JP5851127B2 - 超音波照射装置及び超音波照射装置の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波照射装置及び超音波の照射方法に関する。

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。特に、予め媒質中にマイクロバブルやナノバブルと呼ばれる微小気泡を存在させ、この微小気泡を超音波照射によって圧壊させることで、低い音圧でキャビテーションを発生させられることが注目されている。

例えば特許文献１には、カテーテル状の装置が開示されている。この装置は、超音波診断技術により対象物の観察を行いながら、超音波照射により血栓等の治療を行うことができる。そのためこの装置は、超音波映像装置と、形状を制御できる構造物と、液体を外部に送出及び吸引できる構造物と、病変部破壊手段とを有する。ここで病変部破壊手段が、超音波を射出する手段である。特許文献１には、病変部破壊手段が射出する超音波の周波数は１００ｋＨｚ以下であることが望ましいことが開示されている。また、血管に挿入して治療を行う場合、装置の外径は５ｍｍ以下であることが望ましいことが開示されている。

また、例えば特許文献２には、体腔内向けの超音波診断治療装置が開示されている。この装置は、外径が２〜３ｍｍ程度の１つの超音波プローブを有する。この超音波プローブは、超音波画像診断のための使用と、超音波照射による薬剤活性化のための使用とに切り替えて用いることができる。特許文献２には、超音波プローブを治療における薬剤活性化に用いる場合、強いパワー（例えば周波数が１〜数ＭＨｚ、出力が１Ｗ程度）で超音波振動子を駆動して、高いエネルギの超音波を射出することが望ましいことが開示されている。

特開平５−２７７１１５号公報 特許第３７４２７７１号公報

キャビテーションを発生させるために、特許文献１のように比較的低い周波数の超音波を射出するには、超音波射出部の共振周波数を低くする必要がある。共振周波数を下げるためには、超音波射出部を大きくする必要がある。すなわち、この場合、超音波射出部を小型化することが困難である。一方、小さな超音波射出部を低周波数で駆動しようとすると、エネルギ効率が悪くなる。また、特許文献２のように、予め投与した薬剤の活性を利用する場合、比較的高い周波数の超音波を用いるため、超音波射出部の小型化は比較的容易となる。しかしながら、小型の超音波射出部を用いて、例えば組織をアブレーション（凝固）できるレベルの高パワーを出力することは困難である。

そこで本発明は、小型の超音波射出部を用いながら超音波を反射又は散乱する微小気泡あるいは微粒子が存在する部分で効率よくキャビテーションを発生させることができる超音波照射装置及び超音波照射装置の作動方法を提供することを目的とする。

上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、超音波を反射又は散乱する微小気泡又は微粒子が存在する対象部位に超音波を照射する超音波照射装置であって、前記微小気泡又は微粒子の共振周波数ｆＢ（ｆＢは正の実数）についての情報の入力を受け付ける入力部と、前記微小気泡又は微粒子の共振周波数の中心周波数に基づいて周波数をｆ＝ｎ×ｆＢ（ｎは２以上の整数）と決定し、周波数がｆ＝ｎ×ｆＢである信号成分のみを含む駆動信号を作成する駆動信号設定部と、前記駆動信号に基づいて、周波数が前記ｆである音波成分のみを含む前記超音波を射出する超音波射出部とを具備することを特徴とする。

また、上記目的を果たすため、本発明の超音波照射装置を動作させる作動方法の一態様は、超音波を照射する超音波照射装置を動作させる作動方法であって、前記超音波照射装置が、微小気泡又は微粒子の共振周波数ｆＢ（ｆＢは正の実数）を取得することと、前記微小気泡又は微粒子の共振周波数の中心周波数に基づいて周波数をｆ＝ｎ×ｆＢ（ｎは２以上の整数）と決定し、周波数がｆ＝ｎ×ｆＢである信号成分のみを含む駆動信号を作成することと、前記駆動信号に基づいて周波数が前記ｆである音波成分のみを含む前記超音波を射出することとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、微小気泡又は微粒子の共振周波数ｆＢに対してｎ×ｆＢの周波数で超音波射出部を駆動し、微小気泡又は微粒子の高次振動モードや微小気泡又は微粒子が存在する部分で生じる分調波を利用するので、小型の超音波射出部を用いながら微小気泡又は微粒子が存在する部分で効率よくキャビテーションを発生させることができる超音波照射装置及び超音波照射装置の作動方法を提供できる。

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によって超音波照射された部位の周波数と音圧との関係を説明するための模式図。 第２の実施形態に係る超音波照射装置の構成例を示す図。 第２の実施形態の第１の変形例に係る時間と駆動信号の電位との関係の一例を示す模式図。 第２の実施形態の第１の変形例に係る時間と駆動信号の電位との関係の一例を示す模式図。 第２の実施形態の第１の変形例に係る時間と駆動信号の電位との関係の一例を示す模式図。 第２の実施形態の第２の変形例に係る時間と駆動信号の電位との関係の一例を示す模式図。 第２の実施形態の第３の変形例に係る時間と駆動信号の電位との関係の一例を示す模式図。 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３の実施形態の第１の変形例に係る超音波照射装置の構成例を示す図。 第４の実施形態に係る超音波照射装置の構成例を示す図。 第５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］
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、例えば腹部や胸部などに小孔を開けて局所に対して処置を行う硬性鏡外科手術に用いられる。超音波照射装置１００は、患部等の目標位置に超音波を照射し、その目標位置及びその近傍にある生体組織を加熱凝固させるために用いられる。なお、当該処置においては、目標位置に予め微小気泡あるいは微粒子（以下、単に微小気泡と称する。）が存在する。そのために、例えば超音波造影剤であるソナゾイド（登録商標）等が、目標位置に予め投与される。

