(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の焦点ボリュームにわたって超音波エネルギーを合焦するために基板表面にわたって分散された超音波変換器要素のアレイであって、前記要素は擬ランダム分布で基板表面にわたって分散し、要素の全照射面積は全アレイ面積のほぼ４０％から７０％を占め、
所定の作動周波数で前記変換器要素を駆動する手段を備え、その作動周波数と要素の平均直径とが以下の式によって関係付けられている超音波変換器アレイ：
ｄ＝Ａ×ｃ／ｆ
ここで、ｄは要素の平均直径、ｃは超音波エネルギーが照射される媒体における音速（１４００−１６００ｍｓ−１の範囲）、ｆは超音波エネルギーの周波数、Ａは約０．５から５の間の値。
【請求項２】
周波数ｆは０．５ＭＨｚから３ＭＨｚである請求項１に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項３】
周波数ｆは０．５ＭＨｚから２ＭＨｚである請求項２に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項４】
周波数ｆは１ＭＨｚから２ＭＨｚである請求項３に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項５】
基板表面が曲がったシェルを備える請求項１に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項６】
変換器要素がシェルの凹型面から照射されるのに適合されている請求項５に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項７】
アレイが、０．７Ｒ（Ｒはシェルの曲率半径）と同じかそれ以上の平均直径Ｄを有する請求項６に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項８】
Ｒの値が７０ｍｍから２００ｍｍの範囲である請求項５に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項９】
Ｒの値が約１２０ｍｍの範囲である請求項６に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項１０】
アレイの変換器要素間の最小間隔が０．５ｍｍである請求項１に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項１１】
各変換器要素は、３ｍｍから１０ｍｍの間の平均直径を有する請求項１に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項１２】
要素数が約６４個から１０２４個である請求項１に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項１３】
アレイは整相アレイである請求項１に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項１４】
アレイの各要素の超音波出力の位相及び振幅を制御する駆動手段を含む請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項１５】
前記駆動手段が、２８の解像度を有するアレイの要素間の位相差を解消するように適合された請求項１４に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項１６】
前記駆動手段が、２４から２７の解像度を有するアレイの要素間の位相差を解消するように適合された請求項１４に記載の超音波変換器アレイ。
【請求項１７】
所定の焦点ボリュームにわたって超音波エネルギーを合焦するために基板面にわたって分散された超音波変換器要素の整相アレイを用いて体内の組織に局所的超音波加熱を行う方法であって、
擬ランダム分布で基板面にわたって要素を分散する段階であって、その要素の全照射面積が全アレイ面積の約４０％から７０％を占めるものである段階と、
超音波要素の作動周波数と要素の平均直径とが以下の式によって関係付けられるように選択する段階とを備えた局所的超音波加熱を行う方法：
ｄ＝Ａ×ｃ／ｆ
ここで、ｄは要素の平均直径、ｃは超音波エネルギーで照射される媒体における音速、ｆは超音波エネルギーの周波数、Ａは約０．５から５の間の値。
【請求項１８】
周波数ｆが０．５ＭＨｚから３ＭＨｚである請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
周波数ｆが０．５ＭＨｚから２ＭＨｚである請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
周波数ｆが１ＭＨｚから２ＭＨｚである請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波エネルギー分布を発生・合焦する変換器アレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、手術（例えば、組織切除）あるいは短期間高強度発熱療法（short duration high-intensity hyperthermia）のための最小観血治療超音波法の開発が注目を集めている。というのは、この方法が、罹患率の低減、患者の受容性の向上、患者時間の短縮の点で、従来の方法に比較してより有益であるかもしれないからである。
【０００３】
