(57)【要約】【課題】多重周波数を出力するフェーズドアレイ駆動システムとしての超音波処理装置を提供する。【解決手段】本発明の超音波処理装置は、複数のトランスデューサを有する超音波フェーズドアレイ１８と、トランスデューサを駆動する駆動モジュール１６と、駆動モジュール１６にトランスデューサを２つの異なる周波数で同時に駆動させる制御カーネル１４とを含む。【選択図】図１
2013543758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のトランスデューサを有する超音波アレイと、
前記複数のトランスデューサを駆動する駆動モジュールと、
前記駆動モジュールに前記複数のトランスデューサを２つの異なる周波数で同時に駆動させる制御カーネルと、を含む超音波処理装置。
【請求項２】
前記制御カーネルは、
マスターマイクロコントロールユニットと
複数のスレーブマイクロコントロールユニットと、を含み、
前記複数のスレーブマイクロコントロールユニットの各々は、前記トランスデューサのサブセットを制御するように構成され、
前記マスターマイクロコントロールユニットは、前記スレーブマイクロコントロールユニットに指示を与える請求項１に記載の超音波処理装置。
【請求項３】
複数の浮動小数点ゲートアレイを更に含み、
前記複数のスレーブマイクロコントロールユニットの各々は、前記浮動小数点ゲートアレイのサブセットとデータ通信する請求項２に記載の超音波処理装置。
【請求項４】
二段階ＶＣＯ／ＰＬＬ回路を更に含む請求項２に記載の超音波処理装置。
【請求項５】
前記二段階ＶＣＯ／ＰＬＬ回路は、
第１特定周波数を有する波形を受信し、かつ第１スケールファクタにより前記第１特定周波数をスケーリングする第一段階、及び、
第２特定周波数を有する波形を受信し、かつ第２スケールファクタにより前記第２特定周波数をスケーリングする第二段階を含む請求項４に記載の超音波処理装置。
【請求項６】
異なる周波数を有する波形をそれぞれ受け取る複数のマルチプレクサを更に含み、
前記複数のスレーブマイクロコントローラの各々は、前記複数のマルチプレクサの各々のサブセットから、特定の周波数を有する波形を選択するように構成されている請求項２に記載の超音波処理装置。
【請求項７】
前記制御カーネルに対して、前記トランスデューサにより出力される電力の程度に関する情報を提供する電力感知回路を更に含む請求項１に記載の超音波処理装置。
【請求項８】
前記制御カーネルは、少なくとも２つの周波数によって少なくとも１つの前記トランスデューサを同時に駆動するように構成されている請求項１に記載の超音波処理装置
【請求項９】
複数のトランスデューサを有する超音波アレイと、
前記複数のトランスデューサを駆動する駆動モジュールと、
前記駆動モジュールに前記複数のトランスデューサを異なる２つの周波数で同時に駆動させる手段と、を備える超音波処理装置。
【請求項１０】
標的を超音波処理する方法であって、
複数のトランスデューサを有する超音波アレイを前記標的に向ける工程、
複数の周波数を選択する工程、
前記標的に対して、前記複数の周波数の各々を前記超音波アレイに同時に照射させる工程を含む超音波処理方法。
【請求項１１】
前記超音波アレイに同時に照射させる工程は、異なる周波数で、異なる複数の前記トランスデューサを励起させる工程を含む請求項１０に記載の超音波処理方法。
【請求項１２】
前記超音波アレイに同時に照射させる工程は、異なる周波数で、１つの前記トランスデューサを同時に励起させる工程を含む請求項１０に記載の超音波処理方法。
【請求項１３】
前記アレイにより出力される電力の程度を示すフィードバックを提供する工程を更に含む請求項１０に記載の超音波処理方法。
【請求項１４】
前記アレイに同時に照射させる工程は、
複数のスレーブの各々が、前記トランスデューサのサブセットを制御する工程と、
マスターが、前記スレーブに対して、前記スレーブに前記トランスデューサを制御させる指示を提供する工程と、を含む請求項１０に記載の超音波処理方法。
【請求項１５】
浮動小数点ゲートアレイを提供する工程と、
