JPH01111476A - 負の波が源少した圧電装置と、この装置を応用した体外砕石または特定の組識の破壊 - Google Patents

負の波が源少した圧電装置と、この装置を応用した体外砕石または特定の組識の破壊

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JPH01111476A
JPH01111476A JP63224370A JP22437088A JPH01111476A JP H01111476 A JPH01111476 A JP H01111476A JP 63224370 A JP63224370 A JP 63224370A JP 22437088 A JP22437088 A JP 22437088A JP H01111476 A JPH01111476 A JP H01111476A
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Dominique Cathignol
ドミニック　カティニョル
Bernard Lacruche
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Jean-Louis Mestas
ジャン−ルイ　メスタ
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Technomed International SA
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、主として、負の波が減少した圧電装置と、こ
の装置を応用した体外砕石または特定の組織の破壊に関
するものである。
従来の技術 一般に、圧電発振器は、主として、１つの、いくつかの
、または極めて多数の圧電素子によって構成されている
。圧電素子は、１つまたは複数の変換器を構成する各基
本粒子が発生させる全微小音波を収束させることのでき
る球形のドーム部材の上に配置されていることが好まし
い（例えば、文献「超音波（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ）
　Ｊ第５巻、１９６７年４月、１０５〜１１２ページ、
ピー、ピー、レル（Ｐ、　Ｐ。
Ｌ［ＥＬＥ）を参照）。
また、−点に収束する超音波を発生させる別の装置も公
知になっている。この装置は、球状のドーム部材の外側
に配置された圧電タイプの複数の変換素子を備えている
。この装置は、治療の目的、例えば目の傷を制御下で生
成させるのにも使用される。　（：］−ル７ン（ＣＯＬ
ＥＭＡＮ）　　がＡｍｅｒｉｃａｎ　Ｊｏｕｒ−ｎａｌ
　ｏｆ　Ｏｐｈｔａ１ｍｏ１ｏｇｙ第８６巻、１８５〜
１９２ページ（１９７８年）に発表した論文を参照のこ
と）。コールマンはさらに、診断用変換器が近軸に位置
することも記載している。
実験の結果、収束の質、すなわち焦点の体積は、充填係
数が１に近いほど、また、球状のドーム部材の角度によ
り決まる開口度が大きいほど小さくなることが判明して
いる。
さらに、焦点での波の形状は圧電変換器の位置での放射
された波の形状と同等または極めて似ており、いずれに
せよ密接に関係している。１つの面が水と接触し、第２
の面が空気と接触している場合（最も簡単で最も一般的
な構成）には、電気パルスの後に放射された波は減衰サ
イン曲線の形状となる。
この波には従って正の波と負の波が含まれる。
負の波はキャビテーション効果を誘起するために組織に
とっては危険である（例えばコールマン他がｒＵｌｔｒ
ａｓｏｕｎｄ　ｉｎ　Ｍｅｄ、＆　Ｂｉｏｌ、　Ｖｏｌ
、１３．　Ｎｏ。
２、　ｐｐ　６９”７６、１９８７　Ｊに発表した論文
を参照）。
従来から既に、いわゆる単極性の波を生成させることが
提案されている（ドイツ連邦共和国特許第３４２５９９
２号）。
変換器は、極めて短いパルスが印加されると一連のパル
スを放射する。この変換器の前面は正の極性の波を放射
し、裏面は逆の極性の波を放射する。得られる放射波は
もちろんこれら波の重ね合わせであり、従って正であら
