JP2018118092A - 超音波治療システム、及び超音波システムを設計および製造する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】カスタムトランスデューサーハウジングは、ラピッドプロトタイピング方法を使用して製造され、複数の単一エレメントの実質的に平坦なトランスデューサーを、共通の焦点を共有するように配置させる。ラピッドプロトタイピング方法は、例えば、熱溶解積層法、3Dプリンティング、およびステレオリソグラフィーを含むことが可能である。
【選択図】図1
Description
[0001]この出願は、2012年4月30日に出願された表題「Ultrasound Transducer Manufacturing Using Rapid Prototyping Method」の米国仮特許出願第61/640,560号の米国特許法第119条の下での利益を主張し、その出願は、本明細書に述べられているかのように参照により組み込まれている。
政府の権利
[0002]本発明は、国立衛生研究所によって認められた認可番号第R01 CA134579号および第R01 EB008998号の下で政府の支援によって行われた。政府は、本発明において一定の権利を有している。
参照による引用
[0003]本明細書で記述されているすべての刊行物および特許出願は、それぞれの個別の刊行物または特許出願が具体的におよび個別に参照により組み込まれていると示されている場合と同じ程度に、参照により本明細書に組み込まれている。
ピングトランスデューサーハウジングと、トランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、トランスデューサーは、トランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するようにハウジングの上に配置されており、複数のトランスデューサーは、治療的超音波エネルギーを、焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーとを含む。
ントのトランスデューサーを含む。他の実施形態では、複数のトランスデューサーが、圧電トランスデューサーエレメントを含む。一実施形態では、圧電トランスデューサーエレメントが、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)セラミックを含む。
の前方に配設されている音響レンズをさらに含む。いくつかの実施形態では、それぞれの音響レンズが、ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと一体型になっている。
レンズとの間に配設されているマッチング層であって、マッチング層が、トランスデューサーを音響レンズに音響的に連結するように構成されている、マッチング層をさらに含む。いくつかの実施形態では、マッチング層が、テーパー付きのマッチング層を含む。
ndoffs)をさらに含み、マッチング層スタンドオフが、それぞれの音響レンズの後面から、それぞれのトランスデューサーの前方表面を、マッチング層にとって適正な距離だけ分離する。
、熱溶解積層法、3Dプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択されるプロセスによって製造されている。
ランスデューサーモジュールの中に配設されており、ハウジングが、トランスデューサーモジュールを受け入れるように構成されている複数の開口部を含む。一実施形態では、トランスデューサーモジュールが、ねじ山部を含み、ハウジングの開口部の中へねじ込まれるように構成されている。別の実施形態では、ハウジングの開口部が、トランスデューサーモジュールのねじ山部と嵌合するように適合された溝部を含む。
ンズと、それぞれの音響レンズとトランスデューサーとの間に、マッチング層のためのスペースを画定する少なくとも1つのマッチング層スタンドオフとをそれぞれ含む。
含むトランスデューサーハウジングと、トランスデューサーハウジングの開口部の中へ挿入されるように構成され、ハウジングによって保持されるようになっている複数のトランスデューサーモジュールであって、それぞれのトランスデューサーモジュールが、音響レンズ、実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサー、および、レンズとトランスデューサーとの間に配設されているマッチング層を含み、トランスデューサーハウジングの開口部が、共通の焦点を共有するように単一エレメントのトランスデューサーを整合させるように配置されており、単一エレメントのトランスデューサーが、治療的超音波エネルギーを、焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーモジュールとを含む。
口部の中へねじ込まれるように構成されている。
[00020]他の実施形態では、トランスデューサーハウジングが、凹面状ハウジングを含
む。
されている超音波イメージングシステムの周りに円形配置で配置されている。
[00022]別の実施形態では、ハウジングが、ラピッドプロトタイピング方法によって構
築されている。
ランスデューサーハウジングと、ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、トランスデューサーは、ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するようにラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの上に配置されており、複数のトランスデューサーは、超音波エネルギーを焦点に適用するように構成されている、トランスデューサーとを含む。
ンピューター支援設計ソフトウェアで、トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップと、ラピッドプロトタイピング方法を使用して、トランスデューサーハウジングシェルを構築するステップとを含む。
の開口部が共通の焦点に収束するように整合されるように、トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップをさらに含む。
圧電セラミック素子をトランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップをさらに含む。
圧電セラミック素子をトランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップをさらに含む。
数のトランスデューサーエレメントモジュールを構築するステップと、トランスデューサーエレメントモジュールをトランスデューサーハウジングシェルの開口部の中へ挿入するステップとをさらに含む。
ンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択される。
[00030]別の実施形態では、方法が、3Dコンピューター支援設計ソフトウェアで、複
数の音響フォーカシングレンズをハウジングの中へ設計するステップと、ラピッドプロトタイピング方法を使用して、音響フォーカシングレンズを構築するステップとを含む。
ーサーハウジングシェルと一体型になっている。
[00032]本発明の新規な特徴は、次に続く特許請求の範囲の中で特殊性とともに述べら
れている。本発明の特徴および利点のより良好な理解は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照することによって得られることとなり、詳細な説明は、例示目的の実施形態を述べており、実施形態の中で、本発明の原理が利用されている。
グ方法および設計、ならびに、製造方法を説明している。トランスデューサーは、ラピッドプロトタイピングによって作られたハウジングシェルの中に、複数の平坦な(非焦点式)または高いfナンバー(湾曲が少ない)の圧電素子または圧電セラミック素子から作製することが可能であり、音響フォーカシングレンズ、マッチング層、ならびに、機械的および電気的な絶縁体が、すべて、ハウジングシェルの中に組み込まれている。トランスデューサーのフォーカシングは、適当に設計された音響レンズをそれぞれのエレメントに適用することによって実現することが可能であり、それは、ハウジングシェルの一部、または、ハウジングシェルの中へ組み立てられる別々のコンポーネントの一部とすることが可能である。ハウジングシェルは、適当な幾何学形状を有し、すべてのエレメントを整合させ、所望の焦点パターンを実現することが可能である。音響レンズおよびハウジングシェルは、任意の幾何学形状および寸法に作製することが可能である。最初に、それらは、Solid Works、TurboCAD、Autodesk Inventorなどのような、3Dコンピューター支援設計(CAD)ソフトウェアで設計され、次いで、ラピッドプロトタイピングによって構築することが可能である。この方法を使用して、とりわけ、ヒストトリプシー用途のために、高い圧力の焦点式超音波トランスデューサーを設計および製造するために、例が与えられることとなる。ラピッドプロトタイピング方法は、サブトラクティブ法(例えば、機械加工)または造形法(例えば、射出成形)を使用する現在のトランスデューサー構築方法と比較して、以下の利点を有している。
ンバー(より湾曲しており、fナンバー=焦点距離/トランスデューサー開口部直径)超音波トランスデューサーの構築コストをかなり低減させることが可能である。従来のトランスデューサー構築方法は、典型的に、高価な大きいピースの球面状に湾曲したセラミックセグメントを利用する。比較すると、本明細書で説明されているラピッドプロトタイピング方法は、安価で小さく平坦なまたは湾曲の少ないエレメントを利用する。これらの方法を使用して、より大きい開口部の、より低いfナンバーのトランスデューサーを構築するコストは、1つの大きいピースの結晶を使用して作製される等価トランスデューサーに関するコストと比較して、1桁より多い大きさで低減させることが可能である。
