JP2006526458A - 中央開口を有する超音波プローブ - Google Patents

Abstract

本発明は、患者を超音波治療するための、超音波治療用装置において中央開口２２を備えた超音波プローブに関する。プローブは、治療されるべき対象部位に接して設置されるのに適した正面部分を有し、且つ、対象部位を加熱すべく対象部位にて強度最大値を有する超音波場を放射するように構成される。中央開口２２は、放射強度パターンを改善し、且つ、送信器の洗浄を可能にする。

Description

本発明は、患者の超音波治療のための超音波用装置において、１またはそれを超える穴によって形成された中央開口を有する超音波プローブに関する。超音波プローブは、治療されるべき対象部位内に又は対象部位に接して設置されるようになされた正面部分を有し且つ対象部位の加熱のために対象部位にて強度最大値となる超音波場を放射するように構成される。中央開口は、放射強度パターンを改善しかつ送信器の洗浄を可能にする。

超音波による治療目的のために患者の組織を加熱することは、既に知られている。一般に、超音波場を放射するように協働するマルチ結晶を有する相整列トランスデューサが用いられてきた。マルチ送信器が制御され、焦点結びが達成される。相整列トランスデューサは、それ自体の費用に加えて、複雑で高価な電子機器を要求する。

単独または少数の送信器素子を有するトランスデューサが使用されてきた。これらのトランスデューサは、結晶を整形するか、または追加の機器によって超音波場の焦点結びをすることによって得られた固定焦点を有している。

放射された超音波場は、治療されるべき対象部位にて最大の強度となるようなパターンを有している。実例パターンが図６Ａに示される。所望の最大ピークＭに加えて、超音波場付近において低強度ではあっても別のピークＰがある。この、別のピークＰは、治療されるべき対象部位の外側に位置決めされること、したがって電力の浪費となることに加えて、それは不必要な加熱を生じる。腱または靱帯等の治療されるべき対象部位が表面近くにある場合には、このピーク付近が患者の皮膚に位置決めされ、痛みを生じる。

本発明の目的は、超音波場付近における不要なピークの効果を低減する超音波プローブを提供することにある。

第１の観点において、本発明は、プローブ本体と、焦点を合わされた超音波場を発生するトランスデューサ手段とを備え、超音波場の強度最大値が、対象部位の加熱をするように対象部位内に位置決めされる超音波プローブを提供する。

本発明によれば、トランスデューサ手段が中央開口を有し、その中央開口が超音波場付近において不要なピーク効果を減少するのに適し、その中央開口は、１またはそれを超える穴によって形成されている。

第２の観点において、本発明は、上述した超音波プローブの使用を提供する。
本発明は、添付特許請求の範囲の請求項１および２０に特定され、好適実施例が従属請求項に記載されている。

本発明は、温熱療法、特に椎間板の小侵襲超音波治療法に関連して以下に記載される。本発明は、腱および靱帯等の非侵襲治療にも適用でき、本発明は任意の特別の用途に限定されない。

組織の温熱療法および凝結のための方法は、高強度を有する、焦点を合わされた超音波の使用を伴う。超音波は軟質組織を良好に通過し、遠隔点の数立法ミリメートルの容積内に焦点を合わされる。組織内にエネルギが吸収されることにより、急激な温度勾配で温度が上昇するが、治療される容積の境界は明確に限定され、その周囲の組織にいかなる損傷をも与えないようにする。

小侵襲超音波治療においては、治療超音波トランスデューサが患者の皮膚に付けた小切開を介して挿入され、治療されるべき対象部位に向かって移動される。非侵襲超音波治療においては、治療超音波トランスデューサが患者の組織（例えば、肩、膝、肘、または脚における腱および靱帯等）の皮膚に接して適用される。小侵襲および非侵襲治療の両者において、超音波場付近の強度ピーク（図６ＡのＰ）が好ましくないものとなる。

図１に概略的に示される治療器具１は、少なくとも１つの治療超音波トランスデューサ２（いわゆる治療トランスデューサ）によって超音波場３を発生するように意図されている。超音波場３の強度最大値Ｆは、患者４の治療のために患者４の対象部位５に位置決めされるように意図されている。対象部位５は、例えば、患者４の椎間板５の髄核６でもよいが、しかしそれは、例えば、肩、膝、肘または脚における靱帯または腱等の別の対象部位でもよい。しかしながら、本明細書においては、椎間板の治療について以下に説明される。

