JP2010504131A - 集束超音波の適用のためのフィードバックループ - Google Patents

Abstract

集束された超音波の適用のためにフィードバックループを使用した方法が開示される。本方法は、超音波を使用して人体内の標的部位の位置を判定し、集束された超音波を標的部位に印加し、更なる超音波を使用して標的部位の新たな位置を決定し、標的部位の新たな位置に応答して、集束された超音波を調節することを含む。

Description

本発明は、集束超音波の適用のためのフィードバックループに関する。

超音波は、大量のエネルギーを含む。超音波の１つの特徴は、無線周波（ＲＦ）信号に比較して人体の内部で比較的小さな減衰をもつことである。大量のエネルギー及び小さな減衰の特性により、超音波は、多様な医療の用途において非常に有効となる。しかし、これらの特性により、超音波が人体で使用されるときに線量当量限度が超えられないことが重要である。

集束超音波（focused ultrasound）の適用のためのフィードバックループを使用した方法が開示される。本方法は、超音波を使用して人体内部の標的部位（target site）の位置を決定すること、集束超音波を標的部位に印加すること、更なる超音波を使用して標的部位の新たな位置を決定すること、標的部位の新たな位置に応答して集束超音波を調節することを含む。

移植可能な装置の超音波による充電の例示的なシステムを示す図である。 移植可能な装置の超音波による充電の例示的な方法を示す図である。

本発明は、以下の記載及び添付図面を参照して更に理解され、添付図面において、同じ構成要素は同じ参照符号で参照される。本発明の例示的な実施の形態は、集束超音波の適用のためのフィードバックループを記載するものである。超音波の特性は、様々な医療の応用でそれらの適用をもたらす。１つの例示的な適用は、集束超音波が移植可能な医療装置を充電するために使用されることである。１つの例示的な実施の形態は、係る適用を参照して記載される。しかし、当業者は、例示的なフィードバックループが他の集束超音波の適用に適用される場合があることを理解されるであろう。たとえば、集束超音波の適用の別の例示的な応用は、人体内部の癌組織の除去である場合がある。また、本発明は、集束超音波の適用で実現される場合もある。例示的なフィードバックループ及び集束超音波の充電が以下に詳細に記載される。

超音波の高いエネルギーと比較的低い減衰により、移植可能な医療装置にエネルギーを伝送することができる。この装置は、超音波エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギースカベンジャー（energy scavenger）を有する。これにより、係る装置をＲＦアンテナよりも大幅に小型にすることができ、装置は全体として比較的小型となる。

また、集束超音波のソースを使用することで、線量当量限度を超えることなしに、局所的な強度における増加が可能となる。このように、高い強度は、医療装置が埋め込まれる位置に到達する場合がある。これにより高いスカベンジパワーが生じ、移植可能な装置の最大の許容される電力消費における増加となり、低減された充電時間等となる。

しかし、超音波スカベンジャーが超音波を電気エネルギーに変換するように、超音波のソースは、移植可能な装置の特定の位置に集束される必要がある。超音波ソースを集束することで、照射領域が減少される場合がある。さらに、移植可能な装置は、充電の経過の間に移動する場合がある。たとえば、装置が心臓の近くに埋め込まれるとき、この装置は、それぞれの心臓の鼓動の間に僅かに移動する。

超音波（又は超音波検査）は、高周波の音波が画像形成のために使用される医療技術である。高周波の音波からのエコーを使用して、画像が再形成される場合がある（たとえばエコロケーション）。超音波が組織間（たとえば流動体と軟組織との間、軟組織と骨との間、組織と移植可能な医療装置との間等）の境界に衝突するとき、超音波は、ある距離が処理される場合に反射される。組織における音速（たとえば5,005ft/sec又は1,540m/s）及びそれぞれのエコーのリターンの時間を使用して、この距離が計算される。次いで、距離を表現するために異なる影を使用して画像が表示される。超音波の１つの特徴は、固定された時間で画像を表示するｘ線とは異なり、画像がリアルタイムで表示される場合があることである。リアルタイムの画像形成により、リアルタイムの調節が可能となる。

