JP2576427B2 - 超音波照射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波加熱装置、超音
波化学反応促進装置、超音波破砕装置などの超音波照射
装置に係り、特に、悪性腫瘍の治療に好適な超音波療法
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】医療をはじめとする超音波照射の各応用
分野において、単フォーカスによる超音波焦域では、照
射目標領域に比較して狭すぎる場合が、しばしばある。
こような場合に適する超音波照射装置としては、‘ウル
トラサウンド・イン・メディシン・アンド・バイオロ
ジ’(Ultrasound in Med & Biol.）第８巻、第２号、１
７７〜１８４ページ（１９８２年発行）記載の音響レン
ズを用いて円環状の焦域を形成する装置が、従来、知ら
れていた。しかし、この形式の装置には、円環状焦域Ａ
から再放射された音波が図１に断面図で示したように円
環の中心軸上に長い円柱状焦域Ｂを再び形成するという
傾向がある。特に、円環の直経が超音波発生器のそれよ
り小さいと、この傾向が強く、円柱状の２次焦域が照射
目標領域外にあるとき、これが重大な問題となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、かか
る従来装置の問題点を解決し、問題となるような２次的
な焦域を形成することなしにし、適度な広さを持つ焦域
を形成することのできる超音波照射装置を実現すること
にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】かかる目的に従い、本発
明においては、２次元アレイ型超音波発生器とそれを構
成する各素子（各振動子）を駆動する駆動回路と、駆動
信号の位相および振幅を制御する制御回路とを具備する
超音波照射装置において、焦点面Ｐ上の音圧積分値に関
し、その符号付積分値が、常に、その絶対値の積分値に
比較して実質上無視し得るように、該駆動信号を制御す
ることを提案する。

【０００５】さらに、上記の超音波照射装置は、照射用
の超音波送波機構に加えて照射モニタ用撮像機構を備え
る。照射モニタ用撮像機構は、照射目標の位置ぎめに必
要な複数の超音波エコー断層像を得ることのできる構成
とする。

【０００６】

【作用】例えば、図２に示すように、焦点面Ｐの上の円
環状焦域の音圧の位相を円環に沿って意図的に変調さ
せ、符号付きの音圧積分値が実質的に零となるように制
御すると、２次の焦点Ｂを形成することなく、焦点面Ｐ
上の円環状焦域Ａ１およびＡ２に必要な音響エネルギー
を集めることができる。すなわち、焦点Ｐの上に、中心
軸に関し反対称な焦域が形成される結果、中心軸上の音
圧は常に零に保たれる訳である。このような符号付けさ
れた円環状焦域からは、（数１）によりその大きさの程
度が表わされる角度ξの方向に、音波が再伝播する。

【０００７】

【数１】 ξ〜λ₀／（４γ_F） …（数１） ここで、λ₀は超音波波長、γ_Fは円環状焦域の半径であ
る。従って、λに比較しγ_Fが極端に大きな場合には、
ξが小さくなり、音波の再伝播による音響エネルギーの
拡散が不十分となる場合がある。このような場合には、
円環状焦域の符号付けの極数を、図２の例の２極から、
４極、６極、…、２ｎ極と増加させれば、ξは（数２）
に従って増加するので、ξを必要な大きさに保つことが
できる。

【０００８】

【数２】 ξ〜ｎλ₀／（４γ_F） …（数２） さらに、音圧の位相が零となる点を、図２の太い矢印の
ように回転させれば、円環上の時間平均音響エネルギー
が均一化され、好ましい音響エネルギー照射パタンが得
られる。

