WO2018146789A1 - 超音波内視鏡装置、超音波素子および超音波素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明の超音波内視鏡（１）は、長手軸を有する挿入部（２）と、該挿入部（２）の先端部に設けられ長手軸に沿う方向に並んで配置された診断用超音波素子（３）および治療用超音波素子（４）とを備え、治療用超音波素子（４）は、長手方向（Ｂ）が互いに並列するように長手軸に沿う方向に配列され長手方向（Ｂ）の伸縮によって治療用超音波をそれぞれ発生する柱状の複数の圧電体を備え、長手方向（Ｂ）が、長手軸に直交する挿入部（２）の径方向に対して診断用超音波素子（３）側に傾斜している。

Description

超音波内視鏡装置、超音波素子および超音波素子の製造方法

　本発明は、超音波内視鏡装置、超音波素子および超音波素子の製造方法に関するものである。

　従来、焦点に収束する超音波を利用したＨＩＦＵ（Ｈｉｇｈ　Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）治療装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。超音波の焦点を治療対象部位に一致させることで、治療対象部位に高エネルギの超音波を照射して治療対象部位を焼灼することができる。ＨＩＦＵ治療装置の使用時には、治療対象部位の位置や大きさ等をモニタリングする必要がある。そのため、体内式のＨＩＦＵ治療装置には、治療用の超音波を射出する治療用超音波素子に加えて、治療対象部位の超音波画像を取得するための診断用超音波素子が設けられる。

　体内式のＨＩＦＵ治療装置の挿入部は、体内への良好な挿入性を確保するために細径であることが望ましい。そのため、治療用超音波素子と診断用超音波素子は、挿入部の長手方向に並んで配置されることが一般的である。このような配列を採用した場合、治療用の超音波による治療領域と診断用の超音波による観察領域とが、挿入部の長手方向に互いにずれた位置に配置される。したがって、治療対象部位の観察後に、挿入部を長手方向に移動させて治療領域を治療対象部位に一致させる操作が必要となる。このような不都合を解消するために、特許文献１では、診断用超音波素子による観察領域に治療領域が重複するように治療用超音波素子を診断用超音波素子側に傾斜させている。

特開２０００－０９３４２９号公報

　しかしながら、特許文献１のように、挿入部の長手方向に対して治療用超音波素子を傾斜させた場合、挿入部の径が増大し、挿入部の体内での挿入性および操作性が低下するという問題がある。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、挿入部の径を増大することなく治療領域を観察領域に重複させることができる超音波内視鏡装置、超音波素子および超音波素子の製造方法を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明の第１の態様は、長手軸を有し体内に挿入される挿入部と、該挿入部の先端部に設けられ、治療用超音波を射出する射出面を有する治療用超音波素子と、前記挿入部の先端部に前記治療用超音波素子と前記長手軸に沿う方向に並んで設けられ、体内の超音波画像信号を取得する診断用超音波素子とを備え、前記治療用超音波素子は、長手方向が互いに並列するように前記射出面に沿う方向に配列され前記長手方向の伸縮によって前記治療用超音波をそれぞれ発生する柱状の複数の圧電体を備え、該複数の圧電体の前記長手方向が、前記長手軸に直交する前記挿入部の径方向に対して前記診断用超音波素子側に傾斜している超音波内視鏡装置である。

　本発明の第１の態様によれば、圧電体の長手方向の伸縮によって発生した治療用超音波が治療用超音波素子の射出面から射出されることにより、体内に配置された挿入部の先端部の周囲の生体組織に治療用超音波が照射される。一方、治療用超音波素子の先端側または基端側に設けられた診断用超音波素子によって挿入部の先端部の周囲の生体組織の超音波画像信号が取得される。

　この場合に、射出面からの治療用超音波の射出方向は、圧電体の伸縮方向である長手方向に一致する。圧電体の長手方向は挿入部の径方向に対して診断用超音波素子側に傾斜しているので、治療用超音波は、診断用超音波素子による観察領域に向かって挿入部の径方向に対して斜めに射出される。これにより、挿入部の径を増大することなく、治療用超音波による治療領域を観察領域に重複させることができる。