各前記スレーブと前記ゲートアレイのサブセットとの間にデータ通信を提供する工程とを更に含む請求項１４に記載の超音波処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波処理装置及び超音波処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は、多数の臨床用途を有することが示されている。その例として、温熱療法、音響化学反応の増強及び振動音響画像法が挙げられる。
【０００３】
温熱療法に使用されるとき、超音波エネルギーは組織内の深部に向けられる。組織がエネルギーを吸収すると、温度は３０〜５５度まで上昇する。それは、熱が周囲組織に著しく放散する時間がないほど素早く上昇する。その結果、超音波は、周囲組織に重大な損傷を与えることなく、標的組織に壊死及び／又は凝固を引き起こすことができる。この処置は非湿潤性であるので、手術が必要なくなり、治療費が低減される。
【０００４】
超音波の他の臨床用途には、治療目的で音響化学反応を増強することがある。液体における音響化学反応は音響キャビテーションにより生じることが知られている。音響キャビテーションは、核形成に始まり、続いて微細気泡の成長及び崩壊が起こるプロセスを有する。崩壊により気泡の付近に一時的に作り出される高温（摂氏数百度）及び高圧（数百気圧）が、音響化学反応を誘発すると考えられる。このような音響化学反応は、多重周波数超音波処理のプロセスによって増強されることが知られている。
【０００５】
臨床超音波のその他の用途として、物体の各点に加えられた力に対する物体の機械的反応のマップを作り出す超音波刺激振動画像法（ultrasound-stimulated vibro acoustography;ＵＳＶＡ）がある。ＵＳＶＡは、空間干渉を引き起こす２つの類似した周波数の同時出力を伴う。この空間干渉は、超音波処理に使用されるいずれの周波数よりもかなり低い周波数を有する周波数差成分を１つの成分として含有する。この周波数差の力に反応して、物体の一部分が振動する。振動する部分の大きさ及び得られる動きのパターンは、物体の粘弾性特性にある程度依存している。物体の振動によりもたらされる音場は、ハイドロホンにより検出され、物体の画像の形成に使用される。超音波放射力による高い空間的解像度及びハイドロホンによる高い動き検出感度によって、本方法は軟組織の弾性の変化を確認することができるため診断に有用である。
【０００６】
これらの用途及び他の用途における超音波の使用によって生じうる問題は、伝播が特定の空洞内で発生するとき定在波を発生する傾向があることである。例えば、経頭蓋超音波を使用してエネルギーを脳に送達するとき、定在波が頭蓋内に生じうる。この定在波は、局所ホットスポット又はエネルギーの集中を形成しうる。
【０００７】
上記の用途のいずれかにおいて超音波エネルギーを適用する既知の方法は、複数のトランスデューサを有する超音波フェーズドアレイを使用することである。超音波フェーズドアレイは、幾何学的中心に生成された固定焦点を有する単一素子トランスデューサと異なり、超音波エネルギーの焦点を任意の位置に向けることができる。この動作は、一般的に、適切な位相の信号を用いて各トランスデューサを駆動することによって行われる。このようなアレイは、トランスデューサ信号の相対位相を電気的に変更することにより、動的焦点ビーム走査を達成することもできる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、既知の超音波フェーズドアレイは、複数の周波数を同時に出力することに関する問題によって、上記の療法を増強する能力を妨げられている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの態様において、本発明は、
複数のトランスデューサを有する超音波アレイと、
トランスデューサを駆動する駆動モジュールと、
駆動モジュールに互いに異なる２つの周波数でトランスデューサを同時に駆動させる制御カーネルと、を含む超音波処理装置を特徴とする。
【００１０】
ある実施態様において、
制御カーネルは、
マスターマイクロコントロールユニットと
複数のスレーブマイクロコントロールユニットと、を含み、
複数のスレーブマイクロコントロールユニットの各々は、前記トランスデューサのサブセットを制御するように構成され、
マスターマイクロコントロールユニットは、スレーブマイクロコントロールユニットに指示を与える。
