JP6164724B2 - 超音波骨折治療器 - Google Patents

Description

本発明は、体外から骨折部位に超音波を照射して骨折の治癒を促す超音波骨折治療器に関する。

従来より骨折部位に超音波による刺激を加えると骨折の治癒が早まることが知られており、骨折部位に超音波を照射する超音波骨折治療器が開発されている。

例えば、特許文献１，２には、音響的インピーダンス整合層の剥離を検出する手段や温度検出手段を設けることにより超音波照射手段から体内に向けて超音波が確実に照射されているかどうかを検出する機能を備えた超音波治療装置が開示されている。

また、特許文献３，４には、体外から患部に向けて超音波を照射する超音波トランスデューサとは別に患部で反射した超音波を受信する超音波トランスデューサを備えることにより超音波が患部に照射されていることの確認や治癒効果診断を行なう機能を備えた治療装置が開示されている。

さらに、特許文献５には、複数個の超音波振動子を備え、同一時間内に複数の独立した超音波刺激容パルスを生成して、所定の治療時間内に複数の疾患部に対して同時に超音波刺激治療を行なうことができるようにした超音波刺激による治療装置が開示されている。

特開２００４−１５４３０４号公報 特開２００５−２７０５１０号公報 国際特開ＷＯ２００８／０１８６１２号公報 特開２００１−２９９７７２号公報 特開平７−１０８０５４号公報

骨折患者の多くは、その骨折部位が不用意に動かないように固定するためにギプス包帯が宛がわれており、超音波を当てて治療することが難しいという問題がある。
また、患者は、この超音波骨折治療器の使用法に慣れていない場合も多く、骨折部位に治療用超音波を当てているつもりでいても治療用超音波がその骨折部位から逸れてしまっていることも考えられる。

本発明は、上記事情に鑑み、超音波刺激による治療を必要とする骨折患者の骨折部位に治療用超音波を確実に当てることができる超音波骨折治療器を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の超音波骨折治療器は、
電気エネルギーと超音波エネルギーとの間でのエネルギーの変換を担う、配列された複数の振動子を備えた超音波トランスデューサと、
複数の振動子が送波した複数の超音波パルスの集合による、循環的に順次に向きの異なる複数の治療用超音波パルスビームが順次に送波されるように、循環的に順次に異なる遅延プロファイルに従って互いの間の相対的な遅延量が調整された複数の電気パルスのセットを順次に生成し、骨折を患っている患者に宛がわれた超音波トランスデューサを構成する複数の振動子それぞれに各セットを構成する複数の電気パルスそれぞれをセットごとに順次に印加することにより、超音波トランスデューサに、循環的に向きの異なる治療用超音波パルスビームを該患者体内に順次に送波させる送波部と、
超音波トランスデューサから順次に送波される治療用超音波パルスビームの向きの角度範囲を指示する操作を受ける操作部とを備え、
送波部が、超音波トランスデューサにより送波される治療用超音波パルスビームの、操作部が受けた操作により指示を受けた角度範囲内における、循環的に順次に異なる向きにそれぞれ対応する、循環的に順次に異なる遅延プロファイルに従って複数の電気パルスのセットを順次に生成して超音波トランスデューサを構成する複数の振動子に順次に印加することにより、超音波トランスデューサに、上記の角度範囲内において循環的に順次に向きの異なる治療用超音波パルスビームを送波させるものであることを特徴とする。

患者は、超音波骨折治療器の使用法に慣れていない場合も多く、骨折部位に治療用超音波を当てているつもりでいても超音波がその骨折部位から逸れてしまっていることも考えられる。

本発明の超音波骨折治療器は、治療用超音波パルスビームを循環的に順次に異なる向きに送波する構成を採用しているためすると、超音波を骨折部位に確実に当てることができる。

また、本発明の超音波骨折治療器は、上記の操作部を備えて超音波パルスビームの向きを循環的に変化させる角度範囲を設定する構成としているため、この超音波骨折治療器に慣れている患者や超音波を骨折部位に垂直に送波すればよい患者はこの角度範囲を狭め、骨折部位に斜めから超音波を当てる必要があって超音波が骨折部位に確実に照射される角度がよく分からない患者の場合は角度範囲を広げるなど、その患者に合った使い方が可能となる。

