JP2024515453A - 超音波トランスデューサのためのアポダイジングバッキング構造及び関連する方法 - Google Patents

超音波トランスデューサのためのアポダイジングバッキング構造及び関連する方法 Download PDF

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Abstract

ＬＩＰＵＳ治療ヘッドのためのアポダイジングウェッジ構造が提供される。ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、低体積分率圧電複合ディスクを含む。アポダイジングウェッジ構造は、圧電ディスクの表面に接触するための環状体を含み、環状体は、内側厚さを有する内周と、外側厚さを有する外周と、を含む。環状体は、内周から外周に延在する連続した傾斜を形成する傾斜面であって、内側厚さが、外側厚さよりも小さい、傾斜面を含む。アポダイジングウェッジは、アポダイジングウェッジ構造が圧電ディスクと音響連通しているときに、圧電ディスクの共振特性に対して圧電ディスクの見かけの厚さを変化させ、それによって、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが均一な近接場を生成することを可能にするように構成されている。そのようなアポダイジングウェッジ構造を含むＬＩＰＵＳ治療ヘッド及び超音波トランスデューサもまた、提供される。

Description

本技術分野は、概して、音響エネルギーの分野に関し、より具体的には、超音波トランスデューサのためのアポダイジングバッキング構造、関連デバイス、装置、方法、及び技法に関する。
超音波トランスデューサは、多くの産業において広く使用されており、様々な用途に用いられている。例えば、超音波トランスデューサは、診断撮像又は治療用途を含む医療用途に用いることができる。他の用途としては、超音波非破壊試験及び超音波機械加工及び溶接が挙げられるが、これらに限定されない。超音波トランスデューサは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するか、音響エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成することができるか、又は両方を相互に行うように構成することができる。
先行技術の問題を軽減又は緩和する技法、装置、デバイス、及び方法が依然として必要とされている。
本技法は、概して、低出力パルス波超音波（low-Intensity pulsed ultrasound、ＬＩＰＵＳ）治療ヘッドに関し、より具体的には、実質的に均一な近接場を生成するように、又は少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分若しくは部分を含む音響場を生成するように構成された、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドのためのアポダイジングバッキング構造に関する。
一態様によれば、超音波トランスデューサが提供され、
共振特性を有する低体積分率圧電複合ディスクと、
低体積分率圧電複合ディスクと電気的に接触する少なくとも１つの電極と、
低体積分率圧電複合ディスクと音響接触している環状アポダイジングバッキング構造と、を含み、環状アポダイジングバッキング構造は、
内周及び対応する内側厚さと、
外周及び対応する外側厚さと、
内周から外周に延在する実質的に連続した傾斜を形成する傾斜面であって、内側厚さが、外側厚さよりも小さい、傾斜面と、を有し、
環状アポダイジングバッキング構造は、低体積分率圧電複合ディスクの共振特性に対して低体積分率圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させ、それによって超音波トランスデューサが少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分を含む音響場を生成することを可能にするように構成されている。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、回路基板を更に含む。いくつかの実施形態では、回路基板は、プリント回路基板である。いくつかの実施形態では、プリント回路基板は、リング状プリント回路基板である。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、１ ３構成である。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分散された２８０μｍ×２８０μｍの柱を含む。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、１．５ＭＨｚで、半波共振モードにおいて動作するように構成されている。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、約９ＭＲ～約１３ＭＲに及ぶ範囲に含まれる音響インピーダンスを有する。
いくつかの実施形態では、音響インピーダンスは、約１１ＭＲである。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、１．５ＭＨｚで約λ／２の厚さを有する。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、チタン酸ジルコン酸鉛材料（ＰＺＴ）系材料を含む。
いくつかの実施形態では、ＰＺＴ系材料は、ＰＺＴ５Ｈである。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、約３５％のＰＺＴ５Ｈ及び約６５％のポリマーマトリックスを含む。
いくつかの実施形態では、ポリマーマトリックスは、マイクロガラスバルーン及びシリコーン粒子で充填されたエポキシを含む。
いくつかの実施形態では、ＰＺＴ５Ｈ柱が第１のバーモード縦音響速度を有し、ポリマーマトリックスが第２の縦音響速度を有し、第２の縦速度が第１の縦速度のおよそ６０％～７０％である。
いくつかの実施形態では、第１の縦バーモード音響速度が約３８５０ｍ／ｓであり、第２の縦音響速度が約２５１ｍ／ｓである。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、内径を有するリング状プリント回路基板を更に備え、低体積分率圧電複合ディスクは外径を有し、リング状プリント回路基板の内径は、低体積分率圧電複合ディスクの外径よりも大きい。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、ハウジングを更に含み、ハウジングは、プラスチックから作製される。
いくつかの実施形態では、ハウジングは、低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する整合層を含む。
いくつかの実施形態では、整合層は、約λ／４の厚さを有する。
いくつかの実施形態では、整合層は、ハウジングと一体に形成される。
いくつかの実施形態では、整合層は、約２．１ＭＲ～約２．５ＭＲに及ぶ範囲に含まれる音響インピーダンスを有する。
いくつかの実施形態では、音響インピーダンスは、約２．３ＭＲである。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する２λ／３音響層を更に含む。
いくつかの実施形態では、２λ／３音響層は、ノニルプラスチックから作製され、約９５３μｍの厚さを有する。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する０．９λ音響層を更に含む。
いくつかの実施形態では、０．９λ音響層は、ノニルプラスチックから作製され、約１．２８ｍｍの厚さを有する。
いくつかの実施形態では、リング状プリント回路基板は、２つの対向する平面状の表面を含み、各平面状の表面は、銅から作製される。
いくつかの実施形態では、リング状プリント回路基板は、低体積分率圧電複合ディスクの周囲に接合される。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、低体積分率圧電複合ディスクの圧電複合体と並列に接続されたインダクタを更に含み、インダクタは、トランスデューサの遠位面が空気負荷されたときにインピーダンス最大値が約１．５ＭＨｚで生成されるように、低体積分率圧電複合ディスク、環状アポダイジングバッキング構造、及び１／４ラムダ音響整合層と共振するように構成されている。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、低体積分率圧電複合ディスクと直列に接続されたインダクタを更に含み、インダクタは、トランスデューサの遠位面が空気負荷されたときにインピーダンス最小値が約１．５ＭＨｚで生成されるように、低体積分率圧電複合ディスク、環状アポダイジングバッキング構造、及び１／４ラムダ整合層と共振するように構成されている。
いくつかの実施形態では、環状アポダイジングバッキング構造は、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシを含む。
いくつかの実施形態では、環状アポダイジングバッキング構造は、約２．８ＭＲの音響インピーダンスを有する。
いくつかの実施形態では、傾斜は、０度～３０度に含まれる。
いくつかの実施形態では、傾斜は、低体積分率圧電複合ディスクの上面に対して約１４度である。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、約１．５ＭＨｚの周波数で動作可能である。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、狭帯域幅トーンバーストモードで動作可能である。
いくつかの実施形態では、狭帯域幅トーンバーストモードは、好ましくは約１ｋＨｚのパルス繰り返し周波数において、２０％デューティサイクル正弦波パルスモードである。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサは、３．５未満のビーム不均一比を有する。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサが２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分は、超音波トランスデューサの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。
別の態様によれば、動作周波数を有する低出力パルス波超音波（ＬＩＰＵＳ）治療ヘッドであって、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、
音響スタックであって、
圧電ディスクであって、圧電ディスクが、低体積分率圧電複合ディスクを含み、低体積分率圧電複合ディスクが、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの動作周波数において、半波共振モードで動作するように構成されている、圧電ディスクと、
低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する環状アポダイジングバッキング構造であって、環状アポダイジングバッキング構造が、それぞれ内側厚さ及び外側厚さを有する内周及び外周を有し、内側厚さが外側厚さよりも小さく、環状アポダイジングバッキング構造が、低体積分率圧電複合ディスクの共振特性に対して低体積分率圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させ、それによってＬＩＰＵＳ治療ヘッドが少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分を含む音響場を生成することを可能にするように構成されている、環状アポダイジングバッキング構造と、を含む音響スタックと、
低体積分率圧電複合ディスクと電気的に連通する少なくとも１つの電極と、
音響スタック及び少なくとも１つの電極を支持するためのハウジングと、を含む、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが提供される。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、回路基板を更に含む。いくつかの実施形態では、回路基板は、プリント回路基板である。いくつかの実施形態では、プリント回路基板は、リング状プリント回路基板である。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、１ ３構成である。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分散された２８０μｍ×２８０μｍの柱を含む。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの動作周波数は、約１．５ＭＨｚである。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、約９ＭＲ～約１３ＭＲに及ぶ範囲に含まれる音響インピーダンスを有する。
いくつかの実施形態では、音響インピーダンスは、約１１ＭＲである。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、１．５ＭＨｚで約λ／２の厚さを有する。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、チタン酸ジルコン酸鉛材料（ＰＺＴ）系材料を含む。
いくつかの実施形態では、ＰＺＴ系材料は、ＰＺＴ５Ｈである。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、約３５％のＰＺＴ５Ｈ及び約６５％のポリマーマトリックスを含む。
いくつかの実施形態では、ポリマーマトリックスは、マイクロガラスバルーン及びシリコーン粒子で充填されたエポキシを含む。
いくつかの実施形態では、ＰＺＴ５Ｈ柱が第１のバーモード縦音響速度を有し、ポリマーマトリックスが第２の縦音響速度を有し、第２の縦速度が第１の縦速度のおよそ６０～７０％である。
いくつかの実施形態では、第１の縦音響速度が約３８５０ｍ／ｓであり、第２の縦音響速度が約２５１５ｍ／ｓである。
いくつかの実施形態では、リング状プリント回路基板は、内径を有し、低体積分率圧電複合ディスクは、外径を有し、リング状プリント回路基板の内径は、低体積分率圧電複合ディスクの外径よりも大きい。
いくつかの実施形態では、ハウジングは、プラスチックから作製される。
いくつかの実施形態では、ハウジングは、低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する整合層を含む。
いくつかの実施形態では、整合層は、約λ／４の厚さを有する。
いくつかの実施形態では、整合層は、ハウジングと一体に形成される。
いくつかの実施形態では、整合層は、約２．１ＭＲ～約２．５ＭＲに及ぶ範囲に含まれる音響インピーダンスを有する。
いくつかの実施形態では、音響インピーダンスは、約２．３ＭＲである。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する２λ／３音響層を更に含む。
いくつかの実施形態では、２λ／３音響層は、ノニルプラスチックから作製され、約９５３μｍの厚さを有する。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する０．９λ音響層を更に含む。
いくつかの実施形態では、０．９λ音響層は、ノニルプラスチックから作製され、約１．２８ｍｍの厚さを有する。
