JP7449132B2 - 超音波治療装置 - Google Patents

Description

本開示は、超音波を体外から体内へ照射して患部を治療するための超音波治療装置に関する。

骨がん、骨の疼痛部等の患部に、集束した超音波を体外から体内へ照射して、患部を非侵襲で焼灼する装置として、高密度集束超音波（High-Intensity Focused Ultrasound；ＨＩＦＵ）装置が知られている。その従来技術は、例えば、特許文献１，２に記載されている。また、特許文献３の従来技術では、骨への連続的な超音波の照射時に、断続的に超音波を照射し、骨から発生する電磁波強度の変化から、骨の温度を計測している。

特公平７－３８８５８号公報 特許第５４２９８２２号公報 国際公開第２０１８／０９７２４５号

このような装置では、骨の温度の測定精度を向上させることが求められている。

本開示の超音波治療装置は、患部に、超音波を照射する超音波照射部と、
アンテナを有するとともに、超音波に誘起された電磁波に基づき、前記患部の温度を測定する測定部と、を備え、
前記超音波によって前記患部から発生する第１電磁波による前記測定部の出力と、前記超音波によって前記アンテナ自身から発生する第２電磁波による前記測定部の出力が時間軸上で区別可能なように、前記アンテナが前記患部および前記超音波照射部から離れて位置し、
前記超音波照射部から前記測定部までの距離は、前記超音波照射部から前記患部までの距離よりも長い、ことを特徴とする。

本開示によれば、骨の温度の測定精度を向上させることができる。

本開示の一実施形態の超音波治療装置の概略的構成を示す図である。 超音波治療装置の動作を説明するためのフローチャートである。 骨サンプルと測定部３との相対的な位置を変化させたときの誘起電磁波の強度を電圧で示したグラフである。 骨サンプルと測定部３との相対的な位置を変化させたときの誘起電磁波の強度を電圧で示したグラフである。

以下、添付図面を参照して、本開示の超音波治療装置の実施形態について説明する。

図１は本開示の一実施形態の超音波治療装置の概略的構成を示す図である。本実施形態の超音波治療装置は、患者Ｐの患部１に、超音波を照射する超音波照射部２と、超音波に誘起された電磁波に基づき、患部１の温度を測定する測定部３と、を備える。

測定部３は、電磁波を受信可能なアンテナを有している。アンテナは、電磁波信号を取得可能な導体である。アンテナは、例えば、ループアンテナまたはダイポールアンテナを使用すればよい。本実施形態では、ループアンテナを採用している。すなわち、測定部３が導体でできたループ状のコイルを有しており、コイルが患部１から発生した電磁波を受信することによって、測定部３は患部１の温度を測定することができる。その結果、超音波照射部２から患部１に超音波が照射されたときに圧電体である骨が機械的に振動して電磁波が発生する。この電磁波の強度が骨の温度によって変化するため、コイルによって電磁波を受信し、それに起因する誘導起電力（電圧）を測定することによって、患部１の温度を測定することができる。

また、測定部３のコイルは、超音波によって患部１から発生する第１電磁波と、超音波によって測定部３自身から発生する第２電磁波とが干渉しないように、超音波照射部２および患部１から離れて位置している。すなわち、超音波照射部２の超音波によって前記患部から発生する第１電磁波による測定部３の出力と、超音波照射部２の超音波によってコイル自身から発生する第２電磁波による測定部３の出力が時間軸上で区別可能なように、コイルが患部１および超音波照射部２から離れて位置している。

ここで、従来のＨＩＦＵ装置では、骨の温度を測定するために、コイルで骨から発生する電磁波を受信する。また、一方で、骨に向けて照射された超音波がコイルに当たることがある。コイルに超音波が当たった場合に、コイル自身が電磁波を発生することがある。これは、電磁誘導作用などに起因し、コイルに誘導起電力が生じた結果であると考えられている。そのため、測定部３には、骨から発生した電磁波に起因する出力と、コイル自身から発生した電磁波に起因する出力とが重畳して、骨の温度の測定精度が低下することがあった。

