(57)【要約】超音波の発生は、一般に、慣性および非慣性の音響キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の両方によって特徴付けられる、音響場を生成し、それにより、微小気泡およびその関連する微小流の非線形振動ならびに超音波によって生成された放射力が、従来の超音波伝達と接触する、材料、溶液または生体細胞において、強力な熱効果に導くプロセスである。通常、超音波信号は、超音波伝達を受ける材料が、伝達に応答して共鳴する、共鳴効果である、音響振動効果と、残念ながら、多くの応用において、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）損傷効果および熱損傷の効果との両方を含む。本発明は、熱効果と機械的効果の両方において、超音波の損傷効果を低減するため、ならびに、音響化学応用、材料科学および生物学または医学的応用で使用できる、より安全な超音波プロセスを提供するための方法と装置の両方である。
2017523891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波デバイスにおいて、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波を提供する方法であって、超音波信号が２つ以上の波形の組合せを採用し、そして、音響信号の成長が、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）を生成させることから妨害する、方法。
【請求項２】
第１の波形がのこぎり状の波形であり、続いて、第２の方形波形が続く、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記超音波が、継続して適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記超音波が、パルス状に適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記超音波が、２０ｋＨｚより大きい周波数を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
各波形に利用可能なタイミングが、４００ミリ秒以下に維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
各波形が存在する前記タイミングが、４００ミリ秒未満の時間の任意の組合せから変化する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記超音波タイミングが、前記第１の波形に対して、約５０ミリ秒〜約９０ミリ秒に、そして、前記第２の波形に対して、約１０ミリ秒〜約５０ミリ秒に変化する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
各波形に利用可能な前記タイミングが、４００ミリ秒以下に維持され、続いてに、前記キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の形成を回避するために、再度、十分な時間の不活性化期間（ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  ｐｅｒｉｏｄ）が続き、そして、その後に、交互切替音波伝達のサイクルが、繰り返し（ｒｅ−ｃｙｃｌｉｎｇ）、順番に続く（ｉｎ  ｓｅｒｉｅｓ）、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
第１の波形から他の任意の第２の波形に、トランスデューサに、電気的に供給された波形を、機械的に送達することが可能な、トランスデューサであって、前記波形が、正弦波形、のこぎり状の波形、方形波形および三角波形のいずれか１つである、トランスデューサ。
【請求項１１】
中心にある圧電または磁気制限結晶を使用して構築され、前記結晶の上下が空隙によって取り囲まれ、その底部がアルミ箔で、そして、その上部がチタン箔で覆われ、前記結晶から発する音波エネルギーが、捨てられていた超音波信号を低減して、ターゲットに向けて一方向に伝搬することを可能にするゴムのガスケットに取り付けられ、それにより、機械的音波デバイスからのより優れた音波変換効率を可能にし、トランスデューサが電気制御回路（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｃｉｒｃｕｉｔ）によって、トランスデューサに送達された、前記電気波形と一致する機械的な波形を送達できるようにする、請求項１０に記載のトランスデューサ。
【請求項１２】
キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波を送達することが可能なトランスデューサであって、超音波信号を、ターゲットに反射し返すために、トランスデューサの上面に反射板を採用する、トランスデューサ。
【請求項１３】
キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波を送達することが可能なトランスデューサであって、ステンレス鋼の面板上に配置された、１つまたは複数の個々のトランスデューサ  ディスクまたはエレメントをアレイで採用し、そして、面板に取り付けられた前記トランスデューサ  ディスクから送達される前記超音波に共鳴して、前記面板が、ハーモニック（ｈａｒｍｏｎｉｃ）超音波を照射するようにした、トランスデューサであり、トランスデューサの全体的な強度を増大し、全体的な音波伝達まで、表面エリアの直径を増大する、前記ステンレス鋼の面板とブロックハウジングとの間の軟質フォームゴム層を含むブロックによって、前記面板およびトランスデューサ  ディスク  アレイがカバーされている、トランスデューサ。
【請求項１４】
キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波を送達する方法であって、ターゲットに対して、球形の音波パターンを生成し、そして、ビームプロファイル（ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）におけるトラフ（ｔｒｏｕｇｈ）を回避し、それにより、前記超音波伝達に付された、前記ターゲット材料に対するキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）効果を回避する、方法。
【請求項１５】
キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波を送達する方法であって、１つの波形が、波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）の周波数および振幅が時間と共に減退する三角波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）である、１つまたは複数の交互切替音波波形を採用し、それにより、前記超音波伝達に対するキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の成長または熱効果を防ぐ、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、米国特許商標局で出願された以下の仮出願、すなわち、
“ＭＯＤＩＦＩＥＤ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＰＡＴＣＨ  ＷＩＴＨ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＡＢＳＯＲＢＥＮＴ  ＰＡＤＳ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月３日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８，６２３号）；
“ＭＯＤＩＦＩＥＤ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＤＥＶＩＣＥ  ＯＲ  ＰＡＴＣＨ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＤＥＬＩＶＥＲＩＮＧ  ＩＮＳＵＬＩＮ  ＦＲＯＭ  ＳＡＩＤ  ＭＯＤＩＦＩＥＤ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＤＥＶＩＣＥ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月３日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８／６２２号）；
“ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＧＬＵＣＯＳＥ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＩＮ  ＤＩＡＢＥＴＩＣＳ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月３日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８，６２４号）；
“ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ  ＳＵＩＴＡＢＬＥ  ＦＯＲ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＤＲＵＧ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＶＩＡ  Ａ  ＳＹＳＴＥＭ  ＷＨＩＣＨ  ＩＳ  ＰＯＲＴＡＢＬＥ  ＡＮＤ  ＷＥＡＲＡＢＬＥ  ＢＹ  ＴＨＥ  ＰＡＴＩＥＮＴ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月７日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８，６８３号）；
“ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＡＴＴＥＮＵＡＴＩＯＮ  ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ  ＯＦ  ＡＢＳＯＲＢＥＮＴ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＵＳＥＤ  ＩＮ  ＢＯＴＨ  ＰＡＳＳＩＶＥ  ＡＮＤ  ＡＣＴＩＶＥ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＲＵＧ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＳＹＳＴＥＭＳ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月９日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８，７８８号）；
“ＭＯＤＩＦＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＰＨＡＲＭＡＣＥＵＴＩＣＡＬ  ＰＲＥＰＡＲＡＴＩＯＮＳ  ＴＯ  ＭＡＫＥ  ＴＨＥＭ  ＭＯＲＥ  ＣＯＮＤＵＣＩＶＥ  ＴＯ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月９日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８／７９０号）；
“ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ  ＴＨＥ  ＤＯＳＥ  ＲＥＭＡＩＮＩＮＧ  ＵＰＯＮ  Ａ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＲＵＧ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＤＥＶＩＣＥ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年８月１日に出願、米国仮特許出願第６１／９９９，５８９号）；
“ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＡＬＬＹ  ＥＮＨＡＮＣＥＤ  ＳＥＥＤ  ＧＥＲＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ  ＳＯＩＬ  ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ  ＰＲＯＣＥＳＳ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１５年１月２日に出願、米国仮特許出願第６２／１２４，７５８号）；
“ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ  ＯＦ  ＳＥＥＤＳ  ＤＥＬＴＡ  ＳＥＥＤ  ＭＡＣＨＩＮＥ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１５年２月２日に出願、米国仮特許出願第６２／１２５，８３６号）；
“ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＥＦＦＥＣＴＩＮＧ  ＡＬＴＥＲＮＡＴＩＮＧ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮＳ  ＷＩＴＨＯＵＴ  ＣＡＶＩＴＡＴＩＯＮ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１５年２月２日に出願、米国仮特許出願第６２／１２５，８３７号）
に関し、それらを基に優先権を主張し、そして、それらの利益を主張する。
【０００２】
従って、この出願は、米国特許商標局に、出願された以下の仮出願、すなわち、
“ＭＯＤＩＦＩＥＤ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＰＡＴＣＨ  ＷＩＴＨ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＡＢＳＯＲＢＥＮＴ  ＰＡＤＳ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月３日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８，６２３号）；
“ＭＯＤＩＦＩＥＤ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＤＥＶＩＣＥ  ＯＲ  ＰＡＴＣＨ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＤＥＬＩＶＥＲＩＮＧ  ＩＮＳＵＬＩＮ  ＦＲＯＭ  ＳＡＩＤ  ＭＯＤＩＦＩＥＤ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＤＥＶＩＣＥ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月３日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８／６２２号）；
“ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＧＬＵＣＯＳＥ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＩＮ  ＤＩＡＢＥＴＩＣＳ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月３日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８，６２４号）；
“ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ  ＳＵＩＴＡＢＬＥ  ＦＯＲ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＤＲＵＧ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＶＩＡ  Ａ  ＳＹＳＴＥＭ  ＷＨＩＣＨ  ＩＳ  ＰＯＲＴＡＢＬＥ  ＡＮＤ  ＷＥＡＲＡＢＬＥ  ＢＹ  ＴＨＥ  ＰＡＴＩＥＮＴ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月７日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８，６８３号）；
“ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＡＴＴＥＮＵＡＴＩＯＮ  ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ  ＯＦ  ＡＢＳＯＲＢＥＮＴ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＵＳＥＤ  ＩＮ  ＢＯＴＨ  ＰＡＳＳＩＶＥ  ＡＮＤ  ＡＣＴＩＶＥ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＲＵＧ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＳＹＳＴＥＭＳ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月９日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８，７８８号）；
“ＭＯＤＩＦＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＰＨＡＲＭＡＣＥＵＴＩＣＡＬ  ＰＲＥＰＡＲＡＴＩＯＮＳ  ＴＯ  ＭＡＫＥ  ＴＨＥＭ  ＭＯＲＥ  ＣＯＮＤＵＣＩＶＥ  ＴＯ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年７月９日に出願、米国仮特許出願第６１／９９８／７９０号）；
“ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ  ＴＨＥ  ＤＯＳＥ  ＲＥＭＡＩＮＩＮＧ  ＵＰＯＮ  Ａ  ＴＲＡＮＳＤＥＲＭＡＬ  ＤＲＵＧ  ＤＥＬＩＶＥＲＹ  ＤＥＶＩＣＥ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１４年８月１日に出願、米国仮特許出願第６１／９９９，５８９号）；
“ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＡＬＬＹ  ＥＮＨＡＮＣＥＤ  ＳＥＥＤ  ＧＥＲＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ  ＳＯＩＬ  ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ  ＰＲＯＣＥＳＳ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１５年１月２日に出願、米国仮特許出願第６２／１２４，７５８号）；
“ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ  ＯＦ  ＳＥＥＤＳ  ＤＥＬＴＡ  ＳＥＥＤ  ＭＡＣＨＩＮＥ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１５年２月２日に出願、米国仮特許出願第６２／１２５，８３６号）；
“ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＥＦＦＥＣＴＩＮＧ  ＡＬＴＥＲＮＡＴＩＮＧ  ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ  ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮＳ  ＷＩＴＨＯＵＴ  ＣＡＶＩＴＡＴＩＯＮ”，Ｂｒｕｃｅ  Ｋ．Ｒｅｄｄｉｎｇ，Ｊｒ．（２０１５年２月２日に出願、米国仮特許出願第６２／１２５，８３７号）”
の、要約書、明細書、図面および特許請求の範囲に開示される対象物の全内容を参照により本明細書に組み込む。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、音響伝達（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）と関連付けられた振動エネルギーを保持しながら、前記音響伝達（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）におけるキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）力を低減または排除するための方法および装置に関する。また、本発明は、非キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波発生システムにも関する。
