JP2654154B2 - 非侵入法による腎臓結石の粉砕装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、非侵入法による腎臓結石の粉砕装置に関
する。

背景技術 腎臓結石の通常の除去方法としては手術によるものが
よく知られている。

近年、しかしながら、結石を破砕しそれらを微粒子に
粉砕して、患者に不便を与えることなく自然に排除でき
るように、非出血、及び、特に非侵入的な記述を研究す
るための多大な努力が払われている。

この点で“出血”を伴う方法は、入院を伴いかつ費用
がかかり、加えて侵入的な手術による衝撃を伴うことか
ら不都合である。特に後者は、危険度が大きいために手
術が行えない、衰弱した、年老いた、糖尿病及び他の患
者に対しては堪えられないものである。これ及び他の前
記不便はすべての場合に排除されるべきであり、このこ
とが他の技術の研究を導いた。つい最近まで、侵入的な
導尿管でしかなく、外傷側の影響のために特殊な能動及
び／または受動的な導尿管を用いていた。

全くの手術と導尿管方法との間の中間的な方法が最近
まで用いられてきた。この方法では、外科的な侵入によ
り結石に金属プローブを接触させ、その後、前記プロー
ブが接続されている超音波励起装置の動作により、超音
波の機械的な動作をプローブに伝える。この動作によ
り、効果的に結石の粉砕がなされ、補助の臨床の介在に
より、それらの連続的な“自然”の排出がなされた。し
かしながら、結石は実際に減少するが、不都合な外科的
な手術がなお介在した。

現在まで用いられていた出血を伴わない非侵入的な技
術は、患者の体外で発生された電界あるいは機械的なエ
ネルギービームの使用に基づいており、結石を形成する
成分に作用して“非感知の力”により粉砕せしめる。

患者の外部で発生された超音波あるいは衝撃波の形で
用いられる機械的エネルギーを作用させて患者に吸収さ
せ、そして選択的に結石自体に吸収させて（この選択が
これらの技術の卓越した長所である）、腎臓結石を形成
する多結晶性の固まりを粉砕させる。

公知の分野での超音波技術では、100KWに達するピー
ク電力を有するいわゆる“非感知の力”を用いている。
腎臓結石が微細あるいは中程度の微細な形成であろう
と、そのサイズがどのようであれ、装置が、腎臓結石を
形成する結晶性の形成物に印加されるパワー密度に全く
依存するので、この明細書では、“非感知の力”の語
は、公知の技術に関して用いられる。この処理方法は、
特に衝撃波の場合、腎臓結石そのもの以外に他の肉体組
織を損傷する危険を担い、そして、患者を全身麻酔する
必要性、固定した患者を水あるいは同様なものに完全に
浸す必要性、等の多数の不利な点を有する。

例えば、EP−Ａ−0 133 665は、公知技術として、100
KWのピーク電力に達する超音波を用いる方法を引用して
いる。スパーク衝撃波発生器及び導波器及び合焦させる
レンズを備える、前記発明の装置は、確かに“非感知の
力”を印加している。

EP−Ａ−0 133 946は、共通の焦点に集める多数の衝
撃波発生器の手段により、腎臓結石を分散させるための
構成を開示している。この技術も衝撃波であり、それ故
“非感知の力”の技術である。

EP−Ａ−0 167 670は、電磁マイクロ波と粉砕される
組織との間の相互作用により衝撃波を発生させるための
システムを開示している。

前述した特許明細書により開示された最も新しい公知
技術においては、結石を形成する凝固物を粉砕するため
に、研究は、現在に至るまで、極めて広くかつ不規則な
スペクトル分布（衝撃波）を有する高密度の電力の使用
に基づいている。その上、比較的に広い疑似のスペクト
ル内の弾性波が、粉砕すべき結石上に伝送されるエネル
ギーを正確に合焦させるのを防げ、その結果、患者に伝
送される超音波エネルギーの一部のみが、結石を粉砕す
るのに有効に用いられるということに気付くべきであ
る。残りは分散して、偶発的にエネルギーを吸収するこ
れらの組織に対してマイナスに作用する。

治療目的のために大規模なコヒーレント光（レーザ）
の照射の前に光エネルギーの使用している場合、あるい
は連続波の前にスパーク無線の伝送をする場合も結果を
似ている。

この点では、（電気的，機械的）発振の場合、単色及
び位相の一定の発振が正確な合焦と目標を可能にし、そ
の結果、空間の決定された位置に、利用できるエネルギ
ーを集結できるということは良く知られた物理の事実で
ある。（腎臓結石の粉砕のような）機械分野においては
弾性波と発振されるべき組織との間の最大エネルギー伝
送は、組織が一つあるいはより多くの共振モードの状態
のときに得られということも良く知られている。この点
に関して、動的応力を被る機械的組織において、破壊的
な大きさに至る、発振及び／又は振動を防止するための
手段がとれらることが知られている。

