特表 2024-544714 高強度集束超音波治療装置をパラメータ化する方法およびシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-12-03

(54)【発明の名称】高強度集束超音波治療装置をパラメータ化する方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   A61B 34/10 20160101AFI20241126BHJP

   A61N 7/02 20060101ALI20241126BHJP

【ＦＩ】

A61B34/10

A61N7/02

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024535648

(86)(22)【出願日】2022-12-16

(85)【翻訳文提出日】2024-07-31

(86)【国際出願番号】 FR2022052404

(87)【国際公開番号】W WO2023111487

(87)【国際公開日】2023-06-22

(31)【優先権主張番号】2113901

(32)【優先日】2021-12-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】502124444

【氏名又は名称】コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ

(71)【出願人】

【識別番号】524223345

【氏名又は名称】エダップ－テエムエス

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】シャティヨン，シルバン

(72)【発明者】

【氏名】カルドーゾ，ミシェル

(72)【発明者】

【氏名】ギラン，ニコラ

【テーマコード（参考）】

4C160

【Ｆターム（参考）】

4C160JJ33

4C160JJ35

4C160JJ36

4C160MM32

(57)【要約】

本発明は、高強度集束超音波（ＨＩＦＵ）治療装置（１５０）内に組み込まれたパラメータ化方法およびシステム（１００）に関する。パラメータ化システムは、一方では被治療部位内の組織領域の幾何学的および生理学的パラメータ、他方では治療パラメータに基づいて上記部位内の超音波場の分布を予測することを可能にするリアルタイムシミュレーションユニット（１４０）を含む。計算は、メタモデルによってリアルタイムで実行され、超音波場は、事前計算され、データベースに格納された超音波場のマップの補間から推定され、マップは、当該組織領域の幾何学的および生理学的パラメータの異なる値に関連付けられる。その後、治療中の各点に加えられる温熱量が計算され、組織反応が推定される。施術者は、被壊死組織領域および温存すべき組織領域に従って、シミュレートされた治療が使用されていることをいつでも確認することが可能である。治療パラメータは、上記の対象に適合するように反復的に調整することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

患者の被治療部位の少なくとも１つの組織領域を壊死させるための超音波プローブを備えたＨＩＦＵ治療装置（１５０）をパラメータ化する方法であって、治療は、複数の超音波ショットを含み、特に、前記被治療部位に対するショット毎のプローブの位置および配向を定義する治療パラメータによって特徴付けられ、前記被治療部位は、少なくとも１つの被壊死組織領域および１つの被温存組織領域を含む異なる組織領域によってモデル化され、各組織領域は、幾何学的パラメータおよび生理学的パラメータによって特徴付けられ、前記パラメータ化する方法は、
前記被治療部位の各組織領域の前記幾何学的パラメータおよび生理学的パラメータの異なる値について事前計算された超音波場マップが格納されているデータベースを使用して、メタモデルによって前記被治療部位内の超音波場を推定するステップ（２２０）であって、前記超音波場の推定値は事前計算されたマップの補間によって得られる、ステップと、
この部位内の前記超音波場から、前記被治療部位内のグリッド上の各点に加えられる温熱量を推定するステップ（２３０）と、
前記グリッド上の各点における組織反応を推定して、加えられる前記温熱量がこの点で壊死を引き起こすか否かを判定し、これにより、推定された壊死領域および推定された温存領域を定義するステップ（２４０）と、
推定された前記壊死領域と前記被壊死組織領域との間の差に依存するコスト関数を最小化するために、被温存領域が推定された前記温存領域内にあるという条件で、前記治療パラメータを調整するステップ（２５０）とを含む、ＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項2】

前記コスト関数が、複数の単位コスト関数の和を含み、前記単位コスト関数の各々が、ショット、被壊死組織領域、または被壊死組織領域の部分領域に関連付けられ、および／または、
１以上のショットによって壊死したと推定される領域またはその部分領域と、対応する被壊死領域またはその部分領域との差、
１以上のショット後に壊死した健常な組織の体積、
１以上のショットの全体的な持続時間、
１セットのショット、特に全てのショットを実行するためのプローブの位置の数、
２つの連続ショットの間の休止期間またはそのような休止期間の和、
の中から選択される少なくとも１つの対象を最小化または最大化することを意図する関数である、請求項１に記載のＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項3】

前記治療パラメータが、前記超音波ショットの持続時間および繰り返し率をさらに含む、請求項１または２に記載のＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項4】

前記プローブが、複数のトランスデューサを備え、前記治療パラメータが、トランスデューサ素子の全てに適用される位相および／または振動数および／またはべき乗法則を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項5】

