JP2003019176A

JP2003019176A - 人体用広面積超音波照射子

Info

Publication number: JP2003019176A
Application number: JP2001245010A
Authority: JP
Inventors: Hirohide Miwa; 博秀三輪; Ichizo Ito; 一造伊藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-07
Filing date: 2001-07-07
Publication date: 2003-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】使用上の利便性と信頼性の向上がなされた人
体用超音波照射子を提供する。【解決手段】超音波放射面を形成する基板に平板状の
ゴムを使用し、皮膚に接触しない基板に導電層を設け、
その導電層上に仕様の等しい複数個のセラミック系圧電
素子を、互いに適切な距離を保持して配置することを特
徴とし、前記の複数個のセラミック系圧電素子は矩形平
板で、各圧電素子は格子状に配置され、前記の板状ゴム
基材と導電層、導電層とセラミック系圧電素子とは、接
着材にて接合している超音波照射子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、使用上の利便性と
信頼性の向上がなされた人体に広面積に超音波を照射す
る技術分野に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波を生体に照射して生体内の脂肪を
分解する効果については、本願の発明者等が特願平ＰＣ
Ｔ／ＪＰ９８／００４８７で開示している。また、人体
に広面積に超音波を照射するものについての照射子の構
成は、特願２０００−１４９１３５で開示している。図
５は、特願２０００−１４９１３５にて示されている実
施例の構成説明図である。伸縮性の面状基材１３に複数
の超音波振動子１４が全面に配置され、音響結合材１５
を介して腹部体表に密着している。体表に接触する圧電
振動子の電極は接地電位、反対側電極には駆動電圧が印
加される。各電極は別置の高周波発生装置（図示せず）
よりケーブルを介して結合している。基材は伸縮性があ
り、生体腹部や大腿部等の３次元的な曲面に変形伸縮す
ることで振動子を体表に接触できる。超音波振動子は高
周波発生装置からの高周波電圧の印加により、印加周波
数で振動し、超音波を放射する。発生した超音波は音響
結合材を通過し、体表から体内に透過する。また、振動
子相互間には音響結合材が充填されるか、図６に示すよ
うに、基材と同じ物質などが充填されるとしている。本
照射子の固定は基材の背面に設けられた雄雌のマジック
テープ（登録商標）等（図示せず）でなされる。また、
特願２０００−１４９１３５では超音波振動子に有機圧
電膜を使用する例がしめされている。圧電膜の剛性が小
さく、体表に沿っての変形は容易であることから、大型
のシート状のまま使用できる。さらに、圧電膜の音響イ
ンピーダンスは、音響結合材の音響インピーダンスに近
く、このため、透過効率のよい照射子が実現できるとさ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、有機圧
電膜は、製造上の理由より、その厚さは数十μ程度であ
る。このため、圧電膜自体の厚み振動周波数は非常に高
く、１００ＭＨｚ以上となり、脂肪分解に有効な３００
〜１０００ｋＨｚの振動を得ることはできない。そこ
で、圧電膜の上下面をたとえば金属板等でサンドイッチ
にし、板を含めた振動モードにて、振動周波数を下げる
構造が考えられる。しかし、サンドイッチ構造ではロス
分が極めて大きくなることから、適切な照射パワーを得
ることは困難である。また、金属板等を使用すると、剛
性は大きくなり、大型のシート状のままでは体表に沿っ
た変形は不可能となる。以上のことから、現状で使用で
きる超音波振動子としては、セラミック系の圧電素子に
限定される。さて、セラミックは剛性が大きいこと、ま
た、種々の異なる体表面の曲がりに対しての汎用性を確
保するために、広面積の一体品をそのまま使用すること
はできない。このため、適当な寸法の円形圧電素子を複
数使用している。また、基材全体の剛性を減らすため、
振動子が配置される基材以外の部分には、図７に示すよ
うに、基材厚を貫通する切り込み溝１６が設けられ、３
次元に曲がりやすくしている。

