JP2010501214A - 撮像装置により誘導される高強度集束超音波治療システム - Google Patents

Abstract

撮像装置により誘導される高強度集束超音波治療装置は超音波治療ヘッドを具備し、これは超音波トランスデューサ8、患者17が横たわる治療ベッド11、焦点3の撮像に使用される撮像装置を含んでいる。撮像装置は２次元の撮像をする非超音波撮像装置である。超音波トランスデューサ8は焦点3で集束される生物的焦点領域2に０．１−５ｍｍ、好ましくは０．２−２ｍｍの範囲の焦点中心23の直径を有する。非超音波撮像装置はＣＴまたはＭＲＩであり、これは２次元撮像の機能を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、医療装置の技術分野および超音波治療システムに関し、特に撮像装置により誘導される高強度集束超音波治療システムに関する。

超音波治療の分野では、技術と自覚のために、人は体内の焦点の作用メカニズムについて多くは知らず、常に超音波温熱療法が治療に適用されるとき迅速な治療を実現するために多数の焦点を使用することを期待する。しかしながら超音波治療装置がこのような多数の焦点を治療に適用するとき、治療効果は理想的ではない。一方で超音波技術の開発により、特に高強度の集束超音波が広く治療に使用されているとき、このような装置だけが幾つかの病気（特に悪性腫瘍）を完全に治療または切除するために使用されることができるので、優れた外科治療装置は世間で高い需要がある。

治療装置として、現在、高強度集束超音波治療装置は国内及び海外の病院で広く適用されている。この治療装置は体外で低エネルギ超音波を体内の焦点に集束し、結果として一時的な高温効果（６０〜１００℃）とキャビテーション効果と機械的効果が焦点領域の病的組織で発生され、したがって細胞と核膜は崩壊され、たんぱく質は凝固される。これらの効果は選択的に病的組織の凝固壊死を生じさせ、病的組織の増殖、侵入、転移を不能にし、それによって病気は治療されることができる。

高強度集束超音波治療の原理が図１に示されている。超音波トランスデューサ１は超音波を放射し、これらの超音波は結合媒体を通り、患者の体内で集束される。形成される凝固壊死領域は生物的焦点領域（即ちＢＦＲ）である。ＢＦＲは病的組織３よりも小さい楕円である。病的組織３全体を治療するため、ＢＦＲ２は病的組織３内で局部化され、その後病的組織３全体を走査し治療する必要がある。

高強度集束超音波治療のプロセスを監視するために、Ｂモードスキャナ、ＣＴ、ＭＲＩまたは他の装置が適用されることができる。

米国特許第5,485,839号明細書はＭＲＩ手段を超音波治療装置と組み合わせた治療システムを開示している。この特許は通常治療される腫瘍のような組織が複雑な３次元形状を有し、そのため腫瘍全体の完全な治療の実現と、単に２次元の超音波断層画像を使用して治療効果を評価することが非常に困難であることを指摘しており、治療前と後のオブジェクトを撮影するために３次元ＭＲＩ断層画像を使用し治療プロセスを実時間で監視するために２次元超音波を使用する技術的解決方法を提示している。

前述した特許は治療前と後の治療を受けるオブジェクトの３次元画像を設定するためにＭＲＩを使用し、ディスプレイで生成されるオブジェクトの３次元形状を表示している。しかしながら腫瘍の形状が不規則で、通常は樹木状であるために、治療を受けるオブジェクトの３次元画像が集められるとき、最終的に幾つかの情報は失われる。それ故、このようにして再構成される３次元画像はリアルではなく、腫瘍の全体的な原型を示すことができない。治療はこれらの歪みのある画像に基づいて完璧に実行されることができない。悪性腫瘍では、残こっている病的組織は膨張し続け、したがって患者の生命の危険が再度生じる。それ故、前述の特許の技術的解決方法では正確な超音波治療を達成できない。またこの特許のＭＲＩ装置が再構成されないならば、患者はＭＲＩの開口に反復して出入りしなければならず、そのため治療時間は延長される。患者が動かされなければ、ＭＲＩの構造は変更されなければならず、したがって治療コストは増加される。