　上記第１の態様においては、前記治療用超音波素子は、焦点において互いに強め合う前記治療用超音波を前記複数の圧電体から発生させるとともに、前記焦点の位置を変更可能であってもよい。
　このようにすることで、焦点において局所的に治療用超音波のエネルギを強めることができ、焦点が位置する狭い領域のみを選択的かつ効率的に治療することができる。また、挿入部の位置を固定したまま、焦点の移動によって治療用超音波による治療位置を変更することができる。

　上記第１の態様においては、前記治療用超音波の前記焦点の移動可能範囲の全体が、前記超音波画像信号の観察領域に含まれていてもよい。
　このようにすることで、焦点をいずれの位置に設定した場合でも、超音波画像によって治療対象部位を観察しながら治療用超音波による治療対象部位の治療を行うことができる。

　上記第１の態様においては、前記治療用超音波素子の前記射出面が、平面であってもよい。
　このようにすることで、挿入部の径方向における治療用超音波素子の寸法を抑制することができる。

　上記第１の態様においては、前記治療用超音波素子の前記射出面が、前記長手軸に平行な軸回りに湾曲した凹面であってもよい。
　このようにすることで、射出面の曲率に応じた位置に治療用超音波が収束することで、収束位置において強い超音波エネルギを得ることができる。

　上記第１の態様においては、前記診断用超音波素子が、前記治療用超音波素子よりも先端側に設けられていてもよい。
　このようにすることで、診断用超音波素子による観察領域が治療対象部位に到達するまでの挿入部の挿入量が、より少なくて済む。

　本発明の第２の態様は、板厚方向の一側の射出面から超音波を射出する板状の超音波素子であって、長手方向が互いに並列するように前記射出面に沿う方向に配列され前記長手方向の伸縮によって前記超音波をそれぞれ発生する柱状の複数の圧電体を備え、該複数の圧電体の前記長手方向が、前記板厚方向に対して傾斜している超音波素子である。

　本発明の第２の態様によれば、圧電体の伸縮方向である長手方向が超音波素子の板厚方向に対して一側に傾斜しているので、圧電体によって発生された超音波は、射出面の正面方向（法線方向）に対して斜め方向に射出され、超音波による治療領域は、射出面の正面から一側に偏った位置に形成される。
　このような超音波素子を、圧電体の長手方向が診断用超音波素子側に向かって傾斜するように、挿入部の長手軸に沿う方向に配置することで、挿入部の径を増大することなく治療領域を観察領域に重複させることができる。

　本発明の第３の態様は、長手方向が互いに並列するように配列された柱状の複数の圧電体が一体化された中間体を作成する中間体作成工程と、該中間体作成工程によって作成された前記中間体を前記長手方向の両側の面側から研削することにより板状の超音波素子を前記中間体から削り出す研削工程とを含み、該研削工程において、研削方向に対して前記複数の圧電体の前記長手方向を傾斜させた状態で前記中間体を研削する超音波素子の製造方法である。

　本発明によれば、挿入部の径を増大することなく治療領域を観察領域に一致させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る超音波内視鏡装置の先端部の構成を模式的に示す図である。 図１の超音波内視鏡装置の治療用超音波素子における圧電体の配列を説明する図である。 治療用超音波素子に設けられた電極および電力ケーブルの配線を示す図である。 図３のＧＮＤ電極の変形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る超音波素子の製造方法を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る超音波素子の製造方法の変形例を説明する図である。 治療用超音波素子の変形例を示す図である。

　以下に、本発明の一実施形態に係る超音波内視鏡装置について図面を参照して説明する。
　本実施形態に係る超音波内視鏡装置１は、体内に挿入して使用される体内式の内視鏡装置であり、図１に示されるように、体内に挿入される細長い挿入部２と、該挿入部２の先端部に設けられた診断用超音波素子３および治療用超音波素子４とを備えている。診断用超音波素子３および治療用超音波素子４は、挿入部２の長手軸に沿う方向に並んで配置され、診断用超音波素子３が治療用超音波素子４よりも先端側に設けられている。符号５，６は、超音波素子３，４を挿入部２の外部の装置とそれぞれ接続するケーブルである。

