JP4551453B2

JP4551453B2 - 半自動焦点式超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JP4551453B2
Application number: JP2007545812A
Authority: JP
Inventors: 頼寧磊; 頼啓基; 劉可凡; 熊国干
Original assignee: 頼寧磊
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: EP1832314B1; JP2008522816A; WO2006069467A1; US20080112582A1; EP1832314B8; CN1942218A; EP1832314A1; CN100490924C; US7602672B2; EP1832314A4

Description

本発明は超音波トランスデューサに係り、より詳しくは、実性腫瘍の非侵襲的治療に必要な高強度高ハイパワー超音波トランスデューサに関する。

超音波トランスデューサは高密度焦点式超音波療法（HIFU）の核心をなす部材であり、HIFU治療の有効性、安全性及び高効率性を確立した点に特徴がある。有効性、安全性及び高効率性は、高品質医療機器に必須の基礎的事項であるが、技術的調和が難しく、両立が困難な問題である。現在HIFU腫瘍治療に利用されている焦点式超音波トランスデューサとして、以下のタイプのものが挙げられる。第一のタイプの超音波トランスデューサは、平面型圧電セラミック部品を使用し、音響レンズ機構により集束を行うもので、綿陽索尼克電子有限会社が２００２年５月１０日付けで中国特許庁に特許出願した『腫瘍治療超音波治療刀』（特許第02113721.8号、公開番号第CN1456128A号）で使用されている超音波トランスデューサである。第二のタイプの超音波トランスデューサは、多数の小口径圧電セラミック部品を、凹球状台形の大口径剛性材料に非規則的あるいは規則的に嵌着するもので、北京貝儀医療設備厰が１９９９年３月９日付けで中国特許庁に特許出願した『高性能超音波体外焦点式熱治療器のハイパワー超音波発射器』（特許第99102923.2号、公開番号第CN1265929A号）でこのタイプの超音波トランスデューサが使用されている。また、銭賢偉（個人）が１９９９年４月１５日付けで中国特許庁に出願した『多焦点多重集束式超音波トランスデューサ』（実用新案第99206768.5号、公開番号第CN2370887Y号）でもこのタイプの超音波トランスデューサが使用されている。第三のタイプの超音波トランスデューサは、中程度の口径を有する少ない数の圧電セラミック部品もしくはトランスデューサ（通常は円形）を、当該圧電セラミック部品又はトランスデューサと同一の曲率半径を有する、凹球状台形の大口径剛性材料あるいは等価曲面空間に分布させるもので、上海愛申科技発展株式会社が２００３年２月１１日付けで中国特許庁に出願した『多焦点多重集束式超音波トランスデューサ』（実用新案第0328743.7号、公開番号第CN2608035Y号）でこのタイプの超音波トランスデューサが使用されている。第四のタイプは、少ない数の圧電セラミック部品を球状台形の音声輻射層の凸型背面に密嵌したもので、上海交通大学と無錫海鷹電子医療システム有限会社の共願により２００３年６月１９日付けで中国特許庁に特許出願された『高強度集束超音波腫瘍治療用トランスデューサアレイ』（特許第03129407.3号、公開番号第CN1470299A号）でこのタイプの超音波トランスデューサが使用されている。上記各タイプのトランスデューサは超音波Ｂモード用探針を取り付けるための比較的大きな内孔を有しているため、トランスデューサの有効音声発射面積が小さくなり、音響出力が低下し、音場特性に劣る。また、第一のタイプと第四のタイプのトランスデューサの電音効率は、レンズ層又は輻射層の異なる程度の音声減衰及び不都合な整合の影響を受けるため、高効率ハイパワーのトランスデューサを製造することは困難である。第二のタイプのトランスデューサは、集束特性を高めるためアレイエレメント数を多く（数百から１０００以上）必要とするため、実際に製造する際に圧電ウエハに対し多重高周波数あるいは無線周波数の電源性能の整合もしくは調和の面で苛酷な要求がある。よって、システムの信頼性が低下し、システムがより複雑になる。第三のタイプのトランスデューサは、離散性アレイエレメント分布特性により、集束性能及び集束比に問題がある。HIFU治療に応用した場合、有効性、安全性及び高効率性の調和の面で解決が困難な問題に直面することが多い。一般的に、当業界では、連続した凹型大口径自動焦点式超音波トランスデューサは最適な集束音場特性、高い集束比、優れた超音波パワー、高い電音変換効率、高い焦点音声を示すことが認識されているものの、製造技術の面で難度が高く、このようなタイプのトランスデューサはHIFU治療システムにはまだ応用されていない。

本発明の目的は、腫瘍治療に必要な現存するいくつかのタイプの高密度焦点式超音波療法（HIFU）における超音波トランスデューサの実際の使用中に存在する諸問題に対し、新規な半自動焦点式高強度ハイパワー超音波トランスデューサを提供することにある。

上記目的は、上層と下層の間に空気層が設けられ、凹面状に湾曲された基材と、前記基材の集束面側の内壁表面に沿って、互いに重なることなく少なくとも４個が接着された圧電ウエハと、前記圧電ウエハの集束面側の表面を被覆する保護層と、を有する半自動焦点式超音波トランスデューサにより達せられる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半自動焦点式超音波トランスデューサにおいて、前記基材の上層、下層及び空気層の厚みは、前記圧電ウエハから発せられる特定の動作周波数において、前記基材の材料中における音波の波長λの２分の１の整数倍±３５％となるべく設定され、前記圧電ウエハの数は、４個〜２４個とされ、それぞれの圧電ウエハの曲率半径と、前記基材の内壁の集束面の対応する点における曲率半径が同一であることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の半自動焦点式超音波トランスデューサにおいて、凹面状に湾曲された前記基材の口径が１６０ｍｍ〜２００ｍｍである場合、前記圧電ウエハの数が４個〜８個であることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の半自動焦点式超音波トランスデューサにおいて、凹面状に湾曲された前記基材の口径が２００ｍｍ〜５００ｍｍである場合、前記圧電ウエハの数が６個〜２４個であることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半自動焦点式超音波トランスデューサにおいて、凹面状に湾曲された前記基材の中央部には、前記圧電ウエハに冷却水を供給するための貫通孔を有する接続部が設けられていることを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の半自動焦点式超音波トランスデューサにおいて、凹面状に湾曲された前記基材の中央部には、前記圧電ウエハに給電するための貫通孔と、前記圧電ウエハに冷却水を供給するための貫通孔を有する接続部が設けられていることを特徴としている。

