JPH0738857B2 - 結石破砕装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、被検体内にある結石を超音波の集束エネルギ
で破砕する結石破砕装置に関するものである。

［発明の技術的背景とその問題点］ 近年、衝撃波エネルギを利用して被検体内の結石を破砕
するようにした装置が実用化されている。

この装置は、所定の大きさを有し、かつ、その内部に適
温の水を満たした容器内に結石を持った被検体を入れて
その結石の位置を回転楕円体の一方の焦点位置と一致さ
せ、他方の焦点位置で火薬の爆発や放電現象により衝撃
波を発生させてそのまわりに配置した回転楕円形の音響
ミラーにより衝撃波を結石部分に集束させるようにして
衝撃波エネルギにより結石を破砕するようにしたもので
ある。

この場合、被検体の結石の位置の確認は、前記容器の外
側に配置したＸ線透視装置により結石部分を表示しなが
ら行なうものである。

しかしながら、上述した装置により数十回〜数百回の破
砕作用を繰り返す場合、１回の衝撃波の発生毎に火薬や
電極を取り替えなければならず、そのための時間が多く
かかるとともに費用も多大に要するという問題がある。

また、この装置の場合被検体を水を満たした容器に入れ
る煩しさがあり、さらにはＸ線透視による観察が不可欠
であるため被検体及びオペレータの受ける被曝量も無視
できない量となる。

さらに、装置が大規模となり価格も極めて高価になると
いう問題がある。

［発明の目的］ 本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、Ｘ線の
被曝のおそれが全くなく適確に被検体の結石を破壊する
ことができしかも低価格な結石破砕装置を提供すること
を目的とするものである。

［発明の概要］ 上記目的を達成するための本発明の概要は、被検体体内
の集束点位置に強力超音波パルスまたはそれよりも微弱
な微力超音波パルスのいずれかを送波する破砕用トラン
スジューサと、この破砕用トランスジューサと所定位置
関係をもって配置され、前記集束点位置を含む断層面内
で超音波を送受波し、破砕対象物の超音波画像を表示す
るための映像用トランスジューサと、前記超音波画像及
びこの超音波画像上に前記集束点位置を示すマーカを表
示する表示手段と、このマーカが前記破砕対象物の超音
波画像上に位置する周辺で、前記破砕対象物に対して前
記集束位置を変え、前記微力超音波パルスを送波したと
き、前記破砕対象物によって反射される超音波エコーを
検出する検出手段と、前記検出手段にて反射超音波エコ
ーが最大となった集束点位置のとき、前記表示手段上に
おける前記破砕対象物の超音波画像が該集束点位置を示
すマーカ位置に表示されるよう設定する設定手段とを備
えたことを特徴とする結石破砕装置である。

［発明の実施例］ 以下に本発明の実施例を詳細に説明する。第１図に示す
実施例装置は、後に詳述する異なる音場領域を形成する
超音波を送受波するために第1,第２の超音波トランスジ
ューサ1,2を含んで構成されたアプリケータ３と、第１
の超音波トランスジューサ１に対し強弱２種類のパルス
信号を送出するとともにこの第１の超音波トランスジュ
ーサ１からの超音波エコー信号を受信して信号処理する
第１の信号処理系４と、前記第２の超音波トランスジュ
ーサ２に対しパルス信号を送出して超音波を発生させる
と共に扇状に走査しこの第２の超音波トランスジューサ
２からの超音波エコー信号を受信して信号処理する第２
の信号処理系５と、所定のパラメータのもとにこの装置
各部の制御を行なうCPU（中央処理装置）６及びこのCPU
6に制御され前記第1,第２の信号処理系4,5におけるパス
ル信号の送受信タイミング，振幅，周波数等を制御する
コントローラ７からなる制御系８と、前記CPU6により制
御され第２の信号処理系５の出力信号に対し信号変換処
理を行なう信号変換系（例えばディジタルスキャンコン
バータ）９と、この信号変換系９の出力信号を基に第２
の超音波トランスジューサ２による扇状の音場領域31,
被検体の体表像33,腎臓像34,腎結石35等と第１の超音波
トランスジューサ１の位置36,音場領域37,集束点マーカ
38等とを表示するTVモニタ等の表示手段10と、前記第１
の信号処理系５の出力信号に基き被検体内の腎結石の位
置を確認するスピーカ等の結石位置確認手段11と、被検
体の一部、例えば手足等に接触可能に形成され被検体の
心拍動等を示す被検体信号を前記CPU6に送る被検体信号
検出素子12と、前記第１の信号処理系４から第１の超音
波トランスジューサ１に送られるパルス信号の発生タイ
ミングを設定すべくCPU6に接続された第1,第２のプッシ
ュボタンからなるパルス発生スイッチ13と、前記信号変
換系９における信号変換時における超音波音速設定値を
可変すべくCPU6に接続された音速設定手段14とを有し構
成されている。次にアプリケータ３の具体的構成につい
て説明する。前記第１の超音波トランスジューサ１は、
第２図に示すように中央部に所定形状の抜孔を設けた例
えば共振周波数1MHzで直径10cmの曲率を有する凹面振動
子15と、この凹面振動子15の背面に一様に接着したバッ
キング材16とからなり、凹面振動子15の図示しない電極
に第１のケーブル17を接続している。このトランスジュ
ーサ１は、破砕用トランスジューサとして作用する。