いくつかの実施形態では、リング状プリント回路基板は、２つの対向する平面状の表面を含み、各平面状の表面は、銅から作製される。
いくつかの実施形態では、リング状プリント回路基板は、低体積分率圧電複合ディスクの外周に接合される。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、低体積分率圧電複合ディスクの圧電複合体と並列に接続されたインダクタを更に含み、インダクタは、トランスデューサの遠位面が空気負荷されたときにインピーダンス最大値がおよそ１．５ＭＨｚで生成されるように、低体積分率圧電複合ディスク、環状アポダイジングバッキング構造、及び１／４ラムダ音響整合層と共振するように構成されている。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、低体積分率圧電複合ディスクの圧電複合体と直列に接続されたインダクタを更に含み、インダクタは、トランスデューサの遠位面が空気負荷されたときにインピーダンス最小値がおよそ１．５ＭＨｚで生成されるように、低体積分率圧電複合ディスク、環状アポダイジングバッキング構造、及び１／４ラムダ整合層と共振するように構成されている。
いくつかの実施形態では、環状アポダイジングバッキング構造は、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシを含む。
いくつかの実施形態では、環状アポダイジングバッキング構造は、約２．８ＭＲの音響インピーダンスを有する。
いくつかの実施形態では、傾斜は、０度～３０度に含まれる。
いくつかの実施形態では、傾斜は、低体積分率圧電複合ディスクの上面に対して約１４度である。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの動作周波数は、約１．５ＭＨｚである。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、狭帯域幅トーンバーストモードで動作可能である。
いくつかの実施形態では、狭帯域幅トーンバーストモードは、２０％デューティサイクル正弦波パルスモードである。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、３．５未満のビーム不均一比を有する。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分は、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。
別の態様によれば、低出力パルス波超音波（ＬＩＰＵＳ）治療ヘッドのためのアポダイジングウェッジ構造が提供され、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、低体積分率圧電複合ディスクを含み、アポダイジングウェッジ構造は、
低体積分率圧電複合ディスクの表面に接触するための環状体であって、対応する内側厚さを有する内周と、対応する外側厚さを有する外周と、を含む、環状体と、
環状体は、内周から外周に延在する実質的に連続したスロープを形成する傾斜面であって、内側厚さが外側厚さよりも小さい傾斜面を含み、アポダイジングウェッジ構造が低体積分率圧電複合ディスクと音響連通しているときに、アポダイジングウェッジは、低体積分率圧電複合ディスクの共振特性に対して低体積分率圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させ、それによって、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分を含む音響場を生成することを可能にするように構成されている。
いくつかの実施形態では、環状体は、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシから作製される。
いくつかの実施形態では、環状体は、約２．８ＭＲの音響インピーダンスを有する。
いくつかの実施形態では、傾斜は、０度～３０度に含まれる。
いくつかの実施形態では、傾斜は、低体積分率圧電複合ディスクの上面に対して約１４度である。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、約１．５ＭＨｚの周波数で動作可能である。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、狭帯域幅トーンバーストモードで動作可能である。
いくつかの実施形態では、狭帯域幅トーンバーストモードは、２０％デューティサイクル正弦波パルスモードである。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、３．５未満のビーム不均一比を有する。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分は、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。
別の態様によれば、低出力パルス波超音波（ＬＩＰＵＳ）治療ヘッドのためのバッキング構造であって、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、低体積分率圧電複合要素を含んでおり、バッキング構造は、
低体積分率圧電複合要素の表面に接触するための本体であって、本体が低体積分率圧電複合要素に接触するときに、バッキング構造及び低体積分率圧電構成要素内に相殺的干渉が生成され、それによってＬＩＰＵＳ治療ヘッドによって生成される音響場を成形し、相殺的干渉がバッキング構造の厚さに依存する、本体を含む、バッキング構造が提供される。
いくつかの実施形態では、相殺的干渉は、およそλ／４又はその奇数倍で最大減衰をもたらす。
いくつかの実施形態では、本体は、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシから作製される。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、約１．５ ＭＨｚの周波数で動作可能である。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、狭帯域幅トーンバーストモードで動作可能である。
いくつかの実施形態では、狭帯域幅トーンバーストモードは、２０％デューティサイクル正弦波パルスモードである。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、３．５未満のビーム不均一比を有する。
いくつかの実施形態では、音響場は、少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分を含み、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分は、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。
別の態様によれば、音響場をアポダイズする方法が提供され、
超音波トランスデューサを動作させて音響場を生成することであって、超音波トランスデューサが低体積分率圧電複合ディスクを含んでおり、低体積分率圧電複合材が共振特性を有する、生成することと、
音響場を環状アポダイジングバッキング構造で調整してアポダイジングされた音響場を生成することと、を含み、アポダイジングされた音響場は、少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分を含み、環状アポダイジングバッキング構造は、低体積分率圧電複合ディスクと音響接触しており、環状アポダイジングバッキング構造は、
内周及び対応する内側厚さと、
外周及び対応する外側厚さと、
内周から外周に延在する実質的に連続したスロープを形成する傾斜面であって、内側厚さが、外側厚さよりも小さい、傾斜面と、を有し、
環状アポダイジングバッキング構造は、低体積分率圧電複合ディスクの共振特性に対して低体積分率圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させるように構成されている。
いくつかの実施形態では
超音波トランスデューサは、２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作され、
少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分は、超音波トランスデューサの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、１ ３構成である。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分散された２８０μｍ×２８０μｍの柱を含む。
別の態様によれば、動作周波数を有する低出力パルス波超音波（ＬＩＰＵＳ）治療ヘッドを用いて音響場を生成するための方法が提供され、
ＬＩＰＵＳ治療を動作させて音響場を生成することであって、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、
音響スタックであって、
圧電ディスクであって、圧電ディスクが、低体積分率圧電複合ディスクを含み、低体積分率圧電複合ディスクが、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの動作周波数において半波共振モードで動作するように構成されている、圧電ディスクと、
低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する環状アポダイジングバッキング構造であって、環状アポダイジングバッキング構造が、それぞれ内側厚さ及び外側厚さを有する内周及び外周を有し、内側厚さが外側厚さよりも小さい、環状アポダイジングバッキング構造と、を備える、音響スタックと、
低体積分率圧電複合ディスクと電気的に連通する少なくとも１つの電極と、
音響スタック及び少なくとも１つの電極を支持するためのハウジングと、を含む、生成することと、
音響場を環状アポダイジングバッキング構造で調整してアポダイジングされた音響場を生成することであって、アポダイジングされた音響場が少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分を含む、生成することと、を含む、方法が提供される。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、回路基板を更に含む。いくつかの実施形態では、回路基板は、プリント回路基板である。いくつかの実施形態では、プリント回路基板は、リング状プリント回路基板である。
いくつかの実施形態では
超音波トランスデューサは、２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作され、
少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分は、超音波トランスデューサの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、１ ３構成である。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクは、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分散された２８０μｍ×２８０μｍの柱を含む。
本説明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して単なる例として示される、その特定の実施形態の以下の非限定的な説明を読むことによって、より明らかになる。
一実施形態による超音波トランスデューサを示す。 図１に示される超音波トランスデューサの分解図を示す。 図１に示される超音波トランスデューサの分解図を示す。 一実施形態による、環状バッキング構造と音響連通する低体積分率圧電複合ディスクの断面斜視図である。 図４に示される環状バッキング構造と音響連通する低体積分率圧電複合ディスクの別の断面斜視図である。 一実施形態による、低体積分率圧電複合ディスク及び環状バッキング構造の分解図である。 図６に示す低体積分率圧電複合ディスク及びＰＳＰＣＢ構造の別の図である。 図６に示された低体積分率圧電複合ディスク及び環状バッキング構造の別の図である。 従来の超音波トランスデューサの圧力強度応答の線形グラフ（左部分）及び本技法に従って設計された超音波トランスデューサの圧力強度応答の線形グラフ（右部分）を示す。 アポディゼーションリング又は構造を有さない１ ３複合材料系のＬＩＰＵＳ治療ヘッドの３ｍｍ場内に存在する外側最大リングを示すシミュレートされた場（左上部分）と、１ ３複合材料系のＬＩＰＵＳ治療ヘッドの３ｍｍフィールド内に存在する外側最大リングを示す、測定された音響場（右上部分）と、１ ３複合材料系のディスクの背面の周囲部分上にアポダイジングウェッジ（又は「環状アポダイジングバッキング構造」）を含むことから生じる抑制された外側最大リングを示すシミュレートされた場（左下部分）と、１ ３複合材料系のディスク上のアポダイジングリング（又は環状アポダイジングバッキング構造）によって達成される抑制された外側最大リングを示すプロトタイプＬＩＰＵＳ治療ヘッドからの測定された音響場（右下部分）と、を示す。 本技法を組み込むＬＩＰＵＳ治療ヘッドの３ｍｍ平面で測定された強度及び最後の軸方向最大値を含む平面で測定された強度を示す。 本技術の１．５ＭＨｚで共振するように構成された並列インダクタを用いた空気負荷（図１２Ｂ）と比較した、インダクタを用いない空気負荷（図１２Ａ）の効果を示し、並列誘導共振は、超音波トランスデューサが空気負荷されているときの動作周波数に整合するように同調されている。 本技術の１．５ＭＨｚで共振するように構成された並列インダクタを用いた空気負荷（図１２Ｂ）と比較した、インダクタを用いない空気負荷（図１２Ａ）の効果を示し、並列誘導共振は、超音波トランスデューサが空気負荷されているときの動作周波数に整合するように同調されている。 空気及び水の負荷を伴う、λ／４整合層及び共振並列インダクタを有する、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの非限定的実施形態のインピーダンスを示す。 λ／４整合層を有するが共振インダクタを有さない、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの非限定的実施形態の例示的なトランスデューサのインピーダンスを、空気及び水負荷事例とともに示す。 治療ヘッドの遠位面から３ｍｍに位置する平面において、水中聴音器を伴う水タンク内で測定された、本技法を用いて生成されたアポダイズされた音響場の３Ｄプロットである。 水中での応答（図の上半分に示される）と比較して、回路内の共振インダクタを使用せずに空気中で動作周波数においてインピーダンス最大値（図の下半分に示される）を提供するように同調された２λ／３前面層を示し、空気結合最大値は、水結合最小値よりもおよそ５倍高い。 空気中でのインピーダンス最小値（図の下半分に示される）と、水結合されたときのより高いインピーダンス（図の上部分に示される）と、を提供するように同調された０．９λ前面層を示し、空気結合インピーダンス最小値は、水結合されたとき（下部分）よりもおよそ３倍低い。 本技法による、超音波トランスデューサの軸方向圧力応答を示す。図１７Ａは、近接場の最初の１０ｃｍにおける高度に均一な軸上圧力場と、近接場全体における高振幅ピークの不在と、を示す。図１７Ｂは、アポディゼーションバッキング構造及び対応する音響場がない場合に見られる近接場軸方向均一性の欠如を示す。 本技法による、超音波トランスデューサの軸方向圧力応答を示す。図１７Ａは、近接場の最初の１０ｃｍにおける高度に均一な軸上圧力場と、近接場全体における高振幅ピークの不在と、を示す。図１７Ｂは、アポディゼーションバッキング構造及び対応する音響場がない場合に見られる近接場軸方向均一性の欠如を示す。 波長の分数としてのバッキング構造の厚さに対するバッキング構造の存在によって生成される相殺的干渉に起因する送信された音響場の局所的減衰を示す。 デバイスの動作周波数におけるインピーダンスの差を達成する方法を表し、空気インピーダンスの大きさは、水インピーダンスより数倍低く、直列共振インダクタを使用して達成され、この構成は、０．９λ整合層の場合に見られるものと同様の結果を生成するが、直列共振インダクタ及びλ／４整合層を使用する。 別の実施形態による超音波トランスデューサの断面斜視図を示す。 別の実施形態による超音波トランスデューサの断面斜視図を示す。 別の実施形態による超音波トランスデューサの断面斜視図を示す。
