JPH0433652A - 結石破砕装置 - Google Patents

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、患者の体外から体内の結石に衝撃波を照射
して結石を破砕する結石破砕装置に係り、特に結石以外
の部位への衝撃波の誤照射を防止する機能を備えた結”
石破砕装置に関する。

（従来の技術） 近年、主として腎石の治療において体外の衝撃波発生器
で発生させた衝撃波を体内の結石に照射して破砕治療す
る体外衝撃波結石破砕装置が広く用いられるようになっ
てきた。衝撃波発生器としては、電気スパーク、電磁誘
導、爆薬などを衝撃波源としたものの他、近年では低価
格で安定した衝撃波出力が得られる圧電セラミックス振
動子に代表される圧電素子を用いた衝撃波発生器も開発
されている。

このような結石破砕装置では、衝撃波の集束位置（以下
、焦点という）と結石との位置合わせを正確に行うこと
が重要である。従来においては、超音波診断装置と同様
の超音波画像装置を用いて結石がある腎臓などの部位を
断層像として画像化し、その画像を操作者がモニタする
ことで焦点と結石の位置合わせを行っていた。

しかしながら、超音波にとっては体内の結石も空気も共
に超音波にとって大きな反射体であるため、これらはデ
イスプレィ上の超音波画像では同じような画像として現
れる。従って、画像から結石と空気を識別することは困
難であり、誤って空気に衝撃波を照射するおそれがある
。

衝撃波が空気に誤って照射された場合、患者の疼痛が激
しく、場合によっては正常組織に損傷を与えることもあ
る。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、従来の結石破砕装置では超音波画像を
用いて衝撃波の焦点と結石との位置合わせを行って衝撃
波を照射していたため、結石と空気との識別ができず、
空気の部分に衝撃波を誤照射し、患者に痛みを与えたり
、正常組織を損傷するおそれがあるなどの問題があった
。

この発明は、衝撃波を空気の部分に誤照射することかな
く、結石のみに適確に照射できる結石破砕装置を提供す
ることを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） この発明は上記の課題を解決するため、衝撃波より低圧
力の超音波を患者の体内に照射したときの反射波を受信
して電気信号に変換し、それにより得られた反射波信号
の位相を判定することによって、焦点にある反射体が結
石か空気かの識別を行い、その位相が結石からの反射波
信号の位相のときのみ衝撃波が照射されるように、衝撃
波の照射を制御する構成としたことを特徴とする。

より具体的には、例えば衝撃波源として圧電セラミック
ス振動子に代表されるような圧電素子を用いた場合、圧
電素子を衝撃波発生時より低電圧で駆動して衝撃波より
低圧力の超音波を患者の体内に照射し、その超音波の体
内からの反射波を同じ圧電素子を介して受信し電気信号
に変換することにより反射波信号を得る。そして、得ら
れた反射波信号の位相を判定し、その位相が結石からの
反射波信号の位相のときのみ圧電素子を高電圧で駆動し
て衝撃波が照射されるようにする。

（作用） 体内において結石と空気は共に超音波に対して強い反射
体であるが、両者の音響インピーダンスは大きく異なり
、例えば伝搬媒質として用いられる水の音響インピーダ
ンスに対して結石のそれは大きく、空気のそれは非常に
小さい。

このような音響インピーダンスの違いにより、結石と空
気からの反射波の位相は逆相となる。

従って、電気信号として得られた反射波信号の位相を例
えば体内に照射した低圧力超音波の位相との関係で判定
すれば、その位相から焦点の位置にある反射体が結石か
空気の判定ができる。

この判定結果に従って衝撃波の照射を制御することによ
り、結石に対してのみ衝撃波が照射され、空気には照射
されないようにすることができる。これにより患者に与
える痛みが低減され、衝撃波の誤照射による正常組織の
損傷も未然に防止される。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図はこの発明の一実施例に係る結石破砕装置の構成
を示す図であり、衝撃波発生器は断面図として、また回
路部分はブロック図として示されている。

同図において、衝撃波発生器１０は圧電素子を用いて構
成されている。すなわち、ケース１１は開口１２を有し
、この開口１２を塞ぐように圧電素子としての圧電セラ
ミックス振動子１３が、周辺部をケース１１に固定して
設けられている。圧電セラミックス振動子１３は凹面振
動子であり、その凹面側が開口１２側を向き、凸面状の
背面側がケース１１内の空気に接している。このような
振動子１３の支持構造をエアバッキング構造という。圧
電セラミックス振動子１３は圧電セラミックス板とその
表裏面に形成された電極からなっている。圧電セラミッ
クス振動子１３の凹面側の表面には、この例では超音波
の出力を増加させるためにエポキシ樹脂などからなる音
響マツチング層１４が形成されている。