図１は、移植可能な装置１０４の超音波の充電のための例示的なシステムを示す。移植可能な装置１０４は人体１０７の一部に既に埋め込まれている。当業者であれば、移植可能な装置１０４は、たとえば表皮の装置の下、心臓のような臓器の内部又は近く、等のような人体１０７の任意の部分で位置される場合があることを理解されるであろう。また、当業者であれば、超音波機器が一般の人体１０７の外部にあることを理解されるであろう。しかし、たとえば口を通して食道といった、人体の空洞に挿入される超音波装置が存在する場合がある。本発明は、任意のタイプの超音波装置で実現される場合がある。

図１は、超音波、すなわち超音波のソースを送信する超音波プローブ１０１を更に示す。先に記載されるように、超音波は、組織の境界に衝突した後に反響される（すなわち反射される）。また、反響波は、プローブ１０１により受信される。プローブ１０１は、たとえば１以上の水晶振動子（すなわち水晶圧電素子）を含むトランスデューサプローブである場合がある。電流がこれらの振動子に印加されたとき、急速に形状を変化させ、振動が生じる。これらの振動は、送出される音波である。逆に、音波又は圧力波が振動子に衝突したとき、電流が放出される。したがって、プローブ１０１は、送信器及び受信器の両者として作用する。プローブ１０１は、プローブ自身からの後方反射を除くため、音を吸収する物質を有する。放出された音波を集束するため、音響レンズが使用される場合がある。トランスデューサプローブの使用は単なる例示であって、超音波を送出し、反響波を受けるために他の方法が存在する。画像を効果的に再形成するため（すなわち反響波を効果的に受けるため）、プローブ１０１が人体１０７の表面に直接に配置されることを、当業者であれば理解されるであろう。さらに、人体１０上のプローブ１０１の滑らかな移動を可能にし、プローブ１０１の性能に悪影響を及ぼすプローブ１０１と人体１０７との間のエアポケットを防止するため、超音波ジェルが使用される。人体１０７に接触しているプローブ１０１は単なる例示であって、プローブ１０１は、アライメントのような、プローブ１０１の送信器と受信器の機能が許容する距離を維持する場合がある。

プローブ１０１は、任意のプローブコントロールユニット１０２（以下「コントロール」と呼ぶ）を有する。コントロール１０２により、ユーザは、超音波パルスの（たとえば超音波を集束する）周波数及び期間を設定及び変更するのを可能にする。また、コントロール１０２は、スキャンのモードを決定する場合がある。プローブ１０１に位置されるコントロール１０２は単なる例示である。また、コントロール１０２は、プローブ１０１が接続される処理ユニット又はベースユニットに位置される場合がある。

プローブ１０１は、コンピュータ装置１０３に接続される。コンピュータ装置１０３は、超音波を生成するため、プローブ１０１に電流を供給する。逆に、コンピュータ装置１０３は、プローブ１０１の結晶が反響波を変換するときに電流を受ける。コンピュータ装置１０３は、プローブ１０１により受けた反響波を処理し、画像をレンダリングする。コンピュータ装置１０３は、プロセッサ及びメモリ（図示せず）を有する。プロセッサは、コンピュータ装置１０３により受けたデータを解釈し、更なる信号を出力する。メモリは、コンピュータ装置１０３により受けたデータを記憶する。コンピュータ装置は、ディスプレイ及び入力装置（図示せず）に更に接続される。コンピュータ装置１０３が反響波をプローブ１０１から受けた後、プロセッサによりレンダリングされた画像を表示するため、ディスプレイが使用される。コントロール１０２は（たとえばコンピュータ装置１０３といった）処理装置に位置される場合、コントロール１０２は、入力装置である場合がある。入力装置は、たとえば、キーボード、ダイアル、タッチスクリーン等である。