たり負であったりする。
上記ドイツ連邦共和国特許第３４２５９９２号で提案さ
れている解決法は、このような正と負の波を「分離する
」ことを目的とする。このためには、裏面を不規則にカ
ットしてこの裏面で反射される波が収束しない、あるい
は極めて悪くしか収束しないようにする。この結果、正
の波と負の波の比は、焦点に近づくにつれて大きくなる
。
この解決法においては、第２の正の波もやはりうまく収
束しないことに注意されたい。というのは、この第２の
正の波は第１の波が変換器の裏面に反射することに起因
して発生するからである。
また、圧電変換器の前面に、インピーダンスがこの変換
器のインピーダンスと超音波を焦点に位置するターゲッ
トまで伝達する媒体となる水のインピーダンスの間の値
である材料を配置することによって圧電変換器を適合さ
せることが知られている（マソン（ＭＡＳＯＮ）による
Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｃｏｕｓｔｉｃｓ（物理音響学）
第１巻、パー）Ａ、アカデミツク・プレス　（Ａｃａｄ
ｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ）社を参照）。
このため、信号の持続時間が極めて短くなるとともに、
第１図ａ（非適合化変換器から放射された超音波）と第
１図ｂ（適合化変換器から放射された超音波）の比較か
られかるように到達圧力の最大値がはるかに大きくなる
ことが確認できる。
発明が解決しようとする課題 従って、上記ドイツ連邦共和国特許第３４２５９９２号
に記載されたような単極システムでは、第１の波だけが
収束し、しかも残念なことにこの第１の波は第２の波や
第３の波と比べて常に弱いため、適合化変換器と非適合
化変換器の間での収束波の比は約ｌＯになる。しかし、
裏面が不規則にカットされていない非適合化変換器の場
合には、このシステムは振幅が正の波の振幅と等しい負
の波を発生させる（第１図Ｃを参照）。
別の説明をするならば、この解決法を採用するにもかか
わらず、負の波は相変わらず存在し、その強度は、精石
や破壊しようとする特定の組織の近傍の組織にとって危
険なキャビテーション効果を誘起することができる程度
に大きい。
そこで、本発明は、どのような圧電変換器から放射され
るサイン波にも本来的に存在する負の波の振幅を小さく
する、またはゼロにする方法を見出すことによって上記
の新しい技術的問題点を解決することを目的とする。
本発明はさらに、圧電変換器から放射されるサイン波に
本来的に存在する負の波の振幅を小さくする、またはゼ
ロにするだけでなく、放射波のピークの高さ、従って、
これまでに提案された従来技術、特に負の波の振幅を小
さくする技術における圧力のピーク値を少なくとも一定
に維持する方法を見出すことによって上記の新しい技術
的問題点を解決することを目的とする。
上記の新しい技術的問題点は、本発明によって初めて満
足のゆくように解決されて工業的規模で利用できるよう
になった。
課題を解決するための手段 上記した目的のために、本発明によれば、１つの焦点に
収束させるための支持手段、例えば球形のドーム状部材
の外側に配置された複数の圧電式変換素子を備える、負
の波が少なく焦点に収束する超音波を発生させる装置で
あって、上記変換素子が、共鳴周波数の異なる少なくと
も２つグループの変換素子に分割されており、各変換素
子グループから放射される主要な正の超音波が互いに足
し合わされ、２次的な負の超音波が少なくとも部分的に
消し合うようにされていることを特徴とする装置が提供
される。
本発明の特に好ましい実施態様によれば、第２グループ
の変換素子、すなわち第１グループ以外のグループの変
換素子の共鳴周波数は、第１グループの変換素子の共鳴
周波数の倍数または約数と一致、あるいはほぼ一致して
いる。
特別な実施態様によれば、上記第２グループの変換素子
の共鳴周波数は、上記第１グループの変換素子の共鳴周
波数の２倍に等しいか、またはほぼ２倍に等しい。
特に好ましい別の実施態様によれば、上記各グループの
変換素子は交互に配置されて、各グループの変換素子に