ケース１１の開口１２の端部には、ゴムなどの柔軟性の
ある材質で作られた媒質液収容袋１５が開口１２を囲む
ように取付けられており、この袋１５内に超音波を伝搬
させる媒質液としての水１６か収容されている。腎石の
破砕治療時を例にとると、媒質液収容袋１５のケース１
１と反対側の面を患者の背部の体表１７に接触させると
ともに、腎臓１８内の結石１９に圧電セラミックス振動
子１３からの衝撃波の焦点２０を位置決めする。

この結石１９と焦点２０の位置合わせと、治療経過や治
療効果の確認などのために、超音波プローブ２１と超音
波プローブ２１を介して結石１９およびその近傍の画像
化を行う超音波画像装置２２が設けられている。超音波
画像装置２２の構成は従来の超音波診断装置と同様であ
り、周知であるため詳細な説明は省く。

圧電セラミックス振動子１３の表裏の電極にはリード線
２３の一端が接続され、リード線２３の他端はバルサ２
４および受信回路２６に接続されている。バルサ２４は
照射制御回路２８から供給されるトリガパルスによりパ
ルスを発生し、圧電セラミックス振動子１３を駆動する
回路である。バルサ２４に接続された電源回路２５は、
低電圧電源と高電圧電源を備えており、照射制御回路２
８により制御されてバルサ２４に供給する電源電圧が切
り替えられる構成となっている。

受信回路２６は、圧電セラミックス振動子１３で受信さ
れ電気信号として出力された反射波信号を主として増幅
する回路であり、その出力は位相判定回路２７に供給さ
れる。位相判定回路２７は受信回路２６からの反射波信
号のうち、衝撃波の焦点２０の近傍の領域（以下、焦点
領域という）からの反射波信号を時間ゲートにより抽出
し、その焦点領域からの反射波信号の位相（特に初期位
相）を判定する回路であり、その判定結果は照射制御回
路２８に供給される。

照射制御回路２８は位相判定回路２７の判定結果に従っ
て、バルサ２４へのトリガ信号の供給および電源回路２
５から出力される電源電圧を切り替えることにより、圧
電セラミックス振動子１３からの衝撃波の照射を制御す
る。

次に、本実施例の動作を説明する。最初、第１図に示さ
れるように患者の体表１７に衝撃波発生器１０の媒質液
収容袋１５が密着して、治療に入れる状態になっている
と仮定する。このとき超音波画像装置２２で表示される
断層像には、結石１９と思われる反射体の像が描出され
ている。この結石と思われる画像の中心に、予め求めら
れた衝撃波の焦点２０を位置合わせする。この時点では
、超音波画像装置２２上の反射体の像が結石１９か空気
からの識別は困難である。

そこで、電源回路２５から出力される電源電圧を低電圧
にしておき、その状態で照射制御回路２８からバルサ２
４にトリガパルスを供給することにより、バルサ２４か
ら低電圧パルスを発生させ、圧電セラミックス振動子１
３から衝撃波より低圧力の結石サーチのための微弱な超
音波を発射させる。この低圧力超音波は集束され焦点２
０で最大音圧となるが、衝撃波とはならない。また、焦
点２０での音圧も衝撃波より十分に小さいので、体内の
組織を損傷することはない。

こうして体内に照射された結石サーチ用の低圧力超音波
は、焦点領域にある反射体により反射され、その反射波
が圧電セラミックス振動子１３で受信されて電気信号（
以下、反射波信号という）として取り出され、受信回路
２６に供給される。受信回路２６は反射波信号のノイズ
が大きい場合はフィルタ等によりノイズを除去または低
減させ、入力信号のレベルが小さい場合は位相判定回路
２７で必要とされる十分なレベルまで増幅して所望の反
射波信号のみを抽出する機能を有している。

