JP7302936B2 - 超音波手技におけるトランスデューサ構成の最適化 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１８年１２月２７日に出願された米国特許出願第１６／２３３，７４４号の優先権および利益を主張し、それを参照することによってその全体として本明細書に組み込む。

本発明は、概して、集束超音波手技に関し、より具体的には、標的におけるエネルギー堆積増加のために、超音波トランスデューサ構成を最適化するためのシステムおよび方法に関する。

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）は、患者内の内部身体組織を撮像する、または療法的に治療するために使用されることができる。例えば、超音波は、腫瘍を焼灼するために使用され、患者が外科手術を受ける必要性を排除し得る。本目的のために、圧電セラミックトランスデューサが、患者外であるが、焼灼されるべき組織（「標的」）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（以降、「超音波処理」と称されるプロセス）。トランスデューサは、波が集束帯内に収束するように成形され得る。代替として、または加えて、トランスデューサは、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、その位相（および随意に、振幅）は、それぞれ、相互から独立して制御されることができ、したがって、集束帯内に個々の音響波の強め合う干渉をもたらすように設定されることができる。そのような「位相アレイ」トランスデューサは、トランスデューサ要素の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。磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）が、超音波ビームを誘導するために、焦点および標的を可視化するために利用され得る。

図１は、例示的集束超音波システム１００を図示する。システム１００は、筐体１０４の表面にアレイにおいて配列される、複数の超音波トランスデューサ要素１０２を有する、トランスデューサアレイ１０１を含む。アレイ１０１は、トランスデューサ要素１０２の単一行またはマトリクス、または、概して、任意の配列を備えてもよい。アレイ１０１は、図示されるように、湾曲（例えば、球状または放物線）形状を有してもよい、または１つ以上の平面または別様に成形された区分を含んでもよい。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に変動してもよい。トランスデューサ要素１０２は、圧電セラミック要素である、または圧電複合材料または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他の材料から作製されてもよい。要素１０２の間の機械的結合を弱化させるために、それらは、シリコーンゴムまたは任意の他の好適な弱化材料を使用して、筐体１０４上に搭載される、または側方に機械的に分離（例えば、空隙）されてもよい。

トランスデューサ要素１０２は、コントローラ１０６によって、別個の駆動チャネルを介して駆動される。ｎ個のトランスデューサ要素１０２に関して、コントローラ１０６は、それぞれ、増幅器および位相制御回路を備える、ｎ個の制御回路を含有してもよく、各制御回路は、トランスデューサ要素１０２のうちの１つを駆動する。コントローラ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ｎ個の制御回路のためのｎ個のチャネルに分割してもよい。従来のシステムでは、コントローラ１０６は、それらが、集合的に、集束超音波ビームを所望の場所において生成するように、同一の周波数においてであるが、異なる位相および異なる振幅において、アレイの個々のトランスデューサ要素１０２を駆動するように構成される。コントローラ１０６は、望ましくは、算出機能性を提供し、これは、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において実装され、所望の焦点場所のために要求される位相および振幅を算出してもよく、これらの位相／振幅算出は、例えば、解剖学的着目領域のコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）および／またはＭＲＩまたは他の画像に基づいて決定され得る、組織界面における超音波反射または屈折からもたらされる収差、または種々の音響パラメータを有する組織内の伝搬を補償する、補正を含んでもよい。一般に、コントローラ１０６は、周波数発生器、増幅器および位相制御回路を含有するビーム形成器、および算出を実施し、個々のトランスデューサ要素１０２のための位相および振幅をビーム形成器に通信するコンピュータ（例えば、汎用コンピュータ）等のいくつかの分離可能装置を含んでもよい。そのようなシステムは、容易に利用可能である、または過度の実験を伴わずに実装されることができる。

システム１００はさらに、ＭＲＩ誘導集束超音波治療を実施するためにコントローラ１０６と通信する、ＭＲＩ装置１０８を含んでもよい。例示的装置１０８が、図２により詳細に図示される。装置１０８は、円筒形電磁石２０４を含んでもよく、これは、電磁石２０４のボア２０６内に静的磁場を発生させる。医療手技の間、患者は、ボア２０６の内側の可動支持台２０８上に設置される。患者内の着目領域２１０（例えば、患者の頭部）が、磁場が実質的に均質である、撮像領域２１２内に位置付けられてもよい。撮像領域２１２を囲繞する、ＲＦ送信機コイル２１４は、ＲＦパルスを撮像領域２１２の中に放出し、着目領域２１０から放出されるＭＲ応答信号を受信する。ＭＲ応答信号は、画像処理システム２１６を使用して、増幅され、調整され、未加工データにデジタル化され、さらに、当業者に公知の方法によって、画像データのアレイに変換される。画像データに基づいて、治療領域（例えば、腫瘍）が、識別される。ＭＲＩ装置のボア２０６内に、いくつかの実施形態では、撮像領域２１２内に配置される、超音波位相アレイ２２０は、次いで、超音波を治療領域の中に集束させるように駆動される。ＭＲＩ装置１０８は、これが超音波処理される組織に対して及ぼす効果に基づいて、焦点１１２を可視化することを促進する。例えば、種々のＭＲＩベースの温度測定方法のうちのいずれかが、焦点領域内の超音波吸収からもたらされる温度増加を観察するために採用されてもよい。代替として、ＭＲベースの音響放射力撮像（ＡＲＦＩ）が、焦点内の組織変位を測定するために使用されてもよい。焦点のそのような測定は、ピーク強度を最大限にするように、超音波トランスデューサアレイ２２０を駆動するためのフィードバックとしての役割を果たすことができる。

集束超音波治療の目標は、概して、標的を囲繞する健常組織およびトランスデューサと標的との間の経路に沿った組織の超音波への暴露を最小限にしながら、標的において最大音響エネルギーを効果的に堆積させることである。堆積された音響エネルギーは、概して、集束ビームのピーク強度または音響パワーに相関し、標的組織の加熱および／または振動を引き起こし得る。例えば、組織内の点（ｘ，ｙ，ｚ）における音響エネルギーからもたらされる熱Ｑは、以下によって与えられる。

式中、ｆは、超音波／パルスの周波数（ＭＨｚ単位で測定される）を表し、αは、その周波数における組織の吸収係数（ｃｍ^－１・ＭＨｚ^－１単位で測定される）を表し、Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）は、点（ｘ，ｙ，ｚ）における超音波強度を表す。熱からもたらされる点（ｘ，ｙ，ｚ）における温度増加が、次いで、以下の生体熱伝達方程式を使用して算出されることができる。

式中、Ｔ（ｘ，ｙ，ｚ）は、熱Ｑからもたらされる点（ｘ，ｙ，ｚ）における温度を表し、Ｔ_０は、熱Ｑの堆積に先立つ身体ベースライン温度を表し、

は、温度Ｔの時間微分を表し、ρ、Ｃ、およびｋは、それぞれ、組織の密度、熱容量、および熱伝導度を表し、Ｗ_ｂは、血液灌流率を表し、Ｃ_ｂは、血液の具体的熱を表す。故に、超音波手技の治療効果（例えば、温度増加）は、標的における集束超音波ビームのピーク音響強度またはパワーを最大限にすることによって最適化され得る。

しかしながら、集束超音波ビームのピーク強度は、トランスデューサの構成に依存し得る。例えば、集束帯におけるピーク強度は、超音波伝送周波数を増加させることによって改良され得るが、トレードオフが、存在し、すなわち、より高い割合の音響エネルギーもまた、標的領域への途中で吸収され、したがって、決してそれに到達しないであろう。いくつかの従来の超音波治療手技は、本トレードオフを考慮することによって超音波周波数を最適化するように試みてきたが、これらのアプローチは、標的領域におけるピーク強度を改良するために十分ではない場合がある。これは、１つのパラメータ（例えば、組織吸収）に基づいて超音波周波数を調節することが、ピーク音響強度に影響を及ぼし得る他のパラメータ（例えば、集束ビームの操向角）の変化をもたらし得るためであり、実際に、ピーク強度に対するこれらのパラメータの効果は、実質的であり得る。例えば、超音波周波数を変動させることは、トランスデューサ要素の指向係数を変化させ得、これは、ひいては、ピーク強度の変化をもたらす。故に、特定のパラメータを超音波周波数の選択の基準とすることによってピーク強度を増加させる試みは、別のパラメータに対する悪影響に起因して、自滅的であり得る。

集束帯内のピーク強度／パワーに影響を及ぼし得る別のパラメータは、トランスデューサ要素の物理的構成を伴う。従来の超音波システム１００では、アレイ１０１内のトランスデューサ要素１０２は、概して、平坦または湾曲表面を形成するために「タイル状」であるが、いったん製造されると、個々のトランスデューサ１０２の構成（例えば、形状およびサイズ）は、変更されることができない。音響ビームの操向能力は、トランスデューサアレイ１０１内のトランスデューサ要素１０２のサイズおよび数に依存し得、集束ビームのピーク強度は、操向角に依存し得るため、要素１０２の固定された非調節可能構成は、操向能力を限定し、結果として、集束ビームのピーク強度を限定し得る。

故に、標的におけるピーク強度の正味の改良をもたらすように、集束超音波ビームのピーク強度に関連する複数のパラメータを同時に考慮し、代替として、または加えて、個々の超音波トランスデューサ要素の構成の調節を可能にするアプローチの必要性が、存在する。

本発明は、ある周波数範囲内の、最適周波数、すなわち、標的におけるピーク音響強度または音響パワーを最大限にするものを決定することを伴う、集束超音波治療アプローチ、およびそのようなアプローチを実装するためのシステムに関する。本明細書に使用されるように、用語「最適」、「最適化する」、「最大」、「最大限にする」等は、概して、従来技術に優る実質的改良（例えば、１０％を上回る、２０％を上回る、または３０％を上回る）を伴うが、必ずしも、最良の理論的に可能性として考えられる周波数、エネルギー吸収等の達成を暗示するわけではない。むしろ、周波数を最適化すること、または標的における音響強度／パワーを最大限にすることは、利用される技術および方法の限界内で実践的に判別可能な最良の周波数を選択することを伴う。本発明は、標的部位における焦点の音響強度／パワーが、複数の周波数依存性パラメータ（標的組織およびビーム経路区域内に位置する非標的組織における音響ビームのエネルギー吸収、操向角、および焦点の焦点面積等）によって大幅に影響を受け、１つのパラメータ（例えば、標的組織のエネルギー吸収）のみに基づいて従来通りに計算された周波数から逸脱する超音波周波数を選択することによって有意に改良され得るという認識に基づく。

種々の実施形態では、算出物理モデルが、集束帯内のピーク音響強度／パワーに対するこれらの周波数依存性パラメータの効果をシミュレートするために実装される。例えば、超音波処理周波数の変化からもたらされる各パラメータの治療効果が、順次評価されてもよく、各パラメータと関連付けられる「準最適」周波数が、決定されてもよい。続けて、治療のための最適周波数が、少なくとも部分的に、準最適周波数のうちのいくつかまたは全てに基づいて決定されてもよい。（本明細書に使用されるように、用語「準最適」は、最適周波数を印加することによって生成される改良と比較して、従来技術に優るより小さい改良（例えば、１０％以下、２０％以下、または３０％以下）を指す。）例えば、各パラメータと関連付けられる準最適周波数は、最大ピーク強度／パワーを達成することに向けて、その相対的寄与に対応する加重係数を割り当てられてもよく、最適周波数は、次いで、準最適周波数の加重和として算出されることができる。代替として、これらのパラメータの治療効果は、同時に考慮され、最適周波数は、ピーク強度／パワーを最大限にするように選択されてもよい。

いくつかの実施形態では、１つの評価されるパラメータは、標的および／または非標的領域における音響エネルギーのエネルギー吸収である。物理モデルは、例えば、従来の有限要素分析を使用して、種々の周波数における超音波ビームと患者の標的組織および／またはトランスデューサと標的との間に位置する介在組織との相互作用を算出的にシミュレートしてもよい。加えて、シミュレーションは、撮像装置（例えば、コンピュータトモグラフィ、超短エコー時間（ＴＥ）、ＭＲＩ等）によって入手されるような詳細な組織モデルに基づいてもよく、モデルは、概して、複数の組織タイプまたは層（例えば、頭蓋骨、皮質骨の層、骨髄、および軟質脳組織の中に集束する超音波に関して）を含み、それらの個別の解剖学的および／または物質性質を特性評価する。シミュレーション結果に基づいて、標的における最大エネルギー吸収と関連付けられる第１の準最適周波数が、選択される。

評価され得る別のパラメータは、集束ビームの操向角である。集束帯は、標的領域と一致するべきであるため、種々の実施形態では、標的における集束帯の操向角は、標的に対するトランスデューサの空間配列（例えば、位置および配向）に基づいて算出される。空間配列は、撮像装置を使用して入手された画像に基づいて決定されてもよい。物理モデルは、具体的操向角における周波数の変化からもたらされる集束帯のピーク音響強度／パワーに対する効果をシミュレートしてもよい。シミュレーションに基づいて、操向角における最大ピーク強度／パワーと関連付けられる第２の準最適周波数が、選択される。いくつかの実施形態では、治療の間の標的および非標的領域の温度、微小気泡の共鳴周波数等の他のパラメータからもたらされる治療効果もまた、シミュレートされてもよく、関連付けられる準最適周波数が、選択されてもよい。最適周波数が、次いで、これらの準最適周波数に基づいて決定されてもよい。

最適周波数は、複数のパラメータからもたらされる治療効果のバランスをとることによって決定されるため、決定された最適周波数は、具体的パラメータ（例えば、操向角）に関して最適ではない場合がある。故に、種々の実施形態では、物理モデルはさらに、決定された最適周波数における集束ビームのピーク強度／パワーとトランスデューサ要素の初期構成（例えば、サイズおよび／または形状）との間の関係を予測してもよい。トランスデューサ要素は、次いで、標的領域におけるピーク強度／パワーをさらに改良するために再構成されてもよい。種々の実施形態では、トランスデューサ要素６０２のうちの少なくともいくつかは、それぞれ、複数のサブ領域に「パーティション化」され、各サブ領域は、別個にアクティブ化または非アクティブ化されてもよい。例えば、各サブ領域は、対応するチャネルおよびスイッチマトリクス内の対応するスイッチを介して、同一または異なる信号ドライバに接続されてもよい。スイッチマトリクス内のスイッチをトグルすることによって、それらの対応するサブ領域は、アクティブ化および非アクティブ化されてもよい。サブ領域はそれぞれ、独立したトランスデューサ要素のように挙動するため、これは、個々の要素全体がアクティブまたは非アクティブでなければならない従来のシステムと比較すると、トランスデューサアレイの幾何学形状の改良された制御および具体的操向角における集束ビームの改良された音響強度／パワーを提供し得る。加えて、本アプローチは、効果的に最も小さい制御可能な要素のサイズを低減させ、最も小さい制御可能な要素の数を増加させるため、集束音響ビームの操向能力は、有意に改良され得る。