【０００４】さて、圧電素子の電極構造には、図８に示
すような折り返し電極と、図９に示す両面全面電極とよ
ばれる構造がある。折り返し電極は、圧電素子の下部電
極１９の一部を上部まで引き出し、上部面の１部に上部
電極面２０と隔離して配置するもので、一方向からリー
ド線をひきだすことができる利点がある。しかし、折り
返した電極部に対応する部分と、電極が塗布されていな
い部分には電圧が印加されず、この部分は超音波放射の
有効面積から除外される。一方、両面全面電極は上下面
全体に設けられ、無効となる部分はなく、広面積放射子
に適する。さて、圧電素子相互間に充填物がない場合に
両面電極品を配置するは、人体に接触する面に半田づけ
部が生じ、半田づけ部を接着材等で覆い補強しても、体
表との接触外力に対して強度上の問題点がある。このこ
とから、コストや有効放射面積などの欠点があるもの
の、折り返し電極品の方が実用上は適する。照射子は複
数個の振動子がゼリー等の音響結合材を介して皮膚に直
接接触するが、離散的に配置される複数の振動子により
生じる凸部により、強く拘束すると皮膚に違和感を与え
ることや、照射子が体表に密着拘束されたとき、音響結
合材が振動子間の凹部に集積され、振動子と皮膚間に空
気層ができやすいことにある。空気層が発生すると、そ
の空気層にて超音波の反射が生じ、所望の音響パワーを
体内に送ることができない。空気層の存在は装着したま
までは確認は極めて困難である。このことから音響結合
材を大量に塗布し、振動子を皮膚に接蝕させた後はあま
り滑らさず軽く固定することが必要となる。一方、図７
に示すように、振動子間に基材と同じ物質などを充填
し、振動子の凸部をなくすような従来例においては、充
填物１７の厚さは圧電素子の厚さ以上が必要となる。板
材の剛性は板厚の３乗に比例して増大することから、こ
のような充填された照射子では、剛性が著しく大きくな
り、３次元的な曲面に変形伸縮する照射子を実現するこ
とは、困難である。音響結合材の塗布方法や固定方法等
の使用上の留意事項は、使用者にとって煩雑である。ま
た、皮膚に接触する側の振動子の電極は駆動回路のコモ
ンとなっていることから、コモン端子のアースがとられ
ていれば、通常では人体に漏洩電流がながれる危険はな
い。しかし、高電圧が加わる電極と皮膚との距離は数ｍ
ｍの距離であり音響結合材が十分充填されていなければ
極めて危険である。

【０００５】さらに、照射子を体表に取り付けたまま
で、上下左右に移動させたとき、先にのべた空気層の発
生という機能上の問題の他に、振動子が凸であることか
ら大きな剥離力が発生する。このため、面状基材と振動
子の結合状態によっては振動子が剥離する不具合が生じ
るため、結合は強固でなければならず、その結合方法の
実現は容易でない。さらに、基材は体表から一番外側に
なることから、照射子部材中最大の伸縮を要求される。
この伸縮性を確保するため、圧電素子が配置されていな
い部分の基材部に基材厚を貫通する切り込み溝を設け、
溝の広がりを利用する方法が提案されている。本方法に
て３次元的に曲げやすくなるが、一方、ゼリー等の音響
結合材が基材の裏面に漏れ出し、使用後の音響結合材処
置が煩雑となる。

【０００６】本発明はこれらの不具合を解消するもので
ある。本発明の目的は、使用上の利便性と品質の信頼性
及び耐久性の向上がなされた人体用広面積超音波照射子
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は次に述べる（１）〜（４）の構成を特徴と
している人体用広面積超音波照射子である。（１）超音波放射面を形成する基板に平板状のにゴムを
使用し、皮膚に接触しない基材に導電層を設け、その導
電層上に仕様の等しい複数個のセラミック系圧電素子を
互いに適切な距離を保持して配置することを特徴する。（２）前記の照射子において、平板状ゴム基板と導電
層、導電層とセラミック系圧電素子とは接着材にて接合
している。（３）前記の照射子において、セラミック系圧電素子は
矩形平板で、各圧電素子は格子状に配置されている。（４）上記の照射子において基板に導電性ゴムを使用し
ている。

【０００８】

【発明の実施形態】以下、本発明の実施形態について、
図面を参照しながら説明する。図１は本発明の人体用広
面積超音波照射子の構成例を示すものである。図１にお
いて、１はゴム基板、２は導体箔で形成される導電層、
３はセラミック系圧電素子、４は導電層と各圧電素子の
電極に高周波電圧を印加するリード線、５はクッション
材、６はカバーである。１、２、３は接着材にて接合さ
れている。２と４、３の圧電素子の電極面と４とは半田
づけされている。１のゴム板は比較的硬度がある材質
で、多量の圧電素子の荷重にたえるものが選択される。
５はスポンジ等の弾性材で、外力に対する振動子やリー
ド線の保護のため、全面を覆うように配置される。６の
カバーは防塵と防水を兼ねるもので、材質はゴム製であ
る。６のゴムは１のゴムより硬度が小さく、変位伸縮性
に富む材質が選択される。これは、照射子が体表曲面に
取り付けられたとき、最も外側にある６は１にくらべ大
きな伸びが必要となるからである。