プローブ１０１は、超音波をターゲットサイトに移植可能な装置１０４に向ける。移植可能な装置１０４は、人体１０７の何処かに位置される。たとえば、移植可能な装置１０４は、皮膚の直接下に位置されるモニタである場合がある。別の例では、実現可能な装置１０４は、心臓の近くに位置されるペースメーカである場合がある。本明細書で記載される例示的な実施の形態は、非常に小さな（小型の）医療の移植可能な装置について、これらの装置は人体に配置及び狙いをつけることが難しいために、特に適用可能な場合がある。移植可能な装置１０４は、任意に、それ自身の電源１０６を有する。電源１０６は、たとえば再充電可能なバッテリ、パワーセルである場合がある。プローブ１０１により送信される超音波は、電源１０６を充電するために容易に使用される形式ではない。したがって、超音波スカベンジャー１０５（以下「スカベンジャー」と呼ぶ）が利用される。スカベンジャー１０５は、プローブ１０１と同様に機能する。すなわち、スカベンジャー１０５は、水晶振動子を含む。先に記載されたように、電流又は圧力を超音波に変換するために水晶振動子が使用される。また、水晶振動子は、逆の変換も実行する。プローブ１０１からの超音波の受信に応じて、スカベンジャー１０５は、電源１０６を再充電するために使用される電流に波を変換する。

図２は、移植可能な装置の超音波による充電のための例示的な方法を示す。図１の例示的なシステムのコンポーネントは、例示的な方法の記載で使用される。はじめに、移植可能な装置１０４は、ステップ２０１で配置される。超音波プローブ１０１は、超音波を送出しコンピュータ装置１０３により反響波が処理され、位置が判定される。集束された超音波が更に効率的に使用されるとき、移植可能な装置１０４の位置の判定は、充電プロセスを最適化する。したがって、集束された超音波を使用して、又はソノグラフィについて使用される通常の超音波を使用して、移植可能な装置１０４の最初の配置が実行される場合がある。

ステップ２０２では、プローブ１０１の充電パラメータは、周波数の増加、バーストの短縮、信号方向等といった、移植可能な装置１０４の位置の状態に調節される。ステップ２０２で適切なパラメータがひとたび設定されると、ステップ２０３で、パワーセル１０６の充電が開始される。先に記載されたように、パワーセル１０６は、スカベンジャー１０５を介してプローブ１０１により送出される集束された超音波を使用して充電される（すなわち、超音波は電流に変換される）。生成された電流の量は、超音波の品質（たとえば周波数、減衰の量等）により決定される。先に記載されたように、超音波を収束することで、移植可能な装置１０４の最大の電力消費が増加し、及び／又は充電時間の量が減少する場合がある。したがって、理想的な状況は、移植可能な装置１０４で直接に集束された超音波を保持することである。これにより、移植可能な装置１０４に供給される電力量が最大となり、周囲の組織への投与量が最小となる。移植可能な装置１０４で、集束された超音波を維持するフィードバックループが以下に記載される。

ステップ２０４で、電源１０６の充電が終了されたかを判定するチェックが行なわれる。電源の終了を判定する任意の公知の方法は、充電の簡単な方法に適合される。たとえば、超音波の周波数、波の減衰（たとえば、移植される装置がより深く移植されると、より高い減衰を受ける）及びパルスの期間を考慮して、プローブ１０１がどの位長く超音波を送信することが必要とされるかを計算するため、タイマが使用される場合がある。ステップ２０４で、充電が終了したと判定された場合、プロセスが終了する。ステップ２０４で、充電が終了していないと判定された場合、プロセスはステップ２０５に進み、別のチェックが行なわれる。

ステップ２０５で、移植可能な装置１０４が移動したかを判定するため、チェックが行なわれる。ステップ２０４で行なわれるチェックは、電源１０６が充電をなお必要とすることを判定するので、最も効果的な充電が更に望まれる。移植可能な装置１０４が移動した場合、（たとえばスカベンジャー１０５が超音波をもはや受けない、といった）充電が進行するために最適な位置にもはやない。したがって、移植可能な装置１０４が移動したかを判定することは、電源１０６の最も効率的な充電を維持するために極端に有効である。