これに対して、本開示に係る超音波治療装置では、測定部３が、上記の通り配置されていることによって、第１電磁波に起因する測定部３の第１出力と、第２電磁波に起因する測定部３の第２出力とが、時間軸上で区別可能であり、第１出力に基づいて患部（骨）の温度を測定することができる。したがって、本発明に係る超音波治療装置では、骨の温度の測定精度を向上させることができる。

超音波照射部２および測定部３は、電磁波を遮断するため、電磁遮蔽室（すなわち、シールドルームまたは電磁遮蔽空間）を規定する箱状構造体２０に収容されている。

患部１は、超音波照射部２と測定部３との間に位置している。その結果、測定部３は患部１から発生した電磁波を、コイルに超音波があたりそれ自身が発生する電磁波より早い時間で受信することができる。そのため、それぞれの電磁波を重畳せずに区分でき、精度よく患部１の電磁波を受信することができる。

時間的に区分できる要因は、電磁波の速度は光の速度（３万ｋｍ／ｓ）で伝播する。一方、超音波の速度は、例えば水中の場合１５００ｍ／ｓで伝播する。そのため、骨およびコイルの距離がそれぞれ異なると、その距離に応じて異なる時間で超音波が当たる。しかし、骨およびコイルに超音波がそれぞれ当たった瞬間に電磁波が発生するため、骨およびコイルのそれぞれの電磁波を時間的に区分できる。

測定部３は、例えば、超音波照射部２と超音波が集束する収束点ｍとを結ぶ軸線Ｌ上に位置している。その結果、測定部３は骨から発生する強い電磁波を受信することができる。

また、超音波治療装置は、空気よりも誘電率の高い流体が封入された第１導波体４を備えていてもよい。そして、第１導波体４は、超音波照射部２と患部１に接続されている。その結果、超音波を患部に効率良く照射することができ、かつ、第１導波体４に測定部３を設置した場合、骨から発生した電磁波を効率よく受信することができる。なお、第１導波体４は、バルーンとも呼ばれる。第１導波体４は、液体が封入できるように、機械的強度を有する液密な構造体から成る。

また、超音波治療装置は、空気よりも誘電率の高い流体が封入された第２導波体５を備えていてもよい。測定部３は、第２導波体５内に配されている。そして、第２導波体５は、患部１に接続している。その結果、骨から発生した電磁波を効率よく受信することができる。第２導波体５は、液体が封入できるように、機械的強度を有する液密な構造体から成る。

第１導波体４または第２導波体５内には、空気よりも誘電率の高い流体として、例えば純水が封入されてもよい。その結果、骨から発生した電磁波を効率よく受信することができる。

本実施形態の超音波治療装置は、例えば、転移骨がん，関節痛等に由来する骨疼痛、すなわち体表からの深度が１ｍｍ～３０ｍｍ程度の身体の浅い部分で発生する疼痛を緩和するために用いられてもよい。超音波照射部２は、圧電体から成る複数の振動子を備える高密度集束超音波（High-Intensity Focused Ultrasound；ＨＩＦＵ）トランスデューサ６と、ＨＩＦＵトランスデューサ６が収容される筐体７と、ＨＩＦＵトランスデューサ６および筐体７を変位可能に保持する駆動装置８とを有する。

超音波照射部２の下方には、患者が仰臥または横臥した姿勢で横たわることができる治療用支持台９が設けられ、治療用支持台９の下方には第２導波体５が設けられる。第２導波体５内には、測定部３と、測定部３を変位可能に支持する支持装置１０とが収容される。治療用支持台９の中央部に、第２導波体５が患部１と接するように穴を空けても良い。

ＨＩＦＵトランスデューサ６の駆動装置８、治療用支持台９および支持装置１０は、超音波を治療用支持台９上の患者の任意の部位に照射可能なように、水平な仮想平面上で直交するＸ軸およびＹ軸、ならびにＸ軸およびＹ軸に垂直な高さ方向であるＺ軸に沿って、相対的に自在に移動させ、超音波照射対象部位を、ＨＩＦＵトランスデューサ６の直下の適切な位置に位置決めできるように構成されている。

