(57)【要約】  複数の間隔を空けて配置した圧電結晶を使用し、所定の時間の間、順次作動させることにより圧電結晶を含むトランスデューサが治療対象領域に対して実質的に固定した状態で使用できるようにする超音波治療のための装置及び方法。
2005515044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に固定的なトランスデューサの適用に適合するように構成された治療用超音波システムであって、
約８００ｋＨｚを超え約３．０ＭＨｚ未満の範囲の周波数かつ約０．１ワット／平方センチメートルから約３．０ワット／平方センチメートルまでの範囲の空間平均強度でパルス状デジタル信号を発生する第１の手段と、
前記第１の手段へ接続されて、前記第１の手段から信号を受信しこれを第２の信号に変換できるように構成された正弦波フィルタと、
前記正弦波フィルタに接続されて、あらかじめ選択した順序で各々あらかじめ選択した時間だけ複数の離れた位置へ前記第２の信号を供給できるように構成されたプログラマブル制御要素と、
複数の間隔を空けて配置した圧電結晶の各々が動作的に前記プログラマブル制御要素へ接続されて前記第２の信号を順次受信し、圧電結晶の各々から外側にパルス状超音波エネルギーを供給するよう構成されたトランスデューサと、
前記トランスデューサを動作している間前記トランスデューサを実質的に固定的に保持するための手段と、
を含むことを特徴とする治療用超音波システム。
【請求項２】
前記第１の手段は可変利得トランスへ接続されたオシレータを含み、前記オシレータは制御自在に中断されてあらかじめ選択したデューティ・サイクルを有する信号を発生することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記オシレータは前記パルス状信号のデューティ・サイクルを約５％から約５０％の範囲で維持するように制御可能であることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記トランスデューサの前記圧電結晶は各々が各々の同軸ケーブル経由で前記プログラマブル制御要素へ接続されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
システムの空間平均強度は約１ワット／平方センチメートルに保持可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
少なくとも４個の圧電結晶があり、その各々が前記プログラマブル制御要素のシーケンス・サイクルの間に一つのあらかじめ選択した時間の間だけ作動できるようにしてあることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
複数の圧電結晶のグループがあり、各々の圧電結晶グループが複数の別々の圧電結晶を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
各々の圧電結晶グループは前記システムの他の圧電結晶グループに対して独立してかつ別々に制御されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
使用者のあらかじめ選択した位置に対して実質的に固定的に前記トランスデューサを保持するための手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記保持手段は少なくとも１本のベルクロ（登録商標）ストラップであり、前記ストラップは使用者の体の一部を取り囲むのに充分な長さを有することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記保持手段は複数のベルクロ（登録商標）ストラップであることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
複数の別々のトランスデューサを含み、その各々が間隔を空けて配置した複数の圧電結晶を有し、その各々が前記プログラマブル制御要素へ動作的に接続されて、ここから前記第２の信号を順次受信することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記別々のトランスデューサの一つの前記圧電結晶は他のトランスデューサの圧電結晶の動作シーケンスに対して独立してシーケンス制御されることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記トランスデューサの各々が同じ時間帯に動作可能であることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
治療用超音波処置の方法であって、