組織領域の生理学的パラメータが、密度、比熱、組織熱伝導率、血液または組織血液潅流速度の少なくとも１つのパラメータを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項6】

前記事前計算されたマップを補間することによって、前記超音波場が前記プローブの局所基準座標系内で推定され、前記被治療部位内の前記超音波場の分布は、基準座標系を変更することによって推測する、請求項１から５のいずれか一項に記載のＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項7】

前記温熱量は、各超音波ショット中に前記グリッド上の各点で吸収される超音波エネルギーを考慮に入れて、前記異なる組織領域における熱伝達方程式を解くことによって推定される、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項8】

前記治療の結果が、前記グリッド上の各点において、基準温度と同等の曝露時間の形態でその点で吸収された温熱量を計算することによってシミュレートされ、前記組織領域は、その時間が所定の閾値を超える場合、その点において壊死しているとみなされ、そうでなければ温存されているとみなされる、請求項１から７のいずれか一項に記載のＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項9】

前記コスト関数は、被壊死組織領域の範囲と、推定された壊死組織領域の範囲との差に依存する、請求項８に記載のＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項10】

前記治療パラメータを調整するステップ（２５０）中に、前記治療パラメータが、勾配降下、確率的勾配降下、または遺伝的アルゴリズムを使用して反復的に調整される、請求項１から９のいずれか一項に記載のＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項11】

少なくとも１つの治療パラメータ調整反復について、推定された壊死組織領域および／または推定された温存組織領域は、被壊死組織領域および／または被温存組織領域が被治療部位の画像に重なるようにディスプレイ上に表示される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法。

【請求項12】

患者の被治療部位の少なくとも１つの組織領域を壊死させるための超音波プローブを備えたＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化するシステムであって、治療は、複数の超音波ショットを含み、特に、被治療部位に対するショット毎のプローブの位置および配向を定義する治療パラメータによって特徴付けられ、被治療部位は、少なくとも１つの被壊死組織領域および１つの被温存組織領域を含む異なる組織領域によってモデル化され、各組織領域は、幾何学的および生理学的パラメータによって特徴付けられ、前記パラメータ化するシステムは、
前記被治療部位の各組織領域の前記幾何学的および生理学的パラメータの異なる値について事前計算された超音波場マップが格納されるデータベース（２１０）を使用して、メタモデルによって被治療部位内の超音波場を推定するためのモジュール（２２０）であって、前記データベースから抽出された事前計算されたマップの補間によって超音波場を推定するモジュール（２２０）と、
この部位内の超音波場から、被治療部位内のグリッド上の各点に加えられる温熱量を推定するためのモジュール（２３０）と、
前記グリッド上の各点で組織反応を推定して、加えられる温熱量がこの点で壊死を引き起こすか否かを判定し、これにより、推定された壊死領域および推定された温存領域を定義するためのモジュール（２４０）と、
推定された前記壊死領域と被壊死組織領域との間の差に依存するコスト関数を最小化するために、被温存領域が推定された前記温存領域内にあるという条件で、治療パラメータを調整するためのモジュール（２５０）と、を含むシステム。

【請求項13】

前記治療パラメータが、前記超音波ショットの持続時間および繰り返し率をさらに含む、請求項１２に記載のシステム。

【請求項14】

前記プローブが複数のトランスデューサを含み、前記治療パラメータが、トランスデューサ素子の全てに適用されるべき位相および／または振動数および／またはべき乗法則を含む、請求項１２または１３に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、高強度集束超音波（ＨＩＦＵ）を使用する治療装置に関する。特に、その装置は、遠隔熱アブレーションにより、中間組織を温存しながら腫瘍を破壊するために使用する。

【背景技術】

【0002】

高強度集束超音波（ＨＩＦＵ）治療では、焦点式超音波ビームのエネルギーを使用して生物組織を修正または破壊することを伴う。組織は、タンパク質凝固によって破壊され、これにより、不可逆的な細胞損傷およびアポトーシスが引き起こされる。

【0003】

この技術は、良性または悪性腫瘍（前立腺癌、肝転移、または脳腫瘍）の熱アブレーションに広く使用されている。この技術は、経皮的（すなわち、非侵襲的）であり、周囲の健常な組織を温存できるという利点を有する。

【0004】

ＨＩＦＵ治療は、一般に、フェーズドアレイマルチトランスデューサプローブを使用する。超音波ショット毎に、遅延則および振幅則がトランスデューサの様々な要素に適用され、所定の点に集束ビームを形成する。この動作は、繰り返し率（繰り返し頻度）およびパルスエネルギーを選択しながら、破壊すべき対象部位内の異なる点で繰り返される。