公知技術に対して、この発明の装置は、導波器，鏡あ
るいは音響レンズにより正確に合焦できるように、極め
て狭い幅内に納まる波長を有する超音波を用いる。

これは、ドルニア氏によりミュンヘン大学で発表され
たシステムと異なっている。このシステムは、超音波を
用いず、二つの大きい（30〜40cm）のパラボラ反射器の
焦点にて強力な電気スパークを出すことにより生じた爆
発（衝撃波）による非感知の力を用いており、この反射
器は、拘束器及び麻酔をかけた患者も又浸されている水
層タンク内に浸される（ドルニアのシステムの詳細は、
イタリアの雑誌“TRENTARE−Dimensione salute"の1986
年３月号68頁に示されている）。

このシステムでは、各々のスパークが爆発と等価なパ
ルス流を発生し、それの衝撃波は、圧縮されない水の媒
体内を伝播して、重要な衝撃を患者の腹部に撃ちつけ
る。

上述したように、このような二つの反射器及び衝撃波
発生器がタンク内に浸される。衝撃波を同期させて放っ
た非感知の力を用いて結石を破砕できるように、その反
射器は衝撃波を結石上に合焦させる。

これらの波は比較的に広く、スペクトル分布及び等価
波長が不完全に決定されるので、それらの合焦はかなり
に不正確であり、結果的にそれらの動作の同調が不完全
となり、これらのことがシステムの効率に完全に依存す
る。このことは、システムを正確に操作させる際に時々
遭遇する困難さで多分説明される。

この発明によれば、電力及び周波数が調節可能なパワ
ー発生器により供給される二つの合焦用のヘッドは、患
者も又浸されている水容器に浸される。人体は超音波周
波数に対して反応しないので、患者は少しも不快を感じ
ず、耳鳴りに等しいような感じを受けるだけである。

発明の開示 この発明の装置の動作原理を以下に記す。

二つの合焦用ヘッドの各々は、障害物、この場合は結
石よりの反射信号を検出するセンサを有し、そして直接
Ｘ線分析器により、及び／又は上昇あるいは下降する腎
盂用スコープ等により決定された結石の位置を有してお
り、結石の（一部あるいは全部）をカバーするような与
えられた領域に対する最大の反射信号が得られるよう
に、超音波ビームはその位置に向けられそして合焦され
る。領域の割合は、結石の種類及びサイズ、及びパワー
を印加するために利用されるプログラム、及びその粉砕
に必要なエネルギー強度により決められる。

焦点の位置及びそのサイズの選択は、低い平均電力
（ワットあるいはそれ以下）で行われる。結石内に様々
に集積された結晶性構造のスペクトル反射及び共振特性
を決定するために、再び低電力で周波数の掃引がなされ
る。このようにして結石の性質に関する診断情報ととも
に、最小のエネルギー消費で結晶性の固まりを砕くため
に、周波数、及び爆発的なパワーを印加するフォームを
選択するための基本的な重要な情報とが得られる。

前述の記述は１個の合焦用／受信用のヘッドに関する
ものである。

第１のヘッドと対象的に反対に位置し、かつ結石に対
するライン上にある第２のヘッドは、そのビーム合焦さ
せるために同様に用いられ、結石によりその反射された
エネルギーに対する周波数掃引のスペクトル解析を行
う。二つのヘッドの各々は、他方により放射された発散
に対するスペクトル吸収解析のために用いることができ
る。この結果、診断情報及び結石の粉砕を得るための最
適な放射プログラムを決定するために要求される情報の
双方が完成する。

共振状態下の種々の結晶性の固まりを粉砕するために
要求される平均及びピーク電力を我々は知らない。これ
らは、平均で数十ワットの桁の適当な電力に過ぎず、確
かに、純粋な大きい機械的な繰り返し動作下において石
そのものを砕くのに要する電力以下の大きさの桁である
と我々は考える。

最後に、もし、ガラスびん内での数カ月の保存の後で
接触により砂粒（それらの水和の蒸発に起因する）の大
きさの個々の結晶に砕ける結石が、殆どのあるいは大部
分の結石と共通であることが観察されれば、それらの粉
砕は、より低い周波数（多くの弱い水和結合に対応す
る）及び、結晶化に対するよりも大きさで数桁少ないエ
ネルギーによる爆発的な放射を必要とする。

