JP5175328B2

JP5175328B2 - 医療用超音波振動子

Info

Publication number: JP5175328B2
Application number: JP2010285320A
Authority: JP
Inventors: 博古幡
Original assignee: Jikei University School of Medicine
Current assignee: Jikei University School of Medicine
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: JP2012130527A

Description

この発明は、医療用超音波振動子に関し、特に脳血栓などの治療に使用可能な医療用超音波振動子に関する。

従来から脳血栓などの治療に超音波振動を利用する治療方法が知られている。

特許文献１には、不定形な曲面の治療対象者の頭皮に直接密着して装着し、複数の周波数の超音波振動或いは周波数帯域の広い超音波振動を出力して脳血管内部の血栓を溶解させる脳梗塞治療装置に適した治療用超音波発射装置が開示されている。

その構成は、図４に示すように、可撓性シート１０１の上に柱状の超音波振動子１０２が格子状その他の形状に配列接着され、シートの他の面には粘着層１０３が形成されている。超音波振動子１０２はセラミック系材料の振動子の周辺を弾性充填物で充填・被覆したものや、圧電特性を有する高分子材料であるポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）で構成されている。

特許文献２には、診断用超音波と治療用超音波を合わせて血栓崩壊を増強する方法と装置が開示されている。その超音波発射装置としての超音波プローブ及び超音波ビームに関する記載を参照すると、超音波プローブ１２８は図５に示す構成のもので、超音波プローブ１２８は２ＭＨｚの変換器要素２１０と２００ｋＨｚの変換器要素２１２の２つの変換器要素を備え、誘電性層２１４が２つの変換器要素を隔て、さらに減衰層２１６、ポッティグ層２１８、マッチング層２２０を備え、血流をモニターする診断モードでは２ＭＨｚの超音波を照射し、血栓溶解剤の血栓溶解作用を増強する治療モードでは２００ｋＨｚの超音波を照射するように構成されている。

特許文献３には、超音波脳梗塞治療装置が開示されており、その治療装置に使用される超音波発射装置としての超音波プローブキャップに関する構成を参照すると、超音波プローブキャップは図６に示す構成のもので、超音波プローブキャップ３００は、駆動周波数に応じて所用枚数を積層した複数の超音波振動子３０１ａ及び３０１ｂをキャップ３０１の内面に配置したもので、超音波振動子３０１ａ及び３０１ｂはＰＶＤＦフィルムの両面に正負の電極を蒸着等の手段で形成し、これを駆動周波数に応じて複数枚積層して構成される。図６に示す構成の超音波プローブキャップ３００では、骨厚が厚い頂頭付近には、例えば中心周波数２００ｋＨｚの帯状振動子３０１ａを配置し、骨厚が薄い側頭部には、例えば中心周波数５００ｋＨｚの帯状振動子３０１ｂを配置した例である。

また、図７に示す構成の超音波発射装置としての超音波プローブキャップ４００では、図６に示すものよりも更に小さな複数個の振動子３０１ｃをモザイク状に配置した例である。各振動子３０１ｃの固有振動数は互いに異なるようにし、且つ各振動子３０１ｃは、共振を避けるため固有振動波長λの１／４λの整数倍にならないようにサイズを選択する。

ＷＯ２００６／１３４７５４Ａ１号公報特表２００３−５３４０３２号公報特許第４４９２８１８号公報

従来の医療用超音波発射装置、特に脳梗塞治療装置に使用する医療用超音波発射装置は、不定形な曲面の治療対象者の頭皮に直接密着して装着する必要があるので、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などのセラミック系材料で構成した硬質の振動子セグメント（振動子片）を柔軟性のフィルム上に多数枚数貼着して構成し、不定形な曲面にも柔軟に変形して治療対象者の頭皮曲面に貼着可能に構成したもの（特許文献１参照）や、圧電特性を有する高分子材料であるポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）のフィルムを駆動周波数に応じて複数枚積層して振動子セグメントを構成し、不定形な曲面にも柔軟に変形して治療対象者の頭皮曲面に貼着可能に構成したもの（特許文献３参照）などが提案されている。

しかしながら、いずれの振動子セグメントも、その構成から固有振動数が決定され、異なる周波数で駆動するときは効率が低下してしまう。この発明は、このような課題を解決し、幅広い複数の異なる周波数で効率よく駆動することができる医療用超音波発射装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、柔軟な圧電特性を有する高分子材料フィルムを積層して構成した２組の振動子系Ａ及び振動子系Ｂを間隔を隔てて配置し、その間に微小気泡を含む粘性を有する液体を充填して構成されたことを特徴とする医療用超音波振動子である。

