JP6297781B2 - 超音波骨折治療器およびその制御方法 - 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およびその制御方法に関する。

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。

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

上掲の特許文献１，２に開示された技術は、超音波を体内に送り込む送信側に検出手段を設けて超音波が体内に送り込まれていることを推定するものであって、超音波が体内に実際に送り込まれていることを確信させるには不充分である。

これに対し、上掲の特許文献３，４に開示された技術は、送信用トランスデューサとは別に受信用トランスデューサを備えて反射超音波を受信する構成を備えているため、超音波が体内に実際に送り込まれていることが検出される。しかしながら、これら特許文献３，４に開示されている技術の場合、受信用トランスデューサを、送信用トランスデューサとは別に、体表の適正な箇所に宛がう必要がある。このため超音波治療器の取扱いに慣れていない一般の骨折患者にとって取扱いが難しく、ここに開示された技術は病院等に出向いていって治療を受ける治療法にのみ適用可能な技術であり、広く普及させることが難しいという問題がある。

本発明は、一般ユーザに取扱い易い構成でありながら、超音波が体内に確実に照射され たことをユーザに知らせることができる超音波骨折治療器およびその制御方法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で構成された超音波トランスデューサと、
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に電気パルスを印加して、該超音波トランスデューサに、超音波パルスを該患者体内に送波させる送波部と、
前記患者体内で反射して戻ってきた超音波パルスに起因する前記複数の振動子の振動をピックアップして電気信号に変換する受波部と、
前記受波部で得られた電気信号に基づいて患者体内の断層像を生成する生成部と、
前記超音波トランスデューサから前記患者体内に送波された超音波パルスが該患者体内の骨折部位に印加された状態において前記生成部で得られた断層像を参照像として記憶する記憶部と、
前記患者に向けて、前記生成部で新たに生成された断層像の表示を順次更新しながら、前記参照像とともに表示する表示部とを備え、
前記表示部は、前記生成部で新たに生成された断層像を、前記参照像に重畳させて表示することを特徴とする。

本発明者は、超音波診断装置等に採用されている技術を超音波骨折治療器に適用することで、超音波が体内に実際に照射されていることをユーザに知らせることができることに想到し、本発明の完成に至ったのである。

本発明の超音波骨折治療器は、超音波を患者体内に送波する超音波トランスデューサ自体で反射超音波を受信して患者に通知する構成を備え、これにより患者に超音波が体内に確実に照射されていることの安心感を与えることができる。

ここで、本発明の超音波骨折治療器において、上記通知部が、上記電気信号由来の、時間的に変化する波形を表示する表示部であることが好ましい。

時間的に変化する波形を表示することで、この超音波骨折治療器を使用している患者に一層の安心感を与えることができる。

さらに本発明の超音波骨折治療器において、超音波トランスデューサから患者体内に送波された超音波パルスが患者体内の骨折部位に印加された状態において、受波部で得られた電気信号由来の参照波形を記憶する記憶部を備え、
上記表示部が、上記参照波形を、受波部で新たに得られた電気信号由来の波形とともに表示するものであることが好ましい。

上記の参照波形を記憶しておいて、新たに得られた波形とともにその参照波形を表示することで、その参照波形を記憶した時点と同様に超音波が患者に確実に照射されているか否かを確認でき、患者にさらに高度な安心感を与えることができる。この参照波形は、例えば医師や技師等、この超音波骨折治療器の取扱いに慣れた熟練者により、患者の患部に超音波を確実に照射されるように操作した時点で記憶部に記憶させるなどの運用が想定される。

以上の本発明の超音波骨折治療器によれば、一般のユーザにとって取扱い易い構成を備え、しかも超音波が体内に確実に照射されたことをユーザに知らせることができる。

本発明の第１実施形態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。 表示器での表示態様の第１例を示した図である。 表示器での表示態様の第２例を示した図である。 表示器での表示態様の第３例を示した図である。 表示器での表示態様の第４例を示した図である。 本発明の第２実施形態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第５例を示した図である。 表示器での表示態様の第６例を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施形態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１Ａは、治療器本体１０と超音波トランスデューサ２０とを有する。