　診断用超音波素子３は、挿入部２の径方向外方を向いて配置され挿入部２の径方向外方へ向けて診断用超音波を射出する射出面３ａを有している。診断用超音波素子３は、射出面３ａに対向する観察領域Ｓに診断用超音波を照射するとともに観察領域Ｓからの診断用超音波の反射波を受信することで、観察領域Ｓの超音波画像信号を取得する。

　診断用超音波素子３によって取得された超音波画像信号は、診断用超音波素子３から、挿入部２の外部に配置された画像処理装置（図示略）にケーブル５を介して送信される。画像処理装置では、超音波画像信号に基づいて超音波画像が生成され、生成された超音波画像がディスプレイ（図示略）に表示されるようになっている。

　治療用超音波素子４は、矩形の平板状であり、板厚方向Ａの一側の端面が治療用超音波を射出する平坦な射出面４ａを形成している。治療用超音波素子４は挿入部２の長手軸に沿う方向に配置され、射出面４ａが、診断用超音波素子３の射出面３ａと同一側を向いて挿入部２の長手軸に沿う方向に配置されている。

　治療用超音波素子４は、図２に示されるように、互いに間隔を空けて射出面４ａに沿う方向にマトリクス状に配列された複数の柱状の圧電体４１と、該複数の圧電体４１の間の間隙を埋める樹脂４２とからなるコンポジット構造を有し、樹脂４２によって複数の圧電体４１が一体化されている。複数の圧電体４１は、長手方向（中心軸に沿う方向）Ｂが互いに並列するように配列され、長手方向Ｂが治療用超音波素子４の板厚方向Ａに対して一側に傾斜している。治療用超音波素子４は、挿入部２の長手軸に直交する径方向に対して長手方向Ｂが先端側に傾斜するように、挿入部２に設けられている。

　各圧電体４１には、該各圧電体４１に長手方向Ｂに高周波電力を供給するための電力ケーブル６が接続されている。各圧電体４１は、電力ケーブル６を介して、挿入部２の外部に配置された電源（図示略）から高周波電力が供給されることで、長手方向Ｂに伸縮して治療用超音波を発生する。このときの治療用超音波の射出方向は、圧電体４１の伸縮方向である長手方向Ｂとなる。長手方向Ｂは、挿入部２の径方向に対して先端側に傾斜しているので、射出面４ａからは、図２に示されるように、観察領域Ｓ側に向かって該挿入部２の径方向に対して斜め方向（図２の矢印Ｕ参照。）に治療用超音波が射出され、治療用超音波の照射領域が観察領域Ｓと重複するようになっている。

　複数の圧電体４１は複数のグループに分けられており、複数のグループのそれぞれに電力ケーブル６が１本ずつ接続され、同一グループに属する圧電体４１は共通の電力ケーブル６から同一の高周波電力が供給されるようになっている。
　具体的には、図３に示されるように、射出面４ａには全ての圧電体４１に共通のグランド（ＧＮＤ）電極９が設けられ、該ＧＮＤ電極９に１本の電力ケーブル６１Ｇが接続されている。また、圧電体４１の射出面４ａとは反対側の端面には、グループ毎に共通の正極電極１０が設けられ、各正極電極１０に１本の電力ケーブル６１，６２，６３，６４が接続されている。図３に示される例では、２個の圧電体４１から１つのグループが構成されているが、各グループは、１個の圧電体４１から構成されていてもよく、３個以上の圧電体４１から構成されていてもよい。