故に、一側面では、本発明は、超音波エネルギーを標的領域に送達するためのシステムに関する。種々の実施形態では、本システムは、標的領域において音響エネルギーの集束帯を発生させるための複数のトランスデューサ要素を有する、超音波トランスデューサと、（ａ）それぞれ、パラメータと関連付けられる、複数の準最適周波数を決定し、（ｂ）集束帯内のパラメータと関連付けられるピーク音響強度を最大限にするために、少なくとも部分的に、準最適周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定し、（ｃ）トランスデューサ要素のうちの少なくとも１つに、決定された最適超音波処理周波数においてパルスを伝送させるように構成される、コントローラとを含む。一実装では、パラメータの変化は、集束帯内のピーク音響強度の変化をもたらし、準最適周波数は、関連付けられるパラメータの変化からもたらされるピーク音響強度の最大値に対応する。

加えて、コントローラはさらに、準最適周波数のそれぞれに加重係数を割り当て、少なくとも部分的に、加重係数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、コントローラはさらに、標的領域の第１の解剖学的特性、トランスデューサと標的領域との間に位置する非標的領域の第２の解剖学的特性、集束帯の操向角、ピーク音響強度の最大値への各パラメータの寄与、および／または超音波治療を受けた患者の研究に基づく遡及的データに基づいて、加重係数を割り当てるように構成される。第１または第２の解剖学的特性は、例えば、組織タイプ、組織性質、組織構造、組織厚さ、および／または組織密度を含んでもよい。一実施形態では、コントローラはさらに、機械学習または進化的アプローチを使用して、加重係数を割り当てるように構成される。加えて、コントローラはさらに、少なくとも部分的に、準最適周波数のうちの第１のものに基づいて、準最適周波数のうちの第２のものを決定するように構成されてもよい。

種々の実施形態では、本システムはさらに、パラメータのうちの１つ以上のものを決定するための標的領域および／またはトランスデューサと標的領域との間に位置する非標的領域の画像を入手するために、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴撮像デバイス（ＭＲＩ）、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、および／または超音波検査デバイス等の撮像システムを含む。パラメータは、例えば、標的領域における音響エネルギー吸収の第１の量、トランスデューサと標的領域との間に位置する非標的領域における音響エネルギー吸収の第２の量、非標的領域を通して伝搬する音響エネルギー減衰の量、集束帯の操向角、および／または集束帯の面積を含んでもよい。加えて、コントローラはさらに、少なくとも部分的に、画像に基づいて、トランスデューサに対する標的領域の空間構成（例えば、配向および／または場所）を決定するように構成されてもよい。コントローラは、次いで、さらに、少なくとも部分的に、トランスデューサに対する標的領域の空間構成に基づいて、操向角を算出するように構成されることができる。

一実施形態では、コントローラはさらに、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、非標的領域と関連付けられるリスクレベルを決定し、少なくとも部分的に、リスクレベルに基づいて、最適超音波処理周波数を決定するように構成される。加えて、コントローラはさらに、物理モデルを使用し、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、標的領域および／または非標的領域の熱マップを予測し、少なくとも部分的に、予測された熱マップに基づいて、最適超音波処理周波数を決定するように構成されてもよい。一実装では、コントローラはさらに、標的領域内の微小気泡の共鳴周波数を算出し、少なくとも部分的に、微小気泡共鳴周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するように構成される。加えて、コントローラはさらに、少なくとも部分的に、最適超音波処理周波数に基づいて、１つ以上のトランスデューサ要素の構成を決定するように構成されてもよい。本システムはさらに、それぞれ、トランスデューサ要素のサブ領域に接続される、複数のスイッチを有する、スイッチマトリクスを含んでもよく、スイッチのアクティブ化は、対応するサブ領域にパルスを伝送させてもよい。コントローラは、次いで、さらに、少なくとも部分的に、トランスデューサ要素の決定された構成に基づいて、１つ以上のスイッチをアクティブ化するように構成されてもよい。

別の側面では、本発明は、複数のトランスデューサ要素を有する、超音波トランスデューサを使用する、その中で音響エネルギーの集束帯を発生させることによる標的領域の超音波療法のための方法に関する。種々の実施形態では、本方法は、それぞれ、パラメータと関連付けられる、複数の準最適周波数を決定するステップと、集束帯内のパラメータと関連付けられるピーク音響強度を最大限にするために、少なくとも部分的に、準最適周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するステップと、１つ以上のトランスデューサ要素に、決定された最適超音波処理周波数においてパルスを伝送させるステップとを含む。一実装では、パラメータの変化は、集束帯内のピーク音響強度の変化をもたらし、準最適周波数は、関連付けられるパラメータの変化からもたらされるピーク音響強度の最大値に対応する。

加えて、本方法はさらに、準最適周波数のそれぞれに加重係数を割り当てるステップと、少なくとも部分的に、加重係数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するステップとを含んでもよい。いくつかの実施形態では、加重係数は、標的領域の第１の解剖学的特性、トランスデューサと標的領域との間に位置する非標的領域の第２の解剖学的特性、集束帯の操向角、ピーク音響強度の最大値への各パラメータの寄与、および／または超音波療法を受けた患者の研究に基づく遡及的データに基づいて割り当てられる。第１または第２の解剖学的特性は、例えば、組織タイプ、組織性質、組織構造、組織厚さ、および／または組織密度を含んでもよい。一実施形態では、本方法はさらに、機械学習または進化的アプローチを使用して、加重係数を割り当てるステップを含む。加えて、本方法はさらに、少なくとも部分的に、準最適周波数のうちの第１のものに基づいて、準最適周波数のうちの第２のものを決定するステップを含んでもよい。

種々の実施形態では、本方法はさらに、パラメータのうちの少なくとも１つを決定するために、標的領域および／またはトランスデューサと標的領域との間に位置する非標的領域の画像を入手するステップを含む。パラメータは、例えば、標的領域における音響エネルギー吸収の第１の量、トランスデューサと標的領域との間に位置する非標的領域における音響エネルギー吸収の第２の量、非標的領域を通して伝搬する音響エネルギー減衰の量、集束帯の操向角、および／または集束帯の面積を含んでもよい。加えて、本方法はさらに、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、トランスデューサに対する標的領域の空間構成（例えば、配向および／または場所）を決定するステップを含んでもよい。本方法は、少なくとも部分的に、トランスデューサに対する標的領域の空間構成に基づいて、操向角を算出するステップを含んでもよい。

一実施形態では、本方法は、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、非標的領域と関連付けられるリスクレベルを決定するステップと、少なくとも部分的に、リスクレベルに基づいて、最適超音波処理周波数を決定するステップとを含む。加えて、本方法はさらに、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、標的領域および／または非標的領域の熱マップを予測するステップと、少なくとも部分的に、予測された熱マップに基づいて、最適超音波処理周波数を決定するステップとを含んでもよい。一実装では、熱マップは、物理モデルを利用して予測される。本方法はさらに、標的領域内の微小気泡の共鳴周波数を算出するステップと、少なくとも部分的に、微小気泡共鳴周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するステップとを含む。加えて、本方法はさらに、少なくとも部分的に、最適超音波処理周波数に基づいて、１つ以上のトランスデューサ要素の構成を決定するステップを含んでもよい。一実施形態では、本方法はさらに、１つ以上のトランスデューサ要素を複数の連続的サブ領域にパーティション化するステップを含み、それぞれ、パルスを伝送するために独立して制御可能である。本方法はさらに、少なくとも部分的に、集束帯の操向角に基づいて、１つ以上のサブ領域をアクティブ化するステップを含む。

本発明の別の側面は、超音波エネルギーを標的領域に送達するためのシステムに関する。種々の実施形態では、本システムは、標的領域において音響エネルギーの集束帯を発生させるための複数のトランスデューサ要素を有する、超音波トランスデューサであって、１つ以上のトランスデューサ要素は、共通指向性を有する、複数の連続的サブ領域にパーティション化される、超音波トランスデューサと、トランスデューサ要素に接続される、１つ以上の駆動回路と、サブ領域を駆動回路に切替可能に接続するための複数のスイッチ（例えば、ＭＥＭＳスイッチおよび／またはＣＭＯＳスイッチ）を有する、スイッチマトリクスであって、サブ領域はそれぞれ、スイッチのうちの１つと関連付けられる、スイッチマトリクスと、（ａ）集束帯内のピーク音響強度を最大限にするための最適超音波処理周波数を決定し、（ｂ）少なくとも部分的に、決定された最適超音波処理周波数に基づいて、対応するサブ領域に標的領域への超音波パルスを伝送させるために、スイッチマトリクス内の１つ以上のスイッチをアクティブ化するように構成される、コントローラとを含む。

一実装では、本システムはさらに、標的領域および／またはトランスデューサと標的領域との間に位置する非標的領域の画像を入手するために、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴撮像デバイス（ＭＲＩ）、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、および／または超音波検査デバイス等の撮像システムを含む。コントローラは、次いで、さらに、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、トランスデューサに対する標的領域の空間構成（例えば、配向および／または場所）を決定するように構成されてもよい。加えて、コントローラはさらに、少なくとも部分的に、トランスデューサに対する標的領域の空間構成に基づいて、集束帯の操向角を算出するように構成されてもよい。一実装では、コントローラはさらに、少なくとも部分的に、算出された操向角に基づいて、スイッチをアクティブ化するように構成される。

種々の実施形態では、コントローラはさらに、それぞれ、パラメータと関連付けられる、複数の準最適周波数を決定し、少なくとも部分的に、準最適周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するように構成される。一実施形態では、パラメータの変化は、集束帯内のピーク音響強度の変化をもたらし、準最適周波数は、関連付けられるパラメータの変化からもたらされるピーク音響強度の最大値に対応する。加えて、コントローラはさらに、準最適周波数のそれぞれに加重係数を割り当て、少なくとも部分的に、加重係数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するように構成されてもよい。例えば、コントローラはさらに、標的領域の第１の解剖学的特性、トランスデューサと標的領域との間に位置する非標的領域の第２の解剖学的特性、集束帯の操向角、ピーク音響強度の最大値への各パラメータの寄与、および／または超音波治療を受けた患者の研究に基づく遡及的データに基づいて、加重係数を割り当てるように構成されてもよい。第１または第２の解剖学的特性は、例えば、組織タイプ、組織性質、組織構造、組織厚さ、および／または組織密度を含んでもよい。加えて、または代替として、コントローラはさらに、機械学習および／または進化的アプローチを使用して、加重係数を割り当てるように構成されてもよい。コントローラはさらに、少なくとも部分的に、準最適周波数のうちの第１のものに基づいて、準最適周波数のうちの第２のものを決定するように構成されてもよい。

一実施形態では、コントローラはさらに、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、非標的領域と関連付けられるリスクレベルを決定し、少なくとも部分的に、リスクレベルに基づいて、最適超音波処理周波数を決定するように構成される。加えて、コントローラはさらに、物理モデルを使用し、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、標的領域および／または非標的領域の熱マップを予測し、少なくとも部分的に、予測された熱マップに基づいて、最適超音波処理周波数を決定するように構成されてもよい。一実装では、コントローラはさらに、標的領域内の微小気泡の共鳴周波数を算出し、少なくとも部分的に、微小気泡共鳴周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するように構成される。

また別の側面では、本発明は、（ｉ）複数のトランスデューサ要素であって、１つ以上のトランスデューサ要素は、共通指向性を有する、複数の連続的サブ領域にパーティション化される、複数のトランスデューサ要素と、（ｉｉ）トランスデューサ要素に接続される、１つ以上の駆動回路と、（ｉｉｉ）サブ領域を駆動回路に切替可能に接続するための複数のスイッチを有する、スイッチマトリクスであって、サブ領域はそれぞれ、スイッチのうちの１つと関連付けられる、スイッチマトリクスとを有する、超音波トランスデューサを利用する、その中で音響エネルギーの集束帯を発生させることによる標的領域の超音波療法のための方法に関する。種々の実施形態では、本方法は、集束帯内のピーク音響強度を最大限にするための最適超音波処理周波数を決定するステップと、少なくとも部分的に、決定された最適超音波処理周波数に基づいて、対応するサブ領域に標的領域への超音波パルスを伝送させるために、スイッチマトリクス内の１つ以上のスイッチをアクティブ化するステップとを含む。

一実装では、本方法はさらに、標的領域および／またはトランスデューサと標的領域との間に位置する非標的領域の画像を入手するステップを含む。本方法はさらに、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、トランスデューサに対する標的領域の空間構成（例えば、配向および／または場所）を決定するステップを含んでもよい。加えて、本方法はさらに、少なくとも部分的に、トランスデューサに対する標的領域の空間構成に基づいて、集束帯の操向角を算出するステップを含んでもよい。一実施形態では、本方法はさらに、少なくとも部分的に、算出された操向角に基づいて、スイッチをアクティブ化するステップを含む。

加えて、本方法はさらに、それぞれ、パラメータと関連付けられる、複数の準最適周波数を決定するステップと、少なくとも部分的に、準最適周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するステップとを含んでもよい。一実施形態では、パラメータの変化は、集束帯内のピーク音響強度の変化をもたらし、準最適周波数は、関連付けられるパラメータの変化からもたらされるピーク音響強度の最大値に対応する。加えて、本方法はさらに、準最適周波数のそれぞれに加重係数を割り当てるステップと、少なくとも部分的に、加重係数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するステップとを含んでもよい。例えば、本方法はさらに、標的領域の第１の解剖学的特性、トランスデューサと標的領域との間に位置する非標的領域の第２の解剖学的特性、集束帯の操向角、ピーク音響強度の最大値への各パラメータの寄与、および／または超音波治療を受けた患者の研究に基づく遡及的データに基づいて、加重係数を割り当てるステップを含んでもよい。第１または第２の解剖学的特性は、例えば、組織タイプ、組織性質、組織構造、組織厚さ、および／または組織密度を含んでもよい。加えて、または代替として、本方法はさらに、機械学習または進化的アプローチを使用して、加重係数を割り当てるステップを含んでもよい。一実施形態では、本方法はさらに、少なくとも部分的に、準最適周波数のうちの第１のものに基づいて、準最適周波数のうちの第２のものを決定するステップを含む。