以下の説明では、図面中の同様の特徴には同様の参照番号が与えられており、図を過度に妨げないように、いくつかの要素は、１つ以上の先行する図においてすでに識別されている場合、いくつかの図において示されていないことがある。また、本明細書では、図面の要素は必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、本実施形態の要素及び構造を明確に例示することに重点が置かれていることも理解されたい。「ａ」、「ａｎ」及び「ｏｎｅ」という用語は、本明細書では「少なくとも１つ」を意味するように定義され、すなわち、これらの用語は、別段の記載がない限り、複数の要素を除外しない。例示的な実施形態の特徴の値、条件、又は特性を修飾する「実質的に」、「概して、一般に」、及び「約」などの用語は、値、条件、又は特性が、その意図された用途のためのこの例示的な実施形態の適切な運転のために許容可能である公差内で定義されることを意味すると理解されるべきであることに留意されたい。
本説明において、「接続された」及び「結合された」という用語、並びにそれらの派生語及び変形語は、２つ以上の要素間の直接的又は間接的のいずれかの、任意の接続又は結合を指す。要素間の接続又は結合は、音響的、機械的、物理的、光学的、動作的、電気的、無線、又はそれらの組み合わせであり得る。
「する」、「一致している」、及び「一致した」という用語は、本明細書では、２つの要素が同じであるか、又は互いにある所定の許容差内にある状態を指すことが意図される。すなわち、これらの用語は、２つの要素を「正確に」又は「同一に」一致させることだけでなく、２つの要素を「実質的に」、「およそ」又は「主観的に」一致させること、並びに複数の一致の可能性の中でより高い又は最良の一致を提供することも包含することを意味する。
本説明において、「基づいて」という表現は、「少なくとも部分的に基づいて」を意味するように意図されており、すなわち、この表現は、「のみに基づいて」又は「部分的に基づいて」を意味することができ、したがって、限定的に解釈されるべきではない。より具体的には、「～に基づく」という表現は、「～に依存する」、「～を表す」、「～を示す」、「～と関連付けられる」又は類似の表現を意味するものとして理解され得る。
別の要素に対する１つの要素の位置又は配向を示す位置記述子は、説明を容易かつ明確にするために本明細書で使用され、別段の指示がない限り、図面の文脈で解釈されるべきであり、限定するものとみなされるべきではないことが理解されよう。空間的に相対的な用語（例えば、「外部」及び「内部」、「外側」及び「内側」、「周辺」及び「中央」、「上」及び「下」、並びに「上部」及び「底部」）は、図面に例示された位置及び配向に加えて、本実施形態の使用又は動作における異なる位置及び配向を包含することが意図されていることが理解されるであろう。
本説明は、概して、超音波トランスデューサアセンブリに関し、より具体的には、実質的に均一な近接場（又は少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分若しくは部分を含む音響場）を生成するように構成されたＬＩＰＵＳ治療ヘッド、並びに関連する方法に関する。本技術及びその利点は、本技術の様々な実施形態を説明する以下の詳細な説明及び実施例からより明らかとなる。より具体的には、以下の説明は、治療用途のために使用され得るＬＩＰＵＳ治療ヘッドを提示する。治療用途としては、生体組織、骨、軟骨、腱などの治療が挙げられるが、これらに限定されない。例えば、本技法は、組織損傷を治療するため、又は骨治癒を支援するために使用され得る。
本開示の文脈において、「アポダイジング」、「アポディゼーション」、「アポダイズされた」という表現、それらの同義語及び派生語は、例えば、限定するものではないが、音響場の空間プロファイルなどの、場の強度プロファイルを変更、改変、又は成形するために使用され得る技法を指す。いくつかの実施形態では、アポダイゼーション技法を使用して、音響場をその縁部で、又はその「周囲」に沿って、又は少なくともその一部分で空間的に減衰させることができる。注目すべきことに、本技術は、アポダイジング構造又はバッキング構造を使用してアポダイジングされた音響場を取得又は生成することを可能にし、アポダイジング構造又はバッキング構造は、超音波トランスデューサの後部に設けられ、エネルギーを吸収するための技法に依存することなく、そこで生成される相殺的干渉を利用することによってアポダイジングされた音響場を取得又は生成することを可能にする。
説明全体を通して説明される超音波トランスデューサの実施形態は、圧電材料を含むものとして説明されるが、当業者であれば、本開示の超音波トランスデューサが、代わりに、任意の強誘電体材料、任意の単結晶又は多結晶材料、任意の電気機械変換材料を含み得、そのような材料が、強誘電性、焦電性、圧電性、電歪などの特性、及び／又は他の関連する特性のうちの１つ以上を有することに留意するであろう。本明細書の文脈において、「圧電材料」という表現は、当業者によって容易に理解されるように、強誘電体材料、焦電材料、リラクサ材料、及び電歪材料を指す場合もあることに留意されたい。
一態様によれば、図１～図１９Ａ、図１９Ｂを参照すると、超音波トランスデューサ２０が提供されている。大まかに説明すると、超音波トランスデューサ２０は、共振特性を有する低体積分率圧電複合ディスク２２と、少なくとも１つの電極（リング状プリント回路基板２４によって具現化又は置換され得る）と、局所的な相殺的干渉に基づいて、低体積分率圧電トランスデューサディスク２２によって生成された音響場の減衰を実現するように構成された環状バッキング構造２６と、を含む。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ２０は、ディスクの代わりに低体積分率圧電複合素子を含み得る。これらの実施形態では、低体積分率圧電複合素子は、例えば、限定するものではないが、矩形、環状、又は湾曲した圧電構造例えば、湾曲集束複合板などの様々な板構造及び形状によって具現化され得る。環状アポダイジングバッキング構造２６は、低体積分率圧電複合ディスク２２の共振特性に対して低体積分率圧電複合ディスク２２の見かけの厚さを変化させ、それによって超音波トランスデューサ２０が実質的に均一な近接場、又は少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分若しくは部分を含む音響場を生成することを可能にするように構成されている。低体積分率圧電複合ディスク２２と、環状アポダイジングバッキング構造２６と、超音波トランスデューサ２０の他の構成要素例えば、電極との間の相互作用により、低体積分率圧電複合ディスク２２の実際の厚さすなわち、「実の」又は「物理的な」厚さを変化させることなく、低体積分率圧電複合ディスク２２の音響厚さすなわち、「見かけの」厚さを効果的に変化させることが可能になる。また、低体積分率圧電複合ディスク２２の電気インピーダンスを実質的に変化させることなく、低体積分率圧電複合ディスク２２の音響厚さすなわち、「見かけの」厚さを効果的に変化させることが可能になる。したがって、低体積分率圧電ディスク２２を形成する圧電材料によって生成される波の波長又は電気音響周波数を変更することなく、低体積分率圧電複合ディスク２２の共振周波数を変更することが可能であり、低体積分率圧電複合ディスク２２自体の電気音響周波数応答ではなく、低体積分率圧電複合ディスク２２の共振特性をシフトさせる。アポダイジングバッキング構造２６の厚さが１／４ラムダ又は１／４ラムダの奇数倍例えば、３／４ラムダ又は５／４ラムダに近づくにつれて、低体積分率圧電複合ディスク２２及びバッキング構造２６内に強い相殺的干渉が生成され、バッキング構造２６の領域における音響場の減衰をもたらす。いくつかの実施形態では、バッキング構造２６は、低体積分率圧電複合ディスク２２の周囲に位置するウェッジであり得、アポダイジングバッキング構造として機能することができる。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ２０は、環状アポダイジングバッキング構造２６の効果が、例えば、限定するものではないが、トーンバースト又はＣＷを含む狭帯域動作モードにおいて比較的強い効果を有するので、比較的狭帯域モードで動作するように構成されている。いくつかの実施形態では、環状アポダイジングバッキング構造２６は、環状アポダイジング構造２６の領域における低体積分率圧電複合ディスク２２の透過音響出力を、２５ｄＢを超えて低減することを可能にする。超音波トランスデューサ２０は、受信モードにおいて同様に動作する。環状アポダイジングバッキング構造２６の効果は、ディスク内で干渉するのに十分な数のサイクルがパルス内に存在する場合にのみ、アポダイジングバッキング構造２６によって生成される位相の変化が低体積分率圧電複合ディスク２２内で相殺的干渉をもたらすことができるので、広帯域動作モードに対して制限された減衰影響を有することができる。この技術は、約５サイクルを超える場合に比較的効果的になり得るが、いくつかの用途では、非常に短い単一サイクル又はインパルスタイプの波形であっても有益であり得る。環状アポダイジングバッキング構造２６は、音響場のエッジの減衰及び成形を可能にし、概して、音響場のピーク値及び音響場のエッジからの滑らかな遷移を生成する。場のエッジのこの変化は、サイドローブを低減し、ピエゾ素子内の横モードを低減し、ビームのエッジの均一性を改善する。音響場のエッジ及び特性を修正し、したがって音響場の周囲を平滑化し、潜在的に成形するための本技法は、本明細書では、典型的には低体積分率圧電複合ディスク２２のみを使用して生成される音響場のアポダイゼーションすなわち、アポダイズされた音響場の生成と呼ばれる。この相殺的干渉ベースのバッキング構造２６は、場の周囲をアポダイズするためだけでなく、一般的なビーム成形のためにも使用することができることに留意されたい。
超音波トランスデューサ２０が大まかに説明されたので、低体積分率圧電複合ディスク２２、リング状プリント回路２４、及び環状アポダイジングバッキング構造２６の異なる実施形態が提示される。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスク２２は、四角柱２８を含むことができる。例えば、限定するものではないが、四角柱２８の寸法は、柱２８ごとに約２８０μｍ×約２８０μｍであり得る。四角柱２８は、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分布され得る。注目すべきことに、この横軸は、低体積分率圧電複合ディスク２２の１つの表面に平行な平面内に延在し、すなわち、各横軸は、低体積分率圧電複合ディスク２２の半径又は直径のうちの対応する１つに平行である。
超音波トランスデューサ２０は、概して、動作周波数で動作するように構成され、低体積分率圧電複合ディスク２２は、超音波トランスデューサ２０の動作周波数に実質的に一致するモードで動作するように構成されている。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ２０の動作周波数は１．５ＭＨｚであり、低体積分率圧電複合ディスク２２が、１．５ＭＨｚの半波共振モードで動作するように構成されている。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスク２２が、約９ＭＲ～約１３ＭＲに及ぶ範囲に含まれる音響インピーダンスを有する。いくつかの実施形態では、音響インピーダンスが、約１１ＭＲである。低体積分率圧電複合ディスク２２は、列挙された音響インピーダンスに達することを可能にする任意の材料又は材料の組み合わせを含むことができることに留意されたい。例えば、限定するものではないが、いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスク２２が、約３５％のＰＺＴ５Ｈ及び約６５％のポリマーマトリックスを含み得る。ポリマーマトリックスは、マイクロガラスバルーン及びシリコーン粒子で充填されたエポキシを含み得る。いくつかの実施形態では、ＰＺＴ５Ｈは、第１の縦音響速度を有し、ポリマーマトリックスは、第２の縦音響速度を有し、第２の縦音響速度は、第１の縦音響速度のおよそ６０％～７０％に等しい。例えば、限定するものではないが、第１の縦音響速度は、約３８５０ｍ／ｓであり得、第２の縦音響速度は、約２５１５ｍ／ｓであり得る。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスク２２は、超音波トランスデューサの動作周波数において約λ／２の厚さを有する。例えば、限定するものではないが、低体積分率圧電複合ディスク２２の厚さは、約１．５ＭＨｚで約λ／２であり得る。
図に示すように、リング状プリント回路基板２４は、低体積分率圧電複合ディスク２２と電気的に接触している。
いくつかの実施形態では、リング状プリント回路基板２４は内径を有し、低体積分率圧電複合ディスク２２は外径を有する。図に示すように、リング状プリント回路基板２４の内径は、低体積分率圧電複合ディスク２２の外径より大きくあり得る。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ２０は、ハウジング３０を更に含む。ハウジング３０は、プラスチックから作製され得る。いくつかの実施形態では、ハウジング３０は、低体積分率圧電複合ディスク２２と音響連通する整合層を含み得る。整合層は、ハウジングと一体的に形成され得るか、又は分離した構成要素として代替的に提供され得る。いくつかの実施形態では、整合層は、約λ／４の厚さを有し得る。いくつかの実施形態では、整合層は、約２．１ＭＲ～約２．５ＭＲに及ぶ範囲に含まれる音響インピーダンスを有し得る。いくつかの実施形態では、音響インピーダンスは、約２．３ＭＲであり得る。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ２０は、低体積分率圧電複合ディスク２２と音響連通する２λ／３音響層を更に含む。いくつかの実施形態では、２λ／３音響層は、ノニルプラスチックから作製され得る。注目すべきことに、他の材料が使用され得る。いくつかの実施形態では、２λ／３音響層は、約９５３μｍの厚さを有し得る。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ２０は、低体積分率圧電複合ディスク２２と音響連通する０．９λ音響層を更に含む。いくつかの実施形態では、０．９λ音響層は、ノニルプラスチックから作製され得る。注目すべきことに、他の材料が使用され得る。いくつかの実施形態では、０．９λ音響層は、約１．２８ｍｍの厚さを有し得る。