　このように、各グループの正極電極１０に１本ずつ電力ケーブル６１，６２，６３，６４を接続することで、各グループへの高周波電力の供給タイミングを個別に制御して各グループの圧電体４１が治療用超音波を発生するタイミングおよび治療用超音波の位相を制御することができる。これにより、治療用超音波を複数のグループから射出させ、干渉により１点（焦点）Ｆで互いに強め合わせることができる。さらに、高周波電力の供給タイミング間の遅延時間を制御することによって、焦点Ｆの位置を３次元的に変更することができる。焦点Ｆの位置は、例えば、電源用の制御装置（図示略）を介して操作者が設定可能となっている。
　なお、ＧＮＤ電極９は、図４に示されるように、正極電極１０と同様に、グループ毎に設けられ、各ＧＮＤ電極９に１本ずつ電力ケーブル６２Ｇ，６３Ｇ，６４Ｇ，６５Ｇが接続されていてもよい。

　ここで、上述したように、治療用超音波は先端側に向かって挿入部２の径方向に対して斜めに射出されるので、遅延時間の制御による治療用超音波の焦点Ｆの移動可能範囲、すなわち治療用超音波によって治療可能な治療領域Ｔは、射出面４ａの中心の正面位置から観察領域Ｓ側に偏った位置に形成され、治療領域Ｔが観察領域Ｓに重複する。このときに、治療領域Ｔの全体が観察領域Ｓ内に含まれるように、診断用超音波素子３と治療用超音波素子４との相対位置、および、挿入部２の径方向に対する圧電体４１の長手方向Ｂの傾斜角度が設計されている。

　次に、このように構成された超音波内視鏡装置１の作用について説明する。
　本実施形態に係る超音波内視鏡装置１によって体内の治療対象部位の観察および治療を行うためには、診断用超音波素子３から診断用超音波を射出して超音波画像信号を取得しながら、挿入部２を先端側から体内に挿入する。操作者は、ディスプレイ上の超音波画像によって体内の治療対象部位を観察し、治療領域Ｔ内に治療対象部位が配置される位置に挿入部２を位置決めする。このときに、診断用超音波素子３が治療用超音波素子４よりも先端側に設けられているので、挿入部２の体内への挿入量がより少なくて済む。

　続いて、治療用超音波の焦点Ｆの位置を治療対象部位に設定し、治療用超音波素子４から治療用超音波を射出する。これにより、治療対象部位に高エネルギの治療用超音波を照射して治療対象部位を焼灼することができる。このときに、治療領域Ｔ全体が超音波画像の観察領域Ｓに含まれているので、治療対象部位を超音波画像で観察しながら当該治療対象部位への治療用超音波の照射を行うことができる。

　ここで、仮に圧電体４１の伸縮方向である長手方向Ｂが治療用超音波素子４の板厚方向Ａに平行であったとした場合、治療用超音波素子４からは、板厚方向Ａに平行な方向に治療用超音波が射出され、射出面４ａの中心の正面に治療領域Ｔが形成される。この場合には、治療領域Ｔが観察領域Ｓから基端側にずれた位置に形成されるので、治療領域Ｔが観察領域Ｓに重複しないか、または治療領域Ｔの一部の狭い範囲のみが観察領域Ｓに重複する。

　これに対し、本実施形態によれば、圧電体４１の長手方向Ｂが板厚方向Ａに対して診断用超音波素子３側に傾斜しているので、治療用超音波が観察領域Ｓに向かって板厚方向Ａに対して斜め方向に射出され、射出面４ａの中心の正面位置から観察領域Ｓ側に偏った位置に治療領域Ｔが形成される。これにより、挿入部２の長手軸に沿う方向に配置された治療用超音波素子４を用いて観察領域Ｓ側に偏った位置に治療領域Ｔを形成することできる。したがって、治療用超音波素子４を挿入部２の内部で傾斜して配置する必要が無いので、挿入部２の径を増大することなく、治療領域Ｔ全体を観察領域Ｓに重複させることができるという利点がある。

　次に、本実施形態に係る治療用超音波素子４の製造方法について図５を参照して説明する。
　治療用超音波素子の製造方法は、図５に示されるように、柱状の複数の圧電体４１が一体化された中間体７を作成する中間体作成工程Ｓ１と、中間体７から板状の治療用超音波素子４を削り出す研削工程Ｓ２とを含む。