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、超音波射出部１１０と、入力部１２０と、表示部１３０と、駆動信号設定部１４０と、駆動部１５０とを有する。超音波射出部１１０は、例えば凹面型の表面形状を有する圧電素子を含む。この圧電素子を挟んで対向するように、凹面及び凸面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１１０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る。その結果、超音波射出部１１０は、その凹面側から超音波を射出する。

超音波射出部１１０は、例えば対象物９００に向けられる。このとき、超音波射出部１１０から射出された超音波（射出超音波）は、対象物９００内において焦点９２０に集束する。焦点９２０に超音波造影剤等の微小気泡を予め存在させておくと、射出超音波が照射されたとき、その微小気泡が圧壊し、気泡核（サテライトバブル）が生成する。その結果、焦点９２０においてキャビテーションが発生し、焦点９２０及びその近傍にある生体組織の加熱凝固が促進される。

入力部１２０は、ユーザの指示を受け取り、その指示をユーザ指示信号として駆動信号設定部１４０に出力する。表示部１３０は、駆動信号設定部１４０の制御下で、超音波の照射条件等を表示する。ユーザは、表示部１３０に表示される情報を確認しながら、超音波照射装置１００の状況や、射出超音波の情報を取得できる。ユーザは、入力部１２０を介して、超音波照射の開始及び終了に関する情報や射出超音波の強度に関する情報等を入力できる。特に入力部１２０を介して、超音波造影剤等の微小気泡の共振周波数ｆＢが入力される。

駆動信号設定部１４０は、入力部１２０から入力されるユーザ指示信号に基づいて、射出超音波の周波数や強度を設定する。ここで駆動信号設定部１４０は、入力部１２０から入力された微小気泡の周波数ｆＢに基づいて、駆動周波数ｆ１を決定する。本実施形態では、ｆ１＝２×ｆＢとする。駆動信号設定部１４０は、ｆ１生成回路１４２を有する。駆動信号設定部１４０は、設定した周波数や強度に基づく駆動信号を、ｆ１生成回路１４２を用いて作成する。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、設定した周波数や強度等の射出超音波の情報を表示部１３０に表示させ、ユーザにその内容を報知する。この情報を、音を用いてユーザに報知するようにしてもよい。

本実施形態では、例として共振周波数ｆＢが４．５〜４．８ＭＨｚ程度であるソナゾイドを微小気泡として用いるものとする。本実施形態では、駆動周波数ｆ１を例えば共振周波数ｆＢの２倍とする。微小気泡の共振周波数には、ある程度の分布があるので、その中心周波数等の代表値に基づいて駆動周波数ｆ１を適宜決定する。本実施形態では、駆動周波数ｆ１を例えば９．２８ＭＨｚとする。

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する。駆動部１５０は、増幅した信号を用いて、超音波射出部１１０を駆動周波数ｆ１で駆動する。その結果、超音波射出部１１０は振動し、周波数が駆動周波数ｆ１であり焦点９２０に集束する超音波を射出する。

このように、例えば入力部１２０は、微小気泡の共振周波数ｆＢについての情報の入力を受け付ける入力部として機能し、例えば駆動信号設定部１４０は、周波数がｆ＝ｎ×ｆＢである信号成分を含む駆動信号を作成する駆動信号設定部として機能し、例えば超音波射出部１１０は、駆動信号に基づいて周波数がｆである音波成分を含む超音波を射出する超音波射出部として機能する。

本実施形態に係る超音波照射装置１００の動作を説明する。まず、ユーザは対象物９００に超音波射出部１１０を向ける。ここで、対象物９００と超音波射出部１１０との間に、超音波ゼリー等の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、対象物９００と超音波射出部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、ユーザは、対象物９００の目標位置に例えば共振周波数ｆＢが４．５〜４．８ＭＨｚ程度である微小気泡を存在させておく。

ユーザは、入力部１２０を用いて超音波照射装置１００に、微小気泡の共振周波数ｆＢと、射出超音波の強度等とを入力する。入力部１２０は、ユーザの指示をユーザ指示信号として駆動信号設定部１４０に出力する。駆動信号設定部１４０は、入力部１２０から入力されたユーザ指示信号に基づいて、射出超音波の周波数や強度等を設定する。ここで、ユーザは、微小気泡の共振周波数ｆＢや射出超音波の強度を直接入力してもよいし、予め用意された選択肢の中から選択してもよい。また、ユーザは、用いる微小気泡の種類や、治療や処置の術式等を直接入力することも、予め用意された選択肢の中から選択することもできる。これらの情報に基づいて、駆動信号設定部１４０は射出超音波の強度や周波数を設定する。ここで駆動周波数ｆ１は、例えば２×ｆＢである９．２８ＭＨｚと設定される。駆動信号設定部１４０は、設定したパラメータに基づいて、ｆ１生成回路１４２を用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。

ユーザは、入力部１２０に超音波の射出開始の指示を入力する。このとき駆動信号設定部１４０は、ｆ１生成回路１４２から駆動部１５０に交流信号である駆動信号を出力する。駆動部１５０は、入力された駆動信号を増幅し、増幅した駆動信号を超音波射出部１１０に印加する。その結果、超音波射出部１１０は駆動される。すなわち、超音波射出部１１０は振動する。この振動により、超音波射出部１１０から対象物９００に向けて射出超音波が照射される。

