WO2004032775A1 - 集束強力超音波治療装置 - Google Patents

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WO2004032775A1
WO2004032775A1 PCT/JP2003/010801 JP0310801W WO2004032775A1 WO 2004032775 A1 WO2004032775 A1 WO 2004032775A1 JP 0310801 W JP0310801 W JP 0310801W WO 2004032775 A1 WO2004032775 A1 WO 2004032775A1
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hifu
ultrasonic
transducer
switch
irradiation
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PCT/JP2003/010801
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Inventor
Yoshifumi Fujinaka
Original Assignee
Yoshifumi Fujinaka
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Application filed by Yoshifumi Fujinaka filed Critical Yoshifumi Fujinaka
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N7/00—Ultrasound therapy
    • A61N7/02—Localised ultrasound hyperthermia
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/37—Surgical systems with images on a monitor during operation
    • A61B2090/378—Surgical systems with images on a monitor during operation using ultrasound

Definitions

  • the present invention provides that the phased array transducer has a transmitting / receiving function with respect to ultrasonic waves, that focused intense ultrasonic waves (HIFU) exert heat generation and penetration effects in an ultrasonic attenuation medium such as a living tissue, Utilizing the ability to measure the ultrasonic attenuation rate and ultrasonic wave velocity distribution by imaging, HIFU irradiation with a phased array transducer is used to cauterize the affected area or to promote the penetration of genes and drugs into the affected area It relates to a HIFU treatment device that performs introduction by action.
  • HIFU focused intense ultrasonic waves
  • the cancer cautery treatment device J is being studied. However, even though the temperature measurement means is different, the common point is that a concave, spherical shell-shaped fixed-focus transducer is used as the HIFU irradiation transducer (ultrasonic transducer). Although a phased array transducer has been proposed, it has not yet been put to practical use because its main purpose is to expand the focal region and the number of transducer elements is insufficient. The affected part in the body is irregular in shape and depth from the surface of the body, and the ablation focal area is small. A method of cauterizing the affected area by repeatedly performing HIFU irradiation at multiple points has been adopted, using the technique to move the patient while ensuring contact with the body surface.
  • HIFU treatment devices have ⁇ the positional relationship between the focal region of HIFU irradiation and the transducer is fixed because the shape of the HIFU irradiation transducer is fixed, '' and ⁇ measurement of the attenuation rate distribution of living tissue.
  • HIFU irradiation conditions are not corrected, so HIFU irradiation is performed by deciding irradiation intensity and irradiation time based on a priori data.
  • Methods different from HIFU irradiation methods for example, imaging of MRI equipment and ultrasonic diagnostic equipment
  • HIFU irradiation is performed based on the monitoring of the diseased part using a probe for medical use).
  • the origin 0 of the first coordinate system and the origin 0 'of the second coordinate system It is necessary to measure data such as the positional relationship with the coordinate system, the orthogonal transformation of the coordinate system, and the scale relationship of the coordinate axis ring, convert the image representing the focal area into coordinates, and then superimpose it on the monitoring screen. there were.
  • monitoring screens collected using physical phenomena different from ultrasound have image distortion inherent to the collection means.
  • MRI has image distortion due to inhomogeneity of the static magnetic field and eddy magnetic field due to the gradient magnetic field. It is very difficult to correct with high accuracy.
  • the correspondence between the coordinate systems is particularly important in the case of a treatment apparatus, and an accuracy of less than one millimeter is required in a brain operation or the like.
  • a HIFU irradiation transducer consisting of two-dimensionally arranged transducer elements, and a plurality of switches having electrode groups that connect the transducer elements in a one-to-one correspondence. And a plurality of drive amplifiers capable of generating high-frequency voltages having different initial phases. Furthermore, among the electrode groups that are connected first to the vibrator element group, a surplus electrode group is connected to a dummy load group having the same impedance at the same drive frequency as the vibrator element. As a result, even if the above-mentioned plurality of switch groups are switched to any combination, it is possible to ensure that the load impedance expected from the drive amplifier group does not become almost open.
  • a control signal is output in accordance with the amplitude, initial phase, and frequency conditions calculated so that the HIFU irradiation transducer can generate focused high intensity ultrasound (HIFU). Entered into the group.
  • the drive for generating the focused intense ultrasonic waves can be performed without mechanically moving the transducer only by switching the switch group connected between the HIFU irradiation transducer and the drive amplifier group.
  • the drive pattern can be moved on the HIFU irradiation transducer without changing the pattern, and the ultrasonic focus can be freely moved in a direction (horizontal direction) substantially perpendicular to the HIFU irradiation direction. It becomes.
  • the HIFU irradiating transducer When generating an ultrasonic sound field focused on one focal point, assuming that the HIFU irradiating transducer is roughly planar, its driving pattern is discrete by focusing on the amplitude and initial phase of one driving voltage. When the pattern is classified into two groups, the pattern becomes concentric, similar to the array transducer, and the ratio of the distance from the HIFU irradiation transducer to the focal point to the diameter of the transducer is reduced. If it is not extremely small, the drive amplitude will be almost the same regardless of the position of the vibrator element, so if only the concentric drive pattern and the output of the drive amplifier group are changed, the focus will be on the vibrator element group. The distance (depth) to can also be changed electronically.
  • a switch group is always connected to the transducer element group, so that it cannot be used for imaging.
  • the above-mentioned HIFU transducer is not used as a sensor, but other imaging means such as an ultrasonic diagnostic apparatus using an imaging probe, an MRI apparatus, and an X-ray CT apparatus are attached. It is desirable that it be added.
  • the imaging probe of the ultrasonic diagnostic apparatus for monitoring, to protect the probe from HIFU reflected waves 100 caused by scatterers on the target object during HIFU irradiation, probe only when HIFU irradiation is included. It is desirable to add "heat-resistant blades" to shield the openings of the windows.
  • the above configuration will be referred to as a “switch-switching-type annular array HIFU device”.
  • a phase delay transducer is composed of two-dimensionally arranged transducer elements, and each transducer element has a transmission / reception circuit for ultrasonic imaging and a transmission circuit for HIFU irradiation. Since the transmission for imaging and the transmission for HIFU irradiation have only the difference in the ultrasonic intensity, the connection may be used even if the circuit is shared.
  • An ultrasonic burst that has a carrier of the first frequency and is equivalent to radiating from one focal point is transmitted from a group of transducer elements, and the returned ultrasonic reflected wave is "a narrowly defined aperture synthesis algorithm.”
  • a narrowly defined aperture synthesis algorithm By reconstructing the images, a plurality of first ultrasonic images (C-mode images) having a cross section substantially perpendicular to the traveling direction of the ultrasonic burst can be captured.
  • this narrowly defined aperture synthesis algorithm see “Ultrasonic holography” (Hiroyuki Nagai) Ryo, Nikkan Kogyo Shimbun, 1989), pp. 71-84.
  • the attenuation distribution is obtained using the first ultrasonic image and the second ultrasonic image of the same cross section, and the distribution is obtained for a set of a plurality of images to obtain a three-dimensional attenuation distribution.
  • an ablation area is set on the first ultrasound image, and the focus position for ablation and the force for assigning the HIFU irradiation intensity to grid points based on the ablation area, or a plurality of focus positions and HIFU ablation directly Set the intensity.
  • the heat generation distribution is calculated from the solution representing the sound pressure distribution obtained when the sign is reversed, the information on the curved surface shape of the transducer element used for HIFU irradiation, and the assumption that the specific heat of the living tissue is almost constant.
  • Used for "HIFU cauterization plan" before cauterization. Calculate the heating temperature distribution by calculating the phase change at each pixel value from the three-dimensional images before and after HIFU ablation obtained by the aperture synthesis algorithm in a narrow sense, and using the fact that it corresponds to the change in sound speed of living tissue. Can be.
  • the heating temperature distribution represents a "transient (acute) change", while the decay rate distribution represents a “irreversible (chronic) change”.
  • the HIFU cautery effect can be confirmed by measuring the attenuation rate distribution again and distinguishing it from that before cauterization.
  • the device with the above configuration is named “Reflective HIFU device”.
  • Yet another solution is a two-dimensional phased array capable of generating plane waves.
  • the “transducer” and the “phased array transducer having a two-dimensional arrangement capable of receiving ultrasonic transmitted waves” are arranged so as to face each other with an object (such as a living tissue including an affected part) interposed therebetween.
  • the transmitter / receiver circuit group for performing ultrasonic imaging and the transmitter circuit group for performing HIFU irradiation are connected to both phase transducers. While rotating 360 °, 3D data is collected, and 3D images are obtained from this data by using the ultrasonic diffraction tomography reconstruction algorithm.
  • the sound velocity distribution C (?) Can be obtained separately and simultaneously if ⁇ ⁇ represents a three-dimensional position vector. Since the phased array transducer can rotate around the object, the shorter the distance between the phased array transducer and the center of the affected area is, the greater the distance between the phased array transducer and the center of the affected area in consideration of the advantages of HIFU irradiation. The possibility that the angle becomes large increases, and the ultrasonic energy density on the body surface can be lowered, so that damage near the body surface can be reduced. After rotating and fixing, HIFU irradiation is performed. HIFU irradiation may be performed from only one phased array transducer or from both.
  • the algorithm of aperture synthesis in the narrow sense is used, the data collection time is shorter than that of the ultrasonic diffraction tomography algorithm, so that it is possible to perform near real-time monitoring. is there.
  • the operator sets the positions of a plurality of ablation focal points and the ultrasonic intensity on the images acquired by any of the above methods or the translucent display images thereof.
  • ultrasonic intensity information Based on these cautery focal position, ultrasonic intensity information, attenuation rate distribution ct (?), Sound velocity distribution C (f), and curved surface shape information of the phased array transducer used for HIFU irradiation, After reversing the sign of the damping rate, numerically solve the "3D wave equation for a simplified point sound source" to find the sound pressure at each transducer element, and then Set the drive conditions (drive high-frequency voltage amplitude and its initial phase).
  • the solution representing the sound pressure distribution obtained by numerically solving the "three-dimensional wave equation for a simplified point sound source" using the attenuation rate as measured, and the sign of the attenuation rate A solution that represents the sound pressure distribution obtained in this case, information on the curved surface shape of the vibrator element used for HIFU irradiation, the assumption that the specific heat of living tissue is almost constant, and the heat generation distribution calculated before HIFU irradiation It can also be used for cauterization planning.
  • the speed of sound of living tissue depends on temperature, and cauterization by ultrasonic diffraction tomography
  • HIFU irradiation Since a transient temperature rise can be estimated from sound velocity distribution images before and after, it can be used to determine whether cauterization has been performed. It is known that when irreversible protein denaturation occurs in living tissue due to cauterization, the attenuation rate for ultrasonic waves changes significantly. By utilizing this, the attenuation rate distribution image before cauterization and the attenuation rate distribution image after returning to normal heat after cauterization can be used for prognostic observation.
  • the device with the above configuration is named “Transmissive HIFU device”.
  • the ablation focal point can be moved by simply switching the switch alone, so that the contact state between the applicator portion and the patient surface can be maintained without changing the contact state.
  • the HIFU irradiation can be continued as it is, and the above-mentioned problems (1) are alleviated and the cauterization time can be reduced.
  • By measuring the average decay rate it is possible to perform HIFU irradiation that takes into account individual differences even approximately, and the problem (2) is also alleviated.
  • the problem (3) cannot be solved by this invention, but the problem (4) is proposed by using a reflection type HIFU device with an attenuation distribution image using an imaging probe of an ultrasonic diagnostic device for monitoring.
  • Method based on reflected wave images taken at two different frequencies a method disclosed in JP-A-63-29629 “Ultrasonic Attenuation Coefficient Measuring Apparatus”, an attenuation rate distribution image obtained by the spectral difference method, etc. Can be solved by using You.
  • the problem (1) because multiple ablation focal points can be set at once and HIFU irradiation can be performed from the “principle of wave superposition”. be able to.
  • the problem (2) can also be solved because the attenuation rate distribution and sound velocity distribution of the target object can be measured immediately before HIFU irradiation and reflected in the HIFU irradiation conditions.
  • the phased array transducer used for HIFU irradiation and ultrasonic transmission for imaging can be used as is for reception for imaging.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional HIFU device in which an affected part is cauterized with a heating transducer while monitoring the affected part with an MRI apparatus.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a conventional HIFU device having a heating transducer and a temperature measuring transducer.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an applicator part of a “switch-switchable annular array HIFU device” according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an overall configuration diagram of a “switch-switchable array array HIFU device” according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a developed view showing an electrical connection relationship between the first electrode group and the second electrode group of the first switch of the “switch-switchable array HIFU device”.
  • FIG. 6 is a drawing of the second electrode group of the first switch of FIG. 5 of the switch-switchable any-array HIFU device.
  • FIG. 7 is a developed view showing an electrical connection relationship between the third electrode group and the fourth electrode group of the second switch of the “switch-switchable array HIFU device”.
  • FIG. 8 is a drawing of the fourth electrode group of the second switch of FIG. 7 of the “switch-switchable array HIFU device”.
  • FIG. 9 is a diagram showing a relay electrode connected to a fourth electrode group of the second switch of the “switch switching type annular array HIFU device”.
  • FIG. 10 is a developed view showing an electrical connection relationship between the fifth electrode group and the sixth electrode group of the third switch of the “switch-switchable array array HIFU device”.
  • FIG. 11 is a drawing of the sixth electrode group of the third switch of FIG. 10 of the “switch-switching any-array HIFU device”.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the principle for determining the driving conditions of the “switch-switchable any-array HIFU device”.
  • FIG. 13 is a diagram for obtaining a ring-shaped pattern width for driving the “switch-switchable array HIFU device”.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of specific dimensions of the “switch-switchable any-array HIFU device”.
  • FIG. 15 shows the first switch of the "switch-switchable any-array HIFU system".
  • FIG. 4 is an expanded view of a fourth switch in which the functions of the switch and the second switch are integrated.
  • FIG. 16 is a drawing of only the eighth electrode extracted from the development of the fourth switch.
  • FIG. 17 is a perspective view showing a fourth switch of the “switch-switchable array HIFU device”.
  • Fig. 18 is a diagram showing how the electrodes of the "switch-switching any-array HIFU device" are mechanically contacted and conducted by electrodes (sliders) having a spring mechanism.
  • FIG. 19 is a diagram showing a state where the electrodes of the “switch-switchable array array HIFU device” are electrically connected by magnetic coupling.
  • Fig. 20 is a flow chart showing the operation procedure of the "switch-switchable array array HIFU device".
  • FIG. 21 is a view showing a state in which a “movable range of ablation focal point” is superimposed on a monitoring screen of a “switch-switchable any-array HIFU device”.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining the principle of obtaining an attenuation rate distribution by an ultrasonic echo method.
  • FIG. 23 is a diagram for explaining an area for obtaining an average attenuation rate using the monitoring means of the “switch-switchable array HIFU device”.
  • FIG. 24 is a flowchart for determining the order of cauterization.
  • Figure 25 is a diagram showing the state of Figure 24 on the monitoring screen.
  • FIG. 26 is a diagram showing a state in which the blades for protecting the imaging probe of the “switch-switchable Anyura array HIFU device” shield the reflected waves caused by the strong ultrasonic waves.
  • FIG. 27 is a diagram showing the positional relationship of the protective wings when the affected part is monitored with the imaging probe of the “switch-switchable any-array HIFU device”.
  • Fig. 28 shows a state in which the blades for protecting the imaging probe are obliquely mounted due to the curved HIFU irradiation transducer of the "switch-switchable Anyura array HIFU device”.
  • FIG. 29 is a diagram showing a wiring method on the ground electrode side of the HIFU irradiation transducer in the “switch-switching any-array HIFU device”.
  • FIG. 30 is a diagram showing an example of a robot arm for mounting the application part of the “switch-switchable any-array HIFU device”.
  • Fig. 31 is an overall block diagram showing the configuration of the “reflective phased array HIFU device”.
  • FIG. 32 is a diagram for explaining the principle of feedback control for realizing a “soft boundary surface”.
  • FIG. 33 is a flowchart showing the operation procedure of the “reflection type phased array HIFU device”.
  • FIG. 34 is a diagram showing a movable range of the ablation focal point of the “reflection type phased array HIFU device”.
  • FIG. 35 is a diagram showing a monitoring screen when the layer of FIG. 34 is displayed in the C mode.
  • FIG. 36 is a diagram showing a range of clusters in an active state at the time of imaging of the “reflective phased array HIFU device for breast”.
  • FIG. 37 is a horizontal sectional view showing the range of the cluster in the active state of FIG. 36.
  • FIG. 38 is a vertical sectional view for explaining the structure of FIG. 36.
  • FIG. 39 is a perspective view for describing a head-only reflective phased array HIFU device J according to a fourth embodiment.
  • FIG. 40 shows a fifth embodiment, “Reflection type phased array HIFU for head only”.
  • Fig. 2 is a horizontal cross-sectional view of the HIFU device showing cauterization with only a part of the skull opened using the device.
  • Fig. 41 is a diagram for explaining the limiting conditions for arranging a plurality of ablation focal points when simultaneous ablation is performed at once.
  • FIG. 42 is an overall block diagram showing the configuration of a “transmission HIFU device”.
  • FIG. 43 is a horizontal cross-sectional view for explaining the structure of the “head-only transmission type HIFU device”.
  • FIG. 44 is a perspective view showing the use state of the “head-only transmission HIFU device”.
  • FIG. 45 is a diagram showing the applicator part of the “transmission-only HIFU device for breast”.
  • FIG. 46 is a diagram showing a relationship between the “transmission HIFU device for the body” and a patient and a bathtub.
  • FIG. 47 is a flowchart showing the procedure for using the “transmission HIFU device”.
  • FIG. 48 is a view for explaining how to obtain the driving conditions of each transducer element.
  • Fig. 49 is a perspective view showing the configuration and usage of the "ultrasonic transmission member capable of actively supplying water”.
  • Fig. 50 is a side view of Fig. 49 viewed from the direction of the thick arrow.
  • FIG. 51 is a view showing a state where an “actively water-suppliable ultrasonic wave propagation member” is used sandwiched between an applicator portion and a patient body surface.
  • FIG. 52 is a view for explaining a “substantially convex lens-shaped acoustic lens” added to bring the ultrasonic radiation directivity of the transducer element closer to non-directionality.
  • FIG. 53 is a view for explaining a “rough convex spherical transducer element” for making the ultrasonic radiation directivity of the transducer element closer to non-directionality.
  • FIG. 54 is a view for explaining a “substantially concave spherical vibrator element” for making the ultrasonic radiation directivity of the vibrator element closer to non-directional.
  • Fig. 55 shows the relationship between the aperture and radius of the transducer and the size of the focal area.
  • Fig. 56 is a diagram for explaining the method of defining the ultrasonic intensity of a point sound source.
  • HIFU device high intensity focused ultrasound
  • the configurations of HIFU devices known so far are roughly divided into the following four types. (1) Monitoring of the affected area 3 is performed with an MRI apparatus, and HIFU irradiation is performed while mechanically scanning a spherical ultrasonic transducer having a fixed focus 15. (2) Monitoring is performed with an ultrasonic diagnostic apparatus 29. HIFU irradiation while mechanically scanning a spherical shell-shaped ultrasonic transducer with a fixed focal point of 15.
  • No fixed focal point based on images taken before cauterization without any real-time monitoring means HIFU irradiation while mechanically scanning a spherical shell-shaped ultrasonic transducer with a 15; (4) HIFU irradiation by changing the focal region size by monitoring the temperature with an MRI device and cauterizing with a phased array transducer .
  • the temperature measurement imaging using the MRI device 76 used in (1) and (4) is very sensitive to "body movement" (movement of the patient's 64 body during imaging) and is prone to error.
  • imaging is performed by means different from ultrasonic waves, there is a problem that it is difficult to align the monitoring image with the ablation focus 15.
  • the ultrasonic transducer at the fixed focal point 15 is mechanically scanned. Therefore, in the case of a large or irregular-shaped diseased part 3, it is moved several times while moving it multiple times. HIFU irradiation must be performed, which has the disadvantage that the ablation time is inevitably long.
  • any-array HIFU device As shown in FIG. It is assumed that vibrator element groups 17 made of piezoelectric ceramics and having the same shape are two-dimensionally arranged.
  • the shape of the curved surface on which the transducer element group 17 is arranged is not limited to a flat shape, but may be a cylindrical shape or a part thereof, a spherical shell shape or a part thereof.
  • a “hole” is formed in a part of the curved surface on which the transducer element group 17 is disposed, and the imaging probe 2 of the ultrasonic diagnostic apparatus 29 is attached, and the ultrasonic beam 9 is emitted from the hole. .
  • the focal area 73 of the HIFU irradiation is projected on the monitoring screen, so that the hole is formed at the intersection of the plane passing through the focal point 15 and the curved surface on which the transducer element group 17 is arranged. It is usually opened in the center considering the field of view that can be monitored.
  • the probe 2 is rotatable around the normal line of the hole, and a first actuator 11 (for example, an ultrasonic motor) for rotating the probe 2 by external control and a detection for obtaining the rotation angle information thereof. (A first encoder 13) is added.
  • HIFU irradiation during imaging with the imaging probe 2 of the ultrasonic diagnostic equipment 29 When this is done, the ultrasonic image is picked up and the ultrasonic image cannot be captured at the same time. Therefore, a method of repeatedly providing short pauses during HIFU irradiation, collecting ultrasound images only at the timing, and sequentially updating and displaying each time a new image can be captured without interposing a noise image is often adopted.
  • HIFU is irradiated on living tissue, there is no particular problem if all the ultrasonic energy is absorbed, but if a part of it is reflected back to the transducer element group 17, Problem is that the acoustic lens made of resin attached to the entire surface of the probe 2 generates heat and is damaged.
  • a “rotatable, heat-resistant and non-corrosive blade 10” and a second actuator 12 for rotating it are added near the probe 2.
  • the blade 10 moves toward the HIFU irradiation vibrator element 17 during imaging, and moves toward the opening of the probe 2 during HIFU irradiation. Since they move alternately, they do not interfere with the imaging and HIFU irradiation at all, and even if the HIFU reflected waves 100 return, the blades 10 themselves have heat resistance, so they act as shirt shirts. Moreover, since it is non-corrosive (eg, stainless steel), it does not cause failure.
  • the vibrator element group 17 is arranged on a spherical shell, the problem can be solved by attaching the rotating shaft and the blade 10 obliquely as shown in FIG.
  • a phased array vibrator is used for the transducer 1.
  • Each vibrator element 17 constituting the phased array vibrator is connected to a first electrode 23 of a first switch 19 via a separately prepared matching circuit 52 (impedance matching circuit) not shown in the order of a two-dimensional array. Connected so that the order does not change.
  • a portion of the first electrode 23 that is not connected to the vibrator element 17 has a load “dam” having the same electric impedance as the vibrator element 17 at the same drive frequency as the vibrator element 17.
  • One load 18 is connected separately.
  • Each transducer element 17 always has two electrodes, and one side is often set to ground potential for electrical safety.
  • There is a water bag 14 The side in contact with the body surface 8 of the patient 64 is collectively wired and grounded using the grounding wire 101 as shown in Fig. 29, assuming that the water bag 14 is torn.
  • the first electrode 23 and the second electrode 24 of the first switch 19 are mechanically rotatable around a common central axis while maintaining an electrical contact relationship.
  • the first switch 19 is provided with an encoder 105 of the first switch for detecting the rotation angle, and is interlocked with the first switch 19.
  • the first switch 19 is manually rotated. May be switched, or the actuator 121 (eg, stepping Motor, etc.) 3 ⁇ 41 to attach or may be switched in accordance with a command from the controller.
  • the second disable electrode 32 for generating a disable signal 80 (a signal for preventing voltage from being applied to the vibrator element when the switch is switched) is removed from the second electrode 24 in FIG.
  • the array of parts is regarded as "matrix with A rows and C columns", and the electrode at the position of the i-th row and j-th column is called “electrode at (i, j)".
  • the second disable electrode 32 is electrically connected by the first conductor 81.
  • the electrode located at (i, j) on the second electrode 24 is the same as the “C matrix with D columns” except for the third electrode 25 and the third disable electrode 33 shown in FIG. (J, i) is electrically connected one-to-one.
  • D may be equal to A or more.
  • the connection is performed by changing the order of the rows and columns without changing the order.
  • the encoder 106 of the second switch is added to the second switch 20 in the same manner as the first switch 19. This second switch 20 is manually rotated. The switching may be performed by switching, or the switching may be performed by adding the actuator 121.
  • the fourth electrode 26 of the second switch 20 is connected to the relay electrode 21 so that the order of the two-dimensional arrangement is not changed. This is also described in detail below.
  • the portion excluding the fourth disable electrode 34 from the fourth electrode 26 in FIG. 8 is regarded as a "matrix of C rows and E columns", and the electrode located at the k row and the first column is also at "(k, 1)". Electrodes ".
  • the fourth disable electrode 34 is electrically connected by a second conducting wire 82.
  • the electrode at (k, 1) is electrically connected to the “electrode at (k, 1)” when the relay electrode 21 in FIG. 9 is regarded as a “matrix with C rows and E columns”.
  • the electrodes are interconnected in a "substantially concentric shape" so that the drive patterns of the transducer element 17 and the dummy load 18 on the transducer 1 are concentric.
  • these electrically connected electrodes are called "elements", they will be classified from the first element 83 to the F element 84. That is, the relay electrodes 21 are finely grouped so as to form concentric rings without gaps, and then the groups within the same ring are connected in parallel. Of course, the different groups of rings shall be in an electrically isolated state.
  • the relay electrode 21 is first connected to the sixth electrode 28 of the third switch 22.
  • the respective electrodes are interconnected so that the groups divided into a ring shape by the relay electrode 21 are grouped into groups of the phase of the driving high-frequency voltage, and finally the first electrode It is connected to a group of a plurality of drivers composed of the drive amplifier 85 to the H-th drive amplifier 86.
  • the “ m-th element” of the relay electrode 21 is the “ m-th element” when the portion excluding the sixth disable electrode 36 from the sixth electrode 28 in FIG. 11 is regarded as an “F-dimensional vertical vector”.
  • the portion of the third switch 22 excluding the fifth disable electrode 35 from the fifth electrode 27 is a "F-row G-column matrix" and "G-dimensional horizontal vector having an F-dimensional vertical vector as an element.” Can be considered as This F-dimensional vertical vector (see above “ In this case, the initial phase of the high-frequency voltage to be applied is determined by the correspondence between the first drive amplifier and the H-th drive amplifier.
  • the components of the F-dimensional vertical vector (channel) are reclassified and bundled with those to which the same initial phase voltage is applied, and the same initial phase voltage is applied between the G-dimensional vector components.
  • the electrodes are electrically connected by being bundled together, and are pulled out in the form of taps from the fourth switch 42, and are finally connected to each drive amplifier 4.
