(57)【要約】      （修正有）【課題】焦点式切除超音波治療に用いる、大きく湾曲した面の精度が高い、超音波治療トランスデューサーを提供する。【解決手段】カスタムトランスデューサーハウジングは、ラピッドプロトタイピング方法を使用して製造され、複数の単一エレメントの実質的に平坦なトランスデューサーを、共通の焦点を共有するように配置させる。ラピッドプロトタイピング方法は、例えば、熱溶解積層法、３Ｄプリンティング、およびステレオリソグラフィーを含むことが可能である。【選択図】図１
2018118092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと、
前記トランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、前記トランスデューサーは、前記トランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するように前記ハウジングの上に配置されており、前記複数のトランスデューサーは、治療的超音波エネルギーを、前記焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーと
を含む、超音波治療システム。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーが、球面状の単一エレメントのトランスデューサーを含む、超音波治療システム。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーが、圧電トランスデューサーエレメントを含む、超音波治療システム。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波治療システムであって、前記圧電トランスデューサーエレメントが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックを含む、超音波治療システム。
【請求項５】
請求項１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーのそれぞれの前方に配設されている音響レンズをさらに含む、超音波治療システム。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波治療システムであって、それぞれの音響レンズが、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと一体型になっている、超音波治療システム。
【請求項７】
請求項５に記載の超音波治療システムであって、それぞれのトランスデューサーと音響レンズとの間に配設されているマッチング層であって、前記マッチング層が、前記トランスデューサーを前記音響レンズに音響的に連結するように構成されている、マッチング層をさらに含む、超音波治療システム。
【請求項８】
請求項７に記載の超音波治療システムであって、前記マッチング層が、テーパー付きのマッチング層を含む、超音波治療システム。
【請求項９】
請求項７に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、複数のマッチング層スタンドオフをさらに含み、マッチング層スタンドオフが、それぞれの音響レンズの後面から、それぞれのトランスデューサーの前方表面を、前記マッチング層にとって適正な距離だけ分離する、超音波治療システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、熱溶解積層法、３Ｄプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択されるプロセスによって製造されている、超音波治療システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーのそれぞれが、別々のトランスデューサーモジュールの中に配設されており、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、前記トランスデューサーモジュールを受け入れるように構成されている複数の開口部を含む、超音波治療システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、ねじ山部を含み、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの前記開口部の中へねじ込まれるように構成されている、超音波治療システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの前記開口部が、前記トランスデューサーモジュールの前記ねじ山部と嵌合するように適合された溝部を含む、超音波治療システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、一体型の音響レンズと、それぞれの音響レンズとトランスデューサーとの間に、マッチング層のためのスペースを画定する少なくとも１つのマッチング層スタンドオフとをそれぞれ含む、超音波治療システム。
【請求項１５】
複数の開口部を含むトランスデューサーハウジングと、
前記トランスデューサーハウジングの前記開口部の中へ挿入されるように構成され、前記ハウジングによって保持されるようになっている複数のトランスデューサーモジュールであって、それぞれのトランスデューサーモジュールが、音響レンズ、実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサー、および、前記レンズと前記トランスデューサーとの間に配設されているマッチング層を含み、前記トランスデューサーハウジングの前記開口部が、共通の焦点を共有するように前記単一エレメントのトランスデューサーを整合させるように配置されており、前記単一エレメントのトランスデューサーが、治療的超音波エネルギーを、前記焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーモジュールと
を含む、超音波治療システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、前記ハウジングの前記開口部の中へねじ込まれるように構成されている、超音波治療システム。
【請求項１７】
請求項１５に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーハウジングが、凹面状ハウジングを含む、超音波治療システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーが、前記ハウジングの中心の近くに位置付けされている超音波イメージングシステムの周りに円形配置で配置されている、超音波治療システム。
【請求項１９】
請求項１５に記載の超音波治療システムであって、前記ハウジングが、ラピッドプロトタイピング方法によって構築されている、超音波治療システム。
【請求項２０】
ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと、
前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、前記トランスデューサーは、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するように前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの上に配置されており、前記複数のトランスデューサーは、超音波エネルギーを前記焦点に適用するように構成されている、トランスデューサーと
を含む、超音波システム。
【請求項２１】
３Ｄコンピューター支援設計ソフトウェアで、トランスデューサーハウジングシェルを
所望の幾何学形状に設計するステップと、
ラピッドプロトタイピング方法を使用して、前記トランスデューサーハウジングシェルを構築するステップと
を含む、超音波システムを設計および製造する方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法であって、前記設計するステップが、前記ハウジングシェルの中の複数の開口部が共通の焦点に収束するように整合されるように、前記トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップをさらに含む、方法。
【請求項２３】
請求項２１に記載の方法であって、複数の実質的に平坦な非焦点式の圧電素子または圧電セラミック素子を前記トランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、前記圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップ
をさらに含む、方法。
【請求項２４】
請求項２１に記載の方法であって、複数の湾曲した非焦点式の圧電素子または圧電セラミック素子を前記トランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、前記圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップ
をさらに含む、方法。
【請求項２５】
請求項２２に記載の方法であって、前記ラピッドプロトタイピング方法によって複数のトランスデューサーエレメントモジュールを構築するステップと、前記トランスデューサーエレメントモジュールを前記トランスデューサーハウジングシェルの前記開口部の中へ挿入するステップとをさらに含む、方法。
【請求項２６】
請求項２１に記載の方法であって、前記ラピッドプロトタイピング方法が、熱溶解積層法、３Ｄプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択される、方法。
【請求項２７】
請求項２１に記載の方法であって、
前記３Ｄコンピューター支援設計ソフトウェアで、複数の音響フォーカシングレンズを前記ハウジングの中へ設計するステップと、
前記ラピッドプロトタイピング方法を使用して、前記音響フォーカシングレンズを構築するステップと
をさらに含む、方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法であって、前記複数の音響フォーカシングレンズが、前記トランスデューサーハウジングシェルと一体型になっている、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]この出願は、２０１２年４月３０日に出願された表題「Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ」の米国仮特許出願第６１／６４０，５６０号の米国特許法第１１９条の下での利益を主張し、その出願は、本明細書に述べられているかのように参照により組み込まれている。
政府の権利
[0002]本発明は、国立衛生研究所によって認められた認可番号第Ｒ０１  ＣＡ１３４５７９号および第Ｒ０１  ＥＢ００８９９８号の下で政府の支援によって行われた。政府は、本発明において一定の権利を有している。
参照による引用
[0003]本明細書で記述されているすべての刊行物および特許出願は、それぞれの個別の刊行物または特許出願が具体的におよび個別に参照により組み込まれていると示されている場合と同じ程度に、参照により本明細書に組み込まれている。
【０００２】
[0004]本開示は、概して、高密度焦点式超音波トランスデューサーを製造すること、および、その設計に関する。より具体的には、本開示は、超音波治療トランスデューサーを製造すること、および、ステレオリソグラフィーを含むラピッドプロトタイピング方法を使用したヒストトリプシートランスデューサーなどのような、関連の設計を説明している。
【背景技術】
【０００３】
[0005]焦点式切除超音波治療（例えば、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）温熱治療およびヒストトリプシーなど）は、非侵襲的に病理学的組織の正確な外科的破壊をすることを実証してきた。これらの治療は、焦点式トランスデューサーに依存し、高い音響強度または圧力を局所的な領域に送達し、関心組織を切除する。ＨＩＦＵは、十分な音響強度が、十分な時間にわたり焦点領域に送達され、加熱によって組織壊死を引き起こすということを必要とする。ヒストトリプシーに関して、高い圧力で短期間の音響パルスが適用され、沸騰を通してキャビテーションクラウドまたはバブルを誘発させることによって、組織の機械的な破壊を焦点体積の中に引き起こす。ヒストトリプシーは、１０〜＞２５ＭＰａピーク負圧の焦点圧力レベルを必要とし、ピーク正圧は、１００ＭＰａを超える可能性がある。
【０００４】
[0006]そのような圧力レベルを発生させるために、細心の配慮が、治療トランスデューサーの設計のために必要とされる。トランスデューサーは、最も一般的には、理想的なフォーカシングを作り出す球面状に湾曲したセグメントを使用して、圧電セラミックまたは圧電複合材料から構築されている。典型的な共鳴周波数は、用途に応じて、５００ｋＨｚから４ＭＨｚまで変化する。治療トランスデューサーは、簡単な単一エレメント構築物から、数百個の個別のエレメントのフェーズドアレイまでの範囲にあり、焦点ステアリング（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）を促進させることが可能である。先行研究で使用されたヒストトリプシートランスデューサーは、背面に空気があり（ａｉｒ−ｂａｃｋｅｄ）、単一の４分の１波長マッチング層を含有する圧電セラミックまたは圧電複合エレメントから構築されてきた。これらのトランスデューサーは、かなりの焦点圧力ゲインを有するために、波長と比較して大きくなければならない。この条件は、非常に大きく湾曲したトランスデューサー（それは、表面の曲率に沿って必然的に高い精度を維持しなければならない）を構築するときに、著しい困難性を引き起こす可能性がある。
【０００５】
[0007]これらのトランスデューサーは極めて信頼性があるが、それらは、限定的な幾何学的仕様を有し、＄５，０００〜＄５０，０００の費用がかかり、構築するために１．５〜６カ月を必要とする。このターンアラウンド（ｔｕｒｎａｒｏｕｎｄ）は、トランスデューサーを最適化するために、設計を反復し、小さい変化をさせることを困難にする。イメージングフィードバックプローブの統合およびアライメント、複数の治療エレメントのアライメント、複雑な焦点パターンの発生、または、本体部の中の利用可能な音響ウィンドウの最大利用のために、治療トランスデューサーに関して複雑な幾何学形状を形成することが望ましいことが多い。そのようなトランスデューサー設計の反復は、焦点式圧電エレメントを作り出すための関連のコストおよびリードタイム、ならびに、適切なトランスデューサーハウジングに必要な機械加工に起因して、研究レベルにおいて、コストがかかり、時間がかかる可能性がある。
【０００６】
[0008]本開示は、ラピッドプロトタイピングを使用して焦点式超音波トランスデューサーを構築するための新規な設計および方法を説明している。トランスデューサーは、シェルの中に収容された複数の平坦なまたは高いｆナンバーの圧電セラミックまたは圧電エレメントを含み、シェルは、音響フォーカシングレンズおよび音響マッチング層を含有し、すべてが、ラピッドプロトタイピングを使用して作製される。ラピッドプロトタイピングは、機械加工に代わるものとして、研究において、機能的なおよび非機能的なコンポーネントを評価する方法として、エンジニアリング実務において受け入れられてきている。ラピッドプロトタイピングは、それが、コスト効率が良くて速く、かつ、ほぼ限界のない複雑性を作り出すことが可能であるという点において、サブトラクティブ法（例えば、機械加工）または造形法（例えば、射出成形）プロセスに勝る利点を有している。この方法が使用され、アレイトランスデューサーだけでなく、単一の焦点式トランスデューサーも構築することが可能である。
【０００７】
[0009]ラピッドプロトタイピングの共通の方法は、ステレオリソグラフィー、選択的レーザー焼結、熱溶解積層法（ＦＤＭ）、および３Ｄプリンティングを含む。そのようなマシンの中で使用される材料は、従来のおよび独自のポリマー、エラストマー、石膏、セラミック複合材、ならびに金属とすることが可能である。マシンの精度および分解能は、マシンの技術によって決定付けられる。例えば、ステレオリソグラフィー装置（ＳＬＡ）システムは、１０〜１００μｍの間のすべての寸法の分解能を作り出すことが可能である。この精度は、低いＭＨｚ範囲の中に超音波エレメントを整合させるのに十分に正確であるということが見出された。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
[00010]超音波治療システムが提供され、超音波治療システムは、ラピッドプロトタイ
ピングトランスデューサーハウジングと、トランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、トランスデューサーは、トランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するようにハウジングの上に配置されており、複数のトランスデューサーは、治療的超音波エネルギーを、焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーとを含む。
【０００９】
[00011]いくつかの実施形態では、複数のトランスデューサーが、球面状の単一エレメ
ントのトランスデューサーを含む。他の実施形態では、複数のトランスデューサーが、圧電トランスデューサーエレメントを含む。一実施形態では、圧電トランスデューサーエレメントが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックを含む。
【００１０】
[00012]いくつかの実施形態では、システムが、複数のトランスデューサーのそれぞれ
の前方に配設されている音響レンズをさらに含む。いくつかの実施形態では、それぞれの音響レンズが、ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと一体型になっている。
【００１１】
[00013]いくつかの実施形態では、システムが、それぞれのトランスデューサーと音響
レンズとの間に配設されているマッチング層であって、マッチング層が、トランスデューサーを音響レンズに音響的に連結するように構成されている、マッチング層をさらに含む。いくつかの実施形態では、マッチング層が、テーパー付きのマッチング層を含む。
【００１２】
[00014]別の実施形態では、ハウジングが、複数のマッチング層スタンドオフ（ｓｔａ
ｎｄｏｆｆｓ）をさらに含み、マッチング層スタンドオフが、それぞれの音響レンズの後面から、それぞれのトランスデューサーの前方表面を、マッチング層にとって適正な距離だけ分離する。
【００１３】