この実施態様には、複数の浮動小数点ゲートアレイをさらに含み、各スレーブマイクロコントロールユニットが浮動小数点ゲートアレイのサブセットとデータ通信するもの、二段階ＶＣＯ／ＰＬＬ回路をさらに含むもの、異なる周波数を有する波形をそれぞれ受け取る複数のマルチプレクサを含み、各スレーブマイクロコントローラが各マルチプレクサのサブセットから特定の周波数を有する波形を選択するように構成されているものが含まれる。
【００１１】
二段階ＶＣＯ／ＰＬＬ回路を特徴とする実施態様には、二段階ＶＣＯ／ＰＬＬ回路が、第１特定周波数を有する波形を受け取り、第１スケールファクタにより第１特定波長をスケーリングする第一段階、及び、第２特定周波数を有する波形を受け取り、第２スケールファクタにより第２特定周波数をスケーリングする第二段階を含むものが含まれる。
【００１２】
他の実施態様において、本装置は、トランスデューサにより出力される電力の程度に関する情報を制御カーネルに提供する電力感知回路をさらに含む。
【００１３】
なお他の実施態様は、制御カーネルが、少なくとも２つの周波数により少なくとも１つのトランスデューサを同時に駆動するように構成されていることを特徴とする。
【００１４】
別の態様において、本発明は、患者を超音波処理する装置を特徴とする。そのような装置は、複数のトランスデューサを有する超音波アレイと、トランスデューサを駆動する駆動モジュールと、及び駆動モジュールにトランスデューサを２つの異なる周波数で同時に駆動させる手段とを含む。
【００１５】
別の態様において、本発明は、標的を超音波処理する方法を特徴とする。そのような方法は、複数のトランスデューサを有する超音波アレイを標的に対して向ける工程と、複数の周波数を選択する工程と、標的に対して、各周波数をアレイに同時に照射させる工程を含む。
【００１６】
本発明の特定の実施は、アレイを同時に照射させる工程が異なるトランスデューサを異なる周波数で励起させる工程を含むこと、及び、アレイに照射させる工程が、トランスデューサを異なる周波数で同時に励起させる工程を含むことを含む。
【００１７】
他の実施は、電力がアレイにより出力される程度を示すフィードバックを提供する工程を含む。
【００１８】
追加的な実施において、アレイに同時に照射させる工程は、マスター及び複数のスレーブを提供する工程を含む。各スレーブは、トランスデューサのサブセットを制御するように構成され、マスターは、スレーブにトランスデューサを制御させる指示を、スレーブに提供するように構成される。この実施には、浮動小数点ゲートアレイを提供する工程及び各スレーブとゲートアレイのサブセットとの間にデータ通信を提供する工程も含まれる。
【００１９】
本発明のこれら及び他の特徴は、以下の発明を実施するための形態及び添付の図面から明らかとなる。
なお、本出願は、２０１０年１１月１５日出願の米国特許出願第１２／９４６，２５６号の優先権を主張し、その内容は参照として本明細書に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】多重チャンネル超音波駆動システムの全体的な構成を示す図である。
【図２】図１のスレーブＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュールのうちの１つの詳細な構成を示す図である。
【図３】図１の制御カーネルにおける８ビット解像度位相制御を実現する構成を示す図であり、上側部分はＤフリップフロップモジュール設計を示し、下側部分は８ビット解像度位相制御を実現するためにカスケード接続された二段階Ｄフリップフロップモジュールを示す。
【図４】図１の各ＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュールにより制御される駆動モジュールの構成を示す図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｆ）は、図１の駆動システムの出力負荷として提供される例示的な超音波フェーズドアレイを示す図である。
【図６】２５０ｋＨｚ及び４００ｋＨｚで０、９０、１８０及び２７０度の相対位相を有する信号出力で稼働する、無作為に割り当てられた４つのチャンネルを示す図である。
【図７】１．２ＭＨｚ及び２ＭＨｚで０、９０、１８０及び２７０度の信号出力で稼働する、無作為に割り当てられた４つのチャンネルを示す図である。
【図８】２５０ｋＨｚ及び１ＭＨｚで稼働する、無作為に割り当てられた２つのチャンネルを示す図である。
