JP3754113B2 - Ultrasonic therapy device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を集束させて患部をその衝撃力で又は加熱して治療する超音波治療装置に関する。
【0002】
【従来技術】
近年、手術後の患者に関する生活の質(Quality Of Life:QOL )の向上が望まれるようになってきている。このような流れの中で、最少侵襲治療(Minimally Invasive Treatment:MIT)が医療分野で注目を集めている。
【0003】
MITの一例として、体外から強力超音波を結石に照射し、無侵襲的に結石だけを破砕する結石破砕装置の実用化が挙げられ、泌尿器系結石の治療法を大きく様変わりさせた。この結石破砕装置に使用される強力超音波の発生源としては、水中放電方式、電磁誘導方式、微小爆発方式、ピエゾ方式等があり、特にピエゾ方式では強力超音波の圧力が小さいという短所があるが、小焦点、消耗品がない、出力制御が容易、複数のピエゾ素子にかかる駆動電圧を位相制御することで焦点位置を任意にコントロールできる等、優れた長所がある(特開昭60−145131号公報、米国特許明細書第4526168号)。
【0004】
また、癌治療の分野でも、MITは1つのキーワードとなっている。癌治療の多くは、外科的手術に頼っているのが現状である。したがって、治療対象の臓器の機能や外見上の形態が、手術後に大きく損なわれるケースが極めて多く、生命を長らえたとしても患者にとって大きな負担が残ることから、QOLを考慮した侵襲の少ない治療法や治療装置の開発が強く望まれている。
【0005】
このような流れの中、悪性新生物、いわゆる癌の治療技術の一つとしてハイパーサーミア療法が注目されるようになってきた。これは、腫瘍組織と正常組織の熱感受性の違いを利用して、患部を42.5℃以上に加温し、一定期間それを維持することで癌細胞のみを選択的に死滅させるという治療法である。加温の方法としては、マイクロ波等の電磁波を用いる方法が先行しているが、この方法では生体の電気的特性により深部の腫瘍を選択的に加温することは困難であり、深さ5cm以上の腫瘍に対しては良好な治療効果は望めない。そこで、深部腫瘍の治療には集束性が良く、比較的深い部分まで到達できる超音波エネルギーを利用する方法が考えられている(特開昭61−13955号公報)。
【0006】
また、上記加温治療法を更に進めて、ピエゾ素子より発生した超音波を患部に鋭く集束させて腫瘍部分を80℃以上に加熱し、腫瘍組織を瞬時に熱変性壊死させるような治療法も報告されている(G.Vallancien et.al.:Progress in Uro.1991,1,84−88[EDAP社論文]、米国特許明細書第5150711号)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
(1)超音波位置決め用の超音波探触子をアプリケータに組み込んだ超音波治療装置では、非常にエネウギーの高い治療用超音波が生体表面あるいは骨のような体内の強反射体から反射されることにより、治療用超音波の反射波が画像用超音波探触子を破壊してしまうおそれがあった。特に、連続的な強力超音波により患部の温度を上昇させる治療の場合は、超音波探触子の表面に構成された音響レンズがこの反射超音波を吸収してしまい、熱的に破壊されることがあった。
【0008】
本発明の第1の目的は、画像用超音波探触子が治療用超音波の反射波により破損することを防止することの可能な超音波治療装置を提供することにある。
【0009】
(2)超音波位置決めの場合、治療用超音波を照射するアプリケータの中心に超音波探触子を通すための穴をあけねばならず、超音波振動子の面積が減ってしまい出力が低下してしまうという問題があった。また、逆に同一の出力を出すためには治療ヘッドのサイズが大きくなってしまうという問題があった。
【0010】
また、治療用アプリケータは大きく、例えばMRIの画像を位置決めや治療経過の確認に使用するような場合、ガントリ内部に設置することはできなかった。本発明の第2の目的は、小型且つ高出力の超音波治療装置を提供することを目的とする。
【0011】
(3)結石破砕に用いるピエゾ素子は、数kVの高電圧で駆動されるが、一回の駆動時間は数μsであるので、発熱の心配はない。しかし、超音波温熱治療装置では、ピエゾ素子は比較的長時間、連続駆動されるので、ヒステリシス損失、誘電損失(tanδ)、機械的損失(1/Q)によって、ピエゾ素子自体が発熱する。この発熱は、バッキング材等を劣化させ、ひいては装置を故障させてしまう。また、ピエゾ素子の電気信号/機械的振動の変換効率が温度依存性を有しているので、温度上昇に伴ってエネルギーロスが生じ、治療効果が低下してしまう。
【0012】
本発明の第3の目的は、ピエゾ素子の発熱を適当に抑えることの可能な超音波治療装置を提供することにある。
【0013】
(4)加熱治療法では、従来のハイパーサーミアとは異なり、焦点近傍の限局した領域に非常に強い強度、数百〜数千W/cm2 の超音波が投入される。このため、キャビテーション(気泡)が発生し、また熱による患部が質的に変化するという独特の現象が生じる。この独特の現象により、音響特性が変化してしまい、治療効果の低下、治療時間の長時間化が懸念されている。
【0014】
超音波にとって空気は強反射体であるため、キャビテーションが発生した領域より深い所へは超音波が到達し難くなってしまう。
【0015】
また、キャビテーションが発生した領域では超音波の散乱により、見かけ上、減衰が増加し、発熱が起こり易くなる。キャビテーションが発生した状態のままで、強力超音波の照射を継続させると、予期しない部位が発熱し、副作用の原因となる可能性があった。
【0016】
また、特開昭60−145131号公報や、米国特許明細書第4658828号に記述されているように、キャビテーションが自然崩壊するのに要する時間をインターバルとして、間欠的に強力超音波を照射することが考えられている。しかし、この方法は、治療時間が長期化するという問題を有する。
【0017】
さらに、MRIによって、治療の進行状況や温度を監視しながら、治療を行うことが考えられている。しかし、キャビテーションにより磁化率が変化してしまい、誤差が生じる可能性もある。
【0018】
本発明の第4の目的は、キャビテーションを強制的に崩壊させることのできる超音波治療装置を提供することである。
【0019】
(5)MRIをモニタリング装置として用い、穿刺術やカテーテル術等の非切開治療を行う場合、穿刺針やカテーテルの位置は、これらが無信号であることから、画像上黒く抜ける部分として認識することができる。しかし、穿刺針やカテーテルの付近に、腸等の空房や骨等の無信号部分が存在する場合は、穿刺針やカテーテルの黒抜け部分が埋没して、識別不能になってしまう。また、緩和時間が特徴的な物質、例えば自由水等で穿刺針やカテーテルの先端をマーキングすることが考えられるが、やはり尿等の像の中に埋もれて識別不能になってしまう。
【0020】
さらに、光ファイバーなどの柔軟な手段を用いて体腔内でレーザー照射を行い治療する場合においては、単に先端の位置を確認するだけでなく、先端がどの方向を向いているのかを理解する必要が有るが、MRI画像を見るだけでは困難であった。
【0021】
本発明の第5の目的は、MRI画像上で位置や向きを確認可能な穿刺針、カテーテル、レーザー光ファイバー等の挿入型治療デバイスを提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明による超音波治療装置は、治療用超音波を被検体内の治療対象に照射する治療用超音波振動子と、前記被検体内の画像を得るために画像用超音波で前記被検体内を走査する画像用超音波探触子と、前記画像用超音波探触子を介して前記治療用超音波の反射波を受信する受信手段と、前記受信手段による受信信号に基づいて前記治療用超音波の強度を制御する制御手段とを具備する。
【0023】
画像用超音波探触子を破壊させるか、あるいは該超音波探触子に不可逆的な劣化を及ぼすための超音波強度は予め分かっている。従って、第1の発明に従い治療用超音波を発射している最中、該超音波探触子で該治療用超音波を受信させれば、どの程度の強度の超音波が該超音波探触子に入射しているか計測することができるため、危険な超音波レベルであることを検出し、治療用超音波を停止、あるいは強度を低下させることが可能となる。このため、治療用超音波探触子にダメージを与えることなく治療を行うことができる。また、この様な状況は例えば治療用超音波が生体表面で反射され、ちょうど焦点の鏡像の位置が超音波探触子表面に一致するなどのアプリケータと生体との位置関係によることが多いため、単に治療用超音波の強度を制御するのみでなく、操作者に対し設定の変更を促す警報を発することも可能である。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
(第1の発明の第1の実施の形態)
図1に、第1の発明の第1の実施の形態による超音波治療装置の構成を示す。アプリケータ(治療ヘッドともいう)101内には、治療用強力超音波を発射する凹面の治療用超音波振動子102と、その中央に位置して画像用超音波探触子103が設けられている。アプリケータ101の前面は弾性膜105で覆われており、内部は超音波を患者体内まで伝搬するための内容液104で満たされている。治療用超音波振動子102は制御回路106からの制御信号に基づき駆動回路107により駆動され、患者体内の焦点108に向かって強力超音波を照射する。ここで、焦点108と治療対象の位置を合わせるために、画像用超音波探触子103で得られる超音波画像を用いる。この超音波画像は、画像超音波探触子103で送受信した超音波信号を超音波画像装置109で再構成し、CRTディスプレイ110に表示する事で得られる。
【0041】
そして、本実施の形態では画像用超音波探触子3の送受信信号を検出回路111に導き、患者の体表面などで反射して超音波探触子103に入射する強力超音波112の強度を計測している。この計測値は制御回路106に送られ、この計測値が所定値以上であれば、超音波探触子103の破壊が予想されるため、制御回路106は駆動回路107のパワーを低下させるか、あるいは駆動を停止させる。さらに、操作者に治療用超音波振動子102と画像用超音波探触子103の相対位置を変更させるべくスピーカ113から警報を発する。この警報は、制御回路106に取り付けられたインジケータ(図示せず)の様な視覚的な手段によって行われても良い。
【0042】
次に、検出回路111の動作について詳しく説明する。この検出回路111では画像用超音波探触子103の送受信信号を検出するが、この信号には非常に電圧の高い駆動波形と微弱な画像用反射超音波信号、さらに強度的にはこの中間の治療用超音波の反射信号が含まれる。検出回路111は、送受信信号から治療用超音波の反射信号のみを分離しなければならない。この目的で検出回路111の入力初段にはバンドパスフィルタ(図示せず)が組み込まれている。この作用を図2を用いて説明する。受信信号のスペクトラムは中心周波数がf1で連続波あるいは長いバースト波のため、帯域が狭い治療用超音波のピークと、中心周波数がf1より高いf2で帯域の広い画像用超音波のピークが得られる。具体的にはf1は1〜2MHz、f2は3〜5MHz程度を用いている。したがってf1を中心に画像用超音波成分の混入が少ない通過帯域を有するバンドパスフィルタを用いることで、治療用超音波の反射信号強度のみを検出する事が可能となる。バンドパスフィルタ通過後の強度検出は、ピーク値検出あるいはエネルギ検出など公知の手段で実行可能である。
【0043】
次に、バンドパスフィルタを用いない検出法について説明する。この検出回路111では、図1内に破線114で示した信号線により、超音波画像装置109から画像用超音波の駆動タイミングを取り込む。このタイミング信号により検出回路111に取り込まれる図3に示すRF信号から、大きな振幅を有する駆動波形120の時間幅だけを消去することが可能である。これは信号に時間窓をかける方法であり、当該業者には公知の方法である。この操作により画像用のパルス状の駆動波形を取り除いた信号だけになるため、以後の強度検出はピーク値検出あるいはエネルギ検出など公知の手段で実行可能である。
【0044】
(第1の発明の第2の実施の形態)
図4に、第1の発明に係る第2の実施の形態による超音波治療装置の構成を示す。本実施の形態においては、アプリケータ121の内部にシャッタ122とシャッタ制御部123が組み込まれている。弾性膜、内容液に関しては図1と同様なので省略した。ここで、操作者が強力超音波を照射するためのスイッチ124を押したとき、制御回路106は駆動回路107に駆動開始の信号を送ると同時に、あるいはこれより少し早くシャッタ制御部123に信号を送り、シャッタ122を作動させて閉める。
【0045】
図5に、この時のアプリケータ121内を焦点側から見た図を図5に示す。シャッタ122はカメラの絞りのように閉じて画像用超音波探触子103の前面を覆っている。シャッタ122は超音波が透過しにくい物質で作られており、治療用超音波を発射中は画像用超音波探触子103にはほとんど超音波が入射せず、保護されている。
【0046】
(第1の発明の第3の実施の形態)
図6に、第1の発明に係る第3の実施の形態を示す。本実施の形態では図4の実施の形態のシャッタ122とシャッタ制御手段122の部分が異なる。このため変更されていない部分については図面を省略する。治療用超音波振動子102の中央部の超音波探触子挿入孔は、弾性膜131で密封されている。そして、画像用超音波探触子103と治療用超音波振動子102の間もベローズ132で密閉されているため、画像用超音波探触子103の先端部は内容液を含まない空洞133内に位置している。さらに、画像用超音波探触子103は移動機構134に固定されており、この移動機構134は制御回路106からの信号により超音波探触子103の前後移動を行う。この時、画像用超音波探触子103の位置は移動機構134により計測され、制御回路106にフィードバックされる。
【0047】
次に、本実施の形態の動作について説明する。まず超音波画像を描出する場合は、制御回路106からの指示により移動機構134は画像用超音波探触子103を下げ、先端が弾性膜131に完全に密着するよう固定する。従って、画像用超音波は空気層がないため、アプリケータ内の内容液に入射でき、また逆に反射波を受信できる。しかし、操作者が治療開始を指示すると、制御回路106から移動機構134に画像用超音波探触子103を上げるよう信号が送られる。これにより治療用強力超音波が照射されている最中は、超音波探触子103の先端は弾性膜131から離れ、空気中にある。空気は非常に強い超音波反射体であるため治療用超音波は通過できず、超音波探触子3先端を損傷させることはない。
【0048】
第1の発明については、次のように様々な変更が可能である。例えば、図6の実施の形態では画像用超音波探触子103の上下動により先端に保護用の空気層を設けていたが、空洞133内に内溶液を注入あるいは排出する手段を用いることにより、超音波探触子103の先端と弾性膜131との距離を一定にほじしたまま同様の効果を得ることが可能である。あるいは空洞133の内部を減圧する手段を設け、画像描出時は空洞133をを真空に引き、弾性膜131を超音波探触子103の表面に引きつけ、治療用超音波照射時は逆に大気圧に開放することで、前記実施の形態と同様の効果を得ることも可能である。
【0049】
また、以上の実施の形態では治療用超音波振動子として全て凹面形状の固定焦点型を用いたが、もちろんフェーズドアレイを用いてもかまわない。この時は、第1の実施の形態で記載したように駆動パワーの制御だけでなく、位相制御による焦点位置の変更によっても、超音波探触子への治療用超音波の入射出力の低減という目的は達成できる。
【0050】
このように第1の発明によれば、非常に強力な超音波を照射して治療を行う場合においても、画像用超音波探触子を劣化させることなく使用することが可能となる。
【0051】
(第2の発明の第1の実施の形態)
図7に、第2の発明の第1の実施の形態による超音波治療装置の構成を示す。本実施の形態では、アプリケータ201がX,Yの2方向に移動可能なステージ202に取り付けられており、全体が超音波の伝搬溶液203で満たされたケース204内に設置されている。
【0052】
図9に、アプリケータ201の詳細を示す。(a)はアプリケータ201の断面図である。平板の超音波振動子221の表面に高分子圧電膜で作られた画像用超音波探触子222が接着して構成されている。ここで電極構造としては、両者の接着面に共用で用いられる電極231が全面で構成されており、電気的にはアースとして用いられる。また、図9(b)に電極232を下側から見た図を示す。この電極232は同心円状の複数の電極群、ここでは8個の電極群で構成されており、アニュラーアレイを成している。通常、各電極232の面積は一定になっている。この構造によって、各電極への駆動波形の位相を調整することで治療用超音波の焦点を形成することが可能であり、またその位相を更に変化させて焦点位置を深さ方向に制御可能である。
【0053】
電極233を焦点側から見た様子を図9(c)に示す。このように電極233は2次元アレイ状に構成されており、例えばスライス方向に7素子、アレイ方向に48素子の計336素子で構成されている。この2次元アレイをそれぞれ独立のタイミングで送受信することにより、アレイ方向の超音波断層像を得ることができる。このような平板構造を取ることにより、アプリケータ201を非常に薄く製造することが可能となり、従ってケース204全体を薄く構成することが可能となる。
【0054】
ここではアプリケータ201を平板で構成したが、凹面であっても構わない。また、治療用超音波振動子221をアニュラーアレイで構成したが、図10(a)に示すような2次元アレイであれば焦点位置の横方向への制御も可能となり、ステージ202との組み合わせにより粗動・微動の調整もできる。また。画像用超音波探触子222についても図10(b)に示すような完全な等方性の2次元アレイを用いることで、単一スライス面だけでなく複数のスライス面を走査する事が可能となる。さらに、画像用超音波探触子222は高分子圧電膜以外にもセラミックスと高分子の複合材であってもよい。
【0055】
また、図10(c)に示すように、高分子圧電膜を2層設けることにより、同軸バイプレーン型の画像用超音波探触子を構成することが可能になる。図10(c)では、高分子圧電膜224の両面にアレイ電極235とアレイ電極236を直交するように設けている。さらに、アレイ電極235と治療用超音波振動子221との間に、共通電極234を設けている。
【0056】
ここで、高分子圧電膜223と224の厚さをほぼ同じにし、さらに両者を合わせた厚さが治療用超音波周波数で決まる波長のほぼ1/4になるようにする。そして、アレイ電極235を短絡し、アレイ電極236と短絡したアレイ電極235間に駆動パルスを印加することにより、yz面に平行な断層像が得られる。また、アレイ電極235と共通電極234間に駆動パルスを印加することにより、xz面に平行な断層像が得られる。なお、これら断層像の中心周波数は、治療用周波数を2MHzとしたときに、両者ともほぼ6MHzになる。
【0057】
図11に、アプリケータの構造を示す。アプリケータ201、ステージ202、伝搬溶液203はそれぞれ前述の通りであり、アプリケータ201の前面が水密となるように弾性膜205で覆われている。さらに、ケース204内にはアプリケータ201と弾性膜205の間に位置して支持体206が設けられている。この支持体206は例えば樹脂製の網であり、上方からの患者の圧迫に耐えて、患者が移動するアプリケータ201やステージ202に直接触れないようにしている。しかし、支持体206は非常に細い糸で編まれているため、下から照射される治療用超音波や画像用超音波の透過をほとんど妨げない。これによりアプリケータ全体の厚み非常に薄く構成することができる。
【0058】
図12に、本実施の形態の治療装置をMRI(磁気共鳴映像)システムに組み込んだ状態を示す。通常のMRIシステムは、マグネット207と、このマグネット207内に患者を挿入するための天板208と、この天板208を移動させる移動機構209およびシステム全体の制御装置(図示せず)から構成されている。本実施の形態では、天板208の中央にアプリケータやケースから構成されたアプリケータ261が取り付けられており、前後には段差が少なくなるように調整されたクッション210が取り付けられている。治療を開始する場合は、アプリケータ261とクッション210の上部に乗って、患部の皮膚がちょうどアプリケータ261の位置に合うように概略調整した後、マグネット207内に送り込まれて治療が開始する。
【0059】
図13に、本実施の形態の治療装置の構成図を示す。アプリケータ261は内部のアプリケータ201を駆動し、治療用超音波を照射するための駆動回路271、超音波断層像を構成するための超音波画像装置272、ステージ202に動力を伝えて位置を変えるための移動手段173、伝搬溶液203の量・脱気度・温度を制御するための伝搬溶液処理回路274に結合されている。そして、これらのユニットは制御回路275によりコントロールされている。さらに、制御回路275は画像データやメッセージを表示するためのCRT276およびMRI画像を収集し、天板208の位置を制御するためにMRIシステム277にも結合されている。
【0060】
ここで、移動手段273からステージ202に動力を伝える手段しては、MRIマグネット内であっても力を受けず、しかもMRI画像に悪影響を与えないため、例えばステンレス糸を編み込んで作ったトルクケーブルなどが用いられる。このトルクケーブルは長くなると捻れによるバックラッシュが生じるため、移動手段273側でオープンループ制御を行っても十分な位置精度が得られない可能性がある。これを防ぐにはアプリケータ261内のステージ202部に光源と回転スリットを用いた光学的なエンコーダを設置し、光ファイバで情報伝送すればクローズドループ的に位置制御を行うことが可能である。
【0061】
(第2の発明の第2の実施の形態)
図14に、第2の発明の第2の実施の形態のアプリケータ構造を示す。基本構造は図11と同じであるが、アプリケータ201がフェーズドアレイではなく、凹面の固定焦点構造になっている点が異なる。このため、患者体内での焦点の深さを変更するには、アプリケータ201を上下に移動できるように機構を追加すると共に、ケース204を厚くする必要がある。これに対し、本実施の形態では伝搬溶液処理回路274の作用によりケース204内部の伝搬溶液203の量を制御し、患者との距離を変化させることで位置調整を行う。