治療超音波トランスデューサ２は、本実施例では、例えば、切開によってまたはカニューレ１８等の導入器によって患者４の皮膚を通して挿入されるように意図され、椎間板５、好ましくは環状繊維８に接触して椎間板５で局部的温度上昇を達成する。その結果、椎間板５に萎縮が起こる。例えば、６０−７０℃までの加熱がコラーゲン萎縮を直接的に達成できる。治療超音波トランスデューサ２は、環状繊維８に穿孔することなしに、椎間板５に接して設置され、そこから超音波場３を伝播し、治療容積内にて強度最大値Ｆとなるように焦点を合わされる。

治療器具１は、対応する内側部分を有する剛性管１８と、１またはそれを超える位置指示器１９とを備えている。剛性管１８は、光学的ナビゲーション技術によって、治療されるべき対象部位５に向かって挿入されることができる。それから剛性管１８の内側部分は、治療超音波トランスデューサ２と置き換えられる。剛性管１８は、図１において一点鎖線で概略的に示されている。

治療超音波トランスデューサ２は、手動で位置決めされるように配置されるか、または治療されるべき椎間板５に関してトランスデューサ２を位置決めする位置決め器具４０に配置されてもよい。治療器具１は、Ｘ線カメラ（図示せず）を有する光学的ナビゲーション器具を備えることもできる。位置決めおよびナビゲーション手段は、本発明の一部を構成しない。

治療超音波トランスデューサ２は、プローブ１０（好ましくは、細長プローブ１０）を備えている。プローブ１０の前部は、椎間板５に接触して定置される。
プローブ１０の前部は、図２および３において詳細に示されている。プローブ１０は、送信器素子１１（例えば、圧電素子）、洗浄導管２２、前部カバー２３、サーミスタ２７等の様々な構成部品を保持するプローブ本体２０を有する。

送信器素子１１は、単独の圧電素子であることが適切である。しかし、本発明は複数の送信器素子の配列に対しても等しく適用できる。図示するように、送信された超音波場を焦点合わせするために、送信器素子は湾曲した前面を有している。受動素子は焦点合わせ機能を達成するために送信器の前部に配置されることができる。この場合、受動素子の前面は湾曲しているか平坦である。焦点（図１のＦ）がプローブ１０の縦軸から変位するように送信器素子１１が角度αで傾けられることが好ましい。あるいは、その変位が達成されるように受動素子の設計がなされる。このことは、プローブが縦軸の周りに回転されたとき、焦点Ｆが縦軸の周りに円を描くことを意味する。その結果、超音波場の強度が、焦点Ｆの周りの容積から円環体形状容積まで膨張される。さらに、プローブ１０は縦軸に沿って長さ方向に動かされて、その結果、最大超音波強度が、螺旋または円筒形形状のような容積部分にまで膨張される。長手方向移動は回転と同時になされるので、焦点は螺旋または階段形状を描き、焦点が多数の隣接平行円を描く。焦点の容積および加熱条件によって、加熱効果が円環体形状または円筒形形状容積の中心に達成される。本発明は傾斜無し（α＝０）のプローブにも適用できる。

プローブの移動は、モータ駆動位置決め器具４０によって行われる。この移動は手動で行われてもよい。
図５に最も明瞭に示すように、送信器素子１１にはその中心に開口２２が設けられている。トランスデューサの周囲部分の形態から、指向性、すなわち、鋭い焦点を作る能力が必然的になってくる。大きな可干渉性放射面とすることにより、面に近接した干渉ピークを発生することが知られている。

図６Ａおよび図６Ｂは、中央開口の無い送信器および本発明に基づく中央開口の有る送信器からの距離と超音波場強度との関係を示す概略グラフである。図６Ａに示すように、従来技術に基づく中央開口無し送信器は、治療されるべき対象部位に位置決めされた距離ｘにおいて所望の最大値Ｍを有し、超音波場付近に位置決めされた距離ｙにおいて不要なピークＰを有する。図からわかるように、超音波場はいくつかの幅狭のピークＰ′を有しているが、ピークＰだけが問題を起こす。この距離ｙは患者の皮膚に位置決めされ、不要なピークＰが冒頭で述べたように傷みを生じる。