【0005】

治療プロトコルを適用する前に、施術者は、加えられる温熱量が健常な部位を温存しながら対象部位を破壊するのに十分であることを保証しなければならない。そのために、対象部位を点のグリッドでメッシュ化し、集束超音波ショットのシミュレーションを、グリッド上の各点で、または隣接点のグループで実行する。次いで、組織における熱伝達方程式を解くことによって各点における温度上昇を推測する。ＨＩＦＵ治療プロトコルを検証するための一方法が、特許文献１に記載されている。

【0006】

このシミュレーション方法は、超音波が伝搬する媒体が均一であるときには比較的良好に機能するが、いくつかの組織部位をモデル化しなければならないとき、特に高い空間分解能が必要とされるときには、かなり複雑になる。したがって、患者の様々な組織の特性に基づいて超音波場をシミュレートすることは、従来のパーソナルコンピュータ上で数時間かかる可能性があり、これは、外来治療には適さない。

【0007】

また、シミュレートされたデータベースから生成されたメタモデルを使用することによって、ＨＩＦＵ治療のシミュレーションを大幅に高速化することも提案されている。これは、Ｎ個の不確定パラメータのセット、この場合、シミュレーションに影響を及ぼす患者の生理学的および解剖学的パラメータ、ならびにそれらの想定される変動範囲を定義することによって実現できる。このデータベースは、寸法Ｎ（基本構成）のこの空間内のすべての可能な構成に対して超音波場のシミュレーションを一度だけ（オフラインで）実行することによって取得できる。この第１のシミュレーションでは、基本構成毎に超音波圧力場分布が得られる。

【0008】

次いで、様々な以前の構成について取得したシミュレーション結果を補間することによって、すなわち、データベースに含まれる超音波圧力場を補間することによって、第２のシミュレーションが（オンラインで）実行される。これはメタモデルと呼ばれる。何故なら、正確であると想定される直接シミュレーションモデルを、誤差を制御することができるはるかに速い、さらにはリアルタイムの補間器に置き換えることを伴うからである。

【0009】

このようなＨＩＦＵ超音波場をシミュレートするための方法は、２０２１年出版の物理学会誌１７６１に掲載されたＳ．シャティオン（Ｓ． Ｃｈａｔｉｌｌｏｎ）らの論文「ＣＩＶＡ ＨｅａｌｔｈＣａｒｅプラットフォームを用いた代用モデルに基づく高密度のＨＩＦＵシミュレーションの応用（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ ＨＩＦＵ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｕｒｒｏｇａｔｅ ｍｏｄｅｌｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＣＩＶＡ ＨｅａｌｔｈＣａｒｅ Ｐｌａｔｆｏｒｍ）」に記載されている。

【0010】

患者の生理学的および解剖学的パラメータを完全に知ることができれば、このシミュレーション法によって、確立されたプロトコルで生じる病変を推定することができるようになり、よって、それが、破壊すべき対象部位および温存すべき健常な組織に関して課された制限に従っているかを確認することができる。施術者が想到する治療プロトコルが上記の制限に従っていない場合、施術者は、それを経験的に修正し、新たなオンラインシミュレーションを実行しなければならない。プロセスの収束は、比較的遅く、最適とは言えない解となる可能性がある。

【0011】

したがって、本発明の目的は、上述の欠点を有さず、特に患者の生理学的パラメータ、壊死すべき対象部位、および温存すべき健常な部位に基づいて準最適なパラメータ化を非常に迅速に行うことができる、ＨＩＦＵ治療装置に埋め込まれたパラメータ化方法およびシステムを提案することである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０２１／００００５４１号明細書

【発明の概要】

【0013】

本発明は、患者の被治療部位の少なくとも１つの組織領域を壊死させるための超音波プローブを備えたＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化する方法によって定義され、上記治療が複数の超音波ショットを含む点において独自性があり、また、治療パラメータが、特に、被治療部位に対するショット毎のプローブの位置および配向を定義する点において独自性があり、被治療部位は、少なくとも１つの被壊死組織領域および１つの被温存組織領域を含む異なる組織領域によってモデル化され、各組織領域は、幾何学的パラメータおよび生理学的パラメータによって特徴付けられ、上記パラメータ化する方法は、
上記部位の各組織領域の幾何学的および生理学的パラメータの異なる値について事前計算された超音波場マップが格納されているデータベースを使用して、メタモデルによって被治療部位内の超音波場を推定するステップであって、超音波場推定値は事前計算されたマップの補間によって取得される、推定するステップと、
この部位内の超音波場から、被治療部位内のグリッド上の各点に加えられる温熱量を推定するステップと、
上記グリッド上の各点における組織反応を推定して、加えられる温熱量がこの点で壊死を引き起こすか否かを判定し、これにより、推定された壊死領域および推定された温存領域を定義するステップと、
推定された壊死領域と被壊死組織領域との間の差に依存するコスト関数を最小化するために、被温存領域が推定された温存領域内にあるという条件で、治療パラメータを調整するステップとを含む。