第２図はパルサ２４から圧電セラミックス振動子１３に
供給される駆動パルス波形を同一として、受信回路２６
から出力される反射波信号波形を示したものであり、（
ａ）は焦点領域の反射体がモデル結石の場合、（ｂ）は
空気の場合である。超音波は音響インピーダンスの異な
る界面において反射する。反射波の大きさおよび位相は
、その界面を構成する媒質の音響インピーダンスの大き
さによって左右される。すなわち、超音波の入射側の媒
質の音響インピーダンスに比較して、反射体の媒質の音
響インピーダンスが小さい場合と大きい場合とで、入射
波に対する反射波の位相が異なることになる。

ここで、実験に用いたモデル結石の音響インピーダンス
は、実際の結石と同等の約２０ｘ１０’ｋｇ／ｒｒｆ・
Ｓであり、入射波の伝搬媒質である水の音響インピーダ
ンス１．５Ｘ１０６ｋｇ／ｒｒ？・Ｓに比較して大きい
ので、モデル結石からの反射波は入射波と同相となる。

これに対し、空気の音響インピーダンスは、０．０００
４５Ｘ１０’ｋｇ／イ・Ｓと非常に小さく、概ねＯＸ１
０６）ｃｇ／ｒｒｒ・Ｓと見なすことができ、入射波の
伝搬媒質である水の音響インピーダンスに比較して十分
小さいので、空気からの反射波は入射波に対して逆相と
なる。なお、ここではモデル結石の場合について説明し
たが、実際の結石においても音響インピーダンスは２０
〜３０×１０６ｋｇ／ｒｒｒ・Ｓであることから、同様
の位相関係となる。

第２図（ａ）（ｂ）を比較して分かるように、結石と空
気からの反射波信号は逆相である。この関係は、次のよ
うな界面における超音波の入射波と反射波の関係式から
も求められる。

今、入射波の音圧をＰｉ、反射波の音圧をＰｏとすると
、これらの関係は次式で表される。

ここで、Ｚｉは入射波側の媒質の音響インピーダンス、
Ｚｏは反射波側の媒質の音響インピーダンスをそれぞれ
示している。この式を用いて反射体がモデル結石と空気
の場合の反射波Ｐｏをそれぞれ計算して比較する。

反射体がモデル結石の場合、反射波Ｐｏは−０，８６Ｐ
ｉ となる。ここで、係数０．８６は正なので、反射波Ｐｏ
は入射波Ｐｉに対して同相となる。

一方、反射体が空気の場合、反射波Ｐｏは＝−Ｐｉ となる。ここで、係数は〜１であり負なので、反射波Ｐ
ｏは入射波Ｐｉに対して逆相となる。

以上からも分かるように、入射波が一定の位相であれば
、反射波の位相（特に初期位相）、例えば最初の半波長
の極性が正が負かで結石が空気かの識別判定が可能であ
る。反射波の最初の半波長のレベルが小さかったり、ノ
イズが多くて識別が困難な場合は、受信回路２６内でノ
イズを低減しさらに波形整形により位相の違いを強調し
て明確にすることも可能である。

結石サーチ用の低圧力超音波を照射したときに受信回路
２６で受信された反射波信号は位相判定回路２７に入力
され、その位相が上記のようにして判定されることによ
り、受信された反射波信号が結石からの信号か空気から
の信号かが照射制御回路２８で識別される。照射制御回
路２８は、反射波信号が結石からの信号であると判定し
た場合は、電源回路２５を低電圧電源から高電圧電源へ
切り替えるとともに、予め定められたタイミングでバル
サ２４１：：　）リガパルスを供給することによって、
バルサ２４から高電圧パルスを発生させる。この高電圧
パルスの印加により、圧電セラミックス振動子１３から
強力な超音波が発射されて焦点２０で衝撃波が形成され
、焦点２０に位置決めされている結石１９が衝撃波によ
って破砕される。

これに対し、位相判定回路２７の判定結果により反射波
信号が空気からの信号であると判定された場合は、照射
制御回路２８はバルサ２４にトリガパルスを供給しない
。従ってバルサ２４から圧電セラミックス振動子１３に
高電圧パルスは印加されないので、衝撃波は発生されな
い。

尚、実際にはバルサ２４からの低電圧パルスの印加によ
る圧電セラミックス振動子１３からの結石サーチ用の低
圧力超音波の発射は、照射制御回路２８の制御により適
当な時間間隔で常時繰り返され、その反射波信号が結石
からの信号と判定された時、低圧力超音波が照射されな
い時間帯に、バルサ２３から高電圧パルスが圧電セラミ
ックス振動子１３に印加され、衝撃波が発生される。従
来では超音波画像装置２２上の画像のみて結石を探索し
て衝撃波を発生させたため、空気の部分に衝撃波を誤照
射することがあったが、本発明によれば超音波画像装置
２２上に描出された結石と思われる画像が真に結石か空
気かが自動的に識別判定され、結石の時のみ衝撃波を照
射することにより、誤照射が防止される。