【０００４】
本発明の一態様は、音波伝達（ｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）の波形の交互切替の結果としてのキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）力または温度効果を低減するかまたは全く引き起こさない超音波デバイスに関する。
【０００５】
以下の刊行物を参照する。
Ｔｈｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｏｆ  Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ，Ｅｄｗａｒｄ  Ｂ．Ｆｌｉｎｔ  ａｎｄ  Ｋｅｎｎｅｔｈ  Ｓ．Ｓｕｓｌｉｃｋ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｅｗ  ｓｅｒｉｅｓ，Ｖｏｌｕｍｅ  ２５３，Ｉｓｓｕｅ  ５０２６（Ｓｅｐ．２０，１９９１），１３９７−１３９９；および
“Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ，Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ  ｂｕｂｂｌｅｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｃｅｌｌｓ”，Ｊｕｎｒｕ  Ｗｕ  ａｎｄ  Ｗｅｓｌｅｙ  Ｌ．Ｎｙｂｏｒｇ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｄｒｕｇ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ  Ｒｅｖｉｅｗ  ６０（２００８）１１０３−１１１６，Ａｐｒｉｌ，８，２００８。
【０００６】
前記参照された資料の再検討により、図１に示されるように、超音波は、一般に、単一の波形、正弦波、で形成されることが示されている。超音波範囲（２０ｋＨｚを上回る周波数）における標準の音響伝達（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）は、圧縮波（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｗａｖｅ）と呼ばれる波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）の正の部分を有し、その後、膨張セクション（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｓｅｃｔｉｏｎ）と呼ばれる波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）の負の部分が続く。
【０００７】
図１は、典型的な正弦波伝達の正および負の部分を示す。圧力の急速な低下は、図４のグラフに示されており、Ｓｕｓｌｉｃｋの論文で開示されるように、強力なキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）効果を招く恐れがある。
【０００８】
再び、図１を参照すると、典型的な正弦波超音波伝達が、通常は、伝達の４００マイクロ秒（ｍ秒）の持続時間ポイントで、爆縮効果（ｉｍｐｌｏｓｉｖｅ  ｅｆｆｅｃｔ）まで成長することが分かる。４００ｍ秒に達した時点で、正弦波超音波伝達は、１５０ミクロンもの放射半径を有する超音波伝達に暴露された、溶液または基質中で気泡を形成し、次いで、衝撃波を発生させ、それにより、気泡が崩壊する。図１では、マイクロジェト衝撃波（ｍｉｃｒｏｊｅｃｔ  ｓｈｏｃｋｗａｖｅ）は気泡を崩壊させ、そして、その崩壊過程において、超音波伝達に暴露された、溶液または基質中で顕微鏡レベルで、ホットスポット（ｈｏｔ  ｓｐｏｔ）または瞬間的な（ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ）温度上昇が起こる。
【０００９】
Ｓｕｓｌｉｃｋは、１００万分の１秒以内における、５０７５＋／−１５６°Ｋものキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）温度範囲について説明している。
【００１０】
この強力なキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）効果およびその結果生じる温度上昇は、材料、生物学的構造または細胞を損傷する効果および図３に示されるような医薬品を変性させる効果を有し得る。
【００１１】
超音波の基礎物理学のさらなる再検討により、図３５に示されるように、非合焦平面進行超音波（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｐｌａｎｅ−ｔｒａｖｅｌｉｎｇ  ｗａｖｅ）、平面波音源およびその波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）を示唆する。
【００１２】
ＷｕおよびＮｙｂｏｒｇは、流体または軟組織で満たされている半空間（ｘ＞０）を考慮すると、流体中または生体組織中で、超音波は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）効果を有し得ることを開示している。ほとんどの事例の場合、軟組織は、液体のような媒体と見なすことができる。ｘ＝０では、図３５に示されるように、音波の波長（λ）よりはるかに大きい横寸法（ｘ方向に垂直）を有する、薄い固体平面がある。この平面（音源）は、時間と共に、そして、ｘ＝０である、その最初の位置の周りの空間において、前後に正弦的に振動する。その振動は、領域ｘ＞０において、音波の発生を招く。ｘ＝０に対するこの音源平面の変位は、（方程式１）の通り記載することができる。
ｘ（ｔ）＝Ａ  ｃｏｓ（２πｆｔ＋φ０）
式中、ｆは、振動の周波数であり、Ａ（＞０）は、振幅であり、φ０は、音源平面の初期の（ｔ＝０）条件を決定する初期位相である。例えば、φ０＝０の場合、音源平面の変位および速度は、それぞれ、ｔ＝０のとき、ｘ＝Ａおよびｖ＝ｄｘ／ｄｔ＝０である。線形音響学のレジーム（ｒｅｇｉｍｅ）（非線形音響学については後のセクションで論じる）では、媒体中をｘ方向に沿って伝搬する進行圧力波は、振動する音源によって発生する。
【００１３】
すなわち、媒体中の圧力は、ｘおよびｔの関数であり、大気圧付近で変動する（ｆｌｕｃｔｕａｔｅｓ）。音響圧ｐ（ｘ，ｔ）を大気圧に対する過剰の全圧と定義した場合、（方程式２）の通り記載することができる。
ｐ（ｘ，ｔ）＝Ｐ０（ｘ）ｃｏｓ（ｋｘ−ωｔ）＝Ｐ０ｅ−αｘｃｏｓ（ｋｘ０−ωｔ）
式中、Ｐ０（ｘ）は、音響圧振幅であり、位置ｘの関数であり、Ｐ０ｅ−αｘ（ｐ０＝Ｐ０（０）であり、ｘ＝０における圧力振幅である）に等しい。他のパラメータは、角周波数ω＝２πｆ、伝搬定数（または波数）ｋ＝２π／λおよび媒体の減衰係数αを含む。
【００１４】
水中では、αは、およそ、メガヘルツの範囲の周波数の線形増加関数である。
【００１５】
減衰係数αは、主に、吸収および散乱プロセスを通じた、音波から媒体へのエネルギー移動を記述する。吸収は、主に粘性摩擦を介して、音響エネルギーを熱に不可逆的に変換する。組織の内部または細胞の水性懸濁液において、不均質性が存在する。
【００１６】
散乱は、不均質性により、オリジナルの波伝搬経路の外側の領域へ、音波エネルギーの一部を、方向転換するプロセスである。不均質性の密度が高い場合は、多重散乱が起こり得る。言い換えれば、そのような例では、音波エネルギーは、吸収によって減退する前に、いくつかの不均質性の間で数回にわたって前後に散乱し得る。水中では、減衰係数αは無視できる場合が多く、そして、乗率ｅ−αｘは、方程式（２）において一定値（ｕｎｉｔｙ）であると見なすことができる。
【００１７】
周波数および波長は、音波において独立したものではない。それらは、ｆλ＝ｃの関係によって関連し、式中、ｃは、位相速度と呼ばれる。水中では、２０℃における位相速度は、およそ、１５００ｍ／ｓに等しい。
【００１８】
ｘ＝ｘ０の場合、方程式（２）のｐ（ｘ，ｔ）は、以下のようになることに留意すると、
ｐ（ｘ，ｔ）＝Ｐ０（ｘ）ｃｏｓ（ｋｘ０−ωｔ）＝Ｐ０ｅ−αｘ０ｃｏｓ（ｋｘ０−ωｔ）
従って、ｘ＝ｘ０の平面上の任意のポイントにおける音響圧は、時間内に正弦的に変化し、位相は、ｋｘ０−ωｔに等しい。あらゆるポイントが同じ位相を有する平面または表面は、波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）と呼ばれる。その波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）として一連の平面を有し、方程式（２）によって表すことができる音響波は、非合焦平面進行波（ｎｏｎ−ｆｏｃｕｓｅｄ  ｐｌａｎｅ−ｔｒａｖｅｌｉｎｇ  ｗａｖｅ）と呼ばれる場合が多い。周波数ｆが典型的な人間が聞き取れる範囲を上回る（ｆ≧２０ｋＨｚ）場合は、このタイプの音波は、超音波（ＵＳ）と呼ばれる。原理上、方程式（２）によって記述される進行波の平面波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）は、無限の寸法を有する。しかし、実際には、単純な音源は、圧電効果を呈し、有限の寸法の半径を有する、円形のセラミックディスクである場合が多く、それは、「ピストン」音源とも呼ばれる。ピストン音源によって発生した超音波の性質は、平面進行波とは全く異なり、それは、比率α／λに依存する。しかし、α≫λの条件の下、遠距離（ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ）領域における音波（後に定義する）は、円形断面を有する超音波ビームのように挙動する。ビーム内、特に、ビーム軸の近くでは、音響圧は、大体、方程式（２）によって記述することができる。
【００１９】
超音波と気泡形成および空洞との間の相互作用