いくつかの実施形態では、リング状プリント回路基板２４は、２つの対向する平面状の表面を含み、各平面状の表面は、銅から作製される。
いくつかの実施形態では、リング状プリント回路基板２４は、低体積分率圧電複合ディスク２２の周囲に接合される。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスク２２の圧電複合体と並列に接続されたインダクタが提供され、インダクタは、超音波トランスデューサ２０の遠位面が空気負荷されたときに電気インピーダンス最大値が約１．５ＭＨｚで生成されるように、低体積分率圧電複合ディスク２２と、環状アポダイジングバッキング構造２６と、１／４ラムダ整合層と、を備える、音響スタックと電気的に共振するように構成されている。
いくつかの他の実施形態では、インダクタは、図１９Ａ、図１９Ｂに示されるように、インピーダンス最大値ではなくインピーダンス最小値を提供するために、低体積分率圧電複合材と直列に構成され得、これは、以下でより詳細に提示される。
環状アポダイジングバッキング構造２６は、低体積分率圧電複合ディスク２２と音響接触している。環状アポダイジングバッキング構造２６は、対応する内側厚さ３４を有する内周３２と、対応する外側厚さ３８を有する外周３６と、を含む。環状アポダイジングバッキング構造２６は、内周３２から外周３６まで延在する実質的に連続した傾斜を形成する傾斜面４０を含む。内側厚さ３４は、外側厚さ２８よりも小さい。
アポダイジングバッキング構造２６は、対象となる用途によって決定され得る所定のターゲットに到達するように音響場を成形することを可能にする任意の形状又は構成を有し得ることに留意されたい。例えば、限定するものではないが、アポダイジングバッキング構造２６は、非単調曲線、非連続曲線、又は更には不連続段を含む表面プロファイルを有することができる。バッキング構造２６の幾何学的形状は、アポダイジングの必要性すなわち、音響場の最適な形状若しくはプロファイル、又は音響場のプロファイルにおける最適な遷移に依存する。相殺的干渉を使用して音響場又はその一部分を減衰させることに依存する本技法は、概して柔軟であり、多種多様な超音波トランスデューサの音響特性を向上させるために使用することができることに留意されたい。例えば、限定するものではないが、本明細書に記載される技法は、カーフレスアレイとともに使用され得るか、又は環状アレイ素子によって生成される音響場の指向性を成形するために使用され得る。
いくつかの実施形態では、環状アポダイジングバッキング構造２６は、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシを含み得る。
いくつかの実施形態では、環状アポダイジングバッキング構造２６は、約２．８ＭＲの音響インピーダンスを有し得る。環状アポダイジングバッキング構造２６は、この音響インピーダンスに達することを可能にする任意の材料又は材料の組み合わせを含むことができる。
いくつかの実施形態では、内周３２から外周３６まで延在する傾斜は、約０度～約３０度に及ぶ範囲に含まれ得る。いくつかの実施形態では、傾斜は、低体積分率圧電複合ディスク２２の上面に対して約１４度であり得る。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ２０は、約１．５ＭＨｚの周波数で動作可能である。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサ２０は、例えば、限定するものではないが、１ｋＨｚのＰＲＦのパルス繰り返し周波数を有する２０％デューティサイクル正弦波パルスモードなどの狭帯域幅トーンバーストモードで動作し得る。
ここで、超音波トランスデューサのいくつかの性能指数を参照すると、本技法は、３．５未満のビーム不均一比を有する超音波トランスデューサ２０を提供し、これは、８未満であり、すなわち、このレベルは、理学療法及び他の医療用途のための最小安全レベルとして定義される。いくつかの実施形態では、実質的に均一な近接場（又は少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分若しくは部分）は、超音波トランスデューサ２０が２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、超音波トランスデューサ２０の外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。
別の広範な態様によれば、動作周波数を有するＬＩＰＵＳ治療ヘッドが提供される。ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、音響スタックと、少なくとも１つの電極（プリント回路基板及びハウジングによって置換又は具現化され得る）と、を含む。これらの構成要素は、本明細書で説明されている１つ以上の実施形態と同様であり得る。音響スタックは、低体積分率圧電複合ディスクを含む圧電ディスクを含む。低体積分率圧電複合ディスクが、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの動作周波数で、半波共振モードにおいて動作するように構成されている。音響スタックはまた、低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する環状アポダイジングバッキング構造を含む。環状アポダイジングバッキング構造が、それぞれ内側厚さ及び外側厚さを有する内周及び外周を有する。内側厚さは、外側厚さよりも小さい。環状アポダイジングバッキング構造は、低体積分率圧電複合ディスクの共振特性に対して低体積分率圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させ、それによってＬＩＰＵＳ治療ヘッドが実質的に均一な近接場又は少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分を含む音響場を生成することを可能にするように構成されている。プリント回路基板は、低体積分率圧電複合ディスクと電気的に連通しており、ハウジングは、音響スタック及びプリント回路基板を支持するような形状及びサイズである。
注目すべきことに、ＬＩＰＵＳ治療ヘッド及びその構成要素の各々は、超音波トランスデューサに関して先に説明した実施形態と互換性がある。
別の広範な態様によれば、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドのためのアポダイジングウェッジ構造が提供され、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、低体積分率圧電複合ディスクを含む。アポダイジングウェッジ構造は、低体積分率圧電複合ディスクの表面に接触するための環状体を含む。環状体は、対応する内側厚さを有する内周と、対応する外側厚さを有する外周と、を含む。環状体は、内周から外周に延在する実質的に連続した傾斜を形成する傾斜面を含み、内側厚さは、外側厚さよりも小さい。アポダイジングウェッジは、アポダイジングウェッジ構造が、低体積分率圧電複合ディスクと音響連通しているときに、低体積分率圧電複合ディスクの共振特性に対して低体積分率圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させ、それによってＬＩＰＵＳ治療ヘッドが実質的に均一な近接場又は少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分を含む音響場を生成することを可能にするように構成されている。
いくつかの実施形態では、環状体は、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシから作製される。
いくつかの実施形態では、環状体は、約２．８ＭＲの音響インピーダンスを有する。
いくつかの実施形態では、傾斜は、０度～３０度に含まれる。いくつかの実施形態では、傾斜は、低体積分率圧電複合ディスクの上面に対して約１４度である。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、約１．５ＭＨｚの周波数で動作可能である。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、狭帯域幅トーンバーストモードで動作可能である。いくつかの実施形態では、狭帯域幅トーンバーストモードは、２０％デューティサイクル正弦波パルスモードである。
いくつかの実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、３．５未満のビーム不均一比を有する。
いくつかの実施形態では、実質的に均一な近接場（又は少なくとも１つの実質的な近接場成分若しくは部分）は、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが２０％パルス化送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。
図２０Ａ～図２０Ｃは、別の実施形態による超音波トランスデューサを示す。注目すべきことに、図２０Ａ～図２０Ｃの超音波トランスデューサは、他の箇所で説明するように、リング状プリント回路を含まない。しかしながら、この実施形態による超音波トランスデューサは、本明細書で提示されるように、低体積分率圧電複合材と、少なくとも１つの電極と、環状アポダイジングバッキング構造と、を含み得る。図２０Ａ～図２０Ｃに示す実施形態では、少なくとも１つの電極は、低体積分率圧電複合材を少なくとも部分的に取り囲むリングとして表されている。電極は、例えば金などの金属材料から作製され得る。
これまで説明してきた技術は、次に提示するＬＩＰＵＳ治療ヘッドの非限定的な実施形態に関して説明され得る。この非限定的な実施形態では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、およそ１．５ＭＨｚの周波数で動作するように構成されている。そのようなＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、骨折治癒治療システム又は同様のシステムにおいて使用され得る。本実施形態によるＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、骨折を治癒するために必要とされる時間を低減又は最適化するために、比較的複雑又は困難な開放骨折の治癒を補助又は促進するために、及び理学療法ジアテルミーシステムにおいて使用され得る。
大まかに説明すると、この実施形態によるＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、超音波トランスデューサと、電気インピーダンス機能を感知する一体型ゲルと、を含む。より具体的には、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、低体積分率１ ３の圧電複合ディスクと、リング状プリント回路基板と、接地電極と、信号電極と、ツイストペア線と、プラスチックハウジングと、アポダイジングウェッジと、プリント回路基板と、を含み得る。
低体積分率１ ３の圧電複合ディスクは、２３ｍｍ～２４ｍｍに及ぶ範囲に含まれる直径、好ましくは約２３．６ｍｍの直径を有し得る。低体積分率１ ３の圧電複合ディスクは、長手方向軸において、１．５ＭＨｚで約１／２ラムダ、すなわち約９６０μｍの厚さを有し得る。低体積分率１ ３の圧電複合ディスクは、２Ｄマトリックスパターンを形成する２８０μｍの四角柱を含み得る。２Ｄマトリックスは、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有し得る。低体積分率１ ３の圧電／圧電複合ディスクは、約１．５ＭＨｚで、半波共振モードにおいて動作するように構成され得る。圧電複合ディスクは、例えば、限定するものではないが、約９ＭＲ～約１３ＭＲに及ぶ範囲、好ましくは約１１ＭＲに含まれる音響インピーダンスを示し得る。圧電複合ディスクは、体積で、およそ３５％のＰＺＴ５Ｈ柱と、およそ６５％すなわち、残りの部分のポリマーマトリックスと、を含み得る。圧電複合ディスクは、ダイスアンドフィル法に従って製造することができる。ポリマーマトリックスは、例えば、限定するものではないが、マイクロガラスバルーン及びシリコーン粒子で充填されたおよそ２．２ＭＲ粉末充填Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシを含み得る。ポリマーマトリックスは、およそ２５１５ｍ／ｓ、又はＰＺＴ柱の縦バーモード速度のおよそ６０％～７０％に等しい縦音響速度を有し得る。いくつかの実施形態では、ＰＺＴ柱の縦バーモード速度は、約３８５０ｍ／ｓであり得る。
リング状プリント回路は、圧電複合ディスクに対する周辺支持体として機能し得、周辺支持体ＰＣＢ（perimeter support PCB、ＰＳＰＣＢ）と称され得る。ＰＳＰＣＢは、一般に、圧電複合ディスクの外径よりもわずかに大きい内径と、ＬＩＰＵＳ治療ハウジングの内径を収容するように設計された外径と、を有する。ＰＣＢは、遠位面及び近位面上に、それぞれの面の大部分を覆う銅導電性平面を有し得、近位電極は、各々が互いに電気的に絶縁された２つの領域に分離され得る。２つの領域のうちの１つは、遠位銅製平面とビアを含む近位平面の部分との間に電気的連通を生成するビアを含み得る。ＰＳＰＣＢは概して複数の異なる層を含み、したがって多くの異なる構成で提供され得ることが理解されるであろう。ＰＳＰＣＢは、圧電複合ディスクの遠位面がＰＳＰＣＢの遠位面をわずかに越えて延在するように、例えば、限定するものではないが、およそ５０μｍ～およそ１００μｍだけ延在するように、例えば、限定するものではないが、エポキシを用いて圧電複合ディスクの周囲に接合され得る。
導電性電極は、当該技術分野において既知である方法及び技法に従って提供され得る。導電性電極の非限定的な例は、クロム－金電極であり、それらは、圧電複合ディスクの近位表面及び遠位表面に提供され得る。いくつかの実施形態では、導電性電極は、例えば、限定するものではないが、スパッタリングなどの堆積技法を用いて形成され得る。注目すべきことに、圧電複合ディスクの遠位表面に設けられた導電性電極（「遠位電極」と呼ばれることもある）は、ＬＩＰＵＳ治療ヘッド用の接地電極として機能し得る。遠位電極は、圧電複合ディスクの遠位表面とＰＳＰＣＢの遠位銅製平面との間に電気的連通を確立し得る。近位表面上に設けられた導電性電極（「近位電極」と呼ばれることもある）は、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの信号電極として機能し得る。近位電極は、圧電複合ディスクの近位表面とＰＳＰＣＢの絶縁された近位銅製平面との間に電気的連通を確立し得る。
ツイストワイヤの対は、ＰＳＰＣＢの近位表面に電気的に接続され、例えば、限定するものではないが、ＰＳＰＣＢの近位表面にはんだ付けされ得る。ツイストワイヤの対のうちの第１のツイストワイヤは、接地ワイヤであり得、ＰＳＰＣＢにビアを含む近位銅製平面の部分によって遠位電極すなわち、接地電極と電気的に接触するように構成され得る。ツイストワイヤの対のうちの第２のツイストワイヤは、ワイヤであり得、ＰＳＰＣＢの絶縁された近位銅製平面によって近位圧電複合電極と接触するように構成され得る。