【図９】４つの異なるバースト長：１０ミリ秒、３０ミリ秒、５０ミリ秒及び１００ミリ秒のバーストモードで稼働するための出力駆動信号、並びに１Ｈｚのパルス繰返し周波数を有する無作為に割り当てられたチャンネルを示す図であり、上側列は、図１に示されたバッファの出力で測定された駆動信号を示し、下側列は、図１に示された駆動モジュールの出力で測定された増幅信号を示す。
【図１０】ＳＷＲ及びフィードバック電圧の測定値の平均及び標準偏差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（カーネル制御）
図１に示すように、超音波画像化システム１０は、二段階制御カーネル１４と通信するＰＣ端末１２を含む。制御カーネル１４は、超音波フェーズドアレイ１８の超音波トランスデューサを駆動するために、多チャンネル駆動モジュール１６と通信する。
【００２２】
制御カーネル１４は、マスターマイクロコントロールユニット（マスターＭＣＵ）２０及びスレーブＭＣＵ２２（１〜Ｎ）を含む。一般に、スレーブＭＣＵ２２（１〜Ｎ）の数は、超音波フェーズドアレイ１８における超音波トランスデューサの数に応じて決まる。各スレーブＭＣＵ２２（１〜Ｎ）は、対応する浮動小数点ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２４（１〜Ｎ）を制御する。
【００２３】
図１に示す実施態様において、マスターＭＣＵ２０は、ＵＳＡＲＴ（ユニバーサル非同期型レシーバ／トランスミッタ）リンク２２を介してＰＣ端末１２から、各超音波トランスデューサのために指定された超音波処理パラメータを受け取る。この超音波処理パラメータはトランスデューサ毎に調整可能であり、超音波トランスデューサを稼働するための周波数、電力、バースト長、パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）及びトランスデューサ間の相対位相差を含む。マスターＭＣＵ２０は、さらに、パルス幅変調（ＰＷＭ）出力ポートを使用して、電圧制御バックコンバータのＤＣ出力電圧を変更する電力制御を行う。一つの実施態様においてＰＷＭ出力は、８ビット解像度で０〜１００％の範囲である。適切なマスターＭＣＵ２０は、市販の８ビットユニットＰＩＣ１８Ｆ４５２であり、これは、アメリカ合衆国アリゾナ州チャンドラーにあるＭｉｃｒｏｃｈｉｐ社から入手可能である。
【００２４】
図１に示されているように、各スレーブＭＣＵ２２（１〜Ｎ）は、対応するＦＰＧＡ２４（１〜Ｎ）と共に稼働して、集積ＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュール２６（１〜Ｎ）を形成する。これらの各集積ＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュール２６（１〜Ｎ）は、６４チャンネル信号出力２５（１〜Ｎ）を提供する。制御カーネル１４における複数のＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュール２６（１〜Ｎ）は、制御カーネル１４が６４チャンネルを超える信号出力を提供することを可能にする。例えば、４つのＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュール２６（１〜４）が存在する場合、４つのＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュール２６（１〜４）の１つずつが６４チャンネルの出力をするので、合計２５６チャンネルの出力がある。
【００２５】
特定のＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュール２６（１）内において、スレーブＭＣＵ２２（１）は、その関連する下流のＦＰＧＡ２４（１）に、ＦＰＧＡ２４（１）により制御されるチャネルの周波数コマンド、及び、ＦＰＧＡ２４（１）により制御されるチャンネル間の位相差を提供する。マスターＭＣＵ２０は、駆動モジュール１６内の方向性結合器からＡ／Ｄ入力ポートを介して、アナログフィードバック信号を受け取る。アナログフィードバック信号は、各チャンネルと関連する圧電素子により提供される出力電力についての情報を運ぶ信号である。この信号はインターインテグレイテッド（inter-integrated）通信（Ｉ2Ｃ）プロトコルリンク２８を介して、マスターＭＣＵ２０に戻る。