  • an encoder 107 of the third switch is added to the switch 22.
  • the encoder may be switched by rotating manually, or an actuator 121 may be added and switched.
  • the transducer element group 17 is periodically arranged in a two-dimensional manner, one of the arrangement directions is called an X direction, and a direction different therefrom is called a Y direction.
  • the HIFU irradiation direction which is substantially perpendicular to the curved surface on which the vibration element group is arranged, is referred to as the Z direction, and at this time, the first switch 19 moves the drive pattern in the X direction (or Y direction).
  • the second switch 20 functions to move the driving pattern in the Y direction (or X direction), and the third switch 22 functions to change the position of the focal area 73 in the Z direction. It is necessary to forcibly turn off the output of the driver group because the load may be open, causing oscillation of the driver group and erroneous irradiation of the HIFU.
  • the first switch 19 has a first disable electrode 31 and a second disable electrode 32
  • the second switch 20 has a third disable electrode 33 and a fourth disable electrode 34.
  • the third switch 22 is provided with a fifth disable electrode 35 and a sixth disable electrode 36. When all disable signals are positive logic, the drive amplifier 4 is stopped via the OR circuit 87. Control.
  • the second switch 20 (or the first switch 19) is omitted and the connection is directly made to the relay electrode 21. It can be realized by the configuration.
  • the depth of the focal point (the distance from the phased array transducer to the focal point 15) is fixed, so the third switch 22 is omitted, and relaying is performed instead.
  • the "elements" classified into a ring shape of the electrodes 21 are re-classified according to the difference in the initial phase of the drive voltage, electrically interconnected, and then connected to the drive amplifier group 4. Further, when it is sufficient to move the focal point only in the Z direction, a configuration in which the first switch 19 and the second switch 20 are omitted can be realized.
  • FIG. 5, FIG. 6, FIG. 7, FIG. 8, FIG. 10, and FIG. 11 show the switching mechanism of the first switch 19, the second switch 20, and the third switch 22.
  • the connection relationship can be summarized.
  • the phased array transducer group that passes through the matching circuit 52 and the dummy load group 18 that does not pass through the matching circuit 52 are connected to the first electrode 23 of the first switch 19. Is done.
  • the second electrode 24 that slides while maintaining electrical contact with the first electrode 23 is connected to the third electrode 25 of the second switch 20 in which the vertical and horizontal arrangements are switched.
  • the fourth electrode 26 that slides while maintaining electrical contact with the third electrode 25 is connected to the relay electrode 21.
  • the relay electrodes 21 are interconnected so that the drive pattern on the phased array vibrator has a ring shape, and an “element” is formed for each connected group to form an “element group”.
  • This group of elements is connected to the sixth electrode 28 of the third switch 22.
  • an interconnection pattern for changing the combination of these elements is formed, and is hereinafter referred to as a "channel".
  • the interconnected electrodes that make up this channel are bundled for each difference in the initial phase of the drive voltage, and electrically Pulled out as a "tap" after being connected.
  • the taps drawn from the fifth electrode 27 in this manner are connected to the independent drive amplifier group 4 for each difference in the initial phase of the drive voltage.
  • the operator of the HIFU apparatus sets the ablation focal position and the ultrasonic intensity based on the information of the ultrasonic image when monitoring the internal monitoring screen of the object, for example, the ultrasonic diagnostic apparatus 29 for monitoring. Since the positional relationship between the monitoring screen and the HIFU irradiation transducer 1 (HIFU irradiation transducer element group 17) has been measured in advance, the ablation planning unit focuses on the positional relationship information and the rotation angle information of the probe 2. Calculate the travel distance. Based on this calculation result, the actuator 121 switches the first switch 19, the second switch 20, and the third switch 22, and sets drive conditions (frequency, voltage amplitude, initial phase) for each drive amplifier 4. Since this driving condition is mainly determined by the focal point movement in the Z direction, the switching setting information of the third switch 22 and the output setting value of the driving amplifier group 4 for the focal position are calculated and recorded in advance. It may be simplified by referring to "table".
  • the basic principle of the ultrasonic Anyura array is as follows. A transducer element group 17 divided into concentric circles is focused on a “point sound source” by an F as shown in FIG. And driving with a high-frequency voltage having an amplitude and phase determined by the sound pressure 90 of the ultrasonic wave reaching the ultrasonic radiation surface 89 of the transducer, and conversely applying this high-frequency voltage It is known that the focal position in the Z direction can be controlled simply by changing the pattern.
  • the vibrator element group 17 is discretized for each initial phase of the drive voltage, the vibrator element group 17 is divided into concentric rings, the width of which is narrowest on the outermost side, and reaches the maximum dimension ⁇ ? Of the vibrator element 17. If the width is less than this, it becomes impossible to drive by changing the initial phase, and the aperture angle 2 ° can be obtained from this condition by using FIG.
  • the wavelength of the ultrasonic wave is ⁇
  • the distance from the focal point F to the point ⁇ is r
  • the width of the outermost ring is equal to the distance from the point A to the point B.
  • FIG. 14 shows an example of the results of this case study.
  • point B ′ represents an axis-symmetric point of point B.
  • the vibrator element group 17 is connected to the relay electrode 21 via the first switch 19 and the second switch 20, and the vibrator element group 17 has a "substantially the same minimum width, for example, the maximum dimension of the vibrator element 17".
  • the relay electrode 21 is electrically divided so as to correspond to the division into the “concentric ring group”.
  • the electrodes corresponding to the same ring of the transducer element group 17 on the relay electrode 21 are electrically connected in parallel, and the electrodes corresponding to different rings are electrically insulated.
  • the ring group of the vibrator element 17 is reclassified by the fifth electrode 27 of FIG. 10 constituting the third switch 22 so as to correspond to the distribution of the initial phase of FIG. It is driven by a drive amplifier group 4 that outputs a high-frequency voltage of the phase.
  • the distribution pattern of these initial phases can be switched by sliding the sixth electrode 28 of the third switch 22.
  • the principle of the time reversing mirror and the “acoustics of reverse rotation” (M. Fink, Nikkei Science, March 2000, pp. 52 _ 59) are established and focused on the focal point 15. It is stated that in order to generate a moving sound field, the sound pressure received by the transducer element group 17 when the point sound source is placed at the focal point 15 should be reproduced with time inverted.
  • the sound pressure amplitude in a distant sound field radiated from a point sound source in 3D space is inversely proportional to the distance from the point sound source.
  • the first switch 19 of this "switch-switchable Anyura array HIFU device" The portion of the second switch 20 may be replaced with a "fourth switch 42 having two degrees of freedom" so as to be able to switch in both the X and Y directions.
  • FIGS. 15 and 16 show views of the cylindrical switch constituting the fourth switch 42 when cut and developed along the side surface thereof, and FIG. 17 shows a perspective view thereof.
  • a seventh disable electrode 40 is added to the seventh electrode 38 of the fourth switch 42, an eighth disable electrode 41 is added to the eighth electrode 39, and the eighth disable electrode 41 is electrically connected by a third conductor 91. It is assumed that It should be noted here that the seventh disable electrode 40 corresponds to the hatched portion in FIG.
  • the fourth switch 42 is provided with a second encoder 44 and a third encoder 46 for detecting a rotation angle, and moves in two directions.
  • the fourth switch 42 may be switched by moving it manually, or the third switch 43 and the fourth switch 45 may be attached and switched according to a command from the controller.
  • the electrodes 47 constituting the first switch 19, the second switch 20, the third switch 22 and the fourth switch 42 have a structure other than a structure in which a constant electrical contact is always maintained by a spring 92 as shown in FIG. As shown in FIG. 19, magnetic coupling between the first core 93 and the second core 94 may be used. Although not shown, capacitive coupling may be used as long as an electrode 47 having a structure capable of securing a large capacity enough to have a low impedance at a driving frequency when the electrodes are close to each other can be used.
  • FIG. 20 shows a flowchart of the operation procedure of the “switch-switchable any-array HIFU device” having the configuration shown in FIG. The details of each step in this flowchart are described below.
  • Step 1A Attach the “ultrasonic wave propagation member” to the patient's body surface.
  • Step 2A Fill the water bag attached to the applicator and start cooling the transducer.
  • Step 3A Inject jelly or liquid between the ultrasonic transmission member and the body surface to eliminate air bubbles.
  • Step 4A Apply the applicator part to the ultrasonic wave propagation member, move the applicator or rotate the imaging probe, and monitor the affected part in B mode or the like.
  • Step 5A Fix the robot arm that supports the applicator at an appropriate position. Rotate the imaging probe and check for properness.
  • Step 6A Determine whether the rotational position is appropriate.
  • Step 7A Two different frequencies f, f on the same cross section. To collect the ultrasonic image and obtain the attenuation rate distribution ⁇ .
  • Step 8 ⁇ Set the ablation focus position and intensity on the same section as in Step 7 ⁇ . The operator sets the focus position and intensity on the monitoring screen.
  • Step 9 ⁇ Rotate the imaging probe by ⁇ [deg].
  • Step 10A Determine if you have rotated 360 °.
  • Step 11A Calculate the average attenuation rate by averaging the pixel values of the attenuation rate distribution field image within the area where the powerful ultrasonic wave passes.
  • Step 12A Calculate the transducer drive conditions from the focal position, ablation intensity, HIFU irradiation time set value and average attenuation rate, and set the drive amplifier.
  • Step 13A Set the upper temperature limit for cauterization. Monitors the temperature of the affected area using a temperature measurement algorithm.
  • Step 14A Start HIFU irradiation.
  • Step 15A Stop HIFU irradiation when the maximum temperature is reached.
  • Step 16A Rotate imaging probe to measure temperature after cauterization.
  • Step 17A Determine if cauterization is complete.
  • a computer image showing the movable range 50 of the focal point is superimposed on a monitoring screen 49 showing a living tissue 95. Shall be performed. Accordingly, the operator sets the focal position and the ablation intensity at the same time in consideration of the affected area 3 and the movable range 50 of the focal point. “Attenuation rate distribution measurement” described later is automatically performed on the same cross-section where the ablation focal position is set. As shown in Fig.
  • the first encoder 13 has a structure in which a first actuator 11 for rotational operation is attached and interlocked, and furthermore, a blade 10 for protecting the probe 2 from a reflected wave due to HIFU irradiation and a rotational operation thereof.
  • a second factorizer 12 is also added for this purpose.
  • the ablation focal position, ablation intensity setting and attenuation rate distribution measurement are performed over the entire circumference.
  • the wave number k has the relationship of the equation (5), so the relationship of the equation (6) is derived.
  • Equation (11) is obtained.
  • the basic frequency of transmission and reception is f 0
  • the transmission and reception frequency different from this is f
  • the frequency is f.
  • the formula is that the received signal is proportional to the sound pressure, that the received signal is proportional to the square of the frequency f, that the sound pressure attenuates exponentially, that the attenuation factor (absorption coefficient ) Is proportional to the frequency ”and“ When imaging with reflected waves, the distance from transmission to reception is 2X ”.
  • I f 0 Seo I formula (11) leads to the attenuation rate ct (X) by a simple calculation from the the formula (12).
  • Received signal (corresponding to pixel value) If at least one of S (X, f) or S (X, f 0 ) falls below a threshold that can be regarded as “no signal,” a strong reflector near that area Means that there is an object that is obstructed ”or“ there is an object with a large attenuation rate in that area ”. Therefore, considering the convenience of using this attenuation rate distribution later, Equation (13) It is desirable to make "negative numbers with large absolute values" correspond as in). in this way
  • the focus movable range is classified into multiple layers according to the distance from the HIFU transducer.
  • Step 2B Determine the ablation focus order in the layer farthest from the transducer.
  • the focus of the start is arbitrary.
  • Step 3B In the same layer, set the HIFU unirradiated and closest focus to Focus ”. If there are multiple equidistant focal points, decide arbitrarily.
  • Step 4B Judge whether the cauterization is completed in the same layer.
  • Step 5B Select the unirradiated layer and the layer farthest from the transducer.
  • the starting layer is determined arbitrarily.
  • Step 6B Determine if all layers have been cauterized.
  • the distance from the focal point 15 to the vibrator element 17 was calculated in advance and the constant attenuation rate c when HIFU irradiation was performed for the irradiation time t.
  • i represents the number of the group classified based on the reference of the transducer element 17 driven under the same conditions.
  • Equation (19) is derived from a simple calculation, and it is necessary to take the square root to convert it into a voltage amplification factor, so the above equation (15) is derived.
  • Image-guided phased array system for ultrasound thermometry (19% IEEE International Ultrasonics Symposium-San Antonio, TX; P. VanBaren, C. 3 ⁇ 4imon, R. Seip, The method of temperature estimation described in CA Cain, ES Ebbini) may be used.
  • Fig. 4 which shows the overall configuration of the "switch-switching any-array HIFU device"
  • the first robot arm 51 with multiple joints and multiple degrees of freedom as shown in Fig. 30 is used to hold and move the applicator part 16. It may be something that uses. This is controlled by the robot arm controller 102.
  • the first robot arm 51 that moves automatically there is a possibility that the patient 64 may be harmed when malfunctioning. Therefore, it is the first robot arm 51 that does not self-run, and can be freely moved by “auto-balancing (function of automatically balancing the arm)”, “function of holding the arm”, and “assistance of the operator” It is desirable to have only "function”.
  • the disadvantage of this type of HIFU device is that it is assumed that the attenuation rate of the target (eg, living tissue) is always constant, so if the accuracy of the ablation shape or heating temperature decreases, the presence of force ⁇ ribs, etc.
  • the drawback is that HIFU irradiation must be performed without considering Will remain.
  • the movement of the applicator part 16 can be minimized as compared with the fixed focus type HIFU transducer 1, and the operation to keep the contact condition between the water bag 14 and the body surface 8 of the patient 64 always good.
  • the advantage is that it can be reduced.
  • 2D and 3D images can be acquired using the "narrow sense aperture synthesis algorithm" using ultrasonic burst.
  • the transducer element 17 can be driven or received even at the fundamental frequency and its integral multiple of harmonics so that the attenuation rate distribution can be measured using two types of ultrasonic echoes with different frequencies. Possible.
  • HIFU irradiation can be performed by calculating the driving conditions of each transducer element 17 from the measured 3D attenuation rate distribution information and the information of the ⁇ cautery focus position '' and ⁇ cautery focus intensity '' set by the operator. . Therefore, multiple focal points 15 (multiple focal points) can be cauterized with a single HIFU irradiation.
  • FIG. 33 shows a flowchart of the operation procedure of the reflection type HIFU device. The details of each step are described below.
  • Step 1C Attach “ultrasonic wave propagation member” and “marker” to the patient's body surface.
  • Step 2C Fill the water bag attached to the applicator and start cooling the transducer.
  • Step 3C Inject jelly, liquid, etc. between the ultrasonic transmission member and the body surface to eliminate air bubbles.
  • Step 4C Apply the applicator part to the ultrasonic wave propagation member and move the applicator.
  • the three-dimensional area is photographed collectively by the algorithm of “aperture synthesis in a narrow sense”, and the affected part is monitored using the C-mode or B-mode display image.
  • Step 5C Fix the robot arm that supports the applicator at an appropriate position. Measure the marker position with the "marker position detector” and determine the origin position.
  • Step 6C The operator uses the C mode display screen to set the ablation focal position and intensity within the range in which the focal point can be moved for each layer.
  • Step 7C Determine whether all the focal positions have been determined.
  • Step 8C An image of the same three-dimensional region is subjected to two types of frequencies f and f. And obtain the attenuation rate distribution from the B-mode display image. “Negative numbers with large absolute values” correspond to areas where the pulse echo is below a certain threshold.
  • Step 9C Interpolate the attenuation rate on the line connecting the focal point and each transducer element from the ablation focal position information set in step 6C, the attenuation rate distribution data in step 8C, and the location information of each transducer element. Then, the driving amplifier is set by numerically solving equation (25) on this line. 10C: Apply Equation (32) to the sound pressure obtained on the line connecting the focal point and the vibrator element to obtain the heat generation energy distribution. Interpolate to find the “heat generation surface”.
  • Step 11C Collect image data in 3D region before cauterization for temperature measurement. To set the upper limit temperature T s by cauterization.
  • Step 12C Start HIFU irradiation.
  • the increase in the speed of sound due to the temperature rise is reflected in the phase change of the pixel value in the image based on the algorithm of “open synthesis in a narrow sense”. Use this to measure the temperature from the monitoring screen.
  • Step @ 13 C Stop the HIFU irradiation up to the limit temperature T s. Also check the temperature rise at other sections.
  • Step 14C Determine if cauterization is complete.
  • Step 15C Set the position and strength of the additional cautery site.
  • the applicator portion 16 will be described in contact with the body surface 8 of the patient 64.
  • an "ultrasonic propagation member with almost no ultrasonic attenuation" Names such as Sonar-Aid (hydrated polyacrylaraide agar manufactured by Geistlich) and trade name Sonozelly (a water-soluble and harmless gel) are often used.
  • a tunnel-shaped hole for introducing degassed purified water or degassed saline is made from the side to the center of the gel sheet 7, and a thickness is set at the center of the sheet so as to intersect this tunnel-shaped hole. Drill through holes in the direction.
  • a tube 59 is connected to a hole formed in the side surface of the sheet, and the tube 59 is connected to a storage tank 108 containing the sound propagation medium 6.
  • the deaerated water is forcibly discharged from the water supply port 113 using the first and second pumps (peristaltic pump, peristaltic pump, etc.), the first pressure sensor 109, the second pressure sensor 110, and the controller.
  • the applicator section 16 is provided with marker position detection sensors 75 (or position detection markers 74) at three or more fixed positions that are not aligned on a straight line.
  • position detection markers 74 or “marker position detection sensors”.
  • the term “three or more positions” is used because the spatial mutual positional relationship including the direction can be determined only when there are three or more different positions that are not on a straight line. You.
  • the relative positional relationship between the patient 64 and the applicator section 16 is periodically measured and recorded by this means.
  • this position detector should always be performed when the HIFU device is started or when the movement of the applicator section 16 is completed. It is desirable that this position detector can be measured without being affected by the clothes of the patient 64.
  • the position detection marker 74 an ultrasonic wave that radiates an ultrasonic pulse in the air in an omnidirectional or near omnidirectional state
  • transducer and marker position detection sensor 75 it is possible to use an ultrasonic sensor capable of detecting an ultrasonic pulse in a state close to omnidirectional.
  • a small high-frequency magnetic field oscillator is used as the position detection marker 74, and the marker position detection sensor 75 estimates the position of the position detection marker 74 by detecting the high-frequency magnetic field three-dimensionally.
  • a device may be used. In any case, even when the applicator portion 16 is moved from a position in a certain initial state, it is possible to return to a positional relationship closest to the initial state based on this information.
  • the vibrator element 17 is made of a piezoelectric ceramic of a certain size or more so as not to be continuously damaged by HIFU irradiation, and is inevitably larger than the imaging probe 2. .
  • the phased array for HIFU irradiation is also configured to have an imaging function, and it is difficult to miniaturize the probe 2 in the ultrasonic diagnostic apparatus 29 dedicated to three-dimensional ultrasonic imaging. Since the number of elements 17 is two-dimensionally arranged, the number thereof increases rapidly, and since it is necessary to wire all the vibrator elements 17, the wiring material occupies a considerable amount of space. There is also the advantage that the problem of becoming very difficult does not occur, so that it is easy to realize.
  • the conventional C mode a mode in which a cross-sectional image substantially parallel to the plane of the phased array transducer is captured
  • B mode the ultrasonic mode
  • a narrowly defined synthetic aperture algorithm It is known that the disadvantage of the image by the system is that the further away from the phased array transducer, the lower the longitudinal resolution (spatial resolution in the direction parallel to the propagation direction of the ultrasonic transmission pulse). However, it is also known that the lateral resolution (spatial resolution in the vertical and vertical directions) does not decrease so much.
  • step 5C Move the applicator part 16 while monitoring in step 5C, and fix it at the optimal position for HIFU irradiation.
  • the image of “Layer 54” selected in FIG. 34 is superimposed and displayed on the monitoring screen 49 together with the computer image showing “Focus movable range 50” as shown in FIG. 35.
  • the ablation focus position and ultrasonic intensity can be specified in the frame of the computer image.
  • step 8C the attenuation rate distribution is obtained three-dimensionally by applying the same method as the “measurement of the attenuation rate distribution using two-frequency images” described in the “switch-switchable array HIFU device”.
  • step 9C the driving conditions of the driving amplifier group 4 are obtained in step 9C.
  • the problem of determining the drive conditions has been treated as the "problem of reproducing the sound field in the area D surrounded by the closed surface S" when the sound wave propagation medium 6 can be regarded as isotropic and homogeneous.
  • the conclusion is that it is only necessary to reproduce the sound pressure and normal particle velocity at point N on a closed surface so as to satisfy the Kirchhoff integral equation. According to Time Reversed Acoustics, Mathias Fink, Physics Today, March 1997, pp. 34-45) and Time Reversed Acoustics (Mathematics Fink, Scientific American, Nov.
  • the attenuation rate distribution (preferably the sound velocity distribution) of the object is measured three-dimensionally, and the ablation focal position and the ultrasonic intensity are set inside.
  • “Principle of the time reversing mirror”, attenuation rate distribution data, sound velocity distribution data, and “Sound waves are spherically symmetric from the point sound source to the vibrator element 17.” Approximately good approximation will be given even if it is assumed that the light propagates with a strong wavefront 37. "The driving condition of each transducer element 17 is obtained on the assumption that a point sound source is placed at the ablation focal point 15.
  • problem (1) Since sound field simulation based on measured data is used, there is no need to puncture, and the above problem (1) does not occur.
  • Problem (2) is solved numerically while substituting the actually measured attenuation rate distribution and sound velocity distribution on the straight line from the focal point 15 to the transducer element 17, so that the condition of non-uniform attenuation rate distribution and sound velocity distribution is satisfied. Is automatically taken into account.
  • problem (3) a simplified second-order nonlinear differential equation is solved instead of the exact wave equation, so that the computational complexity can be saved and the current computer's computational power can be sufficient.
  • the sound pressure be ⁇ ( ⁇ , ⁇ ).
  • the position vector ⁇ of the point of interest is ⁇
  • the angular frequency of the high-intensity supersonic wave (HIFU) is ⁇
  • the wave number when the angular frequency is ⁇ is the sound velocity (, and the attenuation rate is ⁇ .
  • the attenuation factor in the propagation medium 6 is ⁇
  • the wave number is k 0 , C for sound speed.
  • Equation (23) When the three-dimensional wave equation expressed by the orthogonal coordinate system of Equation (20) is re-displayed in polar coordinates, it is expressed by Equation (23). Here the distance from the origin! :, The zenith angle is 0 and the azimuth angle is ⁇ . Equation (23) is a wave equation in which the time term eX p (-jcot) (however, the angular frequency is ⁇ , the time is t, and the imaginary unit is j) is omitted. ) Is multiplied by this time term exp (-j ⁇ t).
  • This equation has the same form as the “wave equation representing the sound field of a point source whose wavefront 37 is spherically symmetric”. If the sound field of a point source having a spherical wavefront 37 and located at the origin is G (?), The differential equation of Equation (26) is established using the delta function ⁇ ( ⁇ ). Except for the origin, it is expressed as Eq. (27). If G (i) is replaced with ⁇ ( ⁇ , ⁇ ), the expression is exactly the same. ⁇ ( ⁇ ) is a condition for determining the undetermined proportional constant of G (i). By the way, if the wave number k (?) Is a constant k, the solution of this equation is known as Eq. (28).
  • V 2 G (r) + ⁇ k (r) ⁇ 2 .G (f) ⁇ (r)
  • Step 10C of FIG. 33 under the assumption that the specific heat of the living tissue is constant, in the region where the strong ultrasonic wave passes through the heat generation distribution calculated only on this line segment, “intercalation operation” Find the contour plane of the distribution.
  • ⁇ is the decay rate
  • ⁇ is the sound pressure
  • ⁇ is the density
  • C is the speed of sound.
  • the ablation focus 15 is set to Fl and F2 as shown in Fig. 41, and the distance between the focuses is set to d. Further, assuming that the wavelength of the ultrasonic wave in the acoustic propagation medium 6 is L, the following constraint must be satisfied so that the wavefront 37 does not cancel each other between the two focal points regardless of the two focal points. Be satisfied It is desirable to arrange them in such a manner.
  • Steps 11C, 12C, and 13C in FIG. 33 an ultrasonic image of a cross section corresponding to the C mode and the B mode can be captured in near real time, similarly to Step 4C, using an aperture synthesis algorithm in a narrow sense. Since any point on the image has a pixel value represented by a complex number, the phase at that point can be calculated and the "temperature change distribution" due to heating can be estimated from the phase change distribution. In addition, it is known that the average water content of living soft tissue is about 70%, and the ratio of phase change to temperature change can be expected to be almost the same regardless of the type of living soft tissue.
  • the “temperature change threshold” is set in advance on the monitoring screen, and the ultrasonic image is repeatedly taken between HIFU irradiations, and the image including the pixel exceeding the temperature change threshold is displayed. It is also possible to stop HIFU irradiation once the image has been taken. As a result, in the ultrasonic image obtained by local boiling pulse echo method by HIFU irradiation, "high echo" (pixel value becomes extremely high, and it is displayed on the black and white monitor of the ultrasonic diagnostic apparatus as white on the screen. ) Can be avoided.
  • the reflection type HIFU device of the present invention differs from the conventional HIFU device, ⁇ (2) detecting the ultrasonic echo signal while controlling the sound pressure on the surface of the vibrator element 17 to be almost zero.
  • the ⁇ switch-switchable any-array HIFU device '' the HIFU irradiation transducer 1 incorporates the ultrasonic imaging probe 2 and For reflected pulses, the HIFU irradiation transducer 1 acts as a "perfect reflector".
  • image artifacts due to multiple reflections may occur, and the image quality of the monitoring screen may be significantly impaired.
  • the base on which the transducer element group 17 is mounted is made of a material that easily absorbs ultrasonic waves, such as silicon rubber or plastic, the rest is made of a piezoelectric ceramic with metal electrodes, so the reflector is used as it is. And this problem cannot be solved.
  • the third embodiment which will be described later in particular
  • the sound pressure reaching the vibrator element 17 (such as a piezoelectric ceramic) is p
  • the voltage generated by the vibrating element is e
  • the gain of the drive amplifier 4 for performing HIFU irradiation the input of the drive amplifier 4 is
  • the voltage is E in
  • the output voltage of the driving amplifier 4 is y
  • the gain of the feedback element 104 is K
  • the gain of the receiving amplifier 53 is A 2
  • the output voltage of the receiving amplifier 53 is E sig
  • the matching circuit 52 e.g., conventional.
  • the transformer's boost ratio is l: n.
  • the voltage e is boosted by the matching circuit 52 to become ne, added to the output y of the drive amplifier 4 and input to the feedback element. From this force, the relational expression of Eq. (33) is established, and Eq. (34) is obtained by simple deformation.
