(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
治療用超音波を発生するための複数の第１の超音波発生素子と、
前記治療用超音波を前記第１の超音波発生素子とともに発生するための共振周波数が前記第１の超音波発生素子と同一であって、円周方向にそって前記第１の超音波発生素子と交互に配列された複数の第２の超音波発生素子と、
前記第１の超音波発生素子を単一の第１の周波数の駆動信号で連続的に駆動する第１の駆動手段と、
前記第２の超音波発生素子を前記第１の周波数とは異なる単一の第２の周波数の駆動信号で連続的に駆動する第２の駆動手段とを具備し、
前記第１の周波数と前記第２の周波数との差は、所定時間毎に同位相と逆位相が交互に生じるように、前記第１の周波数の２０％以下に設定されることを特徴とする超音波治療装置。
【請求項２】
前記第１グループに含まれる超音波発生素子と前記第２グループに含まれる超音波発生素子とは、円弧状に且つ円周方向に沿って交互に配置されていることを特徴とする請求項１記載の超音波治療装置。
【請求項３】
前記複数の超音波発生素子は、異なるグループに含まれる超音波発生素子どうしが隣接するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の超音波治療装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は体外から超音波を照射して治療を行う超音波治療装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医療の分野では、患者の術後の生活の質（Ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｌｉｆｅ：ＱＯＬ）の向上が重要視され、最少侵襲治療（Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ  Ｉｎｖａｓｉｖｅ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ：ＭＩＴ）と呼ばれる治療法が注目を集めている。一例として、体外衝撃波結石破砕装置の実用化があげられる。本装置は、体外から強力な衝撃波を体内の結石に向けて照射し、外科的な手術をすること無しに結石を破砕治療する装置であり、泌尿器科系結石の治療法を大きく様変わりさせた。他方、癌治療の分野でもＭＩＴは一つのキーワードとなっている。特に癌の場合、その治療の多くを外科的手術に頼っている現状から、本来その臓器が持つ機能や外見上の形態を大きく損なう場合が多く、生命を長らえたとしても患者にとって大きな負担が残ることから、ＱＯＬを考慮した低侵襲治療（装置）の開発が強く望まれている。
【０００３】
このような流れの中で、癌細胞を加熱し壊死に導くハイパーサーミア療法が開発された。これは、腫瘍組織と正常組織の熱感受性の違いを利用して、患部を４２．５℃以上に加温・維持することで癌細胞を選択的に死滅させる治療法である。特に、生体内深部の腫瘍に対しては、深達度の高い超音波エネルギを利用する方法が考えられている。（特開昭６１−１３９５５号公報参照）。また、上記加温治療法を更に進めて、ピエゾ素子より発生した超音波を患部に集束させて腫瘍部分を加熱し、熱変性壊死させる治療法も考えられている（米国特許第５１５０７１１号参照）。本治療法では、超音波のエネルギを集束させ、幅１〜３ｍｍ程度の限局した領域をおよそ１秒以下で８０℃以上に加温することが可能である。これに対し、数ｍｍにわたる広い領域を一度に加温させたいとのニーズもあり、特開平６−７８９３０号に開示されているように、位相制御を用いて焦点領域サイズを電子的に拡大する手法が提案されている。本手法では、隣合う超音波発生素子群に交互に位相差を与えて駆動することにより焦点サイズの拡大を達成し、位相差を調整することにより焦点拡大率を変更する。また、登録特許第２，０３６，２７７号に開示されているように、超音波発生源の中心軸上における圧力をゼロに維持するような制御法もある。
【０００４】
