JPH0767462B2 - 超音波照射装置 - Google Patents

Description

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

〔発明の背景〕

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

〔発明の目的〕

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

〔発明の概要〕

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

例えば、第２図に示すように、焦点面Ｐの円環状焦域の
音圧の位相を円環に沿って意図的に変調させ、符号付き
の音圧積分値が実質的に零となるように制御すると、２
次の焦点Ｂを形成することなく、焦点面Ｐ上の円環状焦
域A1およびA2に必要な音響エネルギーを集めることがで
きる。すなわち、焦点Ｐの上に、中心軸に関し反対称な
焦域が形成される結果、中心軸上の音圧は零に保たれる
訳である。このような符号付けされた円環状焦域から
は、次式によりその大きさの程度が表わされるξの方向
に、音波が再伝播する。

ξ〜λ₀/（４γ_Ｆ） …（１） ここで、λ_０は調音波波長、γ_Ｆは円環状焦域の半径で
ある。従って、λに比較しγ_Ｆが極端に大きな場合に
は、ξが小さくなり、音波の再伝播による音響エネルギ
ーの拡散が不十分となる場合がある。このような場合に
は、円環状焦域の符号付けの極数を、第２図の例の２極
から、４極、６極、…、2n極と増加させれば、ξは次式
に従って増加するので、ξを必要な大きさに保つことが
できる。

ξ〜ｎλ₀/（４γ_Ｆ） …（２） さらに、音圧の位相が零となる点を、第２図の太い矢印
のように回転させれば、円環上の時間平均音響エネルギ
ーが均一化され、好ましい音響エネルギー照射パタンが
得られる。

〔発明の実施例〕

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

円環状焦域の、超音波発生器からの距離、半径ならびに
円環に沿って変調モードの信号が主制御回路10から照射
用送波制御回路11へ与えられ、それに従って、照射用の
超音波発生器を構成する各素子の駆動位相が演算され、
ｍビット・カウンタ８へロード・データとして転送され
る。そのロード・データを初期値とし、主制御回路10か
らの周波数、（（２のｍ乗）・f₀）のクロックに従って
動作するｍビット・カウンタ８は、その最上位ビットの
信号を周波数f₀の照射用送波信号として照射用の超音波
発生器を構成するの各素子１を、主制御回路10からの信
号に従った振幅より駆動する送信アンプ９へ出力する。

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

第４図の実施例では、第５図にその断面図により示した
ように、照射目標領域を円環状焦域Ａの半径、深さを変
化させて走査するに必要な超音波発生器を構成する素子
数をできる限り少なくするために、超音波発生器の音波
放射面に有限の曲率Ｒを与えている。このように、外側
の素子の指向性の極大方位を内向きに設定することによ
り、必要な素子数を平面状の超音波発生器の場合の半分
程度に減ずることができる。同様の効果は、超音波発生
器を構成する素子が平面状に配置され、この素子と音響
レンズとを組合わせることによって得ることもでき、第
６図はその例であり、音響レンズとして、上記の軽金属
基板をフレネルレンズ状に加工したものを用いたもので
ある。

本発明を実施するに必要な、照射用の超音波発生器の各
素子１の駆動位相の組合わせの例を、第４図、第６図、
第８図の超音波発生器を用いる場合につき示す。

はじめに、本発明の代表的実施例である第２図に示した
タイプの音場を形成するに必要な駆動位相の組合わせを
例に示す。第２図のように、超音波発生器の回転対称軸
をＺ軸、超音波発生器とＺ軸との交点を原点を円筒座標
系（Ｚ、γ、θ）をとり、超音波発生器を構成するｋ番
目の素子の中心の座標を（Z_K、γ_Ｋ、θ_Ｋ）とし、円環
状焦域の円環の座標をＺ＝Z_F、γ＝γ_Ｆとする。このと
き、各素子に与えられるべき駆動位相ψ_Ｋは（ｋは自然
数）は、一般に、次の形式により表わされる。

ψ_Ｋ（Z_K、γ_Ｋ、θ_Ｋ・ｔ）＝α（Z_K、γ_Ｋ） ＋β（θ_Ｋ）＋ω₀t …（３） ここで、ω_０は超音波の角周波数である。

駆動位相を与える式の右辺のうち、（Z_K、γ_Ｋ）の関数
αの部分を算出するには、２つの方法がある。ひとつ
は、超音波発生器の断面図において、円環の位置（Z_F、
γ_Ｆ）に音波が収束するように、各素子の駆動位相を決
定する方法であり、このとき、αは、次式で与えられ
る。