この発明は上記の実施例に限られず、以下のように種々
変形して実施が可能である。

（１）実施例では衝撃波発生用の圧電セラミックス振動
子を使用して結石サーチ用の低圧力超音波を送波したが
、結石サーチのための専用の圧電型トランスデユーサを
用いても良い。

（２）結石サーチのための超音波の送波および反射波の
受渡に、超音波画像取得のための超音波プローブを利用
することも可能である。

（３）結石サーチのための低圧力超音波を衝撃波発生用
の圧電セラミックス振動子から照射し、反射波の受渡は
別の圧電型トランスデユーサまたは超音波画像用の超音
波プローブで行っても良く、逆に圧電型トランスデユー
サまたは超音波プローブから結石サーチ用の低圧力超音
波を送波し、反射波を衝撃波発生用の圧電セラミックス
振動子で受波することも可能である。

（４）衝撃波源が複数の圧電セラミックス振動子で構成
されている場合は、選択された一部の振動子を結石のサ
ーチに使用することにより、サーチ用の低圧力超音波の
音圧分布を適切にして空間的サーチ感度を調整すること
が可能であり、それによって結石と空気との識別判定を
より正確にすることができる。また、サーチ用低圧力超
音波の送波時に全部の圧電セラミックス振動子を用い、
反射波の受渡には選択した一部の振動子を用いても良い
し、逆に送波に選択された一部の振動子を用い、受波に
全部の振動子を用いても良く、同様に空間的なサーチ感
度の調整が可能である。

（５）実施例では衝撃波源として圧電セラミックス振動
子を用いたが、電気スパーク、電磁誘導その他の方式の
衝撃波源を用いた場合にも、本発明は有効である。

［発明の効果コ この発明の結石破砕装置によれば、焦点領域の反射体か
らの反射波信号の位相を判定することで反射体が結石が
空気かの識別を行い、結石と判定されたときだけ衝撃波
を照射することにより、空気の部分に衝撃波を誤照射し
た場合のような正常組織の損傷を引き起こすことがなく
、副作用の少ない安全な治療が可能となる。また、空気
に衝撃波を照射した場合のように患者に激しい痛みを感
じさせることがなく、患者が安心して治療を受けること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る結石破砕装置の構成を
示す図、第２図（ａ）　（ｂ）は圧電セラミックス振動
子の駆動パルス波形を同一としたときのモデル結石およ
び空気からの反射波波形を比較して示す図である。 １０・・・衝撃波発生器 １３・・・圧電セラミックス振動子 １４・・・音響マツチング層 １５・・・媒質液収容袋 １６・・・水 １７・・・患者体表 １８・・・腎臓 １９・・・結石 ２０・・・焦点 ２１・・・超音波プローブ ２２・・・超音波画像装置 ２４・・・パルサ ２５・・・電源回路 ２６・・・受信回路 ２７・・・位相判定回路 ２８・・・照射制御回路 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）患者の体外から体内の結石に衝撃波を照射して結
   石を破砕する結石破砕装置において、衝撃波より低圧力
   の超音波を患者の体内に照射する手段と、 この手段により照射された超音波の体内からの反射波を
   受信し電気信号に変換することにより反射波信号を得る
   受信手段と、 この手段により得られた反射波信号の位相を判定する判
   定手段と、 この手段により判定された位相が結石からの反射波信号
   の位相のときのみ衝撃波が照射されるように衝撃波の照
   射を制御する手段と を具備することを特徴とする結石破砕装置。
2. （２）圧電素子により患者の体外から体内の結石に衝撃
   波を照射して結石を破砕する結石破砕装置において、 前記圧電素子を衝撃波発生時より低電圧で駆動して衝撃
   波より低圧力の超音波を患者の体内に照射する手段と、 この手段により照射された超音波の体内からの反射波を
   前記圧電素子を介して受信し電気信号に変換することに
   より反射波信号を得る受信手段と、 この手段により得られた反射波信号の位相を判定する判
   定手段と、 この手段により判定された位相が結石からの反射波信号
   の位相のときのみ衝撃波が照射されるように衝撃波の照
   射を制御する手段と を具備することを特徴とする結石破砕装置。