(57)【要約】【課題】撮像と治療の各超音波アレイの積層構造を備える治療装置において、効率的な治療行為が可能となる精度良好で高出力の超音波を出力可能とする。【解決手段】超音波治療装置１００において、被検体１０に対し治療用超音波を照射する単体の治療用超音波アレイ２０と、単体の治療用超音波アレイ２０上の所定領域２１に積層され、被検体１０に対し撮像用超音波を照射し当該撮像用超音波の反射波を受信する撮像用超音波アレイ３０とを備え、治療用超音波アレイ２０上のうち撮像用超音波アレイ３０を積層していない非積層領域２２に、所定密度を有する音速調整部材４０が積層し、非積層領域２２及び所定領域２１の各領域から被検体１０に至るそれぞれの音路長の差異をキャンセルする構造を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に対し治療用超音波を照射する単体の治療用超音波アレイと、前記単体の治療用超音波アレイ上の所定領域に積層され、前記被検体に対し撮像用超音波を照射し当該撮像用超音波の反射波を受信する撮像用超音波アレイとを備え、
治療用超音波アレイ上のうち撮像用超音波アレイを積層していない非積層領域に、所定密度を有する音速調整部材を積層し、前記非積層領域及び前記所定領域の各領域から前記被検体に至るそれぞれの音路長の差異をキャンセルする構造を備えることを特徴とする超音波治療装置。
【請求項２】
前記非積層領域に積層した前記速度調整部材として、前記非積層領域上に配線された前記撮像用超音波アレイの接続ケーブルも含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波治療装置。
【請求項３】
被検体に対し治療用超音波を照射する複数の素子からなる治療用超音波アレイと、前記複数の素子のうちいずれかの素子上に積層され、前記被検体に対し撮像用超音波を照射し当該撮像用超音波の反射波を受信する撮像用超音波アレイとを備え、
上部に撮像用超音波アレイを積層した積層対象素子と、撮像用超音波アレイを積層していない非積層対象素子とで、素子に印加する駆動電圧の位相を所定程度相違させ、前記各素子から前記被検体に至るそれぞれの音路長の差異をキャンセルする、位相調整手段を備えることを特徴とする超音波治療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波治療装置に関し、特に、撮像用と治療用の各超音波アレイを積層した構造を備える治療装置において、効率的な治療行為が可能となる精度良好で高出力の超音波を出力可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
カテーテル誘導下で患部に超音波を照射し、そのエネルギーと加温効果とによって肺塞栓や脳梗塞等における血栓溶解効果を加速させる技術や、超音波照射に伴う発熱により癌細胞滅却を図る技術など、照射対象の生体にエネルギーを印加し発熱を生じさせる超音波を用いた各種の治療技術が開発されている。
こうした超音波を用いた治療技術として以下のようなものが提案されている。すなわち、配列された複数の第１の振動素子を含み、被検体に治療用超音波を射出する治療用振動子と、配列された複数の第２の振動素子を含み、前記被検体に診断用超音波を射出し、前記被検体で反射された前記診断用超音波を受信する診断用振動子とを備え、前記治療用振動子と前記診断用振動子とが積層されていることを特徴とする超音波プローブ（特許文献１参照）などが提案されている。
【０００３】
また、治療用超音波を被検体内の治療対象に照射する治療用超音波振動子と、前記被検体内の画像を得るために画像用超音波で前記被検体内を走査する画像用超音波探触子と、前記画像用超音波探触子を介して前記治療用超音波の反射波を受信する受信手段と、前記受信手段による受信信号に基づいて前記治療用超音波の強度を制御する制御手段とを具備したことを特徴とする超音波治療装置（特許文献２参照）なども提案されている。
また、超音波機器を最小化し、電磁干渉および放熱を大幅に削減すべく、療法超音波を発生させる圧電トランスデューサと、この圧電トランスデューサを駆動する電力増幅モジュールとを、電力増幅モジュールの放熱板となる筐体内に取り付けた集積超音波療法トランスデューサアセンブリ（特許文献３参照）なども提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０６６８５６
【特許文献２】特開平８−１３１４５４号公報