種々の実施形態では、本方法はさらに、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、非標的領域と関連付けられるリスクレベルを決定するステップと、少なくとも部分的に、リスクレベルに基づいて、最適超音波処理周波数を決定するステップとを含む。加えて、本方法はさらに、少なくとも部分的に、入手された画像に基づいて、標的領域および／または非標的領域の熱マップを予測するステップと、少なくとも部分的に、予測された熱マップに基づいて、最適超音波処理周波数を決定するステップとを含んでもよい。一実装では、本方法はさらに、標的領域内の微小気泡の共鳴周波数を算出するステップと、少なくとも部分的に、微小気泡共鳴周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定するステップとを含む。

本発明のなおも別の側面は、超音波エネルギーを標的領域に送達するためのシステムに関する。種々の実施形態では、本システムは、標的領域において音響エネルギーの集束帯を発生させるための複数のトランスデューサ要素を有する、超音波トランスデューサであって、１つ以上のトランスデューサ要素は、共通指向性を有する、複数の連続的サブ領域にパーティション化される、超音波トランスデューサと、トランスデューサ要素に接続される、１つ以上の駆動回路と、サブ領域を駆動回路に切替可能に接続するための複数のスイッチ（例えば、ＭＥＭＳスイッチおよび／またはＣＭＯＳスイッチ）を含む、スイッチマトリクスであって、サブ領域はそれぞれ、スイッチのうちの１つと関連付けられる、スイッチマトリクスと、トランスデューサに対する標的領域の空間構成（例えば、配向および／または場所）を測定するためのコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴撮像デバイス、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、および／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と、少なくとも部分的に、測定された空間構成に基づいて、スイッチマトリクス内の１つ以上のスイッチをアクティブ化し、それによって、対応するサブ領域に標的領域への超音波パルスを伝送させるように構成される、コントローラとを含む。一実装では、コントローラはさらに、少なくとも部分的に、空間構成に基づいて、集束帯の操向角を算出し、操向角に基づいて、トランスデューサ要素をアクティブ化するように構成される。

別の側面では、本発明は、（ｉ）複数のトランスデューサ要素であって、１つ以上のトランスデューサ要素は、共通指向性を有する、複数の連続的サブ領域にパーティション化される、複数のトランスデューサ要素と、（ｉｉ）トランスデューサ要素に接続される、１つ以上の駆動回路と、（ｉｉｉ）サブ領域を駆動回路に切替可能に接続するための複数のスイッチを含む、スイッチマトリクスであって、サブ領域はそれぞれ、スイッチのうちの１つと関連付けられる、スイッチマトリクスとを有する、超音波トランスデューサを利用する、その中で音響エネルギーの集束帯を発生させることによる標的領域の超音波療法のための方法に関する。種々の実施形態では、本方法は、トランスデューサに対する標的領域の空間構成（例えば、配向および／または場所）を測定するステップと、少なくとも部分的に、測定された空間構成に基づいて、スイッチマトリクス内の１つ以上のスイッチをアクティブ化し、それによって、対応するサブ領域に標的領域への超音波パルスを伝送させるステップとを含む。

本明細書に使用されるように、用語「約」、「およそ」、および「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た「一実施例（ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ）」、「ある実施例（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ）」、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、または「ある実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」の言及は、実施例に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（ｉｎ ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ）」、「ある実施例では（ｉｎ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ）」、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、または「ある実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」の表出は、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、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てもよい。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または解釈することを意図していない。
（項目１）
超音波エネルギーを標的領域に送達するためのシステムであって、上記システムは、
上記標的領域において音響エネルギーの集束帯を発生させるための複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサであって、上記トランスデューサ要素のうちの少なくとも１つは、共通指向性を有する複数の連続的サブ領域にパーティション化される、超音波トランスデューサと、
少なくとも１つの上記トランスデューサ要素に接続される少なくとも１つの駆動回路と、
上記複数のサブ領域を上記駆動回路に切替可能に接続するための複数のスイッチを備えるスイッチマトリクスであって、上記サブ領域はそれぞれ、上記スイッチのうちの１つと関連付けられる、スイッチマトリクスと、
コントローラであって、
（ａ）上記集束帯内のピーク音響強度を最大限にするための最適超音波処理周波数を決定することと、
（ｂ）少なくとも部分的に、上記決定された最適超音波処理周波数に基づいて、上記対応するサブ領域に上記標的領域への超音波パルスを伝送させるために、上記スイッチマトリクス内の上記スイッチのうちの少なくとも１つをアクティブ化することと
を行うように構成される、コントローラと
を備える、システム。
（項目２）
上記標的領域または上記トランスデューサと上記標的領域との間に位置する非標的領域の画像を入手するための撮像システムをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目３）
上記撮像システムは、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴撮像デバイス（ＭＲＩ）、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、または超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを備える、項目２に記載のシステム。
（項目４）
上記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記トランスデューサに対する上記標的領域の空間構成を決定するように構成される、項目２に記載のシステム。
（項目５）
上記空間構成は、配向または場所のうちの少なくとも１つを備える、項目４に記載のシステム。
（項目６）
上記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、上記トランスデューサに対する上記標的領域の空間構成に基づいて、上記集束帯の操向角を算出するように構成される、項目４に記載のシステム。
（項目７）
上記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、上記算出された操向角に基づいて、少なくとも１つの上記スイッチをアクティブ化するように構成される、項目６に記載のシステム。
（項目８）
上記コントローラはさらに、
複数の準最適周波数を決定することであって、上記複数の準最適周波数のそれぞれは、パラメータと関連付けられ、（ｉ）上記パラメータの変化は、上記集束帯内の上記ピーク音響強度の変化をもたらし、（ｉｉ）上記準最適周波数は、上記関連付けられるパラメータの変化からもたらされる上記ピーク音響強度の最大値に対応する、ことと、
少なくとも部分的に、上記準最適周波数に基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
を行うように構成される、項目１に記載のシステム。
（項目９）
上記コントローラはさらに、上記準最適周波数のそれぞれに加重係数を割り当て、少なくとも部分的に、上記加重係数に基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定するように構成される、項目８に記載のシステム。
（項目１０）
上記コントローラはさらに、上記標的領域の第１の解剖学的特性、上記トランスデューサと上記標的領域との間に位置する非標的領域の第２の解剖学的特性、上記集束帯の操向角、上記ピーク音響強度の最大値への各パラメータの寄与、または超音波治療を受けた患者の研究に基づく遡及的データのうちの少なくとも１つに基づいて、上記加重係数を割り当てるように構成される、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
上記第１または上記第２の解剖学的特性は、組織タイプ、組織性質、組織構造、組織厚さ、または組織密度のうちの少なくとも１つを備える、項目１０に記載のシステム。
（項目１２）
上記コントローラはさらに、機械学習または進化的アプローチを使用して、上記加重係数を割り当てるように構成される、項目９に記載のシステム。
（項目１３）
上記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、上記準最適周波数のうちの第１のものに基づいて、上記準最適周波数のうちの第２のものを決定するように構成される、項目８に記載のシステム。
（項目１４）
上記コントローラはさらに、
少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記非標的領域と関連付けられるリスクレベルを決定することと、
少なくとも部分的に、上記リスクレベルに基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
を行うように構成される、項目２に記載のシステム。
（項目１５）
上記コントローラはさらに、
物理モデルを使用し、少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記標的領域および非標的領域の熱マップを予測することと、
少なくとも部分的に、上記予測された熱マップに基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
を行うように構成される、項目２に記載のシステム。
（項目１６）
上記コントローラはさらに、
上記標的領域内の微小気泡の共鳴周波数を算出することと、
少なくとも部分的に、上記微小気泡共鳴周波数に基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
を行うように構成される、項目１に記載のシステム。
（項目１７）
上記複数のスイッチのうちの少なくとも１つは、ＭＥＭＳスイッチまたはＣＭＯＳスイッチである、項目１に記載のシステム。
（項目１８）
超音波エネルギーを標的領域に送達するためのシステムであって、上記システムは、
上記標的領域において音響エネルギーの集束帯を発生させるための複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサであって、上記トランスデューサ要素のうちの少なくとも１つは、共通指向性を有する複数の連続的サブ領域にパーティション化される、超音波トランスデューサと、
少なくとも１つの上記トランスデューサ要素に接続される少なくとも１つの駆動回路と、
上記複数のサブ領域を上記駆動回路に切替可能に接続するための複数のスイッチを備えるスイッチマトリクスであって、上記サブ領域はそれぞれ、上記スイッチのうちの１つと関連付けられる、スイッチマトリクスと、
上記トランスデューサに対する上記標的領域の空間構成を測定するための少なくとも１つの撮像システムと、
コントローラであって、上記コントローラは、少なくとも部分的に、上記測定された空間構成に基づいて、上記スイッチマトリクス内の上記スイッチのうちの少なくとも１つをアクティブ化し、それによって、上記対応するサブ領域に上記標的領域への超音波パルスを伝送させるように構成される、コントローラと
を備える、システム。
（項目１９）
上記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、上記空間構成に基づいて、上記集束帯の操向角を算出し、上記操向角に基づいて、少なくとも１つの上記トランスデューサ要素をアクティブ化するように構成される、項目１８に記載のシステム。
（項目２０）
上記撮像システムは、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴撮像デバイス、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、または超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを備える、項目１８に記載のシステム。
（項目２１）
上記空間構成は、配向または場所のうちの少なくとも１つを備える、項目１８に記載のシステム。
（項目２２）
上記複数のスイッチのうちの少なくとも１つは、ＭＥＭＳスイッチまたはＣＭＯＳスイッチである、項目１８に記載のシステム。
（項目２３）
超音波エネルギーを標的領域に送達するためのシステムであって、
上記標的領域において音響エネルギーの集束帯を発生させるための複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサと、
コントローラであって、
（ａ）複数の準最適周波数を決定することであって、上記複数の準最適周波数のそれぞれは、パラメータと関連付けられ、（ｉ）上記パラメータの変化は、上記集束帯内のピーク音響強度の変化をもたらし、（ｉｉ）上記準最適周波数は、上記関連付けられるパラメータの変化からもたらされる上記ピーク音響強度の最大値に対応する、ことと、
（ｂ）上記集束帯内の上記複数のパラメータと関連付けられる上記ピーク音響強度を最大限にするために、少なくとも部分的に、上記準最適周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定することと、
（ｃ）上記トランスデューサ要素のうちの少なくとも１つに、上記決定された最適超音波処理周波数においてパルスを伝送させることと
を行うように構成される、コントローラと
を備える、システム。
（項目２４）
上記コントローラはさらに、上記準最適周波数のそれぞれに加重係数を割り当て、少なくとも部分的に、上記加重係数に基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定するように構成される、項目２３に記載のシステム。
（項目２５）
上記コントローラはさらに、上記標的領域の第１の解剖学的特性、上記トランスデューサと上記標的領域との間に位置する非標的領域の第２の解剖学的特性、上記集束帯の操向角、上記ピーク音響強度の最大値への各パラメータの寄与、または超音波治療を受けた患者の研究に基づく遡及的データのうちの少なくとも１つに基づいて、上記加重係数を割り当てるように構成される、項目２４に記載のシステム。
（項目２６）
上記第１または上記第２の解剖学的特性は、組織タイプ、組織性質、組織構造、組織厚さ、または組織密度のうちの少なくとも１つを備える、項目２５に記載のシステム。
（項目２７）
上記コントローラはさらに、機械学習または進化的アプローチを使用して、上記加重係数を割り当てるように構成される、項目２４に記載のシステム。
（項目２８）
上記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、上記準最適周波数のうちの第１のものに基づいて、上記準最適周波数のうちの第２のものを決定するように構成される、項目２３に記載のシステム。
（項目２９）
上記パラメータのうちの少なくとも１つを決定するために、上記標的領域または上記トランスデューサと上記標的領域との間に位置する非標的領域の画像を入手するための撮像システムをさらに備える、項目２３に記載のシステム。
（項目３０）
上記撮像システムは、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴撮像デバイス（ＭＲＩ）、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、または超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを備える、項目２９に記載のシステム。
（項目３１）
上記複数のパラメータは、上記標的領域における音響エネルギー吸収の第１の量、上記トランスデューサと上記標的領域との間に位置する非標的領域における音響エネルギー吸収の第２の量、上記非標的領域を通して伝搬する音響エネルギー減衰の量、上記集束帯の操向角、または上記集束帯の面積のうちの少なくとも１つを備える、項目２９に記載のシステム。
（項目３２）
上記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、上記画像に基づいて、上記トランスデューサに対する上記標的領域の空間構成を決定するように構成される、項目３１に記載のシステム。
（項目３３）
上記空間構成は、配向または場所のうちの少なくとも１つを備える、項目３２に記載のシステム。
（項目３４）
上記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、上記トランスデューサに対する上記標的領域の空間構成に基づいて、上記操向角を算出するように構成される、項目３２に記載のシステム。
（項目３５）
上記コントローラはさらに、
少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記非標的領域と関連付けられるリスクレベルを決定することと、
少なくとも部分的に、上記リスクレベルに基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
を行うように構成される、項目２９に記載のシステム。
（項目３６）
上記コントローラはさらに、
物理モデルを使用し、少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記標的領域および非標的領域の熱マップを予測することと、
少なくとも部分的に、上記予測された熱マップに基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
を行うように構成される、項目２９に記載のシステム。
（項目３７）
上記コントローラはさらに、
上記標的領域内の微小気泡の共鳴周波数を算出することと、
少なくとも部分的に、上記微小気泡共鳴周波数に基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
を行うように構成される、項目２３に記載のシステム。
（項目３８）
上記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、上記最適超音波処理周波数に基づいて、上記トランスデューサ要素のうちの少なくとも１つの構成を決定するように構成される、項目２３に記載のシステム。
（項目３９）
複数のスイッチを有するスイッチマトリクスをさらに備え、上記複数のスイッチのそれぞれは、トランスデューサ要素のサブ領域に接続され、上記スイッチのアクティブ化は、対応するサブ領域にパルスを伝送させる、項目３８に記載のシステム。
（項目４０）
上記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、少なくとも１つの上記トランスデューサ要素の決定された構成に基づいて、上記スイッチのうちの少なくとも１つをアクティブ化するように構成される、項目３９に記載のシステム。
（項目４１）
複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサを使用する、その中で音響エネルギーの集束帯を発生させることによる標的領域の超音波療法のための方法であって、上記方法は、
複数の準最適周波数を決定することであって、上記複数の準最適周波数のそれぞれは、パラメータと関連付けられ、（ｉ）上記パラメータの変化は、上記集束帯内のピーク音響強度の変化をもたらし、（ｉｉ）上記準最適周波数は、上記関連付けられるパラメータの変化からもたらされる上記ピーク音響強度の最大値に対応する、ことと、
上記集束帯内の上記複数のパラメータと関連付けられる上記ピーク音響強度を最大限にするために、少なくとも部分的に、上記準最適周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定することと、
上記トランスデューサ要素のうちの少なくとも１つに、上記決定された最適超音波処理周波数においてパルスを伝送させることと
を含む、方法。
（項目４２）
上記準最適周波数のそれぞれに加重係数を割り当てることと、少なくとも部分的に、上記加重係数に基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することとをさらに含む、項目４１に記載の方法。
（項目４３）
上記加重係数は、上記標的領域の第１の解剖学的特性、上記トランスデューサと上記標的領域との間に位置する非標的領域の第２の解剖学的特性、上記集束帯の操向角、上記ピーク音響強度の最大値への各パラメータの寄与、または超音波療法を受けた患者の研究に基づく遡及的データのうちの少なくとも１つに基づいて割り当てられる、項目４２に記載の方法。
（項目４４）
上記第１または上記第２の解剖学的特性は、組織タイプ、組織性質、組織構造、組織厚さ、または組織密度のうちの少なくとも１つを備える、項目４３に記載の方法。
（項目４５）
機械学習または進化的アプローチを使用して、上記加重係数を割り当てることをさらに含む、項目４２に記載の方法。
（項目４６）
少なくとも部分的に、上記準最適周波数のうちの第１のものに基づいて、上記準最適周波数のうちの第２のものを決定することをさらに含む、項目４１に記載の方法。
（項目４７）
上記パラメータのうちの少なくとも１つを決定するために、上記標的領域または上記トランスデューサと上記標的領域との間に位置する非標的領域の画像を入手することをさらに含む、項目４１に記載の方法。
（項目４８）
上記複数のパラメータは、上記標的領域における音響エネルギー吸収の第１の量、上記トランスデューサと上記標的領域との間に位置する非標的領域における音響エネルギー吸収の第２の量、上記非標的領域を通して伝搬する音響エネルギー減衰の量、上記集束帯の操向角、または上記集束帯の面積のうちの少なくとも１つを備える、項目４７に記載の方法。
（項目４９）
少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記トランスデューサに対する上記標的領域の空間構成を決定することをさらに含む、項目４８に記載の方法。
（項目５０）
上記空間構成は、配向または場所のうちの少なくとも１つを備える、項目４９に記載の方法。
（項目５１）
少なくとも部分的に、上記トランスデューサに対する上記標的領域の空間構成に基づいて、上記操向角を算出することをさらに含む、項目４９に記載の方法。
（項目５２）
少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記非標的領域と関連付けられるリスクレベルを決定することと、
少なくとも部分的に、上記リスクレベルに基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
をさらに含む、項目４７に記載の方法。
（項目５３）
少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記標的領域および非標的領域の熱マップを予測することと、
少なくとも部分的に、上記予測された熱マップに基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
をさらに含む、項目４７に記載の方法。
（項目５４）
上記熱マップは、物理モデルを利用して予測される、項目５３に記載の方法。
（項目５５）
上記標的領域内の微小気泡の共鳴周波数を算出することと、
少なくとも部分的に、上記微小気泡共鳴周波数に基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
をさらに含む、項目４１に記載の方法。
（項目５６）
少なくとも部分的に、上記最適超音波処理周波数に基づいて、上記トランスデューサ要素のうちの少なくとも１つの構成を決定することをさらに含む、項目４１に記載の方法。
（項目５７）
上記トランスデューサ要素のうちの少なくとも１つを複数の連続的サブ領域にパーティション化することをさらに含み、上記複数の連続的サブ領域のそれぞれは、パルスを伝送するために独立して制御可能である、項目５６に記載の方法。
（項目５８）
少なくとも部分的に、上記集束帯の操向角に基づいて、上記サブ領域のうちの少なくとも１つをアクティブ化することをさらに含む、項目５７に記載の方法。
（項目５９）
超音波トランスデューサを利用する、その中で音響エネルギーの集束帯を発生させることによる標的領域の超音波療法のための方法であって、上記超音波トランスデューサは、（ｉ）複数のトランスデューサ要素であって、上記トランスデューサ要素のうちの少なくとも１つは、共通指向性を有する複数の連続的サブ領域にパーティション化される、複数のトランスデューサ要素と、（ｉｉ）少なくとも１つの上記トランスデューサ要素に接続される少なくとも１つの駆動回路と、（ｉｉｉ）上記複数のサブ領域を上記駆動回路に切替可能に接続するための複数のスイッチを備えるスイッチマトリクスであって、上記サブ領域はそれぞれ、上記スイッチのうちの１つと関連付けられる、スイッチマトリクスとを備え、上記方法は、
上記集束帯内のピーク音響強度を最大限にするための最適超音波処理周波数を決定することと、
少なくとも部分的に、上記決定された最適超音波処理周波数に基づいて、上記対応するサブ領域に上記標的領域への超音波パルスを伝送させるために、上記スイッチマトリクス内の上記スイッチのうちの少なくとも１つをアクティブ化することと
を含む、方法。
（項目６０）
上記標的領域または上記トランスデューサと上記標的領域との間に位置する非標的領域の画像を入手することをさらに含む、項目５９に記載の方法。
（項目６１）
少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記トランスデューサに対する上記標的領域の空間構成を決定することをさらに含む、項目６０に記載の方法。
（項目６２）
上記空間構成は、配向または場所のうちの少なくとも１つを備える、項目６１に記載の方法。
（項目６３）
少なくとも部分的に、上記トランスデューサに対する上記標的領域の空間構成に基づいて、上記集束帯の操向角を算出することをさらに含む、項目６１に記載の方法。
（項目６４）
少なくとも部分的に、上記算出された操向角に基づいて、少なくとも１つの上記スイッチをアクティブ化することをさらに含む、項目６３に記載の方法。
（項目６５）
複数の準最適周波数を決定することであって、上記複数の準最適周波数のそれぞれは、パラメータと関連付けられ、（ｉ）上記パラメータの変化は、上記集束帯内の上記ピーク音響強度の変化をもたらし、（ｉｉ）上記準最適周波数は、上記関連付けられるパラメータの変化からもたらされる上記ピーク音響強度の最大値に対応する、ことと、
少なくとも部分的に、上記準最適周波数に基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
をさらに含む、項目５９に記載の方法。
（項目６６）
上記準最適周波数のそれぞれに加重係数を割り当てることと、少なくとも部分的に、上記加重係数に基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することとをさらに含む、項目６５に記載の方法。
（項目６７）
上記標的領域の第１の解剖学的特性、上記トランスデューサと上記標的領域との間に位置する非標的領域の第２の解剖学的特性、上記集束帯の操向角、上記ピーク音響強度の最大値への各パラメータの寄与、または超音波治療を受けた患者の研究に基づく遡及的データのうちの少なくとも１つに基づいて、上記加重係数を割り当てることをさらに含む、項目６６に記載の方法。
（項目６８）
上記第１または上記第２の解剖学的特性は、組織タイプ、組織性質、組織構造、組織厚さ、または組織密度のうちの少なくとも１つを備える、項目６７に記載の方法。
（項目６９）
機械学習または進化的アプローチを使用して、上記加重係数を割り当てることをさらに含む、項目６６に記載の方法。
（項目７０）
少なくとも部分的に、上記準最適周波数のうちの第１のものに基づいて、上記準最適周波数のうちの第２のものを決定することをさらに含む、項目５９に記載の方法。
（項目７１）
少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記非標的領域と関連付けられるリスクレベルを決定することと、
少なくとも部分的に、上記リスクレベルに基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと、
をさらに含む、項目５９に記載の方法。
（項目７２）
少なくとも部分的に、上記入手された画像に基づいて、上記標的領域および非標的領域の熱マップを予測することと、
少なくとも部分的に、上記予測された熱マップに基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
をさらに含む、項目５９に記載の方法。
（項目７３）
上記標的領域内の微小気泡の共鳴周波数を算出することと、
少なくとも部分的に、上記微小気泡共鳴周波数に基づいて、上記最適超音波処理周波数を決定することと
をさらに含む、項目５９に記載の方法。
（項目７４）
超音波トランスデューサを利用する、その中で音響エネルギーの集束帯を発生させることによる標的領域の超音波療法のための方法であって、上記超音波トランスデューサは、（ｉ）複数のトランスデューサ要素であって、上記トランスデューサ要素のうちの少なくとも１つは、共通指向性を有する複数の連続的サブ領域にパーティション化される、複数のトランスデューサ要素と、（ｉｉ）少なくとも１つの上記トランスデューサ要素に接続される少なくとも１つの駆動回路と、（ｉｉｉ）上記複数のサブ領域を上記駆動回路に切替可能に接続するための複数のスイッチを備えるスイッチマトリクスであって、上記サブ領域はそれぞれ、上記スイッチのうちの１つと関連付けられる、スイッチマトリクスとを備え、上記方法は、
上記トランスデューサに対する上記標的領域の空間構成を測定することと、
少なくとも部分的に、上記測定された空間構成に基づいて、上記スイッチマトリクス内の上記スイッチのうちの少なくとも１つをアクティブ化し、それによって、上記対応するサブ領域に上記標的領域への超音波パルスを伝送させることと
を含む、方法。
（項目７５）
上記空間構成は、配向または場所のうちの少なくとも１つを備える、項目７４に記載の方法。