【０００９】さて、３のセラミック系圧電素子は矩形で
あり、その電極は両面電極構造である。圧電素子は適当
な間隔をあけて配置されている。圧電素子の寸法や間隔
は装着される箇所により、適切な値に設定されている。
たとえば、腹部や大腿部のような比較的平坦な部分を目
標とする照射子では、圧電素子の寸法は大きくてよく、
一方、手首や足首のように曲率が小さい部分を目標とす
る照射子では、圧電素子の寸法は小さくなる。これは圧
電素子材の材質がセラミックであることで、剛性が大き
く、実質的には曲がることはできないことにある。よっ
て、圧電素子が配置されている部分のゴム板は体表に沿
って曲がることはできない。このことから、適当な間隔
を設け、この間隔部にあるゴム板の部分にて、大きな曲
げを生じさせ、実質的に照射子全体が体表の曲面に沿う
ようにしている。

【００１０】ここで、リード線から圧電素子の共振周波
数を有する電圧が印加されると、圧電素子は大きく振動
し、その結果、超音波を発生する。この超音波は導電層
とゴム板および各接着材層およびゼリー等の音響結合材
を介して、体表に照射される。各部材における超音波の
透過率は、公知のごとく各部材の音響インピーダンスの
差異による。従来例では、圧電素子は音響結合材に接触
ている。音響結合材の音響インピーダンスは人体の音響
インピーダンスとほぼ等しいことから、透過は圧電素子
と音響結合材との間の反射を考慮すればよいことにな
る。本発明では、圧電素子と音響結合材の間には先に述
べたように、導電層、ゴム板と２箇所の接着材層が存在
する。ここで、導電層と接着材層の厚さが波長にくらべ
十分に小さい場合、超音波が連続波であれば理論的に実
質的な反射はない。一方、天然ゴムに代表されるゴムの
音響インピーダンスは人体の音響インピーダンスにほぼ
等しく１．５×１０^６Ｎ・Ｓ／ｍ^３である。各種の合成
ゴムの音響インピーダンスもシリコンなどの特殊材質の
ものを除くと、天然ゴムとほぼ等しい値である。すなわ
ち、ゴム基板と音響結合材との間では反射は起らない。
なお、種々の音響結合材の音響インピーダンスとゴムの
音響インピーダンスとで差異が生じた場合の反射を考慮
し、ゴムの厚さは（１／４）λ×ｎにしておくと反射の
影響は最小限となる。ここで、λはゴムの中での波長
で、ｎは１、２、３・・の自然整数

【００１１】以上のことから、本発明の構成での体表に
おける超音波の透過強度は、従来例と同じである。さ
て、照射される超音波は、人体に広い範囲に均一の値で
あることが望ましく、そのためには、圧電素子のない部
分は少ないこと好ましい。このことは、圧電素子の形状
を矩形にすることでこのことで実現できる。実施例では
方形圧電素子の例を示している。

【００１２】圧電素子の寸法、間隔の例を示すと、方形
の１辺の長さＬは１５〜３０ｍｍ、また間隔は４〜１０
ｍｍ前後である。また、人体の３次元の曲面に対して最
も容易に曲がりやすくするため、圧電素子は格子状に配
置されている。ここで、圧電素子の厚さは４ｍｍ程度
で、脂肪分解効果が最も有効な周波数である５００ｋＨ
ｚ前後が得られる値である。方形状の振動子からの超音
波の音圧半減角θはＳＩＮθ＝０．６λ／Ｌである。径
をＤとする円形の場合は音圧半減角は０．７λ／Ｄで示
され、方形が円形よりやや広がる傾向にあるが大差はな
い。いずれにしても、ゴム板や音響結合材を通過する過
程において、超音波はかなり広がる。さらに、各圧電素
子の放射面は、体表の曲がりにより個々に異なり、超音
波の指向性は種々の方向をとる。これらのことから、圧
電素子が配置されない照射子に対応する体表内部の脂肪
層部分に、超音波エネルギィが全く到達しないという懸
念はない。また、各素子からの干渉の影響が強く現れる
近距離音場において、減衰がないとして計算される極大
点の大きさは、完全な平面波で干渉がないとして計算さ
れる値の高々２倍程度である。

【００１３】脂肪分解に効果のある超音波強度の範囲は
広く、５００ｋＨｚ付近では５〜２００ｍＷ／ｃｍ^２で
ある。この範囲では、溶血作用などの医学的な障害は発
生しない。そこで、たとえば、音場の強さを１００ｍＷ
／ｃｍ^２にすれば、干渉による極大点の強度は最大で２
００ｍＷ／ｃｍ^２であり、問題は発生しない。なお、日
本超音波医学会及び米国超音波医学会の定める出力基準
値によれば、連続波の場合の空間ピーク時間平均強さ
は、１，０００ｍＷ／ｃｍ^２以下とされている。