計反復を加速させることが可能である。高い精度を有する大きい開口部の湾曲した結晶トランスデューサーの従来の製造は、高度に専門化された知識および機器を必要とする長く複雑な手順である。通常、長期にわたるを製造手順に起因して、営利会社からトランスデューサーを得るために6週間〜6カ月かかる。比較すると、ラピッドプロトタイピングマシンへのアクセスが利用可能である場合に、ラピッドプロトタイピングトランスデューサーを使用して、大きい開口部の低いfナンバーのトランスデューサーを組み立てるのに約数日かかる。とりわけ、複数の設計反復が必要とされる新しいデバイスを開発するために、デバイス開発プロセスを、実質的に加速させることが可能である。
て作り出すことができない複雑な形状を可能にする。特定の臨床応用のために、複雑な形状開口部は、特定の音響ウィンドウにフィットするか、または、特定の焦点パターンを得るかのいずれかのために望まれる可能性がある。ラピッドプロトタイピング方法を使用して、任意の幾何学形状を設計および構築することが可能であり、それは、既存のサブトラクティブ法(例えば、機械加工)または造形法(例えば、射出成形)の方法では可能ではない。
レイトランスデューサー(例えば、環状アレイまたはフェーズドアレイなど)の両方を作るために使用することが可能である。アレイの構築は、機械的におよび電子的に絶縁され得る複数の切り離されたエレメントを利用することが可能である。
び振幅出力となるように構成されている音響マッチング層を組み込むことが可能である。トランスデューサーバンド幅および振幅出力を改善するために、適当な音響インピーダンスを有する材料の薄い層(概して1/4波長)を、湾曲した圧電結晶とトランスデューサーの前方表面との間に設置することが可能である。従来から、エポキシ樹脂混合物などのような均一な厚さのサブミリメートルの層材料を、湾曲した結晶に適用することは、技術的に非常に挑戦的なものであり、どのようにそれがなされるかということは、一般的に、トランスデューサー製造会社に関する企業秘密として保護されている。比較すると、ラピッドプロトタイピング方法を使用して、AutoCAD設計で、結晶と前方ハウジング表面との間に小さいオフセッティングパッドを組み込むことによって、音響層の適用を比較的に簡単に実現することが可能である。所望の厚さのオフセッティングパッドは、結晶が前方ハウジング表面から正確な距離に設置されることを可能にする。金属が充填されたエポキシ樹脂(それは、音響マッチング層にとって適当な音響インピーダンスを有することが可能である)は、結晶を設置する前に、オフセッティングパッドによって取り囲まれたスペースの中へ注入することが可能である。次いで、エポキシ樹脂混合物は、エレメントをハウジングに結合するために使用され、適正なマッチング層厚さおよび音響インピーダンスを提供することが可能である。SLA材料の前方ハウジング表面は、出力のさらなる改善のために、第2の音響マッチング層としての役割を果たすことが可能である。
に低いインピーダンス媒体(通常は、空気または低密度フォーム)によって機械的に絶縁されている状態で、結晶の1つの面を(通常は、介在するマッチング層とともに)伝搬媒体と機械的に接触させる。ラピッドプロトタイピングは、結晶のための固定具またはハウジングがこれらの絶縁および伝搬特徴部を組み込む設計を可能にする。
給源となるので、結晶の面は、互いから電気的に絶縁されていなければならない。ラピッドプロトタイピングによる固定具またはハウジングは、この電気的な絶縁を提供するために絶縁体材料から構築することが可能である。
は、電気接点を組み込むことが可能であり、電気接点は、信頼性を改善し、組み立てを簡単化する。従来の超音波トランスデューサーの中の電気接点は、結晶の面の上の電極にワイヤをはんだ付けすることによって作製されることが多い。これらのはんだ接続の適用は、一般的に、自動化することが可能でなく、組み立てプロセスのために熟練した専門家を必要とし、トランスデューサーの動作の間に、時間をかけて機械的な故障を起こす傾向がある。ばね荷重式のピンまたはリーフ電気接点を、ハウジングの中へ容易に組み込むことが可能であり、より容易な組み立てを可能にする。
めに音響レンズを使用することが可能であり、音響レンズは、水、および、薄いレンズを構築することが可能な機械的な特性を有する材料に対して低い音響減衰および高い音速を有する特定の材料から作製することが可能である。これは、トランスデューサーから負荷への音エネルギーのうちのほとんどの透過、および、高い精度のフォーカシング音響レンズの構築を可能にする。また、音響レンズは、機械加工を使用して作製することが可能である。しかし、機械加工された複雑なレンズ構造体は、ラピッドプロトタイピングと同じコスト/時間で特定の焦点パターンを実現するように作り出すことが可能ではない。
結晶のためのハウジングシェル、または、トランスデューサー構築のための複数の湾曲した結晶を作ることが可能である。
療トランスデューサーを作り出すための設計および構築方法論を説明している。トランスデューサーは、最も高い平均強度出力というよりも、トランスデューサーバンド幅および瞬間的な圧力出力を最大化するように設計されている。ラピッドプロトタイピングは、音響レンズ、音響マッチング層のための特徴部、および、圧電セラミック素子のためのハウジングを生成させるために用いられる。ラピッドプロトタイピング材料は、音響レンズに関するそれらの透過特性を決定するように音響的に特徴付けされる。複合マッチング層は、大きいトランスデューサーバンド幅および高い圧力出力を可能にするように、フォーミュレートおよび特徴付けすることが可能である。1−D圧電KLMモデルのバージョンが開発され、伝搬モデルと組み合わせられ、治療エレメントから予期出力を決定する。マッチングセラミックエレメントおよびマッチングしていないセラミックエレメントが、それらの出力ポテンシャルを比較するために、機械的なおよび熱的な故障モードおよび限界のためにテストされる。いくつかのマルチエレメントトランスデューサーは、圧力出力、エレメントアライメント、およびエレメントインピーダンスに関して、構築および特徴付けされる。
意の修正メカニズムを適用することなく、肋骨または骨のアベレーター(aberrators)を通して病変を発生させるためにヒストトリプシー治療を使用する治療システムを説明することが可能である。超音波治療システムは、ヒストトリプシー治療を組織へ送達するためにヒストトリプシーパルスを発生させるように構成することが可能である。ヒストトリプシーは、機械的な組織フラクショネーション(fractionation)を誘発させるために、制御されたキャビテーションバブルクラウドを使用する。ヒストトリプシーバブルクラウドは、ヒストトリプシートランスデューサーによってヒストトリプシーエネルギーを組織へ送達することによって作り出され、低いデューティーサイクル(典型的に<5%)において、短く(<20μsec)高い圧力(ピーク負圧>10MPa)の衝撃波超音波パルスを使用して画定され、熱的効果を最小化することが可能である。また、キャビテーティングバブルクラウドの高いエコー輝度に基づいて、治療は、任意の従来の超音波イメージングシステムを使用して、リアルタイムで容易に監視することが可能であり、キャビテーションバブルクラウドが発生したかどうかについてオペレーターが確認することを可能にする。
を超えるときに、ヒストトリプシー治療による組織フラクショネーション効果が起こる。この閾値メカニズムに基づいて、ヒストトリプシー治療は、ボーンエアレーターから結果として生じる二次的なローブ(lobes)が閾値の下方にあるままの間に、および、したがって、キャビテーションバブルクラウドを開始していない間に、圧力メインビームが、その形状を維持し、バブルクラウド開始閾値の上方にあるという条件で、肋骨または骨を通して正確な病変を発生させるように制御することが可能である。
で設計および作り出すことが可能である。
[00069]図2Aおよび図2Bは、超音波治療システムの2つの実施形態を示している。
図2Aは、圧電トランスデューサーエレメント218を有する超音波治療システム200の断面図であり、圧電トランスデューサーエレメント218は、複数の個別のトランスデューサーエレメントに切断または分割されている。複数のトランスデューサーエレメントは、図2Aに示されている湾曲形状または凹面形状を実現するように配置することが可能である。トランスデューサーエレメント218は、複数のエレメントリテイニングリング222によって、ラピッドプロトタイピングハウジング220の中に保持することが可能である。エレメント218は、焦点ゾーン224へ超音波エネルギーを方向付けするように構成することが可能である。図2Bは、同様の治療システムの絵図であるが、しかし、この実施形態では、トランスデューサーは、湾曲形状を実現するように特別に製造された単一のトランスデューサーエレメントから作製されている。いくつかの実施形態では、これらの実施形態のトランスデューサーは、750kHzで駆動され、最大10cmの焦点距離を備える最大15cmの開口部を有することが可能である。図2Bのトランスデューサー設計は、圧電セラミック材料の単一の固体の球面状セグメントを使用している。エレメントは、ラピッドプロトタイピングマシンの上に構築されているハウジング220の中へシールされており、トランスデューサーの凹面側が、負荷媒体(トランスデューサーを目標と連結させている超音波媒体)と接触している。これは、最も簡単で最も時間効率の良い構築方法である。
ミック材料の単一の固体の球面状セグメントを使用して構築することが可能であり、それは、1つの電極の上で、複数のサブエレメントへと電気的に分離されている。セラミックは、ラピッドプロトタイピングマシンの上に構築されているハウジングの中へシールされ得、トランスデューサーの凹面側が負荷媒体と接触している。この方法は、それぞれのエ
レメントが個別にケーブル敷設および駆動を必要とするので、図2Bの実施形態よりもより多くの時間がかかる。しかし、小さいエレメントは、1つの同等の大きさのエレメントよりも高いインピーダンスを有しており、適当な電気ネットワークを備える所与の増幅器システムに対して、より高い電圧へ駆動され得る。
