JPH02215452A

JPH02215452A - 結石破砕装置

Info

Publication number: JPH02215452A
Application number: JP1037638A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Aida; 聡相田; Nobuyuki Iwama; 信行岩間
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1989-02-17
Publication date: 1990-08-28
Also published as: EP0383629B1; DE69018853T2; US5076277A; EP0383629A1; DE69018853D1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は衝撃波を用いて結石を破砕治療する結石破砕
装置に係り、特に衝撃波源にピエゾ素子を用いた結石破
砕装置に関する。

（従来の技術）近年、腎臓結石その他の結石を手術によることなく除去
する方法として、体外より衝撃波を体内の結石部位に集
束させて結石を破砕する方法が提案され、広く用いられ
るようになってきた。しかしながら、この方法は手術に
比較して患者への侵襲は少ないとは言え、衝撃波源の焦
点が結石部位から外れ正常組織に衝撃波が集束すると、
正常組織への副作用はまぬがれない。実際、患者の呼吸
性移動や体動などにより、結石部位が衝撃波源の焦点か
ら外れることはしばしばある。

このような問題を解決するため、特にピエゾ素子を衝撃
波源に用いた結石破砕装置において、特開昭Ｈ−４９８
４３号公報に記載されているように、結石破砕用のピエ
ゾ素子を介して衝撃波と同一集束状態の低圧力超音波を
体内に照射し、焦点近傍からの反射波の強度から衝撃波
源の焦点と結石部位との一致状況を判定するようにした
ものが知られている。この方法によれば、焦点と結石部
位とが一致した場合にのみ衝撃波を照射することにより
、呼吸性移動などによる誤照射を防止することが可能と
なる。

一般に、結石破砕用の衝撃波の発生に用いられるピエゾ
素子は、焦点において６００ｋｂａｒ〜１　ｋｂａｒ程
度の超高圧力が得られるように正確に凹面状に配置され
、径方向の半値幅で２〜４　ｍｍ程度と極度に集束され
た圧力分布を形成する。この結石破砕用の衝撃波と同程
度に集束された低圧力の超音波をモデル結石である第４
図（ａ）に示す球状ターゲットに照射し、゛その反射波
強度のピーク値の分布を測定した結果を第４図（ｂ）に
示す。球状ターゲットとしては直径７ｍ１１の活性アル
ミナ球を用いた。

第４図（ｂ）は、この球状ターゲットを焦点の深さで中
心軸に垂直方向に移動させた時の反射波強度のピーク値
をプロットしたものである。この場合、第４図（ｂ）の
反射波強度分布における半値幅は４關となり、ターゲッ
ト直径の５７％となる。

ここで、上述した従来技術において、反射波強度が例え
ば半値幅における強度以上になった時に衝撃波源の焦点
が結石部位に一致したと判定して衝撃波を照射するもの
とすると、結石に対して直径の５７％程度の部分のみし
か衝撃波を照射できず、結石の端部には衝撃波を照射で
きないことが予想される。

（発明が解決しようとする課題）このように単純に衝撃波より圧力を低くした超音波を用
いて結石部位と衝撃波源の焦点との一致を検出し、それ
に基づいて衝撃波の照射を制御する方法では、結石の端
部に焦点が位置している場合は反射波強度が低くなるこ
とにより、結石部位と衝撃波源の焦点との一致を検出で
きず衝撃波を照射しないため、結石全体に衝撃波を照射
することができないという問題があった。

本発明は結石以外の部位に衝撃波を照射することなく、
結石全体に効果的に衝撃波を照射することができる結石
破砕装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は結石破砕のための衝撃波より低圧力で且つ衝撃
波の焦点圧力分布より広い焦点圧力分布を有する低圧力
超音波を発生する低圧力超音波発生手段を設け、患者体
内からの低圧力超音波の反射波を受信し、その反射波の
強度が所定の閾値以上になったとき衝撃波発生手段を起
動するようにしたものである。

