JP4387885B2

JP4387885B2 - 超音波治療装置

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Publication number: JP4387885B2
Application number: JP2004194764A
Authority: JP
Inventors: 基司原頭; 義治石橋; 克彦藤本
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP2006014872A

Description

この発明は、ＭＲＩ装置（磁気共鳴映像装置）で被検体の治療対象を観察しながら集束超音波で被検体の患部を治療する超音波治療装置に関する。特に、超音波治療装置に備えられている超音波トランスデューサの電極パターンに関する。

近年、ＭＲＩ装置（磁気共鳴映像装置）で被検体の治療対象（患部）の温度を観察しながら、同時に集束強力超音波で焼灼治療を行う超音波治療装置が開発されつつある。超音波治療装置は、圧電セラミックスからなる超音波トランスデューサ（超音波振動子）で構成された超音波アプリケータを備えている。圧電セラミックスの両面に電極が設けられ、その電極で電圧を圧電セラミックスに印加することにより、強力な超音波を被検体に照射し、治療を行う。

集束強力超音波を患部に照射すると、そのエネルギーを吸収して温度が上昇する。温度が６５℃以上でタンパク質変性が生じて焼灼が期待できることから、これまでは温度計測の可視化に主眼が置かれて、温度分布を画像化してモニタする方法が一般的であった。

現時点までに知られているＭＲＩ装置を用いた温度計測方法として、「信号強度法」、「位相法」、及び「拡散画像」が知られており、これらを利用したＨＩＦＵ装置（ＨｉｇｈＩｎｔｅｎｓｉｔｙＦｏｃｕｓｅｄＵｌｔｒａｓｏｕｎｄ）が米国ＩｎＳｉｇｈｔｅｃ社等によって開発され、ＢｒｉｇｈａｍＷｏｍｅｎ’ｓＨｏｓｐｉｔａｌ等で臨床実験が行われている。

「信号強度法」は、縦緩和時間の延長と磁場不均一性の低下によるＭＲ信号の低下を利用して温度を計測する方法である。「位相法」は、プロトンケミカルシフトの温度依存性を利用して温度を計測する方法である。「拡散画像」は、拡散係数が温度に依存することを利用して温度を計測する方法である。

しかし、温度上昇は一過性であるため、焼灼直後でないと、患部の集束強力超音波による焼灼が完了していると判定することができない。焼灼直後は、キャビテーションが発生し易く、その微小気泡によってＭＲ信号そのものが収集しづらくなり、正確な温度測定が困難になるという問題があった。さらに、熱拡散により温度が低下するため、焼灼直後のタイミングでしか焼灼領域を正確に確認できないという問題もあった。

一方、焼灼により浮腫が発生した場合、細胞を構成するタンパク質の熱変性は発生し、細胞液が細胞壁の外へ流出する。その結果、細胞間に水分が溜まり、水分子が拡散し易くなる。そこで、細胞壁の外への細胞液の流出状態を描写でき、急性期脳梗塞等の可視化に用いられる「拡散画像」というパルスシーケンスを用いると、焼灼を確認することが可能となる。焼灼直後に測定可能であるため、温度が通常の体温に戻ってから測定することができるため、キャビテーションの影響を受けることなく焼灼を確認することができる。

この「拡散画像」というパルスシーケンスの応用例として、焼灼治療が登場するまでに知られていたものは、「超急性期脳梗塞の早期診断」、「クモ膜嚢胞と類上皮腫の鑑別」、「脳浮腫」、「脳腫瘍」、及び「脱髄変性」しかなかった。ＨＩＦＵ装置による焼灼で人工的に浮腫を発生させているため、当然、「拡散画像」にて焼灼を確認することが可能となる。

「拡散画像」が被検体の動きに対応できないということから、実用化が難しいと考えられていたが、基本シーケンスとしてエコープラナー法（ＥＰＩ法）を用い、強力な傾斜磁場（ＭｏｔｉｏｎＰｒｏｂｉｎｇＧｒａｄｉｅｎｔ：ＭＰＧ）を印加することで実用化に至っている。

強力な傾斜磁場を使うパルスシーケンス、例えば、拡散画像撮像法におけるＭＰＧを用いるＨＩＦＵ装置の場合、強力な傾斜磁場が集束強力超音波を発する超音波トランスデューサの電極を貫くことになり、超音波トランスデューサの電極のパターンが大きい場合、その電極に大きいループに沿った渦電流が発生してしまう。そして、その渦電流とＭＲＩ装置の静磁場との相互作用によってローレンツ力が生じ、そのローレンツ力に起因する機械振動が発生する。この場合、時定数（＝Ｌ／Ｒ、ここでＬはインダクタンス、Ｒは抵抗）のＬは電極の大きさに比例して増大し、電極の厚みを変えずに寸法が変化する場合、断面積と電流パス長が比例するため、抵抗Ｒはほぼ一定となり、結果として電極の大きさにほぼ比例して時定数が長くなると考えられる。電極の厚みも比例する場合は、ほぼ２乗に比例して長くなる。

傾斜磁場コイルの大きさは、ＨＩＦＵ装置用の超音波トランスデューサの大きさより十分に大きいため、超音波トランスデューサからみると、傾斜磁場は場所によらずほぼ均一な磁束密度であって、時間変動する磁場が超音波トランスデューサを貫くことになる。

この渦電流の時定数が長い場合、渦電流と静磁場との相互作用によって発生するローレンツ力に起因する機械振動がＭＲＩ信号収集タイミングまで続くことになる。そして、機械振動と渦電流とによる変動磁場が複雑に影響しあって本来の傾斜磁場に重畳され、ＭＲ信号に影響を与えることになり、画像にアーチファクト等が発生する原因となる。

また、周波数は異なるが、同様のメカニズムで高周波磁場（ＭＲＩ装置でＲＦと称される領域の周波数）が印加されているときも電極に渦電流が発生する。機械振動は発生しないが、本来の高周波磁場に重畳することにより、結果的には画像にアーチファクトが発生してしまう。

従来においては、超音波トランスデューサの電極にスリットを設け、ＭＲＩ装置の傾斜磁場による影響を少なくし、ＭＲ画像の劣化を防いでいた（例えば、特許文献１）。例えば、図１５乃至図１７の超音波トランスデューサの上面図に示すように、超音波トランスデューサの電極７０に複数の直線状のスリット７１を形成していた。

この方法によると、スリットによって渦電流が流れるループの面積が小さくなるため、インダクタンスＬを小さくすることができる。また、電極のパターン幅を狭くすることで、電極の抵抗Ｒを大きくすることができる。上述したように、時定数はＬ／Ｒで表されるため、Ｌを小さくし、Ｒを大きくすることにより、時定数を短くすることができる。

特開平６−２５４１１１号公報（段落［００５０］、図４、図７）

しかしながら、上述した特許文献１においては、単板の圧電セラミックスからなる超音波トランスデューサの場合、スリットを形成する電極が、高周波電圧を印加する側の電極（以下、表電極と称する）なのか、アースに接地される電極（以下、裏電極と称する）なのか、全く開示されておらず、各電極に形成した場合の作用及び効果も不明である。さらに、スリットを片側の電極に形成するのか、両側の電極に形成するのかも開示されておらず、その作用及び効果も不明である。

フェーズドアレイ方式の超音波アプリケータの場合、各振動子エレメントの電極にスリットを形成することは開示されている。しかし、アースに接地する電極（裏電極）は、同一のＧＮＤ電位に保つため、全ての電極が相互に接続されている必要があるにもかかわらず、その結線パターンが全く開示されていない。各電極を結線した場合に、渦電流にとって大きなループが生じれば、かえって渦電流の時定数が長くなり、スリットを設けたにもかかわらず、ＭＲ画像に影響を与えることになってしまう。

この発明は上記の問題点を解決するものであり、単板の圧電セラミックスからなる超音波トランスデューサについては、渦電流が発生しにくいようなパターンのスリットを形成することで、ＭＲ画像のアーチファクトを低減することを目的とする。

また、フェーズドアレイ・トランスデューサについては、アースに接地される電極（裏電極）に渦電流が発生しにくいようなパターンの結線を形成することで、全ての電極が接続されても渦電流のループを発生させないことを目的とする。

