JP5770210B2 - 高密度焦点式超音波測定吸収ターゲット - Google Patents

Description

本発明は、１ＫＷ以上の超音波パワーを測定するための吸収ターゲットに関し、特に、１ＫＷ以上の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）を測定するための吸収ターゲットに関する。

高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）は、主に悪性腫瘍の治療に利用される。高密度焦点式超音波は、次のように多くの臨床的特徴を有する：非侵襲または低侵襲の外科理念を実現でき、嫌気性腫瘍細胞に対し更なる破壊感受性を持ち、増殖性及び非増殖性腫瘍（肝臓、腎臓腫瘍など）治療の無差別性を実現し、かつ、体が腫瘍に対する特異的免疫反応を誘発する等のメリットがある。

一方、従来のＨＩＦＵを用いて深部腫瘍、肋骨下肝臓腫瘍及び大きな腫瘍を治療する際に直面するボトルネックの問題は、ＨＩＦＵでは非常に高い焦点式超音波が得られないことではない。例えば、ＨＩＦＵの使用周波数をｆ＝１．５ＭＨｚとしたとき、自由音場にて集束音響強度Ｉ_Ｆ０≒１５０００Ｗ／ｃｍ^２を得るためには、音響パワーがＰ_Ａ０≒１５０（Ｗ）さえあれば足りる。

然るに、身体組織による天然的熱伝導性や血液供給のため、ターゲットエリアではＨＩＦＵが加熱されると同時に熱分散が発生し、既知の身体軟部組織の音響学や生物物理学的パラメータに基づいて（実験およびコンピュータシミュレーションの方法によって）容易に分るように、前記ＨＩＦＵにより治療できる皮下軟部組織の病巣の最大深さ（最大焦点皮膚間距離）はわずか数センチしかない。さらに、治療速度が極めて低く、中型サイズの病巣の場合でも、治療時間が人間にとって耐え難いぐらい長い。

適当な周波数の下で、ＫＷ級の超音波パワーを確実に放射することができ、優勢の焦点特性を有するＨＩＦＵの研究は、「一度限りの非侵襲外科」という理念を真に実現させるキーポイントとなる。このため、ＫＷ級の超音波パワーの測定は、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）装置についての研究開発、生産、実際の使用及び検診・保守の中で、不可欠かつ肝心な部分となる。

南京海克医療設備有限会社は、関連文献を参照し、金属を材質として用い、ＫＷ級のＨＩＦＵ音響パワーを測定するための凹型円錐状の反射ターゲットについてデザインした。この種の反射ターゲットは、異なる物理構造で構成されたＨＩＦＵの変換器により放射された音波ビームのすべてを、必要となるターゲットの縦波と横波の内部全反射条件を満たすことができないことが、実験により判明された。該反射ターゲットにより測定された音響放射力が放射源音響パワーの計算に採用されるため、その信憑性には必ず問題がある。

現在、国内外では、高出力・高強度焦点式超音波パワーを測定する一般的な方法として、音源により放射された音響パワーを算出するために、吸収ターゲットの法線方向に作用する放射力を測定する。なお、中国の国家標準（ＧＢ／Ｔ１９８９０−２００５）で推薦されている方法も例外ではない。しかし、現在では、使用できるのは１００Ｗ級の音響パワーを測定する吸収ターゲットしかないため、ＨＩＦＵの現状及び発展の需要に応ずることができない。

本発明の目的は、従来の高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）を測定する装置の吸収ターゲットに存在する音響パワーの測定上限が低すぎる問題点に鑑みて、ＫＷ級に達した高密度焦点式超音波を測定しうる吸収ターゲットを提供することにある。

本発明の目的は次のように実現される。本発明の吸収ターゲットは、高密度焦点式超音波を測定する吸収ターゲットであって、容器と、液体媒質に浸漬された錐体群ターゲットとを備え、前記錐体群ターゲットは同一の幾何形状を有する基本ユニットにより構成され、前記基本ユニットは、上部が角錐体により形成されると共に、下部が該角錐体に対応する角柱形台座により形成され、前記角錐体の各側面の頂点は前記角柱形台座の中心軸線に集中することにより錐体頂が形成され、前記角錐体及び前記角柱形台座の断面は正方形、又は正三角形、又は正六角形に形成され、前記基本ユニットの台座は前記容器内の底部に継ぎ目なく配列され、前記錐体群ターゲットに入射された音波は、少なくても２回の反射又は散乱を経てから、前記錐体群ターゲットの外部の空間へ放出され、前記吸収ターゲットの基本ユニットには、外部に対して連通する細孔が密に分布していることを特徴とする。