従来技術の前述の欠点に対して、本発明の技術的解決手段は撮像装置により誘導される高強度集束超音波治療システムを提供することであり、これはターゲットを正確に撮像できて、比較的複雑な手術において正確な治療を行うことができる。

本発明の問題を解決するための技術的解決手段を以下説明する。撮像装置により誘導されるこの高強度集束超音波治療装置は超音波治療アプリケータを具備し、それは超音波トランスデューサ、患者が横たわる治療ベッド、病的組織を撮像するために使用される撮像装置を含んでいる。前記撮像装置は２次元の撮像機能を有する非超音波撮像装置である。生物的焦点領域に０．１ｍｍから５ｍｍの範囲の焦点コアの直径を有する超音波トランスデューサが採択される。超音波トランスデューサが製造されるとき、０．１ｍｍから５ｍｍの範囲の超音波トランスデューサの生物的焦点領域の焦点コアの直径は超音波トランスデューサの主要なパラメータ、例えば焦点距離、周波数等を制御し、体内の焦点領域検査と実験を検証することにより決定されることができる。

好ましくは、病的組織に位置する生物的焦点領域の０．２ｍｍから２ｍｍの範囲の焦点コアの直径を有する前記超音波トランスデューサが採択される。

生物的焦点領域におけるさらに深い研究で、生物的焦点領域全体では、焦点領域の中心即ち焦点コアで温度の上昇が最高であり、焦点中心の外縁のエネルギの逓減が急激であり、「ナイフ」特性を有することが発見されている。さらに詳しい情報については、Investigation On Temperature Field Of Biological Focal Region Induced By High Intensity Focused Ultrasound（“Chinese Journal of Biological Engineering”、2003年、22(4)：321−325頁、Faqi Li等）を参照されたい。

図２は生物的焦点領域の縦断面図である。この図から、生物的焦点領域が３つの部分、即ち焦点縁21、焦点セグメント22、焦点コア23を有していることが分かる。この研究は精密外科手術の理論的支持を与え、生物的焦点領域全体ではなく、焦点コア23が治療期間中に主体の凝固壊死で実際に主要な役目を行うことを人々に認識させる。通常、焦点コア23の直径は撮像装置により形成される２次元画像のセクション直径（２ｍｍ−５ｍｍ）よりも大きくない。この領域内の主体が治療期間中に撮像されるとき、焦点コアの２次元の撮像だけが必要とされる。治療を受ける腫瘍の２次元画像が設定され、画像上で得られた腫瘍の外形がリアルで明白であるならば、これらの画像は治療に使用されることができ、治療の正確性が確認されることができる。一方で、生物的焦点領域の直径が焦点コアの直径よりも非常に大きいため、病的組織が生物的焦点領域の範囲にしたがってのみ治療されるならば、病的組織の凝固壊死は正確な治療を必要とする幾つかの外科手術では不完全であり、良好な治療効果の実現が困難である。しかしこの欠点は焦点コアの撮像により除去されることができる。

運動位置付けシステムの制御下で、前記超音波治療アプリケータは、撮像装置により２次元画像で撮像される病的組織と、２ｍｍから５ｍｍの範囲の撮像装置により形成される２次元セクションの直径の走査と治療のために焦点コアを使用するので、病的組織は焦点コアの直径が２ｍｍから５ｍｍの範囲内でありさえすれば、２次元セクションの使用により正確に撮像されることができる。

しかしながら、従来技術の集束超音波治療装置はアプリケータを位置付け治療を監視するために撮像装置として主としてＢモードスキャナを使用する。このようなＢモード超音波撮像装置は監視及び治療において以下の欠点を有する。１．Ｂモード超音波画像はある角度を有する単なる平面画像であるので、３次元超音波システムが使用されても、可視領域は依然として制限される。２．超音波画像は観察の深さにおいて限定され、骨の物質は画像に非常に影響し、骨の後方の組織は観察が難しく、不自然な結果が存在する。３．超音波画像は組織の境界の識別には容量が貧弱であり、特に小さい腫瘍と深い層状の腫瘍の識別はさらに困難である。それ故、このような超音波撮像装置は全ての種類の精密外科手術に適していないが、２次元撮像の機能を有する幾つかの非超音波撮像装置は前述の問題をもたない。