自由気泡および微小気泡の基礎物理学は、音響波の励振の下、空気またはガスの気泡、ポケットおよび空洞と関連する活動を指す「音響キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）」を招く。ソノポレーション（ｓｏｎｏｐｏｒａｔｉｏｎ）応用に関連する２つのタイプの気泡、すなわち、図２に示されるような自由気泡および封入微小気泡（ＥＭＢ）がある。自由気泡は、通常、周辺の液体からの空気、他のガスまたはガス蒸気で満たされた空洞である。ＥＭＢとは異なり、自由気泡は、気泡からの空気またはガスの漏れを防ぐための人工的な境界を有さない。自由気泡は、様々な理由で、液体中では安定でない。自由気泡は、液体の上面に浮かび、重力の影響を受けて消滅することも、表面張力に起因するいわゆる「ラプラス圧力不均衡」が原因で液体中に溶解することも、また、合体してより大きな気泡になることもあり得る。微細な自由気泡は、固体表面上または小さな粉塵粒子もしくは不純物上の割れ目または他の凹凸部に安定して存在することができる。それらの微細な気泡のサイズは、図１に示されるように、超音波伝達の時間の延長と共に成長し得る。
【００２０】
従って、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の形成は、超音波の波形動態に関係する。
【００２１】
慣性の（Ｉｎｅｒｔｉａｌ）（一時的な）および非慣性の（安定した）キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）、伝達
２つのタイプの音響キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）、すなわち、（１）「慣性」および（２）「非慣性」がある。「一時的な」キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）と、以前は呼ばれた慣性キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）は、音響圧の振幅が十分に高く、閾値レベルを上回る場合に起こる。この条件の下、ＥＭＢは、最初に体積が増大し、次いで激しく爆縮（ｉｍｐｌｏｄｅ）する。
【００２２】
ＥＭＢのコアが、高いκ（＝Ｃｐ／Ｃｖ）のガスである場合は、爆縮（ｉｍｐｌｏｓｉｏｎ）の間に高い温度が生じ得、そして、極めて反応性に富む遊離基が発生し得る。いくつかの生物学的および他の効果のためには、慣性キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）が必要であると思われ、他の場合には、慣性キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）は回避すべきである。
【００２３】
「安定した」キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）と以前は呼ばれた、非慣性キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）は、外部の音響場の圧力振幅がそれほど高くない際に、図２に示されるように、比較的に小から中等度のみの、半径の増加および減少を有して、液体中のＥＭＢが、振動を強いられる場合に起こる（オフレゾナンスレジーム）。
【００２４】
液体または生体組織中の波形および超音波伝搬と関連する、音響マイクロストリーミング（ｍｉｃｒｏｓｔｒｅａｍｉｎｇ）およびせん断応力は、非線形連立偏微分方程式である。一般に、媒体中の進行平面波の伝搬速度は、媒体の粒子速度の関数である。
【００２５】
超音波の振幅がかなり大きくなる場合は（診断および治療への超音波応用の多くはそのカテゴリに属する）、線形近似はもはや維持できなくなり、音響流（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｓｔｒｅａｍｉｎｇ）を招き、この、音響場における定常の直流（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）（ＤＣ）フロー（ｆｌｏｗ）は、ふたたび、気泡の形成および崩壊ならびに強力な熱効果を齎し得る。ソノポレーションに関連する音響流の現象のうちの１つは、微小流であり、微小流は、液体中での爆縮、衝撃波およびホットスポット形成の繰返しを招き、その後、急速クエンチングが続き、そして、次いで、上記サイクルの繰り返しにより、衝撃波の成長に戻る。
【００２６】
超音波の振動効果は、多くの産業、化学、生物学および薬物デリバリー応用で歓迎されるが、しかし、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）効果は、超音波伝達の下で材料を損傷する恐れがあり、全体的な振動効果を損なう（ｄｅｔｒａｃｔ）熱効果をもたらす恐れがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
この発明の目的は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）または熱効果が低減された、超音波振動を得るための方法および装置を提供することである。これは、超音波伝達における以下の要因を阻止することによって遂行される。
【００２８】
（１）４００ｍ秒以下に伝達時間を低減することによって、超音波伝達（ＵＴ）のタイミングシーケンス（ｔｉｍｉｎｇ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を阻止する。図１は、４００ｍ秒以下の超音波と関連する電流波形動態（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｗａｖｅｆｏｒｍ  ｄｙｎａｍｉｃ）である、典型的な正弦波超音波において、爆縮−衝撃波−ホットスポット熱効果の形成を最小化することができることを示す。最適なキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の回避は、サイクルを、４００ｍ秒以下に低下させることである。任意に、以下で説明される装置では、４００ｍ秒のサイクルの代わりに１００ｍ秒のサイクルの使用が選択されたが、しかし、そのサイクルは、２００もしくは３００または４００ｍ秒以下の他のいくつかの変形例でもあり得た。他の非限定的な例は、４００ｍ秒以下の超音波タイミングを、例えば、第１の波形に対して、約５０ｍ秒〜約９０ｍ秒に、第２の波形に対して、約１０ｍ秒〜約５０ｍ秒に（第１の先導する波形に対して８０ｍ秒および第２の続く波形に対して２０ｍ秒、または、第１の先導する波形および第２の続く波形に対して、７０／３０ｍ秒もしくは９０／１０ｍ秒のそれぞれを含む他の変形例など）変化させることを含む。
【００２９】
（２）従来の超音波は正弦波波形に制限されるが、その理由は、それがトランスデューサの限界であるためである。従来のトランスデューサは、図１３に示されるような波形に基づいて、正弦波を放射（ｅｍｉｔ）し、図１３は、トランスデューサに送達される電子信号の波形にかかわらず、機械的な力は、正弦波波形として放射されることを示す。キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波伝達を提供するため、トランスデューサ設計は、図１４に示されるように、トランスデューサに送達される電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）信号とその結果生じる機械的な波形との一致を可能にするために見直される必要がある。
【００３０】
（３）キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波伝達を提供するためのさらなる手段は、波形を交互に切り替えることである。図１では、正の圧縮と負の膨張との間の音響圧の変形例は、最終的には、爆縮、衝撃波、熱効果（すなわち、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ））を招く。通常の４００ｍ秒の時間内では、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）効果の蓄積がある。その蓄積されたパターンを阻止することにより、第１のサイクルおよび後続の音響サイクルにおいて、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波伝達を最少化することも、形成しないように強いることもできる。正弦波波形の代わりに、交互切替波形動態を使用することは、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）形成を阻止するために使用することができる。図５は、少なくとも２つの波形（波形Ｂとは異なる波形動態である波形Ａ）の使用を通じて、図１に示されるようなキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）成長を低下させるために、交互切替信号の使用を示す。図５では、波形Ａは、１００ｍ秒以下（理想的には、５０ｍ秒）のタイミング機能（ｔｉｍｉｎｇ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を有する、のこぎり状の波形であり得る。図１に示されるように、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）成長パターンのいかなる徴候が形成される直前に、波形Ａは、全く異なる波動態の波形Ｂに変換される。図５では、波形Ｂは、方形波形である。図１に戻ると、この波形の交互切替（のこぎり状または正弦などのある波形から、方形などの別の波形へ）は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の形成を妨害し、超音波伝達におけるキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）成長トラックを排除する。
【００３１】
図５は、４つのコンポーネントに依存するキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波伝達を示す。
【００３２】
コンポーネント１：材料、化学剤または生物学的構造を、超音波に対して、準備するために使用できる、丁度３０ｍ秒の間に示される、１つの波形（のこぎり状波形など）の準備シーケンス（ｐｒｉｍｉｎｇ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）。薬物デリバリーでは、図２８に示されるように、皮膚の毛穴を拡張するために、のこぎり状の波形が使用される。
【００３３】
コンポーネント２：波形「Ａ」伝達。
【００３４】
コンポーネント３：波形「Ａ」伝達とは異なる波形であるべき、波形「Ｂ」伝達。
【００３５】
超音波伝達を緩和するための、波形間のゼロ隙間（ｎｕｌｌ  ｇａｐ）、それにより、さらなるキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）を回避する。