  • Equation (35) holds when expressed by.
  • Equation (35) is expressed as Equation (36), if that be regarded as A t K »l satisfied Equation (37), the value of the expression (35) it can be seen that regarded as substantially zero. Since the step-up ratio always holds at 1: n, the voltage (E.n) on the oscillator element 17 side of the matching circuit 52 also becomes almost zero.
  • the "net sound pressure” (the sound pressure obtained by adding the sound pressure of the drive amplifier 4 to the external sound pressure) is also almost zero.
  • E 0 y + ne «0 ( 36 )
  • the output of the receiving amplifier 53 is expressed as in equation (37), and it can be seen that the signal can be received without any problem. That is, by introducing feedback control for setting the target voltage to zero, the net sound pressure on the surface of the vibrator element 17 can be kept almost zero. This corresponds to the boundary condition called "soft boundary surface" in the field of wave equation. When this boundary condition is satisfied, the reflected wave behaves as if it were all absorbed without being reflected at the boundary surface. The reason why a soft boundary surface can be formed if the "net voltage" applied to the transducer element 17 is always kept at 0 will be described in further detail.
  • the transducer element 17 two elements are formed on the transducer element 17 so that the electrodes are substantially opposed to each other. These are called electrode A and electrode B, respectively.
  • a “polarization process” is performed, in which a positive high voltage is applied to the electrode B with respect to the electrode A.
  • a “positive voltage” is generated at the electrode B with respect to the electrode A.
  • “stretching”, “negative voltage” is generated.
  • the only prerequisite for constructing the transducer 1 of this reflection type HIFU device is to use a vibrator element 17 of the same shape.
  • the boundary condition of “soft boundary surface” can be realized by “feedback control for setting the net sound pressure on the vibrator element 17 to 0”. As a result, it is possible to prevent the occurrence of an ablation focus at an unintended position when irradiating the HIFU with an artefact of an ultrasonic image due to multiple reflection or the like.
  • FIG. 36 shows a third embodiment as a modification of the reflection type HIFU device.
  • This can also be called a “cylindrical reflective HIFU device for breast”, in which a transducer element group 17 is arranged in a cylindrical shape, and has a structure in which imaging and HIFU irradiation are performed in the inner region of the cylinder.
  • the inside of the cylinder is filled with an acoustic propagation medium 6, for example, “degassed water” from which dissolved gas has been removed as much as possible, and a breast 56 is inserted through the opening at the top of the cylindrical transducer 1.
  • the imaging includes a limited area of the transducer element group 17 and below. Use only what we call raster.
  • the ultrasonic intensity is sufficiently lower than that of HIFU irradiation so as to form a focal point for imaging between "first cluster 55" and the target object.
  • This transmitted wave burst reaches the object, is reflected, and returns as a "reflected wave burst".
  • This is received in a region that partially overlaps the “second cluster” first cluster 55, and the amplitude and initial phase information of the received wave are collected from each transducer element 17.
  • a three-dimensional image can be captured.
  • the object at an arbitrary position can be moved under the best condition. (Eg, best S / N, resolution, etc.) You can shoot with.
  • Fig. 37 shows a horizontal sectional view of this HIFU device. Reflected waves other than “transmit in the first cluster 55 and receive in the first cluster 55”, “transmit in the first cluster 55 and receive in the second cluster 111 that partially covers the area of the cluster” Instead of receiving a burst, a “transmitted wave burst” would be received. However, “transmitted in the first cluster 1-55 and received in the third cluster 112, which has a region that is approximately axisymmetric with respect to the central axis of the cylinder. Operation ".
  • FIG. 38 shows a vertical sectional view of this HIFU device.
  • This suction cup 57 is used to fix the breast 56 without interfering with monitoring or HIFU irradiation.
  • the patient 64 applies the suction pad 57 to a part of the breast 56 and sucks it by forcible suction.
  • the breast 56 is inserted through the opening of the transducer 1.
  • the tube 59 is pulled downward by using the fixed pulley 60 or the moving pulley 61 to fix the breast 56.
  • the traction and suction force of the tube 59 is a mechanism that performs suction and traction while constantly monitoring the reduced pressure state with a sensor.
  • the water bag 14 may be pressed from around the breast.
  • a “transducer moving actuator” may be added to the transducer 1 in order to enlarge the imaging / HIFU irradiation area without increasing the size of the transducer 1.
  • the sound propagation medium 6 is injected into the water tank 58 from the water supply port 113, and is discharged from the discharge port 114 after use.
  • the vibration element 17 can be moved up and down by a transducer moving actuator 115.
  • FIG. 39 shows a fourth embodiment as another modification of the reflection type HIFU device.
  • This can also be called a “cylindrical reflection type HIFU device for head”, and is different from the third embodiment in that the transducer 1 can be tilted in accordance with the posture of the patient 64.
  • the "part corresponding to the bottom of the cylindrical transducer 1" (hereinafter referred to as the fringe 65) is removable, and this part is attached to the patient's head in advance like a "sword brim".
  • the fringe 65 is removable, and this part is attached to the patient's head in advance like a "sword brim".
  • the entire circumference is opened without breaking the dura of the head, and the scalp is temporarily fixed to the fringe 65.
  • the fringe 65 is attached so that the watertight state of the cylindrical transducer 1 is maintained, and the inside of the transducer 1 is filled with degassed and cooled saline.
  • the applicator portion 16 including the cylindrical transducer 1 is appropriately secured by a first robot arm 51 (not shown) or the like. It is tilted and fixed. It is assumed that a “mechanical movement mechanism that enables vertical movement along the central axis of the cylinder” similar to FIG. 38 is added to the cylindrical transducer 1. Imaging HIFU irradiation is performed in the same manner as in the third embodiment.
  • FIG. 40 shows a fifth embodiment as another modification of the reflection type HIFU device.
  • the container filled with the degassed sound propagation medium 6 (degassed water, degassed physiological saline, etc.) has a cylindrical shape, but is perpendicular to the central axis to represent the difference from the fourth embodiment. A cross section cut through a straight plane is shown.
  • the transducer 1 in order to save the number of transducer element groups 17, the transducer 1 is not cylindrical but has a shape close to a plane. It is assumed that the transducer 1 can not only be moved around the central axis by the first robot arm 51 or the like, but also can be inclined with respect to the central axis.
  • the “strong ultrasonic absorbing member 118” is arranged so as to cover the second window 117 without fail. It is assumed that this member itself can be moved by the second robot arm 66 similarly to the transducer 1. This powerful ultrasonic absorbing member absorbs ultrasonic energy to convert it into heat energy, and easily transfers the heat to degassed saline or the like. It is desirable to use a material such as a "heat sheet” (a sheet used between a semiconductor and a heat sink, which has a very high thermal conductivity and has rubber-like flexibility).
  • the fourth embodiment can be used.
  • the phased array transducer group forms a “soft boundary surface”, and thus does not require a strong ultrasonic absorbing member as in the fifth embodiment.
  • Reference 1 Clinical imaging with transmissive ultrasonic computerized tomography (JF Greenleaf, RC Bru, IEEE Trans. Biomed. Eng., 28 (2), 177 (1981),
  • Reference 2 "Quasi 3D- Qualitative Computerized Tomography for Reconstructing Sound Velocity slices of Weakly Scattering Object "Akira Yamada, Jpn. J. Appl. Phys. Vol 35 (1996) Pt. 1, No. 5B, pp.
  • the image obtained by this algorithm is a visualization of the distribution of the “object function” 0 (?) Expressed by equation (43), and the pixel value at each point takes a complex value.
  • ⁇ denote an arbitrary complex number, and its real part is represented by Re ⁇ z ⁇ and its imaginary part is represented by Im ⁇ z ⁇ .
  • ⁇ (?) Can be obtained from equation (44), and C (i) can be obtained from equation (45). That is, it can be seen that pure attenuation rate distribution and sound velocity distribution can be derived from the object function image.
  • a "plane traveling wave” is radiated from the transmitting transducer 67 for imaging onto the living tissue including the diseased part 3 in this case, and the transmitted wave passing through the target is reflected on the target.
  • the signal is received by the receiving transducers 68 arranged in parallel and opposed to each other.
  • the transmitting transducer 67 and the receiving transducer 68 collect data for one round by repeating transmission and reception while sequentially rotating around the central axis of the applicator section 16 while maintaining the facing positional relationship.
  • the transducer 67 is configured in a plane. Furthermore, in this reconstruction algorithm, it is necessary to perform "back propagation processing" on the received data in order to reduce errors due to "Litoff approximation". Therefore, it is better that the receiving transducer 68 is also configured in a planar shape. desirable.
  • both the transmission transducer 67 and the reception transducer 68 are “planar phased array transducers”. And repeat the transmission and reception while rotating around the rotation axis 69 while facing each other in parallel.
  • a “transmission HIFU device” with a device configuration that can perform cauterization by HIFU irradiation.
  • the overall block diagram is the same as Fig. 42, with the differences between the objects. According to this device, not only imaging by a transmitted wave but also imaging by a reflected wave like a “reflection type HIFU device” is of course possible.
  • FIG. 44 shows a “head-only transmission type HIFU device” of the sixth embodiment.
  • the skull acts as an ultrasonic reflector, the fringe 65 is first attached to the patient's head in the same manner as in the fifth embodiment, and the skull is temporarily wound around the entire circumference without breaking the dura for imaging and cauterization. Open to the head.
  • the fringe 65 is attached to the cylindrical transducer 1 so as to maintain a watertight state, and the inside of the transducer 1 is filled with degassed and cooled purified sterilized water or physiological saline.
  • the applicator portion 16 including the transducer 1 is appropriately tilted and fixed by a first robot arm 51 (not shown) or the like.
  • the transducer 1 may be provided with a “mechanical movement mechanism that also enables vertical movement along the central axis of the cylinder”. Since two-dimensional image data can be captured simultaneously by the above reconstruction method, the attenuation rate distribution ⁇ ) and the sound velocity distribution C (?) Can be measured three-dimensionally.
  • the driving conditions are obtained by numerically solving the second-order nonlinear differential equations, and cauterization can be performed by using them.
  • FIG. 45 is a perspective view of a “transmission-only HIFU device for breast” according to a seventh embodiment.
  • the difference from the reflective HIFU device for breasts shown in Fig. 36 is that the transmitting transducer 67J and the receiving If these transducers 1 are used for both transmission and reception, they can be the same, but they can be three-dimensionally detected by detecting the transmitted wave while mechanically rotating while maintaining the facing positional relationship. A tomographic image can be taken, and the driving conditions of a group of drivers can be calculated most accurately based on that information, and HIFU irradiation can be performed.
  • FIG. 46 shows an eighth embodiment, “transmission HIFU device for body part”.
  • the basic structure of the applicator part 16 is the same as in FIGS. 44 and 45, and is used to cauterize the affected part 3 in the abdominal cavity or pelvic cavity by HIFU irradiation.
  • the contact area between the body surface 8 and the water bag 14 is large, so that both the patient 64 and the applicator part 16 are immersed in the “bathtub 119 (bath tub)” to maintain good acoustic contact at all times. The case where the method is adopted is shown.
  • Step 1D In the case of the “transmission HIFU device for the head”, open the skull over the entire circumference without breaking the patient's dura, and set the head on the applicator.
  • the suction cup for fixing the breast In the case of the “transmission type HIFU device for breast”, the suction cup for fixing the breast is sucked to the tip of the breast, and the patient's breast is placed on the applica- tion in a prone position. Then, pull the tube connected to the suction cup to fix it. Also fix the body using a water bag filled with degassed water.
  • Step 2D Using the reconstruction algorithm of “ultrasound diffraction tomography”, generate a “plane traveling wave” from the first transducer and receive the “transmitted wave” passing through the object with the second transducer. And the axis of rotation of the transducer Multiple vertical tomographic images are taken simultaneously.
  • Step 3D Since a “decay rate distribution image” and a “sound velocity distribution image” of the same cross section can be taken simultaneously, a composite image obtained by weighting and adding these two types of images so that the contrast between the normal tissue and the affected area is increased make. Using this composite image, a tomographic slice (image) containing the affected area is selected.
  • Step 4D For each slice, add the margin (margin) to the affected area and enclose it with a closed curve R0I.
  • Step 5D The ablation focus is regarded as a grid point, and the focus position is determined by filling up the closed curve R0I in Step 4D. At the same time, set the ultrasonic intensity at the focal point.
  • Step 6D From the ablation position information set in Step 5D, the attenuation rate distribution data in Step 3D, the sound velocity distribution data, and the position information of each transducer element, determine the attenuation rate on the line connecting the focal point and each transducer element. Calculate by interpolation. The wave number is obtained from Eq. (47), and the equation of Eq. (25) is numerically solved on this line to derive the drive amplifier conditions.
  • Step 7D Apply Equation (48) to the sound pressure obtained on the line connecting the focal point and each transducer element to obtain the heat generation energy distribution. Interpolate to find the “heat generation surface”.
  • Step 8D Set upper limit temperature T s for temperature increase due to cauterization.
  • Step 9D Start HIFU irradiation.
  • the increase in the speed of sound due to the temperature rise is reflected in the phase change of the pixel value in an image by the algorithm of “synthesis of aperture in a narrow sense”.
  • real-time monitoring is possible. Use this to measure the temperature from the monitoring screen. Stop HIFU irradiation up to the limit temperature T s.
  • Step 10D Sound velocity obtained by the algorithm of "ultrasound diffraction tomography” Investigate the temperature rise distribution more accurately from the distribution image.
  • Step 11D Confirm the protein denaturation of the affected tissue from the attenuation rate distribution image simultaneously obtained in Step 10D.
  • Step 12D Determine if cauterization is complete.
  • Step 13D Set the position and strength of the additional ablation site.
  • step 1D the patient 64 is set on the applicator part 16.
  • step 2D a plane traveling wave of ultrasonic waves is generated from the transmitting transducer 67 (phased array vibrator for transmitting) and emitted to the object including the affected part 3.
  • the transmitted wave is received by a receiving transducer 68 (a receiving phased array transducer) operating as a "soft boundary surface", and the reconstruction algorithm for ultrasonic CT is also called the "Fourier Fourier cut plane theorem”.
  • An extension of the “projection Fourier cut plane theorem” used in the X-ray CT reconstruction algorithm is used to obtain the attenuation rate distribution ⁇ ( ⁇ ) and velocity distribution C) three-dimensionally.
  • step 3D the attenuation rate distribution image ⁇ (?), The sound velocity distribution image C (?), The image obtained by applying the weighted addition represented by equation (46), or the reflected wave image captured by the narrow-spectrum aperture synthesis algorithm Among them, an image in which the contrast between the diseased part 3 and normal tissue is most prominent is displayed for monitoring.
  • step 4D the area including the affected part 3 is divided into a plurality of slices (multi-layers), and each slice is displayed on the monitor 30.
  • surgery does not remove only the affected part 3 but also includes a margin for some normal tissue. It is common to remove them. Therefore, the operator encloses a region to which the margin of the normal tissue is added so as to surround the affected part 3 with a “closed curve R0I” where R0I means a region of interest, and designates the region as an ablation site.
  • R0I means a region of interest
  • step 5D the cautery planning controller of the HIFU device sets the cautery focal position so that the R0I is completely filled by placing a plurality of “areas that can be cauterized when one cautery focal point is specified”. Set automatically. From this calculation result, the position information of each transducer element 17 and the information on the ultrasonic radiation directivity, the driving conditions of each transducer element 17 are calculated in step 6D.
  • the sound velocity distribution C (i) C. (Constant)
  • the transmission type HIFU device the sound velocity distribution C (i) can be obtained at the same time, and the wave number k (?) At that time is replaced with ⁇ 3 ⁇ 4 ⁇ ) in Eq. Numerically solve the second-order nonlinear differential equation of. ⁇
  • FIG. 48 schematically shows a state in which the sound field generated by the vibrator element 17 and the drive amplifier 4 and the sound field generated by the second vibrator element 70 and the second drive amplifier 71 overlap.
  • step 7D the sound pressure on the line connecting the ablation focal point 15 and each transducer element 17 is numerically solved by substituting the wave number of equation (47) into the equation of equation (25).
  • the sound pressure above is obtained by substituting the wave number of equation (38) for equation (25). Find it by solving it. From the above calculation results, the heat distribution energy distribution can be obtained on the line segment using equation (48), and by interpolating the value, it is possible to predict even the “heat surface level” and use it in the ablation plan. Can also.
  • step 10D since the sound velocity distribution C (i) can be obtained three-dimensionally, the change in sound velocity immediately before and immediately after HIFU irradiation and the change in sound velocity of living soft tissue regardless of the initial sound velocity The assumption is that it is almost proportional to the change in sound velocity of water, and the "empirical formula showing the relationship between sound velocity and temperature.” For example, the experimental equation of sound velocity with respect to temperature using a Greenspan-Tschi egg is known.
  • the temperature increment can be calculated backward from the sound velocity increment, and the temperature rise after HIFU irradiation can be monitored accurately. Further, in step 11D, the degree of “protein degeneration” due to cauterization is estimated from the change ratio of the attenuation rate after HIFU irradiation to the attenuation rate before HIFU irradiation, and it is determined whether or not the cauterization is completed.
  • step 13D If an afterburn occurs in the first ablation, an additional ablation site is set in step 13D, and the procedure returns to step 2D to perform the ablation.
  • the invention relating to the vibrator element 17 for a fused array will be described as a technique common to them.
  • the transducer element 17 for a phased array having the simplest structure has a flat plate shape. As an example, consider a "circular plate oscillator with radius a".
  • the density of the acoustic propagation medium 6 in which the vibrator element 17 is placed is p
  • the sound velocity C (assumed constant)
  • the wave number at this time is k
  • the acceleration value is Ae
  • the radius of the circular vibrator element is a
  • the circle Shake Assuming the distance r from the disk center of the rotor element, the celestial angle 0, each frequency ⁇ , and the observation time t, the sound pressure P is expressed by the following equation (49) using the first-order Bessel function of the first kind. It is known that
  • a “semi-convex lens-like acoustic lens 120J” made of a material whose acoustic impedance is larger and less attenuated than that of the ultrasonic wave propagation medium 6 is used.
  • the ultrasonic wave is adhered to the ultrasonic radiation surface of each transducer element 17.
  • the ultrasonic wave radiated from the transducer element 17 is refracted by the acoustic lens so as to spread, and is transmitted to the omnidirectional sound field of the point sound source. You will get closer.
  • the movement in the direction of the ablation focal point 15 (the distance from the phased array transducer to the focal point 15) and the lateral movement can be performed by simply switching the switch group.
  • a plurality of focal points 15 can be cauterized in that state, which has the advantage that the ablation time can be greatly reduced.
  • the number of the drive amplifier groups 4 depends not on the total number of the vibrator elements 17 but on the number of divided phases, so that the number can be significantly reduced in practical use, and the size can be reduced.
  • the attenuation rate distribution is actually measured by “attenuation rate distribution measurement using two frequency images”, and the driving conditions of each transducer element 17 are set in consideration of the non-uniformity.
  • High-accuracy ablation can be performed with the switch-switchable any-array HIFU system. If only care is taken to place them in positions that do not cancel each other due to interference, multiple cautery focal points 15 can be cauterized simultaneously with a single HIFU irradiation by the "superposition principle". That is, the ablation time can be significantly reduced.
  • the phase change in each pixel corresponds to the change in sound speed due to a rise in temperature, so that transient heating conditions can also be monitored. Furthermore, protein denaturation can be made to correspond to the change in the attenuation rate distribution, and the degree of cauterization can be confirmed. Furthermore, since the same transducer element group 17 is used for transmission and reception for imaging and HIFU irradiation, no element damage is caused by reflected waves during HIFU irradiation.
  • each transducer element 17 is used for HIFU irradiation can be set individually, and HIFU irradiation can be performed only from outside the body to the liver while avoiding irradiation to ribs and the like. It can be used as an ablation treatment device for organs in the pelvic cavity, including the brain, liver, breast, and uterus.
  • both the attenuation rate distribution and the sound velocity distribution can be measured simultaneously three-dimensionally by the reconstruction algorithm of ultrasonic diffraction tomography, so that the transducer element group is more accurate than the above two types of HIFU devices. 17 driving conditions can be set, and the device can be used as an ablation device capable of performing more accurate ablation.