超音波トランスデューサ２０は、患者２の体表に宛がわれ、患者２の体内の骨折部位３に向けて超音波を送波する。またこの超音波トランスデューサ２０は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、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、Ａ／Ｄコンバータ１６、ＣＰＵ１７、メモリ１８および表示器１９を備えている。

パルス送信器１１は、本発明にいう送波部の一例に相当するものである。このパルス送信器１１は、ＣＰＵ１７からの指示を受けて、超音波トランスデューサ２０に電気パルスを印加する。すると超音波トランスデューサ２０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の体内に超音波を送波する。

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を破壊す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の骨折患部３に送波された超音波は、患者２の体内で反射してその一部が超音波トランスデューサ２０に戻る。超音波トランスデューサ２０は、この反射超音波により振動してその振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。超音波トランスデューサ２０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、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にまで増幅される。可変ゲインアンプ１５で得られた電気信号はアナログの電気信号であって、この電気信号は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ＣＰＵ１７に取り込まれる。本実施形態では、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の組が、本発明にいう受波部の一例に相当する。ＣＰＵ１７では、取り込んだデジタル信号に基づき波形を生成して表示器１９に表示する。

患者２は、その表示器１９に表示された波形を参照することで、超音波が体内に確実に送波されていることを確認することができる。
図２は、表示器での表示態様の第１例を示した図である。

この図２には、反射超音波による超音波トランスデューサ２０の振動をそのまま表わす波形が示されいる。表示器１９には、例えばこのような振動波形そのものを表示してもよい。

図３は、表示器での表示態様の第２例を示した図である。

この図３には、反射超音波による超音波トランスデューサ２０の振動のエンベロールを表わすエンベロープ波形が示されている。表示器１９には、例えばこのようなエンベロープ波形を表示してもよい。

この超音波骨折治療器１Ａを使用している患者２は、図２又は図３に示すような反射超音波の受波により得られた電気信号に基づく波形を確認することで、超音波が確実に体内に送波されていることを知ることができる。

図２又は図３に示す波形は、超音波トランスデューサ２０を動かすと実時間で変化するため、患者には、超音波が体内に送波されているという一層の安心感を与えることができる。

この超音波骨折治療器１Ａは、最初は骨折の治療を受けた病院等で使い方の指導を受け、その後この超音波骨折治療器１Ａをレンタルして自宅に持ち帰って、例えば一日一回など定期的に患部に超音波を当てるという使用法が想定されている。

そこで、病院等で使い方の指導を受け、その指導を受けている時点で超音波が骨折部位３に確実に当てられているという状況が作り出され、その時点の波形を取り込んでメモリ１８に記憶させておく。この時点の波形をここでは参照波形と称する。

患者が自宅に戻って患者自身が操作をして骨折部位３に超音波を当てたときは、今回得られた波形を、メモリ８に記憶させておいた参照波形とともに表示する。

図４，図５は表示器での表示態様の、それぞれ第３例、第４例を示した図である。

図４には、メモリ８に記憶しておいた参照波形としての振動波形（破線）が今回得られた振動波形（実線）とともに示されている。

また図５には、メモリ８に記憶しておいた、参照波形としてのエンベロープ波形（破線）が今回得られたエンベロープ波形（実線）とともに示されている。

超音波トランスデューサ２０で得られる波形は、その超音波トランスデューサ２０の体表への宛てがう姿勢や宛てがった位置で異なる。そこで、表示器１９に、図４又は図５に示すように参照波形を表示することで、超音波トランスデューサ２０が指導を受けた時点と同じ位置に同じ姿勢で宛てがわれていることを確認することができる。すなわち、この場合、超音波が体内に確実に当てられていることの確認を行なうことができる。患者に一層の安心感を与えることができる。

