、大きさが等しい圧縮と希薄化とに伴う振動を受け、したがって、微小気泡は、概して、破裂しないままである。より高い音響電力（例えば、微小気泡発生閾値を１０ワット上回る）では、発生させられた微小気泡２０２は、圧縮を上回る希薄化を受け、それは、微小気泡のキャビテーションを引き起こし得る。微小気泡キャビテーションは、得る標的ＢＢＢ領域２０４の一過性の崩壊（または「開放」）をもたらし、それによって、血流内に存在する療法薬または予防薬が、「開放された」ＢＢＢ領域２０４に浸透し、療法を標的脳細胞に効果的に送達することを可能にする。
【００３９】
再び図１を参照すると、いくつかの実施形態では、微小気泡が、患者の血流の中に導入され、投与システム１２４を使用して、患者の脳の中に全身的に、または標的ＢＢＢ領域２０４の中に局所的に注入され得る。例えば、微小気泡は、液体液滴の形態で患者の脳の中に導入され得、それは、続いて、ガス充填泡として蒸発するか、または、従来の超音波造影剤等の別の好適な物質と同伴される。注入された微小気泡は、それ自体が追加の微小気泡を生成するか、または生成を促進し得る。したがって、組織への実際の効果は、注入された微小気泡と組織内で加えて生成された微小気泡との組み合わせから生じ得る。微小気泡を発生させるアプローチ、および／または微小気泡を標的領域に導入するためのアプローチは、例えば、米国特許出願第６２／３６６，２００号、第６２／５９７，０７１号、第１５／７０８，２１４号、第１５／８３７，３９２号、および第６２／５９７，０７３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）に提供される。
【００４０】
微小気泡キャビテーションから生じる標的ＢＢＢ領域２０４および／またはその周囲組織２０６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ＢＢＢ領域２０４内で誘発される微小気泡２０２の形成および／または量は、キャビテーション検出デバイス１１４を使用して、標的ＢＢＢ領域２０４から発出する音響信号を検出することによって監視され、キャビテーション検出デバイス１１４は、次いで、信号をコントローラ１０８に伝送する。代替として、変換器要素１０４は、伝送および検出能力の両方を保有し得る。図２Ｂを参照すると、一実施形態では、各個々の変換器要素１０４は、超音波信号を微小気泡に伝送することと、超音波信号をそれらから受信することとの間で交互する。例えば、全ての変換器要素１０４は、実質的に同時に、超音波を微小気泡２０２に伝送し、続いて、エコー信号をそれらから受信し得る。図２Ｃを参照すると、一実装では、変換器アレイは、複数のサブ領域２１２に分割される。すなわち、各サブ領域２１２は、変換器要素１０４の１または２次元アレイ（すなわち、行または行列）を備えている。サブ領域２１２は、別個に制御可能であり得、すなわち、それらの各々は、（ｉ）超音波／パルスを他のサブ領域２１２の振幅および／または位相から独立した振幅、周波数、および／または位相で放出し、（ｉｉ）微小気泡２０２からの音響信号を測定することが可能である。一実施形態では、サブ領域２１２は、互いに異なる振幅、周波数、および／または位相を割り当てられ、一度に１つずつアクティブにされ、超音波を伝送しエコー信号を微小気泡２０２から受信する。図２Ｄを参照すると、別の実施形態では、変換器アレイは、伝送領域２１４と、受信領域２１６とに分割される。すなわち、伝送領域２１４内の変換器要素は、超音波／パルスを伝送する一方、受信領域２１６内の変換器要素は、エコー信号を微小気泡２０２から受信する。受信される信号は、次いで、分析のために、コントローラ１０８に伝送される。変換器アレイの伝送領域２１４および受信領域２１６は、変換器アレイの種々の場所において、異なるパターンおよび形状で構成され得る。
【００４１】
微小気泡音響信号は、微小気泡２０２の形状変化から生じる放出、および／または、ガスを封入する微小気泡から生じる反射であり得る。音響信号は、（ｉ）瞬間音響応答レベルおよび／または、（ｉｉ）音響応答のスペクトル分布を含み得る。音響応答レベルは、線形または非線形のいずれかにおいてであるが、既知の様式において、音響的に駆動されるキャビテーションの大きさに対応する。例えば、図３Ａを参照すると、検出された音響応答レベルの振幅は、その範囲全体を通して、微小気泡キャビテーションの大きさと線形に相関し得る。代替として、図３Ｂを参照すると、線形相関は、微小気泡キャビテーションの大きさが閾値キャビテーションＣｔｈを下回るときのみ生じ得る。キャビテーションの大きさが、閾値、Ｃｔｈを超えると、キャビテーションのわずかな増加も、音響信号の応答レベルの大規模な増加をもたらし得る。