【００２６】
各ＦＰＧＡはＩ／Ｏ端末を有する。このＩ／Ｏ端末は、同期されたトリガー信号下で特定の周波数及び位相を含有する６４ビット制御信号を、下流の駆動モジュール１６（１〜Ｎ）に提供するために使用される。ＦＰＧＡのＩ／Ｏ出力と駆動モジュール１６（１〜Ｎ）との間には、電流をプルアップするためのバッファ回路２８（１〜Ｎ）がそれぞれ対応して存在する。
【００２７】
駆動モジュール１６（１〜Ｎ）における電力感知回路は、伝送電力及び反射電力を示すフィードバック信号２９を提供する。これらのフィードバック信号２９は、マスターＭＣＵ２０に戻され、ＵＳＡＲＴ通信プロトコルリンク２２を介してＰＣ端末１２にアップロードされる。その結果、個別の電力消費及び各チャンネルの効率についての実時間更新を、ＰＣ端末モニター１２に示すことができる。
【００２８】
（同時多重周波数の発生）
各ＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュール２６（１〜Ｎ）は、各チャンネル出力によって複数の周波数を同時発生するように構成されている。これは、振動結晶から位相同期回路／電圧制御発振器（ＰＬＬ／ＶＣＯ）モジュール２８に、高周波数（例えば、２０ＭＨｚ）信号を与えることによって実現される。
【００２９】
ＰＬＬ／ＶＣＯモジュール２８は、二段階ＰＬＬ回路を用いることによって、拡張された周波数範囲を実現する。ＰＬＬ／ＶＣＯモジュール２８の第一段階は、例えば４０ＭＨｚまでの小さいスケールファクタによって周波数をスケーリングする。これによって、周波数分割器は低周波数範囲で周波数を出力することができる。ＰＬＬ／ＶＣＯモジュール２８の第二段階は、例えば１６０ＭＨｚまでの大きなスケールファクタによって周波数をスケーリングする。これによって、周波数分割器は高周波数範囲で周波数を出力することができる。ＰＬＬ／ＶＣＯモジュール２８の出力により提供される発生周波数の簡単な計算は以下の通りである：
【数１】
2013543758.tif 000003
【００３０】
ここで、
ＦVCOは、ＰＬＬ／ＶＣＯモジュール２８からの出力周波数であり、
Ｓ１及びＳ２は、第一及び第二段階それぞれと関連するスケールファクタであり、
Ａは、一定のオフセットであり、
ＳVCOは、ＶＣＯにより同調されたスカラーであり、ＶＣＯに提供される電圧が０〜５Ｖの範囲である場合、０〜１の範囲であり、
ＦOSCは、振動結晶によりＰＬＬ／ＶＣＯモジュール２８に提供される入力周波数であり、
ＤＲは、ＦＰＧＡに組み込まれた周波数分割器と関連してプログラム可能な周波数分割定数である。
【００３１】
Ｓ１、Ｓ２、ＳVCO及びＤＲが全てスレーブＭＣＵ２２（１〜Ｎ）によって制御可能であるので、任意の周波数を発生し、ＦＰＧＡ１６（１〜Ｎ）に提供することができる。したがって、１つのＰＬＬ／ＶＣＯモジュール２８は、下流のチャンネル３０（１〜Ｎ）に、１つの同調型出力周波数を提供することができる。図２に示すように、制御カーネル１４が、利用可能な複数のＰＬＬ／ＶＣＯモジュール３１（１）、３１（２）を有することによって、スレーブＭＣＵ２２（１〜Ｎ）は、マルチプレクサ３３（１〜Ｎ）を使用して、チャンネル出力のために異なる周波数を選択することができる。例えば、制御カーネル１４は、第１チャンネル群を指定して第１指定周波数を出力すること、及び第２チャンネル群を指定して第２指定周波数を出力すること、などが可能である。
【００３２】
理想的には、Ｍ個の独立したＰＬＬ／ＶＣＯモジュール３１（１〜Ｍ）は、チャンネル間において指定されるＭ個の異なる周波数を利用可能にする。一つの実施態様において、５ｋＨｚの周波数分解能を有する０．２５ＭＨｚ〜４ＭＨｚの範囲の出力周波数を、２つの埋め込み式ＰＬＬ／ＶＣＯモジュールで発生させることができる。別の実施態様において、２つの周波数を同時に提供することができる（例えば、第１チャンネル群には１ＭＨｚであり、第２チャンネル群には１ＭＨｚ及び１．５ＭＨｚである。）
【００３３】
別の実施態様において、２つ以上の周波数が単一のチャンネルに提供される。チャンネルは、そのような場合、複数の周波数の重ね合わせである信号を運ぶ。これにより、そのチャンネルと関連する超音波トランスデューサを２つ以上の周波数で同時に駆動することができる。