【0014】

上記治療パラメータはまた、超音波ショットの持続時間および繰り返し率を含むことができる。

【0015】

プローブが複数のトランスデューサを含む場合、上記治療パラメータは、トランスデューサ素子の全てに適用されるべき位相および／または振動数および／またはべき乗法則を含むことができる。

【0016】

組織領域の生理学的パラメータは、例えば、密度、比熱、組織熱伝導率、血液または組織血液潅流速度のうちの少なくとも１つのパラメータを含む。

【0017】

超音波場は、上記事前計算されたマップを補間することによってプローブの局所基準座標系内で推定することができ、被治療部位内の超音波場の分布は、基準座標系を変更することによって推測する。

【0018】

温熱量は、各超音波ショット中にグリッド上の各点で吸収される超音波エネルギーを考慮に入れて、異なる組織領域における熱伝達方程式を解くことによって推定される点が有利である。

【0019】

治療の結果は、グリッド上の各点において、基準温度と同等の曝露時間の形態でその点において吸収された温熱量を計算することによってシミュレートすることができ、組織は、その時間が所定の閾値を超える場合、その点において壊死しているとみなされ、そうでなければ温存されているとみなされる。

【0020】

代替の実施形態によれば、コスト関数は、被壊死組織領域の範囲と、推定された壊死組織領域の範囲との間の差に依存する。

【0021】

コスト関数は、様々な方法で定義することができる。

【0022】

代替実施形態によれば、コスト関数は、ショットの各々に関連付けられる単位コスト関数の和として定義される。
ある代替の実施形態によれば、コスト関数は、複数の単位コスト関数の和を含み、上記単位コスト関数の各々は、被壊死組織領域、または被壊死組織領域の部分領域と共に１ショットに関連付けられ、および／または、
１以上のショットによって壊死したと推定される領域またはその部分領域と、対応する被壊死領域またはその部分領域との差、
１以上のショット後に壊死した健常な組織の体積、
１以上のショットの全体的な持続時間、
１セットのショット、特に全てのショットを実行するためのプローブの位置の数、
２つの連続ショットの間の休止期間またはそのような休止期間の和、
の中から選択される少なくとも１つの対象を最小化または最大化することを意図する関数である。

【0023】

これをまとめると、１つ以上の単位コスト関数は、治療によって提供されるショットのすべてから生じる１以上の関数であってもよく、したがって、特に、１つ以上の被壊死組織領域のすべてをカバーすることを目的とする。

【0024】

被壊死組織領域の部分領域は、この領域の一部である。

【0025】

単位コスト関数がそれぞれ異なるショットに関連付けられる場合、好ましくは、これらの異なるショットは、被壊死組織領域の異なる部分領域に向けられる。

【0026】

単位コスト関数が、被壊死領域の部分領域に関連付けられている場合は、１の（単一の）ショットまたは複数のショットを、当該部分領域に対して提供することができる。

【0027】

特定の代替実施形態では、単位コスト関数の各々は、異なるショットのうちの１つにそれぞれ関連付けられ、異なるショットは、好ましくは、被壊死領域の別個の部分領域に向けられる。

【0028】

特定の代替実施形態では、被壊死領域の部分領域毎に、１つのショットまたは複数のショットが提供されて、単位コスト関数の各々が、被壊死領域の部分領域にそれぞれ関連付けられる。

【0029】

さらに、特定の代替実施形態では、コスト関数は、単位コスト関数の和によって定義され、単位コスト関数の各々は、上述の対象の中から選択される、最小化すべき少なくとも１つの対象を最小化することを目的とする。

【0030】

特定の代替の実施形態によれば、治療パラメータは、勾配降下、確率的勾配降下、または遺伝的アルゴリズムを使用して反復的に調整される。

【0031】

少なくとも１つの治療パラメータ調整反復について、推定された壊死組織領域および／または推定された温存組織領域は、被壊死組織領域および／または被温存組織領域が被治療部位の画像に重なるようにディスプレイ上に有利に表示される。

