JPH0341942A - 結石破砕装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明Ｃ１、結石に衝撃波を照射して結石を破砕し、
結石症の治療を行うための体外？ｋＩ撃波結石破砕装置
（以下、結石破砕装置と略す。）に関する。

（従来の技術） 結石破砕装置を構成する結石破砕用トランスデユーサは
、電気スパーク、電磁誘導、爆薬などを衝撃波源として
用いたもの・が開発されている。

その他、近年、圧電セラミックス振動子を使用した結石
破砕用トランスデユーサが、低価格でしかも安定した出
力が得られることから実用化されている。

圧電セラミックス振動子を使用した結石破砕用トランス
デユーサは、複数の凹面圧電セラミックス振動子を用い
、伝播媒質として用いる水とその水を保持するための氷
袋を介して患者と接触させ、超音波を放射、集束し、焦
点で衝撃波を発生させている。その焦点に結石を一致さ
せることにより結石を破砕することができる。

しかしながら、上述した従来の結石破砕装置における結
石破砕用トランスデユーサは、結石破砕に必要な高出力
を得るために大型になり、操作性が低下するという課題
がある。また、結石破砕用トランスデユーサの大型化は
、振動子の個数の増加やそれに伴う振動子を駆動するた
めのパルサーの増加、また、結石破砕用トランスデユー
サの重量の増加による支持機構の大型化など、ひいては
結石破砕装置自体の大型化につながり高価格で広い設置
スペースが必要となるなどの課題もある。

さらに、小型の結石破砕用トランスデユーサを用いた結
石破砕装置では、衝撃波の出力音圧が不足し破砕能力が
低下することから、衝撃波の照射回数が増え治療に長時
間を要するので、患者の大きな負担となる。さらに、患
者は水および氷袋を介して圧電セラミックス振動子を駆
動する高電圧が患者を感電させることが懸念され、安全
性に大きな問題がある。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、従来の結石破砕装置では、結石の破砕
に要する衝撃波を得るために大型の圧電セラミックス振
動子あるいは多数の圧電セラミックス振動子が必要とな
り、重量の増加や高価格になるという課題がある。また
、圧電セラミックス振動子が水に接しているため、患者
が感電する虞れがある。

本発明は上述した従来の課題を解決するためのもので、
圧電セラミックス振動子の出力効率を向上させることが
でき、さらに安全性を向上させることのできる結石破砕
装置を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、圧電セラミックス振動子と、この圧電セラミ
ックス振動子を駆動して超音波を発生させる駆動回路と
、開口を有しこの開口側に前記圧電セラミックス振動子
の周囲を支持しエアーバッキング構造を構成するケース
本体と、このケース本体の前記開°口端部に該開口を囲
んで取付けられ前記圧電セラミックス振動子からの超音
波の伝播媒質を収容した収容体とを備えた結石破砕装置
において、前記圧電セラミックス振動子の前記収容体側
の表面に、５〜９Ｘ　１Ｇ’　Ｋｇ／ｖｉｚ−ｓの音響
インピーダンスを有する絶縁体の音響マツチング層を形
成したものである。

（作　用） 本発明では、圧電セラミックス振動子の収容体側の表面
に、５〜９ｘ　ｔｏ”　Ｋｇ／ａ’　・Ｓの音響インピ
ーダンスを有する絶縁体の音響マツチング層を形成した
ので、圧電セラミックス振動子の出力効率を向上させる
ことができ、さらに安全性を向上させることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例の結石破砕装置を説明するた
めの図である。

同図において、１は開口１ａを有するケース本体を示し
ている。このケース本体１内の開口ｌａ側には、凹面状
の圧電セラミックス振動子２が凹面部分を開口１ａに向
けてその周辺部が支持されて固定されている。これによ
り、圧電セラミックス振動子２は、凸面状の背面がケー
ス本体１内の空気に接しているエアーバッキング構造と
されている。また、圧電セラミックス振動子２の表裏面
の電極には、パルサー３からのリード線４．４がそれぞ
れ接続されており、パルサー３からの高電圧パルスがリ
ード線４．４を介して圧電セラミックス振動子２に供給
され、これにより圧電セラミックス振動子２が駆動され
る。また、圧電セラミックス振動子２の凹面表面には、
たとえばエポキシ樹脂などの絶縁体により音響マツチン
グ層５が形成されている。ケース本体１の開口１ａの端
部には、ゴム製の液体収容袋６が開口１ａを囲んで取付
けられており、液体収容袋６内は、圧電セラミックス振
動子２からの衝撃波である超音波の伝播媒質としてたと
えば水などの液体７が充■ＩＣされている。

そしてこのように構成された結石破砕装置は、液体収容
袋６を患者の体表Ａに接触させ、圧電セラミックス振動
子２をパルサー３からの高電圧パルスにより駆動して超
音波を発生させ、その焦点で発生する衝撃波を腎ｈａＢ
内の結石Ｃに照射して結石Ｃを破砕する。