前記第２の超音波トランスジューサ２は、前記抜孔内に
固定され、かつ細い振動子を配列してなる振動子アレイ
2aを前記凹面振動子15の曲面に臨ませたセクタプローブ
であり、このセクタプローブから第２のケーブル18を引
き出している。

前記第１の超音波トランスジューサ１の外周部は、シャ
フト19を有する固定枠20により支持され、またこの固定
枠20はアーム21に結合されて固定枠20を動かすことによ
り第1,第２の超音波トランスジューサ1,2を所望の位置
に移動させかつその位置に固定できるようになってい
る。

前記第1,第２の超音波トランスジューサ1,2は、音響カ
プラ22により被検体の体表33Mに対し音響的に結合され
る。この音響カプラ22は第２図に示すように水とほぼ等
しい音響インピーダンスを有する薄い膜で形成された袋
23と、この袋23内に満された水23aとから構成され、こ
の音響カプラ22を前記第1,第２の超音波トランスジュー
サ1,2の音場領域側に配置することにより、第1,第２の
超音波トランスジューサ1,2と被検体との間の超音波の
送受波を効率よく行なうようになっている。

次に第１の信号処理系４について説明する。第１の信号
処理系４は、制御系８のコントローラ７により制御さ
れ、前記第１のケーブル17を介して第１の超音波トラン
スジューサ１に対し大振幅，小振幅の２種類のパルス信
号を送りこの第１の超音波トランスジューサ１から強弱
２態様の超音波を発生されるように励振するパルス24
と、第１超音波トランスジューサ１から被検体に送波さ
れる弱い超音波に基くエコー信号を第１のケーブル17を
介して受信する受信回路25と、この受信回路25の出力信
号を入力しこれを可聴周波数の音響信号に変換して前記
結石位置確認手段11に送出する第１の信号処理回路26と
から構成されている。

次に第２の信号処理系５について説明する。第２の信号
処理系５は、前記制御系８のコントローラ７により制御
され、第２の超音波トランスジューサ２に対し所定のタ
イミングでパルス信号を送ってこの第２の超音波トラン
スジューサ２がセクタスキャンを行なうように励振する
とともにこのセクタスキャンに基く第２の超音波トラン
スジューサ２からのエコー信号を受信する送受信回路27
と、この送受信回路27の出力信号を入力しこれに振幅検
波を施してビデオ信号として信号変換系９に送出する第
２の信号処理回路28とから構成されている。

次に上記構成の装置における基本的作用を被検体内の腎
臓34M内の腎結石35Mを破砕する場合を例にとって説明す
る。

まずアプリケータ３の固定枠20により支持されている音
響カプラ22を被検体の体表（例えば背中）33Mに乗せ、
この状態で第２の信号処理系５及び信号変換系９を制御
し、第２の超音波トランスジューサ２を駆動して表示手
段10の画面上に被検体の断層像を表示する。

この断層像中に腎臓像34が描写された段階でその中にあ
る腎結石像35を探す。

この場合、表示手段10上には、CPU6から信号変換系９に
送られる信号に基づいて凹面振動子15の位置、第１の超
音波トランスジューサ１の音場領域37及び集束点マーカ
38がそれぞれ固定された位置に表示されるとともに、リ
アルタイムで表示される被検体の断層像はアプリケータ
３の移動に伴ってその表示部位が変化する。

そして、腎結石像35が断層像内に描写された段階でさら
にアプリケータ３を微調整し、その腎結石像35が前記集
束点マーカ38内に位置するように設定しこの状態でアプ
リケータ３を固定する。

