JPS6242773A - 超音波照射装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、超音波加熱装置・超音波化学反応促進装置・
超音波破砕装置などの超音波照射装置に係り、特に、悪
性腫瘍の治療に好適な超音波療法装置に関する。

〔発明の背景〕

医療をはじめとする超音波照射の各応用分野において、
単フォーカスによる超音波焦域では、照射目標領域に比
較して狭すぎる場合が、しばしばある、このような場合
に適する超音波照射装置としては、′ウルトラサウンド
・イン・メデイシン・アンド・バイオロジ′（Ｕｌｔｒ
ａｓｏｕｎｄ　ｉｎ　Ｍｅｄ　＆　Ｂｉｏｌ、）第８巻
第２号１７７〜１８４ページ（１９８２年発行）記載の
音響レンズを用いて円環状の焦域を形成する装置が、従
来、知られていた。しかし、この形式の装置には、円環
状焦域Ａから再放射された音波が第１図に断面図で示し
たように円環の中心軸上に長い円柱状焦域Ｂを再び形成
するという傾向がある。特に、円環の直径が超音波探触
子のそれより小さいと、この傾向が強く、円柱状の２次
焦域が照射目標領域外にあるとき、これが重大な問題と
なる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、かかる従来装置の問題点を解決し、問
題となるような２次的な焦域を形成することにし、適度
な広さを持つ焦域を形成することのできる超音波照射装
置を実現するこにある。

〔発明の概要〕

かかる目的に従い、本発明においては、２次元アレイ型
超音波振動子とそれを構成する各素子を駆動する駆動回
路と駆動信号の位相および振幅を制御する制御回路とを
具備する超音波照射装置において、焦点面Ｐ上の音圧積
分値に関し、その符号付積分値が、常に、その絶対値の
積分値に比較して実質上無視し得るように、該駆動信号
を制御することを提案する。

例えば、第２図に示すように、焦点面Ｐの上の円環状焦
域の音圧の位相を円環に沿って意図的に変調させ、符号
付きの音圧積分値が実質的に零となるように制御すると
、２次の焦点Ｂを形成することなく、焦点面Ｐ上の円環
状焦域Ａ１およびＡ２に必要な音響エネルギーを集める
ことができる。すなわち、焦点Ｐの上に、中心軸に関し
反対称な焦域が形成される結果、中心軸上の音圧は常に
零に保たれる訳である。このような符号付けされた円環
状焦域からは、次式によりその大きさの程度が表わされ
る角度ξの方向に、音波が再伝播する。

ここで、λ。は超音波波長、γＦは円環状焦域の半径で
ある。従って、λに比較しγＦが極端に大きな場合には
、ξが小さくなり、音波の再伝播による音響エネルギー
の拡散が不充分となる場合がある。このような場合には
、円環状焦域の符号付けの極数を、第２図の例の２極か
ら、４極、６極。

・・・、２ｎ極と増加させれば、ξは次式に従って増加
するので、ξを必要な大きさに保つことができる。

さらに、音圧の位相が零となる点を、第２図の太い矢印
のように回転させれば、円環上の時間平均音響エネルギ
ーが均一化され、好ましい音響エネルギー照射バタンか
得られる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を、実施例を参照して、さらに詳しく説明
する。第３図は１本発明の一実施例たる超音波照射装置
のブロック図であり、第４図・第６図・第８図はそれを
構成する超音波探触子のそれぞれ一実施例の外形および
断面の図である。

円環状焦域の探触子からの距離・半径ならびに円環に沿
っての変調モードの信号が主制御回路１０から照射用送
波制御回路１１へ与えられ、それに従って、照射用振動
子各素子の駆動位相が演算され１ｍビット・カウンタ８
ヘロード・データとして転送される。そのロード・デー
タを初期値とし、主制御回路６からの周波数２１・ｆｏ
のクロックに従って動作するｍビット・カウンタ８は、
その最上位ビットの信号を周波数ｆ、の照射用送波信号
として照射用振動子１の各素子を、主制御回路１０から
の信号に従った振幅により駆動する送信アンプ９へ出力
する。