次に、上述した圧電セラミックス振動子２の凹面表面に
形成した音響マツチング層５の条件について説明する。

第２図は一例として共振周波数が５００ＫＩＩｚの圧電
セラミックス振動子に形成した音響マツチング層の音響
インピーダンスとそれによって得られる相対的な正の出
力音圧の関係を示す図である。なお、音響マツチング層
の厚さは、ｌ／４波長を基に縦波音速から算出し、約１
　、５ａ＋ｍとした。

同図に示すように、正の出力音圧は、音響マツチング層
の音響インピーダンスが約７Ｘ　１０’Ｋｇ／ｍ２　・
Ｓで最大値を示し、音響マツチング層を形成しない場合
の約１．７倍が得られる。

したがって、上述の結果を基にして、直径的１００１、
厚さ４ｍｍ、共振周波数的５００ＫＩＩｚ　、曲率半径
１８０ｎ＋ｍの凹面状の圧電セラミックス振動子を使用
し、この圧電セラミックス振動子に音響インピーダンス
が７Ｘ　１０６Ｋｇ／ｌ　・Ｓの音響マツチング層を形
成した。

この音響マツチング層を形成した圧電セラミックス振動
子の焦点における出力音圧波形を第３図（ａ）に、また
、音響マツチング層を形成していない圧電セラミックス
振動子の焦点における出力音圧波形を第３図（ｂ）に示
す。なお、駆動パルスは、電圧が比較的低く、約５０Ｖ
で２波長程度であり、周波数成分が主に５００ＫＩＩｚ
のパルスを用いた。

これらの図から明らかなように、本発明の第３図（ａ）
に示す音響マツチング層を形成した圧電セラミックス振
動子の正の最大出力音圧は、６．１ｂａｒとなり、第３
図（ｂ）に示す音響マツチング層を形成していない圧電
セラミックス振動子の正の最大出力音圧３．（ｉｂａｒ
の約１６７倍の出力音圧が得られた。

次に、約２０００Ｖの高電圧パルスで駆動した場合を第
４図（ａ）、（ｂ）に示す。なお、第４図（ａ）は上述
の音響マツチング層を形成した圧電セラミックス振動子
の正の出力音圧波形、第４図（ｂ）は音響マツチング層
を形成していない圧電セラミックス振動子の正の出力音
圧波形を示す。

なお、波形が急激な立上りとなるので、時間軸を拡大し
て示した。また、これらの波形は出力音圧が増加したこ
とにより非線形現象が強く現れ、焦点で衝撃波が形成さ
れたことを示している。

これらの図から明らかなように、本発明の第４図（ａ）
に示す音響マツチング層を形成した圧電セラミックス振
動子の正の最大出力音圧は、５８０ｂａｒとなり、第４
図（ｂ）に示す音響マツチング層を形成していない圧電
セラミックス振動子の正の最大出力音圧８９０ｂａｒの
約１．４倍の出力音圧が得られた。この増加率が第３図
の場合と異なるのは、低電圧のパルスの駆動では出力音
圧が駆動電圧にほぼ比例するが、高電圧では非線形現象
のために衝撃波を杉成し、より高電圧になるに従い出力
音圧が飽和する傾向を示すためである。

次に、圧電セラミックス振動子による衝撃波の破砕力と
音響マツチング層の音響インピーダンスとの関係につい
て説明する。

結石を模擬した人工のモデル結石を用いた破砕実験を行
い、衝撃波の照射回数を比較した。破砕力と衝撃波の関
係は、衝撃波の出力音圧が大きくさらに立上り時間が短
いほど破砕力が大きいとされている。衝撃波は、出力音
圧が大きいほど非線形の効果が大きいことから、立上り
時間が短くなり破砕力が増大する。

第５図に破砕力と音響マツチング層の音響インピーダン
スとの関係を示す。なお、破砕力は最大破砕力の平均値
を１００として示した。

同図に示すように、音響マツチング層の音響インピーダ
ンスを３ｘ　１０’　Ｋｇ／ｍ２　・Ｓとした場合は、
最大破砕力が得られる７Ｘ　１０６Ｋｇ／ＩＩ”　・Ｓ
の場合より衝撃波の出力音圧が低下して非線形の効果も
小さく立上り時間が大きくなることから破砕力が最大破
砕力の２０〜３０％低下した。また、音響マツチング層
の音響インピーダンスをｔｉｘ　ｔｏ’　Ｋｇ／ｌ１１
２・Ｓとした場合にも、その破砕力が最大破砕力の２０
〜３０％低下した。