電トランスデューサーエレメント318を含むラピッドプロトタイピング超音波治療システム300の一実施形態の断面図を図示している。いくつかの実施形態では、トランスデューサーエレメントは、実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーエレメントとすることが可能である。例えば、図3A〜図3Bのそれぞれのトランスデューサーエレメント318は、圧電材料の単一のシートまたはピースから形成された単一のトランスデューサーエレメントとすることが可能である。複数の平坦な単一エレメントのトランスデューサーによって治療システムを構築することは、超音波治療システムのコストおよび構築時間かなり低減させることが可能である。
4に向けて正確に整合されているハウジング設計で、ラピッドプロトタイピングによって製作することが可能である。示されているように、ハウジングは、トランスデューサーエレメントが共通の焦点を共有することを可能にする、概して凹面状のまたは「ボウル形状の」設計を含む。トランスデューサーエレメント318は、ハウジングの中へそれぞれシールされ得、トランスデューサーが負荷媒体と接触している。また、ハウジング320は、エレメント318への電気接続を促進させるために電極ワイヤポート326も含むことが可能である。ハウジングの中の中央孔部またはポート328は、超音波イメージングシステムを治療の間にターゲッティングおよびフィードバックのために設置することを可能にすることができる。図3Bは、図3Aのトランスデューサー300の絵図である。図3Bの例では、ラピッドプロトタイピング超音波トランスデューサーは、中央ポートの周りに配設されている8つの球面状トランスデューサーエレメントを含むことが可能である。トランスデューサーエレメントのそれぞれは、同じ焦点に向けて整合されるように、ハウジングの中に固定することが可能である。
ト318は、他の形状とすることが可能であり、または、ハウジング自身の曲率にマッチまたは接近するように湾曲したものとすることも可能である。例として、トランスデューサーエレメントは、正方形、長方形、楕円形、多角形、凹面、凸面などとすることが可能である。
な面のうちの1つは、エレメントのアライメントを確実にすることである。これは、本明細書で説明されているラピッドプロトタイピング方法を用いて容易に達成することが可能である。例えば、図3A〜図3Bのシステムは、複数の平坦なトランスデューサーエレメントが共通の焦点を共有するように、複数の平坦なトランスデューサーエレメントを位置決めするように構成されている、正確に設計されたハウジングを利用している。より小さいセラミックは、大きい単一のセラミックよりも商業的に利用可能であるので、この設計は有益である。
料の複数の球面状トランスデューサーエレメント418を整合させることによって(それらのすべては、ラピッドプロトタイピングによるモールド面430の上に設置することによって焦点を共有して整合される)、凝固材料(例えば、剛体のポリウレタンフォームなど)でエレメントをバックフィルすることによって、および、材料の周りにハウジングを
構築することによって、ラピッドプロトタイピング超音波トランスデューサー400を構築することが可能である。次いで、モールド面は、バックフィルの凝固の後に除去され、エレメントを、負荷媒体と接触状態にすることが可能である。この設計および方法は、実際のハウジングに関して非ラピッドプロトタイピング材料を使用することを可能にするが、エレメントの正確なアライメントに関してラピッドプロトタイピングを使用する利益を有している。図4A〜図4Dは、ラピッドプロトタイピング超音波トランスデューサーの中にトランスデューサーエレメント418を整合させるためのモールド430の前面図、側面図、上面図、および不等角投影図を示している。図4Eおよび図4Fは、それぞれ、モールドおよび完成したトランスデューサーの絵図である。図4A〜図4Fの例では、1つの特定のラピッドプロトタイピングモールドは、例えば、19個のトランスデューサーエレメントを整合させるように構成することが可能である。
イピング超音波トランスデューサー500の一実施形態を図示している。図5Aおよび図5Bは、トランスデューサーの上面図および不等角投影図を示しており、図5Cは、完成したトランスデューサーの絵である。この特定のトランスデューサー設計は、圧電セラミック材料の単一のまたは複数の平坦なトランスデューサーエレメントを使用することが可能であり、それは、エレメントがトランスデューサー焦点の方向に対して垂直に面している状態で位置付けされている。トランスデューサー500は、音響レンズ532をさらに含むことが可能であり、音響レンズ532は、トランスデューサーエレメントの出力の焦点をトランスデューサー焦点に合わせるように適用されている。この設計では、ラピッドプロトタイピングマシンは、個別の焦点式トランスデューサーエレメントに対して音響レンズを含むハウジング520を作り出す。音響レンズは、ハウジングと一体型になっており、したがって、ハウジングおよびレンズは、超音波を最適化および送信する材料で構築することが可能である。これは、超音波透過を許容する特定のラピッドプロトタイピングによる材料(以下に説明されている)を必要とする。この実施形態は、中央孔部をさらに含むことが可能であり、または、ハウジングの中のポート528は、治療の間のターゲッティングおよびフィードバックのために超音波イメージングシステムが設置されることを可能にすることができる。
ンスデューサーエレメントと音響レンズとの間に適用され得る。マッチング層が適用されていない場合には、トランスデューサーエレメントは、レンズの背面に直接的に付着させることが可能である。マッチング層が適用されている場合には、スタンドオフが、ラピッドプロトタイピングによる構築物の中に含まれるか、または、エレメントスペースの中へ二次的に加えられるかのいずれかとなり、トランスデューサーエレメントと音響レンズとの間に、マッチング層材料で充填されることとなるギャップを生成させることが可能である。
えるトランスデューサーエレメントハウジングモジュールを図示している。図6Aでは、トランスデューサーエレメントモジュール634は、トランスデューサーエレメントモジュール634がより大きく複雑なラピッドプロトタイピングハウジング(例えば、図3A〜図3Bのハウジング320など)の中へねじ込まれることを可能にするように構成されているマッチング層オーバーフロースリット636およびハウジングねじ山部638を含むことが可能である。他の実施形態では、トランスデューサーエレメントモジュールは、ハウジングの中の場所へ「スナップ嵌合される」か、または、クリップ、スライドロック、圧力フィッティング、くさびフィッティングなどのような、ハウジングの他の特徴を備える場所に保持され得る。図6Bでは、トランスデューサーエレメントモジュール634は、より大きい治療ハウジングの中へモジュールを搭載またはねじ込みやすくするために
、ソケットツールに係合するように構成されている凹み部または突出する特徴部639を含むことが可能である。
マッチング層スタンドオフ640および音響レンズ632を示している。図6Cでは、複数のスタンドオフが、様々な高さおよび厚さで示されている。使用時には、単一ペアのマッチング層スタンドオフだけが、マッチング層を生成させるために必要であるということが理解されるべきである。トランスデューサーエレメントの前方表面と音響レンズの後面との間にマッチング層のためのスペースを生成することによって、スタンドオフは、それぞれのレンズとトランスデューサーエレメントとの間の正確なマッチング層の適用を可能にする。図6Aおよび図6Cを参照すると、マッチング層は、マッチング層スタンドオフ640によって画定されているスペースを充填するようにモジュールに適用することが可能である。過剰なマッチング層材料が適用される場合には、オーバーフロースリット636は、過剰なマッチング層材料がモジュールから流れ出ることを可能にすることができ、マッチング層材料が、マッチング層スタンドオフを越えて延在しないようになっている。
ト618およびマッチング層642を備えるトランスデューサーエレメントハウジング634の断面図を示している。次いで、マッチング層は、トランスデューサーエレメントとレンズとの間の接着化合物としての役割を果たし、トランスデューサーをレンズに音響的に連結する。いくつかの実施形態では、より複雑なテーパー付きのマッチング層を、必要とされる追加的な時間またはコストなしに(以下を参照)、ラピッドプロトタイピングを使用して、音響レンズの中に組み込むことが可能であり、それは、機械加工によって実現するのは困難である。
築にとって、とりわけ有利である可能性がある。電子的に操縦可能なアレイは、精密アライメントで湾曲表面の上に配置されている数百個から数千個の非常に小さいエレメントを必要とする。ラピッドプロトタイピングは、必要とされる数千個の微細なアライメント特徴部が、エレメントを保持する単一の足場フレームまたはシェル(例えば、図7のフレーム744によって示されているものなど)の上に構築されることを可能にする。この特定の実施形態では、フレーム744は、フレームの中に組み込まれているアライメント特徴部746およびマッチング層画定特徴部を含むことが可能である。この特定の実施形態は、37エレメントフェーズドアレイトランスデューサーに関するモデルであるが、数百個のエレメントまたは数千個のエレメントに拡大することも可能であり、ラピッドプロトタイピングマシンによって組み込むことが可能である。そのうえ、電気接点は、組み立てを非常に簡単化するばね荷重式のピンまたはリーフ接点とすることが可能である。