図１に示す超音波治療装置において、超音波照射部２は、患部１の上に広がる湾曲した円板状のＨＩＦＵトランスデューサ６と、患者Ｐの超音波照射対象部位の冷却用の冷却水を保持するための樹脂フィルム製のバルーンである第１導波体４と、これらを患者Ｐの身体の上に懸架するとともに、駆動装置８に支持されて移動可能な筐体７と、を主体として構成されている。図１における配管、配線等の各部材間の接続は、図示を省略している。

ＨＩＦＵトランスデューサ６は、全体として、患部１の上方に位置し、下方に向かって下方した凹状のパラボラ形状になっている。その凹状の内面には、前述の複数の振動子が整列して配設されている。このＨＩＦＵトランスデューサ６の内面は、収束点ｍに向かって集束する曲率半径を有する湾曲面に形成されているため、各振動子が同時に超音波を発振した場合、発振された超音波は、一点（焦点）に集束してＨＩＦＵとなる。

なお、ＨＩＦＵトランスデューサ６（超音波照射部）が、上記のように患部１の上方に広がる円板状等の形状になっているのは、患部１に正対する広い面になるべく多くの振動子を並べ、超音波発信強度を確保するためである。したがって、ＨＩＦＵトランスデューサ６の形状は、前述の円板状や円盤状に限定されるものではなく、患部１に正対する広い面を確保できる形状であれば、照射部の全体形状は特に限定されるものではない。たとえば、外形が円形もしくは四角形等であってもよく、あるいは平坦な板状であってもよい。

また、振動子を、超音波の焦点と被写界深度とを変えることのできる、フェィズドアレイタイプのＨＩＦＵトランスデューサとすれば、ＨＩＦＵトランスデューサ６におけるパラボラ形の曲率半径を変更したり、フラットな平板状の照射部を採用したりすることも可能である。

第１導波体４は、樹脂製の透明または半透明フィルムを用いて構成されており、図示しない冷却水発生部で作製された脱気済み冷水（この場合、水温約１８℃）が、冷却水発生部との間で循環することによって、第１導波体４内の水温が一定温度に保たれ、第１導波体４下部（底部）の接する体表面を冷却できるようになっている。

なお、患者Ｐの体表面（超音波照射対象部位の皮膚面）を第１導波体４で冷却する理由は、超音波照射による体表面および表層の熱傷（火傷）を軽減するためであり、循環させる冷水は、超音波照射による気泡の発生等を抑制するために、脱気された状態で循環する。また、本実施形態における第１導波体４の「透明または半透明」とは、使用している樹脂フィルムの、可視光の波長帯域および紫外線の波長帯域における光の透過率が８０％以上であることをいう。

さらに超音波治療装置は、超音波を照射するＨＩＦＵトランスデューサ６の駆動回路６ａおよびパワーアンプ６ｂ、駆動装置８の制御装置１３、患部１を診るための超音波診断装置１４、超音波を患部１まで照射する経路となる第１導波体４および第２導波体５に純水を供給する装置１５、ならびに電磁波を検知するコイル等を備えた測定部３の支持装置１０の制御機構である制御装置１６を含んで構成される。これらはシステムコントローラ１７によって制御され、制御値は入力装置１８から入力され、各制御値および測定データ等は画像表示装置１９によって画像表示される。システムコントローラ１７は、例えばパーソナルコンピュータによって実現されてもよい。入力装置１８は、例えばキーボード、タッチパネルなどによって実現されてもよい。画像表示装置１９は、例えば液晶表示装置、ＥＬ表示装置またはＬＥＤ表示装置などによって実現されてもよい。

本実施形態では、第２導波体５、測定部３および支持装置１０は、治療用支持体９の内側に配されている例を記載している。他の実施形態では、第２導波体５、測定部３および支持装置１０は、治療用支持体９の外にあってもよい。また、第２導波体５、測定部３および支持装置１０は、ＨＩＦＵトランスデューサ６から離れ、かつ体表に接する位置にあってもよい。