【００３６】
（Ａ）図６：正弦からのこぎり状、
（Ｂ）図７：正弦から方形、
（Ｃ）図８：のこぎり状から方形、
（Ｄ）図１０：三角から方形
を含む、交互切替波形動態に影響を及ぼすために、様々な組合せを使用することができる。キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波を最少化するために、交互切替波形の種々の組合せを使用することができる。本発明によるトランスデューサは、第１の波形から他の任意の第２の波形に、トランスデューサに電子的に供給された波形を、機械的に送達することが可能であり、その波形は、正弦波形、のこぎり状の波形、方形波形および三角波形のいずれか１つである。好ましくは、第１の波形および第２の波形は異なる。
【００３７】
（４）キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波を最少化するための代替の方法は、伝達段階の間にエネルギーを自動的に失う波形伝達を使用することであり、そして、それにより、通常、正弦波超音波と関連する爆縮、衝撃波およびホットスポット効果に決して達することはない。波形が周波数範囲を通じてスライドし、振幅の低下を招く、図９に示されるような三角波形動態の使用もまた、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）形成を回避するために使用することができる。
【００３８】
（５）図１１では、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）低下は、超音波伝搬と関連するデューティサイクル（Ｄｕｔｙ  Ｃｙｃｌｅ）またはタイミングサイクル（Ｔｉｍｉｎｇ  Ｃｙｃｌｅ）を変更することによって超音波波形を切り替えることによって生じる。図１１では、デューティサイクル（Ｄｕｔｙ  Ｃｙｃｌｅ）が、何ミリ秒ごとに波形が切り替わるように変化する。図１２では、タイミングサイクル（Ｔｉｍｉｎｇ  Ｃｙｃｌｅ）が、交互切替波形がサイクルを繰り返す前の隙間時間に、交互切替波動態が不活性化されるように、交互に切り替えられる。その隙間時間は、完全に不活性化された信号であり、それは、再度、最初に図１で示される成長パターンを停止し、そして、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の形成を停止する。
【００３９】
交互切替波形または波形の組合せの使用の他の変形例は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波を回避するために採用することができ、そして、本発明者は、本明細書に示される組合せによって制限されることを望まない。
【００４０】
本発明のこれらのおよび他の目的は、対象とするキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波の目的を達成するために、超音波の振動効果を使用して、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波伝達を達成するために経皮流束（ｔｒａｎｓｄｅｒｍａｌ  ｆｌｕｘ）の大きさを制御して、様々な超音波周波数、強度、振幅および／または位相変調を適用することによって達成することができる。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
本発明の一態様は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）または熱効果をほとんどまたは全く呈しない、より効果的な超音波伝達を達成するための、位相変調、交互切替波形、タイミングサイクル（ｔｉｍｉｎｇ  ｃｙｃｌｅｓ）および周波数変調の使用である。
【００４２】
本発明の別の態様は、超音波デバイスにおいてキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波を提供する方法であって、それにより、超音波信号が、２つ以上の波形の組合せを採用し、そして、それにより、音響信号の成長が、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）になるのを妨害する、方法である。
【００４３】
本発明の別の態様は、トランスデューサに送達された電子波形を、機械的に伝搬するトランスデューサである、超音波伝達デバイスを介して、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波をもたらすための、交互切替波形の組合せである。
【００４４】
本発明のさらなる別の態様は、第１の波形から他の任意の第２の波形に、トランスデューサに電子的に供給された波形を、機械的に送達することが可能なトランスデューサであって、当該波形が、正弦波形、のこぎり状の波形、方形波形および三角波形のいずれか１つである、トランスデューサである。
【００４５】
本発明のさらなる別の態様は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波を送達することが可能なトランスデューサであって、超音波信号をターゲットに反射し返すために、トランスデューサの上面に反射板を採用する、トランスデューサである。
【００４６】
本発明の別の態様は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波を送達することが可能なトランスデューサであって、ステンレス鋼面板上に配置された、１つまたは複数の個々のトランスデューサ  ディスクまたはエレメントをアレイの形態で採用し、そして、面板に取り付けられたトランスデューサ  ディスクから送達される超音波に共鳴して、面板がハーモニック超音波（ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）を照射するようにする、トランスデューサであり、それにより、トランスデューサの全体的な強度を増強し、そして、全体的な音波伝達まで表面エリアの直径を増大する、ステンレス鋼の面板とブロックハウジングとの間の軟質フォームゴム層を含むブロックによって、面板およびトランスデューサ  ディスク  アレイがカバーされている、トランスデューサである。
【００４７】
本発明のさらなる別の態様は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波を送達する方法であって、ターゲットに対して、球形の音波パターンを生成し、そして、ビームプロファイル（ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）におけるトラフ（ｔｒｏｕｇｈ）を回避し、それにより、超音波伝達に付されるターゲット材料に対するキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）効果を回避する、方法である。
【００４８】
本発明の別の態様は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波を送達する方法であって、１つの波形が、波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）の周波数および振幅が時間と共に減退する三角波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）である、１つまたは複数の交互切替音波波形を採用し、それにより、超音波伝達に対するキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の成長または熱効果を防ぐ、方法である。
【００４９】
本発明の追加の目的、利点および新規な特徴は、以下に続く説明においてある程度記載されており、そして、以下を検査することにより当業者にある程度明らかになるか、または、本発明の実践により学習することができる。
【００５０】
前述の要約および本発明の以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、より良く理解されよう。本発明を示す目的で、図面には、現在好ましい実施形態が示されている。しかし、本発明は、示されるものと完全に同じ構成および手段に限定されないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）を招く、爆縮、衝撃波および熱効果の形成における、従来の超音波の効果の図解である。
【図２】図２は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波の結果としての気泡形成および崩壊の図解である。
【図３】図３は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波を介して生じ得る薬物分解の図解である。
【図４】図４は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波の圧縮および膨張効果を示す。
【図５】図５は、波形Ａの後に、波形Ｂ伝達における異なる波構造が続く、交互切替波形動態の使用を通じて生じ得るキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）低下を示す。
【図６】図６は、正弦波形とのこぎり状の波形の組合せである。
【図７】図７は、正弦波形と方形波形の組合せである。
【図８】図８は、のこぎり状の波形と方形波形の組合せである。
【図９】図９は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）形成を回避するために、波形が周波数範囲を通じてスライドし、振幅の低下を招く、三角波形動態の使用の図解である。
【図１０】図１０は、三角波形と方形波形の組合せである。
【図１１】図１１は、超音波波形タイミングサイクルを切り替えることによる、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）低下を示す。
【図１２】図１２は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の形成を妨害するための、タイミングサイクルの使用を示す。
【図１３】図１３は、トランスデューサに送達される電気信号の波形にかかわらず、機械的な力が正弦波波形として放射されることを示す。