ング(例えば、図6のトランスデューサーエレメントハウジング634など)を使用して構築することが可能であり、それは、ねじ山付きのソケットを含有するより大きい足場シェルまたはハウジングの中に、焦点を共有して装着することが可能である。図8Aは、複数のモジュラートランスデューサーエレメントハウジング834で充填されているラピッドプロトタイピングハウジング820を図示している。それぞれのエレメントハウジングは、ラピッドプロトタイピング材料によって作製された内蔵型の音響レンズモジュールとすることが可能であり、それに対して、平坦な圧電セラミックディスクを嵌合させることが可能である。図8Bに示されている例では、トランスデューサーハウジング834は、外部ねじ山付きの壁部838を有することが可能であり、外部ねじ山付きの壁部838は、それぞれの個別のトランスデューサーエレメントハウジングをハウジング820の中のマッチングソケットに接続する。シリコーン接着剤は、ねじ山部に塗布され、必要な場合
には、エレメントハウジングをシェルから後で除去することを依然として可能にしながら、ねじ切り接合の防水を作ることが可能である。
要がある設計では、ラピッドプロトタイピングを使用して作られたハウジングの中へアライメント構造体を容易に組み込むことが可能である。図9A〜図9Bは、イメージングシステム950とトランスデューサー900のトランスデューサーエレメント918との間の正確なアライメントを可能にするためにハウジング920の中に組み込まれているイメージングプローブホルダー948を示している。イメージングシステムは、イメージングプローブホルダーの間に位置付けすることが可能であり、それは、ハウジング幾何学形状へと成形することが可能である。次いで、ハウジングは、イメージングシステムが適切な場所にあるときに、ホルダーを締め付けることが可能である。
なアライメント構造体を組み込むことによって、治療トランスデューサーと整合させることが可能である。別の実施形態では、光ファイバーまたはレーザーポインターをハウジング920の中へ組み込むことが可能であり、ここで、レーザービームまたは光ファイバーの交差部は、焦点を可視化するためにトランスデューサーエレメントの焦点と整合されるように構成されている。
大きいトランスデューサーを構築するために、ロッキングメカニズムを備えるハウジングシェルのいくつかのセクターを設計することが可能であり、それは、別々のセクターの上のエレメントのアライメントを維持しながら、より大きいトランスデューサーへと組み立てることが可能である。例えば、複数の平坦なエレメントを用いて作られた大きい球面状セグメントトランスデューサーは、ロッキングメカニズムを用いてピザスライスの副開口部によって組み立てられ、ハウジングシェルの様々なセクターを接続することが可能である。
ることが可能である。例えば、正方形、長方形、および六角形は、表面積の使用を最大化するように使用することが可能であり、高い圧力出力を有するコンパクトなトランスデューサーを構築する上でとりわけ有益である。そのようなトランスデューサーは、円形の平坦なエレメントを使用して前述したものと同じ手順に従って、音響レンズおよびマッチング層を用いて作ることが可能である。
築
[00088]上記に説明されている設計方法および構築方法の、他の方法に勝る利点は、(
1)(トランスデューサーエレメントに関して)平坦なセラミックを使用することが可能であるということ(それは、湾曲したセラミックよりも容易に利用可能であり、トランスデューサー構築に関するコストおよび時間をかなり低減させる)、(2)マッチング層をより容易に適用すること可能であるということ(それは、非常に高い表面圧力出力を可能にする)、(3)複数のエレメントのアライメントが、レンズおよび平坦なエレメントを用いて、球面状に収束されるエレメントよりも容易に実現されるということ、および、(4)電極が、負荷媒体と接触しないということ(それは、トランスデューサーが患者から良好に絶縁されているということを意味している)である。この設計の不利益は、(1)より低い熱放散および実現可能な平均パワー出力、および、(2)マッチング層/レンズに起因していくらかの減衰が存在するということである。この設計は、低いフォーカシングゲインを有するトランスデューサーに関してとりわけ有用であり、そこでは、高い表面
圧力が、十分な焦点圧力を発生させるために必要とされる可能性がある。
ンズ幾何学形状が球面の曲率とは異なって形状付けされているということを必要とする。レンズ媒体の中を伝搬する平面波に関して、表面は、Clens>Cloadとなるように凹面状でなければならない。この場合では、表面は楕円形であることが理想的である。この形状は、コンピューター数値制御(CNC)を使用することなく、サブトラクティブ法の機械加工で作り出すには困難であるが、球面の曲率を作り出すのと同じ時間および困難性で、ラピッドプロトタイピングを使用して達成することが可能である。しかし、材料が十分に低い減衰および高い音速を有するということ、ならびに、レンズが、薄く作製され、音エネルギーのほとんどを負荷に伝達することが可能であるということが必要である。
めに、および、HIFUトランスデューサーの中のパワー伝達を最大化するために適用することが可能である。これらのシステムでは、マッチング層インピーダンスは、エレメントと負荷媒体との間の幾何平均に近くなるように選ばれることが多い。これはバンド幅を最適化するが、理論的な治療は、実際に、バンド幅の中の特定の周波数におけるパワー伝達が、マッチングしていない場合と比較して低下させられるということを示す。マッチング層は、トランスデューサーの共鳴を抑える役割を果たすが、それと同時に、伝達されるエネルギーのいくらかを減衰させる。ヒストトリプシーに関して、効率は、キーパラメーターではなく、むしろ、短パルス幅に関する最大圧力出力である。ブロードバンドマッチングは、マッチングしていないエレメントに勝るいくつかの利点を提供することによって、これを促進させる。
いパーセンテージのエネルギーの伝達を可能にする。例えば、マッチングしていないエレメントでは、共鳴PZTセラミックの中のピーク圧力に対する水の中のピーク圧力は、約0.08である。マッチングしたエレメントでは、この比率は、約0.22である。これは、水の中の同じ圧力が、エレメントの上のより低い応力を伴って実現され得るということを意味している。PZTは、破壊の前に極限応力限界を有するので、この極限限界の下の水の中への圧力出力は、マッチングによってより高くなっている。
る。これは、ヒストトリプシーにおいて重要であり、ヒストトリプシーでは、短期間パルス(2〜10サイクル)が必要とされ、媒体を加熱することを防止し、キャビテーション活動を最大化する。代替的に、より高いバンド幅が、エレメントの電気的なチューニングによって実現され得る。このより高いバンド幅は、トランスデューサー駆動周波数の変化、および、同様に、ヒストトリプシーに対するその効果をテストするための方法を提供する。
させることが可能である。これは、より低い電流引き込み(current draw)が所与の電圧に関する増幅器から必要であり、より少ない「電気的応力」が駆動システムの上に設置されるということを意味している。しかし、これは、通常、出力の低減をある程度犠牲にする。したがって、電圧ゲインマッチングネットワークは、エレメントを横切ってより大きい電圧を発生させるように適用される。
患者からの電気的な絶縁の手段を提供している。音響レンズがラピッドプロトタイピング
材料から作製されているときには、ほとんどのラピッドプロトタイピングポリマーは、絶縁体であるので、これは、通常、問題ではない。
[00096]上記に説明されている実施形態に従って、治療トランスデューサーまたはヒス
トトリプシートランスデューサーを設計するために、トランスデューサー仕様は、特定の臨床応用に基づいて、トランスデューサーに関して決定することが可能である。例えば、トランスデューサー開口部サイズは、利用可能な音響ウィンドウサイズによって決定される。トランスデューサーの焦点距離は、介在する組織の厚さによって決定される。焦点ゾーンサイズ(それは、主として、トランスデューサー周波数およびfナンバーに依存する)は、必要な治療体積および精度要件によって選択される。
的配置は、圧電性の伝搬モデルを備える反復シミュレーションによって決定され、適当なエレメント幾何学形状、量、および配置を見出すことが可能である。
とが可能である。伝搬モデルが用いられ、トランスデューサー焦点ゲインおよび焦点寸法を評価することが可能である。Krimholtz、Leedom、およびMatthaei(KLM)モデルからの出力を、このモデルのための入力として使用して、焦点圧力のいくつかのアイデアを得ることが可能である。エレメント幾何学的構成がトランスデューサー仕様の中で選ばれた後に、トランスデューサーハウジングは、CADプログラムで設計することが可能である。次いで、設計ファイルが使用され、ハウジングの自動化されたラピッドプロトタイプ製作を制御することが可能である。セラミックエレメントおよびケーブル敷設がハウジングの中へシールされた後に、構築されたトランスデューサーは、焦点圧力、ビームプロファイル、およびキャビテーション活動に関して特徴付けされ、特定の値と比較され得る。
のトランスデューサーの設計および構築の例(また、図5A〜図5Bにも図示されている)が、以下の章で説明されている。トランスデューサーは、リニアアレイ超音波撮像装置を組み込み、治療フィードバックイメージングを最適化した。トランスデューサーの焦点体積は単にキャビテーションが目標血管腔の中で発生させられ、望ましくない巻き添え損傷を最小化することとなるように特定された。複数の音響レンズ、音響マッチング層のためのスタンドオフ特徴部、および、複数の圧電セラミック素子のためのハウジングを組み込む一体型のトランスデューサーハウジングが、ラピッドプロトタイピングを使用して設計され、容易に製作された。ラピッドプロトタイピング材料は、音響レンズに関してその透過特性を決定するように音響的に特徴付けされた。レンズおよびマッチング層接着剤材料を含んだ複合マッチング層が、大きいトランスデューサーバンド幅、および、高い圧力出力を可能とするようにフォーミュレートされ、特徴付けされた。マッチングしたセラミックエレメントおよびマッチングしていないセラミックエレメントは、機械的な故障モードおよび限界に関してテストされ、その出力ポテンシャルを比較した。トランスデューサーは、圧力出力、エレメントアライメント精度、および、電気インピーダンスに関して構築および特徴付けされた。