このように音響インピーダンスが５〜９Ｘ　１０’Ｋｇ
／ｌ　・Ｓの音響マツチング層を圧電セラミックス振動
子に形成することにより、その破砕力は最大破砕力のほ
ぼ１０％以下の低下に押えることができる。

次に、上述の音響マツチング層の形成プロセスについて
説明する。

まず、凹面状の圧電セラミックス振動子を予めケース本
体に接着固定し、音響マツチング層となる材料たとえば
液状のエポキシ樹脂を圧電セラミックス振動子の凹面状
の中央部分に流し込む。

次に、圧電セラミックス振動子の凹面の曲率半径より形
成すべき音響マツチング層の厚さだけ小さい曲率半径の
凸面を有する金型を用意し、この金型を、その凸面を下
にして、つまり圧電セラミックス振動子の凹面と金型の
凸面とが一致するように配置してエポキシ樹脂を押し付
ける。このとき、金型は圧電セラミックス振動子から形
成すべき音響マツチング層の厚さ寸法だけ浮かせた状態
で固定し、この状態を保持してエポキシ樹脂を硬化させ
る。

そしてエポキシ樹脂が硬化した後、金型を離型すること
により音響マツチング層が得られる。なお、金型は、そ
の表面をテフロンコーティング処狸を施したものが音響
マツチング層との離型に容易で適している。

したがって、この実施例では、圧電セラミックス振動子
の表面に、５〜９Ｘ　１０”　Ｋｇ／ｌ　・Ｓの音響イ
ンピーダンスを有する絶縁体の音響マツチング層を形成
したので、圧電セラミックス振動子の出力効率、を向上
させることができ、さらに安全性を向上させることがで
きる。

なお、上述した実施例では、音響マツチング層を１層の
エポキシ樹脂で構成したが、この音響マツチング層の上
にさらに第２の樹脂層を形成することにより、音響マツ
チング層の吸水による絶縁抵抗の減少を防止することが
できる。第２の樹脂層としては、音響インピーダンスが
２〜４Ｘ　ＩＱ’Ｋｇ／ｌｓ２　・Ｓを有し耐水性の良
好なエポキシ樹脂やフッ素樹脂が使用され、その厚さが
１／４波長程度となるように形成する。

上述の第２の樹脂層を厚さ約１．３ａｖで形成した場合
、圧電セラミックス振動子の出力は低下することなく、
また長期の使用にも十分な絶縁が得られ、より高い安全
性が達成できた。

なお、第２の樹脂層をさらに簡４ｔに形成する方法とし
て、音響マツチング層の表面にフッ素樹脂を厚さ約０．
００２〜０．０５ｍｍ程度塗布することにより形成して
もよい。

この場合でも、音響マツチング層の吸水を防止すること
がてき、音響マツチング層の絶縁抵抗を維持することが
できる。

また、上述した実施例では、圧電セラミックス振動子と
して、その形状が凹面状のものについて説明したが、平
面状の圧電セラミックス振動子を用いてもよいことは勿
論であり、その場合でも同様の効果を得ることができる
。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の結石破砕装置は、圧電セラ
ミックス振動子の表面に、５〜９Ｘ　１０’Ｋｇ／ｍ”
・Ｓの音響インピーダンスを有する絶縁体の音響マツチ
ング層を形成したので、圧電セラミックス振動子の出力
効率を向上させることができ、さらに安全性を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の結石破砕装置を説明するた
めの側面断面図、第２図は音響マツチング層の音響イン
ピーダンスと出力音圧との関係を示す図、第３図（ａ）
、第４図（ａ）は第１図の結石破砕装置における音響マ
ツチング層を形成した圧電セラミックス振動子の出力音
圧を説明するための図、第３図（ｂ）、第４図（ｂ）は
比較例として音響マツチング層を形成していない圧電セ
ラミックス振動子の出力音圧を説明するための図、第５
図は圧電セラミックス振動子による破砕力と音響マツチ
ング層の音響インピーダンスとの関係を示す図である。 １・・・ケース本体、１ａ・・・開口、２・・・圧電セ
ラミックス振動子、３・・・パルサー　５・・・音響マ
ツチング層、 ６・・・液体収容袋、 ７・・・液体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 圧電セラミックス振動子と、 この圧電セラミックス振動子を駆動して超音波を発生さ
   せる駆動回路と、 開口を有しこの開口側に前記圧電セラミックス振動子の
   周囲を支持しエアーバッキング構造を構成するケース本
   体と、 このケース本体の前記開口端部に該開口を囲んで取付け
   られ前記圧電セラミックス振動子からの超音波の伝播媒
   質を収容した収容体とを備えた結石破砕装置において、 前記圧電セラミックス振動子の前記収容体側の表面に、
   ５〜９×１０＾６Ｋｇ／ｍ＾２・ｓの音響インピーダン
   スを有する絶縁体の音響マッチング層を形成したことを
   特徴とする結石破砕装置。