JP5775751B2 - 超音波照射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、超音波照射装置に関する。
媒質に対して強力な超音波を照射すると、その媒質中で大きな負圧が生じ、キャビテーションが発生する。キャビテーションの発生により生じる衝撃波やマイクロジェット等の効果で、例えば生体組織の破砕や加熱凝固を行えることが知られている。近年、このようなキャビテーションによる生体組織の破砕や加熱凝固を、治療用の処置に応用する技術が注目されている。
例えば特許文献１には、次のような治療用超音波装置に係る技術が開示されている。この治療用超音波装置は、周波数ｆの集束する第１の超音波を生体の表面から生体内部の所望の部位に向けて断続的に照射する手段を有する。この治療用超音波装置では、集束超音波を照射することにより、生体内に注入された光増感性物質又はキレート生成能を有する物質を局所的に抗癌活生化させる。また、キャビテーションにより、第１の超音波の分調波成分（周波数がｆ／２の成分）又は高調波成分（周波数が２ｎｆ（ｎは自然数）の成分）が放射される。そこで、この治療用超音波装置は、分調波成分や高調波成分を受信してそれら超音波の放射位置を検出する位置検出手段を有する。また、例えば特許文献２には、次のような治療用超音波装置に係る技術が開示されている。治療用の集束超音波の照射位置を、マーク手段によって画面表示部に表示しておく。一方、トランスデューサ２を治療部位近傍で固定し、駆動手段１２で駆動する。そして、治療用の集束超音波の照射期間中に治療用の集束超音波の照射位置がトランスデューサ２の位置からずれたときに、その集束超音波の照射を停止する治療用超音波装置に係る技術が開示されている。
特許第２７４１９０７号公報 特許第４０９５７２９号公報
上記のような超音波照射装置において、目標位置の近傍にキャビテーションが発生すると、そのキャビテーションに由来する気泡が照射超音波の目標位置への到達を妨げてしまう。そのため、例えば、照射超音波がキャビテーション気泡によって反射され、目標位置とは異なる位置に収束することや、キャビテーション自体によって、目標位置以外の組織に対して損傷を与えかねない。
そこで本発明は、目標位置以外におけるキャビテーションの発生を素早く抑制する超音波照射装置を提供することを目的とする。
前記目的を果たすため、本発明の超音波照射装置の一態様は、超音波設定値に基づいて、対象部位に向けて周波数がｆ（ｆは正の実数）である第１の周波数成分を含む第１の超音波を射出する超音波射出部と、前記対象部位方向から到来する第２の超音波を受信する超音波受信部と、前記第２の超音波に含まれる周波数がｆ／ｒ（ｒは２より大きい実数）以下の低周波信号を検出する低周波信号検出部と、前記低周波信号に基づいて、前記超音波設定値を変更させる条件変更部とを具備し、前記第１の超音波は、周波数が前記ｆである前記第１の周波数成分と、周波数がｆ´（ｆ´はｆよりも小さな正の実数）である第２の周波数成分とを含み、前記低周波信号検出部が、ｆ／ｒよりも低い周波数を有し所定の閾値以上の強度を有する第１の低周波信号と、該第１の低周波信号と異なるｆ´／ｒよりも低い周波数を有し所定の閾値以上の強度を有する第２の低周波信号とである２つの前記低周波信号を検出したら、前記条件変更部は前記超音波設定値を変更させることを特徴とする。
また、前記目的を果たすため、本発明の超音波照射装置の一態様は、超音波設定値に基づいて、対象部位に向けて周波数がｆ（ｆは正の実数）である第１の周波数成分を含む第１の超音波を射出する超音波射出部と、前記対象部位方向から到来する第２の超音波を受信する超音波受信部と、前記第２の超音波に含まれる周波数がｆ／ｒ（ｒは２より大きい実数）以下の低周波信号を検出する低周波信号検出部と、前記低周波信号に基づいて、前記超音波設定値を変更させる条件変更部とを具備し、前記第１の超音波は、周波数が前記ｆである前記第１の周波数成分と、周波数がｆ´（ｆ´はｆよりも小さな正の実数）である第２の周波数成分とを含み、前記低周波信号検出部がｆ／ｒよりも低い周波数を有し所定の閾値以上の強度を有する第１の低周波信号を検出したら、前記条件変更部は前記第１の超音波の強度を低下させ、前記低周波信号検出部が前記第１の低周波信号と異なるｆ´／ｒよりも低い周波数を有し所定の閾値以上の強度を有する第２の低周波信号を検出したら、又は該第２の低周波信号が所定の変化をしたことを検出したら、前記条件変更部は前記第１の超音波の射出を停止させることを特徴とする。
本発明によれば、超音波照射対象部位から到来する超音波を受信し、その超音波に含まれる低周波信号に基づいて超音波設定値を変更するので、目標位置以外におけるキャビテーションの発生を素早く抑制する超音波照射装置を提供できる。
第１の実施形態に係る超音波照射装置の構成例を示す図。 第１の実施形態に係る超音波照射装置の動作例を示すフローチャート。 超音波照射によって生じるキャビテーション気泡群の一例を説明するための図。 第１の実施形態に係る超音波受信部が受信する超音波の、時間と周波数と強度との関係の一例を示す図。 第１の実施形態に係る超音波受信部が受信する超音波の、時間と周波数と強度との関係の一例を示す図。 第１のピークの強度の時間変化の一例を示す図。 第１の実施形態の変形例に係る超音波照射装置の動作例を示すフローチャート。 第１のピークの周波数の時間変化の一例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る超音波照射装置の駆動信号設定部周辺の構成例を示す図。 第２の実施形態に係る超音波受信部が受信する超音波の、時間と周波数と強度との関係の一例を示す図。 第１のピーク及び第２のピークの強度の時間変化の一例を示す図。 第２の実施形態に係る超音波照射装置の動作例を示すフローチャート。 第１のピーク及び第２のピークの周波数の時間変化の一例を示す図。 第２の実施形態の変形例に係る超音波照射装置の駆動信号設定部周辺の構成例を示す図。 本発明の第３の実施形態に係る超音波照射装置の構成例を示す図。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る超音波照射装置１００は、例えば臓器の所望の箇所に集束超音波を照射し、その所望の箇所の組織を加熱凝固させるために用いられる。超音波照射装置１００の構成を図１に示す。この図に示すように、超音波照射装置１００は、超音波入出力部１１０と、低周波信号検出部１２０と、照射条件変更部１３０と、駆動信号設定部１４０と、駆動部１５０と、表示部１６０と、入力部１７０とを有する。