【００４２】
音響応答レベルの振幅と微小気泡キャビテーションの大きさとの間の関係は、臨床前研究、治療前手技、および／または公知の文献から、実験的に確立され得る。例えば、臨床前研究において、撮像機１１２が、微小気泡キャビテーション事象に関連付けられた量および／または面積を直接的に撮像し得、それに基づいて、微小気泡キャビテーションの大きさが、定量化され得る。実質的に同時に、微小気泡キャビテーションからの音響信号は、キャビテーション検出デバイス１１４および／または変換器アレイ１０２によって検出され、続いて、コントローラ１０８によって分析され、それらに関連付けられた振幅を取得することができる。微小気泡キャビテーションの定量化された大きさと音響応答レベルの振幅との間の関係が、次いで、確立されることができる。
【００４３】
加えて、音響信号は、微小気泡キャビテーションのタイプおよび／または場所を示す音響応答のスペクトル分布を含み得る。これは、各場所におけるキャビテーションの各タイプが、微小気泡の固有の非線形応答を表すそれ自身のスペクトル「シグネチャ」を有し得るからである。例えば、微小気泡の音響応答は、比較的に低音響電力（例えば、微小気泡発生閾値を１〜２ワット上回る）では、線形であり得る。すなわち、検出された信号のスペクトル分布は、したがって、入射超音波（すなわち、基本周波数または基本高調波周波数）のそれと同一である、またはその高調波である周波数を含み得る。安定キャビテーションが、中間音響電力（例えば、微小気泡発生閾値を５ワット上回る）において誘発される場合、検出された信号のスペクトル分布は、強副高調波応答（すなわち、副高調波周波数においてより多くの成分を有する、および／または副高調波周波数のより大きい振幅を有する）を含み得る。同様に、慣性キャビテーションが、高音響電力（例えば、微小気泡発生閾値を１０ワット上回る）において誘発される場合、検出された信号は、広帯域応答を含み得る。したがって、微小気泡から放出される音響信号を検出および分析することによって、超音波手技中に組織内で誘発されるキャビテーションの存在、タイプ、および／または場所が、決定されることができる。微小気泡からの信号を使用してキャビテーション事象を監視するアプローチは、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）に提供される。
【００４４】
種々の実施形態では、音響応答の検出されたスペクトル分布は、ハードウェアおよび／またはソフトウェア内に実装される１つ以上の好適なフィルタによってフィルタ処理される。例えば、フィルタは、各々がスペクトルシグネチャの周波数成分（例えば、基本高調波周波数または副高調波周波数）に関連付けられた複数の帯域通過フィルタおよび／または窓関数を含み得る。一実施形態では、フィルタは、信号のベースバンド応答が処理されることを可能にするベースバンドフィルタを含む。フィルタは、したがって、有利には、検出された信号の分解能および／または信号対雑音比を改良し、それによって、微小気泡キャビテーションの存在、タイプ、および／または場所が、確実かつ正確に決定されることを可能にする。好適なフィルタは、信号処理（特に、デジタル信号処理）の当技術分野において周知であり、過度の実験を伴わずに、容易に実装される。
【００４５】
代替として、または加えて、微小気泡キャビテーションは、超音波振動全体または複数の連続した超音波振動パルスにわたって、微小気泡を介して送達される累積キャビテーション関連音響エネルギーに線形または非線形のいずれかにおいて対応する累積音響応答量値を使用して監視され得る。これは、組織許容量が、瞬間応答レベルおよび累積応答量の両方の関数であり得るからである。例えば、瞬間応答レベルが、その対応する所定の閾値を下回る場合でも、累積応答量は、その所定の閾値を超え得る。すなわち、それは、標的ＢＢＢ領域またはその周囲組織への恒久的効果または損傷をもたらし得る。逆に言えば、累積応答量が、その所定の閾値を下回る場合でも、閾値を上回るバースト瞬間応答レベルは、臨床上容認可能でないこともある。故に、好ましい実施形態では、瞬間応答レベルと累積応答量との両方が、超音波手技中、監視される。