上記の手法によれば、駆動位相量を制御することにより超音波エネルギの集まる作用領域のサイズを変更可能としているが、音場は固定であり、内部に強い圧力を受け続ける場所とほとんど圧力が加わらない場所が混在していた。このため熱的な効果は温度の平均化により焦域全体で作用するが、圧力による作用は均一とは言い難く、癌治療を目的とするような場合は治療効果にムラができ、再発の危険があった。また、これを避けるためには複数種類の音場を時間的に切り替えて与えれば良いが、そのためには複数の位相差を与えるための駆動回路が必要となり、構造が複雑且つ高価になるという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、超音波治療装置において、簡単な構造にして、治療効果を比較的均一にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による超音波治療装置は、治療用超音波を発生するための複数の第１の超音波発生素子と、前記治療用超音波を前記第１の超音波発生素子とともに発生するための共振周波数が前記第１の超音波発生素子と同一であって、円周方向にそって前記第１の超音波発生素子と交互に配列された複数の第２の超音波発生素子と、前記第１の超音波発生素子を単一の第１の周波数の駆動信号で連続的に駆動する第１の駆動手段と、前記第２の超音波発生素子を前記第１の周波数とは異なる単一の第２の周波数の駆動信号で連続的に駆動する第２の駆動手段とを具備し、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差は、所定時間毎に同位相と逆位相が交互に生じるように、前記第１の周波数の２０％以下に設定されることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明による超音波治療装置を好ましい実施形態により具体的に説明する。図１は、本実施形態に係る超音波治療装置の構成を示している。治療用超音波アプリケータ１は、治療用超音波発生源２を有している。治療用超音波発生源２の略中央部分には孔が開けられており、ここに焦点付近の断層像（形態画像）を取得するための超音波プローブ（インナープローブとも称する）が挿入されている。
【０００８】
このイメージング用超音波プローブ３は、メカニカルスキャン型でも電子スキャン型でも使用可能である。この超音波プローブ１５を介して超音波イメージング装置８で取得され、そして表示器９に表示された患部（腫瘍）７を含む断層像を参照しながら、焦点と患部７との位置合わせ及び治療状況の確認が行われる。治療用超音波発生源２の超音波放射側には、治療用超音波発生源２で発生された治療用超音波を少ない減衰で、患者６の体表面まで導くために、可撓性の水袋４に封入された超音波の伝播媒質、例えばよく脱気された水５が配置される。
【０００９】
治療用超音波発生源２は、共振周波数が同一、つまり厚さが同じ複数の圧電素子（超音波発生素子）から構成される。図２又は図３に示すように、複数の圧電素子２１，２２は、波面が凹面をなすように球面上に、且つ１重又は２重の円環状に配置されている。なお、複数の圧電素子２１は、第１グループを構成するものとし、複数の圧電素子２２は、第２グループを構成するものとし、第１グループに含まれる圧電素子２１どうしは互いに隣り合わないように、同様に第２グループに含まれる圧電素子２２どうしは互いに隣り合わないように、つまり第１グループに含まれる圧電素子２１と第２グループに含まれる圧電素子２２とが互いに隣接するように配置されている。
【００１０】
第１グループに含まれる圧電素子２１は、第１インピーダンスマッチング回路ｌ０ａを介して第１ドライバ１１ａに接続されている。第１ドライバ１１ａは、第１発振器１２ａに接続されており、第１発振器１２ａからの第１周波数の発振信号を増幅し、駆動信号を発生する。この駆動信号は、インピーダンスマッチング回路ｌ０ａを介して第１グループに含まれる圧電素子２１に供給される。これにより第１グループに含まれる圧電素子２１から、第１周波数を中心周波数とした治療用超音波が発生する。
【００１１】
一方、第２グループに含まれる圧電素子２２は、第２インピーダンスマッチング回路ｌ０ｂを介して第２ドライバ１１ｂに接続されている。第２ドライバ１１ｂは、第２発振器１２ｂに接続されており、第２発振器１２ｂからの第２周波数の発振信号を増幅し、駆動信号を発生する。この駆動信号は、インピーダンスマッチング回路ｌ０ｂを介して第２グループに含まれる圧電素子２２に供給される。これにより第２グループに含まれる圧電素子２２から、第２周波数を中心周波数とした治療用超音波が発生する。