なお、支持装置１０は、ＨＩＦＵトランスデューサ６から位置制御の代表的な駆動機構として、シリアルリンクとパラレルリンク機構などによって実現されてもよい。このような機構を使用して、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元位置および回転のすべてを制御してもよいが、少なくとも１軸についての位置または回転だけを制御する機構であってもよい。さらに、コイルに超音波が当たらず、不要な電磁波を発していなければ、測定部３の位置を固定してもよい。

図２は超音波治療装置の動作を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１で、患部１の焼灼位置と温度計測位置を設定し、ステップＳ２で、患部１の各照射位置に超音波を照射し、その反射波から距離を計測する。位置情報は、ＨＩＦＵトランスデューサ６の位置制御情報も利用する。

ステップＳ３で、測定部３を患部１に設定した位置条件で近づける。照射位置と温度計測位置とが一致する場合は、そのまま温度計測のためのバースト波を照射する。ただし、温度計測位置は照射位置を基準に任意に設定することができる。ステップＳ４で、バースト波を発生したときの骨サンプルの電磁波強度が十分高ければ、次のステップＳ５に進む。

ステップＳ４で、バースト波を発生したときの骨サンプルの電磁波強度が低ければ、ステップＳ８でバースト波の照射強度を高め、高すぎればその逆とする。また、測定部３のコイルの感度を調整してもよい。

それでも骨サンプルの電磁波強度が低ければ、ステップＳ９へ移り、ＨＩＦＵトランスデューサ６を駆動装置８によって移動させ、温度計測位置を調整する。移動距離は、ＨＩＦＵトランスデューサ６の焦点距離などにもよるが、その焦点距離が１００ｍｍの場合、１ｍｍ前後移動する。移動する方法には、以下の２つの方法がある。

（１）ＨＩＦＵトランスデューサ６がマルチ圧電素子型ＨＩＦＵトランスデューサの場合、それぞれの圧電素子への入力信号の位相を制御することによって、ＨＩＦＵ焦点位置を移動する。
（２）ＨＩＦＵトランスデューサ６自身を駆動装置８による機械的な制御によって移動する。

骨サンプルの十分な電磁波強度が得られた後、ステップＳ３で、測定部３の位置を支持装置１０によって移動する。移動距離はＨＩＦＵトランスデューサ６の焦点距離などにもよるが、その焦点距離が１００ｍｍの場合、±２０ｍｍ程度の範囲で、１回につき１ｍｍ～２ｍｍ程度移動させる。これと同時に、測定部３の角度を１回につき５°程度変更してもよい。

次に、ステップＳ５に移り、移動した位置で同様にバースト波を発生させ、ステップＳ６で、測定部３のコイルと骨サンプルの電磁波発生時間とを画像表示装置１９の画像等によって確認する。確認の結果、測定部３のコイルと骨サンプルの電磁波発生開始時間とが異なり、骨サンプルの正味の電磁波が独立して検知できていることを確認し、電磁波強度の調整が不要であれば、ステップＳ７に移る。

ステップＳ７では、連続した超音波を骨サンプルに照射し、骨サンプルの温度をモニタリングする。骨サンプルが設定した温度に到達した後、超音波照射を停止する。その後、患部１の焼灼位置と温度計測位置を設定し、所定の回数、このＨＩＦＵの連続波による焼灼とバースト波による温度計測および温度計測位置の温度のモニタリングを繰り返す。

＜実施例＞
図３および図４は、骨サンプルと測定部３との相対的な位置を変化させたときの誘起電磁波の強度を電圧で示したグラフである。本件発明者は、測定部３のコイル位置が骨サンプルの正味の電磁波に及ぼす影響について確認した。