そして、前記医療用超音波振動子は、所定の交流電気信号で振動子系Ａ及び又は振動子系Ｂを駆動して振動子系Ａの超音波α及び振動子系Ｂの超音波βを発生させると共に、前記振動子系Ａ及び又は振動子系Ｂの超音波振動に基づいて前記粘性を有する液体に含まれる微小気泡を崩壊させて微小気泡の崩壊による超音波γを発生させ、前記超音波α及び又は超音波β、及び超音波γが合成された超音波δ（δ1 ＝α＋β＋γ、δ2 ＝α＋γ、δ3 ＝β＋γ）を放射することを特徴とする。

また、前記柔軟な圧電特性を有する高分子材料には、ポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）である。

また、前記粘性を有する液体は、リポソーム、液状シリコーン、生理食塩水から選択された液体である。

また、前記粘性を有する液体に含まれる微小気泡は、前記粘性を有する液体に添加された物質に超音波振動を加えることにより発生する微小気泡である。

また、前記粘性を有する液体に添加された物質は、パーフロロカーボン（ＰＦｅ）である。

そして、前記振動子系Ａと振動子系Ｂは、それぞれが異なる固有振動数の振動子系、或いは同一の固有振動数の振動子系とするとよい。

そして、前記振動子系Ａ及び振動子系Ｂを駆動する所定の交流電気信号の波形は、定在波が頭蓋内に発生することを回避するため、極めて弱い連続波、或いは１ｍｓ以下のパルス波とするとよい。

この発明の医療用超音波発射装置によれば、振動子系Ａ及び又は振動子系Ｂの超音波振動にバブル崩壊により発生した超音波振動を加え、幅広い複数の異なる周波数の超音波振動を患者に照射することができ、従来の超音波発射装置のように固有振動数が決定されることなく、複数の異なる周波数で効率よく駆動することができる医療用超音波発射装置を提供することができる。

この発明に係る医療用超音波振動子の第１の実施の形態の構成を説明する概念図。図１に示す医療用超音波振動子の断面図。図１に示す医療用超音波振動子を患者に適用する状態を説明する概念図。従来の治療用超音波発射装置の構成の第１例を説明する概念図。従来の治療用超音波発射装置の構成の第２例を説明する概念図。従来の治療用超音波発射装置の構成の第３例を説明する概念図。従来の治療用超音波発射装置の構成の第４例を説明する概念図。

図１はこの発明に係る医療用超音波振動子の第１の実施の形態の構成を説明する概念図、図２は図１に示す医療用超音波振動子の断面図、図３はこの発明に係る医療用超音波振動子を患者Ｍの頭部の治療対象部位Ｍａの付近に適用した状態を説明する概念図である。以下の説明では、第１の振動子を振動子系Ａと呼び、第２の振動子を振動子系Ｂと呼ぶことがある。

この発明の第１の実施の形態の医療用超音波振動子（以下、超音波振動子ということがある）１０は、圧電特性を有する高分子材料であるポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）のフィルムを複数枚積層した積層体１１の第１表面に正電極１１ａを、第１表面の裏面である第２表面に負電極１１ｂを形成して構成した第１の振動子２０（振動子系Ａ）と、同じくポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）のフィルムを複数枚積層した積層体２１の表面に、第１表面に正電極２１ａを、第１表面の裏面である第２表面に負電極２１ｂを形成して構成した第２の振動子３０（振動子系Ｂ）とを、第１の振動子２０の負電極１１ｂと第２の振動子３０の負電極２１ｂとが間隔Ｌを隔てて対向するように配置し、第１の振動子２０の負電極１１ｂと第２の振動子３０の負電極２１ｂとが対抗する面の間に微小気泡（バブル）４１ａを含む粘性を有する液体４１を封入する。

第１の振動子２０（振動子系Ａ）と第２の振動子３０（振動子系Ｂ）で構成される面以外の面は、電気絶縁性の封止材５１、５２で封止される。即ち、患者Ｍの治療対象部位Ｍａ付近に装着する面、即ち超音波放射面は、治療対象部位Ｍａの曲面に沿って変形可能な柔軟な封止材５１で封止される。その他の面の封止材５２も、柔軟な封止材とすることができるが、必ずしも柔軟な封止材でなくともよい。

微小気泡（バブル）４１ａを含む粘性を有する液体４１としては、この発明においては、一例としてリポソームを使用する。リポソームは、生体の細胞を構成しているリン脂質、グリセロ糖脂質及びスフィンゴ糖脂質、カチオン性脂質等から構成される人工の細胞様の微粒子で、細胞膜と同様に二分子膜で水溶性や脂溶性の薬物を包含できる液体である。