約８００ｋＨｚを超え約３．０ＭＨｚ未満の範囲の周波数かつ約０．１ワット／平方センチメートルから約３．０ワット／平方センチメートルまでの範囲の空間平均強度でパルス状デジタル信号を発生するステップと、
前記パルス状デジタル信号をパルス状正弦波信号に変換するステップと、
前記パルス状正弦波信号を、あらかじめ選択した順序で、各々あらかじめ選択した時間の間、第１の複数の別々の位置へ供給するステップと、
治療しようとする第１の領域に対して前記第１の複数の別々の位置を実質的に固定的に保持しつつ、前記第１の複数の別々の位置で前記パルス状正弦波信号を受信して前記別々の位置の各々から外側に超音波エネルギーを供給するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記第１の複数の別々の位置とは動作的に別で間隔を空けて配置され、治療しようとする別の第２の部位に対して前記第２の複数の別々の位置を実質的に固定的に保持しつつ、第２の複数の別々の位置から外側に超音波エネルギーを供給する第２の複数の別々の位置を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波治療のための装置及びその使用方法に関する。更に詳しくは、本発明はトランスデューサが治療対象領域に対して実質的に固定された状態で保持されるような超音波治療のための装置及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は５０年以上にわたって医学で使用されて来た。医学的治療への超音波の応用はドイツで１９３０年代後半、また米国では１９４０年代後半に導入された。
【０００３】
２０，０００Ｈｚを超える周波数の音は超音波と呼ばれる。任意の音源の場合、周波数が高いほど、発生する音波ビームの拡散が小さくなる。聴取可能周波数の音波は全ての方向に拡散するが、超音波ビームは探照灯から出て来る光ビームと同じように良く収束する。８００ｋＨｚを越える周波数の超音波ビームは物理的治療のため限定された標的領域を選択的に暴露するのに充分なまで収束する。８００ｋＨｚ未満の周波数では超音波ビームの強度は、物理的治療の範囲外となるほど充分に小さいが、このような低い強度レベルで診断術に使用されている。音波の吸収、つまり減衰は周波数の増加に伴って増大する。吸収が部分的に起こるが、それは音波が通過するときに起こる組織での内部的摩擦に対抗する必要があるからである。周波数が高いほどより急激に、分子がこの摩擦に対抗して動かされる。吸収が増加すると、組織を透過して伝播できる音波エネルギーは小さくなる。２０ＭＨｚを超える周波数では表面での吸収が非常に大きくなり、最初の１センチメートルを越えて進入できる音波は１％未満になってしまう。
【０００４】
したがって物理的治療に適用する場合には周波数範囲は一般に約８００ｋＨｚから約３．３ＭＨｚの範囲内の周波数に限定されるものと考えられる。物理的治療の用途で最も一般的に使用される周波数は約１．０ＭＨｚ又は約３．０ＭＨｚの周波数で、これは通常の暴露レベルの下で充分な深さまでの浸透力と充分な加熱との良好な兼ね合いをもたらすことによる。
【０００５】
音波は連続波として又はパルス波として発生できる。パルス波は間欠的に遮断される。パルス波はさらに１パルス周期に対して音波が存在する時間の比率を指定することでも特徴付けられる。この時間の比率はデューティ・サイクルと呼ばれパルス周期全体の時間例えばオン時間とオフ時間の和でパルスがオンになっている時間を除することで計算される。治療用装置のデューティ・サイクルは、パルス式の場合、およそ５％からおよそ５０％の範囲である。
【０００６】
超音波ビームの強さはその強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）で決定される。強度は単位面積あたりでエネルギーが供給される率である。平方センチメートルあたりのワット数で表現される。物理的治療に使用される強度は約０．２５から約３．００ワット／平方センチメートルの範囲に制限されている。
【０００７】
音波ビームがパルス状になった場合、音波ビームがオフのときビーム強度はゼロでありパルス発生中は最大である。ビームの時間平均強度はオンの時間とオフの時間の両方を足した時間について強度を平均することで得られる。加熱量は時間平均強度に依存する。時間平均強度は音波がオフになっている時間量に比例して減少する、すなわち時間的ピーク強度が変わらなくても加熱は少なくなる。
【０００８】
超音波ビームは均一ではないため、超音波ビームの一部の部分は他の部分より強度が強くなる。強度測定で平均強度が得られこれは空間平均強度と呼ばれる。世界保健機関（ＷＨＯ）は空間平均強度を最大３ワット／平方センチメートルに制限している。１０ワット／平方センチメートルを超える強度は外科的に組織を破壊するために使用され、０．２１ワット／平方センチメートル未満の（時間平均）強度は診断目的で使用される。