請求項１に記載の発明は、圧電体と、前記圧電体の一方の面に形成されて電圧が印加される第１の電極と、前記圧電体の他方の面に形成されてアースに接地される第２の電極と、を備えた超音波トランスデューサを有し、前記超音波トランスデューサと寝台に載置された被検体とを磁気共鳴映像装置のガントリ内に進入させ、前記磁気共鳴映像装置からの磁場により撮影された画像を参照して、前記超音波トランスデューサから前記被検体の所定の患部に超音波を照射して治療を行う超音波治療装置であって、前記第１の電極又は前記第２の電極のうち、少なくとも一方の電極にはスリットが形成されて複数の小電極に分割され、前記スリットによって分割された前記複数の小電極は、それぞれ隣接する小電極と樹形図状に接続され、かつ、前記スリットによって分割された前記第１の電極又は前記第２の電極のパターンは、前記超音波トランスデューサの中心点に対して、ｎを２以上の整数とするときに、略３６０／ｎ度回転対称になるように形成されていることを特徴とする超音波治療装置である。

電極が超音波トランスデューサの中心に対して回転対称になるように、電極にスリットを形成する。例えば、１８０°回転対称、１２０°回転対称、９０°回転対称になるようにスリットを電極に形成する。分割された各電極に局所的な渦電流による機械振動が発生しても、各電極は中心に対して回転対称に配置されているため、各電極にかかるトルクの合計をほぼ「０」にすることができ、中心に対してバランスをとることが可能となる。その結果、圧電体（圧電セラミックス）には電圧印加による並進運動のみが残り、機械振動モードは簡単になり、ＭＲ画像にアーチファクトが発生しづらくなる。

請求項２に記載の発明は、圧電体と、前記圧電体の一方の面に形成されて電圧が印加される第１の電極と、前記圧電体の他方の面に形成されてアースに接地される第２の電極と、を備えた超音波トランスデューサを有し、前記超音波トランスデューサと寝台に載置された被検体とを磁気共鳴映像装置のガントリ内に進入させ、前記磁気共鳴映像装置からの磁場により撮影された画像を参照して、前記超音波トランスデューサから前記被検体の所定の患部に超音波を照射して治療を行う超音波治療装置であって、前記第１の電極又は前記第２の電極のうち、少なくとも一方の電極にはスリットが形成されて複数の小電極に分割され、前記スリットによって分割された前記第１の電極又は前記第２の電極のパターンは、前記超音波トランスデューサの中心点に対して、ｎを２以上の整数とするときに、略３６０／ｎ度回転対称になるように形成され、前記スリットによって分割された前記複数の小電極は、それぞれ隣接する小電極と樹形図状に接続され、かつ、それぞれ少なくとも１つの接続点により隣接する小電極に接続されていることを特徴とする超音波治療装置である。

スリットによって分割された各小電極を接続する場合、少なくとも１つの接続点によって隣接する電極同士を接続し、全体として大きなループを描くような渦電流の発生を抑制する。この接続点の幅は、分割された各小電極が個別の電極とみなせる程度に十分に狭い必要がある。例えば、トポロジーにおけるいわゆる「樹形図」が成立するように各小電極を接続する。分割された各小電極を「点」とみなし、接続点を「辺」とみなして、それらをトポロジーにおける「樹形図」になるように接続する。このように、接続することで、大きなループを描く渦電流の発生を抑えることができ、ＭＲ画像のアーチファクトを低減することができる。また、全体で「樹形図」を構成しなくても、分割された電極の１部分だけで「樹形図」が形成されていても良い。この場合であっても、その「樹形図」が構成している部分においては、ループを形成しないため、渦電流の発生を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の超音波治療装置であって、前記スリットによって分割された前記小電極の数をｍとし、前記接続点の数をｎとした場合、ｍ−ｎ＝１の関係が成立することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波治療装置であって、前記第１の電極及び前記第２の電極には同じパターンのスリットが形成されていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波治療装置であって、前記第１の電極及び前記第２の電極には同じパターンのスリットが形成され、前記第１の電極に形成されたスリットと、前記第２の電極に形成されたスリットとは、前記圧電体を挟んで少なくとも１部分において重なっていることを特徴とするものである。

渦電流の時定数を短くするためにスリットを形成すると、スリットが形成されて電極が存在しない部分の圧電体（圧電セラミックス）は機械振動することはなく、超音波トランスデューサ全体の出力効率が低下してしまう。この発明においては、両電極に同じパターンのスリットを形成し、さらにスリットが重なるように形成することにより、超音波の出力効率を損なうことなく最大限にスリットを増やすことが可能となる。さらに、全部が重なるようにスリットを形成すると、スリットが形成されていない電極によって電圧が印加された場合の超音波の出力に近づけることが可能となり、圧電体（圧電セラミックス）の機械振動にほとんど影響を与えることなく、渦電流の時定数を短くすることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の超音波治療装置であって、前記第１の電極及び前記第２の電極は、非磁性材料からなることを特徴とするものである。

非磁性材料として例えば、銀、銅等を用いる。電極に非磁性材料を用いることで、ＭＲＩ装置の静磁場の影響を受けることはない。その結果、渦電流の発生を抑制することが可能となる。

請求項７に記載の発明は、複数の圧電体と、前記複数の圧電体の各圧電体の一方の面に形成されて電圧が印加される第１の電極と、前記各圧電体の他方の面に形成されてアースに接地される第２の電極と、を備えたフェーズドアレイタイプの超音波トランスデューサを有し、前記超音波トランスデューサと寝台に載置された被検体とを磁気共鳴映像装置のガントリ内に進入させ、前記磁気共鳴映像装置からの磁場により撮影された画像を参照して、前記超音波トランスデューサから前記被検体の所定の患部に超音波を照射して治療を行う超音波治療装置であって、前記第２の電極にはスリットが形成されて複数の小電極に分割され、前記スリットによって分割された前記第２の電極のパターンは、前記超音波トランスデューサの中心点に対して、ｎを２以上の整数とするときに、略３６０／ｎ度回転対称になるように形成され、前記スリットによって分割された前記複数の小電極は、それぞれ隣接する小電極と樹形図状に接続され、かつ、それぞれ少なくとも１つの接続点により接続する小電極に接続されていることを特徴とする超音波治療装置である。

フェーズドアレイ・トランスデューサは、複数の独立した圧電体（振動子）で構成され、第１の電極及び第２の電極は圧電体（振動子）ごとに分断されている。アースに接地される第２の電極の各電極において、少なくとも１つの接続点によって隣接する各電極同士を接続し、全体として大きなループを描くような渦電流の発生を抑制する。例えば、トポロジーにおけるいわゆる「樹形図」が成立するように各電極を接続することで、大きなループを描く渦電流の発生を抑えることができ、ＭＲ画像のアーチファクトを低減することができる。また、全体で「樹形図」を構成しなくても、分割された電極の１部分だけで「樹形図」が形成されていても良い。この場合であっても、その「樹形図」が構成している部分のいては、ループを形成しないため、渦電流の発生を抑制することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の超音波治療装置であって、前記各圧電体に形成されている第２の電極における前記小電極の数をｍとし、前記接続点の数をｎとした場合、ｍ−ｎ＝１の関係が成立することを特徴とするものである。

第２の電極の各電極は中心に対して回転対称に配置されているため、各電極に作用する力によるトルクの合計はほぼ「０」になり、中心に対してバランスをとることが可能となる。その結果、圧電体の機械振動モードは簡単になり、ＭＲ画像にアーチファクトが発生しづらくなる。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の超音波治療装置であって、寝台に載置された被検体の治療対象を含む画像を撮像し表示する撮像表示手段を更に備えたことを特徴とするものである。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の超音波治療装置であって、記撮像表示手段は、前記被検体の治療対象を含む領域に対し複数の傾斜磁場を印加し、その結果得られた核磁気共鳴信号のデータから前記治療対象を含む領域の核磁気共鳴画像を表示する磁気共鳴映像装置であることを特徴とするものである。

請求項１に記載の超音波治療装置によると、電極が中心に対して回転対称になるようにスリットを形成することにより、電極全体のトルクを「０」にすることができるため、圧電体の機械振動モードは簡単になり、ＭＲ画像にアーチファクトが発生しづらくなる。

請求項２及び請求項３に記載の超音波治療装置によると、スリットによって分割された各電極同士を少なくとも１つの接続点で接続することで、大きなループを描く渦電流の発生を抑制し、ＭＲ画像のアーチファクトを低減することが可能となる。また、渦電流の時定数を短くすることができるとともに、超音波トランスデューサにかかる全体のトルクを「０」にすることができるため、ＭＲ画像に発生するアーチファクトを更に低減することが可能となる。

請求項４及び請求項５に記載の超音波治療装置によると、両電極に同じパターンのスリットを形成し、少なくとも１部分において重ねることにより、超音波出力効率を損なうことなくスリットを増やすことが可能となる。完全にパターンの重なりが一致する場合は、超音波の出力効率を損なうことなくスリットを最大限に増やすことができる。その結果、圧電体の機械振動にほとんど影響を与えることなく、渦電流の時定数を短くすることができる。