プラスチックハウジングは、一体的な単一の四分の一波長厚さ整合層を含み得る。この整合層は、約２．１ＭＲ～約２．５ＭＲの範囲、好ましくは約２．３ＭＲの音響インピーダンスを有する。整合層は、例えば、限定するものではないが、ＨＮＡ０５５ Ｎｏｒｙｌ ＰＰＯプラスチックから作製され得る。整合層は、約３６０μｍの厚さを有し得る。整合層は、圧電複合ディスクの前面すなわち、遠位表面と音響連通しており、連続波又は狭帯域トーンバーストモードで最適に機能するように構成することができる。材料の音響インピーダンスは、連続波共振条件において著しく低くなる可能性があり、四分の一波長整合層は、様々な音響用途に対して最適化することができる。
アポダイジングウェッジは、圧電複合ディスクの背面すなわち、近位表面の一部と音響連通しており、近位電極がそれらの間に介在している。アポダイジングウェッジは、圧電複合材料のマトリックス材料の音響インピーダンスに匹敵するか、又はそれよりもいくらか高い音響インピーダンスを有する。アポダイジングウェッジは、例えば、限定するものではないが、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシを含み得る。アポダイジングウェッジは、およそ２．８ＭＲの音響インピーダンスを有し得る。アポダイジングウェッジは、圧電複合ディスクとアポダイジングウェッジとの間の連通位置における圧電複合ディスクの共振特性に対して、圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させるように機能する。より具体的には、アポダイジングウェッジは、圧電複合ディスクの音響経路長を増加させ、アポダイジングウェッジがλ／４の厚さであるとき、アポダイジングウェッジの近位表面からの強い相殺的な１８０位相外れ反射を生成する。いくつかの実施形態では、λ／４厚さは、約４４０μｍであり得る。アポダイジングウェッジは、圧電複合ディスクの半径方向寸法に対して厚さが半径方向にテーパ状であり、したがって、ウェッジは、圧電複合ディスクの周囲でλ／４の厚さであり、例えば内径付近で０の厚さまでテーパ状に減少する。アポダイジングウェッジは、圧電複合ディスクの近位表面に対して約１４度の角度で半径方向にテープ留めされ得る。アポダイジングウェッジ及び圧電複合材は、厚さが０まで単調に減少するにつれて、相殺的干渉の単調に減少するレベルを効果的に生成するようにともに機能し、その時点で、圧電複合ディスクは、低体積分率圧電複合ディスク及びアポダイジングバッキング構造の前壁及び後壁反射間の通常のλ／２完全建設的干渉を経験する。
注目すべきことに、ある体積の空気が、アポダイジングウェッジの近位表面及び圧電複合ディスクの近位表面の露出部分と接触している。したがって、この非限定的な実施形態によるＬＩＰＵＳ治療ヘッド内のトランスデューサの近位表面は、空気で音響的に負荷をかけられる。
ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの圧電複合ディスクと並列に接続された直列又は並列接続インダクタ、例えば、２μＨインダクタを含み得る。このインダクタは、並列インダクタに対してＬＩＰＵＳ治療ヘッドの動作周波数においてインピーダンス最大値が生成されるように、又は直列共振インダクタに対してインピーダンス最小値が生成されるように、空気負荷されるとき、音響スタックと電気的に共振するように構成され得る。ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの動作周波数は、１．５ＭＨｚであり得、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの遠位表面（又は遠位表面の少なくとも一部分）は、空気で音響的に負荷がかけられる。
この非限定的な実施形態による超音波トランスデューサは、非常に均一な音響場を生成するように構成されており、当業者であれば、多くの用途において、特に、画像誘導なしで患者に低エネルギーが印加される場合の理学療法トランスデューサ及び骨折治癒用途などの医療ＬＩＰＵＳ用途において有益であり得ることを理解するであろう。骨折治癒システムの一例は、狭帯域幅トーンバーストモードにおいて約１．５ＭＨｚの中心周波数で動作するように構成され得る。狭帯域幅トーンバーストモードの非限定的な例は、約１ｋＨｚのＰＲＦを有する２０％デューティサイクル正弦波パルスモードである。
当業者であれば、ビーム不均一比ＢＮに精通しており、これは、例えば、限定するものではないが、ＩＥＣ６１６８９：２０１３において、超音波トランスデューサの面から３ｍｍの距離に位置する、ビームの軸に直交する平面において測定されたトランスデューサの空間平均時間平均（ＩＳＡＴＡ）強度で除算されたトランスデューサの音響場の空間ピーク時間平均強度Ｉ ＳＰＴＡ）の比として説明されている。ＲＢＮは、多くの用途における理学療法トランスデューサ及び医療用ＬＩＰＵＳトランスデューサの安全性及び有効性についての性能指数であり、８未満のＲＢＮは、理学療法及び他の医療用途についての最小安全レベルとして定義される。注目すべきことに、実際の業界平均は典型的には６未満であり、中央値は典型的には約３．７である。本技術は、３．５未満のＲＢＮを生成することが可能であり、非常に均一な近接場は、２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、近接場の３ｍｍ平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。均一なＲＢＮに加えて、説明されているＬＩＰＵＳ治療ヘッドの非限定的な実施形態は、近接場において非常に均一な軸方向応答を示し、これは、患者の快適さ及び患者の均一な治療のために望ましい品質であり得る。
加えて、この非限定的な実施形態によるＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、エアバック式低体積分率圧電複合ディスクと相殺的干渉ベースのアポディゼーションウェッジとの組み合わせにより、非常に効率的であり、音響スタック内に吸収構造を有しない。典型的なｋｅｆｆ値例えば、通常のＰＺＴ５Ｈでｋｅｆｆ＞０．６を示す効率的な低体積分率圧電複合ディスクと組み合わされた損失吸収構造の欠如は、本技術が、低ＲＢＮ音響場を生成するために超音波トランスデューサの前面上の吸収バッキング構造及び減衰フィルタに概して依存する既存の解決策に対して効率の利点を提供することを可能にする。したがって、本技術は、潜在的に、バッテリ寿命の延長を可能にすることができ、費用効果的な電子機器が、多くの典型的な理学療法及び他の医療用途においてそれを駆動するために使用されることを可能にし得る。
効率的な動作に加えて、本技術の重要な利点は、均一なアポダイズされた音響場を生成し、空気バッキングを使用してそれを行う効率的な音響設計の実現である。非減衰空気バッキング設計を使用することは、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの前面上の音響負荷のインピーダンス感知が非常に効率的であることを可能にする。当業者は、最先端のＬＩＰＵＳ治療ヘッド（及びそれらの固有のトランスデューサ）が、典型的には、治療ヘッドの遠位面が空気又はゲル／水結合のいずれかであることに起因して、インピーダンス変化を示し、これらのインピーダンス変化が、概して、空気結合状態と比較して、水結合状態においてより高いインピーダンスであり、多くの場合、２倍を上回ってより高いインピーダンスであることが観察されることを理解するであろう。このインピーダンス変化により、トランスデューサは、典型的には、空気結合又は不完全な水結合の場合、水又は組織結合の場合と比較して、より高い電流の流れを示す。
本技法によって示される固有インピーダンス変化は、例えば、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドに接続される送信回路を通して流れる平均電流を測定することによって、ゲル感知機能を可能にするために使用され得る。空気が結合されるときと比較して水が結合されるときのインピーダンスの差は、システム設計者にとってゲル感知を単純にし、例えば、患者が典型的な音響接触媒質ゲルを使用することを忘れた可能性がある場合のように、理想的な結合、患者組織との部分的な音響結合、又は無音響結合の間の潜在的により大きな区別を可能にし、したがって、システムが、潜在的に大きなフィードバックを伴うエラー状態を患者又は医師に信号伝達することを可能にする。注目すべきことに、いくつかの特性又は性能指数例えば、高Ｑ、高インピーダンス共振最大値は、音響減衰バッキング構造、又は別様に大幅に減衰された音響構造を含む従来の超音波トランスデューサ上では、このようにして達成することができない。
空気又は水が結合されるときのインピーダンスの大きさは、共振インダクタがＬＩＰＵＳ治療ヘッドに含まれないときに、最適音響整合層が圧電複合ディスクの遠位表面上に用いられると１０％未満だけ変化する。これは一般に、医療又は物理療法ゲル感知機能に使用するにはインピーダンス差が小さすぎると考えられている。しかしながら、本技術の場合、エアバック圧電複合ディスクの大幅に減衰されておらず、かつ、したがって、大幅に共振する状態に起因して、及び圧電複合ディスクの遠位表面と音響連通する効率的なλ／４整合層の使用と併せて、本技術の１つの好ましい実施形態は、λ／４整合層の使用と併せて、空気が遠位面に負荷されるときに圧電複合ディスクの容量性リアクタンスと共振するように選択される、例えば、２μＨの並列インダクタの使用を組み込む。結果として生じるＬＣ共振は、λ／４整合層の遠位面が空気負荷されるとき、所望の動作周波数において高Ｑインピーダンス最大値を生成する。トランスデューサがゲル又は組織、又は別の類似の音響伝導性媒体と接触して配置されると、変換器がゲル又は組織に次第に結合されるにつれて共振最大値が減少し、その結果、圧電複合体の水又はゲル負荷インピーダンスともはや電気的に共振しなくなるまで、動作周波数におけるインピーダンスが低くなる。このアプローチは、水に結合されたときのおよそ＋３６度位相における１８～２４オームと比較して、空気負荷されたときの１．５ＭＨｚにおいて８０～１００オーム及びおよそ＋４０度位相の間のインピーダンスの最大の大きさ、又は、例えば、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの遠位表面が水、ゲル、若しくは組織と接触しているとき（すなわち、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが患者に結合されているとき）に示されるインピーダンス大きさの３～５倍の差をもたらし得る。更に、並列インダクタの効果は、患者に結合されたときにトランスデューサの機能に無害になり、好適な低出力インピーダンス送信回路、例えば、限定するものではないが、１０オーム未満の出力インピーダンスを有する送信回路によって駆動されたときに１ｄＢ未満の出力低下をもたらし、トランスデューサ単独の音響構造の固有インピーダンス変化に依存するよりも数倍感度が高いトランスデューサ内の内蔵インピーダンスベースのゲル感知機能を可能にする。加えて、この方法は、ゲル感知インピーダンス変化を生成する機能から、ＬＴＨの前面又は遠位面上の層の厚さ及び他の音響特性を切り離し、設計者が、最大音響効率、向上した帯域幅又はインパルス応答又は他の所望の音響特性のために、ゲル感知インピーダンス感度と、トランスデューサの前面上の層との両方を最適化することを可能にする。
当業者であれば、本技術が、圧電複合ディスクの遠位表面と音響連通する音響及び保護前面層の多くの異なる構成と組み合わせることができ、それにより、開示された低体積分率圧電複合ディスク及びアポダイジングウェッジとの組み合わせによって提供される音響均一性を制限又は損なうことなく、様々なインピーダンス変化が可能であることを容易に理解するであろう。
ＬＩＰＵＳ治療ヘッドのこの非限定的な実施形態の一変形例では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、０．６６λ音響層を含む。０．６６λは、９５３μｍ厚のノニルプラスチック層であり得る。０．６６λは、（λ／４層の代わりに）圧電複合ディスクの遠位表面と音響連通しており、その結果、空気が遠位表面に負荷されたときに１．５ＭＨｚの動作周波数で生じるインピーダンス最大値が生じ、水結合状態よりも３～５倍大きい大きさを有する。注目すべきことに、０．６６λの厚さ公差は、患者に結合する適切なゲル又は組織の存在を感知するために必要とされるインピーダンス変化を維持するために、例えば、製造プロセス中に管理され得る。更に、この構成における本技術は、３．５未満のＲＢＮを有する非常に均一なビームをもたらすことに留意されたい。
ＬＩＰＵＳ治療ヘッドのこの非限定的な実施形態の別の変形例では、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、０．９λ音響層を含み得る。０．９λ音響層は、空気が層の遠位表面上に負荷されるとき、１．５ＭＨｚの動作周波数においてインピーダンス最小値を達成するために、１．２８ｍｍ厚のノリルであり得、水結合状態のもののおよそ３倍の差を達成する。この実施形態はまた、３．５未満のＲＢＮを有する音響場を生成するために、本技術と併せて構成することもできる。
しかしながら、音響整合層例えば、１／４ラムダ、又は１／４ラムダの奇数倍（例えば、３／４ラムダ、又は５／４ラムダ）以外の任意の層は、超音波トランスデューサの帯域幅及び潜在的に効率を制限することに留意されたい。この考察に照らして、例えば、１／４波長整合層の使用を制限しない様式で、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの遠位面に存在する音響負荷に敏感な大きなインピーダンス変化を可能にするために、共振インダクタの包含である本技術の一態様を利用することが、時として有利であり得る。一般に、ＬＩＰＵＳ用途などの低帯域幅用途は、短く広帯域のインパルス応答を有するトランスデューサを厳密に必要としないが、定常状態パルス強度を迅速に達成し、送信パルスが終了した後のリングダウンを制限する能力など、より広い帯域幅から利益を得る超音波トランスデューサ性能の態様が残っている。
注目すべきことに、低体積分率圧電複合ディスク（又は同様の構造）を調製するための多数の方法が、当技術分野で知られている。そのような方法の非限定的な例は、本技術に等しく適用可能である、ダイス及びフィル方法を含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されているアポダイゼーション技術は、ビーム形状の広い可能なアレイのトランスデューサの出力のアポダイゼーション又はビーム成形を達成するために、多くの異なるジオメトリに適用することができる。アポダイゼーション技術は、ＮＤＴ及び多くの他の用途のための１Ｄアレイ、２Ｄマトリックスアレイ、環状アレイ、単一素子広帯域トランスデューサ、及び材料特定炭素繊維トランスデューサに適用され得る。
別の態様によれば、音響場をアポダイズする方法が提供される。本方法は、超音波トランスデューサを動作させて音響場を生成することを含み、超音波トランスデューサは、本明細書で説明されている実施形態のうちの１つ以上と同様である。本方法はまた、音響場を環状アポダイズバッキング構造で調整してアポダイズされた音響場を生成するためすることを含み、アポダイズされた音響場が少なくとも１つの実質的に均一な近接場成分又は部分内にあり、環状アポダイズバッキング構造が低体積分率圧電複合ディスクと音響接触している。環状アポダイジングバッキング構造は、本明細書に記載されている実施形態のうちの１つ以上と同様である。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサが、２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作され、実質的に均一な近接場が、超音波トランスデューサの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクが、１ ３構成である。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクが、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分散された２８０μｍ×２８０μｍの柱を含む。