【0062】
以上のように、第2の発明によれば非常に小型でありながら高出力で、しかも良好な超音波画像を得ることが可能な超音波治療装置を提供することが出来る。また、非常に狭いMRIガントリ内のような状況でも使用可能なアプリケータを提供できる。
【0063】
(第3の発明の第1の実施の形態)
図15に、第3の発明に係る第1の実施の形態の構成を示す。まず、超音波治療部を説明する。アプリケータ301は、図15に示すように治療用強力超音波を照射する超音波振動子302と、強力超音波を患者303まで導くカップリング液304と、カップリング液304を密閉する水袋305およびこれらを収納するバッキング材306よりなる。
【0064】
アプリケータ301は、図16に示すように円形平板の超音波振動子302を径方向および周方向に分割した形状を有している。治療する際は、アプリケータ301を患者303体表に乗せ、水袋305を超音波ゼリー等306を介して患者303の皮膚に接触させる。焦点307を腫瘍308に一致させてから駆動回路群309で超音波振動子302を駆動して強力超音波を照射し、焦点307と一致した治療部位を高温に加熱して治療する。
【0065】
本実施の形態では、強力超音波発生源としてフェーズドアレイを用いた。従って、駆動回路群309の駆動タイミングを位相制御回路群310によって制御することにより、アプリケータ301を移動させずに焦点位置や音場、加温・加熱領域を操作することができる。駆動回路群309は分割した超音波振動子302の個数のチャンネルに分かれており、主制御回路311からの信号により位相制御回路群310で遅延を与えられた独立のタイミング信号により駆動される。これにより超音波の焦点307,307′は3次元的に任意の場所に設定できる。この遅延時間制御による焦点位置の移動操作は、「USP−4526168」に詳述されている。
【0066】
次に、超音波振動子302の発熱の検出と、この超音波振動子302の駆動制御について説明する。本実施の形態では形状記憶合金部材313、例えばマルメン合金であるTi−Ni−Cuのような高温(85℃)の変態開始温度を持つ形状記憶合金部材を用い、その変形を利用して振動子温度制御回路312のスイッチをON/OFFさせ、振動子温度を制御する。そして、図17に示すように非金属のパイプ316を超音波振動子302に近接または密着させ、その内部に冷却装置317を用いて水等の冷却物質を循環させる。
【0067】
まず、形状記憶合金部材313はある程度の強度を持った薄い短冊状の形をしており、下端は金属の感温部が超音波振動子302の電極面に直接接触しないように、耐熱性のあるポリイミド樹脂製薄膜314を介して、電極面に装着されている。また、ポリイミド樹脂製薄膜314は、それ自体による音の吸収で発熱しないように、極く薄いものである。形状記憶合金部材313の上端は、図15のように振動子温度制御回路312に接続されているが、常温では図15中の状態(a)に示すように伸びており、変態温度に加熱されると状態(b)のように「く」の字形に変形し、振動子温度制御回路312に備えられたスイッチ315に触れ、異常な加熱を伝える。ここで、超音波振動子302のキュリー点を300℃、バッキング材306の耐熱温度を250℃、振動子とバッキング材を接着する接着剤(図示せず)の耐熱温度を250℃とし、上限許可温度を200℃と設定したと仮定する。
【0068】
まず、高電圧の連続駆動によって超音波振動子302に約200℃の熱が生じたとすると、この温度は形状記憶合金部材313によって感知される。ここで、超音波振動子302から形状記憶合金部材313への熱伝導の時間差を考慮して、形状記憶合金部材313の変態温度は200℃よりも低いものを選ぶ。超音波振動子302の発熱により形状記憶合金部材313は変形して、発熱情報が振動子温度制御回路312に送られる。次に、振動子温度制御回路312は主制御回路311に信号を送り、主制御回路311は駆動回路群309により駆動の停止を行う。このとき、振動子温度制御装置312は冷却装置317を制御して非金属のパイプ316に冷却物質を循環させ、超音波振動子303の温度を低下させる。なお、冷却水の循環は随時でもよいし、必要時にだけ行ってもよい。そして超音波振動子303の温度低下により形状記憶合金部材313が再び伸びて(a)の状態に戻ったら、駆動回路群309に信号を送り、超音波振動子302の駆動を再開する。
【0069】
なお、ここでは超音波振動子302にフェイズドアレイを用いたが、これはアニュラーアレイでもよいし、アプリケータを機械的に動かして焦点を移動させてもよい。
【0070】
また、振動子温度の測定には振動子温度制御回路312に接続された熱電対やサーミスタや放射温度計を用いてもよい。
【0071】
さらに、超音波振動し302は図18に示すようにインピーダンス、静電容量、インダクタンス、誘電率等が温度によって変化する電気的性質もあるので、温度の監視はこれらの変化を測定することにより行ってもよい。この方法を用いた実施の形態を以下に説明する。
【0072】
(第3の発明に係る第2の実施の形態)
図19は第3の発明に係る第2の実施の形態の構成を示す図であり、電気的特性測定回路318は常に超音波振動子302の電気的性質を測定し、その値をリアルタイムで主制御回路311に送る。主制御回路311は超音波振動子302の電気的特性の変化により生じるロス分のエネルギーを計算し、このデータに基づいてを駆動回路群309を制御することで、ロス分のエネルギーを補う。また、マッチング回路319からの反射を電気的特性測定装置318で監視し、この反射分を主制御回路311の制御により駆動回路群309から補うこともできる。
【0073】
これらの場合も、超音波振動子302の電気的特性、または、マッチング回路319の反射の変化率が大きく、制御が不可能であると主制御回路311が判断した場合には、主制御回路311は駆動回路群309を制御し、超音波振動子302の駆動を停止させ、同時に冷却装置317を制御して超音波振動子302を冷却させる。この間も、電気的特性測定回路318は超音波振動子302の電気的特性、またはマッチング回路319の反射を測定しており、このデータにより主制御回路311は超音波振動子302が冷却されたかどうかを判断する。電気的特性測定回路318からのデータの値が正常値となり、超音波振動子302の冷却が完了したと判断すると、主制御回路311は駆動回路群309を制御して、超音波振動子302の駆動を再開する。なお、駆動の再開は主制御回路311により自動的に行われてもよいし、主制御回路311からの合図によって術者が手動で行ってもよい。
【0074】
(第3の発明の第3の実施の形態)
次に、第3の発明に係る第3の実施の形態を図20により説明する。図20において超音波治療部は先の実施の形態と同様である。まず、超音波振動子302の発熱の検出と振動子302の温度制御について説明する。本実施の形態では熱電対320と液体窒素を用いた冷却装置317を用いた場合について述べる。
【0075】
まず、熱電対320は金属の測温部が超音波振動子302の電極面に直接接触しないように、耐熱性のあるシリコーン系コーティング材321を介して、電極面に装着されている。また、シリコーン系コーティング材321は、それ自体による音の吸収で発熱しないように、極薄く塗布してある。熱電対324は、振動子温度制御回路312に接続され、振動子温度制御回路312は常に振動子温度を測定している。ここで、超音波振動子302のキュリー点を300℃、バッキング材306の耐熱温度を−200℃〜250℃、超音波振動子302とバッキング材306を接着する接着剤(図示せず)の耐熱温度を−100℃〜250℃とし、許可温度を−50℃〜200℃と設定したと仮定する。
【0076】
まず、高電圧の連続駆動によって超音波振動子302に200 ℃の熱が生じたとすると、この温度は熱電対324によって測定され、振動子温度制御回路312に送られる。ここで、振動子温度制御回路312は、上昇温度の温度勾配を計算していて、計算された温度勾配データにより振動子温度が制御可能と判断されると、振動子温度制御回路312は冷却装置317を制御して超音波振動子302に液体窒素で十分に冷却された気体(空気、窒素等)322を吹き付け、温度を低下させる。このとき、温度が−50℃以下にならないように、振動子温度制御回路312が温度を監視している。また、急激な温度変化は振動子の熱応力による破損を引き起こすため、振動子温度制御回路312は冷却時の温度勾配も監視し、急冷却にならないように冷却された気体322の噴出量、噴出速度、噴出間隔を制御する。また、気温の低下により振動子周りに結露が起こらないように振動子周りの雰囲気は十分に乾燥していることが望ましい。
【0077】
一方、急激な温度上昇により制御不可能と判断されると、振動子温度制御回路312は主制御回路311に信号を送り、主制御回路311は駆動回路群309によって駆動の停止を行う。このとき、振動子温度制御装置312は冷却された気体322により振動子温度を低下させ、適当と思われる温度になったら駆動回路群309に信号を送り、超音波振動子302の駆動を再開する。
【0078】
ここで、超音波振動子302の冷却は、冷却装置317を用いずカップリング液304のみで行ってもよい。この場合の実施の形態を以下に説明する。
【0079】
(第3の発明の第4の実施の形態)
図21は、第3の発明に係る第4の実施の形態を示す図であり、熱電対324によって200℃の温度が測定され, この情報が主制御回路311に送られると、主制御回路311はカップリング液循環回路340を作動させる。本実施の形態ではアプリケータ301は吸水口341および排水口342を備えている。カップリング液循環回路340内には、カップリング液の冷却装置(図示せず)があり、ここで冷却されたカップリング液が吸水口341および排水口342を通って循環することにより、発熱した超音波振動子302を冷却する。
【0080】
(第3の発明の第5の実施の形態)
図22に、第3の発明に係る第5の実施の形態の構成を示す。超音波治療部は第1の実施の形態と同様であるが、ここではMRIを用いた患者体内のイメージングを使用するタイプの治療装置として説明する。
【0081】
まず、位置決めとMRI像の撮像部について説明する。患者303は治療台323上にセットされ、RFコイル324と静磁場コイル325および勾配磁場用コイル326が内蔵されている撮像用のガントリ内(図示せず)に主制御回路311からの制御により、テーブル移動装置327により送り込まれる。
【0082】
次に、主制御回路311は勾配磁場電源328、送受信回路329をコンソール330より指示した所定のシーケンス(例えばT2強調撮像法)により起動し、患者303の体内の3次元の画像情報を、図示しないメモリ内に記憶する。
【0083】
ここで、患者303の体内のMRI画像に基づき、あらかじめ治療計画を立てることが可能である。このMRI像のCRTへの表示の方法及び、治療計画の方法は「特開平5−300910」に述べられている。
【0084】
MRI画像が得られると、主制御回路311がメカニカルアーム(図示せず)を制御し、患者303にアプリケータ301が取り付けられる。このとき、治療用強力超音波の焦点307の体内での位置は、メカニカルアームの各所に取り付けられたポテンショメータ(図示せず)等から構成されるアプリケータ位置検出装置(図示せず)からの信号と、あらかじめ計測しておいたMRI装置とメカニカルアームとの取付位置の情報より主制御回路311が計算し、これを記憶する。焦点位置307は、CRTディスプレイ331のMRI画像上に重畳表示される。また、CRTディスプレイ331のMRI画像上には、単に焦点307だけでなく、超音波の入射経路332を併せて表示することもできる。
【0085】
主制御回路311に記憶された焦点307の位置と治療対象の腫瘍308の位置との一致状態をチェックし、主制御回路311が超音波照射の開始を駆動回路郡309に指示し、治療が開始される。
【0086】
次に、超音波超音波振動子302の発熱の検出と振動子駆動状態の制御と振動子温度の制御について、図23を用いて説明する。本実施の形態では、放射温度計333と冷却固体334を用いた冷却装置317を用いて説明する。
【0087】
まず、放射温度計333は振動子温度制御回路312に接続され、振動子温度制御回路312は常に振動子温度を測定している。ここで、超音波振動子302のキュリー点を300℃、バッキング材306の耐熱温度を−200℃〜250℃、超音波振動子302とバッキング材306を接着する接着剤(図示せず)の耐熱温度を−100℃〜250℃とし、許可温度を−50℃〜200℃と設定したと仮定する。
【0088】
まず、高電圧の連続駆動によって超音波振動子302に200℃の熱が生じたとすると、この温度は放射温度計333によって測定され、振動子温度制御回路312に送られる。ここで、振動子温度制御回路312は上昇温度の温度勾配を計算していて、計算された温度勾配データにより振動子温度が制御可能と判断されると、振動子温度制御回路312は冷却装置317を制御して超音波振動子302に冷却された固体(例えば表面を絶縁体の薄膜でコーティングした金属等)334を押し付けて温度を低下させる。一方、急激な温度上昇により制御不可能と判断されると、振動子温度制御回路312は主制御回路311に信号を送り、主制御回路311は駆動回路群309により駆動の停止を行う。このとき、振動子温度制御装置312は冷却固体334により振動子温度を低下させ、適当と思われる温度になったら駆動回路群309に信号を送り、超音波振動子302の駆動を再開する。ここで、冷却された固体334は、冷却装置317内で冷却されて出てくるものでもよいし、内部に冷却物質が循環しているようなものでもよい。
【0089】
次に、振動子温度の変化によって超音波振動子302の駆動を制御する方法について説明する。放射温度計333による超音波振動子302の温度情報は振動子温度制御回路312に送られると同時に、主制御回路311にも送られる。振動子温度制御回路312から振動子温度制御が不可能という旨の信号が送られない限り、主制御回路311はまず発熱による振動子の電気的特性の変化を計算し、次に電気的特性の変化によって生じるロス分のエネルギーを計算し、このデータに基づいて駆動回路群309を制御して、ロス分のエネルギーを補う。
【0090】
当初の治療計画の中間あるいは終了と思われる時点で超音波の照射を停止し、治療の進行状況を観察する。これは、前記動作と同様に行われ、腫瘍308の周囲のMRI画像を撮像し、生体の変化を調べる。この間も、アプリケータ301は患者303につけたままである。ここで、治療前にメモリ上に記憶しておいたT2強調画像のデータと今回のデータをサブトラクションすると熱変性領域が明瞭に確認でき、治療が十分に行われたのか、あるいは不十分で再治療が必要かを判断できる。またこれは当初から治療計画に盛り込んで、所定治療時間おきに自動的に撮像する事も可能である。
【0091】
MRIによる治療効果判定で十分治療が完了したと判断できる状況になると、操作者は治療を終了する。この時、主制御回路311は治療条件の履歴をメモリから呼び出し、治療記録をCRTディスプレイ320から出力できる。
【0092】
なお、送受信用RFコイルとしては体腔内コイルを使用してもよい。また、この実施の形態では、イメージング装置としてMRIを用いたが、これは超音波診断装置、X線CT等でもよい。
【0093】
以上説明したように第3の発明によれば、治療用超音波振動子を連続駆動する事による発熱を許容範囲内に抑えることができ、超音波振動子やバッキング材等の超音波振動子周りの材料の劣化による事故を防ぐことができ、安全な治療を行うことが可能となる。また、熱による超音波振動子の特性の変化を防ぐことができるため、エネルギーロスを減少させることができ、安定した超音波強度が得られる。
【0094】
(第4の発明の第1の実施の形態)
図24は第4の発明の第1の実施の形態に係る超音波治療装置の構成図である。超音波治療装置としては、治療用超音波を比較的長期間連続的に患部に照射することにより、患部組織を加熱し治療する温熱治療装置である。
【0095】
アプリケータ401は、比較的出力レベルの高い治療用超音波を発生する超音波発生源402を有する。超音波発生源402は複数のピエゾ素子を有する。複数のピエゾ素子は、各素子からの治療用超音波が焦点406で集束するように球殻状に配列される。
【0096】
超音波発生源402の焦点側には、水袋405が装着される。超音波発生源402により発生された治療用超音波が被検体403に損失少なく導入されるように、カップリング液404が水袋405に封入される。
【0097】
超音波発生源402の中央部は切り抜かれ、そこに患部407の位置を確認するためのイメージング用超音波プローブ408が挿入される。超音波画像診断装置409は、イメージング用超音波プローブ408を介して被検体403の内部を超音波ビームでスキャンし、焦点付近の超音波断層像(Bモード画像)を得る。超音波断層像は、CRT415にビジュアルに濃淡表示される。
【0098】
周波数位相変調回路412は、正弦波で振動する駆動信号を発生する。周波数位相変調回路412は、この駆動信号の周波数を変調することが可能であって、さらにその位相を適時変調することができるように、例えば周波数変調の可能な正弦波発振回路と、この正弦波発振回路と出力端子との間でバイパス可能に設けられた位相変調回路とから構成される。電圧増幅回路としての駆動回路411は、周波数位相変調回路412から出力される駆動信号を増幅するものであって、システムコントローラ413の制御にしたがって振幅変調可能に構成されている。増幅された駆動信号は、インピーダンスマッチング回路410を介して超音波発生源402の各ピエゾ素子に供給される。各ピエゾ素子からは、駆動信号に等価な周波数で治療用超音波が発生される。
【0099】
装置全体の制御中枢としてのシステムコントローラ413にはコンソール414が接続される。コンソール414には、治療用超音波の照射(治療)の開始・終了をオペレータが指示するためのスイッチ、各種治療条件をセットするためのスイッチ類、その他のスイッチが装備される。
【0100】
次に本実施の形態の作用を説明する。まず、周波数変調について説明する。ピエゾ素子の厚さに固有の共振周波数f0 でピエゾ素子を駆動し、その共振周波数f0 で治療用超音波を発生させることは、電気信号/機械振動の変換効率の観点から最も好ましい。しかし、治療用超音波を共振周波数f0 に固定したままで比較的長期間連続的に照射することにより、キャビテーション(気泡)がその波長に依存したサイズまで序々に成長することが知られている。
【0101】
システムコントローラ413は周波数位相変調回路412を制御して、駆動信号の周波数fm を、共振周波数f0 を中心として、f0 −△f/2≦fm ≦f0 +△f/2の範囲でもって経時的に変化させる。なお、駆動信号の周波数と、超音波発生源402から発生される治療用超音波の周波数とは等価であり、以下、必要に応じて「駆動信号」を「治療用超音波」と読み替えて理解されたい。図25(a)、図26(a)、図27(a)、図28(a)に様々な種類の駆動信号の時間波形を示し、図25(b)、図26(b)、図27(b)、図28(b)に各々対応する駆動信号の周波数の時間変化を示している。複数の種類の中からオペレータが選択可能としても良いし、いずれか1種類を固定的に採用してもよい。図25(a)の駆動信号はその周波数が正弦的に変化するように発生される。図26(a)の駆動信号はその周波数がステップ的に変化するように発生される。図27(a)の駆動信号はその周波数が低周波(f0 −△f/2)から高周波(f0 +△f/2)に向かって一定勾配で連続的に変化するように発生される。図28(a)の駆動信号はその周波数が共振周波数f0 に固定されている期間と、正弦的に変化する期間とが交互に生起するように発生される。
【0102】
このような周波数の経時的な変化、換言すると、波長の経時的な変化は、キャビテーションの成長を抑制し、成長したキャビテーションを分断し、成長過程のキャビテーションを衰退させる。したがって、キャビテーションによる治療上の悪影響は全て一掃される。
【0103】
次に駆動信号の振幅変調について説明する。図29に示すように、駆動回路411から見たピエゾ素子側のインピーダンスは、共振周波数f0 で最小を示し、他の周波数では高くなる。また、ピエゾ素子の電気信号/機械振動の変換効率は、共振周波数f0 で最大を示し、他の周波数では低下する。さらに、生体内での治療用超音波の減衰の程度は、その周波数に依存する。したがって、超音波発生源402から発生される治療用超音波の出力エネルギーは、共振周波数f0 で最大を示し、共振周波数f0 を外れた周波数では低下する。本実施の形態では、駆動信号の振幅を駆動信号の周波数に応じて変調することにより、治療用超音波の出力エネルギーを周波数の変化によらず一定に維持する。
【0104】
システムコントローラ413は、周波数によらず治療用超音波の出力レベルが略一定に維持されるように、駆動回路411の利得を駆動信号の周波数の変化にしたがって制御し、超音波発生源402に投入される投入電力を一定にする。図30(a)に、振幅変調された駆動信号の時間波形を示し、図30(b)に振幅変調された駆動信号によって超音波発生源402から発生された治療用超音波の出力エネルギーの時間的推移を示す。振幅変調された駆動信号の振幅は共振周波数f0 で最小を示し、f0 ±△f/2で最大を示す。
【0105】
なお、インピーダンス測定回路によりインピーダンスを測定しその値によってフィードバック制御するようにしてもよいし、ワットメータにより実際の投入電力を測定し、その値によってフィードバック制御を行うようにしてもよい。
【0106】
更に、この出力レベルの補正の他の方法として、駆動信号の周波数に対するインピーダンスマッチング回路410内の可変インダクタ及び可変コンデンサの値をシステムコントローラ413の内部メモリに記憶しておき、周波数に応じてシステムコントローラ413により電気的なマッチングを制御する手法も考えられる。
【0107】