【００３４】
（位相制御）
一つの実施態様において、ＦＰＧＡ２４（１〜Ｎ）は、８ビット位相分解能を有する３２チャンネル位相割当ユニットを実現する。そのようなＦＰＧＡ２４（１〜Ｎ）の一つの利点は、周波数逓倍及び多重チャンネルの位相制御の両方に使用することができる位相同期回路モジュールを含むことである。適切な市販のＦＰＧＡは、アメリカ合衆国カルフォルニア州サンノゼにあるＡｌｔｅｒａ社のＣｙｃｌｏｎｅ  ＥＰ１Ｃ１２である。
【００３５】
ＦＰＧＡ２４（１〜Ｎ）は内部の論理素子を効率的に使用した二段階論理回路を有する。図３を参照すると、各段階において、１６個のＤフリップフロップ（ＤＦＦ）４６（１〜１６）がカスケード接続されて１６段信号遅延を提供する。遅延の時間分解能は入力クロックにより決定される。ステートマシンユニットの第一及び第二段階のために、クロック入力周波数は、第一又は第二段階の埋め込み式ＰＬＬモジュールによって１６から２５６（すなわち１６2）の倍率で逓倍され、入力信号遅延の粗調整及び微調整をそれぞれ提供する。前記の例では、粗調整は２２．５度の比較的粗い位相増加で実施され、一方、微調整は１．４度のより微細な位相増加を使用する。前記の実施は、８ビット信号整相を行うために、約２Ｎ個の論理素子のみ（Ｎ2個の素子ではなく）を用いてＮ2個の位相角を生じることが可能である。
【００３６】
バーストモード励起のためには、簡単なラッチ回路がＦＰＧＡ２４（１〜Ｎ）において用いられる。バーストモード信号の出力を制御可能なパラメータは、バースト長、ＰＲＦ、及びバーストの総数を含み、上流のマスターＭＣＵから提供される。
【００３７】
（駆動モジュール）
ここで図４を参照すると、駆動モジュール１６は、チャンネル毎に駆動回路３２（１〜Ｎ）を含む（実施例に示されているものはＮ＝６４である）。各駆動回路３２（１〜Ｎ）は、ＰＷＭ制御可能電源及び高電圧型インバータを含んでいる。例示の実施態様では、フルブリッジ増幅器３６（１〜Ｎ）、インピーダンス整合回路３８（１〜Ｎ）及び電力感知回路４０（１〜６４）を使用して実現されている。
【００３８】
ＰＷＭ制御可能電源は、バック回路から誘導される出力ＤＣ電圧を提供する。バック回路の出力電圧は、制御カーネル１４からのＰＷＭ信号により制御される。各チャンネルのための電力出力は、８ビット解像度により定義された段階で電圧を変更することにより制御される。例示の実施態様における最大電力出力は、各チャンネルで１０ワットである。そのような出力は、空洞形成関連治療の向上のため（例えば、小型治療分子、ＤＮＡ、ペプチドなどを細胞若しくは軟組織に送達するため）、又は、数秒以内での組織の直接的な熱切除（ablatation）のために十分である。
【００３９】
高電圧インバータ３６（１〜Ｎ）は、高電圧方形波を高電圧正弦波に変換する。フルブリッジインバータを使用して高電圧方形波を発生させ、高電圧ダイオードを使用してオーバーシュートのような高電圧スイッチング過渡に対処する。
【００４０】
インバータ３６（１〜Ｎ）の出力インピーダンスは、少なくとも二桁の大きさでインピーダンス不整合をもたらすため、インピーダンス整合回路３８（１〜Ｎ）を用いることが有効である。インピーダンス整合なしでは、トランスデューサ４２（１〜Ｎ）への電力伝達の効率が悪くなる。典型的なインピーダンス整合回路３８（１〜Ｎ）は、中間ＬＣ共振段階を有する二段階変圧器を使用することにより実現される。各チャンネルでインピーダンス整合回路３８（１〜Ｎ）が微調整を行うことにより、セラミック素子に供給するために必要な周波数及び電力を有する高電圧正弦波が与えられる。
【００４１】
最後に、方向性結合器を含む電力感知回路４０（１〜Ｎ）が、電力のモニタリングのために備えられている。トランスデューサとインピーダンス整合回路３８（１〜Ｎ）の間に取り付けられた電力感知回路４０（１〜Ｎ）は、伝送電力及び反射電力を表す２つの電圧のフィードバックに基づいて伝送電力及び反射電力をモニターするように設計されている。電力伝達効率の測度であるとされる電圧定在波比（ＳＷＲ）は、以下の式により計算される。
【数２】
2013543758.tif 000004
【００４２】