[00015]一実施形態では、ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが
、熱溶解積層法、３Ｄプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択されるプロセスによって製造されている。
【００１４】
[00016]いくつかの実施形態では、複数のトランスデューサーのそれぞれが、別々のト
ランスデューサーモジュールの中に配設されており、ハウジングが、トランスデューサーモジュールを受け入れるように構成されている複数の開口部を含む。一実施形態では、トランスデューサーモジュールが、ねじ山部を含み、ハウジングの開口部の中へねじ込まれるように構成されている。別の実施形態では、ハウジングの開口部が、トランスデューサーモジュールのねじ山部と嵌合するように適合された溝部を含む。
【００１５】
[00017]いくつかの実施形態では、トランスデューサーモジュールが、一体型の音響レ
ンズと、それぞれの音響レンズとトランスデューサーとの間に、マッチング層のためのスペースを画定する少なくとも１つのマッチング層スタンドオフとをそれぞれ含む。
【００１６】
[00018]別の超音波治療システムが提供され、超音波治療システムは、複数の開口部を
含むトランスデューサーハウジングと、トランスデューサーハウジングの開口部の中へ挿入されるように構成され、ハウジングによって保持されるようになっている複数のトランスデューサーモジュールであって、それぞれのトランスデューサーモジュールが、音響レンズ、実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサー、および、レンズとトランスデューサーとの間に配設されているマッチング層を含み、トランスデューサーハウジングの開口部が、共通の焦点を共有するように単一エレメントのトランスデューサーを整合させるように配置されており、単一エレメントのトランスデューサーが、治療的超音波エネルギーを、焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーモジュールとを含む。
【００１７】
[00019]いくつかの実施形態では、トランスデューサーモジュールが、ハウジングの開
口部の中へねじ込まれるように構成されている。
[00020]他の実施形態では、トランスデューサーハウジングが、凹面状ハウジングを含
む。
【００１８】
[00021]一実施形態では、トランスデューサーが、ハウジングの中心の近くに位置付け
されている超音波イメージングシステムの周りに円形配置で配置されている。
[00022]別の実施形態では、ハウジングが、ラピッドプロトタイピング方法によって構
築されている。
【００１９】
[00023]超音波システムが提供され、超音波システムは、ラピッドプロトタイピングト
ランスデューサーハウジングと、ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、トランスデューサーは、ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するようにラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの上に配置されており、複数のトランスデューサーは、超音波エネルギーを焦点に適用するように構成されている、トランスデューサーとを含む。
【００２０】
[00024]また、超音波システムを設計および製造する方法が提供され、方法は、３Ｄコ
ンピューター支援設計ソフトウェアで、トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップと、ラピッドプロトタイピング方法を使用して、トランスデューサーハウジングシェルを構築するステップとを含む。
【００２１】
[00025]いくつかの実施形態では、設計するステップが、ハウジングシェルの中の複数
の開口部が共通の焦点に収束するように整合されるように、トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップをさらに含む。
【００２２】
[00026]別の実施形態では、方法が、複数の実質的に平坦な非焦点式の圧電素子または
圧電セラミック素子をトランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップをさらに含む。
【００２３】
[00027]いくつかの実施形態では、方法が、複数の湾曲した非焦点式の圧電素子または
圧電セラミック素子をトランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップをさらに含む。
【００２４】
[00028]いくつかの実施形態では、方法が、ラピッドプロトタイピング方法によって複
数のトランスデューサーエレメントモジュールを構築するステップと、トランスデューサーエレメントモジュールをトランスデューサーハウジングシェルの開口部の中へ挿入するステップとをさらに含む。
【００２５】
[00029]一実施形態では、ラピッドプロトタイピング方法が、熱溶解積層法、３Ｄプリ
ンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択される。
[00030]別の実施形態では、方法が、３Ｄコンピューター支援設計ソフトウェアで、複
数の音響フォーカシングレンズをハウジングの中へ設計するステップと、ラピッドプロトタイピング方法を使用して、音響フォーカシングレンズを構築するステップとを含む。
【００２６】
[00031]いくつかの実施形態では、複数の音響フォーカシングレンズが、トランスデュ
ーサーハウジングシェルと一体型になっている。
[00032]本発明の新規な特徴は、次に続く特許請求の範囲の中で特殊性とともに述べら
れている。本発明の特徴および利点のより良好な理解は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照することによって得られることとなり、詳細な説明は、例示目的の実施形態を述べており、実施形態の中で、本発明の原理が利用されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】[00033]図１Ａ乃至１Ｃは、トランスデューサー製造のために利用されるラピッドプロトタイピング方法の説明図である。
【図２】[00034]図２Ａ及び２Ｂは、ラピッドプロトタイピングによるハウジング方法によって、単一の圧電エレメントを使用して設計されたトランスデューサーの実施形態を図示する図である。ハウジングは、内部接続および装着ハードウェアのための防水を提供している。
【図３】[00035]図３Ａ及び３Ｂは、ラピッドプロトタイピングによるハウジングを備えるマルチエレメントの球面状シェル方法を使用して作り出されたトランスデューサーを図示する図である。
【図４】[00036]図４Ａ乃至４Ｆは、ラピッドプロトタイピングによるモールド方法によって構築されているトランスデューサーを図示する図である。
【図５】[00037]図５Ａ乃至５Ｃは、マッチング層および音響レンズ方法によって構築されているマルチエレメントトランスデューサーを図示する図である。
【図６】[00038]図６Ａ乃至６Ｄは、正確なマッチング層の適用を可能にするスタンドオフを備える単一エレメントハウジングモジュールの設計を図示する図である。
【図７】[00039]図７は、３７エレメントフェーズドアレイのためのモデルを図示する図であり、アライメント特徴部（ポスト）、および、トランスデューサーハウジングを画定する同じ構造体の中に組み込まれているマッチング層画定特徴部を示す図である。この構造体は、数百個または数千個のエレメントに拡大縮小し、ラピッドプロトタイピングマシンによって作ることが可能であった。
【図８】[00040]図８Ａ及び８Ｂは、複数の単一エレメントハウジングモジュールとともに装着されるモジュラーエレメントの半球面状のトランスデューサーハウジングシェルの概略図である。
【図９】[00041]図９Ａ及び９Ｂは、ラピッドプロトタイピングを使用してトランスデューサーハウジングシェルの中に組み込まれたイメージングプローブホルダーアライメントを図示する図である。
【図１０】[00042]図１０Ａ及び１０Ｂは、モデル（実線）および実験的測定（正方形）によって予測された音速および音響インピーダンスを図示し、すべて、エポキシ樹脂の中の粉末の質量割合の関数として図示する図である。より低いバルク音速を有する粉末は、より低い音速を有する材料を作り出したが、インピーダンス−対−割合は、モデルによって予測されたように、３つの材料の間で一致していた。
【図１１】[00043]図１１は、１％デューティーサイクルにおいて適用された１０サイクルパルスによる故障の前の最大エレメント表面圧力を図示する図である。テストされたすべてのタイプのＰＺＴが、マッチング層なしで、同様の故障ポイントを有していた。それぞれの測定は、３サンプルの平均であり、故障表面圧力の範囲を示すエラーバーを有している。マッチング層を備えるエレメントに関して一致した故障圧力は、決定されなかった。バーは、エレメントからの最も高い推定表面圧力レベルを表している。したがって、２０００Ｖｐｐが、マッチング層を備える１ＭＨｚエレメントを駆動するための安全限界であると考えられた。
【図１２】[00044]図１２Ａ乃至１２Ｆは、マッチング層／レンズなしのエレメント（上側）、および、マッチング層／レンズを備えるエレメント（下側）のインピーダンストレースを図示する図である。エレメントインピーダンスは、エレメント端子に直接的に接続されるように示されており（左側）、２メートルケーブルの端部がエレメントに取り付けられているように示されており（中央）、電圧ゲインネットワークへの入力部において接続されるように示されている（右側）。
【図１３】[00045]図１３は、マッチング層およびレンズを備える、および、マッチング層およびレンズなしの、電圧ネットワークおよびケーブルを備える１ＭＨｚエレメントのインピーダンスの大きさを図示する図である。
【図１４】[00046]図１４Ａ乃至１４Ｆは、３つの別々の周波数において、マッチング層およびレンズなしのエレメント（上側）、および、マッチング層およびレンズを備えるエレメント（下側）に関する負荷の中の等価表面圧力を図示する図である。マッチング層／レンズエレメントは、バンド幅にわたって、より速いリングアップ時間、および、より一定の圧力出力を示している。
【図１５】[00047]図１５Ａ乃至１５Ｄは、マッチング層なしのトランスデューサーエレメント（上側）、および、マッチング層を備えるトランスデューサーエレメント（下側）のインパルス応答を図示する図である。電圧応答（左側）および圧力応答（右側）が示されている。
【図１６】[00048]図１６Ａ乃至１６Ｄは、マッチングした（ｍａｔｃｈｅｄ）エレメントおよびマッチングしていない（ｕｎｍａｔｃｈｅｄ）エレメントに関して、それらの最大出力周波数（８６０ｋＨｚ）における電圧（左側）および圧力（右側）を図示する図である。
【図１７】[00049]図１７は、図２１に対応する一次元のビームプロファイルを図示する図である。（左側）Ｘ横断方向の圧力プロファイル。（中央）Ｙ横断方向の圧力プロファイル。（右側）Ｚ軸線方向の圧力プロファイル。
【図１８】[00050]図１８Ａ及び１８Ｂは、レンズを備える圧電エレメントハウジングの断面詳細を図示する図である。左側のイメージは、エレメントおよびマッチング層の設置前のハウジングを示しており、右側の画像は、エレメントが適切な場所にあるときの最終状態を示している。
【図１９】[00051]図１９は、シミュレートされたおよび実験的に測定された、血栓溶解トランスデューサーのエレメントのための電気的なケーブル端インピーダンスの比較を図示する図である。
【図２０】[00052]図２０Ａ及び２０Ｂは、（左側）治療トランスデューサーの中の８つのエレメントのそれぞれによって、トランスデューサー焦点において受信される波形を図示する図である。（右側）位相誤差補正なしで（赤）、および、位相誤差補正を伴って（黒）、記録されたすべての８つの波形を加算することによって推定される焦点圧力である。
【図２１】[00053]図２１Ａ及び２１Ｂは、（左側）８０％駆動電圧（約１２８０Ｖｐｐ）においてＦＯＰＨによって記録された焦点圧力波形を図示する図である。（右側）ピーク焦点負圧−対−ＤＣ供給電圧である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
[00054]本開示は、超音波トランスデューサーのための新規なラピッドプロトタイピン
グ方法および設計、ならびに、製造方法を説明している。トランスデューサーは、ラピッドプロトタイピングによって作られたハウジングシェルの中に、複数の平坦な（非焦点式）または高いｆナンバー（湾曲が少ない）の圧電素子または圧電セラミック素子から作製することが可能であり、音響フォーカシングレンズ、マッチング層、ならびに、機械的および電気的な絶縁体が、すべて、ハウジングシェルの中に組み込まれている。トランスデューサーのフォーカシングは、適当に設計された音響レンズをそれぞれのエレメントに適用することによって実現することが可能であり、それは、ハウジングシェルの一部、または、ハウジングシェルの中へ組み立てられる別々のコンポーネントの一部とすることが可能である。ハウジングシェルは、適当な幾何学形状を有し、すべてのエレメントを整合させ、所望の焦点パターンを実現することが可能である。音響レンズおよびハウジングシェルは、任意の幾何学形状および寸法に作製することが可能である。最初に、それらは、Ｓｏｌｉｄ  Ｗｏｒｋｓ、ＴｕｒｂｏＣＡＤ、Ａｕｔｏｄｅｓｋ  Ｉｎｖｅｎｔｏｒなどのような、３Ｄコンピューター支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアで設計され、次いで、ラピッドプロトタイピングによって構築することが可能である。この方法を使用して、とりわけ、ヒストトリプシー用途のために、高い圧力の焦点式超音波トランスデューサーを設計および製造するために、例が与えられることとなる。ラピッドプロトタイピング方法は、サブトラクティブ法（例えば、機械加工）または造形法（例えば、射出成形）を使用する現在のトランスデューサー構築方法と比較して、以下の利点を有している。
【００２９】
[00055]ラピッドプロトタイピング方法および設計は、大きい開口部の、より低いｆナ
ンバー（より湾曲しており、ｆナンバー＝焦点距離／トランスデューサー開口部直径）超音波トランスデューサーの構築コストをかなり低減させることが可能である。従来のトランスデューサー構築方法は、典型的に、高価な大きいピースの球面状に湾曲したセラミックセグメントを利用する。比較すると、本明細書で説明されているラピッドプロトタイピング方法は、安価で小さく平坦なまたは湾曲の少ないエレメントを利用する。これらの方法を使用して、より大きい開口部の、より低いｆナンバーのトランスデューサーを構築するコストは、１つの大きいピースの結晶を使用して作製される等価トランスデューサーに関するコストと比較して、１桁より多い大きさで低減させることが可能である。
【００３０】
[00056]ラピッドプロトタイピング方法および設計は、構築時間をかなり低減させ、設
計反復を加速させることが可能である。高い精度を有する大きい開口部の湾曲した結晶トランスデューサーの従来の製造は、高度に専門化された知識および機器を必要とする長く複雑な手順である。通常、長期にわたるを製造手順に起因して、営利会社からトランスデューサーを得るために６週間〜６カ月かかる。比較すると、ラピッドプロトタイピングマシンへのアクセスが利用可能である場合に、ラピッドプロトタイピングトランスデューサーを使用して、大きい開口部の低いｆナンバーのトランスデューサーを組み立てるのに約数日かかる。とりわけ、複数の設計反復が必要とされる新しいデバイスを開発するために、デバイス開発プロセスを、実質的に加速させることが可能である。
【００３１】
[00057]ラピッドプロトタイピングは、サブトラクティブ法のまたは造形法方法によっ
て作り出すことができない複雑な形状を可能にする。特定の臨床応用のために、複雑な形状開口部は、特定の音響ウィンドウにフィットするか、または、特定の焦点パターンを得るかのいずれかのために望まれる可能性がある。ラピッドプロトタイピング方法を使用して、任意の幾何学形状を設計および構築することが可能であり、それは、既存のサブトラクティブ法（例えば、機械加工）または造形法（例えば、射出成形）の方法では可能ではない。
【００３２】
[00058]ラピッドプロトタイピング方法は、単一の焦点式トランスデューサーおよびア
レイトランスデューサー（例えば、環状アレイまたはフェーズドアレイなど）の両方を作るために使用することが可能である。アレイの構築は、機械的におよび電子的に絶縁され得る複数の切り離されたエレメントを利用することが可能である。
【００３３】
[00059]ラピッドプロトタイピング設計および方法は、かなり改善されたバンド幅およ
び振幅出力となるように構成されている音響マッチング層を組み込むことが可能である。トランスデューサーバンド幅および振幅出力を改善するために、適当な音響インピーダンスを有する材料の薄い層（概して１／４波長）を、湾曲した圧電結晶とトランスデューサーの前方表面との間に設置することが可能である。従来から、エポキシ樹脂混合物などのような均一な厚さのサブミリメートルの層材料を、湾曲した結晶に適用することは、技術的に非常に挑戦的なものであり、どのようにそれがなされるかということは、一般的に、トランスデューサー製造会社に関する企業秘密として保護されている。比較すると、ラピッドプロトタイピング方法を使用して、ＡｕｔｏＣＡＤ設計で、結晶と前方ハウジング表面との間に小さいオフセッティングパッドを組み込むことによって、音響層の適用を比較的に簡単に実現することが可能である。所望の厚さのオフセッティングパッドは、結晶が前方ハウジング表面から正確な距離に設置されることを可能にする。金属が充填されたエポキシ樹脂（それは、音響マッチング層にとって適当な音響インピーダンスを有することが可能である）は、結晶を設置する前に、オフセッティングパッドによって取り囲まれたスペースの中へ注入することが可能である。次いで、エポキシ樹脂混合物は、エレメントをハウジングに結合するために使用され、適正なマッチング層厚さおよび音響インピーダンスを提供することが可能である。ＳＬＡ材料の前方ハウジング表面は、出力のさらなる改善のために、第２の音響マッチング層としての役割を果たすことが可能である。
【００３４】
[00060]最大音響出力に関して、典型的な超音波トランスデューサーは、後方面が非常
に低いインピーダンス媒体（通常は、空気または低密度フォーム）によって機械的に絶縁されている状態で、結晶の１つの面を（通常は、介在するマッチング層とともに）伝搬媒体と機械的に接触させる。ラピッドプロトタイピングは、結晶のための固定具またはハウジングがこれらの絶縁および伝搬特徴部を組み込む設計を可能にする。