前述および以下の発明を実施するための形態は、図面と併せて想定されるとき、より容易に理解されるであろう。

図１は、種々の実施形態による、例示的集束超音波システムを図式的に図示する。

図２は、種々の実施形態による、ＭＲＩシステムを図示する。

図３は、種々の実施形態による、集束ビームのピーク強度または音響パワーを最大限にするための例示的アプローチを図示する、フローチャートである。

図４は、種々の実施形態による、標的領域における音響エネルギーの吸収を最大限にする、準最適超音波処理周波数を決定するための例示的アプローチを図示する、フローチャートである。

図５Ａは、種々の実施形態による、複数のトランスデューサ要素を有する、２次元平面トランスデューサアレイの電子操向の原理を図示する。

図５Ｂおよび５Ｃは、種々の実施形態による、それぞれ、円形トランスデューサ要素および長方形トランスデューサ要素の指向性を決定するための幾何学形状を図式的に図示する。 図５Ｂおよび５Ｃは、種々の実施形態による、それぞれ、円形トランスデューサ要素および長方形トランスデューサ要素の指向性を決定するための幾何学形状を図式的に図示する。

図５Ｄは、種々の実施形態による、具体的操向角を有する操向されたビームのエネルギー減衰を最小限にする、準最適周波数を決定するための例示的アプローチを図示する、フローチャートである。

図５Ｅは、種々の実施形態による、集束ビームのピーク音響強度／パワーを最大限にするための最適周波数を経験的に決定するための例示的アプローチを図示する、フローチャートである。

図６Ａおよび６Ｂは、種々の実施形態による、個々のトランスデューサ要素をパーティション化するアプローチを図式的に図示する。 図６Ａおよび６Ｂは、種々の実施形態による、個々のトランスデューサ要素をパーティション化するアプローチを図式的に図示する。

図７Ａ－７Ｅは、種々の実施形態による、標的領域における集束ビームのピーク強度／パワーを最大限にするように、トランスデューサ要素の構成を調節するためのアプローチを描写する。 図７Ａ－７Ｅは、種々の実施形態による、標的領域における集束ビームのピーク強度／パワーを最大限にするように、トランスデューサ要素の構成を調節するためのアプローチを描写する。 図７Ａ－７Ｅは、種々の実施形態による、標的領域における集束ビームのピーク強度／パワーを最大限にするように、トランスデューサ要素の構成を調節するためのアプローチを描写する。 図７Ａ－７Ｅは、種々の実施形態による、標的領域における集束ビームのピーク強度／パワーを最大限にするように、トランスデューサ要素の構成を調節するためのアプローチを描写する。 図７Ａ－７Ｅは、種々の実施形態による、標的領域における集束ビームのピーク強度／パワーを最大限にするように、トランスデューサ要素の構成を調節するためのアプローチを描写する。

図８は、種々の実施形態による、標的領域における集束ビームのピーク強度／パワーを最大限にするためのシステムを図示する、ブロック図である。

本明細書の種々の実施形態は、標的組織におけるピーク音響強度または音響パワーを最大限にする最適周波数を有する超音波治療を計画すると同時に、非標的組織への損傷を回避することに対するアプローチを提供する。図３は、種々の実施形態による、例示的治療計画アプローチ３００を図示する、フローチャートである。示されるように、治療計画は、ステップ３０２において、単一のパラメータ（例えば、標的領域における音響エネルギーのエネルギー吸収）に関して第１の準最適周波数ｆ_ｊ（または準最適周波数の第１の範囲）を決定することで開始されてもよい。したがって、準最適周波数ｆ_ｊにおいて印加される超音波処理は、非標的領域内のエネルギー堆積を最小限にしながら、標的において最大エネルギー吸収を発生させ得る。典型的には、トランスデューサ要素は、波が、標的領域内の集束帯において収束するように駆動される。集束帯内で、ビームの音響パワーは、（少なくとも部分的に）組織によって吸収され、それによって、熱を発生させ、細胞が変性および／または焼灼される点まで組織の温度を上昇させる。組織内の伝搬長さにわたる超音波吸収度は、周波数の関数であり、以下によって与えられる。