次に、探触子について説明する。第４図・第６図・第８
図のいずれの場合においても、音響整合層・接地電極・
ヒートシンクを兼ねた軽金属基板の表と裏に、それぞれ
、圧電セラミックスなどより成る周波数１００　ｋ　Ｈ
ｚ〜１０ＭＨｚの電圧素子１および高分子材料などより
成る第２音ｌｌ１ｌ！整合層３が接着されており、また
、照射対象物体との間の音響カップリングのための水袋
４が取り付けられている。さらに、第４図・第６図の軽
金属板には、冷却用配管５が取り付けられている。第８
図の場合には、軽金属板が音響カップリング用の水に直
接液する構造となっているまで、冷却用配管は特に必要
としない。

第４図の実施例では、第５図にその断面図により示した
ように、照射目標領域を円環状焦域Ａの半径・深さを変
化させて走査するに必要な振動子素子数をできる限り少
なくするために、探触子に有限の曲率Ｒを与えている。

このように、外側の素子の指向性の極大方位を内向きに
設定することにより、必要素子数を平面状の探触子の場
合の半分程度に減することができる。同様の効果は、平
面状の振動子と音響レンズとを組合わせることによって
得ることもできる。＠６図はその例であり。

音響レンズとして、前記軽金属基板をフレネル・レンズ
状に加工したものを用いたものである。

本発明を実施するに必要な、照射用振動子１の各素子の
駆動位相の組合わせの例を、第４図・第６図・第８図の
探触子を用いる場合につき示す。

はじめに、本発明の代表的実施例である第２図に示した
タイプの音場を形成するに必要な駆動位相の組合わせを
例を示す。第２図のように、探触子回転対称軸をＺ軸、
探触子とＺ軸との交点を原点とする円筒座標系（Ｚ、γ
、θ）をとり、ｋ番目の探触子素子の中心の座標を（ｚ
ｈ、γに、θｋ）とし、円環状焦域の円環の座標をＺ＝
Ｚｐ＋γ＝γＦとする。このとき、各素子に与えられる
べき駆動位相（ｐｋは（ｋは自然数）は、一般に１次の
形式により表わされる。

Ｔｋ（Ｚｋ、γ１．θｈ−ｔ）＝α（Ｚｋ、γｋ）＋β
（θ１１）＋ω。ｔ・・・（３）ここで、ω６は超音波
の角周波数である。

駆動位相を与える式の右辺のうち、（ｚｈ、γｋ）の関
数αの部分を算出するには、２つの方法がある。ひとつ
は、探触子の断面図において、円環の位置（ＺＦ、γＦ
）に音波が収束するように、各素子の駆動位相を決定す
る方法であり、このとき、αは１次式で与えられる。

他のひとつは、円環の中心（ＺＦ、○）を焦点とするよ
うに計算した駆動位相に、さらに、各素子の駆動極性を
与えて、円環状焦域を形成する方法である。どのような
駆動極性を与えるべきかを考えるには、音波の伝搬にお
いて時間軸を反転してみるのが便利である。すなわち、
半径γＦの円環状音源による音場Ａは、 （Ｊ、は０次ベッセル関数、θは方位角）と表わされる
から、距離ＺＦにある探触子面上のλ。　　ＺＦ に比例する音場となるので、このことから逆に、探触子
からＺＦの距離のところに半径γＦの円環状焦域を形成
するには、各素子に次の駆動位相を与えればよい、０次
ベッセル関数の第り番目の零点をａｈとし。

とおくとき、 １）ｙｈ＜ａ、ｙｃまたはａ、ｈ　ｙ　ｃ　＜　ｙ　ｂ
　（ａ、ｈ＋１ｙ　ｃのとき、 ん０ ｎ）ａ、ｈ−、ｙｃ＜１／ｂ＜ａ、ｈ’／ｃのとき、（
ｈは自然数） なお、第４図に示したように、探触子が一定の曲率半径
Ｒを有するときには、（４）式、（７）式、（８）式に
おいて、 Ｚｈ”　−２ＲＺｋ＋　Ｚｋ”　＝　Ｏ・”（９）が成
立ち、また、第６図・第８図に示したように。