超音波入出力部１１０は、超音波射出部１１２と、超音波受信部１１４とを有する。超音波射出部１１２は、例えば凹面型の表面形状を有する圧電素子である。この圧電素子を挟んで対向するように、凹面側と凸面側に沿って、図示しない電極がそれぞれ形成されている。超音波射出部１１２は、駆動部１５０によって電極間に交流電圧を印加されることで駆動され、集束超音波（第１の超音波）を射出する。超音波射出部１１２は、例えば超音波照射対象物９００に向けられる。このとき、集束超音波は、超音波照射対象物９００内において焦点９２０に集束する。
超音波受信部１１４は、例えば広帯域特性を有する圧電素子であり、ハイドロホンとして機能する。すなわち、超音波受信部１１４は、焦点９２０及びその近傍から放射され超音波入出力部１１０に入射する音波を受信する。このとき、受信する音波には、集束超音波によって生じたキャビテーション気泡からの音波も含まれている。超音波受信部１１４は、受信した音波に応じた信号を低周波信号検出部１２０に出力する。超音波受信部１１４は、例えば超音波射出部１１２の射出面中央に設けられている。超音波受信部１１４の位置は、超音波射出部１１２の中央に限定されるものではない。超音波受信部１１４は、超音波照射対象物９００から到来する音波を検出できる構成であれよい。
低周波信号検出部１２０は、低周波フィルタ１２２と、ピーク成分検出部１２４と、比較部１２６とを有する。超音波受信部１１４から出力された受信信号は、低周波フィルタ１２２に入力される。低周波フィルタ１２２は、超音波受信部１１４から入力された受信信号のうち、所望の周波数以下の周波数成分の受信信号が通過するように設定されている。ここで、所望の周波数は、超音波射出部１１２から射出される超音波の周波数をｆ（ｆは実数）としたときに、例えばｆ／４とする。ピーク成分検出部１２４は、低周波フィルタ１２２を通過した受信信号の低周波成分、すなわち低周波信号をＦＦＴ処理する。このようにしてピーク成分検出部１２４は、低周波信号における周波数毎の信号強度、特にピークをとる周波数とその強度を所定の時刻毎に算出する。比較部１２６は、ピーク成分検出部１２４で算出された周波数毎の信号強度と予め設定された設定値との比較を行い、その結果を照射条件変更部１３０に出力する。
照射条件変更部１３０は、低周波信号検出部１２０からの入力に応じて、集束超音波の照射停止の指示、又は集束超音波の超音波設定値（変更値）を駆動信号設定部１４０に出力する。駆動信号設定部１４０は、入力部１７０から入力されるユーザの指示に基づいて、集束超音波の超音波設定値（初期値）を設定し、その周波数や強度に基づく駆動信号を作成する。また、駆動信号設定部１４０は、照射条件変更部１３０から入力された超音波設定値（変更値）に基づいて、駆動信号を作成する。駆動信号設定部１４０は、作成した駆動信号を駆動部１５０に出力する。また、駆動信号設定部１４０は、照射条件変更部１３０から入力された信号に基づいて集束超音波の照射条件を変更するときは、その変更内容を表示部１６０に表示させ、ユーザにその内容を報知する。この変更内容を、音を用いてユーザに報知するようにしてもよい。駆動部１５０は、駆動信号設定部１４０から入力された駆動信号に基づいて、超音波射出部１１２を駆動する。なお、超音波設定値とは、周波数や強度などの照射パラメータの種類や照射パラメータの値、あるいは治療や処置の術式等のことであって、これらは照射条件でもある。以下の説明では、これらの用語を適宜使って説明している。
表示部１６０は、駆動信号設定部１４０の制御下で、集束超音波の照射条件等を表示する。入力部１７０は、ユーザの指示を受け取り、その指示を駆動信号設定部１４０に出力する。ユーザは、表示部１６０に表示される情報から超音波照射装置１００の状況や、集束超音波の情報を知ることができる。またユーザは、入力部１７０を介して、集束超音波の照射の開始及び終了の情報や、集束超音波の超音波設定値を超音波照射装置１００に入力することができる。
このように、例えば超音波射出部１１２は、超音波設定値に基づいて、対象部位に向けて周波数がｆ（ｆは正の実数）である第１の周波数成分を含む第１の超音波を射出する超音波射出部として機能し、例えば超音波受信部１１４は、対象部位方向から到来する第２の超音波を受信する超音波受信部として機能し、例えば低周波信号検出部１２０は、第２の超音波に含まれる周波数がｆ／ｒ（ｒは２より大きい実数）以下の低周波信号を検出する低周波信号検出部として機能し、例えば照射条件変更部１３０は、低周波信号に基づいて超音波設定値を変更させる条件変更部として機能する。また、表示部１６０は、条件変更部が超音波設定値を変更させることをユーザに報知する報知部として機能する。
本実施形態に係る超音波照射装置１００の動作を、図２に示すフローチャートを参照して説明する。まず、ユーザは超音波照射対象物９００に超音波入出力部１１０を向ける。ここで、超音波照射対象物９００と超音波入出力部１１０との間には、カップリング材を挟むようにしてもよい。このカップリング材は、超音波照射対象物９００と超音波入出力部１１０との音響インピーダンスを整合させるためのものである。また、超音波照射対象物９００には、予め例えば超音波造影剤としてのソナゾイド（登録商標）等を投与しておいてもよい。