他のひとつは、円環の中心（Z_F、０）を焦点とするよう
に計算した駆動位相に、さらに、各素子の駆動極性を与
えて、円環状焦域を形成する方法である。どのような駆
動極性与えるべきかを考えるには、音波の伝搬において
時間軸を反転してみるのが便利である。すなわち、半径
γ_Ｆの円環状音源による音場Ａは、 Ａ∝J₀((２πγ_F/λ_０)sinθ)≒J₀(２πγ_F/λ_０)θ)…
（５） （J₀を０次ベツセル関数、θを方位角） と表わされるから、距離Z_Fにある超音波発生器面上の半
径γ_ｋの円周上では、およそJ₀（（２πγ_F/λ_０）（γ
_K/Z_F））に比例する音場となるので、このことから逆
に、超音波発生器からZ_Fの距離のところに半径γ_Ｆの円
環状焦域を形成するには、超音波発生器を構成する各素
子に次の駆動位相を与えればよい。０次ベツセル関数の
第ｈ番目の零点をa_hとし、 γ_Ｃ＝（λ₀Z_F）／（２πγ_Ｆ） …（６） とおくとき、 ｉ）γ_Ｋ＜a₁γ_Ｃまたはa_2hγ_Ｃ＜γ_Ｋ＜a_2h+1γ_Ｃのと
き、 ii）a_ah-1γ_Ｃ＜γ_Ｋ＜a_2hγ_Ｃのとき、 （ｈを自然数とする） なお、第４図に示したように、超音波発生器の音波放射
面が一定の曲率半径Ｒを有するときには、（４）式、
（７）式、（８）式において、 （Z_K）^２−2RZ_K＋（γ_Ｋ）^２＝０ …（９） が成立ち、また、第６図、第８図に示したように、超音
波発生器の音波放射面が無限大の曲率半径を有するとき
には、 Z_K＝０ …（10） が成立つ。

駆動位相を与える式の右辺のうち、θ_ｋの関数βの部分
は、次のように算出される。第２図のような２極の円環
状焦域の場合には、 β（θ_Ｋ）＝θ_Ｋ …（11） により与えられ、一般の2n極の場合には、 β（θ_Ｋ）＝ｎθ_Ｋ …（12） により与えられる。第６図および第８図の超音波発生器
を用いたときの、（３）式右辺におけるβ（θ_Ｋ）＋ω
₀tを、それぞれ第７図および第９図の（ａ）、（ｂ）に
示した。超音波発生器を構成する各素子の駆動位相が一
定の位相差を保ったまま進んでいく結果、超音波発生器
の音波放射面全体として見た場合、音圧の等位相点が図
に示したように回転していく。

このようにして、（３）式により得られる駆動位相ψ_Ｋ
には、２π／（２のｍ乗）を単位として量子化され、そ
の値の下ｍビットが、照射用送波制御回路11から出力さ
れて、ｍビット・カウンタ８のロード・データとなる。
これにより、各素子はψ_Ｋにより指定される位相により
駆動される。

第８図のような超音波発生器を用い、本発明の音場、す
なわち、焦点面Ｐ上の音圧積分値に関し、その符号付積
分値が、その絶対値の積分値に比較して実質上無視でき
るような音場を形成する方法としては、上記のような実
施方法の他に、次に述べるような実施方法もある。

照射目標領域の中央の点（Z_F、０）の焦点とするように
計算した駆動位相に、さらに、超音波発生器を構成する
各素子の駆動極性を与えることにより、焦点面Ｐの上に
極性の異なる複数のスポットを同時に形成することがこ
の方法である。このとき、（Z_K、γ_Ｋ、θ_Ｋ）にある超
音波発生器を構成する素子の駆動位相ψ_Ｋは、次式で表
わされる。

ここで、γで指定される位相は、例えば、第10図
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）により表わされるものである。
このように駆動位相を制御することにより、それぞれ、
第11図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のような、極性の異なる
複数のスポットを焦点面Ｐの上に同時に形成することが
できる。図中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のモードを切替え
ながら照射することにより、時間平均として円環状に超
音波エネルギーを分布させることもできるし、（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）のうち特定のモードを用いることによ
り、回転対称でない照射目標領域に対した適した超音波
エネルギーの分布を形成することもできる。