なお、治療用超音波の出力レベルの変動を緩和する方法として、振幅変調に代えて、又は併用される次のような方法がある。この方法は、共振周波数f0 から大きく離れた周波数での超音波の波長をλとして、厚さλ/4(λ=波長)の音響マッチング層をピエゾ素子面に設けて、出力帯域をブロードして上記大きく離れた周波数の超音波の出力効率を向上させるというものである。
【0108】
次に位相変調について説明する。この位相変調は、上記周波数変調と併用され、または上記周波数変調を行わず共振周波数f0 に固定された駆動信号に対して単独で行われる。図31に示すように、システムコントローラ413は周波数位相変調回路412を制御して、周期Tで断続的に駆動信号の位相を180°移相する。治療用超音波を継続的に照射することによって、キャビテーションが徐々に成長していく。治療用超音波の位相が反転すると、キャビテーションはこれまでの成長途中とは逆の圧力を受ける。したがって、キャビテーションは崩壊する。
【0109】
(第4の発明の第2の実施の形態)
図32は第2の実施の形態に係る超音波治療装置の構成図である。なお、図24と同じ部分には同符号を付して説明は省略する。基本周波数信号発生回路418は、ピエゾ素子に固有の共振周波数f0 で駆動信号を発生する回路である。周波数変調信号発生回路419は、周波数が刻々と経時的に変化する駆動信号を発生する回路である。切り替えスイッチ420は、システムコントローラ417の制御により、基本周波数信号発生回路418と周波数変調信号発生回路419を交互に駆動回路411に接続する。基本周波数信号発生回路418と周波数変調信号発生回路419のいずれか一方で発生された駆動信号は、切り替えスイッチ420を介して駆動回路411で増幅される。増幅された駆動信号は、インピーダンス回路410を介して超音波発生源402の各ピエゾ素子に供給される。
【0110】
図33(a)に駆動回路411から出力される駆動信号の時間波形を示す。図33(b)に図33(a)の駆動信号の周波数の時間変化を示す。基本周波数信号発生回路418と周波数変調信号発生回路419は、切り替えスイッチ420のスイッチングにより、交互に駆動回路411に接続される。基本周波数信号発生回路418は第1の期間Tf0、継続的に駆動回路411に接続される。周波数変調信号発生回路419は、第2の期間Tfm、継続的に駆動回路411に接続される。
【0111】
第1の期間Tf0では、周波数が共振周波数f0 に固定された駆動信号で超音波発生源402が駆動され、治療用超音波が共振周波数f0 で定常的に発生される。第2の期間Tfmでは、周波数が刻々と経時的に変化する駆動信号で超音波発生源402が駆動され、周波数が刻々と経時的に変化する治療用超音波が発生される。周波数の経時的な変化としては、図25(b)、図26(b)、図27(b)のいずれの種類を採用してもよい。ここでは、周波数fm が低周波(f0 −Δf/2 )から、高周波(f0 +Δf/2 )に向かって直線的に変化し、この変化が一定のサイクルタイムTc で繰り返され、結果的にノコギリ歯状に変化するものとして説明する。勿論、周波数変化の勾配が逆、つまり周波数fm が高周波(f0 +Δf/2 )から、低周波(f0 −Δf/2 )に向かって直線的に変化するものであってもよい。さらに、サイクルタイムTc は、後述する特定の範囲内であれば、一定であることに限定されることはなく、図34(a),(b),(c)に示すように、サイクルタイムTc が序々に短縮されていく、序々に長くなっていく、不規則(irregularity)に長短変化するものであってもよい。
【0112】
図35は、サイクルタイムTc と、キャビテーション量との関係を示している。なお、キャビテーション量としては、本実施の形態のように共振周波数f0 での連続的な駆動と、経時的に変化する周波数での駆動とを交互に繰り返した場合に発生するキャビテーション量を、共振周波数f0 での連続的な駆動により発生するキャビテーション量を1とした相対値で表している。キャビテーションの崩壊の効率は、周波数の変化の速度、即ち周波数変調幅一定で考えると、サイクルタイムTcの長短に依存する。本実施の形態では、サイクルタイムTcは、500μs〜50msの範囲内に設定される。
【0113】
図36は、第2の期間Tfmと、キャビテーション量との関係を示している。キャビテーションの崩壊にかかる時間は、その生成にかかる時間より長い。本実施の形態では、キャビテーションが十分崩壊するように、第2の期間Tfmは、第1の期間Tf0の3倍以上の時間に設定される。また、第2の期間Tfmを余り長く取りすぎると共振周波数f0 で固定的に駆動する第1の期間Tf0が圧迫されて短くなり、音響出力の時間的効率が低下してしまい、治療時間を長期化させてしまう。本実施の形態では、この点を考慮して、第2の期間Tfmはその上限が第1の期間Tf0の10倍に設定される。
【0114】
図37は、共振周波数f0 に対する周波数変化幅△fの比率(△f/f0 )と、キャビテーション量との関係を示している。本実施の形態では、周波数変化幅△fは、共振周波数f0 に対して、20%以上に設定される。勿論、周波数変化幅△fの上限値は、ピエゾ素子の電気信号/機械振動の変換効率が所定レベルを維持する臨界値に自ずから決まるが、ピエゾ素子の変換効率の低下を考慮して、f0 の100%以下に設定することが好ましい。
【0115】
また、第1及び第2の実施の形態において、周波数fm の変化の範囲は、周波数fm が共振周波数f0 から外れるピエゾ素子の変換効率を考慮して、共振周波数f0 を中心として、
f0 −△f/2≦fm ≦f0 +△f/2
に設定されることが好ましいが、これに限定されるものではない。例えば、図63(a)に示すように、周波数fm の変化の範囲が、(f0 +△f1 〜f0 −△f2 )である場合に、△f1 と△f2 とが不一致であってもよい。また、図63(b)に示すように、周波数fm の変化の範囲が、(f0 +△f1 〜f0 +△f2 )である場合に、f0 +△f1 >f0 ,且つf0 +△f2 >f0 であってもよい。
【0116】
このように本実施の形態でよると、キャビテーションの崩壊及び治療の速度の観点から最も効率よく治療用超音波を発生できる。
【0117】
(第4の発明の第3の実施の形態)
図38は第3の実施の形態に係る超音波治療装置の構成図である。なお、図24と同じ部分には同符号を付して説明は省略する。治療超音波発生用駆動回路431は、治療用超音波発生源(第1の超音波発生源)402のピエゾ素子の厚さに固有の共振周波数f0 で固定的に駆動信号を発生する。この治療用の駆動信号は、治療用超音波を発生させるために、インピーダンスマッチング回路410を介して治療用超音波発生源402に供給される。キャビテーション崩壊用駆動回路432は、共振周波数f0 より高周波の周波数f´で固定的に駆動信号を発生する。このキャビテーション崩壊用の駆動信号は、キャビテーション崩壊用超音波を発生するために、第2のインピーダンスマッチング回路433を介して、治療用超音波発生源402とは別体で設けられているキャビテーション崩壊用超音波発生源(第2の超音波発生源)434に供給される。
【0118】
キャビテーション崩壊用超音波発生源434は、複数のピエゾ素子が球殻状に配列されてなり、治療用超音波によるキャビテーションを崩壊するために、治療用超音波によりキャビテーションが発生する領域、つまり治療用超音波の伝搬経路に向けてキャビテーション崩壊用超音波を照射する位置及び向きに設置される。
【0119】
治療用超音波発生源402と、キャビテーション崩壊用超音波発生源434とは上述のように別体で設けてもよいし、図40(a)に示すように、キャビテーション崩壊用超音波発生源434を構成する高周波のピエゾ素子を中心側に配置し、その外側に治療用超音波発生源434を構成する比較的低周波のピエゾ素子を配置し、全体として球殻状に整形してもよいし、また図40(b)に示すように、共振周波数f0 のピエゾ素子を2層に張り合わせて、一層だけ駆動することにより共振周波数f0 で治療用超音波を発生し、2層を同時駆動することにより高周波f´のキャビテーション崩壊用超音波を発生させるようにしてもよい。
【0120】
図39(a),(b),(c)は本実施の形態による駆動信号の時間波形を示す図である。図39(a)の例では、比較的低周波f0 の治療用超音波と、比較的高周波f´のキャビテーション崩壊用超音波とが、交互に照射される。図39(b)の例では、治療用超音波に、キャビテーション崩壊用超音波が断続的に重畳される。図39(c)の例では、僅かに異なる2周波(f0 ,f′)の超音波が連続的に重畳されることで「うなり」が生じられ、これを利用してキャビテーションを崩壊させる方法である。
【0121】
以上説明したように、第3の実施の形態によれば治療用超音波の照射に伴って発生するキャビテーションを強制的に崩壊することが可能である。したがって、予期しない部位への副作用や熱変性領域の拡大が抑制され、かつ狙った部位に正確に熱変性を惹起できる。これにより、安全かつ確実な超音波加熱治療を実現できる。また、キャビテーションの発生を抑制することによって、超音波エネルギーの連続的な投入が可能となるため、治療時間が低減され患者のスループットが向上する。
【0122】
(第4の発明の第4の実施の形態)
本実施の形態は、キャビテーション量をモニタリングし、キャビテーション量が一定量に達したときに不定期で、キャビテーション崩壊用超音波を発生させるというものである。図41は第4の実施の形態に係る超音波治療装置の構成図である。なお、図24と同じ部分には同符号を付して説明は省略する。超音波画像診断装置409で生成された超音波画像データは、CRT415と共に差分回路416にも供給される。
【0123】
差分回路416の内部メモリには、図42(a)に示すような、キャビテーションが発生していない又はキャビテーションが非常に少ないときに超音波画像診断装置415で生成された超音波画像がマスク画像として記憶される。このマスク画像にはキャビテーション像が存在しない又は非常に少ない。
【0124】
図42(b)は治療用超音波の照射開始後に超音波画像診断装置415で生成される超音波画像(リアルタイム画像)を示す。治療用超音波はバースト波として間欠的に照射され、治療用超音波の照射のインターバルに、焦点付近の断面がイメージング用超音波ビームで走査され、当該断面の超音波画像が繰り返し生成される。リアルタイム画像には、治療用超音波の照射時間の増加に応じて序々にキャビテーション像が増加する。
【0125】
差分回路416により、リアルタイム画像は、マスク画像と次々と差分され、図42(c)に示すような差分画像が次々と生成される。差分画像データは、システムコントローラ413に取り込まれる。システムコントローラ413は、差分画像の特定領域内の複数の画素の画素値合計を差分レベルとして求める。図43(a)に差分レベルの時間的推移を示す。差分レベルは、発生したキャビテーション量に依存する。なお、特定領域とは、キャビテーションが発生すると考えられる焦点までの治療用超音波の伝搬領域として設定される。
【0126】
システムコントローラ413は、求めた差分レベルをしきい値と比較する。システムコントローラ413は、差分レベルがしきい値より低いとき、図43(b)に示すように、共振周波数f0 で治療用超音波を発生し、加熱治療を進行するように、周波数位相変調回路412を制御する。
【0127】
システムコントローラ413は、差分レベルがしきい値を越えている期間、キャビテーションを積極的に崩壊するために、図43(b)に示すように、周波数が変動するように、周波数位相変調回路412を制御する。
【0128】
また、システムコントローラ413は、差分レベルがしきい値を越えたとき、この周波数の変動に加えて、又は周波数を共振周波数f0 に固定したままで、図43(c)に示すように、治療用超音波の位相が反転するように、周波数位相変調回路412を制御する。
【0129】
これにより、適時にキャビテーションを崩壊することができ、治療の速度の低下を抑制できる。
【0130】
本発明によれば、治療用超音波の照射に伴って発生するキャビテーションを効果的に抑制することが可能となるため、予期しない部位への副作用や熱変性領域の拡大が従来法よりも更に効果的に抑制され、かつ狙った部位に正確に熱変性を惹起できる。これにより、更に安全かつ確実な超音波加熱治療を実現できる。また、全治療時間を低減することが可能となり、患者のスループットが向上する。
【0131】
(第5の発明の第1の実施の形態)
図44において、超音波アプリケータ571には集束超音波を発生できるピエゾ素子からなる球殻状の超音波振動子572が配置され、水袋573を介して被検体574に装着される。ピエゾ素子には、駆動回路575が結合されている。駆動回路575は、図示しない電源の電位により強度が決定され、ピエゾ素子に電圧パルスを印加する。MRロケータ576,577,578は超音波振動子に572よる高周波磁場への影響を受けない程度離れた部位に装着される。これらそれぞれで得られるMR画像より、MRロケータ576,577,578の位置を検出し、超音波アプリケータ571の位置、軸方向、周方向の姿勢を知ることができる。そして、超音波プローブ579の撮像プレーンの位置を検出し、これをMRIで撮像した同じスライスの画像と重畳して図45のように表示する。
【0132】
ここで使用するMRI画像は事前に撮像し、治療計画をたて治療部位等の情報を重畳した画像か、加熱時に計測した温度分布画像等のリアルタイムMR画像、もしくはその二つを重畳した画像でもよい。事前に得る画像は3次元で、プローブの撮像スライスに合わせた2次元画像を3次元画像から再構築する。
【0133】
ここでは3つの位置検出型MRロケータ576,577,578を用いたが、非対称コイルを用いた位置、角度検出用MRロケータをでも同様に可能である。これを用いた超音波アプリケータの模式図を図46に示す。図46において構成はほとんど図44と同一であるが、MRロケータ591は超音波プローブ579の先端に取り付けられており、受信信号も一系統のみである。このMRロケータ591により、超音波アプリケータの位置、角度を得ることが出来、図45と同様にMR画像と、超音波画像を重畳して表示することができる。なお位置、軸、周方向の角度が検出できるもの(例えば2つの直交する長方形コイル)であれば何を用いてもよい。また、コイルと中心軸との幾何学的関係は分かっているのでかならずMRロケータを中心軸上に設置する必要はない。
【0134】
また、ここでは超音波プローブを用いた場合を述べたが、モニタにMRIのみを用いるときなどこれを用いない場合もあり、このときは強力超音波による治療位置、方向を検出できればよく、位置と軸の方向だけが検出できればよい。よって例えば2つの位置検出型MRロケータか、長方形型MRロケータなどを用いればよい。
【0135】
(第5の発明の第2の実施の形態)
図47に、第5の発明に係る一実施の形態の構成を示す。同図において、静磁場磁石501は励磁用電源502により励磁され、被検体503にz方向の一様な静磁場を印加する。勾配磁場コイル504は静磁場磁石510内に配置され、シーケンスコントローラ505によって制御される勾配磁場コイル504の駆動回路506により駆動され、寝台507上の被検体503に対して直交するx,y,zの3方向にそれぞれ磁場強度が直線的に変化する勾配磁場Gx,,Gy,Gzを印加する。全身用高周波コイル508は送受信兼用コイルであり、勾配磁場コイル504内に配置される。シーケンスコントローラ505による制御下で、送信部509からの高周波信号がデュプレクサ510を介して全身用高周波コイル508に印加され、これにより発生する高周波磁場が、寝台507上の全身用高周波コイル508の中の被検体503に印加される。全身用高周波コイル508は、被検体503の画像化すべき領域に均一な高周波磁場を発生できるものであり、例えば鞍型コイル、分布定数型コイル、あるいはこれらを用いて構成されるクォードラチャ送信コイルが使用される。ただし治療対象が限定され、さらに高いS/N比が望まれるときには、送受信コイル、あるいは受信用コイルに表面コイルを用いてもよい。受信用に表面コイルを使用する場合は、一様コイルを送信用として用いる。
【0136】
全身用高周波コイル508により被検体503からの磁気共鳴信号を受信し、デュプレクサ510を介して受信信号は受信部511へ送られる。デュプレクサ510は、全身用高周波コイル508を送信と受信に切り替えて使用するためのものであり、送信時には送信部511からの高周波信号を全身用高周波コイル508に伝達し、受信時には全身用高周波コイル508からの受信信号を受信部511に導く働きをする。受信信号は検波されかつローパスフィルタによる帯域制限を受けた後、シーケンスコントローラ505による制御下でデータ収集部512に送られる。データ収集部512では、受信信号の収集とそのA/D変換を行い、それらを画像再構成用データとして電子計算機513へ送る。
【0137】
電子計算機513はコンソール514により制御され、受信部511から入力された画像再構成用データについて2次元フーリエ変換を含む画像再構成処理を行い、またシーケンスコントローラ505の制御も行う。電子計算機513により得られた画像データは画像ディスプレイ515に供給され、画像として表示される。
【0138】
MRロケータ520は、非切開のうちに部位の診断や患部の治療を行うために被検体内に挿入されるようなカテーテルや穿刺針等の図示しない医療器具に結合され、全身用高周波コイル508の受信時に、同時に磁気共鳴信号を受信する。
【0139】
図48に、位置検出用MRロケータとなる小型表面コイルの模式図を示す。これは通常の表面コイルであり、共振周波数を観測する磁気共鳴周波数に同調させておく。
【0140】
図49には、位置検出用MRロケータ520を医療器具の一つである穿刺針522に装着した例を示す。すなわち、MRロケータ520は穿刺針522の先端において絶縁膜521上に装着され、ケーブルは針と絶縁された状態で外部に引き出される。なお、穿刺針522の絶縁体の上に導電膜をコーティングにより生成し、これをエッチングしてコイルを形成してもよい。
【0141】
図50に、本実施の形態における撮像シーケンスを示す。ここでは、通常の2次元スピンエコーシーケンスと全く同様なシーケンスを用いている。シーケンスはどれを用いてもよいが、データ収集時には全身用高周波コイル508とMRロケータ520で磁気共鳴信号を同時に受信し、それぞれ独立にデータを収集する。これらがカップリングするおそれがある場合、米国特許4,825,162や特願平2−047814に記載されているようにQダンプ等を行ってデカップリングしてもよい。また、ここでは簡単のため2次元の撮像を用いたが、3次元の撮像を行い、3次元的な位置検出を行うことが望ましい。
【0142】
収集された画像は、例えば図51(a)〜(c)のようになる。図51(a)は全身用高周波コイル508で得られた頭部画像で、通常の形態画像である。これに対し、同時にMRロケータ520で得られた図51(b)の画像はロケータ520の近傍の信号強度が極端に高く、離れた部位の信号はほとんど得られないので、画像上の信号域はロケータ520の位置を示していることになる。MRロケータ520で得られたロケータ画像については、信号強度の最大点あるいは、あるしきい値を越えた領域の中心等を求めるなどの処理を施してロケータ520の位置を算出し、これを図51(a)の形態画像に図51(c)のように重畳して表示するか、もしくはそのままの状態で、形態画像と色を変えるなどの処理を施して重畳表示してもよい。
【0143】
この画像を穿刺針522の先端の位置把握に用いて治療を行う場合の手順を次に示す。まず、治療位置決定のためのMRIによる撮像を行い、穿刺位置および方向を決定する。治療に入ってからは、リアルタイムに超高速撮像などでMRIによる形態画像と、MRロケータ520による画像を連続的に得る。穿刺を始めるとMRロケータ520により得られる画像より、ロケータ520の位置を判定することが出来、これを重畳した画像を操作者が観察しながら穿刺を進める。
【0144】
このとき、さらに治療計画時の精細画像に治療予定位置を書き込んだ画像を超高速形態画像を比較し、位置ズレを補正しながら重畳表示してもよい。そして穿刺予定部位まで穿刺針が到達したことを確認できたら、例えば細胞の採取、エタノール注入などの治療、診断行為を行う。3次元で計測していれば問題ないが、2次元以下で撮像する場合はスライスを複数設定しマルチスライスの撮像を行って各画像の最大強度を比較し、最大強度を含むスライス位置、もしくは信号強度分布から予測した最大点を含むスライス位置を求めると、これがMRロケータ520を含むスライスとなり、3次元的に位置を把握できる。
【0145】
図52に示すように、医療器具としてカテーテル530を用いた時にも、前述のような先端での治療診断のみを行うものであれば、カテーテル530の先端に絶縁膜531上に形成されたコイル532を装着することで、穿刺と全く同様な手段で位置検出が可能である。
【0146】
ただし、非常に柔軟なカテーテルを用いて非接触レーザーなど前方軸方向への治療エネルギー照射などを行うときには、単に先端位置の確認だけでは不十分であり、カテーテル先端の方向を知らないと、治療される領域を正確に把握することができない。このように医療器具の方向性が必要なときは、例えば図53に示すように長方形のコイルを用い、この長軸方向を画像より検出して医療器具の方向を知ることができる。長方形コイルをカテーテルに装着した一例を図54に示す。このとき画像収集までは位置検出のときの方法と同様である。得られた画像の一例を図55(a)〜(c)に示す。図55(a)は血管部の形態画像を示す。図55(b)はMRロケータ520により得られた画像で、長方形コイルの磁場分布に従った形の高輝度の部分を持つ画像が得られる。これより高輝度領域の中心からロケータの位置を検出し、また高輝度領域の長軸方向から方向を得る。そして位置、角度情報、もしくは高輝度領域そのままを図55(a)の形態画像に重畳して図55(c)のように表示するか、もしくはカテーテル先端の位置をロケータの位置、角度情報より得て、これを方向と合わせて表示する。長方形を台形にすることで、高周波磁場分布の広さの違いから前後方向を検出することもできる。
【0147】
長方形コイルでなくてもコイルを2つ装着して、それぞれで独立に画像を取得してもよい。これをカテーテルに装着した場合を図56に示す。このときも処理としては前述と同様でよいが、形態画像とMRロケータ541,542により得られた画像の合わせて3つの画像を再構成する必要がある。このときはMRロケータ541,542のそれぞれで得られた画像よりそれぞれの位置を検出し、それぞれの位置関係より方向を得ることができる。