【特許文献３】特開２０１２−０５０８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の治療装置においては、診断用超音波を発振する撮像アレイが、治療用超音波を発振する治療アレイ上に積層され、これら２種の超音波アレイを同時に利用可能とする構造を備えるものがある。その場合、該当装置を使用する医師において診断と治療をシームレスに行えるとの有利な特性を備える一方、両アレイ間の接合構造に悪影響を及ぼす懸念から治療アレイの超音波出力を増大させにくい欠点があった。
そこで、図１に示す治療アレイ１のごとく、撮像アレイ２を積層させた第１素子３の周囲に、撮像アレイ２を積層させない第２素子４および第３素子５を追加した構造を採用し、出力不足を補う技術が開発されている。
ところが、上部に撮像アレイを載置した第１素子３と、撮像アレイを載置していない第２素子４、第３素子５とでは実効的な音路長が異なることとなるため、焦点における位相ずれが発生し、患部等の目標物に照射される超音波ビームが劣化するおそれがある。また、上述した第１〜第３の各素子３〜５間の間隙から装置内に水分が浸入することを防止すべく、各素子３〜５のそれぞれの周囲を筐体等に液密に固定する必要がある。こうした構造は、超音波発振に際しての振動効率を各素子３〜５で低下させることにつながり、エネルギー消費の増大や超音波出力の低下等を招く恐れがあるという課題がある。
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであって、撮像用と治療用の各超音波アレイを積層した構造を備える治療装置において、効率的な治療行為が可能となる精度良好で高出力の超音波を出力可能とする技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記のような課題を解決するために、本発明は、以下のような手段を採用している。
すなわち、請求項１に係る発明は、被検体に対し治療用超音波を照射する単体の治療用超音波アレイと、前記単体の治療用超音波アレイ上の所定領域に積層され、前記被検体に対し撮像用超音波を照射し当該撮像用超音波の反射波を受信する撮像用超音波アレイとを備え、治療用超音波アレイ上のうち撮像用超音波アレイを積層していない非積層領域に、所定密度を有する音速調整部材を積層し、前記非積層領域及び前記所定領域の各領域から前記被検体に至るそれぞれの音路長の差異をキャンセルする構造を備えることを特徴とする。
本発明の超音波治療装置によれば、治療用超音波アレイと撮像用超音波アレイとの積層構造における各所で実効的な音路長を実質的に同一とし、被検体上の焦点における位相ずれ発生の抑制、ひいては被検体に照射される超音波ビームの精度も良好なものとなる。また、治療用超音波アレイが複数素子ではなく単体の素子からなっているため、表面振幅が従来より大きくなり、超音波出力を増大できる上、従来のように各素子間の間隙からの水分浸入を防止するための構造が不要であるので、超音波発振に際しての振動効率を良好なものとできる。
【０００７】
つまり、撮像と治療の各超音波アレイの積層構造を備える治療装置において、効率的な治療行為が可能となる精度良好で高出力の超音波を出力することができる。
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の超音波治療装置であって、前記非積層領域に積層した前記音速調整部材として、前記非積層領域上に配線された前記撮像用超音波アレイの接続ケーブルも含むことを特徴とする。
本発明の超音波治療装置によれば、前記非積層領域及び前記所定領域の各領域から前記被検体に至るそれぞれの音路長の差異をより高い精度でキャンセルすることにつながり、実効的な音路長の同一化も更に精度良く図られることとなる。
さらに、請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の超音波治療装置であって、被検体に対し治療用超音波を照射する複数の素子からなる治療用超音波アレイと、前記複数の素子のうちいずれかの素子上に積層され、前記被検体に対し撮像用超音波を照射し当該撮像用超音波の反射波を受信する撮像用超音波アレイとを備え、上部に撮像用超音波アレイを積層した積層対象素子と、撮像用超音波アレイを積層していない非積層対象素子とで、素子に印加する駆動電圧の位相を所定程度相違させ、前記各素子から前記被検体に至るそれぞれの音路長の差異をキャンセルする、位相調整手段を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の超音波治療装置によれば、治療用超音波アレイが複数の素子からなる構造において、超音波出力を大きなものとしても、各素子に印加する駆動電圧の位相を調整することにより、各所で実効的な音路長を同一とし、被検体上の焦点における位相ずれ発生の抑制、ひいては被検体に照射される超音波ビームの精度も良好なものとなる。