ステップＳ１０１において、駆動信号設定部１４０は、入力部１７０からユーザの指示を取得し、その指示に基づいて集束超音波の超音波設定値を設定する。より詳しくは以下のとおりである。ユーザは、入力部１７０を用いて超音波照射装置１００に、超音波照射対象物９００に照射する集束超音波の超音波設定値を入力する。ここで、超音波設定値は、上記のように、照射パラメータの種類、照射パラメータの値、治療や処置の術式等である。例えば、照射パラメータの種類と照射パラメータの初期値をユーザが直接入力（選択）してもよいし、ユーザが治療や処置の術式等を入力し、その術式に応じて照射パラメータの種類や照射パラメータの初期値を駆動信号設定部１４０が設定するようにしてもよい。入力部１７０は、入力された超音波設定値を駆動信号設定部１４０に出力する。駆動信号設定部１４０は、入力部１７０から入力された超音波設定値に基づいて、集束超音波の照射パラメータの種類や照射パラメータの初期値を設定する。駆動信号設定部１４０は、設定された初期値に基づいて、駆動部１５０に出力する駆動信号を作成する。なお、照射パラメータの種類は、超音波の強度や周波数に限られない。
ステップＳ１０２において、駆動信号設定部１４０は、駆動部１５０に駆動信号を出力し、超音波射出部１１２から集束超音波を射出させる。より詳しくは以下のとおりである。ユーザは、入力部１７０を用いて超音波照射装置１００（駆動信号設定部１４０）に集束超音波の射出開始の指示を入力する。集束超音波の射出開始の指示が入力された駆動信号設定部１４０は、駆動信号を駆動部１５０に出力する。駆動部１５０は、駆動信号設定部１４０から入力された駆動信号を増幅し、超音波射出部１１２に駆動信号に基づいた交流信号を印加する。超音波射出部１１２は、駆動部１５０から印加された交流信号に基づいて駆動される。すなわち、超音波射出部１１２は振動する。その結果、超音波射出部１１２から超音波照射対象物９００に向けて集束超音波が射出される。ここで、集束超音波の周波数をｆ（ｆは実数）とする。
集束超音波は、焦点９２０に集束する。集束超音波の照射によって焦点９２０において、キャビテーションが発生する。焦点９２０において、例えばこのキャビテーションによる加熱によって組織が凝固する。集束超音波の照射によって生じるキャビテーション気泡群の様子の一例を図３に示す。図３に示す画像は、集束超音波をしばらく照射してその後停止した直後に、超音波診断装置で取得した画像である。図３において、焦点９２０は、キャビテーションを発生させて加熱凝固させたい部位である。超音波照射を長時間継続すると、焦点９２０よりも超音波入出力部１１０側を含む領域９４０に、キャビテーション気泡群が発生している。図３の画像では、キャビテーション気泡群は白く認められ、焦点９２０から左側に扇状に広がっている。このキャビテーション気泡群は、集束超音波の照射時間の経過とともにその量が増えていく。これらのキャビテーション気泡群は、集束超音波の照射を停止すると、ただちに消滅し超音波診断装置では認識できない状態になる。
キャビテーション気泡は、その大きさが超音波診断装置で取得する画像では認識できない程度であれば、焦点９２０における組織の加熱凝固を促進させる効果を示す。一方、キャビテーション気泡は、その大きさが超音波診断装置で取得する画像で認識できるほどの大きさに成長すると、キャビテーション気泡群を形成する。このようになると、焦点９２０よりも超音波入出力部１１０側を含む領域９４０が加熱凝固されてしまう。すなわち、治療処置すべきでない部位の組織に損傷を与えてしまう。したがって、安全に治療や処置を行うためには、キャビテーション気泡の状態に応じて、タイミングよく集束超音波の出力強度を変化させたり、集束超音波の射出を停止させたりする必要がある。本実施形態では、超音波受信部１１４で受信した音波の情報に基づいて、集束超音波の射出を停止させる。
ステップＳ１０３において、低周波信号検出部１２０は、受信音波を解析する。より詳しくは以下のとおりである。超音波受信部１１４は、焦点９２０方向から到来する音波を受信する。超音波受信部１１４は、特にキャビテーション気泡群に由来する音波を受信することになる。超音波受信部１１４は、受信した信号を、低周波信号検出部１２０の低周波フィルタ１２２に出力する。
低周波信号検出部１２０において低周波フィルタ１２２は、超音波受信部１１４から入力された信号のうち、所望の周波数以下の周波数の受信信号（低周波信号）を抽出する。低周波フィルタ１２２は、抽出した低周波信号をピーク成分検出部１２４に出力する。ピーク成分検出部１２４は、低周波フィルタ１２２を通過した低周波信号をＦＦＴ解析し、周波数毎の信号強度、特にピークをとる周波数とその強度を所定の時刻毎に算出し、比較部１２６に出力する。
本実施形態では、例として低周波フィルタ１２２で周波数ｆ／４以下の低周波信号を抽出し、それを解析することでキャビテーション気泡群の発生を判定する。このため、低周波フィルタ１２２は、周波数ｆ／４以下の低周波信号を透過するローパスフィルタとする。なお、低周波フィルタ１２２のカットオフ周波数は、これに限らず、ｆ／２より小さければよい。ただし低周波フィルタ１２２のカットオフ周波数は、ｆ／５以上であることが好ましい。
超音波受信部１１４が受信する音波のうち、キャビテーション気泡群から発せられる音波の周波数及び強度の時間変化の一例を図４及び図５に示す。図４は、照射開始後の経過時間と周波数と強度との関係を３次元グラフに示し、図５は、照射時間毎に、周波数と強度との関係を２次元グラフに示している。ここで、集束超音波の周波数、すなわち駆動周波数はｆである。照射時間は、集束超音波の照射開始時刻をｔ０とし、その後ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４と時間が経過するものとする。図５（ａ）は時刻ｔ０における周波数と強度との関係を示し、図５（ｂ）は時刻ｔ１及びｔ２における周波数と強度との関係を示し、図５（ｃ）は時刻ｔ３及びｔ４における周波数と強度との関係を示す。
集束超音波の照射開始時（時刻ｔ０）においては、駆動周波数ｆに対応するピークのみが超音波受信部１１４によって検出される。集束超音波の照射開始から時間が経過した時刻ｔ１においては、駆動周波数ｆの成分に加えて、駆動周波数の約１／６倍の周波数ｆ／６近傍にピークが認められる。この周波数ｆ／６近傍のピークを第１のピークと称することにする。第１のピークの発生は、キャビテーション気泡群の発生に起因する。さらに時間が経過した時刻ｔ２のとき、第１のピークの強度は、時刻ｔ１の時よりも高くなり、キャビテーション気泡群が成長していることがわかる。