このほか、微小気泡（バブル）４１ａを含む粘性を有する液体４１としては、液状シリコーン（シリコーンオイル）などを使用することもできる。

リポソームの製造方法は、前記脂質を有機溶媒に溶解し、生理食塩水などの水溶液に混和して製造される。

次に、リポソームへの微小気泡（バブル）の封入は、以下のようにして行う。まず、加圧された不活性気体であるパーフロロカーボン（ＰＦｅ）とリポソームとを第１の容器に充填する。次に、超音波洗浄装置のような下部に大型の超音波発振器を備えた水等を満たした第２の容器に、前記第１の容器を入れ、第２の容器に超音波振動を加えると、その超音波振動が第１の容器に伝達され、不活性気体であるパーフロロカーボン（ＰＦｅ）は微小気泡（バブル）となってリポソームの内部に分散される。微小気泡（バブル）の表面は前記脂質の被膜で覆われて、微小気泡（バブル）４１ａを含む粘性を有する液体４１を製造することができる。

微小気泡（バブル）を形成するに適した材料として、上記の実施の形態ではパーフロロカーボン（ＰＦｅ）が選択されているが、パーフロロカーボン（ＰＦｅ）は、空気中に放出されても環境に影響を与えない不活性ガスである。また、粘性を有する液体としてリポソームのほか、水、生理食塩水などを選択することも可能で、この場合には微小気泡（バブル）を形成する材料として空気なども選択可能である。

微小気泡（バブル）のサイズは、微小気泡（バブル）を形成する材料や粘性を有する液体の選択により異なるが、数μｍ〜数十μｍの範囲にある。

前記第１の振動子２０（振動子系Ａ）、第２の振動子３０（振動子系Ｂ）は、それぞれが異なる固有振動数の振動子系であるが、同一の固有振動数の振動子系で構成してもよい。

次に、図１乃至図３を参照して、第１の実施の形態の医療用超音波振動子の駆動と超音波の発生動作について説明する。第１の振動子２０（振動子系Ａ）の第１表面に形成された正電極１１ａと第２表面に形成された負電極１１ｂは、交流電気信号を出力する第１の駆動源６１の正負の出力端子に接続され、第２の振動子３０（振動子系Ｂ）の第１表面に形成された正電極２１ａと第２表面に形成された負電極２１ｂは、交流電気信号を出力する第２の駆動源７１の正負の出力端子に接続される。

第１の駆動源６１及び第２の駆動源７１は、それぞれ第１の振動子２０及び第２の振動子３０を駆動する交流電気信号を出力するもので、出力される交流電気信号の波形は、定在波が頭蓋内に発生することを回避するため、極めて弱い連続波、或いは１ｍｓ以下のパルス波が望ましいが、パルス波のほか、バースト波、連続波も使用することができる。第１の駆動源６１及び第２の駆動源７１は、出力される交流電気信号の周波数、位相、出力持続時間などを、治療目的に応じて適宜選択できるように構成される。

上記した第１の実施の形態の医療用超音波振動子の第１の振動子２０及び第２の振動子３０の駆動により、第１の振動子２０及び第２の振動子３０から超音波が放射されるほか、粘性を有する液体４１に封入されている気泡（バブル）４１ａが崩壊して超音波が放射されるのである。

次に、粘性を有する液体（リポソーム、液状シリコンなど）４１に封入されている気泡（バブル）４１ａの崩壊による超音波振動の発生について説明する。

前記したとおり、粘性を有する液体（リポソーム、液状シリコンなど）４１には不活性気体パーフロロカーボン（ＰＦｅ）の微小気泡（バブル）が封入されており、この状態で、第１の振動子２０、第２の振動子３０のいずれか一方或いは両方を超音波振動、例えば周波数２０〜５０ｋHzのパルス波、或いはバースト波で駆動すると、第１の振動子２０は超音波αを放射し、第２の振動子３０は超音波βを放射し、封入されているパーフロロカーボン（ＰＦｅ）の微小気泡（バブル）４１ａが崩壊して数百ｋＨｚ乃至１Ｍ（メガ）Ｈｚの中低周波数の超音波γが発生し、患者Ｍの治療対象部位Ｍａの付近に装着する面である超音波照射面５１から超音波が放射される。

即ち、超音波照射面５１からは、第１の振動子２０からの超音波α、第２の振動子３０からの超音波β、微小気泡（バブル）４１の崩壊による超音波γが放射され、前記超音波α及び又は超音波β、及び超音波γが合成された超音波δ（δ1 ＝α＋β＋γ、δ2 ＝α＋γ、δ3 ＝β＋γ、δ4 ＝α−β＋γ）が放射されて頭蓋内に照射され、血栓の溶解を促進することができる。