よって覆われる全表面積が互いにほぼ等しくされている
。
本発明の別の特別な実施態様によれば、各変換素子グル
ープの全変換素子は焦点から焦点距離と呼ばれる距離だ
け等しく離れている。支持手段が球場ドーム部材である
ときには、この焦点距離はこのドーム状部材の曲率半径
と等しいことが好ましい。
焦点距離が各グループの全変換器要素に対して同じであ
る最も簡単な場合には、被駆動グループに応じて立ち上
がりが参照グループに対して遅延または進相したパルス
すなわち電圧を送ることにより、各変換素子グループを
所定の周波数で電子的に駆動して、共鳴周波数の異なる
各グループ間の最大圧力のピークを一致させる。このと
き、（遅延または進相）時間差は以下の式：％式％ （ただし、■は上記ドーム状部材の内部を満たす媒体（
一般には水）中での超音波の速度であり、λは被駆動グ
ループの波長である）で与えられる。
支持手段が平坦な場合には、ドイツ連邦共和国特許出願
公開第３１１９２９５号に記載されたようにして電気的
収束を実現することが可能である。
本発明のさらに別の特殊な実施態様によれば、支持手段
が球状ドーム部材であるときには、所定のグループの変
換素子の前面と焦点の間の設定距離が、共鳴周波数の異
なる他のグループの変換素子の前面と焦点の間の設定距
離とは異なっており、全変換素子の電気的駆動を同時に
実行して最大圧力のピークを一致させる。
例えば、第１のグループと第２のグループでの焦点距離
の差は波長の約１／４である。焦点距離が一定のときに
はこの補正差が時間補正差（Δｔ）に対応していること
がわかる。
さらに、所定のグループの変換器の共鳴周波数が参照グ
ループと呼ばれる第１グループの変換器の共鳴周波数よ
りも小さいときには、この所定のグループの変換器と焦
点の間の距離が参照グループの変換器と焦点の間の距離
よりも大きい。これは、この所定のグループの変換素子
が参照グループの変換素子に対して後方に配置にされて
いることを意味する。
同様に、所定のグループの共鳴周波数のほうが大きいと
きには、焦点とこの所定のグループの変換素子の間の距
離は焦点と参照グループの変換素子の間の距離よりも小
さい。すなわち、共鳴周波数がより高い所定のグループ
の変換素子は、参照グループの変換素子に対して前方に
配置にされている。
特に好ましいさらに別の実施態様によれば、第３グルー
プの変換素子が備えられてふり、その共鳴周波数は、上
記第１グループの変換素子の共鳴周波数の４倍に等しい
か、またはほぼ４倍に等しい。
詐月 当業者には明らかなことだが、共鳴周波数が異なる変換
器グループから放射された波を重ね合わせると、負の波
の割合が少なくなった合成波が得られる。というのは、
この重ね合わせによって、主要な正の波は足し合わされ
るのに対し、負の波は特に２次的な正の波によって最大
限に消し合わされるからである。主要な正の波のすべて
の重ね合わせによって、全変換素子に対して単一の共鳴
周波数を用いた従来の場合に発生する圧力ピークと等し
い圧力ピークが発生する。
このようにして、結石（腎臓結石）または特定の組織（
外科手術）を破壊させようとする分野の当業者、または
超音波技術の当業者にとってはまったく予想外であり明
らかでもない効果を得ることができる。
当業者であれば、本発明の他の目的、特徴および利点は
添付の図面を参照した説明によりさらによく理解できよ
う。
実施例 第２図、第２Ａ図、第２Ｂ図には、負の波が少なく、１
つの焦点に収束される超音波を発生させるための本発明
による装置が図示されている。
この超音波発生装置１は、超音波発生装置の分野では周
知のタイプのものである。この超音波発生装置に関して
は本明細書の発明の詳細な説明の始めの部分に簡単なま
とめがなされている。
図示の超音波発生装置１は、焦点１０に収束させるため
の支持手段８の外側に配置された圧電タイプの複数の変
換素子２．４．６を備えている。この支持手段８はここ
では例えば球状ドーム部材によって構成されている。こ
の構造と変換素子にパルスを伝えることのできる手段は
当業者には周知であるため、これ以上は説明しない。