【００４６】
いくつかの実施形態では、累積音響応答量は、瞬間音響応答レベルを利用して定義される。例えば、図３Ｃを参照すると、累積音響応答量は、所定の期間Δｔにわたる音響応答レベルの積分であり得る。すなわち、所定の期間は、超音波振動手技全体または１つ以上の連続した超音波振動パルスにわたり得る。故に、超音波手技中に受信される音響信号に基づいて、コントローラ１０８は、任意の所望の期間の間の音響応答量を算出し得る。
【００４７】
加えて、検出された音響応答レベルおよび／または算出された音響応答量は、メモリ内のデータベースに記憶されたその関連付けられた所定の閾値と比較され得る。すなわち、閾値は、臨床上容認され得る微小気泡キャビテーションの大きさおよび／または量の上限を表す。音響応答レベルおよび／または音響応答量が、所定の閾値またはそれを上回る場合、超音波手技は、一時停止され、さらなる微小気泡キャビテーションを誘発することを回避し、それによって、標的および／または非標的組織領域への損傷を回避し得る。しかしながら、音響応答レベルおよび／または音響応答量が、対応する所定の閾値を下回る場合、超音波変換器要素１０４は、追加のキャビテーションを誘発し、標的ＢＢＢ領域を崩壊させるように、追加の音響エネルギーを微小気泡に送達し得る。例えば、図４Ａ−４Ｃを参照すると、変換器要素１０４は、アクティブにされ、１つ以上の追加のパルス４０２を微小気泡に伝送し得る。すなわち、追加のパルス４０２の振幅は、前のパルス４０４のものと同一であることも、異なることもある。代替として、または加えて、追加のパルス４０２の超音波振動パターン（例えば、周波数、集束形状、および／または時間に伴って変動する超音波振動プロファイル）は、前のパルス４０４のそれと同一であることも、異なることもある。例えば、追加のパルス４０２内の要素のアクティブ化時間のデューティサイクルは、図４Ｄ−４Ｆに描写されるように、前のパルス４０４におけるそれと同一であることも、それより小さいことも、またはそれより大きいこともある。概して、デューティサイクルは、微小気泡に送達されるエネルギーレベルと正に相関し、すなわち、より高いデューティサイクルは、電力が時間の大部分にわたってオンであるので、より大きいエネルギーに対応する。
【００４８】
いくつかの実施形態では、音響応答レベルおよび／または音響応答量が、対応する所定の閾値を下回る場合、追加の微小気泡が、さらなる微小気泡キャビテーションを誘発するために、発生させられ、および／または、標的ＢＢＢ領域の中に導入され得る。これは、変換器アレイ１０２をアクティブにし、さらなる音響エネルギーを標的ＢＢＢ領域に送達し、および／または、投与システム１２４をアクティブにし、追加の微小気泡を標的ＢＢＢ領域の中に注入することによって、達成されることができる。いくつかの実施形態では、投与デバイス１２４は、最初に、シード微小気泡を標的ＢＢＢ領域の中に注入する。すなわち、変換器アレイ１０２は、次いで、音響エネルギーをシード微小気泡に伝送し、さらなる微小気泡を発生させる。
【００４９】
音響応答レベルおよび累積音響応答量の閾値は、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域の組織タイプ、性質、および／または他の解剖学的特性に基づいて決定され得る。すなわち、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域は、異なるタイプの組織を含み、および／または、異なる組織性質（例えば、密度、熱エネルギーの許容量、熱吸収係数等）を有し、それによって、超音波パルスおよび／または微小気泡キャビテーションに異なって応答し得る。その結果、音響応答レベルおよび音響応答量の閾値は、異なる場所における異なるタイプの組織に対して異なり得る。加えて、音響応答レベルおよび累積音響応答量の閾値は、超音波治療プロトコル、超音波振動パターン（例えば、周波数、デューティサイクル、集束形状、および／または時間に伴って変動する超音波振動プロファイル）、および／または現在または前の治療中の音響および／または組織応答の履歴に関連付けられた他のパラメータに依存し得る。例えば、より低い閾値は、より高いデューティサイクルを有する超音波パルスのために使用され得る。これは、標的／非標的組織が、連続したパルス間で和らぐためにより少ない時間を有し得るからである。いくつかの実施形態では、より大きい閾値は、治療の開始時に許容可能であるが、より小さい閾値が、例えば、治療中の主な療法事象の発生後には好ましい。