【0032】

本発明は、さらに、患者の被治療部位の少なくとも１つの組織領域を壊死させるための超音波プローブを備えたＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化するためのシステムに関し、上記治療は、複数の超音波ショットを含み、特に、被治療部位に対するショット毎のプローブの位置および配向を定義する治療パラメータによって特徴付けられ、被治療部位は、少なくとも１つの被壊死組織領域および１つの被温存組織領域を含む異なる領域によってモデル化され、各組織領域は、幾何学的および生理学的パラメータによって特徴付けられ、上記パラメータ化システムは、
上記部位の各組織領域の幾何学的および生理学的パラメータの異なる値について事前計算された超音波場マップが格納されるデータベースを使用して、メタモデルによって被治療部位内の超音波場を推定するためのモジュールであって、上記データベースから抽出された事前計算されたマップの補間によって超音波場を推定するためのモジュールと、
この部位内の超音波場から、被治療部位内のグリッド上の各点に加えられる温熱量を推定するためのモジュールと、
上記グリッド上の各点における組織反応を推定して、加えられる温熱量がこの点で壊死を引き起こすか否かを判定し、これにより、推定された壊死領域および推定された温存領域を定義するためのモジュールと、
推定された壊死領域と被壊死組織領域との間の差に依存するコスト関数を最小化するために、被温存領域が推定された温存領域内にあるという条件で、治療パラメータを調整するためのモジュールと、を含む。

【0033】

上記治療パラメータは、超音波ショットの持続時間および繰り返し率をさらに含む。

【0034】

プローブが複数のトランスデューサを含む場合、上記治療パラメータは、トランスデューサ素子の全てに適用されるべき位相および／または振動数および／またはべき乗法則を含むことができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照してなされる本発明の好ましい実施形態を読めば明らかになるであろう。

【図1】本発明の一実施形態による、ＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化するためのシステムを図式的に示す。

【図2】図１に示されるパラメータ化システムにおいて使用されるシミュレーションモジュールを図式的に示す。

【図3】図２で使用される超音波場強度の分布を予測するための方法を図式的に示す。

【図4】図２で使用される、被治療部位に加えられる温熱量を推定するための方法を図式的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下、導入部で説明したような高強度集束超音波治療装置について説明する。この装置は、その形状が集束則を決定する単一の圧電トランスデューサプローブ、またはより一般的にはマルチトランスデューサプローブを備えることができ、その集束則は、様々な圧電素子に対する音響パワーおよび遅延の分布によって決定される。以下の説明では、例示のために、また、一般化を損なうことなく、プローブがマルチトランスデューサプローブであると仮定する。治療は連続ショットによって実行され、各ショットは、位相、振幅、または振動数の所与の分布の適用に対応させる。トランスデューサと対象部位との間に不均一な媒体が存在すると、特定の位相、振幅、または振動数値が各トランスデューサ素子に適用される。例えば、音響減衰が高い媒体（例えば、器官または腫瘍）による吸収は、特定のトランスデューサ素子のパワーを上げることによって、または、焦点におけるエネルギー寄与のバランスをとるように送信振動数を減少させることによって、補償することができる。

【0037】

本発明は、所与の被治療部位について超音波プローブをパラメータ化するために、ＨＩＦＵ治療装置に追加することができる、またはＨＩＦＵ治療装置に組み込むことができるプラグインモジュールを提供することに基づいている。

【0038】

より具体的には、施術者は、まず、患者の身体において被治療部位を定義し、この部位は、温熱効果（所与の期間の間、局所温度を所定の閾値まで上昇させること）による被壊死部分（癌性組織、転移など）と、被温存部分（健常な組織）とを含む。

【0039】

図１に、本発明によるパラメータ化システムに関連付けられたＨＩＦＵ治療装置を図式的に示す。

【0040】

ＨＩＦＵ装置は、参照番号１５０で表され、その超音波プローブ１６０が取り付けられている。

【0041】

パラメータ化システム１００は、ＨＩＦＵ装置から被治療部位およびプローブの特徴を表すデータを受信することができ、代わりに当該部位に高周波の音波を当てるためのパラメータを提供することができる。

【0042】

パラメータ化システムは、本質的に、被治療部位内の超音波場の強度をショット毎に推定し、そこからこの部位内の各点に加えられる温熱量を推測するために使用される、シミュレーションモジュール１４０を備える。

【0043】

パラメータ化システムは、撮像装置１１０、ユーザインターフェース１３０、およびグラフィカルインターフェース１２０を備えることができる点が有利である。

【0044】

施術者は、撮像装置のディスプレイ上で被治療部位を見て、一連のショットの形態で治療を計画することができ、各ショットは、被治療部位に対するプローブの配置（それに対するプローブの位置および配向）、焦点、言い換えると、プローブの様々な要素に印加されるパルスに対する遅延則、パルスエネルギー（適用可能な場合、出力および持続時間）、さらには超音波振動数によって規定される。

【0045】

代替的に、ショットのシーケンスは、ＨＩＦＵ装置と、パラメータ化システムに送信される対応するデータとを使用して、施術者が事前に定義してもよい。これは、特に、患者の以前の治療がＨＩＦＵ装置に記録されている場合に可能となる。