ここで、Ｖｒ及びＶｔは反射電圧及び伝送電圧を表し、Ｐｒ及びＰｔは反射電力及び伝送電力を表す。トランスデューサへの最大電力伝達（効率＝１００％）は、ＶＳＷＲ＝１に相当する。本明細書に記載されている実施態様において、各チャンネルを駆動する回路は、９５％を超える効率を達成するために、ＶＳＷＲを少なくとも１．５に最小化するように調整される。
【００４３】
（チャンネル数の拡張）
例示の制御カーネル１４の回路レイアウトは、独立的に制御されるチャンネルを６４個まで実現する。チャンネルの数が６４個を超えて増加すると、ＦＰＧＡ２４（１〜Ｎ）内の論理ゲートは、８ビット位相解像度を提供するには不十分になることがある。
【００４４】
制御カーネル１４により実現されるチャンネルの数を拡張するため、ＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュール２６（１〜Ｎ）は、並行に稼働され、同期される。全てのＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュール２６（１〜Ｎ）は、１つのマスターＭＣＵ２０に連結されている。これは、６４＊Ｎ個のチャンネルまでシステムを拡張する。理論的には、ＭＣＵ／ＦＰＧＡモジュール２６（１〜Ｎ）の数を拡張するのに限界はない。
【００４５】
（フェーズドアレイの選択）
駆動モジュール１６は、その負荷として、最終的に一次元又は二次元のフェーズドアレイを駆動する。図５Ａ及び５Ｂは、仰角方向に沿って圧電材料を一次元的にダイスカットしている一次元フェーズドアレイ５２、５４の例を示す。そのようなアレイは、図５Ａで示されている平面アレイ５２又は図５Ｂで示されている曲面アレイ５４であってもよい。
【００４６】
Ｎ個の独立した素子にダイスカットされた一次元フェーズドアレイ５２、５４を、Ｎ個を超える独立した駆動チャンネルを有する駆動システムと結合したとき、超音波エネルギー出力の発生のために使用することができる。当該システムがＭ個の独立した同時周波数を選択する工程を含むとき、各素子の位相及び周波数を、任意に、設計し、組み合わせることができる。ここで、ＭはＮよりも大きい。ＭがＮよりも小さい場合、Ｎ個の異なる周波数出力を同時に行うことは可能ではない。その場合、駆動対象の素子は、特定のチャンネルに対応しないが、代わりに一連のチャンネル又は「駆動群」に対応する。
【００４７】
同様の原理は、図５Ｃから図５Ｆのいずれかに示すような他のフェーズドアレイ構成に当てはめることができる。図５Ｃは、環状にダイスカットされたトランスデューサ５６から形成される曲面アレイを示す。図５Ｄは、直径に沿って分けられて２つの素子を形成するトランスデューサ５７を示す。図５Ｅは、四分の一に切断された４素子球状曲面トランスデューサ５８を示す。図５Ｆは、二次元球状曲面トランスデューサ５９を示す。
【００４８】
（実施例）
図６及び図７は、制御カーネル１４からの多重周波数ＲＦ信号出力を発生し、正確な相対位相制御で稼働する実施例からの出力を示す。図６は、４つのチャンネルを２５０ｋＨｚで稼働し、更に４つのチャンネルを４００ｋＨｚで稼働するように無作為に指定することにより、０、９０、１８０及び２７０度にそれぞれ相対位相制御された整相信号を正確に出力できることを示す。同様に、図７は、４つのチャンネルを１．２ＭＨｚ及び２ＭＨｚで稼働するように無作為に指定することにより、０、９０、１８０及び２７０度にそれぞれ相対位相制御された整相信号を正確に出力できることを示す。
【００４９】
制御カーネル１４は、同調型駆動周波数を用いて整相信号を生成できることに加えて、２つ以上の周波数を同時に生成することもできる。例えば、図８は、一方のチャンネルが２５０ｋＨｚの信号を運び、他方のチャンネルが１ＭＨｚの信号を運ぶ２つのチャンネルからの出力を示す。本明細書に記載されている構成は、駆動モジュール１６から複数の周波数を同時に出力することができることは明らかである。その結果、本明細書に記載されている構成により、空洞形成及び／又は熱切除を増強することができる。
【００５０】
上記で説明した図面は、連続波（ＣＷ）出力を生成する制御カーネル１４を示すものである。しかし、制御カーネル１４は、バーストモード出力を生成することもできる。図９に示すように、出力信号が１０ミリ秒から１００ミリ秒の範囲のバースト長を有するように制御することができる。バーストモード稼働は特に有用である。なぜならば、バースト間のギャップが熱の放散を可能にするため、隣接組織への熱損傷を抑制するからである。