【0148】
一方、レーザー照射の方向が軸方向でなく、カテーテル軸に対して直角方向に偏向しており、周方向に走査しながら周囲を焼灼治療する場合もあるが、このときは周方向の回転角を知る必要がある。この場合、図57のような周方向に非対称の形状を持つコイルを用いると、図58のように周方向に非対称形の高周波磁場分布となるので、コイルの周方向の角度を画像上での非対称の高周波磁場分布から求めることができる。これをレーザーカテーテルに装着した場合を図59に示す。図60のように円筒形の面に沿って長辺がやや太いコイルを装着しても、同様に非対称磁場分布が得られる。また長方形コイル1つと、小型表面コイル1つ、もしくは小型表面コイル3つでも、それぞれのコイルで得られた画像から位置と軸方向、周方向の方向を得ることができる。
【0149】
長方形コイルと小型表面コイルでは、例えば図61のようにそれぞれを直交する位置に配置し、まず長方形コイル551で位置と方向を得て、小型表面コイル552で長方形コイル551の位置に対する相対位置を得ることで、周方向の角度を知ることができる。これは長方形コイル2つでも同様である。また、小型表面コイル3つの場合は、図62のように1つのコイル561を基準とし、これに対し軸方向にずらした位置に他の1つのコイル562、周方向にずらした位置に残りの1つのコイル563をそれぞれ配置する。それぞれのコイル561〜563で得られた画像からそれぞれのコイル561〜563の位置を得て、その位置関係から、カテーテルの位置、軸方向、周方向の角度を算出する。
【0150】
以上のように第5の発明によれば、MRIモニタリング下に被検体内に挿入される医療器具の位置・姿勢を正確に把握しながら治療行為を行うことが可能な治療装置を提供することができる。
【0151】
【発明の効果】
(1)第1の発明によれば、非常に強力な超音波を照射して治療を行う場合においても、画像用超音波探触子を劣化させることなく使用することが可能となる。
【0152】
(2)第2の発明によれば、非常に小型でありながら高出力で、しかも良好な超音波画像を得ることが可能な超音波治療装置を提供することが出来る。また、非常に狭いMRIガントリ内のような状況でも使用可能なアプリケータを提供できる。
【0153】
(3)第3の発明によれば、治療用超音波振動子を連続駆動する事による発熱を許容範囲内に抑えることができ、超音波振動子やバッキング材等の超音波振動子周りの材料の劣化による事故を防ぐことができ、安全な治療を行うことが可能となる。また、熱による超音波振動子の特性の変化を防ぐことができるため、エネルギーロスを減少させることができ、安定した超音波強度が得られる。
【0154】
(4)第4の発明によれば、次のような効果を実現することができる。治療用超音波の周波数は経時的に変化される。この周波数の変化により、あるキャビテーションは分裂され、またあるキャビテーションは押しつぶされて崩壊する。したがって、予期しない部位への副作用や熱変性領域の拡大が抑制され、かつ狙った部位に正確に熱変性を惹起できる。これにより、安全かつ確実な超音波加熱治療が実現される。また、キャビテーションは積極的に崩壊されるため、キャビテーションを自然的に崩壊するのを待つよりも、全治療時間としては短縮され、患者のスループットが向上する。
【0155】
また、治療用超音波の位相は変化される。この位相の変化により、成長中のキャビテーションは押しつぶされて崩壊する。したがって、予期しない部位への副作用や熱変性領域の拡大が抑制され、かつ狙った部位に正確に熱変性を惹起できる。これにより、安全かつ確実な超音波加熱治療が実現される。また、キャビテーションは積極的に崩壊されるため、キャビテーションを自然的に崩壊するのを待つよりも、全治療時間としては短縮され、患者のスループットが向上する。
【0156】
(5)第5の発明によれば、MRIモニタリング下に治療デバイスの位置・姿勢を正確に把握しながら治療行為を行うことが可能な治療器具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の発明に係る第1の実施の形態の構成図。
【図2】超音波探触子から検出される信号のスペクトラム。
【図3】超音波探触子から検出される信号の模式図。
【図4】第1の発明に係る第2の実施の形態の構成図。
【図5】同実施の形態におけるアプリケータを焦点側から見たときの図。
【図6】第1の発明に係る第3の実施の形態の構成図。
【図7】第2の発明に係る一実施の形態を示す構成図。
【図8】第2の発明におけるアプリケータの構成を示す概略図。
【図9】第2の発明の一実施の形態に係るアプリケータを示す概略図。
【図10】第2の発明に係る他の実施の形態におけるアプリケータを示す概略図。
【図11】第2の発明に係るアプリケータの構成図。
【図12】第2の発明の構成を示す概略図。
【図13】第2の発明に係る他の実施の形態の構成図。
【図14】第2の発明に係る別の実施の形態のアプリケータの構成図。
【図15】第3の発明に係る第1の実施の形態の構成図。
【図16】同実施の形態における超音波振動子の模式図。
【図17】同実施の形態における超音波振動子冷却手段の模式図。
【図18】超音波振動子の誘電率の温度特性
【図19】第3の発明に係る第2の実施の形態の構成図。
【図20】第3の発明に係る第3の実施の形態の構成図。
【図21】第3の発明に係る第4の実施の形態の構成図。
【図22】第3の発明に係る第5の実施の形態の構成図。
【図23】同実施の形態におけるアプリケータ部分の拡大図。
【図24】第4の発明に係る第1の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図25】周波数変調された駆動信号の時間波形及び周波数の経時的な変化を示す図。
【図26】周波数変調された駆動信号の他の時間波形及び周波数の経時的な変化を示す図。
【図27】周波数変調された駆動信号のさらに他の時間波形及び周波数の経時的な変化を示す図。
【図28】周波数変調された駆動信号のさらに他の時間波形及び周波数の経時的な変化を示す図。
【図29】周波数とインピーダンスとの関係を示す図。
【図30】振幅変調された駆動信号の時間波形及び超音波の出力エネルギーの時間変化を示す図。
【図31】位相変調された駆動信号の時間波形を示す図。
【図32】第4の発明に係る第2の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図33】周波数変調された駆動信号の時間波形及び周波数の経時的な変化を示す図。
【図34】駆動信号の周波数の他の経時的な変化を示す図。
【図35】サイクルタイムTc と、残留するキャビテーション量との関係を示す図。
【図36】周波数変調期間Tfmと、残留するキャビテーション量との関係を示す図。
【図37】周波数変調幅と、残留するキャビテーション量との関係を示す図。
【図38】第4の発明に係る第3の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図39】治療用とキャビテーション崩壊用とで時分割された駆動信号の時間波形、キャビテーション崩壊用駆動信号と治療用駆動信号とが重畳された駆動信号の時間波形及びキャビテーション崩壊用駆動信号と治療用駆動信号とが重畳された駆動信号の他の時間波形を示す図。
【図40】共振周波数が相違する2種類のピエゾ素子の配置関係を示す超音波発生源の断面図。
【図41】第4の発明に係る第4の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図42】超音波照射前のマスク画像、超音波照射中のリアルタイム画像及びマスク画像とリアルタイム画像との差分画像の模式図。
【図43】差分レベルの経時的な変化に対する周波数変調をかけるタイミング及び位相変調をかけるタイミングを示す図。
【図44】第5の発明に係るハンドプローブタイプの超音波アプリケータの位置、軸方向、周方向検出用3コイル型MRロケータへの適応例を示す模式図。
【図45】第5の発明に係るMR画像と超音波画像との重合表示の例を示す模式図。
【図46】第5の発明に係るハンドプローブタイプの超音波アプリケータの位置、軸方向、周方向検出用非対称コイル型MRロケータへの適応例を示す模式図。
【図47】第5の発明に係る一実施の形態の構成図。
【図48】第5の発明に係る位置検出型MRロケータの模式図。
【図49】第5の発明に係る位置検出型MRロケータを穿刺針に装着した場合の一例を示す模式図。
【図50】第5の発明に係るMRロケータ位置計測を行う際の撮像パルスシーケンスの一例としての通常の2次元スピンエコーシーケンスを示す図。)
【図51】第5の発明に係る位置検出の場合の撮像された各画像の一例を示す図。
【図52】第5の発明に係る位置検出型MRロケータをカテーテル先端に装着した場合の一例を示す模式図。
【図53】第5の発明に係る位置、軸方向検出用長方形型MRロケータの模式図。
【図54】第5の発明に係る位置、軸方向検出用長方形型MRロケータをカテーテル先端に装着した場合の一例を示す模式図。
【図55】第5の発明に係る位置、軸方向検出時(長方形型利用)に撮像された各画像とその表示例を示す図。
【図56】第5の発明に係る位置、軸方向検出用2コイル利用MRロケータのカテーテルへの適応例を示す図。
【図57】第5の発明に係る位置、軸方向、周方向検出用非対称形コイル型MRロケータの形状を示す模式図。
【図58】第5の発明に係る非対称形コイルの周方向の磁場分布を示す模式図。
【図59】第5の発明に係る非対称形コイルをカテーテルに装着した場合を示す模式図。
【図60】第5の発明に係る非対称形コイルを円筒形に密着させるよう変形しカテーテルに装着した場合を示す模式図。
【図61】第5の発明に係る長方形コイルと小型表面コイルによる位置、軸方向、周方向検出用MRロケータのカテーテル先端への配置図。
【図62】第5の発明に係る3つの小型表面コイルによる位置、軸方向、周方向検出型MRロケータのカテーテル先端への配置図。
【図63】駆動信号の周波数の経時的な変化を示す図。
【符号の説明】
101…アプリケータ、
102…超音波振動子、
103…超音波探触子、
104…カップリング液、
105…弾性膜、
106…制御回路、
107…駆動回路、
109…超音波画像装置、
110…CRTディスプレイ、
111…検出回路、
121…アプリケータ、
122…シャッタ、
123…シャッタ制御部、
124…移動機構、
131…弾性膜、
201…アプリケータ、
222…画像用超音波探触子、
202…ステージ、
231〜233…電極、
203…伝搬溶液、
261…アプリケータ、
204…ケース、
271…駆動回路、
205…弾性膜、
272…超音波画像診断装置、
206…支持体、
273…移動手段、
207…マグネット、
274…伝搬溶液処理回路
208…天板、
275…制御回路、
209…移動機構、
276…CRTディスプレイ、
210…クッション、
277…MRIシステム、
221…超音波振動子、
301…アプリケータ、
302…超音波振動子、
303…患者、304…カップリング液
305…水袋、
306…バッキング材
307…焦点、
308…腫瘍、
309…駆動回路群、
310…位相制御回路群、
311…制御回路、
312…振動子温度制御回路、
313…形状記憶合金部材、
314…ポリイミド樹脂膜、
315…スイッチ、
316…パイプ、
317…冷却装置、
318…電気的特性制御回路、
319…マッチング回路群、
320…熱電対、
321…シリコン系コーティング材、
322…冷却気体、
323…治療台、
324…RFコイル、
325…静磁場コイル、
326…勾配磁場コイル、
327…テーブル移動装置、
328…勾配磁場電源、
329…送受信回路、
330…コンソール、
331…CRTディスプレイ、
332…超音波入射経路、
333…放射温度計、
334…冷却固体、
340…カップリング液循環回路、
341…吸水口、
342…排水口、
401…アプリケータ、
402…ピエゾ素子(群)、
403…被検体、
404…カップリング溶液、
405…カップリング膜、
406…治療用超音波焦点、
407…患部(腫瘍)、
408…超音波プローブ、
409…超音波画像診断装置、
410…インピーダンスマッチング回路、
411…駆動回路(アンプ)、
412…周波数/位相変調回路、
413…システムコントローラ、
414…コンソール、
415…CRTディスプレイ、
417…システムコントローラ、
418…基本周波数信号発生回路、
419…周波数変調信号発生回路、
420…切り替えスイッチ、
431…治療用超音波発生駆動回路、
432…キャビテーション崩壊用駆動回路、
433…第2のインピーダンスマッチング回路、
434…キャビテーション崩壊用超音波発生源、
501…静磁場磁石、
502…励磁用電源、
504…勾配磁場コイル、
506…勾配磁場コイル駆動回路、
509…送信部、
510…デュプレクサ、
508…高周波コイル、
511…受信部、
503…被検体、
505…シーケンスコントローラ、
507…寝台、
512…データ収集部、
513…電子計算機、
514…コンソール、
515…画像ディスプレイ、
516…超音波アプリケータ、
517…駆動回路群、
518…位相制御回路群、
519…電源(パルス発生用)、
520…位置検出型MRロケータ、
521…絶縁膜、
522…穿刺針、
530…カテーテル先端、
531,532…コイル、
541,542…位置・軸方向検出型MRロケータ、
551…長方形型コイル、
552…小型表面コイル、
561〜563…小型表面コイル、
571…ハンドプローブタイプ超音波アプリケータ、
572…超音波振動子、
573…水袋、
574…被検体、
575…駆動回路、
576〜578…位置検出型MRロケータ、
579…超音波プローブ、
591…非対称型コイル型位置・周方向・軸方向角度検出型MRロケータ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic therapy apparatus for focusing an ultrasonic wave and treating an affected part with its impact force or heating.
[0002]
[Prior art]
In recent years, improvement of quality of life (Quality Of Life: QOL) regarding patients after surgery has been desired. Under such circumstances, minimally invasive treatment (MIT) is attracting attention in the medical field.
[0003]
An example of MIT is the practical application of a stone crushing device that irradiates powerful stones from outside the body to crush only stones in a non-invasive manner, which has greatly changed the treatment of urinary stones. The source of intense ultrasonic waves used in this stone crushing device includes the underwater discharge method, electromagnetic induction method, micro-explosion method, piezo method, etc. The piezo method has the disadvantage that the pressure of the strong ultrasonic wave is small. However, there are excellent advantages such as small focus, no consumables, easy output control, and phase control of drive voltages applied to a plurality of piezo elements, so that the focal position can be arbitrarily controlled (Japanese Patent Laid-Open No. 60-145131). No. 4,526,168).
[0004]
In the field of cancer treatment, MIT is one keyword. Currently, many cancer treatments rely on surgical procedures. Therefore, there are many cases where the function and appearance of the organ to be treated are greatly impaired after the operation, and even if the life is prolonged, a heavy burden remains for the patient. Development of therapeutic devices is highly desired.
[0005]
In this trend, hyperthermia therapy has been attracting attention as one of the treatment techniques for malignant neoplasms, so-called cancer. This is a treatment method in which only the cancer cells are selectively killed by heating the affected area to 42.5 ° C. or higher using the difference in heat sensitivity between the tumor tissue and the normal tissue and maintaining it for a certain period of time. It is. As a heating method, a method using an electromagnetic wave such as a microwave precedes, but in this method, it is difficult to selectively warm a deep tumor due to the electrical characteristics of a living body, and the depth is 5 cm. A good therapeutic effect cannot be expected for these tumors. In view of this, for treatment of deep tumors, a method using ultrasonic energy that has good convergence and can reach a relatively deep part has been considered (Japanese Patent Laid-Open No. 61-13955).
[0006]
Further, there is a treatment method in which the above-mentioned heating treatment method is further advanced, the ultrasonic wave generated from the piezo element is sharply focused on the affected part, the tumor part is heated to 80 ° C. or more, and the tumor tissue is instantaneously heat-denatured necrotic. (G. Vallancien et.al .: Progress in Uro. 1991, 1,84-88 [EDAP paper], US Pat. No. 5,150,711).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
(1) In an ultrasonic therapy apparatus in which an ultrasonic probe for ultrasonic positioning is incorporated in an applicator, an extremely high-energy therapeutic ultrasonic wave is reflected from a living body surface or a strong reflector in the body such as a bone. Therefore, there is a possibility that the reflected wave of the therapeutic ultrasonic wave may destroy the image ultrasonic probe. In particular, in the case of treatment in which the temperature of the affected area is increased by continuous high-intensity ultrasound, the acoustic lens formed on the surface of the ultrasound probe absorbs the reflected ultrasound and is thermally destroyed. There was a thing.