射出超音波は焦点９２０に集束する。微小気泡の共振周波数ｆＢに対して射出超音波の周波数が２×ｆＢであるので、射出超音波が照射された焦点９２０において、微小気泡は、２次共振周波数に対応する振動モードで共振する。その結果、微小気泡は圧壊する。この微小気泡の圧壊に伴いキャビテーションが発生する。また、微小気泡が圧壊するときに、その微小気泡から超音波と微小気泡の非線形性に由来して分調波（サブハーモニック）が放射されることが知られている。この分調波は、周波数が駆動周波数ｆ１の２分の１、すなわちｆ１／２である超音波である。本実施形態では駆動周波数はｆ１＝２×ｆＢであるので、その分調波の周波数ｆ１／２はｆＢとなる。

このように、駆動周波数ｆ１の超音波が照射されることによって、微小気泡は、まず２次共振周波数に対応する振動モードで振動し圧壊する。その結果、圧壊によって分調波が放射される。分調波の周波数は微小気泡の共振周波数ｆＢと一致するので、分調波によって微小気泡は共振する。その結果、微小気泡の圧壊はさらに促進される。焦点９２０においては、圧壊で細かくなった気泡核（サテライトバブル）の振動が促進される。なぜなら、このサテライトバブルの直径は予め存在させておいたバブルの直径よりも小さいので、その共振周波数はバブルの共振周波数ｆＢよりも高いからである。サテライトバブルの振動が促進される結果、対象物９００に対して高い加熱効果が得られ、焦点９２０及びその近傍の生体組織が凝固する。

焦点９２０で観測される音圧の周波数解析の結果例の模式図を図２に示す。この図に示すように、焦点９２０では、駆動周波数ｆ１と分調波の周波数ｆ１／２との２つのピークが認められる。ここで駆動周波数ｆ１＝２×ｆＢである。したがって、周波数ｆ１／２は、微小気泡の共振周波数ｆＢに相当する。駆動周波数ｆ１を微小気泡の共振周波数ｆＢとも２×ｆＢとも一致させなかった場合における周波数と音圧との関係を図２中に破線で示す。この破線で示した周波数特性と実線で示した本実施形態の場合の周波数特性とを比べると、本実施形態では微小気泡の共振周波数ｆＢと、その倍音である２×ｆＢにピークが認められ、キャビテーションを発生させるためのエネルギ効率がよいことが明らかである。

なお、図２における破線で示す場合でも分調波は発生する。しかしながら、微小気泡の圧壊が生じる頻度が低いので、発生する分調波の音圧も低く、図２においては図示されていない。また、本実施形態の場合、周波数がｆ１／３やｆ１／４等である分調波も発生する。しかしながら図２では、一部の周波数領域しか示されていないので、周波数がより低いこれら分調波については図示されていない。

本実施形態によれば、小型化のため共振周波数が比較的高くなる小さな超音波振動子を超音波射出部１１０として用いても、駆動周波数を微小気泡の共振周波数の２倍に設定しているので、比較的低い周波数を有する超音波（分調波）を発生させることができる。その結果、効率よくキャビテーションを発生させることができる。したがって、効率的に
生体組織を加熱凝固することが可能となる。

本実施形態では、ｆ１＝２×ｆＢとしたが、ｆ１は、ｆＢの２倍に限らず、３倍や４倍など、ｆＢのｎ倍（ｎは２以上の整数）としてもその分調波として周波数ｆＢの超音波が発生するので、同様に機能し同様の効果が得られる。また、本実施形態では、射出超音波は集束するものとして説明したが、これに限らない。射出超音波は平行波でもよいし、目標位置が比較的近距離であり十分なエネルギを与えられるのであれば射出超音波は拡散波でもよい。また、超音波射出部１１０の形状も、本実施形態のように凹面型に限定されるものではなく、超音波射出部１１０が複数に分割され、分割した素子それぞれに所定の時間差をつけて駆動することで超音波を所望の位置に集束させるようにしても良い。また時間差の与え方を変更することによって、焦点位置９２０を変更したり、所望のタイミングで平行波や拡散波へ変更するなどしても良い。

［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有する超音波を射出する。異なる周波数の超音波が照射されると、対象物の非線形性に起因して差音が発生する。本実施形態では、この差音を利用する。なお、差音とは、周波数が、複数の周波数の差である超音波のことである。

本実施形態に係る超音波照射装置１００の構成の概略を図３に示す。この図に示すように、本実施形態に係る駆動信号設定部１４０は、ｆ１生成回路１４２と、ｆ２生成回路１４４と、加算器１４６とを有する。本実施形態において駆動信号設定部１４０は、入力部１２０から入力されたユーザ指示信号に基づいて、第１の駆動周波数ｆ１と第２の駆動周波数ｆ２とを設定する。

本実施形態では、第１の駆動周波数ｆ１は、入力部１２０から入力された微小気泡の共振周波数ｆＢと等しく設定される。例えば、微小気泡の共振周波数ｆＢが４．６４ＭＨｚであるとき、第１の駆動周波数ｆ１も４．６４ＭＨｚに設定される。また、第２の駆動周波数ｆ２は、第１の駆動周波数ｆ１の２倍に設定される。例えば、微小気泡の共振周波数ｆＢが４．６４ＭＨｚであるとき、第２の駆動周波数ｆ２は９．２８ＭＨｚに設定される。

駆動信号設定部１４０は、周波数が第１の駆動周波数ｆ１である第１の駆動信号を、ｆ１生成回路１４２を用いて作成する。また、駆動信号設定部１４０は、周波数が第２の駆動周波数ｆ２である第２の駆動信号を、ｆ２生成回路１４４を用いて作成する。ｆ１生成回路１４２で作成された第１の駆動信号と、ｆ２生成回路１４４で作成された第２の駆動信号とは、加算器１４６に入力される。加算器１４６は、第１の駆動信号と第２の駆動信号とを重畳し、重畳駆動信号を作成する。加算器１４６は、作成した重畳駆動信号を駆動部１５０に出力する。