【００３５】
[00061]機械的な絶縁に加えて、適用される電気的なポテンシャルの差は音響出力の供
給源となるので、結晶の面は、互いから電気的に絶縁されていなければならない。ラピッドプロトタイピングによる固定具またはハウジングは、この電気的な絶縁を提供するために絶縁体材料から構築することが可能である。
【００３６】
[00062]ラピッドプロトタイピングによるトランスデューサー固定具またはハウジング
は、電気接点を組み込むことが可能であり、電気接点は、信頼性を改善し、組み立てを簡単化する。従来の超音波トランスデューサーの中の電気接点は、結晶の面の上の電極にワイヤをはんだ付けすることによって作製されることが多い。これらのはんだ接続の適用は、一般的に、自動化することが可能でなく、組み立てプロセスのために熟練した専門家を必要とし、トランスデューサーの動作の間に、時間をかけて機械的な故障を起こす傾向がある。ばね荷重式のピンまたはリーフ電気接点を、ハウジングの中へ容易に組み込むことが可能であり、より容易な組み立てを可能にする。
【００３７】
[00063]ラピッドプロトタイピングを提供する設計では、フォーカシングを実現するた
めに音響レンズを使用することが可能であり、音響レンズは、水、および、薄いレンズを構築することが可能な機械的な特性を有する材料に対して低い音響減衰および高い音速を有する特定の材料から作製することが可能である。これは、トランスデューサーから負荷への音エネルギーのうちのほとんどの透過、および、高い精度のフォーカシング音響レンズの構築を可能にする。また、音響レンズは、機械加工を使用して作製することが可能である。しかし、機械加工された複雑なレンズ構造体は、ラピッドプロトタイピングと同じコスト／時間で特定の焦点パターンを実現するように作り出すことが可能ではない。
【００３８】
[00064]また、ラピッドプロトタイピングが使用され、単一のピースの大きい湾曲した
結晶のためのハウジングシェル、または、トランスデューサー構築のための複数の湾曲した結晶を作ることが可能である。
【００３９】
[00065]本開示は、ラピッドプロトタイピングによって、高圧パルス状の出力焦点式治
療トランスデューサーを作り出すための設計および構築方法論を説明している。トランスデューサーは、最も高い平均強度出力というよりも、トランスデューサーバンド幅および瞬間的な圧力出力を最大化するように設計されている。ラピッドプロトタイピングは、音響レンズ、音響マッチング層のための特徴部、および、圧電セラミック素子のためのハウジングを生成させるために用いられる。ラピッドプロトタイピング材料は、音響レンズに関するそれらの透過特性を決定するように音響的に特徴付けされる。複合マッチング層は、大きいトランスデューサーバンド幅および高い圧力出力を可能にするように、フォーミュレートおよび特徴付けすることが可能である。１−Ｄ圧電ＫＬＭモデルのバージョンが開発され、伝搬モデルと組み合わせられ、治療エレメントから予期出力を決定する。マッチングセラミックエレメントおよびマッチングしていないセラミックエレメントが、それらの出力ポテンシャルを比較するために、機械的なおよび熱的な故障モードおよび限界のためにテストされる。いくつかのマルチエレメントトランスデューサーは、圧力出力、エレメントアライメント、およびエレメントインピーダンスに関して、構築および特徴付けされる。
【００４０】
[00066]本開示は、減衰効果を補償するためにトランスデューサーパワー変調以外の任
意の修正メカニズムを適用することなく、肋骨または骨のアベレーター（ａｂｅｒｒａｔｏｒｓ）を通して病変を発生させるためにヒストトリプシー治療を使用する治療システムを説明することが可能である。超音波治療システムは、ヒストトリプシー治療を組織へ送達するためにヒストトリプシーパルスを発生させるように構成することが可能である。ヒストトリプシーは、機械的な組織フラクショネーション（ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ）を誘発させるために、制御されたキャビテーションバブルクラウドを使用する。ヒストトリプシーバブルクラウドは、ヒストトリプシートランスデューサーによってヒストトリプシーエネルギーを組織へ送達することによって作り出され、低いデューティーサイクル（典型的に＜５％）において、短く（＜２０μｓｅｃ）高い圧力（ピーク負圧＞１０ＭＰａ）の衝撃波超音波パルスを使用して画定され、熱的効果を最小化することが可能である。また、キャビテーティングバブルクラウドの高いエコー輝度に基づいて、治療は、任意の従来の超音波イメージングシステムを使用して、リアルタイムで容易に監視することが可能であり、キャビテーションバブルクラウドが発生したかどうかについてオペレーターが確認することを可能にする。
【００４１】
[00067]焦点圧力が、キャビテーションバブルクラウドが開始される特定の閾値レベル
を超えるときに、ヒストトリプシー治療による組織フラクショネーション効果が起こる。この閾値メカニズムに基づいて、ヒストトリプシー治療は、ボーンエアレーターから結果として生じる二次的なローブ（ｌｏｂｅｓ）が閾値の下方にあるままの間に、および、したがって、キャビテーションバブルクラウドを開始していない間に、圧力メインビームが、その形状を維持し、バブルクラウド開始閾値の上方にあるという条件で、肋骨または骨を通して正確な病変を発生させるように制御することが可能である。
【００４２】
[00068]超音波治療システムは、ラピッドプロトタイピングによって、いくつかの形態
で設計および作り出すことが可能である。
[00069]図２Ａおよび図２Ｂは、超音波治療システムの２つの実施形態を示している。
図２Ａは、圧電トランスデューサーエレメント２１８を有する超音波治療システム２００の断面図であり、圧電トランスデューサーエレメント２１８は、複数の個別のトランスデューサーエレメントに切断または分割されている。複数のトランスデューサーエレメントは、図２Ａに示されている湾曲形状または凹面形状を実現するように配置することが可能である。トランスデューサーエレメント２１８は、複数のエレメントリテイニングリング２２２によって、ラピッドプロトタイピングハウジング２２０の中に保持することが可能である。エレメント２１８は、焦点ゾーン２２４へ超音波エネルギーを方向付けするように構成することが可能である。図２Ｂは、同様の治療システムの絵図であるが、しかし、この実施形態では、トランスデューサーは、湾曲形状を実現するように特別に製造された単一のトランスデューサーエレメントから作製されている。いくつかの実施形態では、これらの実施形態のトランスデューサーは、７５０ｋＨｚで駆動され、最大１０ｃｍの焦点距離を備える最大１５ｃｍの開口部を有することが可能である。図２Ｂのトランスデューサー設計は、圧電セラミック材料の単一の固体の球面状セグメントを使用している。エレメントは、ラピッドプロトタイピングマシンの上に構築されているハウジング２２０の中へシールされており、トランスデューサーの凹面側が、負荷媒体（トランスデューサーを目標と連結させている超音波媒体）と接触している。これは、最も簡単で最も時間効率の良い構築方法である。
【００４３】
[00070]上記に説明されているように、図２Ａのトランスデューサー設計は、圧電セラ
ミック材料の単一の固体の球面状セグメントを使用して構築することが可能であり、それは、１つの電極の上で、複数のサブエレメントへと電気的に分離されている。セラミックは、ラピッドプロトタイピングマシンの上に構築されているハウジングの中へシールされ得、トランスデューサーの凹面側が負荷媒体と接触している。この方法は、それぞれのエ
レメントが個別にケーブル敷設および駆動を必要とするので、図２Ｂの実施形態よりもより多くの時間がかかる。しかし、小さいエレメントは、１つの同等の大きさのエレメントよりも高いインピーダンスを有しており、適当な電気ネットワークを備える所与の増幅器システムに対して、より高い電圧へ駆動され得る。
【００４４】
[00071]図３Ａは、ラピッドプロトタイピングハウジング３２０および複数の球面状圧
電トランスデューサーエレメント３１８を含むラピッドプロトタイピング超音波治療システム３００の一実施形態の断面図を図示している。いくつかの実施形態では、トランスデューサーエレメントは、実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーエレメントとすることが可能である。例えば、図３Ａ〜図３Ｂのそれぞれのトランスデューサーエレメント３１８は、圧電材料の単一のシートまたはピースから形成された単一のトランスデューサーエレメントとすることが可能である。複数の平坦な単一エレメントのトランスデューサーによって治療システムを構築することは、超音波治療システムのコストおよび構築時間かなり低減させることが可能である。
【００４５】
[00072]ハウジング３２０は、トランスデューサーエレメント３１８が共通の焦点３２
４に向けて正確に整合されているハウジング設計で、ラピッドプロトタイピングによって製作することが可能である。示されているように、ハウジングは、トランスデューサーエレメントが共通の焦点を共有することを可能にする、概して凹面状のまたは「ボウル形状の」設計を含む。トランスデューサーエレメント３１８は、ハウジングの中へそれぞれシールされ得、トランスデューサーが負荷媒体と接触している。また、ハウジング３２０は、エレメント３１８への電気接続を促進させるために電極ワイヤポート３２６も含むことが可能である。ハウジングの中の中央孔部またはポート３２８は、超音波イメージングシステムを治療の間にターゲッティングおよびフィードバックのために設置することを可能にすることができる。図３Ｂは、図３Ａのトランスデューサー３００の絵図である。図３Ｂの例では、ラピッドプロトタイピング超音波トランスデューサーは、中央ポートの周りに配設されている８つの球面状トランスデューサーエレメントを含むことが可能である。トランスデューサーエレメントのそれぞれは、同じ焦点に向けて整合されるように、ハウジングの中に固定することが可能である。
【００４６】
[00073]いくつかの実施形態では、図３Ａおよび図３Ｂのトランスデューサーエレメン
ト３１８は、他の形状とすることが可能であり、または、ハウジング自身の曲率にマッチまたは接近するように湾曲したものとすることも可能である。例として、トランスデューサーエレメントは、正方形、長方形、楕円形、多角形、凹面、凸面などとすることが可能である。
【００４７】
[00074]マルチエレメント焦点式トランスデューサーまたはアレイを作製する最も困難
な面のうちの１つは、エレメントのアライメントを確実にすることである。これは、本明細書で説明されているラピッドプロトタイピング方法を用いて容易に達成することが可能である。例えば、図３Ａ〜図３Ｂのシステムは、複数の平坦なトランスデューサーエレメントが共通の焦点を共有するように、複数の平坦なトランスデューサーエレメントを位置決めするように構成されている、正確に設計されたハウジングを利用している。より小さいセラミックは、大きい単一のセラミックよりも商業的に利用可能であるので、この設計は有益である。
【００４８】
[00075]図４Ａ〜図４Ｆによって図示されている別の実施形態では、圧電セラミック材
料の複数の球面状トランスデューサーエレメント４１８を整合させることによって（それらのすべては、ラピッドプロトタイピングによるモールド面４３０の上に設置することによって焦点を共有して整合される）、凝固材料（例えば、剛体のポリウレタンフォームなど）でエレメントをバックフィルすることによって、および、材料の周りにハウジングを
構築することによって、ラピッドプロトタイピング超音波トランスデューサー４００を構築することが可能である。次いで、モールド面は、バックフィルの凝固の後に除去され、エレメントを、負荷媒体と接触状態にすることが可能である。この設計および方法は、実際のハウジングに関して非ラピッドプロトタイピング材料を使用することを可能にするが、エレメントの正確なアライメントに関してラピッドプロトタイピングを使用する利益を有している。図４Ａ〜図４Ｄは、ラピッドプロトタイピング超音波トランスデューサーの中にトランスデューサーエレメント４１８を整合させるためのモールド４３０の前面図、側面図、上面図、および不等角投影図を示している。図４Ｅおよび図４Ｆは、それぞれ、モールドおよび完成したトランスデューサーの絵図である。図４Ａ〜図４Ｆの例では、１つの特定のラピッドプロトタイピングモールドは、例えば、１９個のトランスデューサーエレメントを整合させるように構成することが可能である。
【００４９】
[00076]図５Ａ〜図５Ｃは、血栓溶解の治療のために構成されているラピッドプロトタ
イピング超音波トランスデューサー５００の一実施形態を図示している。図５Ａおよび図５Ｂは、トランスデューサーの上面図および不等角投影図を示しており、図５Ｃは、完成したトランスデューサーの絵である。この特定のトランスデューサー設計は、圧電セラミック材料の単一のまたは複数の平坦なトランスデューサーエレメントを使用することが可能であり、それは、エレメントがトランスデューサー焦点の方向に対して垂直に面している状態で位置付けされている。トランスデューサー５００は、音響レンズ５３２をさらに含むことが可能であり、音響レンズ５３２は、トランスデューサーエレメントの出力の焦点をトランスデューサー焦点に合わせるように適用されている。この設計では、ラピッドプロトタイピングマシンは、個別の焦点式トランスデューサーエレメントに対して音響レンズを含むハウジング５２０を作り出す。音響レンズは、ハウジングと一体型になっており、したがって、ハウジングおよびレンズは、超音波を最適化および送信する材料で構築することが可能である。これは、超音波透過を許容する特定のラピッドプロトタイピングによる材料（以下に説明されている）を必要とする。この実施形態は、中央孔部をさらに含むことが可能であり、または、ハウジングの中のポート５２８は、治療の間のターゲッティングおよびフィードバックのために超音波イメージングシステムが設置されることを可能にすることができる。
【００５０】
[00077]いくつかの実施形態では、１つまたは複数のマッチング層が、それぞれのトラ
ンスデューサーエレメントと音響レンズとの間に適用され得る。マッチング層が適用されていない場合には、トランスデューサーエレメントは、レンズの背面に直接的に付着させることが可能である。マッチング層が適用されている場合には、スタンドオフが、ラピッドプロトタイピングによる構築物の中に含まれるか、または、エレメントスペースの中へ二次的に加えられるかのいずれかとなり、トランスデューサーエレメントと音響レンズとの間に、マッチング層材料で充填されることとなるギャップを生成させることが可能である。
【００５１】
[00078]図６Ａ〜図６Ｄは、正確なマッチング層の適用を可能にするスタンドオフを備
えるトランスデューサーエレメントハウジングモジュールを図示している。図６Ａでは、トランスデューサーエレメントモジュール６３４は、トランスデューサーエレメントモジュール６３４がより大きく複雑なラピッドプロトタイピングハウジング（例えば、図３Ａ〜図３Ｂのハウジング３２０など）の中へねじ込まれることを可能にするように構成されているマッチング層オーバーフロースリット６３６およびハウジングねじ山部６３８を含むことが可能である。他の実施形態では、トランスデューサーエレメントモジュールは、ハウジングの中の場所へ「スナップ嵌合される」か、または、クリップ、スライドロック、圧力フィッティング、くさびフィッティングなどのような、ハウジングの他の特徴を備える場所に保持され得る。図６Ｂでは、トランスデューサーエレメントモジュール６３４は、より大きい治療ハウジングの中へモジュールを搭載またはねじ込みやすくするために
、ソケットツールに係合するように構成されている凹み部または突出する特徴部６３９を含むことが可能である。
【００５２】
[00079]図６Ｃは、トランスデューサーエレメントモジュール６３４の断面図であり、
マッチング層スタンドオフ６４０および音響レンズ６３２を示している。図６Ｃでは、複数のスタンドオフが、様々な高さおよび厚さで示されている。使用時には、単一ペアのマッチング層スタンドオフだけが、マッチング層を生成させるために必要であるということが理解されるべきである。トランスデューサーエレメントの前方表面と音響レンズの後面との間にマッチング層のためのスペースを生成することによって、スタンドオフは、それぞれのレンズとトランスデューサーエレメントとの間の正確なマッチング層の適用を可能にする。図６Ａおよび図６Ｃを参照すると、マッチング層は、マッチング層スタンドオフ６４０によって画定されているスペースを充填するようにモジュールに適用することが可能である。過剰なマッチング層材料が適用される場合には、オーバーフロースリット６３６は、過剰なマッチング層材料がモジュールから流れ出ることを可能にすることができ、マッチング層材料が、マッチング層スタンドオフを越えて延在しないようになっている。
【００５３】
[00080]図６Ｄは、ハウジング６３４の中の適切な場所にトランスデューサーエレメン
ト６１８およびマッチング層６４２を備えるトランスデューサーエレメントハウジング６３４の断面図を示している。次いで、マッチング層は、トランスデューサーエレメントとレンズとの間の接着化合物としての役割を果たし、トランスデューサーをレンズに音響的に連結する。いくつかの実施形態では、より複雑なテーパー付きのマッチング層を、必要とされる追加的な時間またはコストなしに（以下を参照）、ラピッドプロトタイピングを使用して、音響レンズの中に組み込むことが可能であり、それは、機械加工によって実現するのは困難である。
【００５４】
[00081]ラピッドプロトタイピングは、フェーズドアレイトランスデューサー設計の構
築にとって、とりわけ有利である可能性がある。電子的に操縦可能なアレイは、精密アライメントで湾曲表面の上に配置されている数百個から数千個の非常に小さいエレメントを必要とする。ラピッドプロトタイピングは、必要とされる数千個の微細なアライメント特徴部が、エレメントを保持する単一の足場フレームまたはシェル（例えば、図７のフレーム７４４によって示されているものなど）の上に構築されることを可能にする。この特定の実施形態では、フレーム７４４は、フレームの中に組み込まれているアライメント特徴部７４６およびマッチング層画定特徴部を含むことが可能である。この特定の実施形態は、３７エレメントフェーズドアレイトランスデューサーに関するモデルであるが、数百個のエレメントまたは数千個のエレメントに拡大することも可能であり、ラピッドプロトタイピングマシンによって組み込むことが可能である。そのうえ、電気接点は、組み立てを非常に簡単化するばね荷重式のピンまたはリーフ接点とすることが可能である。
【００５５】
[00082]トランスデューサー設計は、モジュラートランスデューサーエレメントハウジ