請求項６に記載の超音波治療装置によると、電極に銀、銅等の非磁性材料を用いることにより、渦電流の発生を抑制することができ、その結果、ＭＲ画像のアーチファクトを低減することが可能となる。

請求項７及び請求項８に記載の超音波治療装置によると、アースに接地される電極を少なくとも１つの接続点で接続することで、大きなループを描く渦電流の発生を低減することができる。その結果、ＭＲ画像のアーチファクトを低減することが可能となる。また、渦電流の時定数を短くすることができるとともに、超音波トランスデューサにかかる全体のトルクを「０」にすることができるため、ＭＲ画像に発生するアーチファクトを更に低減することが可能となる。

以下、この発明の実施形態に係る超音波治療装置について、図１乃至図１４を参照しつつ説明する。

（構成）
この発明の実施形態に係る超音波治療装置の構成について、図１及び図２を参照しつつ説明する。図１は、この発明の実施形態に係る超音波治療装置の主要部の構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態に係る超音波治療装置に用いられる超音波アプリケータの斜視図である。

まず、超音波治療部について説明する。治療台２２の下に取り付けられた超音波アプリケータ１は、治療用強力超音波を照射する超音波トランスデューサ２と、強力超音波を患者３まで導くカップリング液４と、そのカップリング液４を貯留する水袋（図示しない）とからなる。

超音波アプリケータ１は、治療台２２に固定して取り付けられるものである。図２に示すように、超音波アプリケータ１は円形平板の超音波トランスデューサ２を有し、中央には超音波診断像撮像用の超音波プローブ６が取り付けられている。この超音波プローブ６は、前後方向へのスライドと回転移動が可能に構成され、超音波診断装置１０に接続されている。超音波トランスデューサ２は、円形平板の圧電セラミックスとその圧電セラミックスの両面に形成された電極とからなる。この圧電セラミックスには、チタン酸バリウム（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）等が用いられる。また、この電極に銀や銅等の非磁性材料が用いられる。非磁性材料を用いることにより、ＭＲＩ装置からの静磁場の影響を低減することが可能となるため、渦電流の発生を抑制することが可能となる。

フェーズドアレイ方式の超音波アプリケータの場合は、図２に示すように、超音波トランスデューサ２は複数に分割されている。例えば、円形平板の超音波トランスデューサ２の場合、径方向及び周方向に分割されている。

この発明においては、圧電セラミックスの表面に形成されている電極のパターンに特徴がある。この超音波トランスデューサ２の形状、及び電極のパターンについては、後で詳しく説明する。

治療する際は、患部を治療孔２４に挿入し、焦点７を腫瘍８に一致させてから駆動回路部１２で超音波トランスデューサ２を駆動して強力超音波を照射し、焦点７と一致した治療部位を高温に維持して治療する。

フェーズドアレイ方式の超音波アプリケータを用いる場合は、駆動回路部１２の駆動タイミングを位相制御回路１１によって制御することにより、超音波アプリケータ１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。駆動回路部１２は分割した圧電セラミックスの個数のチャネルに分かれており、制御回路９からの信号により位相制御回路部１１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７、７’は３次元的に任意の場所に設定できる。

次に、位置決めと３次元像の撮像部について説明する。患者３を治療台２２上にうつ伏せに、患部が治療孔２４の場所に合うようにセットする。療箇所の大きさ及び形状によりテーブルの種類を変えることで、この治療孔２４の大きさを変えることができる。

次に、超音波アプリケータ１に取り付けられた超音波プローブ６により抽出した超音波診断像で腫瘍８を確認し、超音波診断装置１０はこのときの腫瘍８と超音波プローブ６との相対位置のデータを制御回路９に送る。また、このときの超音波プローブ６と超音波振動子２の相対位置は、プローブ位置検出装置２６で求められ、制御回路９に送られる。アプリケータ位置検出装置１５も、制御回路９に超音波アプリケータ１の全体の位置及び超音波振動子２の位置のデータを送る。制御回路９は、これらの位置のデータにより、腫瘍８と超音波トランスデューサ２との相対位置を計算し、フェーズドアレイ方式の場合は、設定焦点位置７を決定し、これを記憶する。

また、フェーズドアレイ方式の場合は、制御回路９から超音波診断装置１０にフェーズドアレイによる設定焦点位置７の情報が送られ、超音波診断装置１０は治療中もリアルタイムに治療部位である腫瘍８の状況と焦点７の位置を表示することが可能である。

次に、患者３は、制御回路９に制御された治療台２２により、静磁場コイル１８と傾斜磁場用コイル１９が内蔵されている撮像用のガントリ２５内に送り込まれる。このとき、超音波アプリケータ１は患者３から外されることなく、治療台２２に取り付けられたまま動くため、ガントリ２５から出し入れするたびに位置合わせをする必要がない。また、撮像に必要な送受信用ＲＦコイル２０は、最初から治療孔２４の周りに取り付けてある。

次に、制御回路９は、傾斜磁場電源１３及び送受信回路１４をコンソール１６により指示した所定のシーケンス（例えばＴ２強調撮像法）で起動し、患者３の体内の３次元の画像情報をメモリ内（図示しない）に記憶する。

ここで、患者３の体内のＭＲＩ画像に基づき、予め治療計画を立てることが可能である。

ＭＲＩ画像が得られると、患者３をガントリ２５内に入れた状態で制御回路９に記憶された焦点７の位置と腫瘍８の位置との一致状態をチェックし、制御回路９が超音波照射の開始を駆動回路部１２に指示し、治療が開始される。

患者３をガントリ２５から出し入れする必要がなければ、治療と観察の時間ずれや、その間での患者３の動きのリスクを少なくすることができる。

当初の治療計画の中間、又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。腫瘍８周囲のＭＲＩ画像を撮像し、生体の変化を調べる。この間も、超音波アプリケータ１は患者３に付けたままである。ここで、治療前にメモリ上に記憶しておいたＴ２強度画像のデータと今回のデータをサブトラクションすることにより、熱変位領域が明瞭に確認でき、治療が十分に行われたのか、或いは不十分で再治療が必要かを判断できる。また、当初から治療計画に盛り込んでおいて、所定治療時間おきに自動的に撮像することも可能である。

ＭＲＩ装置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ったら、操作者は治療を終了する。このとき、制御回路９は治療条件の履歴をメモリから呼び出し、治療記録をＣＲＴ２３から出力できる。通常送受用ＲＦコイルとして全身用ＲＦコイルが使われるが、治療領域のみモニタできれば十分なので、局所的に感度を有し、かつ、Ｓ／Ｎの高い表面コイル（体腔内コイルも含まれる）を使用しても良い。

なお、本実施形態においては乳癌の治療について説明したが、皮膚や前立腺等の他の腫瘍についても同様に説明できる。また、超音波アプリケータは本実施形態のような下方アプリケータだけでなく、メカニカルアーム１７で移動させることにより、上方アプリケータでも用いることができる。

以上のように、ＭＲＩ内で高周波磁場が印加された場合、超音波トランスデューサ２の電極内に渦電流が発生し、ＭＲ画像にアーチファクトが発生してしまう。この渦電流による影響を低減するための電極のパターンについて、以下、説明する。

以下、本実施形態の特徴である超音波トランスデューサ２の形状、及び電極のパターンについて説明する。本実施形態の電極のパターンを説明する前に、電極のパターンの大きさや形状によって渦電流の時定数等がどのように変化するのか検討する。

（検討１）
まず、電極の大きさによる時定数の変化について図３を参照しつつ検討する。図３は電極の上面図である。この検討においては、膜厚が一定の導電性金属からなる電極に渦電流が流れるとき、その電極のパターンの大きさによって時定数がどのように変化するのか検討する。

図３（ａ）に示すような、スリットが形成されていない長方形の電極３０（縦の長さがａ、横の長さがｂ、膜厚ｔ）に、均一な磁束密度Ｂ_１の変動磁場が貫く場合の時定数をＴ_１とする。また、図３（ｂ）に示すような、電極３０の縦横の長さがｋ倍になった長方形の電極３１（縦の長さがｋａ、横の長さがｋｂ、膜厚ｔ）に、均一な磁束密度Ｂ_１の変動磁場が貫く場合の時定数をＴ_２とする。このＴ_１とＴ_２との関係式を求めてみる。