つまり、撮像用と治療用の各超音波アレイを積層する構造を備える治療装置において、効率的な治療行為が可能となる精度良好で高出力の超音波を出力することができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明の超音波治療装置によれば、撮像用と治療用の各超音波アレイを積層する構造を備える治療装置において、効率的な治療行為が可能となる精度良好で高出力の超音波を出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の超音波治療装置における撮像アレイと治療アレイの積層構造例を示す図である。
【図２】第１実施形態の超音波治療装置の構成例を示す断面図である。
【図３】焦点面上でのビーム形状の例を示すグラフである。
【図４】第２実施形態の超音波治療装置の構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
−−−第１の形態−−−
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図２は、第１実施形態の超音波治療装置１００の構成例を示す断面図である。第１実施形態における超音波治療装置１０は、図２にて示すような、複数素子から構成されず、従って単体である治療用超音波アレイ２０と、治療用超音波アレイ２０上に配置した撮像用超音波アレイ３０との積層構造２００と、こうした各超音波アレイ２０、３０の制御機能とを備えている。ここで、制御機能としては、例えば、治療用超音波アレイ２０に接続された治療用アレイ駆動部２５と、撮像用超音波アレイ３０に接続された撮像用超音波送受部３１および画像処理部３２と、表示部１０５とが含まれる。
このうち、治療用アレイ駆動部２５は、治療用超音波アレイ２０に治療用超音波を発振させる駆動電圧を生成、印加する回路である。また、撮像用超音波送受部３１は、撮像用超音波アレイ３０に撮像用超音波を発振させる駆動電圧を生成、印加する一方、被検体１０から返される反射エコー波を受信する回路である。また、画像処理部３２は、前述の反射エコー波に基づき画像生成を行う回路である。また、表示部１０５は、上述した反射エコー波から画像処理部が３２が生成した被検体１０の画像を表示するディスプレイ装置である。なお、治療用アレイ駆動部２５と撮像用超音波送受部３１は、ノイズが発生しないように、治療用超音波アレイ２０と撮像用超音波アレイ３０とにおいて所定の設定時間（例：撮像用超音波は１秒以内程度、治療用超音波は１０秒以内程度）ごとに交互に超音波を射出するよう、駆動電圧の印可制御を行うものとなる。
【００１２】
また、上述の積層構造２００を構成する治療用超音波アレイ２０および撮像用超音波アレイ３０のうち、治療用超音波アレイ２０は約３ＭＨｚの超音波を発振し、撮像用超音波アレイ３０はそれよりも高い周波数の、約１０ＭＨｚの超音波を発振する。撮像用超音波アレイ３０が生じる高い周波数の超音波は、治療用超音波アレイ２０が生じる低い周波数の超音波よりも物体透過能力が低い。そのため、治療用超音波アレイ２０上に撮像用超音波アレイ３０を積層した構造となっている。
また、治療用超音波アレイ２０と撮像用超音波アレイ３０との間には、周波数選択性音響分離層１５が設けられている。この周波数選択性音響分離層１５は、治療用超音波アレイ２０と撮像用超音波アレイ３０とで音響インピーダンスの差異を十分大きくすることで設けられる層であり、治療用超音波アレイ２０にとっては不要な反射エコー波が治療用超音波アレイ２０にまで到達して治療用超音波の出力に悪影響を与えることを抑止する一方、治療用超音波アレイ２０による治療用超音波は撮像用超音波アレイ３０を透過して被検体１０に向けて進むことを阻害しない機能を発揮する。
【００１３】
なお、治療用超音波アレイ２０および撮像用超音波アレイ３０は、いずれも所定程度屈曲ないし湾曲した凹板状の圧電セラミックスで形成されている。治療用超音波アレイ２０は、治療用アレイ駆動部２５から印可された駆動電圧を機械的振動に変換し、被検体１０に治療用の超音波を偏向射出する。また、撮像用超音波アレイ３０は、撮像用超音波送受部３１から印可された駆動電圧を機械的振動に変換し、被検体１０に対して撮像用超音波を偏向送波すると共に、被検体１０から発生する反射エコー波を受信して電気信号に変換する。