【０００９】
超音波治療は、トランスデューサと組織の間にゲル又はローションの薄い層を挟んだ移動式トランスデューサの技術を用いて行われるのが通例である。この移動は業界で周知のようにビームの「ホット・スポット」に起因する損傷を避けるためと、一般にトランスデューサの面積よりも典型的に広い領域を治療するためである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
超音波治療は、治療領域の上で音波ヘッドを移動させるのに医師が存在する必要のある介添式治療（ａｔｔｅｎｄｅｄ  ｔｈｅｒａｐｙ）である。治療領域を覆うゲル上でのトランスデューサの移動によってゲルが移動するので介添者が定期的にゲルを塗布する必要がある。
【００１１】
治療中のトランスデューサの移動速度は医師によって大幅に違う。そのため、トランスデューサを移動するのが早すぎたり、結合媒体を充分に使用しなかったり、トランスデューサを移動させなかったり、広すぎる領域を治療しようとしたり、トランスデューサを患者に接触させなかったり、またその他の原因により、医師による治療装置の誤用が頻繁に発生する。
【００１２】
治療は医師によって監督されるべきものであるため、患者は多数回にわたって特定の治療時間に制限されることが多い。患者にとっては毎回より長い治療時間でより少ない治療回数の方が有益であることが分かっている。
【００１３】
本発明は前述の問題の１つ又はそれ以上を克服することに係る。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の１つの観点では、治療用超音波システムは使用中に実質的に固定的なトランスデューサ配置にできるように構成されている。本治療用超音波システムは約８００ｋＨｚを超え約３．０ＭＨｚ未満の範囲の周波数で、約０．１ワット／平方センチメートルから約３．０ワット／平方センチメートルまでの範囲の空間平均強度でパルス状デジタル信号を発生する第１の手段を備える。
【００１５】
正弦波フィルタが第１の手段に接続され、第１の手段からの信号を受信し第２の信号に変換する。プログラマブル制御要素が正弦波フィルタに接続されあらかじめ選択した順序で別々の複数位置へ、各々あらかじめ選択した時間の間、前記第２の信号を供給する。
【００１６】
トランスデューサは間隔を空けて配置した複数の圧電結晶を有し、圧電結晶の各々がプログラマブル制御要素へ動作的に接続されて第２の信号を順次受信して圧電結晶の各々からパルス状音波ビームを供給する。トランスデューサを操作している間、トランスデューサを実質的に固定して保持するための手段が提供される。
【００１７】
本発明の別の観点では、超音波治療の方法が提供される。パルス状デジタル信号は約８００ｋＨｚを超え約３．０ＭＨｚ未満の範囲の周波数で、かつ約０．１ワット／平方センチメートルから約３．０ワット／平方センチメートルまでの範囲の空間平均強度で発生される。この信号はパルス状正弦波信号に変換される。パルス状正弦波信号はあらかじめ選択した順序で各々あらかじめ選択した時間の間、第１の複数の別々の位置へ供給される。パルス状正弦波信号は前記第１の複数の別々の位置で受信され、治療しようとする第１の領域に対して前記第１の複数の別々の位置を実質的に固定的に保持しつつ、前記別々の位置の各々から超音波エネルギーが外側に供給される。トランスデューサを操作している間、トランスデューサを実質的に固定的に保持するための手段が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１を参照すると、治療用超音波システム２が図示してある。超音波システム２はオシレータ４が可変利得トランス６へ接続され、このトランス６はパルス状デジタル信号からパルス状正弦波信号へ変換する正弦波フィルタ８に接続される。パルス状正弦波信号は線１０によってプログラマブル制御要素１２へ供給される。
【００１９】
オシレータ４と可変利得トランス６は約８００ｋＨｚを超え約３．０ＭＨｚ未満の範囲の周波数で、かつ約０．１ワット／平方センチメートルから約３．０ワット／平方センチメートルまでの範囲の空間平均強度で、望ましくは約１．０ワット／平方センチメートルで、パルス状デジタル信号を発生できるように構成されている。これらの値では超音波システム２の強度は治療に使用される値に制限される。
【００２０】
プログラマブル制御要素１２は線１０を介してパルス状正弦波信号を受信してトランスデューサ１１内部の複数の別の位置１３〜１６へ各々の線２１〜２４を介して前記パルス状正弦波信号を供給し、この場合各々の位置１３〜１６のところには別の圧電結晶１７〜２０が置かれている。圧電結晶１７〜２０はあらかじめ選択した順序で、各々があらかじめ選択した時間の間、プログラマブル制御要素１２から供給されるパルス状正弦波信号を受信する。