本発明の利点を以下に挙げる。基材を損耗率が低く、音響抵抗の高い材料で製造しており、基材中に空気層を設け、基材の内壁の集束面を凹球状台形とし、基材内層の厚みを、基材材料において波長λの２分の１の整数倍前後に設定しているため、正面発射超音波効率を最大限に高めている。また、球面の扇形圧電ウエハが基材材料の内側表面に嵌着されており、基材中央の球状台面に超音波Ｂモード用探針用の孔を設ける必要がないため、大口径球冠型に非常に近い集束特性、高い集束比を得ることができ、且つ非常に高い音響出力及び音の強さを得ることができる。基材中央の球台面には、動作面に冷却水を供給するための孔を設けてもよく、これにより圧電ウエハの作業環境及び負荷能力が大幅に向上される。試験の結果、本発明の音場特性は充分であり、縦横方向への音の強さの分散を減らし、口径焦点距離比が充分に大きく、ロバストネスに優れる。

添付の図面は本発明に関連する具体的な実施形態に関する概略図であるが、本発明を制限するものではない。以下、図面を参照しながら本発明を更に説明する。

図１よりわかるように、本発明は基材３と圧電ウエハ１とを含み、基材３は２層構造であり、層間に空気層４が形成され、少なくとも４の圧電ウエハ１が基材３の内壁の集束面に接着され、圧電ウエハ１の表面が保護層２で被覆されている。具体的に実施される際には、前記基材３の内壁の集束面は凹球状台形であってもよく、基材３の内層の厚みは下記原則に則って設定される。すなわち、圧電ウエハ１から発せられる特定の動作周波数において、基材材料中における音波の波長λの２分の１の整数倍±35％となり、基材３の内壁の集束面に貼接される圧電ウエハ１は相互に近い電声特性を有し、かつ各点における曲率半径と基材の内壁の集束面の対応する点における曲率半径が等しく、圧電ウエハの数は４乃至２４とするのがよい。基材３の中央の球状台面には、動作面に冷却水を供給するための孔５を設けてもよい。あるいは、基材３の中央の球状台面に各圧電ウエハ１に給電するための孔を同時に設けてもよい。本実施形態では、基材３の中央の球状台面には動作面に冷却水を供給するための孔５のみが設けられている。

基材３の内壁の凹球状台形の口径が１６０ｍｍ乃至２００ｍｍに設定されている場合、前記圧電ウエハ１の数は４乃至８である。基材３の内壁の凹球状台形の口径が２００ｍｍ乃至５００ｍｍに設定されている場合、前記圧電ウエハ１の数は６乃至２４である。具体的に実施される場合、基材３の内壁の凹球状台形の口径が比較的小さい場合、圧電ウエハ１を1重に環状配列してもよい。図２に示す実施形態では、６の圧電ウエハ１が配列されている。基材３内壁の凹球状台形の口径が比較的大きい場合、圧電ウエハ１を複数重にわたり環状配列してもよい。図３に示す実施形態では、１８の圧電ウエハ１が２重にわたり環状配列されている。

本発明に関連する一実施形態の概略構成図圧電ウエハが基材内壁の集束面上に一定の配列方式により配列された実施形態を示す図圧電ウエハが基材内壁の集束面上に別の配列方式により配列された実施形態を示す図

符号の説明

１圧電ウエハ
２保護層
３基材
４空気層
５動作面に冷却水を供給するための孔

Claims

上層と下層の間に空気層が設けられ、凹面状に湾曲された基材と、
前記基材の集束面側の内壁表面に沿って、互いに重なることなく少なくとも４個が接着された圧電ウエハと、
前記圧電ウエハの集束面側の表面を被覆する保護層と、
を有する半自動焦点式超音波トランスデューサ。
前記基材の上層、下層及び空気層の厚みは、前記圧電ウエハから発せられる特定の動作周波数において、前記基材の材料中における音波の波長λの２分の１の整数倍±３５％となるべく設定され、前記圧電ウエハの数は、４個〜２４個とされ、それぞれの圧電ウエハの曲率半径と、前記基材の内壁の集束面の対応する点における曲率半径が同一である請求項１に記載の半自動焦点式超音波トランスデューサ。
凹面状に湾曲された前記基材の口径が１６０ｍｍ〜２００ｍｍである場合、前記圧電ウエハの数が４個〜８個である請求項２に記載の半自動焦点式超音波トランスデューサ。
凹面状に湾曲された前記基材の口径が２００ｍｍ〜５００ｍｍである場合、前記圧電ウエハの数が６個〜２４個である請求項２に記載の半自動焦点式超音波トランスデューサ。
凹面状に湾曲された前記基材の中央部には、前記圧電ウエハに冷却水を供給するための貫通孔を有する接続部が設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の半自動焦点式超音波トランスデューサ。
凹面状に湾曲された前記基材の中央部には、前記圧電ウエハに給電するための貫通孔と、前記圧電ウエハに冷却水を供給するための貫通孔を有する接続部が設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の半自動焦点式超音波トランスデューサ。