[000101]圧電セラミック素子、マッチング層、および音響レンズに関する材料が特徴付けされた。ラピッドプロトタイピングによるポリマーの音速および減衰が、音響レンズの音響特性を最適化するように評価された。また、マッチング層に適切な材料が、特定およびフォーミュレートされた。最後に、いくつかの圧電セラミック材料の機械的な強度が、
エレメントに加えることが可能な最大電圧を決定するために考慮された。これらの材料をテストするための方法および結果は、この章に含まれている。
[000103]ラピッドプロトタイピングのいくつかの方法が、熱溶解積層法(FDM)、3Dプリンティング、およびステレオリソグラフィー装置(SLA)を使用して製作された材料サンプルの音響特性をテストすることによって評価された。これらの3つのプロセスが、図1A〜図1Cに図示されている。図1Aを参照すると、FDMマシン100aは、溶融した熱可塑性物質102を、ノズル104を通して適用することによって動作し、プラスチック材料の固体スプール106によって給送される。このプラスチックは、CNCプラットフォーム108の上に注出され、適切な場所で凝固する。FDMマシンによって作り出されたピースは、マシンの上に最も高い材料密度設定で作製され、低い空隙率を確実にすることが可能である。
[000110]音響インピーダンスZeおよび負荷インピーダンスZlの圧電セラミック素子に関して、単一の4分の1波長マッチング層インピーダンスに関する規準が、いくつかの他のものによって導出された。最も簡単な議論は、両側に無限媒体を備える単純な4分の1波長厚さのシートを通る波の透過のためのものである。この場合において、最大パワー伝達は、マッチング層インピーダンスがエレメントおよび負荷インピーダンスの幾何平均であるときに得られる。
ッチング層に加えて、エレメントの前半分が、第2のマッチング層として処理されるべきであるかのように、理想的なマッチング層をフォーミュレートする。これは、代替的な公式を結果として生じる。
[000115]そして、音速が、個別のコンポーネントの弾性係数(M)および体積分率(V)から見出される。
[000117]これらの等式は、所与の圧電セラミックタイプにとって適当なフォーミュレーションを見出すために、そのようなモデルが実験的テストの代わりに使用され得るかどうかを決定することを助けることが可能である。マッチング層材料は、エポキシ樹脂−粉末複合材から作製された。マッチング層の異なるフォーミュレーションを、選ばれたタイプのエポキシ樹脂および3つのタイプの粉末によって生成した。マッチング層テストピースは、エポキシ樹脂および粉末を一緒に混合し、乾燥粉末が液体エポキシ樹脂の中に残らなくなるまで、混合物を手動でかき混ぜることによって生成された。2つのエポキシ樹脂(Hysol E−120HPおよびTAPスーパーハードエポキシ樹脂)は、それらの接着能力に基づいて選ばれた。粉末は、炭化ケイ素(SiC)、酸化セリウム(CeO2)、またはタングステン(W)のいずれかから構成され、異なる重量比率でエポキシ樹脂と混合された。それぞれの混合物は、20分の間、真空チャンバーの中でガス抜きされ、次いで、円筒形状のモールドの中へ注がれ、直径2.5cmおよび厚さ1cmを有する円筒形状のサンプルを作製した。サンプルは、24時間にわたり硬化することが可能にされ、次いで、モールドから除去された。次いで、それぞれのサンプルの特性が、ラピッドプロトタイピング材料と同じ方法によって測定された。
[000122]トランスデューサーの中の内部反射を減少させるために、高い音響インピーダンストランスデューサー材料(通常は、硬質圧電セラミック)とより低い水の音響インピーダンス(または、高含水組織)との間のインピーダンスマッチングデバイスを用いることが可能である。マッチング層は、内部音響反射を最小化し、サイクル当たりのより多くのエネルギーが、トランスデューサーを出て、目標(通常は、組織)体積の中へ入ることを可能にする。また、これは、トランスデューサーセラミックの内側の内部応力および損失(および、結果として生じる高い温度)を最小化し、トランスデューサーを非常に広いバンドにする(したがって、非常に短い超音波パルスを可能にする)。短パルスは、いくつかのイメージングおよび治療用途にとって必須である。
インピーダンス)と目標体積(通常は、高含水組織、すなわち、水に近いインピーダンス)との間のインピーダンスを有する材料の単一の(または、複数の)離散層を製作することである。これは、問題にアプローチする標準的な方式であり、中間インピーダンスが、適当な厚さのエポキシ樹脂に加えられた金属粉末(例えば、タングステン)を使用して得られ得ることが多い。
任意の厚さにわたるいくらかの線形変化から、他の関数(例えば、「指数関数」)まで、テーパーを変化させることが可能であり、または、いくらかの他の厚さ寸法は、いくつかの最適化規準によって決定付けられるプロファイルをテーパー付けする。テーパー付きのコンポーネントの全体厚さの選択のこのラティチュード(latitude)、および、テーパー輪郭の数学的記載を変化させる能力は、より標準的な離散厚さマッチング層に対して、重要な設計利点である。また、マッチング層の有効性は、かなり改善された。
[000129]マイクロテーパー付きの構築物(近づけた間隔で配置された溝部、円錐部、またはピラミッド状部)を使用することは、3−Dプロトタイピングプロセスによってトランスデューサーおよびトランスデューサーアレイを製作するために、潜在的に有用な方式を提供する。マイクロテーパー付きの幾何学形状に起因して、テーパー付きの構築物の長さは、マッチング層全体の軸線方向の寸法を、固定された設計パラメーターとして、いくらか任意に除去している。通常は、テーパーが漸進的であればあるほど、マッチングはより効果的であり、マッチング層はより厚く構築される。しかし、厚さの増加は、減衰を増加させ得るので、トレードオフが存在する。
[000136]圧電セラミック材料の異なる組成物が、故障の前のそれらの極限圧力出力限界を決定するために評価された。エレメントは、前方表面が水と接触している水槽の中に位置付けされ、小さいハウジングの中に囲まれ、エレメントの空気の裏当てを確実にすることが可能である。カプセルハイドロフォンは、トランスデューサー表面から10cmの距離でトランスデューサーに面するように位置付けされた。エレメントは、電圧ゲインネットワークおよびクラスD増幅器に取り付けられ、エレメントに最大2400Vppを適用した。増幅器は、フィールドプログラマブルゲートアレイロジックボードによって制御される。それぞれのエレメントは、最初に、10Vppのベース信号によって駆動され、低振幅条件の下で出力を測定した。次いで、エレメントは、10秒にわたり、1kHzのPRFにおいて、10サイクルの高い振幅信号で駆動された。次いで、ベース信号は、圧力出力が同じであることを確実にするために再適用された。これが繰り返され、エレメントからのベース圧力出力が低減されるまで、毎回、テスト電圧をインクリメントした。また、このプロセスは繰り返され、マッチング層を有する音響レンズを備えるエレメント、および、マッチング層なしの音響レンズを備えるエレメントをテストし、水と直接的に接触しているむき出しのエレメントと比較した。
圧、および、1.3〜1.8Mpaの推定表面圧力において、レンズを備えるPZT、PZ26、およびPZTで顕著に表れた。図11は、1%デューティーサイクルにおいて適用される10サイクルパルスによる故障の前の最大エレメント表面圧力を図示している。テストされたすべてのタイプのPZTが、マッチング層なしで、同様の故障ポイントを有していた。それぞれの測定は、3サンプルの平均であり、故障表面圧力の範囲を示すエラーバーを有している。マッチング層を備えるエレメントに関して一定の故障圧力は、決定されなかった。バーは、エレメントからの最も高い推定表面圧力レベルを表している。したがって、2000Vppが、マッチング層を備える1MHzエレメントを駆動するための安全限界であると考えられた。PZ36材料(それは、より低い水平方向の結合係数およびより低いインピーダンスを有している)では、故障の目に見える兆候は観察されなかった。しかし、エレメント出力は、上述の材料と同様の駆動電圧および圧力において、劇的に減少した。すべての他のエレメントでは、破壊の発生は、圧力出力の同時に起こる減少、および、電気インピーダンス曲線の中の共鳴の損失によって達成された。
[000140]トランスデューサー仕様
[000141]ラピッドプロトタイピング方法を使用した治療トランスデューサー設計および構築に関する例は、以下の通りである。トランスデューサーは、大腿静脈の中の深部静脈血栓症(DVT)の治療のために設計されている。このトランスデューサーは、水槽によってレッグ部に連結されており、3軸モーター式のポジショナーによって制御される。治療トランスデューサーは、治療を監視およびガイドするために使用される超音波イメージングシステムと一体化することが可能である。
[000144]いくつかの等価回路モデルが、厚さモードで動作する圧電セラミックのために存在する。ここで適用されるモデル(Krimholtz、Leedom、およびMat
thae(KLM)によって開発された)は、タイムドメインの観点から最も直感的に考えられ、透過ラインによってトランスデューサーの機械的な厚さを表す。このフォーミュレーションは、伝達マトリックスアプローチに従っており、いくつかのマトリックス(それぞれは、トランスデューサーの電気的または機械的なパーツを記載している)は、圧力−電圧伝達関数を決定するために掛け合わせることが可能である。この方法は、Van KervelおよびThijssenによって開発され、球面状に湾曲した音響レンズを用いた計算に関して、Marechalらによってさらに開発された。これらの研究は引き継がれ、KLMモデルに関する基礎理論を開発した。追加的に、増幅器、トランスデューサーケーブル、およびマッチングネットワークのモデルは、ネットワークの電気的な側に含まれており、音響側に関して、楕円形レンズに関する等式が、インピーダンスおよび表面圧力プロファイルを決定するために開発された。表面圧力測定が提供されるが、これらは、実験結果または伝搬モデルに直接的に適用可能ではないが、その理由は、エレメント縁部からの回折は、一般的に、エレメント表面にわたって空間依存する圧力を生成させるからであるということに留意されたい。より適用可能なのは、エレメント表面速度:usであり、それは、積分に対する実際の入力として使用される。しかし、表面圧力は、ここで与えられ、ps=usρ1c1としてフォーカシングすることによって得られる圧力ゲインのアイデアを与える。