【００１２】
第１発振器１２ａと第２発振器１２ｂとには、発振周波数が可変の可変発振器が採用されている。これらの第１発振器１２ａの発振周波数と、第２発振器１２ｂの発振周波数とはそれぞれ発振周波数コントローラ１３により制御されている。発振周波数コントローラ１３は、図示しないコンソールからの指令に従って第１発振器１２ａの発振周波数（第１周波数）と第２発振器１２ｂの発振周波数（第２周波数）とを設定する。
【００１３】
ただし、上述したように圧電素子２１，２２の共振周波数は同一であるので、少なくとも一方のグループの圧電素子２１（又は２２）は、その固有の共振周波数から若干外れた周波数で駆動されることは避けられない。しかし、共振周波数から若干外れた周波数であっても、その差が微小であれば、それを圧電素子は許容して共振現象を起こすことは周知の通りである。従って、第１周波数でも第１グループに含まれる圧電素子２１が共振し、しかも第２周波数でも第２グループに含まれる圧電素子２２が共振することができるように、発振周波数コントローラ１３は、第１周波数と第２周波数との差に関して、所定の制約条件（上限）を付けて、この制約条件内で第１発振器１２ａの発振周波数（第１周波数）と第２発振器１２ｂの発振周波数（第２周波数）とを制御するようにしている。
【００１４】
ここでは、制約条件としては、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との差が、出力差が５％以内に収まるように、一方の周波数（例えば第１周波数ｆ１）の２０％（０．８・ｆ１≦ｆ２≦１．２・ｆ１）を上限とするというものである。例えば、圧電素子２１，２２の共振周波数が１．６００ＭＨｚであった場合、周波数差の上限は０．１６ＭＨｚであって、例えば第１周波数を１．６００ＭＨｚ、第２周波数を１．６０１ＭＨｚにそれぞれ設定する。
【００１５】
このように第１グループに含まれる圧電素子２１と第２グループに含まれる圧電素子２２とを異なる周波数で駆動することで、比較的広い治療領域を比較的均等に治療することができるという効果が達成され得る。つまり、第１グループに含まれる圧電素子２１を第１周波数で駆動し、第２グループに含まれる圧電素子２２を第２周波数で駆動したとき、第１グループに含まれる圧電素子２１からの治療用超音波の位相と、第２グループに含まれる圧電素子２２からの治療用超音波の位相とは、ずれた状態から緩やかにそのずれが小さくなっていき、やがて位相が揃う状態をむかえ、その後、緩やかに位相がずれていくという位相の状態の時間的な変動が、第１周波数と第２周波数との周波数差の逆数（周期）で、周期的に繰り返される。
【００１６】
周知の通り、位相が揃う状態では、音場には、圧電素子２１，２２が配列された球面の幾何学的な中心（焦点）において唯一で非常に強いピークが先鋭的に現れる。一方、位相がずれている状態では、比較的弱い複数のピークが離散的に現れ、音場としては、ぼやけた状態になる。しかも、その位相のずれの程度に応じて、複数のピークの強度は相違する。従って、比較的広い治療領域を比較的均等に治療することができる。
【００１７】
具体的に説明すると、図２の例では、合計１２枚の圧電素子２１，２２が円環状に配列されており、第１周波数が１．６００ＭＨｚ、第２周波数が１．６０１ＭＨｚにそれぞれ設定されたとすると、その周波数差は、１ｋＨｚになる。従って、０．５ｍｓｅｃ毎に同位相と逆位相が交互に生じるように位相がずれていくことになる。つまり、同位相時には、圧電素子２１，２２からの超音波によって、１枚の凹面振動子からの超音波と同様に、焦点に鋭いピークを有する音場が形成される（図４（ａ）参照）。また、逆位相時には、焦点にはピークが無く、周辺部に円環状に１２個の弱いピークが並ぶような音場が形成される（図４（ｂ）参照）。この時のピーク強度は同位相時の約１０％に低下し、逆にエネルギ集中領域幅は約２．４倍拡大される。本法では位相差が連続的に増加・減少していくため、この超音波作用領域内で異なる位置に異なる強度のピークを作りながら変化していく音場が生成される。従ってより治療効果のムラは抑制される。