具体的には、図３と図４は、バースト波の超音波を骨サンプル（豚の皮質骨）に照射し、そのとき骨から発生した電磁波をコイルで計測し、電圧表示したグラフである。この時、厚さ４．５mmの幅および高さが２０ｍｍの板状の豚の皮質骨をサンプルとして使用した。また、その骨サンプルと測定部３を第１導波体４の中に設置した。この時使用したＨＩＦＵトランスデューサは１００ｍｍの曲率半径を有する凹面型トランスデューサである。ＨＩＦＵトランスデューサから発生させたバースト波は１ＭＨｚの正弦波で、波を繰り返し周波数１００Ｈｚで照射した。また、この時の超音波の音圧は３ＭＰａである。

図３および図４に示すとおり、骨サンプルをＨＩＦＵ焦点位置に固定し（Ｚ＝１００ｍｍ）、測定部３をＨＩＦＵトランスデューサ６の照射軸方向に移動した（Ｚ＝１３０ｍｍ）。図示した骨サンプルおよび測定部３の電磁波信号は、測定部３が受信する外来のランダムノイズを除去するために平均化処理した値を示した。

測定部３の位置がＺ＝１３０ｍｍのときは、測定部３と骨サンプルの電磁波信号が独立している（図４）。しかし、Ｚ＝１００ｍｍのときは、測定部３と骨サンプルとの電磁波信号が重畳し、骨サンプルの正味の電磁波信号が得られない（図３）ことを確認した。

本開示では、測定部３の位置を支持装置１０による機械的システムによって適切な位置に設置することができる。

本開示の超音波治療装置によれば、測定部３を超音波照射部および患部に対して適切な位置、すなわち超音波によって患部から発生する第１電磁波と、超音波によって測定部自身から発生する第２電磁波とが干渉しない、超音波照射部および患部から離れた位置に支持装置１０によって移動させて位置決めすることができるので、弱圧電体である骨などの患部１に超音波を照射した際に発生する誘起電磁波の強度の高い部位を容易に探索することが可能となり、患部１だけに由来する電磁波の強度変化または温度変化をモニタリングすることができる。

以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。

１ 患部
２ 超音波照射部
３ 測定部
４ 第１導波体
５ 第２導波体
６ ＨＩＦＵトランスデューサ
７ 筐体
８ 駆動装置
９ 治療用支持台
１０ 支持装置
１３ 制御装置
１４ 超音波診断装置
１５ 純水供給装置
１６ 制御装置
１７ システムコントローラ
１８ 入力装置
１９ 画像表示装置
２０ 箱状構造体
ｍ 収束点
Ｌ 軸

Claims (7)

1. 患部に、超音波を照射する超音波照射部と、
   アンテナを有するとともに、超音波に誘起された電磁波に基づき、前記患部の温度を測定する測定部と、を備え、
   前記超音波によって前記患部から発生する第１電磁波による前記測定部の出力と、前記超音波によって前記アンテナ自身から発生する第２電磁波による前記測定部の出力が時間軸上で区別可能なように、前記アンテナが前記患部および前記超音波照射部から離れて位置し、
   前記超音波照射部から前記測定部までの距離は、前記超音波照射部から前記患部までの距離よりも長い、超音波治療装置。
2. 請求項１に記載の超音波治療装置であって、
   前記患部が、前記超音波照射部と前記測定部との間に位置している、超音波治療装置。
3. 請求項２に記載の超音波治療装置であって、
   前記測定部は、前記超音波照射部と前記超音波が集束する収束点とを結ぶ軸上に位置している、超音波治療装置。
4. 請求項１～３のいずれかに記載の超音波治療装置であって、
   空気よりも誘電率の高い流体が封入された液密な構造体である第１導波体をさらに備え、
   前記第１導波体は、前記超音波照射部および前記患部に接している、超音波治療装置。
5. 請求項１～４のいずれかに記載の超音波治療装置であって、
   空気よりも誘電率の高い流体が封入された液密な構造体である第２導波体をさらに備え、
   前記測定部は、第２導波体内に配されており、
   前記第２導波体は、前記患部に接している、超音波治療装置。
6. 請求項４に記載の超音波治療装置であって、
   前記第１導波体には、純水が封入されている、超音波治療装置。
7. 請求項５に記載の超音波治療装置であって、
   前記第２導波体には、純水が封入されている、超音波治療装置。