本発明によれば、超音波発生装置１は、変換素子が、共
鳴周波数の異なる少なくとも２つグループの変換素子、
すなわち、ここでは例えば第１グループの変換素子２と
、第２グループの変換素子４と、第３グループの変換素
子６とに分けられているという特徴がある。この結果、
各グループから放射される主要な正の超音波は足し合わ
され、２次的な超音波（正または負の波）は少なくとも
部分的に消し合わされる。
本発明の特に望ましい実施態様によれば、第２グループ
の変換素子４、または第２と第３グループの変換素子４
．６は、共鳴周波数が第１グループの変換素子２の変換
素子の共鳴周波数の倍数または約数と等しいかそれに近
い値、特に倍数である。
好ましい別の実施態様によれば、第２グループの変換素
子４の共鳴周波数は、第１グループの変換素子２の共鳴
周波数Ｆｏの２倍と等しいかそれに近い値である。
図示されている特別な実施態様によれば、各グループの
変換素子は交互に配置されており、各グループの変換素
子によって覆われる全表面積がほぼ同じになるようにさ
れている。このことは第２図、第２Ａ図、第２Ｂ図には
っきりと見ることができる。
例えば第２Ａ図には、共鳴周波数の異なる３つのグルー
プの変換素子、すなわち第１グループの変換素子２、第
２グループの変換素子４、第３グループの変換素子６を
交互配置で備える実施例が示されている。第３グループ
の変換素子６が存在している場合には、変換素子６の共
鳴周波数は第１グループの変換素子２の共鳴周波数の４
倍と等しいかそれに近い値である。
例えば、第１グループの変換素子２の共鳴周波数Ｆ。は
０．５ＭＨｚである。
さらに、共鳴周波数の異なる２つのグループの変換素子
を備える第２Ｂ図に示した別の実施例では、中央位置は
第１グループの変換素子２によって占められているが、
その周辺部は交互に第１グループの変換素子２と第２グ
ループの変換素子４によって占められている。
さらに、異なる共鳴周波数を得るためには、第１グルー
プの変換素子２の厚さを、第２グループの変換素子４の
厚さの２倍またはそれに近い値にする。また、第３グル
ープの変換素子６が存在している場合には、第１グルー
プの変換素子２の厚さを、第３グループの変換素子６の
厚さの４倍またはそれに近い値にする。
最も簡単な実施態様によれば、各グループの全変換素子
２．４．６は焦点１０から焦点距離と呼ばれる等距離の
地点にある。
支持手段が第２図に示したように球状ドーム部材である
ときには、焦点距離はドーム部材の曲率半径と等しいこ
とが好ましい。
焦点距離が各グループの全変換素子２．４．６に対して
等゛しい最も簡単な場合には、立ち上がりが被駆動グル
ープに応じて参照グループに対してが遅延または進相し
たパルスすなわち電圧を送ることにより各変換素子グル
ープを所定の周波数で電子的に駆動して、共鳴周波数の
異なる各グループ間の最大圧力のピークを一致させる。
このとき、（遅延または進相）時間差は以下の式：％式
％ （ただし、■は上記ドーム状部材の内部を満たす媒質（
一般には水）中での超音波の速度であり、λは被駆動グ
ループの波長である）で与えられる。
当業者であれば、焦点１０において共鳴周波数の異なる
各グループ間で最大圧力のピークを一致させるための各
グループの電子的駆動を実現するにはどうしたらよいか
が容易にわかるであろう。
例えば第１グループの圧電変換素子２の共鳴周波数Ｆ。
が０．５ＭＨｚであり、第２グループの圧電変換素子４
の共鳴周波数がその２倍の値、すなわちＩ　ＭＨｚであ
る場合には、第２グループの圧電変換素子の電子的駆動
は周期の約１／４、すなわち２５０ナノ秒遅延させて実
行する。
本発明により可能な別の態様によれば、第２図に示した
ように特に支持手段が球状ドーム部材によって構成され
ているときには、所定のグループの各変換素子の前面と
焦点１０の間に設定される距離は、共鳴周波数の異なる
他のグループの各変換素子と焦点の間の設定距離とは異
なっている。この結果、電気的または電子的駆動を全グ
ループに対して同時に行って最大圧力のピークが一致す
るようにできる。
例えば第１のグループと第２のグループの間の焦点距離