Raylの幾何平均に近い)であり、レンズ層Z1=3.1MRaylである。2メートルのBNC RG−174ケーブルを備える1MHzにおけるエレメントインピーダンスは、61〜107jΩであるようにシミュレートされている。4の電圧ゲインは、エレメントの上の最大電圧を400Vから1600Vppへ変換することが望まれる。アペンディクスAの中に与えられている電圧ネットワークCおよびL値は、C=1.3nFおよびL=9.7μHである。1nFおよび11μHの利用可能な値は、G=3.5を与える。これをシミュレーションに適用すると、1つのエレメントのための増幅器によって見られるようなインピーダンスは、増幅器の限界内において、20.5Ωとなる。この最終インピーダンス値が、増幅器の限界の外側にある場合には、設計者は、ネットワークに関してより低いゲイン値を選ばなければならず、または、別の方式でエレメントを変更し、初期インピーダンスを上昇させなければならない。
[000150]Rayleigh積分に基づく伝搬モデルが実装され、トランスデューサーに関する焦点寸法および焦点ゲインを含む、トランスデューサーの焦点特性を決定された。この等式は、素晴らしい精度を有する線形伝搬を定義する。ヒストトリプシーは、非線形伝搬に高度に依存することが可能であり、したがって、線形伝搬モデルは、簡素化されたものであり、焦点において展開された波形を正確に予測しない。しかし、キャビテーションクラウドおよび焦点波形のピーク負圧は、線形理論に基礎を置いているものと同様の領
域にわたって引き起こされる。したがって、このモデルは、詳細な波形を提供することとならないが、それは、キャビテーションが予期され得る領域を決定するために適用することが可能である。追加的に、線形の焦点ゲインを計算することが可能であり、それは、以前のヒストトリプシートランスデューサーに基づいて、十分な圧力が発生させられ得るかどうかという指示を提供する。体外および生体内で使用される以前のヒストトリプシートランスデューサーは、40〜90の範囲にある焦点ゲインを有している。
に正確に生成され得るということが示されてきた。したがって、キャビテーションは、メインビーム寸法に限定されることとなるということが予期される。
[000156]血栓溶解トランスデューサーのいくつかの実施形態が構築された。第1の設計では、PZ26材料の8つの球面状セグメントが、8つのサブハウジングの中でマッチング層なしで使用された。これは、デバイスのサイズを最小化したが、>800Vの電圧での電気的な問題を防止する困難性によって、より大きい設計が必要となった。第2の発生デバイスは、より大きい1つのハウジングを構成し、ハウジングの中では、すべての球面状エレメントが、適正に着座させられ、電気的に絶縁され得た。このデバイスは、生体内でのキャビテーションを発生させる点において初期には成功していたが、必要な駆動電圧は、上記に決定されているように、セラミックに関する機械的な故障限界の近くであった。破砕が、約600秒の動作の後に、複数のエレメントの後方面において顕著に表れた。したがって、最終設計は、平坦なディスクエレメントによって構築され、(図5A〜図5Bに示されているように)マッチング層インターフェースを備えるレンズを形成した。
ズを備えるトランスデューサーは、ハウジングの中に組み込まれているレンズとともに構築することが可能である。図18Aは、マッチング層スタンドオフ1840および圧縮ねじ山部1841などのような、ラピッドプロトタイピングハウジングの中へ組み込まれた他の特徴とともに、ラピッドプロトタイピングハウジング1820の中に組み込まれた音響レンズ1832を図示している。マッチング層オーバーフローウェル1845は、多すぎる材料が適用された場合にマッチング層材料のオーバーフローを含有するように構成することが可能である。図18Bでは、マッチング層1842およびトランスデューサーエレメント1818は、圧縮リング1843が圧縮ねじ山部1841の中へねじ込まれた音響レンズに対して適切な場所に保持されている。エレメントに面するレンズの表面の上に、3つの小さいスタンドオフがプリントされ、マッチング層の厚さを有するギャップを生成させることが可能である。マッチング層材料の小さい体積が、上記に説明されているように混合され、背面レンズ表面の中心に液滴として注出され得る。次いで、エレメントを、スタンドオフの上にプレスすることが可能である。次いで、余剰材料は、隣接するウェルの中へ進み、材料がエレメントの後方表面の上にオーバーフローすること、および、材料が高い駆動電圧でエレメントの周りに電気絶縁を引き起こすことを防止することが可能である。圧力は、手で加えることが可能であるか、または、圧縮キャップによってプレスすることが可能であり、圧縮キャップは、エレメントの後ろのエレメントハウジングの中へねじ込まれ、エレメント背面に連続的な圧力を加える。すべてのエレメントは、このようにハウジングの中へ装着され、任意の測定が行われる前に少なくとも24時間にわたり硬化することを可能にされ得る。ワイヤリングおよびシーリングは、マッチング層またはレンズなしのトランスデューサーに関して説明されているのと同じ様式で実施することが可能である。
[000161]第3の発生トランスデューサーのモデリングに関して、2cm直径ディスクが、マッチング層を備えて上記に説明されているように、PZT−4から作製された。マッチング層およびレンズを備える単一エレメントの、モデル化されたおよび測定された電気インピーダンス曲線が、図19に提供されている。マッチング層厚さが適当に選ばれているときには、測定と共鳴に近いモデルとの間で良好な一致が観察される。このトランスデューサーに関して、モデルは、マッチング層がλ/4よりも45μm厚く、周波数>1MHzにおいて、より高いインピーダンス曲線を引き起こしたということを示した。マッチング層厚さの誤差は、プリンター分解能限界に起因するようであり、それは、100μmのインクリメントで、トランスデューサーハウジングをプリントする。しかし、インピーダンス曲線は、エレメント同士の間で極めて一致していた。n=8エレメントに関して、1.0MHzにおけるインピーダンスは、実数部に関して48.3+/−1.5Ωであり、虚数部に関して−94.6+/−3.3jΩであった(平均+/−標準偏差)。比較のために、モデルによって与えられたインピーダンスは、マッチング層厚さ=λ/4+45μmのときに、1MHzにおいて、44〜102jΩである。低い周波数において、エレメントの中の半径方向の(水平方向の)モードによって引き起こされる、測定値からのモデルの偏差がいくらか存在し、それは、1−D KLMモデルでは考慮されていない。
[000165]光ファイバープローブハイドロフォン(FOPH)が、完成したトランスデューサーの焦点圧力波形を測定するために使用された。ハイドロフォンは、50MHzのバンド幅、100μm直径のアクティブエレメント、および、0.35mV/MPaの低周波数感度を有していた。ハイドロフォンの感度は、ファイバー先端部からの回折に起因して、周波数とともに変化する。既知の周波数応答を有する圧電ハイドロフォンが、ハイドロフォンの周波数応答を見出すために使用された。デコンボリューション手順は、ハイドロフォン周波数応答を補正し、正確な圧力波形を得るために書かれている。トランスデューサー焦点圧力が、キャビテーションが発生した点まで、ガス抜きされた水の中で測定された。この圧力レベルを超えて、測定値が、キャビテーションに抵抗力のある(cavitation−resistant)液体の中で記録された。
[000169]構築されたトランスデューサーのキャビテーションポテンシャルを決定するために、バブルクラウドが、異なるパルス長さおよびパルス繰り返し周波数の下で、高速写真によって画像化された。キャビテーションがそれぞれのパルスに観察される最低ピーク負圧値が、ガス抜きされた水の中の特定のセットの音響パラメーターに関するキャビテーションクラウド閾値として定義された。圧力レベルは、表Vに与えられている。パルス繰り返し周波数(PRF)またはパルス長さのいずれかが増加されるとき、バブルクラウドは、より低い圧力レベルにおいて持続されるそれぞれのパルスであることが可能である。最も高いパワーセッティングにおいて、キャビテーションクラウドは、19.5のMPaピーク負圧において発生させられる。これは、他のヒストトリプシートランスデューサーよりもいくらか高いが、この設計と同様の高い曲率を有するトランスデューサーは、非線形伝搬に起因してより低い曲率を有するものよりも大きい負圧閾値を有することとなると
いうことが予期される。最低のPRFおよびパルス長さにおいて、キャビテーションクラウドは、p=−30.7Mpaになるまでは一貫しているように見えない。
性のために支柱パターンで採用することが可能である。機械加工において、ピースを仕上げるために可能な限り少ない切削を必要とすることによって、コストを低減させることは賢明であることが多いが、射出成形において、複雑性は、モールドコストを増大させる。これは、設計者の利益となり得るが、それは、落とし穴にもなり得る。そのようなパーツが大量生産されることとなる場合には、それは、射出成形、または、より大幅な幾何学的制限を有する他の技法を必要とする可能性がある。そのような場合には、パーツのいくつかの特徴は、これらの製品モードのために再設計されなければならない可能性がある。しかし、研究または少量の資本設備の目的(この場合、数ユニットが典型的に開発され、または、製造量が、高価な射出成形ツールを正当化しない)のために、このことは、一般的に、気にする必要はない。