図３（ａ）に示す電極３０において、電極３０の中心Ｏ_１のまわりに渦電流が流れる場合のループ（矢印Ａ）に沿ったインダクタンスをＬ_１とし、抵抗をＲ_１とする。同様に、図３（ｂ）に示す電極３１において、中心Ｏ_２のまわりに渦電流が流れる場合のループ（矢印Ａ）に沿ったインダクタンスをＬ_２とし、抵抗をＲ_２とする。

渦電流が流れるループは電極３０と電極３１とで相似形になるため、電極のインダクタンスＬ_２は、以下の式（１）で表される。
Ｌ_２＝ｋ・Ｌ_１・・・・・式（１）
また、膜厚が同じｔであり、金属の断面積がｋ倍、ループ長がｋ倍となるため、抵抗Ｒ_２は、以下の式（２）で表される。
Ｒ_２＝Ｒ_１・・・・・式（２）
時定数ＴはＴ＝Ｌ／Ｒで表されることから、Ｔ_２は以下の式（３）で表される。
Ｔ_２＝ｋ・Ｔ_１・・・・・式（３）

以上の検討により、膜厚ｔが一定で、相似比がｋ倍の電極における時定数はｋ倍になることが分かる。なお、便宜的にこの検討結果を結論１とする。

（検討２）
次に、電極にスリットを形成して複数の電極に分割した場合の時定数の変化について、図４を参照しつつ説明する。図４は電極の上面図である。

図４（ａ）に示すような、スリットが形成されていない長方形の電極３２（縦の長さ２ｃ、横の長さ２ｄ、膜厚ｔ）に、均一な磁束密度Ｂ_１の変動磁場が貫く場合の時定数をＴ_３とする。

また、図４（ｂ）に、電極３２にスリット３３ａ、３３ｂが形成された電極３４を示す。スリット３３ａは電極３２の縦軸に平行で、横幅の中心を通って形成され、スリット３３ｂは横軸に平行で、縦幅の中心を通って形成されている。スリット３３ａとスリット３３ｂとは、電極３２の中心点で交わっている。このように２本のスリット３３ａ、３３ｂを形成することにより、電極３２は４分割されることになり、縦の長さｃ、横の長さｄ、及び膜厚ｔの独立した４枚の電極３２ａ、３２ｂ、３３ｃ、３３ｄが存在することになる。均一な磁束密度Ｂ_１の変動磁場が電極を貫く場合、４分割された電極３２の各電極３２ａ〜３２ｄの時定数をＴ_４とする。

また、図４（ｃ）に、電極３４を示す。この電極３４は、図４（ｂ）に示す電極の中心部分で４枚の電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄがそれぞれ接続された形状となっている。換言すると、この電極３４は、図４（ａ）に示す電極３２の中心付近を除いて、縦幅及び横幅の中心を通って４本のスリット３５ａ〜３５ｄが形成されていることになる。この電極３４全体に、均一な磁束密度Ｂ_１の変動磁場が貫く場合の全体の時定数をＴ_５とする。

４分割された各電極３２ａ等の時定数は、上述の結論１から、Ｔ_４＝（１／２）・Ｔ_３が成立する。また、図４（ｃ）に示す電極３４の渦電流のパターンは、図４（ｂ）に示す電極３２ａ等の渦電流のパターンが、中心部分のみで繋がっただけの形をなしていると考えられる。従って、電極３４の中心部分においては電流の流れがほとんど相殺されて「０」となるため、渦電流パターンそのものの形に影響をほとんど与えないと考えられる。この結果、図４（ｃ）に示す電極３４の時定数Ｔ_５はＴ_４とほぼ等しくなる。

以上の検討により、例えば、図４（ａ）に示すような電極３２に、中心部分を除いてスリット３５ａ〜３５ｄを形成し、図４（ｂ）に示すような電極３４にすると、電極３２を４分割した場合の時定数と同じにすることが可能となる。この検討結果を結論２とする。

（検討３）
次に、圧電セラミックスの表面に形成されている電極の形状が超音波トランスデューサの振動モードに与える影響について、図５を参照しつつ説明する。図５は超音波トランスデューサ２の断面図である。

図５に示すように、分極処理された圧電セラミックス５は、一方の面に電極３６が形成され、他方の面に電極３７が形成され、電極３６と電極３７とで挟まれている。電極３６には高周波電圧が印加され、電極３７はアースに接地されている。そして、圧電セラミックス５のうち、電極３６と電極３７とで挟まれて電場が生じている部分のみに機械振動が発生する。同図に示すように、電極３６に形成されたスリット３３ａの部分には機械振動はほとんど発生しない。そのため、電極３６と電極３７との両方のパターンが揃っている部分だけで機械振動が生じる。換言すると、電極３６と電極３７とが重なっている部分だけで機械振動が生じ、片方の電極だけしかない部分では機械振動が発生しない。

例えば、電極３６又は電極３７のいずれかにスリットが形成されている場合や、両電極にスリットが形成されている場合は、スリット直下の圧電セラミックス５は機械振動を起こすことはない。また、両電極にスリットが形成されている場合で、スリットが重なっている部分では機械振動は発生しない。

電極にスリットを形成することにより、渦電流の時定数を短くすることができるが、圧電セラミックスに電圧を印加するための電極の面積がスリットの分だけ減少することになる。その減少分だけ超音波の出力効率が低下するが、両電極（スリット）のパターンを一致させることで、超音波の発生効率を損なうことなく、スリットを最大限に増やすことができる。つまり、スリットパターンを一致させることで、スリットが形成されていない電極によって圧電セラミックスに電圧が印加された状態に近づけることができる。

上記の検討により、両電極のスリットパターンが重なるようにスリットを形成することにより、超音波トランスデューサ２の機械振動モードにほとんど影響を与えることないため、超音波の出力効率を維持しつつ渦電流の時定数を短くすることができる。この検討結果を結論３とする。

（検討４）
次に、電極にスリットを形成して電極を分割した場合において、電極に発生する渦電流による機械振動モードについて、図６を参照しつつ説明する。図６は超音波トランスデューサの斜視図である。

例えば、図６に示すような、円形状の超音波トランスデューサ２を用いて説明する。この超音波トランスデューサ２の少なくとも一方の電極３８（例えば表電極）には、スリット３９ａ、３９ｂが形成されている。但し、両電極にスリットが形成されている場合や裏電極にスリットが形成されている場合もこの検討結果と同じ結果になる。説明を簡潔にするため、片面の電極のみにスリットが形成されているものとして検討する。

このスリットは、図６に示すように、超音波トランスデューサ２の中心軸Ｏを対称軸として、回転対称とならないように形成されている。具体的に説明すると、円形状の超音波トランスデューサ２の直径に沿って１本のスリット３９ａが形成されている。このスリットの長さは円の直径と同じである。また、そのスリットの中心点（円の中心点）から円の端部に向かって延びる、そのスリット３９ａと直交する別のスリット３９ｂが形成されている。このスリットの長さは、円の半径と同じである。

この２本のスリット３９ａ、３９ｂで分割された結果、最も面積が大きい電極３８ａと、その電極３８ａの半分の面積の電極３８ｂ、３８ｃとからなる。このようなスリットによって分割された電極３８ａ〜３８ｃは、中心軸Ｏを対称軸とした場合、回転対称となるような形状となっていない。具体的に説明すると、ｎを２以上の整数とした場合に、略（３６０／ｎ）°の回転対称となるような形状になっていない。従って、中心軸Ｏを回転軸として超音波トランスデューサ２を１８０°回転させても電極のパターンは一致しない。また、例えば、１２０°回転させても、９０°回転させても電極のパターンは一致することはない。

ここで、分割された各電極の重心をそれぞれ、Ｇ_１、Ｇ_２、Ｇ_３とする。具体的には、電極３８ａの重心をＧ_１とし、電極３８ｂの重心をＧ_２とし、電極３８ｃの重心をＧ_３とする。電極に作用する力をそれぞれ、Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３とする。具体的には、電極３８ａに作用する力をＦ_１とし、電極３８ｂに作用する力をＦ_２とし、電極３８ｃに作用する力をＦ_３とする。また、直径に沿って形成されたスリット３９ａを回転軸Ｌとする。そして、その回転軸から各電極の重心までの距離を、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３とする。具体的には、電極３８ａの重心Ｇ_１までの距離をＬ_１とし、電極３８ｂの重心Ｇ_２までの距離をＬ_２とし、電極３８ｃの重心Ｇ_３までの距離をＬ_３とする。磁束密度が超音波トランスデューサ２の全域にわたってほぼ均一と考えられるため、一般的に全体のトルクＴは次式（４）で表されるように、「０」となることはない。
Ｔ＝Ｆ１・Ｌ１−Ｆ２・Ｌ２―Ｆ３・Ｌ３≠０・・・・・式（４）