Abstract

強力超音波の発熱作用を利用した焼灼治療装置の分野において、患者の個体差による音響パラメータのバラツキを考慮した焼灼が行え、且つ同時に超音波によるイメージングも行える強力超音波治療装置を提供する。複数の振動子エレメント(17)から成るフェーズドアレイ振動子を焼灼用または、超音波によるイメージングと焼灼兼用のトランスデューサ（1）として使い、先ず患部(3)を含む体内のイメージングと生体組織の音響パラメータ測定を行う。その結果と操作者が設定した焼灼焦点情報から各振動子エレメント(17)の駆動条件を求め、それを各駆動アンプ(4)に設定して駆動することで強力超音波を照射して患部を焼灼し、それと同時に超音波によるイメージングを利用した温度測定等によって患部近傍の焼灼状態もモニタリングできることを特徴とする。

Description

明 細 書
集束強力超音波治療装置
技術分野
この発明はフェーズドアレイ振動子が超音波に関して送受信機能を有する こと、 生体 組織のような超音波減衰媒体内では集束強力超音波 （HIFU) が発 熱作用および浸透作用を発揮すること、 及び超音波ィメージングによつて超音 波減衰率や超音波伝播速度分布の測定が可能であることを利用して、 フェーズ ドアレイ振動子による HIFU 照射により患部の焼灼治療、 または遺伝子や薬物 の患部への浸透促進作用による導入など行う HIFU 治療装置に関するものであ る。
背景技術
集束強力超音波を生体組織に導入すると組織が加熱されるという発熱作用 を腫瘍などの焼灼治療に応用しょうとする試みは従来からあり、 生体組織内部 の温度計測手段の違い 1\強調画像、 化学シフト画像、 perfusion画像、 diffusion画像などの温度依存性に基づく MR 画像による温度計測、 組織の加 熱による水分量の変化に基づく X線 CT画像による温度計測、 超音波伝播速度 の温度依存性に基づく超音波 画像による温度計測、 光ファイバ一や温度セン サー （サーミスタ、 熱電対など） による直接温度測定 により分類される
「がん焼灼治療装置 J が研究されてきている。 しかし、 温度測定手段は違っても HIFU 照射用トランスデューサ （超音波 振動子） として凹型で球殻状の固定焦点型振動子を利用するという点は共通し ている。 フェーズドアレイ振動子も提案されてはいるが、 焦点領域拡大が主目 的で且つ振動子エレメントの数が不十分であったため未だ実用化されていない。 体内にある患部の形状は不定形で且つ体表面からの深さもまちまちであり、 焼 灼焦点領域も小さいことから、 HIFU 照射用トランスデューサを機械的に移動 させながら 音響伝播部材がある程度変形可能なことを利用して、 体表面 との接触を確保しながら移動させる 、 複数の地点で HIFU 照射を繰り返 すことで患部を焼灼する方法が採られてきた。
しかしながら従来の HIFU治療装置には 「HIFU照射用トランスデューサの 形状 が固定であるため、 HIFU 照射の焦点領域と振動子との位置関係が固定さ れている」、 「生体組織の減衰率分布を実測して HIFU 照射条件を補正しないの で、 先験データから照射強度と照射時間を決めて HIFU 照射を行っている」、 「HIFU照射手段と異なる手段 （例えば MRI 装置、 超音波診断装置のイメージ ング用プローブなど） を使って患部をモニタリングし、 その情報に基づいて HIFU 照射を行っている」 といった共通する特徴がある。 これらの特徴は以下 の問題点（1)、 （2)、 （3)、 及び (4)の原因となっている。
問題点（1) ：固定焦点であるため、 大きな患部を焼灼しょうとすると "多 点照射" 焦点の位置を順次ずらしながら複数回 HIFU 照射を行うこと一 ——とならざるを得ず、 HIFU 照射用トランスデューサを内蔵しているアプリ ケータ部分を機械的に移動させざるを得ない。 このため生体組織の変形などに よって最初のイメージングを行ったアプリケータの位置を見失い易く、 焼灼位 置エラーが発生し易くなるとか、 アプリケータの移動時間だけ余分に時間がか かってしまうなどの問題があった
問題点 （2) ：生体の個体差により、 全く同じ HIFU 照射条件 （照射強度、 照射時間など） でも、 超音波焦点領域での加熱状態が異なる ある個体で は患部を良く焼灼でき、 他の個体では上手く焼灼できないなど といった 焼灼結果にばらつきが生じるといった問題があった。
問題点 （3) ：イメージング手段と焼灼手段が異なるため、 常にそれぞれの 手段の位置関係 例えば、 超音波診断装置のイメージング用プローブによ る Bモード画像と HIFU照射の焦点領域との位置関係や、 MRI画像や CT画像や
X線画像などと焦点領域との位置関係など を対応付けて、 それをモニタ リング画像に反映する必要があった。例えばモニタリング画像の第 1座標系と、 HIFU 照射用トランスデューサと焦点領域を決める第 2座標系が両方とも直交 座標系である場合でも、 第 1座標系の原点 0と第 2座標系の原点 0'との位置関 係、座標系の直交変換、座標軸環の縮尺関係などのデータを予め測定しておき、 焦点領域を表す画像を座標変換した後、 モニタリング画面に重畳するなどの作 業が必要であった。 特に超音波と異なる物理現象を使って収集したモニタリン グ画面にはその収集手段固有の画像歪があり 例えば MRIなどでは静磁場 の不均一性や勾配磁場による渦磁場などに起因する画像歪がある 、 高精 度で補正することが非常にむずかしい。 この座標系間の対応付けは治療装置の 場合に特に重要であり、脳手術などではミリメータ一以下の精度が要求される。
問題点 （4) ：超音波パルス法による画像 （例えば B モード超音波画像な ど） は超音波反射エコーを画像化したものであり、 HIFU 照射を行うと生体内 の水分が沸騰してキヤビテーションが発生するため "ハイ ·エコー" として描 出されるが、 血流などによる冷却とともにハイ ·エコーが消失した後では、 タ ンパク質変性を判別するのは難しい。 その欠点を補うため、 体外から機械振動 を加えるなどして硬さの程度をイメージングする elastography などのィメー ジング方法が研究されているが、 外部からの "加振操作" などが別途必要にな るなどのわずらわしさがあった。 発明の開示
2次元に配置した振動子エレメント群から成る HIFU照射用トランスデュ ーサと、 それらの振動子エレメント群を一対一に対応するように接続した電極 群を持つ複数個のスィッチをカスケードに接続したものと、 複数個の初期位相 の異なる高周波電圧を発生できる駆動ァンプ群とを接続する。 さらに振動子ェ レメント群と最初に接続される電極群のうち、 余った電極群には振動子エレメ ントと同じ駆動周波数において同じィンピーダンスを有するダミ一負荷群を接 続しておく。 これにより前出の複数のスィッチ群がいかなる組み合わせに切り 換えられても、 駆動アンプ群から見込んだ負荷インピーダンスが決して開放に 近い状態にならないようにすることができる。 コントローラからは、 HIFU 照 射用トランスデューサが集束強力超音波 （HIFU、 high intensity focused ultrasound) を発生できるように計算された振幅、 初期位相、 周波数の条件に 則した制御信号が出力され、 上記駆動アンプ群に入力される。 この構成によれ ば、 HIFU照射用トランスデューサと駆動アンプ群の間に接続されたスィッチ 群を切り換えるだけで トランスデューサを機械的に移動させなくても一 一一、集束強力超音波を発生するための駆動パタ一ンは不変のまま駆動パター ンを上記 HIFU照射用トランスデューサ上で移動させることができ、 HIFU照射 の方向に対して概略直交する方向 （水平方向） に超音波焦点を自由に移動でき ることとなる。 また 1個の焦点に集束する超音波音場を発生させる場合、 HIFU 照射用トランスデューザが概略平面状であるとすると、 その駆動パターン—— 一駆動電圧の振幅と初期位相に着目して離散的に分類した場合のパタ一ン—— —はァ二ユラ一アレイ振動子と類似した同心円状となり、 さらに HIFU 照射用 トランスデューザから焦点までの距離のトランスデューサの直径に対する比が 極端に小さくなければ、 駆動振幅の振動子エレメントの位置によらずほぼ等し くなることから、 この同心円状の駆動パターンと駆動アンプ群の出力だけを変 更すれば、 振動子エレメント群から焦点までの距離 （深さ） も電子的に変える ことができる。 これにより、 スィッチ群と駆動アンプ群の出力設定変更だけで 3 次元的に焦点を移動可能であること分かる。 尚この構成の場合は、 振動子ェ レメント群には必ずスィツチ群が接続されるので、 イメージング用に兼用する ことはできない。 そこで、 焦点を含む領域のモニタリングには上記 HIFU用振 動子をセンサーとして利用しなレ、別のィメージング手段 例えばィメージ ング用プローブを使う超音波診断装置、 MRI装置、 X線 CT装置など が付 加されていることが望ましい。 超音波診断装置のイメージング用プローブをモ ニタリングに使う場合は、 HIFU 照射時に対象物內にある散乱体によって引き 起こされる HIFU反射波 100からプローブを守るために、 HIFU照射を含むタイ ミングにだけプローブの開口部を遮蔽する "耐熱性の羽根" を付加しておくこ とが望ましい。 説明の便宜上、 上記構成のものを 「スィッチ切り換え型ァニュ ラーアレイ HIFU装置」 と呼ぶことにする。
別の解決手段としては、 2 次元配置した振動子エレメント群によりフェーズド ァレイ振動子を構成し、 各振動子ェレメントにはそれぞれ超音波ィメージング のための送受信回路と HIFU 照射を行うための送信回路 超音波イメージ ング用送信と HIFU 照射用送信は、 その超音波強度の違いだけしかないので、 回路が兼用であっても構わない を接続しておく。 第 1周波数の搬送波を 持ち、 しかも 1個の焦点から放射するのと等価な超音波バーストを振動子エレ メント群から送信し、 戻って来た超音波反射波を "狭義の開口合成アルゴリズ ム" によって再構成することで、 超音波バーストの進行方向と概略垂直な断面 をもつ複数枚の第 1超音波画像 （Cモード画像） を撮影することができる。 こ の狭義の開口合成アルゴリズムに関しては、 「超音波ホログラフィ」 （永井啓之 亮、 日刊工業新聞社、 1989年） の pp. 71—84に詳しく解説されている。 次に、 第 2周波数 第 1周波数の整数倍の周波数を持つ高調波など の搬送 波を持つ超音波バーストを上記と同様に送信、 受信、 再構成し、 複数枚の第 2 超音波画像を撮影する。 同一断面の第 1超音波画像と第 2超音波画像を用いて 減衰率分布を求め、 それを複数枚の画像のセットに対して行い、 3次元の減衰 率分布を求める。 次に、 第 1超音波画像上に焼灼領域を設定し、 それに基づい て焼灼のための焦点位置とその HIFU照射強度を格子点状に割り付ける力、 ま たは直接に複数の焦点位置と HIFU焼灼強度を設定する。 これらの焦点位置と HIFU照射強度と 3 次元の減衰率分布の情報に基づき、 減衰率の符号を正負逆 にした上で "簡素化された点音源に対する 3次元波動方程式" を数値的に解い て各振動子ェレメントにおける音圧を求め、 それから各振動子エレメントの駆 動条件 （駆動電圧振幅と初期位相） を設定する。 実測したままの減衰率を使つ た場合の "簡素化された点音源に対する 3次元波動方程式" を数値的の解くこ とによつて得られる音圧分布を表す解と、 上記の減衰率の符号を逆にした場合 に得られる音圧分布を表す解と、 HIFU照射に使われる振動子エレメントの曲 面形状に関する情報と、 生体組織の比熱がほぼ一定という仮定から、 発熱分布 を計算して焼灼前の "HIFU焼灼計画" に利用する。 狭義の開口合成アルゴリ ズムで得た HIFU焼灼前後の 3次元画像から各画素値における位相の変化を求 め、 それが生体組織の音速変化に対応することを利用して加熱温度分布を計算 することができる。 加熱温度分布が "一過性 （急性的） の変化" を表すのに対 し、 減衰率分布は "不可逆性 （慢性的） 変化" を表すので、 焼灼してから十分 時間が経過した時点で再度減衰率分布を測定し、 焼灼前のものと区別すること で HIFU焼灼効果を確認することができる。 上記構成のものを 「反射型 HIFU装 置」 と名付けることにする。
さらに別の解決手段は、 "平面波の発生が可能な 2次元配置のフェーズドアレ ィ振動子" と "超音波透過波を受信可能な 2次元配置のフェーズドアレイ振動 子" とを対象物 （患部を含む生体組織など） を挟んで対向するように配置する。 各フェーズドアレイ振動子には超音波ィメージングを行うための送受信回路群 と、 HIFU 照射を行うための送信回路群が接続されている。 両方のフェーズド ァレイ振動子は対向位置関係を固定した状態で対象物の周りを送受信しながら 360° 回転し、 3 次元データを収集する。 このデータから 「超音波回折トモグ ラフィ」 の再構成アルゴリズムによって 3次元画像を得る。 これらの画像は複 素数の画素値を持つので、 これから減衰率分布ひ（？） ここで Ϊは 3 次元 位置べクトルを表す と、 音速分布 C (？)を別々に且つ同時に求めること ができる。 フェーズドアレイ振動子は対象物の周りに回転可能なので、 HIFU 照射の有利さを考慮して フェーズドアレイ振動子と患部の中心との距離 が短いほど、 焼灼焦点から見込んだフェーズドアレイ振動子面の立体角が大き くなる可能性が高くなり、体表面での超音波エネルギー密度を低くできるので、 体表面の近傍でのダメージを少なくすることができる 回転固定した後、 HIFU 照射を行う。 HIFU 照射は一方のフェーズドアレイ振動子からのみ、 もし くは両方からで行ってもよい。
この構成を用いると、 「反射型 HIFU装置」 と同様に狭義の開口合成のアルゴリ ズムを使えば、 超音波回折トモグラフィのアルゴリズムよりデータ収集時間が 短いので、 準リアルタイムでモニタリングすることが可能である。 操作者は上 記いずれかの方法で収集した画像又はそれらの半透明表示画像上に、 複数の焼 灼焦点の位置および超音波強度を設定する。 これらの焼灼焦点位置や超音波強 度情報、 減衰率分布 ct (？)、 音速分布 C (f )、 HIFU 照射に使うフェーズドアレ ィ振動子の曲面形状情報から、 反射型 HIFU 装置と同様に、 減衰率の符号を正 負逆にした上で "簡素化された点音源に対する 3次元波動方程式" を数値的に 解いて各振動子エレメントにおける音圧を求め、 それから各振動子エレメント の駆動条件 （駆動高周波電圧振幅とその初期位相） を設定する。 実測したまま の減衰率を使った場合の "簡素化された点音源に対する 3次元波動方程式" を 数値的の解くことによって得られる音圧分布を表す解と、 上記の減衰率の符号 を逆にした場合に得られる音圧分布を表す解と、 HIFU 照射に使われる振動子 エレメントの曲面形状に関する情報と、 生体組織の比熱がほぼ一定という仮定 力^、 発熱分布を計算して HIFU照射前の焼灼計画に利用することもできる。 生体組織の音速は温度に依存することと、 超音波回折トモグラフィによる焼灼
(HIFU 照射） 前後の音速分布画像から一過性の温度上昇を推定できるので、 これを利用して焼灼ができたかどうかの判定に利用することができる。 焼灼に よって生体組織が不可逆的なタンパク質変性を起こすと、 超音波に対する減衰 率が著しく変化する.ことが知られている。 これを利用して、 焼灼前の減衰率分 布画像と焼灼後平熱に戻った後での減衰率分布画像とを比較することで、 予後 観察への利用も可能となる。 上記構成のものを 「透過型 HIFU装置」 と名付け ることにする。
上記の 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU 装置」 を使えば、 焼灼焦 点を スィッチだけの切り換えだけで移動できるので、 アプリケータ部分と患 者体表面との接触状態を変えることなく良好な接触状態のまま HIFU 照射を続 行でき、 先に挙げた問題点 （1) は緩和され、 焼灼時間を短縮できる。 平均減 衰率を測定することで近似的にでも個体差を考慮した HIFU 照射を行えること になり、 問題点 （2) も緩和される。 問題点 （3) は残念ながらこの発明では解 決できないが、 問題点 （4) は超音波診断装置のイメージング用プローブをモ ニタリング用に使い減衰率分布画像 「反射型 HIFU 装置」 で提案してい る 2周波数で撮影した反射波画像から求める方法、 特開昭 63— 29629 「超音波 減衰係数測定装置」 で開示されている方法、 スぺクトラル ·ディファレンス法 などで求めた減衰率分布画像 等を利用することで解決することができ る。
上記の 「反射型 HIFU装置」、 「透過型 HIFU装置」 を使えば、 「波の重ね合せの 原理」 から複数の焼灼焦点を一度に設定して HIFU照射できるので問題点 （1) を解決することができる。 また HIFU照射直前に対象物の減衰率分布や音速分 布を実測し、それを HIFU照射条件に反映させることができるので、問題点（2) も解決することができる。 振動子ェレメント群を構成する圧電セラミックスの 圧電正効果と圧電逆効果を利用することで、 HIFU照射やイメージング用超音 波送信に用いたフェーズドアレイ振動子をそのままイメージング用受信にも使 うことができるので、 座標合わせのための座標変換は不要となり、 問題点 （3) は解決できる。 また減衰率分布画像も撮影できるので、 elastography (硬さィ メージング） などを使うことなく焼灼によるタンパク質変性に対応する焼灼状 態を把握でき、 加振操作などが不要になる。 これによつて問題点 （4) も解決 できる。
これまでは、 画像診断装置で患者 64を撮影し、 その画像を医師が読影し、 そ の結果を基に手術計画を立て、 後日治療を行うというのが一般的な流れであ つた。 これに対し、 本発明では画像診断した直後に同じ装置を用いてその場 で焼灼することが可能であり、 使用方法により近年普及し始めた日帰り手術 (day surgery; えも可能となる。
図の簡単な説明
第 1図は、 MRI装置で患部をモニターしながら、 加温用トランスデューサ で患部を焼灼するという従来の HIFU装置の構成を示す図。
第 2図は、 加温用トランスデューサと温度測定用トランスデューサを有す る従来の HIFU装置の構成を示す図。 第 3図は、 本発明の第 1の実施例である 「スィッチ切り換え型ァニユラ一 アレイ HIFU装置」 のアプリケータ部分を示す斜視図。
第 4図は、 本発明の第 1の実施例である 「スィッチ切り換え型ァニユラ一 ァレイ HIFU装置」 の全体構成図。
第 5図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の第 1スィ ツチの第 1電極群と第 2電極群の電気的接続関係を表す展開図。
第 6図は、 スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の第 1 スィ ツチの第 2電極群を第 5図から抜き出した図。
第 7図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の第 2スィ ツチの第 3電極群と第 4電極群の電気的接続関係を表す展開図。
第 8図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の第 2スィ ツチの第 4電極群を第 7図から抜き出した図。
第 9図は、 「スィツチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の第 2スィ ツチの第 4電極群に接続される中継電極を表す図。
第 10図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の第 3ス ィツチの第 5電極群と第 6電極群の電気的接続関係を表す展開図。
第 11図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の第 3ス ィツチの第 6電極群を第 10図から抜き出した図。
第 12図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の駆動条 件を求める原理を説明するための図。
第 13図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 を駆動の ためのリング状パターン幅を求めるための図。
第 14図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の具体的 寸法の一例を示す図。
第 15図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の第 1ス イッチと第 2スィツチの機能を統合した第 4スィツチの展開図。
第 16図は、 第 4スィッチの展開図のうち、 第 8電極だけを抜き出した図。 第 17図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の第 4ス ィツチを示す斜視図。
第 18図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の電極が スプリング機構を持つ電極 （摺動子） によって機械的に接触 ·導通する様子を 表す図。
第 19図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の電極が 磁気結合によつて導通する様子を表す図。
第 20図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の操作手 順を表すフローチヤ一ト。
第 21図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 のモニタ リング画面上に 「焼灼焦点移動可能範囲」 が重畳された状態を示す図。
第 22 図は、 超音波エコー法により減衰率分布を求める原理を説明するた めの図。
第 23 図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 のモニタ リング手段を用いて平均減衰率を求めるための領域を説明するための図。
第 24図は、 焼灼順序を決めるためのフローチャート。
第 25図は、 第 24図の様子をモニタリング画面上に表した図。
第 26図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 のィメー ジング用プローブを保護するための羽根が、 強力超音波に起因する反射波を遮 蔽している様子を示す図。
第 27図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 のィメー ジング用プローブで患部をモニタリングしている場合の保護用羽根の位置関係 を示す図。 第 28図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の HIFU照 射用トランスデューザが湾曲しているために、 イメージング用プローブを保護 するための羽根が斜めに取り付けられている状態を示す図。
第 29図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」において、 HIFU照射用トランスデューサの接地電極側の配線方法を示す図。
第 30図は、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 のアプリ ケータ部分を搭載するためのロボットアームの一例を示す図。
第 31図は、 「反射型フェーズドアレイ HIFU装置」 の構成を表す全体プロ ック図。
第 32図は、 「ソフト境界面」 を実現するためのフィードバック制御の原理 を説明するための図。
第 33図は、 「反射型フェーズドアレイ HIFU装置」 の操作手順を示すフロ 一チヤ一ト。
第 34図は、 「反射型フェーズドアレイ HIFU装置」 の焼灼焦点移動可能範 囲を示す図。
第 35図は、 第 34図の層を Cモードで表示した場合のモニタリング画面を 示す図。
第 36図は、 「乳房専用反射型フェーズドアレイ HIFU装置」 のィメ一ジン グ時にァタティブ状態にあるクラスターの範囲を示す図。
第 37図は、 第 36図のアクティブ状態にあるクラスターの範囲を示す水平 断面図。
第 38図は、 第 36図の構造を説明するための垂直断面図。
第 39図は、 第 4の実施例である 「頭部専用反射型フェーズドアレイ HIFU 装置 J を説明するための斜視図。
第 40図は、 第 5の実施例である 「頭部専用反射型フェーズドアレイ HIFU 装置」 を使い、 頭蓋骨の一部だけを開頭した状態で焼灼する様子を示す HIFU 装置の水平断面図。
第 41 図は、 複数の焼灼焦点を一度に同時焼灼する場合、 それらの焦点を 配置するための制限条件を説明するための図。
第 42図は、 「透過型 HIFU装置」 の構成を示す全体ブロック図。
第 43図は、 「頭部専用透過型 HIFU装置」 の構造を説明するための水平断 面図。
第 44図は、 「頭部専用透過型 HIFU装置」 の使用状態を示す斜視図。
第 45図は、 「乳房専用透過型 HIFU装置」 のアプリケータ部分を示す図。 第 46図は、 「体部用透過型 HIFU装置」 と患者とバスタブとの関係を示す 図。
第 47図は、 「透過型 HIFU装置」 の使用手順を示すフローチャート。
第 48図は、各振動子エレメントの駆動条件の求め方を説明するための図。 第 49図は、 「能動的に給水可能な超音波伝播部材」 の構成と使用方法を示 すための斜視図。
第 50図は、 第 49図を太い矢印の方から見た側面図。
第 51図は、 「能動的に給水可能な超音波伝播部材」 をアプリケータ部分と 患者体表面間に挟み込んで使用している状態を示す図。
第 52 図は、 振動子エレメントの超音波放射指向性を無指向性に近づける ために付加する 「概略凸レンズ状の音響レンズ」 を説明する図。
第 53 図は、 振動子エレメントの超音波放射指向性を無指向性に近づける ための 「概略凸型球形振動子エレメント」 を説明するための図。
第 54図は、 振動子エレメントの超音波放射指向性を無指向性に近づける ための 「概略凹型球形振動子エレメント」 を説明するための図。
第 55 図は、 トレンスデューサの開口径、 半径と焦点領域の大きさの関係 を説明するための図。
第 56図は、 点音源の超音波強度を規定する方法を説明する図
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明を実施する形態について説明する。 以前から強力超音波が生 体軟部組織などの超音波減衰媒体に照射されると、 その組織が "発熱作用" を 示すことが既に知られている。 この発熱作用と、 腫瘍組織は正常組織と比較し て温度感受性が高く 42. 5°C以上で長時間保たれると死滅するという経験則と を利用して、 「ハイパーサーミア」 と呼ばれる温熱療法が確立されている。 こ れにはマイクロ波や強力超音波が利用されてきた。
最近ではこの強力超音波を集束させて、 積極的に患部 3を焼灼する 60〜
70°C以上において細胞内ではタンパク質変性が起こり、 その後アポトーシスに より壊死するという経過をたどる 治療法の研究 '治験が進められている。 以下、 この焼灼を行う装置を 「HIFU装置」 （high intensity focused ultrasound、 集束強力超音波） と呼ぶことにする。 これまでに知られている HIFU装置の構 成は以下の 4種類に大別される。 （1)患部 3のモニタリングは MRI装置で行い、 固定焦点 15を持つ球殻形超音波振動子を機械的に走査しながら HIFU照射する タイプ、 （2) モニタリングは超音波診断装置 29で行い、 固定焦点 15を持つ球 殻形超音波振動子を機械的に走査しながら HIFU照射するタイプ、 （3) リアル タイムでのモニタリング手段を全く持たず、焼灼前に撮影した画像に基づいて、 固定焦点 15を持つ球殻形超音波振動子を機械的に走査しながら HIFU照射する タイプ、 （4) MRI 装置で温度モニタリングし、 フェーズドアレイ振動子で焼灼 焦点領域サイズを変えて HIFU照射するタイプがある。
(1) としては米国 Insightech社の Exblate2000が知られており、 その構造 を第 1図に示す。 MRI装置 76はマグネット 77に筒状の穴が空いており、 そこ に出入りする寝台 122に RF コイル 78、 トランスデューサ 1、 それを移動させ るための移動ステージ 79が組み込まれている。 その寝台 122の上に患者 64が うつ伏せ状態で MRI画像撮影と HIFUによる焼灼が行われる。 （2) としては特 願昭 61— 209657 「超音波温熱治療装置」 がある。 第 2 図にそのブロック図を 示す。 この場合はトランスデューサ 1とイメージング用プローブ 2は一体化さ れて、 水槽 58に沈められた状態で使われる。 （3) としては英国の GR ter Haar のクノレープ力 extra-corporial rocused ultrasound surgery に禾 lj用し飞レヽな HIFU装置がある。 （4) としては米国の Kullervo Hynynenのグループが試作し た振動子エレメント数が 256チャンネルの HIFU装置が知られている。 In vivo demonstration of noninvasive thermal surgery of the liver and kidney using an ultrasonic phased array ( Ultrasound in Med. & Biol. , Vol. 25 , No. 7 , pp. 1087- 1098 , 1999 )に詳しい。