した。2000Vppにおける1%のデューティーサイクルの入力によっても、エレメントは、300秒にわたる駆動の後に、ほぼ70℃に到達した。これは、セラミック材料の中の音速の変化、および、共振周波数のシフトを引き起こす。結果として、出力が低下させられ、エレメントの中への合計パワーは、室温に戻るまで制限される。
(項目1)
ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと、
前記トランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、前記トランスデューサーは、前記トランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するように前記ハウジングの上に配置されており、前記複数のトランスデューサーは、治療的超音波エネルギーを、前記焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーと
を含む、超音波治療システム。
(項目2)
項目1に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーが、球面状の単一エレメントのトランスデューサーを含む、超音波治療システム。
(項目3)
項目1に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーが、圧電トランスデューサーエレメントを含む、超音波治療システム。
(項目4)
項目3に記載の超音波治療システムであって、前記圧電トランスデューサーエレメントが、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)セラミックを含む、超音波治療システム。
(項目5)
項目1に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーのそれぞれの前方に配設されている音響レンズをさらに含む、超音波治療システム。
(項目6)
項目5に記載の超音波治療システムであって、それぞれの音響レンズが、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと一体型になっている、超音波治療システム。
(項目7)
項目5に記載の超音波治療システムであって、それぞれのトランスデューサーと音響レンズとの間に配設されているマッチング層であって、前記マッチング層が、前記トランスデューサーを前記音響レンズに音響的に連結するように構成されている、マッチング層をさらに含む、超音波治療システム。
(項目8)
項目7に記載の超音波治療システムであって、前記マッチング層が、テーパー付きのマッチング層を含む、超音波治療システム。
(項目9)
項目7に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、複数のマッチング層スタンドオフをさらに含み、マッチング層スタンドオフが、それぞれの音響レンズの後面から、それぞれのトランスデューサーの前方表面を、前記マッチング層にとって適正な距離だけ分離する、超音波治療システム。
(項目10)
項目1に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、熱溶解積層法、3Dプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択されるプロセスによって製造されている、超音波治療システム。
(項目11)
項目1に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーのそれぞれが、別々のトランスデューサーモジュールの中に配設されており、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、前記トランスデューサーモジュールを受け入れるように構成されている複数の開口部を含む、超音波治療システム。
(項目12)
項目11に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、ねじ山部を含み、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの前記開口部の中へねじ込まれるように構成されている、超音波治療システム。
(項目13)
項目12に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの前記開口部が、前記トランスデューサーモジュールの前記ねじ山部と嵌合するように適合された溝部を含む、超音波治療システム。
(項目14)
項目11に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、一体型の音響レンズと、それぞれの音響レンズとトランスデューサーとの間に、マッチング層のためのスペースを画定する少なくとも1つのマッチング層スタンドオフとをそれぞれ含む、超音波治療システム。
(項目15)
複数の開口部を含むトランスデューサーハウジングと、
前記トランスデューサーハウジングの前記開口部の中へ挿入されるように構成され、前記ハウジングによって保持されるようになっている複数のトランスデューサーモジュールであって、それぞれのトランスデューサーモジュールが、音響レンズ、実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサー、および、前記レンズと前記トランスデューサーとの間に配設されているマッチング層を含み、前記トランスデューサーハウジングの前記開口部が、共通の焦点を共有するように前記単一エレメントのトランスデューサーを整合させるように配置されており、前記単一エレメントのトランスデューサーが、治療的超音波エネルギーを、前記焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーモジュールと
を含む、超音波治療システム。
(項目16)
項目15に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、前記ハウジングの前記開口部の中へねじ込まれるように構成されている、超音波治療システム。
(項目17)
項目15に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーハウジングが、凹面状ハウジングを含む、超音波治療システム。
(項目18)
項目17に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーが、前記ハウジングの中心の近くに位置付けされている超音波イメージングシステムの周りに円形配置で配置されている、超音波治療システム。
(項目19)
項目15に記載の超音波治療システムであって、前記ハウジングが、ラピッドプロトタイピング方法によって構築されている、超音波治療システム。
(項目20)
ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと、
前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、前記トランスデューサーは、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するように前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの上に配置されており、前記複数のトランスデューサーは、超音波エネルギーを前記焦点に適用するように構成されている、トランスデューサーと
を含む、超音波システム。
(項目21)
3Dコンピューター支援設計ソフトウェアで、トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップと、
ラピッドプロトタイピング方法を使用して、前記トランスデューサーハウジングシェルを構築するステップと
を含む、超音波システムを設計および製造する方法。
(項目22)
項目21に記載の方法であって、前記設計するステップが、前記ハウジングシェルの中の複数の開口部が共通の焦点に収束するように整合されるように、前記トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップをさらに含む、方法。
(項目23)
項目21に記載の方法であって、複数の実質的に平坦な非焦点式の圧電素子または圧電セラミック素子を前記トランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、前記圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップ
をさらに含む、方法。
(項目24)
項目21に記載の方法であって、複数の湾曲した非焦点式の圧電素子または圧電セラミック素子を前記トランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、前記圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップ
をさらに含む、方法。
(項目25)
項目22に記載の方法であって、前記ラピッドプロトタイピング方法によって複数のトランスデューサーエレメントモジュールを構築するステップと、前記トランスデューサーエレメントモジュールを前記トランスデューサーハウジングシェルの前記開口部の中へ挿入するステップとをさらに含む、方法。
(項目26)
項目21に記載の方法であって、前記ラピッドプロトタイピング方法が、熱溶解積層法、3Dプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択される、方法。
(項目27)
項目21に記載の方法であって、
前記3Dコンピューター支援設計ソフトウェアで、複数の音響フォーカシングレンズを前記ハウジングの中へ設計するステップと、