次にオペレータはパルス発生スイッチ13の第１のプッシ
ュボタンを押しCPU6,コントローラ７を介してパルサ24
に制御信号を送る。これによりパルサ24から第１の超音
波トランスジューサ１に大振幅のパルス信号が送られ第
１の超音波トランスジューサ１は強力なエネルギをもっ
た超音波パルスを集束点マーカ38の位置に相当する位置
にある被検体の腎結石35Mに向けて送波する。

この超音波パルスは腎結石35Mの位置で衝撃波となり、
腎結石35Mを破砕する。

このような超音波パルスの発生を何度か必要なだけ繰り
返すことにより、腎結石35Mの全体を破砕することがで
きる。

尚、被検体は心拍動や呼吸等のためわずかに動いている
ことから、予め被検体信号検出素子12を被検体の手，足
や胸部，鼻等に接触しておき、この被検体信号検出素子
12から得られる被検体信号と前記パルススイッチ13から
の信号とをCPU6により同期させてパルサ24からのパルス
信号の送出タイミングを制御するようにすればより効果
的である。

以上の実施例装置の動作は、第１の超音波トランスジュ
ーサ１による超音波パルスの集束点位置と表示手段10上
の集束点マーカ38とが誤差なく対応するとの前提に基づ
くものであるが、実際にはこれらは完全に対応している
とは限らない。すなわち、表示手段10上で腎結石像35が
集束点マーカ38内に入るようにしても第１の超音波トラ
ンスジューサ１による真の集束点が被検体内の腎結石35
Mの位置と一致しない場合も生じる。

これは、第２の超音波トランスジューサ２によるセクタ
スキャンに基くエコー信号からリアルタイムで断層像を
表示する際に、信号変換系19において被検体内の超音波
伝播速度が一定の値（例えば1530m/s）であると予め設
定し、この伝播速度を距離に換算して第２の信号処理系
５からの出力信号を信号変換し結果を表示手段10上に表
示することによるものである。すなわち、被検体の実際
の超音波伝播速度が上述した設定値と異なる場合には、
実際の腎結石35Mの位置が表示手段10上に正しく表示さ
れないことになる。

具体例で説明すると、被検体の体表33から腎結石35Mま
で超音波パルスが到達する際の音速が上述した設定値15
30（m/s）よりも速い場合には、その反射エコーも速く
帰ってくるため表示手段10上には実際の位置よりも近い
位置関係をもって腎結石像35が表示されることになる。

さらに、超音波パルスの屈折等の影響のため、腎結石像
35の表示位置の誤差はより大きくなる。

そこで、以下に本実施例装置において腎結石35Mの真の
位置を確認しつつその破砕を行うための動作を説明す
る。

まずオペレータは上述した場合と同様に腎結石像35が集
束点マーカ38内に入るようにアプケケータ３の位置を調
整する。

次にオペレータはパルス発生スイッチング13の第２のプ
シュボタンを押しCPU6に微弱パルス発生のための信号を
送る。この信号によりコントローラ７はCPU6に制御され
てパルサ24に制御信号を送り、この結果、パルサ24から
第１の超音波トランスジューサ１に対し小振幅のパルス
信号が送られ、第１の超音波トランスジューサ１から被
検体に向けてごく弱い超音波パルスが送波される。

この弱い超音波パルスは被検体の各種組織に当って反射
し、超音波エコーとなって第１の超音波トランジューサ
１により受信されエコー信号に交換される。受信回路25
はこのエコー信号を受信し、第１の信号処理回路26に送
る。第１の信号処理回路26はCPU6に制御され、入力した
エコー信号のうちから集束点近傍からのエコー信号のみ
を検出しこれを可聴周波数の音響信号に変換して送出す
る。結石位置確認手段11はこの音響信号を基に可聴音を
発生する。

オペレータは、この可聴音を聴きながら腎結石像35が集
束点マーカ38内あるいはその周辺に位置するようにアプ
リケータ３を動かし、可聴音が最大となる位置を探す。

このような操作により、腎結石の音響インピーダンスは
他の組織より大きいため可聴音が最大になったとき、第
１の超音波トランスジューサ１による超音波パルスの真
の集束位置と腎結石35Mの位置とが一致したことにな
る。

この状態でオペレータはパルス発生スイッチ13の第１の
プッシュボタンを押し、既述した場合と同様パルサ24か
ら大振幅のパルス信号を第１の超音波トランスジューサ
１に送って集束点に位置する腎結石35Mを破砕する。従
って、前記結石位置確認手段11は、集束点マーカと結石
像との一致状態を判別し、パルサの動作タイミングを決
定する手段として作用する。