しかしながら、 これらには以下のような問題がある。 （1)、 (4) で使っている MRI 装置 76による温度測定イメージングは "体動" （撮影中、 患者 64 の身体 に動きが加わること） に非常に敏感で、エラーを起こし易いという問題があり、 また超音波と異なる手段でイメージングを行うので、 モニタリング画像と焼灼 焦点 15との位置合わせが難しいという問題もある。 また （1)、 （2)、 (3) では 固定焦点 15 の超音波振動子を機械的に走査するので、 サイズが大きいとか不 定形の患部 3の場合に複数回移動させながら複数回に渡って HIFU照射する必 要があり、 どうしても焼灼時間が長くなるという欠点がある。 （2) のような構 造のアプリケータ部分 16 (超音波振動子と水バッグ 14を内臓した部分） で、 それを移動させながら複数回 HIFU照射する場合、 体表面 8と水バッグ 14との 接触面に気泡が入り込まないように注意するすることが重要で 万が一気 泡が残っている状態で HIFU照射すると、 そこで強く発熱して体表面 8に熱的 損傷を与えてしまう 、 それを常に良好に保つことが非常に煩雑になると いう問題がある。
(1)、 （2)、 （3)、 (4) に共通する問題として生体の減衰率に個体差が無く一定 であると仮定しているので、 個体差による減衰率のばらつきや生体組織の減衰 率の不均一さによって、 焼灼結果にばらつきが生じるという問題がある。 腫瘍 組織などの減衰率は先験的に知ることができないので、 どうしても焼灼結果に ばらつきが生じる。 さらに （1)、 （2)、 （3)、 （4) に共通する問題点として骨な どの遮蔽物が一部分対象臓器を取り囲んでいるような場合 例えば肋骨越 しに肝臓に HIFU照射する場合 、 超音波振動子の全面から HIFU照射する ため、 骨およびその近傍の正常組織に損傷を与えてしまうという問題がある。 そこで、 第 1の実施例として第 3図のような 「スィッチ切り換え型ァニユラ一 アレイ HIFU装置」 を考える。 圧電セラミックスで構成された同形状の振動子 エレメント群 17が 2次元的に配置されているものとする。 この振動子エレメ ント群 17 が配置される曲面の形状は、 平面状に限らず円筒状もしくはその一 部、 球殻状もしくはその一部であってもよい。 この振動子エレメント群 17 が 配置された曲面のうちその一部分には "穴" が開けられており、 超音波診断装 置 29のイメージング用プローブ 2が取り付けられ、 ここから超音波ビーム 9 が発せられる。 通常この穴はモニタリング画面には HIFU照射の焦点領域 73が 映し出されている方が望ましいため、 焦点 15 を通る平面と振動子エレメント 群 17 が配置された曲面との交線上に開けられる。 普通はモニタリングできる 視野のことも考慮して中央に開けられる。 このプローブ 2はこの穴の法線の周 りに回転可能で、 外部制御でプローブ 2を回転させるための第 1ァクチユエ一 タ 11 (例えば超音波モータなど） 及びその回転角度情報を得るための検出器 (第 1エンコーダ 13) が付加されているものとする。
超音波診断装置 29のイメージング用プロ一ブ 2でイメージング中に HIFU照射 を行うと、 その強力超音波の雑音を拾ってしまうので超音波画像を同時には撮 影できない。 そこで HIFU照射中に短い休止期間を繰り返し設け、 そのタイミ ングのみで超音波画像を収集し、 雑音画像を挾まずに新しい画像が撮影できた タイミング毎に順次更新表示する方法が採られることが多い。 また HIFUが生 体組織に照射されたとき、 全ての超音波エネルギーが吸収されてしまえば特に 問題は発生しないが、 その一部が反射されて振動子エレメント群 17 に戻って 来た場合、 イメージング用プローブ 2の全面に貼付された榭脂製の音響レンズ などが発熱して破損するという問題が発生する。 そこで第 26図、 第 27図のよ うに "回転可能で耐熱性と非腐食性の羽根 10" とそれを "回転させるための 第 2ァクチユエータ 12" をプローブ 2の近傍に付加する。 この羽根 10はィメ 一ジング時には HIFU照射用振動子エレメント 17側に移動し、 HIFU照射時に はプローブ 2の開口部側に移動する。 交互に移動するため、 イメージングおよ び HIFU照射を全く妨害することなく、 且つ万が一、 HIFU反射波 100が戻って 来ても羽根 10自体に耐熱性があるのでこれをシャツトァゥトする働きをする。 しかも非腐食性 （例えばステンレスなど） なので、 それが原因で故障すること はない。 振動子エレメント群 17が球殻上に配置されている場合は、 第 28図の ように回転軸と羽根 10を斜めに取り付けることで解決できる。
次にこの 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の全体構成を、 第 4図を用いて説明する。 この場合、 トランスデューサ 1にはフェーズドアレ ィ振動子を使う。 フェーズドアレイ振動子を構成する各振動子エレメント 17 は、 個別に用意されたマッチング回路 52 (インピーダンス整合回路） 図示せず を介して第 1スィッチ 19の第 1電極 23に、 2次元的配列の順 序が変わらないように対応させて接続される。 第 1電極 23 のうち振動子エレ メント 17に接続されなかった部分には、 振動子エレメント 17と同じ駆動周波 数において振動子エレメント 17 と同じ電気インピーダンスを持つ負荷 "ダミ 一負荷 18" を別々に接続しておく。 各振動子エレメント 17には必ず電極が 2 箇所形成されており、 片側は電気安全を考えて接地電位にすることが多い。 水 バッグ 14があって患者 64の体表面 8に接する側は、 水バッグ 14が破れた場 合を想定して一括して第 29図のように接地用線材 101 を使って配線 ·接地さ れる。 第 4図では煩雑にならないようにこの図示は省略してある。 第 1スイツ チ 19の第 1電極 23と第 2電極 24は電気的に接触関係を保ちながら、 機械的 には共通の中心軸の周りに回転可能な構造をしているものとする。 第 1スイツ チ 19 には回転角度を検知するための第 1スィツチのエンコーダ 105が付加さ れて連動するものとする。 この第 1 スィッチ 19は手動で回転させて切り換え てもよいし、 ァクチユエータ 121 (例えばステッピングモータなど） を付 ¾1し てコントローラからの指令に従って切り換えるものであってもよい。
次に第 2スィツチ 20の第 3電極 25には、 第 1スィッチ 19の第 2電極 24が 2 次元的配列の順序が変わらないように接続される。 より詳細に説明すると以下 の通りになる。 第 6図の第 2電極 24から、 デイスエーブル信号 80 (スィッチ が切り換わる際に振動子エレメントに電圧が印加されないようにするタイミン グを図る信号） を発生させるための第 2デイスエーブル電極 32を除いた部分 の配列を "A行 C列の行列" と見なし、 それの第 i行 j列目の位置にある電極 を "（i , j) にある電極" と呼ぶこととする。 このとき第 2デイスエーブル電 極 32は第 1導線 81により電気的に接続されている。 第 2電極 24上の （i， j) にある電極は、 第 7図に示す第 3電極 25から第 3ディスェーブル電極 33を除 いた部分を "C行 D列の行列" とみなした場合の "（j , i) にある電極" に一 対一に電気的に接続される。 ここで Dは Aと等しくても構わないし、 それ以上 であってもよい。 言い換えると 「順序は変えずに縦横だけ入れ替えて接続され る」 ことになる。 さらに第 2スィッチ 20にも第 1スィッチ 19と同様に第 2ス イッチのエンコーダ 106が付加される。 この第 2スィッチ 20は手動で回転さ せて切り換えてもよいし、 ァクチユエ一タ 121を付加してこれで切り換えるも のであってもよい。 第 2スィッチ 20の第 4電極 26は、 2次元的配列の順序が 変わらないように中継電極 21 に接続される。 これも以下に詳細説明する。 第 8図の第 4電極 26から第 4ディスエーブル電極 34を除いた部分を "C行 E列 の行列" とみなし、 その k行 1列目に位置する電極も "（k , 1)にある電極" と呼ぶことにする。 第 4ディスエープル電極 34は第 2導線 82により電気的に 接続される。 この（k , 1)にある電極は、 第 9図の中継電極 21を " C行 E列の 行列" とみなした場合の "（k , 1)にある電極" に電気的に接続される。 この 中継電極 21では、 トランスデューサ 1上の振動子エレメント 17とダミー負荷 18 の駆動パターンが同心円状になるようにするため、 電極が "概略同心円状" に相互接続される。 この電気的に接続された電極を "要素" と呼ぶことにする と、 第 1要素 83から第 F要素 84という具合に分類されることになる。 即ち、 中継電極 21 は隙間のない同心円のリングを形成するように細かくグループ化 された後、 同一リングのグループ内は並列接続される。 勿論、 異なるリングの グループは電気的に絶縁された状態にあるものとする。
中継電極 21は、 まず第 3スィツチ 22の第 6電極 28に接続される。 第 3スィ ツチ 22の第 5電極 27では、 中継電極 21でリング状に分割されたグループが 駆動高周波電圧の位相のグループ毎にまとめられるように各電極が相互接続さ れ、 最終的に第 1駆動アンプ 85から第 H駆動アンプ 86で構成される複数台の ドライバ一群に接続される。 以下に詳細を説明する。 中継電極 21の "第 m要 素" は、 第 11図の第 6電極 28から第 6ディスエーブル電極 36を除いた部分 を "F次元の縦べクトル" とみなしたときの "第 m要素" に電気的に接続され る。 第 3スィッチ 22の第 5電極 27から第 5デイスエーブル電極 35を除いた 部分は、 "F行 G列の行列" であって且つ "F次元の縦べクトルを要素とする G 次元横べクトル" であるともみなせる。 この F次元の縦べクトル （前述の "チ ヤンネル" と同じものを意味する） に、 重複も許して、 第 1駆動アンプから第 H駆動アンプまでのどれを対応させるかで、 どの初期位相の高周波電圧を印加 するかが決定される。 この F次元の縦ベクトル （チャンネル） の成分を、 同じ 初期位相の電圧を印加されるもの同士で再分類して束ねられ、 且つ G次元べク トルの成分の間も同じ初期位相の電圧を印加されるもの同士に束ねられること で 電極を電気的に接続することを意味する 、 第 4 スィッチ 42か らタップという形で引き出され、 最終的に各駆動アンプ 4に接続されることに なる。 第 3スィッチ 22には第 1スィッチ 19、 2スィッチ 20と同様に第 3スィ ツチのエンコーダ 107が付加される。 同様に手動で回転させて切り換えてもよ いし、ァクチユエータ 121を付加して、これで切り換えるものであってもよレ、。 振動子エレメント群 17は周期的に 2次元配列されているので、 その配列方向 の一つを X方向と呼び、 それと異なる方向を Y方向と呼ぶことにする。 また振 動エレメント群が配置された曲面と概略垂直で HIFU照射方向を Z方向と呼ぶ ことにする。 このとき第 1スィッチ 19は X方向 （または Y方向） への駆動パ ターンの移動、 第 2スィッチ 20は Y方向 （または X方向） への駆動パターン の移動、 第 3スィッチ 22は焦点領域 73の位置を Z方向に変化させる働きをす る。 スィツチが切り換わる瞬間はドライバ一群から見て負荷がオープン状態に なり、 ドライバ一群の発振や HIFU の誤照射を招く恐れがあるので、 ドライバ 一群の出力を強制的に OFFすることが必要である。 このタイミングをディスェ 一ブル信号 80として検出するために、 第 1スィッチ 19には第 1デイスエーブ ル （disable) 電極 31、 第 2ディスエーブル電極 32が、 第 2スィッチ 20には 第 3デイスエーブル電極 33、 第 4デイスエーブル電極 34が、 第 3スィッチ 22 には第 5ディスエーブル電極 35、 第 6ディスエーブル電極 36が付加されてお り、 ディスエーブル信号がすべて正論理の場合には OR回路 87を経由して駆動 アンプ 4の停止 Z駆動を制御する。 焦点 15の移動機能がフェーズドアレイ振動子に対して X方向のみ （または Y 方向のみ） で十分な場合は、 第 2スィツチ 20 (または第 1スィツチ 19) を省 略し、 そのまま中継電極 21に接続する構成で実現できる。 次に Xと Yの両方 向の焦点移動だけで十分な場合は、 焦点の深さ （フェーズドアレイ振動子から 焦点 15までの距離） が固定になるので第 3スィッチ 22を省略し、 その代わり 中継電極 21 のリング状に分類 '接続した "要素" を、 駆動電圧の初期位相の 違いに従って再分類して電気的に相互接続した後、 駆動アンプ群 4に接続され るという構成で実現できる。 さらに Z方向のみの焦点移動で十分な場合は、 第 1スィッチ 19と第 2スィッチ 20を省略する構成で実現できる。
説明の続きに戻って、 第 5図、 第 6図、 第 7図、 第 8図、 第 10図、 第 11図は、 第 1スィッチ 19、 第 2スィッチ 20、 第 3スィッチ 22の切り換えメカニズムが 分かり易くなるように円筒状の電極の側面に沿って切れ込みを入れて展開した 場合の図で表してある。 これらの図を使って接続関係を整理すると、 まず第 1 スィッチ 19の第 1電極 23には、 マッチング回路 52を経由したフェーズドア レイ振動子群とマッチング回路 52を経由しないダミー負荷群 18が接続される。 この第 1電極 23と電気的接触を保ちながら摺動する第 2電極 24は、 縦，横の 配列を入れ替えた第 2スィツチ 20の第 3電極 25に接続される。 この第 3電極 25と電気的接触を保ちながら摺動する第 4電極 26は中継電極 21に接続され る。 次にフェーズドアレイ振動子上での駆動パターンがリング状になるように 中継電極 21は相互接続され、 その接続されたグループ毎に "要素"を形成し、 "要素群"を成す。 この要素群は第 3スィツチ 22の第 6電極 28に接続される。 この第 6電極 28と電気的接触を保ちながら摺動する第 3スィッチ 22の第 5電 極 27 では、 この要素の組み合わせを変えるための相互接続パターンが形成さ れ これを以下 "チャンネル" と呼ぶ 、 このチャンネルを構成する 相互接続された電極は駆動電圧の初期位相の違い毎に束ねられ、 且つ電気的に 接続された後 "タップ" として引き出される。 こうして第 5電極 27から引き 出されたタップは、 駆動電圧の初期位相の違い毎に、 独立した駆動アンプ群 4 に接続されることになる。
この HIFU装置の操作者は、 対象物の内部のモニタリング画面 例えば超 音波診断装置 29 をモニタリングに使う場合は超音波画像 の情報に基づ いて、 焼灼焦点位置と超音波強度を設定する。 モニタリング画面と HIFU照射 用トランスデューサ 1 (HIFU照射用振動子エレメント群 17) の位置関係は予 め計測されているので、その位置関係情報とプローブ 2の回転角度情報から「焼 灼計画ユニット」 が焦点移動距離を計算する。 この計算結果に基づいてァクチ ユエータ 121が第 1スィッチ 19、 第 2スィッチ 20、 第 3スィッチ 22を切り換 え、 さらに各駆動アンプ 4に駆動条件 （周波数、 電圧振幅、 初期位相） を設定 する。 この駆動条件は主に Z方向の焦点移動により決まるので、 焦点位置に対 する第 3スィツチ 22の切り換え設定情報及び駆動アンプ群 4の出力設定値を 予め計算 ·記録しておいた "ルックアップ ·テーブル" などを参照して単純化 するものであってもよレ、。
準備完了後、 操作者はタイミングを見計らって HIFU照射のスタートスィッチ 88 を押すことで、 焼灼が開始される。 超音波ァニユラ一アレイの基本原理は 同心円に分割された振動子エレメント群 17を、 後述する 「時間反転鏡の原理」 に基づいて第 12図に示すように "点音源" を Fで示す焦点 15の位置に配置し て、 トランスデューザの超音波放射面 89に到達する超音波の音圧 90で決定さ れる振幅と位相を持つ高周波電圧で駆動することに尽き、 逆にこの高周波電圧 の印加パターンを変えるだけで Z方向の焦点位置を制御できることが知られて いる。
実用上は、 常温における水の音速が約 1500[m/sec]なので、 HIFU照射の周波 数を 1. 5 [MHz]とすると波長は 1 = 1 [画]となる。 そこで全ての振動子エレメン ト 17が同じ形状であってその最大寸法が AR==え 2 = 0.5 [mm]であるとし、 そ れらが平面上に等間隔で配置されていると仮定する。 駆動電圧の初期位相毎に 振動子エレメント群 17 を離散化すると、 同心円のリングに分割されてその幅 は一番外側で最も狭くなり、 しいては振動子エレメント 17 の最大寸法 ΔΙ? に 達する。 これ以下の幅になると初期位相を変えて駆動できなくなるので、 この 条件から第 13図を用いて開口角 2 Θを求めることができる。
超音波の波長を λ、 焦点 Fから点 Αまでの距離を r、 最も外側のリングの幅は 点 Aから点 Bまでの距離と等しくなるので とおき、 超音波音圧の初期位相 の刻み幅 初期位相を離散化して有限個のグループに分類する場合の離散 化幅のこと を C [deg]、 δ = ζ/360 とおくと、 点 Fから点 Βまでの距 離は （r+ δ · X) と表され、 式 （1) が成立する。
厶1 = + ^' 1)2 -r2 -cos26>-r -sine (1) ここで r》；iを顧慮して近似すると式 （2) を得る ( δ λ (2) sin 初期位相の刻み幅 ζ =60[deg]— -例えば同じ駆動周波数で初期位相が 0、 60、 120、 180、 240、 300[deg]となる 6種類の高周波電圧が各振動子エレメント 17 に印加されることを意味する 、 AR= え =1 [讓]の条件を代入す ると Θ =19.5[deg]となり、 焦点 15 までの距離 振動子エレメント群 17 が第 13図の線分 BC上に並んでいると仮定しているので、 線分 CFに相当長さ を 200 [誦]とすると、 トランスデューサ 1の半径は 66.7 [國]になる。 勿 論、 各振動子エレメント 17 の最大寸法は 0. 5 [mm]である。 このケース ' スタ ディの結果の一例を第 14図に記す。 ここで点 B'は点 Bの軸対称な点を表す。 振動子エレメント群 17は第 1 スィッチ 19、 第 2スィッチ 20を経由して中継 電極 21に接続され、 振動子エレメント群 17が "ほぼ同一の最小幅 ^え ば振動子エレメント 17 の最大寸法など を持つ同心円状のリング群" に 分割されたことに対応するように中継電極 21 が電気的に分割される。 即ち、 中継電極 21上で振動子エレメント群 17の同一リング内に対応する電極は電気 的に並列接続され、 異なるリングに対応する電極は電気的に絶縁される。 振動 子エレメント 17のリング群は、 第 3スィッチ 22を構成する第 10図の第 5電 極 27によって、 第 12図の初期位相の分布に对応するように再分類され、 それ ぞれ異なる初期位相の高周波電圧を出力する駆動アンプ群 4で駆動される。 こ れら初期位相の分布パターンは第 3スィッチ 22の第 6電極 28を摺動させるこ とで切り換えられる。
また無減衰媒体中では 「時間反転鏡の原理」 「逆回しの音響学」 （M.フ インク ； 日経サイエンス、 2000年 3月号、 pp. 52 _ 59) 参照 が成立し、 焦点 15に集束する音場を発生するには、 その焦点 15に点音源を配置したとき に振動子エレメント群 17 が受信する音圧を時間反転させて再生すればよいこ とが述べられている。
さらに 3次元空間では点音源から放射される遠距離音場における音圧振幅は、 その点音源からの距離に反比例することが知られている。 第 14図の例では、 トランスデューサ 1の中心点 Cでの音圧振幅に対するトランスデューサ 1の辺 縁である点 B (または点 B，)での音圧振幅の比は (1/210. 8)： (1/200) = 0. 948： 1 となり、 初期位相の刻み幅毎に離散化したリングの駆動振幅は殆ど同じにし ても問題ないことが分かる。
この 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の第 1スィッチ 19と 第 2スィッチ 20の部分を、 Xと Y方向の両方向に切り換えができるように "2 自由度を有する第 4スィッチ 42" で置き換えてもよい。 第 4スィッチ 42を構 成する円筒状の電極の側面に沿って切れ込みを入れて展開した場合の図を第 15図と第 16図に、 斜視図を第 17図に示す。 第 4スィツチ 42の第 7電極 38 には第 7デイスエーブル電極 40が、 第 8電極 39には第 8デイスエーブル電極 41が付加され、 第 8デイスエープル電極 41は第 3導線 91で電気的に接続さ れているものとする。 ここで注意すべきは、 第 7デイスエーブル電極 40は第 15図の斜線部に対応する点である。 勿論それ以外のトランスデューサ 1、 中継 電極 21、 第 3スィッチ 22、 マッチング回路 52、 駆動アンプ群 4などは全く同 じでよレ、。第 4スィッチ 42には回転角度を検知するための第 2エンコーダ 44、 第 3エンコーダ 46が付加されて 2方向に動くものとする。 この第 4スィッチ 42は手動で動かすことで切り換えてもよいし、 第 3ァクチユエータ 43、 第 4 ァクチユエータ 45 を付カ卩してコントローラからの指令に従って切り換えるも のでもよレ、。
また第 1スィッチ 19、 第 2スィッチ 20、 第 3スィッチ 22及ぴ第 4スィッチ 42 を構成する各電極 47は第 18図のようにスプリング 92などで常時一定の電気 的接触を保つ構造の他に、 第 19図のように第 1コア 93と第 2コア 94との磁 気結合を利用するものであってもよい。 また図示はしないが、 電極間が近接し た場合に駆動周波数において低インピーダンスとなるだけの大容量が確保でき る構造の電極 47が使えるならば、 容量結合を利用するものであってもよい。 第 4図の構成を持つこの 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の操作手順のフローチャートを第 20 図に示す。 このフローチャートの各ステ ップの詳細を以下に記す。 ステップ 1A：患者体表面に 「超音波伝播部材」 を貼付。 ステップ 2A：アプリケータ部分に付属している水バッグに注水し、 トラ ンスデューザの冷却開始。
ステップ 3A：超音波伝播部材と体表面との間に、 ゼリーや液体などを注 入して気泡を排除。
ステップ 4A：アプリケータ部分を超音波伝播部材に当てがいアプリケー タの移動又はイメージング用プローブの回転操作を行い、 B モードなどで患部 をモニタリング。
ステップ 5A：アプリケータ部分を支えるロボットアームを適切な位置で 固定。 ィメージング用プローブを回転させ適切かどうかを確認。
ステップ 6A：回転位置が適切かどう力判断。
ステップ 7A：同一断面を異なる 2種類の周波数 f、 f。で超音波画像を収集 し、 減衰率分布 αを求める。
ステップ 8Α：ステップ 7Α と同じ断面で焼灼焦点位置と強度を設定。 操作 者がモニタリング画面上に焦点位置と強度を設定。
ステップ 9Α：イメージング用プローブを厶 φ [deg]ずつ回転させる。 ステップ 10A： 360° 回転したかどう力、判断。
ステップ 11A：強力超音波が通過する領域内で減衰率分布場像の画素値を 平均し、 平均減衰率 を計算。
ステップ 12A：焦点位置、 焼灼強度、 HIFU照射時間の設定値及び平均減衰 率 からトランスデューサ駆動条件を計算し、 駆動アンプを設定。
ステップ 13A：焼灼の上限温度を設定。 温度測定アルゴリズムを使い、 患 部温度をモニタリング。
ステップ 14A： HIFU照射開始。
ステップ 15A：上限温度に達した時点で HIFU照射をストップ。
ステップ 16A：イメージングプローブを回転させて焼灼後の温度測定。 ステップ 17A：焼灼完了かどうかを判断。 ここでフローチャートのステップ 8Aにおける焼灼焦点 15の位置の設定を容易 にするため、 第 21図のように、 焦点移動可能範囲 50を示すコンピュータ画像 、 生体組織 95を映し出しているモニタリング画面 49に重畳表示されるもの とする。 これによつて操作者は患部 3 と焦点移動可能範囲 50 とを考慮して、 焦点位置と焼灼強度を同時に設定する。 この焼灼焦点位置の設定を行った同一 断面に対して、 後述する 「減衰率分布測定」 が自動的に行われる。 第 28 図に 示すように、 モニタリング手段としてフェーズドアレイ振動子の中央に穴が開 けられ、 その穴に対して概略垂直に超音波診断装置 29 のイメージング用プロ ーブ 2、 回転角度検出用の第 1エンコーダ 13、 回転動作のための第 1ァクチュ エータ 11が取り付けられ且つ連動する構造になっており、 さらに HIFU照射に よる反射波からプローブ 2を保護するための羽根 10とそれを回転動作させる ための第 2ァクチユエータ 12も付加されているとしている。 イメージング用 プローブ 2は Z軸の周りに離散的に回転 例えば厶 0 = (36O/n) [deg] 、 n は自然数； 0、 Δ φ、 2 Δ 0、 3 Δ φ … の角度毎に回 させながら、 全 周にわたつて焼灼焦点位置および焼灼強度設定と減衰率分布測定を行う。
次にステップ 7Αの "2周波数 f 、 f。における超音波反射波画像を利用した減 衰率分布測定" の原理を説明する。 Lord Rayleighの Theory of Sound , Vol. Π , pp. 149によれば、入射波だけによる散乱体の位置の音圧を PQ、散乱体 96か ら距離 rで入射方向から Θの角度にある点の音圧を P、 音響伝播媒体 6の体積 弾性率を K、 音響伝播媒体 6の密度を ρ、 散乱体は任意形状であって且つその 体積が Q、 散乱体の体積弾性率が （Κ + ΔΚ)、 散乱体の密度が （ρ + Δ ρ ) で あり、 jを虚数単位とすると式 （3) が成立することが知られている。 ここで k は波数を意味する。 P k2 Q . exp(-jkr) ΔΚ + Ap cosO (3)
m K P ノ
2 C
式 （3) の絶対値を取- «Cると、 式 （4) と表される c
Figure imgf000030_0001
周波数を f、 その音響伝播媒体 6での音速を Cとすると、 波数 kは式 （5) の 関係があるので式 （6) の関係が導かれる。
k = (5)
(6)
Figure imgf000030_0002
即ち、 距離 rと角度 Θが一定で且つ途中の音響伝播媒体 6による超音波減衰が 無い場合、 散乱体に到達した進行波の音圧振幅に対する散乱波の音圧振幅の比 は、 周波数 f の 2乗に比例することが分かる。
次に、 仮想点音源から距離 Xだけ離れた位置 （遠方の点） における超音波強度 を Ixとし、 距離 における超音波強度を I,とおく。 「超音波技術便覧 （新訂 版）」 （日刊工業新聞社、 1991 年、 ρ· 616) によれば、 式 （7) が成立する。 こ こでひは減衰率 （吸収係数） を表す。 ■I exp{-2a(X-Xj)} (7)
XJ
rx, •I, - exp(2aX, ) ' exp(-2aX)
さらに平面波や遠方における球面波では、 強度と音圧振幅の間に式 （8) の関 係が成り立つことから、 式 （9) の関係式が導かれる。
P (8)
2p-C
X、
|PH · C . I ^ I · exp(-aX) (9)
Figure imgf000031_0001
また、超音波技術便覧 （新訂版） の p.1372には、 「生体組織では吸収 （減衰率） が振動数 （周波数） に比例するものが多い」 とある。 このことは式 （10) で表 される。 or oc f (10) 第 22図と式 （6) 、 式 （9) 、 式 （10)から減衰率と周波数依存性を考慮して、 受信信号を散乱体 96のある位置までの距離 Xと周波数 f の関数として S(X, f) と表すと、 式 （11) のようになる。 ここで送受信の基本周波数を f 0、 これと は異なる送受信の周波数を f、 周波数 f。における距離 Xでの減衰率を a (x)、 周波数 f 。における距離 Xの位置での拡散損失だけを含む受信信号を S。 (X)と おいた。 この式は 「受信信号が音圧に比例すること」、 「受信信号が周波数 f の 2乗に比例すること」、 「音圧は指数関数的に減衰すること」、 「減衰率 （吸収係 数） は周波数に比例すること」、 「反射波でイメージングする場合は、 送信から 受信までの距離が 2Xとなること」 を考慮して導かれている。