その他の構成は、第１の実施形態の場合と同様である。本実施形態では、超音波射出部１１０は、重畳駆動信号に基づいて、周波数が第１の駆動周波数ｆ１である第１の超音波と、周波数が第２の駆動周波数ｆ２である第２の超音波とを射出する。その結果、焦点９２０において次のような現象が生じる。対象物９００の超音波伝播性の非線形性に由来して、焦点９２０では、第１の駆動周波数ｆ１と第２の駆動周波数ｆ２との差音、すなわち周波数がｆ２−ｆ１＝４．６４ＭＨｚ＝ｆＢである超音波が発生する。

第１の駆動周波数ｆ１＝ｆＢとし、第２の駆動周波数ｆ２＝２×ｆ１＝２×ｆＢとすることで、次のようにして周波数ｆＢの超音波が３通りの方法で得られる。すなわち、１つ目は、第１の超音波によるものである。第１の超音波の周波数は、前述のとおり第１の駆動周波数ｆ１＝ｆＢである。２つ目として、対象物９００の非線形性に由来する差音（周波数がｆ２−ｆ１＝ｆＢの超音波）が、焦点９２０において発生する。３つ目として、第１の実施形態の場合と同様に、第２の超音波の分調波が、微小気泡の圧壊時に発生する。第２の超音波の周波数は、第２の駆動周波数ｆ２＝２×ｆＢである。したがって、第２の超音波の分調波の周波数は、ｆ２／２＝ｆＢである。これら３種類に由来する周波数ｆＢの超音波によって、射出超音波を効率的に用いることができる。したがって、超音波照射装置１００は、高いエネルギ効率を得ることができる。すなわち、超音波射出部１１０から射出する超音波のエネルギを比較的低くしながら、焦点９２０において微小気泡を圧壊させ、それに伴ってキャビテーションを発生させることができる。

本実施形態は、単パルス、又は、数パルスからバースト波状の駆動信号を用いることによって、微小気泡の圧壊やその結果生じるキャビテーションを用いる治療、例えば生体組織を破砕する処置やアブレーション等に利用できる。

なお、本実施形態の場合、対象物９００の非線形性に由来する和音を利用することもできる。和音とは、周波数が、複数の周波数の和である超音波のことである。本実施形態では第１の駆動周波数ｆ１と第２の駆動周波数ｆ２との和音、すなわち、周波数がｆ１＋ｆ２＝１３．９２ＭＨｚである超音波も焦点９２０において発生する。このような高い周波数を有する超音波は、それ自体で対象物９００にキャビテーションを発生させる。すなわち、本実施形態のような射出超音波を連続的に照射することにより、焦点９２０及び近傍の生体組織の加熱凝固を促進する効果も得られる。また、このような超音波（周波数ｆ１＋ｆ２）は、後述のサテライトバブルの振動の促進にも有効となる。

本実施形態において、第１の駆動信号の振幅は、第２の駆動信号の振幅よりも大きくなるように設定してもよい。その理由は、以下のとおりである。本実施形態では、超音波射出部１１０を小型化している。このため、その共振周波数は高くならざるを得ない。その結果、超音波射出部１１０は、周波数がより高い第２の駆動周波数ｆ２である超音波の方が出力を高くしやすい。そこで、処置の種類によっては、第１の駆動周波数ｆ１を有する第１の超音波の強度と、第２の駆動周波数ｆ２を有する第２の超音波の強度とが同程度になるように、駆動信号設定部１４０によって第１の駆動信号及び第２の駆動信号の振幅を調整する場合がある。

本実施形態では、ｆ１＝ｆＢとし、ｆ２＝２×ｆＢとしているが、これに限らず、ｆ１＝ｍ×ｆＢ、ｆ２＝ｎ×ｆＢ（ｎ、ｍはそれぞれ自然数でありｍ＜ｎ）であれば、同様に機能し同様の効果が得られる。特にｎ＝ｍ＋１とすることが、差音がｆＢとなるので好ましい。

［第２の実施形態の第１の変形例］
第２の実施形態の第１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。本変形例では、第１の駆動周波数ｆ１を有する第１の駆動信号の振幅を、所定の時間毎に大きくしたり小さくしたり変化させる。

本変形例における第１の駆動信号の時間経過に対する電位の関係と、第２の駆動信号の時間経過に対する電位の関係とを図４に示す。この図に示すように、第１の時間領域２１０と、第２の時間領域２２０とが交互に設けられている。第１の駆動信号の振幅は、第１の時間領域２１０において相対的に大きく、第２の時間領域２２０において相対的に小さくなっている。第２の駆動信号の振幅は、第１の時間領域２１０と第２の時間領域２２０とで変化しない。なお、前記したとおり、射出される第１の超音波及び第２の超音波は、それぞれ第１の駆動信号及び第２の駆動信号に応じる。したがって第１の超音波の強度は、第１の時間領域２１０において高く、第２の時間領域２２０において低い。

このような第１の駆動信号の振幅を変化させると次のような効果が得られる。第１の時間領域２１０においては、第１の駆動信号による第１の超音波と、第２の駆動信号による第２の超音波とが重畳されて、第２の実施形態の説明で述べたとおりキャビテーションの発生が非常に顕著となる。一方、第２の時間領域２２０においては、第２の超音波の効果が支配的となる。第２の超音波の照射によって、圧壊で細かくなったサテライトバブルの振動が促進される。なぜなら、このサテライトバブルの直径は予め存在させておいたバブルの直径よりも小さいので、その共振周波数はバブルの共振周波数ｆＢよりも高いからである。サテライトバブルの振動が促進される結果、対象物９００に対して高い加熱効果が得られる。すなわち、第１の駆動信号の振幅を第２の駆動信号の振幅に対して時間的に変化させることにより、効率的に治療のための処置を行うことができる。なお、第１実施形態においても、上記の第２の超音波（２×ｆＢ）に該当する超音波を用いていることから、同様の効果が得られることはいうまでもない。