式中、Ｐ_０は、トランスデューサから放出される超音波ビームの初期音響パワーを表し、ｆは、超音波の伝送周波数（ＭＨｚ単位で測定される）を表し、αは、関連する周波数範囲における吸収係数（ｃｍ^－１・ＭＨｚ^－１単位で測定される）を表し、公知の文献から取得され得、ｚは、焦点距離、すなわち、超音波ビームが標的に到達することに先立って組織を通して伝搬する距離（ｃｍ単位で測定される）を表し、Ｐ_ｔは、標的領域における音響パワーを表す。故に、積α・ｆが大きいほど、標的領域内の吸収度は、大きくなるであろう。加えて、より大きい積α・ｆは、これが標的領域に到達する前に吸収される超音波のより高い割合に対応する。しかしながら、ビーム経路区域内の非標的組織による過剰なエネルギー吸収が、それへの損傷を引き起こし得る。結果として、超音波周波数の選定は、ビーム経路に沿った音響エネルギーの吸収と標的におけるパワー吸収との間のトレードオフを反映し、準最適周波数ｆ_ｊ（または準最適周波数範囲）が、好ましくは、ビーム経路区域内の組織を過熱することを回避しながら、標的における最大エネルギー吸収を提供するために選択される。

図４は、種々の実施形態による、準最適周波数ｆ_ｊを決定するための例示的アプローチを描写する。第１のステップ４０２において、１つ以上の撮像装置が、着目領域内の患者の解剖学的構造の画像を入手するためにアクティブ化される。画像は、３Ｄ画像または解剖学的着目領域の３Ｄ画像を再構築するために好適な２Ｄ画像スライスのセットであってもよい。撮像デバイスは、例えば、ＭＲＩ装置１０８（図２に描写されるような）、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、陽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、または超音波検査デバイスを含んでもよい。ステップ４０４において、画像は、好適な画像処理技法を使用して、その中で標的および／または非標的領域の場所を自動的に識別するために、撮像装置と関連付けられるコントローラによって処理される。次いで、識別された標的領域に集束されるビームをもたらす、超音波トランスデューサ要素の相対的位相および／または振幅設定が、算出されてもよい（ステップ４０６）。本ステップは、概して、物理モデルを利用し、標的領域に対する超音波トランスデューサの幾何学形状および位置および配向、および介在組織についての任意の先験的知識および／または画像導出情報を考慮する。いくつかの実施形態では、異なる撮像装置が、トランスデューサ要素に対する標的の相対的位置を決定する際に関与する。例えば、トランスデューサ要素の配向および場所は、例えば、超音波システムにおける飛行時間アプローチを使用して取得されてもよい一方、標的領域の空間特性は、ＭＲＩを使用して入手されてもよい。結果として、各トランスデューサ要素と関連付けられる予期される振幅および／または位相を算出することに先立って、異なる撮像モダリティにおける座標系を位置合わせすることが、必要であり得る。例示的位置合わせアプローチが、例えば、米国特許第９，９３４，５７０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）に提供されている。

加えて、物理モデルは、それからもたらされるビーム収差を予測および補正するために、トランスデューサと標的領域との間のビーム経路区域内に位置する介在組織の解剖学的特性（例えば、タイプ、性質、構造、厚さ、密度等）および／または物質特性（例えば、具体的周波数または音速における組織のエネルギー吸収）を含んでもよい。一実装では、介在組織の解剖学的特性は、撮像デバイスを使用して入手される。例えば、解剖学的着目領域の入手された画像に基づいて、標的および／または非標的領域の物質特性を特徴付ける組織モデルが、確立されてもよい。組織モデルは、標的および／または非標的組織を表すボクセルに対応するセルの３Ｄテーブルの形態をとってもよく、セルの値は、ビームが組織を横断するときに起こる収差に関連する、音速等の組織の特性を表す。ボクセルは、撮像デバイスによって断層的に取得され、各ボクセルが表す組織のタイプは、従来の組織分析ソフトウェアによって自動的に決定されることができる。決定された組織タイプおよび組織パラメータ（例えば、組織のタイプによる音速）のルックアップテーブルを使用して、組織モデルの３Ｄテーブルが、取り込まれてもよい。種々の組織の音速、熱感度、および／または熱エネルギー耐性を識別する組織モデルの作成に関するさらなる詳細が、米国特許公開第２０１２／００２９３９６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）に見出され得る。

ステップ４０８において、超音波トランスデューサ要素の相対的位相および／または振幅設定および標的／非標的組織の解剖学的および／または物質特性に基づいて、物理モデルは、具体的超音波周波数において標的領域および／または非標的領域に送達される超音波エネルギー、超音波エネルギーまたは圧力の標的領域および／または非標的領域における熱および／または組織変位への変換、および／または組織を通した誘発される効果の伝搬を算出的に予測してもよい。典型的には、シミュレーションは、微分方程式の形態をとる（またはそれを含む）。例えば、物理モデルは、組織内の熱伝達をシミュレートするために、ペンネモデルおよび生体熱方程式から成る、またはそれらを含んでもよい。組織に対する超音波処理およびそれらの効果をシミュレートすることに対するアプローチが、例えば、米国特許公開第２０１５／０３５９６０３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）に提供されている。

上記に説明されるように、標的における超音波吸収度および標的領域および／または非標的領域において誘発される効果は、印加される超音波周波数に依存するため、一実施形態では、物理モデルは、超音波周波数を算出的に変動させ、それと関連付けられる標的領域および／または非標的領域におけるエネルギー吸収および誘発される効果を予測する（ステップ４１０）。いくつかの実施形態では、物理モデルは、周波数の「試験範囲」内の種々の「試験周波数」を印加する。試験範囲は、超音波治療のために好適な周波数の全範囲（例えば、種々の実施形態では、０．１ＭＨｚ～１０ＭＨｚ）に及んでもよいが、典型的には、準最適周波数ｆ_ｊを含むことが予期される、はるかにより小さいそのサブ範囲である。そのようなサブ範囲は、例えば、準最適周波数ｆ_ｊの算出推定値、シミュレーションの結果、または別の患者内の同一の器官または組織に関して入手された経験的データに基づいて決定されてもよい。試験されるべき周波数は、試験範囲にわたって均一または不均一に分布されてもよい。種々の実施形態では、試験周波数の密度は、推定される準最適周波数に近接近するにつれて増加する。加えて、試験範囲およびその中の試験周波数は、事前決定される、またはシミュレーションプロセスの間に動的に調節されてもよい。例えば、一実施形態では、算出試験が、最初に、大きい試験範囲（例えば、６００～７５０ｋＨｚ）にわたって大きい周波数間隔（例えば、２０ｋＨｚずつ）で実施され、標的における高エネルギー吸収をもたらす周波数のサブ範囲を決定し、準最適周波数ｆ_ｊは、その後、より小さい間隔（例えば、１０ｋＨｚまたは５ｋＨｚずつ）において算出的に試験することによって、サブ範囲内で決定される。別の実施形態では、試験は、所定の潜在的試験周波数のサブセットに関して実施され、各実際の試験周波数は、以前の試験の結果に基づいて、潜在的試験周波数のセットから選択される。シミュレーション結果に基づいて、標的における最大エネルギー吸収に対応する試験周波数は、次いで、準最適周波数ｆ_ｊとして識別されてもよい（ステップ４１２）。

再び、図３を参照すると、ステップ３０４において、具体的操向角からもたらされる、標的領域に向かって伝搬する集束ビームのエネルギー減衰を最小限にする第２の準最適周波数ｆ_ｉが、決定される。図５Ａは、複数のトランスデューサ要素５０２を含む、２次元平面トランスデューサの電子操向の原理を図示する。特に、アレイの任意の１つのトランスデューサ要素の「操向角」は、要素から、要素５０２が最大の可能性として考えられるパワーに寄与する「操向されない」集束帯５０６に略直交に延在する第１の焦軸５０４と、トランスデューサ要素５０２から、標的領域に位置する「それに操向される」集束帯５１０に延在する第２の焦軸５０８との間の角度αである。トランスデューサアレイの「操向能力」は、それに操行される集束帯５１０に送達されるエネルギーが、操向されない集束帯５０６に送達される最大パワーの半分になる操向角αとして定義される。着目すべきこととして、位相アレイの各トランスデューサ要素の操向角αは、異なり得るが、要素から集束帯までの距離が、増加するにつれて、アレイ要素に関する個別の操向角は、同一の値に近づく。実践では、トランスデューサアレイと標的領域との間の距離は、トランスデューサ要素の間の距離よりも十分に長いため、アレイ内のトランスデューサ要素と関連付けられる操向角は、同一と見なされることができる。

加えて、物理的な観点から、単一のトランスデューサ要素は、拡散ビームの形態における波を放出する。本拡散ビームの角分布は、「指向性」と呼ばれる。典型的には、集束帯における音響ビームのピーク強度／パワーは、その指向性Ｄに正の相関がある。図５Ｂを参照すると、半径ａを有する円形トランスデューサの指向性Ｄ_ｃは、以下によって与えられる。

式中、αは、操向角を表し、Ｊ_１は、１次の第一種ベッセル関数を表し、ｋは、音響波の伝搬定数を表す（すなわち、

であり、式中、λは、波長である）。同様に、図５Ｃを参照すると、寸法ｂ×ｈを有する長方形トランスデューサの指向性Ｄ_ｒは、以下によって与えられるｓｉｎｃ関数である。

式中、θは、トランスデューサ表面の平面内のトランスデューサ要素の座標のうちの１つを表す。故に、集束ビームの操向角αからもたらされるエネルギー減衰は、超音波処理周波数に依存し得る。

図５Ｄは、種々の実施形態による、具体的操向角を有する集束帯における操向ビームのエネルギー減衰を最小限にする、準最適周波数ｆ_ｉを決定するための例示的アプローチを描写する。第１のステップ５２２において、標的における集束帯の操向角が、標的領域に対する超音波トランスデューサ要素１０４の空間配列（例えば、位置および配向）に基づいて算出される。再び、空間配列は、例えば、ステップ４０２に説明される、撮像装置を使用して入手された画像、飛行時間アプローチ、および／または画像位置合わせに基づいて決定されてもよい。第２のステップ５２４において、試験範囲内の試験周波数を有する超音波／パルスが、標的領域を超音波処理するために算出的に印加されてもよい。一実装では、ステップ５２４における試験範囲および／または周波数は、ステップ３０２において決定された標的における最大エネルギー吸収に対応する準最適周波数ｆ_ｊに基づいて定義される。例えば、決定された準最適周波数ｆ_ｊは、試験範囲内の中心周波数としての役割を果たしてもよく、試験範囲は、ｆ_ｊ±Δｆの範囲にわたって均一または不均一に分布される周波数を含んでもよく、Δｆは、ｆ_ｊの５％（またはいくつかの実施形態では、１０％または２０％）である。代替として、試験範囲は、超音波治療のために好適な周波数の全範囲に及んでもよい。再び、サブ範囲が、例えば、最適周波数ｆ_ｉの算出推定値、シミュレーションの結果、または別の患者内の同一の器官または組織に関して入手された経験的データに基づいて決定されてもよく、その調節が、最適周波数ｆ_ｊを決定するために、上記に説明されるようなシミュレーションプロセスの間に動的に実施されてもよい。ステップ５２６において、物理モデルは、次いで、ステップ５２２において算出された操向角と関連付けられる標的領域に介在組織を通して伝搬する集束ビームのエネルギー減衰を予測してもよい。集束帯における音響パワーは、操向角および超音波処理周波数に依存するため、一実施形態では、物理モデルは、超音波処理周波数を変動させ、操向角における更新された周波数と関連付けられるエネルギー減衰を予測してもよい（ステップ５２８）。ステップ５３０において、決定された操向角における最小エネルギー減衰に対応する試験周波数は、準最適周波数ｆ_ｉとして識別される。

故に、治療計画装置は、標的領域における音響パワーまたはピーク強度に有意に影響を及ぼし得る少なくとも２つのパラメータ、すなわち、標的および／または非標的組織の解剖学的／物質特性（標的領域における最大エネルギー吸収と関連付けられる準最適周波数ｆ_ｊを決定することによって）および集束帯の具体的操向角（介在組織を横断する集束ビームの最小エネルギー減衰と関連付けられる準最適周波数ｆ_ｉを決定することによって）を考慮している。２つの準最適周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉは、同一である場合とそうではない場合がある。それらが、異なる場合、最適超音波処理周波数の選定は、経路区域内の音響エネルギーの吸収と、標的におけるパワー吸収と、具体的操向角におけるビーム伝搬からもたらされるエネルギー減衰との間のトレードオフを反映する。再び、図３を参照すると、種々の実施形態では、治療計画装置は、次いで、決定された準最適周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉに基づいて、標的領域における音響ピーク強度を最大限にする最適周波数ｆを決定してもよい（ステップ３０６）。例えば、第２の準最適周波数ｆ_ｉが、ｆ_ｊ－Δｆ～ｆ_ｊ＋Δｆの試験範囲にわたって周波数を変動させることによって決定され、ｆ_ｉが、本試験範囲内の具体的操向角における最小エネルギー減衰に対応する場合、計画装置は、最適周波数ｆがｆ_ｉであると決定してもよい。

代替として、治療計画装置は、準最適周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉのそれぞれに加重係数を割り当て、次いで、その加重平均に基づいて、最適周波数ｆを決定してもよい。加重係数は、例えば、標的および／または非標的組織の組織タイプ、操向角、事前知識、および周波数の変化からもたらされるパラメータ（例えば、標的におけるエネルギーおよび／または具体的角度におけるエネルギー減衰）に対する影響の程度に基づいて割り当てられてもよい。概して、より大きい影響は、それと関連付けられる準最適周波数が、標的領域において最大ピーク強度／パワーを達成するためにより重要であることを示し、したがって、より大きい加重係数が、それに割り当てられてもよい。例えば、超音波処理周波数を調節することが、標的領域におけるエネルギー吸収の有意な減少をもたらすが、標的領域上への集束ビームの操向角におけるエネルギー減衰のわずかな増加のみをもたらすとき、治療計画装置は、最適周波数ｆを算出するために、より大きい加重係数を周波数ｆ_ｊに割り当て（ビーム経路区域および標的領域内のエネルギー吸収を考慮する）、より小さい加重係数を周波数ｆ_ｉに割り当て（操向角におけるエネルギー減衰を考慮する）てもよい。逆に、超音波処理周波数の調節が、集束帯の具体的操向角におけるエネルギー減衰の有意な増加をもたらす場合、より大きい加重係数が、周波数ｆ_ｉに割り当てられてもよい。