それ故、病的組織を撮像する前記非超音波撮像装置はＣＴまたはＭＲＩ装置であり、これは２次元撮像の機能を有する。ＭＲＩ装置では、磁界に対して適切な勾配を適用することができるので、磁気共鳴信号が選択的に捕捉されることができる。この情報は各点の組織特徴を得るために処理され、組織は撮像されることができる。得られた磁気共鳴画像は異なる組織の識別には大きな能力を有し、正常な組織を病的組織から容易に弁別でき、ある体積内の得られた３次元データは人体の一部または全身を撮像することができ、それ故、ＭＲＩ装置は高強度集束超音波治療の監視には非常に適している。

非超音波撮像装置の構造を不変に維持し、撮像装置を超音波治療装置と良好にコンパチブルにするため、前記超音波治療アプリケータは好ましくは治療のために患者の病的組織下に位置され、したがって前記治療ベッドには開口が存在し、超音波治療アプリケータはその開口下に位置される。超音波治療アプリケータはさらに前記開口の下に接続され、脱気水で満たされた容器を具備し、超音波トランスデューサは前記容器中に位置される。

容器の脱気水のレベルを安定に維持し、撮像結果のレベル変化の影響を減少させるために、好ましくは本発明では、治療ベッド上の開口は有孔の膜により被覆され、これは液体を浸透できる。膜は最大の水レベルを限定できるので、超音波治療アプリケータが動くときの容器内の脱気水は大きく揺れず、水レベルの変化は小さい。この膜と前記容器は半分開いた構造を構成する。

前記容器は全開の構造を採択することもできる。

ＭＲＩ装置が非超音波撮像装置として使用されるとき、撮像情報を撮像装置から受信するための第１の表面コイルは治療ベッド上に保持された患者の片側に設置される。第１の表面コイルは治療ベッド上の開口の周辺で外側に固定され、主体の焦点コアの画像が正確に監視されることができるようにＭＲＩ装置の撮像情報受信装置に接続される。

さらに、焦点コアの直径が小さいために、正確な画像は焦点コアの治療プロセスを監視するために必要とされる。したがってさらに本発明では、さらに撮像情報を撮像装置から受信するための第２の表面コイルが患者の他の側面に第１の表面コイルと反対側に配置される。第２の表面コイルもまたＭＲＩ装置の撮像情報受信装置に接続される。

本発明の撮像装置により誘導される高強度集束超音波治療システムは病的組織を走査し治療するために焦点コアを使用し、２次元撮像の機能を有する撮像装置だけが監視に必要とされ、したがって撮像装置は変更を必要としない。一方で、病的組織に集束されるエネルギは焦点コアが治療に使用されるとき比較的高く、音響経路に沿って組織を保護するのに有用であるので、この機能はシステムに「ナイフ」の特性をもたせ、本発明のこのシステムは正確な治療を必要とする全ての種類の外科手術に適用されることができる。本発明では、２次元撮像機能を有するＭＲＩ装置と生物的焦点領域で０．１ｍｍから５ｍｍの範囲の焦点コアの直径を有する超音波トランスデューサとの組合せにより形成される撮像装置により誘導される高強度集束超音波治療システムは、システムの製造価格を減少し、使用効果と治療効果を非常に改良できる。

従来技術の高強度集束超音波治療の原理図。 生物的焦点領域の縦断面図。 本発明の実施形態１の構造図。 図３の治療ベッド11の選択的な拡大平面図。 本発明の実施形態２の構造図。

本発明を好ましい実施形態と添付図面を参照して以下詳細にさらに説明する。

図３に示されているように、本発明の撮像装置により誘導される高強度集束超音波治療システムは非超音波撮像装置と高強度集束超音波治療装置から構成されている。この実施形態では、ＭＲＩ装置が非超音波撮像装置として適用される。

図３に示されているＭＲＩ装置では、ＭＲＩ撮像情報受信装置５はＭＲＩテーブル４に取付けられている。撮像情報受信装置５は情報処理装置６とディスプレイ７にそれぞれ接続されている。