【００２１】
パルスによる起動に応答して、各々の圧電結晶１７〜２０はトランスデューサ１１から外側に超音波エネルギーを供給する。各々個別の圧電結晶１７〜２０はトランスデューサ１１の動作の完全１周期の総時間の一部の時間だけ超音波エネルギーを供給するように作動し、個別の圧電結晶１７〜２０が互いに離れているためトランスデューサ１１は前述したような望ましくない「ホット・スポット」を発生させることなく治療領域に対して静止させておくことができる。この理由により、トランスデューサ１３は例えばベルクロ（登録商標）ストラップ２６、ベルクロ（登録商標）ストラップ群２６、２７により、又は超音波治療しようとする領域に対して固定的にトランスデューサ１１を保持するための他の何らかの手段により、患者に取り付けておくことができる。
【００２２】
オシレータは約５％から約５０％の範囲でパルス状信号のデューティ・サイクルを維持するように制御可能である。望ましくはデューティ・サイクルは約２０％に維持する。多数の圧電素子に順序付けたことと併せて低いデューティ・サイクルの比率を維持することにより移動しないトランスデューサの場合の「ホット・スポット」の発生の回避を確実にする。
【００２３】
トランスデューサ１１を制御要素へ接続する線２１〜２４は好ましくは同軸ケーブルとする。同軸ケーブルの目的は電気エネルギーの伝送を最大としつつ周波数歪み及び外部環境への干渉を最小限に抑えることである。
【００２４】
図２を参照すると、本発明の別の実施態様が図示してあり、これは複数のトランスデューサ１１、２８を備え、その各々が複数の別々の圧電結晶１７〜２０、３０〜３３を備えている。本実施態様で各トランスデューサは別のグループの圧電結晶を有し各々の圧電結晶グループ１７〜２０、３０〜３３は制御要素１２へ接続され、各々の圧電結晶グループは他方の圧電結晶グループに対して独立してシーケンス制御される。
【００２５】
トランスデューサ１１、２８の各々は同じ時間帯に動作できる。図２はこのような使用方法を示しており別々のトランスデューサ１１、２８が患者の膝のそれぞれ対向する側面で治療している。
【００２６】
本発明で好適な超音波ジェネレータはリッチマー社（オクラホマ州イノーラ、私書箱８７９号、電話９１８−５４３−２２２２番）から入手可能な部品番号０１８５である。トランスデューサ１１又は２８もリッチマー社からの一般市販品として入手可能であり、プログラマブル制御要素１２も同様である。しかし、当業者は本明細書を読んだ後に進歩性を有する行為を用いることなく本発明の装置を容易に製作できることは特筆されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の装置を使用する方法において、パルス状デジタル信号は約８００ｋＨｚを超え約３．０ＭＨｚ未満の範囲の周波数かつ約０．１ワット／平方センチメートルから約３．０ワット／平方センチメートルまでの範囲の空間平均強度で発生する。この発生した信号をパルス状正弦波信号に変換し、これをあらかじめ選択した順序で、各々あらかじめ選択した時間の間、第１の複数の別々の位置へ供給する。信号は前記第１の複数の別々の位置で順次受信され、第１の複数の別々の位置を治療しようとする第１の部位に対して実質的に固定して保持しつつ、結果として前記別々の位置の各々から外側に超音波エネルギーが供給される。
【００２８】
図２は別の方法を示し、２個のトランスデューサ１１、２８がプログラマブル制御要素１２へ線２１、２２、２３、２４と３６、３７、３８、３９によって接続され、各々のトランスデューサ１１、２８が同様に機能する。第２のトランスデューサ２８は前記第１の複数の別々の位置とは動作的に別々で離れた第２の複数の別々の位置を有し、第２の複数の別々の位置を治療しようとする別の第２の領域に対して実質的に固定的に保持しつつ、前記位置の各々から外側に超音波エネルギーを供給できるように構成されている。本発明のこの別の実施態様は関節の対向する側面に損傷を被った患者の関節の治療に最も有用である。
【００２９】
本発明のその他の態様、目的、利点は図面、開示内容、添付の請求の範囲の研究から得られよう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の装置の略図である。
【図２】図２は、第２のトランスデューサを有する本発明の装置の略図である。
【図１】
2005515044.tif 000003
【図２】
2005515044.tif 000004
【国際調査報告】
2005515044.tif 000005
2005515044.tif 000006
2005515044.tif 000007
2005515044.tif 000008