S(X，f) = S。(X) expト 2『X丄 - "(X)dX | (ID
Figure imgf000032_0001
I f0ソ I 式 （11)から簡単な計算で減衰率 ct (X)を導くと式 （12) となる。 受信信号 （画 素値に対応） S (X , f)または S (X， f0)の少なくとも一方が、 "無信号" とみ なせる閾値以下になった場合は 「その領域近傍に強い反射体が存在して遮蔽さ れている」 か、 もしくは 「その領域に大きな減衰率の物体が存在する」 ことを 意味するので、 後にこの減衰率分布を利用する際の便宜を考えて、 式 （13) の ように "絶対値が大きい負の数" を対応させておくのが望ましい。 このように
" ） o _ · 1 dS(X,f0)— _ 1 _ dS(X,f)
2if - f。） 1 s(X，f。） dX S(X，f) dX J (12)
(但し、 |S(X，f)| > B且つ |S(X，f0)| > Bの場合、
Bは閾値として決められる定数） すると、 HIFU ビーム 5 がこの 「無信号とみなせる領域」 を通過する場合、 振 動子ェレメント 17の駆動条件が自動的に "殆ど 0" となり、 過剰な HIFU照射 ゃ焼灼事故を回避できるからである。 α(Χ)ョ—Α ひ3) (Aは正の定数、 但し |S(X,f。)| < Bまたは |S(X,f)| < Bの場合） 一般的に振動子エレメント 17 は高調波 （基本周波数の整数倍の周波数） にお いても共振点を持つことが知られているので、異なる周波数 f は f=n · f0 (但 し nは 2以上の整数)、 実用上は f==2f。にする方が有利である。 実際は振動子 エレメント 17 の電気音響変換効率 （もしくは送受信感度） が周波数により異 なるので、 この補正を画素値に加えた上で式 （12) 、 式 （13) を適用しなけれ ばならない。 以下この方法を 「2周波数の画像による減衰率分布測定」 と呼ぶ ことにする。
モニタリングに超音波画像を利用している場合、 HIFU照射による熱エネルギ 一の蓄積とそれによる微少気泡の発生により、 焦点 15から HIFU用トランスデ ユーサ 1に向かって "ハイ ·エコー"領域が広がっていき、 モニタリングが困 難になる傾向がある。 第 20図のフローチヤ一トのステップ 12Aで駆動条件を 計算する際、 焼灼順序は第 24 図のフローチャートに従って決めていく方が望 ましい。 この様子を第 25 図に示す。 このときトランスデューサから最も離れ た層 99から焼灼の順番が決定される。 以下に第 24図のフローチヤ一トの各ス テツプを詳しく説明する。
1B：焦点移動可能範囲を HIFU用トランスデューサからの距離に 従って複数の層に分類。
ステップ 2B : トランスデューサから一番離れた層内で、 焼灼焦点の順番を 決める。 スタートの焦点は任意に決める。
ステップ 3B：同一層内において、 HIFU未照射で且つ最も近い焦点を 「次の 焦点」 とする。 もし、 等距離の焦点が複数ある場合は任意に決める。
ステップ 4B：同一層内で全て焼灼完了かどうかを判断する。
ステップ 5B：未照射の層であって、 且つトランスデューサから距離が一 番遠い層を選ぶ。 スタートの層は任意に決める。
ステップ 6B：全ての層で焼灼完了したかどう力、判断。 第 20図のフローチャートに戻って、 ステップ 9Aにおいて、 プローブ 2の角度 を Δ φ [deg]回転する毎に（このときの角度を順次 0 iとする。 i=l , 2 , · · · , Mで Mは正の整数） 「HIFUが通過する最大領域 97」 とィメ一ジング領域 48 と が重なる領域 98」 第 23図参照のこと において "角度 φにおける 平均減衰率 を求める。 これを全周にわたって計測し式 （14) に従って 平均することで、 平均減衰率 を求める。
1 Μ
(14)
焼灼焦点位置と焼灼強度情報から、 予め計算しておいた 「焦点 15 から振動子 エレメント 17までの距離が L。で照射時間 t。だけ HIFU照射したとき、 一定減 衰率 c。 （但し α。≠0) の音響伝播媒体 6 における焦点 15 の温度が平熱 Ts (36. 5°C)から T。に加熱される場合の振動子エレメント 17の駆動電圧振幅 、 初期位相 の情報」 を記憶装置から読み出し、 式 （15) のように補正した条 件で駆動する。 ここで iは、 同条件で駆動される振動子エレメント 17 という 基準で分類したグループの番号を表す。 F T - T0、
Y 一 (15)
. exp{ (a - a)-L0) · sin(2^f0t + )
0 -TJ、"ノ この補正の根拠を説明する。 点音源に対し基準となる距離 Xoでの超音波強度 を I。とする。 この強度はエネルギーの単位を持っている。 さらに音響伝播媒 体 6の減衰率は一定でその減衰率を α。とし、 音源からの距離が Xの点での発 熱を考える。 X が波長の数倍以上となる位置では平面波でほぼ近似出来、 その 点での発熱エネルギーは "減衰率と超音波強度の積" で近似できる。 音響伝播 媒体 6の比熱を σ、 音響伝播媒体 6の密度を ρとする。 温度が平熱 Tsから T に上昇したと仮定すると式 （16) のような関係式が成立する。
(Τ-Τ5)·σ·/? = α0 ■I0-exp{-2«0(X-X0)} (16)
X 減衰率が α。から αに変わった場合、 注目点での発熱エネルギーは式 （17) と 表され、 その点において同じ発熱エネルギーにするために必要な初期超音波強 度の増幅率を γとすれば、 式 （18) の関係式が成立する。 簡単な計算から式 (19)が導力、れ、それを電圧の増幅率に換算するには平方根を取ればよいので、 上記の式 （15) が導かれる。
a •I0-exp{-2«(X-X0)} (17)
Figure imgf000035_0001
Υへ
γ ·α· 入 0 •1。 .exp{_2a(X-X0)}
Xノ
= αη 、 〕 .I。.eXp{—2"。(X— X( (18) "、
7 = jiml― I · exp{2(a -α0)·(Χ-Χ0)} (19)
( 、
·εχρ{2(α-α0)·Χ}
第 20 図のステップ 13A で使われる温度計測の手段としては、 Image-guided phased array system for ultrasound thermometry ( 19% IEEE International Ultrasonics Symposium-San Antonio , TX ; P. VanBaren , C. ¾imon , R. Seip , C. A. Cain , E. S. Ebbini )に述べられている温度推定の方法などを利用す ればよい。
「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 の全体構成を表す第 4図 のうち、 アプリケータ部分 16の保持 ·移動には第 30図のような多関節で多自 由度の第 1 ロボットアーム 51 を利用するものであってもよレ、。 これはロボッ トアームコントローラ 102で制御される。 自動的に移動する第 1ロボットァー ム 51の場合、誤動作時に患者 64に対して危害を加える可能性がある。そこで、 自走しない第 1 ロボットアーム 51であって、 且つ 「オートバランス （自動的 にアームの釣り合いを取る機能)」、 「アームを保持する機能」、 「操作者の介添 えによって自由に移動できる機能」 だけを有するものであることが望ましい。 この形式の HIFU装置の欠点には、 どうしても対象物 （例えば生体組織） の減 衰率が一定であることを前提としているため焼灼形状や加熱温度の精度は下が ると力 \ 肋骨などの有無も考慮せずに HIFU 照射せざるを得ないという欠点が 残る。 し力、し、 固定焦点型の HIFU用トランスデューサ 1 と比べてアプリケー タ部分 16の移動をできるだけ少なくでき、 水バッグ 14 と患者 64の体表面 8 との接触状態を常に良好に保っための操作を減らすことができるというメリッ トがある。
次に第 2の実施例である 「反射型フヱーズドアレイ HIFU装置」 について説明 する。 第 31 図にこのブロック図を示す。 従来タイプとの相違点として以下の 点が挙げられる。
(1) 同形状の振動子エレメント群 17が配列されたフェーズドアレイ振動子 であって、 同一振動子エレメント群 17を使って HIFU照射が可能である 従来のパルスエコー法より高強度で且つ長時間連続した超音波を放射できる一
——と同時に、 超音波バーストを使った "狭義の開口合成アルゴリズム" によ り 2次元及び 3次元画像収集が可能。
(2) 受信時に超音波エコーのフェーズドアレイ振動子による再反射 （多重 反射を防止するため、 振動子エレメント 17の表面での音圧を殆ど 0になるよ うに制御すると同時に超音波エコー信号を検出することが可能。
(3) 周波数の異なる 2 種類の超音波エコーを使って減衰率分布を測定でき るように、 振動子エレメント 17 を基本周波数及びその整数倍の高調波でも駆 動したり受信したりすることが可能。
(4) 測定した 3次元減衰率分布情報と、操作者が設定した 「焼灼焦点位置」、 「焼灼焦点強度」の情報から各振動子エレメント 17の駆動条件を計算して HIFU 照射することが可能。 このため複数の焦点 15 (多点焦点） を一度の HIFU照射 で焼灼可能。
(5) HIFU照射前に、 減衰率分布と HIFU 照射情報から発熱分布予測を行う ことが可能。
(6) アプリケータ部分 16 と患者 64 との位置関係を計測するので、 アプリ ケ一タ部分 16 を移動させた後でも、 再度同じ位置関係に近い状態に復帰させ ることが可能。
この反射型 HIFU装置の操作手順のフローチャートを第 33図に示す。 各ステツ プの詳細を以下に記す。 ステップ 1C :患者体表面に 「超音波伝播部材」 と 「マーカー」 を貼付。 ステップ 2C：アプリケータ部分に付属する水バッグに注水し、 トランス デューサの冷却開始。
ステップ 3C：超音波伝播部材と体表面との間にゼリー、 液体などを注入 して気泡を排除。
ステップ 4C：アプリケータ部分を超音波伝播部材に当てがい、 アプリケ ータの移動操作を行う。 「狭義の開口合成」 のアルゴリズムで 3 次元領域を一 括撮影し、 Cモードまたは Bモード表示画像を使って患部をモニタリングする。
ステップ 5C：アプリケータ部分を支えるロボットアームを適切な位置で 固定。 「マーカー位置検出器」 でマーカー位置を計測し、 原点位置を決める。
ステップ 6C：操作者が C モ一ド表示画面を使って、 層毎の焦点移動可能 範囲内に焼灼焦点位置、 強度を設定する。
ステップ 7C：焦点位置が全て決定されたかどうかを判断する。
ステップ 8C :同一の 3次元領域の画像を 2種類の周波数 f、 f。で収集し、 B モード表示画像から減衰率分布を求める。 パルスエコーが或る閾値以下の領 域には、 「絶対値が大きい負の数」 を対応させる。
ステップ 9C : ステップ 6Cで設定した焼灼焦点位置情報、 ステップ 8Cの 減衰率分布データ、 各振動子エレメントの位置情報から、 焦点と各振動子エレ メントを結ぶ線分上での減衰率を補間して求め、 この線分上での式 （25) の方 程式を数値的に解いて駆動アンプを設定する。 10C：焦点と搔く振動子エレメントを結ぶ線分上で求めた音圧に 式 （32) を適用して発熱エネルギー分布を求める。 補間することで 「発熱等高 面」 を求める。
ステップ 11C：温度測定のために、 焼灼前の 3次元領域での画像データを 収集する。 焼灼による上限温度 Tsを設定する。
ステップ 12C : HIFU照射開始。 温度上昇による音速の増加は、 「狭義の開 口合成」 のアルゴリズムによる画像では画素値の位相変化に反映される。 これ を利用してモニタリング画面から温度を測定。
ステップ 13C：上限温度 Tsに達した時点で HIFU照射をストップ。 他の断 層面における温度上昇もチェックする。
ステップ 14C：焼灼完了かを判断する。
ステップ 15C：追加焼灼部位の位置と強度を設定する。 先ずアプリケータ部分 16を患者 64の体表面 8に接触させるところから説明す る。 従来から超音波診断装置 29を使う場合、 患者 64の体表面 8とイメージン グ用プローブ 2の間の音響的接触を良好に保っために 「超音波減衰の殆ど無い 超音波伝播部材」 例えば商品名 Sonar—Aid ( Geistlich社製の hydrated polyacrylaraide agar ) 、 商品名ソノゼリー （水溶性で且つ無害なゼリ一） な ど が良く使われている。 HIFU照射の場合、 アプリケータ部分 16に付加 されている水バッグ 14と患者 64の体表面 8との間に少しでも気泡が残ってい ると、 気泡近傍にホットスポット （局所的発熱） が生じて、 患者 64 の体表面 8 に火傷などの損傷を与える可能性がある。 超音波診断装置 29 の場合を単純 に真似ただけでは、 水バッグ 14のサイズはイメージング用プローブ 2 より概 して大きいので、 アプリケータ部分 16 の移動を繰り返すと気泡が入り込む可 能性がより高くなる。 そこで親水性があり、 且つ超音波減衰が殆ど無いゲルを 第 49図、第 50図、 第 51図に示す分厚いシート状に成型する。 成型段階で、 側 面からゲルシート 7の中央に向かって脱気精製水や脱気生理食塩水などを導入 するトンネル状の孔を開け、 シートの中央にこのトンネル状の孔と交差するよ うに厚み方向に貫通孔を開ける。 このシートの側面に開いた孔にはチューブ 59 が接続され、 そのチューブ 59は音響伝播媒体 6の入った貯留タンク 108に接 続される。 第 49図のように第 1ポンプや第 2ポンプ （ペリスタポンプ、 蠕動 ポンプなど）、 第 1圧力センサー 109、 第 2圧力センサー 110及びコントロー ラを使って、 給水口 113から強制的に脱気水がシートの中央から常時供給され るので、たとえ気泡が入り込んでも簡単な操作で気泡を追い出すことができる。 この 「能動的に給水可能な超音波伝播部材」 により、 強力超音波や超音波ィメ 一ジングのためのパルスエコーを対象物 （例えば患者 64体內） に効率よく導 入することができる。
次に、 患者 64の体表面 8にあって且つ皮膚などの伸縮によって移動しにくい 場所のうち、 直線上に並ばない 3箇所以上の地点に "位置検出用マーカー 74" (又は "マーカー位置検出センサー 75") を貼付する。 一方、 アプリケータ部 分 16には、 直線上に並ばない 3箇所以上の固定位置にマーカー位置検出セン サー 75 (又は位置検出用マーカ一 74) を取り付けておく。 ここで "3箇所以 上" としているのは、 直線上にない異なる位置がそれぞれ 3箇所以上あっては じめて、 方向も含めた空間的な相互位置関係を決定することができるからであ る。 焼灼作業中には、 この手段によって患者 64とアプリケータ部分 16との相 対位置関係を定期的に計測，記録する。 特に HIFU装置起動時やアプリケータ 部分 16 の移動完了時には必ず計測 ·記録するものとする。 この位置検出器は 患者 64 の着衣などに影響されずに計測できることが望ましく、 例えば位置検 出用マーカー 74 としては空中への無指向または無指向に近い状態で超音波パ ルスを放射する超音波振動子、 マーカー位置検出センサー 75 としては無指向 または無指向に近い状態で超音波パルスを検出できる超音波センサーを利用す ることができる。 これらをそれぞれ 3箇所以上ずつ取り付け、 超音波振動子の 超音波パルスの発振タイミングをずらすか又は超音波振動子の発振周波数を変 え、 そのときの気圧及び気温情報で補正することによって、 より正確な相対位 置情報を得ることができる。 この他には、 位置検出用マーカー 74 として小型 の高周波磁界発振装置を使い、 マーカー位置検出センサー 75 としてはその高 周波磁界を 3次元的に検出して位置検出用マーカー 74の位置を推定するとい う装置などを利用してもよい。 いずれにしても或る初期状態の位置からアプリ ケータ部分 16 を移動させた場合でも、 こ らの情報に基づいて初期状態に最 も近い位置関係に復帰させることができる。
この HIFU装置の場合、 振動子エレメント 17は連続的に HIFU照射で破損する ことが無いように、 或る程度以上のサイズの圧電セラミックスが用いられ、 必 然的にイメージング用プローブ 2よりは大きくなる。 この HIFU装置では HIFU 照射用フェーズドアレイがィメージング機能も有するように構成されており、 3次元超音波イメージング専用の超音波診断装置 29におけるプローブ 2の小 型化が困難であるという問題 即ち、 振動子ェレメント 17は 2次元配列 されるのでその数が急激に増大し、 全ての振動子エレメント 17 を配線する必 要があるため配線材がかなりのスペースを占めてしまい、 プローブ 2を小型化 することが非常に難しくなるという問題 が生じないので、 その実現も容 易となるという利点もある。
例えば、 狭義の開口合成アルゴリズムなどを利用すれば、 第 33 図のステップ 4C において、 従来の C モード （フェーズドアレイ振動子の面に概略平行な断 層像を撮影するモード） 及び Bモード （超音波送信パルスが放射される方向に 平行な断層像を撮影するモード） と呼ばれる断層像に対応する超音波画像を準 リアルタイムで撮影することも可能である。 但し、 狭義の開口合成アルゴリズ ムによる画像の持つ欠点として、 フェーズドアレイ振動子から離れれば離れる ほど縦分解能 （超音波送信パルスの伝播方向に平行な方向の空間分解能） は低 下することが知られている。 しかし横分解能 （縦と垂直な方向の空間分解能） はそれほど低下しないことも知られている。
ステップ 5Cでモニタリングしながらアプリケータ部分 16 を移動させ、 HIFU 照射に最適の位置で固定する。 第 34図で選択した "層 54" の画像が、 モニタ リング画面 49上で第 35図のように 「焦点移動可能範囲 50」 を示すコンビュ ータ画像と共に重畳表示されるので、 操作者はそのコンピュータ画像の枠内に 焼灼焦点位置と超音波強度を指定することができる。 ステップ 8Cでは、 「スィ ツチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 で説明した 「2周波数の画像に よる減衰率分布測定」 と同じ手法を適用することで、 3次元的に減衰率分布を 求める。 この場合も "無信号" と見なされる領域には、 ステップ 9C での駆動 条件を求めるための便宜を考えて、 "絶対値が大きな負の数" を対応させてお くのが望ましい。 尚、 通常の減衰率は必ず "正の数" の値をとる。
次に、 ステップ 9Cにて駆動アンプ群 4の駆動条件を求める。 駆動条件を求め る問題は、 音波の伝播媒体 6が無減衰で等方均質と見なせる場合に 「閉局面 S で囲まれた領域 D 内の音場再生問題」 として扱われてきた。 結論としては 「Kirchhoff積分方程式を満たすように閉曲面上の N点に、 そこでの音圧およ び法線方向の粒子速度を再現すればよい」 ことが知られている。 また Time Reversed Acoustics 、 Mathias Fink , Physics Today， March 1997 , pp. 34 — 45 )、 Time Reversed Acoustics ( Mathias Fink , Scientific American , Nov. 1999 )によれば、 理論的には途中の音波の伝播経路でエネルギー損失が無いな らば波動方程式は時間反転しても成立し、 このことは実験的にも確認されてい る。 分かり易く言い換えれば 「領域 D内の任意の位置に点音源があり、 そこか ら音波が放射されるものとする。 それを閉曲面上の幾つかのポイントで受信 ' 録音した後、 受信したのと同じポイントから時間反転させて再生した音波を放 射すれば、 元あった点音源の位置に正確に波面が集束する」 とことを意味して いる。
このことをそのまま生体内にできた腫瘍などの患部 3を焼灼するのに応用しよ うとすると、 以下の問題点（1)、問題点 (2)、 問題点 (3)に突き当たってしまう。
問題点 （1) ：集束強力超音波 （HIFU) を 1点に集束させることが焼灼の基 本プロセスになるので、 点音源を患部 3の焦点位置に置くことができ、 且つそ のときの音波をフェーズドアレイ振動子で受信することができれば、 各振動子 エレメント 17 の駆動条件を実験的に決定することができるが、 実際は穿刺で もしない限り点音源を患部 3に置くことは不可能である。 穿刺が可能なら穿刺 による治療 例えば、 マイクロ波凝固治療、 エタノール注入療法など—— 一が行われるはずである。
問題点 （2) ：生体組織の超音波減衰は無視できず 減衰があるから、 発熱作用を利用して焼灼できる 、 しかも減衰率分布は不均一である。
問題点 （3) ：不均一減衰率分布を有する 3次元領域に対して波動方程式を 立て、 有限要素法や境界要素法で解こうとしても、 現在のコンピュータの計算 能力では、 エレメントサイズを少なくとも 1/6波長以下にするという制約条 件下で数万個のエレメントを极うのが実用上の限界とされており、 この数値解 法をそのまま実際の対象物に適用したのでは、 1. 5MHzでの水の波長が 1 [mm] であったことを思い出せば容易に分かるように大きな領域をこの方法でシミュ レーシヨンするには計算時間がかかり過ぎ、 実用にならない。
これらの問題を回避するために本実施例では以下の方法を採る。 即ち、 先ず対 象物の減衰率分布 （できれば音速分布も） を 3次元的に計測し、 その内部に焼 灼焦点位置と超音波強度を設定する。 「時間反転鏡の原理」、減衰率分布データ、 音速分布データ、 及び 「点音源から振動子エレメント 17 までは音波が球対称 な波面 37 を伴って伝播すると見なしても十分良い近似を与える」 という推論 結果を使い、 焼灼焦点 15に点音源を置くと仮定して各振動子エレメント 17の 駆動条件を求める。
具体的には、 波面 37が球対称となると近似することで簡略化した "点音源の 音場を表す 2階非線形微分方程式" に、 実測された減衰率 αの符号を逆にした 一 aを代入 音速分布データがある場合は符号を含めてそのままの値を代 入し、 データがない場合には、 符号はそのままで一定値を代入 し、 その 微分方程式を焦点 15の位置 （点音源の位置） と各振動子ェレメント 17の位置 を通る直線上で数値的に解く。 各振動子エレメント 17 を駆動する駆動アンプ 4 には、 計算で求めた各振動子エレメント 17 における音圧振幅と位相データ を設定し、 駆動周波数 f はその符号を逆にした周波数—f にして駆動するとい う方法を採る。
実測データに基づいた音場シミュレーシヨンを使うので、 穿刺などをする必要 が無くなり、 上記の問題 （1) は発生しない。 問題 （2) に関しては、 焦点 15 から振動子エレメント 17 に至る直線上において実測した減衰率分布や音速分 布を代入しながら数値的に解くので、 不均一な減衰率分布や音速分布という条 件は自動的に考慮される。 問題 （3) に関しては、 厳密な波動方程式の代わり に簡易化された 2階非線形微分方程式を解くので、 計算量を節約できて、 現在 のコンピュータの計算能力で十分まかなうことができる。
前出の 「点音源から振動子エレメント 17までは音波が球対称な波面 37を伴つ て伝播すると見なしても十分良い近似を与える」 が成立することを以下に説明 する。 音圧を ρ(ϊ， ω )とおく。 注目している点の位置ベクトル Ϊを、 強力超音 波 （HIFU) の角振動数を ω、 角周波数が ωのときの波数を 音速を（、 減衰 率を αとする。 特に、 均一な音響伝播媒体 6における減衰率を α。、波数を k0、 音速を C。で表し、 不均一な音響伝播媒体 6においては位置べクトル？の関数と なるので減衰率を α(ϊ)、 波数を ？）、 音速を C (？)で表すものとする。 ここ で 3次元の波動方程式を直交座標系上でラプラス演算子 V2を用いて、音圧 ρ(ϊ, ω)に関して書き表すと式 （20) となる。
(20) ν2ρ(τ,ω) + {Ητ)Υ·ρ(ν,ω) = 0 ここで均一な音響伝播媒体 6 における波数 k に関しては式 （21) の関係が成り 立ち、 不均一な音響伝播媒体 6の場合には式 （22) という関係が成立する。
k r) =— (21)
Cn
ω (22) km=— "- i-a(r)
Cff) 式 （20) の直交座標系で表された 3次元波動方程式を極座標表示し直すと、 式 (23) と表される。 ここで原点からの距離を！:、 天頂角を 0、 方位角を φとす る。 式 （23) は、 時間項 eXp(-jcot) (但し、 角周波数を ω、 時間を t、 虚数 単位を jとする）を省略した場合の波動方程式なので、実際の音圧は式 （23)の 解 Pにこの時間項 exp (- j ω t)を掛け合わせたものになる。
Figure imgf000045_0001
(但し、 Ρ = Ρ(τ,θ,φ) = p(x,y,z) = p(r sin θ - cos φ, r sin ^ · sin φ, r cos θ)) この式の第 4、 5、 6項は（lZr2)の因子を持つので Θ =0 となる 1 点を 除いて 、 距離!：が大きくなると波動方程式に占めるウェートは急激に下 がる。 そこで r》1を満たす遠距離地点では式 （24) という近似式が成立する。 この式を変形すれば式 (25) となる。
- + +{k^^2-p=o (24)
d2
(r-P) + {k(r,^^)}2-(r.P) = 0 (25)
この方程式は 「波面 37 が球対称である点音源の音場を表す波動方程式」 と同 じ形になっている。 球对称波面 37を持ち原点に位置する点音源の音場を G (？) とおけば、 デルタ関数 δ (Ϊ)を用いて式 （26) の微分方程式が成立する。 原点 を除けば式 （27) と表され、 この G(i)を ρ(ϊ， ω)に置き換えると全く同形の 式となる。 δ (Ϊ)は G(i)の未定比例定数を決定する条件となる。 ちなみに波 数 k (？)が定数 kならば、 この方程式の解は式 （28) となることが知られてい る。
(26)
V2G(r) + {k(r)}2.G(f) = ^(r)
V2G(r) + {k(r)}2-G(r) = 0 (27)
exp(-jkr)
G(?) = (28)
4ΛΓ
(但し |?| = Γとする） 減衰率分布が不均一で と表され、 音速分布が均一で定数 C0と表される場 合に、 各振動子エレメント 17の位置での減衰前の超音波音圧を求めるには、 波 数 k ( i )を式 （29) の ϊ)と置き換え 実測された減衰率 a (？)の符号だけ を逆にすることに相当する 、 式 （25) の方程式を解けばよいことになる。 減衰率分布も音速分布も不均一で、 音速分布が不均一で C ( Ϊ )と表される場合 は、 波数 k ( i )を式 （30) の ？)と置き換えて同様に式 （25) を解けばよい。 こ の方程式の解は、 原点 （ϊ =0の座標のこと。 方程式を単純化するために線形な 座標変換を行っているので原点になっている。） において無限大に発散してしま うので、 原点での音圧振幅は定義できない。 また、 波長をぇ、 第 55図のように 集束超音波を発生させる球殻形トランスデューサ 1 の開口直径を Φ、 トランス デューサ 1の表面から焦点 15までの距離を Rとした場合、 超音波照射方向に対 して横方向の焦点領域 73に直径 dは式 （31) で表されることが知られている。 逆に言うと焦点サイズはこれ以上小さくすることができない。 第 56図のように 「原点から半径 r = d/2のオーダーで且つ一定の距離 r。だけ離れた地点におけ る音圧値を使って焦点強度を表す」 のが合理的である。 ω
k(?) =— + ΐ ·«( (29) ω (30) k(r) = -^- + j - a(r) 2.4A - R
(31) Φ いま上記の 2階非線形微分方程式を数値的に解いて、 音圧が求まつたものとす る。 i番目の焦点 （ i番目の点音源） から j番目のフェーズドアレイ振動子の 到達した波面 37の音圧を Ρ 、 振幅を Α = | P ij |、 初期位相を0 1」= 3 （卩"） とおく。 音圧の振幅は、 圧電セラミックスで構成された振動子エレメント 17 の駆動電圧振幅に非常に良い近似で比例することから、 振動子エレメント 17 の形状と電気音響的特性が同じである場合 sin (— ω t+ 0 u ) (但し八 の関係が成立する） という駆動電圧を印加すればよいことになる。