より具体的には複数のピエゾ素子を所定形状に配列した
ピエゾ素子群を衝撃波発生源に用いた場合、ピエゾ素子
群から所定の焦点圧力分布を有する結石破砕のための衝
撃波が発生されるようにピエゾ素子群を高電圧パルスに
よって駆動する第１の駆動手段と、ピエゾ素子群から衝
撃波より低圧力で且つ衝撃波の焦点圧力分布より広い焦
点圧力分布を有する低圧力超音波が発生されるようにピ
エゾ素子群の少なくとも一部を低電圧パルスによって駆
動する第２の駆動手段と、患者体内からの低圧力超音波
の反射波をピエゾ素子群を介して受信する受信手段と、
受信された反射波の強度が所定の閾値以上になったとき
第１の駆動手段を起動する手段とを有する。

ピエゾ素子群は例えば複数のピエゾ素子を同心円状に配
列して構成され、第２の駆動手段は例えば内周部のピエ
ゾ素子群のみを駆動するか、またはピエゾ素子群の各ピ
エゾ素子を所定の時間差で駆動することによって、広い
焦点圧力分布を有すや低圧力超音波を発生させる。

（作　用）焦点圧力分布が結石破砕のための衝撃波の分布より広い
分布を有する低圧力超音波を用いて結石部位と焦点との
一致を判定すると、焦点が結石の端部に一致している場
合でも反射波強度が閾値以上となって衝撃波が発生され
ることにより、結石のほぼ全体に衝撃波が照射される。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係る結石破砕装置の構
成を示したものである。同図において、治療用アプリケ
ータ１は複数のリング状ピエゾ素子を同心円状に配列し
、超音波送受面が凹面をなすように全体として球殻状に
配置したピエゾ素子群２と、このピエゾ素子群２の中心
に挿入配置されたイメージング用超音波プローブ３によ
って構成されている。このアプリケータ１は図に示すよ
うに患者４の体内の結石５を破砕治療すべく、図示しな
い可撓性の氷袋を介して患者４に当接されている。

イメージング用超音波プローブ３は、軸方向及び軸回り
の方向に移動可能に構成されている。イメージング装置
６はイメージング用超音波プローブ３を介して患者４の
体内に超音波を送信し、反射波を受信することにより、
超音波Ｂモード像を図示しないデイスプレィ上に表示す
る。オペレータ（医師など）はこのＢモード像を観察し
ながら、ピエゾ素子群２の焦点を結石５に一致するよう
に移動させる。

ピエゾ素子群２はこの例ではそれぞれ独立に駆動できる
内周部２ａと外周部２ｂとに分割されており、それぞれ
バルサ（パルス発生手段）７ａ２７ｂに接続されている
。バルサ７ａ、７ｂはシーケンスコントローラ８からの
制御により駆動される。バルサ７ａ、７ｂの電源入力端
子には、シーケンスコントローラ８により制御される切
換スイッチ９を介して高電圧電源１０及び低電圧電源１
１が選択的に接続される。

ピエゾ素子群２の内周部２ａは、受信回路１２にも接続
されている。受信回路１２はピエゾ素子群２の内周部２
ａで受信された患者４の体内からの反射波のうち焦点の
近傍からの信号のみをシーケンスコントローラ８からの
タイムゲート信号により抽出し、増幅及び検波する。こ
の受信回路１２の出力信号はレベル検出回路１３に入力
され、そのレベルすなわち反射波強度が検出される。レ
ベル検出回路１３の出力信号はシーケンスコントローラ
８に入力される。

第２図はバルサ７ａ、７ｂの一つの構成を詳細に示した
ものである。同図において、電源入力端子２１は電荷蓄
積用コンデンサ２２の一端に接続されるとともに、イン
ダクタ２３を介してスイッチング・トランジスタ２４の
コレクタとカップリングコンデンサ２６の一端に接続さ
れ、カップリングコンデンサ２６の他端はダンピング抵
抗２７の一端及び出力端子２８に接続されている。コン
デンサ２２の他端とトランジスタ２４のエミッタ及びダ
ンピング抵抗２７の他端は接地されている。