いくつかの実施形態では、組織タイプおよびそれらの関連付けられる吸収係数（または減衰係数）および集束帯の操向角および関連する周波数（例えば、超音波治療のために好適な周波数）におけるそれらの関連付けられるエネルギー減衰は、数値シミュレーション（例えば、物理モデルを実装する）を使用して、および／または公知の文献に基づいて、超音波治療に先立って、および／またはその間に経験的に取得されてもよく、本情報は、データベース内のルックアップテーブルとして記憶されてもよく、周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉに割り当てられる加重係数を決定するときに読み出されてもよい。

加えて、または代替として、周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉの加重係数は、超音波治療手技を受けた患者の遡及的研究に基づいて割り当てられてもよい。例えば、治療計画装置は、例えば、上記に説明されるような患者の入手された画像に基づいて、２つの準最適周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉを算出してもよい。次いで、算出された周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉおよび治療の間に経験的に決定された、または治療のために印加された超音波処理周波数に基づいて、ｆ_ｊおよびｆ_ｉと関連付けられる加重係数が、決定されることができる。異なる患者は、標的／非標的領域の異なる解剖学的／物質特性を有し得、したがって、異なる加重係数が、ｆ_ｊおよびｆ_ｉに割り当てられてもよい。再び、超音波治療を受けた患者の解剖学的／物質特性は、関連付けられる加重係数とともに、データベース内のルックアップテーブルとして記憶されてもよい。新しい患者の治療に先立って、またはその間、新しい患者の解剖学的／物質特性は、記憶されたデータに対して比較されてもよく、それらの間の類似性に基づいて、新しい患者の解剖学的／物質特性に最良に合致する記憶された解剖学的／物質特性が、識別されることができる。続けて、最良に合致する解剖学的／物質特性に割り当てられた加重係数が、最適治療周波数ｆを決定するために、新しい患者の周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉに割り当てられることができる。

いくつかの実施形態では、周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉに割り当てられる加重係数は、従来の学習または進化的アルゴリズムを使用して取得されてもよい。例えば、超音波治療手技を受けた患者の解剖学的／物質特性およびこれらの患者を治療するために印加された周波数および／または物理モデルを使用して算出された準最適周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉは、訓練セット内に含まれてもよい。観察された解剖学的／物質特性と周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉに割り当てられる加重係数との間の関係が、次いで、例えば、当業者によって理解されるように、回帰、分類、決定木学習、相関ルール学習、類似性学習、教師付き学習、教師なし学習、オンライン学習等の機械学習プロセスを使用して決定され、訓練セットに基づいて、過度の実験を伴わずに実装されることができる。代替として、訓練セットは、ニューラルネットワークを訓練するために使用されてもよく、これは、加重を入力（例えば、解剖学的／物質特性）および種々の中間ノードに割り当て、逆伝搬法を使用してこれらの加重を精緻化する。周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉは、ニューラルネットワークの出力を表し、訓練されたニューラルネットワークを使用して、新しい患者に関して予測されてもよい。ニューラルネットワークを訓練することに対するアプローチが、例えば、国際出願第ＰＣＴ／ＩＢ２０１７／００１０２９号（２０１７年７月１４日に出願された）（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）に提供されている。

本明細書に説明される周波数ｆ_ｊおよびｆ_ｉに割り当てられる加重係数を決定することに対するアプローチが、代表的実施例として提示され、加重係数の決定のために好適な任意の他のアプローチが、利用され得、したがって、本発明の範囲内であることに留意されたい。

代替として、最適周波数ｆは、経験的に決定されてもよい。例えば、図５Ｅを参照すると、識別された標的領域に集束されるビームをもたらす、超音波トランスデューサ要素の相対的位相および／または振幅設定が、決定された（ステップ４０６）後、トランスデューサアレイは、異なる超音波処理周波数（例えば、試験範囲内の試験周波数を印加する）および決定された位相および／または振幅設定を有する波／パルスを標的領域に順次伝送してもよい（ステップ５４２）。試験周波数毎に、標的領域内のピーク音響強度／パワーを示すパラメータが、例えば、ＭＲＩ温度測定（音響エネルギーからもたらされる標的内の温度増加を測定する）、ＭＲ－ＡＲＦＩ（標的における音響圧力からもたらされる組織変位を測定する）、超音波反射検出（反射される超音波の強度を測定する）、または、概して、既知かつ予測可能な様式で標的におけるピーク強度と相関するパラメータを測定する任意の実験技法を使用して測定されてもよい（ステップ５４４）。ステップ５４２および５４４は、測定されたパラメータの最大値（例えば、温度または圧力の場合において）または最小値（例えば、反射の場合において）が測定されるまで、反復的に実施されてもよい。再び、測定されたパラメータの最大値（例えば、温度または圧力の場合において）または最小値（例えば、反射の場合において）に対応する試験周波数は、次いで、最適周波数ｆとして決定される（ステップ５４６）。

種々の技法が、直接または間接的に、関連する物理的数量を介して、標的内の音響強度／パワーを測定し、次いで、最適周波数ｆの選択を介して、ピーク強度／パワーを最大限にするために使用されることができる。１つのアプローチは、その中に堆積される音響エネルギーの量に比例して増加する、標的における温度を監視することである。温度測定方法は、例えば、ＭＲＩに基づいてもよく、好適な画像処理ソフトウェアと併せて、図２に描写されるもの等のシステムを利用してもよい。ＭＲ温度測定のために利用可能な種々の方法の中でもとりわけ、プロトン共鳴周波数（ＰＲＦ）偏移方法は、温度変化に対するその優れた線形性、組織タイプからの準独立性、および高空間および時間分解能を伴う温度マップ入手に起因して、多くの場合、選定される方法である。ＰＲＦ偏移方法は、水分子中のプロトンのＭＲ共鳴周波数が温度に伴って線形に変化する現象を活用する。温度に伴う周波数変化は、バルク水に関してわずか－０．０１ｐｐｍ／℃、組織内では約－０．００９６～－０．０１３ｐｐｍ／℃と小さいため、ＰＲＦ偏移は、典型的には、位相敏感撮像方法を用いて検出され、撮像は、２回実施され、最初は、温度変換に先立って、ベースラインＰＲＦ位相画像を入手し、次いで、温度変化後の第２の位相画像を入手し、それによって、温度の変化に比例する、わずかな位相変化を捕捉する。温度変化のマップが、次いで、静的磁場の強度および（例えば、勾配リコールエコーの）エコー時間（ＴＥ）等の撮像パラメータを考慮しながら、画素毎に、ベースライン画像と治療画像との間の位相差を決定し、ＰＲＦ温度依存性に基づいて、位相差を温度差に変換することによって、ＭＲ画像から算出されてもよい。種々の代替または高度な方法が、患者運動、磁場ドリフト、およびＰＲＦベースの温度測定の正確度に影響を及ぼす他の因子を補償するために使用されてもよく、当業者に公知の好適な方法は、例えば、マルチベースラインおよび無参照温度測定を含む。

ＰＲＦベースのまたは任意の他の好適な温度測定方法を使用して、規定された範囲内の最適超音波周波数は、パワーおよび持続時間（または、より一般的には、合計伝送エネルギー）を同一に保ちながら、いくつかの異なる周波数（例えば、選択される範囲内の規定された周波数間隔）においてトランスデューサを連続して駆動し、超音波を特定の患者の標的部位に集束させ、そのような超音波処理毎に、標的における温度増加を測定することによって決定されることができる。これは、治療に先立って行われ、したがって、組織損傷を回避するために、超音波トランスデューサは、その後の治療中よりはるかに低いパワーにおいて駆動される（但し、有意義な信号を取得するために十分に高い）。さらに、異なる周波数に関する測定の比較性を確実にするために、各温度増加は、好ましくは、類似するベースライン温度に対して測定される。これは、組織をベースライン温度にほぼ等しい温度まで冷却させるために、各超音波処理に続いて、十分な時間量を待機し、温度変化に起因する組織に対する効果が、限定される（例えば、臨床的に有意ではない）ように、十分に低いエネルギーを使用することによって遂行されることができる。温度増加が、着目範囲内の種々の離散周波数において測定されると、温度増加が最大である周波数が、後続治療の間にトランスデューサを動作させるために選択される。

組織内の超音波エネルギー吸収に有用に関連する別の数量は、焦点（波が収束し、最も高い強度が達成される場所）において最も高い、音響放射圧力に起因する、その組織の一時的局所変位である。超音波圧力は、音響場を直接反射する方法で組織を変位させる力を作成する。変位場は、ＭＲ－ＡＲＦＩ等の技法を使用して、標準的ＭＲＩ装置（図２に描写される装置１０８等）の一部である、勾配コイルによって、過渡的運動または変位に敏感な磁場勾配を撮像領域に適用することによって、可視化されることができ、典型的には、円筒形電磁石２０４の近傍に位置する。超音波パルスが、そのような勾配の存在下で印加されると、結果として生じる変位は、直接、ＭＲ応答信号の位相にエンコードされる。例えば、勾配コイルおよびトランスデューサは、超音波パルスが、焦点の近傍の物質をより高い場強度を伴う磁場の領域に向かって押動するように構成されてもよい。結果として生じる磁場の変化に応答して、ＭＲ応答信号の位相は、比例して変化し、それによって、超音波放射圧力によって引き起こされる変位を信号中にエンコードする。ＭＲ－ＡＲＦＩについてのさらなる詳細が、米国特許第８，９３２，２３７号（その全開示は、本明細書に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。

再び、図３を参照すると、種々の実施形態では、標的領域におけるピーク音響強度／パワーに影響を及ぼし得る他のパラメータもまた、治療のための最適周波数ｆを決定するときに考慮される（ステップ３０８）。例えば、集点面積Ａは、集束帯内のピーク音響強度Ｉに負の相関があり、以下を満たす。

式中、Ｐ_ｔは、集束帯内の超音波ビームの音響パワーを表す。加えて、集束帯の面積は、超音波処理周波数に依存し、以下によって与えられる。

式中、Ａは、円形トランスデューサに関する集束帯の面積を表し、λは、超音波の波長を表し（λ＝２π／ｆ）、ｄは、トランスデューサ要素の直径を表し、Ｒは、焦点距離を表す。したがって、所与の焦点深度において、超音波処理周波数を増加させることは、集点面積の減少をもたらし得、これは、次いで、ピーク音響強度を増加させる。故に、所与の焦点深度における超音波周波数の選定は、ビーム経路区域内のパワー吸収と、標的におけるパワー吸収と、具体的操向角における介在組織を通して伝搬するエネルギー減衰と、集束帯におけるピーク強度との間のバランスを伴う。いくつかの実施形態では、これらのパラメータは、最適周波数ｆを決定するために、順次評価される。例えば、上記に説明されるような標的領域における、およびビーム経路区域内のパワー吸収および操向角を考慮することによって決定される周波数が、決定された後、治療計画装置は、標的領域内の最小焦点面積に対応する準最適周波数ｆ_ｋを決定してもよい。ｆ_ｋおよびパワー吸収および操向角の両方を考慮する周波数に基づいて、最適周波数ｆが、上記に説明されるアプローチ（例えば、加重係数をそれに割り当てる）を使用して決定されることができる。代替として、治療計画装置は、標的領域におけるピーク強度／パワーに影響を及ぼす全てのパラメータを一度に評価し、次いで、最適超音波周波数ｆを決定してもよい。例えば、最適周波数ｆは、上記に説明されるアプローチを使用して、加重係数をｆ_ｊ、ｆ_ｉ、およびｆ_ｋに割り当てることによって取得されてもよい。

いくつかの実施形態では、最適周波数ｆを決定するとき、治療計画装置はさらに、そのタイプおよび／または場所に基づいて、非標的領域と関連付けられるリスクレベルを考慮し（ステップ３１０）、リスクレベルを考慮するために最適周波数を取得する際に付加的制約を課す。例えば、標的領域に隣り合う非標的器官が、敏感および／または重要な器官である場合、非標的器官を損傷させるリスクは、高い。その結果、本状況では、治療計画装置は、非標的器官内に堆積され得る音響エネルギーの最大線量を規定してもよく、最適周波数の選択は、次いで、本条件を満たす要件によって制約される。代替として、非標的器官への最小（または許容可能な）損傷と関連付けられる周波数ｆ_ｌが、例えば、物理モデルを使用して算出的に決定されてもよく、比較的に大きい加重係数（ｆ_ｊ、ｆ_ｉ、および／またはｆ_ｋに割り当てられるものと比較して）が、次いで、治療のための最適周波数ｆを決定するために、周波数ｆ_ｌに割り当てられてもよい。一実装では、標的領域における音響強度と非標的器官における音響強度との比率を最大限にする周波数ｆ_ｍが、予測される。再び、最適周波数ｆが、次いで、予測された周波数ｆ_ｍに基づいて（例えば、加重係数をそれに割り当てることによって）決定されてもよい。一実施形態では、予測された周波数ｆ_ｍは、治療の間に印加される最適超音波処理周波数ｆである。

加えて、または代替として、治療計画装置は、標的および／または非標的領域の熱マップに基づいて、周波数ｆを最適化してもよい。例えば、上記に説明されるように、物理モデルは、最初に、トランスデューサおよび標的の幾何学的情報および標的／非標的組織の解剖学的／物質性質に基づいて、標的／非標的領域上に堆積される音響エネルギーをシミュレートしてもよい。物理モデルは、次いで、標的／非標的組織と関連付けられる組織モデル、ペンネモデル、および生体熱方程式を含み、その上に堆積される音響エネルギーからもたらされる標的／非標的組織内の熱伝達をシミュレートし、それによって、熱マップを作成してもよい（ステップ３１２）。物理モデルは、超音波処理周波数を順次変動させ（例えば、試験範囲内の試験周波数を印加する）、それと関連付けられる熱マップを予測してもよい。いくつかの実施形態では、最適周波数ｆは、標的領域における温度が、治療のために所望の目的を達成する一方、非標的領域における温度が、非標的組織がそれへの損傷を伴わずに許容し得る最大温度を下回るように選択される。