【００１８】
なお、圧電素子の数及び配列は、図２や図３に示したものに限定されることはない。つまり、圧電素子の数は、全体で偶数個であれば、１２個より多くても、少なくてもよいし、さらに、円環数は３以上であってもよい。また、同じグループの圧電素子どうしが隣り合わないように配列したが、これに縛られることはなく、隣接する２個又はそれ以上の圧電素子をまとめるようにしてもよい。また、第１グループの圧電素子の数と、第２グループの圧電素子の数とは、必ず同数にするという制約はなく、異なる数であってもよい。
【００１９】
また、グループ数も、２グループに限定する必要はなく、３グループ、さらには４グループ以上に分けてもよい。この場合、全グループからの超音波の位相が周期的に揃うように、グループ間の周波数差は、最小の周波数差の２のべき乗になるように調整することが好ましい。
【００２０】
さらに、治療用超音波発生源２としては、圧電素子を球面状に配列することに限らず、平板型の２次元アレイ振動子を用いて本法を適用してもよい。この場合は、焦点を形成するための遅延時間制御に加えて本法の複数周波数を併用することで任意の焦点位置に対して同様の効果が得られる。
【００２１】
また、上記実施例では同位相時と位相がずれた時とで焦点領域でのピーク強度が経時的に変化するが、組織の超音波強度での破壊等をコントロールするには経時的に音場が変化しても強度は組織が破壊される閾値以下である事が望ましい。この点を考慮し、位相ずれに応じてそれぞれの位相での焦点強度が設定閾値以下となるように各圧電素子群の駆動電力を制御する事も可能である。また、同様に位相ずれに応じて、各位相での焦点強度がほぼ一定となるように各圧電素子群の駆動電力を制御する事も可能である。
【００２２】
更に、我々は、強力な超音波照射の際に、エネルギー通過経路に発生する気泡を周波数変調波により抑制する技術に関して、特願平６−２４８４８０号に開示しているが、スイープする周波数を振動子群によって僅かにずらすことで、焦点拡大効果（均一音場形成効果）と気泡抑制効果とを同時に得ることも可能である。
【００２３】
その他、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明では、治療用超音波を発生するための複数の超音波発生素子の中の第１グループを第１の周波数の駆動信号で駆動し、複数の超音波発生素子の中の第２グループを第２の周波数の駆動信号で駆動するので、第１グループからの超音波の位相と第２グループからの超音波の位相とがずれた状態から緩やかにそのずれが小さくなっていき、やがて位相が揃う状態、つまり音場の中のピークが唯一でしかも最も高くなる状態をむかえ、その後、緩やかに位相がずれてく。このように位相の状態が時間的に変動するので、比較的広い治療領域を比較的均等に治療することができる。しかも、このために必要な構造としては、駆動周波数の違う２種類の駆動系統を設ければよく、非常に簡素で済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波治療装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１の治療用超音波発生源の素子分割とグループ分けとを示す図。
【図３】図１の治療用超音波発生源の他の素子分割と他のグループ分けとを示す図。
【図４】本実施形態において、同位相時の音場分布と逆位相時の音場分布との一例を示す図。
【符号の説明】
１…アプリケータ、
２…治療用超音波発生源、
３…イメージング用超音波プローブ、
４…可撓性の水袋、
５…伝搬媒質（水）、
６…患者、
７…患部、
８…超音波イメージング装置、
９…表示装置、
１０ａ…第１インピーダンスマッチング回路、
１０ｂ…第２インピーダンスマッチング回路、
１１ａ…第１ドライバ、
１１ｂ…第２ドライバ、
１２ａ…第１発振器、
１２ｂ…第２発振器、
１３…発振周波数コントローラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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