さらに時間が経過（時刻ｔ３及び時刻ｔ４）すると、第１のピークの周波数が徐々に低下する。例えば数十秒間超音波照射を継続すると、第１のピークの周波数は、ｆ／６近傍からｆ／８近傍まで低下する。このように、ピーク周波数は、時間経過につれて連続的に低下していく。このようなピーク周波数の低下は、キャビテーション気泡群の気泡の大きさが大きくなることに由来している。このため、ピーク周波数とキャビテーション気泡群の成長との間には強い相関がある。なお、集束超音波の照射時間が増加すると、周波数ｆ／２近傍にもピークが認められるようになる。この周波数ｆ／２のピークは、駆動周波数ｆの分調波に相当する。なお、周波数ｆ／２近傍のピークの強度は、第１のピークの強度よりも低い。
第１のピークの強度の時間変化を図６に示す。この図に示すように、キャビテーションの発生時である時刻ｔ２において強度が一端高くなり、その後低下する。この低下の後、第１のピークの強度は高低に変化するが、そのベースラインは図６中に破線で示すように徐々に高くなる。
ステップＳ１０４において、低周波信号検出部１２０の比較部１２６は、取得した低周波信号に基づいて、キャビテーション気泡群が発生したか否かを判定する。より詳しくは以下のとおりである。例えば、図５に示すように、比較部１２６に閾値Ｔｈ１を設定しておく。ピーク成分検出部１２４によって検出される低周波信号の第１のピークの強度、すなわち周波数ｆ／６近傍のピークの強度が、閾値Ｔｈ１よりも高くなったとき、比較部１２６はキャビテーション気泡群が発生したと判定する。ここで閾値Ｔｈ１は、ノイズレベルよりも十分に高い値が設定される。例えば閾値Ｔｈ１は、ノイズレベルの２倍等とすることができる。
なお、図４及び図５では、駆動周波数ｆのピークやその分調波である周波数ｆ／２のピークも示しているが、低周波信号検出部１２０における処理では、低周波フィルタ１２２によって例えば周波数ｆ／４以上の信号は遮断されている。すなわち、低周波フィルタ１２２のカットオフ周波数をｆ／２よりも小さくすることで、駆動周波数ｆの信号やその分調波である周波数ｆ／２の信号がピーク成分検出部１２４に入力されないようにすることができる。
ステップＳ１０４の判定でキャビテーション気泡群が発生していないと判定されれば、処理はステップＳ１０２に戻され、超音波照射装置１００は照射条件を変更せずに集束超音波の照射を継続する。一方、ステップＳ１０４の判定でキャビテーション気泡群が発生していると判定されれば、ステップＳ１０５において、超音波照射装置１００は、集束超音波の照射を停止する。より詳しくは以下のとおりである。キャビテーション気泡群が発生しているとの情報が、比較部１２６から照射条件変更部１３０に入力される。この情報を受領した照射条件変更部１３０は、超音波射出部１１２からの集束超音波の射出を停止するように駆動信号設定部１４０に指示を出力する。駆動信号設定部１４０は、照射条件変更部１３０からの指示に基づいて、駆動部１５０への駆動信号の出力を停止する。その結果、超音波射出部１１２は、集束超音波の射出を停止する。この際、駆動信号設定部１４０は、表示部１６０に集束超音波の射出を停止する旨の表示をさせる。その後、超音波照射装置１００は、処理を終了する。
本実施形態によれば、超音波照射装置１００は、超音波受信部１１４で受信した音波を低周波信号検出部１２０が解析することで、焦点９２０よりも超音波入出力部１１０側の領域９４０におけるキャビテーション気泡群の発生を検出することができる。キャビテーション気泡群の発生が検出されたら、超音波照射装置１００は集束超音波の照射を停止する。この集束超音波の照射停止によって、焦点９２０よりも超音波入出力部１１０側の領域９４０に集束超音波が照射されなくなる。よって、目標位置以外の組織、例えば本来加熱凝固されるべきでない組織が損傷することを防止できる。
［第１の実施形態の変形例］
第１の実施形態の変形例について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。本変形例では、キャビテーション気泡群の発生を検出したら集束超音波の照射条件を変更し、その後キャビテーション気泡群の成長を検出したら集束超音波の照射を停止する。
本変形例に係る処理の一例を表すフローチャートを図７に示す。本変形例のステップＳ２０１乃至ステップＳ２０３は、図２を参照して説明した第１の実施形態のステップＳ１０１乃至ステップＳ１０３とそれぞれ同じである。すなわち、ステップＳ２０１において、駆動信号設定部１４０は、例えば入力部１７０からユーザ指示情報を取得する。そして、そのユーザ指示情報に基づいて、超音波照射装置１００から射出する集束超音波の照射パラメータの種類及び初期値を設定する。ステップＳ２０２において、駆動信号設定部１４０は、駆動部１５０に駆動信号を出力し、超音波射出部１１２から集束超音波を射出させる。ステップＳ２０３において、超音波受信部１１４は音波を受信し、低周波信号検出部１２０はその受信信号を解析する。
ステップＳ２０４において、低周波信号検出部１２０の比較部１２６は、取得した低周波信号に基づいて、キャビテーション気泡群が発生したか否かを判定する。より詳しくは以下のとおりである。例えば比較部１２６に、第１の実施形態と同様に閾値Ｔｈ１を設定しておく。ピーク成分検出部１２４によって検出される低周波信号の第１のピーク、すなわち周波数ｆ／６近傍の第１のピークの強度が閾値Ｔｈ１よりも高くなったとき、比較部１２６はキャビテーション気泡群が発生したと判定する。
ステップＳ２０４の判定でキャビテーション気泡群が発生していないと判定されれば、処理はステップＳ２０２に戻され、超音波照射装置１００は照射条件を変更せずに集束超音波の射出を継続する。一方、ステップＳ２０４の判定でキャビテーション気泡群が発生していると判定されれば、ステップＳ２０５において、駆動信号設定部１４０は、集束超音波の照射条件を変更する。より詳しくは以下のとおりである。