微小気泡（バブル）の崩壊により発生する超音波γは、数百ｋＨｚ乃至１Ｍ（メガ）Ｈｚの広い周波数範囲にわたる中低周波数の超音波であり、血栓溶解効果を加速する程度が著しく大きい。

第１の実施の形態の医療用超音波振動子に使用される微小気泡（バブル）の寿命と再生について説明する。医療用超音波振動子を駆動すると、粘性を有する液体（リポソームなど）に含まれている微小気泡（バブル）４１ａは崩壊して短時間で消失してしまう。粘性を有する液体（リポソームなど）の粘度を高めることで消失時間を長くすることができるが限度があり、１分〜１０分程度で消失するので、治療（１回約６分の治療）に際しては、超音波振動子を複数枚準備して順次交換して使用するものとする。

微小気泡（バブル）の消失への対応としては、上記した超音波振動子の複数枚準備のほか、超音波振動子の患者の頭部に貼付する貼付面とは異なる表面である第１の振動子２０或いは第２の振動子３０を、強力な超音波振動、例えば周波数２０〜５０ｋHzの連続波で駆動する。これにより再び微小気泡（バブル）を発生させることができる。

即ち、第１の振動子２０或いは第２の振動子３０を気泡の消失と発生の両方に使用することができる。但し、超音波振動子を患者の頭部に貼付したまま、強力な超音波振動で駆動することは患者へ及ぼす影響が予測されて危険であるので、超音波振動子を患者の頭部から外し、水を張った別の容器の中で実施するなどするとよい。

以上説明した医療用超音波振動子は、圧電特性を有する高分子材料であるポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）の、柔軟性のあるフィルムを複数枚積層した積層体を使用した医療用超音波振動子であるが、このほか、セラミック系材料の振動子（例えばＰＺＴ）のセグメントを柔軟性のある合成樹脂フィルムなどの基材の上に多数配列した振動子でも、頭部表面の複雑な形状の曲面に沿って密着適用することができる。

この構成の医療用超音波振動子は、前記した図１に示す医療用超音波振動子において、第１の振動子２０、第２の振動子３０を、上記したセラミック系材料の振動子（例えばＰＺＴ）のセグメントを柔軟性のある合成樹脂フィルムなどの基材の上に多数配列した振動子で置換した構成となるから、詳細な説明は省略する。

特に脳血栓などの治療に使用可能な医療用超音波振動子である。

１０医療用超音波振動子（超音波振動子）
１１積層体
１１ａ正電極
１１ｂ負電極
２０第１の振動子（振動子系Ａ）
２１積層体
２１ａ正電極
２１ｂ負電極
３０第２の振動子（振動子系Ｂ）
４１粘性を有する液体（リポソーム、液状シリコンなど）
４１ａ微小気泡（バブル）
５１封止材（患者の治療対象部位Ｍａへの装着面）
５２封止材
６１第１の駆動源
７１第２の駆動源
Ｍ患者
Ｍａ患者の治療対象部位

Claims

柔軟な圧電特性を有する高分子材料フィルムを積層して構成した２組の振動子系Ａ及び振動子系Ｂを間隔を隔てて配置し、その間に微小気泡を含む粘性を有する液体を充填して構成されたことを特徴とする医療用超音波振動子。
前記医療用超音波振動子は、所定の交流電気信号で振動子系Ａ及び又は振動子系Ｂを駆動して振動子系Ａの超音波α及び振動子系Ｂの超音波βを発生させると共に、前記振動子系Ａ及び又は振動子系Ｂの超音波振動に基づいて前記粘性を有する液体に含まれる微小気泡を崩壊させて微小気泡の崩壊による超音波γを発生させ、前記超音波α及び又は超音波β、及び超音波γが合成された超音波δ（δ1 ＝α＋β＋γ、δ2 ＝α＋γ、δ3 ＝β＋γ）を放射することを特徴とする請求項１に記載の医療用超音波振動子。
前記柔軟な圧電特性を有する高分子材料は、ポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）であることを特徴とする請求項１に記載の医療用超音波振動子。
前記粘性を有する液体は、リポソーム、液状シリコーン、生理食塩水から選択された液体であることを特徴とする請求項１に記載の医療用超音波振動子。
前記粘性を有する液体に含まれる微小気泡は、前記粘性を有する液体に添加された物質に超音波振動を加えることにより発生する微小気泡であることを特徴とする請求項１に記載の医療用超音波振動子。
前記粘性を有する液体に添加された物質は、パーフロロカーボン（ＰＦｅ）であることを特徴とする請求項１に記載の医療用超音波振動子。
前記振動子系Ａと振動子系Ｂは、それぞれが異なる固有振動数の振動子系、或いは同一の固有振動数の振動子系であることを特徴とする請求項１に記載の医療用超音波振動子。