【図１４】図１４は、トランスデューサに送達される電子信号と、その結果生じる機械的な波形との一致を可能にすることによって、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波伝達を提供する、特別なトランスデューサ構造を利用する、新しい設計のトランスデューサを示す。
【図１５】図１５は、超音波を、ターゲットに、集中させるために、反射板設計を利用する、修正されたトランスデューサ設計である。
【図１６】図１６は、「失われる（ｌｏｏｓｅ）」超音波伝達を最小化し、超音波信号を一方向に集中させる、反射性トランスデューサを示す。
【図１７】図１７は、超音波を、ターゲットに集中させるために反射板設計を利用する、修正されたトランスデューサ設計であり、そして、面板上のトランスデューサ  ディスクの配置パターンを示す。
【図１８】図１８は、二層または積層トランスデューサ配置を示す。
【図１９】図１９は、「Ｃ型」の単一エレメント  トランスデューサ  ディスクを示す。
【図２０】図２０は、トランスデューサ反射板ケーシングを示す。
【図２１】図２１は、９‐エレメント  トランスデューサ  アレイを示す。
【図２２】図２２は、４−エレメント  トランスデューサ  アレイを示す。
【図２３】図２３は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波伝達を送達することが可能な、トランスデューサ  ブロックの形成を示す組立図である。
【図２４】図２４は、実験１Ａおよび１Ｂで使用されるテスト装置を示す。
【図２５】図２５は、実験２の結果を示す。
【図２６Ａ】図２６Ａは、通常のインスリンと比べた、インスリンに対する実験３の結果を示し、超音波に付されていない対照サンプルである、リスプロ  インスリンのＨＰＬＣスペクトルである。
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、５０ミリ秒の、のこぎり状の波形の超音波に続く、５０ミリ秒の方形波形の超音波の交互切替超音波伝達（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）に付された、リスプロ  インスリンのＨＰＬＣスペクトルであり、インスリンサンプルに損傷が生じなかったことを示す。
【図２７】図２７は、インスリンに対する、従来の低電力超音波によって生じた損傷を示す。
【図２８】図２８は、皮膚に向けた、のこぎり状の波形の超音波を使用した、皮膚に対する毛穴拡張効果を示す。
【図２９】図２９は、交互切替波形を生み出す単一エレメント  トランスデューサの水中の音響パターンである。
【図３０】図３０は、２５ｋＨｚおよび４０ｋＨｚにおける交互切替超音波伝達（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）のビームプロファイル（ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）の比較である。
【図３１】図３１は、２５ｋＨｚおよび４０ｋＨｚにおける、従来の正弦波キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波伝達のビームプロファイル（ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）の比較である。
【図３２】図３２は、６０ＫＨｚにおける従来のキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波伝達のビームプロファイル（ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）の比較である。
【図３３】図３３は、８０ｋＨｚおよび１００ＫＨｚにおける従来のキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波伝達のビームプロファイル（ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）の比較である。
【図３４−１】図３４は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波をもたらすために使用される、電子的な交互切替超音波ジェネレータの回路図である。
【図３４−２】図３４は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波をもたらすために使用される、電子的な交互切替超音波ジェネレータの回路図である。
【図３４−３】図３４は、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波をもたらすために使用される、電子的な交互切替超音波ジェネレータの回路図である。
【図３５】図３５は、平面波音源およびその波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）を示す。［発明の詳細な説明］
【発明を実施するための形態】
【００５２】
トランスデューサ設計
図１３では、電子信号を機械的な振動エネルギーに変換する、圧電結晶を採用して、従来通り設計された、従来の圧電トランスデューサの機能を示す。トランスデューサに送達される電子信号波形にかかわらず、正弦波超音波波形の機械的な力が発生し、図１および２で描写されるキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）効果を生み出す。
【００５３】
図１４は、修正されたトランスデューサの機能を示し、当該トランスデューサに送達される電子信号は、トランスデューサの出力に基づき、純粋に、機械的な力として繰り返される。正弦波電子伝達は、超音波の正弦波波形の機械的な力の出力として送達される。同様に、のこぎり状の、三角または方形波形の電子伝達は、それぞれ、超音波ののこぎり状の、三角または方形波形の機械的な力の出力として送達される。このタイプのトランスデューサは、薬物または皮膚に損傷を与える恐れのある、微小気泡、およびキャビテーションおよびその結果生じる熱の形成を排除または最小化する。
【００５４】
図１５は、図１４で描写されるような、交互切替超音波伝達（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を生み出す、修正されたトランスデューサの概略設計であり、ここで、機械的な音波波形は、圧電結晶に送達された電子波形を引き継ぐ。
【００５５】
具体的には、図１５では、トランスデューサは、結晶（１）から放出される、機械的な力の振動方向を制御する、２つのカバー層に挟まれた圧電結晶または磁気制限結晶（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｔｒｉｖｅ  ｃｒｙｓｔａｌ）（１）からなる。トランスデューサの底部では、音波膜層（５）が、音波信号が、阻止されることなく、それを通過できるようにする。結晶（１）の上部では、反射性の非音波透過性の材料（２）が、膜カバー（２）および（５）の両方の間にある、空隙（７）を通して、機械的な力を反射し返す。カバー（２）および（５）は、結晶（１）を封入し、そして、上部カバー（５）と底部カバー（２）との間に配置される、スポンジフォームコネクタ（３）などの軟質ゴムコネクタによって接続される。ゴム栓またはガスケット（４）は、両側に配置され、トランスデューサ全体を所定の位置に密閉する。
【００５６】
結晶（１）に送達された電気エネルギーは、結晶（１）を機械的に振動させ、超音波力を起こす。その機械的な力は、空隙を通じて、トランスデューサの上部に進行し、その上部では、上部カバー（２）の材料によって、上部の空隙（７）を通じて、下方のトランスデューサの底部に向かって反射され返され、その底部では、機械的エネルギーは、底部カバー（５）を通過し、そして、超音波力（８）としてトランスデューサから抜け出る。結晶（１）が振動すると、ゴム栓（４）およびスポンジフォームコネクタ（３）を柔軟にし、上部（２）と底部カバー（５）の両方の上で、カバー全体が、結晶（１）の振動と共に調和的に振動することを許容する。その結果、強力な超音波伝達が得られ、それにより、図２６Ｂに見られるように、トランスデューサに送達された電気波形と同一の（ｃｏｍｍｅｎｓｕｒａｔｅ）波形形状が送達される。
【００５７】
上部カバー（２）は、トランスデューサの底部を通じて、超音波エネルギーを下方に反射し返すように設計される。従来のトランスデューサは、超音波を、あらゆる方向に送達し、それらの全体的な強度を低下させる。上部カバー（２）の好ましい材料は、チタン箔である。箔の内側には、剛性、および結晶（１）から発せられる超音波に対する非調和的反応性を維持する、チタン箔の能力を強化するため、エポキシ樹脂の絶縁コーティングがなされる。音波エネルギーを再び下方に集中させることにより、上部カバーは、音波伝達の強度を強化し、エネルギーの浪費を回避する。ゴム栓（４）と結合された、上部カバー（２）と底部カバー（５）との間に配置される、スポンジフォームコネクタ（３）の使用は、超音波伝達（８）と共に、トランスデューサが、スピーカーのように柔軟になることを許容し、それにより、再度、より強く、より強力な伝達を齎す。カバー（２）および（５）と結晶（１）との間の、わずかな空隙（７）により、トランスデューサの完全な剛性が避けられ、その弾力性能力（ｆｌｅｘｉｎｇ  ｃａｐａｃｉｔｙ）を強化する。その結果、それに供給するエネルギーが少なくて済み、そして、トランスデューサに送達された電気波形と一致する機械的な超音波波形を送達する機能を実行する高強度のトランスデューサが得られる。
【００５８】
図１６では、ほとんどのエネルギーが、トランスデューサの底部から下方に向けられ、方向性の超音波伝達を形成する一方で、トランスデューサは、トランスデューサの上部または側部からは、ゼロまたはほんの少しの超音波を送達することが分かる。
【００５９】
図１７では、トランスデューサ  ディスクは、一般に、単一の平面上に構築される。図１７は、すべてが、１つのレヴェルで、ステンレス鋼の面板上に取り付けられた２つのトランスデューサ  ディスク（標準トランスデューサ  アレイと呼ばれるものを作成する）を描写する。
【００６０】
図１８は、２つのトランスデューサからなり得る、積層アレイ（二層積層アレイ）またはいくつかのトランスデューサが互いに積み重ねて配置された積層アレイを示す。積層アレイは、超音波伝達の強度を増大することができる。積層トランスデューサ（基本的には、互いに積み重ねて取り付けられたトランスデューサ）の使用は、所定の周波数レベルを維持しながら、超音波の強度を増大させる。この発明で使用されるように、積層トランスデューサ構造は、トランスデューサ  システムの電力利用を改善する一方で、強度を増大させることを意図する。