【０００９】照射モニタ用撮像機構は、照射目標の位置
ぎめに必要な複数の超音波エコー断層像を得ることので
きる構成となっているので、照射目標の運動を検出しそ
れを照射機構に追随させたり、照射領域からの反射エコ
ー強度を計測することにより、照射領域の温度上昇によ
る音響インピーダンス変化を観測したり、照射領域にお
いて非線形音響効果により発生する高調波を観測した
り、照射目標領域以外に生ずるいわゆる‘ホットスポッ
ト’をそこに発生する高調波により監視するなどの目的
に便利である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を、実施例を参照して、さらに
詳しく説明する。図３は、本発明の一実施例たる超音波
照射装置のブロック図であり、図４、図６、図８はそれ
を構成する超音波発生器（送波器）のそれぞれ一実施例
の外形および断面の図である。

【００１１】円環状焦域の、超音波発生器からの距離、
半径ならびに円環に沿っての変調モードの信号が主制御
回路１０から照射用送波制御回路１１へ与えられ、それ
に従って、照射用の超音波発生器を構成する各素子の駆
動位相が演算され、ｍビット・カウンタ８ヘロード・デ
ータとして転送される。そのロード・データを初期値と
し、主制御回路１０からの周波数、（（２のｍ乗）・ｆ
₀）のクロックに従って動作するｍビット・カウンタ８
は、その最上位ビットの信号を周波数ｆ₀の照射用送波
信号として照射用の超音波発生器を構成するの各素子１
を、主制御回路１０からの信号に従った振幅により駆動
する送信アンプ９へ出力する。

【００１２】次に、超音波発生器について説明する。図
４、図６、図８のいずれの場合においても、音響整合
層、接地電極、ヒートシンクを兼ねた軽金属基板の表と
裏に、それぞれ、圧電セラミックスなどより成る周波数
１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの電圧素子１および高分子材
料などより成る第２音響整合層３が接着されており、ま
た、照射対象物体との間の音響カップリングのための水
袋４が取り付けられている。さらに、図４、図６の軽金
属板には、冷却用配管５が取り付けられている。図８の
場合には、軽金属板が音響カップリング用の水に直接す
る構造となっているので、冷却用配管は特に必要としな
い。

【００１３】図４の実施例では、図５にその断面図によ
り示したように、照射目標領域を円環状焦域Ａの半径、
深さを変化させて走査するに必要な超音波発生器を構成
する素子数をできる限り少なくするために、超音波発生
器の音波放射面に有限の曲率Ｒを与えている。このよう
に、外側の素子の指向性の極大方位を内向きに設定する
ことにより、必要な素子数を平面状の超音波発生器の場
合の半分程度に減ずることができる。同様の効果は、超
音波発生器を構成する素子が平面状に配置され、この素
子と音響レンズとを組合わせることによって得ることも
でき、図６はその例であり、音響レンズとして、上記の
軽金属基板をフレネルレンズ状に加工したものを用いた
ものである。

【００１４】本発明を実施するに必要な、照射用の超音
波発生器の各素子１の駆動位相の組合わせの例を、図
４、図６、図８の超音波発生器を用いる場合につき示
す。

【００１５】はじめに、本発明の代表的実施例である図
２に示したタイプの音場を形成するに必要な駆動位相の
組合わせを例を示す。図２のように、超音波発生器の回
転対称軸をＺ軸、超音波生器とＺ軸との交点を原点とす
る円筒座標系（Ｚ、γ、θ）をとり、超音波発生器を構
成するｋ番目の素子の中心の座標を（Ｚ_K、γ_K、θ_K）
とし、円環状焦域の円環の座標をＺ＝Ｚ_F、γ＝γ_Fとす
る。このとき、各素子に与えられるべき駆動位相ψ_Kは
（ｋは自然数）は、一般に、次の（数３）により表わさ
れる。

【００１６】

【数３】 ψ_K（Ｚ_K、γ_K、θ_K・ｔ）＝α（Ｚ_K、γ_K）＋β（θ_K）＋ω₀ｔ …（数３） ここで、ω₀は超音波の角周波数である。

【００１７】駆動位相を与える式の右辺のうち、
（Ｚ_K、γ_K）の関数αの部分を算出するには、２つの方
法がある。ひとつは、超音波発生器の断面図において、
円環の位置（Ｚ_F、γ_F）に音波が収束するように、各素
子の駆動位相を決定する方法であり、このとき、αは、
（数４）で与えられる（√（ ）は（ ）の平方根を示
す）。