以上の動作により、被検体内の腎体内の腎結石35Mを確
実に破砕することができる。

次に、本実施例装置において上述した結石位置確認手段
11と表示手段10上の断層像のスケールファクタの変化と
を組み合せて腎結石35Mの破砕を行う動作について説明
する。

表示手段10上の断層像は信号変換系９における音速設定
値、すなわち、スケールファクタを変えることにより拡
大，縮小が可能である。

このためには、音速設定手段14によりCPU6を介して信号
変換系９の音速設定値を変え、結石位置確認手段11から
の可聴音が最大となるとき表示手段10上の集束点マーカ
38内に腎結石像35が入るように断層像のスケールファク
タを設定する。

このようにスケールファクタを設定すれば、ある被検体
の腎結石35Mに何度も破砕のための超音波パルスを加え
ることにより便利である。

尚、上述したスケールファクタの自動的設定も本実施例
装置により可能である。以下にその手法について説明す
る。

第２の超音波トランジューサ２により毎秒30フレームの
断層像を得る場合を考え、その各フレームの変り目毎に
第１の超音波トランスジューサ１から弱い超音波パルス
を送波する。このようにすれば、第２の超音波トランス
ジューサ２によるリアルタイム断層像には何等影響を与
えることがなく第１の超音波トランスジューサ１から毎
秒当り30個の超音波パルスを送波することができる。

第４図（ａ）におけるパルスa₀は第１の超音波トランス
ジューサ１から送波されるパルスを示すものであり、同
図（ａ）のパルスa₁〜a₅は腎結石35Mからの反射エコー
に基づく第１の超音波トランスジューサ１で受信したエ
コー信号の検波波形に示すものである。同図（ａ）から
明らかなように腎結石35Mが第１の超音波トランスジュ
ーサ１の集束点よりも体表33に近い位置にあるときには
パルスa₀の発射時刻から短い時間にしかも振幅の小さい
広幅なパルスa₁が得られる。

アプリケータ３の第１の超音波トランスジューサ１を体
表33から少し遠ざけ腎結石35Mを集束点に近ずけた場合
には、上述したパルスa₁よりも遅い時間でかつ振幅がよ
り大きく幅が狭いパルスa₂が得られる。

さらに第１の超音波トランスジューサ１を体表33から遠
ざけ腎結石35Mの位置が集束点の位置と一致した場合に
は、パルスa₃のように振幅が最大で最も狭幅のパルスa₃
が得られる。

第１の超音波トランスジューサ１をさらに体表33から遠
ざけると腎結石35Mの位置は集束点位置より遠方に至り
パルスa₄,a₅のようなパルスが得られる。

この場合、アプリケータ３の移動を連続的に行なえば、
毎秒30個の反射エコーに基づくパルスが得られ、その各
パルスの包絡線を描けば第４図（ｂ）のようになる。パ
ルスa₀の反射時刻からこの包絡線のピーク点までの時間
Ｔは、第１の超音波トランスジューサ１の集束点と腎結
石35Mの位置とが一致したときにこの超音波トランスジ
ューサ１から反射された超音波パルスが腎結石35Mに当
って反射し第１の超音波トランスジューサ１により受波
されるまでの時間に相当する。

すなわち、凹面振動子15の曲率半径をＲとすれば、距離
2R間を超音波が伝播するに要する時間がＴということに
なる。

ここで、曲率半径Ｒは凹面振動子15の幾何学的形状によ
り予め定まっているため時間Ｔが求まれば、このときの
第１の超音波トランスジューサ１から音響カプラ22を経
て被検体内の腎結石35Mに至るまでの平均音速C_Mは下記
（１）式で表わすことができる。

C_M＝2R/T …（１） 前記音速C_Mを求める手順を以下に説明する。既述したよ
うに腎結石からの反射エコーは集束点に近いほどその振
幅が大きくかつその幅か狭いため、第４図（ａ）に示す
各パルスa₁〜a₅の波形をCPU6により制御される第１の信
号処理回路26で微分し第４図（ｃ）に示すような微分波
形信号を用いれば集束点の位置をより明確にとらえるこ
とができる。尚、第４図（ｄ）は第４図（ｃ）に示す微
分波形信号包絡線を示すものである。このような反射信
号あるいはその微分波形信号をさらに第１の信号処理回
路26においてA/D変換処理、メモリへの格納処理、ディ
ジタル回路によるピーク点検処理を行ない時間Ｔを自動
検出する。