[0008]
A first object of the present invention is to provide an ultrasonic therapy apparatus capable of preventing an image ultrasonic probe from being damaged by a reflected wave of therapeutic ultrasonic waves.
[0009]
(2) In the case of ultrasonic positioning, a hole for passing an ultrasonic probe has to be made in the center of an applicator that irradiates therapeutic ultrasonic waves, which reduces the area of the ultrasonic transducer and reduces the output. There was a problem of doing. On the other hand, in order to output the same output, there is a problem that the size of the treatment head becomes large.
[0010]
Further, the treatment applicator is large, and for example, when an MRI image is used for positioning or confirmation of treatment progress, it cannot be installed inside the gantry. The second object of the present invention is to provide a small and high output ultrasonic therapy apparatus.
[0011]
(3) Although the piezo element used for calculus crushing is driven with a high voltage of several kV, since the driving time for one time is several μs, there is no fear of heat generation. However, in the ultrasonic thermotherapy apparatus, the piezo element is continuously driven for a relatively long time, and the piezo element itself generates heat due to hysteresis loss, dielectric loss (tan δ), and mechanical loss (1 / Q). This heat generation deteriorates the backing material and the like, and eventually causes the apparatus to malfunction. In addition, since the conversion efficiency of the electrical signal / mechanical vibration of the piezo element has temperature dependence, energy loss occurs as the temperature rises, and the therapeutic effect decreases.
[0012]
A third object of the present invention is to provide an ultrasonic therapy apparatus capable of appropriately suppressing heat generation of a piezo element.
[0013]
(4) In the heat treatment method, unlike the conventional hyperthermia, very strong intensity in a limited area near the focal point, several hundred to several thousand W / cm 2 The ultrasonic wave is input. For this reason, cavitation (bubbles) occurs, and a unique phenomenon occurs in which the affected part due to heat changes qualitatively. Due to this unique phenomenon, the acoustic characteristics are changed, and there is a concern that the therapeutic effect is reduced and the treatment time is prolonged.
[0014]
Since air is a strong reflector for ultrasonic waves, it is difficult for ultrasonic waves to reach deeper than the area where cavitation occurs.
[0015]
Further, in the region where cavitation occurs, the attenuation is apparently increased due to the scattering of ultrasonic waves, and heat generation is likely to occur. If irradiation with high-intensity ultrasonic waves was continued with cavitation occurring, an unexpected site fevered, which could cause side effects.
[0016]
Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-145131 and US Pat. No. 4,658,828, intense ultrasonic waves are intermittently irradiated with the time required for the natural cavitation to decay as an interval. Is considered. However, this method has a problem that the treatment time is prolonged.
[0017]
Furthermore, it is considered to perform treatment while monitoring the progress and temperature of treatment by MRI. However, the magnetic susceptibility changes due to cavitation, and an error may occur.
[0018]
A fourth object of the present invention is to provide an ultrasonic therapy apparatus capable of forcibly collapsing cavitation.
[0019]
(5) When performing non-incision treatment such as puncture and catheterization using MRI as a monitoring device, the position of the puncture needle and catheter is recognized as a blackened portion on the image because they are non-signaled. Can do. However, if there is a non-signal portion such as an empty chamber such as the intestine or a bone near the puncture needle or catheter, the black-out portion of the puncture needle or catheter is buried and becomes indistinguishable. Further, it is conceivable to mark the tip of the puncture needle or catheter with a substance having a characteristic relaxation time, such as free water, but it is buried in an image of urine or the like and cannot be identified.
[0020]
Furthermore, in the case of treating with laser irradiation in a body cavity using flexible means such as an optical fiber, it is necessary not only to confirm the position of the tip but also to understand which direction the tip is facing. However, it was difficult only to see the MRI image.
[0021]
A fifth object of the present invention is to provide an insertion type treatment device such as a puncture needle, a catheter, and a laser optical fiber, the position and orientation of which can be confirmed on an MRI image.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
(1) An ultrasonic therapy apparatus according to the present invention includes a therapeutic ultrasonic transducer that irradiates a therapeutic target in a subject with a therapeutic ultrasonic wave, and an ultrasonic image for obtaining an image in the subject. Based on an ultrasound probe for image scanning inside the subject, a receiving means for receiving a reflected wave of the therapeutic ultrasound wave via the ultrasound probe for image, and a reception signal by the receiving means Control means for controlling the intensity of the therapeutic ultrasound.
[0023]
The ultrasonic intensity for destroying the image ultrasonic probe or causing irreversible degradation to the ultrasonic probe is known in advance. Therefore, when the therapeutic ultrasonic wave is emitted by the ultrasonic probe while the therapeutic ultrasonic wave is emitted according to the first aspect of the invention, the intensity of the ultrasonic wave is increased as long as the ultrasonic ultrasonic probe receives the therapeutic ultrasonic wave. Since it is possible to measure whether the light is incident on the child, it is possible to detect a dangerous ultrasonic level and stop the therapeutic ultrasonic wave or reduce the intensity. For this reason, treatment can be performed without damaging the therapeutic ultrasound probe. In addition, this situation is often due to the positional relationship between the applicator and the living body, for example, the therapeutic ultrasound is reflected on the surface of the living body, and the position of the mirror image of the focal point coincides with the surface of the ultrasonic probe. In addition to simply controlling the intensity of the therapeutic ultrasound, it is also possible to issue an alarm prompting the operator to change the setting.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment of the first invention)
FIG. 1 shows the configuration of an ultrasonic therapy apparatus according to the first embodiment of the first invention. In an applicator (also referred to as a treatment head) 101, a concave treatment ultrasonic transducer 102 that emits a powerful treatment ultrasonic wave and an image ultrasonic probe 103 are provided in the center. Yes. The front surface of the applicator 101 is covered with an elastic film 105, and the inside is filled with a content liquid 104 for propagating ultrasonic waves into the patient. The therapeutic ultrasonic transducer 102 is driven by a drive circuit 107 based on a control signal from the control circuit 106, and irradiates a powerful ultrasonic wave toward a focal point 108 in the patient body. Here, in order to align the focus 108 and the position of the treatment target, an ultrasonic image obtained by the image ultrasonic probe 103 is used. This ultrasonic image is obtained by reconstructing an ultrasonic signal transmitted / received by the image ultrasonic probe 103 by the ultrasonic imaging apparatus 109 and displaying it on the CRT display 110.
[0041]
In this embodiment, the transmission / reception signal of the imaging ultrasonic probe 3 is guided to the detection circuit 111, and the intensity of the strong ultrasonic wave 112 reflected on the body surface of the patient and incident on the ultrasonic probe 103 is increased. Measuring. This measured value is sent to the control circuit 106, and if the measured value is equal to or greater than a predetermined value, the ultrasonic probe 103 is expected to be destroyed, so that the control circuit 106 reduces the power of the drive circuit 107, Alternatively, the drive is stopped. Further, an alarm is issued from the speaker 113 to change the relative position of the therapeutic ultrasonic transducer 102 and the image ultrasonic probe 103 to the operator. This alarm may be provided by visual means such as an indicator (not shown) attached to the control circuit 106.
[0042]
Next, the operation of the detection circuit 111 will be described in detail. The detection circuit 111 detects a transmission / reception signal of the image ultrasonic probe 103. This signal includes a drive waveform having a very high voltage and a weak reflected ultrasonic signal for an image, and further in the middle in terms of intensity. A therapeutic ultrasound reflected signal is included. The detection circuit 111 must separate only the reflected signal of the therapeutic ultrasound from the transmitted / received signal. For this purpose, a band pass filter (not shown) is incorporated in the first input stage of the detection circuit 111. This operation will be described with reference to FIG. Since the spectrum of the received signal is a continuous wave or a long burst wave with a center frequency of f1, a therapeutic ultrasound peak with a narrow band and a broad imaging ultrasound peak with a center frequency of f2 higher than f1 are obtained. . Specifically, f1 uses 1 to 2 MHz and f2 uses about 3 to 5 MHz. Therefore, it is possible to detect only the reflected signal intensity of the therapeutic ultrasonic wave by using a bandpass filter having a pass band with little image ultrasonic component mixed around f1. The intensity detection after passing through the bandpass filter can be performed by a known means such as peak value detection or energy detection.
[0043]
Next, a detection method that does not use a bandpass filter will be described. In this detection circuit 111, the drive timing of the image ultrasonic wave is captured from the ultrasonic image device 109 by the signal line indicated by the broken line 114 in FIG. Only the time width of the drive waveform 120 having a large amplitude can be erased from the RF signal shown in FIG. 3 taken into the detection circuit 111 by this timing signal. This is a method of applying a time window to the signal, and is a method known to those skilled in the art. By this operation, only the signal from which the pulse-like drive waveform for images is removed is obtained, so that subsequent intensity detection can be performed by a known means such as peak value detection or energy detection.
[0044]
(Second embodiment of the first invention)
FIG. 4 shows the configuration of an ultrasonic therapy apparatus according to the second embodiment of the first invention. In the present embodiment, a shutter 122 and a shutter control unit 123 are incorporated in the applicator 121. The elastic film and the content liquid are omitted because they are the same as in FIG. Here, when the operator presses the switch 124 for irradiating a strong ultrasonic wave, the control circuit 106 sends a signal for starting driving to the driving circuit 107, or at the same time, sends a signal to the shutter control unit 123 a little earlier. Then, the shutter 122 is operated and closed.
[0045]
FIG. 5 shows a view of the inside of the applicator 121 at this time as seen from the focal side. The shutter 122 is closed like a diaphragm of a camera and covers the front surface of the image ultrasonic probe 103. The shutter 122 is made of a material that does not easily transmit ultrasonic waves, and the ultrasonic wave is hardly incident on the image ultrasonic probe 103 and is protected while the therapeutic ultrasonic waves are being emitted.
[0046]
(Third embodiment of the first invention)
FIG. 6 shows a third embodiment according to the first invention. In the present embodiment, the portions of the shutter 122 and the shutter control means 122 in the embodiment of FIG. 4 are different. For this reason, drawings are omitted for portions that are not changed. The ultrasonic probe insertion hole at the center of the therapeutic ultrasonic transducer 102 is sealed with an elastic film 131. Since the space between the imaging ultrasound probe 103 and the therapeutic ultrasound transducer 102 is also sealed with the bellows 132, the tip of the imaging ultrasound probe 103 is inside the cavity 133 that does not contain the content liquid. Is located. Further, the image ultrasonic probe 103 is fixed to a moving mechanism 134, and the moving mechanism 134 moves the ultrasonic probe 103 back and forth by a signal from the control circuit 106. At this time, the position of the image ultrasonic probe 103 is measured by the moving mechanism 134 and fed back to the control circuit 106.
[0047]
Next, the operation of the present embodiment will be described. First, when an ultrasonic image is drawn, the moving mechanism 134 lowers the image ultrasonic probe 103 in accordance with an instruction from the control circuit 106 and fixes the tip so that the tip is completely in close contact with the elastic film 131. Accordingly, since the image ultrasonic wave does not have an air layer, it can be incident on the content liquid in the applicator, and conversely, a reflected wave can be received. However, when the operator gives an instruction to start treatment, a signal is sent from the control circuit 106 to the moving mechanism 134 to raise the ultrasound probe 103 for image. As a result, the tip of the ultrasonic probe 103 is away from the elastic film 131 and is in the air while the therapeutic powerful ultrasonic wave is being irradiated. Since air is a very strong ultrasonic reflector, therapeutic ultrasonic waves cannot pass through and the tip of the ultrasonic probe 3 is not damaged.
[0048]
The first invention can be variously modified as follows. For example, in the embodiment shown in FIG. 6, a protective air layer is provided at the tip by the vertical movement of the imaging ultrasonic probe 103, but by using means for injecting or discharging the internal solution into the cavity 133. The same effect can be obtained while keeping the distance between the tip of the ultrasonic probe 103 and the elastic film 131 constant. Alternatively, a means for reducing the pressure inside the cavity 133 is provided, and when the image is drawn, the cavity 133 is evacuated and the elastic film 131 is attracted to the surface of the ultrasonic probe 103. When therapeutic ultrasonic waves are irradiated, the atmospheric pressure is reversed. It is also possible to obtain the same effect as that of the above-described embodiment by opening the door.
[0049]
In the above embodiment, the concave ultrasonic fixed focus type is used as the therapeutic ultrasonic transducer. However, a phased array may be used as a matter of course. At this time, as described in the first embodiment, not only the drive power control but also the change of the focal position by the phase control is said to reduce the incident output of the therapeutic ultrasonic wave to the ultrasonic probe. The goal can be achieved.
[0050]
As described above, according to the first aspect of the present invention, even when a treatment is performed by irradiating a very strong ultrasonic wave, the image ultrasonic probe can be used without deteriorating.
[0051]
(First embodiment of the second invention)
FIG. 7 shows the configuration of the ultrasonic therapy apparatus according to the first embodiment of the second invention. In the present embodiment, an applicator 201 is attached to a stage 202 that can move in two directions of X and Y, and the whole is installed in a case 204 filled with an ultrasonic wave propagation solution 203.
[0052]
FIG. 9 shows details of the applicator 201. (A) is sectional drawing of the applicator 201. FIG. An image ultrasonic probe 222 made of a polymer piezoelectric film is adhered to the surface of a flat plate ultrasonic transducer 221. Here, as an electrode structure, an electrode 231 that is used in common on the bonding surface of both is formed on the entire surface, and is electrically used as a ground. FIG. 9B shows the electrode 232 viewed from below. The electrode 232 includes a plurality of concentric electrode groups, here, eight electrode groups, and forms an annular array. Usually, the area of each electrode 232 is constant. With this structure, it is possible to form the focus of the therapeutic ultrasound by adjusting the phase of the drive waveform to each electrode, and the focus position can be controlled in the depth direction by further changing the phase. is there.
[0053]
FIG. 9C shows a state where the electrode 233 is viewed from the focal side. In this way, the electrode 233 is configured in a two-dimensional array, for example, a total of 336 elements including 7 elements in the slice direction and 48 elements in the array direction. An ultrasonic tomographic image in the array direction can be obtained by transmitting and receiving these two-dimensional arrays at independent timings. By adopting such a flat plate structure, the applicator 201 can be manufactured very thinly, and therefore the entire case 204 can be configured to be thin.
[0054]
Although the applicator 201 is a flat plate here, it may be a concave surface. Although the therapeutic ultrasonic transducer 221 is configured as an annular array, the two-dimensional array as shown in FIG. 10A can control the focal position in the lateral direction. Coarse / fine adjustment is also possible. Also. The imaging ultrasonic probe 222 can scan not only a single slice plane but also a plurality of slice planes by using a completely isotropic two-dimensional array as shown in FIG. It becomes. Further, the image ultrasonic probe 222 may be a composite material of ceramics and polymer in addition to the polymer piezoelectric film.
[0055]
In addition, as shown in FIG. 10C, by providing two layers of the piezoelectric polymer film, it is possible to configure a coaxial biplane type ultrasonic probe for an image. In FIG. 10C, the array electrode 235 and the array electrode 236 are provided on both surfaces of the polymer piezoelectric film 224 so as to be orthogonal to each other. Further, a common electrode 234 is provided between the array electrode 235 and the therapeutic ultrasonic transducer 221.
[0056]
Here, the thicknesses of the polymer piezoelectric films 223 and 224 are made substantially the same, and the combined thickness is made almost ¼ of the wavelength determined by the therapeutic ultrasonic frequency. Then, a tomographic image parallel to the yz plane is obtained by short-circuiting the array electrode 235 and applying a drive pulse between the array electrode 235 and the short-circuited array electrode 235. Further, by applying a drive pulse between the array electrode 235 and the common electrode 234, a tomographic image parallel to the xz plane can be obtained. Note that the center frequency of these tomographic images is approximately 6 MHz when the therapeutic frequency is 2 MHz.
[0057]
FIG. 11 shows the structure of the applicator. The applicator 201, the stage 202, and the propagation solution 203 are as described above, and are covered with an elastic film 205 so that the front surface of the applicator 201 is watertight. Further, a support 206 is provided in the case 204 between the applicator 201 and the elastic film 205. The support 206 is, for example, a resin net, which can withstand the patient's pressure from above and does not directly touch the applicator 201 or the stage 202 on which the patient moves. However, since the support 206 is knitted with a very thin thread, it hardly interferes with the transmission of therapeutic ultrasonic waves and image ultrasonic waves irradiated from below. As a result, the entire applicator can be made very thin.
[0058]
FIG. 12 shows a state where the treatment apparatus of the present embodiment is incorporated in an MRI (magnetic resonance imaging) system. A normal MRI system is composed of a magnet 207, a top board 208 for inserting a patient into the magnet 207, a moving mechanism 209 for moving the top board 208, and a control device (not shown) for the entire system. ing. In the present embodiment, an applicator 261 composed of an applicator and a case is attached to the center of the top plate 208, and a cushion 210 that is adjusted to reduce the level difference is attached to the front and rear. When starting the treatment, the robot rides on the upper part of the applicator 261 and the cushion 210 and roughly adjusts so that the skin of the affected part exactly matches the position of the applicator 261, and then is fed into the magnet 207 to start the treatment.
[0059]
In FIG. 13, the block diagram of the treatment apparatus of this Embodiment is shown. The applicator 261 drives the internal applicator 201 to transmit power to the drive circuit 271 for irradiating therapeutic ultrasonic waves, the ultrasonic image device 272 for constructing an ultrasonic tomogram, and the stage 202 to position the applicator. The moving means 173 for changing and the propagation solution processing circuit 274 for controlling the amount, the degree of degassing and the temperature of the propagation solution 203 are coupled. These units are controlled by a control circuit 275. In addition, the control circuit 275 collects CRT 276 and MRI images for displaying image data and messages, and is also coupled to the MRI system 277 for controlling the position of the top board 208.
[0060]
Here, the means for transmitting the power from the moving means 273 to the stage 202 is not affected even within the MRI magnet and does not adversely affect the MRI image. Etc. are used. When this torque cable becomes long, backlash due to twisting occurs, so that sufficient position accuracy may not be obtained even if open loop control is performed on the moving means 273 side. In order to prevent this, if an optical encoder using a light source and a rotating slit is installed in the stage 202 of the applicator 261 and information is transmitted via an optical fiber, position control can be performed in a closed loop.
[0061]
(Second Embodiment of the Second Invention)
FIG. 14 shows an applicator structure according to a second embodiment of the second invention. The basic structure is the same as in FIG. 11 except that the applicator 201 is not a phased array but a concave fixed focus structure. For this reason, in order to change the depth of focus in the patient body, it is necessary to add a mechanism so that the applicator 201 can be moved up and down and to thicken the case 204. In contrast, in this embodiment, the amount of the propagation solution 203 inside the case 204 is controlled by the action of the propagation solution processing circuit 274, and the position is adjusted by changing the distance from the patient.
[0062]
As described above, according to the second aspect of the present invention, it is possible to provide an ultrasonic therapy apparatus that is very small and has a high output and that can obtain a good ultrasonic image. It is also possible to provide an applicator that can be used in situations such as in a very narrow MRI gantry.
[0063]
(First embodiment of the third invention)
FIG. 15 shows the configuration of the first embodiment according to the third invention. First, the ultrasonic treatment unit will be described. As shown in FIG. 15, the applicator 301 includes an ultrasonic transducer 302 that irradiates a powerful therapeutic ultrasonic wave, a coupling liquid 304 that guides the strong ultrasonic wave to the patient 303, and a water bag 305 that seals the coupling liquid 304. And a backing material 306 for storing them.