別の態様によれば、動作周波数を有する低出力パルス波超音波（ＬＩＰＵＳ）治療ヘッドを用いて音響場を生成する方法が提供される。本方法は、ＬＩＰＵＳ治療を動作させて音響場を生成することを含み、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、本明細書で説明される実施形態のうちの１つ以上と同様である。本方法はまた、音響場を環状アポダイズバッキング構造で調整してアポダイズされた音響場を生成することであって、アポダイズされた音響場が実質的に均一な近接場領域を有する、生成することを含む。
いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサが、２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作され、実質的に均一な近接場が、超音波トランスデューサの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクが、１ ３構成である。
いくつかの実施形態では、低体積分率圧電複合ディスクが、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分散された２８０μｍ×２８０μｍの柱を含む。
結果
本技術の異なる実施形態が説明されたので、これらの実施形態のうちのいくつかの性能が、より具体的には本技法を使用して得られ得る結果に関して考察される。結果の非限定的な例を図９Ａ、図９Ｂ～図１９Ａ、図１９Ｂに示す。
図９Ａ、図９Ｂには、従来の超音波トランスデューサの線形圧力強度応答（左部分）及び本技法に従って設計された超音波トランスデューサの線形圧力強度応答（右部分）が示される。これらの結果は、超音波トランスデューサの面から３ｍｍの平面における２Ｄ横方向音圧を示す。音響場の均一性に対するアポディゼーションウェッジすなわち、環状アポダイジングバッキング構造の影響が明確に示されている。
図１０Ａ～図１０Ｄには、アポディゼーションリング又は構造を有しない１ ３複合材料系のＬＩＰＵＳ治療ヘッドの３ｍｍ場内に存在する外側最大リングを示すシミュレートされた場が示されている（左上部分）と、１ ３複合材料系のＬＩＰＵＳ治療ヘッドの３ｍｍフィールド内に存在する外側最大リングを示す、測定された音響場（右上部分）と、１ ３複合材料系のディスクの背面周縁部上にアポダイジングウェッジ（又は「環状アポダイジングバッキング構造」）を含むことから生じる抑制された外側最大リングを示すシミュレートされた場（左下部分）と、１ ３複合材料系のディスク上のアポダイジングリング（又は環状アポダイジングバッキング構造）によって達成される抑制された外側最大リングを示すプロトタイプＬＩＰＵＳ治療ヘッドからの測定された音響場（右下部分）とが示されている。
図１１Ａ、図１１Ｂは、本技法の３ｍｍ強度及び最後の軸方向最大強度を示す。これらの結果は、本技術を用いて生成されたビームが、医療及び理学療法用途に対して望ましい特性を有することを示す。性能指数は、ＡＥＲ＝３．９ｃｍ２、ＲＢＮ＝３．２５、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの遠位面から３ｍｍ離れて位置する平面で測定された１１７ｍＷの出力パワー及び３０ｍＷ／ｃｍ２の強度でのコリメートビームタイプを含む。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本技術の１．５ ＭＨｚで共振するように構成された並列インダクタを用いた空気負荷（図１２Ｂ）と比較した、インダクタを用いない空気負荷（図１２Ａ）の効果を示し、並列誘導共振は、超音波トランスデューサが空気負荷されているときの動作周波数に整合するように同調されている。
図１３Ａは、空気及び水の負荷を伴う、λ／４整合層及び共振並列インダクタを有する、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの非限定的実施形態のインピーダンスを示す。図１３Ｂは、λ／４整合層を有するが共振インダクタを有さない、ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの非限定的実施形態の例示的なトランスデューサのインピーダンスを、空気及び水負荷事例とともに示す。
図１４は、水中聴音器を伴う水タンク内で測定された、本技法を用いて生成されたアポダイズされた音響場の３Ｄプロットである。
図１５Ａ及び図１５Ｂは、水中での応答（図の上半分に示される）と比較して、回路内の共振インダクタを使用せずに空気中で動作周波数においてインピーダンス最大値（図の下半分に示される）を提供するように同調されたより厚い２λ／３前面層を示し、空気結合最大値は、水結合最小値よりおよそ５倍高い。
図１６Ａ及び図１６Ｂは、空気中でのインピーダンス最小値（図の下半分に示される）と、水結合されたときのより高いインピーダンス（図の上部分に示される）とを提供するように同調された更により厚い０．９λ前面層を示し、空気結合インピーダンス最小値は、水結合されたとき（下部分）よりもおよそ３倍低い。
図１７Ａ及び図１７Ｂは、本技法による、超音波トランスデューサの軸方向圧力応答を示す。図１７Ａは、近接場の最初の１０ｃｍにおける高度に均一な軸上圧力場と、近接場全体における高振幅ピークの不在と、を示す。図１７Ｂは、アポディゼーションバッキング構造及び対応する音響場がない場合に見られる近接場軸方向均一性の欠如を示す。
図１８は、波長の分数としてのバッキング構造の厚さに対するバッキング構造の存在によって生成される相殺的干渉に起因する送信された音響場の局所的減衰を示す。注目すべきことに、バッキング構造及び複合カーフ充填マトリックスの合計厚さは、最大減衰のためにおよそ３／４ラムダに等しくあるべきであり、したがって、複合材のマトリックス内の音速がバッキング構造の音速よりも遅い場合、バッキング構造の約１／４ラムダに等しい厚さで最小値が観察される。
図１９Ａ、図１９Ｂは、０．９λの場合に見られる結果を達成するが、直列共振インダクタ及びλ／４整合層を使用する方法を表す。より具体的には、図１９Ａ、図１９Ｂは、直列共振インダクタと、空気結合時にインピーダンス最小値を生成するように構成されたλ／４整合層設計と、を含む、例示的な実施形態のＬＩＰＵＳ治療ヘッドの変形例のインピーダンスの比較を示し、インピーダンス最小値は、水が負荷されたときのインピーダンスよりも小さく、ゲル感知回路を流れる電流が、トランスデューサが空気結合されているときよりも低いレベルであるときに、ゲル感知回路が適切な結合を検出することを可能にする。この例では、空気最小値は約４オームであり、動作周波数における水結合インピーダンスの大きさは約２４オーム（６倍の増分）であり、これはゲル感知用途において有用であり得る。
記載された結果は、説明の目的のためだけに役立ち、したがって限定的とみなされるべきではないことに留意すべきである。
ここで、アポダイジングバッキング構造の異なる実施形態及び超音波トランスデューサにおけるその統合が、本技法を使用して得ることができる結果とともに説明されたので、本技術の非限定的実施例が、以下で説明される。
第１の実施例では、超音波トランスデューサ又はＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、低体積分率の圧電材料（３５％ＰＺＴ５Ｈ）を含む１ ３圧電複合ディスクを含む。圧電複合ディスクの残部は、充填エポキシマトリックス（６５％充填エポキシマトリックス）を含む。充填エポキシマトリックスは、約２ＭＲの音響インピーダンスを有し、隣接する柱から各柱の横方向振動を効果的に分離し、ＰＺＴ柱からのｋ３３に近いバーモード共振をもたらす。圧電複合ディスクは、ＰＺＴ柱間の横方向結合効率が低く、その結果、音響エネルギーの大部分がディスクの軸方向に生成される。超音波トランスデューサ又はＬＩＰＵＳ治療ヘッドはまた、ディスクの周囲近くに位置する圧電複合材の背面の一部分に位置する、ウェッジ形断面を有するアポダイジングリングを含み、このアポダイジングウェッジは、圧電複合体のマトリックス部分の音響インピーダンスと厳密に一致する音響インピーダンスを有するエポキシを含む。ウェッジは、約２．８ＭＲの音響インピーダンスを有するＥｐｏｔｅｋ３０１エポキシを含み得る。アポダイジングウェッジは、低体積分率１ ３複合ディスクの音響共振周波数を効果的に変化させ、ウェッジが厚くなるにつれてディスクの共振周波数をより低くシフトさせる。ウェッジは、最終的に、トランスデューサの駆動周波数においてλ／４に等しい厚さに近づき、したがって、圧電複合ディスク内の相殺的干渉を促進し、ウェッジ構造は、ウェッジの厚さとともに変化する強力な減衰効果を生成する。圧電複合体の背面上のアポダイジング構造は、それを異なる厚さの圧電ディスクとして挙動させる著しい音響エネルギーを吸収することなく、圧電複合ディスクの共振挙動の局所的減衰を達成する。アポダイジングウェッジは、例えば、トーンバーストなどの狭帯域音響信号に対して、強力な相殺的干渉を提供し、したがって、例えば、５０サイクルのトーンバーストに対して、トランスデューサの音響出力をおよそ２５ｄＢだけ減衰させ得る。アポダイジング構造、例えば、ウェッジの形状は、空間アポダイジングを成形することができ、アポダイジングウェッジ内の干渉の位相及びディスクの厚さが完全に建設的λ／２から完全に相殺的３λ／４ラムダまで増加するにつれて、ディスクの中心からの半径方向距離とともに振幅が徐々に増加する結果となり得る。並列同調インダクタ回路が提供され得、このインダクタは、インピーダンス最大値がトランスデューサの動作周波数で生成されるように、ＬＩＰＵＳトランスデューサの動作周波数で超音波トランスデューサ又はＬＩＰＵＳ治療ヘッドの空気負荷インピーダンスと共振するように設計される。トランスデューサの整合層は、ＬＩＰＵＳ変換器が水負荷、ゲル負荷、又は組織負荷されるとき、インダクタがＬＩＰＵＳトランスデューサの動作周波数で実質的な共振を引き起こさないように、スタック及び並列インダクタと併せて動作する。
第２の実施例は、狭帯域幅動作モードにおけるアポダイジングウェッジを有する１ ３圧電複合材における音響場及び横方向の反響に関する。この第２の実施例では、超音波トランスデューサ又はＬＩＰＵＳ治療ヘッドは、複合圧電要素の周囲にアポディゼーションを適用することによってサイドローブ振幅を低減するためのアポダイジングウェッジを有する１ ３圧電複合体を含む。低体積分率１ ３圧電複合体を使用することは、円形ディスク内の横方向共振を低減するのに役立ち、これは、ディスクによって生成される近接場干渉パターンの複雑さを低減し、近接場を横方向に約２ｄＢ未満まで均一にする。この理想化された近接場は、医学的理学療法、ジアテルミー、及び骨折治癒ＬＩＰＵＳトランスデューサを特徴付けるために使用される３ｍｍ平面において非常に低いリップルをもたらす。ディスクにおける低い横方向共振はまた、圧電複合ディスクの主軸モードとディスクにおける横方向共振によって生成される軸方向成分との間の建設的干渉及び相殺的干渉から生じ得る軸上の非理想性を低減する。軸方向均一性は、ＬＩＰＵＳベースの医療デバイスの有効性及び患者の快適さにおける重要な考慮事項である。本明細書に開示されるアポダイジングバッキング構造を通して音響場の縁部を成形する能力は、単にサイドローブを低減することを超えて、メインローブが理想的な形状であるように音響場を成形することができる点で重要である。アポダイジングバッキング構造は、λ／４厚さのバッキング構造のみを使用しながら、狭帯域動作に対して－２５ｄＢを超えてトランスデューサの出力を低減するように最適化することができる。加えて、それは、複雑なビーム成形を可能にする段階的アポディゼーションフィルタ形状を生成するように成形されることができる。均一な音響場は、画像ベースのガイダンスを必要とせずに均一な治療が得られることを確実にするために重要である。
ゲル感知用途
患者への超音波トランスデューサの有効な音響結合を感知する能力は有益である。本技術は、トランスデューサが空気中にある（空気結合されている）ときに高インピーダンス共振が生じ、トランスデューサが水、ゲル、又は組織と接触しているとき、例えばゲルを介して患者の皮膚に結合されているときに低電気インピーダンスが生じることを可能にする、誘導同調設計要素を組み込むことができる。インダクタ又は他の電気素子若しくは回路を使用して理想的なλ／４整合構造と共振させることは、トランスデューサのゲル感知インピーダンス特性を実際の音響層から分離することによって設計者にとって更に有益であり、したがって、例えばわずかに異なる値のインダクタを選択するだけで製造公差を補償して、所与の音響スタックのインピーダンス最大値を最大にすることができる。このインピーダンス応答をトランスデューサに直接組み込むことによって、任意のＬＩＰＵＳシステムは、効果的な結合が達成されたかどうかを決定するために、トランスデューサを通って流れる平均電流を単に測定することができる。また、本技術は、患者に効果的に結合されるときと比較して、空気結合されている間、インピーダンスの大きさの５倍を超えて達成することができるので、部分的に結合された状態を正確に認識することも可能である。
いくつかの代替的な実施形態及び実施例が、本明細書において説明及び例示されている。上記した実施形態は、例示のみを意図している。当業者は、個々の実施形態の特徴、並びに構成要素の可能な組み合わせ及び変形を理解するであろう。当業者は更に、実施形態のうちのいずれかが、本明細書に開示した他の実施形態との任意の組み合わせで提供され得ることを理解するであろう。したがって、本実施例及び実施形態は、全ての点において、例示的なものであり、非限定的であるとみなされるべきである。したがって、特定の実施形態を例示し説明してきたが、本明細書で定義される範囲から有意に逸脱することなく、多数の修正が想起される。

Claims (100)

  1. 超音波トランスデューサであって、
    共振特性を有する低体積分率圧電複合ディスクと、
    前記低体積分率圧電複合ディスクと電気的に接触する少なくとも１つの電極と、
    前記低体積分率圧電複合ディスクと音響接触している環状アポダイジングバッキング構造と、を備え、前記環状アポダイジングバッキング構造が、
    内周及び対応する内側厚さと、
    外周及び対応する外側厚さと、
    前記内周から前記外周に延在する実質的に連続したスロープを形成する傾斜面であって、前記内側厚さが、前記外側厚さよりも小さい、傾斜面と、を有し、
    前記環状アポダイジングバッキング構造が、前記低体積分率圧電複合ディスクの前記共振特性に対して前記低体積分率圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させ、それによって前記超音波トランスデューサが少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分を含む音響場を生成することを可能にするように構成されている、超音波トランスデューサ。
  2. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、１ ３構成である、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  3. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分散された２８０μｍ×２８０μｍの柱を備える、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