の差は波長の約１／４である。
焦点距離が一定であればこの補正差は時間補正差Δｔに
対応していることがわかる。
従って、各グループ間で電気的駆動を変化させることに
より全変換素子を焦点１０から等距離に配置するが最大
圧力のピークを一致させるために同期を行うこと、また
は、各グループ間で焦点距離を変えて、この場合には各
グループの全変換素子の電気的駆動を同時に実行するこ
とが可能であることがわかる。
本発明により可能な別の態様では、上記ドイツ連邦共和
国特許出願公開第３１１９２９５号に記載された平坦な
支持手段を用いる。従って、焦点距離は同じグループに
属する可能性のある各変換素子に対して異なる。この場
合、上記のようにして電子的収束を実現する。このこと
は、超音波の当業者にはまったく明らかなことである。
共鳴周波数の異なる変換素子を組み合わせたことにより
、放射される負の波を著しく減少させるととも主要な正
の波の圧力ピークを著しく高くすることができる。この
様子が、第１Ａ図と第１Ｂ図に対応する第３Ａ図と第３
Ｂ図に示されており、それに関して以下に説明する。
記述を簡単にするため、第３Ａ図では、第１グループの
変換素子２から放射された波の時間変化曲線と、第２グ
ループの変換素子４から放射された波の時間変化曲線の
概略をそれぞれ変換素子と同じ参照番号２．４を用いて
表す。第１グループの変換素子２の主要な正の波２ｐと
第２グループの変換素子４の主要な正の波４ｐはピーク
が一致していることがわかる。この結果、これらの波は
足し合わされて、第３Ｂ図に２ｐ＋４ｐとして示した合
成波が得られる。
これに対して、第１グループの変換素子２または変換素
子グループ４の変換素子から放射される２次的な正の波
と２次的な負の波は少なくとも部分的に互いに打ち消し
あう。この結果、第３Ｂ図の上記合成曲線が得られる。
従って、負の波が著しく減少することがわかる。
この効果は、第３グループの変換素子６が存在している
とますます太き（なる。
単一の共鳴周波数を有する単一グループの変換素子を備
える従来の超音波発生装置とは異なり、負の波の振幅を
小さくして、この負の波が、結石、癌を始めとする病組
織などの破壊しようとするターゲットの近傍の組繊細胞
を破壊または損傷する可能性のあるキャビテーション効
果を誘起する閾値よりも低いレベルになるようにする。
さらに、当業者にはまったく予想できず明らかでもない
効果であるが、本発明により得られる合成波は正の最大
圧力ピークが少なくとも従来得られた圧力ピークと等し
い。このように単一の圧力ピークがあり、負の波はほと
んどないことから、焦点に位置するターゲットの破壊効
率が向上する。
従って、上記の重要な技術的利点が全て得られる。
もちろん、本発明には上記の手段のあらゆる技術的等漬
物が含まれる。
例えば、圧電変換素子は任意のタイプものでよく、ジル
コン酸チタン酸塩を主成分とする従来のものや、必要な
機能を実行できるのであればあらゆる構成のものが可能
である。同様に、個々の変換素子のサイズと球状ドーム
部材の半径は広い範囲で変えることできる。さらに、変
換素子は必ずしも球状ドーム部材の上に配置されていな
くともよい。というのは、例えば上記のドイツ連邦共和
国特許出願公開第３１１９２９５号に記載されているよ
うに、各変換素子グループを電気的に駆動する瞬間を変
えることにより、電子的収束を実現することができるか
らである。
【図面の簡単な説明】
第１Ａ図は、共鳴周波数がＦ。である非適合化圧電変換
素子から放射されるサイン波のグラフである。 第１Ｂ図は、同じ圧電変換素子を放射面にエポキシド樹
脂層を堆積させることによって適合化を行った圧電変換
素子から放射されるサイン波のグラフである。 第２図は、１つの焦点に収束させるための球状の収束用
ドーム部材を備える本発明による超音波発生装置の概略
図である。 第２Ａ図は、第２図に示したように共鳴周波数が異なる
３つのグループの変換素子を備える実施態様による収束
用ドーム部材の内面の平面図である。 第２Ｂ図は、共鳴周波数が異なる２つのグループの変換
素子を備える別の実施態様による収束用ドーム部材の内