超音波誘起切除（ultrasound induced ablation）の分野で報告されてきた多くの研究は、球形曲面を有する単一あるいは複数のピエゾ変換器の使用を含んだものである。例として以下の文献が挙げられる：Br J Radiology, Vol.68, 1296-1303頁に掲載されたC R Hillらによる“Review article:High intensity focused ultrasound-potential for cancer treatment" ；IEEE Trans. Ultras. Ferroelec. Freq. Ctrl., vol.43, 1023-1031頁に掲載されたI H Rivensらによる“Design of focused ultrasound surgery transducers”：Eur.Urol.,vol.23(suppl.1), 39-43頁に掲載されたS Madersbacherらによる“Tissue ablation in benign prostatic hyperplasia with high-intensity ultrasound”；Eur.Urol.,vol.23(suppl.1), 44-47頁，1993年に掲載されたA Geletらによる“High-intensity focused ultrasound experimentation on human benign prostatic hypertrophy”。
【０００４】
しかしながら、単一焦点変換器を用いた場合の大きな欠点は固定焦点距離であることである。超音波焦点のボリュームは通常切除する組織より小さいので、変換器を機械的に変換する手段が組み込まれていなければならない。単一焦点変換器を用いて単位時間当たりに組織の２０％を切除することが可能なので、適度な組織ボリューム（例えば、８ｃｍ3）の処理は合わせて４時間の多数回のセッションを要する。実験的研究及び予備臨床試験中に適したことではあるが、単一変換器の機械的走査によって、ルーチンな臨床処置になるのを防ぐことになる重大な実用上の制限をもたらされる。
【０００５】
複数の変換器要素を基板表面上に実装し、超音波焦点ビームを集合的に提供する整相アレイ（フェイズドアレイ：phased array）の使用によってこのような問題を低減することが可能である。このようなアレイは例えば、以下の文献に記載されている：IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.MTT-34, 542-551頁に掲載されたC A Cainらによる“Concentric-ring and sector-vortex phased-array applicators for ultrasound hyperthermia”；IEEE Trans. Biomed. Eng., vol.38, 634-643頁に掲載されたE S Ebbiniらによる“A spherical-section ultrasound phased-array applicator for deep localized hyperthermia”；IEEE Trans. Ultras. Ferroelec. Freq. Ctrl., Vol. 39, 32-38頁に掲載されたS Umemuraらによる“Acoustical evaluation of a prototype sector-vortex phased array applicator ”；IEEE Trans. Ultras. Ferroelec. Freq. Ctrl., Vol. 43, 1111-1121頁，1996年に掲載されたS A Gossらによる“Sparse random ultrasound phased array for focal surgery”；Med. Phys., vol. 23, 767-776頁に掲載されたE B Hutchinsonらによる“Design and optimization of an aperiodic ultrasound phased array for intracavitary prostate thermal therapies”；IEEE Trans. Ultras. Ferroelec. Freq. Ctrl., Vol. 43, 1032-1042頁に掲載されたE B Hutchinsonらによる“Intracavitary ultrasound phased array for non-invasive prostate surgery”；IEEE Trans. Ultras. Ferroelec. Freq. Ctrl., Vol. 43, 1085-1097頁に掲載されたH Wanらによる“Ultrasound surgery：comparison of strategies using phased array system”；IEEE Trans. Ultras. Ferroelec. Freq. Ctrl., Vol. 43, 1043-1053頁に掲載されたK Hynynenらによる“Feasibility of using ultrasound phased arrays for MRI monitored non-invasive surgery”：IEEE Trans. Ultras. Ferroelec. Freq. Ctrl., Vol. 44, 1010-1017頁に掲載されたL R Gavrilovらによる“A method of reducing grating lobes associated with an ultrasound linear phased arrays for transrectal thermotherapy”。
【０００６】