一方、送信器素子１１に中央開口を設けると、図６Ｂからわかるように、超音波場のピークが移動されることによって、不要なピークＰの影響は減少される。距離ｙが感応位置に位置付けられた場合には、ピークＰは、放射された超音波がわずかまたは全く害を及ぼさない位置ｚまでずれこむ。その位置ｙにける超音波場の強度は低い。幅狭のピークＰ′は、ずらされかつ変更された形状を有する。送信器素子の中央部は、所望のピークＭにも寄与するので、このピークＭは、本発明に基づく送信器素子１１を使用することによって少しずらされかつ減少される。面積の損失はどちらかというと小さく、また、駆動電圧のわずかな増加によって送信器素子の単位面積当たりの放射超音波電力を増加することにより補償されることができる。このようにすることは、特に不要ピークＰが移動することを考慮した場合、安全に実行することができる。

図６Ａおよび図６Ｂの模擬実験において、送信器は、１５ｍｍの曲率半径と、４ＭＨｚの放射超音波周波数を有していた。図６Ｂにおいて、中央開口の直径は３ｍｍであった。
超音波場強度の正確な外観は、超音波波長、関係する様々な組織の音響特性、焦点距離、送信装置の直径、および中央開口の面積と外径との比によって決まる。一般に、超音波場強度の外観は、これらの因子の１つを変えることによって調節されてもよいが、しかし中央開口は以下に述べるような別の利点を有している。

開口無しの中実な送信器ではあるが、送信能力を有していない中央領域を有する中実な送信器を用いても、同じ低減が得られる。しかし、中央開口は、以下に述べるように、挿入器具のため、吸引のため、または送信器の洗浄のために用いることができる。中央開口は、１またはそれを超える別個の穴によって形成されてもよい。

送信器素子の全面積に対する中央開口の面積は、１−２５％が適切であり、５−１５％が好ましく、好適実施例においては約１０％である。送信器素子の直径は、２−１００ｍｍの範囲内、通常は２−２０ｍｍ、小侵襲治療の場合には約５ｍｍである。直径は非侵襲治療の場合には厳密ではない。

動作中、送信器素子１１自体が加熱されるので、送信器素子１１はその付近に熱を発生する。この熱は一般に好ましくないので、冷却されなければならない。この目的のために、流体が送信器素子の前部に流される。流体はまた、音響結合体として機能し、エアー・ポケットが超音波場を停止することを防止する。適切な形態においては、送信器素子には、流体を通過させるために開口内にチャネルが設けられている。原理的には、送信器の前部に流体が自由に流れてもよいが、プローブの先端は、送信器素子１１とカバー２３との間にチャンバ２４を画定する、適切な材料からなる可撓性壁または穿孔カバー２３によって、覆われることが好ましい。

図３は、これらのカバー２３の例を示す。カバー２３には、適切なサイズの、好ましくはカバーの前面に均等に分布された１またはそれを超える穿孔または穴２５が設けられる。図３においては、６個の穴が一例として示されている。穿孔２５の面積対全面積の比は、通常は０．１−０．９の範囲内であり、０．１−０．７が適切であり、０．１−０．５が好ましく、好適実施例においては０．１−０．３である。適切な範囲は、流体（液体またはゲルでもよい）の粘性および実行される治療によって決まる。穿孔カバー２３は、熱が過剰に発生できないように、送信器素子１１の前部において均等に分布される結果を生じる。プローブにカバーを被せる代わりに、プローブを挿入するためのカニューレにプローブが入れられることもできる。

好適実施例においては、洗浄動作に問題がある場合に送信器素子１１の動作を停止するように構成された安全スイッチがプローブに設けられる。安全スイッチは、例えば、サーミスタ等の温度センサ２７を備えている。好ましくは、サーミスタは、送信器素子を通る洗浄流体を導く金属管２６と接触して配置される。したがって、サーミスタは送信器素子１１の後方に配置される。流体中に配置されるのではなく、熱伝導管２６によって送信器素子１１との優れた熱接触状態に配置される。管２６は、適切には金属、好ましくは銀から作られる。このようにして、温度センサ２７は、洗浄回路についての問題がある場合には、コンマ数秒で感知する。安全スイッチは、感知温度が設定値から逸れたとき、例えば、設定値から＋１０℃以上逸れたとき、送信器素子を切り換えるように構成される。安全スイッチが予め良好に作用するので、送信器素子に通常用いられる電力によって、患者を傷つける危険性はない。

上述した装置は、椎間板の治療法において用いられるが、人体の他の対象部位を治療することにも用いられ得る。このような他の対象部位の例として、例えば、肩、膝、肘または脚における腱および靱帯が挙げられる。本発明の範囲は添付請求の範囲によってのみ限定される。