図６は、本発明の第２実施形態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６に示す第２実施形態の超音波骨折治療器１Ｂにおいて、図１に示す第１実施形態の超音波骨折治療器１Ａの構成要素に対応する構成要素には、図１において付した符号と同一の符号を付して示し、相違点を中心に説明する。

この図６に示す超音波骨折治療器１Ｂは、治療器本体３０と超音波トランスデューサ４０とを備えている。

図１に示す超音波骨折治療器１Ａの超音波トランスデューサ２０は、単板の振動子で構成されているが、この図６に示す超音波骨折治療器１Ｂの超音波トランスデューサ４０は、複数の振動子４１の配列で構成されている。

これに対応して、治療器本体３０には、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のセットからなる送受波部１００が、配列された振動子４１と同数、備えられている。１つの送受波部１００は１つの振動子４１にそれぞれ対応している。さらにこの図６に示す超音波骨折治療器１Ｂは、遅延制御部３１と遅延加算部３２を備えている。

遅延制御部３１は、ＣＰＵ１７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４１の集合からなる超音波トランスデューサ４０から、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６に示されているように、超音波トランスデューサ４０から斜め方向に超音波パルスビームを照射することも可能である。

図７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４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…，４１ｎ―１，４１ｎが配列されている。このとき、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４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…，４１ｎ―１，４１ｎのうちの焦点Ｏ１に最も近い振動子４１ｎと焦点Ｏ１とを結ぶ線分を半径とする円弧４２を描くと、各振動子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…はその円弧４２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４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…には、振動子４１ｎ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４１ａ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４１ｂ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４１ｃ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４１ｎに電気パルスを印加する。こうすると、各振動子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…，４１ｎ―１，４１ｎ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４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…，４１ｎ―１，４１ｎ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４１ｃの間の距離を半径とする円弧４３を描く。そして、この円弧４３と各振動子４１ａ，４１ｂ，…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４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…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４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…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。

図６に従って説明を続ける。

患者２の体内で反射して超音波トランスデューサ４０に戻ってきた超音波は、その超音波トランスデューサ４０を構成する複数の振動子４１のそれぞれでピックアップされて複数の送受波部１００にそれぞれ入力され、各電気信号に変換される。それら複数の電気信号は遅延加算部３２に入力される。この遅延加算部３２は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を表わす波形が生成される。

ここで再び図７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４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…，４１ｎ―１，４１ｎに向かって戻ってきた超音波が、それらの振動子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…，４１ｎ―１，４１ｎのうちのその点Ｏ１に最も近い振動子４１ｎに到達したタイミングを考える。このとき振動子４１ｎを除く各振動子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…に向かう反射超音波は、各振動子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…からそれぞれ距離ｄａ１，ｄｂ１，ｄｃ１，…にある。そこで、振動子４１ｎ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４１ａに超音波が到達するまで遅延させる。また例えば振動子４１ｃ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４１ｂ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４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…，４１ｎ―１，４１ｎ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４２に代わり円弧４３を考慮して各振動子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…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。

ここで再度、図６に戻って説明を続ける。

遅延制御部３１における遅延プロファイルおよび遅延加算部３２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１９に送られ、その表示器１９にその画像（断層像）が表示される。

図８は、表示器での表示態様の第５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１９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。

図６に示す超音波骨折治療器１Ｂは、図１に示す超音波骨折治療器１Ａと同様、最初は骨折の治療を受けた病院等で使い方の指導を受け、その後この超音波骨折治療器１Ｂをレンタルして自宅に持ち帰り、例えば一日一回など定期的に患部に超音波を当てるという使用法が想定されている。

そこで、病院等で使い方の指導を受け、その指導を受けている時点で超音波が骨折部位３に確実に当てられているという状況が作り出され、その時点のＢモード波形を取り込んでメモリ１８に記憶させておく。この時点のＢモード波形をここでは参照波形と称する。