[0064]
As shown in FIG. 16, the applicator 301 has a shape obtained by dividing a circular flat plate ultrasonic transducer 302 into a radial direction and a circumferential direction. When treating, the applicator 301 is placed on the surface of the patient 303, and the water bag 305 is brought into contact with the skin of the patient 303 via an ultrasonic jelly 306 or the like. After the focal point 307 coincides with the tumor 308, the ultrasonic vibrator 302 is driven by the drive circuit group 309 to irradiate the powerful ultrasonic wave, and the treatment site coincident with the focal point 307 is heated to a high temperature to be treated.
[0065]
In this embodiment, a phased array is used as a powerful ultrasonic wave generation source. Therefore, by controlling the drive timing of the drive circuit group 309 by the phase control circuit group 310, it is possible to operate the focal position, the sound field, and the heating / heating region without moving the applicator 301. The drive circuit group 309 is divided into the number of channels of the divided ultrasonic transducers 302, and is driven by an independent timing signal delayed by the phase control circuit group 310 by a signal from the main control circuit 311. As a result, the ultrasonic focal points 307 and 307 'can be set at arbitrary positions in three dimensions. The operation of moving the focal position by this delay time control is described in detail in “USP-4526168”.
[0066]
Next, detection of heat generation of the ultrasonic transducer 302 and drive control of the ultrasonic transducer 302 will be described. In the present embodiment, a shape memory alloy member 313, for example, a shape memory alloy member having a transformation start temperature of high temperature (85 ° C.) such as Ti—Ni—Cu, which is a marmen alloy, is used, and its deformation is used to make a vibrator. The switch of the temperature control circuit 312 is turned on / off to control the vibrator temperature. Then, as shown in FIG. 17, a non-metallic pipe 316 is brought close to or in close contact with the ultrasonic transducer 302, and a cooling substance such as water is circulated therein using a cooling device 317.
[0067]
First, the shape memory alloy member 313 has a thin strip shape with a certain degree of strength, and the lower end has a heat-resistant property so that the metal temperature-sensitive portion does not directly contact the electrode surface of the ultrasonic transducer 302. It is mounted on the electrode surface through a polyimide resin thin film 314. The polyimide resin thin film 314 is extremely thin so as not to generate heat due to sound absorption by itself. The upper end of the shape memory alloy member 313 is connected to the vibrator temperature control circuit 312 as shown in FIG. 15, but at room temperature, it extends as shown in the state (a) in FIG. 15 and is heated to the transformation temperature. Then, as shown in the state (b), it is deformed into a “<” shape and touches the switch 315 provided in the vibrator temperature control circuit 312 to transmit abnormal heating. Here, the Curie point of the ultrasonic vibrator 302 is set to 300 ° C., the heat resistant temperature of the backing material 306 is set to 250 ° C., and the heat resistant temperature of an adhesive (not shown) for bonding the vibrator and the backing material is set to 250 ° C. Assume that the temperature was set at 200 ° C.
[0068]
First, assuming that heat of about 200 ° C. is generated in the ultrasonic vibrator 302 by continuous driving at a high voltage, this temperature is sensed by the shape memory alloy member 313. Here, considering the time difference in heat conduction from the ultrasonic transducer 302 to the shape memory alloy member 313, the transformation temperature of the shape memory alloy member 313 is selected to be lower than 200 ° C. The shape memory alloy member 313 is deformed by the heat generated by the ultrasonic transducer 302, and the heat generation information is sent to the transducer temperature control circuit 312. Next, the vibrator temperature control circuit 312 sends a signal to the main control circuit 311, and the main control circuit 311 stops driving by the drive circuit group 309. At this time, the vibrator temperature control device 312 controls the cooling device 317 to circulate the cooling substance through the non-metallic pipe 316 to lower the temperature of the ultrasonic vibrator 303. The cooling water may be circulated at any time or only when necessary. When the shape memory alloy member 313 expands again due to the temperature drop of the ultrasonic transducer 303 and returns to the state (a), a signal is sent to the drive circuit group 309 and the drive of the ultrasonic transducer 302 is resumed.
[0069]
Here, although a phased array is used for the ultrasonic transducer 302, this may be an annular array, or the applicator may be moved mechanically to move the focal point.
[0070]
Further, a thermocouple, a thermistor, or a radiation thermometer connected to the vibrator temperature control circuit 312 may be used for measuring the vibrator temperature.
[0071]
Further, as shown in FIG. 18, the ultrasonic vibration 302 has electrical properties in which impedance, capacitance, inductance, dielectric constant, and the like change depending on the temperature. Therefore, the temperature is monitored by measuring these changes. May be. An embodiment using this method will be described below.
[0072]
(Second embodiment according to the third invention)
FIG. 19 is a diagram showing the configuration of the second embodiment according to the third aspect of the invention. The electrical characteristic measurement circuit 318 always measures the electrical properties of the ultrasonic transducer 302, and the values are mainly measured in real time. This is sent to the control circuit 311. The main control circuit 311 calculates the energy for the loss caused by the change in the electrical characteristics of the ultrasonic transducer 302, and compensates the energy for the loss by controlling the drive circuit group 309 based on this data. Further, the reflection from the matching circuit 319 can be monitored by the electrical characteristic measuring device 318, and this reflection can be supplemented from the drive circuit group 309 by the control of the main control circuit 311.
[0073]
Also in these cases, when the main control circuit 311 determines that the electrical characteristics of the ultrasonic transducer 302 or the reflection change rate of the matching circuit 319 is large and cannot be controlled, the main control circuit 311. Controls the drive circuit group 309, stops the driving of the ultrasonic transducer 302, and simultaneously controls the cooling device 317 to cool the ultrasonic transducer 302. In the meantime, the electrical characteristic measurement circuit 318 is measuring the electrical characteristics of the ultrasonic transducer 302 or the reflection of the matching circuit 319. Based on this data, the main control circuit 311 determines whether the ultrasonic transducer 302 has been cooled. Judging. When the value of the data from the electrical characteristic measurement circuit 318 becomes a normal value and it is determined that the cooling of the ultrasonic transducer 302 has been completed, the main control circuit 311 controls the drive circuit group 309 to control the ultrasonic transducer 302. Resume driving. The resumption of driving may be automatically performed by the main control circuit 311 or may be manually performed by an operator with a signal from the main control circuit 311.
[0074]
(Third embodiment of the third invention)
Next, a third embodiment according to the third invention will be described with reference to FIG. In FIG. 20, the ultrasonic treatment unit is the same as in the previous embodiment. First, detection of heat generation of the ultrasonic transducer 302 and temperature control of the transducer 302 will be described. In this embodiment mode, a case where a thermocouple 320 and a cooling device 317 using liquid nitrogen are used will be described.
[0075]
First, the thermocouple 320 is attached to the electrode surface via a heat-resistant silicone-based coating material 321 so that the metal temperature measuring unit does not directly contact the electrode surface of the ultrasonic transducer 302. The silicone-based coating material 321 is applied very thinly so as not to generate heat due to sound absorption by itself. The thermocouple 324 is connected to the vibrator temperature control circuit 312, and the vibrator temperature control circuit 312 always measures the vibrator temperature. Here, the Curie point of the ultrasonic vibrator 302 is 300 ° C., the heat resistance temperature of the backing material 306 is −200 ° C. to 250 ° C., and the heat resistance of an adhesive (not shown) that bonds the ultrasonic vibrator 302 and the backing material 306. Assume that the temperature is set to -100 ° C to 250 ° C and the permitted temperature is set to -50 ° C to 200 ° C.
[0076]
First, assuming that 200 ° C. heat is generated in the ultrasonic vibrator 302 by continuous driving at a high voltage, this temperature is measured by the thermocouple 324 and sent to the vibrator temperature control circuit 312. Here, the vibrator temperature control circuit 312 calculates the temperature gradient of the rising temperature, and when it is determined that the vibrator temperature can be controlled based on the calculated temperature gradient data, the vibrator temperature control circuit 312 By controlling 317, a gas (air, nitrogen, etc.) 322 sufficiently cooled with liquid nitrogen is blown onto the ultrasonic vibrator 302 to lower the temperature. At this time, the vibrator temperature control circuit 312 monitors the temperature so that the temperature does not fall below −50 ° C. In addition, since the rapid temperature change causes damage due to the thermal stress of the vibrator, the vibrator temperature control circuit 312 also monitors the temperature gradient during cooling, and the amount of ejection and ejection of the cooled gas 322 to prevent rapid cooling. Control speed and interval. Further, it is desirable that the atmosphere around the vibrator is sufficiently dry so that condensation does not occur around the vibrator due to a decrease in temperature.
[0077]
On the other hand, when it is determined that control is impossible due to a rapid temperature rise, the vibrator temperature control circuit 312 sends a signal to the main control circuit 311, and the main control circuit 311 stops driving by the drive circuit group 309. At this time, the transducer temperature control device 312 reduces the transducer temperature with the cooled gas 322, and sends a signal to the drive circuit group 309 when the temperature seems to be appropriate, and resumes driving of the ultrasonic transducer 302. .
[0078]
Here, the ultrasonic transducer 302 may be cooled only by the coupling liquid 304 without using the cooling device 317. An embodiment in this case will be described below.
[0079]
(Fourth embodiment of the third invention)
FIG. 21 is a diagram showing a fourth embodiment according to the third invention. When a temperature of 200 ° C. is measured by a thermocouple 324 and this information is sent to the main control circuit 311, the main control circuit 311 is shown. Activates the coupling fluid circulation circuit 340. In the present embodiment, the applicator 301 includes a water inlet 341 and a drain outlet 342. There is a coupling liquid cooling device (not shown) in the coupling liquid circulation circuit 340, and the coupling liquid cooled here circulates through the water inlet 341 and the drain outlet 342 and generates heat. The ultrasonic transducer 302 is cooled.
[0080]
(Fifth embodiment of the third invention)
FIG. 22 shows the configuration of the fifth embodiment according to the third invention. The ultrasonic treatment unit is the same as that of the first embodiment, but here, it will be described as a type of treatment apparatus that uses imaging within a patient body using MRI.
[0081]
First, the positioning and MRI image imaging unit will be described. The patient 303 is set on the treatment table 323, and is controlled by the main control circuit 311 in an imaging gantry (not shown) in which the RF coil 324, the static magnetic field coil 325, and the gradient magnetic field coil 326 are incorporated. It is fed by the table moving device 327.
[0082]
Next, the main control circuit 311 activates the gradient magnetic field power source 328 and the transmission / reception circuit 329 according to a predetermined sequence (for example, T2-weighted imaging method) instructed from the console 330, and the three-dimensional image information in the body of the patient 303 is not illustrated. Store in memory.
[0083]
Here, it is possible to make a treatment plan in advance based on the MRI image in the body of the patient 303. The method of displaying the MRI image on the CRT and the method of treatment planning are described in “Japanese Patent Laid-Open No. 5-300910”.
[0084]
When the MRI image is obtained, the main control circuit 311 controls a mechanical arm (not shown), and the applicator 301 is attached to the patient 303. At this time, the position of the focus 307 of the powerful ultrasound for treatment in the body is a signal from an applicator position detection device (not shown) composed of a potentiometer (not shown) or the like attached to various parts of the mechanical arm. Then, the main control circuit 311 calculates from the information of the mounting positions of the MRI apparatus and the mechanical arm measured in advance and stores them. The focal position 307 is superimposed and displayed on the MRI image on the CRT display 331. Further, on the MRI image of the CRT display 331, not only the focal point 307 but also an ultrasonic incident path 332 can be displayed together.
[0085]
The coincidence state between the position of the focal point 307 stored in the main control circuit 311 and the position of the tumor 308 to be treated is checked. The main control circuit 311 instructs the drive circuit group 309 to start ultrasonic irradiation, and the treatment starts. Is done.
[0086]
Next, detection of heat generation of the ultrasonic ultrasonic transducer 302, control of the transducer driving state, and control of the transducer temperature will be described with reference to FIG. In this embodiment, a description will be given using a cooling device 317 using a radiation thermometer 333 and a cooling solid 334.
[0087]
First, the radiation thermometer 333 is connected to the vibrator temperature control circuit 312, and the vibrator temperature control circuit 312 always measures the vibrator temperature. Here, the Curie point of the ultrasonic vibrator 302 is 300 ° C., the heat resistance temperature of the backing material 306 is −200 ° C. to 250 ° C., and the heat resistance of an adhesive (not shown) that bonds the ultrasonic vibrator 302 and the backing material 306. Assume that the temperature is set to -100 ° C to 250 ° C and the permitted temperature is set to -50 ° C to 200 ° C.
[0088]
First, assuming that 200 ° C. heat is generated in the ultrasonic vibrator 302 by continuous driving at a high voltage, this temperature is measured by the radiation thermometer 333 and sent to the vibrator temperature control circuit 312. Here, the vibrator temperature control circuit 312 calculates the temperature gradient of the rising temperature, and when it is determined that the vibrator temperature can be controlled based on the calculated temperature gradient data, the vibrator temperature control circuit 312 performs the cooling device 317. The solid (for example, a metal whose surface is coated with a thin film of an insulator) 334 is pressed against the ultrasonic vibrator 302 and the temperature is lowered. On the other hand, when it is determined that control is impossible due to a rapid temperature rise, the vibrator temperature control circuit 312 sends a signal to the main control circuit 311, and the main control circuit 311 stops driving by the drive circuit group 309. At this time, the vibrator temperature control device 312 lowers the vibrator temperature by the cooling solid 334 and sends a signal to the drive circuit group 309 when the temperature seems to be appropriate, and restarts the driving of the ultrasonic vibrator 302. Here, the cooled solid 334 may be cooled in the cooling device 317 or may be a material in which a cooling substance is circulated.
[0089]
Next, a method for controlling the driving of the ultrasonic transducer 302 by changing the transducer temperature will be described. The temperature information of the ultrasonic transducer 302 by the radiation thermometer 333 is sent to the transducer temperature control circuit 312 and simultaneously to the main control circuit 311. Unless the oscillator temperature control circuit 312 sends a signal indicating that the oscillator temperature control is impossible, the main control circuit 311 first calculates a change in the electrical characteristics of the vibrator due to heat generation, and then calculates the electrical characteristics. The energy for the loss caused by the change is calculated, and the drive circuit group 309 is controlled based on this data to compensate for the energy for the loss.
[0090]
Ultrasound irradiation is stopped at the time when it seems to be in the middle or the end of the initial treatment plan, and the progress of treatment is observed. This is performed in the same manner as the above-described operation, and an MRI image around the tumor 308 is taken to examine a change in the living body. During this time, the applicator 301 remains attached to the patient 303. Here, when the T2-weighted image data stored in the memory before the treatment and the current data are subtracted, the heat-denatured region can be clearly confirmed, and the treatment has been sufficiently performed, or the treatment is insufficient and re-treatment. Can be determined. It is also possible to incorporate this into the treatment plan from the beginning and automatically capture images every predetermined treatment time.
[0091]
When it becomes possible to determine that the treatment has been sufficiently completed by judging the treatment effect by MRI, the operator ends the treatment. At this time, the main control circuit 311 can call a history of treatment conditions from the memory and output a treatment record from the CRT display 320.
[0092]
In addition, you may use a body cavity coil as RF coil for transmission / reception. In this embodiment, MRI is used as an imaging apparatus, but this may be an ultrasonic diagnostic apparatus, X-ray CT, or the like.
[0093]
As described above, according to the third invention, the heat generated by continuously driving the therapeutic ultrasonic transducer can be suppressed within an allowable range, and the ultrasonic transducer such as the ultrasonic transducer or the backing material is surrounded. This makes it possible to prevent accidents caused by deterioration of the material, and to perform safe treatment. In addition, since it is possible to prevent changes in the characteristics of the ultrasonic vibrator due to heat, energy loss can be reduced, and a stable ultrasonic intensity can be obtained.
[0094]
(First embodiment of the fourth invention)
FIG. 24 is a block diagram of the ultrasonic therapy apparatus according to the first embodiment of the fourth invention. The ultrasonic treatment apparatus is a thermotherapy apparatus that heats and treats the affected tissue by irradiating the affected area with therapeutic ultrasonic waves for a relatively long period of time.
[0095]
The applicator 401 includes an ultrasonic source 402 that generates therapeutic ultrasonic waves having a relatively high output level. The ultrasonic wave generation source 402 has a plurality of piezo elements. The plurality of piezo elements are arranged in a spherical shell shape so that therapeutic ultrasonic waves from each element are focused at the focal point 406.
[0096]
A water bag 405 is attached to the focal side of the ultrasonic wave generation source 402. The coupling liquid 404 is sealed in the water bag 405 so that the therapeutic ultrasound generated by the ultrasound generation source 402 is introduced into the subject 403 with little loss.
[0097]
The central portion of the ultrasonic wave generation source 402 is cut out, and an imaging ultrasonic probe 408 for confirming the position of the affected part 407 is inserted therein. The ultrasonic diagnostic imaging apparatus 409 scans the inside of the subject 403 with an ultrasonic beam via the imaging ultrasonic probe 408, and obtains an ultrasonic tomographic image (B mode image) near the focal point. The ultrasonic tomogram is visually displayed in gray on the CRT 415.
[0098]
The frequency phase modulation circuit 412 generates a drive signal that vibrates with a sine wave. The frequency phase modulation circuit 412 can modulate the frequency of the drive signal, and further can modulate the phase of the drive signal in a timely manner, for example, a sine wave oscillation circuit capable of frequency modulation and the sine wave. The phase modulation circuit is configured to be bypassable between the oscillation circuit and the output terminal. The drive circuit 411 serving as a voltage amplification circuit amplifies the drive signal output from the frequency phase modulation circuit 412 and is configured to be capable of amplitude modulation under the control of the system controller 413. The amplified drive signal is supplied to each piezo element of the ultrasonic wave generation source 402 via the impedance matching circuit 410. From each piezo element, therapeutic ultrasonic waves are generated at a frequency equivalent to the drive signal.
[0099]
A console 414 is connected to a system controller 413 as a control center of the entire apparatus. The console 414 is equipped with a switch for an operator to instruct start / end of treatment ultrasound irradiation (treatment), switches for setting various treatment conditions, and other switches.
[0100]
Next, the operation of this embodiment will be described. First, frequency modulation will be described. It is most preferable from the viewpoint of conversion efficiency of electric signal / mechanical vibration to drive the piezo element at the resonance frequency f0 inherent to the thickness of the piezo element and to generate therapeutic ultrasonic waves at the resonance frequency f0. However, it is known that cavitation (bubbles) gradually grow to a size depending on the wavelength by irradiating therapeutic ultrasonic waves continuously at a resonance frequency f0 for a relatively long period of time.
[0101]
The system controller 413 controls the frequency phase modulation circuit 412 so that the frequency fm of the drive signal is changed over time in the range of f0−Δf / 2 ≦ fm ≦ f0 + Δf / 2 with the resonance frequency f0 as the center. Change. The frequency of the drive signal and the frequency of the therapeutic ultrasonic wave generated from the ultrasonic wave generation source 402 are equivalent. Hereinafter, the “drive signal” will be read as “therapeutic ultrasonic wave” as necessary. I want to be. FIGS. 25 (a), 26 (a), 27 (a), and 28 (a) show time waveforms of various types of drive signals. FIGS. 25 (b), 26 (b), and 27 FIG. 28 (b) and FIG. 28 (b) show changes over time in the frequency of the corresponding drive signal. The operator may be selectable from a plurality of types, or any one type may be fixedly adopted. The drive signal shown in FIG. 25A is generated such that its frequency changes sinusoidally. The drive signal shown in FIG. 26A is generated such that its frequency changes stepwise. The drive signal shown in FIG. 27A is generated such that its frequency continuously changes with a constant gradient from a low frequency (f0-.DELTA.f / 2) to a high frequency (f0 + .DELTA.f / 2). The drive signal shown in FIG. 28A is generated such that a period in which the frequency is fixed at the resonance frequency f0 and a period in which the frequency changes sinusoidally occur alternately.