ング（例えば、図６のトランスデューサーエレメントハウジング６３４など）を使用して構築することが可能であり、それは、ねじ山付きのソケットを含有するより大きい足場シェルまたはハウジングの中に、焦点を共有して装着することが可能である。図８Ａは、複数のモジュラートランスデューサーエレメントハウジング８３４で充填されているラピッドプロトタイピングハウジング８２０を図示している。それぞれのエレメントハウジングは、ラピッドプロトタイピング材料によって作製された内蔵型の音響レンズモジュールとすることが可能であり、それに対して、平坦な圧電セラミックディスクを嵌合させることが可能である。図８Ｂに示されている例では、トランスデューサーハウジング８３４は、外部ねじ山付きの壁部８３８を有することが可能であり、外部ねじ山付きの壁部８３８は、それぞれの個別のトランスデューサーエレメントハウジングをハウジング８２０の中のマッチングソケットに接続する。シリコーン接着剤は、ねじ山部に塗布され、必要な場合
には、エレメントハウジングをシェルから後で除去することを依然として可能にしながら、ねじ切り接合の防水を作ることが可能である。
【００５６】
[00083]別のデバイスがラピッドプロトタイピングトランスデューサーと整合される必
要がある設計では、ラピッドプロトタイピングを使用して作られたハウジングの中へアライメント構造体を容易に組み込むことが可能である。図９Ａ〜図９Ｂは、イメージングシステム９５０とトランスデューサー９００のトランスデューサーエレメント９１８との間の正確なアライメントを可能にするためにハウジング９２０の中に組み込まれているイメージングプローブホルダー９４８を示している。イメージングシステムは、イメージングプローブホルダーの間に位置付けすることが可能であり、それは、ハウジング幾何学形状へと成形することが可能である。次いで、ハウジングは、イメージングシステムが適切な場所にあるときに、ホルダーを締め付けることが可能である。
【００５７】
[00084]また、いくつかの実施形態では、キャビテーション監視デバイスは、そのよう
なアライメント構造体を組み込むことによって、治療トランスデューサーと整合させることが可能である。別の実施形態では、光ファイバーまたはレーザーポインターをハウジング９２０の中へ組み込むことが可能であり、ここで、レーザービームまたは光ファイバーの交差部は、焦点を可視化するためにトランスデューサーエレメントの焦点と整合されるように構成されている。
【００５８】
[00085]利用可能なラピッドプロトタイピングマシンの寸法制限のいずれかを超え得る
大きいトランスデューサーを構築するために、ロッキングメカニズムを備えるハウジングシェルのいくつかのセクターを設計することが可能であり、それは、別々のセクターの上のエレメントのアライメントを維持しながら、より大きいトランスデューサーへと組み立てることが可能である。例えば、複数の平坦なエレメントを用いて作られた大きい球面状セグメントトランスデューサーは、ロッキングメカニズムを用いてピザスライスの副開口部によって組み立てられ、ハウジングシェルの様々なセクターを接続することが可能である。
【００５９】
[00086]表面積の使用を最大化するために、円形形状以外の形状のエレメントを使用す
ることが可能である。例えば、正方形、長方形、および六角形は、表面積の使用を最大化するように使用することが可能であり、高い圧力出力を有するコンパクトなトランスデューサーを構築する上でとりわけ有益である。そのようなトランスデューサーは、円形の平坦なエレメントを使用して前述したものと同じ手順に従って、音響レンズおよびマッチング層を用いて作ることが可能である。
【００６０】
[00087]平坦なエレメントおよび音響レンズを使用した焦点式トランスデューサーの構
築
[00088]上記に説明されている設計方法および構築方法の、他の方法に勝る利点は、（
１）（トランスデューサーエレメントに関して）平坦なセラミックを使用することが可能であるということ（それは、湾曲したセラミックよりも容易に利用可能であり、トランスデューサー構築に関するコストおよび時間をかなり低減させる）、（２）マッチング層をより容易に適用すること可能であるということ（それは、非常に高い表面圧力出力を可能にする）、（３）複数のエレメントのアライメントが、レンズおよび平坦なエレメントを用いて、球面状に収束されるエレメントよりも容易に実現されるということ、および、（４）電極が、負荷媒体と接触しないということ（それは、トランスデューサーが患者から良好に絶縁されているということを意味している）である。この設計の不利益は、（１）より低い熱放散および実現可能な平均パワー出力、および、（２）マッチング層／レンズに起因していくらかの減衰が存在するということである。この設計は、低いフォーカシングゲインを有するトランスデューサーに関してとりわけ有用であり、そこでは、高い表面
圧力が、十分な焦点圧力を発生させるために必要とされる可能性がある。
【００６１】
[00089]平坦なエレメントを備える音響レンズを使用して、音のフォーカシングは、レ
ンズ幾何学形状が球面の曲率とは異なって形状付けされているということを必要とする。レンズ媒体の中を伝搬する平面波に関して、表面は、Ｃｌｅｎｓ＞Ｃｌｏａｄとなるように凹面状でなければならない。この場合では、表面は楕円形であることが理想的である。この形状は、コンピューター数値制御（ＣＮＣ）を使用することなく、サブトラクティブ法の機械加工で作り出すには困難であるが、球面の曲率を作り出すのと同じ時間および困難性で、ラピッドプロトタイピングを使用して達成することが可能である。しかし、材料が十分に低い減衰および高い音速を有するということ、ならびに、レンズが、薄く作製され、音エネルギーのほとんどを負荷に伝達することが可能であるということが必要である。
【００６２】
[00090]マッチング層は、イメージングトランスデューサーのバンド幅を最大化するた
めに、および、ＨＩＦＵトランスデューサーの中のパワー伝達を最大化するために適用することが可能である。これらのシステムでは、マッチング層インピーダンスは、エレメントと負荷媒体との間の幾何平均に近くなるように選ばれることが多い。これはバンド幅を最適化するが、理論的な治療は、実際に、バンド幅の中の特定の周波数におけるパワー伝達が、マッチングしていない場合と比較して低下させられるということを示す。マッチング層は、トランスデューサーの共鳴を抑える役割を果たすが、それと同時に、伝達されるエネルギーのいくらかを減衰させる。ヒストトリプシーに関して、効率は、キーパラメーターではなく、むしろ、短パルス幅に関する最大圧力出力である。ブロードバンドマッチングは、マッチングしていないエレメントに勝るいくつかの利点を提供することによって、これを促進させる。
【００６３】
[00091]マッチング層は、エレメントから媒体の中への、１サイクル当たりのより大き
いパーセンテージのエネルギーの伝達を可能にする。例えば、マッチングしていないエレメントでは、共鳴ＰＺＴセラミックの中のピーク圧力に対する水の中のピーク圧力は、約０．０８である。マッチングしたエレメントでは、この比率は、約０．２２である。これは、水の中の同じ圧力が、エレメントの上のより低い応力を伴って実現され得るということを意味している。ＰＺＴは、破壊の前に極限応力限界を有するので、この極限限界の下の水の中への圧力出力は、マッチングによってより高くなっている。
【００６４】
[00092]マッチング層は、トランスデューサーのバンド幅を増加させることが可能であ
る。これは、ヒストトリプシーにおいて重要であり、ヒストトリプシーでは、短期間パルス（２〜１０サイクル）が必要とされ、媒体を加熱することを防止し、キャビテーション活動を最大化する。代替的に、より高いバンド幅が、エレメントの電気的なチューニングによって実現され得る。このより高いバンド幅は、トランスデューサー駆動周波数の変化、および、同様に、ヒストトリプシーに対するその効果をテストするための方法を提供する。
【００６５】
[00093]マッチング層は、トランスデューサーエレメントの電気インピーダンスを増加
させることが可能である。これは、より低い電流引き込み（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｒａｗ）が所与の電圧に関する増幅器から必要であり、より少ない「電気的応力」が駆動システムの上に設置されるということを意味している。しかし、これは、通常、出力の低減をある程度犠牲にする。したがって、電圧ゲインマッチングネットワークは、エレメントを横切ってより大きい電圧を発生させるように適用される。
【００６６】
[00094]マッチング層が導電性材料でない場合には、マッチング層は、負荷媒体および
患者からの電気的な絶縁の手段を提供している。音響レンズがラピッドプロトタイピング
材料から作製されているときには、ほとんどのラピッドプロトタイピングポリマーは、絶縁体であるので、これは、通常、問題ではない。
【００６７】
[00095]ヒストトリプシートランスデューサー設計および製作プロセス
[00096]上記に説明されている実施形態に従って、治療トランスデューサーまたはヒス
トトリプシートランスデューサーを設計するために、トランスデューサー仕様は、特定の臨床応用に基づいて、トランスデューサーに関して決定することが可能である。例えば、トランスデューサー開口部サイズは、利用可能な音響ウィンドウサイズによって決定される。トランスデューサーの焦点距離は、介在する組織の厚さによって決定される。焦点ゾーンサイズ（それは、主として、トランスデューサー周波数およびｆナンバーに依存する）は、必要な治療体積および精度要件によって選択される。
【００６８】
[00097]第２に、これらの設計要件に基づいて、個別のエレメントの選択および幾何学
的配置は、圧電性の伝搬モデルを備える反復シミュレーションによって決定され、適当なエレメント幾何学形状、量、および配置を見出すことが可能である。
【００６９】
[00098]第３に、トランスデューサー仕様に従って、エレメント量および配置を選ぶこ
とが可能である。伝搬モデルが用いられ、トランスデューサー焦点ゲインおよび焦点寸法を評価することが可能である。Ｋｒｉｍｈｏｌｔｚ、Ｌｅｅｄｏｍ、およびＭａｔｔｈａｅｉ（ＫＬＭ）モデルからの出力を、このモデルのための入力として使用して、焦点圧力のいくつかのアイデアを得ることが可能である。エレメント幾何学的構成がトランスデューサー仕様の中で選ばれた後に、トランスデューサーハウジングは、ＣＡＤプログラムで設計することが可能である。次いで、設計ファイルが使用され、ハウジングの自動化されたラピッドプロトタイプ製作を制御することが可能である。セラミックエレメントおよびケーブル敷設がハウジングの中へシールされた後に、構築されたトランスデューサーは、焦点圧力、ビームプロファイル、およびキャビテーション活動に関して特徴付けされ、特定の値と比較され得る。
【００７０】
[00099]ヒストトリプシーによる大腿静脈の中の深部静脈血栓症の治療に適用するため
のトランスデューサーの設計および構築の例（また、図５Ａ〜図５Ｂにも図示されている）が、以下の章で説明されている。トランスデューサーは、リニアアレイ超音波撮像装置を組み込み、治療フィードバックイメージングを最適化した。トランスデューサーの焦点体積は単にキャビテーションが目標血管腔の中で発生させられ、望ましくない巻き添え損傷を最小化することとなるように特定された。複数の音響レンズ、音響マッチング層のためのスタンドオフ特徴部、および、複数の圧電セラミック素子のためのハウジングを組み込む一体型のトランスデューサーハウジングが、ラピッドプロトタイピングを使用して設計され、容易に製作された。ラピッドプロトタイピング材料は、音響レンズに関してその透過特性を決定するように音響的に特徴付けされた。レンズおよびマッチング層接着剤材料を含んだ複合マッチング層が、大きいトランスデューサーバンド幅、および、高い圧力出力を可能とするようにフォーミュレートされ、特徴付けされた。マッチングしたセラミックエレメントおよびマッチングしていないセラミックエレメントは、機械的な故障モードおよび限界に関してテストされ、その出力ポテンシャルを比較した。トランスデューサーは、圧力出力、エレメントアライメント精度、および、電気インピーダンスに関して構築および特徴付けされた。
【００７１】
[000100]トランスデューサー設計に関する材料の特徴付け
[000101]圧電セラミック素子、マッチング層、および音響レンズに関する材料が特徴付けされた。ラピッドプロトタイピングによるポリマーの音速および減衰が、音響レンズの音響特性を最適化するように評価された。また、マッチング層に適切な材料が、特定およびフォーミュレートされた。最後に、いくつかの圧電セラミック材料の機械的な強度が、
エレメントに加えることが可能な最大電圧を決定するために考慮された。これらの材料をテストするための方法および結果は、この章に含まれている。
【００７２】
[000102]ラピッドプロトタイピング材料の特徴付け
[000103]ラピッドプロトタイピングのいくつかの方法が、熱溶解積層法（ＦＤＭ）、３Ｄプリンティング、およびステレオリソグラフィー装置（ＳＬＡ）を使用して製作された材料サンプルの音響特性をテストすることによって評価された。これらの３つのプロセスが、図１Ａ〜図１Ｃに図示されている。図１Ａを参照すると、ＦＤＭマシン１００ａは、溶融した熱可塑性物質１０２を、ノズル１０４を通して適用することによって動作し、プラスチック材料の固体スプール１０６によって給送される。このプラスチックは、ＣＮＣプラットフォーム１０８の上に注出され、適切な場所で凝固する。ＦＤＭマシンによって作り出されたピースは、マシンの上に最も高い材料密度設定で作製され、低い空隙率を確実にすることが可能である。
【００７３】
[000104]図１Ｂを参照すると、３Ｄプリンターは、コンピューター制御されたノズル１０２によってフォトポリマー滴を注出し、以前の固体の層の上への適用の直後に、例えば、ＵＶランプまたはＵＶレーザー１１０によってフォトポリマーを硬化させることが可能である。いくつかの実施形態では、水平方向のプリント分解能は、１００μｍであり、垂直方向のビルド層ステップ分解能は、１６μｍである。異なるフォトポリマーが設置され、軟質ゴムから硬質プラスチックの間で変化する剛性を有する複合材料を形成することが可能である。より軟質の材料は正確に形成された形状を維持することとならないので、特定の音響パーツを作り出す目的のために、硬質プラスチック材料だけがテストされた。いくつかの実施形態では、３Ｄプリンターは、操縦可能な焦点式ＵＶレーザーを使用し、液体フォトポリマーの溶液槽の中で選択された領域を硬化させる。いくつかのシステムは、約７５μｍの水平方向の分解能、および、１００μｍの垂直方向のステップサイズを有することが可能である。いくつかの材料タイプが、このような３Ｄプリンティングマシンによってテストされた。
【００７４】
[000105]図１Ｃは、ステレオリソグラフィー装置（ＳＬＡ）１００ｃを図示しており、ステレオリソグラフィー装置（ＳＬＡ）１００ｃは、焦点式の操縦可能なＵＶレーザー１１２を使用し、液体溶液槽１１４の表面の上のフォトポリマーの選択領域を硬化させる。それぞれの層が構築された後に、エレベーター１１６は、次の層が形成され得るように、硬化された材料を溶液槽の中へ落下させることが可能である。
【００７５】
[000106]材料の密度は、パーツの既知の体積および質量から直接的に測定することが可能である。音速および減衰を測定するために、透過方法が使用された。１ｃｍの直径を有する２つの平坦な円形ＰＺＴトランスデューサーが、８ｃｍ離して位置付けされ、材料が、レシーバーの５ｍｍの中に位置付けされた。１つのトランスデューサーが、１ＭＨｚのショートバーストによって駆動される関数発生器に接続された。他のトランスデューサーが、デジタルストレージオシロスコープに受け入れられて取り付けられているものとして使用された。この方法は、材料を通るほぼ平面の波の伝搬を可能にした。音速は、２つの波形（一方は、開放された水の中に受け入れられ、他方は、音響経路の中の材料によって受け入れられた）の相互相関関係から決定された。音速は、次式から信号同士の間の時間Δｔから見出すことが可能である。
【００７６】
【数１】
2018118092.tif 000003
【００７７】
ここで、ｘｔは、材料厚さであり、ｃｗは、水中の音速である。この情報を用いて、音響インピーダンスが、音速と密度の積から計算される。最後に、減衰は、経路の中に材料を備える相対振幅、および、経路の中に材料を備えない相対振幅から計算され、測定される音響インピーダンスによって計算される材料／水インターフェースによって引き起こされる反射を調節する。
【００７８】
[000107]結果は、表Ｉにまとめられている。ＦＤＭマシンによってプリントされたＡＢＳプラスチックは、成形されたＡＢＳに対して、わずかに低い音速および密度を示したが、より高い減衰を示した。システムの上に設定にしている最も高い密度を有するプリントされたＡＢＳ材料の密度は、鋳造されたＡＢＳ材料の密度の９３％であった。この差は小さいが、製作プロセスの間に、空気がプラスチック構造体の中に導入され、パーツをわずかに多孔性にさせるということを示唆している。この加えられた空隙率の結果は、音響減衰の増加であり、それは、音の透過にとって望ましくない。同様に、３Ｄプリンターによってプリントされた材料は、１ＭＨｚにおいて３ｄＢ／ｃｍのかなりの減衰を有していたが、ＦＤＭマシンによるＡＢＳと比較して、より高い音速を有していた。
【００７９】
[000108]ＳＬＡ材料は、押し出しされたまたは鋳造されたエンジニアリングプラスチックに一致する音響特性を有していた。様々なサンプルの音速は、２３００〜３０９０ｍ／ｓの範囲にあり、ほとんどのサンプルの間で、１２００ｋｇ／ｍ３の周りの一定の密度を有していた。音響レンズに関して高い音速を有する材料を使用し、その厚さおよび減衰を最小化することは望ましいが、最高の音速を有する材料の乏しい仕上げ品質、および、限られた利用可能性は、トランスデューサー構築のためにそれらを使用することを不可能にした。Ａｃｃｕｒａ６０材料は、ほとんどのトランスデューサープロトタイプを作り出すために選ばれた。また、Ａｃｃｕｒａ６０は半透明であり、それは、プリンティング欠点の特定、および、ハウジングの中への水分浸透を可能にする。
【００８０】
【表１】
2018118092.tif 000004
【００８１】
[000109]マッチング層のフォーミュレーションおよび特徴付け
[000110]音響インピーダンスＺｅおよび負荷インピーダンスＺｌの圧電セラミック素子に関して、単一の４分の１波長マッチング層インピーダンスに関する規準が、いくつかの他のものによって導出された。最も簡単な議論は、両側に無限媒体を備える単純な４分の１波長厚さのシートを通る波の透過のためのものである。この場合において、最大パワー伝達は、マッチング層インピーダンスがエレメントおよび負荷インピーダンスの幾何平均であるときに得られる。
【００８２】
【数２】
2018118092.tif 000005
【００８３】
[000111]しかし、この等式は、エレメントの有限厚さを説明していない。その代わりに、Ｄｅｓｉｌｅｔｓは、まるで、所望のインピーダンスがＫＬＭモデルの中の圧電透過ラインのセンタータップにおいて実現されるべきであるかのように、したがって、実際のマ