  4. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、１．５ＭＨｚで、半波共振モードにおいて動作するように構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  5. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、約９ＭＲ～約１３ＭＲに及ぶ範囲に含まれる音響インピーダンスを有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  6. 前記音響インピーダンスが、約１１ＭＲである、請求項５に記載の超音波トランスデューサ。
  7. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、１．５ＭＨｚで約λ／２の厚さを有する、請求項１～６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  8. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、チタン酸ジルコン酸鉛材料（ＰＺＴ）系材料を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  9. 前記ＰＺＴ系材料が、ＰＺＴ５Ｈである、請求項８に記載の超音波トランスデューサ。
  10. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、約３５％のＰＺＴ５Ｈと、約６５％のポリマーマトリックスと、を含む、請求項８又は９に記載の超音波トランスデューサ。
  11. 前記ポリマーマトリックスが、マイクロガラスバルーン及びシリコーン粒子で充填されたエポキシを含む、請求項１０に記載の超音波トランスデューサ。
  12. 前記ＰＺＴ５Ｈ柱が第１のバーモード縦音響速度を有し、前記ポリマーマトリックスが第２の縦音響速度を有し、前記第２の縦速度が前記第１の縦速度のおよそ６０％～７０％である、請求項９～１１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  13. 前記第１の縦バーモード音響速度が約３８５０ｍ／ｓであり、前記第２の縦音響速度が約２５１５ｍ／ｓである、請求項１２に記載の超音波トランスデューサ。
  14. 内径を有するリング状プリント回路基板を更に備え、
    前記低体積分率圧電複合ディスクが外径を有し、前記リング状プリント回路基板の前記内径が、前記低体積分率圧電複合ディスクの前記外径よりも大きい、請求項１～１３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  15. ハウジングを更に備え、前記ハウジングがプラスチックから作製される、請求項１４に記載の超音波トランスデューサ。
  16. 前記ハウジングが、前記低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する整合層を備える、請求項１５に記載の超音波トランスデューサ。
  17. 前記整合層が、約λ／４の厚さを有する、請求項１６に記載の超音波トランスデューサ。
  18. 前記整合層が、前記ハウジングと一体に形成される、請求項１６又は１７に記載の超音波トランスデューサ。
  19. 前記整合層が、約２．１ＭＲ～約２．５ＭＲに及ぶ範囲に含まれる音響インピーダンスを有する、請求項１６～１８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  20. 前記音響インピーダンスが、約２．３ＭＲである、請求項１９に記載の超音波トランスデューサ。
  21. 前記低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する２λ／３音響層を更に備える、請求項１～１５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  22. 前記２λ／３音響層が、ノニルプラスチックから作製され、約９５３μｍの厚さを有する、請求項２１に記載の超音波トランスデューサ。
  23. 前記低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する０．９λ音響層を更に備える、請求項１～１５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  24. 前記０．９λ音響層が、ノニルプラスチックから作製され、約１．２８ｍｍの厚さを有する、請求項２３に記載の超音波トランスデューサ。
  25. 前記リング状プリント回路基板が、２つの対向する平面状の表面を備え、各平面状の表面が、銅から作製される、請求項１４に記載の超音波トランスデューサ。
  26. 前記リング状プリント回路基板が、前記低体積分率圧電複合ディスクの周囲に接合される、請求項２５に記載の超音波トランスデューサ。
  27. 前記低体積分率圧電複合ディスクの圧電複合体と並列に接続されたインダクタを更に備え、前記インダクタが、前記トランスデューサの遠位面が空気負荷されたときにインピーダンス最大値が約１．５ＭＨｚで生成されるように、前記低体積分率圧電複合ディスク、前記環状アポダイジングバッキング構造、及び前記１／４ラムダ音響整合層と共振するように構成されている、請求項１～２０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  28. 低体積分率圧電複合ディスクと直列に接続されたインダクタを更に備え、前記インダクタが、前記トランスデューサの遠位面が空気負荷されたときにインピーダンス最小値が約１．５ＭＨｚで生成されるように、前記低体積分率圧電複合ディスク、前記環状アポダイジングバッキング構造、及び前記１／４ラムダ整合層と共振するように構成されている、請求項１～２０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  29. 前記環状アポダイジングバッキング構造が、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシを含む、請求項１～２８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  30. 前記環状アポダイジングバッキング構造が、約２．８ＭＲの音響インピーダンスを有する、請求項１～２９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  31. 前記傾斜が、０度～３０度に含まれる、請求項１～３０のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  32. 前記傾斜が、前記低体積分率圧電複合ディスクの上面に対して約１４度である、請求項３１に記載の超音波トランスデューサ。
  33. 前記超音波トランスデューサが、約１．５ＭＨｚの周波数で動作可能である、請求項１～３２のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  34. 前記超音波トランスデューサが、狭帯域幅トーンバーストモードで動作可能である、請求項１～３３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  35. 前記狭帯域幅トーンバーストモードが、好ましくは約１ｋＨｚのパルス繰り返し周波数において、２０％デューティサイクル正弦波パルスモードである、請求項３４に記載の超音波トランスデューサ。
  36. 前記超音波トランスデューサが、３．５未満のビーム不均一比を有する、請求項１～３５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  37. 前記超音波トランスデューサが２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、前記少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分が、前記超音波トランスデューサの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す、請求項１～３６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  38. 動作周波数を有する低出力パルス波超音波（ＬＩＰＵＳ）治療ヘッドであって、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、
    音響スタックであって、
    圧電ディスクであって、前記圧電ディスクが、低体積分率圧電複合ディスクを含み、前記低体積分率圧電複合ディスクが、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの前記動作周波数において半波共振モードで動作するように構成されている、圧電ディスクと、
    前記低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する環状アポダイジングバッキング構造であって、前記環状アポダイジングバッキング構造が、それぞれ内側厚さ及び外側厚さを有する内周及び外周を有し、前記内側厚さが、前記外側厚さよりも小さく、前記環状アポダイジングバッキング構造が、前記低体積分率圧電複合ディスクの前記共振特性に対して前記低体積分率圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させ、それによって前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分を含む音響場を生成することを可能にするように構成されている、環状アポダイジングバッキング構造と、を備える音響スタックと、
    前記低体積分率圧電複合ディスクと電気的に連通する少なくとも１つの電極と、
    前記音響スタック及び前記少なくとも１つの電極を支持するためのハウジングと、を備える、ＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  39. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、１ ３構成である、請求項３８に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  40. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分散された２８０μｍ×２８０μｍの柱を備える、請求項３９に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  41. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの前記動作周波数が、約１．５ＭＨｚである、請求項３８～４０のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  42. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、約９ＭＲ～約１３ＭＲに及ぶ範囲に含まれる音響インピーダンスを有する、請求項３８～４１のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  43. 前記音響インピーダンスが、約１１ＭＲである、請求項４２に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  44. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、１．５ＭＨｚで約λ／２の厚さを有する、請求項３８～４３のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  45. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、チタン酸ジルコン酸鉛材料（ＰＺＴ）系材料を含む、請求項３８～４４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
  46. 前記ＰＺＴ系材料が、ＰＺＴ ５Ｈである、請求項４５に記載超音波トランスデューサ。
  47. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、約３５％のＰＺＴ５Ｈと、約６５％のポリマーマトリックスと、を含む、請求項４５又は４６に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  48. 前記ポリマーマトリックスが、マイクロガラスバルーン及びシリコーン粒子で充填されたエポキシを含む、請求項４７に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  49. 前記ＰＺＴ５Ｈ柱が第１のバーモード縦音響速度を有し、前記ポリマーマトリックスが第２の縦音響速度を有し、前記第２の縦速度が前記第１の縦速度のおよそ６０～７０％である、請求項４６～４８のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  50. 前記第１の縦音響速度が約３８５０ｍ／ｓであり、前記第２の縦音響速度が約２５１５ｍ／ｓである、請求項４９に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  51. 内径を有するリング状プリント回路基板を更に備え、