本発明において、基本ユニットを作る材質は、外部に対して連通する細孔を含む無機固体材料である。容器を作る材質としては、高熱伝導率を持つ無機固体材料が採用される。

本発明において、基本ユニットを作る材質は、市販の無機固体材料、又は外部に対して連通する細孔を含む特製の単質材或いは複合材の無機固体材料であり、好ましくはレンガや、外部に対して連通する細孔を含む石材、外部に対して連通する細孔を含む岩、又はグラファイトである。容器を作る材質としては、好ましくは金属又はガラスが採用される。

さらに、本発明において、吸収ターゲットに使われる液体媒質は脱気水である。基本ユニットの角柱形台座の高さは、音減衰＞２０ｄＢを満たすように設定される。錐体群ターゲット底面の全体の最小寸法は、少なくとも遮断されるべき−２６ｄＢの音波ビーム幅の１．５倍以上に設定される。

本発明のメリットは次の通りである。錐体群ターゲットを採用したため、反射係数が−３０ｄＢ以下である優れた物理特性を容易に得ることができる。錐体群ターゲットの材質としては、好ましくはレンガや、外部に対して連通する細孔を含む石材、外部に対して連通する細孔を含む岩、又はグラファイト等の無機固体材料が採用されるため、錐体群ターゲットは、高比熱、低温度上昇率、低膨張率、高用量音響照射の状況下において放射線分解せず、かつ変性しないという特有の性質を有する。そこで、本発明の錐体群ターゲットは、ＫＷ級の焦点超音波パワーを測定することができ、かつ性能が安定であり、耐用年数が長い。

本発明の錐体群ターゲットの基本ユニットの構成を示す説明図である。 錐体群ターゲットの基本ユニットの幾つかの幾何形状の断面を示す説明図である。 本発明の実施形態における錐体群ターゲットの構造を示す説明図である。 ＨＩＦＵパワーを測定するために本発明のＨＩＦＵの変換器を利用する音響放射パワー天秤測定システムである。

本発明の実施形態における基本的な構造の説明図が、図面によって非限定的に開示されている。以下、図面を参照して、さらに、本発明の実施形態について説明する。

図１から分るように、本発明における錐体群ターゲットの基本ユニット１の上部は角錐体３であり、基本ユニット１の下部は角柱形台座４である。図２から分るように、基本ユニット１の断面はａ：正方形、或いはｂ：正三角形、或いはｃ：正六角形である。錐体群ターゲット底面の全体の最小寸法（Ｗｍｉｎ）は、少なくとも遮断されるべき−２６ｄＢの音波ビーム幅の１．５倍以上に設定される。角柱形台座４の高さは、音減衰＞２０ｄＢを満たすように設定される。角錐体３の各側面の頂点は該基本ユニット１の底面の中心軸線に集中することにより錐体頂が形成される。基本ユニット１の内部には、外部に対して連通する細孔が密に分布している。

図３から分るように、錐体群ターゲットは、各基本ユニット１の角柱形台座４が矩形容器２内に継ぎ目なく配列されることにより形成される。錐体群ターゲットに入射された音波は、錐体の頂部から錐体の底面までの範囲で、錐体群ターゲットの内部において少なくとも２回以上の反射（又は散乱）を経てから、錐体群ターゲットの外部の空間に戻る。

具体的に実施する際に、基本ユニット１は、吸収ターゲットに使われる液体媒質との間で音圧反射係数が小さく、かつ熱伝導率が高い無機固体材料を用いて作られる。例えば、矩形容器は、無機であり、かつ熱伝導率の高い固体材料を用いて作られる。

錐体群ターゲットの構造及び使用条件について
錐体群ターゲットの基本ユニットを作る無機固体材料は、宜興市聖徳熱陶▼つ▲有限会社により生産されるムライト石の０６号レンガ（耐火レンガ）を選択する。

錐体群ターゲットの基本ユニットの台座の高さは２５ｍｍとし、その断面は辺の長さが１６ｍｍの正方形とする。角錐形の吸収ターゲットの頂部から台座の上側の表面までの高さは３０ｍｍとする。

矩形容器を作る無機固体材料としては、ガラスが採用される。容器の容積は、２５６ｍｍ×２５６ｍｍ×６０ｍｍ（長さ×幅×深さ）とする。

矩形容器には、１６×１６（行及び列）個の基本ユニットが継ぎ目なく配列されている。

本吸収ターゲットの使用状態は、液体媒質が脱気水であり、測定できる最大の音響パワーが３０００Ｗ以上である。

また、その方法は次の通りである。測定する前に、錐体群ターゲット５を予め液体媒質に入れておき、真空状態下で、錐体群ターゲット５の細孔にある空気を除去し、液体媒質を錐体群ターゲット５の各基本ユニットに密に分布している、外部に対して連通する細孔に充満させる。