【００１４】ゴム板と導体箔との接着については、気泡
が混入しないこと。また、接着材の剛性が極端に大きく
ならないように、薄く塗布するればよい。また、導体箔
と圧電素子との接着においても同様である。注意すべき
ことは、体表に沿うゴム板のおおきな曲がりによって生
じる剥離力に対して、各部材が剥離しないようにするこ
とにある。特に圧電素子はセラミックであることから、
全く変形は起らず、導体箔と圧電素子の境界に大きな剥
離力が発生する。エポキシ樹脂に代表される、いわゆる
固い接着材はせん断強度は大きいが、剥離強度は小さ
い。また、接着層が薄い時には剥離強度は著しく減少す
る。

【００１５】このことから実施例では、図３に示す如
く、圧電素子と導体箔との面同士の接合には、せん断強
度の大きな接着材１１を使用し、周囲には剥離強度の大
きな弾性接着材１２で補強している。なお、圧電素子と
導体箔との接着層は導電性とするが、極めて薄くなるこ
とから、接着材が絶縁材（誘電体）であつても、導体箔
と圧電素子の電極間のキャパシテイは、圧電素子自身の
キャパシテイに比べ十分に大きくなり、印加される電界
のほとんどは圧電素子にかかる。よって、導電性の接着
材でなくてもよい。

【００１６】本構成においては、圧電素子の高電圧部分
は皮膚にふれる危険は全くないことは、明らかである。
以上述べてきたように、このように構成された超音波照
射子では、体表に接する面は平坦なゴム板であり、患者
への違和感は小さい。また、圧電素子の矩形状と行列配
置により、曲がりやすさや、有効な照射範囲の確保がな
されている。さらに、空気層の発生や、音響結合材の処
置等、使用上の煩わしさが改善された。また、圧電素子
の剥離の課題についても解消された。

【００１７】導電層は導体箔で形成したが、厚さのある
金属板では図４に示すように、圧電素子が配置されてい
ない部分の金属板のみに、格子上に切り込み溝１８を設
け、ゴム板の曲げに対して支障ないようにすればよい。

【００１８】さて、基板のゴムの材質として通常の絶縁
物に替え、導電ゴムを使用すると、導体箔または切り込
み溝を有する導体板からなる導電層を削除できる。この
場合、導電ゴムのシート抵抗分により、圧電素子に印加
される電界強度は低下するが、導電層の作製が不要のた
め、製造コストは大幅に安価になる利点がある。当然の
ことながらコモン電極は基板の導電ゴムとなる。図２
は、腹部に本発明による照射子が装着された様子を示し
たものである。７は照射子を人体に密着固定させる固定
用バンドで、端部に雄雌のマジックテープ８を設けたゴ
ム製帯の例を示した。

【００１９】

【発明の効果】請求項１、２に記載の発明によれば、皮
膚に接触する部分は平坦であり、照射子装着時に患者へ
の違和感は、大きく軽減される。また、その材質は柔軟
なゴムであり、体表の任意の曲面に従って変形し密着す
る。さらに、照射子表面には凸部はなく、音響結合材の
空気層や振動子の剥離にたいする懸念は解消される。請
求項３に記載の発明によれば、導電層を設けることが不
要であり、構成の簡素化とコストが改善できる。

【００２０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図

【図２】図１の照射子を腹部に装着説明図

【図３】導体箔と圧電素子との接合構造説明図

【図４】導体板に切り込み溝を設けた照射子の構造説
明図

【図５】従来例の照射子構成説明図

【図６】振動子相互間を充填した従来例の照射子構成
説明図

【図７】基材を貫通する切り込み溝を設けた従来例の
照射子構成説明図

【図８】圧電素子の折り返し電極構造説明図

【図９】圧電素子の両面電極構造説明図

【符号の説明】

１ゴム基板２導電層３セラミック系圧電素子４リード線５クッション材６カバー７固定用バンド８マジックテープ９腹部１０照射子１１せん断強度大の接着材１２剥離強度大の接着材１３面状基材１４超音波振動子１５音響結合材１６基材切り込み溝１７充填材１８金属板切り込み溝１９下部電極２０上部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4C074 AA04 BB01 BB05 CC01 DD05 GG11 4C099 AA01 CA11 GA02 JA13 NA02 5D019 AA26 BB02 BB19 BB25 BB28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波放射面を形成する基板に平板状のゴ
ムを使用し、皮膚に接触しない基板面に導電層を設け、
その導電層上に仕様の等しい複数個のセラミック系圧電
素子を互いに適切な距離を保持して配置することを特徴
する人体用広面積超音波照射子
【請求項２】１項の照射子において、平板状のゴム基板
と導電層、導電層とセラミック系圧電素子とは接着材に
て接合し、セラミック系圧電素子は矩形平板で、各圧電
素子は格子状に配置されている人体用広面積超音波照射
子
【請求項３】１項において、基板に導電性ゴムを使用す
る人体用広面積超音波照射子