トランジスタ２４のベースは制御入力端子２５を介して
第１図のシーケンスコントローラ８に接続ｌされている
。

シーケンスコントローラ８から制御入力端子２５を介し
てトランジスタ２４のベースに制御パルスが入力され、
トランジスタ２５がオン状態になると、それまでコンデ
ンサ２２に蓄えられていた電荷がインダクタ２３及びト
ランジスタ２４を介して放電され、出力端子２８の電位
が徐々に負方向に上昇する。次いで、トランジスタ２４
がオフ状態になると、インダクタ２３の逆起電力が生じ
るため、出力端子２８の電位は正方向に増大する。この
場合、インダクタ２３のインダクタンス値をピエゾ素子
の共振周波数に同調するように合わせ、かつ制御入力端
子２５に供給する制御パルスのパルス幅を共振周波数の
１／２に合わせる。この結果、出力端子２８にはｐ−ｐ
値で高電圧電源１０または低電圧電源１１の電圧のほぼ
２倍のパルス電圧が発生される。

次に、本実施例の動作を第３図のタイムチャートを参照
して説明する。切換スイッチ９は通常は低電圧電源１１
をバルサ７ａ、７ｂに接続している。この状態でまずシ
ーケンスコントローラ８からバルサ７ａに対して、第３
図（ａ）に示す制御パルスが１個供給される。これによ
りバルサ７ａから第３図（ｅ）に示す低電圧パルスが発
生され、この低電圧パルスがピエゾ素子群２の内周部２
ａに供給されることにより、例えば１０ｂａｒ程度の微
弱な超音波（低圧力超音波）が患者４の体内に照射され
る。

この低圧力超音波の照射により体内で反射された反射波
はピエゾ素子群２で受信され、内周部２ａで受信された
反射波が受信回路１２に入力される。受信回路１２はシ
ーケンスコントローラ８からの第３図（ｄ）に示すタイ
ムゲート信号により、ピエゾ素子群２の焦点の近傍から
の反射波の成分のみを抽出して増幅・検波を行ない、そ
のピーク値を保持することにより、第３図（ｅ）に示す
出力信号を発生する。受信回路１２の出力信号はレベル
検出回路１３に入力され、所定の閾値Ｖｔｈと比較され
る。

結石５は患者４の体内の他の軟部組織と異なり、音響イ
ンピーダンスが高いので、結石５からの反射波の強度は
大゛きい。このため受信回路１２の出力信号レベルは閾
値ｖｔｈよりも大きくなり、レベル検出回路１３の出力
は例えば高レベルとなる。

これに対し、呼吸などにより結石５がピエゾ素子群２の
焦点から外れた場合には、体内からの反射波がほとんど
返ってこないため、受信回路１２の出力信号レベルは閾
値ｖｔｈより小さくなり、レベル検出回路１３の出力は
例えば低レベルとなる。

レベル検出回路１３の出力はシーケンスコーントローラ
８に入力される。

シーケンスコントローラ８はレベル検出回路１３の出力
が高レベルになると、すなわち反射波強度がＶｔｈで決
まる閾値以上になると、焦点と結石５の部位とが一致し
たと判断して、第３図（「）に示すように切換スイッチ
９への切換制御信号を一定時間の開極性反転させる。こ
れにより切換スイッチ９は高定電圧電源１０をパルサ７
ａ、７ｂに接続する。また、これと同時にシーケンスコ
ントローラ８はパルサ７ａ及びパルサ７ｂに対して第３
図（ａ）（ｂ）に示す３個の制御パルスをそれぞれ供給
する。この結果、パルサ７ａ、７ｂからは第３図（ｇ）
に示す高電圧パルスの列が発生され、この高電圧パルス
がピエゾ素子群２の内周部２ａ及び外周部２ｂに供給さ
れることにより、強力な衝撃波が発生されて結石５に照
射される。