なお、第１の駆動信号の振幅の変化は図４に示すようなものに限らない。例えば図５に示すように、第１の時間領域２１０では第１の駆動信号をＯＮにし、第２の時間領域２２０では第２の駆動信号をＯＦＦにするようにしてもよい。このように制御することによって、第１の時間領域２１０で圧壊のみ選択的に引き起こし気泡核（サテライトバブル）を生成し、第２の時間領域２２０で積極的に気泡核（サテライトバブル）の振動を選択的に促進して効率的な加熱凝固が期待できる。また、図６に示すように、第１の駆動信号を徐々に低下させるようにしてもよい。また、第１の駆動信号の振幅が一定であり、第２の駆動信号の振幅が時間とともに変化するようにしてもよい。また、第１の駆動信号の振幅と第２の駆動信号の振幅とを共に変化させてもよい。何れの場合も本変形例と同様の効果が得られる。

［第２の実施形態の第２の変形例］
第２の実施形態の第２の変形例について説明する。ここでは、第２の実施形態の第１の変形例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、第１の時間領域２１０と第２の時間領域２２０とで、第１の駆動信号の位相を変化させる。

本変形例における時間経過に対する第１の駆動信号の電位の関係と、時間経過に対する第２の駆動信号の電位の関係とを図７に示す。この図に示すように、第２の時間領域２２０における第１の駆動信号の位相は、第１の時間領域２１０における第１の駆動信号の位相と１８０°ずれている。

このような駆動信号を用いることにより、超音波射出部１１０における圧電素子の変位量は、正方向と負方向で不均等となる。その結果、超音波射出部１１０は、和音、差音、及び高調波の音場を変化させることができる。このように変化させることによって、上述した第１の変形例の場合と同様に、キャビテーションの発生を非常に顕著とすることと、圧壊で細かくなったサテライトバブルの振動を促進して対象物９００において高い加熱効果を得ることとを、時間的に切り替えることができる。

なお、第１の時間領域２１０における駆動信号と第２の時間領域２２０における駆動信号との位相差は１８０°に限らず、治療対象や微小気泡の種類、処置の種類に応じて、適宜調整することで同様の効果が得られる。また、第１の駆動信号の位相のみならず、第２の駆動信号の位相を変化させてもよいし、第２の駆動信号の位相のみを変化させてもよい。

［第２の実施形態の第３の変形例］
第２の実施形態の第３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。本変形例では、第１の時間領域２１０と第２の時間領域２２０とで、第１の駆動信号の第１の駆動周波数ｆ１と、第２の駆動信号の第２の駆動周波数ｆ２とを変化させる。

本変形例における時間経過に対する第１の駆動信号の電位の関係と、時間経過に対する第２の駆動信号の電位の関係とを図８に示す。本変形例では、例えば、第１の駆動信号の周波数を、第１の時間領域２１０においては微小気泡の共振周波数ｆＢとする。また、第１の駆動信号の周波数を、第２の時間領域２２０においては２×ｆＢとする。一方、第２の駆動信号の周波数を、第１の時間領域２１０において２×ｆＢとする。また、第２の駆動信号の周波数を、第２の時間領域２２０においては３×ｆＢとする。

この例では、第１の駆動信号と第２の駆動周波数との差が、常にｆＢとなっている。すなわち、第１の超音波と第２の超音波との差音の周波数が微小気泡の共振周波数ｆＢとなっている。このような第１の駆動信号及び第２の駆動信号を用いると、キャビテーション生成を継続しながら、射出超音波の周波数を高低に変化させることができる。したがって、第１の変形例と同様に加熱効果を促進させられる。

なお、第１の駆動信号の周波数と第２の駆動信号の周波数との組み合わせは上記に限定されない。第１の超音波と第２の超音波の和音又は差音の周波数が、ｌ×ｆＢ（ｌは自然数）となるようにすれば、同様の効果が得られる。また、第１の駆動信号の周波数と第２の駆動信号の周波数とを共に変化させなくても、第１の超音波と第２の超音波の和音又は差音の周波数が、ｌ×ｆＢ（ｌは自然数）となるようにすれば、一方を変化させてもよい。また、第１の駆動信号の周波数と第２の駆動信号の周波数とを、上記の関係を維持したまま連続的に変化させてもよい。

［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。本実施形態では、超音波射出部１１０は、２つの超音波射出部を有している。２つの超音波射出部のそれぞれから異なる周波数の超音波を射出する。

本実施形態に係る超音波照射装置１００の構成の概略を図９に示す。この図に示すように、本実施形態に係る駆動信号設定部１４０は、ｆ１生成回路１４２と、ｆ２生成回路１４４とを有する。駆動部１５０は、第１の増幅器１５２と第２の増幅器１５４とを有する。超音波射出部１１０は、第１の超音波素子１１２と第２の超音波素子１１４とを有する。

本実施形態において駆動信号設定部１４０は、入力部１２０から入力されたユーザ指示信号に基づいて、第１の駆動周波数ｆ１と第２の駆動周波数ｆ２とを設定する。駆動信号設定部１４０は、ｆ１生成回路１４２を用いて周波数が第１の駆動周波数ｆ１である駆動信号を作成し、ｆ２生成回路１４４を用いて周波数が第２の駆動周波数ｆ２である駆動信号を作成する。