このような整相アレイは電気的に制御されたダイナミックな合焦、及び、アレイを動かすことなく焦点の範囲及び位置を正確に変化させ制御する能力を提供する。整相アレイを使用することによって、超音波焦点を迅速に走査するだけでなく、多重同時焦点を有する場を分析する手段を提供する。その使用によって、切除（アブレーション）療法を行うのに要する時間を短縮することが期待される。上記の複数の参照文献では、要素を球状シェル上に配置し、それによって電気的焦点と幾何配置的焦点とを結合する整相アレイの使用を提案している。
【０００７】
周知の整相アレイの重大な欠点は、格子ローブ（grating lobe）という不所望なものの存在と患者が手術を必要とするような負傷に導く可能性がある他の予測不能な第２の強度最大という不所望なものの存在である。ここで、過度なエネルギーが焦点領域の外側の組織に蓄積するものである。特に体外の二次元アレイに対する他の欠点は、複雑であることと、潜在的に比較的高価であることである。
【０００８】
格子ローブを低減する必要性は、今日までに報告された全治療アレイに共通のものであり、アポディゼーションを含む複数の技術、広域バンディング（broad banding）、要素のサブセット（部分集合）の使用を調べられてきた。線形整相アレイにおける異なるサイズの要素のランダム分布の使用も調べられてきた。非周期分布の要素を有するアレイに関する格子ローブレベルは、周期的中心−中心間距離に関するものより３０％〜４５％程度低い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、超音波エネルギーの焦点範囲及び位置を正確に制御する能力を大幅に改良する超音波変換器アレイを提供することである。
【００１０】
また、アレイを動かすことなく使用中に超音波エネルギーの焦点範囲及び位置を変化させる能力を大幅に改良する超音波変換器アレイを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
一態様では、本発明は、所定の焦点ボリュームにわたって超音波エネルギーを合焦するために基板面にわたって分散された超音波変換器要素のアレイであって、前記要素は擬ランダム（準ランダム：quasi-random）分布で基板表面にわたって分散し、要素の全照射面積は全アレイ面積のほぼ４０％から７０％を占める超音波変換器アレイを提供する。
【００１２】
超音波要素の作動周波数と要素の平均直径とが以下の式によって関係付けられているのが好ましい：
ｄ＝Ａ×ｃ／ｆ
ここで、ｄは要素の平均直径、ｃは超音波エネルギーで照射される媒体における音速（１４００−１６００ｍｓ-1の範囲）、ｆは超音波エネルギーの周波数、Ａは約０．５から５の間の値。
【００１３】
変換器アレイ基板面が曲がったシェル（曲面板）であり、ここで変換器要素が変換器要素はシェルの凹型面から照射されるのに適合され、アレイは０．７Ｒ（Ｒはシェルの曲率半径）と同じかそれ以上の平均直径Ｄを有し、Ｒの値は７０ｍｍから２００ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００１４】
周波数ｆは０．５ＭＨｚから３ＭＨｚであることが好ましく、０．５ＭＨｚから２ＭＨｚ、あるいは、１ＭＨｚから２ＭＨｚであるであることがさらに好ましい。
【００１５】
他の態様では、本発明は、所定の焦点ボリュームにわたって超音波エネルギーを合焦するために基板面にわたって分散された超音波変換器要素の整相アレイを用いて体内の組織に局所的超音波加熱を行う方法であって、擬ランダム分布で基板面にわたって要素を分散する段階であって、その要素の全照射面積が全アレイ面積の約４０％から７０％を占めるものである段階と、超音波要素の作動周波数と要素の平均直径とが以下の式によって関係付けられるように選択する段階とを備えてた方法を提供する：
ｄ＝Ａ×ｃ／ｆ
ここで、ｄは要素の平均直径、ｃは超音波エネルギーで照射される媒体における音速、ｆは超音波エネルギーの周波数、Ａは約０．５から５の間の値。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を次に示す添付図面に基づき例を用いて説明する：
図１（ａ）及び図１（ｂ）はそれぞれ、（ａ）単一変換器要素の場、（ｂ）変換器要素のアレイの場、を計算するために用いる方法の概略図であり；
図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）はそれぞれ、（ａ）擬ランダムに球状シェル上に分布した面円状要素、（ｂ）擬ランダムに球状シェル上に分布した面円状要素、（ｃ）擬ランダムに球状シェル上に分布した面円状要素、を有するアレイの概略図であり；
図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）はそれぞれ、（ａ）六角状パターンに分布した２５５個の要素を備えた規則的パターンで球状シェル上に分布した円状要素、（ｂ）正方形パターンに分布した２５６個の要素を備えた規則的パターンで球状シェル上に分布した円状要素、（ｃ）正方形パターンに分布した１０２４個の要素を備えた規則的パターンで球状シェル上に分布した円状要素、を有するアレイの概略図である。
図４は、（ａ）（０，−１０，１００ｍｍ）、（ｂ）（０，０，１３０ｍｍ）、（ｃ）（０，０，１３５ｍｍ）及び（０，−２０，８０ｍｍ）に位置する焦点に対する強度分布の質を評価するために用いられる超音波強度場分布及び基準（criteria）である。
図５は、（ａ）１ＭＨｚ、（ｂ）１．５ＭＨｚ、及び（ｃ）２ＭＨｚの周波数で２５６個の５ｍｍ直径要素のランダムアレイについて強度分布の計算及び質評価の結果をまとめたものである。
図６は、（ａ）図２ａのアレイからランダムに選択された、１２８個の要素から成るランダムアレイ、（ｂ）７ｍｍ直径の円状要素がランダムに１２８個分布したアレイ、（ｃ）１０ｍｍ直径の円状要素がランダムに６４個分布したアレイ、についての強度分布の質の評価を示す図である。