高強度集束超音波治療装置は、超音波治療アプリケータ、超音波治療アプリケータの運動位置付けシステム12、患者を保持し開口10を有する治療ベッド11、ＭＲＩ開口15を出入りするように治療ベッド11を制御する治療ベッド制御装置13を具備している。

ここで、超音波治療アプリケータは超音波トランスデューサ８と容器９を具備している。容器９は治療ベッド11の開口10の下に接続されている。この実施形態では、容器９は治療ベッド11の開口10に位置され、脱気水で満たされた水タンクである。脱気水は超音波の伝送媒体として使用され、また、治療中に発生される熱の冷却にも使用される。超音波トランスデューサ８は容器９内に位置されている。

この実施形態の容器９は開いたタンクである。脱気水のレベル変化による主体の撮像における影響を減少するために、治療ベッド11の開口10は液体が浸透する孔を有する薄膜（示されていない）により覆われることができる。この薄膜と前記容器９は半開きの構造を構成する。

この実施形態では、超音波トランスデューサ８は８０ｍｍ乃至２００ｍｍの焦点距離と、８０ｍｍ乃至３００ｍｍの直径と、０．２ｍｍ乃至２ｍｍの生物的焦点領域の焦点コアの直径と、０．５ＭＨｚ乃至２ＭＨｚの動作周波数とを有する球形の集束ピエゾ電気トランスデューサを採用している。勿論この実施形態では、フェイズドトランスデューサは適切な調節後に超音波源として使用されることができる。

治療期間中、焦点コア23はターゲットの組織を走査し治療するために使用され、ＭＲＩ装置は２次元撮像の機能を使用することにより焦点コアの治療プロセスを監視し、２次元画像はディスプレイ７を通してオペレータに示される。

焦点コア23の２次元走査治療の安全性を確実にし、ＭＲＩ装置により集められた画像情報の鮮明度を改良するために、図４に示されているように、ＭＲＩ装置から撮像情報を受信するための第１の表面コイル14が治療ベッド11に保持されている患者17の１側面に設置される。第１の表面コイル14は接着剤または他の実施可能な方法で治療ベッド11上の開口10周辺の外側で固定され、ＭＲＩ装置の撮像情報受信装置５に接続されている。このコイルの形状は円形である。ＭＲＩから撮像情報を受信するための第１の表面コイル14の位置は治療される患者の位置に近いため、受信される信号は比較的強力であり、撮像品質は良好であり、焦点コア23により走査されるターゲットの２次元画像は治療期間中により正確に監視されることができる。

この実施形態では、第１の表面コイル14の付加を除いては、ＭＲＩ装置は変更されない。撮像情報受信装置５、情報処理装置６、ディスプレイ７はＭＲＩ装置の既存のコンポーネントである。

本発明の高強度集束超音波治療システムの動作プロセスについて以下説明する。最初に、治療ベッド制御装置13の制御下で、治療ベッド11上の患者17はＭＲＩ開口15中へ移動され、患者17の病的組織は磁気共鳴撮像領域内に位置される。第１の表面コイル14はＭＲＩから撮像情報を受信するために使用され、ここで受信された情報はＭＲＩテーブル４上の撮像情報受信装置５へ送られる。その後、撮像情報受信装置５はこの情報を情報処理装置６へ送信する。情報が情報処理装置６により処理された後、治療される病的組織に対して設定された２次元画像はディスプレイ７によってオペレータに示される。その後、運動位置付けシステム12の制御下で、超音波トランスデューサ８の焦点コア23は磁気共鳴量領域内で治療を受ける病的組織とオーバーラップされる。駆動回路（図面では示さない）により駆動されて、超音波トランスデューサ８は超音波を送信し、焦点コア23はターゲット領域中の病的組織を走査し治療するために使用される。焦点コアの直径（０．２ｍｍ−２ｍｍ）がＭＲＩにより形成される単一のスライス画像の断面直径（２ｍｍ−５ｍｍ）よりも小さいので、ターゲットの２次元画像だけがＭＲＩ装置が治療プロセスを監視するときに治療期間中に設定される必要がある。設定された２次元画像はディスプレイを通してオペレータに示される。