２次元アレイ型超音波発生器の音波放射面上の音圧の位
相の分布を表わす第７図、第９図、第10図の例に共通し
てあてはまる特徴は、音波放射面上の音圧積分値に関
し、その符号付積分値が、常に、その絶対値の積分値に
比較して実質上無視し得る様に、超音波発生器を構成す
る各素子の駆動位相が制御されていることである。この
ように制御することは、焦点面上の音圧積分値に関し、
その符号付積分値が、その絶対値の積分値に比較して実
質上無視し得る様な音場を形成する有力な実施方法であ
る。

第３図、第４図、第５図、第６図、第８図により示した
本発明の実施例は、照射用の超音波送波機構に加えて照
射モニタ用撮像機構を備えたものであり、以下、これに
ついて説明を加える。図中６は撮像用アレイ型送受信深
触子であり、７はそれをＺ軸のまわりに回転させる回転
機構であって、照射目標の位置ぎめに必要な複数の超音
波エコー断層像を得ることのできる構成となっている。
照射モニタ用の深触子６を構成するそれぞれの素子は、
送受波アンプ13を介して送波制御回路12と受信フォーカ
ス回路14に接続されている。得られたエコー断層像17
は、照射領域マーク18と複数断層面の交線19と重畳され
て、表示回路15により表示器16に表示される。このよう
な撮像機構を具備することは、照射目標の位置ぎめに必
要なだけでなく、照射目標の運動を検出し、それを照射
機構に追随させたり、照射領域からの反射エコー強度を
計測することにより、照射領域の温度上昇による音響イ
ンピーダンス変化を観測したり、照射領域において非線
形音響効果により発生する高調波を観測したり、照射目
標領域以外に生ずるいわゆる‘ホットスポット’をそこ
発生する高調波により監視するなどの目的に便利であ
る。

〔発明の効果〕

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

【図面の簡単な説明】

第１図は公知の超音波照射装置とそれにより形成される
焦域の断面図、第２図は本発明による超音波音場の例の
概念図、第３図は本発明の一実施例たる超音波照射装置
のブロック図、第４図、第６図、第８図は本発明の実施
例における超音波発生器の外形図ならびに断面図、第５
図は第４図の超音波発生器とそれによる焦域の断面図、
第７図は第４図、第６図の超音波発生器の駆動位相の例
を示す図、第９図、第10図は第８図の超音波発生器の駆
動位相の例を示す図、第11図は第10図の駆動位相により
焦点面のＰ上に形成される超音波スポットの図。 １……超音波発生器を構成する素子、２……軽金属基
板、３……第２の整合層、４……水袋、５……冷却用配
管、６……照射モニタ用探触子、７……照射モニタ用深
触子回転機構、８……ｍビットカウンタ、９……送波用
ドライバ、10……主制御回路、11……照射用送波位相演
算回路、12……撮像用送波制御回路、13……送受波アン
プ、14……受波フォーカス回路、15……表示回路、16…
…表示器、17……超音波エコー断層像、18……照射領域
マーク、19……複数断層面の交線。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２次元に複数素子が配列されて構成される
   ２次元アレイ型超音波発生器による超音波を照射する超
   音波照射装置において、前記超音波発生器から送波され
   た超音波の焦点面上での超音波の音圧の積分値に関し、
   前記音圧の符号付積分値が、前記音圧の絶対値の積分値
   に比較して実質上無視しえるように前記超音波発生器を
   制御するための制御手段を具備し、該制御手段が、前記
   各素子を駆動する駆動回路と、前記各素子を駆動する駆
   動信号の位相及び振幅を制御する手段とを具備すること
   を特徴とする超音波照射装置。
2. 【請求項２】前記焦点面に環状の焦域が形成されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超音波照射
   装置。
3. 【請求項３】前記焦点面に複数の焦点が同時に形成され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超音
   波照射装置。
4. 【請求項４】前記超音波発生器が放射される超音波を集
   束する音響レンズを有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の超音波照射装置。
5. 【請求項５】前記制御手段は、前記超音波発生器面上で
   の超音波の音圧に積分値に関し、前記音圧の符号付積分
   値が、前記音圧の絶対値の積分値に比較して実質上無視
   しえるように前記起音波発生器を制御することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の超音波照射装置。
6. 【請求項６】前記各素子が球面上に配置され、前記各素
   子から放射される超音波の指向性の極大方向が、前記２
   次元アレイ型超音波発生器の中心軸と交差する向きであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の超音
   波照射装置。