【００６１】
図１９は、「Ｃ」型のトランスデューサ  ディスクが、本発明のトランスデューサ  エレメントのための、コンパクトで極めて小型のサイズを可能にすることを示す。トランスデューサのサイズは、丁度０．５インチの直径で得られた。小型のサイズのトランスデューサは、本発明では、トランスデューサが、薬物送達応用のための経皮パッチの寸法内に収まるようにするために使用されたが、他の多くの用途も有し、他のサイズを有することもできる。それに加えて、小型のサイズは、トランスデューサのより低い重量の可能性をもたらし、また、本発明の携帯性に寄与した。
【００６２】
トランスデューサ  ディスクは、電力ケーブルに接続された「Ｃ」型の構造である。トランスデューサ  ディスクは、ポリマーハウジングで覆われており、ポリマーハウジングは、理想的には、ＵＲＡＬＩＴＥ（商標）という、ウレタン樹脂から構成され、Ｅｃｈｏ−Ｓｅａｌ樹脂と呼ばれ、２つの金属キャップ（図１５）間の短絡を回避するために使用され、そして、音波伝達における音響結合（ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を提供する。
【００６３】
トランスデューサ  エレメントまたはディスクの設計
図１５は、本発明のトランスデューサ  エレメントの好ましい実施形態である、超音波トランスデューサの設計を示す。図１５から、トランスデューサ４０は、これに制限されないが、好ましくは、チタン箔から構成される２つの金属キャップ（２）および（５）間に接続された、ＰＺＴ４（Ｐｉｅｚｏｋｉｎｅｔｉｃｓ  Ｃｏｒｐ．Ｂｅｌｌｅｆｏｎｔｅ，ＰＡ）として入手可能な、圧電ディスク（１）に基づくことが分かる。空洞（７）は、圧電ディスク（１）とエンドキャップ（２）および（５）との間にある。エンドキャップ（２）および（５）は、トランスデューサに対して、接合された層状の構造（４）を形成するために、非導電性接着剤（３）によって圧電ディスク（１）に接続される。ポリマーコーティング（６）は、上部および底部のエンドキャップ（２）および（５）の内側に配置され、そして、ディスク（１）から発生する超音波に対する、エンドキャップの調和反応（ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）を最小化する上で役立つ。エンドキャップ（２）は、内部コーティング（６）の助けで、トランスデューサの底部側で、超音波を、一方向（矢印（８）によって示される）に向ける反射板として機能する。
【００６４】
トランスデューサは、ポータブルな超音波薬物デリバリー装置に、より適した、薄く、コンパクトな構造を提供する。それに加えて、このトランスデューサは、電力を音響放射力に変換する場合に、より優れた効率を提供する。また、このトランスデューサの設計は、電池式およびその小型かつ軽量という特徴の可能性からも選択された。
【００６５】
図１６は、図１５に示される設計が、トランスデューサから一方向に発する（上部または側部ではない）音波エネルギーを有することを示す。
【００６６】
図２０は、音波トランスデューサに基づく、従来のキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）が、一般に、１８％しか効率を有さない際に、図１５に示される設計は、キャップの使用を通じて、電気から機械への音波エネルギーの変換の高効率（８８％もの）を達成することを示す。反射板エンドキャップは、振動を一方向に向ける。
【００６７】
図１５に示される、「Ｃ型」のトランスデューサ標準構造の製作
部品リストおよび段階的製造
部品リスト
１．圧電セラミック材料：
ＰＺＴ４  ディスク  ０．５インチ直径、１ｍｍ厚さ（ＰＫＩ４０２）
ＳＤ  ０．５００−０．０００−０．０４０−４０２
実際の供給業者：Ｐｉｅｚｏ  Ｋｉｎｅｔｉｃｓ  Ｉｎｃ．
Ｍｉｌｌ  Ｒｏａｄ  ａｎｄ  Ｐｉｎｅ  Ｓｔ．
ＰＯ  Ｂｏｘ  ７５６
Ｂｅｌｌｅｆｏｎｔｔｅ  ＰＡ  １６８２３
２．チタンキャップ
材料：Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ、チタン箔、厚さ０．２５ｍｍ、金属素地（ｍｅｔａｌ  ｂａｓｉｓ）５％、アイテム＃１０３８５
実際の供給業者：Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ，Ａ  Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ｍａｔｔｈｅｙ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ３０  Ｂｏｎｄ  Ｓｔｒｅｅｔ
Ｗａｒｄ  Ｈｉｌｌ，ＭＡ  ０１８３５−８０９９，ＵＳＡ
３．接合層
材料：Ｅｃｃｏｂｏｎｄ  ４５ＬＶ＋触媒１５ＬＶ
実際の供給業者：Ｅｍｅｒｓｏｎ  ＆  Ｃｕｍｉｎｇ
４６  Ｍａｎｎｉｎｇ  Ｒｏａｄ
Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ，ＭＡ  ０１８２１
４．低温はんだ
材料：Ｉｎｄａｌｌｏｙ  Ｓｏｌｄｅｒ  ＃１Ｅ、０．３０”直径×３ｆｔ長さ
実際の供給業者：Ｔｈｅ  ｉｎｄｉｕｍ  ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  １６７６  Ｌｉｎｃｏｌｎ  ＡＶＥ
ＵＴＩＣＡ  ＮＹ  １３５０２
５．ワイヤ
材料：標準ワイヤ、ゲージ／ＡＷＧ：３０
カタログ番号（Ｄｉｇｉｋｅｙ）：Ａ３０４７Ｂ−１００−ＮＤ
注：最大温度：８０Ｃ
導体ストランド：７／３８
電圧範囲：３００Ｖ
導体の数：１
実際の供給業者：Ａｌｐｈａ  Ｗｉｒｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
６．ハウジングポリマー
材料：ウラライトＦＨ３５５０パートＡ／Ｂ
実際の供給業者：ＨＢ  Ｆｕｌｌｅｒ  Ｃｏｍｐａｎｙ
７．エチルアルコール
注：アルコール度２００（少なくとも）
８．紙やすり
【００６８】
製造手順：段階的
図４Ｂを参照する。
【００６９】
１．チタン箔をいくつかのディスクにダイカット（Ｄｙｅ  ｃｕｔ）する。
材料：チタン箔（２）、
丸のこ  １０．７ｍｍ直径。
【００７０】
２．ギザギザの縁部を紙やすりで磨く。ディスクの片面に縁部が生じる。それらの縁部は、紙やすり（目の細かい）で取り除くべきである。
材料：紙やすり（８）。
【００７１】
３．アルコール浴を施して、ディスクを紙やすりで磨くことによって発生した粉塵を取り除く。
材料：アルコール（７）。
【００７２】
４．高圧（１２０００ｔｏｒｒ）の成形ツールに、ディスクを入れる（磨いた面を上に向けて）。このステップでは、図２で報告される寸法にディスクを成形するための、特注のパンチダイ（ｐｕｎｃｈ  ｄｙｅ）を設計すべきである。
【００７３】
５．再びギザギザの縁部を紙やすりで磨く。
材料：紙やすり（８）。
【００７４】
６．アルコールに浸漬して、粉塵を取り除く。
材料：アルコール（７）。
【００７５】
７．拭いて、アルコールと粉塵を、ディスクから取り除く。
【００７６】
８．特別な測定ペンで、キャップの厚さを測定する。
【００７７】
９．一致するキャップを特定する（厚さによって）。２つのキャップ間のわずかな違いが、Ｃ型へのスプリアス共振（ｓｐｕｒｉｏｕｓ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生み出すため、このステップは正確であるべきである。
【００７８】
１０．圧電ディスクセラミックを、アルコールで洗浄する。
材料：圧電ディスク（１）およびアルコール（７）。
【００７９】
１１．エポキシ樹脂接着剤で、両面にスクリーン印刷を行う。
材料：エポキシ樹脂接着剤（３）およびスクリーン印刷（Ｔシャツ  スクリーン印刷のような）用のツール。ディスクとキャップを接着するために、エポキシ樹脂のリングを生成すべきである。スプリアス共振（ｓｐｕｒｉｏｕｓ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を回避するため、このリングは、正確で、一定であるべきである。
【００８０】
１２．Ｃ型をセラミックディスク上に置く。
【００８１】
１３．プレス機に入れる。このプレス機は、単に、製造されたＣ型を所定の位置に保持するものであるべきである。それは、いくつかのＣ型を所定の位置に保持する特注のツールであり得る。
【００８２】
１４．プレス機を、少なくとも４時間、７０℃のオーブンに入れる。
【００８３】
１５．１枚あたり４つのポイントにおいて、最大２７０℃で、はんだ付けする。
材料：ワイヤ（５）および低温はんだ（４）。
【００８４】
上記の手順によって生成されたトランスデューサは、標準の構造である。積層アレイ構造トランスデューサを形成するため、図４Ｃに示されるように、２つ以上のトランスデューサは、互いに直接積み重ねて配置され、組み合わさる。アレイを形成するため、トランスデューサは、図６に示されるように、一般に、単一エレメントの形態で、または積層構造形式で、ポリマーまたはエポキシ樹脂接着材料内で電気的に並列接続される。
【００８５】
図２１は、９つのトランスデューサ  ディスクが、エポキシ樹脂ブロックに入れられたトランスデューサ  アレイのオリジナルの設計を示す。
【００８６】
図２２は、４つのトランスデューサ  ディスクが、ステンレス鋼の面板に取り付けられた、最終的な設計を示す。図２１に示される設計では、各トランスデューサ  ディスク上に、ブロックを形成する９つの別個の超音波伝達がある。図２２では、４つのトランスデューサ  ディスクは、それらの個々の伝達間の調和を生み出し、面板をして、より大きな伝達エリア上で、均一で、単一の、より大きな伝達を送達させる。
【００８７】
トランスデューサ  ブロック
図２３は、図５で描写されるような交互切替超音波伝達（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を生み出す、修正されたトランスデューサの概略設計である。図１７は、ステンレス鋼の面板に取り付けられ、面板を通って、そして、ターゲットに向かう超音波伝達の方向性をアシストする、ブロック材料によってカバーされる、２つのトランスデューサ  ディスクのアレイである。図２３Ａ、ＢおよびＣは、このブロック  トランスデューサ  アレイの組み立てステップを示す。
【００８８】
実験１：
水道水における、正弦波超音波伝達と交互切替超音波伝達（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）との温度比較