この実施形態では、焦点コア23は病的組織の治療に使用され、焦点コア23の温度上昇は生物的焦点領域全体で最高であり、焦点コア23の外縁のエネルギの逓減は非常に急峻であり、「ナイフ」として特徴付けられる。それ故、本発明の実施形態の高強度集束超音波治療システムはあらゆる種類の複雑な外科手術に適用されることができる。

この実施形態のＭＲＩ誘導の高強度集束超音波技術は本発明の応用範囲を限定されないことを説明する必要がある。当業者は他の非超音波撮像装置、例えばＣＴ装置に適用可能にするために本発明の技術的解決手段に対して適切な調節及び変更を行うことができる。全てのこのような調節と変更後の技術的解決手段は依然として本発明の技術的範囲内である。

図５に示されているこの実施形態と実施形態１との相違点は第２の表面コイル16が第１の表面コイルと反対側で患者の他方の側面に付加されていることである。第２の表面コイル16と第１の表面コイル14は一体化され、その後ＭＲＩ装置の撮像情報受信装置５に接続される。第２の表面コイル16を付加する目的はＭＲＩ撮像信号を受信するために強度が増加することである。実施形態１と比較して、この実施形態はさらに高い撮像品質を有し、オペレータが治療期間中に焦点コア23により走査されるターゲットの２次元画像を監視することにより有効に補助する。

応用の残りの構造及び手順は実施形態１と同じであり、ここでは反復して説明する必要がない。

符合の説明

１…超音波トランスデューサ、２…生物的焦点領域、21…焦点縁、22…焦点セグメント、23…焦点コア、３…病的組織、４…ＭＲＩテーブル、５…撮像情報受信装置、６…情報処理装置、７…ディスプレイ、８…超音波トランスデューサ、９…容器、10…開口、11…治療ベッド、12…運動位置付けシステム、13…治療ベッド制御装置、14…第１の表面コイル、15…ＭＲＩ開口、16…第２の表面コイル、17…患者。

Claims (9)

1. 撮像装置により誘導されるこの高強度集束超音波治療装置において、
   超音波治療アプリケータを具備し、これは超音波トランスデューサ（８）と、患者が横たわる治療ベッド（11）と、病的組織を撮像するために使用される撮像装置とを含んでおり、前記撮像装置は２次元の撮像機能を有する非超音波撮像装置であり、生物的焦点領域中の０．１ｍｍ乃至５ｍｍの範囲の焦点コアの直径を有する超音波トランスデューサが使用されている高音波治療装置。
2. 生物的焦点領域中の０．２ｍｍ乃至２ｍｍの範囲の焦点コアの直径を有する前記超音波トランスデューサ（８）が使用される請求項１記載の超音波治療システム。
3. 前記治療ベッド（11）には開口（10）が存在し、超音波治療アプリケータは前記開口の下に位置されている請求項１記載の超音波治療システム。
4. 前記超音波治療アプリケータはさらに前記開口（10）の下に接続され、脱気水で満たされている容器（９）を具備し、超音波トランスデューサ（８）は前記容器に位置されている請求項３記載の超音波治療システム。
5. 前記容器は開放された構造を有している請求項４記載の超音波治療システム。
6. 治療ベッド（11）上の前記開口（10）は容器（９）の上部を覆っている有孔の膜により被覆され、半分開いた構造を構成している請求項４記載の超音波治療システム。
7. 病的組織を撮像する前記非超音波撮像装置は２次元撮像の機能を有するＣＴまたはＭＲＩ装置である請求項１乃至６のいずれか１項記載の超音波治療システム。
8. ＭＲＩ装置が非超音波撮像装置として使用されるとき、撮像情報を撮像装置から受信するための第１の表面コイル（14）が患者を保持するための治療ベッドの片面に設置され、この第１の表面コイルは治療ベッド（11）上の開口（10）の周辺の外側に固定され、ＭＲＩ装置の撮像情報受信装置（５）に接続されている請求項３乃至６のいずれか１項記載の超音波治療システム。
9. さらに、撮像情報を撮像装置から受信するための第２の表面コイル（16）が患者（17）の他方の側面において第１の表面コイル（14）と反対側に設けられ、この第２の表面コイルはＭＲＩ装置の撮像情報受信装置（５）に接続されている請求項８記載の超音波治療システム。

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