照射条件変更部１３０は、低周波信号検出部１２０から入力された比較結果に基づいて、照射条件を変更する。具体的には、照射パラメータの種類や照射パラメータの数値を変更して、駆動信号の変更値を算出する。照射条件変更部１３０は、算出した駆動信号の変更値を駆動信号設定部１４０に出力すると共に、その変更値に基づいて駆動信号を変更するように駆動信号設定部１４０に指示を出力する。例えば照射条件変更部１３０は、集束超音波の強度を低下させるように、駆動信号設定部１４０へ駆動信号の変更値を出力する。ここで照射条件変更部１３０は、集束超音波の強度を、予め設定しておいた強度にするように変更値を決定してもよいし、ピーク成分検出部１２４によって検出された第１のピークの強度に基づいた強度とするように変更値を決定してもよい。
駆動信号設定部１４０は、照射条件変更部１３０から入力された変更値に基づいて、変更した駆動信号を作成する。駆動信号設定部１４０は、変更後の駆動信号を駆動部１５０に出力する。駆動部１５０は、変更後の駆動信号に基づいて超音波射出部１１２を駆動する。その結果、超音波射出部１１２は、変更後の例えば強度が低下した集束超音波を射出する。なおこの際、駆動信号設定部１４０は、変更内容を表示部１６０に表示させ、その内容をユーザに報知する。
ステップＳ２０６において、低周波信号検出部１２０の比較部１２６は、取得した低周波信号に基づいて、キャビテーション気泡群が成長したか否かを判定する。より詳しくは以下のとおりである。第１のピークの周波数の時間変化の例を図８に示す。前述のとおり、キャビテーション気泡群に由来する低周波信号の第１のピークは周波数ｆ／６近傍に検出された後、時間経過とともに徐々に低下する。ステップＳ２０６では、比較部１２６は第１のピークの周波数の低下に基づいてキャビテーション気泡群の成長を検出する。例えば、第１のピークの周波数について閾値Ｔｈ２を設定し、第１のピークの周波数が閾値Ｔｈ２よりも低くなったときキャビテーション気泡群が成長したと判断する。ここで、閾値Ｔｈ２は、例えば図８に示すように、周波数ｆ／８とすることができる。
ステップＳ２０６の判定でキャビテーション気泡群が成長していないと判定されれば、処理はステップＳ２０２に戻される。その結果、ステップＳ２０５で変更された照射条件に従って、ステップＳ２０２において超音波射出部１１２は集束超音波を射出する。一方、ステップＳ２０６の判定でキャビテーション気泡群が成長していると判定されれば、処理はステップＳ２０７に進められる。ステップＳ２０７において照射条件変更部１３０は、第１の実施形態のステップＳ１０５と同様に、集束超音波の照射を停止するように駆動信号設定部１４０に指示する。その結果、超音波照射装置１００は、集束超音波の射出を停止する。その後一連の処理は終了する。
周波数ｆ／６近傍に第１のピークが検出されるキャビテーション気泡群の発生は、ただちに目標位置以外の組織、例えば本来加熱凝固されるべきでない組織に悪影響を与えないときもある。このような場合、本変形例によれば、キャビテーション気泡群の発生からしばらくの間、すなわち、集束超音波の照射が効果を有する間であって、集束超音波の照射が目標位置以外の組織に悪影響を与えない間、集束超音波の照射を続けることができる。その後、低周波信号検出部１２０によって第１のピークの周波数の変化をチェックすることで、キャビテーション気泡群が成長して目標位置以外の組織に悪影響を与える状況になったことを検知して、照射条件変更部１３０に伝達する。その結果、照射条件変更部１３０は、駆動信号設定部１４０に指示をして集束超音波の射出を停止させることができる。
また、本変形例では、ステップＳ２０６の判定において、第１のピークの周波数が閾値Ｔｈ２よりも低くなったときにキャビテーション気泡群が成長したと判定している。しかしながら、ステップＳ２０６において、例えば図８に示した第１のピークの周波数変化ΔＦが、所定の閾値Ｔｈ３よりも大きくなった時、キャビテーション気泡群が成長したと判定するようにしてもよい。
また、ステップＳ２０６の判定において、低周波信号の周波数の変化ではなく、キャビテーション気泡群の発生が検出されてから所定の時間の経過後に、集束超音波の射出を停止してもよい。ここで所定の時間とは、例えば１秒程度とすることができる。
また、図６において破線で示したように、第１のピークの強度は徐々に増加する。そこで、ステップＳ２０６の判定において、第１のピークの強度の時間平均値を所定の時間間隔で取得し、その時間平均強度が所定の閾値以上になったとき、集束超音波の射出を停止するようにしてもよい。
以上の何れの方法を用いても、キャビテーション気泡群の発生直後でなく、キャビテーション気泡群が成長して目標位置以外の組織に悪影響が生じる前に、集束超音波の照射を停止することができる。また、上記した複数の判定条件のうち何れかを用いて、予め定めた１つの条件を満たしたときに集束超音波の強度を低下させ、予め定めた他の条件を満たしたときに集束超音波の射出を停止するようにしてもよい。これら判定条件の組み合わせは超音波照射装置１００の設計や使用条件に応じて適宜選択され得る。
［第２の実施形態］
第２の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態では、２つの異なる周波数を重畳した駆動信号を超音波射出部１１２に印加する。本実施形態においては、例として、２つの駆動周波数をｆ１＝４．６４ＭＨｚ、ｆ２＝９．２８ＭＨｚとする。駆動信号設定部１４０において２種類の周波数の信号がそれぞれ作成された後に、それらが合成されることにより駆動信号は作成され、駆動部１５０を介して超音波射出部１１２に印加される。
本実施形態に係る駆動信号設定部１４０周辺の構成を図９に示す。この図に示すように、駆動信号設定部１４０は、ｆ１生成回路１４１と、ｆ２生成回路１４２と、加算器１４３とを有する。ｆ１生成回路１４１は、周波数ｆ１の信号を生成して出力する。ｆ２生成回路１４２は、周波数ｆ２の信号を生成して出力する。ｆ１生成回路１４１から出力された周波数ｆ１の信号と、ｆ２生成回路１４２から出力された周波数ｆ２の信号とは、加算器１４３に入力される。加算器１４３は、ｆ１生成回路１４１から出力された信号と、ｆ２生成回路１４２から出力された信号とを重畳する。加算器１４３で重畳された駆動信号は、駆動部１５０に出力される。駆動部１５０は、第１の実施形態の場合と同様に、駆動信号設定部１４０から入力した駆動信号に基づいて超音波射出部１１２を駆動する。