本発明に基づく器具の使用を概略的に示す。 本発明に基づくプローブの詳細横断面図である。 図２のプローブの正面図である。 トランスデューサおよび接続管の側面図である。 接続管を備えたトランスデューサの正面図である。 図６Ａは中央開口無しの送信器からの距離と超音波場強度との関係を示す概略グラフである。図６Ｂは中央開口有りの送信器からの距離と超音波場強度との関係を示す概略グラフである。

Claims (20)

1. プローブ本体（２０）と、焦点を合わされた超音波場を発生するトランスデューサ手段（１１）とを備え、超音波場の強度最大値（Ｆ）が、対象部位（５）を加熱すべく該対象部位（５）に位置決めされる、超音波プローブであって、前記トランスデューサ手段（１１）が中央開口（２２）を有し、該中央開口は、超音波場付近における不要なピークの影響を減少するようになされ、且つ、１またはそれを超える穴によって形成されていることを特徴とした超音波プローブ。
2. 前記中央開口（２２）は、超音波場の前記ピークの位置を移動させるようになされていることを特徴とした請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記中央開口の面積が、送信器素子の全面積の１−２５％であることを特徴とした請求項１または２に記載の超音波プローブ。
4. 前記中央開口の面積が、送信器素子の全面積の５−１５％であることを特徴とした請求項３に記載の超音波プローブ。
5. 前記中央開口の面積が、送信器素子の全面積の約１０％であることを特徴とした請求項４に記載の超音波プローブ。
6. 前記送信器素子の全直径が、２−１００ｍｍの範囲内にあることを特徴とした請求項１−５の任意の一項に記載の超音波プローブ。
7. 前記送信器素子の全直径が、２−２０ｍｍの範囲内にあることを特徴とした請求項６に記載の超音波プローブ。
8. 前記トランスデューサ手段（１１）が単独の圧電結晶を備えていることを特徴とした請求項１−７の任意の一項に記載の超音波プローブ。
9. 前記トランスデューサ手段が圧電結晶配列を備えていることを特徴とした請求項１−７の任意の一項に記載の超音波プローブ。
10. 前記中央開口（２２）には、前記トランスデューサ手段（１１）を貫通して流体を流通させるチャネルが設けられていることを特徴とした請求項１−９の任意の一項に記載の超音波プローブ。
11. 前記トランスデューサ手段（１１）の前部にチャンバ（２４）を形成する穿孔カバー（２３）をさらに備えていることを特徴とした請求項１０に記載の超音波プローブ。
12. 前記カバー（２３）には、前面に亘って分布された多数の穿孔（２５）が設けられていることを特徴とした請求項１１に記載の超音波プローブ。
13. 前記穿孔（２５）の面積対全面積の比が０．１−０．９の範囲内にあることを特徴とした請求項１２に記載の超音波プローブ。
14. 前記穿孔（２５）の面積対全面積の比が０．１−０．７の範囲内にあることを特徴とした請求項１２に記載の超音波プローブ。
15. 前記穿孔（２５）の面積対全面積の比が０．１−０．５の範囲内にあることを特徴とした請求項１２に記載の超音波プローブ。
16. 前記穿孔（２５）の面積対全面積の比が０．１−０．３の範囲内にあることを特徴とした請求項１２に記載の超音波プローブ。
17. 前記中央開口（２２）には、前記トランスデューサ手段（１１）を貫通して流体を流通させるチャネルが設けられ、該チャネルは熱伝導管（２６）および温度センサ（２７）を備え、該温度センサは、前記トランスデューサ手段（１１）の後方にて前記熱伝導管（２６）と熱接触状態となるように配置され、前記温度センサ（２７）は、感知温度が設定値から逸れたときに前記トランスデューサ手段（１１）の動作を中断する制御手段に接続されていることを特徴とした請求項１−１６の任意の一項に記載の超音波プローブ。
18. 前記制御手段は、前記感知温度が設定値から＋１０℃以上に逸れたときに、前記トランスデューサ手段（１１）の動作を中断するようになされていることを特徴とした請求項１７に記載の超音波プローブ。
19. 前記温度センサ（２７）がサーミスタであることを特徴とした請求項１７または１８に記載の超音波プローブ。
20. 例えば、肩または肘における椎間板または腱および靱帯等の患者（４）の身体内の対象部位（５）を治療する方法に用いられることを特徴とした請求項１−１９の任意の一項に記載の超音波プローブの使用。

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