ッチング層に加えて、エレメントの前半分が、第２のマッチング層として処理されるべきであるかのように、理想的なマッチング層をフォーミュレートする。これは、代替的な公式を結果として生じる。
【００８４】
【数３】
2018118092.tif 000006
【００８５】
[000112]Ｓｏｕｑｕｅｔは、最大バンド幅に関して、トランスデューサーの機械的なおよび電気的なＱが等価であるべきであるという解決策に基づいて、インピーダンスに関する第３の等式を導出した。これは、Ｚｍに関してわずかに異なる値につながる。
【００８６】
【数４】
2018118092.tif 000007
【００８７】
[000113]治療トランスデューサーのためのマッチング層の目標は、必ずしも最も高いバンド幅を発生させることではないが、エレメント電気インピーダンスを増加させ、中心周波数において高い出力を提供し、所与の表面圧力に関して、エレメントの内部の応力を減少させるということに留意されたい。等式４は、これらの規準を最良に満足させるようであり、中心周波数において最大の出力を供給する。しかし、ポリマー音響レンズの追加は、等式２に近い最適なインピーダンスを増加させるということが証明されてきた。したがって、設計の目的のために、等式４は、マッチング層が負荷とエレメントとの間に直接的に適用されるときに利用され、一方、音響レンズが含まれるときには、等式２が適用される。
【００８８】
[000114]これらの実験結果は、コンポーネントの個別の音速および密度に基づいて、０〜３の複合材料の音速および密度を予測する理論的なモデルと比較された。修正されたＲｅｕｓｓモデルは、そのような計算に関して正確で簡単な方法であることが示されており、そこでは、密度が、コンポーネント密度（ρ）の加重合計によって簡単に定義される。ρｃ＝Ｖｅρｅ＋Ｖｐρｐ  （５）
[000115]そして、音速が、個別のコンポーネントの弾性係数（Ｍ）および体積分率（Ｖ）から見出される。
【００８９】
【数５】
2018118092.tif 000008
【００９０】
【数６】
2018118092.tif 000009
【００９１】
[000116]これらの等式は、実験的混合物のためのマッチング層インピーダンスを決定するために使用され、結果と比較された。
[000117]これらの等式は、所与の圧電セラミックタイプにとって適当なフォーミュレーションを見出すために、そのようなモデルが実験的テストの代わりに使用され得るかどうかを決定することを助けることが可能である。マッチング層材料は、エポキシ樹脂−粉末複合材から作製された。マッチング層の異なるフォーミュレーションを、選ばれたタイプのエポキシ樹脂および３つのタイプの粉末によって生成した。マッチング層テストピースは、エポキシ樹脂および粉末を一緒に混合し、乾燥粉末が液体エポキシ樹脂の中に残らなくなるまで、混合物を手動でかき混ぜることによって生成された。２つのエポキシ樹脂（Ｈｙｓｏｌ  Ｅ−１２０ＨＰおよびＴＡＰスーパーハードエポキシ樹脂）は、それらの接着能力に基づいて選ばれた。粉末は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、またはタングステン（Ｗ）のいずれかから構成され、異なる重量比率でエポキシ樹脂と混合された。それぞれの混合物は、２０分の間、真空チャンバーの中でガス抜きされ、次いで、円筒形状のモールドの中へ注がれ、直径２．５ｃｍおよび厚さ１ｃｍを有する円筒形状のサンプルを作製した。サンプルは、２４時間にわたり硬化することが可能にされ、次いで、モールドから除去された。次いで、それぞれのサンプルの特性が、ラピッドプロトタイピング材料と同じ方法によって測定された。
【００９２】
[000118]酸化セリウム（ＩＶ）（ＣｅＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、またはタングステン（Ｗ）を使用した合計１８の混合物が使用され、レンズを備えるトランスデューサー、および、レンズなしのトランスデューサーのための理想的なマッチング層としての材料の音響インピーダンスを評価した。レンズなしの理想的なマッチング層に関して等式４を使用して、インピーダンスは、ＺＭＬ＝５．４ＭＲａｙｌであるべきであった。レンズを備える理想的なマッチング層に関して等式２を使用して、インピーダンスは、ＺＭＬ＝７．０ＭＲａｙｌであるべきであった。
【００９３】
[000119]表ＩＩは、様々な粉末によってテストされた１８の材料の特性を示している。一般に、混合物の音速は、最初に、低い割合の粉末が混合されるときに減少し、次いで、割合が１に接近するにつれて、バルク粉末材料の音速が上昇する。しかし、ＳｉＣ（それは、おおよそ１３０００ｍ／ｓの非常に高いバルク音速を有している）は、粉末割合に伴って音速の増加傾向を示した。この挙動は、モデル傾向と一致し、それは、図１０Ａおよび図１０Ｂに示されているように、見掛けの音速の減少を示した。しかし、すべての３つの材料は、計算された音響インピーダンスと十分に一致していた。図１０Ａは、正方形データプロットによって示されている実験的測定値を有するモデルによって予測された音速を、エポキシ樹脂の中の粉末の質量割合の関数として示している。図１０Ｂは、正方形データプロットによって示されている実験的測定値を有するモデルによって予測された音響インピーダンスを、エポキシ樹脂の中の粉末の質量割合の関数として示している。より低いバルク音速を有する粉末は、より低い音速を有する材料を作り出したが、インピーダンス−対−割合は、３つの材料の間で一致した。
【００９４】
[000120]タングステンは、マッチング層としての使用に関して、最も理想的な材料であることが判明した。その高い密度に起因して、他の粉末と比較して、タングステンの小さい体積が必要とされ、それは、組み合わせられた混合物が、より低い粘度のものであり、より容易にガス抜きされたことを意味している。ＣｅＯ２およびＳｉＣの混合物は、６０％を超える粉末を混合することが困難であった。Ｈｙｓｏｌ  ｗ／ｗに対して８７％のタングステンの混合物が、レンズを備えるトランスデューサーに関して理想的な値に近いことが見出された。Ｈｙｓｏｌに対して７８％のタングステンの混合物、または、ＴＡＰエポキシ樹脂に対して７１％のタングステンの混合物が、レンズなしの適当なインピーダンスを作り出すために、モデルによって見出された。減衰は、ほとんどのサンプルに関して記録されなかったが、８７％Ｗ／Ｈｙｓｏｌ混合物に関して、減衰は、１ＭＨｚにおいて１０．５ｄＢ／ｃｍであった。４分の１波長厚さのマッチング層に関して、マッチング層に起因する減衰は、〜０．４ｄＢであることとなり、それは、＞９５％の透過を与える。
【００９５】
【表２】
2018118092.tif 000010
【００９６】
[000121]テーパー付きのマッチング層
[000122]トランスデューサーの中の内部反射を減少させるために、高い音響インピーダンストランスデューサー材料（通常は、硬質圧電セラミック）とより低い水の音響インピーダンス（または、高含水組織）との間のインピーダンスマッチングデバイスを用いることが可能である。マッチング層は、内部音響反射を最小化し、サイクル当たりのより多くのエネルギーが、トランスデューサーを出て、目標（通常は、組織）体積の中へ入ることを可能にする。また、これは、トランスデューサーセラミックの内側の内部応力および損失（および、結果として生じる高い温度）を最小化し、トランスデューサーを非常に広いバンドにする（したがって、非常に短い超音波パルスを可能にする）。短パルスは、いくつかのイメージングおよび治療用途にとって必須である。
【００９７】
[000123]マッチング層を作製する１つの方式は、トランスデューサーセラミック（高い
インピーダンス）と目標体積（通常は、高含水組織、すなわち、水に近いインピーダンス）との間のインピーダンスを有する材料の単一の（または、複数の）離散層を製作することである。これは、問題にアプローチする標準的な方式であり、中間インピーダンスが、適当な厚さのエポキシ樹脂に加えられた金属粉末（例えば、タングステン）を使用して得られ得ることが多い。
【００９８】
[000124]高いインピーダンスセラミックのインピーダンスと、組織（または、水）の低い目標インピーダンスとの間で、インピーダンス（または、実効インピーダンス）を連続的にテーパー付けする（ｔａｐｅｒｓ）代替的なアプローチを、いくつかの方式で達成することが可能である。
【００９９】
[000125]実効インピーダンスのテーパーは、ラピッドプロトタイピングポリマー表面の上に、テーパー付きの溝部、円錐部、またはピラミッド状部（それらは、それらのベース部において近い間隔で配置される）を製作することによって、達成することが可能である。タングステン−エポキシ樹脂、または他の流動液体状の高インピーダンス材料（例えば、鉛またははんだ状の合金などのような低融点金属）で充填されると、鋳造物が作製され、鋳造物は、事実上１００％の高インピーダンス金属または複合エポキシ樹脂として開始し、１００％プロトタイピングポリマー（または、鋳造されたマッチング層がポリマーモールドから除去される場合には、空気）へとテーパー付けされる。次いで、この鋳造物は、円錐部もしくはピラミッド状部、または、周期的に間隔を置いて配置された溝部のセット（同心円状または直線状のいずれか）とともに製作される場合には、近づけてパックされた「針のむしろ」のように見える。溝部（または、円錐部／ピラミッド状部）の水平方向の寸法が、超音波の波長よりも非常に小さい場合には、テーパー付きのインピーダンスは、真実のテーパー付きのインピーダンスを近似することとなる（例えば、エポキシ樹脂を設定する前にタングステン−エポキシ樹脂複合材の厚さ寸法の中のタングステン粉末含有量を変化させるために、遠心分離器を使用することによって得ることができるものなど）。次いで、鋳造物は、トランスデューサー面に直接的に結合されることとなり、溝部または谷部が水（空気はない）で充填されると、高インピーダンスのセラミックと低インピーダンスの水との間のスムーズな移行が得られる。このアプローチは、厚さ寸法が、設計者が選ぶ任意の値を受け入れやすくするという利点を有しており、離散マッチング層によって、この寸法は、設計に応じて、波長のいくらかの所与の割合に固定される。より高い周波数において、この厚さは、ラピッドプロトタイピングプロセスの精密能力を超えるものとするように小さくすることが可能である。
【０１００】
[000126]別の実施形態では、「テーパー付きのインピーダンス」マッチング層構造体の溝部、円錐部、またはピラミッド状部は、高インピーダンスのマッチング層構造体の中へ切断加工されるか、機械加工されるか、スタンプ加工されるか、エンボス加工されるか、または成形され得る。軟質金属、「インプリンティング」の前に高い温度によって軟質化された金属、または、エポキシ樹脂が「セッティングまたは硬化」によって硬質化する直前にインプリントされたエポキシ樹脂−金属−粉末複合材は、すべて可能な組み立て方法である。そのようなアプローチの例は、多くの標準的な両刃の安全カミソリブレードを一緒に積み重ね、周期的な直線状の溝ダイを作製することとなり、それは、トランスデューサー表面の上の依然として粘着性のあるエポキシ樹脂−タングステン−粉末層の中へ反転パターンを刻印するために使用することが可能である。そのような安全カミソリブレードの寸法は、最大数ＭＨｚの周波数まで、トランスデューサーにとって理想的であることとなる（公称の両刃の安全カミソリブレード厚さは、約０．２５ｍｍ、または、１ＭＨｚ超音波（水中）の約１／６波長である）。繰り返す溝部またはピラミッド状部パターンの周期が波長よりも小さい限り、正確な寸法は重要ではない。
【０１０１】
[000127]また、上記のマッチング層の「テーパー付きの」構築物において、いくらかの
任意の厚さにわたるいくらかの線形変化から、他の関数（例えば、「指数関数」）まで、テーパーを変化させることが可能であり、または、いくらかの他の厚さ寸法は、いくつかの最適化規準によって決定付けられるプロファイルをテーパー付けする。テーパー付きのコンポーネントの全体厚さの選択のこのラティチュード（ｌａｔｉｔｕｄｅ）、および、テーパー輪郭の数学的記載を変化させる能力は、より標準的な離散厚さマッチング層に対して、重要な設計利点である。また、マッチング層の有効性は、かなり改善された。
【０１０２】
[000128]テーパー付きのマッチング層のアレイ製作の影響
[000129]マイクロテーパー付きの構築物（近づけた間隔で配置された溝部、円錐部、またはピラミッド状部）を使用することは、３−Ｄプロトタイピングプロセスによってトランスデューサーおよびトランスデューサーアレイを製作するために、潜在的に有用な方式を提供する。マイクロテーパー付きの幾何学形状に起因して、テーパー付きの構築物の長さは、マッチング層全体の軸線方向の寸法を、固定された設計パラメーターとして、いくらか任意に除去している。通常は、テーパーが漸進的であればあるほど、マッチングはより効果的であり、マッチング層はより厚く構築される。しかし、厚さの増加は、減衰を増加させ得るので、トレードオフが存在する。
【０１０３】
[000130]１つの可能性のある製作方法は、より厚くよりロバストなマッチング層によって可能となり、すなわち、アレイエレメント取り付けのための基板およびフレームワークは、別々に製作されるフレームワークとは対照的に、マッチング層構築物自身になることが可能である。これは、製作全体をかなり簡単化することが可能であり、トランスデューサー（または、その製作されたセグメント）は、完成されたトランスデューサーを得るために、簡単化されたフレームワークの中に装着することだけを必要とすることとなる。この可能性は、厚さが半波長よりも小さい離散マッチング層（公称上、単一の層マッチングに関する４分の１波長）を用いて達成することが困難になることとなる。これは、機械的に非常に壊れやすいこととなる。
【０１０４】
[000131]したがって、魅力的なトランスデューサー製作アプローチは、上記に展開されているアイデアのうちのいくつかを使用すること自身を示唆する。１つまたは複数のエレメントを有するトランスデューサーアレイに関して、それぞれのエレメント取り付け基板は、より長いマイクロテーパー付きの構築物によってその厚さが拡張されたテーパー付きのマッチング構築物とすることが可能である。完全なマッチング層は、アレイ全体のそれぞれのエレメントに関して、平坦な（しかし、マイクロ溝付きのまたはピラミッド付きの）装着表面を有することが可能である。そのようなマッチング層構築物の全体は、「４分の１波長の」マッチング層とは異なり、機械的な完全性のために十分な厚さにすることが可能である。マイクロテーパー付きの構築物（その上に、アレイエレメントセラミックが結合されている）は、セラミックの音響インピーダンスに近づける適当なエポキシタングステン（または、他の複合）材料で充填することが可能である。次いで、マイクロテーパー付き構築物は、３−Ｄプロトタイピングポリマーのインピーダンスまでインピーダンスをテーパー付けすることとなる。また、そのような構築物は、同じポリマー（必要であれば）でできたそれぞれのエレメントのためのレンズ製作を可能にする。これは、ポリマーの前方表面と、組織の中へ媒体を透過させる水との間に、別の（しかし、より大きくはない）インピーダンス不連続性を残す。より多くのマイクロテーパー付きの構築物の前方表面を製作プロセスの中にプログラムすることが可能であるということに留意されたい。結果として生じる前方表面（溝付きまたはピラミッド付き）は、水で満たされることとなり、プロトタイピングポリマーのインピーダンスと水のインピーダンスとの間の漸進的にテーパー付けされる連続性を可能にする。前方表面の中の結果として生じる微小陥凹部が、過剰な空気トラッピングを結果として生じさせる場合には、これらは、水に近い音響インピーダンスを有するシリコーンゴム化合物で充填され得る。
【０１０５】
[000132]したがって、テーパー付きのマッチング層構築物は、アレイ自身の製作にとって非常に有用なフレームワークおよび基板も提供しながら、最適な音響インピーダンスマッチングのために設計することが可能である。次いで、完成された製品（すべてのエレメントが後方表面に取り付けられている）は、離散層マッチングプロセスとともに必要な複数の構築物と比較して、非常に簡単なフレームの中への簡単化された装着のために、単一の大直径トランスデューサーエレメントとして処理されることとなる。そのようなシステムは、レンズドアレイエレメントを可能にするという追加の利益とともに、トランスデューサーセラミックエレメントから水まで至る所でテーパー付きのインピーダンスマッチングを可能にすることとなる。
【０１０６】
[000133]そして、最後に、プロトタイピングポリマータンクのサイズ制限を超える大直径アレイに関して、マッチング層およびフレーム全体（その上に、マッチング層−トランスデューサー構築物が装着され得る）は、一緒に結合されたセグメントで製作され、全体的なトランスデューサー設計を作り出すことが可能である。この方法では、ポリマーの使用（それは、高価になる可能性がある）は、細いリブによって背面に製作される構造的なサブエレメントの中で最小化され得、すべてのセグメントが一緒に「留められる」ときに閉じたハニカム上のコンパートメントを形成している。次いで、これらのコンパートメントは、強力なエポキシ樹脂で充填され、したがって、すべてのサブエレメントの防水結合、および、プロトタイピングポリマーの最小使用を伴う非常に強力な構造的完全性を提供することが可能である。より小さいサブエレメントの製作、および、プロトタイピングポリマーの最小化の両方が、構造的完全性の損失なく、非常に大幅なコストおよび時間の節約を結果として生じさせることが可能である。
【０１０７】
[000134]そのような全体的なマッチングおよび製作「システム」は、非常に複雑な「局所的な幾何形状」を含むこととなるが、これらは、３−Ｄ設計が３−Ｄプロトタイピングの「ソリッドワークスのような」ソフトウェアの中へプログラムされると、製作プロセスに対して追加コストを加えない。
【０１０８】
[000135]エレメントの機械的な故障の評価
[000136]圧電セラミック材料の異なる組成物が、故障の前のそれらの極限圧力出力限界を決定するために評価された。エレメントは、前方表面が水と接触している水槽の中に位置付けされ、小さいハウジングの中に囲まれ、エレメントの空気の裏当てを確実にすることが可能である。カプセルハイドロフォンは、トランスデューサー表面から１０ｃｍの距離でトランスデューサーに面するように位置付けされた。エレメントは、電圧ゲインネットワークおよびクラスＤ増幅器に取り付けられ、エレメントに最大２４００Ｖｐｐを適用した。増幅器は、フィールドプログラマブルゲートアレイロジックボードによって制御される。それぞれのエレメントは、最初に、１０Ｖｐｐのベース信号によって駆動され、低振幅条件の下で出力を測定した。次いで、エレメントは、１０秒にわたり、１ｋＨｚのＰＲＦにおいて、１０サイクルの高い振幅信号で駆動された。次いで、ベース信号は、圧力出力が同じであることを確実にするために再適用された。これが繰り返され、エレメントからのベース圧力出力が低減されるまで、毎回、テスト電圧をインクリメントした。また、このプロセスは繰り返され、マッチング層を有する音響レンズを備えるエレメント、および、マッチング層なしの音響レンズを備えるエレメントをテストし、水と直接的に接触しているむき出しのエレメントと比較した。