超音波受信部１１４が受信する音波のうち、キャビテーション気泡群から発せられる音波の周波数及び強度の時間変化の一例を図１０に示す。図１０は、照射開始後の経過時間と周波数と強度との関係を、３次元グラフを用いて示している。なお、本実施形態では、周波数ｆ１やｆ２は駆動周波数であると同時に、超音波受信部１１４で受信した音波の周波数でもある。集束超音波の照射の開始時（時刻ｔ０）においては、駆動周波数ｆ１及び駆動周波数ｆ２に対応する音波のピークのみが超音波受信部１１４によって検出される。超音波照射開始から時間が経過した時刻ｔ１においては、駆動周波数ｆ１及び駆動周波数ｆ２のピークに加えて、駆動周波数ｆ２の約１／６倍の周波数ｆ２／６にピークが認められる。この周波数ｆ２／６近傍ピークを第１のピークと称することにする。この第１のピークの発生は、キャビテーション気泡群の発生に起因する。なお、時刻ｔ１は、第１の実施形態（図４を参照）における時刻ｔ２に相当するタイミングである。
さらに時間が経過した時刻ｔ２のとき、第１のピークの強度は低くなっている。この時刻ｔ２において、第１のピークに加えて周波数ｆ１／６近傍にピークが検出される。この周波数ｆ１／６近傍のピークを第２のピークと称することにする。この第２のピークの音波成分も、キャビテーション気泡群の発生に起因する。時刻ｔ３、ｔ４、ｔ５と時間が経過すると、第２のピークの強度は徐々に高くなり、周波数は徐々に低下する。一方、第１のピークの周波数はほとんど変化せず、強度はわずかに上昇していく。
第１のピーク及び第２のピークの強度の時間変化を図１１に示す。この図に示すように、キャビテーションの発生時である時刻ｔ１において、第１のピークにおいて高い強度が確認され、第１のピークの強度はその後低くなる。さらにその後は、第１のピークの強度はなだらかに高くなる。一方、第２のピークの強度は、時刻ｔ１以降徐々に高くなりやがて飽和する。
これら第１のピーク及び第２のピークは、キャビテーション気泡群の大きさのみならず、その挙動にも関連する。すなわち、第１のピーク及び第２のピークという異なる２つの低周波信号をモニタリングすることで、キャビテーション気泡群の発生のみならず、その状態をも判定できる。例えば、超音波照射対象物９００において局所的な組織破砕を行う治療を想定した場合、敢えてキャビテーション気泡群を発生させる必要がある。ここで異なる２つの低周波成分をモニタリングすれば、発生したキャビテーション気泡群の状態が、施す処置の上で安全なものか否かを判定できる。すなわち、キャビテーション気泡群を安全に有効に利用することができる。
本実施形態に係る処理の一例を示すフローチャートを図１２に示す。本実施形態のステップＳ３０１乃至ステップＳ３０５は、図７を参照して説明した第１の実施形態の変形例のステップＳ２０１乃至ステップＳ２０５とそれぞれ同様である。すなわち、ステップＳ３０１において、駆動信号設定部１４０は、例えば入力部１７０からユーザの指示を取得し、その指示に基づいて集束超音波の周波数や強度などの照射パラメータの種類と、それらの初期値を設定する。ステップＳ３０２において、駆動信号設定部１４０は、駆動部１５０に駆動信号を出力し、集束超音波を射出させる。ステップＳ３０３において、超音波受信部１１４は音波を受信し、低周波信号検出部１２０はその受信信号を解析する。
ステップＳ３０４において、低周波信号検出部１２０の比較部１２６は、取得した低周波信号に基づいて、キャビテーション気泡群が発生したか否かを判定する。より詳しくは以下のとおりである。例えば比較部１２６に、第１の実施形態と同様に閾値Ｔｈ１を設定しておく。ピーク成分検出部１２４によって検出される低周波信号の第１のピーク、すなわち周波数ｆ２／６近傍の第１のピークの強度が、閾値Ｔｈ１よりも高くなったとき、比較部１２６はキャビテーション気泡群が発生したと判定する。
ステップＳ３０４の判定でキャビテーション気泡群が発生していないと判定されれば、処理はステップＳ３０２に戻され、超音波照射装置１００は集束超音波の照射を継続する。一方、ステップＳ３０４の判定でキャビテーション気泡群が発生していると判定されれば、ステップＳ３０５において、駆動信号設定部１４０は、照射条件変更部１３０の設定に基づいて集束超音波の条件を変更する。
ステップＳ３０６において、低周波信号検出部１２０の比較部１２６は、取得した低周波信号に基づいて、キャビテーション気泡群の挙動が所望のものからはずれたか否かを判定する。より詳しくは、例えば周波数ｆ１／６の近傍である第２のピークが検出されたとき、キャビテーション気泡群の挙動が所望のものからはずれたと判定する。あるいは、第２のピークの周波数がｆ１／８近傍に設定した閾値Ｔｈ２よりも低くなったとき、キャビテーション気泡群の挙動が所望のものからはずれたと判定する。
ステップＳ３０６の判定でキャビテーション気泡群の挙動が所望のものからはずれていないと判定されれば、処理はステップＳ３０２に戻される。その結果、ステップＳ３０５で変更された照射条件に従って、ステップＳ３０２において超音波射出部１１２は集束超音波を射出する。一方、ステップＳ３０６の判定でキャビテーション気泡群の挙動が所望のものからはずれたと判定されれば、ステップＳ３０７において、照射条件変更部１３０は、集束超音波の照射を停止するように駆動信号設定部１４０に指示する。その結果、超音波照射装置１００は、集束超音波の射出を停止する。その後一連の処理は終了する。
例えば、第１のピークと第２のピークとの周波数の時間変化を図１３に示す。前述のとおり、まずキャビテーション気泡群に由来する第１のピークが周波数ｆ２／６近傍に検出される。ステップＳ３０４では、この第１のピークの検出の有無に基づいてキャビテーション気泡群の発生の有無を判定する。その後、第１のピークの周波数は時間経過とともに徐々に低下する。また、第１のピークの検出後しばらくして、第１のピークよりも低い周波数に第２のピークが検出されるようになる。第２のピークの周波数も時間経過とともに徐々に低下する。ここで、第１のピークの周波数低下の割合よりも、第２のピークの周波数低下の割合の方が大きい。ステップＳ３０６において、比較部１２６は、第２のピークの検出の有無に基づいてキャビテーション気泡群の挙動が所望のものからはずれたか否かを判定する。あるいは比較部１２６は、第２のピークの周波数が閾値Ｔｈ２よりも低くなったか否かに基づいて、キャビテーション気泡群の挙動が所望のものからはずれたか否かを判定する。