図７は、（ａ）それぞれ５ｍｍ直径の六角パターンでシェル上に分布した２５５個の要素、（ｂ）それぞれ５ｍｍ直径の正方形パターンでシェル上に分布した２５６個の要素、（ｃ）それぞれ３ｍｍ直径の正方形パターンでシェル上に配置した１０２４個の要素の規則的アレイ、についての強度分布の評価を示す図である。
図８は、１０２４個の３ｍｍ直径要素の規則的正方形パターンアレイに対する強度分布を示す図である。
【００１７】
本発明の好適な実施形態では、超音波整相アレイの特に好都合な配置を記載する。アレイを、例えば、記載するような球面のセグメントを備える基板面上に取付ける。このような最適な整相アレイは、理想的には体外切除あるいは短期間高強度発熱療法に適している。
【００１８】
３段階で成る計算法も記載する：３段階とは、（i）単一面円状要素についての複素圧力分布の計算；（ii）球状シェル上に実装されたこれらの円状要素のアレイについての全複素圧力分布の計算、（iii）完全なアレイ及びその分析のために複素圧力及び正規化（規格化、ノーマライズ）された強度分布の計算である。
【００１９】
単一面円状要素に関する複素圧力分布を、例えば、IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Ctrl., Vol. 36, 242-248頁に掲載されたK Ocheltreeらによる“Sound field calculations for rectangular sources”に記載されたような矩形放射体法を用いて見つけることができる。
【００２０】
図１ａ及び図１ｂに基いて、側長０．２５ｍｍの正方形要素超音波放射体要素１０は用いて、各円状要素の放射面を説明する。与えられた例では全て、超音波は密度１０００ｋｇ・ｍ-3及び音速１５００ｍ・ｓ-1の均一媒体を伝搬すると仮定している。さらに一般的には、超音波は、両媒質について音速ｃが１４００〜１６００ｍ・ｓ-1の範囲にある水のような適当な音響結合媒体を介して体の組織で合焦されるのが好ましい。組織における振幅減衰係数は、例えば、Academic Press（London）から１９９０年に発行されたF Duckによる“Physical Properties of Tissue”に記載されているように、１１．５Ｎｐｍ-1ＭＨｚ-1にとる。
【００２１】
例として、計算では、１ＭＨｚ，１．５ＭＨｚ及び２ＭＨｚの周波数を用い、３ｍｍ，５ｍｍ，７ｍｍ及び１０ｍｍの要素直径が考慮されている。図１を参照すると、各円状要素１０に対して径方向対称性を仮定することによって、その３次元音響場は、要素１０からの軸方向距離ｚと軸外し距離ｒとの関数として複素圧力を計算することによって見つけることができる。計算は、空間分布の適当な特徴を提供することがわかっている０．２ｍｍの空間増分で、４−１８ｃｍ及び０−６ｃｍのそれぞれの範囲にわたって、ｚ及びｒに対して実行する。
【００２２】
例では、要素１０が位置する球状シェルの曲率半径は１２０ｍｍである。シェル１２上に実装された面円状要素１０のアレイからの全複素圧力分布は、図１ｂで示したような注目している３次元ボリューム１３における各点での各要素からの複素圧力の寄与分を総和することによって計算する。
【００２３】
中心が角座標
【外１】
0004527290.tif 000002
、及び、
【外２】
0004527290.tif 000003
（ぞれぞれ、要素の座標のｘ軸及びｙ軸上への投影によって垂直面及び水平面に曲率中心に対する角度）によって定義された単一要素に対する軸方向距離及び径方向距離の関数として複素圧力を見つけて、値を回転された円筒型ボリューム１から直交座標に沿って並んだ０．２ｍｍ３次元矩形グリッド１１上の点へ対応付ける。図１ａで示したように軸方向でｚ＝４０ｍｍから１８０ｍｍへ、及び、図１ａで示したように例えばｒ＝６０に対して２つの残りの直交方向において０から±６０ｍｍへ延びるボリュームにわたって計算を実行する。
【００２４】
単一点にアレイを合焦するのに要する要素での位相分布は、各要素の中心と焦点位置との間の経路から決定される。
【００２５】
各グリッドでの強度は複素圧力とその複素共役との積から見つけられ、分布は注目しているボリューム内で得られる最大（global maximum）に対して正規化されている。
【００２６】
圧力及び強度場分布の計算は適当にプログラムされたコンピュータを用いて実行することができ、データは例えば、Indigo２TMワークステーション（シリコン・グラフィクス社製）で作動するＡＶＳ（アドバンスト・ビジュアル・システムズ社製、ウォールサム、マサチューセッツ州）とＰＣ上で作動するＡｘｕｍ４．１（マスソフト社製）とを用いて分析することができる。３次元強度分布は定性的に分析され、選択面における外形点はデータの定性的分析に対して用いる。
【００２７】
ここで例として挙げた２次元強度分布はｙ−ｚ面におけるデータを表す。この面は、曲率中心に一致せず、格子ローブのレベルによって“最悪の場合”には、超音波焦点を含む。ｘ−ｚ面に位置する焦点を用いて実行される計算は定性的に同様な結果を与えるので、ここでは示さない。
【００２８】
要素数（６４，１２８，２５６及び１０２４個）、直径（３，５，７及び１０ｍｍ）、超音波周波数（１，１．５及び２ＭＨｚ）及び要素の希薄度（sparseness）のレベルのような複数のパラメータのアレイパフォーマンスについての影響を、アレイの最適配置を決定するために調べた。シェル２１，２２，２３上に擬ランダム分布した要素２０をそれぞれ有するアレイ２４，２５，２６に対してと共に、六角及び正方形パターンのシェル３１，３２，３３上に分布した要素２０をそれぞれ有するアレイ３４，３５，３６に対して計算を実行した。アレイの基本寸法も図で示している。しかしながら、要素の位置は図において示しているが、個々の要素の寸法については示していず、各要素は単にドットで示しているだけである点に注意されたい。