　中間体作成工程Ｓ１は、複数の圧電体４１を間隔を空けて配列する圧電体配列工程Ｓ１１と、圧電体４１間の間隙に樹脂４２を充填し硬化する樹脂充填工程Ｓ１２とを含む。
　圧電体配列工程Ｓ１１において、長手方向Ｂが互いに並列するように複数の圧電体４１を２次元的に配列する。符号８は、成形用の治具である。
　次に、樹脂充填工程Ｓ１２において、隣接する圧電体４１間の間隙に樹脂を充填し、続いて樹脂を硬化させる。これにより、長手方向Ｂが互いに並列するように配列された複数の圧電体４１が樹脂４２によって一体化された中間体７が作成される。

　次に、研削工程Ｓ２において、中間体７を長手方向Ｂの両側の端面側から研削機によって研削することで、中間体７から平板状の治療用超音波素子４を削り出す。このときに、研削機による研削方向Ｄに対して圧電体４１の長手方向Ｂを傾斜させた状態で、中間体７の端面の研削を行う。これにより、圧電体４１の長手方向Ｂが治療用超音波素子４の板厚方向Ａに対して傾斜するように、治療用超音波素子４を削り出すことができる。
　研削工程Ｓ２の後、電力ケーブル６を接続するための電極９，１０が圧電体４１の端面に形成され、圧電体４１に分極処理が施され、電力ケーブル６が接続される。

　図６は、本実施形態に係る治療用超音波素子の製造方法の変形例を示している。
　図６に示されるように、治療用超音波素子の製造方法は、中間体作成工程Ｓ１に代えて中間体作成工程Ｓ３を含んでいてもよい。
　中間体作成工程Ｓ３は、板状の圧電材４３に該圧電材４３の板厚方向に延びる溝４３ａを形成する溝形成工程Ｓ３１と、溝４３ａ内に樹脂４２を充填し硬化させる樹脂充填工程Ｓ３２とを含む。

　溝形成工程Ｓ３１において、圧電材４３の一方の端面から該圧電材４３の板厚の途中まで延びる複数本の溝４３ａを、圧電材４３の板厚方向に交差する平坦方向に間隔を空けて形成する。溝４３ａは、例えば、ダイシングマシンを使用してハーフダイシングを行うことで形成される。
　次に、樹脂充填工程Ｓ３２において、溝４３ａ内に樹脂４２を充填し、続いて樹脂４２を硬化させる。これにより、中間体７０が作成される。
　樹脂充填工程Ｓ３２の後、研削工程Ｓ２が行われて中間体７０から治療用超音波素子４が削り出される。

　本実施形態においては、治療領域Ｔ全体が観察領域Ｓと重複することとしたが、治療領域Ｔの一部のみが観察領域Ｓと重複していてもよい。
　例えば設計の制約等によって治療領域Ｔ全体を観察領域Ｓと重複させることが難しい場合であっても、圧電体４１の長手方向Ｂを診断用超音波素子３側に傾斜させることで、圧電体４１の長手方向Ｂが板厚方向Ａに平行である場合と比べて、観察領域Ｓと治療領域Ｔとが重複する領域を拡大することができる。

　本実施形態においては、治療用超音波素子４において圧電体４１が２次元的に配列されていることとしたが、これに代えて、圧電体４１が１次元的に配列されていてもよい。
　この場合には、焦点Ｆを、圧電体４１の配列方向に沿う方向と射出面４ａの法線方向に沿う方向に２次元的に移動させることができる。

　本実施形態においては、治療用超音波素子４の射出面４ａが平面であることとしたが、これに代えて、図７に示されるように、射出面４０ａが一方向にのみ湾曲する凹面である治療用超音波素子４０を採用してもよい。射出面４０ａは、挿入部２の長手軸に平行な軸回りに湾曲している。治療用超音波素子４０は、研削工程Ｓ２によって切り出された平板状の超音波素子を一方向に湾曲させるか、研削工程Ｓ２において湾曲する凹面状に射出面４ａの加工を行うことで製造することができる。
　このように射出面４０ａを凹面に形成することで、射出面４０ａの曲率に応じて幾何学的に決まる位置に治療用超音波を収束させることができる。