治療用超音波アレイ２０から射出された治療用超音波の経路は、治療用超音波アレイ２０上で撮像用超音波アレイ３０が積層された積層領域２１から被検体１０に至る第１経路１１と、非積層領域２２から被検体１０に至る第２経路１２、第３経路１３とが存在する。撮像用超音波アレイ３０が経路中に含まれる第１経路１１と、撮像用超音波アレイ３０が経路中に含まれない第２経路１２および第３経路とでは超音波の伝達速度が異なり、ひいては音路長にも差異が生じる。
【００１４】
そこで第１実施形態の超音波治療装置１００においては、治療用超音波アレイ２０上のうち撮像用超音波アレイ３０を積層していない非積層領域２２には、所定密度を有する音速調整部材４０が積層された構造を備えている。この音速調整部材４０は、例えば厚さ２５０μｍのポリイミド材４１上に、厚さ５０μｍで所定形状の銅材４２を設置した構造となっている。勿論、こうした音速調整部材４０の構造や使用部材の選定に際しては、撮像用超音波アレイ３０が治療用超音波の速度に影響を与えるレベルを事前に解析ないし推定しておき、この解析ないし推定の結果が示す（第２、第３経路の速度と比較した）速度低下ないし速度上昇の値をキャンセルする、すなわち反対の速度上昇ないし速度低下を図れるものを適宜選択すればよい。こうした速度調整部材４０を採用して各経路１１〜１３における超音波速度の統一を図ることで、各経路１１〜１３の音路長に差異が生じることを抑止できる。
各経路１１〜１３の音路長を同一とすれば、被検体１０上の焦点における治療用超音波の位相ずれ発生の抑制、ひいては被検体１０に照射される治療用超音波ビームの精度も良好なものとなる。なお、非積層領域２２に積層した速度調整部材４０として、非積層領域２２上に配線された撮像用超音波アレイ３０の接続ケーブル３３（駆動電圧や反射エコー波の受信信号の経路となる）の材質、サイズも含めて考慮すれば、上述した音路長の同一化が更に高精度なものとなり、被検体１０上の焦点における治療用超音波の位相ずれ発生の抑制、ひいては被検体１０に照射される治療用超音波ビームの精度も更に良好なものとなる。
【００１５】
図３に焦点面上でのビーム形状の例を示す。同図は、周波数３ＭＨz、曲率半径（焦点距離）３０ｍｍ、口径幅１５ｍｍ、治療素子上の撮像素子の口径幅を短軸５ｍｍ、長軸１５ｍｍとしたときに計算の結果、得られたビーム形状である。同図では、治療素子から直接焦点に到達した経路と、撮像素子を通った経路のそれぞれに位相差を０度（本発明）、４５度、６０度、９０度、１３５度、１８０度のそれぞれの場合について焦点面上でのビーム形状をプロットしてある。ここで、各図の横軸はビームの焦点からの方位方向への距離（ｍｍ）、縦軸はビームの強度（単位なし）を示している 。実線は撮像素子の短軸に平行な方向、破線は撮像素子の長軸に平行な方向に沿ったプロットである。ビーム強度は位相差０度のときの最大値で規格化してある。この結果から、位相差によっては最大音圧が７０％程度に低下し（エネルギーは音圧の二乗に比例するので、このときのエネルギーは半分となる）、ピークの位置が２ｍｍ弱ずれていることが確認できる。このように実効的な音路長を一定とする本発明の効果が図の計算結果からも確認できる。
第１実施形態においては、治療用超音波アレイ２０が複数素子ではなく単体の素子からなっているため、治療用超音波発振時の表面振幅が従来（複数素子のそれぞれで発振）より大きくなり、超音波出力を増大できる上、従来のように各素子間の間隙からの水分浸入を防止するための構造は不要で、超音波発振に際しての振動効率を良好なものとできる。ここで、口径の中心で最大音圧、端で０になる音圧分布をハニング関数 （0.5-0.5cos(2px)；0<x<1）に近似すると、本発明による場合と比べて、従来技術のように素子が三つに分かれている場合は、素子表面の音圧の積分値が５１％に低下、すなわちエネルギーに換算すると２６％にまで低下してしまう（ここでは、三つの素子に分割された場合の音圧分布を、３つ並んだハニング関数と、全体を覆う一つのハニング関数の積から概算した。）。治療用超音波アレイ２０を複数素子で構成した従来の超音波治療装置における超音波出力は、１０Ｗ／ｃｍ２であったが、第１実施形態の超音波治療装置１００における超音波出力は、１ｋＷ／ｃｍ２となり、他の不具合無く高出力を実現できた。
【００１６】
−−−第２の形態−−−