レベル検出回路１３の出力が低レベルの時、すなわち反
射波強度が閾値に満たない場合は、シーケンスコントロ
ーラ８から切換スイッチ９への切換制御信号が出力され
ないため、高電圧パルスは出力されない。そして、再度
パルサ７ａが駆動されて低圧力超音波が照射されること
により、同様の動作が繰返される。

上記実施例においては、ピエゾ素子群２の焦点と結石５
の部位との一致を検出するための低圧力超音波を発生す
るのに用いられる部分が内周部２ａであり、その最大直
径は結石破砕用の衝撃波を発生するのに用いられる部分
（内周部２ａ及び外周部２ｂ）の最大直径のほぼ１／２
となっているため、低圧力超音波の焦点圧力分布は、衝
撃波の焦点圧力分布より径方向にほぼ２倍に広がる。

第５図はこの様子を示したもので、（ａ）は低圧力超音
波が照射されるモデル結石としての球状ターゲット（例
えば直径７１ｍのアルミナ球）のサイズを示し、（ｂ）
はこのターゲットに低圧力超音波を照射した時の反射波
強度のピーク値の径方向における分布を測定した結果を
示している。第５図（ｂ）に示すように、反射波強度分
布における半値幅は第５図（ａ）に示す球状ターゲット
の直径とほぼ同じとなる。従って、レベル検出回路１３
における閾値ｖｔｈを半値幅における反射波強度に対応
する値に設定しておけば、結石５の端部に焦点が一致し
ている場合でも反射波強度が閾値以上となり衝撃波が発
生されるため、結石のほぼ全体に衝撃波が照射され、効
果的に結石破砕を行なうことができる。

また、本実施例ではパルサ７ａ、７ｂの前に切換スイッ
チ９を設け、高電圧電源１０と低電圧電源１１とを切換
えて接続することで、パルサ７ａ。

７ｂから昇圧された高電圧パルス及び低電圧パルスを選
択的に発生させる構成としたことにより、切換スイッチ
９で扱う電圧及び電流が小さくて済み、小型のスイッチ
を使用できるばかりでなく、パルサの数（ピエゾ素子の
数）が増えても切換スイッチは一つでよいので、構成が
簡単となる。

さらに、本実施例では第２図に示したように高電圧電源
１０または低電圧電源１１から切換スイッチ９を介して
パルサ７ａ、７ｂに常時電流を供給してコンデンサ２２
に電荷を蓄えておき、トランジスタ２４のオンによりコ
ンデンサ２２の電荷を放電させて昇圧されたパルスを発
生するため、電源１０．１１の電流容量を小さくでき、
電源の小型化ガ（可能となる。

第６図は本発明の第２の実施例を示したもので、ピエゾ
素子群３０は図の例では５個のリング状ピエゾ素子３１
〜３５を同心円状に配列して構成されており、各ピエゾ
素子３１〜３５に第２図と同様の構成のパルサ４１〜４
５がそれぞれ個別に接続されている。この場合、結石破
砕のための衝撃波を発生する時は、パルサ４１〜４５が
切換スイッチ９を介して高電圧電源１０に接続されると
ともに、シーケンスコントローラ８からパルサ４１〜４
５に同時に制御パルスが供給される。

一方、結石５の部位とピエゾ素子群３０の焦点との一致
を検出するための低圧力超音波を発生する時は、パルサ
４１〜４５が切換スイッチ９を介して低電圧電源１１に
接続されると共に、シーケンスコントローラ８からパル
サ４１〜４５に制御パルスがそれぞれ相対的に時間差を
もって供給されることにより、ピエゾ素子３１〜３５に
は時間差をもって高電圧パルスが印加される。