【００２９】
図２の例では、球状シェル上の要素２０ａの配置は２５６個の面円状要素からなり、それぞれは直径５ｍｍである。要素２０は通常、点線で示したように、基板面の全アレイ領域２８を占める。
【００３０】
要素は擬ランダム型で分布している。完全にランダムな分布は、要素の中心間の最小間隔は５．５ｍｍ、すなわち、要素エッジが０．５ｍｍの最小間隔を有するように修正されるのが好ましい。このアレイに対しては、３つの駆動周波数、１，１．５及び２ＭＨｚが考慮されている。（シェル上の要素の複数の擬ランダム分布が調べられたが、同じ配置のアレイに対する結果における差は無視されている）
【００３１】
低周波に関するキャビテーション効果の回避と高周波に関する高減衰との間の妥協点を示す治療的な応用についての超音波アレイに対して１−２ＭＨｚの間の周波数が好ましい。しかしながら、通常０．５ＭＨｚ−３ＭＨｚの範囲の周波数も効果的な結果を示す。
【００３２】
要素２０のランダム分布の使用は、超音波のエネルギー分布に現れるアレイの周期からの不所望なアーティファクトを回避するのに好ましい。要素の擬ランダム分布を選択することは、構成に関する実用的な問題を引き起こしうる要素間の間隔が近すぎることを避けるという実用的な理由で好ましい。このような擬ランダム分布の使用が、特に、例えば、０．５ｍｍと１ｍｍとの間の要素間の最小間隔（スペース）が用いられるランダムアレイによる長所において最小の効果を有することがわかった。
【００３３】
それぞれの直径が７ｍｍ（図２ｂ）の１２８個の円状要素２０ｂ、及び、それぞれの直径が１０ｍｍ（図２ｃ）の６４個の円状要素２０ｃのランダム分布したアレイに対して計算を行った。いずれの場合における周波数も１．５ＭＨｚであり、要素の中心間の最小距離はそれぞれ８ｍｍ、１１ｍｍである。図２で示した全アレイは、約５０ｃｍ2のアクティブ領域（変換器要素の全領域）を有し、理論上、ほぼ同じ音響パワーを提供することができる。
【００３４】
図３ａは、それぞれが直径５ｍｍで球状シェル３１上に六角配置した２５５個の要素３０ａから成るアレイ３４を図示したものである。要素中心間の最小距離は６．５ｍｍである。図３ｂは、中心間距離６ｍｍで、正方形配置したシェル３２上に配置した２５６個の同じサイズの要素３０ｂのアレイ３５を示している。いずれの場合も、使用周波数はも１．５ＭＨｚであり、アクティブ領域は約５０ｃｍ2である。図３ｃは、それぞれが直径３ｍｍで球状シェル３３上に正方形分布した１０２４個の要素３０ｃから成るアレイ３６を図示したものである。この場合には、中心−中心間距離は４ｍｍで、アクティブ領域は約７２ｃｍ2で、使用される周波数はも１．５ＭＨｚである。
【００３５】
様々なアレイに対して計算した規格化強度分布の“品質”を評価するのに、４つの例示的な基準が選択されている。第１には、強度Ｉ≧０．１Ｉmaxが焦点領域内でだけ生じ、調査中の面の残りにおいては起きないときは、強度分布は“グレードＡ”と認定される。言い換えると、強度分布は焦点領域外ではピーク強度の１０％かそれ以下に下がる。
【００３６】
より低いパフォーマンスの目安として、以下の基準が選択される。考えている面における焦点領域外で強度が０．１≦Ｉ≦０．１５Ｉmaxの範囲である局所的な領域が１０個以下であるときは、強度分布は“グレードＢ”と記載される。考えている面における焦点領域外で０．１≦Ｉ≦０．１５Ｉmaxの範囲の局所領域が１０個以上である強度分布は“グレードＣ”と記載される。さらに、Ｉ≧０．２Ｉmaxの局所的領域が少なくとも一つある強度分布に対して、低めの強度分布の中のさらなる識別は“グレードＤ”分類とされる。
【００３７】
処理を安全に行うために、格子ローブの強度レベルはメインローブの強度レベルより少なくとも８−１０ｄＢ低いと信じられている。従って、Ａグレードの強度分布は臨床への応用に対しては適していると考えられる。グレードＤの品質を有する強度分布は患者の安全からは臨床使用には受け入れられそうにない。グレードＢあるいはＣとして特徴付けられる分布については、臨床で有効であるか否かの境界は明確でない。
【００３８】
上記の設計パラメータについての強度分布の例をこれから示す。
【００３９】
図４は、周波数１．５ＭＨｚで駆動される図２ａで示したランダムアレイについての強度分布の例を示している。図４ａは“Ａ”グレード品質の強度分布に対応するものであり、図４ｂは“Ｂ”グレード品質強度分布に対応するものであり、図４ｃは“Ｃ”グレード品質強度分布に対応するものであり、図４ｄは“Ｄ”グレード品質強度分布に対応するものである。各場合に、記号ｘはシェルの曲率中心の位置をマークする。焦点は、ａ）＝（０，−１０，１００ｍｍ）；ｂ）＝（０，０，１３０ｍｍ）；ａ）＝（０，０，１３５ｍｍ）；ａ）＝（０，−２０，８０ｍｍ）に位置する。
【００４０】
グラフは、強度分布の質の進んだ焦点（steered focus）の位置への依存性を示している。９個の輪郭（Ｉmaxの１０％の増分で１０−９０％Ｉmax）が焦点領域内で描かれている。焦点領域外での面の残り部における強度分布の特徴は、Ｉmaxの５％の増分で１０−２０％Ｉmaxの輪郭、Ｉmaxの２％の増分で１０−２０％Ｉmaxの輪郭によって査定する。
【００４１】
１，１．５、２ＭＨｚで駆動されたこのアレイに関連した強度分布の特徴を図５にまとめる。図５ａは、１ＭＨｚで駆動された２５６ｘ５ｍｍ要素に対する強度分布を示している；図５ｂは、１．５ＭＨｚで駆動された２５６ｘ５ｍｍ要素に対する強度分布を示している；図５ｃは、２ＭＨｚで駆動された２５６ｘ５ｍｍ要素に対する強度分布を示している。品質レーティングはグレード“Ａ”（黒丸●）；グレード“Ｂ”（白丸○）；グレード“Ｃ”（バツ印×）；グレード“Ｄ”（バツ丸