このとき、超音波トランスデューサ２には、各電極で発生する渦電流と静磁場との相互作用によるローレンツ力によって「０」になるとは限らないトルクが発生するため、渦電流によって並進運動以外の複雑な機械振動が超音波トランスデューサ２に発生する。この複雑な機械振動が減衰しにくい場合、ＭＲ画像にアーチファクトが発生しやすくなる。

つまり、電極に形成するスリットのパターンを中心軸に対して回転対称（ｎを整数とした場合に、（３６０／ｎ）°の回転対称）に形成すると、全体のトルクＴは「０」となり、並進運動の機械振動のみが残り、それ以外の複雑な機械振動が発生することはない。その結果、機械振動モードは簡単になり、ＭＲ画像にアーチファクトが発生しづらくなる。この検討結果を結論４とする。

（検討５）
次に、渦電流が発生しづらい電極（スリット）のパターンについて図７及び図８を参照しつつ説明する。図７はトポロジーの樹形図を説明するための図である。図８は、電極の上面図である。

渦電流を発生しづらくするためには、電極に渦電流の大きなループを形成しないようにスリットを形成すれば良い。電極にスリットを形成した場合であっても、そのスリットのパターンによっては電極全体に大きな渦電流が発生してしまい、スリットを形成した効果が薄れてしまう場合がある。従って、大きなループを描く渦電流が発生しにくいスリットを形成する必要がある。このため、グラフ理論におけるトポロジーの考え方を導入する。

ここで、トポロジーのオイラー標数について図７を参照しつつ説明する。トポロジーにおいて、「任意の２つの頂点を結ぶルートが１通りしかないという特徴付けができる図形」（すなわち、ループが全くない図形）として「樹形図」が知られている。例えば、図７（ａ）はトポロジーにおける「樹形図」であるが、図７（ｂ）は「樹形図」ではない。

図７（ａ）、（ｂ）には、点４０ａ〜４０ｈと、点同士を接続する辺４１ａ〜４１ｇとが示されている。図７（ａ）に示す図形においては、例えば、点４０ａと点４０ｃとは辺４１ａで接続され、点４０ｂと点４０ｃとは辺４１ｂで接続されている。点４０ｄ〜４０ｆも同様に辺４１ｃ〜４１ｅで接続されている。

図７（ｂ）に示す図形においては、図７（ａ）の図形と同様に、点４０ａと点４０ｃとは辺４１ａで接続され、点４０ｂと点４０ｃとは辺４１ｂで接続されている。しかし、点４０ｃと点４０ｄの間に、点４０ｇと点４０ｈが設けられ、点４０ｇと点４０ｈとは、２本の辺、辺４１ｆと辺４１ｇで接続されている。従って、点４０ｇ、４０ｈと、辺４１ｆ、４１ｇとでループを形成している。

トポロジーにおける「樹形図」は、任意の辺を切断すると、必ず２つの部分に分けられるという特徴がある。図７（ａ）においては、例えば、辺４１ｃを切断すると、点４０ａ〜４０ｃからなる部分と、点４０ｄ〜４０ｆからなる部分とに分けられる。また、他の辺を切断しても必ず２つの部分に分けられる。従って、図７（ａ）に示されている図形は、トポロジーの「樹形図」に該当する。

一方、図７（ｂ）において、例えば、辺４１ｃを切断すると、点４０ａ〜４０ｃからなる部分と、点４０ｄ〜４０ｈからなる部分とに分けられるが、辺４１ｆ又辺４１ｇを切断しても、点４０ｇと点４０ｈとは辺４１ｆ又は辺４１ｇで接続されたままとなり、２つの部分に分けられることはない。従って、図７（ｂ）に示されている図形は、トポロジーの「樹形図」に該当しない。

また、「樹形図」は、オイラー標数が「１」になるという特徴がある。対象とする図７（ａ）、（ｂ）の図形Ｐは２次元の平面グラフとみなせるため、オイラー標数χ（Ｐ）は次式（５）で定義され、トポロジー不変量であることが知られている。
オイラー標数χ（Ｐ）＝（頂点の数）−（辺の数）・・・・・式（５）

例えば、図７（ａ）の図形の頂点４０ａ〜４０ｆの数は「６」であり、辺４１ａ〜４１ｅの数は「５」であるため、オイラー標数χ（Ｐ）は「１」となる。一方、図７（ｂ）の図形の頂点４０ａ〜４０ｈの数は「８」であり、辺４１ａ〜４１ｇの数は「８」であるため、オイラー標数χ（Ｐ）は「０」となる。

このトポロジーにおける「樹形図」の考え方を、超音波トランスデューサ２の電極のスリットパターンに応用する。スリットを形成することにより分割された各電極を上記「樹形図」の「点」で表す。そして、隣接する電極同士を接続した場合、その接続点を上記「樹形図」の「辺」で表す。なお、接続点はスリットにより分割された各電極の大きさに対して十分に小さく狭い間隔となっている。つまり、各電極をスリットによって完全に分割するのではなく、僅かな間隔によって接続することで、隣接する電極同士を接続する。

以上の検討により、スリットによって分割された各電極を「点」とみなし、それらをトポロジーの「樹形図」（必要条件がオイラー標数＝１）となるように接続すれば、各電極をつないでも大きなループが生じず、渦電流を低減することが可能となる。この検討結果を結論５とする。

この「樹形図」の考え方をスリット形成に応用した例について、図８を参照しつつ説明する。図８は、超音波トランスデューサの表面に形成された電極の上面図である。

例えば、図８（ａ）に示すように、円形状の電極にスリット４２ａ〜４２ｄを形成することで、９個の電極４３ａ〜４３ｉに分割されているものとする。この分割された電極４３ａ〜４３ｉがこの発明の「小電極」に相当する。そして、各電極４３ａ〜４３ｉを「点」で表し、各電極間の接続点を「辺」で表し、図８（ｂ）に示す「樹形図」になるように、各「点」を「辺」で接続する。

図８（ｂ）に示されている図形は、「樹形図」となるための必要条件である「オイラー標数＝１」の条件を満たしている。この例においては、点４３ａと点４３ｄ、点４３ｄと点４３ｇを接続し、点４３ｂと点４３ｅ、点４３ｅと点４３ｈを接続し、点４３ｃと点４３ｆ、点４３ｆと点４３ｉを接続し、さらに、点４３ｇと点４３ｈ、点４３ｈと点４３ｉを接続している。

この「樹形図」に基づいて各電極を接続すると、図８（ｃ）に示す電極になる。図８（ｃ）に示されている電極は、電極４３ａと電極４３ｄとがスリット４２ｄに形成された僅かな隙間によって接続されている。その他の電極についても同様に、スリットに僅かな隙間が形成されて接続されている。このスリットに形成された僅かな隙間がこの発明の「接続点」に相当する。

この図８（ｃ）に示されている電極においては、仮に分割された各電極内で渦電流が発生しても、電極全体として大きなループを描くような渦電流が発生することはない。つまり、分割された各電極はその面積が小さいため、その中で渦電流が発生しても全体に与える影響は小さくて済み、全体として大きなループを描く渦電流が発生しづらくなるため、渦電流の影響を低減することが可能となる。

また、電極の中心軸に対して回転対称となるようにスリットを設けても良い。例えば、図８（ｄ）に示す図形のように、点４４ｅを中心として放射状に辺を延ばして各点を接続する。この「樹形図」においては、点４４ｅを回転の中心とした、９０°回転対称になっている。この「樹形図」に基づいて電極を接続すると、図８（ｅ）に示すような電極となる。

図８（ｅ）に示すように、電極４４ｂ、４４ｄ、４４ｆ、４４ｈを囲むようにスリット４５ａ〜４５ｄが形成されている。さらに、僅かな隙間（接続点）でスリット４５ａ〜４５ｄを分断し、電極４４ｂ、４４ｄ、４４ｆ、４４ｈはそれぞれ電極４４ｅと接続されている。

また、電極４４ａ、４４ｃ、４４ｇ、４４ｉも電極４４ｅに接続されている。各電極間の接続点の幅は、各電極の辺の長さよりも十分に狭くすることで、各電極は個別の電極として扱うことができる。例えば、電極４４ａと電極４４ｅとは接続されているが、その２つの電極が接続しながらも個別の電極とみなせるためには、その接続点の幅が十分に狭いことが必要である。例えば、各電極の１辺の長さの数分の１程度の幅である必要がある。同様に、電極４４ｂと電極４４ｅとは接続されているが、個別の電極とみなせるためには、スリットに形成された接続点の幅が十分に狭いことが必要である。他の電極同士の接続についても同様に、各電極が個別の電極とみなせるように、接続点の幅が十分に狭いことが必要である。