ここで、ピエゾ素子３１〜３５に高電圧パルスを印加す
る際の時間差は、焦点での超音波の集束状態が広がるよ
うに設定される。ピエゾ素子配列を駆動する場合、それ
ぞれのピエゾ素子の駆動タイミングに時間差を付けるこ
とによって、放射される超音波の集束状態を変化できる
ことは超音波診断装置等で知られている。この技術を利
用してシーケンスコントローラ８からバルサ４１〜４５
への制御パルスに所定の時間差を与えることにより、低
圧力超音波の焦点圧力分布を衝撃波のそれより広げるこ
とができる。

ピエゾ素子３１〜３５でそれぞれ受信された反射波は、
好ましくはピエゾ素子３１〜３５から放射された低圧力
超音波が受けた時間差と同じ時間差を遅延回路５０で受
けた後、先の実施例と同様に受信回路１２に入力され、
レベル検出回路１３で閾値Ｖｔｈと比較されることによ
って反射波強度が閾値以上かどうかが判定される。そし
て、反射波強度が閾値以上になると、シーケンスコント
ローラ８からバルサ４１〜４５に同時に制御パルスが供
給されると共に、バルサ４１〜４５に切換スイッチ９を
介して高電圧電源１０が接続されることによって、バル
サ４１〜４５から高電圧パルスが出力され、ピエゾ素子
３１〜３５から衝撃波が発生される。

第７図は本発明の他の実施例を示したもので、第１図に
おける切換スイッチ９及び低電圧電源１１を除去し、高
電圧電源１０をバルサ７ａ。

７ｂに直接接続している。ピエゾ素子群２はこの例では
第１図の場合と同様に、それぞれ独立に駆動できる内周
部２ａと外周部２ｂとに分割されており、それぞれバル
サ７ａ、７ｂに接続されているが、内周部２ａは例えば
第８図に示すように、円周方向に複数個（図の例では８
個）に分割されている。そして、バルサ７ａは内周部２
ａのうち図に斜線で示す部分のみに接続され、バルサ７
ｂは内周部２ａの全ての部分と外周部２ｂに接続されて
いる。また、受信回路１２も内周部２ａのうちの斜線部
分のみに接続されている。

この実施例においては、バルサ７ａから発生されたパル
ス電圧はピエゾ素子群２の内周部２ａの斜線部分のみに
印加されるため、パルス電圧の電圧が高くとも、発生さ
れる超音波は低圧力となり、またその最大直径が結石破
砕用の衝撃波を発生するのに用いられる部分内周部２ａ
及び外周部２ｂの最大直径より小さくなっている。従っ
て、電源としでは高電圧電源１０のみを用意しながら、
焦点と結石５の部位との一致を検出するための低圧力超
音波を発生することができ、しかもその低圧力超音波の
焦点圧力分布は、衝撃波の焦点圧力分布より大きくなり
、所期の目的を達成することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施すること
ができる。例えば第１図ではピエゾ素子群２を内周部２
ａと外周部２ｂとに二分割したが、更に多数に分割し、
内周側の数個のピエゾ素子に同時にまたは時間差をもっ
て低電圧パルスを印加することにより、ピエゾ素子群の
焦点と結石部位との一致を検出するための低圧力超音波
を放射させる構成としてもよい。

［発明の効果］本発明によれば、焦点圧力分布が衝撃波のそれより広い
低圧力超音波により衝撃波源の焦点と結石部位との一致
を判定することによって、結石周囲の正常組織に誤照射
をすることなく、結石全体に衝撃波を照射することが可
能となり、副作用の低減と破砕効果の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る結石破砕装置の構
成を示すブロック図、第２図は第１図におけるバルサの
詳細な構成を示す回路図、第３図は第１図の動作を説明
するためのタイムチャーと、第４図（ａ）　（ｂ）は従
来技術によるモデル結石である球ターゲットとターゲッ
トからの反射波強度のピーク値の分布を示す図、第５図
（ａ）（ｂ）は第１図の実施例による球ターゲットとタ
ーゲットからの反射波強度のピーク値の分布を示す図、
第６図は本発明の第２の実施例に係る結石破砕装置の構
成を示すブロック図、第７図は本発明の第３の実施例に
係る結石破砕装置の構成を示すブロック図、第８図は第
７図におけるピエゾ素子群の概略構成を示す正面図であ
る。である。１・・・治療用アプリケータ２．３０・・・ピエゾ素子群３・・・イメージング用超音波プローブ４・・・患者５・・・結石６・・・イメージング装置７　ａ　、　　７　ｂ　ｓ　４１〜４５・・・パルサ（
パルス発生手段）８・・・シーケンスコントローラ９・・・切換スイッチ１０・・・高電圧電源１１・・・低電圧電源１２・・・受信回路