ここで、本発明の超音波骨折治療器において、超音波パルスビームの送波の開始からの時間を測定してその時間が上記の角度範囲に応じて、該角度範囲が広いほど長時間に定められている時間が経過した時点で超音波パルスビームの送波を停止させるタイマを備えることが好ましい。

医療機器にはタイマを備えて一定時間が経過すると強制的に停止する構成とすることで、不必要な長時間使用を防止する措置がとられる場合がある。

超音波パルスビームを循環的に順次異なる向きに送波する構成とした場合、患者体内の一箇所に超音波が当たる時間は上記の角度範囲によって異なることになる。ここで、超音波パルスビームの操作を停止させるまでの時間を上記の角度範囲に応じて可変とすることで、治療時間の適切な管理が行なわれる。

以上の本発明の超音波骨折治療器によれば、超音波刺激による治療を必要とする骨折患者の骨折部位に治療用超音波を確実に当てることができる。

本発明の一実施形態としての超音波骨折治療器の概略構成を示したブロック図である。 遅延プロファイルと超音波パルスビームとの関係を示す模式図である。 表示器での表示態様の一例を示した図である。 超音波パルスビームによる走査の模式図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態としての超音波骨折治療器の概略構成を示したブロック図である。

この図１に示す超音波骨折治療器１は、治療器本体１０と超音波トランスデューサ２０とを備えている。

超音波トランスデューサ２０は、患者２の体表にあてがわれる。この超音波トランスデューサ２０は、複数の振動子２１の配列で構成されている。それら複数の振動子２１のそれぞれは、超音波パルスを送波する。それら複数の振動子２１のそれぞれから送波された超音波パルスは、全体として超音波パルスビームを形成し骨折部位３に超音波刺激を与える。

またこの超音波トランスデューサ２０を構成する各振動子２１は患者２の体内で反射して戻ってきた超音波により振動し、その振動に応じた電気信号を生成する。

治療器本体１０は超音波トランスデューサ２０を構成する複数の振動子２１に一対一に対応する複数の送受信部１００を備えている。各送受信部１００は、パルス送信器１１、コンデンサ１２、ダイオード対１３、プリアンプ１４、可変ゲインアンプ１５、およびＡ／Ｄコンバータ１６を備えている。さらにこの治療器本体１０は、遅延制御部１０１、遅延加算部１０２、ＣＰＵ１０３、操作子１０４、タイマ１０５、および表示器１０６を備えている。

パルス送信器１１は、遅延制御部１０１からのタイミング信号を受けて対応する振動子２１に電気パルスを印加する。するとその振動子２１はその電気パルスによる電気エネルギーを超音波振動エネルギーに変換して患者２の体内に超音波パルスを送波する。詳細は後述するが、配列された複数の振動子２１からそれぞれ送波された超音波パルスの集合により超音波パルスビームが形成されて患者２の体内を進行する
コンデンサ１２およびダイオード対１３は、パルス送信器１１から出力された電気パルスがそのままプリアンプ１４に印加されてプリアンプ１４が破壊されるのを防止するためのものである。

超音波トランスデューサ２０から患者２の体内に送波された超音波は患者２の内部で反射してその一部が超音波トランスデューサ２０に戻り、その超音波トランスデューサ２０を構成する各振動子２１を振動させる。各振動子２１は、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換することでその反射超音波による振動をピックアップする。各振動子２１で振動がピックアップされることにより得られた電気信号は、各振動子２１にそれぞれ対応する各送受信部１００を構成するプリアンプ１４および可変ゲインアンプ１５で、次段のＡ／Ｄコンバータ１６でのＡ／Ｄ変換に適した振幅の信号となるように増幅される。可変ゲインアンプ１５から出力される電気信号はアナログの電気信号であり、この電気信号がＡ／Ｄコンバータ１６に入力されデジタル信号に変換されて遅延加算部１０２に入力される。この遅延加算部１０２の作用についての詳細は後述するが、この遅延加算部１０２では、複数の振動子２１での超音波振動のピックアップにより得られた複数の信号を統合して、患者２の体内の超音波反射率分布を表わす信号を生成させる。