種々の実施形態では、超音波治療手技は、微小気泡の印加を伴う。例えば、微小気泡は、（例えば、集束帯におけるエネルギー吸収および／または組織透過性を強化すること、神経障害を治療するときに標的化薬物送達のために血液脳関門の途絶を誘発すること等によって）自動焦点を促進する、および／または治療を補助するために発生および／または導入されてもよい。微小気泡は、印加された音響場に応答して共鳴周波数において発振し、それによって、標的／非標的領域における療法的効果に影響を及ぼし得るため、非標的領域における微小気泡応答を限定しながら、標的における治療効果を強化するように、超音波周波数を調節することが、所望され得る。故に、いくつかの実施形態では、微小気泡共鳴周波数は、超音波周波数を最適化するプロセスにおいて決定および考慮されてもよい（ステップ３１４）。例えば、超音波処理周波数は、好ましくは、微小気泡共鳴周波数よりも（例えば、１０倍）実質的に小さくてもよい（またはいくつかの実施形態では、それよりも大きい）。微小気泡共鳴周波数を決定することに対するアプローチが、例えば、国際出願第ＰＣＴ／ＩＢ２０１８／０００８４１号（２０１８年６月２９日に出願された）（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）に提供されている。

故に、本発明の種々の実施形態は、治療目標を達成するように超音波周波数を最適化する、すなわち、非標的組織の超音波への暴露を最小限にしながら、標的におけるピーク音響強度／パワーを最大限にするためのアプローチを提供する。ピーク音響強度は、周波数依存性である複数のパラメータ（ビーム経路区域内の標的組織および非標的組織における音響ビームの吸収、操向角、および集束帯の焦点面積等）に依存し得るため、いくつかの実施形態は、これらのパラメータのそれぞれを順次評価し、それと関連付けられる準最適周波数を決定し、治療のための最適周波数が、次いで、これらの準最適周波数から決定される。例えば、各準最適周波数は、所望の治療目標に向かうその寄与に対応する加重係数を割り当てられてもよく、最適周波数が、次いで、準最適周波数の加重和として算出されることができる。代替として、治療計画装置は、これらのパラメータを同時に評価し、次いで、上記に説明されるような治療目標を達成するためのその重要性に基づいて、各パラメータに関連付けられる準最適周波数に加重係数を割り当てることによって、最適周波数を数値的に決定してもよい。

本明細書に説明される最適超音波周波数ｆを決定するためのアプローチが、代表的実施例としてのみ提示され、標的領域におけるピーク音響強度／パワーに影響を及ぼす複数のパラメータを評価し、次いで、評価に基づいて、最適超音波処理周波数を決定することを伴う任意の他のアプローチが、実装され得、したがって、本発明の範囲内であることに留意されたい。加えて、周波数最適化は、治療の間の標的／非標的領域のシミュレートされた熱マップ、微小気泡の共鳴周波数等の他のパラメータに基づいてもよい。

依然として図３を参照すると、随意に、周波数最適化に続いて、位相アレイトランスデューサの位相および／または振幅設定が、決定された最適周波数に関する焦点を最適化するために調節されてもよい（ステップ３１６）。治療が、次いで、最適周波数および位相／振幅設定において開始されてもよい（ステップ３１８）。しかしながら、最適周波数ｆは、集束帯におけるピーク強度／パワーに影響を及ぼす種々のパラメータのバランスをとることによって決定されるため、決定された最適周波数ｆが、具体的パラメータ（操向角等）に関して最適ではない場合があることに留意されたい。故に、種々の実施形態では、治療計画装置は、物理モデルを利用し、決定された最適周波数ｆにおける集束ビームのピーク強度とトランスデューサ要素の構成（例えば、サイズおよび／または形状）との間の関係を予測してもよい（ステップ３２０）。それに基づいて、トランスデューサ要素は、次いで、標的領域におけるピーク強度をさらに改良するように構成されてもよい（ステップ３２２）。

例えば、図６Ａを参照すると、種々の実施形態では、トランスデューサ要素６０２のうちの少なくともいくつかは、それぞれ、複数のサブ領域６０４に「パーティション化」され、そのそれぞれは、別個にアクティブ化または非アクティブ化されてもよい。一実施形態では、これらのサブ領域はそれぞれ、同一のドライバ信号６０６（例えば、単一の周波数および単一の位相値を有する）によって、または代替として、異なるドライバ信号（例えば、異なる周波数および／または異なる位相値を有する）によって選択的に駆動されることができる（または駆動されない）。図示される構成では、要素の各サブ領域６０４は、対応するチャネル６０８およびスイッチマトリクス６１０内の対応するスイッチ（例えば、ＭＥＭＳスイッチまたはＣＭＯＳスイッチ）を介して信号ドライバ６０６に接続される。したがって、スイッチマトリクス内のスイッチの状態を設定することは、それらの対応するサブ領域がアクティブまたは非アクティブであるかどうかを決定する。サブ領域６０４はそれぞれ、ほぼ独立したトランスデューサ要素として挙動するため、本アプローチは、個々の要素１０２全体がアクティブまたは非アクティブでなければならないシステム１００と比較して、トランスデューサアレイの幾何学形状およびその出力の改良された制御を提供する。例えば、スイッチ６１２、６１４が、閉であるとき、トランスデューサ要素のサブ領域６１６、６１８は、波／パルスを伝送するためにアクティブ化される。結果として、トランスデューサ要素の形状は、正方形から長方形に事実上変化され、サイズは、元のサイズ（すなわち、トランスデューサ要素６０２のサイズ）の１／２に水平に低減され、これは、音響ビームの水平操向を強化し得る。同様に、スイッチ６１４、６２２を閉にすることによって、それぞれ、サブ領域６１６、６２０は、垂直操向を強化するためにアクティブ化され、スイッチ６１２、６２２を閉にすることによって、それぞれ、サブ領域６１８、６２０は、対角線操向を強化するためにアクティブ化される。

本明細書に説明される各トランスデューサ要素内のサブ領域の数および形状が、代表的実施例としてのみ提示され、各トランスデューサ要素が、個々のトランスデューサ内の全てのサブ領域が、同一の指向性を有する、すなわち、サブ領域表面の法線ベクトルが、相互に平行である限り、任意の形状を有する任意の数のサブ領域にパーティション化され得、異なるトランスデューサ要素が、同一または異なる数および／または形状のサブ領域を有し得ることに留意されたい。例えば、図６Ｂを参照すると、トランスデューサ要素６３２は、４つの正方形サブ領域にパーティション化されるが、トランスデューサ要素６３４は、対角線方向における操向能力をさらに改良するために、８つの三角形サブ領域にパーティション化されてもよい。加えて、各トランスデューサ要素内または異なるトランスデューサ要素内のサブ領域は、同一または異なる形状を有してもよい。本明細書に使用されるように、トランスデューサ要素は、超音波／パルスを伝送するための連続的表面を形成する１つ以上の圧電部材を指し、「連続的」とは、圧電部材が、空間的に相互と接触し、いかなる物理的境界または障壁も、それらの間に存在しないことを意味する。

超音波治療を開始することに先立って、治療計画装置は、随意に、例えば、決定された最適周波数および集束帯の操向角に基づいて、標的領域において最大ピーク強度または音響パワーを発生させるトランスデューサ要素構成を予測してもよい。例えば、図７Ａおよび７Ｂを参照すると、トランスデューサ要素７０２が、１０×１０ｍｍ^２の寸法を有し、焦点面から７０ｍｍ離れる例示的設定では、集束帯のピーク強度は、操向角αに依存し得る。図７Ｂは、上記に説明される物理モデルに基づく予測が、操向角α＝０°であるときに最大ピーク強度が生じることを示す様子を描写し、ピーク強度は、次いで、操向角が、増加するにつれて漸進的に減少する。加えて、操向角αが、２５°を下回るとき、完全な要素７０２のアクティブ化は、集束帯において他の構成よりも高いピーク強度を発生させ得るが、ビーム操向の方向における要素の半分の部分（すなわち、サブ領域７０４）のアクティブ化は、操向角αが、２５°を超えるとき、完全な要素７０２のアクティブ化と比較して、より高いピーク強度を発生させ得る。故に、予測に基づいて、超音波コントローラは、具体的操向角において最大ピーク強度を発生させるために、トランスデューサ要素のサブ領域をアクティブ化するように構成されてもよい。

図７Ｃは、焦点面上の種々の場所において最大ピーク強度を発生させるために、１００×１００ｍｍ^２の寸法を有するトランスデューサアレイ内のトランスデューサ要素の構成を描写する。示されるように、完全な要素のアクティブ化が、操向角が小さいときに好ましい。水平方向（すなわち、ｘ軸）に沿った操向角が、増加するにつれて、集束帯におけるピーク強度を最大限にするように、（要素の他の半分の部分７０６を非アクティブ化しながら）操向方向において要素の半分の部分７０４をアクティブ化することが、好ましくあり得る。同様に、水平方向における要素の半分の部分７１０のみが、ビームが、垂直方向（すなわち、ｙ軸）に沿って操向されるとき、ピーク強度を最大限にするためにアクティブ化されてもよく、要素の４分の１の部分７１２が、対角線操向方向に沿ってピーク強度を最大限にするためにアクティブ化されてもよい。図７Ｄは、トランスデューサアレイの完全な要素によって発生されるピーク強度と比較した、図７Ｃのトランスデューサ構成によって発生される集束帯におけるピーク強度の改良度を描写する。示されるように、改良度は、操向角が、増加するにつれて増加する。

種々の実施形態では、トランスデューサ要素は、指定された操向角（または操向角の範囲）においてピーク強度を改良するように構成されてもよい。例えば、図７Ｅを参照すると、超音波コントローラは、操向側上のトランスデューサ要素の半分の部分７０４全体をアクティブ化するが、部分７１８を非アクティブ化したまま、非操向側上の半分のトランスデューサ要素７０６の半分の部分７１６のみをアクティブ化するように構成されてもよく、これは、「中点値」操向角（例えば、１５°＜α＜３５°）におけるビーム操向に関するピーク強度を効果的に改良し得る。

故に、種々の実施形態はさらに、トランスデューサ要素の構成を調節することによって、集束帯のピーク強度を改良する。本アプローチは、トランスデューサ要素が平坦または湾曲表面を形成するようにタイル状であり、いったん製造されると、アクティブ化のための個々のトランスデューサ要素の形状またはサイズのいずれも変更されることができない、従来の超音波システム１００よりも特に有利である。加えて、種々の実施形態は、最も小さい制御可能な要素のサイズが低減され、最も小さい制御可能な要素の数が増加されることを（すなわち、個々の要素を複数の独立して制御可能なサブ領域に分割することによって）効果的に可能にするため、音響ビームの操向能力およびその分解能は、有意に改良され得る。

上記に説明される治療計画アプローチにおいて利用される治療計画装置は、１つ以上の超音波トランスデューサおよび焦点におけるピーク強度／パワーまたはそれを示す別のパラメータを測定するための撮像装置（例えば、ＭＲＩ装置）と併せたハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはハード回線の任意の好適な組み合わせにおいて実装されることができる。ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはハード回線の組み合わせは、超音波コントローラ（例えば、図１のコントローラ１０６）および／または標的におけるピーク音響強度／パワーを測定するための撮像装置または他のデバイス（例えば、図２の画像処理システム２１６）と統合される、またはそれと通信する別個のデバイスとして提供されてもよい。

いくつかの実施形態では、コントローラは、好適にプログラムされた汎用コンピュータを用いて実装される。図８は、例示的実施形態を示す。コンピュータ８００は、１つ以上のプロセッサ８０２（例えば、ＣＰＵ）および関連付けられるシステムメモリ８０４（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、および／またはフラッシュメモリ）と、ユーザ入力／出力デバイス（画面８０６およびキーボード、マウス等８０８等）と、典型的には、１つ以上の（典型的には、不揮発性）記憶媒体８１０（例えば、ハードディスク、ＣＣＤ、ＤＶＤ、ＵＳＢメモリキー等）および関連付けられるドライブとを含む。種々の構成要素は、１つ以上のシステムバス８１２を介して、相互および外部デバイス（超音波トランスデューサおよび／または撮像装置等）と通信してもよい。

システムメモリ８０４は、プロセッサ８０２の動作および他のハードウェア構成要素とのその相互作用を制御する、モジュールの群として概念的に図示される、命令を含有する。オペレーティングシステム８２０は、メモリ配分、ファイル管理、および周辺デバイスの動作等の低レベルの基本システム機能の実行を指示する。より高いレベルでは、１つ以上のサービスアプリケーションは、本明細書に従って、治療計画装置が最適周波数を決定するために要求される、算出機能性を提供する。例えば、図示されるように、本システムは、ＭＲＩ（または、他の撮像）装置からの画像を分析し、その中の標的を識別し、焦点を可視化し、これが標的と一致することを確実にすることを可能にする、画像処理モジュール８２２と、標的場所に基づいて、トランスデューサ要素の相対的位相および振幅を算出し、および周波数最適化および治療の両方の間、超音波トランスデューサ動作を制御するためのトランスデューサ制御モジュール８２４と、図３、４、５Ｄ、および５Ｅに説明されるアプローチに従って、周波数最適化のために要求される算出機能性を提供する（例えば、標的におけるピーク音響強度またはパワーの周波数依存性についてのデータを入手し、それに基づいて、最適周波数（または種々のトランスデューサ区画のための複数の個別の最適周波数）を選択する）治療計画モジュール８２６とを含んでもよい。より具体的には、第１のサブモジュール８２８が、標的における最大エネルギー吸収に対応する第１の準最適周波数ｆ_ｊを決定してもよく、第２のサブモジュール８３０が、標的に到達する前に介在組織を通して伝搬する集束ビームの最小エネルギー減衰に対応する第２の準最適周波数ｆ_ｊを決定してもよく、第３のサブモジュール８３２が、ピーク音響強度／パワーに影響を及ぼす他のパラメータに対応する１つ以上の準最適周波数を決定してもよく、加重モジュール８３４が、上記に詳細に説明される様式で種々の準最適周波数に加重係数を割り当ててもよく、周波数決定モジュール８３６が、準最適周波数に基づいて、最適周波数を決定する。治療計画モジュール８２６は、画像から取得された標的／非標的領域の情報を入手するために画像処理モジュール８２２と通信する、および／またはそれに従ってトランスデューサを動作させるように、決定された最適周波数をそれに提供するためにトランスデューサ制御モジュール８２４と通信してもよい。加えて、本システムは、改良された音響強度／パワーのために、具体的操向角におけるトランスデューサ要素の構成（例えば、サイズおよび／または形状）を決定するための要素構成モジュール８３８を含んでもよく、トランスデューサ制御モジュール８２４は、次いで、トランスデューサに、決定された構成および最適周波数に従って標的を超音波処理させるために、要素構成モジュール８３８および／または治療計画モジュール８２６に応答してもよい。