この例示的な方法では、ステップ２０５のチェックは、ステップ２０４のチェック後にシリアルに生じるものとして示されるが、ステップ２０５のチェックは、最適な充電が維持されるように、移植可能な装置１０４の位置を継続して更新する連続的に起こるプロセスである場合があることを、当業者であれば理解するであろう。すなわち、充電ユニットが移動することができるか、最適な充電を維持するために移植可能な装置１０４で直接に超音波が集束されるように、ステップ２０４の機能は、移植可能な装置１０４の位置を継続的に更新し、この情報を、移植可能な装置１０４を充電するユニット（たとえばプローブ１０１）に供給する。したがって、ステップ２０５により実現される機能は、正しい位置で集束されるため、集束される超音波についてフィードバック信号を提供する。

さらに、ステップ２０５で装置が移動したかを判定すること（又はステップ２０１における装置の最初の配置）は、上述されたように、超音波画像形成を使用して達成される。しかし、装置自身は、そのロケーション又は位置を示すために信号を送出可能である場合がある。信号は、たとえば、超音波装置により検出される超音波信号であるか、又は、別の検出器により検出され、超音波装置に供給される別のタイプの信号（たとえばＲＦ信号）である。

移植可能な装置１０４が移動したかに関する判定は、図１に記載されるシステムの既存のコンポーネントを使用して行われる場合がある。たとえば、プローブ１０１は、２つの目的を実行する。プローブ１０１の第一の使用は、電源１０６を充電するために使用されるスカベンジャー１０５に超音波を供給することである。プローブ１０１の第二の使用は、移植可能な装置１０４の位置を判定することである。また、プローブ１０１は、位置を判定するために同じ原理を使用して、移植可能な装置１０４の任意の動きの存在を判定するために使用される。たとえば、コンピュータ装置１０３は、動きの存在を判定するために更なるアルゴリズムを組み込む場合がある。アルゴリズムは、僅かに異なる計算が行なわれる点を除いて、プローブ１０１から受けた同じデータを使用する。１つの例示的なアルゴリズムでは、コンピュータ装置１０３は、複数の画像を使用して、所定の位置のある画素の陰影が予め決定された閾値レベルを超えて変化したかを判定する比較を行なう。別の例示的なアルゴリズムでは、コンピュータ装置１０３は、多かれ少なかれ波が反射されたかを示す反響波の量を決定する。なお、動きは横方向の動きにのみ制限されない。移植可能な装置１０４は、深く又は浅く人体１０７に動く場合がある。ステップ２０４で、移植可能な装置１０４の深さが変化したことが判定された場合、周波数における変化も必要な場合がある。

移植可能な装置１０４がステップ２０４により判定されたときに移動しなかった場合、本方法はステップ２０３に戻り、電源１０６は、システム上で既に存在する設定を使用して、充電のために集束された超音波を受け続ける。移植可能な装置１０４がステップ２０５により判定されたときに移動した場合、本方法はステップ２０２に戻り、移植可能な装置の動きを補償するため、充電パラメータ（たとえば方向、周波数、バースト期間等）が調節される。このステップ２０２への戻りは、電源１０６の最も効率的な充電を維持するフィードバックループを表す。例示的な方法がステップ２０２にループバックするプロセスを示す一方で、このプロセスがステップ２０１の等価なものにループバックすることが考えられることを、当業者であれば理解するであろう。すなわち、新たな装置の位置が決定され、次いで、ステップ２０２で充電パラメータが設定される。

なお、１つのプローブ１０１の使用は単に例示するものである。当業者であれば、ロケーティング、動き検出、超音波の送信は、２つ以上のプローブを使用して行われる場合がある。たとえば、一方のプローブは、移植可能な装置１０４の動きを探して検出するために使用される。別のプローブは、超音波を送出するために使用される。２つの超音波プローブの使用（たとえば第一のプローブはロケーションをモニタリングし、第二のプローブは超音波を集束する）は、この応用においてほぼリアルタイムの調節を提供する場合がある。