そして、検出した時間Ｔのデータを一日メモリに格納
し、このデータと前記曲率半径Ｒの値とを取り込み前記
（１）式に基づく演算を図示しない演算手段で行なうこ
とにより平均音速C_Mを求め、これをCPU6を介して信号変
換系９に音速設定値として送ることにより、表示手段10
上には被検体の腎結石像35を誤差なく表示することがで
き、これにより腎結石35Mを確実に破砕することが可能
となる。

このようなスケールファクタの自動設定と結石位置確認
手段11による集束点位置の音響的確認とを併用して腎結
石35Mの破砕を行なうことももちろん可能である。

尚、実際の診断に際しては被検体組織の不均一性や超音
波パルスの減衰等があるため、前記（１）式に多少の補
正を加えることもあり得る。

また、集束点位置が凹面振動子15の幾学的中心からわず
かにずれることもあり得るため、CPU6により信号変換系
９を制御し第１の超音波トランスジューサ１による音場
領域37及び集束点マーカ38をわずかに非対称に表示する
ようにすることもできる。

また、結石位置確認手段11から発生させる音は反射エコ
ーの振幅に比例させてもよいし、反射エコーが大きい程
間隔が狭くなるような断続音とすることができる。

さらに、結石位置確認手段11としてスピーカを用いる他
被検体に対する影響を考慮しイヤホーンとしてもよい。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなくその
要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、上述した実施例では腎結石位置の確認を音響的
に行なう場合について説明したが、これに限らず第１の
信号処理回路26で得た第４図に示すようなエコー信号を
表示手段10又は第１図に示すように制御系８のCPU6に送
り、その振幅の大小を見ながら破砕のためのパルス信号
の発生タイミングを定めることができる。

また、上述した実施例装置では腎結石を破砕する場合に
ついて説明したが、これに限らず胆石破砕等にも適用す
ることができる。

［発明の効果］ 以上詳述した発明によれば、Ｘ線等の被曝を全く受ける
ことなく被検体の結石を確実にかつ何度でも繰り返して
破砕することができる。

また、表示手段の超音波画像上に結石破砕の集束点マー
カを表示して位置合わせをするとき、生体内での音速が
異なるときでも、正確な位置合わせが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例装置を示すブロック図、第２図
は同装置におけるアプリケータの構成及びその音場領域
を示す概略説明図、第３図は同装置における表示手段上
の表示状態を示す説明図、第４図（ａ）は同装置の第２
の超音波トランスジューサにおける超音波パルスの送受
信の状態を示す波形図、第４図（ｂ）は第４図（ａ）に
示す波形の包絡線を示す説明図、第４図（ｃ）は第４図
（ａ）に示す受信パルスの微分波形を示す波形図、第４
図（ｄ）は第４図（ｃ）に示す波形を示す波形の包絡線
を示す説明図である。 １……第１の超音波トランスジューサ、 ２……第２の超音波トランスジューサ、 ３……アプリケータ、４……第１の信号処理系、 ５……第２の信号処理系、８……制御系、 ９……信号変換系、10……表示手段、 11……結石位置確認手段、 12……被検体信号検出素子、 13……パルス発生スイッチ、 14……音速設定手段、33M……体表、 35……腎結石像、35M……腎結石。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検体体内の集束点位置に強力超音波パル
   スまたはそれよりも微弱な微力超音波パルスのいずれか
   を送波する破砕用トランスジューサと、 この破砕用トランスジューサと所定位置関係をもって配
   置され、前記集束点位置を含む断層面内で超音波を送受
   波し、破砕対象物の超音波画像を表示するための映像用
   トランスジューサと、 前記超音波画像及びこの超音波画像上に前記集束点位置
   を示すマーカを表示する表示手段と、 このマーカが前記破砕対象物の超音波画像上に位置する
   周辺で、前記破砕対象物に対して前記集束点位置を変
   え、前記微力超音波パルスを送波したとき、前記破砕対
   象物によって反射される超音波エコーを検出する検出手
   段と、 前記検出手段にて反射超音波エコーが最大となった集束
   点位置のとき、前記表示手段上における前記破砕対象物
   の超音波画像が該集束点位置を示すマーカ位置に表示さ
   れるよう設定する設定手段とを備えたことを特徴とする
   結石破砕装置。