この仮定において、超音波システムは極めて有効的で
かつ妥当なコストであり、幅広い使用を可能にするとい
うことを証明する。

この発明の好ましい実施例は、添付した図面を参照し
て限定しない例を用いて以下により詳細に述べる。

図面の簡単な説明 第１図は一つの水晶発振器と共振電気回路との等価回
路図、 第２図は典型的な共振回路における振幅と位相との関
係を示す図、 第３図は多結晶性の凝固組織の例を示す図、等価電気
回路図及び相対振幅を示す対応図、 第4a図及び第4b図は、先行技術における一般的な多結
晶性組織における入射エネルギーと吸収されたエネルギ
ーとの関係を示す図、 第５図はこの発明による装置の一実施例を示すブロッ
ク図、 第６図は第５図の装置の動作を図示した振幅／周波数
を示す図である。

第１図〜第４図に対する個々の参照図において、第１
図は、唯一のモードの機械的な発振と見なされる、一般
的な一つの結晶ＣはRLC回路網と等価と考えることがで
きる。そのパラメータL,Cは、結晶の幾何学的かつ分子
構造に依存し、パラメータＲは、その内部摩擦に依存
し、結晶性の固まり（結石）の粉砕技術において基本的
なパラメータの一つである。その理由は、Ｒが、結晶に
よるエネルギー吸収を決定するパラメータを構成し、電
気及び機械回路網の理論からわかるように、共振周波数
で最大となるからである（第２図）。もし、実際の腎臓
結石CR（第３図）のような多結晶性構造が存在したと
き、この構造は、機械的に様々に結合された単一の結晶
の集合を含み、掃引周波数ωの存在で独立した共振特性
を有し、図Ｄの例にて示されたように吸収ピークが存在
し、特定の周波数ω₁,ω₂,ω₃,ω_４で種々の振幅のピー
クP₁,P₂,P₃,P₄を示す。

衝撃波による腎臓結石を粉砕するための一般に知られ
た装置において、腎臓結石を構成する多結晶性の固まり
への付随的なエネルギーは、第4a図に示される、二つの
限定周波数ω_L,ω_Ｖ間で延在する周波数帯域にわたって
分散される。もし、粉砕すべき多結晶性の固まりが、第
4b図に示されるような周波数スペクトル特性を有するな
らば、周波数ω₁,ω₂,ω₃,ω_４にて、外部のエネルギー
源から多結晶性の固まりへのエネルギー伝送は、周波数
ω₁,ω_４で不十分にも拘わらず、受け取り可能である。
更に、付随的なパワーWiが実質的に一様な方法（広いス
ペクトルの衝撃波）で分散されるので、破線ゾーンによ
り示された付帯的エネルギーの一部のみが吸収され、残
りは用いられず、あるいは患者の体の他の組織を損傷す
る。

この発明による装置の一実施例を、第５図及び第６図
を参照して以下に述べる。

参照番号10により示された患者の体は、腎臓結石11に
より影響される。患者の体10は、水あるいは超音波弾性
波の伝送に適した媒体の中に、12及び13により示される
合焦用ヘッドと共に浸される。各ヘッド12,13は、パラ
ボラ反射器14,15により示される超音波合焦手段を備
え、各パラボラ反射器14,15は送信トランスジューサ16,
17及び受信トランスジューサ18,19と協調動作する。

送信トランスジューサは、個々にTX₁,TX₂で示される
電力増幅器により制御され、これらの電力増幅器は可変
周波数発振器OSC₁,OSC₂により励起される。

送信器における制御単位a₁,a₂は、コンピュータCPUが
二つの可変周波数発振器OSC₁,OSC₂により生成された発
振周波数を制御することを可能にする。

コンピュータCPSは、制御キーボードKB,メモリユニッ
トMEM及び画像表示ユニットＭのような既知のタイプの
周辺機器が接続される。

ヘッド12,13は、増幅器RX₁,RX₂に接続された受信トラ
ンスジューサ18,19を備え、この受信トランスジューサ
に反射エネルギー，送信されたエネルギー及び腎臓結石
11により吸収されたエネルギーに関する情報を与えるた
めにコンピュータCPUに接続される。送信器TX₁,TX₂ある
いは受信器RX₁,RX₂の詳細な構成は、ソナー，エコーグ
ラフィ，非破壊超音波分析及び他の分野における当業者
にとっては公知なので、ここでは記述されていない。

動作手順は以下の通りである。

最初に、第6A図に示されたピークP₁,P₂,P₃,P₄,P₅,P₆
のスペクトル写真を得るために、低電力の掃引の手段に
より、可変の利用可能な超音波周波数にて結石構造の最
大磁化率のピークについてスペクトル解析が実行され
る。

ヘッド12あるいは13あるいは双方の手段により、結石
構造を粉砕できるピーク電力がその後に選択的に放射さ
れ（第6B図）、そして新しいスペクトル解析が実行さ
れ、第６図Ｃ図に示されており、この図でわかるよう
に、ピークP₃,P₅,P₆,及びP₇がまだ残っているが、他は
消失しており、これらのピークに関連するこれらの構造
の部分が粉砕されたことを確証している。