患者が自宅に戻って患者自身が操作をして骨折部位３に超音波を当てたときは、今回得られたＢモード波形をメモリ８に記憶させておいた参照波形とともに表示する。

図９は表示器での表示態様の第６例を示した図である。

図９には、メモリ８に記憶しておいた参照波形としてのＢモード像（破線）が今回得られたＢモード像（実線）とともに示されている。

表示器１９に、図９に示すような波形を表示すると、超音波トランスデューサ４０の体表への宛てかたや宛てる位置が正しいことの確認のほか、骨折の治癒の程度を一層明瞭に知ることができる。

尚ここでは、表示器１９に波形（画像）を表示することを例に挙げて説明したが、本発明の超音波骨折治療器は表示することは必ずしも必要ではなくて、例えば受波部で得られた電気信号が所定の閾値を越える振幅を有することを判定してランプやブザーで患者に通知するものであってもよい。

１Ａ，１Ｂ 超音波骨折治療器
２ 患者
３ 骨折部位
３’ 像
８ メモリ
１０，３０ 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
１７ ＣＰＵ
１８ メモリ
１９ 表示器
２０ 超音波トランスデューサ
３０ 治療器本体
３１ 遅延制御部
３２ 遅延加算部
４０ 超音波トランスデューサ
４１ 振動子
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，…，４１ｎ―１，４１ｎ 振動子
１００ 送受波部

Claims (3)

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で構成された超音波トランスデューサと、
   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に電気パルスを印加して、該超音波トランスデューサに、超音波パルスを該患者体内に送波させる送波部と、
   前記患者体内で反射して戻ってきた超音波パルスに起因する前記複数の振動子の振動をピックアップして電気信号に変換する受波部と、
   前記受波部で得られた電気信号に基づいて患者体内の断層像を生成する生成部と、
   前記超音波トランスデューサから前記患者体内に送波された超音波パルスが該患者体内の骨折部位に印加された状態において前記生成部で得られた断層像を参照像として記憶する記憶部と、
   前記患者に向けて、前記生成部で新たに生成された断層像の表示を順次更新しながら、前記参照像とともに表示する表示部とを備え、
   前記表示部は、前記生成部で新たに生成された断層像を、前記参照像に重畳させて表示することを特徴とする超音波骨折治療器。
2. 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で構成された超音波トランスデューサと、
   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に電気パルスを印加して、該超音波トランスデューサに、超音波パルスを該患者体内に送波させる送波部と、
   前記患者体内で反射して戻ってきた超音波パルスに起因する前記複数の振動子の振動をピックアップして電気信号に変換する受波部と、を有する超音波骨折治療器の制御方法であって、
   前記受波部で得られた電気信号に基づいて患者体内の断層像を生成する生成工程と、
   前記超音波トランスデューサから前記患者体内に送波された超音波パルスが該患者体内の骨折部位に印加された状態において前記生成工程によって得られた断層像を参照像として記憶する記憶工程と、
   前記患者に向けて、前記生成工程によって新たに生成された断層像の表示を順次更新しながら、前記参照像とともに表示装置に表示する表示工程とを有し、
   前記表示工程では、前記生成工程によって新たに生成された断層像を、前記参照像に重畳させて表示することを特徴とする超音波骨折治療器の制御方法。
3. 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で構成された超音波トランスデューサと、
   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に電気パルスを印加して、該超音波トランスデューサに、超音波パルスを該患者体内に送波させる送波部と、
   前記患者体内で反射して戻ってきた超音波パルスに起因する前記複数の振動子の振動をピックアップして電気信号に変換する受波部と、を有する超音波骨折治療器が有するコンピュータに、請求項２に記載の超音波骨折治療器の制御方法の各工程を実行させるためのプログラム。

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