【００５０】
種々の実施形態では、変換器要素１０４の動作（アクティブ化、非アクティブ化、または超音波振動パターンの調節等）および／または投与システム１２４の動作は、組織応答量に基づいて決定される。組織応答量は、各領域内の組織のタイプ、性質、および／または他の解剖学的特性に基づいて、各罹患標的／非標的領域のための最大臨床上許容可能温度に基づき得る。したがって、異なる場所における異なる性質を有する種々のタイプの組織は、異なる組織応答量を有し得る。組織応答量は、治療に先立って、および／またはその間、任意の好適なアプローチを使用して取得され得る。例えば、図５Ａを参照すると、組織応答量は、音響応答レベルおよび／または累積音響応答量と経験的に互いに関係付けられ得る。故に、組織応答量は、上で説明されるように検出／算出された音響応答レベルおよび／または累積音響応答量に基づいて取得され得る。
【００５１】
加えて、または代替として、組織応答量は、撮像機（例えば、ＭＲＩデバイス）１１２を使用して決定され得る。例えば、ＭＲＩデバイス１１２は、微小気泡キャビテーションから生じる標的ＢＢＢ領域２０４および／またはその周囲領域２０６の崩壊させられる面積をリアルタイムで測定し得る。崩壊させられる面積のサイズは、図５Ｂに示されるように、組織応答量と相関し得る。種々の実施形態では、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域における温度は、その組織応答量を表す。標的ＢＢＢ領域２０４およびその周囲領域２０６内のＭＲＩ  Ｔ２緩和時間の温度依存性は、超音波手技に先立って決定され得る。超音波手技中、ＭＲＩ  Ｔ２緩和時間は、標的ＢＢＢ領域２０４および／またはその周囲領域２０６の温度をリアルタイムで推定するために、迅速（１ミリ秒〜１秒以内）に測定されることができる。このアプローチは、有利には、リアルタイム温度フィードバックを超音波コントローラ１０８に提供し、超音波コントローラ１０８は、適宜、超音波伝送を調節し得る。例えば、測定された温度が、所定の最大温度を下回る場合、超音波手技は、例えば、追加のパルスを伝送すること、振幅を増加させること、および／またはパルスのデューティサイクルを増加させることによって、さらなる微小気泡キャビテーションを誘発し、標的ＢＢＢ領域２０４を崩壊させ続け得る。しかしながら、測定された温度が、最大温度を上回る場合、超音波手技は、中止され、組織を恒久的に損傷させることを回避し得る。他のＭＲＩ信号が、加えて、または代替として、標的ＢＢＢ領域２０４および／またはその周囲領域２０６の組織応答を推定するために使用され得ることに留意されたい。例えば、ＭＲＩ  Ｔ２＊加重撮像は、有利には、脳内の血液の溢血（レベル）を検出し得る。加えて、プロトン共鳴周波数（ＰＲＦ）、拡散係数（Ｄ）、Ｔ１およびＴ２緩和時間、磁化移動、および／またはプロトン密度等の温度感受性ＭＲパラメータ、ならびに温度感受性造影剤が、単独で、または組み合わせて、組織応答を推定するために利用され得る。
【００５２】
図６は、制御および可逆的様式で患者のＢＢＢを一時的に崩壊させるために、超音波振動を使用して微小気泡キャビテーションを誘発するための代表的アプローチ６００を図示する。第１のステップ６０２では、患者のＢＢＢおよびその周囲組織の種々の領域の解剖学的特性を取得するために、撮像機（例えば、ＭＲＩデバイス）が、超音波振動を印加することに先立って、利用される。第２のステップ６０４では、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域のそれぞれ１つにおける微小気泡に関連付けられた音響応答レベルおよび累積音響応答量の閾値と、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域に関連付けられた閾値組織応答量とが、上で説明されるように、ＭＲＩデータから抽出される組織の解剖学的特性に基づいて決定され得る。