【０１０９】
[000137]それぞれのタイプのトランスデューサーエレメントに関して、ｎ＝３のエレメントが、圧力出力が不可逆的に劣化された電圧を決定するためにテストされた。エレメント損傷が、エレメントの後方表面に小さいチップとして見られた（中心の近くに起こっていることが最も多かった）。このパターンは、ＰＺＴ材料の中の水平方向のまたは半径方向の共鳴による損傷を示唆している。この損傷は、１０００Ｖｐｐの周りの同様の駆動電
圧、および、１．３〜１．８Ｍｐａの推定表面圧力において、レンズを備えるＰＺＴ、ＰＺ２６、およびＰＺＴで顕著に表れた。図１１は、１％デューティーサイクルにおいて適用される１０サイクルパルスによる故障の前の最大エレメント表面圧力を図示している。テストされたすべてのタイプのＰＺＴが、マッチング層なしで、同様の故障ポイントを有していた。それぞれの測定は、３サンプルの平均であり、故障表面圧力の範囲を示すエラーバーを有している。マッチング層を備えるエレメントに関して一定の故障圧力は、決定されなかった。バーは、エレメントからの最も高い推定表面圧力レベルを表している。したがって、２０００Ｖｐｐが、マッチング層を備える１ＭＨｚエレメントを駆動するための安全限界であると考えられた。ＰＺ３６材料（それは、より低い水平方向の結合係数およびより低いインピーダンスを有している）では、故障の目に見える兆候は観察されなかった。しかし、エレメント出力は、上述の材料と同様の駆動電圧および圧力において、劇的に減少した。すべての他のエレメントでは、破壊の発生は、圧力出力の同時に起こる減少、および、電気インピーダンス曲線の中の共鳴の損失によって達成された。
【０１１０】
[000138]ＰＺＴ＋マッチング層＋レンズ構成は、この電圧において３００秒にわたり駆動されたときも、最大２０００Ｖｐｐまで不可逆的な損傷を招かなかった。潜在的に、エレメントの自己加熱およびデチューニングに起因して、電圧入力および圧力出力のいくらかの減少が、時間に対して観察された。残念ながら、レンズは、水槽からの良好な断熱を提供し、したがって、高い平均パワー出力が必要な用途において、アクティブ冷却が必要である可能性がある。最大駆動条件の間にマッチング層／レンズを備えるエレメントのテストに関する平均パワー密度は、７．８Ｗ／ｃｍ２であったが、それは、このデチューニングに起因して３００秒の駆動後に、５．９Ｗ／ｃｍ２まで減少した。エレメント圧力出力およびインピーダンスは、セラミックが室温に戻った後に、それらのオリジナル値に回復した。
【０１１１】
[000139]ヒストトリプシー血栓溶解のためのトランスデューサーの設計
[000140]トランスデューサー仕様
[000141]ラピッドプロトタイピング方法を使用した治療トランスデューサー設計および構築に関する例は、以下の通りである。トランスデューサーは、大腿静脈の中の深部静脈血栓症（ＤＶＴ）の治療のために設計されている。このトランスデューサーは、水槽によってレッグ部に連結されており、３軸モーター式のポジショナーによって制御される。治療トランスデューサーは、治療を監視およびガイドするために使用される超音波イメージングシステムと一体化することが可能である。
【０１１２】
[000142]血管の十分な画像を得るために、超音波イメージングプローブを可能な限り目標の近くに位置決めすることが必要である可能性がある。プローブ設置面積が５０ｍｍｘ８ｍｍである例では、エレメントは、この幾何学形状の周りにフィットしなければならない。トランスデューサー作動距離は、生体内豚（ｉｎ−ｖｉｖｏ  ｐｏｒｃｉｎｅ）モデルにおいて、１．５ｃｍの推定血管深さによって決定される。トランスデューサーの焦点寸法は、目標サイズに基づいて決定される。大腿部の血栓溶解トランスデューサーの目標サイズは、直径約６ｍｍである血管直径によって規定される。焦点式トランスデューサーに関して、軸線方向の寸法は、焦点の最長寸法を規定し、それは、血管腔の中だけでキャビテーションが引き起こされるということを確実にするために、６ｍｍ未満とするべきである。そのうえ、以前のヒストトリプシー研究に基づいて、焦点ゲインは、キャビテーションクラウドを発生させるのに十分な圧力を発生させるために、＞３０とするべきである。
【０１１３】
[000143]トランスデューサーモデリング
[000144]いくつかの等価回路モデルが、厚さモードで動作する圧電セラミックのために存在する。ここで適用されるモデル（Ｋｒｉｍｈｏｌｔｚ、Ｌｅｅｄｏｍ、およびＭａｔ
ｔｈａｅ（ＫＬＭ）によって開発された）は、タイムドメインの観点から最も直感的に考えられ、透過ラインによってトランスデューサーの機械的な厚さを表す。このフォーミュレーションは、伝達マトリックスアプローチに従っており、いくつかのマトリックス（それぞれは、トランスデューサーの電気的または機械的なパーツを記載している）は、圧力−電圧伝達関数を決定するために掛け合わせることが可能である。この方法は、Ｖａｎ  ＫｅｒｖｅｌおよびＴｈｉｊｓｓｅｎによって開発され、球面状に湾曲した音響レンズを用いた計算に関して、Ｍａｒｅｃｈａｌらによってさらに開発された。これらの研究は引き継がれ、ＫＬＭモデルに関する基礎理論を開発した。追加的に、増幅器、トランスデューサーケーブル、およびマッチングネットワークのモデルは、ネットワークの電気的な側に含まれており、音響側に関して、楕円形レンズに関する等式が、インピーダンスおよび表面圧力プロファイルを決定するために開発された。表面圧力測定が提供されるが、これらは、実験結果または伝搬モデルに直接的に適用可能ではないが、その理由は、エレメント縁部からの回折は、一般的に、エレメント表面にわたって空間依存する圧力を生成させるからであるということに留意されたい。より適用可能なのは、エレメント表面速度：ｕｓであり、それは、積分に対する実際の入力として使用される。しかし、表面圧力は、ここで与えられ、ｐｓ＝ｕｓρ１ｃ１としてフォーカシングすることによって得られる圧力ゲインのアイデアを与える。
【０１１４】
[000145]トランスデューサーの中のそれぞれのエレメントは、修正されたＰＺＴ−４から作製された。トランスデューサーがイメージングトランスデューサーの周りにフィットしたという仕様、および、トランスデューサー焦点距離は５ｃｍであったという仕様を仮定すると、１ＭＨｚの厚さ共鳴を有する２ｃｍ直径のディスク形状のエレメントが選ばれた。異なるＰＺＴフォーミュレーションに関する特性が、表ＩＩＩに示されている。モデル化された結果に関して、ＰＺＴ−４に関する特性が使用されている。特定の幾何学形状およびパラメーターのエレメントに関して、負荷として水に直接的に連結され、裏打ちとして空気に連結されているエレメントに関するエレメント電気インピーダンスが、図１２Ａ〜図１２Ｆに示されている。図１２Ａ〜図１２Ｆでは、マッチング層／レンズなしのエレメント（図１２Ａ〜図１２Ｃ）、および、マッチング層／レンズを備えるエレメント（図１２Ｄ〜図１２Ｆ）のインピーダンストレースが示されている。エレメントインピーダンスは、エレメント端子に直接的に接続されるように示されており（図１２Ａおよび図１２Ｄ）、２メートルケーブルの端部がエレメントに取り付けられているように示されており（図１２Ｂおよび図１２Ｅ）、電圧ゲインネットワークへの入力部において接続されるように示されている（図１２Ｃおよび図１２Ｆ）。
【０１１５】
【表３】
2018118092.tif 000011
【０１１６】
[000146]マッチング層を備えるインピーダンスは、Ｚｍ＝６．８ＭＲａｙｌ（７．２Ｍ
Ｒａｙｌの幾何平均に近い）であり、レンズ層Ｚ１＝３．１ＭＲａｙｌである。２メートルのＢＮＣ  ＲＧ−１７４ケーブルを備える１ＭＨｚにおけるエレメントインピーダンスは、６１〜１０７ｊΩであるようにシミュレートされている。４の電圧ゲインは、エレメントの上の最大電圧を４００Ｖから１６００Ｖｐｐへ変換することが望まれる。アペンディクスＡの中に与えられている電圧ネットワークＣおよびＬ値は、Ｃ＝１．３ｎＦおよびＬ＝９．７μＨである。１ｎＦおよび１１μＨの利用可能な値は、Ｇ＝３．５を与える。これをシミュレーションに適用すると、１つのエレメントのための増幅器によって見られるようなインピーダンスは、増幅器の限界内において、２０．５Ωとなる。この最終インピーダンス値が、増幅器の限界の外側にある場合には、設計者は、ネットワークに関してより低いゲイン値を選ばなければならず、または、別の方式でエレメントを変更し、初期インピーダンスを上昇させなければならない。
【０１１７】
[000147]エレメントへの電圧ネットワークの追加によって、マッチング層およびレンズを備えるエレメントに関する０．８〜１．３ＭＨｚのバンド幅にわたって、インピーダンスが極めて一定のままであるということに留意されたい（図１３）。マッチング層またはレンズがなければ、インピーダンスは、周波数の小さい変化を伴って変化し、それは、０．８６ＭＨｚにおけるわずか４オームから、１．０６ＭＨｚにおける最大ほぼ２００オームのピークまで変化し、１．１６ＭＨｚにおける約４オームへと戻る。また、これは、バンド幅が、低インピーダンス位置において幅狭になっているということを意味している（図１４Ａ〜図１４Ｆ）。マッチング層およびレンズによってインピーダンス曲線を平坦化することは、より一定の出力−対−周波数につながる。
【０１１８】
[000148]同様の表面圧力が、マッチング層を備えるトランスデューサーエレメント、および、マッチング層なしのトランスデューサーエレメントによって実現され得るが、マッチングなしのエレメントは、２０サイクルを超えるリングアップ時間を有し、マッチングしたエレメントが３〜４サイクルの中で到達するのと同じ定常状態振幅に到達する。パルスの最大の振幅サイクルだけがバブルクラウド発生に貢献することとなるので、マッチングしていないトランスデューサーに関する長いリングアップ時間は、結果的に、治療の副作用として望ましくない加熱を増加させ、それを非効率にすることとなる。マッチングを備えるトランスデューサーのバンド幅の増加に起因して、高い振幅を有する非常に短いパルスを作り出すことが可能である。マッチング層を備えるものと備えないものの、２つの等価トランスデューサーのインパルス応答が、図１５Ａ〜図１５Ｄに示されている。それぞれのエレメントの中へのピーク電圧は、ほぼ同一であるが、マッチングしたトランスデューサーピーク圧力出力は、マッチングしていない場合よりも２．９倍大きいということに留意されたい。したがって、マッチングしていないエレメントに加えられる電圧は、同等の出力に関してかなり高い。マッチング層／レンズを備えるピーク−ピーク電圧は、約２．１ｋＶｐｐであり、６ＭＰａ表面圧力を実現し、一方、マッチングしていないエレメントは、同じものを実現するために＞９ｋＶｐｐを必要とする（図１６Ａ〜図１６Ｄ）。それぞれのサイクルにおいて共鳴波のより大きいパーセンテージが負荷媒体に透過されるので、マッチングの別の結果は、負荷の中の所与の表面圧力に関して、エレメントの中の内部応力の低減である。これらの要因は、すべて、制御可能な出力を有する短い高振幅パルスを得るために、音響マッチングが重要であるということを示唆している。
【０１１９】
[000149]伝搬モデル
[000150]Ｒａｙｌｅｉｇｈ積分に基づく伝搬モデルが実装され、トランスデューサーに関する焦点寸法および焦点ゲインを含む、トランスデューサーの焦点特性を決定された。この等式は、素晴らしい精度を有する線形伝搬を定義する。ヒストトリプシーは、非線形伝搬に高度に依存することが可能であり、したがって、線形伝搬モデルは、簡素化されたものであり、焦点において展開された波形を正確に予測しない。しかし、キャビテーションクラウドおよび焦点波形のピーク負圧は、線形理論に基礎を置いているものと同様の領
域にわたって引き起こされる。したがって、このモデルは、詳細な波形を提供することとならないが、それは、キャビテーションが予期され得る領域を決定するために適用することが可能である。追加的に、線形の焦点ゲインを計算することが可能であり、それは、以前のヒストトリプシートランスデューサーに基づいて、十分な圧力が発生させられ得るかどうかという指示を提供する。体外および生体内で使用される以前のヒストトリプシートランスデューサーは、４０〜９０の範囲にある焦点ゲインを有している。
【０１２０】
[000151]伝搬モデルは、丸いおよび長方形の開口部を備える点光源、リング、ディスク、長方形プレート、および球面状セグメントに関して開発された。単一のエレメントがモデル化される場合には、その寸法が確立され、次いで、幾何学形状が、λ／２以下の間隔を備える個別の点光源から構築され、圧力場全体を通して精度を確実にする。複数のエレメントがシミュレートされることとなる場合には、また、それぞれのエレメントの中心位置も入力され、次いで、モデルは、それぞれの場所において、トランスデューサーエレメントのコピーを作り出す。これは、Ｆ＃＝合計開口部／焦点距離＞０．５によって、トランスデューサー幾何学形状の正確なシミュレーションを可能にする。シミュレーションは、トランスデューサー中心周波数において実施され、ＣＷまたは長いバーストに関して正確であるということを意味している。短いバーストシミュレーションは、過渡モデルを必要とする。
【０１２１】
[000152]トランスデューサーの中のそれぞれのエレメントは、共通の焦点へ集束される。単一の球面状に集束されるトランスデューサーエレメントの焦点ゲインは、焦点距離に対するＲａｙｌｅｉｇｈ距離の比率によって推定することが可能である。
【０１２２】
【数７】
2018118092.tif 000012
【０１２３】
[000153]ここで、Ａは、トランスデューサーエレメントの活動的領域である。血栓溶解の予備研究において使用されたヒストトリプシートランスデューサーは、Ｇｐ＝４２を有していた。しかし、このトランスデューサーは、目標血管直径を超える焦点寸法を有しており、大きな焦点距離となり過ぎ、血管の付近にイメージングガイダンスプローブを設置する困難性を引き起こした。したがって、同様の焦点ゲインを有するが、より小さい焦点寸法を有するトランスデューサーは、イメージングおよび治療結果を改善することを必要とした。追加的に、トランスデューサーは、血管のイメージングに適切である利用可能なリニアアレイイメージングプローブを収容するために必要とされた。このプローブは、５０ｍｍｘ８ｍｍの設置面積を有していた。そのように、血栓溶解トランスデューサーに関する２ｃｍ治療エレメントは、中央ポートまたは孔部（図５Ａ〜図５Ｂを参照）の周りにできる限り近くに位置付けされていた。１ＭＨｚにおいて、トランスデューサーは、Ｇｆ＝３３を有しており、仕様を満たしている。以前の設計は、生体内キャビテーションを実現するために必要なものよりも非常に大きい圧力出力を可能にし、そのため、このゲインは、１〜２ｃｍ覆っている組織を通して血管を治療するのに十分であるべきである。追加的に、１ＭＨｚにおける焦点寸法は、６〜７ｍｍ直径の血管を目標とするのに十分に小さい。より高い周波数においてより大きいゲインを得ることが可能であるが（表ＩＶ）、より小さい焦点寸法は、音響減衰を増加させ、治療時間を延長することとなる。
【０１２４】
[000154]撮像装置ポートに起因して、Ｙ軸に沿うエレメント同士の間の大きい間隔は、焦点の周りに実質的な格子状のローブを引き起こす（図１７）。これらの格子状のローブは、ピーク圧力振幅の１／３程度の振幅を有することが可能である。しかし、メインビームの振幅の１／２よりも大きい格子状のローブの存在があっても、病変が主要焦点内だけ
に正確に生成され得るということが示されてきた。したがって、キャビテーションは、メインビーム寸法に限定されることとなるということが予期される。
【０１２５】
【表４】
2018118092.tif 000013
【０１２６】
[000155]トランスデューサー構築
[000156]血栓溶解トランスデューサーのいくつかの実施形態が構築された。第１の設計では、ＰＺ２６材料の８つの球面状セグメントが、８つのサブハウジングの中でマッチング層なしで使用された。これは、デバイスのサイズを最小化したが、＞８００Ｖの電圧での電気的な問題を防止する困難性によって、より大きい設計が必要となった。第２の発生デバイスは、より大きい１つのハウジングを構成し、ハウジングの中では、すべての球面状エレメントが、適正に着座させられ、電気的に絶縁され得た。このデバイスは、生体内でのキャビテーションを発生させる点において初期には成功していたが、必要な駆動電圧は、上記に決定されているように、セラミックに関する機械的な故障限界の近くであった。破砕が、約６００秒の動作の後に、複数のエレメントの後方面において顕著に表れた。したがって、最終設計は、平坦なディスクエレメントによって構築され、（図５Ａ〜図５Ｂに示されているように）マッチング層インターフェースを備えるレンズを形成した。
【０１２７】
[000157]最終トランスデューサーの全体的な開口部は、７．３ｃｍｘ８．６ｃｍであった。トランスデューサーに関する曲率の半径は、可能な限り目標の近くの中心にイメージングプローブを位置決めするために、５ｃｍとなるように選ばれた。超音波撮像装置のための中央ポートは、血管系の高周波数イメージングのための１０ＭＨｚリニアアレイまたは１２ＭＨｚフェーズドアレイプローブを保持するように設計された。すべての３つのトランスデューサーは、３Ｄプリンティングシステムの上にプリントされたが、それが選ばれた理由は、材料が他のシステムの上の材料と比較して低い減衰および高い音速を有し、十分なプリンティング分解能を有していたからである。
【０１２８】
[000158]トランスデューサーは、ＰＺＴ４材料から作製された圧電エレメントによって構築された。マッチング層またはレンズなしの第１および第２の発生トランスデューサーに関して、音響開口部のためのハウジングの中の孔部は、エレメントが、前方表面または側方表面のうちのいずれかの上に、ハウジングの中へシールされ得るように設置されている。非腐食性の室温加硫（ＲＴＶ）ゴムをシーラントとして使用することが可能である。２つのワイヤを、エレメント前面および背面の銀電極の上にはんだ付けすることが可能である。銀−軸受はんだ（９６／４  Ｓｎ／Ａｇ）は、はんだ付けの間の電極の溶解を防止するために使用することが可能である。はんだ付けは、電極毎に３秒以下にわたり２５０℃で実施された。これは、ジョイント部の酸化およびエレメントの脱分極の可能性を最小化した。ワイヤは、Ｂａｙｏｎｅｔ  Ｎｅｉｌｌ−Ｃｏｎｃｅｌｍａｎ（ＢＮＣ）コネクターによって終端される、ＲＧ−５８、ＲＧ−１７４、またはＲＧ−３１６同軸ケーブルのいずれかにはんだ付けされた。ケーブルは、ハウジングの中のポートを通され、可撓性のポリウレタンでシールされた。
【０１２９】