【００１８】

【数４】 α（Ｚ_K、γ_K）＝ （２π／λ₀）｛√（（Ｚ_K−Ｚ_F）²＋（γ_K−γ_F）²）−Ｚ_F｝ …（数４） 他のひとつは、円環の中心（Ｚ_F、０）を焦点とするよ
うに計算した駆動位相に、さらに、各素子の駆動極性を
与えて、円環状焦域を形成する方法である。どのような
駆動極性を与えるべきかを考えるには、音波の伝搬にお
いて時間軸を反転してみるのが便利である。すなわち、
半径γ_Fの円環状音源による音場Ａは、（数５）によ
り、Ｊ₀を０次ベツセル関数、θを方位角として、

【００１９】

【数５】 Ａ∝Ｊ₀（（２πγ_F／λ₀）ｓｉｎθ）≒Ｊ₀（（２πγ_F／λ₀）θ） …（数５） と表わされるから、距離Ｚ_Fにある超音波発生器面上の
半径γ_kの円周上では、およそＪ₀（（２πγ_F／λ₀）
（γ_K／Ｚ_F））に比例する音場となるので、このことか
ら逆に、超音波発生器からＺ_Fの距離のところに半径γ_F
の円環状焦域を形成するには、超音波発生器を構成する
各素子に次の駆動位相を与えればよい。０次ベツセル関
数の第ｈ番目の零点をａ_h（ｈを自然数とする）とし、

【００２０】

【数６】 γ_C＝（λ₀Ｚ_F）／（２πγ_F） …（数６） とおくとき、（１）γ_K＜ａ₁γ_Cまたはａ_2hγ_C＜γ_K＜
ａ_2h+1γ_Cのとき、

【００２１】

【数７】 α（Ｚ_K、γ_K）＝ （２π／λ₀）｛√（（Ｚ_K−Ｚ_F）²＋（γ_K）²）−Ｚ_F｝ …（数７） なお、√（ ）は（ ）の平方根を示す。

【００２２】（２）ａ_2h-1γ_C＜γ_K＜ａ_2hγ_Cのとき、

【００２３】

【数８】 α（Ｚ_K、γ_K）＝ （２π／λ₀）｛√（（Ｚ_K−Ｚ_F）²＋（γ_K）²）−Ｚ_F｝＋π …（数８） なお、√（ ）は（ ）の平方根を示しす。

【００２４】なお、図４に示したように、超音波発生器
の音波放射面が一定の曲率半径Ｒを有するときには、
(数４)、(数７)、(数８)において、

【００２５】

【数９】 （Ｚ_K）²−２ＲＺ_K＋（γ_K）²＝０ …（数９） が成立ち、また、図６、図８に示したように、超音波発
生器の音波放射面が無限大の曲率半径を有するときに
は、

【００２６】

【数１０】 Ｚ_K＝０ …（数１０） が成立つ。

【００２７】駆動位相を与える数式の右辺のうち、θ_k
の関数βの部分は、次のように算出される。図２のよう
な２極の円環状焦域の場合には、

【００２８】

【数１１】 β（θ_K）＝θ_K …（数１１） により与えられ、一般の２ｎ極の場合には、

【００２９】

【数１２】 β（θ_K）＝ｎθ_K …（数１２） により与えられる。図６および図８の超音波発生器を用
いたときの、（数３）の右辺におけるβ（θ_K）＋ω₀ｔ
を、それぞれ図７および図９の（ａ)、(ｂ）に示した。
超音波発生器を構成する各素子の駆動位相が一定の位相
差を保ったまま進んでいく結果、超音波発生器の音波放
射面全体として見た場合、音圧の等位相点が図に示した
ように回転していく。