異なる場所における異なるタイプの標的／非標的組織は、異なる閾値を有し得る。音響応答レベルおよび累積音響応答量の閾値ならびに閾値組織応答量が、次いで、コントローラ１０８によってアクセスされ得るメモリ内のデータベースに記憶され得る。第３のステップ６０６では、微小気泡が、超音波パルスの印加によって発生させられ、および／または、投与システムによって、標的ＢＢＢ領域の近傍に導入される。第４のステップ６０８では、超音波変換器アレイが、微小気泡キャビテーションを標的ＢＢＢ領域の近傍で誘発するように、アクティブにされ、波またはパルスを印加し得る。第５のステップ６１０では、微小気泡からの音響信号が、持続的に測定され（例えば、各超音波振動の送達後）、音響応答レベルおよび／または累積音響応答量の所定の閾値と比較され得る。検出された音響信号の振幅が、閾値を上回る場合、微小気泡キャビテーションの大きさおよび／または量は、安全（すなわち、臨床上許容可能）レベルを超え得る。したがって、超音波手技は、検出された音響信号振幅が閾値を下回るまで、または最大許容可能用量の印加に続く回復間隔後まで、一時停止され得る（第６のステップ６１２において）。
【００５３】
音響応答レベルおよび／または累積音響応答量が、それぞれの閾値を下回る場合、さらなる微小気泡が、発生させられ、および／または導入され、キャビテーション事象を増加させ、標的ＢＢＢ領域の崩壊を継続し得る（第７のステップ６１４において）。加えて、または代替として、超音波変換器は、アクティブにされ、前に印加された波／パルスと同一または異なる振幅および超音波振動パターンを用いて、次の波／パルスを送達し得る（第８のステップ６１６において）。加えて、超音波手技中、撮像機（例えば、ＭＲＩデバイス）が、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域の温度をリアルタイムで測定し得る（第９のステップ６１８において）。例えば、リアルタイム温度は、ＭＲＩ  Ｔ２緩和時間を測定することによって取得され得る。再び、測定された温度が、組織応答量の所定の閾値を下回る場合、追加の微小気泡が、発生および／または導入され得る（ステップ６１４）、および／または超音波手技は、継続し得る（ステップ６１６）。しかしながら、測定された温度が、閾値を上回る場合、超音波手技は、中止され、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域への恒久的損傷をもたらし得る、過熱を回避する（ステップ６１２）。一実施形態では、データベースは、代替として、または加えて、ＰＲＦ、拡散係数（Ｄ）、Ｔ１緩和時間、磁化移動、プロトン密度等の他の温度感受性ＭＲパラメータ、ならびに温度感受性造影剤に関連付けられたパラメータに関連付けられた閾値を記憶し得る。撮像機は、次いで、超音波手技中、これらのパラメータを測定し得る。測定された値は、次いで、記憶された閾値に対して比較され得、それに基づいて、コントローラ１０８は、上で説明されるように、変換器アレイ１０２および／または管理システムを動作させ得る。
【００５４】
いくつかの実施形態では、ＭＲＩデバイス、超音波手技中、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域の解剖学的画像も取得する（第１０のステップ６２０において）。標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域の望ましくない変化が、観察される場合、超音波手技は、直ちに停止され得る。望ましくない変化は、例えば、崩壊させられるＢＢＢ面積のサイズが所望の面積より大きいおよび／または非標的周囲領域の一部が崩壊させられていることを含み得る。本発明の実施形態は、したがって、超音波手技中、キャビテーション検出デバイス（または超音波変換器アレイ）と、撮像デバイスとを採用し、微小気泡の形成／発生、キャビテーション事象、および組織応答をリアルタイムで監視する。監視される応答に基づいて、標的ＢＢＢ領域の崩壊は、次いで、標的ＢＢＢ領域および／またはその周囲領域を恒久的に損傷させずに、制御された様式で促進され得る。
【００５５】