ｆ１生成回路１４２で生成された駆動信号は、第１の増幅器１５２に入力される。第１の増幅器１５２に入力され増幅された駆動信号は、第１の超音波素子１１２に入力される。その結果、第１の超音波素子１１２は、周波数が第１の駆動周波数ｆ１である第１の超音波を射出する。ｆ２生成回路１４４で生成された駆動信号は、第２の増幅器１５４に入力される。第２の増幅器１５４に入力され増幅された駆動信号は、第２の超音波素子１１４に入力される。その結果、第２の超音波素子１１４は、周波数が第２の駆動周波数ｆ２である第２の超音波を射出する。第１の超音波と第２の超音波とが重なる領域において、対象物９００の超音波伝播性の非線形性に由来して、第１の駆動周波数ｆ１と第２の駆動周波数ｆ２との差音、すなわち周波数がｆ２−ｆ１である超音波が発生する。

本実施形態においても、第２の実施形態の場合と同様に、第１の駆動周波数ｆ１を入力部１２０から入力された微小気泡の共振周波数ｆＢと等しくする。例えば、微小気泡の共振周波数ｆＢが４．６４ＭＨｚであるとき、第１の駆動周波数ｆ１は４．６４ＭＨｚに設定される。また、第２の駆動周波数ｆ２は第１の駆動周波数ｆ１の２倍に設定される。例えば、微小気泡の共振周波数ｆＢが４．６４ＭＨｚであるとき、第２の駆動周波数ｆ２は９．２８ＭＨｚに設定される。

第２の実施形態の場合と同様に、第１の駆動周波数ｆ１＝ｆＢとし、第２の駆動周波数ｆ２＝２×ｆ１＝２×ｆＢとすることで、周波数ｆＢを有する超音波が３通りの方法で得られる。すなわち、１つ目として、周波数が第１の駆動周波数ｆ１である第１の超音波が第１の超音波素子１１２から射出される。２つ目として、対象物９００の非線形性に由来する差音（周波数がｆ２−ｆ１＝ｆＢの超音波）が、第１の超音波と第２の超音波が重畳する領域で発生する。３つ目として、第２の超音波の分調波として生じる周波数ｆ２／２＝ｆＢを有する超音波が、微小気泡の圧壊時に発生する。これら３種類の由来を有する周波数ｆＢの超音波によって、超音波射出部１１０から射出する超音波を高いエネルギ効率で利用することができる。すなわち、超音波射出部１１０から射出する超音波のエネルギを比較的低くしながら、焦点９２０において微小気泡を圧壊させ、キャビテーションを発生させることができる。

また、対象物９００の非線形性に由来して生じる周波数がｆ１＋ｆ２である和音も２種類の超音波が重畳する領域において発生する。このような高い周波数を有する超音波は、それ自体で対象物９００にキャビテーションを発生させることができる。すなわち、このような超音波を連続的に照射することにより、和音によって生体組織の加熱凝固を促進する効果も得られる。

なお、本実施形態では、第１の超音波素子１１２と第２の超音波素子１１４との形状は、平面状であるよう図示したが、凹面形状にしてもよい。この場合、第１の超音波素子１１２と第２の超音波素子１１４とからは集束超音波が射出される。ここで、第１の超音波素子１１２と第２の超音波素子１１４とは、第１の超音波の集束位置と第２の超音波の集束位置とが一致するように配置されることが好ましい。

なお、第１の駆動信号と第２の駆動信号とは、第２の実施形態の各変形例のようにしてもよい。その場合、第２の実施形態の各変形例と同様に機能し同様の効果が得られる。
また、超音波の伝播において、周波数が高いほど直進性が高い。したがって、第１の駆動周波数ｆ１を有する第１の超音波と、第２の駆動周波数ｆ２を有する第２の超音波とでは、第２の超音波の方が直進性が高く、第１の超音波の方が拡散しやすい。そのため、同一の領域に超音波を照射しようとする場合、第１の超音波素子１１２の超音波を射出する部分の面積は、第２の超音波素子１１４の超音波を射出する部分の面積よりも狭くてもよい。

［第３の実施形態の変形例］
第３の実施形態の変形例について説明する。ここでは、第３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。本変形例は、第３の実施形態と超音波射出部１１０の構成が異なる。

本変形例では、図１０に示すように、超音波射出部１１０において第１の超音波素子１１２と第２の超音波素子１１４とは互いに隣り合うように複数配置されている。その他の構成は第３の実施形態と同様である。本変形例によっても第３の実施形態の場合と同様に動作し、同様の効果を得ることができる。

なお、第１の駆動信号と第２の駆動信号とは、第２の実施形態の各変形例のようにしてもよい。その場合、第２の実施形態の各変形例と同様に機能し、同様の効果が得られる。

第１乃至第３の実施形態及びそれらの変形例では、各駆動信号は正弦波である場合を例として示したが、波形はこれに限定されない。駆動信号は、例えば矩形波や三角波であってもよい。また、複数の波形を組み合わせてもよい。

［第４の実施形態］
第４の実施形態について説明する。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。本実施形態の超音波照射装置４００は、図１１に示すように、第１の実施形態の超音波照射装置１００の構成に加えて、さらに超音波受信部１６０と、低周波信号検出部１７０と、照射条件変更部１８０とを備える。

超音波受信部１６０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。超音波受信部１６０は、音波を受信する。受信するこの音波は、超音波射出部１１０から射出された集束超音波によって生じたキャビテーション気泡から放射される音波を含む。超音波受信部１６０は、受信した超音波に応じた信号を低周波信号検出部１７０に出力する。超音波受信部１６０は、例えば超音波射出部１１０の射出面中央に設けられている。超音波受信部１６０の位置は、超音波射出部１１０の中央に限定されない。超音波受信部１６０は、対象物から到来する音波を検出できればよい。