【００３０】このようにして、（数３）により得られる
駆動位相ψ_Kには、２π／（２のｍ乗）を単位として量
子化され、その値の下ｍビットが、照射用送波制御回路
１１から出力されて、ｍビット・カウンタ８のロード・
データとなる。これにより、各素子はψ_Kにより指定さ
れる位相により駆動される。

【００３１】図８のような超音波発生器を用い、本発明
の音場、すなわち、焦点面Ｐ上の音圧積分値に関し、そ
の符号付積分値が、その絶対値の積分値に比較して実質
上無視できるような音場を形成する方法としては、上記
のような実施方法の他に、次に述べるような実施方法も
ある。

【００３２】照射目標領域の中央の点（Ｚ_F、０）を焦
点とするように計算した駆動位相に、さらに、超音波発
生器を構成する各素子の駆動極性を与えることにより、
焦点面Ｐの上に極性の異なる複数のスポットを同時に形
成することがこの方法である。このとき、（Ｚ_K、γ_K、
θ_K）にある超音波発生器を構成する素子の駆動位相ψ_K
は、√（ ）は（ ）の平方根を示すものとして、（数
１３）で表わされる。

【００３３】

【数１３】 ψ_K（Ｚ_K、γ_K、θ_K）＝ （２π／λ₀）｛√（（Ｚ_K−Ｚ_F）²＋（γ_K）²）−Ｚ_F｝ ＋γ（Ｚ_K、γ_K、θ_K）＋ω₀ｔ …（数１３） ここで、γで指定される位相は、例えば、図１０
（ａ)、(ｂ)、(ｃ）により表わされるものである。この
ように駆動位相を制御することにより、それぞれ、図１
１（ａ)、(ｂ)、(ｃ）のような、極性の異なる複数のス
ポットを焦点面Ｐの上に同時に形成することができる。
図中（ａ)、(ｂ)、(ｃ）のモードを切替えながら照射す
ることにより、時間平均として円環状に超音波エネルギ
ーを分布させることもできるし、（ａ)、(ｂ)、(ｃ）の
うち特定のモードを用いることにより、回転対称でない
照射目標領域に対し適した超音波エネルギーの分布を形
成することもできる。

【００３４】２次元アレイ型超音波発生器の音波放射面
上（素子面上）の音圧の位相の分布を表わす図７、図
９、図１０の例に共通してあてはまる特徴は、音波放射
面上の音圧積分値に関し、その符号付積分値が、常に、
その絶対値の積分値に比較して実質上無視し得る様に、
超音波発生器を構成する各素子の駆動位相が制御されて
いることである。このように制御することは、焦点面上
の音圧積分値に関し、その符号付積分値が、その絶対値
の積分値に比較して実質上無視し得る様な音場を形成す
る有力な実施方法である。

【００３５】図３、図４、図５、図６、図８により示し
た本発明の実施例は、照射用の超音波送波機構に加えて
照射モニタ用撮像機構を備えたものであり、以下、これ
について説明を加える。図中６は撮像用アレイ型送受信
探触子であり、７はそれをＺ軸のまわりに回転させる回
転機構であって、照射目標の位置ぎめに必要な複数の超
音波エコー断層像を得ることのできる構成となってい
る。照射モニタ用の探触子６を構成するそれぞれの素子
は、送受波アンプ１３を介して送波制御回路１２と受信
フォーカス回路１４に接続されている。得られたエコー
断層像１７は、照射領域マーク１８と複数断層面の交線
１９と重畳されて、表示回路１５により表示器１６に表
示される。このような撮像機構を具備することは、照射
目標の位置ぎめに必要なだけでなく、照射目標の運動を
検出し、それを照射機構に追随させたり、照射領域から
の反射エコー強度を計測することにより、照射領域の温
度上昇による音響インピーダンス変化を観測したり、照
射領域において非線形音響効果により発生する高調波を
観測したり、照射目標領域以外に生ずるいわゆる‘ホッ
トスポット’をそこに発生する高調波により監視するな
どの目的に便利である。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
適度な広さを持つ超音波焦域を、問題となるような２次
的な焦域を伴うことなく形成することができ、しかも、
様々な大きさ、深さの照射目標領域を、その焦域を高速
に走査することにより照射できる超音波照射装置を実現
することができる。従って、このような超音波照射装置
を必要とする各産業分野ならびに医療における本発明の
効果はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】公知の超音波照射装置とそれにより形成される
焦域の断面図。