超音波放射力測定装置は、図４に示されているように、超音波源は、精密の３Ｄモーションプラットフォームに固定される。また、吸収ターゲットは、平衡式電子天秤７によりレバー機構を介して変換器６の下方に吊り下げられる。超音波源の音波ビーム軸は吸収ターゲットの測鉛線と平行する。また、超音波放射力を測定する装置の周囲の内壁には、超音波パワー吸収プレート８が設けられている。放射力測定が非線形や音響ストリーム等により影響されることが回避されるように、吸収ターゲットの軸方向は、音響焦点からオフセットされて音波源に近づくように位置している。吸収ターゲットの底面は、音波ビーム軸に垂直であり、吸収ターゲットの中心は、音波ビーム軸に臨んでおり、変換器６または変換器６の表面の中心との距離は、好ましくは音圧焦点距離の０．７倍以下である。測定する前に、吸収ターゲットが真空下で脱気水に３０分以上に浸漬され、装置が１５分以上に予熱される。

また、熱ドリフトによる影響を軽減するために、音圧を付与しているとき及び超音波を中断しているときの平衡式電子天秤７の表示値である短期（２〜４秒）安定値を測定し、該２つの数値の差は、錐体群ターゲット５が受けている法線方向の放射力Ｆと重力加速度ｇとの比率ｍとなり、単位がｋｇである。

レバー機構を採用する場合、平衡式電子天秤７により測定された放射力は、モーメントアームの比率を校正することによって、吸収ターゲットが実際に受けている放射力に換算される。

測定中において、錐体群ターゲット５と変換器６との表面を常に観察し、前記表面に現れた小気泡を適時に取り除く。

超音波パワーの算出（脱気水媒質による超音波減衰を無視する）
音源は中心に円孔が開けられた球台形の焦点式ユニット変換器である場合、その音響パワーの算出は次の通りである。

………………………………………………（Ｃ．１）
ただし、Ｐ−音響パワー、単位：（Ｗ）；
Ｃ−水中音速、単位：（ｍ／ｓ）；
Ｆ−吸収ターゲットが受けている法線方向の放射力、単位：（Ｎ）;
β₁−球台形焦点式変換器の外孔孔径の収束半角、単位（o）;
β₂−球台形焦点式変換器の中心孔径の収束半角、単位（o）。

音源は中心に円孔がない球台形の焦点式ユニット変換器である場合には、式Ｃ．１も同様に適用できる。ただし、このとき、ｃｏｓβ_２＝１。

以上の実施形態は、本発明を具体的に限定するものではない。特に、吸収ターゲットにおける錐体群ターゲット５の材料は、市販の無機固体材料、又は外部に対して連通する細孔を含む特製の単質材或いは複合材の無機固体材料であり、好ましくはレンガや、外部に対して連通する細孔を含む石材、外部に対して連通する細孔を含む岩、又はグラファイトを採用する。容器を作る材料としては、好ましくは金属又はガラスが採用される。

１…基本ユニット、２…容器、３…角錐体、４…角柱形台座、５…錐体群ターゲット、６…変換器、７…平衡式電子天秤、８…超音波パワー吸収プレート、９…超音波高周波源、１０…周波数計。

Claims (4)

1. 高密度焦点式超音波を測定する吸収ターゲットであって、容器と、液体媒質に浸漬された錐体群ターゲットとを備え、前記錐体群ターゲットは同一の幾何形状を有する基本ユニットにより構成され、前記基本ユニットは、上部が角錐体により形成されると共に、下部が該角錐体に対応する角柱形台座により形成され、前記角錐体の各側面の頂点は前記角柱形台座の中心軸線に集中することにより錐体頂が形成され、前記角錐体及び前記角柱形台座の断面は正方形、又は正三角形、又は正六角形に形成され、前記基本ユニットの台座は前記容器内の底部に継ぎ目なく配列され、前記錐体群ターゲットに入射された音波は、少なくても２回の反射又は散乱を経てから、前記錐体群ターゲットの外部の空間へ放出され、
   前記吸収ターゲットの基本ユニットには、外部に対して連通する細孔が密に分布していることを特徴とする。
2. 前記基本ユニットを作る材質は、外部に対して連通する細孔を含む無機固体材料であり、前記容器を作る材質としては、高熱伝導率を持つ無機固体材料が採用されることを特徴とする請求項１に記載の高密度焦点式超音波を測定する吸収ターゲット。
3. 基本ユニットを作る材質は、レンガ、又は外部に対して連通する細孔を含む石材、又は外部に対して連通する細孔を含む岩、又はグラファイトであり、容器を作る材質としては、金属又はガラスが採用されることを特徴とする請求項２に記載の高密度焦点式超音波を測定する吸収ターゲット。
4. 吸収ターゲットに使われる液体媒質は水であり、基本ユニットの角柱形台座の高さは、音減衰＞２０ｄＢを満たすように設定され、錐体群ターゲット底面の全体の最小寸法は、少なくとも遮断されるべき−２６ｄＢの音波ビーム幅の１．５倍以上に設定されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の高密度焦点式超音波を測定する吸収ターゲット。