低周波信号検出部１７０は、超音波受信部１６０から入力された信号のうち、所望の周波数以下の低周波信号について、ＦＦＴ処理を施す。その結果、低周波信号検出部１７０は、低周波信号について、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。低周波信号検出部１７０は、低周波信号の周波数毎の信号強度について、所定の比較演算を行う。低周波信号検出部１７０は、当該比較演算の結果を比較演算結果として照射条件変更部１８０に出力する。

照射条件変更部１８０は、比較演算結果に応じて、射出超音波の停止の指示、又は射出超音波の強度や周波数の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１２０から入力されるユーザの指示に基づいて、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１８０から入力された変更値に基づいて、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１８０から入力された変更値に基づいて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１３０に表示させ、ユーザに変更内容を報知する。

このように、例えば超音波受信部１６０は、対象部位方向から到来する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１７０及び照射条件変更部１８０は、超音波受信部で受信した信号に基づき、対象部位において発生している気泡の大きさを算出する気泡サイズ演算部として機能する。ここで、例えば駆動信号設定部１４０は、気泡サイズ演算部が算出した気泡の大きさに基づいて駆動信号の周波数及び／又は振幅を決定する。振幅を零とすることは駆動信号を停止することを意味する。

本実施形態に係る超音波照射装置４００の動作を説明する。まず、ユーザは対象物９００に超音波射出部１１０を向ける。ここで、対象物９００と超音波射出部１１０との間には、超音波ゼリー等のカップリング材を挟むようにしてもよい。なお、対象物９００には、予め例えばソナゾイド等の微小気泡を存在させておく。

駆動信号設定部１４０は、入力部１２０からバブルの共振周波数ｆＢの情報を含むユーザ指示信号を取得する。駆動信号設定部１４０は、ユーザ指示信号に基づいて、射出超音波の周波数や強度等の初期パラメータを設定する。駆動信号設定部１４０は、初期パラメータに基づいて、駆動部１５０に出力する駆動信号を作成する。駆動信号設定部１４０は、駆動部１５０に駆動信号を出力する。その結果、超音波射出部１１０は、超音波を射出する。

射出超音波は、焦点９２０に集束する。超音波照射によって焦点９２０において、微小気泡が圧壊しキャビテーションが発生する。焦点９２０及びその近傍において、キャビテーションによる加熱によって生体組織が凝固する。超音波照射を長時間継続すると、目標位置である焦点９２０よりも超音波射出部１１０側を含む領域に、キャビテーション気泡群が発生する。このキャビテーション気泡群は、超音波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、超音波照射を停止すると、ただちに消滅する。

キャビテーション気泡は、小さければ焦点９２０における生体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が大きくなると、キャビテーション気泡群を形成する。キャビテーション気泡群が形成されると、焦点９２０よりも超音波射出部１１０側の領域にキャビテーション位置が移動し、それに伴って焦点９２０よりも超音波射出部１１０側を含む領域が加熱凝固されてしまう。すなわち、治療や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、タイミングよく射出超音波の出力強度を変化させたり射出超音波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１６０で受信した音波の情報に基づいて、超音波射出部１１０から射出する超音波を変化させる。

超音波受信部１６０は、焦点９２０方向から到来する音波を受信する。この焦点９２０方向から到来する音波には、前述のキャビテーション気泡群に由来する音波が含まれている。超音波受信部１６０は、受信した信号を、低周波信号検出部１７０に出力する。

低周波信号検出部１７０は、超音波受信部１６０から入力された信号のうち、所望の周波数以下の周波数を有する低周波信号を抽出する。低周波信号検出部１７０は、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する。低周波信号検出部１７０は、この算出結果に基づいて、キャビテーション気泡群が発生したか否かを所定の比較演算により判定する。より詳しくは、キャビテーション気泡群が生じるとき、低周波数のピークが認められる。本実施形態ではこのような低周波数のピークを検出する。例えば、周波数ｆ１／６近傍に発生するピーク（以下、第１のピークと称する）の強度が、所定の閾値Ｔｈ１よりも高くなったとき、キャビテーション気泡群が発生したと判定する。低周波信号検出部１７０は、このような比較演算結果を照射条件変更部１８０に出力する。

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、超音波照射装置４００は照射条件を変更せずに超音波照射を継続する。一方、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、超音波照射装置４００は、超音波の照射を停止する。より詳しくは、低周波信号検出部１７０からキャビテーション気泡群が発生していることを表す比較演算結果を入力した照射条件変更部１８０は、超音波射出部１１０からの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。この指示に基づいて、駆動信号設定部１４０は、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１１０は、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１３０に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４００は、焦点９２０よりも超音波射出部１１０側の領域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４００は超音波照射を停止する。この超音波照射の停止によって、加熱凝固されるべきでない領域の組織が損傷することを防止できる。

なお、焦点９２０よりも超音波射出部１１０側の領域におけるキャビテーション気泡群の発生が検出された際に、超音波照射を停止させなくてもよい。代わりに例えば超音波の強度や周波数を変化させてもよい。また、本実施形態では、第１の実施形態の代わりに、第２若しくは第３の実施形態又はそれらの変形例と同様の構成を有し、同様に機能させることができる。その場合、第２若しくは第３の実施形態又はそれらの変形例と同様の効果が得られる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態について説明する。ここでは、第４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、超音波射出部１１０及び超音波受信部１６０が軟性内視鏡の先端に配置されている。さらにその軟性内視鏡には、超音波照射対象領域に超音波造影剤を投与するための機構が備えられている。