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ピエゾ素子群を用いて結石破砕のための所定の焦
点圧力分布を有する衝撃波を発生する衝撃波発生手段と
、前記ピエゾ素子群の少なくとも一部を用いて前記衝撃波
より低圧力で且つ衝撃波の焦点圧力分布より広い焦点圧
力分布を有する低圧力超音波を発生する低圧力超音波発
生手段と、患者体内からの前記低圧力超音波の反射波を受信する受
信手段と、この手段により受信された反射波の強度が所定の閾値以
上になったとき前記衝撃波発生手段を起動する手段とを
備えたことを特徴とする結石破砕装置。
（２）複数のピエゾ素子を所定の形状に配列して構成さ
れたピエゾ素子群と、このピエゾ素子群から所定の焦点圧力分布を有する結石
破砕のための衝撃波が発生されるようにピエゾ素子群を
高電圧パルスによって駆動する第１の駆動手段と、前記ピエゾ素子群から前記衝撃波より低圧力で且つ衝撃
波の焦点圧力分布より広い焦点圧力分布を有する低圧力
超音波が発生されるようにピエゾ素子群の少なくとも一
部を低電圧パルスによって駆動する第２の駆動手段と、患者体内からの前記低圧力超音波の反射波を前記ピエゾ
素子群を介して受信する受信手段と、この手段により受
信された反射波の強度が所定の閾値以上になったとき前
記第１の駆動手段を起動する手段とを備えたことを特徴
とする結石破砕装置。
（３）前記ピエゾ素子群は複数のピエゾ素子を同心円状
に配列して構成されたものであり、前記第２の駆動手段
はピエゾ素子群の内周部のみを駆動することにより、衝
撃波より低圧力で且つ衝撃波の焦点圧力分布より広い焦
点圧力分布を有する低圧力超音波を発生せしめるもので
ある請求項２記載の結石破砕装置。
（４）前記ピエゾ素子群は複数のピエゾ素子を同心円状
に配列して構成されたものであり、前記第２の駆動手段
はピエゾ素子群の各ピエゾ素子を所定の時間差をもって
駆動することにより、衝撃波より低圧力で且つ衝撃波の
焦点圧力分布より広い焦点圧力分布を有する低圧力超音
波を発生せしめるものである請求項２記載の結石破砕装
置。
（５）複数のピエゾ素子を所定の形状に配列して構成さ
れたピエゾ素子群と、このピエゾ素子群から結石破砕のための衝撃波が発生さ
れるようにピエゾ素子群を高電圧パルスによって駆動す
る第１の駆動モードと、前記ピエゾ素子群から前記衝撃
波より低圧力の低圧力超音波が発生されるようにピエゾ
素子群の少なくとも一部を低電圧パルスによって駆動す
る第２の駆動モードとを有する駆動手段と、患者体内からの前記低圧力超音波の反射波を前記ピエゾ
素子群を介して受信する受信手段と、この手段により受
信された反射波の強度が所定の閾値以上になったとき前
記第１の駆動手段を起動する手段とを備え、前記駆動手段は、前記ピエゾ素子群に接続されたパルス
発生手段と、高電圧電源と、低電圧電源と、前記第１の
動作モードにおいては前記高電圧電源を前記パルス発生
手段に接続し、前記第２の動作モードにおいては前記低
電圧電源を前記パルス発生手段に接続する切換手段とを
備えたことを特徴とする結石破砕装置。