[000159]本明細書で説明されているいくつかの実施形態では、マッチング層およびレン
ズを備えるトランスデューサーは、ハウジングの中に組み込まれているレンズとともに構築することが可能である。図１８Ａは、マッチング層スタンドオフ１８４０および圧縮ねじ山部１８４１などのような、ラピッドプロトタイピングハウジングの中へ組み込まれた他の特徴とともに、ラピッドプロトタイピングハウジング１８２０の中に組み込まれた音響レンズ１８３２を図示している。マッチング層オーバーフローウェル１８４５は、多すぎる材料が適用された場合にマッチング層材料のオーバーフローを含有するように構成することが可能である。図１８Ｂでは、マッチング層１８４２およびトランスデューサーエレメント１８１８は、圧縮リング１８４３が圧縮ねじ山部１８４１の中へねじ込まれた音響レンズに対して適切な場所に保持されている。エレメントに面するレンズの表面の上に、３つの小さいスタンドオフがプリントされ、マッチング層の厚さを有するギャップを生成させることが可能である。マッチング層材料の小さい体積が、上記に説明されているように混合され、背面レンズ表面の中心に液滴として注出され得る。次いで、エレメントを、スタンドオフの上にプレスすることが可能である。次いで、余剰材料は、隣接するウェルの中へ進み、材料がエレメントの後方表面の上にオーバーフローすること、および、材料が高い駆動電圧でエレメントの周りに電気絶縁を引き起こすことを防止することが可能である。圧力は、手で加えることが可能であるか、または、圧縮キャップによってプレスすることが可能であり、圧縮キャップは、エレメントの後ろのエレメントハウジングの中へねじ込まれ、エレメント背面に連続的な圧力を加える。すべてのエレメントは、このようにハウジングの中へ装着され、任意の測定が行われる前に少なくとも２４時間にわたり硬化することを可能にされ得る。ワイヤリングおよびシーリングは、マッチング層またはレンズなしのトランスデューサーに関して説明されているのと同じ様式で実施することが可能である。
【０１３０】
[000160]モデルとのトランスデューサー比較
[000161]第３の発生トランスデューサーのモデリングに関して、２ｃｍ直径ディスクが、マッチング層を備えて上記に説明されているように、ＰＺＴ−４から作製された。マッチング層およびレンズを備える単一エレメントの、モデル化されたおよび測定された電気インピーダンス曲線が、図１９に提供されている。マッチング層厚さが適当に選ばれているときには、測定と共鳴に近いモデルとの間で良好な一致が観察される。このトランスデューサーに関して、モデルは、マッチング層がλ／４よりも４５μｍ厚く、周波数＞１ＭＨｚにおいて、より高いインピーダンス曲線を引き起こしたということを示した。マッチング層厚さの誤差は、プリンター分解能限界に起因するようであり、それは、１００μｍのインクリメントで、トランスデューサーハウジングをプリントする。しかし、インピーダンス曲線は、エレメント同士の間で極めて一致していた。ｎ＝８エレメントに関して、１．０ＭＨｚにおけるインピーダンスは、実数部に関して４８．３＋／−１．５Ωであり、虚数部に関して−９４．６＋／−３．３ｊΩであった（平均＋／−標準偏差）。比較のために、モデルによって与えられたインピーダンスは、マッチング層厚さ＝λ／４＋４５μｍのときに、１ＭＨｚにおいて、４４〜１０２ｊΩである。低い周波数において、エレメントの中の半径方向の（水平方向の）モードによって引き起こされる、測定値からのモデルの偏差がいくらか存在し、それは、１−Ｄ  ＫＬＭモデルでは考慮されていない。
【０１３１】
[000162]二次元の圧力マップが、カプセルハイドロフォンによってフィールドをスキャンすることによって獲得された。１０サイクルバーストからのピーク正圧値が使用され、フィールドの中のそれぞれのポイントにおける圧力振幅が記録された。トランスデューサー面からｚ＝５０ｍｍにおける水平方向の−６ｄＢビーム幅は、シミュレーションにおいて５．１ｍｍであり、測定されたのは５．３ｍｍであった。トランスデューサー表面の近くで（ｚ＝７．５ｍｍ）、ビーム幅は、シミュレートされた場合に１７ｍｍであり、測定された場合に１５．９ｍｍであった。これらの測定は、音響レンズが、球面状トランスデューサーセグメントと同様に、ほぼ理想的なフォーカシングを提供していることを示唆している。
【０１３２】
[000163]また、全トランスデューサーのビームプロファイル（すべての８エレメントが駆動されている）が測定され、シミュレーションと比較された。シミュレーションに関するＸｘＹｘＺ−６ｄＢ圧力ビーム幅は、１ＭＨｚトランスデューサーに関して、１．０ｘ１．２ｘ６．６ｍｍであった。カプセルハイドロフォンによって測定された場合に、焦点平面におけるビーム幅は、１．０ｘ１．３ｘ６．９ｍｍであった。また、これらの測定値は、シミュレートされた値と一致している。
【０１３３】
[000164]トランスデューサー出力圧力
[000165]光ファイバープローブハイドロフォン（ＦＯＰＨ）が、完成したトランスデューサーの焦点圧力波形を測定するために使用された。ハイドロフォンは、５０ＭＨｚのバンド幅、１００μｍ直径のアクティブエレメント、および、０．３５ｍＶ／ＭＰａの低周波数感度を有していた。ハイドロフォンの感度は、ファイバー先端部からの回折に起因して、周波数とともに変化する。既知の周波数応答を有する圧電ハイドロフォンが、ハイドロフォンの周波数応答を見出すために使用された。デコンボリューション手順は、ハイドロフォン周波数応答を補正し、正確な圧力波形を得るために書かれている。トランスデューサー焦点圧力が、キャビテーションが発生した点まで、ガス抜きされた水の中で測定された。この圧力レベルを超えて、測定値が、キャビテーションに抵抗力のある（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ−ｒｅｓｉｓｔａｎｔ）液体の中で記録された。
【０１３４】
[000166]理想的には、すべてのレンズは、それぞれのレンズ表面がトランスデューサー焦点から等距離となるように構築されている。そうでない場合には、位相遅延が、エレメント同士の間に存在することとなる。位相遅延に応じて、それぞれのエレメントからの圧力波は、建設的にまたは破壊的に、焦点において干渉する可能性がある。フォーカシングのためのエレメント同士の間の許容可能な位相シフトに関する１つの規準は、＜λ／８である。トランスデューサーの中の複数のエレメントの間の位相誤差を決定するために、カプセルハイドロフォンが、トランスデューサー焦点において位置付けされ、それぞれのエレメントが、個別に駆動された。受信される８つの波形が、図２０Ａおよび図２０Ｂに示されている。先頭のエレメントと最後のエレメントとの間の時間遅延差は、８０ｎｓまたはλ／１２である。この位相誤差は、理想的なエレメントアライメントと比較して、線形条件下において、焦点ピーク−ピーク圧力の１０％の減少に相当する。
【０１３５】
[000167]図２１Ａおよび図２１Ｂは、トランスデューサーに対する８０％駆動電圧における圧力波形を示しており、ピーク負圧は、３１Ｍｐａに到達し、ピーク正圧は、８５Ｍｐａに到達している。これらの結果は、５０％駆動電圧まで、水の中の測定値と十分に比較された。ハイドロフォン先端部の上のキャビテーションに起因して、２サイクルより大きい圧力波形は、大きい圧力振幅で獲得することができなかった。
【０１３６】
[000168]ヒストトリプシー用途におけるトランスデューサー試験
[000169]構築されたトランスデューサーのキャビテーションポテンシャルを決定するために、バブルクラウドが、異なるパルス長さおよびパルス繰り返し周波数の下で、高速写真によって画像化された。キャビテーションがそれぞれのパルスに観察される最低ピーク負圧値が、ガス抜きされた水の中の特定のセットの音響パラメーターに関するキャビテーションクラウド閾値として定義された。圧力レベルは、表Ｖに与えられている。パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）またはパルス長さのいずれかが増加されるとき、バブルクラウドは、より低い圧力レベルにおいて持続されるそれぞれのパルスであることが可能である。最も高いパワーセッティングにおいて、キャビテーションクラウドは、１９．５のＭＰａピーク負圧において発生させられる。これは、他のヒストトリプシートランスデューサーよりもいくらか高いが、この設計と同様の高い曲率を有するトランスデューサーは、非線形伝搬に起因してより低い曲率を有するものよりも大きい負圧閾値を有することとなると
いうことが予期される。最低のＰＲＦおよびパルス長さにおいて、キャビテーションクラウドは、ｐ＝−３０．７Ｍｐａになるまでは一貫しているように見えない。
【０１３７】
【表５】
2018118092.tif 000014
【０１３８】
[000170]生体外での豚の腎臓の組織切除が実現され、ヒストトリプシートランスデューサーの性能が確認された。豚の腎臓皮質の中で、１００ＨｚＰＲＦにおいて、５サイクルパルスを使用して、病変が作製された。腎臓は、ソニケーションのための音響ウィンドウを備えるポリカーボネートハウジングの中において、１０％ゼラチンの中で鋳造された。トランスデューサー焦点は、腎臓皮質の中に位置付けされ、それぞれのポイントで３０秒（３０００パルス）にわたり処置された。４つの病変が、発生させられた。この結果は、トランスデューサーが、以前の研究と同様の結果を有するヒストトリプシーを実施することができるということを示唆している。
【０１３９】
[000171]ヒストトリプシー血栓溶解を実施することができる治療トランスデューサーを構築するための設計および方法は、添加剤製造を使用して、この研究の中で開発された。いくつかの技法は、単一のエレメント構成および複数のエレメント構成のトランスデューサーを構築するために調査されてきた。血栓溶解を含むヒストトリプシーの中の様々な用途のために、２０を超えるトランスデューサーが設計されてきた。最も効果的なトランスデューサー設計は、マッチング層およびレンズを備える１つの小さいエレメントを組み込んだ。この設計は、増幅器が電圧変換ネットワークを通して高い電圧を駆動することを可能にし、高い圧力出力の下でのトランスデューサーの機械的な故障を防止した。
【０１４０】
[000172]トランスデューサーのラピッドプロトタイピングは、研究の場でトランスデューサーを開発することに関して、および、少量の資本設備に関して、いくつかの重要な利点を保持する。第１に、プロトタイプを作り出すための全体的なコストおよび時間は、従来の機械加工プロセスと比較して、非常に低減される。また、射出成形されたパーツに関して、モールドのコスト、および、モールド製品のためのリードタイムは、研究開発および少量の資本設備にとって法外に大きい。ラピッドプロトタイピングシステムのための材料は、単位重量あたり高価である可能性があるが、それらは付加的に作られるので、製造の間に材料は失われない。また、追加的な複雑性を設計の中へ導入することに対するペナルティも存在しない。例えば、材料のコストを低減させるために、中空のフレームは、剛
性のために支柱パターンで採用することが可能である。機械加工において、ピースを仕上げるために可能な限り少ない切削を必要とすることによって、コストを低減させることは賢明であることが多いが、射出成形において、複雑性は、モールドコストを増大させる。これは、設計者の利益となり得るが、それは、落とし穴にもなり得る。そのようなパーツが大量生産されることとなる場合には、それは、射出成形、または、より大幅な幾何学的制限を有する他の技法を必要とする可能性がある。そのような場合には、パーツのいくつかの特徴は、これらの製品モードのために再設計されなければならない可能性がある。しかし、研究または少量の資本設備の目的（この場合、数ユニットが典型的に開発され、または、製造量が、高価な射出成形ツールを正当化しない）のために、このことは、一般的に、気にする必要はない。
【０１４１】
[000173]そのような設計において、材料は、それらの鋳造されたまたは押し出しされた対応パーツに対して、機械的な性質において概して等価ではない。いくつかのマシン（例えば、ＦＤＭなど）は、プロトタイプを作り出すためにＡＢＳまたはポリカーボネートを利用するが、材料の積層は、固体のピースと同じ強度を有するパーツを作り出さない。そのうえ、他のマシンタイプ（とりわけ、フォトポリマーを使用するもの）は、とりわけ、任意の従来の材料の特性と適合しない独自のフォーミュレーションを必要とするが、プラスチックと同じ範囲を包含する。いくつかのマシン（例えば、この研究で使用された３Ｄプリンターなど）は、実際に、連続的に可変の弾性係数を有する複合材を作り出すことが可能である。これらの材料のうちのいくつかは、この研究において、音響パーツとして適切となるものを特定する目的のために特徴付けされた。いくつかの材料は、適切であることが見出されたが、ＳＬＡマシンによって作り出された材料は、低い減衰および高い音速の適正な組み合わせを提供し、低い損失でレンズを作り出した。この研究でテストされた３Ｄプリンティングシステムは、１６μｍのステップ分解能（それは、マッチング層のより正確な製作を提供することが可能であった）を有しており、トランスデューサー設計および構築に用いることが可能である。他のシステムを備えるトランスデューサー設計の製作のための材料は、等しいかそれ以上の精密さ、および、等しいかそれより低い音響透過損失を提供しなければならない。ラピッドプロトタイピングマシンによって使用され得る材料の範囲が拡大するにつれて、セラミックエレメント、マッチング層、および、トランスデューサーの電極をプリントすることが可能になり得、プロセスおよび設計の可能性をさらに簡単化する。
【０１４２】
[000174]焦点式超音波温熱治療では、セラミックは、一般的に、組織切除を引き起こすために必要な要求圧力出力範囲内で動作することが可能である。しかし、ヒストトリプシーは、温熱治療よりもかなり高い焦点圧力を必要とし、早期治療トランスデューサーの中のセラミックは、その機械的な限界まで応力を受けていた。沸騰を伴うヒストトリプシーを実施するために必要な表面圧力は、約５００ｋＰａ振幅であり、それは、線形の焦点ゲインＧｆ＝４９を有するトランスデューサーから、１４ＭＰａのピーク焦点負圧を作り出す。この研究で実施されたテストに基づいて、トランスデューサーは、機械的な故障の限界内にある。しかし、キャビテーションベースのヒストトリプシーは、焦点において＞２０ＭＰａの焦点圧力を必要とし、それは、血栓溶解トランスデューサーのために、＞２ＭＰａ表面圧力（むき出しのセラミックの限界の上方）を必要とした。追加的に、短パルスの必要性（かなり大きいバンド幅を意味する）が必要とされた。マッチング層／レンズ組み合わせは、トランスデューサーが、小さい開口部および焦点ゲインを備えて作製されること、ならびに、十分な焦点圧力を依然として提供することを可能にした。設計は、マッチング層が、負荷に対して極度にミスマッチであるときに、セラミックエレメントの中の強力な共鳴に起因する応力のビルドアップを防止するということを証明した。これは、トランスデューサーが、故障の前に、ほぼ３倍の表面圧力まで駆動されることを可能にした。この設計は、トランスデューサーエレメントの機械的な限界を拡張したが、レンズによって提供される絶縁は、より高い駆動パワーにおいて、エレメントの中の熱の消散を防止
した。２０００Ｖｐｐにおける１％のデューティーサイクルの入力によっても、エレメントは、３００秒にわたる駆動の後に、ほぼ７０℃に到達した。これは、セラミック材料の中の音速の変化、および、共振周波数のシフトを引き起こす。結果として、出力が低下させられ、エレメントの中への合計パワーは、室温に戻るまで制限される。
【図１】
2018118092.tif 000015
【図２】
2018118092.tif 000016
【図３】
2018118092.tif 000017
【図４】
2018118092.tif 000018
【図５】
2018118092.tif 000019
【図６】
2018118092.tif 000020
【図７】
2018118092.tif 000021
【図８】
2018118092.tif 000022
【図９】
2018118092.tif 000023
【図１０】
2018118092.tif 000024
【図１１】
2018118092.tif 000025
【図１２】
2018118092.tif 000026
【図１３】
2018118092.tif 000027
【図１４】
2018118092.tif 000028
【図１５】
2018118092.tif 000029
【図１６】
2018118092.tif 000030
【図１７】
2018118092.tif 000031
【図１８】
2018118092.tif 000032
【図１９】
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【図２０】
2018118092.tif 000034
【図２１】
2018118092.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月17日(2018.4.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと、
前記トランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、前記トランスデューサーは、前記トランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するように前記ハウジングの上に配置されており、前記複数のトランスデューサーは、治療的超音波エネルギーを、前記焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーと、
前記複数のトランスデューサーのそれぞれの前方に配設されている音響レンズと
を含み、
それぞれの前記音響レンズが、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと一体型になっている、超音波治療システム。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーが、球面状の単一エレメントのトランスデューサーを含む、超音波治療システム。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーが、圧電トランスデューサーエレメントを含む、超音波治療システム。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波治療システムであって、前記圧電トランスデューサーエレメントが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックを含む、超音波治療システム。
【請求項５】
請求項１に記載の超音波治療システムであって、それぞれのトランスデューサーと音響レンズとの間に配設されているマッチング層であって、前記マッチング層が、前記トランスデューサーを前記音響レンズに音響的に連結するように構成されている、マッチング層をさらに含む、超音波治療システム。