この電極は、中心軸Ｏを回転軸とした９０°回転対称になっている。このように回転対称となるようにスリットが形成されて各電極が配置されると、各電極に作用するトルクＴの大きさが全体で相殺され「０」となり、並進運動以外の複雑な機械振動の発生を抑えることが可能となる。

以上のように、５つの事項について検討を行った。この検討結果を踏まえて、以下にこの発明の実施形態に係る超音波トランスデューサの電極パターンについて、図８乃至図１４を参照しつつ説明する。

［第１の実施の形態］
この発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサについて説明する。第１の実施形態においては、単板の圧電セラミックスからなる超音波トランスデューサについて説明する。この超音波トランスデューサ２の一方の面に形成されている電極（例えば、高周波電圧が印加される表電極）が、図８（ｃ）に示されている電極のパターンを有する場合、反対の面に形成されている電極（アースに接地される裏電極）のパターンも図８（ｃ）に示されているパターンにする。

電極にスリットを形成すること自体で渦電流の時定数を短くすることができる（結論１、及び結論２）。また、任意にスリットを形成するのではなく、図８（ｃ）に示す「樹形図」のパターンを有することにより、大きなループを描く渦電流の発生を抑制することが可能となる（結論５）。

さらに、超音波トランスデューサ２の両面の電極にこのパターンを採用することにより、両面の電極で渦電流の時定数を小さくし、渦電流の発生を更に抑制することが可能となる。単板の超音波トランスデューサの場合、表電極又は裏電極の片方だけにスリットを設けたのでは、その片方の電極に大きなループを描く時定数が長い渦電流が発生してしまう。従って、片方だけでなく両電極に図８（ｃ）に示すパターンを採用することにより、片方だけに採用した場合よりも、さらに渦電流の発生を抑制することが可能となる。

また、図８（ｃ）に示すパターンを両面の電極に採用することで、同じパターンの電極で圧電セラミックスを挟むことになる。電極（スリット）のパターンが両電極で完全に一致する場合、超音波の発生効率を損なうことなく、スリットを最大限に増やすことが可能となる（結論３）。つまり、スリットを形成することで渦電流の発生を抑制することができるが、圧電セラミックスに電圧を印加するための電極の面積がスリットの分だけ減少することになる。元々その減少分だけ超音波の出力効率が低下するが、電極（スリット）のパターンを一致させることで、超音波の発生効率を損なうことなく、スリットを最大限に増やすことが可能となる。全部が重なるようにスリットを形成すると、スリットが形成されていない電極によって電圧が印加された場合の超音波の出力に近づけることが可能となる。従って、スリットのパターンの１部分又は全部が重なるように形成することで、圧電セラミックスの機械振動の発生状態にほとんど影響を与えることなく、渦電流の時定数を短くすることができる。

また、両電極でスリットのパターンが完全に一致しなくても、時定数を十分小さくして渦電流の影響を減少させることができる。例えば、一方の電極（例えば裏電極）のパターンが図９に示すように、分割された電極４３ａと電極４３ｂとが接続し、電極４３ｂと電極４３ｃとが接続しているものであっても構わない。この場合、電極４３ｇと電極４３ｈ、電極４３ｈと電極４３ｉは完全に分離している。この電極パターンと図８（ｃ）に示されている電極パターンとは一致しないが、両電極ともオイラー標数は「１」となっているため、渦電流の発生を低減することができる。

［第２の実施の形態］
次に、この発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサについて説明する。第２の実施形態においても、単板の圧電セラミックスからなる超音波トランスデューサについて説明する。この超音波トランスデューサ２の一方の面に形成されている電極（例えば表電極）が、図８（ｅ）に示されている電極のパターンを有する場合、反対の面に形成されている電極（例えば裏電極）のパターンも図８（ｅ）に示されているパターンにする。

第１の実施形態と同様に、スリットを形成すること自体で渦電流の時定数を短くすることができる（結論１、及び結論２）。また、任意にスリットを形成するのではなく、図８（ｅ）に示す「樹形図」のパターンを有することにより、大きなループを描く渦電流の発生を抑制することが可能となる（結論５）。さらに、超音波トランスデューサ２の両面の電極にこのパターンを採用することにより、両面の電極で渦電流の時定数を小さくし、渦電流の発生を抑制することが可能となる。また、図８（ｅ）に示すパターンを両面の電極に採用することで、同じパターンの電極で圧電セラミックスを挟むことになる。スリットのパターンが両電極で完全に一致する場合、超音波の発生効率を損なうことなく、最大限にスリットを増やすことが可能となる。（結論３）。

また、第１の実施形態と同様に、両電極でスリットのパターンが完全に一致しなくても、時定数を十分小さくして渦電流の影響を減少させることができる。両電極のスリットのパターンが一致しなくても、両電極のオイラー標数が「１」であれば、渦電流の発生を低減することが可能となる。

さらに本実施形態においては、電極のパターンが中心軸Ｏを回転軸として、９０°回転対称になっている。従って、上述した結論４により、全体のトルクＴは「０」となり、並進運動の機械振動のみが残り、それ以外の複雑な機械振動が発生することはない。その結果、画像にアーチファクトが発生しづらくなる。

［第３の実施の形態］
次に、この発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサについて、図１０を参照しつつ説明する。第３の実施形態おいては、複数の振動子が配置されたフェーズドアレイ・トランスデューサについて説明する。図１０は、フェーズドアレイ・トランスデューサの上面図である。

複数の振動子が配置されているフェーズドアレイ・トランスデューサの場合、高周波電圧が印加される電極（表電極）とアースに接地される電極（裏電極）は、振動子ごとに分断されている。表電極には複数の独立した高周波電圧が個別に振動子に印加される。また、アースに接地されている電極（裏電極）は、同一の電位に保つために各電極が相互に接続されている必要がある。上述した結論５を適用すれば、大きなループを描く渦電流が発生しないように各電極を接続することができ、渦電流による画像のアーチファクトを低減できる。

図１０（ａ）に示すように、中心軸Ｏを回転軸として、各振動子４６が１８０°回転対称に配置されているフェーズドアレイ・トランスデューサについて説明する。このトランスデューサは、全体として長方形の形状を有し、各振動子４６も長方形の形状を有している。各振動子４６は、隣接する振動子同士で接続することなく、独立して配置されている。

この各振動子４６に対する裏電極について説明する。上述したように、スリットにより分割された各電極を「点」で表し、接続点を「辺」で表し、結論４と結論５を適用すると、図１０（ｂ）に示す「樹形図」が考えられる。

図１０（ｂ）に示すパターンは、中心軸Ｏを回転軸として、１８０°回転対称になるように、各点が辺によって接続されている。また、中心軸Ｏを通過する辺により、点４７ａと、その点４７ａと１８０°回転対称の位置に配置されている点４７ｄとが接続されている。この図形は、「樹形図」となるための必要条件である「オイラー標数＝１」の条件を満たしている。

この「樹形図」に基づいて各電極を接続すると、図１０（ｃ）に示す電極になる。図１０（ｃ）に示されている電極は、電極４７ａと、電極４７ｄとが中心軸Ｏを挟んで接続されている。なお、各電極はスリットによって分割されつつ、僅かな隙間（接続点）が形成されて隣接する電極と接続されている。この図１０（ｃ）に示されている電極においては、仮に分割された各電極内で渦電流が発生しても、電極全体として大きなループを描くような渦電流が発生することはない。つまり、分割された各電極はその面積が小さいため、その中で渦電流が発生しても全体に与える影響は小さく、全体として大きなループを描く渦電流が発生しづらくなるため、渦電流の影響を低減することが可能となる。

また、中心軸Ｏを回転軸として１８０°回転対称に配置及び接続されているため、全体のトルクＴは「０」となり、並進運動の機械振動のみが残り、それ以外の複雑な機械振動が発生することはない。その結果、画像にアーチファクトが発生しづらくなる。

本実施形態においては、各振動子が１８０°回転対称に配置されている場合について説明した。これと同様に、９０°回転対称に配置されている場合について説明する。図１１（ａ）に示すように、本実施形態に係るフェーズドアレイ・トランスデューサは複数の振動子４８が規則的に配置されている。本実施形態においては、中心軸Ｏを対称軸として、９０°回転対称になるように、各振動子４８が配置されている。