[0102]
Such a change in frequency with time, in other words, a change in wavelength with time suppresses the growth of cavitation, divides the grown cavitation, and causes cavitation in the growth process to decline. Therefore, any adverse therapeutic effects due to cavitation are eliminated.
[0103]
Next, amplitude modulation of the drive signal will be described. As shown in FIG. 29, the impedance on the piezo element side viewed from the drive circuit 411 shows a minimum at the resonance frequency f0 and becomes high at other frequencies. Further, the conversion efficiency of the electric signal / mechanical vibration of the piezo element is maximum at the resonance frequency f0 and decreases at other frequencies. Furthermore, the degree of attenuation of therapeutic ultrasound in vivo depends on the frequency. Therefore, the output energy of the therapeutic ultrasonic wave generated from the ultrasonic wave generation source 402 shows a maximum at the resonance frequency f0 and decreases at a frequency outside the resonance frequency f0. In the present embodiment, by modulating the amplitude of the drive signal according to the frequency of the drive signal, the output energy of the therapeutic ultrasonic wave is kept constant regardless of the change in frequency.
[0104]
The system controller 413 controls the gain of the drive circuit 411 according to the change of the frequency of the drive signal so that the output level of the therapeutic ultrasonic wave is maintained substantially constant regardless of the frequency, and inputs it to the ultrasonic wave generation source 402. The input power to be made constant. FIG. 30A shows the time waveform of the amplitude-modulated drive signal, and FIG. 30B shows the time of the output energy of the therapeutic ultrasound generated from the ultrasound generation source 402 by the amplitude-modulated drive signal. Shows the trend. The amplitude of the amplitude-modulated drive signal shows a minimum at the resonance frequency f0 and shows a maximum at f0 ± Δf / 2.
[0105]
The impedance may be measured by an impedance measurement circuit and feedback controlled by the value, or the actual input power may be measured by a wattmeter and the feedback control may be performed by the value.
[0106]
Further, as another method of correcting the output level, the values of the variable inductor and variable capacitor in the impedance matching circuit 410 with respect to the frequency of the drive signal are stored in the internal memory of the system controller 413, and the system controller according to the frequency. A method of controlling electrical matching by using 413 is also conceivable.
[0107]
As a method for reducing fluctuations in the output level of therapeutic ultrasonic waves, there are the following methods that are used instead of or in combination with amplitude modulation. In this method, an acoustic matching layer having a thickness of λ / 4 (λ = wavelength) is provided on the surface of the piezoelectric element, where λ is the wavelength of the ultrasonic wave at a frequency far away from the resonance frequency f 0, and the output band is broadened. This is to improve the output efficiency of ultrasonic waves having a frequency far away from the above.
[0108]
Next, phase modulation will be described. This phase modulation is used in combination with the above frequency modulation, or is independently performed on the drive signal fixed at the resonance frequency f0 without performing the above frequency modulation. As shown in FIG. 31, the system controller 413 controls the frequency phase modulation circuit 412 to intermittently shift the phase of the drive signal by 180 ° in the period T. By continuously irradiating therapeutic ultrasound, cavitation gradually grows. When the phase of the therapeutic ultrasound is reversed, the cavitation is subjected to a pressure opposite to that during the previous growth. Therefore, cavitation collapses.
[0109]
(Second embodiment of the fourth invention)
FIG. 32 is a configuration diagram of an ultrasonic therapy apparatus according to the second embodiment. Note that the same portions as those in FIG. 24 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The fundamental frequency signal generation circuit 418 is a circuit that generates a drive signal at a resonance frequency f0 unique to the piezo element. The frequency modulation signal generation circuit 419 is a circuit that generates a drive signal whose frequency changes with time. The changeover switch 420 alternately connects the fundamental frequency signal generation circuit 418 and the frequency modulation signal generation circuit 419 to the drive circuit 411 under the control of the system controller 417. The drive signal generated by either the fundamental frequency signal generation circuit 418 or the frequency modulation signal generation circuit 419 is amplified by the drive circuit 411 via the changeover switch 420. The amplified drive signal is supplied to each piezo element of the ultrasonic wave generation source 402 via the impedance circuit 410.
[0110]
FIG. 33A shows a time waveform of the drive signal output from the drive circuit 411. FIG. 33B shows the time change of the frequency of the drive signal shown in FIG. The fundamental frequency signal generation circuit 418 and the frequency modulation signal generation circuit 419 are alternately connected to the drive circuit 411 by switching of the changeover switch 420. The fundamental frequency signal generation circuit 418 is continuously connected to the drive circuit 411 during the first period Tf0. The frequency modulation signal generation circuit 419 is continuously connected to the drive circuit 411 in the second period Tfm.
[0111]
In the first period Tf0, the ultrasonic wave generation source 402 is driven by a drive signal whose frequency is fixed to the resonance frequency f0, and therapeutic ultrasonic waves are constantly generated at the resonance frequency f0. In the second period Tfm, the ultrasonic wave generation source 402 is driven by a drive signal whose frequency changes over time, and therapeutic ultrasonic waves whose frequency changes over time are generated. Any of the types shown in FIGS. 25B, 26B, and 27B may be employed as the change in frequency over time. Here, the frequency fm changes linearly from the low frequency (f0−Δf / 2) to the high frequency (f0 + Δf / 2), and this change is repeated at a constant cycle time Tc, resulting in a sawtooth. It is assumed that the shape changes. Of course, the gradient of the frequency change may be reversed, that is, the frequency fm may change linearly from the high frequency (f0 + Δf / 2) toward the low frequency (f0−Δf / 2). Further, the cycle time Tc is not limited to be constant as long as it is within a specific range to be described later. As shown in FIGS. 34 (a), (b), and (c), the cycle time Tc May be gradually shortened, gradually lengthened, or irregularly changed in length.
[0112]
FIG. 35 shows the relationship between the cycle time Tc and the cavitation amount. As the cavitation amount, the cavitation amount generated when the continuous driving at the resonance frequency f0 and the driving at the frequency changing with time are alternately repeated as in the present embodiment. This is expressed as a relative value where the amount of cavitation generated by continuous driving at f0 is 1. The efficiency of decay of cavitation depends on the length of cycle time Tc when considering the rate of frequency change, that is, the constant frequency modulation width. In the present embodiment, cycle time Tc is set within a range of 500 μs to 50 ms.
[0113]
FIG. 36 shows the relationship between the second period Tfm and the cavitation amount. The time taken to collapse cavitation is longer than the time taken to produce it. In the present embodiment, the second period Tfm is set to a time that is three times or more of the first period Tf0 so that the cavitation sufficiently collapses. On the other hand, if the second period Tfm is too long, the first period Tf0 that is fixedly driven at the resonance frequency f0 is compressed and shortened, and the temporal efficiency of the sound output is reduced, and the treatment time is prolonged. It will make it. In the present embodiment, in consideration of this point, the upper limit of the second period Tfm is set to 10 times the first period Tf0.
[0114]
FIG. 37 shows the relationship between the ratio (Δf / f0) of the frequency change width Δf to the resonance frequency f0 and the cavitation amount. In the present embodiment, the frequency change width Δf is set to 20% or more with respect to the resonance frequency f0. Of course, the upper limit value of the frequency change width Δf is naturally determined to be a critical value at which the conversion efficiency of the electric signal / mechanical vibration of the piezo element maintains a predetermined level, but in consideration of a decrease in the conversion efficiency of the piezo element, f0 It is preferable to set it to 100% or less.
[0115]
In the first and second embodiments, the range of change of the frequency fm is centered on the resonance frequency f0 in consideration of the conversion efficiency of the piezoelectric element in which the frequency fm deviates from the resonance frequency f0.
f0-.DELTA.f / 2.ltoreq.fm.ltoreq.f0 + .DELTA.f / 2
However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 63 (a), when the range of change of the frequency fm is (f0 + .DELTA.f1 to f0-.DELTA.f2), .DELTA.f1 and .DELTA.f2 may not match. As shown in FIG. 63 (b), when the range of change of the frequency fm is (f0 + .DELTA.f1 to f0 + .DELTA.f2), f0 + .DELTA.f1> f0 and f0 + .DELTA.f2> f0. It may be.
[0116]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to generate ultrasonic waves for treatment most efficiently from the viewpoint of collapse of cavitation and the speed of treatment.
[0117]
(Third embodiment of the fourth invention)
FIG. 38 is a configuration diagram of an ultrasonic therapy apparatus according to the third embodiment. Note that the same portions as those in FIG. 24 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The therapeutic ultrasonic wave generation drive circuit 431 generates a fixed drive signal at a resonance frequency f 0 specific to the thickness of the piezoelectric element of the therapeutic ultrasonic wave generation source (first ultrasonic wave generation source) 402. This therapeutic drive signal is supplied to the therapeutic ultrasonic wave generation source 402 via the impedance matching circuit 410 in order to generate therapeutic ultrasonic waves. The cavitation decay drive circuit 432 generates a drive signal fixedly at a frequency f ′ that is higher than the resonance frequency f0. The drive signal for cavitation decay is generated separately from the therapeutic ultrasound generation source 402 via the second impedance matching circuit 433 in order to generate cavitation decay ultrasound. The ultrasonic wave is supplied to an ultrasonic wave generation source (second ultrasonic wave generation source) 434.
[0118]
The ultrasonic generation source 434 for cavitation collapse includes a plurality of piezo elements arranged in a spherical shell, and an area where cavitation is generated by therapeutic ultrasonic waves in order to collapse cavitation caused by therapeutic ultrasonic waves, that is, for therapeutic use It is installed at the position and direction where the ultrasonic wave for cavitation collapse is irradiated toward the ultrasonic propagation path.
[0119]
The therapeutic ultrasonic wave generation source 402 and the cavitation collapse ultrasonic wave generation source 434 may be provided separately as described above, or, as shown in FIG. May be arranged on the center side, and a relatively low frequency piezo element constituting the therapeutic ultrasonic wave generation source 434 may be arranged on the outside of the piezoelectric element so as to be shaped into a spherical shell as a whole. Also, as shown in FIG. 40 (b), a piezoelectric element having a resonance frequency f0 is bonded to two layers, and only one layer is driven, thereby generating therapeutic ultrasonic waves at the resonance frequency f0 and simultaneously driving the two layers. Thus, an ultrasonic wave for cavitation collapse having a high frequency f ′ may be generated.
[0120]
FIGS. 39A, 39B, and 39C are diagrams showing time waveforms of drive signals according to the present embodiment. In the example of FIG. 39 (a), therapeutic ultrasonic waves with a relatively low frequency f0 and ultrasonic waves for cavitation decay with a relatively high frequency f 'are irradiated alternately. In the example of FIG. 39 (b), the ultrasonic waves for cavitation collapse are intermittently superimposed on the therapeutic ultrasonic waves. In the example of FIG. 39 (c), “beat” is generated by continuously superimposing ultrasonic waves of slightly different frequencies (f0, f ′), and this is used to collapse cavitation. is there.
[0121]
As described above, according to the third embodiment, it is possible to forcibly collapse the cavitation that occurs with the irradiation of therapeutic ultrasonic waves. Therefore, the side effect to the unexpected site | part and the expansion of a heat denaturation area | region are suppressed, and heat denaturation can be induced correctly to the target site | part. Thereby, safe and reliable ultrasonic heating treatment can be realized. Further, by suppressing the occurrence of cavitation, it is possible to continuously input ultrasonic energy, so that the treatment time is reduced and the throughput of the patient is improved.
[0122]
(Fourth embodiment of the fourth invention)
In this embodiment, the amount of cavitation is monitored, and when the amount of cavitation reaches a certain amount, cavitation decay ultrasonic waves are generated irregularly. FIG. 41 is a configuration diagram of an ultrasonic therapy apparatus according to the fourth embodiment. Note that the same portions as those in FIG. 24 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The ultrasonic image data generated by the ultrasonic diagnostic imaging apparatus 409 is also supplied to the difference circuit 416 together with the CRT 415.
[0123]
In the internal memory of the difference circuit 416, an ultrasonic image generated by the ultrasonic diagnostic imaging apparatus 415 as a mask image when no cavitation occurs or cavitation is very small as shown in FIG. Remembered. This mask image has no or very little cavitation image.
[0124]
FIG. 42B shows an ultrasonic image (real-time image) generated by the ultrasonic image diagnostic apparatus 415 after the start of irradiation of therapeutic ultrasonic waves. The therapeutic ultrasonic wave is intermittently irradiated as a burst wave, and the cross section near the focal point is scanned with the imaging ultrasonic beam at the interval of the therapeutic ultrasonic wave irradiation, and an ultrasonic image of the cross section is repeatedly generated. In the real-time image, the cavitation image gradually increases with an increase in the irradiation time of the therapeutic ultrasound.
[0125]
The real-time image is successively different from the mask image by the difference circuit 416, and difference images as shown in FIG. 42C are generated one after another. The difference image data is taken into the system controller 413. The system controller 413 obtains the sum of the pixel values of a plurality of pixels in the specific area of the difference image as the difference level. FIG. 43A shows the temporal transition of the difference level. The difference level depends on the amount of cavitation that has occurred. The specific area is set as a propagation area of therapeutic ultrasonic waves up to a focal point where cavitation is considered to occur.
[0126]
The system controller 413 compares the obtained difference level with a threshold value. When the difference level is lower than the threshold value, the system controller 413 generates a therapeutic ultrasonic wave at the resonance frequency f0 and proceeds with the heating treatment as shown in FIG. To control.
[0127]
The system controller 413 sets the frequency phase modulation circuit 412 so that the frequency fluctuates as shown in FIG. 43 (b) in order to actively collapse cavitation during the period when the difference level exceeds the threshold. Control.
[0128]
Further, when the difference level exceeds the threshold value, the system controller 413 adds to the frequency fluctuation or keeps the frequency fixed at the resonance frequency f0, as shown in FIG. 43 (c). The frequency phase modulation circuit 412 is controlled so that the phase of the ultrasonic wave is inverted.
[0129]
Thereby, cavitation can be destroyed in a timely manner, and a decrease in the speed of treatment can be suppressed.
[0130]
According to the present invention, it becomes possible to effectively suppress cavitation that occurs with the irradiation of therapeutic ultrasonic waves, so that side effects on unexpected sites and expansion of heat-denatured regions are more effective than conventional methods. The heat denaturation can be accurately induced at the targeted site. Thereby, safer and more reliable ultrasonic heating treatment can be realized. In addition, the total treatment time can be reduced, and the patient throughput is improved.
[0131]
(First Embodiment of Fifth Invention)
In FIG. 44, the ultrasonic applicator 571 is provided with a spherical shell-shaped ultrasonic transducer 572 made of a piezoelectric element capable of generating focused ultrasonic waves, and is attached to a subject 574 via a water bag 573. A drive circuit 575 is coupled to the piezo element. The drive circuit 575 determines the intensity based on the potential of a power source (not shown) and applies a voltage pulse to the piezo element. The MR locators 576, 577, and 578 are mounted at locations separated by an ultrasonic transducer so as not to be affected by the high-frequency magnetic field generated by the 572. The positions of the MR locators 576, 577, and 578 can be detected from the MR images obtained from these, and the position, axial direction, and circumferential posture of the ultrasonic applicator 571 can be known. Then, the position of the imaging plane of the ultrasonic probe 579 is detected, and this is superimposed on the image of the same slice imaged by MRI and displayed as shown in FIG.
[0132]
The MRI image used here may be an image obtained by imaging in advance and superposing information such as a treatment site, a real-time MR image such as a temperature distribution image measured during heating, or an image obtained by superimposing the two. Good. The image obtained in advance is three-dimensional, and a two-dimensional image that matches the imaging slice of the probe is reconstructed from the three-dimensional image.
[0133]
Although three position detection type MR locators 576, 577, and 578 are used here, a position / angle detection MR locator using an asymmetric coil is also possible. A schematic view of an ultrasonic applicator using this is shown in FIG. In FIG. 46, the configuration is almost the same as in FIG. 44, but the MR locator 591 is attached to the tip of the ultrasonic probe 579, and the reception signal is only one system. With this MR locator 591, the position and angle of the ultrasonic applicator can be obtained, and the MR image and the ultrasonic image can be superimposed and displayed as in FIG. Any device that can detect the position, the axis, and the angle in the circumferential direction (for example, two orthogonal rectangular coils) may be used. Further, since the geometric relationship between the coil and the central axis is known, it is not always necessary to install the MR locator on the central axis.
[0134]
In addition, although the case where an ultrasonic probe is used is described here, there are cases where this is not used, for example, when only MRI is used for the monitor. In this case, it is only necessary to detect the treatment position and direction using high-power ultrasonic waves. Only the direction of the axis needs to be detected. Therefore, for example, two position detection type MR locators or rectangular type MR locators may be used.
[0135]
(Second Embodiment of Fifth Invention)
FIG. 47 shows the configuration of an embodiment according to the fifth invention. In the figure, a static magnetic field magnet 501 is excited by an excitation power source 502 and applies a uniform static magnetic field in the z direction to a subject 503. The gradient magnetic field coil 504 is disposed in the static magnetic field magnet 510, is driven by the drive circuit 506 of the gradient magnetic field coil 504 controlled by the sequence controller 505, and is orthogonal to the subject 503 on the bed 507. Gradient magnetic fields Gx, Gy, Gz whose magnetic field strength changes linearly in the three directions are applied. The whole-body high-frequency coil 508 is a transmission / reception coil and is disposed in the gradient magnetic field coil 504. Under the control of the sequence controller 505, a high frequency signal from the transmission unit 509 is applied to the whole body high frequency coil 508 via the duplexer 510, and a high frequency magnetic field generated thereby is generated in the whole body high frequency coil 508 on the bed 507. Applied to the subject 503. The whole-body high-frequency coil 508 can generate a uniform high-frequency magnetic field in the region to be imaged of the subject 503. For example, a saddle type coil, a distributed constant type coil, or a quadrature transmission coil configured using these coils. used. However, when the treatment target is limited and a higher S / N ratio is desired, a surface coil may be used as the transmission / reception coil or the reception coil. When a surface coil is used for reception, a uniform coil is used for transmission.
[0136]
The whole body high frequency coil 508 receives a magnetic resonance signal from the subject 503, and the received signal is sent to the receiving unit 511 through the duplexer 510. The duplexer 510 is used to switch the whole body high frequency coil 508 between transmission and reception, and transmits a high frequency signal from the transmission unit 511 to the whole body high frequency coil 508 at the time of transmission, and at the time of reception, the whole body high frequency coil 508. It serves to guide the received signal from the receiver 511. The received signal is detected and band-limited by the low-pass filter, and then sent to the data collection unit 512 under the control of the sequence controller 505. The data collection unit 512 collects received signals and performs A / D conversion, and sends them to the electronic computer 513 as image reconstruction data.
[0137]
The electronic computer 513 is controlled by the console 514, performs image reconstruction processing including two-dimensional Fourier transform on the image reconstruction data input from the reception unit 511, and also controls the sequence controller 505. Image data obtained by the electronic computer 513 is supplied to the image display 515 and displayed as an image.
[0138]
The MR locator 520 is coupled to a medical device (not shown) such as a catheter or a puncture needle that is inserted into a subject to diagnose a site or treat an affected part without incision. At the time of reception, a magnetic resonance signal is received simultaneously.
[0139]
FIG. 48 is a schematic diagram of a small surface coil serving as an MR locator for position detection. This is a normal surface coil, and is tuned to the magnetic resonance frequency for observing the resonance frequency.