本実施形態に係る注入手段を有する超音波治療装置の構成図を図１２に示す。この図に示すように、軟性の内視鏡１９０の先端部には、超音波射出部１１０及び超音波受信部１６０が配置されている。内視鏡１９０は、超音波射出部１１０及び超音波受信部１６０が配置されている端から、例えば経口的に体内に挿入される。超音波射出部１１０に接続する駆動部１５０と、超音波受信部１６０に接続する低周波信号検出部１７０とは、内視鏡１９０の基端側に配置されている。超音波射出部１１０と駆動部１５０とは、内視鏡１９０内を通る配線によって接続されている。また、超音波受信部１６０と低周波信号検出部１７０とも、内視鏡１９０内を通る配線によって接続されている。第４の実施形態と同様に低周波信号検出部１７０には、照射条件変更部１８０が接続されている。照射条件変更部１８０には、駆動信号設定部１４０が接続されている。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、入力部１２０と表示部１３０とが接続されている。

内視鏡１９０の先端の超音波射出部１１０及び超音波受信部１６０の近傍には、さらに穿刺部１９２が配置されている。この穿刺部１９２には、内視鏡１９０の基端側に配置された加圧部１９４が接続されている。穿刺部１９２は、射出超音波の焦点９２０の近傍に、加圧部１９４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１９２及び加圧部１９４は、微小気泡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４の実施形態の場合と同様である。

本実施形態によれば、例えば消化管越しに膵臓や胆嚢に集束超音波を照射することができる。一般に周波数の高い超音波ほど減衰率が高い。例えば体外から体内深部の臓器に超音波を照射する場合、超音波の減衰を考慮すると高周波数の超音波を用いることは困難である。これに対して本実施形態では、超音波の伝播距離を短くできるので、射出超音波の周波数を高くすることができる。

さらに、この集束超音波の焦点９２０の近傍のみに穿刺部１９２によって超音波造影剤等を投与できる。このため、極めて狭い領域に対して超音波照射による加熱効果が見込める。この際、超音波照射装置を第１乃至第３の実施形態又はそれらの変形例のように駆動することで、第１乃至第３の実施形態又はそれらの変形例と同様の効果を得ることができる。なお、穿刺部１９２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、治療対象領域の中心よりも超音波射出部１１０から遠い側に偏った位置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できる。

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、第４の実施形態のように超音波受信部１６０と低周波信号検出部１７０と照射条件変更部１８０とを有さずに、例えば第１の実施形態と同様の構成を利用してもよい。さらには、超音波射出部１１０と分離して超音波受信部１６０が配置されたり、アレイ状素子であったりしてもよく、周波信号検出部１７０の変わりにＢモードや造影モードの信号処置が行える受信信号検出部を用いてもよい。また、注入する薬液は、超音波造影剤を含有するものに限定されず、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を含有するものでもよい。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。

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…超音波射出部、１１２…第１の超音波素子、１１４…第２の超音波素子、１２０…入力部、１３０…表示部、１４０…駆動信号設定部、１４２…ｆ１生成回路、１４４…ｆ２生成回路、１４６…加算器、１５０…駆動部、１５２…第１の増幅器、１５４…第２の増幅器、１６０…超音波受信部、１７０…低周波信号検出部、１８０…照射条件変更部、１９０…内視鏡、１９２…穿刺部、１９４…加圧部、２１０…第１の時間領域、２２０…第２の時間領域、４００…超音波照射装置、９００…対象物、９２０…焦点。

Claims (7)

1. 超音波を反射又は散乱する微小気泡又は微粒子が存在する対象部位に超音波を照射する超音波照射装置であって、
   前記微小気泡又は微粒子の共振周波数ｆＢ（ｆＢは正の実数）についての情報の入力を受け付ける入力部と、
   前記微小気泡又は微粒子の共振周波数の中心周波数に基づいて周波数をｆ＝ｎ×ｆＢ（ｎは２以上の整数）と決定し、周波数がｆ＝ｎ×ｆＢである信号成分のみを含む駆動信号を作成する駆動信号設定部と、
   前記駆動信号に基づいて、周波数が前記ｆである音波成分のみを含む前記超音波を射出する超音波射出部と、
   を具備することを特徴とする超音波照射装置。
2. 前記超音波射出部は、内視鏡の先端に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
3. 前記微小気泡又は微粒子を前記対象部位に投与する穿刺部を更に有し、
   前記超音波射出部と前記穿刺部とは近傍に位置する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波照射装置。
4. 前記微小気泡又は微粒子は、ナノバブルであることを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の超音波照射装置。
5. 前記信号成分の波形は、正弦波、矩形波、又は三角波であることを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
6. 前記対象部位方向から到来する超音波を受信する超音波受信部と、
   前記超音波受信部で受信した信号に基づき、前記対象部位において発生している気泡の大きさを算出する気泡サイズ演算部と、
   をさらに具備し、
   前記駆動信号設定部は、前記気泡サイズ演算部が算出した前記気泡の大きさに応じて前記駆動信号の周波数及び／又は振幅を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波照射装置。
7. 超音波を照射する超音波照射装置を動作させる作動方法であって、前記超音波照射装置が、
   微小気泡又は微粒子の共振周波数ｆＢ（ｆＢは正の実数）を取得することと、
   前記微小気泡又は微粒子の共振周波数の中心周波数に基づいて周波数をｆ＝ｎ×ｆＢ（ｎは２以上の整数）と決定し、周波数がｆ＝ｎ×ｆＢである信号成分のみを含む駆動信号を作成することと、
   前記駆動信号に基づいて周波数が前記ｆである音波成分のみを含む前記超音波を射出することと、
   を含むことを特徴とする超音波照射装置の作動方法。

Images