【００５１】
図１０Ａ〜Ｃは、出力電力を調節するカーネルの能力を例示する。
【００５２】
図１０Ａは、３１チャンネルアレイにおける印加電圧と出力電力の関係を示す。印加電圧が５Ｖから５５Ｖに増加すると、出力電力は、０．３Ｗから約１０Ｗに直線的に増加し、３１個のチャンネルの間では小さな変動しかなかった。この効果は、出力電力を調節するために既に確立されている電圧対電力ルックアップテーブルをモニターすることにより達成された。
【００５３】
図１０Ｂは、更に、方向性結合器を使用してモニターしたＳＷＲを示す。測定されたＳＷＲは、殆どの印加電圧で殆どの場合において１．５未満であった。これは、順方向伝達電力効率が９５％を超えることを示した。ＳＷＲは、小さい電力出力では僅かに低かったが、依然として１．５にかなり近かった。
【００５４】
図１０Ｃは、フィードバック電圧が印加電圧の線形関数に近似していることを示す。出力とフィードバック電圧との間の高い線形性は、リニア電圧−電圧変換回路設計から生じている。３１個のチャンネルにおける最小限の変動は、異質成分から生じる差異も最小限であることを示唆している。この線形関係の結果として、フィードバック電圧を線形にスケーリングすることにより出力電圧を容易に検出することができ、確立されたルックアップテーブルを使用することにより出力電圧から出力伝両を変換することができる。これらの２つの機能は、ＦＰＧＡメモリーに埋め込まれており、容易にアップグレードすることができる。
【００５５】
本明細書に記載されている駆動装置は、操作者がＧＵＩを使用して、周波数同調性を制御すること及び多重周波数を発生させることを可能にする。加えて、本装置により、８ビット解像度を有する電力制御、及び、８ビットの解像度に基づいたチャンネル１個毎の位相制御、並びに任意のチャンネルに伝送される電力及びチャンネルから戻る電力を実時間でモニターする能力を達成することができる。
【００５６】
多重周波数を発生する能力は、頭蓋又は腹腔のような体腔を超音波処理するときの定在波抑制に有用である。
【００５７】
温熱療法では、本明細書に記載されている装置により、選択されたトランスデューサの出力で、ベースバンド（ｆ）とその高調波（例えば、２ｆ、３ｆ．．．）、超高調波（例えば、１．５ｆ、２．５ｆ．．．）及び低調波（例えば、０．５ｆ）又は任意の周波数を組み合わせたそれぞれの超音波処理によって、大きな体積の組織を切除することが可能となる。
【００５８】
例えば、遺伝子導入、薬剤送達、音波導入（sonophoresis）又は臨床的若しくは生物学的用途を有する他の音響効果を改善するための空洞形成の増強に関して、本明細書に記載されている装置は、上記に記載されたようにベースバンド周波数を高調波、超高調波及び低調波と組み合わせてそのような効果の増強を可能にする。
【００５９】
最後に、２つの出力周波数を発生する能力は、２つの適用周波数の差に基づいたビート信号の発生を可能にする。そのようなビート信号は、温度変化の検出のような診断目的又は放射力マッピングに有用である。
【図１】
2013543758.tif 000005
【図２】
2013543758.tif 000006
【図３】
2013543758.tif 000007
【図４】
2013543758.tif 000008
【図５（Ａ）】
2013543758.tif 000009
【図５（Ｂ）】
2013543758.tif 000010
【図５（Ｃ）】
2013543758.tif 000011
【図５（Ｄ）】
2013543758.tif 000012
【図５（Ｅ）】
2013543758.tif 000013
【図５（Ｆ）】
2013543758.tif 000014
【図６（Ａ）】
2013543758.tif 000015
【図６（Ｂ）】
2013543758.tif 000016
【図７（Ａ）】
2013543758.tif 000017
【図７（Ｂ）】
2013543758.tif 000018
【図８】
2013543758.tif 000019
【図９】
2013543758.tif 000020
【図１０】
2013543758.tif 000021
【国際調査報告】
2013543758.tif 000022
2013543758.tif 000023
2013543758.tif 000024