この遅延加算部１０２で得られた信号はＣＰＵ１０３に入力され、ＣＰＵ１０３ではその信号に基づく画像を生成して表示器１０６に表示させる。

患者２は、その表示器１０６に表示された画像を参照することで、超音波が骨折部位３に当てられていることなどを確認することができる。

操作子１０４は、この超音波骨折治療器１０に、患者２等のオペレータの指示を入力するためのユーザインターフェースである。またタイマ１０５は、患者２の体内への超音波送波開始からの時間を計測し、所定の時間が経過した時点で超音波を停止するよう指示するものである。

次に遅延制御部１０１と遅延加算部１０２について説明する。

遅延制御部１０１は、ＣＰＵ１０３の指示を受け、所定の遅延プロファイル（後述する）に従って、複数の送受波部１００にそれぞれ備えられている各パルス送信器１１からの電気パルス出力のタイミングを制御する。すると配列された複数の振動子２１の集合からなる超音波トランスデューサ２０は、その遅延プロファイルに従った方向であって、かつその遅延プロファイルに従った深さに焦点を持つ超音波パルスビームが送波される。この場合、例えばこの図１に示されているように、超音波トランスデューサ２１から斜め方向に超音波パルスビームを照射される。

図２は、遅延プロファイルと超音波パルスビームとの関係を示す模式図である。

ここには、複数の振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…，２１ｎ―１，２１ｎが配列されている。ここでは、患者２の体内の１点Ｏ１に焦点を持つ超音波パルスビームを送波することを考える。このとき、焦点Ｏ１を中心とし、振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…，２１ｎ―１，２１ｎのうちの焦点Ｏ１に最も近い振動子２１ｎと焦点Ｏ１とを結ぶ線分を半径とする円弧２２を描くと、各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…はその円弧２２からそれぞれ距離ｄａ１，ｄｂ１，ｄｃ１…だけ離れている。

そこで、各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…には、振動子２１ｎに電気パルスを印加するタイミングよりも、超音波が患者２の体内を距離ｄａ１，ｄｂ１，ｄｃ１…だけ進む時間ｔａ１，ｔｂ１，ｔｃ１…だけそれぞれ先立つ各タイミングで電気パルスを印加する。

言い換えると、振動子２１ａに電気パルスを印加する時刻を基準とすると、超音波が距離差（ｄａ１―ｄｂ１）だけ進む時間（ｔａ１―ｔｂ１）だけ遅れたタイミングで振動子２１ｂに電気パルスを印加し、超音波が距離差（ｄａ１―ｄｃ１）だけ進む時間（ｔａ１―ｔｃ１）だけ遅れたタイミングで振動子２１ｃに電気パルスを印加し…，超音波が距離差（ｄａ１―０）だけ進む時間（ｔａ１―０）だけ遅れたタイミングで振動子２１ｎに電気パルスを印加する。こうすると、各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…，２１ｎ―１，２１ｎから送波された超音波パルスが互いに干渉して、焦点Ｏ１を通り、その焦点Ｏ１で最も細いビーム径を持って患者２の体内を進む超音波パルスビームＢ１が生成される。このような、各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…，２１ｎ―１，２１ｎに印加する電気パルスの遅延のセットを送波側の遅延プロファイルと称する。

同様に焦点Ｏ２を通る超音波パルスビームＢ２を生成するには、焦点Ｏ２を中心とし、焦点Ｏ２と焦点Ｏ２から最も近い振動子２１ｃの間の距離を半径とする円弧２３を描く。そして、この円弧２３と各振動子２１ａ，２１ｂ，…との間の距離ｄａ２，…だけ超音波が進む時間を考慮して遅延プロファイルを決定し、各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…に印加する電気パルスをその遅延プロファイルに従って遅延させた上で各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…に印加する。こうすることにより焦点Ｏ２に向かい、焦点Ｏ２で最も細径に絞られた超音波パルスビームＢ２が生成される。