探触子が無限大の曲率半径を有するときには、Ｚｋ＝０
　　　　　　　　　　　・・・（１０）が成立つ。

駆動位相を与える式の右辺のうち、θにの関数βの部分
は、次のように算出される。第２図のような２極の円環
状焦域の場合には、 β　（θｂ）　＝θ絃　　　　　　　　　　　　・・・
（１１）により与えられ、一般の２ｎ極の場合には、β
（θｋ）＝ｎθ１　　　　　　　　　・・・（１２）に
より与えられる。第６図および第８図の探触子を用いた
ときの、（３）式右辺におけるβ（θｂ）　＋ω。ｔ　
を、それぞれ第７図および第９図の（ａ）　（ｂ）に示
した。各素子の駆動位相が一定の位相差を保まったまま
進んでいく結果、探触子面全体として見た場合、音圧の
等位相点が図に示したように回転していく。

このようにして、（３）式により得られる駆動位相Ｔｋ
には、２π／２１Ｉを単位として量子化され、。

その値の下ｍピットが、照射用送波制御回路１１から出
力されて１ｍビット・カウンタ８のロード・データとな
る。これにより、各素子は’Ｐｋにより指定される位相
により駆動される。

第８図のような探触子を用い、本発明の音場、すなわち
、焦点面Ｐ上の音圧積分値に関し、その符号付積分値が
、その給付値の積分値に比較して実質上無視できるよう
な音場を形成する方法としては、上記のような実施方法
の他に、次に述べるような実施方法もある。

照射目標領域の中央の点（Ｚ　Ｆ　ｌ○）を焦点とする
ように計算した駆動位相に、さらに、各素子の駆動極性
を与えることにより、焦点面Ｐの上に極性の異なる複数
のスポットを同時に形成することがこの方法である。こ
のとき、（ｚｈ、γ−、θｋ）にある探触子素子の駆動
位相Ｔｋは、次式で表わされる。

んＯ ＋’Ｉ　（ｚｂ、　　ｙ　ｋ、　　Ｂ　ｋ）＋　（１１
０ｔ　　・＝（１３）ここで、γで指定される位相は、
例えば、第１０図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）により表わさ
れるものである。このように駆動位相を制御することに
より、それぞれ、第１１　（ａ）　（ｂ）　（ｃ）のよ
うな、極性の異なる複数のスポットを焦点面Ｐの上に同
時に形成することができる０図中（ａ）　（ｂ）　（Ｃ
）のモードを切替えながら照射することにより、時間平
均として円環状に超音波エネルギーを分布させることも
できるし、（ａ）　（ｂ）　（ｃ）のうち特定のモード
を用いることにより１回転対称でない照射目標領域に対
し適した超音波エネルギーの分布を形成することもでき
る。

２次元アレイ型超音波振動子の振動子面上の音圧の位相
の分布を表わす第７図・第９図・第１０図の例に共通し
てあてはまる特徴は、振動子面上の音圧積分値に関し、
その符号付積分値が、常に。

その絶対値の積分値に比較して実質上無視し得る様に、
各素子の駆動位相が制御されていることである。このよ
うに制御することは、焦点面上の音圧積分値に関し、そ
の符号付積分値が、その絶対値の積分値に比較して実質
上無視し得る様な音場を形成する有力な実施方法である
。