前記ラピッドプロトタイピング方法を使用して、前記音響フォーカシングレンズを構築するステップと
をさらに含む、方法。
(項目28)
項目27に記載の方法であって、前記複数の音響フォーカシングレンズが、前記トランスデューサーハウジングシェルと一体型になっている、方法。
Claims (28)
- ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと、
前記トランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、前記トランスデューサーは、前記トランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するように前記ハウジングの上に配置されており、前記複数のトランスデューサーは、治療的超音波エネルギーを、前記焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーと
を含む、超音波治療システム。 - 請求項1に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーが、球面状の単一エレメントのトランスデューサーを含む、超音波治療システム。
- 請求項1に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーが、圧電トランスデューサーエレメントを含む、超音波治療システム。
- 請求項3に記載の超音波治療システムであって、前記圧電トランスデューサーエレメントが、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)セラミックを含む、超音波治療システム。
- 請求項1に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーのそれぞれの前方に配設されている音響レンズをさらに含む、超音波治療システム。
- 請求項5に記載の超音波治療システムであって、それぞれの音響レンズが、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと一体型になっている、超音波治療システム。
- 請求項5に記載の超音波治療システムであって、それぞれのトランスデューサーと音響レンズとの間に配設されているマッチング層であって、前記マッチング層が、前記トランスデューサーを前記音響レンズに音響的に連結するように構成されている、マッチング層をさらに含む、超音波治療システム。
- 請求項7に記載の超音波治療システムであって、前記マッチング層が、テーパー付きのマッチング層を含む、超音波治療システム。
- 請求項7に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、複数のマッチング層スタンドオフをさらに含み、マッチング層スタンドオフが、それぞれの音響レンズの後面から、それぞれのトランスデューサーの前方表面を、前記マッチング層にとって適正な距離だけ分離する、超音波治療システム。
- 請求項1に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、熱溶解積層法、3Dプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択されるプロセスによって製造されている、超音波治療システム。
- 請求項1に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーのそれぞれが、別々のトランスデューサーモジュールの中に配設されており、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、前記トランスデューサーモジュールを受け入れるように構成されている複数の開口部を含む、超音波治療システム。
- 請求項11に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、ねじ山部を含み、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの前記開口部の中へねじ込まれるように構成されている、超音波治療システム。
- 請求項12に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの前記開口部が、前記トランスデューサーモジュールの前記ねじ山部と嵌合するように適合された溝部を含む、超音波治療システム。
- 請求項11に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、一体型の音響レンズと、それぞれの音響レンズとトランスデューサーとの間に、マッチング層のためのスペースを画定する少なくとも1つのマッチング層スタンドオフとをそれぞれ含む、超音波治療システム。
- 複数の開口部を含むトランスデューサーハウジングと、
前記トランスデューサーハウジングの前記開口部の中へ挿入されるように構成され、前記ハウジングによって保持されるようになっている複数のトランスデューサーモジュールであって、それぞれのトランスデューサーモジュールが、音響レンズ、実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサー、および、前記レンズと前記トランスデューサーとの間に配設されているマッチング層を含み、前記トランスデューサーハウジングの前記開口部が、共通の焦点を共有するように前記単一エレメントのトランスデューサーを整合させるように配置されており、前記単一エレメントのトランスデューサーが、治療的超音波エネルギーを、前記焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーモジュールと
を含む、超音波治療システム。 - 請求項15に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、前記ハウジングの前記開口部の中へねじ込まれるように構成されている、超音波治療システム。
- 請求項15に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーハウジングが、凹面状ハウジングを含む、超音波治療システム。
- 請求項17に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーが、前記ハウジングの中心の近くに位置付けされている超音波イメージングシステムの周りに円形配置で配置されている、超音波治療システム。
- 請求項15に記載の超音波治療システムであって、前記ハウジングが、ラピッドプロトタイピング方法によって構築されている、超音波治療システム。
- ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと、
前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、前記トランスデューサーは、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するように前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの上に配置されており、前記複数のトランスデューサーは、超音波エネルギーを前記焦点に適用するように構成されている、トランスデューサーと
を含む、超音波システム。 - 3Dコンピューター支援設計ソフトウェアで、トランスデューサーハウジングシェルを
所望の幾何学形状に設計するステップと、
ラピッドプロトタイピング方法を使用して、前記トランスデューサーハウジングシェルを構築するステップと
を含む、超音波システムを設計および製造する方法。 - 請求項21に記載の方法であって、前記設計するステップが、前記ハウジングシェルの中の複数の開口部が共通の焦点に収束するように整合されるように、前記トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップをさらに含む、方法。
- 請求項21に記載の方法であって、複数の実質的に平坦な非焦点式の圧電素子または圧電セラミック素子を前記トランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、前記圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップ
をさらに含む、方法。 - 請求項21に記載の方法であって、複数の湾曲した非焦点式の圧電素子または圧電セラミック素子を前記トランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、前記圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップ
をさらに含む、方法。 - 請求項22に記載の方法であって、前記ラピッドプロトタイピング方法によって複数のトランスデューサーエレメントモジュールを構築するステップと、前記トランスデューサーエレメントモジュールを前記トランスデューサーハウジングシェルの前記開口部の中へ挿入するステップとをさらに含む、方法。
- 請求項21に記載の方法であって、前記ラピッドプロトタイピング方法が、熱溶解積層法、3Dプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択される、方法。
- 請求項21に記載の方法であって、
前記3Dコンピューター支援設計ソフトウェアで、複数の音響フォーカシングレンズを前記ハウジングの中へ設計するステップと、
前記ラピッドプロトタイピング方法を使用して、前記音響フォーカシングレンズを構築するステップと
をさらに含む、方法。 - 請求項27に記載の方法であって、前記複数の音響フォーカシングレンズが、前記トランスデューサーハウジングシェルと一体型になっている、方法。
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