このようにして遅延プロファイルに従う遅延制御を行なうことにより、患者２の体内に超音波パルスビームを斜めに送波することができる。また遅延プロファイルに従う遅延制御を、遅延プロファイルを循環的に順次に変更しながら行なうことにより超音波パルスビームで患者２の体内を走査することも可能である。

また、遅延加算部１０２には、複数の送受信部１００の各Ａ／Ｄコンバータ１６でデジタル信号に変換された後の電気信号が入力される。この遅延加算部１０２では、それら入力された複数の電気信号を所定の遅延プロファイルに従って相対的に遅延して互いに加算する。こうすることで、反射超音波による患者体内の画像が生成される。

ここで再び図２を参照して、受波側の遅延プロファイルについて説明する。

点Ｏ１（焦点とは限らない）で反射して各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…，２１ｎ―１，２１ｎに向かって戻ってきた超音波が、それらの振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…，２１ｎ―１，２１ｎのうちのその点Ｏ１に最も近い振動子２１ｎに到達したタイミングを考える。このとき振動子２１ｎを除く各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…に向かう反射超音波は、各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…からそれぞれ距離ｄａ１，ｄｂ１，ｄｃ１，…にある。そこで、振動子２１ｎで超音波がピックアップされて得られた電気信号は、超音波が最も遅く到達する振動子２１ａに超音波が到達するまで遅延させる。また例えば振動子２１ｃに関しては超音波が距離差（ｄａ１−ｄｃ１）進む時間だけ遅延させ、振動子２１ｂに関しては超音波が距離差（ｄａ１−ｄｂ１）進む時間だけ遅延させる。

各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…，２１ｎ―１，２１ｎで超音波をピックアップして得られた電気信号をそれぞれこのように遅延させて互いに加算すると、点Ｏ１での反射情報を捉えた電気信号が生成される。点Ｏ２からの反射超音波については円弧２２に代わり円弧２３を考慮して各振動子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，…で得られた電気信号の遅延を考えればよい。このような電気信号の遅延のセットを受波側の遅延プロファイルと称する。

遅延制御部１０１における遅延プロファイルおよび遅延加算部１０２における遅延プロファイルを循環的に変更して患者の体内を超音波パルスビームで走査すると、患者体内の断層像を得ることができる。このようにして作成された画像（断層像）を表わす電気信号は表示器１０６に送られ、その表示器１０６にその画像（断層像）が表示される。

図３は、表示器での表示態様の一例を示した図である。

ここには、患者体内の断層像、すなわち超音波診断装置でいうＢモード像が示されている。このＢモード像には、患者２の骨折部位３の像３’が含まれている。

表示器１０６にこのようなＢモード像を表示すると、骨折部位３の像３’を患者が確認しその骨折部位３に超音波が当てられていること、およびその骨折の治癒の程度を知ることができる。

操作子１０４では、この超音波骨折治療器１０から超音波パルスビームを患者体内の同一方向に向けて繰り返し送波する「固定」と、患者体内を超音波パルスビームで走査する「走査」との切替えが行なわれる。さらに、「固定」の場合は、この操作子１０４から超音波トランスデューサ２０の向きに対する超音波パルスビームの送波の角度θ１が指示入力される。これにより、例えば骨折部位がギプス包帯で固められいる患者であっても、そのギプス包帯を避けた位置から超音波パルスビームを骨折部位に向けて斜めに送波することができる。

このときタイマ１０５は、超音波パルスビーム送波開始時点から、「固定」に対応した時間（例えば１５分間）を計測する。そしてそのタイマ１０５がタイムアップすると、そのタイムアップしたことを表わす信号がＣＰＵ１０３に伝えられ、ＣＰＵ１０３は、遅延制御部１０１に対し、パルス送信器１１に向けて電気パルス生成のタイミング信号の出力を停止するよう指示する。これにより、患者２への超音波パルスビームの送波が停止する。