【0046】

いずれの場合も、被治療部位および連続ショットは、撮像装置のディスプレイ上で目視することができる。この装置は、例えば、従来の超音波診断装置であってもよい。

【0047】

ユーザインターフェースを使用して、施術者は、追加のショットを定義したり、またはプログラムされたショットを削除したり、プローブの位置および／または配向を修正したり、またはショットの出力および／または持続時間または繰り返し頻度を調整したりなどができる。一連のショットは、被治療部位の画像の上に重ねて表示することができる。

【0048】

公称治療パラメータが定義されると（プローブ位置および配向、ショットの出力および持続時間、超音波振動数、ショット繰り返し頻度など）、シミュレーションモジュールは、以下に説明するように、ほぼリアルタイムでショット毎の超音波場の空間分布を計算し、これを使用して、組織における温熱量の分布を推測する。ショットのシーケンスの効果をほぼリアルタイムでシミュレートするこの機能は、治療が外来ベースで実行できるようになるので、必須である。

【0049】

次いで、温熱量をディスプレイ画面上にマッピングすることができ、どの部分が壊死しており、どの部分が温存されているかを、閾値との比較によって推測することができる。したがって、施術者は、ＨＩＦＵ治療計画が所望の対象に合致しているかどうかをチェックし、合致している場合、ＨＩＦＵ装置への治療パラメータの転送を検証することができる。

【0050】

モジュール１４０は、それ自体で、シミュレーションの結果を所望の対象と比較し、治療計画に沿うようにＨＩＦＵ治療装置のパラメータを反復的に修正することができる。例えば、シミュレーションモジュールは、被治療部位に対するプローブの位置および／または配向、ショットの出力および／または持続時間、ショットの速度等を調整することができる。

【0051】

いずれの場合も、治療装置のパラメータ化の適合性は、パラメータがＨＩＦＵ装置に転送される前に、施術者がユーザインターフェースを使用して検証する。

【0052】

図２は、図１に示すパラメータ化システムにおいて使用されるシミュレーションモジュールを図式的に示す。

【0053】

このシミュレーションモジュールは、データベース２１０を使用して、被治療部位内の超音波場の強度を予測するためにメタモデルを使用する。より具体的には、被治療部位の構成は、それを異なる組織領域に分解することによってモデル化され、各組織領域は、幾何学的および生理学的パラメータによって特徴付けられる。

【0054】

被治療部位の構成は、それを構成する組織領域の幾何学的パラメータおよび物理的パラメータに応じて、患者毎に異なる場合もある。組織領域とは、例えば、脂肪、血液、皮膚、または器官の柔組織などである。

【0055】

異なる組織領域の幾何学的パラメータは、例えば、厚さ、曲率半径、およびそのような領域の形状または体積を記述する任意の他のパラメータなどが考えられる。

【0056】

組織領域の生理学的パラメータは、特に、組織の音響減衰係数、音響インピーダンス、密度、比熱、熱伝導率、および温度などを含むことができる。

【0057】

データベースは、この部位の複数の可能な構成および複数の治療パラメータに対応する、被治療部位内の音響場の強度を示すマップを含む。より具体的には、上記複数の各構成について、データベースは、被治療部位内の圧力場を示すマップを含む。

【0058】

例えば、データベースは、皮膚や脂肪層の厚さ、器官の幾何学的および／または生理学的パラメータのサイズまたは値等の違いに対応する圧力場を示すマップを含む。このマップは、異なる治療パラメータ、特に、プローブと被治療部位の異なる相対位置および配向に対応する形でデータベースに格納することができる。

【0059】

各マップは、これらＮ個の幾何学的および物理的パラメータのＮ組サンプルに関連付けられている。例えば、このデータベースは、プローブの所与の傾斜、皮膚の所与の厚さ、脂肪の所与の厚さ、および器官における音響減衰の値に対して上記の被治療部位内の音響場の強度の事前計算された分布を含む。これらの構成の各々について、この分布それ自体は、オフラインシミュレーション（例えば、ＣＩＶＡシミュレーションプラットフォームを使用する）によって取得されたものである。そのようなシミュレーションは、かなりのコンピューティングリソースを必要とし、したがって、リアルタイム制限には不適合であることに留意することが重要である。

【0060】

予測モジュール２２０は、データベースから、想定される治療プロトコルを定義するものに最も近い幾何学的および物理的パラメータに対応する超音波場マップを１つ以上抽出する。治療プロトコルは、特に、被治療部位に対するプローブの連続的な位置および配向を含む。

【0061】

これらの治療パラメータは、ＨＩＦＵ装置によって最初に供給される公称パラメータ、および／または撮像装置１１０およびユーザインターフェース１３０を使用して施術者が修正する公称パラメータとすることができる。