その後、治療薬が、血流から、開放されたＢＢＢ領域を介して、標的脳細胞に浸透し得る。治療薬は、脳腫瘍を治療するために好適な任意の薬物を含み得る。例えば、膠芽腫（ＧＢＭ）を治療するために、薬物は、例えば、ブスルファン、チオテパ、ＣＣＮＵ（ロムスチン）、ＢＣＮＵ（カルムスチン）、ＡＣＮＵ（ニムスチン）、テモゾロミド、メトトレキサート、トポテカン、シスプラチン、エトポシド、イリノテカン／ＳＮ−３８、カルボプラチン、ドキソルビシン、ビンブラスチン、ビンクリスチン、プロカルバジン、パクリタキセル、フォテムスチン、イホスファミド／４−ヒドロキシイフォスファミド／アルドイホスファミド、ベバシズマブ、５−フルオロウラシル、ブレオマイシン、ヒドロキシウレア、ドセタキセル、シタラビン（シトシンアラビノシド、ａｒａ−Ｃ）／ａｒａ−Ｕ等のうちの１つ以上のものを含むか、またはそれらから成り得る。
【００５６】
当業者は、患者安全性制約内でＢＢＢを横断して薬物吸収を向上させるために最適化された薬物およびＢＢＢ開放方式を選択することができる。この点において、ＢＢＢは、実際には、多くの腫瘍のコア内ですでに崩壊させられており、抗腫瘍薬物の部分的浸透を可能にすることが知られている。しかし、ＢＢＢは、侵襲性／逃散ＧＢＭ細胞が見出され得る、「腫瘍に隣接する脳」（ＢＡＴ）領域の周囲で広く無傷であり、それは、腫瘍再発を引き起こす。腫瘍コアおよびＢＡＴ内のより良好な薬物送達のために、ＢＢＢを克服することは、本明細書に説明されるように、超音波を使用して遂行されることができる。採用される薬物は、種々の毒性度およびＢＢＢを通した種々の浸透パーセンテージを有する。理想的薬物は、腫瘍に対して高細胞毒性および無ＢＢＢ浸透性（その吸収および細胞毒性効果が、ＢＢＢが崩壊させられる領域に閉じ込められ得るように）、低神経毒性（神経系への損傷を回避するため）、ならびに事前に規定された用量における許容可能全身毒性（例えば、閾値を下回る）を有する。薬物は、静脈内から、またはある場合、腫瘍領域に近接した注射によって、投与され得る。
【００５７】
上で説明されるように、制御および可逆的様式で標的ＢＢＢ領域の崩壊を実施するための機能性は、超音波システム１００のコントローラ１０８、撮像機１２２、および／または投与システム１２４内に統合されるか、または別個の外部コントローラによって提供されるかどうかにかかわらず、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内で構造化され得る。加えて、撮像機１２２および／または投与システム１２４は、コントローラ１０８または他の別個のプロセッサによって制御され得る。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対して、プログラムは、ＰＹＴＨＯＮ、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で書かれ得る。加えて、ソフトウェアは、標的コンピュータ上に常駐するマイクロプロセッサにダイレクトされるアセンブリ言語で実装されることができる。例えば、ソフトウェアは、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  ８０ｘ８６アセンブリ言語で実装され得る。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、もしくはＡＳＩＣプロセッサを使用して実装され得る。
【００５８】
本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の用語および表現として使用され、そのような用語および表現の使用において、図示および説明される特徴またはその一部の任意の均等物を除外する意図はない。加えて、本発明のある実施形態を説明したので、本明細書に開示される概念を組み込む他の実施形態が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく使用され得ることが、当業者に明白であろう。故に、説明される実施形態は、あらゆる点において、制限ではなく、例証のみと見なされるべきである。
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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