当然ながら、種々のモジュールへの算出機能性の描写される編成は、ソフトウェア機能を群化する１つの可能性として考えられる方法にすぎず、当業者が容易に理解するであろうように、より少ない、より多い、または異なるモジュールが、本明細書に従って、周波数最適化を促進するために使用されてもよい。しかしながら、群化および編成されるソフトウェアは、限定ではないが、ＰＹＴＨＯＮ、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、またはそれらの組み合わせを含む、種々の好適なプログラミング言語のうちのいずれかにおいてプログラムされてもよい。さらに、汎用プロセッサによって実行されるソフトウェア命令の代替として、機能性の一部または全部は、例えば、デジタル信号プロセッサ、プログラマブルゲートアレイ、特定用途向け集積回路等を含む、プログラマブルまたは有線カスタム回路を提供されてもよい。

本明細書に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では、示され、説明される特徴またはその一部のいずれの均等物も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が、本明細書に開示される概念を組み込む他の実施形態も、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、当業者に明白となるであろう。例えば、ＭＲベースの温度測定またはＡＲＦＩの代わりに、焦点における音響ビームの（物理的または療法的）効果を測定することが可能な任意の非侵襲性撮像技法が、概して、本明細書に従って、最適周波数（または異なる区画のための複数の最適周波数）を選択するために使用されてもよい。故に、説明される実施形態は、あらゆる点で、制限ではなく、例証にすぎないと見なされるものである。

Claims (40)

1. 超音波エネルギーを標的領域に送達するためのシステムであって、前記システムは、
   前記標的領域において音響エネルギーの集束帯を発生させるための複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサであって、前記複数のトランスデューサ要素は、側方に機械的に分離されており、前記複数のトランスデューサ要素はそれぞれ、共通指向性を有する複数の連続的サブ領域にパーティション化され、前記複数のトランスデューサ要素はそれぞれ、圧電セラミック要素であるか、または圧電複合材料または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他の材料から作製される、超音波トランスデューサと、
   前記複数のトランスデューサ要素に接続される少なくとも１つの駆動回路と、
   前記複数のトランスデューサ要素のそれぞれの前記複数のサブ領域を前記駆動回路に切替可能に接続するための複数のスイッチを備えるスイッチマトリクスであって、前記複数のサブ領域はそれぞれ、前記複数のスイッチのうちの１つと関連付けられる、スイッチマトリクスと、
   コントローラであって、
   （ａ）前記集束帯内のピーク音響強度を最大限にするための最適超音波処理周波数を決定することと、
   （ｂ）前記複数のトランスデューサ要素のそれぞれについて、少なくとも部分的に、前記決定された最適超音波処理周波数に基づいて、前記スイッチマトリクス内の前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つであるが全てよりは少ないスイッチをアクティブ化し、それによって、前記少なくとも１つであるが全てよりは少ないスイッチと関連付けられる対応するトランスデューサ要素の対応するサブ領域に２５°を超える操向角で前記標的領域への超音波パルスを伝送させることであって、前記超音波パルスは、前記対応するトランスデューサ要素の全体のアクティブ化により発生させられるのよりも高いピーク強度を有する、ことと
   を行うように構成される、コントローラと
   を備える、システム。
2. 前記標的領域または前記トランスデューサと前記標的領域との間に位置する非標的領域の画像を入手するための撮像システムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記撮像システムは、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴撮像デバイス（ＭＲＩ）、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、または超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、前記入手された画像に基づいて、前記トランスデューサに対する前記標的領域の空間構成を決定するように構成される、請求項２に記載のシステム。
5. 前記空間構成は、配向または場所のうちの少なくとも１つを備える、請求項４に記載のシステム。
6. 前記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、前記トランスデューサに対する前記標的領域の空間構成に基づいて、前記集束帯の操向角を算出するように構成される、請求項４に記載のシステム。
7. 前記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、前記算出された操向角に基づいて、前記複数のスイッチのうちの前記少なくとも１つであるが全てよりは少ないスイッチをアクティブ化するように構成される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記コントローラはさらに、
   複数の準最適周波数を決定することであって、前記複数の準最適周波数のそれぞれは、パラメータと関連付けられ、（ｉ）前記パラメータの変化は、前記集束帯内の前記ピーク音響強度の変化をもたらし、（ｉｉ）前記複数の準最適周波数のそれぞれは、関連付けられるパラメータの変化からもたらされる前記ピーク音響強度の最大値に対応する、ことと、
   少なくとも部分的に、前記複数の準最適周波数に基づいて、前記最適超音波処理周波数を決定することと
   を行うように構成される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記コントローラはさらに、前記複数の準最適周波数のそれぞれに加重係数を割り当て、少なくとも部分的に、前記加重係数に基づいて、前記最適超音波処理周波数を決定するように構成される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記コントローラはさらに、前記標的領域の第１の解剖学的特性、前記トランスデューサと前記標的領域との間に位置する非標的領域の第２の解剖学的特性、前記集束帯の操向角、前記ピーク音響強度の最大値への各パラメータの寄与、または超音波治療を受けた患者の研究に基づく遡及的データのうちの少なくとも１つに基づいて、前記加重係数を割り当てるように構成される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記第１または前記第２の解剖学的特性は、組織タイプ、組織性質、組織構造、組織厚さ、または組織密度のうちの少なくとも１つを備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記コントローラはさらに、機械学習または進化的アプローチを使用して、前記加重係数を割り当てるように構成される、請求項９に記載のシステム。
13. 前記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、前記複数の準最適周波数のうちの第１のものに基づいて、前記複数の準最適周波数のうちの第２のものを決定するように構成される、請求項８に記載のシステム。
14. 前記コントローラはさらに、
    少なくとも部分的に、前記入手された画像に基づいて、前記非標的領域と関連付けられるリスクレベルを決定することと、
    少なくとも部分的に、前記リスクレベルに基づいて、前記最適超音波処理周波数を決定することと
    を行うように構成される、請求項２に記載のシステム。
15. 前記コントローラはさらに、
    物理モデルを使用し、少なくとも部分的に、前記入手された画像に基づいて、前記標的領域および前記非標的領域の熱マップを予測することと、
    少なくとも部分的に、前記予測された熱マップに基づいて、前記最適超音波処理周波数を決定することと
    を行うように構成される、請求項２に記載のシステム。
16. 前記コントローラはさらに、
    前記標的領域内の微小気泡の共鳴周波数を算出することと、
    少なくとも部分的に、前記微小気泡の前記共鳴周波数に基づいて、前記最適超音波処理周波数を決定することと
    を行うように構成される、請求項１に記載のシステム。
17. 前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つは、ＭＥＭＳスイッチまたはＣＭＯＳスイッチである、請求項１に記載のシステム。
18. 超音波エネルギーを標的領域に送達するためのシステムであって、前記システムは、
    前記標的領域において音響エネルギーの集束帯を発生させるための複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサであって、前記複数のトランスデューサ要素は、側方に機械的に分離されており、前記複数のトランスデューサ要素はそれぞれ、共通指向性を有する複数の連続的サブ領域にパーティション化され、前記複数のトランスデューサ要素はそれぞれ、圧電セラミック要素であるか、または圧電複合材料または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他の材料から作製される、超音波トランスデューサと、
    前記複数のトランスデューサ要素に接続される少なくとも１つの駆動回路と、
    前記複数のトランスデューサ要素のそれぞれの前記複数のサブ領域を前記駆動回路に切替可能に接続するための複数のスイッチを備えるスイッチマトリクスであって、前記複数のサブ領域はそれぞれ、前記複数のスイッチのうちの１つと関連付けられる、スイッチマトリクスと、
    前記トランスデューサに対する前記標的領域の空間構成を測定するための少なくとも１つの撮像システムと、
    コントローラであって、前記コントローラは、前記複数のトランスデューサ要素のそれぞれについて、少なくとも部分的に、前記測定された空間構成に基づいて、前記スイッチマトリクス内の前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つであるが全てよりは少ないスイッチをアクティブ化し、それによって、前記少なくとも１つであるが全てよりは少ないスイッチと関連付けられる対応するトランスデューサ要素の対応するサブ領域に２５°を超える操向角で前記標的領域への超音波パルスを伝送させるように構成され、前記超音波パルスは、前記対応するトランスデューサ要素の全体のアクティブ化により発生させられるのよりも高いピーク強度を有する、コントローラと
    を備える、システム。
19. 前記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、前記空間構成に基づいて、前記集束帯の操向角を算出し、前記操向角に基づいて、前記トランスデューサ要素をアクティブ化するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記撮像システムは、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴撮像デバイス、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、または超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを備える、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記空間構成は、配向または場所のうちの少なくとも１つを備える、請求項１８に記載のシステム。
22. 前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つは、ＭＥＭＳスイッチまたはＣＭＯＳスイッチである、請求項１８に記載のシステム。
23. 超音波エネルギーを標的領域に送達するためのシステムであって、
    前記標的領域において音響エネルギーの集束帯を発生させるための複数のトランスデューサ要素を備える超音波トランスデューサであって、前記複数のトランスデューサ要素は、側方に機械的に分離されており、前記複数のトランスデューサ要素はそれぞれ、圧電セラミック要素であるか、または圧電複合材料または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他の材料から作製される、超音波トランスデューサと、
    コントローラであって、
    （ａ）複数の準最適周波数を決定することであって、前記複数の準最適周波数のそれぞれは、パラメータと関連付けられ、（ｉ）前記パラメータの変化は、前記集束帯内のピーク音響強度の変化をもたらし、（ｉｉ）前記複数の準最適周波数のそれぞれは、関連付けられるパラメータの変化からもたらされる前記ピーク音響強度の最大値に対応する、ことと、
    （ｂ）前記集束帯内の前記複数のパラメータと関連付けられる前記ピーク音響強度を最大限にするために、少なくとも部分的に、前記複数の準最適周波数に基づいて、最適超音波処理周波数を決定することと、
    （ｃ）対応するトランスデューサ要素の対応するサブ領域に、２５°を超える操向角で前記決定された最適超音波処理周波数において前記標的領域への超音波パルスを伝送させることであって、前記超音波パルスは、前記対応するトランスデューサ要素の全体のアクティブ化により発生させられるのよりも高いピーク強度を有する、ことと
    を行うように構成される、コントローラと
    を備える、システム。
24. 前記コントローラはさらに、前記複数の準最適周波数のそれぞれに加重係数を割り当て、少なくとも部分的に、前記加重係数に基づいて、前記最適超音波処理周波数を決定するように構成される、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記コントローラはさらに、前記標的領域の第１の解剖学的特性、前記トランスデューサと前記標的領域との間に位置する非標的領域の第２の解剖学的特性、前記集束帯の操向角、前記ピーク音響強度の最大値への各パラメータの寄与、または超音波治療を受けた患者の研究に基づく遡及的データのうちの少なくとも１つに基づいて、前記加重係数を割り当てるように構成される、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記第１または前記第２の解剖学的特性は、組織タイプ、組織性質、組織構造、組織厚さ、または組織密度のうちの少なくとも１つを備える、請求項２５に記載のシステム。
27. 前記コントローラはさらに、機械学習または進化的アプローチを使用して、前記加重係数を割り当てるように構成される、請求項２４に記載のシステム。
28. 前記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、前記複数の準最適周波数のうちの第１のものに基づいて、前記複数の準最適周波数のうちの第２のものを決定するように構成される、請求項２３に記載のシステム。
29. 前記パラメータのうちの少なくとも１つを決定するために、前記標的領域または前記トランスデューサと前記標的領域との間に位置する非標的領域の画像を入手するための撮像システムをさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
30. 前記撮像システムは、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴撮像デバイス（ＭＲＩ）、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、または超音波検査デバイスのうちの少なくとも１つを備える、請求項２９に記載のシステム。
31. 前記複数のパラメータは、前記標的領域における音響エネルギー吸収の第１の量、前記トランスデューサと前記標的領域との間に位置する非標的領域における音響エネルギー吸収の第２の量、前記非標的領域を通して伝搬する音響エネルギー減衰の量、前記集束帯の操向角、または前記集束帯の面積のうちの少なくとも１つを備える、請求項２９に記載のシステム。
32. 前記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、前記画像に基づいて、前記トランスデューサに対する前記標的領域の空間構成を決定するように構成される、請求項３１に記載のシステム。
33. 前記空間構成は、配向または場所のうちの少なくとも１つを備える、請求項３２に記載のシステム。
34. 前記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、前記トランスデューサに対する前記標的領域の空間構成に基づいて、前記操向角を算出するように構成される、請求項３２に記載のシステム。
35. 前記コントローラはさらに、
    少なくとも部分的に、前記入手された画像に基づいて、前記非標的領域と関連付けられるリスクレベルを決定することと、
    少なくとも部分的に、前記リスクレベルに基づいて、前記最適超音波処理周波数を決定することと
    を行うように構成される、請求項２９に記載のシステム。
36. 前記コントローラはさらに、
    物理モデルを使用し、少なくとも部分的に、前記入手された画像に基づいて、前記標的領域および非標的領域の熱マップを予測することと、
    少なくとも部分的に、前記予測された熱マップに基づいて、前記最適超音波処理周波数を決定することと
    を行うように構成される、請求項２９に記載のシステム。
37. 前記コントローラはさらに、
    前記標的領域内の微小気泡の共鳴周波数を算出することと、
    少なくとも部分的に、前記微小気泡の前記共鳴周波数に基づいて、前記最適超音波処理周波数を決定することと
    を行うように構成される、請求項２３に記載のシステム。
38. 前記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、前記最適超音波処理周波数に基づいて、前記複数のトランスデューサ要素のうちの少なくとも１つの構成を決定するように構成される、請求項２３に記載のシステム。
39. 複数のスイッチを有するスイッチマトリクスをさらに備え、前記複数のスイッチのそれぞれは、トランスデューサ要素のサブ領域に接続され、前記スイッチのアクティブ化は、対応するサブ領域に超音波パルスを伝送させる、請求項３８に記載のシステム。
40. 前記コントローラはさらに、少なくとも部分的に、少なくとも１つの前記トランスデューサ要素の決定された構成に基づいて、前記スイッチのうちの少なくとも１つをアクティブ化するように構成される、請求項３９に記載のシステム。

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