面の平面図である。 第３Ａ図は、共鳴周波数がＦ。である第１グループから
放射されるサイン波と、共鳴周波数が２Ｆｏである第２
グループから放射されるサイン波のグラフである。 第３Ｂ図は、第１グループと第２グループからそれぞれ
放射される２つの波の重ね合わせの結果として得られる
合成波のグラフである。 （主な参照番号） １・・超音波発生装置、 ２．４．６・・変換素子、 ８・・支持手段、　　　　　１０・・焦点アンセルム 代　理　人　　弁　　理　　士　　　越　　場　　　隆
く Ｎ ｄ］ 口 ｒ− く ｉ］ 氏　ζ 口 「口 陽　ゞ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）１つの焦点に収束させるための支持手段、例えば
    球形のドーム状部材の外側に配置された複数の圧電式変
    換素子を備える、負の波が少なく焦点に収束する超音波
    を発生させる装置であって、上記変換素子が、共鳴周波
    数の異なる少なくとも２つグループの変換素子に分割さ
    れており、各変換素子グループから放射される主要な正
    の超音波が互いに足し合わされ、２次的な負の超音波が
    少なくとも部分的に消し合うようにされていることを特
    徴とする装置。
  2. （２）第２グループの変換素子、すなわち第１グループ
    以外のグループの変換素子の共鳴周波数が、第１グルー
    プの変換素子の共鳴周波数の倍数または約数と一致、あ
    るいはほぼ一致していることを特徴とする請求項１に記
    載の装置。
  3. （３）上記第２グループの変換素子の共鳴周波数が、上
    記第１グループの変換素子の共鳴周波数の２倍に等しい
    か、またはほぼ２倍に等しいことを特徴とする請求項１
    に記載の装置。
  4. （４）上記各グループの変換素子が交互に配置されて、
    各グループの変換素子によって覆われる全表面積が互い
    にほぼ等しくされていることを特徴とする請求項１に記
    載の装置。
  5. （５）上記支持手段が球状のドーム状部材によって構成
    されており、各変換素子グループの全変換素子は焦点か
    ら焦点距離と呼ばれる距離だけ等しく離れており、この
    距離は上記ドーム状部材の曲率半径と等しいことが好ま
    しく、各変換素子グループの所定の周波数での電子的駆
    動は、被駆動グループに応じて参照グループに対して該
    被駆動グループを遅延または進相させることにより実現
    し、その時間差（遅延または進相）は以下の式：Δｔ＝
    λ／４Ｖ （ただし、Ｖは上記ドーム状部材の内部を満たす媒体、
    一般には水の中での超音波の速度であり、λは被駆動グ
    ループの波長である）で与えられることを特徴とする請
    求項１に記載の装置。
  6. （６）上記支持手段が球状のドーム状部材によって構成
    されており、所定のグループの変換素子の前面と焦点の
    間の設定距離が、共鳴周波数の異なる他のグループの変
    換素子の前面と焦点の間の設定距離とは異なっており、
    全変換素子の電気的駆動を同時に実行して最大圧力のピ
    ークを一致させることを特徴とする請求項１に記載の装
    置。
  7. （７）第３グループの変換素子を備えており、その共鳴
    周波数が、上記第１グループの変換素子の共鳴周波数の
    ４倍に等しいか、またはほぼ４倍に等しいことを特徴と
    する請求項１に記載の装置。
  8. （８）上記第１グループの変換素子の共鳴周波数が０．
    ５ＭＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の装置
    。
  9. （９）請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置を備え
    る、体外砕石または特定の組織の破壊のための装置。
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