この方程式を解くと、 i番目の焦点と j番目の振動子エレメントを結ぶ線分上 での音圧分布も同時に求まってしまう。 波面 37 が平面波で近似できるときの 発熱エネルギーは式 （32) で計算でき、 発熱エネルギー分布を求めることがで きる。 第 33図のステップ 10Cでは、 生体組織の比熱が一定であるという仮定 下で、 この線分上でのみ計算された発熱分布を強力超音波が通過する領域にお いて、 補間操作により "発熱エネルギー分布の等高面" を求める。 ここで αは 減衰率、 Ρは音圧、 ρは密度、 Cは音速を意味する。
« · Ρ
(32)
P
「波の重ね合わせの原理」 により、 第 41図のように焼灼焦点 15を Fl、 F2と おき、 その焦点間の距離を dとおく。 さらにその音響伝播媒体 6における超音 波の波長を Lとするとき、 どの 2個の焦点を取ってみても、 2焦点間において 波面 37 が互いに打ち消しが発生しないように、 必ず次の制約条件を満足する ように配置することが望ましい。
焦点における音圧が互いに同位相である場合には、
(1) d》n · λならば、 Fl、 F2を任意の位置に配置する。
(2) d< n · λならば、 Fl、 F2を d （m+1/2) · λ (n≥m、 mは自然数） 力 dに極力近い位置に配置する。
を満足するように配置する。
焦点における音圧が互いに逆位相である場合には、
(3) d>n · えならば、 Fl、 F2を任意の位置に配置する。
(4) d<n · えならば、 Fl、 F2を d m ' λ (n≥m, mは自然数） カ これ に極力近い位置に配置する。
第 33図のステップ 11C、 12C、 13Cにおいても、 狭義の開口合成アルゴリズム などを利用してステップ 4C と同様に、 Cモード及び Bモードに対応する断面 の超音波画像を準リアルタイムで撮影できる。 画像上の任意の点は複素数で表 される画素値を持つので、 その点での位相が計算できて、 位相変化分布から加 熱による "温度変化分布" を推定することができる。 また生体軟部組織は平均 水分含有量が約 70%ということが知られており、 温度変化に対する位相変化の 比率が、 生体軟部組織の種類によらずにほぼ同じであることが期待できる。 そ こでモニタリング画面上に、 予め "温度変化の閾値" を設定しておき、 HIFU 照射の合間をぬつて超音波画像の撮影を繰り返し行い、 その温度変化の閾値を 超えた画素を含む画像が撮影されたならば、 HIFU 照射を停止させるといった ことも可能である。 これによつて HIFU照射による局所的な沸 パルス エコー法による超音波画像では "ハイ ·エコー" （画素値が非常に高くなり、 超音波診断装置の白黒モニター上では、 画面上白色に表示される） として描出 される の発生を回避することもできる。
これまで説明してきた計算処理に必要な全ての計算は、 HIFU装置に直接搭载 した高速コンピュータで行う方式以外に、 計算に必要なデータ （超音波画像、 減衰率分布、 音速分布データなど） だけを遠隔地にある高速コンピュータに高 速通信回線 103で伝送し、 計算結果のみをそこから送り返してもらって利用す るという方式を採っても構わない。
1 回目の焼灼で焼き残しが発生した場合 1 回で同時に焼灼できる焦点の 数の制約、 各振動子エレメント 17の駆動条件を算出するための計算資源の制 約、 焦点 15の移動範囲の制約などで焼灼できないとき は、 第 33図のス テツプ 15Cで追加焦点に関する位置と超音波強度情報を入力、 ステップ 8Cに 再度戻って焼灼する。
本発明の反射型 HIFU装置と従来の HIFU装置との相違点のうち、 「(2) 振動子 エレメント 17の表面での音圧を殆ど 0になるように制御すると同時に超音波 エコー信号を検出する」 点に関して説明する。 従来の HIFU装置や構造の単純 化を狙った第 1の実施例 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 では、 HIFU照射用トランスデューサ 1 に超音波イメージング用プローブ 2が 組み込まれており、 イメージング時の反射パルスにとってこの HIFU照射用ト ランスデューサ 1は "完全反射体" として働いてしまう。 そのため多重反射に よる画像アーチファタ卜が発生して、 モニタリング画面としての画質を著しく 損ねかねない。 振動子エレメント群 17 をマウントする基台が超音波を吸収し 易い材 シリコンゴム、 プラスチック等 で構成されていてもそれ 以外の部分が金属電極をメツキした圧電セラミックスであるため、 そのままで は反射体となってしまいこの問題を解決できない。 特に後述する第 3の実施例
「透過型 HIFU装置」 のようにトランスデューサ 1が対向配置された場合は、 その弊害が著しい。 そこで第 32図の駆動系を考える。 これは第 31図のうち 1 個の振動子エレメント 17とそれに接続される駆動アンプ 4や受信アンプ 53な どの部分を抜き出し、 制御系のブロック図として書き換えたものである。 この第 32図において、 振動子エレメント 17 (圧電セラミックスなど） に到達 する音圧を p 、 振動エレメントで発生した電圧を e 、 HIFU照射を行うための 駆動アンプ 4のゲインを 、 駆動アンプ 4の入力電圧を Ein 、 駆動アンプ 4 の出力電圧を y 、 フィードバック要素 104のゲインを K 、 受信アンプ 53のゲ インを A2 、 受信アンプ 53の出力電圧を Esig 、 マッチング回路 52 (例えばコ ンベンショナル. トランス） の昇圧比を l : n とする。 電圧 eはマッチング回 路 52で昇圧されて neとなり、 駆動アンプ 4出力 yと加算されて、 フィードバ ック要素に入力される。 このこと力 ら式 (33) の関係式が成立し、 簡単な変形 で式 （34) を得る。
K-(y + n- e) + Ejn } -A1 = y (33)
Figure imgf000051_0001
フィードバックが成立しているとき、 マッチング回路 52の駆動アンプ 4の方 に印加される "正味の電圧" を E。で表すと式 （35) が成立する。 振動子エレ メント 17の表面のおける "正味の音圧" を 0にするため、 駆動アンプ 4の入 力電圧を Ein =0 と仮定する。 式 （35) は式 （36) と表され、 AtK» l と見なせ る場合は式 （37) が成立し、 式 （35) の値はほぼ 0と見なせることが分かる。 昇圧比は 1 ： nで常に成り立つことから、 マッチング回路 52の振動子エレメン ト 17側の電圧 (E。ん）もほぼ 0となる。 最終的に "正味の音圧" （外来音圧に駆 動アンプ 4による音圧が加算された音圧） もほぼ 0となることが分かる。
Figure imgf000051_0002
E0 = y + n-e « 0 (36)
—方、 受信アンプ 53の出力は、 受信アンプ 53のゲインを十分大きくとれば式 (37) のように表され、 問題なく受信できることが分かる。 即ち、 目標電圧を 0 にするフィードバック制御を導入することで、 振動子エレメント 17 の表面 における正味の音圧をほとんど 0に保つことができる。 これは波動方程式の分 野で、 "ソフト境界面" と呼ばれる境界条件に相当する。 この境界条件が成立 する場合、 反射波は境界面で反射されずに全て吸収されたのと同じ振る舞いを する。
Figure imgf000052_0001
振動子エレメント 17に印加される "正味の電圧" が常に 0に保たれるならば ソフト境界面を形成できる理由をさらに詳しく説明する。 一般的に、 振動子ェ レメント 17には電極がほぼ対向する様に 2箇所形成される。 それぞれを電極 A、 電極 B と呼ぶことにする。 圧電セラミックスを振動子として使えるように するため、 電極 Aに対し電極 Bに正の高電圧を印加するという 「分極処理」 が 行われる。 この振動子エレメント 17を "圧縮" すると、 電極 Aに対し電極 B には "正電圧" が発生する。 （逆に "伸長" すると "負電圧" が発生する。） 次 に電極 Aに対し B電極に "負電圧" を印加すると "圧縮"が起こる。 （逆に "正 電圧" を印加すると "伸張"する。） 以上のことは圧電効果 ·圧電逆効果とし て知られている。 今、 振動子エレメント 17 が圧縮される音圧がかかっている とする。 振動子エレメント 17の表面上で "正味の音圧" を 0にするには、 さ らに振動子エレメント 17 が圧縮する方向に "負電圧" を印加すればよいこと が分かる。 最初の圧縮によって振動子エレメント 17 には "正電圧" が生じ、 後から印加する "負電圧" とは符号が逆なので打ち消し合うことになる。 伸張 する場合も同様に打ち消し合うことになる。結局、振動子エレメント 17の "正 味の電圧" が常時 0になるように制御されている状態では、 振動子エレメント 17 に "正味の音圧" がかかっていないことを意味する。 即ち 「ソフト境界面」 の境界条件を実現できることが分かる。
この反射型 HIFU装置のトランスデューサ 1を構成するための必要条件は、 同 形状の振動子エレメント 17 を使うということだけである。 しかし実際上はィ メ一ジングのための再構成計算、 HIFU照射に必要な各振動子ェレメント 17の 駆動条件計算などを簡便化する都合上、 平面、 円筒、 または平面を伸び縮みさ せずに滑らかに曲げた曲面上に配置しておくことが望ましい。 概略平面、 概略 円筒、 概略球殻の曲面上に配置しても可能であるが、 上記のような計算が複雑 なる分、 余計な計算資源が必要となって若干不利である。 トランスデューサ 1 が円筒形になっても、 「振動子エレメント 17上での正味の音圧を 0にするフィ ードバック制御」 によって 「ソフト境界面」 という境界条件を実現できる。 こ れによって、 多重反射などによる超音波画像のアーチファタトゃ HIFU照射時 の意図していない位置における焼灼焦点の発生等を防ぐことができる。
この反射型 HIFU装置の変形例として、 第 3の実施例を第 36図に示す。 これは 「乳房専用円筒タイプ反射型 HIFU装置」 とでも呼べるもので、 振動子エレメ ント群 17が円筒状に配置されており、 円筒の内部領域でイメージングと HIFU 照射を行う構造となっている。 円筒内部には音響伝播媒体 6 例えば、 溶 存ガスをできるだけ除去した "脱気水" など が満たされており、 円筒形 トランスデューサ 1の上部にある開口部から乳房 56を挿入する。 イメージン グには、 振動子エレメント群 17 のうち限定された領域の部分 以下 Γク ラスター」 と呼ぶことにする だけを使う。 狭義の開口合成のァルゴリズ ムに従ってイメージングを行うには、 例えばまず "第 1 クラスター 55" と対 象物の間にイメージングのための焦点を形成するように、 HIFU 照射より超音 波強度は十分小さい "超音波バースト" を送信する。 この送信波バーストは対 象物に到達して反射し、 "反射波バースト" として戻って来る。 これを "第 2 クラスター" 第 1クラスター 55と部分的に重なる領域 で受信し、 その受信波の振幅と初期位相情報を各振動子エレメント 17 から収集する。 こ れらの情報とどの位置での断層像を再構成するかを指定することで、 3 次元的 に画像を撮影することができる。 第 36図のし 、 R及び U、 Dの 2方向に第 1 クラスター 55 の位置を移動させることで、 任意の位置にある対象物を最良の 条件 . (例えば最良の S/N、 分解能など） で撮影することができる。
この HIFU装置の水平断面図を第 37図に示す。 「第 1クラスター 55で送信し、 第 1クラスター 55で受信する」、 「第 1クラスター 55で送信し、 そのクラスタ 一の領域を一部包含する第 2クラスター 111で受信する」 以外に、 反射波バー ストではなく "透過波バースト" を受信することになるが、 「第 1 のクラスタ 一 55 で送信し、 円筒の中心軸をはさんで概略軸対称となる領域を有する第 3 クラスター 112で受信する」 という動作を行うものであってもよい。
この HIFU装置の垂直断面図を第 38図に示す。 この図に示されているように、 トランスデューサ 1 を含み円筒形をしたアプリケ一タ部分 16 の底部から伸展 したチューブ 59があり、 それには "吸引カップ 57" が接続されているものと する。 この吸引カップ 57は、 モニタリングや HIFU照射を邪魔することなく乳 房 56を固定するために使われる。 患者 64は乳房 56の一部にこの吸引力ップ 57 をあてがい、 強制吸引することで吸い付かせる。 次にうつ伏せの状態で、 このトランスデューサ 1 の開口部から乳房 56を挿入する。 その後の吸引カツ プ 57が接続されたチューブ 59の他端には吸引ポンプ 62があり、 それで減圧 にコントロールされ、 さらにこのチューブ 59を固定滑車 60や動滑車 61を使 つて下方に向かって引っ張ることで、 乳房 56を固定する。 このチューブ 59の 牽引力や吸引力は常時センサーによって減圧状態を監視しながら、 吸引や牽引 が行われる機構となっている。 これ以外の固定方法として、 水バッグ 14 を乳 房周辺部から押し付けるというものであっても構わない。 またこの第 38 図に 示されているように、 トランスデューサ 1を大きくせずにイメージングゃ HIFU 照射領域を拡大するためにトランスデューサ 1に 「トランスデューサ移動用ァ クチユエータ」 が付加されていてもよい。 当然ではあるが、 給水口 113から音 響伝播媒体 6が水槽 58に注水され、 使用後は排出口 114から排水される。 振 動エレメント 17はトランスデューサ移動用ァクチユエータ 115で上下動する ことも可能となっている。
この反射型 HIFU装置の別の変形例として第 39図に第 4の実施例を示す。 これ は 「頭部専用円筒タイプ反射型 HIFU装置」 とも呼べるもので、 第 3の実施例 とは、 トランスデューサ 1を患者 64の姿勢に合わせて傾斜可能である点が異 なる。 この場合「円筒形をしたトランスデューサ 1の底部に相当する部分」 （以 下、 フリンジ 65 と呼ぶ） が取り外し可能となっており、 この部分は予め患者 頭部に "刀のツバ" のように取り付けられる。 脳外科手術の視点からは、 脳硬 膜さえ破らなければ頭皮や頭蓋骨を開けること自体はリスクが非常に低レ、こと が知られており、 しかも頭蓋骨は超音波にとって反射体として働くので HIFU 照射を使った焼灼の妨げになることも知られている。 そこで、 例えば頭部の脳 硬膜を破かない状態で全周開頭し、 頭皮はフリンジ 65 に一時的に固定する。 この処置の後、 フリンジ 65は円筒形をしたトランスデューサ 1の水密状態が 保たれるように取り付けられ、 脱気 ·冷却された生理食塩水がこのトランスデ ユーサ 1の内部に満たされる。 この円筒形をしたトランスデューサ 1を含むァ プリケータ部分 16は、 図示していない第 1ロボットアーム 51等によって適切 に傾けられて固定される。 この円筒形をしたトランスデューサ 1 には、 第 38 図と同様な 「円筒の中心軸に沿った上下移動も可能にする機械式移動機構」 が 付加されているものとする。 イメージングゃ HIFU照射は、 第 3の実施例と同 様の方法で行われるものとする。
さらに、 この反射型 HIFU装置の別の変形例として第 40図に第 5の実施例を示 す。 脱気された音響伝播媒体 6 (脱気水、 脱気された生理食塩水など） を満た す容器は円筒形になるが、 第 4の実施例との違いを表現するために中心軸に垂 直な平面で切った横断面が示されている。 この場合振動子エレメント群 17 の 個数を節約するために、 トランスデューサ 1は円筒形ではなく 「平面に近い形 状のもの」 が使われる。 このトランスデューサ 1は第 1 ロボットアーム 51等 で中心軸の周りに移動できるだけでなく、 中心軸に対して傾けることも可能で あるとする。 この HIFU装置を使えば、 第 4の実施例の全周開頭した後に焼灼 する以外に、 もちろん脳硬膜を破かない状態で第 40図に示すように患部 3に 近い位置に HIFU導入のために "第 1 の窓 116" を頭蓋骨に開け、 強力超音波 が焼灼焦点 15 を通過後に頭蓋骨で反射せずに抜けていくための "第 2 の窓 117" も同時に頭蓋骨に開けた後、 モニタリングのための撮影及ぴ HIFU照射を 行うという "局所開頭による焼灼" も実施可能である。 この第 2の窓 117がな い状態で HIFU 照射を行うと、 頭蓋骨はほぼ閉曲面となっているため超音波反 射が発生し、 予期しない場所な焼灼焦点が形成されて脳 63 に障害が発生する 可能性が高レ、。これらの事故を防ぐ意味からもこの第 2の窓 117は必要となる。 第 2の窓から出た超音波が円筒形の水槽 58の壁面で反射されるのを防ぐため、 必ず第 2の窓 117を覆い尽くすように 「強力超音波吸収部材 118」 が配置され る。 この部材自体もトランスデューサ 1 と同様に第 2ロボットアーム 66で移 動可能であるとする。 この強力超音波吸収部材には、 超音波エネルギーを吸収 して熱ェネルギーに変え、且つその熱を脱気生理食塩水などに移動させ易い「放 熱シート」 （半導体とヒートシンクとの間に使うシートで、 熱伝導率が非常に 高くゴムのような柔軟性を併せ持つ） のような材料を使うのが望ましい。
頭蓋骨を全周開頭しない場合は、 第 4の実施例を使っても可能である。 この場 合は、 フェーズドアレイ振動子群が 「ソフト境界面」 を形成してくれるので、 第 5の実施例のような強力超音波吸収部材を必要としない。
次に 「透過型 HIFU 装置」 とでも呼べる実施例について説明する。 文献 1 ： Clinical imaging with transmissive ultrasonic computerized tomography ( J. F. Greenleaf , R. C. Bahn， IEEE Trans. Biomed. Eng. , 28 (2) , 177 (1981"、 文献 2： "Quasi 3D- Qualitative Computerized Tomography for Reconstructing Sound Velocity slices of Weakly Scattering Object " Akira Yamada , Jpn. J. Appl. Phys. Vol 35 (1996) Pt. 1 , No. 5B , pp. 3135— 3138 )、 文献 3 : 「超音波回折トモグラフィ」 （山田晃、 超音波 TECHNO 1997. 6 、 pp. 6 一 11 )、文献 4：「超音波 CT」 （超音波便覧、丸善株式会社（1999)、 pp. 453-456 )、 文献 5：「超音波ホログラフィ」 （永井啓之亮、 日刊工業新聞社、 1987年） によ れば J. F. Greenleaf に始まる "超音波 CT" は再構成アルゴリズムが改良され て 現時点ではシミュレーシヨンによる確認が終わったレベルであるが一 一一、 十分に実用に耐える精度で音速分布、 減衰率分布を断層像として撮影で きる段階に達している。 山田らが文献 3、 4 で提唱している 「超音波回折トモ グラフィの再構成アルゴリズム」 によれば、 対象物の密度 pはほぼ一定と仮定 し、 位置ベク トルを ϊ、 その位置での減衰率を α (? )、 音速を C (？)、 各周波数 を ω =2 π f ( f は超音波の振動数）、 その位置での波数を k (？)とおく。 さら に基準となる無減衰の音響伝播媒体 6 (「脱気水」 はこれに近い） の音速を C0、 そのときの波数を k。とおく。 このとき波数と音速、 減衰率、 角周波数との間 には式 （38) 、 式 （39) の関係式が成り立つ。 kf =― j - a(f) (38)
C(f) ω
k0 = (39)
このアルゴリズムで得られる画像は、 式 （43) で表される 「物体関数」 0 (?) の分布を映像化したもので、 各点での画素値は複素数の値を取る。 いま任意の 複素数を ζとするとき、 その実部を Re { z }、 虚部を Im { z }で表すものとす る。 式 （41) を変形して、 α (？)は式 （44) から、 C (i)は式 （45) から求める ことができる。 即ち純粋な減衰率分布と音速分布を物体関数画像から導くこと ができることが分かる。
Figure imgf000058_0001
(41)
Figure imgf000058_0002
(42)
C(?)≡ C
Figure imgf000058_0003
(44)
Figure imgf000058_0004
C(?) =
Figure imgf000059_0001
(45)
Im 上記アルゴリズムを適用するにあたって、 イメージングのための送信用トラン スデューサ 67からは "平面進行波" を対象物 この場合は患部 3 を含む 生体組織 に照射し、 対象物を通過した透過波は対象物をはさんで平行に 対向配置されている受信用トランスデューサ 68 で受信される。 送信用トラン スデューサ 67と受信用トランスデューサ 68は対向位置関係を保ったまま、 ァ プリケータ部分 16 の中心軸の周りに順次回転させつつ、 送受信を繰り返して 1 周分のデータを収集する。 或る断面においてのみ音圧分布が均一な平面波を 発生させることは比較的容易であるが、 その波面 37 の伝播方向に直角な任意 の平面上で音圧分布を均一にするには、 送信用トランスデューサ 67 が平面状 に構成されることが不可欠である。 さらに、 この再構成アルゴリズムでは "リ トフ近似" のよる誤差を少なくするため、 受信データに "後方伝搬処理" を施 す必要があるので、 受信用トランスデューサ 68 も平面状に構成されている方 が望ましい。
しかしながら、 超音波回折トモグラフィとしてこれまでに公開されている内容 は撮像用装置とその再構成アルゴリズムに関する情報だけで、 これを焼灼用等 にも転用するというアイデアは全く開示されていなかった。 そこでフェーズド アレイ振動子にイメージングのための送受信機能と、 HIFU 照射機能の両方を 持たせた第 43図のような装置構成 送信用トランスデューサ 67も受信用 トランスデューサ 68 も "平面状フェーズドアレイ振動子" であって、 互いに 平行に対向したまま回転軸 69 の周りに回転しながら送受信を繰り返して撮影 すると同時に HIFU照射によって焼灼も行える装置構成 の 「透過型 HIFU 装置」 を考える。 全体のブロック図は対象物の違いこそあれ、 第 42 図と同じ である。 この装置によれば透過波によるイメージングだけでなく、 「反射型 HIFU装置」 のように反射波によるイメージングも勿論可能である。
これの変形例として、 第 6の実施例である 「頭部専用透過型 HIFU装置」 を第 44 図に示す。 透過波による "超音波回折トモグラフィ" のアルゴリズムを用 いて正確に断層像を撮影 ·再構成する場合、 回転軸 69 の全周にわたって透過 波データを収集する必要がある。 頭蓋骨は超音波の反射体として働くので、 ま ず第 5の実施例と同様に患者頭部にフリンジ 65を取り付け、 イメージングと 焼灼のため脳硬膜を破らない状態で全周にわたって頭蓋骨を一時的に開頭する。 その後、 フリンジ 65は円筒形をしたトランスデューサ 1 に水密状態が保たれ るように取り付けられ、 脱気 ·冷却された精製滅菌水や生理食塩水がこのトラ ンスデューサ 1の内部に満たされる。 トランスデューサ 1を含むアプリケータ 部分 16は、 図示していない第 1 ロボットアーム 51等によって適切に傾けられ て固定される。 このトランスデューサ 1 には、 「円筒の中心軸に沿った上下移 動も可能にする機械式移動機構」 が付加されていてもよい。 上記の再構成方法 により複数枚の 2次元画像データを同時撮影することができるので、 3次元的 に減衰率分布 α ）、音速分布 C (？)を計測することが可能である。反射型 HIFU 装置の使用方法のフローチャートと同様に減衰率分布 α (？)、 音速分布 C (？) 及び操作者による焼灼焦点 15 の位置と超音波強度の設定情報から、 各振動子 エレメント 17 の駆動条件を、 2 階非線形微分方程式を数値的に解くことで求 め、 それを利用して焼灼を行うことができる。
別の変形例として、 第 7の実施例である 「乳房専用透過型 HIFU装置」 の斜視 図を第 45図に示す。 第 36図の乳房専用用反射型 HIFU装置との相違点は、 平 面状フェーズドアレイ振動子である 「送信用トランスデューサ 67J と 「受信 用トランスデューサ 68J を対向させ これらのトランスデューサ 1 は送 受信兼用にしておけば、 同じ物で構わない 、 この対向位置関係を保った まま機械的に回転させながら透過波を検出することで 3次元的に断層像を撮影 でき、その情報に基づいて最も精密にドライバ一群の駆動条件を計算して HIFU 照射できるという点にある。
さらに別の変形例として、 第 8の実施例である 「体部用透過型 HIFU装置」 を 第 46図に示す。 アプリケータ部分 16の基本構造は第 44図、 第 45図と同じで あり、腹腔や骨盤腔内の患部 3を HIFU照射によって焼灼するのに用いられる。 呼吸などによる腹部の体動を抑圧するために、 水バッグ 14等を脱気水で膨ら ませて押さえ込むことが望ましい。 この例では体表面 8 と水バッグ 14 との接 触面積が大きくなるので、 音響的接触状態を常時良好に保っために "バスタブ 119 (浴槽) " に患者 64とアプリケータ部分 16の両方を浸す方法を採った場合 を示す。
透過型 HIFU装置の操作手順を第 47図のフローチャートを用いて説明する。 以 下に各ステップの詳細を記す。 ステップ 1D：「頭部用透過型 HIFU装置」 の場合、 患者の脳硬膜を破かな い状態で全周にわたって頭蓋骨を開頭し、 頭部をアプリケータ部分にセットす る。 「乳房用透過型 HIFU装置」 の場合、 乳房固定用吸引カップを乳房先端部分 に吸い付かせ、 そのまま患者の乳房をうつ伏せ状態でアプリケ一た部分にセッ トする。 その後、 吸引カップに接続されているチューブを牽引して固定する。 また脱気水を充填した水バッグを使って体部を固定する。
ステップ 2D：「超音波回折トモグラフィ」 の再構成アルゴリズムを使い、 第 1のトランスデューサから 「平面進行波」 を発生させ、 第 2のトランスデュ —サで対象物を通過した 「透過波」 を受信して、 トランスデューサの回転軸と 垂直な断層像を複数枚同時に撮影する。
ステップ 3D :同一断面の 「減衰率分布画像」 と 「音速分布画像」 とが同 時に撮影できるので、 正常組織と患部とのコントラストが大きくなるように、 この 2種類の画像を重み付け加算した合成画像を作る。 この合成画像を利用し て、 患部を含む断層スライス （画像） を選択する。
ステップ 4D：断層スライス毎に、 患部にその周辺部 （マージン） を加え て閉曲線 R0Iで囲む。
ステップ 5D：焼灼焦点を格子点と見なして、 ステップ 4D の閉曲線 R0I を埋め尽くすことで、 焦点位置を決める。 同時にその焦点での超音波強度も設 定する。
ステップ 6D： ステップ 5Dで設定した焼灼位置情報、 ステップ 3Dの減衰 率分布データ、 音速分布データ、 各振動子エレメントの位置情報から、 焦点と 各振動子エレメントとを結ぶ線分上での減衰率を補間して求める。 式 （47) か ら波数を求め、 この線分上で式 （25) の方程式を数値的に解いて駆動アンプ条 件を導く。
ステップ 7D：焦点と各振動子エレメントを結ぶ線分上で求めた音圧に式 (48) を適用して、 発熱エネルギー分布を求める。 補間することで 「発熱等高 面」 を求める。
ステップ 8D：焼灼による温度上昇の上限温度 Tsを設定する。
ステップ 9D： HIFU照射開始。 温度上昇による音速の增加は、 「狭義の開口 合成」 のアルゴリズムによる画像では画素値の位相変化に反映される。 しかも 「超音波回折トモグラフィ」 のアルゴリズムと異なり、 リアルタイムにモニタ リングできる。 これを利用してモニタリング画面から温度を測定。 上限温度 Ts に達した時点で HIFU照射をストップ。
ステップ 10D： 「超音波回折トモグラフィ」 のアルゴリズムで求めた音速 分布画像から、 より正確に温度上昇分布を調べる。
ステップ 11D：ステップ 10Dで同時に求められる減衰率分布画像から、 患 部組織のタンパク質変性を確認する。
ステップ 12D：焼灼完了したかどう力判断。
ステップ 13D：追加焼灼部位の位置と強度を設定する。
ステップ 1Dで患者 64をアプリケータ部分 16にセットする。 ステップ 2Dにお いて、 送信用トランスデューサ 67 (送信用フェーズドアレイ振動子） から超 音波の平面進行波を発生させ、 患部 3を含む対象物に放射する。 その透過波を "ソフト境界面" として動作している受信用トランスデューサ 68 (受信用フ エーズドアレイ振動子） で受信し、超音波 CTの再構成アルゴリズム 「回 折フーリエ切断面定理」 とも呼ばれるもので、 X線 CT の再構成アルゴリズム に用いられる 「投影フーリエ切断面定理」 を拡張したもの で 3次元的に 減衰率分布 α (ϊ )と速度分布 C )を求める。 ステップ 3Dで減衰率分布画像 α (？)、 音速分布画像 C (？)、 それらに式 （46) で表される重み付け加算を施し た画像、又は狭義の開口合成のアルゴリズムで撮影した反射波画像などのうち、 患部 3と正常組織とのコントラストが一番際立つ画像をモニタリング用に表示 する。 - a(r) + (l- - C(r) (46) (但し 0≤<"≤1であり、 ま実数）