この各振動子４８に対する裏電極について説明する。上述したように、各電極を「点」で表し、接続点を「辺」で表し、結論４と結論５を適用すると、図１１（ｂ）に示す「樹形図」が考えられる。

図１１（ｂ）に示すパターンは、中心軸Ｏを回転軸として、９０°回転対称になるように、各点が辺によって接続されている。この図形は、「樹形図」となるための必要条件である「オイラー標数＝１」の条件を満たしている。

この「樹形図」に基づいて各電極を接続すると、図１１（ｃ）に示す電極になる。図１１（ｃ）に示されている電極は、例えば、電極４９ｂと電極４９ｆとが、スリット５０に形成された僅かな隙間によって接続されている。また、電極４９ａと電極４９ｆとが、僅かな隙間（接続点）によって接続されている。その他の電極についても同様に、スリットに僅かな隙間（接続点）が形成されて接続されている。この電極において、仮に分割された各電極内で渦電流が発生しても、電極全体として大きなループを描くような渦電流が発生することはない。つまり、分割された各電極はその面積が小さいため、その中で渦電流が発生しても全体に与える影響は小さく、全体として大きなループを描く渦電流が発生しづらくなるため、渦電流の影響を低減することが可能となる。

また、中心軸Ｏを回転軸として９０°回転対称に配置及び接続されているため、全体のトルクＴは「０」となり、並進運動の機械振動のみが残り、それ以外の複雑な機械振動が発生することはない。その結果、画像にアーチファクトが発生しづらくなる。

［第４の実施の形態］
次に、この発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサについて、図１２を参照しつつ説明する。第４の実施形態においても、複数の振動子が配置されたフェーズドアレイ・トランスデューサについて説明する。図１２は、フェーズドアレイ・トランスデューサの上面図である。

図１２（ａ）に示すように、中心軸Ｏを回転軸として、各振動子５１が放射状にかつ回転対称に配置されている。このフェーズドアレイ・トランスデューサは、８個の扇型の振動子５１からなり、全体として円形状の形状を有している。このフェーズドアレイ・トランスデューサの各振動子５１は、中心軸Ｏを回転軸として４５°回転対称に配置されている。

この振動子に対して、アースに接地されている裏電極は、同一の電位に保つために各電極が相互に接続されている必要がある。結論５を適用すれば、大きなループを描く渦電流が発生しないように各電極を接続することができ、渦電流による画像のアーチファクトを低減できる。上述したように、各電極を「点」で表し、接続点を「辺」で表し、結論４と結論５を適用すると、図１２（ｂ）に示す「樹形図」が考えられる。

図１２（ｂ）に示すパターンは、例えば、点５２ａと点５２ｂとが接続され、点５２ｂは中心軸Ｏに接続されている。点５２ｃ、５２ｄ等についても同様に接続されている。この「樹形図」は、中心軸Ｏを回転軸として、９０°回転対称になるように、各点が辺によって接続されている。この図形は、「樹形図」となるための必要条件である「オイラー標数＝１」の条件を満たしている。

この「樹形図」に基づいて各電極を接続すると、図１２（ｃ）に示す電極になる。この電極は、中心軸Ｏ付近から放射状に形成されたスリット５３によって８個に分割されているが、スリット５３に形成された僅かな隙間（接続点）によって接続さている。例えば、電極５２ａと電極５２ｂとがスリット５３に形成された僅かな隙間（接続点）によって接続されている。また、電極５２ａと電極５２ｅとはスリット５３により分断され、電極５２ｂと電極５２ｃとはスリット５３によって分断されている。他の電極についても同様に互いに接続及び分断されている。また、電極５２ａ〜５２ｈは、トランスデューサの中心において相互に接続されている。

この図１２（ｃ）に示されている電極においては、仮に分割された各電極で渦電流が発生しても、電極全体としては大きなループを描くような渦電流が発生することはない。つまり、分割された電極はその面積が小さいため、その中で渦電流が発生しても全体に与える影響は小さく、全体として大きなループを描く渦電流が発生しづらくなるため、渦電流の影響を低減することが可能となる。

また、中心軸Ｏを回転軸として４５°回転対称に配置されているため、全体のトルクＴは「０」となり、並進運動の機械振動のみが残り、それ以外の複雑な機械振動が発生することはない。その結果、画像にアーチファクトが発生しづらくなる。

［第５の実施の形態］
次に、この発明の第５の実施形態に係る超音波トランスデューサについて、図１３を参照しつつ説明する。第５の実施形態においても、複数の振動子が配置されたフェーズドアレイ・トランスデューサについて説明する。図１３は、フェーズドアレイ・トランスデューサの上面図である。

図１３（ａ）に示すように、複数の振動子５４ａ〜５４ｄが同心円で構成され、中心軸Ｏを中心に同心円状に配置されている。このフェーズドアレイ・トランスデューサは全体として円形状の形状を有している。円形状の各振動子５４ａ〜５４ｄは、スリット５５によって分けられている。このように、各振動子が同心円状に形成されて配置されている場合、各振動子自体がループを形成しているため、渦電流の発生を低減することが困難となる。そこで、直径に沿ってスリット５６を形成して同心円状の振動子５４ａ〜５４ｄを分割する。

例えば、図１３（ｂ）に示すように、中心に配置されている振動子５４ａから径方向にスリット５６を形成し、各振動子５４ａ〜５４ｄの同心円状の形状を分割する。このように振動子５４ａ〜５４ｄを分割することで、円形状のループを形成することがなく、さらに、中心軸Ｏを回転軸として１８０°回転対称に各振動子を配置することができる。

このように配置された振動子に対して、アースに接地されている電極は、同一の電位に保つために各電極が相互に接続されている必要がある。結論５を適用すれば、大きなループを描く渦電流が発生しないように各電極を接続することができ、渦電流による画像のアーチファクトを低減できる。上述したように、各電極を「点」で表し、接続点を「辺」で表し、結論４と結論５とを適用すると、図１３（ｃ）に示す「樹形図」が考えられる。

図１３（ｃ）に示すパターンは、点５７ａ〜５７ｇが辺で一直線上に接続されている。この図形は、「樹形図」となるための必要条件である「オイラー標数＝１」の条件を満たしている。

この「樹形図」に基づいて各電極を接続すると、図１３（ｄ）に示す電極になる。この電極は、同心円状に形成されたスリット５８によって同心円の複数の電極に分割されている。さらに、中心に配置された電極５７ａから径方向に２本のスリット５９が形成されることで同心円の電極は半円の形状に分割されている。さらに、２本のスリット５９に直交する方向に、僅かな隙間が形成され、隣接する電極同士が接続されている。例えば、中心に配置された電極５７ａと、スリット５８によって分けられた電極５７ｂとは僅かな隙間（接続点）で接続され、また、電極５７ｂと、スリット５８によって分けられた電極５７ｃとは僅かな隙間（接続点）によって接続されている。その他の電極についても同様にスリット５８によって分割されているが、僅かな隙間（接続点）によって接続されている。

この図１３（ｄ）に示されている電極においては、仮に分割された各電極で渦電流が発生しても、電極全体としては大きなループを描くような渦電流が発生することはない。つまり、分割された電極はその面積が小さいため、その中で渦電流が発生しても全体に与える影響は小さく、全体として大きなループを描く渦電流が発生しづらくなるため、渦電流の影響を低減することが可能となる。

また、中心軸Ｏを回転軸として１８０°回転対称に配置されているため、全体のトルクＴは「０」となり、並進運動の機械振動のみが残り、それ以外の複雑な機械振動が発生することはない。その結果、画像にアーチファクトが発生しづらくなる。

なお、回転対称性がない電極パターンであっても構わない。例えば、図１３（ｅ）に示すように、中心に配置された電極５７ａから径方向に２本のスリット５９が形成されることで、同心円の電極は半円の形状に分割される。スリット５９によって分割する一方で、例えば、電極５７ａには、スリット５９が形成されている部分の近傍に、電極５７ｂ、５７ｅと接続するための接続点を形成し、電極５７ａと電極５７ｂ、５７ｅとを接続する。同様に、電極５７ｂ（５７ｅ）には、スリット５９が形成されている部分の近傍に、電極５７ｃ（５７ｆ）と接続するための接続点を形成している。さらに、電極５７ｃ（５７ｆ）には、スリット５９が形成されている部分の近傍に、電極５７ｄ（５７ｇ）と接続するための接続点を形成している。この電極は厳密には回転対称にはならないが、全体として大きなループを描くような渦電流が発生することはない。