また、操作子１０４が「走査」が指定されたときはさらにその走査の角度範θ２が指示入力される。

図４は、超音波パルスビームによる走査の模式図である。

上述の通り、遅延プロファイルを循環的に順次に変更すると患者２の体内を超音波パルスビームで走査することができる。ここでは、その走査の角度範囲θ２を指定する。すると、ＣＰＵ１０３は遅延制御部１０１にその角度範囲を伝え、遅延制御部１０１はその角度範囲内でのみ超音波パルスビームを走査すべく、その角度範囲内に対応した複数の遅延プロファイルを循環的に順次に用いて遅延制御を行なう。すると、患者２の体内がその指定された角度範囲内で走査される。

このときＣＰＵ１０３は、そのタイマ１０５に、その指定された角度範囲に応じた時間をセットしてタイマ１０５を起動する。タイマ１０５は、時間を計測してそのセットされた時間に達するとタイムアップ信号をＣＰＵ１０３に伝える。ＣＰＵ１０３は、このタイムアップ信号を受けると、上記と同様にして超音波パルスビームの送波を停止すべく、遅延制御部１０１を制御する。

患者体内を超音波パルスビームで走査すると、単位時間に対する患者体内の同一箇所に超音波が照射される時間比率は、その走査の角度範囲が広がるほど低下することになる。そこでここでは、その角度範囲に応じて適切な時間だけ超音波パルスビームが送波されるように構成されている。

このように、患者２の体内を超音波パルスビームで走査すると、例えばこの超音波骨折治療器１の取扱いに不慣れな患者が超音波が骨折部位から外れていることに気づかずにいて治療効果が上がらないといった失敗を防ぐことができる。また、骨折部位が広がっている患者の場合は、走査により、その広い骨折部位にまんべんなく超音波を当てることができる。

１ 超音波骨折治療器
２ 患者
３ 骨折部位
３’ 骨折部位の像
１０ 治療器本体
１１ パルス送信器
１２ コンデンサ
１３ ダイオード対
１４ プリアンプ
１５ 可変ゲインアンプ
１６ Ａ／Ｄコンバータ
２０ 超音波トランスデューサ
２１ 振動子
１００ 送受信部
１０１ 遅延制御部
１０２ 遅延加算部
１０３ ＣＰＵ
１０４ 操作子
１０５ タイマ
１０６ 表示器

Claims (2)

1. 電気エネルギーと超音波エネルギーとの間でのエネルギーの変換を担う、配列された複数の振動子を備えた超音波トランスデューサと、
   前記複数の振動子が送波した複数の超音波パルスの集合による、循環的に順次に向きの異なる複数の超音波パルスビームが順次に送波されるように、循環的に順次に異なる遅延プロファイルに従って互いの間の相対的な遅延量が調整された複数の電気パルスのセットを順次に生成し、骨折を患っている患者に宛がわれた前記超音波トランスデューサを構成する複数の振動子それぞれに各セットを構成する複数の電気パルスそれぞれをセットごとに順次に印加することにより、該超音波トランスデューサに、循環的に向きの異なる治療用超音波パルスビームを該患者体内に順次に送波させる送波部と、
   前記超音波トランスデューサから順次に送波される治療用超音波パルスビームの向きの角度範囲を指示する操作を受ける操作部とを備え、
   前記送波部が、前記超音波トランスデューサにより送波される治療用超音波パルスビームの、前記操作部が受けた操作により指示を受けた角度範囲内における、循環的に順次に異なる向きにそれぞれ対応する、循環的に順次に異なる遅延プロファイルに従って前記複数の電気パルスのセットを順次に生成して該超音波トランスデューサを構成する複数の振動子に順次に印加することにより、該超音波トランスデューサに、前記角度範囲内において循環的に順次に向きの異なる治療用超音波パルスビームを送波させるものであることを特徴とする超音波骨折治療器。
2. 治療用超音波パルスビームの送波の開始からの時間を測定して該時間が前記角度範囲に応じて、該角度範囲が広いほど長時間に定められている時間が経過した時点で治療用超音波パルスビームの送波を停止させるタイマをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波骨折治療器。
   
   

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