【請求項６】
請求項５に記載の超音波治療システムであって、前記マッチング層が、テーパー付きのマッチング層を含む、超音波治療システム。
【請求項７】
請求項５に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、複数のマッチング層スタンドオフをさらに含み、マッチング層スタンドオフが、それぞれの音響レンズの後面から、それぞれのトランスデューサーの前方表面を、前記マッチング層にとって適正な距離だけ分離する、超音波治療システム。
【請求項８】
請求項１に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、熱溶解積層法、３Ｄプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択されるプロセスによって製造されている、超音波治療システム。
【請求項９】
請求項１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーのそれぞれが、別々のトランスデューサーモジュールの中に配設されており、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、前記トランスデューサーモジュールを受け入れるように構成されている複数の開口部を含む、超音波治療システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、ねじ山部を含み、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの前記開口部の中へねじ込まれるように構成されている、超音波治療システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの前記開口部が、前記トランスデューサーモジュールの前記ねじ山部と嵌合するように適合された溝部を含む、超音波治療システム。
【請求項１２】
請求項９に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、一体型の音響レンズと、それぞれの音響レンズとトランスデューサーとの間に、マッチング層のためのスペースを画定する少なくとも１つのマッチング層スタンドオフとをそれぞれ含む、超音波治療システム。
【請求項１３】
複数の開口部を含むトランスデューサーハウジングと、
前記トランスデューサーハウジングの前記開口部の中へ挿入されるように構成され、前記ハウジングによって保持されるようになっている複数のトランスデューサーモジュールであって、それぞれのトランスデューサーモジュールが、音響レンズ、実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサー、および、前記レンズと前記トランスデューサーとの間に配設されているマッチング層を含み、前記トランスデューサーハウジングの前記開口部が、共通の焦点を共有するように前記単一エレメントのトランスデューサーを整合させるように配置されており、前記単一エレメントのトランスデューサーが、治療的超音波エネルギーを、前記焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーモジュールと
を含み、
それぞれの前記音響レンズが、前記トランスデューサーハウジングと一体型になっている、超音波治療システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、前記ハウジングの前記開口部の中へねじ込まれるように構成されている、超音波治療システム。
【請求項１５】
請求項１３に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーハウジングが、凹面状ハウジングを含む、超音波治療システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーが、前記ハウジングの中心の近くに位置付けされている超音波イメージングシステムの周りに円形配置で配置されている、超音波治療システム。
【請求項１７】
請求項１３に記載の超音波治療システムであって、前記ハウジングが、ラピッドプロトタイピング方法によって構築されている、超音波治療システム。
【請求項１８】
３Ｄコンピューター支援設計ソフトウェアで、トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップと、
ラピッドプロトタイピング方法を使用して、前記トランスデューサーハウジングシェルを構築するステップと、
前記ラピッドプロトタイピング方法によって複数のトランスデューサーエレメントモジュールを構築するステップと、
前記トランスデューサーエレメントモジュールを前記トランスデューサーハウジングシェルの開口部の中へ挿入するステップと
を含む、超音波システムを設計および製造する方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、前記設計するステップが、前記ハウジングシェルの中の複数の前記開口部が共通の焦点に収束するように整合されるように、前記トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップをさらに含む、方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法であって、複数の実質的に平坦な非焦点式の圧電素子または圧電セラミック素子を前記トランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、前記圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップ
をさらに含む、方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載の方法であって、複数の湾曲した非焦点式の圧電素子または圧電セラミック素子を前記トランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、前記圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップ
をさらに含む、方法。
【請求項２２】
請求項１８に記載の方法であって、前記ラピッドプロトタイピング方法が、熱溶解積層法、３Ｄプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択される、方法。
【請求項２３】
請求項１８に記載の方法であって、
前記３Ｄコンピューター支援設計ソフトウェアで、複数の音響フォーカシングレンズを前記ハウジングの中へ設計するステップと、
前記ラピッドプロトタイピング方法を使用して、前記音響フォーカシングレンズを構築するステップと
をさらに含む、方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、前記複数の音響フォーカシングレンズが、前記トランスデューサーハウジングシェルと一体型になっている、方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４２】
[000174]焦点式超音波温熱治療では、セラミックは、一般的に、組織切除を引き起こすために必要な要求圧力出力範囲内で動作することが可能である。しかし、ヒストトリプシーは、温熱治療よりもかなり高い焦点圧力を必要とし、早期治療トランスデューサーの中のセラミックは、その機械的な限界まで応力を受けていた。沸騰を伴うヒストトリプシーを実施するために必要な表面圧力は、約５００ｋＰａ振幅であり、それは、線形の焦点ゲインＧｆ＝４９を有するトランスデューサーから、１４ＭＰａのピーク焦点負圧を作り出す。この研究で実施されたテストに基づいて、トランスデューサーは、機械的な故障の限界内にある。しかし、キャビテーションベースのヒストトリプシーは、焦点において＞２０ＭＰａの焦点圧力を必要とし、それは、血栓溶解トランスデューサーのために、＞２ＭＰａ表面圧力（むき出しのセラミックの限界の上方）を必要とした。追加的に、短パルスの必要性（かなり大きいバンド幅を意味する）が必要とされた。マッチング層／レンズ組み合わせは、トランスデューサーが、小さい開口部および焦点ゲインを備えて作製されること、ならびに、十分な焦点圧力を依然として提供することを可能にした。設計は、マッチング層が、負荷に対して極度にミスマッチであるときに、セラミックエレメントの中の強力な共鳴に起因する応力のビルドアップを防止するということを証明した。これは、トランスデューサーが、故障の前に、ほぼ３倍の表面圧力まで駆動されることを可能にした。この設計は、トランスデューサーエレメントの機械的な限界を拡張したが、レンズによって提供される絶縁は、より高い駆動パワーにおいて、エレメントの中の熱の消散を防止した。２０００Ｖｐｐにおける１％のデューティーサイクルの入力によっても、エレメントは、３００秒にわたる駆動の後に、ほぼ７０℃に到達した。これは、セラミック材料の中の音速の変化、および、共振周波数のシフトを引き起こす。結果として、出力が低下させられ、エレメントの中への合計パワーは、室温に戻るまで制限される。
（項目１）
ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと、
前記トランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、前記トランスデューサーは、前記トランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するように前記ハウジングの上に配置されており、前記複数のトランスデューサーは、治療的超音波エネルギーを、前記焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーと
を含む、超音波治療システム。
（項目２）
項目１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーが、球面状の単一エレメントのトランスデューサーを含む、超音波治療システム。
（項目３）
項目１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーが、圧電トランスデューサーエレメントを含む、超音波治療システム。
（項目４）
項目３に記載の超音波治療システムであって、前記圧電トランスデューサーエレメントが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックを含む、超音波治療システム。
（項目５）
項目１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーのそれぞれの前方に配設されている音響レンズをさらに含む、超音波治療システム。
（項目６）
項目５に記載の超音波治療システムであって、それぞれの音響レンズが、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと一体型になっている、超音波治療システム。
（項目７）
項目５に記載の超音波治療システムであって、それぞれのトランスデューサーと音響レンズとの間に配設されているマッチング層であって、前記マッチング層が、前記トランスデューサーを前記音響レンズに音響的に連結するように構成されている、マッチング層をさらに含む、超音波治療システム。
（項目８）
項目７に記載の超音波治療システムであって、前記マッチング層が、テーパー付きのマッチング層を含む、超音波治療システム。
（項目９）
項目７に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、複数のマッチング層スタンドオフをさらに含み、マッチング層スタンドオフが、それぞれの音響レンズの後面から、それぞれのトランスデューサーの前方表面を、前記マッチング層にとって適正な距離だけ分離する、超音波治療システム。
（項目１０）
項目１に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、熱溶解積層法、３Ｄプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択されるプロセスによって製造されている、超音波治療システム。
（項目１１）
項目１に記載の超音波治療システムであって、前記複数のトランスデューサーのそれぞれが、別々のトランスデューサーモジュールの中に配設されており、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングが、前記トランスデューサーモジュールを受け入れるように構成されている複数の開口部を含む、超音波治療システム。
（項目１２）
項目１１に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、ねじ山部を含み、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの前記開口部の中へねじ込まれるように構成されている、超音波治療システム。
（項目１３）
項目１２に記載の超音波治療システムであって、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの前記開口部が、前記トランスデューサーモジュールの前記ねじ山部と嵌合するように適合された溝部を含む、超音波治療システム。
（項目１４）
項目１１に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、一体型の音響レンズと、それぞれの音響レンズとトランスデューサーとの間に、マッチング層のためのスペースを画定する少なくとも１つのマッチング層スタンドオフとをそれぞれ含む、超音波治療システム。
（項目１５）
複数の開口部を含むトランスデューサーハウジングと、
前記トランスデューサーハウジングの前記開口部の中へ挿入されるように構成され、前記ハウジングによって保持されるようになっている複数のトランスデューサーモジュールであって、それぞれのトランスデューサーモジュールが、音響レンズ、実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサー、および、前記レンズと前記トランスデューサーとの間に配設されているマッチング層を含み、前記トランスデューサーハウジングの前記開口部が、共通の焦点を共有するように前記単一エレメントのトランスデューサーを整合させるように配置されており、前記単一エレメントのトランスデューサーが、治療的超音波エネルギーを、前記焦点に位置付けされている組織に適用するように構成されている、トランスデューサーモジュールと
を含む、超音波治療システム。
（項目１６）
項目１５に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーモジュールが、前記ハウジングの前記開口部の中へねじ込まれるように構成されている、超音波治療システム。
（項目１７）
項目１５に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーハウジングが、凹面状ハウジングを含む、超音波治療システム。
（項目１８）
項目１７に記載の超音波治療システムであって、前記トランスデューサーが、前記ハウジングの中心の近くに位置付けされている超音波イメージングシステムの周りに円形配置で配置されている、超音波治療システム。
（項目１９）
項目１５に記載の超音波治療システムであって、前記ハウジングが、ラピッドプロトタイピング方法によって構築されている、超音波治療システム。
（項目２０）
ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングと、
前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって支持されている複数の実質的に平坦な単一エレメントのトランスデューサーであって、前記トランスデューサーは、前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングによって、別のトランスデューサーから物理的に分離されており、共通の焦点を共有するように前記ラピッドプロトタイピングトランスデューサーハウジングの上に配置されており、前記複数のトランスデューサーは、超音波エネルギーを前記焦点に適用するように構成されている、トランスデューサーと
を含む、超音波システム。
（項目２１）
３Ｄコンピューター支援設計ソフトウェアで、トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップと、
ラピッドプロトタイピング方法を使用して、前記トランスデューサーハウジングシェルを構築するステップと
を含む、超音波システムを設計および製造する方法。
（項目２２）
項目２１に記載の方法であって、前記設計するステップが、前記ハウジングシェルの中の複数の開口部が共通の焦点に収束するように整合されるように、前記トランスデューサーハウジングシェルを所望の幾何学形状に設計するステップをさらに含む、方法。
（項目２３）
項目２１に記載の方法であって、複数の実質的に平坦な非焦点式の圧電素子または圧電セラミック素子を前記トランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、前記圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップ
をさらに含む、方法。
（項目２４）
項目２１に記載の方法であって、複数の湾曲した非焦点式の圧電素子または圧電セラミック素子を前記トランスデューサーハウジングシェルの中へ挿入するステップであって、前記圧電素子または圧電セラミック素子からの超音波エネルギーが共通の焦点に収束するようになっている、ステップ
をさらに含む、方法。
（項目２５）
項目２２に記載の方法であって、前記ラピッドプロトタイピング方法によって複数のトランスデューサーエレメントモジュールを構築するステップと、前記トランスデューサーエレメントモジュールを前記トランスデューサーハウジングシェルの前記開口部の中へ挿入するステップとをさらに含む、方法。
（項目２６）
項目２１に記載の方法であって、前記ラピッドプロトタイピング方法が、熱溶解積層法、３Ｄプリンティング、およびステレオリソグラフィーからなる群から選択される、方法。
（項目２７）
項目２１に記載の方法であって、
前記３Ｄコンピューター支援設計ソフトウェアで、複数の音響フォーカシングレンズを前記ハウジングの中へ設計するステップと、
前記ラピッドプロトタイピング方法を使用して、前記音響フォーカシングレンズを構築するステップと
をさらに含む、方法。
（項目２８）
項目２７に記載の方法であって、前記複数の音響フォーカシングレンズが、前記トランスデューサーハウジングシェルと一体型になっている、方法。