[0140]
FIG. 49 shows an example in which the MR locator 520 for position detection is attached to a puncture needle 522 that is one of medical instruments. That is, the MR locator 520 is mounted on the insulating film 521 at the tip of the puncture needle 522, and the cable is pulled out while being insulated from the needle. Note that a conductive film may be formed on the insulator of the puncture needle 522 by coating, and this may be etched to form a coil.
[0141]
FIG. 50 shows an imaging sequence in the present embodiment. Here, the same sequence as the normal two-dimensional spin echo sequence is used. Any sequence may be used, but at the time of data collection, the whole body high-frequency coil 508 and the MR locator 520 simultaneously receive magnetic resonance signals and collect data independently of each other. When there is a possibility that these are coupled, decoupling may be performed by Q dumping or the like as described in US Pat. No. 4,825,162 and Japanese Patent Application No. 2-047814. In addition, although two-dimensional imaging is used here for simplicity, it is desirable to perform three-dimensional imaging and three-dimensional position detection.
[0142]
The collected images are as shown in FIGS. 51 (a) to 51 (c), for example. FIG. 51A shows a head image obtained by the whole-body high-frequency coil 508, which is a normal morphological image. On the other hand, the signal intensity in the vicinity of the locator 520 is extremely high in the image of FIG. 51 (b) obtained by the MR locator 520 at the same time, and the signal in the distant part is hardly obtained. The position of the locator 520 is indicated. For the locator image obtained by the MR locator 520, the position of the locator 520 is calculated by performing processing such as obtaining the maximum point of the signal intensity or the center of an area exceeding a certain threshold value, and the like. The morphological image of (a) may be superimposed and displayed as shown in FIG. 51 (c), or may be superimposed and displayed by performing processing such as changing the color of the morphological image as it is.
[0143]
A procedure for performing treatment using this image for grasping the position of the tip of the puncture needle 522 will be described below. First, imaging by MRI for determining the treatment position is performed, and the puncture position and direction are determined. After entering the treatment, a morphological image by MRI and an image by the MR locator 520 are continuously obtained in real time by ultra high-speed imaging or the like. When the puncture is started, the position of the locator 520 can be determined from the image obtained by the MR locator 520, and the puncture is advanced while the operator observes the superimposed image.
[0144]
At this time, an image in which a treatment planned position is written on a fine image at the time of treatment planning may be superimposed and displayed while comparing the ultra-high speed form image and correcting the positional deviation. When it is confirmed that the puncture needle has reached the planned puncture site, for example, treatment such as cell collection and ethanol injection, and diagnostic action are performed. There is no problem if it is measured in 3 dimensions, but when imaging in 2 dimensions or less, multiple slices are set, multi-slice imaging is performed, the maximum intensity of each image is compared, and the slice position or signal including the maximum intensity When the slice position including the maximum point predicted from the intensity distribution is obtained, this becomes a slice including the MR locator 520, and the position can be grasped three-dimensionally.
[0145]
As shown in FIG. 52, even when the catheter 530 is used as a medical instrument, the coil 532 formed on the insulating film 531 at the distal end of the catheter 530 is only required to perform the therapeutic diagnosis at the distal end as described above. By attaching the, position detection is possible by the same means as puncture.
[0146]
However, when performing treatment energy irradiation in the forward axial direction such as a non-contact laser using a very flexible catheter, it is not sufficient to simply confirm the tip position. It is not possible to accurately grasp the area. Thus, when the directionality of a medical instrument is required, for example, as shown in FIG. 53, a rectangular coil can be used, and this major axis direction can be detected from an image to know the direction of the medical instrument. An example in which a rectangular coil is mounted on a catheter is shown in FIG. At this time, the image acquisition is the same as the method for position detection. An example of the obtained image is shown in FIGS. FIG. 55A shows a morphological image of a blood vessel part. FIG. 55B is an image obtained by the MR locator 520, and an image having a high-luminance portion shaped according to the magnetic field distribution of the rectangular coil is obtained. From this, the position of the locator is detected from the center of the high luminance region, and the direction is obtained from the long axis direction of the high luminance region. Then, the position, angle information, or the high-luminance region as it is is superimposed on the morphological image of FIG. 55A and displayed as shown in FIG. And display it with the direction. By making the rectangle trapezoidal, the front-rear direction can also be detected from the difference in the width of the high-frequency magnetic field distribution.
[0147]
Even if it is not a rectangular coil, you may mount | wear with two coils and each acquire an image independently. FIG. 56 shows the case where this is attached to the catheter. At this time, the processing may be the same as described above, but it is necessary to reconstruct three images by combining the morphological image and the images obtained by the MR locators 541 and 542. At this time, each position can be detected from the images obtained by the MR locators 541 and 542, and the direction can be obtained from the respective positional relationship.
[0148]
On the other hand, the direction of laser irradiation is not an axial direction but is deflected in a direction perpendicular to the catheter axis, and there are cases where the surroundings are cauterized while scanning in the circumferential direction. I need to know. In this case, when a coil having an asymmetric shape in the circumferential direction as shown in FIG. 57 is used, a circumferentially asymmetric high-frequency magnetic field distribution is obtained as shown in FIG. It can be obtained from an asymmetric high-frequency magnetic field distribution. FIG. 59 shows a case where this is attached to a laser catheter. As shown in FIG. 60, an asymmetric magnetic field distribution can be obtained in the same manner even when a coil having a slightly thicker long side is mounted along a cylindrical surface. Further, even with one rectangular coil and one small surface coil or three small surface coils, the position, axial direction, and circumferential direction can be obtained from the images obtained by the respective coils.
[0149]
In the rectangular coil and the small surface coil, for example, as shown in FIG. 61, they are arranged at positions orthogonal to each other. First, the position and direction are obtained by the rectangular coil 551, and the relative position to the position of the rectangular coil 551 is obtained by the small surface coil 552. Thus, the circumferential angle can be known. The same applies to two rectangular coils. Further, in the case of three small surface coils, one coil 561 is used as a reference as shown in FIG. 62, the other one coil 562 is shifted in the axial direction relative to this, and the remaining one is shifted in the circumferential direction. Two coils 563 are arranged respectively. The positions of the coils 561 to 563 are obtained from the images obtained by the coils 561 to 563, and the catheter position, axial direction, and circumferential angle are calculated from the positional relationship.
[0150]
As described above, according to the fifth invention, it is possible to provide a treatment apparatus capable of performing a treatment while accurately grasping the position and posture of a medical instrument inserted into a subject under MRI monitoring. it can.
[0151]
【The invention's effect】
(1) According to the first invention, it is possible to use an image ultrasonic probe without degrading it even when treatment is performed by irradiating a very strong ultrasonic wave.
[0152]
(2) According to the second aspect of the present invention, it is possible to provide an ultrasonic therapy apparatus that can obtain a good ultrasonic image with a high output even though it is very small. It is also possible to provide an applicator that can be used in situations such as in a very narrow MRI gantry.
[0153]
(3) According to the third invention, heat generated by continuously driving the therapeutic ultrasonic transducer can be suppressed within an allowable range, and materials around the ultrasonic transducer such as an ultrasonic transducer and a backing material are provided. It is possible to prevent accidents due to deterioration of the patient and to perform safe treatment. In addition, since it is possible to prevent changes in the characteristics of the ultrasonic vibrator due to heat, energy loss can be reduced, and a stable ultrasonic intensity can be obtained.
[0154]
(4) According to the fourth invention, the following effects can be realized. The frequency of the therapeutic ultrasound is changed over time. Due to this change in frequency, some cavitations are disrupted, and some cavitations are crushed and collapsed. Therefore, the side effect to the unexpected site | part and the expansion of a heat denaturation area | region are suppressed, and heat denaturation can be induced correctly to the target site | part. Thereby, safe and reliable ultrasonic heating treatment is realized. Also, since cavitation is actively disrupted, the total treatment time is reduced and patient throughput is improved rather than waiting for the cavitation to naturally decay.
[0155]
In addition, the phase of the therapeutic ultrasound is changed. This phase change causes the growing cavitation to be crushed and collapsed. Therefore, the side effect to the unexpected site | part and the expansion of a heat denaturation area | region are suppressed, and heat denaturation can be induced correctly to the target site | part. Thereby, safe and reliable ultrasonic heating treatment is realized. Also, since cavitation is actively disrupted, the total treatment time is reduced and patient throughput is improved rather than waiting for the cavitation to naturally decay.
[0156]
(5) According to the fifth invention, it is possible to provide a treatment instrument capable of performing a treatment action while accurately grasping the position / posture of the treatment device under MRI monitoring.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment according to the first invention.
FIG. 2 is a spectrum of a signal detected from an ultrasonic probe.
FIG. 3 is a schematic diagram of a signal detected from an ultrasonic probe.
FIG. 4 is a configuration diagram of a second embodiment according to the first invention.
FIG. 5 is a diagram when the applicator in the embodiment is viewed from a focal side.
FIG. 6 is a configuration diagram of a third embodiment according to the first invention.
FIG. 7 is a block diagram showing an embodiment according to the second invention.
FIG. 8 is a schematic view showing a configuration of an applicator in the second invention.
FIG. 9 is a schematic view showing an applicator according to an embodiment of the second invention.
FIG. 10 is a schematic view showing an applicator according to another embodiment of the second invention.
FIG. 11 is a configuration diagram of an applicator according to a second invention.
FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of the second invention.
FIG. 13 is a configuration diagram of another embodiment according to the second invention.
FIG. 14 is a configuration diagram of an applicator according to another embodiment of the second invention.
FIG. 15 is a configuration diagram of the first embodiment according to the third invention.
FIG. 16 is a schematic diagram of an ultrasonic transducer in the embodiment.
FIG. 17 is a schematic diagram of ultrasonic transducer cooling means in the same embodiment.
FIG. 18: Temperature characteristics of dielectric constant of ultrasonic transducer
FIG. 19 is a block diagram of a second embodiment according to the third invention.
FIG. 20 is a configuration diagram of a third embodiment according to the third invention.
FIG. 21 is a configuration diagram of a fourth embodiment according to the third invention.
FIG. 22 is a block diagram of a fifth embodiment according to the third invention.
FIG. 23 is an enlarged view of an applicator portion in the same embodiment.
FIG. 24 is a block diagram showing the configuration of the first embodiment according to the fourth invention.
FIG. 25 is a diagram showing a time waveform of a frequency-modulated drive signal and a change with time in frequency.
FIG. 26 is a diagram showing another time waveform of a frequency-modulated drive signal and a change with time in frequency.
FIG. 27 is a diagram showing still another time waveform of a frequency-modulated drive signal and a change over time in frequency.
FIG. 28 is a diagram showing still another time waveform of a frequency-modulated drive signal and a change with time in frequency.
FIG. 29 is a diagram showing the relationship between frequency and impedance.
FIG. 30 is a diagram illustrating a time change of an amplitude-modulated drive signal and a time change of output energy of an ultrasonic wave.
FIG. 31 is a diagram showing a time waveform of a phase-modulated drive signal.
FIG. 32 is a block diagram showing a configuration of a second embodiment according to the fourth invention.
FIG. 33 is a diagram showing a time waveform of a frequency-modulated drive signal and a change with time in frequency.
FIG. 34 is a diagram showing another change over time in the frequency of the drive signal.
FIG. 35 is a diagram showing a relationship between a cycle time Tc and a residual cavitation amount.
FIG. 36 is a diagram showing a relationship between a frequency modulation period Tfm and a residual cavitation amount.
FIG. 37 is a diagram showing a relationship between a frequency modulation width and a residual cavitation amount.
FIG. 38 is a block diagram showing the configuration of the third embodiment according to the fourth invention.
FIG. 39 shows a time waveform of a drive signal time-divided for treatment and cavitation decay, a time waveform of a drive signal in which a cavitation decay drive signal and a treatment drive signal are superimposed, and a cavitation decay drive signal and treatment. The figure which shows the other time waveform of the drive signal on which the drive signal for superimposition was superimposed.
FIG. 40 is a cross-sectional view of an ultrasonic wave generation source showing an arrangement relationship between two types of piezoelectric elements having different resonance frequencies.
FIG. 41 is a block diagram showing the configuration of the fourth embodiment according to the fourth invention.
FIG. 42 is a schematic diagram of a mask image before ultrasonic irradiation, a real-time image during ultrasonic irradiation, and a difference image between the mask image and the real-time image.
FIG. 43 is a diagram showing timing for applying frequency modulation and timing for applying phase modulation in response to a change in the difference level over time.
FIG. 44 is a schematic diagram showing an example of application of the hand probe type ultrasonic applicator according to the fifth invention to a position, axial direction, and circumferential direction detecting three-coil MR locator.
FIG. 45 is a schematic diagram showing an example of superposition display of MR images and ultrasonic images according to the fifth invention.
FIG. 46 is a schematic diagram showing an example of application of the hand probe type ultrasonic applicator according to the fifth invention to an asymmetric coil type MR locator for detecting the position, axial direction, and circumferential direction;
FIG. 47 is a block diagram of an embodiment according to the fifth invention.
FIG. 48 is a schematic diagram of a position detection type MR locator according to a fifth invention.
FIG. 49 is a schematic diagram showing an example when the position detection type MR locator according to the fifth invention is attached to the puncture needle.
FIG. 50 is a diagram showing a normal two-dimensional spin echo sequence as an example of an imaging pulse sequence when performing MR locator position measurement according to the fifth invention. )
FIG. 51 is a diagram showing an example of each captured image in the case of position detection according to the fifth invention.
FIG. 52 is a schematic view showing an example when the position detection type MR locator according to the fifth invention is attached to the catheter tip.
FIG. 53 is a schematic diagram of a rectangular MR locator for position and axial direction detection according to the fifth invention.
FIG. 54 is a schematic diagram showing an example when the position and axial direction detecting rectangular MR locator according to the fifth invention is attached to the catheter tip;
FIG. 55 is a view showing each image captured when the position and the axial direction are detected (using a rectangular shape) and a display example thereof according to the fifth invention.
FIG. 56 is a view showing an application example of the MR locator using two coils for position and axial direction detection according to the fifth invention to a catheter;
FIG. 57 is a schematic diagram showing the shape of an asymmetric coil type MR locator for detecting position, axial direction, and circumferential direction according to the fifth invention.
FIG. 58 is a schematic view showing a magnetic field distribution in the circumferential direction of the asymmetric coil according to the fifth invention.
FIG. 59 is a schematic view showing a case where the asymmetric coil according to the fifth invention is attached to a catheter.
FIG. 60 is a schematic view showing a case where the asymmetric coil according to the fifth invention is deformed so as to be in close contact with a cylindrical shape and is attached to a catheter.
61 is an arrangement view of MR locators for detecting position, axial direction and circumferential direction by a rectangular coil and a small surface coil according to the fifth invention at the distal end of the catheter. FIG.
FIG. 62 is an arrangement view of the position, axial direction, and circumferential direction detection type MR locator on the catheter tip by three small surface coils according to the fifth invention.
FIG. 63 is a diagram showing a change over time in the frequency of the drive signal.
[Explanation of symbols]
101 ... applicator,
102 ... an ultrasonic transducer,
103 ... Ultrasonic probe,
104 ... coupling liquid,
105. Elastic membrane,
106: control circuit,
107 ... Drive circuit,
109 ... Ultrasonic imaging device,
110 ... CRT display,
111... Detection circuit,
121 ... applicator,
122... Shutter
123. Shutter control unit,
124 ... moving mechanism,
131: elastic membrane,
201 ... applicator,
222 ... Ultrasonic probe for images,
202 ... stage,
231 to 233 ... electrodes,
203 ... propagation solution,
261 ... applicator,
204 ... Case,
271 ... Drive circuit,
205 ... elastic membrane,
272 ... ultrasonic diagnostic imaging apparatus,
206 ... support,
273 ... moving means,
207 ... Magnet,
274: Propagation solution processing circuit
208 ... top plate,
275 ... Control circuit,
209 ... a moving mechanism,
276 ... CRT display,
210 ... Cushion,
277 ... MRI system,
221 ... ultrasonic transducer,
301 ... applicator,
302 ... ultrasonic transducer,
303 ... Patient, 304 ... Coupling fluid
305 ... Water bag,
306 ... backing material
307: Focus,
308 ... Tumor,
309 ... Drive circuit group,
310 ... Phase control circuit group,
311 ... Control circuit,
312 ... vibrator temperature control circuit,
313 ... Shape memory alloy member,
314: polyimide resin film,
315 ... switch,
316 ... pipe,
317 ... cooling device,
318 ... Electrical characteristic control circuit,
319 ... matching circuit group,
320 ... thermocouple,
321 ... Silicon coating material,
322 ... cooling gas,
323 ... Treatment table,
324 ... RF coil,
325 ... static magnetic field coil,
326 ... gradient magnetic field coil,
327 ... Table moving device,
328: Gradient magnetic field power supply,
329 ... transmission / reception circuit,
330 ... console,
331 ... CRT display,
332: Ultrasonic incident path,
333 ... radiation thermometer,
334 ... Cooling solid,
340 ... Coupling fluid circulation circuit,
341 ... water inlet,
342 ... Drain port,
401 ... applicator,
402: Piezo element (group),
403 ... Subject,
404 ... coupling solution,
405 ... Coupling membrane,
406 ... therapeutic ultrasound focus,
407 ... affected area (tumor),
408 ... ultrasonic probe,
409 ... ultrasonic diagnostic imaging apparatus,
410 ... impedance matching circuit,
411 ... Drive circuit (amplifier),
412 ... frequency / phase modulation circuit,
413 ... System controller,
414 ... console,
415 ... CRT display,
417 ... System controller,
418 ... fundamental frequency signal generation circuit,
419 ... frequency modulation signal generation circuit,
420 ... changeover switch,
431 ... therapeutic ultrasonic wave generation drive circuit,
432 ... Cavitation collapse drive circuit,
433 ... a second impedance matching circuit,
434 ... an ultrasonic source for cavitation collapse,
501: Static magnetic field magnet,
502 ... Excitation power source,
504 ... gradient magnetic field coil,
506 ... gradient magnetic field coil drive circuit,
509 ... Transmitter,
510 ... Duplexer,
508 ... high frequency coil,
511 ... the receiving unit,
503: Subject,
505 ... Sequence controller,
507 ... Sleeper,
512 ... data collection unit,
513 ... an electronic computer,
514 ... Console,
515: Image display,
516 ... ultrasonic applicator,
517 ... Driving circuit group,
518 ... Phase control circuit group,
519 ... Power supply (for pulse generation),
520 ... Position detection type MR locator,
521. Insulating film,
522 ... a puncture needle,
530 ... catheter tip,
531,532 ... Coil,
541, 542 ... Position / axis direction detection type MR locator,
551 ... rectangular coil,
552 ... Small surface coil,
561-563 ... Small surface coil,
571. Hand probe type ultrasonic applicator,
572 ... an ultrasonic transducer,
573 ... water bag,
574: Subject,
575 ... a drive circuit,
576 to 578 ... position detection type MR locator,
579 ... ultrasonic probe,
591: Asymmetrical coil type position / circumferential / axial angle detection type MR locator.

Claims (1)

治療用超音波を被検体内の治療対象に照射する治療用超音波振動子と、
前記被検体内の画像を得るために画像用超音波で前記被検体内を走査する画像用超音波探触子と、
前記画像用超音波探触子を介して前記治療用超音波の反射波を受信する受信手段と、
前記受信手段による受信信号に基づいて前記治療用超音波の強度を制御する制御手段とを具備したことを特徴とする超音波治療装置。
A therapeutic ultrasound transducer for irradiating a treatment target in a subject with therapeutic ultrasound;
An ultrasound probe for images that scans within the subject with ultrasound for images to obtain an image in the subject;
Receiving means for receiving a reflected wave of the therapeutic ultrasonic wave via the image ultrasonic probe;
An ultrasonic treatment apparatus comprising: control means for controlling the intensity of the therapeutic ultrasonic wave based on a signal received by the receiving means.
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