    前記低体積分率圧電複合ディスクが外径を有し、前記リング状プリント回路基板の前記内径が、前記低体積分率圧電複合ディスクの前記外径よりも大きい、請求項３８～５０のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  52. 前記ハウジングが、プラスチックから作製される、請求項３８～５１のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  53. 前記ハウジングが、前記低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する整合層を備える、請求項３８～５２のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  54. 前記整合層が、約λ／４の厚さを有する、請求項５３に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  55. 前記整合層が、前記ハウジングと一体に形成される、請求項５３又は５４に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  56. 前記整合層が、約２．１ＭＲ～約２．５ＭＲに及ぶ範囲に含まれる音響インピーダンスを有する、請求項５３～５５のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  57. 前記音響インピーダンスが、約２．３ＭＲである、請求項５６に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  58. 前記低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する２λ／３音響層を更に備える、請求項３８～５７のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  59. 前記２λ／３音響層が、ノニルプラスチックから作製され、約９５３μｍの厚さを有する、請求項５８に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  60. 前記低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する０．９λ音響層を更に備える、請求項３８～５７のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  61. 前記０．９λ音響層が、ノニルプラスチックから作製され、約１．２８ｍｍの厚さを有する、請求項６０に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  62. 前記リング状プリント回路基板が、２つの対向する平面状の表面を備え、各平面状の表面が、銅から作製される、請求項５１に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  63. 前記リング状プリント回路基板が、前記低体積分率圧電複合ディスクの周囲に接合される、請求項６２に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  64. 前記低体積分率圧電複合ディスクの圧電複合体と並列に接続されたインダクタを更に備え、前記インダクタが、前記トランスデューサの遠位面が空気負荷されたときにインピーダンス最大値がおよそ１．５ＭＨｚで生成されるように、前記低体積分率圧電複合ディスク、前記環状アポダイジングバッキング構造、及び前記１／４ラムダ整合層と共振するように構成されている、請求項３８～５７のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  65. 前記低体積分率圧電複合ディスクの圧電複合体と直列に接続されたインダクタを更に備え、前記インダクタが、前記トランスデューサの前記遠位面が空気負荷されたときにインピーダンス最小値がおよそ１．５ＭＨｚで生成されるように、前記低体積分率圧電複合ディスク、前記環状アポダイジングバッキング構造、及び前記１／４ラムダ整合層と共振するように構成されている、請求項３８～５７のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  66. 前記環状アポダイジングバッキング構造が、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシを含む、請求項３８～６５のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  67. 前記環状アポダイジングバッキング構造が、約２．８ＭＲの音響インピーダンスを有する、請求項３８～６６のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  68. 前記傾斜が、０度～３０度に含まれる、請求項３８～６７のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  69. 前記傾斜が、前記低体積分率圧電複合ディスクの上面に対して約１４度である、請求項６８に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  70. ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの前記動作周波数が、約１．５ＭＨｚである、請求項３８～６９のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  71. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、狭帯域幅トーンバーストモードで動作可能である、請求項３８～７０のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  72. 前記狭帯域幅トーンバーストモードが、２０％デューティサイクル正弦波パルスモードである、請求項７１に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  73. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、３．５未満のビーム不均一比を有する、請求項３８～７２のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  74. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、前記少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分が、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す、請求項３８～７３のいずれか一項に記載のＬＩＰＵＳ治療ヘッド。
  75. 低出力パルス波超音波（ＬＩＰＵＳ）治療ヘッドのためのアポダイジングウェッジ構造であって、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、低体積分率圧電複合ディスクを備えており、前記アポダイジングウェッジ構造が、
    前記低体積分率圧電複合ディスクの表面に接触するための環状体であって、対応する内側厚さを有する内周と、対応する外側厚さを有する外周と、を備える、前記環状体と、
    前記環状体が、前記内周から前記外周に延在する実質的に連続した傾斜を形成する傾斜面であって、前記内側厚さが、前記外側厚さよりも小さい、傾斜面を含み、前記アポダイジングウェッジ構造が前記低体積分率圧電複合ディスクと音響連通しているときに、前記アポダイジングウェッジが、前記低体積分率圧電複合ディスクの共振特性に対して前記低体積分率圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させ、それによって、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分を含む音響場を生成することを可能にするように構成されている、アポダイジングウェッジ構造。
  76. 前記環状体が、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシから作製される、請求項７５に記載のアポダイジングウェッジ構造。
  77. 前記環状体が、約２．８ＭＲの音響インピーダンスを有する、請求項７５又は７６に記載のアポダイジングウェッジ構造。
  78. 前記傾斜が、０度～３０度に含まれる、請求項７５～７７のいずれか一項に記載のアポダイジングウェッジ構造。
  79. 前記傾斜が、前記低体積分率圧電複合ディスクの上面に対して約１４度である、請求項７８に記載のアポダイジングウェッジ構造。
  80. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、約１．５ＭＨｚの周波数で動作可能である、請求項７５～７９のいずれか一項に記載のアポダイジングウェッジ構造。
  81. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、狭帯域幅トーンバーストモードで動作可能である、請求項７５～８０のいずれか一項に記載のアポダイジングウェッジ構造。
  82. 前記狭帯域幅トーンバーストモードが、２０％デューティサイクル正弦波パルスモードである、請求項８１に記載のアポダイジングウェッジ構造。
  83. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、３．５未満のビーム不均一比を有する、請求項７５～８２のいずれか一項に記載のアポダイジングウェッジ構造。
  84. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、前記少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分が、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す、請求項７５～８３のいずれか一項に記載のアポダイジングウェッジ構造。
  85. 低出力パルス波超音波（ＬＩＰＵＳ）治療ヘッドのためのバッキング構造であって、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、低体積分率圧電複合要素を備えており、前記バッキング構造が、
    前記低体積分率圧電複合要素の表面に接触するための本体であって、前記本体が前記低体積分率圧電複合要素に接触するときに、前記バッキング構造及び前記低体積分率圧電構成要素内に相殺的干渉が生成され、それによって前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドによって生成される音響場を成形し、前記相殺的干渉が前記バッキング構造の厚さに依存する、本体を備える、バッキング構造。
  86. 前記相殺的干渉が、およそλ／４又はその奇数倍で最大減衰をもたらす、請求項８５に記載のバッキング構造。
  87. 前記本体が、Ｅｐｏｔｅｋ３０１エポキシから作製される、請求項８５又は８６に記載のバッキング構造。
  88. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、約１．５ＭＨｚの周波数で動作可能である、請求項８５～８７のいずれか一項に記載のバッキング構造。
  89. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、狭帯域幅トーンバーストモードで動作可能である、請求項８５～８８のいずれか一項に記載のバッキング構造。
  90. 前記狭帯域幅トーンバーストモードが、２０％デューティサイクル正弦波パルスモードである、請求項８９に記載のバッキング構造。
  91. 前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、３．５未満のビーム不均一比を有する、請求項８５～９０のいずれか一項に記載のバッキング構造。
  92. 前記音響場が、少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分を含み、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作されるとき、前記少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分が、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す、請求項８５～９１のいずれか一項に記載のバッキング構造。
  93. 音響場をアポダイズする方法であって、
    超音波トランスデューサを動作させて、前記音響場を生成することであって、前記超音波トランスデューサが低体積分率圧電複合ディスクを備えており、前記低体積分率圧電複合材が共振特性を有する、生成することと、
    前記音響場を環状アポダイジングバッキング構造で調整して、アポダイジングされた音響場を生成することであって、前記アポダイジングされた音響場が、少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分を含み、前記環状アポダイジングバッキング構造が、前記低体積分率圧電複合ディスクと音響接触しており、前記環状アポダイジングバッキング構造が、
    内周及び対応する内側厚さと、
    外周及び対応する外側厚さと、
    前記内周から前記外周に延在する実質的に連続したスロープを形成する傾斜面であって、前記内側厚さが、前記外側厚さよりも小さい、傾斜面と、を有する、生成することと、を含み、
    前記環状アポダイジングバッキング構造が、前記低体積分率圧電複合ディスクの前記共振特性に対して前記低体積分率圧電複合ディスクの見かけの厚さを変化させるように構成されている、方法。
  94. 前記超音波トランスデューサが、２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作され、
    前記少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分が、前記超音波トランスデューサの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す、請求項９３に記載の方法。
  95. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、１ ３構成である、請求項９３又は９４に記載の方法。
  96. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分散された２８０μｍ×２８０μｍの柱を備える、請求項９３～９５のいずれか一項に記載の方法。
  97. 動作周波数を有する低出力パルス波超音波（ＬＩＰＵＳ）治療ヘッドを用いて音響場を生成するための方法であって、
    前記ＬＩＰＵＳ治療を動作させて前記音響場を生成することであって、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドが、
    音響スタックであって、前記音響スタックが、
    圧電ディスクであって、前記圧電ディスクが、低体積分率圧電複合ディスクを含み、前記低体積分率圧電複合ディスクが、前記ＬＩＰＵＳ治療ヘッドの前記動作周波数において半波共振モードで動作するように構成されている、圧電ディスクと、
    前記低体積分率圧電複合ディスクと音響連通する環状アポダイジングバッキング構造であって、前記環状アポダイジングバッキング構造が、それぞれ内側厚さ及び外側厚さを有する内周及び外周を有し、前記内側厚さが、前記外側厚さよりも小さい、環状アポダイジングバッキング構造と、を備える音響スタックと、
    前記低体積分率圧電複合ディスクと電気的に連通する少なくとも１つの電極と、
    前記音響スタック及び前記少なくとも１つの電極を支持するためのハウジングと、を備える、生成することと、
    前記音響場を前記環状アポダイジングバッキング構造で調整して、アポダイジングされた音響場を生成することであって、前記アポダイジングされた音響場が少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分を含む、生成することと、を含む、方法。
  98. 前記超音波トランスデューサが、２０％パルス送信波形を用いて１．５ＭＨｚで動作され、
    前記少なくとも１つの実質的に均一な近接場部分が、前記超音波トランスデューサの外面の約３ｍｍに位置する平面において２ｄＢ未満のリップルを示す、請求項９７に記載の方法。
  99. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、１ ３構成である、請求項９７又は９８に記載の方法。
  100. 前記低体積分率圧電複合ディスクが、両方の横軸において約４８０μｍのピッチを有する２Ｄマトリックスパターンで分散された２８０μｍ×２８０μｍの柱を備える、請求項９７～９９のいずれか一項に記載の方法。
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