なお、ステップＳ３０６における判定では、第２のピークの周波数の低下が所定の値以上起こったときに、キャビテーション気泡群の挙動が所望のものからはずれたと判定してもよい。また、第１のピーク又は第２のピークが検出されてから所定の時間が経過したときに、キャビテーション気泡群の挙動が所望のものからはずれたと判定してもよい。また、第１のピーク及び／又は第２のピークの強度が所定値以上となったときに、キャビテーション気泡群の挙動が所望のものからはずれたと判定してもよい。また、超音波照射装置１００の使用において、照射条件をより安全側に設定したい場合、第１のピークが閾値Ｔｈ１を超えて検出された時点で、集束超音波の射出を停止するように構成してもよい。
本実施形態では、異なる２つの駆動周波数ｆ１及びｆ２の組み合わせとして、ｆ２＝２×ｆ１の関係を有する場合を例に挙げて説明したが、駆動周波数ｆ１及びｆ２の組み合わせは任意の組み合わせとすることができる。ここで低周波フィルタ１２２の通過帯域は、２つの駆動周波数のうち高い方の分調波の周波数以下とすればよい。すなわち、低周波フィルタ１２２のカットオフ周波数は、ｆ２／２以下とすればよい。
本実施形態によっても第１の実施形態又はその変形例と同様の効果が得られる。さらに、第１のピーク及び第２のピークという異なる２つの低周波信号をモニタリングすることで、キャビテーション気泡群の発生のみならず、その状態をも判定できる。したがって、発生したキャビテーション気泡群を安全に有効に用いることができる。
［第２の実施形態の変形例］
第２の実施形態の変形例について説明する。ここでは、第２の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。第２の実施形態では、１つの超音波射出部１１２から駆動周波数ｆ１と駆動周波数ｆ２とが重畳された集束超音波を射出している。これに対して本変形例では、超音波入出力部１１０は、周波数ｆ１の集束超音波を射出する第１の超音波射出部１１２１と、周波数ｆ２の集束超音波を射出する第２の超音波射出部１１２２とを有する。
本変形例に係る超音波照射装置１００の駆動信号設定部１４０周辺の構成を図１４に示す。この図に示すように、駆動信号設定部１４０は、ｆ１生成回路１４１と、ｆ２生成回路１４２とを有する。駆動部１５０は、第１の増幅器１５１と第２の増幅器１５２とを有する。また、超音波入出力部１１０は、第１の超音波射出部１１２１と第２の超音波射出部１１２２とを有する。
ｆ１生成回路１４１で生成された駆動周波数ｆ１を有する駆動信号は、第１の増幅器１５１に入力される。第１の増幅器１５１に入力され増幅された駆動周波数ｆ１を有する駆動信号は、第１の超音波射出部１１２１に入力される。その結果、第１の超音波射出部１１２１は、駆動周波数ｆ１を有する集束超音波を射出する。ｆ２生成回路１４２で生成された駆動周波数ｆ２を有する駆動信号は、第２の増幅器１５２に入力される。第２の増幅器１５２に入力され増幅された駆動周波数ｆ２を有する駆動信号は、第２の超音波射出部１１２２に入力される。その結果、第２の超音波射出部１１２２は、駆動周波数ｆ２を有する集束超音波を射出する。
第１の超音波射出部１１２１と第２の超音波射出部１１２２とは、第１の超音波射出部１１２１から射出された集束超音波と第２の超音波射出部１１２２から射出された集束超音波とが、焦点９２０において交差するように配置されている。したがって、焦点９２０においては、周波数ｆ１の集束超音波と周波数ｆ２の集束超音波とが重畳する。その結果、周波数ｆ１の信号と周波数ｆ２の信号とが重畳されている焦点９２０において、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
上記のような本変形例による構成でも、第２の実施形態と同様に動作し、同様の効果を得ることができる。
［第３の実施形態］
第３の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態では、超音波入出力部１１０が軟性内視鏡の先端に配置されており、さらにその軟性内視鏡には、超音波照射対象領域（図１の超音波照射対象物９００に相当）に超音波造影剤としてソナゾイド（登録商標）を投与するための機構が備えられている。ソナゾイド（登録商標）はある程度の粒度分布はあるものの、約４．２〜４．８ＭＨｚ付近に共振周波数をもつことが知られている。
本実施形態に係る超音波治療装置の構成図を図１５に示す。この図に示すように、本実施形態に係る超音波治療装置は注入手段を有している。軟性の内視鏡１９０の経口的に挿入される先端部には、超音波入出力部１１０が配置されている。超音波入出力部１１０は、超音波射出部１１２と超音波受信部１１４を有する。超音波射出部１１２に接続する駆動部１５０と、超音波受信部１１４に接続する低周波信号検出部１２０とは、内視鏡１９０の基端側に配置されている。超音波射出部１１２と駆動部１５０とは、内視鏡１９０を挿通する配線によって接続されており、また、超音波受信部１１４と低周波信号検出部１２０とも、内視鏡１９０を挿通する配線によって接続されている。第１の実施形態と同様に低周波信号検出部１２０には、照射条件変更部１３０が接続されており、照射条件変更部１３０には、駆動信号設定部１４０が接続されており、駆動信号設定部１４０には、駆動部１５０が接続されている。また、駆動信号設定部１４０には、表示部１６０と入力部１７０とが接続されている。