【外３】
0004527290.tif 000004
）で与えられる。
【００４２】
図５は以下の図６及び図７と同様に、ｙ軸正での変位のデータを示している。十分大きな数の要素を有するランダムアレイの場合には、ｙ軸負で変位した焦点に対して実施した計算は、定性的に類似している結果を与える。
【００４３】
図６ａは、５ｍｍ直径要素のランダムアレイにおいて希薄度が増大する効果でだって、示された強度分布の特徴は２５６個のランダム分布した要素の半数がランダムにスイッチオフされた場合（例えば、１２８個の要素アレイ）に対するものであるものを示している。駆動周波数は１．５ＭＨｚである。
【００４４】
１．５ＭＨｚの周波数で駆動された１２８ｘ７ｍｍ直径円状要素アレイのランダムアレイ（図２ｂ参照）に対する強度分布の評価を図６ｂに示している。図６ｃに、１．５ＭＨｚで駆動された図２ｂで示した６４ｘ１０ｍｍ直径円状要素ののランダムアレイに対する同様なデータを示している。記号の意味は図５で示したものと同様である。
【００４５】
図７は、図３（ａ）−（ｃ）で示した要素の規則的空間分布を有するアレイに対する強度分布の評価を示している。図７ａは、シェル上に六角パターンで分布した２５５ｘ５ｍｍ要素アレイを示している；図７ｂは、シェル上に正方形パターンで分布した２５６ｘ５ｍｍ要素アレイを示している；図７ｃは、シェル上に正方形パターンで分布した１０２４ｘ３ｍｍ要素アレイを示している。駆動周波数はこれら全ての場合で１．５ＭＨｚである。記号の意味は図５で示したものと同様である。
【００４６】
図８は、１１０ｍｍオフアクシスと１０ｍｍオフアクシスとの間の範囲で合焦した１０２４要素アレイ（図３ｃ）に対する強度分布を示している。要素の中心−中心間距離は４ｍｍであり、駆動周波数は１．５ＭＨｚである。焦点は（０，−１０，１１０ｍｍ）に位置する。バツ印×はシェルの曲率中心に対応する。
【００４７】
規則的なアレイに対して計算した強度分布の典型である、比較的大きな高格子ローブの存在が見て取れる。定性的に同様な結果は１ＭＨｚで駆動する同じアレイに対して得られる（ここでは図示せず）。しかしながら、その場合には、ｚ＞１２０ｍｍの軸方向範囲では、焦点面における格子ローブは、強度分布を計算する領域の面方向境界の外に位置する。
【００４８】
表１は、焦点が考えている各アレイについて計算した球状シェル（０，０，１２０ｍｍ）の曲率中心に位置するときの規格化された最大強度を示している。規格化は、１．５ＭＨｚ、５ｍｍ直径の２５６個の要素、正方形パターンでランダムに配置した要素を有するシェルに対して計算した最大強度に対して行っている。
【表１】
0004527290.tif 000005
【００４９】
“理想的”超音波治療整相アレイは、深い組織に位置する実用的に役立つ寸法（例えば、１０ｃｍ3）の組織ボリュームを切除するため、少なくとも３００−４００Ｗの音響パワーで中心軸に沿って及び中心軸からはずれて焦点数ｃｍに導く能力を付与するのが好ましい。受容可能な低いレベル（例えば、焦点でのそれ以下の−１０ｄＢ）で格子ローブへ送信されるパワー及び不所望の第２の最大（“ホットスポット”）を維持することも望ましい。
【００５０】
このようなアレイの実用的な実現には複数の計算ファクタを含む。焦点に導かれる距離及び処理される組織のボリュームを増大するために、要素のサイズを減少し、それらの指向性を低下させることが必要である。規則的なアレイにおいて格子ローブを除去するために、要素の中心間距離は波長の１／２以下であるべきである。他方、必要なパワーハンドリング能力を満足するためには、アレイの最小アクティブ領域は、要素での約６−８Ｗ/ｃｍ2の強度に相当する約５０ｃｍ2以上であるべきである。
【００５１】
強度分布の質は、焦点を含む面における、（長さで）１１０ｍｍで（幅）６０ｍｍの領域内の値を考慮することによって査定されてきた。それぞれ直径５ｍｍで擬ランダムに分布された２５６個の円状要素から成りかつここで記載した１ＭＨｚで駆動するアレイは、±２０ｍｍのオフ・センターでかつ中心軸にそって少なくとも５０ｍｍまでに焦点を導くことができ、より品質レーティング（上記定義したグレードＡ）を得て、グレードＢレーティング±２２ｍｍのオフ・センターでかつ中心軸にそって少なくとも５５ｍｍまでに焦点を導くことができる（図５ａ）。
【００５２】
このアレイは１．５ＭＨｚで駆動するとき、Ａ及びＢグレーティングと匹敵する、焦点が導かれうる距離は、それぞれ、±１０ｍｍ及び±１５ｍｍのオフ・センターでかつ中心軸に沿って４５ｍｍ及び５０ｍｍである（図５ｂ）。ここで強度分布を査定するのに用いられるＡグレード基準は、焦点面での格子ローブにおける最大強度と焦点での最大強度との比を単純に用いることにより正確であることは注目に値する。
【００５３】
強度分布の質によって査定されるアレイのパフォーマンスは、曲率の中心からの焦点距離及び減衰の両者に依存する。ここで示した例では、減衰係数は（１ＭＨｚで）１ｄＢ／ｃｍから（２ＭＨｚ）２ｄＢ／ｃｍまで変化した。図５は、焦点はシェルの曲率中心を超えて導かれるとき、強度分布の質は急激に減少することを示している。グレードＡ品質を有する焦点オフ・センターの最大進み（steering）を、曲率中心に近接する約１−２ｃｍの範囲で達成していることもわかる（図５）。
【００５４】
処理ボリュームは、１ＭＨｚの周波数に対して４５ｃｍ3から１．５ＭＨｚの周波数に対して１２．５ｃｍ3まで変化する（図５ａ、５ｂ）。２ＭＨｚに対して、この“役立つ”ボリュームはそれぞれ１１ｃｍ3に減少する（図５ｃ）。このアレイに関する場において最大音圧力Ｐmaxは、減衰の影響を示しつつ、周波数の増加に伴って減少する（表１）。