ステップ 4Dにおいて患部 3を含む領域を複数のスライス （多層） に分割し、 スライス毎にモニター 30上に表示する。 取り残しミスを防ぐ目的もあって、 外科手術では患部 3だけを摘出するのではなく若干の正常組織のマージンも含 めて摘出するのが普通である。 そこで操作者は患部 3を取り囲むように正常組 織のマージンを付け加えた領域を「閉曲線 R0I」 R0Iとは関心領域 region of interest を意味する で囲み、 焼灼部位として指定する。 さらにこ の部分を焼灼するときの超音波強度も併せて指定する。
ステップ 5Dでは、 上記 R0Iが 「1個の焼灼焦点を指定したときに焼灼できる 領域」 を複数個配置することで隙間無く埋め尽くされるように、 この HIFU装 置の焼灼計画コントローラが焼灼焦点位置を自動設定する。 この計算結果と各 振動子エレメント 17の位置情報、 超音波放射指向性の情報から、 ステップ 6D で各振動子エレメント 17の駆動条件を計算する。 反射型 HIFU装置において、 駆動条件を計算する際には音速分布 C (i) =C。 （一定） と仮定したが、 透過型 HIFU装置では音速分布 C (i)も同時に求めることができるので、 そのときの波 数 k (？)を式 （47) の ί¾ϊ)と置き換えて、 前出の 2階非線形微分方程式を数値 的に解く。 ω
k(r) = -^- + j - a(r) (47)
cm 正確には、 これによつて振動子エレメント 17 における音圧が計算され、 超音 波放射指向性を加味して駆動条件 （駆動電圧振幅、 初期位相、 角周波数） が求 められる。 第 48図には、 振動子エレメント 17と駆動アンプ 4が発生する音場 と、 第 2振動子ェレメント 70と第 2駆動アンプ 71が発生する音場が重なる様 子を模式的に示す。
ステップ 7Dにおいて、 焼灼焦点 15と各振動子エレメント 17を結ぶ線分上で の音圧は式 （47) の波数を代入した式 （25) の方程式を数値的に解き、 焦点通 過後の半直線上での音圧は式 （38) の波数を代入した式 （25) の方程式を数値 的に解いて求める。 以上の計算結果から式 （48) を使ってその線分上で発熱分 布エネルギー分布を求めることができ、その値を補間することで "発熱等高面" まで予測し焼灼計画に利用することもできる。
"(?) .|Ρ(Ϊ)|2
(48)
- C(r)
ステップ 10Dにおいて、 音速分布 C (i)を 3次元的に求めることができること から、 HIFU照射直前と HIFU照射直後の音速変化と、 「初期音速の如何にかか わらず生体軟部組織の音速変化が、 水の音速変化にほぼ比例する」 という仮定 と「温度に対する音速の関係を示す経験式」 例えば Greenspan— Tschi egg による温度に対する音速の実験式が知られている HIFU照射直前の平熱
(36. 5°C) における初期音速に基づき、 音速増分から温度増分を逆算すること ができ、 HIFU照射後の温度上昇を精度良くモニタリングすることができる。 さらにステップ 11Dにおいて、 HIFU照射前の減衰率に対する HIFU照射後の減 衰率の変化比率から焼灼による "たんぱく質変性" の程度を推定し、 焼灼完了 かどうかを判断する。
1回目の焼灼で焼き残しが発生した場合には、 ステップ 13Dで追加焼灼部位を 設定し、 ステップ 2Dに戻って焼灼を進めることなる。
以上で 8種類の実施例を説明したのであるが、 これらに共通する技術としてフ ユーズドアレイ用振動子エレメント 17 に関する発明を説明する。 一般的に最 も単純な構造のフェーズドアレイ用振動子エレメント 17は平板形をしている。 その例として 「半径 aの円形平板振動子」 を考える。 振動子エレメント 17が おかれている音響伝播媒体 6 の密度を p、 音速 C (一定と仮定）、 このときの 波数を k、 加速度の実行値を Ae 、 円形振動子エレメントの半径を a 、 円形振 動子エレメントの円板中心から距離 r 、 天項角 0 、 各振動数 ω 、 観測時刻 を tとすると、 音圧 Pは 1次の第 1種ベッセル関数を用いて式 （49) と表され ることが知られている。
yo- a^ 2J,(k - a - sm6') ,
Ρ = ^ —α ~ · Ae - exp{j( k - r)} (49)
r k a smy この式から 0 =0 で音圧が最大になり、 角度 Θが大きくなると急激に音圧が下 がることが分かる。 また半径 a が波長え
Figure imgf000066_0001
Zk のオーダーまで小さくなつ ても "無指向性" （0に依存しない音圧が放射される状態） にならないことも 分かる。 Huygens の原理に従って音場再現するには、 各振動子エレメント 17 が点音源 （無指向性） に近い方が望ましい。 さらに、 HIFU 照射時に振動子ェ レメント 17 が熱的破壊などを起こさないためには、 或る程度以上のサイズを 持つことが必要となる。
そこで、 これらの条件を満たす第 1 の手段として第 52図のように、 音響イン ピーダンスが超音波伝播媒体 6のそれより大きく且つ減衰の少ない材料で作つ た 「概略凸レンズ状の音響レンズ 120J を、 各振動子エレメント 17 の超音波 放射面に接着するという方法がある。 振動子エレメント 17 から放射された超 音波は、 この音響レンズによって広がるように屈折し、 点音源の無指向性音場 に近づくことになる。
第 2の手段として、 振動子の厚みと振動周波数との関係から、 ある程度以上の 大きさになるという制約はあるが、 第 53 図のような 「概略凸型球形振動子ェ レメント」 を使う方法もある。 これによれば、 あたかも球の中心点 72 に点音 源があるかのような音場を発生することができ、 無指向性に近づけることがで きる。上記の音響レンズを使う実施例とこの概略凸型球形振動子の実施例では、 概略水平方向にも HIFU照射をしてしまうので、 どうしても隣接する振動子ェ レメント間に "干渉" 超音波伝播によって駆動アンプ 4の出力に影響を 及ぼす を発生するという欠点が生じる。 これは、 駆動アンプ 4に "ロバ スト制御" （制御の一種。 出力に外乱が混入しても、 安定して設定目標どおり の出力が出るようにする制御方法） を組み込むことで解決することができる。 また第 3の手段として、 第 54図のような 「概略凹型球形振動子エレメント」 を使う方法もある。 この場合は上記 2例のように水平方向の干渉が発生しにく い。 振動子エレメント 17から放射された超音波は、 一旦この球形の中心点 72 を通過した後、 あたかもそこに点音源あるかのような音場を発生する。 超音波 エコーを受信するという観点からは、 どうしても理想的な無指向性に近づけに くいという欠点があるが、 超音波放射の観点からは口バスト制御などを特に必 要としないという利点がある。
産業上の利用可能性
以下に本発明のタイプ別にその産業上の利用可能性について述べる。 「ス イッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 では、 焼灼焦点 15の深さ （フ エーズドアレイ振動子から焦点 15 までの距離） 方向への移動、 横方向へ移動 をスィッチ群の切り換えだけで行え、 そのためアプリケ一タ部分 16 と患者体 表面 8 との音響的接触を一度確保したらその状態のままで複数の焦点 15を焼 灼できるので、 焼灼時間を大幅に短縮できるメリットがある。 さらに駆動アン プ群 4の数は、 振動子エレメント 17の総数ではなく、 位相の分割数にだけ依 存するので実用上その数を格段に減らすことができ、 しいては小型化を可能に するので、 焼灼治療装置、 止血装置、 遺伝子導入装置などを可搬型装置として 利用可能である。 また対象物の減衰率 平均減衰率を求め、 生体内部はそ の一定の値で代表させる は実測値を使うので、先験値を使うよりは HIFU 照射の精度を高めることができ、 個体差による焼灼結果のばらつきを抑えるこ とができるメリットもある。
「反射型 HIFU装置」 では 「2周波数の画像による減衰率分布測定」 により減 衰率分布を実測し、 その不均一性を考慮して各振動子エレメント 17 の駆動条 件を設定するので、 「スィッチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置」 より高 精度な焼灼が可能となる。 干渉によって打ち消し合わない位置に置くことだけ に気を付けて配置すれば、 "重ね合せの原理" により、 1回の HIFU照射で複数 の焼灼焦点 15 を同時に焼灼することができる。 即ち焼灼時間を大幅に短縮す ることができる。 狭義の開口合成アルゴリズムで撮影した画像において、 各画 素における位相変化は温度上昇による音速の変化に対応することから、 一過性 の加熱状態もモニタリングできることになる。 さらにタンパク質変性も減衰率 分布の変化に対応させることができて、 焼灼程度を確認することができる。 さ らにイメージングのための送受信と HIFU照射には同一の振動子エレメント群 17 を使うので、 HIFU照射時の反射波によるエレメントの破損は発生しない。 そのためスィツチ切り換え型ァニユラ一アレイ HIFU装置に超音波診断装置 29 のィメージング用プローブ 2を組み合わせたときのように、 プローブ 2の開口 部を遮蔽するシャッターを付加する必要が無くなるというメリットがある。 各 振動子エレメント 17に対して HIFU照射用に使用するかしないかを個別に設定 することが出来、 肋骨などへの照射を避けながら体外から肝臓へだけ HIFU 照 射することも可能である。 脳、 肝臓、 乳房、 子宮を含む骨盤腔の臓器の焼灼治 療装置として利用可能である。 勿論、 減衰率分布と振動子エレメント群 17 の 駆動条件から HIFU照射前に発熱パターンを予測しながら焼灼計画を立てたり、 音速分布から HIFU照射直後の温度上昇分布をモニタリングすることで、 不測 の原因による過剰加熱などを最小限に食い止めたりすることも可能である。 「透過型 HIFU 装置」 では、 超音波回折トモグラフィの再構成アルゴリズムに よって 3次元的に減衰率分布と音速分布の両方を同時測定できるので、 上記 2 種類の HIFU装置より正確に振動子ェレメント群 17の駆動条件を設定すること ができ、 より正確な焼灼が可能な焼灼装置として利用可能である。 原理的には 空間分解能が超音波波長の 2 倍という高分解能で、 且つ超音波パルス法 で問題であったスペックル ·ノイズがない超音波透過画像をモニタリングに使 えるというメリツトもある。 さらに HIFU 照射用のフェーズドアレイ振動子は 或る固定された回転軸 69の周りに回転可能なので、 最も HIFU照射に有利な位 置まで回転および固定して焼灼することができるメリットもある。 全周にわた つて頭蓋骨を一時的外すこと 脳硬膜は開けない状態で により脳手 術に適用したり、 乳房 56 に適用したりすることが可能であるというメリット ¾ある。

Claims

請求 の 範囲
集束強力超音波 (high intensity focused ultrasound, 以下 HIFU と略す） を照射するためのトランスデューサがフェーズドアレイ振動子であって、 それを構成する振動子エレメント群が 2次元配列され、 且つその位置が独 立する 2個の座標軸 X、 Yを使って現されるとき、 X方向および Y方向の間 隔が周期的に繰り返すパターンになるように全ての振動子ェレメント群が 配置され、 これらの振動子エレメント群は 2次元配列順序関係を保存した まま第 1 スィツチの第 1電極群に電気的に接続され、 第 1 スィツチの第 2 電極群を摺動することで一括して切り換えることができ、 この第 1 スイツ チの第 2電極群は第 2 スィツチの第 3電極群に順序関係を保ったまま接続 され、 第 2スィッチの第 4電極群を摺動することで一括して切り換えるこ とができ、 この第 2 スィツチの第 4電極群は順序関係を保ったまま中継電 極に接続され、 中継電極上で電極間の相互接続によって複数個の要素に分 類されて第 1要素群を形成し、 第 1要素群の各要素は第 3スィツチの第 6 電極群に接続され、 第 3 スィツチの第 5電極群は第 1要素群の各要素の組 み合わせパターンを変えられるように電極間が相互接続されて、 この組み 合わせパターンをチャンネルと呼ぶことにすると、 複数のチャンネルを持 つ第 2要素群を形成し、 第 2要素群の各チャンネルの構成要素である相互 接続された電極が駆動電圧の初期位相の違いにしたがって束ねられ且つ電 気的に接続された後、 対応する電気出力可能な独立の駆動アンプ群を含む 送受信回路に電気接続され、 第 3 スィツチの第 6電極群を摺動することで 一括して切り換えることができることを特徴とする HIFU治療装置。 トランスデューサを構成する振動子エレメント群が誤差範囲内で同一の形 状及び電気音響特性を有し、 X方向と Y方向に各々独立した間隔で等間隔に 並べられると条件下で平面、 円筒側面、 円筒側面の一部、 もしくは平面を ある一方向にだけ伸縮させずに滑らかに曲げた曲面上に配置されるという 特徴を持つトランスデューサを有し、 第 1 スィッチや第 2 スィッチを切り 換えるときには駆動アンプ群の出力設定値を変えず、 主として第 3 スイツ チを切り換えるときだけに出力設定値を変えるという特徴を有し、 トラン スデューザの機械的移動を伴わずに第 1 スィッチ、 第 2 スィッチ及び第 3 スィツチを切り換えるだけで、 トランスデューサが焦点及び音響伝播媒体 内に発生する音場パターンを、 X方向、 Y方向及びこれらと直交する Z方向 に移動させることができる請求項 1の HIFU治療装置。 切り換えき由度 1 の第 1 スィッチと、 切り換え自由度 1 の第 2スィッチの 切り換え機能を 1つにまとめた切り換え自由度 2を有する第 4スィッチに よって、 第 1 スィッチと第 2 スィッチの部分を置き換えたことを特徴とす る請求項 1の HIFU治療装置。 請求項 1 の第 1 と第 2スィッチ、 もしくは請求項 3の第 4スィッチが音場 パターンの X方向または Y方向の移動を制御し、 中継電極が概略同心円状 の相互接続により分類され、 その分類された要素は第 1 要素群を形成し、 第 1要素群は第 3スィツチの第 6電極群に接続され、 第 3 スィツチの第 5 電極群は第 1 要素群の各要素の組み合わせパターンを変えるためのチャン ネルから成る第 2要素群を形成し、 第 2要素群の各チャンネルを構成する 相互接続された電極は印加される高周波電圧の初期位相の違うチヤンネル 毎に分類され、 分類されたチャンネル内部では全て相互接続され、 対応す る初期位相の異なる高周波電圧が印加されることで、 第 3 スィッチの切り 換えが X、 Y方向と概略直交する Z方向への移動を制御することを特徴とす る HIFU治療装置。 請求項 1 の振動子エレメント群と接続されていない全ての第 1 電極群の電 極には、 振動子エレメントと同じ駆動周波数において電気インピーダンス が振動子エレメン卜と同じで且つ同等の電気エネルギーを投入しても破損 しないダミー負荷が接続されることによって、 第 1、 2 スィッチを切り換え ても駆動アンプ群から第 3 スィッチを見込んだ負荷インピーダンスが殆ど 変化しないことを特徴とする HIFU治療装置。 第 2スィッチ （または第 1スィッチ） を省略し、 順序関係を保ったまま第 1 スィッチの第 2電極を中継電極に接続することで、 フェーズドアレイ振動 子を機械的に移動させることなく、 フェーズドアレイ振動子に対して X方 向 （または Y方向） の一方向及び Z方向にだけ焦点移動できることを特徴 とする請求項 2の HIFU治療装置。 第 3 スィッチを省略し、 その代わりに中継電極のリング状に分類 ·接続し た要素を、 駆動電圧の初期位相の違いに従って再分類し電気的に相互接続 することで、 フェーズドアレイ振動子を機械的に移動させることなく、 フ エーズドアレイ振動子に対して X方向及び Y方向だけに焦点移動できるこ とを特徴とする請求項 2の HIFU治療装置。 第 1 スィッチと第 2 スィッチを省略し、 フェーズドアレイ振動子の順序関 係を保ったまま、 振動子エレメントとダミー負荷を中継電極に接続するこ とで、 フェーズドアレイ振動子を機械的に移動させることなく、 フェーズ ドアレイ振動子に対し Z 方向だけに焦点移動できることを特徴とする請求 項 2の HIFU治療装置。 9 . 請求項 1 の電極が機械的接触、 磁気結合、 容量結合によって導通する構造 になっており、 その電極を通して駆動エネルギーが駆動アンプ群から振動 子エレメント群に伝達されることを特徴とする HIFU治療装置。
1 0 . 請求項 1 の HIFU照射用トランスデューサの一部分に穴が開けられ、 そ こには超音波イメージング用プローブが付加され、 穴の面にほぼ垂直な軸 の周りに回転させるための駆動手段、 回転角度検出手段、 HIFU 照射と同期 してプローブを遮蔽して反射波から保護する手段を設けることで、 集束強 力超音波による焼灼領域を含む 3次元領域をモニターしながら HIFU照射で きることを特 ί敫とする請求項 1の HIFU治療装置。
1 1 . 第 1 周波数を有する超音波反射波を用いた超音波エコー法で撮影した第 1画像と、 第 1画像を超音波パルス波またはバースト波を送信した方向に沿 つて微分した第 1微分画像と、 第 1周波数とは異なる第 2周波数で同じ断 面を撮影した第 2 画像と、 第 2画像を超音波パルス波またはバースト波を 送信した方向に沿って微分した第 2微分画像と、 第 1周波数と 2周波数に おける振動子ェレメント群の送受信感度から減衰率分布画像を求めること を特徴とするアルゴリズム。
1 2 . 第 1周波数が振動子エレメントの基本周波数であって、 第 2周波数が 2 以上の整数倍であることを特徴とする請求項 11のアルゴリズム。
. 超音波イメージング用プローブを順次回転させて求めた複数枚の減衰率 分布画像から、 それらの画素値を全て平均することで平均減衰率を求め、 この値とトランスデューサから HIFU焦点までの距離から駆動アンプ群の出 力設定条件を修正することを特徴とする HIFU治療装置。 . HIFU照射用トランスデューサがフェーズドアレイ振動子であって、 その 振動子エレメント群が 2 次元配列され、 各振動子エレメント毎に送受信回 路が接続されており、 全ての振動子エレメントが複数種類の周波数の搬送 波を有する超音波パルス波またはバース ト波で送受信することでイメージ ングを行い、 且つ同じ振動子エレメントを連続駆動することで HIFU照射を 行うことを特徴とする HIFU治療装置。 . 第 1周波数とこれとは異なる第 2周波数の搬送波を有する超音波パルス 波またはバースト波で 2 次元または 3 次元領域のイメージング行い、 且つ 第 1周波数の搬送波を有する連続波で HIFU照射を行うことを特徴とする請 求項 14の HIFU治療装置。 . 請求項 11 の減衰率分布画像を求めるアルゴリズムと請求項 14 の HIFU 照射用トランスデューサを使って 3 次元領域の減衰率分布を求め、 正負の 符号を逆にした減衰率及び符号を変えない平均音速から求めた波数と、 HIFU 照射で発生させたい超音波の焦点における超音波強度情報および焦点位置 情報と、 HIFU 照射のときに使われる各振動子エレメントの位置情報とを使 い、 点音源が焦点位置にあって且つ球対称な音場を発生すると仮定して焦 点と振動子エレメントを結ぶ線分上において波動方程式を数値的に解き、 この結果から求めた高周波電圧の振幅と、 この波動方程式で仮定した搬送 波の角周波数の符号を逆にした角周波数から求めた駆動条件で各振動子ェ レメントを駆動することを特徴とする HIFU治療装置。 . 請求項 16 の駆動条件で駆動される振動子エレメント群の範囲が単連結 の面上にあり、 且つその面上にあって位置が異なる任意の 2個の振動子ェ レメント中心と超音波焦点を結ぶ 2本の線分が超音波焦点を頂点としてな す角度が常に 180° 未満である条件を満足する範囲にあることを特徴とする HIFU治療装置。 . 請求項 17 を満たす振動子エレメントと焦点を結ぶ線分上における音圧 には請求項 16 の波動方程式を解く過程で求めた数値解を対応させ、 振動子 エレメントからみて焦点通過後の直線上の音圧には、 正負の符号を変えな い請求項 11 の減衰率及び符号を変えない平均音速から求めた波数と焦点で の超音波強度と位置情報とを使い、 点音源が焦点位置にあって且つ球対称 な音場を発生すると仮定して波動方程式を数値的に解いた音圧を対応させ、 その線上の音圧と、 正負の符号を変えない請求項 11 の減衰率と、 生体組織 の平均密度と、 符号を変えない生体組織の音速から線上での発熱分布を得、 その線上のデータを補間することで発熱等高面を求め、 その結果をモニタ 一に表示することを特徴とする HIFU治療装置。 . 請求項 14 の振動子ェレメントで超音波を受信するとき、 振動子ェレメ ントの超音波放射面で反射波が発生しないように、 面上での音圧が受信中 に常にほぼ 0 を維持するように駆動回路をフィードバック制御し、 同時に そのフィードバック制御された駆動回路の一部分から受信信号を取り出す ことを特徴とする各振動子ェレメントおよびその送受信回路。 . HIFU照射用トランスデューサが円筒形をしており、 請求項 17 の条件を 満たす第 1 振動子エレメント群を使い、 駆動領域を順次移動させながら超 音波パルスで送受信し、 狭義の開口合成アルゴリズムにより円筒内部領域 のイメージングを行う力、 または第 1 振動子エレメント群で送信し、 焦点 をはさんで点対称の位置にある第 2振動子エレメント群で受信し、 狭義の 開口合成アルゴリズムにより円筒内部領域のイメージングを行うことを特 徴とする HIFU治療装置。 . 請求項 14の HIFU照射用トランスデューサが移動用ァクチユエ一タに固 定され、 HIFU照射トランスデューサの超音波放射面が概略回転軸に向き且 つ対象物が回転軸近傍に配置された状態で、 回転軸の周りに HIFU照射用ト ランスデューサがこのァクチユエータによって回転させられ、、 HIFU照射用 トランスデューサが超音波パルス波またはバースト波を送受信するかまた は HIFU照射するとき、 常に回転軸をはさんで HIFU照射用トランスデュー サとほぼ対称な位置関係を保つように超音波吸収部材が移動させられるか、 もしくは HIFU照射用トランスデューサの移動軌跡より外側で且つ全周にわ たって超音波吸収部材が固定配置されていることを特徴とする HIFU治療装 . 回転軸の近傍に対象物があり、 回転軸をはさんで超音波送信用トランス デューサと超音波透過波受信用トランスデューサとが対向配置され、 この 位置関係を保ったまま回転軸の周りに回転しながら送受信を繰り返し、 超 音波回折トモグラフィのアルゴリズムで断層像を再構成する超音波 CT装置 において、 振動子エレメントを請求項 14の振動子エレメントに置き換え、 送受信回路を請求項 19のフィードバック制御された送受信回路に置き換え ることによって、 3次元領域の音速分布と減衰率分布を計測し、 それら情報 と操作者が入力した焼灼焦点の超音波強度情報および位置情報から請求項 16のアルゴリズムを適用することで振動子ェレメント群の駆動条件を求め、 その条件に従って HIFU照射して焦点を含む領域を焼灼することを特徴とす る HIFU治療装置。
2 3 . 送信用と受信用トランスデューサの両方または受信用トランスデューサ だけの超音波放射面において、 反射波が発生するのを抑制するために請求 項 19の振動子エレメントとフィードバック制御された送受信回路を付加し たことを特徴とする請求項 22の HIFU治療装置。
2 4 . 請求項 18のアルゴリズムを適用して HIFU照射前に対象物内部の発熱等 高面を求め、モニタリング画面に表示することを特徴とする請求項 22の HIFU 治療装置。
2 5 . 第 1温度における生体組織の第 1超音波伝播速度 （音速） と第 2温度に おける同じ生体組織の第 2超音波伝播速度との差が、 第 1 温度における水 の第 3超音波伝播速度と、 第 2温度における水の第 4超音波伝播速度との 差に等しいと仮定し、 水の温度に対する超音波伝播速度の関係を示す実験 式と、 加熱前後の音速分布を比較 ·換算することで加熱後の生体組織の温 度を推定することを特徴とする温度分布推定アルゴリズム。 2 6 . HIFU照射による焼灼 （加熱） 前後の音速変化分だけを抽出した差画像も しくは比率画像を 「一過性の温度変化に対応する画像」、 焼灼 （加熱） 前後 の減衰率変化分だけを抽出した差画像もしくは比率画像を 「不可逆性タン パク質変性に対応する画像」 という意味の画像としてモニタリング画面に 表示することを特徴とする HIFU治療装置。 . 吸引カップと、 吸引カップ內部を減圧にするために吸引カップに接続さ れたチューブと、 その減圧状態を検知するための圧力センサーと、 吸引ポ ンプと、 吸引カップとチューブを牽引する機構と、 牽引のための張力を検 知するためのセンサーと、 これら全体を制御するためのコントローラとが 付加され、 乳房などの身体の一部を吸引カップに吸引させた後、 その身体 の一部を音響伝播媒体が満たされており且つ HIFU照射用トランスデューサ が取り囲む空間内に挿入し、 吸引力ップに繋がるチューブを牽引すること でその身体の一部を固定できるという特徴を持つ請求項 20または請求項 22 の HIFU治療装置。 . 患者体表面上で且つ一直線上にない 3 ケ所以上の位置に位置検出用マー カーまたはマーカー位置検出センサーを貼付し、 HIFU 照射用トランスデュ ーサ近傍で位置関係が変化せず一直線上に並ばない 3 ケ所以上の場所に位 置検出センサーまたは位置検出用マーカーが固定され、 位置検出用マーカ 一と位置検出センサーの相互位置情報を順次計測 ·記録することで、 HIFU 照射用トランスデューサを移動用ァクチユエータで移動させても、 移動前 に最も近い位置関係に復帰できることを特徴とする HIFU治療装置。 . 複数箇所の超音波焦点に対して同時に HIFU照射を行うとき、 任意の 2 箇所の焦点の組み合わせにおいて、 第 1 の焦点と第 2 の焦点間の距離が予 め設定された距離より短く且つ焦点中心における音圧の位相が同位相の場 合には、 第 2の焦点を HIFU照射の周波数における音響伝播媒体中での超音 波の半波長の奇数倍かそれに極力近い距離が確保できる位置に配置し、 第 1 の焦点と第 2 の焦点間の距離が予め設定された距離より短く且つ焦点中心 における音圧の位相が逆位相の場合には、 第 2の焦点を HIFU照射の周波数 における音響伝播媒体中での超音波の波長の整数倍かそれに極力近い距離 が確保できる位置に配置し、 その条件が確保できない場合は第 2 の焦点に 対する HIFU照射のタイミングをずらし、 その 2箇所の焦点間距離が予め設 定された距離より長い場合には、 焦点の音圧の位相に関係なく距離条件さ え満足すれば任意の位置に第 2 焦点を配置するという規則を満足するよう に HIFU照射計画を立てることを特徴とする請求項 14または請求項 22の HIFU 治療装置。 . HIFU照射前に超音波焦点を配置可能な領域、 または配置可能な領域と不 可能な領域を識別する境界線またはコンピュータ画像を、 モニターとして 使っている超音波画像に重畳表示することを特徴する請求項 1 または請求 項 14または請求項 22の HIFU治療装置。 . HIFU照射用トランスデューサを構成する振動子エレメントの超音波放射 範囲を広げるために、 概略平板状の振動子エレメントの超音波放射面に音 響インピーダンスが音響伝播媒体より高レ、材質で構成された概略凸レンズ 状の音響レンズを固着するか、 振動子エレメントの超音波放射面を概略凸 型の球殻状にするか、 振動子ェレメントの超音波放射面を概略凹型の球殻 状にすることを特徴とする請求項 1または請求項 14または請求項 22の HIFU 治療装置。 '
. HIFU照射を導入するための第 1開口部と、 脳内の患部をはさんで概略点 対称の位置に HIFU照射を逃がすための第 2開口部とを、 脳硬膜を破くこと なく頭蓋骨に開け、 第 2開口部近傍には超音波減衰部材を配置し、 第 1 開 口部から HIFU照射を行うことを特徴とする請求項 14の脳専用 HIFU治療装 . 脳硬膜を破くことなく脳が全周から見渡せるように頭蓋骨を開頭し、 全 周から超音波回折トモグラフィのアルゴリズムによって断層像を撮影し、 同じ HIFU照射用トランスデューサを用いて HIFU照射することを特徴とす る請求項 22の脳専用 HIFU治療装置。 . 請求項 16、 18、 22、 24、 25 のアルゴリズムを実行するための計算は、 計算に必要なデータだけを高速通信回線経由で別の場所にあるコンビュ一 タに送り、 計算結果だけを高速通信回線経由で送り返してもらい、 HIFU 照 射のための駆動条件設定、 画像表示、 手術計画表示などは本体側のコンビ ユータで行うことを特徴とする HIFU治療装置。
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