【0062】

予測モジュールは、このようにして得られた超音波場マップを補間して、治療の幾何学的および物理的パラメータに対応するマップを取得する。

【0063】

この超音波場マップは、プローブの局所基準座標系内のショット毎に取得され、次いで、基準座標系を被治療部位の基準座標系内のマップに変更することによって変換される。

【0064】

被治療部位のマップは、加えられる温熱量を推定するためにモジュール２３０に供給される。このモジュールは、被治療部位内の点のグリッド上の各点に超音波エネルギーが供給されることによって誘発される温度上昇を計算する。

【0065】

次いで、組織反応を推定するためのモジュール２４０は、グリッド上の各点において、経時的な熱加熱の蓄積に対応して加えられる温熱量が組織壊死を引き起こすか否かを判定する。これを行うために、このモジュールは、データベース２１０に格納された様々な組織の生理学的パラメータにアクセスすることができる。例えば、所与の組織について、加えられる温熱量閾値を超えることで、組織が破壊されたと結論付けるための１つの基準とすることができる。しかしながら、当該期間にわたってこの閾値を超えない場合には、組織は温存されていると見なすことができる。必要に応じて、判定基準は、当該組織について既に得られた統計に基づいて、破壊の確率として表される。

【0066】

これにより、壊死された領域または組織壊死の確率のマップを、撮像装置１１０のディスプレイ上の被治療部位の画像の上に重ねることができる。

【0067】

有利には、治療パラメータを調整するためのモジュールは、被破壊領域上の各点で観察される差に応じたコスト関数を使用する。このコスト関数は、被温存領域において破壊基準が満たされないという条件で最小化される。必要に応じて、異なる被破壊領域には、治療に含めることの重要性に応じて、コスト関数における重み係数が割り当てられる。

【0068】

コスト関数は、単位関数の和として表すことができる。

【0069】

これらの単位関数は、特に、各ショットに関連付けることができる。そのような場合、各単位関数は、特に、ショット中のプローブの位置および配向、パルスの出力および持続時間、ならびにこのショット中に適用される（焦点の位置を与える）集束則に依存することができる。

【0070】

単位関数はまた、被壊死組織領域と関連付けることができる。

【0071】

特に、いくつかの場合において、被壊死組織領域は、複数の部分領域を含むと見なすことができる。そのような場合、コスト関数は、単位コスト関数の和を含むことができ、各単位コスト関数は、部分領域のうちの１つに関連付けられる。言うまでもなく、壊死すべき組織領域または部分領域毎に１以上のショットを使用することができる。

【0072】

単位コスト関数がショットに関連するかどうか、被壊死組織領域もしくは部分領域に関連するかどうか、または被壊死領域のすべてに関連するかどうかにかかわらず、単位コスト関数は、１つ以上の最適化すべき対象を考慮に入れることができる。これらの対象は、特に、
１以上のショットによって壊死したと推定される領域またはその部分領域と、対応する被壊死領域またはその部分領域との差、
１以上のショット後に壊死した健常な組織の体積、
１以上のショットの全体的な（累積的な）持続時間
１セットのショット、特に全てのショットを実行するためのプローブの位置の数、および
２つの連続ショットの間の休止期間またはそのような休止期間の和、を含むことができる。

【0073】

これらの対象は、特に患者の快適さを改善し、および／または治療装置の利用可能性を最適化するために、コスト関数において考慮される。

【0074】

制限されたコスト関数は、例えば、ラグランジェ乗数を各温存すべき領域に関連付けることによって、ラグランジェ乗数を使用する従来の方法で最小化することができる。

【0075】

コスト関数は、勾配降下、またはショットの数が多い場合は確率的勾配降下、または例えば差分進化型の遺伝的アルゴリズムを使用して最小化することができる。

【0076】

その後、得られた新しい治療パラメータを、超音波場の新しい予測のために予測モジュール２２０に注入する。

【0077】

各反復において、施術者は、壊死領域および温存部位のマップを見て、ＨＩＦＵ装置への治療パラメータの転送を検証することができる。

【0078】

図３は、図２で使用される超音波場強度の分布を予測するための方法を図式的に示す。

【0079】

この予測方法は、被治療部位が、ステップ３１０において、異なる組織領域に既にモデル化され、各組織領域は、上述のような幾何学的および／または生理学的パラメータによって特徴付けられることを想定している。

【0080】

また、ステップ３２０において、治療プロトコルが、被治療部位に対するプローブの位置および配向、ならびにプローブの様々なトランスデューサ素子に印加されるパルスの出力、持続時間、遅延／位相則および振動数などの治療パラメータを使用してショット毎にモデル化されていることを想定している。ショットのシーケンスは、必要に応じてスライスに分割することができる、被治療部位に対するプローブの軌道によって記述することができる。