また、回転対称性がない電極の例として図１４を参照しつつ説明する。図１４（ａ）に示すように、複数の振動子６０が同心円に構成され、中心軸Ｏを中心に同心円状に配置されている。さらに、中心に配置された振動子６０ａから径方向に１本のスリット６１が形成され、各振動子６１ａ〜６１ｄの同心円状の形状を分割する。このように振動子６１ａ〜６１ｄを分割することで、円形状のループを形成することがない。

そのように配置された振動子に対して、アースに接地されている電極は、同一の電位を保つために各電極が相互に接続されている必要がある。結論５を適用すれば、大きなループを描く渦電流が発生しないように各電極を接続することができ、渦電流による画像のアーチファクトを低減できる。上述したように、各電極を「点」で表し、接続点を「辺」で表し、結論５を適用すると、図１４（ｂ）に示す「樹形図」が考えられる。

図１４（ｂ）に示すパターンは、点６２ａ〜６２ｄが辺で一直線上に接続されている。この「樹形図」に基づいて各電極を接続すると、図１４（ｃ）に示す電極になる。この電極は、同心円状に形成されたスリット６３によって同心円の複数の電極６２ａ〜６２ｄに分割されている。さらに、中心に配置された電極６２ａから径方向に１本のスリット６４が形成されている。さらに、そのスリット６４の反対側において、径方向に沿って、電極６２ａと電極６２ｂとが僅かな隙間（接続点）で接続されている。同様に、電極６２ｂと電極６２ｃと、電極６２ｃと電極６２ｄとが接続されている。

この図１４（ｃ）に示されている電極においては、仮に分割された各電極で渦電流が発生しても、電極全体としては大きなループを描くような渦電流が発生することはない。つまり、分割された電極はその面積が小さいため、その中で渦電流が発生しても全体に与える影響は小さく、全体として大きなループを描く渦電流が発生しづらくなるため、渦電流の影響を低減することが可能となる。

上述した実施形態はこの発明の一例であり、電極のパターンが「樹形図」になるように形成されていれば、この発明の効果を得ることができる。また、電極の１部分だけ「オイラー標数＝１」が成立し、その部分だけ「樹形図」になるように形成され、他の部分においては「樹形図」になるように形成されていない場合であっても、この発明の効果を奏することが可能である。例えば、電極の大部分で「樹形図」が成立し、わずかに１部分だけがループを形成するように電極が形成されている場合であっても、全体として大きなループを描くような渦電流の発生を抑制することが可能である。局所的に小さなループを形成するように分割された小電極が接続されていても、全体として大きなループを描く渦電流の発生を抑制することができ、この発明の目的を達成することができる。

この発明の実施形態に係る超音波治療装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施形態に係る超音波治療装置に用いられる超音波アプリケータの概略構成を示す斜視図である。電極の大きさによる時定数の変化を説明するための電極の上面図である。電極にスリットを形成して複数に分割した場合の時定数の変化を説明するための電極の上面図である。超音波トランスデューサの断面図である。超音波トランスデューサの斜視図である。トポロジーの樹形図を説明するための図である。超音波トランスデューサの表面に形成された電極の上面図である。超音波トランスデューサの表面に形成された電極の上面図である。フェーズドアレイ・トランスデューサの上面図である。フェーズドアレイ・トランスデューサの上面図である。フェーズドアレイ・トランスデューサの上面図である。フェーズドアレイ・トランスデューサの上面図である。フェーズドアレイ・トランスデューサの上面図である。従来技術に係る電極の上面図である。従来技術に係る電極の上面図である。従来技術に係る電極の上面図である。

符号の説明

１超音波アプリケータ
２超音波トランスデューサ
３患者
４カップリング液
５圧電セラミックス
６超音波プローブ
７焦点
８腫瘍
９制御回路
１０超音波診断装置
１１位相制御回路
１２駆動回路部
１３傾斜磁場電源
１４送受信回路
１５アプリケータ位置検出装置
１６コンソール
１７メカニカルアーム
１８静磁場コイル
１９傾斜磁場用コイル
２０送受信用ＲＦコイル
２２治療台
２３ＣＲＴ
２４治療孔
２５ガントリ
３０、３１、３２、３４電極
３３ａ、３３ｂ、３５ａ〜３５ｄスリット

Claims

圧電体と、前記圧電体の一方の面に形成されて電圧が印加される第１の電極と、前記圧電体の他方の面に形成されてアースに接地される第２の電極と、を備えた超音波トランスデューサを有し、前記超音波トランスデューサと寝台に載置された被検体とを磁気共鳴映像装置のガントリ内に進入させ、前記磁気共鳴映像装置からの磁場により撮影された画像を参照して、前記超音波トランスデューサから前記被検体の所定の患部に超音波を照射して治療を行う超音波治療装置であって、
前記第１の電極又は前記第２の電極のうち、少なくとも一方の電極にはスリットが形成されて複数の小電極に分割され、
前記スリットによって分割された前記複数の小電極は、それぞれ隣接する小電極と樹形図状に接続され、かつ、前記スリットによって分割された前記第１の電極又は前記第２の電極のパターンは、前記超音波トランスデューサの中心点に対して、ｎを２以上の整数とするときに、略３６０／ｎ度回転対称になるように形成されていることを特徴とする超音波治療装置。
圧電体と、前記圧電体の一方の面に形成されて電圧が印加される第１の電極と、前記圧電体の他方の面に形成されてアースに接地される第２の電極と、を備えた超音波トランスデューサを有し、前記超音波トランスデューサと寝台に載置された被検体とを磁気共鳴映像装置のガントリ内に進入させ、前記磁気共鳴映像装置からの磁場により撮影された画像を参照して、前記超音波トランスデューサから前記被検体の所定の患部に超音波を照射して治療を行う超音波治療装置であって、
前記第１の電極又は前記第２の電極のうち、少なくとも一方の電極にはスリットが形成されて複数の小電極に分割され、
前記スリットによって分割された前記第１の電極又は前記第２の電極のパターンは、前記超音波トランスデューサの中心点に対して、ｎを２以上の整数とするときに、略３６０／ｎ度回転対称になるように形成され、
前記スリットによって分割された前記複数の小電極は、それぞれ隣接する小電極と樹形図状に接続され、かつ、それぞれ少なくとも１つの接続点により隣接する小電極に接続されていることを特徴とする超音波治療装置。
前記スリットによって分割された前記小電極の数をｍとし、前記接続点の数をｎとした場合、ｍ−ｎ＝１の関係が成立することを特徴とする請求項２に記載の超音波治療装置。
前記第１の電極及び前記第２の電極には同じパターンのスリットが形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波治療装置。
前記第１の電極及び前記第２の電極には同じパターンのスリットが形成され、
前記第１の電極に形成されたスリットと、前記第２の電極に形成されたスリットとは、前記圧電体を挟んで少なくとも１部分において重なっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波治療装置。
前記第１の電極及び前記第２の電極は、非磁性材料からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の超音波治療装置。
複数の圧電体と、前記複数の圧電体の各圧電体の一方の面に形成されて電圧が印加される第１の電極と、前記各圧電体の他方の面に形成されてアースに接地される第２の電極と、を備えたフェーズドアレイタイプの超音波トランスデューサを有し、前記超音波トランスデューサと寝台に載置された被検体とを磁気共鳴映像装置のガントリ内に進入させ、前記磁気共鳴映像装置からの磁場により撮影された画像を参照して、前記超音波トランスデューサから前記被検体の所定の患部に超音波を照射して治療を行う超音波治療装置であって、
前記第２の電極にはスリットが形成されて複数の小電極に分割され、
前記スリットによって分割された前記第２の電極のパターンは、前記超音波トランスデューサの中心点に対して、ｎを２以上の整数とするときに、略３６０／ｎ度回転対称になるように形成され、
前記スリットによって分割された前記複数の小電極は、それぞれ隣接する小電極と樹形図状に接続され、かつ、それぞれ少なくとも１つの接続点により接続する小電極に接続されていることを特徴とする超音波治療装置。
前記各圧電体に形成されている第２の電極における前記小電極の数をｍとし、前記接続点の数をｎとした場合、ｍ−ｎ＝１の関係が成立することを特徴とする請求項７に記載の超音波治療装置。
前記寝台に載置された前記被検体の治療対象を含む画像を撮像し表示する撮像表示手段を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の超音波治療装置。
前記撮像表示手段は、前記被検体の治療対象を含む領域に対し複数の傾斜磁場を印加し、その結果得られた核磁気共鳴信号のデータから前記治療対象を含む領域の核磁気共鳴画像を表示する磁気共鳴映像装置であることを特徴とする請求項９に記載の超音波治療装置。