第３図・第４図・第５図・第６図・第８図により示した
本発明の実施例は、照射用送波機構に加えて照射モニタ
用撮像機構を備えたものであり。

以下、これについて説明を加える。図中６は撮像用プレ
イ型送受信探触子であり、７はそれをＺ＠のまわりに回
転させる回転機構であって、照射目標の位置ぎめに必要
な複数の超音波エコー断層像を得ることのできる構成と
なっている。探触子６のそれぞれの素子は、送受波アン
プ１３を介して送波制御回路１２と受信フォーカス回路
１４に接続されている。得られたエコー断層像１７は、
照射領域マーク１８と複数断層面の交線１９と重畳され
て１表示回路１５により表示器１６に表示される。この
ような撮像機構を具備することは、照射目標の位置ぎめ
に必要なだけでなく、照射目標の運動を検出し、それを
照射機構に追随させたり。

照射領域からの反射エコー強度を計測することにより、
照射領域の温度上昇による音響インピーダンス変化を観
測したり、照射領域において非線形音響効果により発生
する高調波を観測したり、照射目標領域以外に生ずるい
わゆる′ホットスポット′をそこに発生する高調波によ
り監視するなどの目的に便利である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、適度な広さを持
つ超音波焦域を、問題となるような２次的な焦域を伴う
ことなく形成することができ、しかも、様々な大きさ・
深さの照射目標領域を、その焦域を高速に走査すること
により照射できる超音波照射装置を実現することができ
る。従って、このような超音波照射装置を必要とする各
産業分野ならびに医療における本発明の効果はきわめて
大きい。

【図面の簡単な説明】 第１図は公知例の超音波照射装置とそれにより形成され
る焦域の断面図、第２図は本発明による超音波音場の例
の概念図、第３図は本発明の一実施例たる超音波照射装
置のブロック図、第４図・第６図・第８図は本発明の実
施例における探触子の外形図ならびに断面図、第５図は
第４図の探触子とそれによる焦域の断面図、第７図は第
４図・第６図の接触子の駆動位相の例を示す図、第９図
・第１０図は第８図の探触子の駆動位相の例を示す図、
第１１図は第１０図の駆動位相により焦点面のＰ上に形
成される超音波スポラ１−の図。 １・・・超音波振動子、２・・・軽金属基板、３・・・
第２１１合層、４・・・水袋、５・・・冷却用配管、６
・・・照射モニタ用探触子、７・・・照射モニタ用探触
子回転機構。 ８・・・ｍビットカウンタ、９・・・送波用ドライバ。 １０・・・主制御回路、１１・・・照射用送波位相演算
回路、１２・・・撮像用送波制御回路、１３・・・送受
波アンプ、１４・・・受波フォーカス回路、１５・・・
表示回路、１６・・・表示器、１７・・・超音波エコー
断層像、１８・・・照射領域マーク、１９・・・複数断
層面の交線。 第　７　　目 第　　６　　目 第　　８　　ロ 第　　７ （ａ−） ＜ｂ） （し）、 第　１０１コ 第　　／ｌ　　ｖＪ （α） （ｂ） （Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、２次元アレイ型超音波振動子と、該振動子を構成す
   る各素子を駆動する駆動回路と、駆動信号の位相および
   振幅を制御する制御回路とを具備する装置において、焦
   点面上の音圧積分値に関し、その符号付積分値が、常に
   、その絶対値の積分値に比較して実質上無視し得るよう
   に、該駆動信号を制御することを特徴とする超音波照射
   装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前に２
   次元アレイ型超音波振動子を構成する各素子が、その指
   向特性の極大方位を、内向きのの方位に有することを特
   徴とする超音波照射装置。 ３、２次元アレイ型超音波振動子と、該振動子と構成す
   る各素子を駆動する駆動回路と、駆動信号の位相および
   振動を制御する制御回路とを具備する装置において、前
   記２次元アレイ型超音波振動子の振動子面上の音圧積分
   値に関し、その符号付積分値が、常に、その絶対値の積
   分値に比較して実質上無視し得るように、該駆動信号を
   制御することを特徴とする超音波照射装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の装置において、円環状
   の焦域を形成すべく該駆動信号を制御することを特徴と
   する超音波照射装置。 ４、特許請求の範囲第２項記載の装置において、複数個
   の焦点を同時に形成すべく該駆動信号を制御することを
   特徴とする超音波照射装置。