【００５５】
例では、それぞれ直径５ｍｍの２５６個の要素から成るアレイに対して、要素の全領域（アクティブ領域）に対するシェルの領域の比は約５１％である。アレイの希薄度が２倍増加すると、例えば、１２８要素アレイになると、アレイパフォーマンスの大きな低下を生ずる（図６ａ）。この場合には、有効な処理ボリュームがはるかに小さくなるだけでなく、アレイへのシフトがある。というのは、焦点がＡグレード強度分布レーティングに匹敵するように位置する最大範囲が１０５ｍｍだからである。さらに、このアレイに関するのＰmaxの値は、２５６個の要素から成るランダムアレイに対してＰmaxと比較して約１／２減少する（表１）。
【００５６】
２５６個から１２８個、６４個へランダム分布する要素数が減少するが、同時に、一定のアクティブ領域を維持するために要素の直径を増大する（それぞれ５ｍｍから７ｍｍ及び１０ｍｍ）ことがアレイパフォーマンスの漸進的な低下にもつながる。表１からわかるように、Ｐmaxの値は一定のアクティブ領域を有するこれらのアレイに対してほぼ同じである。
【００５７】
それぞれ直径５ｍｍの１２８個のアレイと、直径７ｍｍであって同じ周波数ではより高い指向性（方向性）の要素の１２８個のアレイとについての強度分布の質における差は、大きくない（図６ａ及び図６ｂ）。しかしながら、これらの２つのアレイの希薄度の倍数差（two fold difference）は得られたＰmaxの値において反映している（表１）。
【００５８】
要素が六角あるいは正方形パターン（図７ａ及び図７ｂ）で分布した、１．５ＭＨｚで駆動する５ｍｍの２５５個の要素及び２５６個の要素から成る両アレイのパフォーマンスは、１．５ＭＨｚの２５６ｘ５ｍｍ要素ランダムアレイの（図５ｂ）パフォーマンスに比べてかなり劣っている。規則的アレイの場合には、焦点を中心軸に沿って３０−３５ｍｍにすることだけが可能であり、Ｂグレードの強度分布に匹敵し、中心軸にはずれて約３−５ｍｍの小さなシフトが品質のかなりの低下につながる。ここで評価したように、六角アレイと正方形アレイの間のパフォーマンスには差はほとんどない（図７ａ及び図７ｂ）。
【００５９】
報告されたアレイのパフォーマンスは、従来技術で議論したように、希薄ランダムアレイに比較して実質的な改善を示している。例えば、従来例は、０．１３Ｉmaxの焦点面における格子ローブに強度を生ずる、シェルの幾何学的中心に合焦する理論的アレイを示した。アレイが中心軸からはずれた５ｍｍに合焦するとき、このレベルは０．６Ｉmaxに増加する。実験的な測定では、これらのレベルはそれぞれ０．３８Ｉmax、及び、０．９Ｉmaxと同じ高さであり得る。シェル上のランダム配置要素に対しては、従来技術は、進み（steering）なしの０．０４Ｉmax及び±５ｍｍの進みに対する０．１６Ｉmaxの焦点面での格子ローブにおける理論的予想レベルを示した。
【００６０】
それぞれ直径３ｍｍで正方形に分布した（図３ｃ）１０２４個の要素から成るアレイは、要素の数及び寸法の点でWanらが議論したアレイに匹敵する。１．５ＭＨｚで駆動するこの規則的アレイ（図７ｃ）のパフォーマンスは、図５ｂの２５６ｘ５ｍｍ要素ランダムアレイのパフォーマンスより低いが、要素数で可能な８倍（8-fold）の減少を示す図６ｂの１２８個の７ｍｍ要素ランダムアレイのパフォーマンスに匹敵する。
【００６１】
ランダムに及び規則的に分布した要素を有するアレイに関連した強度分布の特徴に顕著な差があり、格子ローブは前の分布ではなく、焦点領域外の第２の強度最大だけが観察される（図４）。規則的アレイの場合には、焦点面の格子ローブに対応する比較的高い強度が見られる一方、第２の強度最大は、典型的には中心軸はずれの焦点の小さなずれについては、存在しない（図８）。
【００６２】
球状シェル上の要素のランダム分布は、規則的な六角又は正方形パッキングを用いる場合と比較して、アレイのパフォーマンスの顕著な改善につながる。例として、それぞれ直径５ｍｍの２５６個の円状要素から成り、１−２ＭＨｚで駆動し、曲率半径１２０ｍｍの球状シェル上に要素中心間の最大距離が１００ｍｍで配置したランダムアレイは、温熱療法への応用に対して高いパフォーマンスを示す。
【００６３】
このようなランダムアレイも規則的アレイに匹敵するパフォーマンスを示すが、使用される要素数では数倍（several-fold）の減少（示した例の場合には８倍まで）を示す。同様に、それらのパラメータの一定の結合を有するランダムアレイの応用は、規則的アレイと同じ要素数のパフォーマンスの質の大幅な改善につながる。
【００６４】
一般的な側面では、超音波変換器アレイ１０のパフォーマンスにおける重要な改善は、アレイ要素２０のランダムあるいは擬ランダム分布を与えることによって、及び、超音波要素の全放射領域が要素が占める基板表面の全アレイ領域２８の４０％から７０％を備える要素希薄あるいは分散を用いることによって、得られる。
【００６５】
基板は、要素２０がシェルの凹型面から超音波を放射する曲がりシェル２１を備えることが好ましい。また、シェル面の曲率半径は７０−２００ｍｍの範囲であることが好ましい。全アレイ領域２８の直径は、０．７ｘＲ（Ｒはシェルの曲率半径）と等しいかそれ以上であることが好ましい。要素数は変換器の面積及び要素の希薄度及び面積で決まる。
【００６６】
焦点ボリュームは通常大きめであり、可動性（steerability）はこの場合低めであるが、平坦な基板は曲がりシェルよりも使用することができる。
【００６７】
アレイで用いる要素２０の数は全アレイ領域２８、要素２０の希薄度、及び、選択された個々の要素サイズによって決まる。