図４は第２実施形態の超音波治療装置の構成例を示す断面図である。続いて、治療用超音波アレイが複数の素子からなる従来の構造において、被検体１０上の焦点における位相ずれ発生の抑制、ひいては被検体１０に照射される超音波ビームの精度を良好なものとする技術について説明する。
この場合、超音波治療装置１００における治療用超音波アレイ５０は、複数の素子、すなわち第１素子５１、第２素子５２、第３素子５３から構成されている。また、第１〜第３の各素子５１〜５３のうち、例えば第１素子５１上には撮像用超音波アレイ３０が積層された構造となっている。この第１素子５１を、その上部に撮像用超音波アレイ３０を積層した積層対象素子とする。他方、撮像用超音波アレイ３０を積層していないその他の素子すなわち第２素子５２、第３素子５３は非積層対象素子とする。
なお、治療用超音波アレイ５０を構成する第１素子５１、第２素子５２、第３素子５３のそれぞれは、各治療用アレイ駆動部２５Ａ〜２５Ｃに接続されており、独立に駆動することができる構成となっている。一方、撮像用超音波アレイ３０の構成とその駆動制御の機能等については上述した第１実施形態と同様である。また、治療用超音波アレイ５０を構成する第１〜第３の各素子５１〜５３と撮像用超音波アレイ３０の形状、材質（凹板状の圧電セラミックス）や機能、および、治療用超音波アレイ２０と撮像用超音波アレイ３０との間に設ける周波数選択性音響分離層１５の存在等も上述した第１実施形態と同様である。
【００１７】
第２実施形態の超音波治療装置１００において、積層対象素子たる第１素子５１から被検体１０に至る第１経路１１と、非積層対象素子たる第２素子５２から被検体１０に至る第２経路１２、および非積層対象素子たる第３素子５３から被検体１０に至る第３経路１３とでは、超音波の伝達速度が異なり、ひいては音路長にも差異が生じてしまう。
そこで第２実施形態の超音波治療装置１００においては、上述した積層対象素子たる第１素子５１と、非積層対象素子たる第２素子５３および第３素子５３とで、治療用アレイ駆動部２５（位相調整手段）により素子に印加する駆動電圧の位相を所定程度相違させ、第１経路１１と、第２経路１２および第３経路１３との間での、音路長の差異をキャンセルする。
具体的には、撮像アレイを構成する材料がN種類の場合（N＝３〜５）に、各層の厚みと音速をそれぞれｔ１、ｔ2、・・・、ｔN、ｃ１、ｃ2、・・・ｃN、水の音速をｃWとすると、積層された素子での音路長と、積層されない素子の音路長それぞれの伝搬時間の差Δｔは次式のようになるので、
Δｔ＝（t1/c1＋t2/c2＋・・・＋ｔN/cN）-（ｔ１＋ｔ2＋・・・＋ｔN）/ｃW
このΔｔをキャンセルするように、周波数がfの場合はΔｔ×ｆの位相差を設定すればよい。
【００１８】
勿論、こうした駆動電圧の位相設定に際しては、撮像用超音波アレイ３０が治療用超音波の速度に影響を与えるレベルを事前に解析ないし推定しておき、この解析ないし推定の結果が示す（第２、第３経路の速度と比較した）速度低下ないし速度上昇の値をキャンセルする、すなわち反対の速度上昇ないし速度低下を図れる位相の設定内容を適宜選択すればよい。こうして各経路１１〜１３における速度の統一を図ることで、各経路１１〜１３の音路長に差異が生じることを抑止できる。
各経路１１〜１３の音路長を同一とすれば、被検体１０上の焦点における治療用超音波の位相ずれ発生の抑制、ひいては被検体１０に照射される治療用超音波ビームの精度も良好なものとなる。
以上本実施形態によれば、撮像と治療の各超音波アレイの積層構造を備える治療装置において、効率的な治療行為が可能となる精度良好で高出力の超音波を出力することが可能とる。
【符号の説明】
【００１９】
１０  被検体
１１  第１経路
１２  第２経路
１３  第３経路
１５  周波数選択性音響分離層
２０  単体の治療用超音波アレイ
２１  治療用超音波アレイ上の積層領域（所定領域）
２２  治療用超音波アレイ上の非積層領域
２５  治療用アレイ駆動部（位相調整手段）
３０  撮像用超音波アレイ
３１  撮像用超音波送受部
３２  画像処理部
３３  接続ケーブル
４０  音速調整部材
５０  治療用超音波アレイ
５１  第１素子（積層対象素子）
５２  第２素子（非積層対象素子）
５３  第３素子（非積層対象素子）
１００  超音波治療装置
１０５  表示部
２００  超音波アレイ積層構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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