【図２】本発明による超音波音場の例の概念図。

【図３】本発明の一実施例たる超音波照射装置のブロッ
ク図。

【図４】本発明の実施例における超音波発生器の外形図
ならびに断面図。

【図５】図４の超音波発生器とそれによる焦域の断面
図。

【図６】本発明の実施例における超音波発生器の外形図
ならびに断面図。

【図７】図４、図６の超音波発生器の駆動位相の例を示
す図。

【図８】本発明の実施例における超音波発生器の外形図
ならびに断面図。

【図９】図８の超音波発生器の駆動位相の例を示す図。

【図１０】図８の超音波発生器の駆動位相の例を示す
図。

【図１１】図１０の駆動位相により焦点面のＰ上に形成
される超音波スポットの図。

【符号の説明】

１…超音波発生器を構成する素子、２…軽金属基板、３
…第２整合層、４…水袋、５…冷却用配管、６…照射モ
ニタ用探触子、７…照射モニタ用探触子回転機構、８…
ｍビットカウンタ、９…送波用ドライバ、１０…主制御
回路、１１…照射用送波位相演算回路、１２…撮像用送
波制御回路、１３…送受波アンプ、１４…受波フォーカ
ス回路、１５…表示回路、１６…表示器、１７…超音波
エコー断層像、１８…照射領域マーク、１９…複数断層
面の交線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ０６Ｂ 1/06 Ｂ０６Ｂ 1/06 Ｈ０４Ｒ 17/00 ３３２ Ｈ０４Ｒ 17/00 ３３２Ｙ // Ｂ０２Ｃ 19/18 Ｂ０２Ｃ 19/18 Ｂ Ｇ１０Ｋ 15/00 Ｇ１０Ｋ 15/00 Ｎ

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同心円状に分割され配列された複数の環状
   のトラックからなり、前記各トラックがトラックの周方
   向に複数のセクタに分割されてなる２次元アレイ型超音
   波発生器と、前記セクタのそれぞれを構成する素子を駆
   動する駆動回路と、前記各素子を駆動する駆動信号の位
   相及び振幅を制御する位相振幅制御回路とを具備する超
   音波照射装置において、照射モニタ用超音波撮像手段を
   配置するための孔が、前記超音波発生器の中心部に、前
   記複数のトラックと同心状に設けられたことを特徴とす
   る超音波照射装置。
2. 【請求項２】前記照射モニタ用超音波撮像手段がアレイ
   型送受波探触子から構成され、複数の超音波エコー断層
   像を検出する手段と、前記断層像を表示する表示手段と
   を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の超音波照射装置。
3. 【請求項３】前記表示手段に表示された前記複数の超音
   波エコー断層像のそれぞれの画像に、前記複数の超音波
   エコー断層像の交差する位置を、直線により重畳して表
   示することを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の
   超音波照射装置。
4. 【請求項４】前記超音波発生器の中心軸のまわりに、前
   記照射モニタ用超音波撮像手段が回転可能であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超音波照射装
   置。
5. 【請求項５】前記超音波照射装置の照射目標位置をさら
   に重畳して表示することを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項に記載の超音波照射装置。
6. 【請求項６】前記超音波発生器から放射される超音波を
   集束する音響レンズをさらに有することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の超音波照射装置。
7. 【請求項７】前記駆動回路および前記位相振幅制御回路
   に基づいて所定の焦点距離の位置の焦点面に環状の焦点
   を形成することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の超音波照射装置。