【００６８】
さらに、アレイは、超音波周波数ｆ及び要素２０の直径ｄがｄ＝Ａ×ｃ／ｆ（ここで、Ａは０．５から５までの値、ｃは照射される媒体での音速）となるように制限されることを補償することによって最適化される。用語“直径”ｄは、非円状要素を用いる場合には要素のほぼ平均直径を意味し、アレイに異なる種類の要素あるいは異なる寸法の要素を用いる場合には、全要素にわたって平均された要素の平均直径を意味する。
【００６９】
好適な実施形態では、変換器要素２０の数は６４個から１０２４個の間であり、平均要素直径は３−１０ｍｍである。
【００７０】
グレード“Ａ”標準の焦点領域を実現することができ、また、焦点が、長手軸では５０−６０ｍｍでかつ横方向では±２０ｍｍまで（１ＭＨｚの場合、但し、２ＭＨｚの場合には±１０ｍｍまで）で電気的に指向される距離範囲はシェルの中心軸に直交する。
【００７１】
上述の超音波変換器アレイ２４−２６の各要素２０は、周知の原理に従る電子駆動回路に結合する。ここで、駆動回路は超音波エネルギーの振幅、パワー及び位相を制御することができる。焦点領域の形状及び位置決めは、各要素の位相及び振幅の全結合によって決まる。上記の好適な実施形態では、各要素に対する位相の８ビット解像度が用いられ、すなわち、各要素は、位相において、３６０°にわたって２8で１パートの精度にアドレスされうる。一方、アレイの最適配置については、非常に低い４ビット位相解像度を用いることができ、可動性を有するグレード“Ａ”分布を得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】   （ａ）単一変換器要素の場を計算するために用いる方法の概略図である。（ｂ）変換器要素のアレイの場を計算するために用いる方法の概略図である。
【図２】   （ａ）擬ランダムに球状シェル上に分布した面円状要素を有するアレイの概略図である。（ｂ）擬ランダムに球状シェル上に分布した面円状要素を有するアレイの概略図である。（ｃ）擬ランダムに球状シェル上に分布した面円状要素を有するアレイの概略図である。
【図３】   （ａ）六角状パターンに分布した２５５個の要素を備えた規則的パターンで球状シェル上に分布した円状要素を有するアレイの概略図である。（ｂ）正方形パターンに分布した２５６個の要素を備えた規則的パターンで球状シェル上に分布した円状要素を有するアレイの概略図である。（ｃ）正方形パターンに分布した１０２４個の要素を備えた規則的パターンで球状シェル上に分布した円状要素を有するアレイの概略図である。
【図４】   （ａ）（０，−１０，１００ｍｍ）に位置する焦点に対する強度分布の質を評価するために用いられる超音波強度場分布及び基準（criteria）である。（ｂ）（０，０，１３０ｍｍ）に位置する焦点に対する強度分布の質を評価するために用いられる超音波強度場分布及び基準である。（ｃ）（０，０，１３５ｍｍ）に位置する焦点に対する強度分布の質を評価するために用いられる超音波強度場分布及び基準である。（ｄ）（０，−２０，８０ｍｍ）に位置する焦点に対する強度分布の質を評価するために用いられる超音波強度場分布及び基準である。
【図５】   （ａ）１ＭＨｚの周波数で２５６個の５ｍｍ直径要素のランダムアレイで強度分布の計算及び質評価の結果をまとめたものである。（ｂ）１．５ＭＨｚの周波数で２５６個の５ｍｍ直径要素のランダムアレイで強度分布の計算及び質評価の結果をまとめたものである。（ｃ）２ＭＨｚの周波数で２５６個の５ｍｍ直径要素のランダムアレイで強度分布の計算及び質評価の結果をまとめたものである。
【図６】   （ａ）図２ａのアレイからランダムに選択された、１２８個の要素から成るランダムアレイの強度分布の質の評価を示す図である。（ｂ）７ｍｍ直径の円状要素がランダムに１２８個分布したアレイの強度分布の質の評価を示す図である。（ｃ）１０ｍｍ直径の円状要素がランダムに６４個分布したアレイの強度分布の質の評価を示す図である。
【図７】   （ａ）それぞれ５ｍｍ直径の六角パターンでシェル上に分布した２５５個の要素の規則的アレイについての強度分布の評価を示す図である。（ｂ）それぞれ５ｍｍ直径の正方形パターンでシェル上に分布した２５６個の要素の規則的アレイについての強度分布の評価を示す図である。（ｃ）それぞれ３ｍｍ直径の正方形パターンでシェル上に配置した１０２４個の要素の規則的アレイについての強度分布の評価を示す図である。
【図８】   １０２４個の３ｍｍ直径要素の規則的正方形パターンアレイに対する強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１０、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ  要素
１２  シェル
２１，２２，２３，３１，３２，３３  シェル
２４，２５，２６，３４，３５，３６    アレイ
２８  全シェル領域
【図１】
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【図２ａ】
0004527290.tif 000007
【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
0004527290.tif 000011
【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
0004527290.tif 000014
【図６】
0004527290.tif 000015
【図７】
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【図８】
0004527290.tif 000017