本発明の精神又は範囲から逸脱することなしに、様々な変更が本発明において行なわれることが、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明は、本発明の変更及び変形が特許請求の範囲及びそれらの等価なものの範囲に含まれると仮定して、本発明の変更及び変形をカバーすることが意図される。

Claims (22)

1. 超音波を使用して人体内の標的部位の位置を決定するステップと、
   集束された超音波を前記標的部位に印加するステップと、
   更なる超音波を使用して前記標的部位の新たな位置を決定するステップと、
   前記標的部位の新たな位置に応答して前記集束された超音波を調節するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 集束された超音波は、更なる超音波である、
   請求項１記載の方法。
3. 前記標的部位に移植可能な装置が配置される、
   請求項１記載の方法。
4. 前記移植可能な装置を充電するため、前記集束された超音波が使用される、
   請求項３記載の方法。
5. 前記移植可能な装置は、前記移植可能な装置を充電するため、前記集束された超音波を変換する超音波スカベンジャーを含む、
   請求項４記載の方法。
6. 前記移植可能な装置が完全に充電されたかを判定するステップを更に含む、
   請求項４記載の方法。
7. 前記超音波及び前記集束された超音波は、１つの超音波プローブから生じる、
   請求項１記載の方法。
8. 前記超音波は第一の超音波プローブから生じ、前記集束された超音波は第二の超音波プローブから生じる、
   請求項１記載の方法。
9. 前記集束された超音波を調節するステップは、方向を変えるステップ及び周波数を変えるステップのうちの少なくとも１つを含む、
   請求項１記載の方法。
10. 前記集束された超音波は、前記超音波よりも高い周波数を示す、
    請求項１記載の方法。
11. 超音波を人体に印加する超音波プローブと、
    前記超音波プローブに接続されるプロセッサであって、前記超音波プローブの超音波を使用して人体内の標的部位を探し、前記超音波プローブにより前記標的部位に印加される集束された超音波のパラメータを計算し、更なる超音波を使用して前記標的部位の新たな位置を決定し、前記標的部位の新たな位置に応答して前記集束された超音波のパラメータを調節するプロセッサと、
    を有することを特徴とするシステム。
12. 集束された超音波は、更なる超音波である、
    請求項１１記載のシステム。
13. 前記標的部位に移植可能な装置が配置される、
    請求項１１記載のシステム。
14. 前記超音波プローブは、前記集束された超音波を使用して、前記移植可能な装置を充電する、
    請求項１３記載のシステム。
15. 前記移植可能な装置は、前記移植可能な装置を充電するため、前記集束された超音波を変換する超音波スカベンジャーを含む、
    請求項１４記載のシステム。
16. 前記プロセッサは、前記移植可能な装置が完全に充電されたかを判定する、
    請求項１４記載のシステム。
17. 前記集束された超音波を調節することは、方向を変えるステップ及び周波数を変えるステップのうちの少なくとも１つを含む、
    請求項１１記載のシステム。
18. 前記集束された超音波は、前記超音波よりも高い周波数を示す、
    請求項１１記載のシステム。
19. 更なる超音波プローブを更に有し、
    前記更なる超音波プローブは、更なる超音波を受ける、
    請求項１１記載のシステム。
20. 命令のセットを記憶するメモリと前記命令のセットを実行するプロセッサとを有するシステムであって、
    前記命令のセットは、
    反響される超音波に対応する信号を受信し、
    前記信号から標的部位の位置を決定し、
    集束された超音波を前記標的部位に印加するためのパラメータを設定し、
    更なる反響された超音波に対応する更なる信号を受信し、
    前記更なる信号から前記標的部位の新たな位置を決定し、
    前記標的部位の新たな位置に応答してパラメータをリセットする、
    ために作用することを特徴とするシステム。
21. 前記標的部位は、移植可能な装置を含む、
    請求項２０記載のシステム。
22. 前記集束された超音波は前記移植可能な装置を充電する、
    請求項２１記載のシステム。

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