第6B図により示された段階に用いられた電力よりも可
能な限りに大きい、新しいピーク電力が第6D図に示され
るように放射される。この後、スペクトル解析が再び行
われ（第6E図）、これよりわかるように、ピークP₁ない
しP₇はすべて消失するが新しいピークP₈,P₉が現れる。
第6F図に示されるように二つの新しいピーク電力が放射
される。更なるスペクトル解析（第6G）は、“平坦”な
曲線を示し、このことは、元の結晶性の固まりの周波数
幅内で超音波手段により検知し得る固体の構造がもはや
なく、腎臓結石11はそれ故すべて粉砕されたことを示し
ている。

第５図及び第６図に関連して上述した記述において、
明細書はスペクトル解析にて“振幅”について述べられ
ていることに気付くべきである。この記述は実施例を限
定するものではなく、スペクトル解析は、受信トランス
ジューサ、及び／又はエコーグラフィック技術や医療あ
るいは構造解析の分野で行われている超音波診断でよく
知られている、利用可能なドップラー構成により受信さ
れた信号の位相を考慮したものを含み、そして、それ
故、この発明による装置に対して最大限の利用をもたら
し、又、上述したものは、スペクトル的に純粋な超音波
放射に基づいて述べられたが、衝撃波の公知の分野の場
合に用いられる半連続的あるいは未制御のスペクトル放
射をも含むということが当業者には明白であろう。

第５図において、ヘッド12,13がパラボラ反射器14,15
を含むことにも気付くべきである。しかしながら、これ
らの代わりにあるいはこれらと結合して、レンズ及び合
焦用導波器のタイプのものを使用できることは明白であ
る。

受信−送信トランスジューサ及び送信器及び受信器を
一つ用いた構成の変わりに、先進のレーダー及びソナー
の技術でよく知られている位相配列構成を適宜に用いる
ことも可能であり、その場合、合焦，放射及び受信の構
成は完全に静止的なものでかつ適切なコンピュータによ
り制御され、その結果、解析を簡素化でき、間接動作が
できるという利点が得られる。

最後に、受信器−送信器のヘッド位相は、音響ホログ
ラフィ技術に従って、更に結石に関する（形，厚さ，構
想等のごとき）診断情報や、結石の粉砕毎の結石の厚さ
更には形状及び構成を変えるような更に優れた粉砕動作
を得るために、調節可能できる。

この発明の装置の変形を、発明の権利範囲から外れる
ことなく製作できるということは明白である。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非侵入法による腎臓結石の粉砕装置であっ
   て、粉砕すべき結石（11）に合焦される、弾性超音波発
   振のための少なくとも一つの受信−送信ヘッド（12）を
   備え、該ヘッドは、粉砕すべき結石（11）の共振周波数
   のスペクトル解析を行うために低パワーの可変周波数送
   信手段（16）及び受信手段（18）と、結石（11）の粉砕
   を促進させるために結石（11）の特性共振周波数で比較
   的に高いパワーのエネルギーピークを放射させるべく前
   記送信手段（16）を制御する制御手段（TX₁,OSC₁）とに
   接続されることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】粉砕すべき腎臓結石（11）に対するライン
   上にかつ実質的に対象に位置する第１及び第２の受信−
   送信ヘッド（12,13）を備えた請求の範囲第１項記載の
   装置。
3. 【請求項３】音響ホログラフィ技術に従って、結石に関
   する更なる（形状、厚さ、構造等のごとき）判断情報を
   得るためと、結石を粉砕する際、結石の厚さを減じさせ
   る、より一般的には結石の形状および組成をその粉砕の
   間に変化させる、分解動作を改善するために受信−送信
   ヘッドの位相が調節可能である請求の範囲第２項記載の
   装置。
4. 【請求項４】受信−送信ヘッドもしくは複数のヘッド
   （12;13）に接続された、送信器もしくは複数の送信器
   （16;17）及び送信器もしくは複数の受信器（18;19）
   が、表示ユニット（Ｍ）及び、粉砕すべき腎臓結石（1
   1）の特性に対する繰り返しのスペクトル解析の結果の
   ためのメモリユニット（MEM）に接続された、演算用及
   びデータ処理用のユニット（CPU）に接続される請求の
   範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の装置。
5. 【請求項５】受信−送信ヘッドあるいは複数のへッド
   （12;13）がパラボラ反射器（14;15）及び／又は音響レ
   ンズ及び／又は合焦用導波型の超音波エネルギー合焦手
   段を備える請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに
   記載の装置。
6. 【請求項６】上記受信−送信ヘッドもしくは複数のヘッ
   ド（12;13）が位相配列技術に基づいて形成される請求
   の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の装置。