　本実施形態においては、診断用超音波素子３が、治療用超音波素子４よりも先端側に配置されていることとしたが、これに代えて、診断用超音波素子３が、治療用超音波素子４よりも基端側に配置されていてもよい。
　この場合には、圧電体４１の長手方向Ｂが挿入部２の基端側に傾斜するように治療用超音波素子４を設けることで、治療領域Ｔを観察領域Ｓと重複させることができる。

　本実施形態においては、治療用超音波素子４が、１つの焦点Ｆにおいて互いに強め合うような治療用超音波を複数の圧電体４１から射出することとしたが、必ずしも焦点Ｆを形成するような治療用超音波を射出しなくてもよい。
　例えば、高エネルギの治療用超音波を必要としない治療においては、全部または一部の圧電体４１から同時に治療用超音波を射出する等して、広範囲の治療領域に略均一な強度で治療用超音波を照射してもよい。

１　超音波内視鏡装置
２　挿入部
３　診断用超音波素子
３ａ　射出面
４，４０　治療用超音波素子
４ａ，４０ａ　射出面
４１　圧電体
４２　樹脂
７，７０　中間体
Ｓ１，Ｓ３　中間体作成工程
Ｓ２　研削工程
Ｓ　観察領域
Ｔ　治療領域

Claims (8)

1. 　長手軸を有し体内に挿入される挿入部と、
   　該挿入部の先端部に設けられ、治療用超音波を射出する射出面を有する治療用超音波素子と、
   　前記挿入部の先端部に前記治療用超音波素子と前記長手軸に沿う方向に並んで設けられ、体内の超音波画像信号を取得する診断用超音波素子とを備え、
   　前記治療用超音波素子は、長手方向が互いに並列するように前記射出面に沿う方向に配列され前記長手方向の伸縮によって前記治療用超音波をそれぞれ発生する柱状の複数の圧電体を備え、
   　該複数の圧電体の前記長手方向が、前記長手軸に直交する前記挿入部の径方向に対して前記診断用超音波素子側に傾斜している超音波内視鏡装置。
2. 　前記治療用超音波素子は、焦点において互いに強め合う前記治療用超音波を前記複数の圧電体から発生させるとともに、前記焦点の位置を変更可能である請求項１に記載の超音波内視鏡装置。
3. 　前記治療用超音波の前記焦点の移動可能範囲の全体が、前記超音波画像信号の観察領域に含まれる請求項２に記載の超音波内視鏡装置。
4. 　前記治療用超音波素子の前記射出面が、平面である請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波内視鏡装置。
5. 　前記治療用超音波素子の前記射出面が、前記長手軸に平行な軸回りに湾曲した凹面である請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波内視鏡装置。
6. 　前記診断用超音波素子が、前記治療用超音波素子よりも先端側に設けられている請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波内視鏡装置。
7. 　板厚方向の一側の射出面から超音波を射出する板状の超音波素子であって、
   　長手方向が互いに並列するように前記射出面に沿う方向に配列され前記長手方向の伸縮によって前記超音波をそれぞれ発生する柱状の複数の圧電体を備え、
   　該複数の圧電体の前記長手方向が、前記板厚方向に対して傾斜している超音波素子。
8. 　長手方向が互いに並列するように配列された柱状の複数の圧電体が一体化された中間体を作成する中間体作成工程と、
   　該中間体作成工程によって作成された前記中間体を前記長手方向の両側の面側から研削することにより板状の超音波素子を前記中間体から削り出す研削工程とを含み、
   　該研削工程において、研削方向に対して前記複数の圧電体の前記長手方向を傾斜させた状態で前記中間体を研削する超音波素子の製造方法。

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