【0081】

組織領域の幾何学的および生理学的パラメータ、ならびに治療パラメータに基づいて、これらのパラメータの関連する構成、例えば、これらのパラメータの周囲の範囲に属する値に最も近い、または関連する構成についてデータベースを検索する。次いで、これらの異なる構成に関連する事前計算された超音波場マップを、データベースから抽出する。

【0082】

ステップ３４０では、データベースから抽出された場のマップを補間することによって、プローブの局所基準座標系内の被治療部位内の超音波場強度分布を推定する。この推定は、治療プロトコルにおいてショット毎に繰り返される。

【0083】

最後に、ステップ３５０において、基準座標系がショット毎に変更され、被治療部位の基準座標系内で超音波場の分布を得るようにする。

【0084】

図４では、図２で使用される、被治療部位に加えられる温熱量を推定するための方法を図式的に示す。

【0085】

被治療部位は、点のグリッドによって空間的にサンプリングされる。

【0086】

ステップ４１０において、ショット毎に、グリッド上の各点で送達される音響エネルギーが、グリッド上の点毎に、ショットの出力および持続時間、ならびに様々な組織領域内の伝搬経路に沿った減衰を考慮して推定される。

【0087】

ステップ４２０において、明示的な有限差分法を用いて生体熱伝達方程式（ＢＨＴＥ）を解く。この方程式を解く方法の説明は、Ｊ． Ｃｈａｔｏ氏による「生体熱伝達の基礎」（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｂｉｏｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）スプリンガー社 ベルリン、ハイデルベルグ、１９９０年出版に記載されている。

【0088】

ＢＨＴＥは、以下のように表すことができる。

【0089】

【数1】

【0090】

式中、Ｔ_ｐは、点Ｐにおける時間ｔの温度であり、Ｔ_Ａは、動脈血の温度であり、ρ，Ｃ，およびｋは、それぞれ、密度、組織の比熱および組織の熱伝導率であり、Ｃｂおよびω_ｂは、それぞれ、血液の比熱および血液潅流速度であり、最後に、Ｑ_Ｐは、点Ｐで吸収された超音波エネルギーの密度である。

【0091】

初期条件は、体温および動脈血温によって定められる。音響インピーダンス整合を容易にするために、プローブと患者の身体との間のゲルまたは液体の温度などのような境界条件を設定することもできる。

【0092】

ＢＨＴＥを解くことにより、グリッド上の各点における経時的な温度変化を求めることができる。

【0093】

次いで、ステップ４３０において、グリッド上の各点に加えられる温熱量が推定される。温熱量は、従来、基準温度、すなわち４３℃への等価曝露時間として表すことができる。これは、Ｐ．レレ氏による「『組織化』された動物組織に対する超音波損傷の閾値とメカニズム」（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｄａｍａｇｅ ｔｏ “ｏｒｇａｎｉｚｅｄ” ａｎｉｍａｌ ｔｉｓｓｕｅｓ）と題された論文に記載がある。この論文は、超音波源の生物学的影響と特性評価に関するシンポジウム（Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｓｏｕｒｃｅｓ）、ロックビル（メリーランド州）のＤＨＥＷ（出版）ＦＤＡ７８－８０４８、２２４頁～２３９頁、１９７７年に出版されたものである。

【0094】

点Ｐでの基準温度に対する等価曝露時間は、次式によって定められる。

【0095】

【数2】

【0096】

式中、もしＴ_Ｐ＜４３℃ならばＲ＝０．２５であるが、そうでない場合、Ｒ＝０．５であり、ｔ_０およびｔ_ｅｎｄは、それぞれ、ＨＩＦＵ治療の始まりおよび終わりの時間である。

【0097】

等価曝露時間が所定の閾値を超える場合、組織は壊死していると見なされる。それ以外の場合は、温存されていると見なされる。

【0098】

組織破壊のための他の基準、例えば、閾値温度を超える温度への曝露時間は、本発明の範囲を逸脱することなく、当業者によって想定することができる。

【0099】

ＨＩＦＵ治療装置をパラメータ化するためのシステムにより、治療プロトコルをほぼリアルタイムでシミュレートすることができるようになり、必要に応じて、被治療部位における被壊死領域の輪郭および被温存領域の輪郭によって定義される対象を満たすように、公称パラメータが調整できるようになる。施術者は、反復プロセスにおいていつでも介入して制限を追加、または他の制限を除去したりすることができる。治療パラメータが検証されると、それらは、ＨＩＦＵ装置に転送され、治療が開始される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】