内視鏡１９０の先端の超音波入出力部１１０の近傍には、さらに穿刺部１８０が配置されている。この穿刺部１８０には、内視鏡１９０の基端側に配置された加圧部１８５が接続されている。穿刺部１８０は、超音波射出部１１２が射出する集束超音波の焦点９２０の近傍に、加圧部１８５から供給された超音波造影剤等を投与することができる。このように、穿刺部１８０及び加圧部１８５は、超音波を反射又は散乱させる微小物質を、対象部位に注入する注入部として機能する。その他の構成は第１の実施形態の場合と同様である。このとき、照射する超音波の周波数ｆはソナゾイド（登録商標）の共振周波数又はその高次の周波数に設定することが望ましい。なお、穿刺部１８０による超音波造影剤等の投与位置及び集束超音波の焦点位置は、音源に対して治療対象領域の中心よりも後方とすることが望ましい。このような位置関係とすることにより、造影剤などによる遮蔽効果を低減しつつ、高い治療効果を得ることが出来る。
本実施形態によれば、例えば消化管越しに例えば膵臓や胆嚢に集束超音波を照射することができる。さらに、この集束超音波の焦点９２０の近傍のみに穿刺部１８０によって超音波造影剤等を投与できるので、超局所での超音波照射による加熱増強効果が見込める。この際、超音波照射装置を第１の実施形態や第２の実施形態のように駆動することで、第１の実施形態や第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第２の実施形態と同様に、駆動周波数ｆ１と駆動周波数ｆ２とで超音波射出部１１２を駆動するようにしてもよい。また、内視鏡１９０は軟性内視鏡に限らず、硬性鏡を用いてもよい。また、注入する薬液は、超音波造影剤に限定されず、ナノバブルや金などの微粒子といった超音波を反射する物質でもよい。超音波を反射する物質を投与すると、その部分でキャビテーションが起こりやすくなり、さらに、反射超音波を有効に利用することができるようになる。超音波造影剤等は、静脈注射等で投与することも可能である。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても、発明が解決しようとする課題の欄で述べられた課題が解決でき、かつ、発明の効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成も発明として抽出され得る。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１００…超音波照射装置、１１０…超音波入出力部、１１２…超音波射出部、１１２１…第１の超音波射出部、１１２２…第２の超音波射出部、１１４…超音波受信部、１２０…低周波信号検出部、１２２…低周波フィルタ、１２４…ピーク成分検出部、１２６…比較部、１３０…照射条件変更部、１４０…駆動信号設定部、１４１…ｆ１生成回路、１４２…ｆ２生成回路、１４３…加算器、１５０…駆動部、１５１…第１の増幅器、１５２…第２の増幅器、１６０…表示部、１７０…入力部、１８０…穿刺部、１８５…加圧部、１９０…内視鏡、９００…超音波照射対象物、９２０…焦点。

Claims (7)

  1. 超音波設定値に基づいて、対象部位に向けて周波数がｆ（ｆは正の実数）である第１の周波数成分を含む第１の超音波を射出する超音波射出部と、
    前記対象部位方向から到来する第２の超音波を受信する超音波受信部と、
    前記第２の超音波に含まれる周波数がｆ／ｒ（ｒは２より大きい実数）以下の低周波信号を検出する低周波信号検出部と、
    前記低周波信号に基づいて、前記超音波設定値を変更させる条件変更部と、
    を具備し、
    前記第１の超音波は、周波数が前記ｆである前記第１の周波数成分と、周波数がｆ´（ｆ´はｆよりも小さな正の実数）である第２の周波数成分とを含み、
    前記低周波信号検出部が、ｆ／ｒよりも低い周波数を有し所定の閾値以上の強度を有する第１の低周波信号と、該第１の低周波信号と異なるｆ´／ｒよりも低い周波数を有し所定の閾値以上の強度を有する第２の低周波信号とである２つの前記低周波信号を検出したら、前記条件変更部は前記超音波設定値を変更させる、
    超音波照射装置。
  2. 超音波設定値に基づいて、対象部位に向けて周波数がｆ（ｆは正の実数）である第１の周波数成分を含む第１の超音波を射出する超音波射出部と、
    前記対象部位方向から到来する第２の超音波を受信する超音波受信部と、
    前記第２の超音波に含まれる周波数がｆ／ｒ（ｒは２より大きい実数）以下の低周波信号を検出する低周波信号検出部と、
    前記低周波信号に基づいて、前記超音波設定値を変更させる条件変更部と、
    を具備し、
    前記第１の超音波は、周波数が前記ｆである前記第１の周波数成分と、周波数がｆ´（ｆ´はｆよりも小さな正の実数）である第２の周波数成分とを含み、
    前記低周波信号検出部がｆ／ｒよりも低い周波数を有し所定の閾値以上の強度を有する第１の低周波信号を検出したら、前記条件変更部は前記第１の超音波の強度を低下させ、
    前記低周波信号検出部が前記第１の低周波信号と異なるｆ´／ｒよりも低い周波数を有し所定の閾値以上の強度を有する第２の低周波信号を検出したら、又は該第２の低周波信号が所定の変化をしたことを検出したら、前記条件変更部は前記第１の超音波の射出を停止させる、
    超音波照射装置。
  3. 前記超音波設定値の変更は、前記第１の超音波の射出を停止させる変更である、請求項１に記載の超音波照射装置。
  4. 前記ｒは４である、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
  5. ｆ＝２×ｆ´である、請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
  6. 前記条件変更部が前記超音波設定値を変更させることをユーザに報知する報知部をさらに具備する、請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
  7. 超音波を反射又は散乱させる微小物質を、前記対象部位に注入する注入部をさらに具備する、請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
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