図２４で描写される配置を参照する。１，０００ｍｌの水道水（４０）を含む、ガラスビーカー（３０）を、磁気撹拌機（３１）上に置いた。ビーカーの中では、磁気攪拌子（３２）を水中でゆっくり回転させた。
【００８９】
超音波単一トランスデューサ  チップ（３４）を使用して、超音波プローブ（３５）を水の中に入れた。チップは、正弦波超音波チップでも、または、超音波の交互切替波形伝達（３８）を生み出す、本発明を実践するものでもよい。超音波ジェネレータ（３７）は、ケーブル（３６）を通じて、超音波プローブ（３５）に動力を供給した。
【００９０】
超音波ジェネレータ（３７）として、正弦波超音波ジェネレータおよびプローブである、Ｓｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｃ．，Ｎｅｗｔｏｗｎ，ＣＴによって製造された、Ｓｏｎｉｃ  Ｖｉｂｒａ  Ｃｅｌｌ  Ｍｏｄｅｌ  Ｎｏ  ＶＣＸ  １３０  ｐｂを使用して、Ｔｒａｎｓｄｅｒｍａｌ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ，Ｉｎｃ．，Ｂｒｏｏｍａｌｌ，ＰＡによって、本発明に従って作成された、Ｂ２交互切替超音波ジェネレータに対する温度比較テストが行われた。従来のプローブは、１つのチップに、１つのエレメントのみを有する一方、前記交互切替システムは、図２２で描写される超音波の４−エレメント  アレイを採用した。
【００９１】
超音波を、１，０００ｍｌの水道水に、５分間当てた後、Ｖｉｂｒａｃｅｌｌシステムは、５．５℃の上昇を呈しており、これは、強力なキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の証拠である。
【００９２】
超音波を、１，０００ｍｌの水道水に、５分間当てた後、Ｂ２交互切替超音波ジェネレータは、−０．９℃の温度変化（−０．９度の低下）を齎した。基本的に、ビーカー内の水の温度変化はなく、水の滞留による、わずかな温度下降であった。交互切替システムから、いずれかのキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）が生成されていれば、温度は上昇したであろう。
【００９３】
実験２
正弦波トランスデューサと、交互切替超音波トランスデューサによって生じる流体流動性とにおける温度比較
図２５を参照すると、この実験は、１グラムの水道水をトランスデューサの表面に置き、その効果を観察した。
【００９４】
正弦波超音波ジェネレータおよびプローブの温度比較テストである、最初の実験においては、１グラムの水に対してどのような視覚効果があるかを判断するために、１つのエレメントのみを１つのチップに有する、従来のプローブである、Ｓｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｃ．，Ｎｅｗｔｏｗｎ，ＣＴによって製造されたＳｏｎｉｃ  Ｖｉｂｒａ  Ｃｅｌｌ  Ｍｏｄｅｌ  Ｎｏ  ＶＣＸ  １３０  ｐｂを、上下逆に使用した。観察により、液体状態から水蒸気状態への非常に速い変換が示されており、これは、強力なキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）を示唆した。
【００９５】
図２２で描写される超音波の４−エレメント  アレイを採用した、交互切替システムである、Ｔｒａｎｓｄｅｒｍａｌ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ，Ｉｎｃ．，Ｂｒｏｏｍａｌｌ，ＰＡによって、本発明に従って、作成されたＢ２交互切替超音波ジェネレータを使用して、実験を繰り返すと、トランスデューサの表面から実際に水を押し出す噴水が生じた。感知できる熱は検出されず、そして、水蒸気の発生は観察されなかった。
【００９６】
これらのテストは、交互切替超音波伝達（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）は、再度、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）力がないことが証明されただけではなく、トランスデューサ  アレイから液体を、垂直に移動させる振動力が存在することも証明されたことを示す。
【００９７】
実験３
正弦波超音波伝達または交互切替超音波波形伝達のいずれかに付された、リスプロ  インスリンの一連のＨＰＬＣスペクトログラフが得られた。
図２６Ａのグラフでは、インスリンは超音波に付されていないという点で、１グラムのリスプロ  インスリンは、対照として示される、ＨＰＬＣスペクトルを有することが分かる。図２６Ｂのグラフでは、１グラムのリスプロ  インスリンは、８時間の連続暴露にわたって、５０ｍ秒ののこぎり状の波形に続く、５０ｍ秒の方形波形での、交互切替超音波伝達（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）に付された。この実験は、対照と同一のＨＰＬＣスペクトルを生成しており、これは、インスリンの劣化がなかったことを示す。
【００９８】
図２７は、正弦波超音波ジェネレータである、従来の音波チップを使用する、前記の実験で記載されている、Ｓｏｎｉｃ  Ｖｉｂｒａ  Ｃｅｌｌ  Ｍｏｄｅｌ  Ｎｏ  ＶＣＸ  １３０  ｐｂを使用して、１グラムのリスプロ  インスリンに対して行われたような、正弦波超音波伝達によって生じたインスリンに対する損傷を示す。暴露は、丁度１分であった。この事例では、インスリンＨＰＬＣスペクトルは、薬物の深刻な分解を示した。これは、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）に起因する。薬物の温度は、１分間の暴露において、４．３℃上昇した。
【００９９】
実験４
大きな分子物質のすべての送達のために、皮膚の毛穴拡張の効果を齎すための交互切替超音波伝達（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）の使用
図２８は、交互切替超音波波形の使用による効果によって、齎される、人間の皮膚の毛穴拡張を示す。死体の顔の皮膚を使用すると、のこぎり状のコンポーネントは、皮膚に対して水平力を及ぼし、それは、皮膚の毛穴を拡張し、５ミクロンから１０ミクロンに開口部を拡大するように機能すると信じられている。
【０１００】
実験５
キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波伝達と交互切替超音波伝達（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）とのビーム分析および比較
図２９は、図５で描写される設計に従って、５０ｍ秒ののこぎり状の波に続いて、５０ｍ秒の方形波の交互切替伝達を伝搬する、図２２で描写される本発明による、４−エレメント  トランスデューサ設計に従って構成された単一エレメント  トランスデューサのビーム伝達を示す。
【０１０１】
図１５および１６で描写されるように、着色された水中における超音波伝達（図２９）は、伝達が、トランスデューサから一方向に発されたことを示す。
【０１０２】
紙との接触時の超音波伝達のビームプロファイル（ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を見ると、図３０に示されるように、２５ｋＨｚおよび４０ｋＨｚ周波数における交互切替伝達は、２つの別個の実験において、ほぼ均一の球形の伝達パターンを示す。
【０１０３】
図３１は、正弦波超音波伝達を使用した、２４および４０ｋＨｚでのビームプロファイル（ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を示す。このビームプロファイル（ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）は、不規則な形状をしており、パターンの交点における強力な熱効果が明らかである。キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）は、２５ｋＨｚではより強力であり、そして、４０ｋＨｚではより弱かった。
【０１０４】
図３２および図３３は、６０、８０および１００ｋＨｚの複数のキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）スパイクポイント（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ  ｓｐｉｋｅ  ｐｏｉｎｔｓ）を有する正弦波ビームパターンを示す。
【０１０５】
ビーム分析により、正弦波超音波（低周波数でさえも）は、ターゲットに対して、不規則なパターンを生成することが示され、そして、音波伝達のトラフ（ｔｒｏｕｇｈ）において、強力なキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）および熱効果が観察された。
【０１０６】
装置設計
図３４は、本発明による、キャビテーション（cavitation）のない超音波ジェネレータをトランスデューサ（モデル番号ＢＫＲ−１０１１−２７）に送達することが可能な、超音波ジェネレータの回路図である。
以下の部品リストは、本発明による、図３４に示される、２３〜３０ｋＨｚ周波数で、５００ｍＷ／ｓｑ．ｃｍの総パワー出力のための、４−エレメント  アレイにおいて、１つのトランスデューサ  エレメントあたり、１２５ｍＷ／ｓｑ．ｃｍの強度で、５０ｍ秒の  のこぎり状の波形／５０ｍ秒方形波形で、特別なトランスデューサへの動力を供給することが可能な、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない回路のためのものである。
【０１０７】
以下は、図３４に示される、トランスデューサへのキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波ジェネレータ用の、交互切替超音波ドライバ基板のための部品リストである。
【０１０８】
【表１】
2017523891.tif 000003
2017523891.tif 000004
2017523891.tif 000005
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【０１０９】
以下は、図３４に示される、トランスデューサへのキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波ジェネレータ用の交互切替超音波配電盤（ｐｏｗｅｒ  ｂｏａｒｄ）において、使用された電子機器のための部品リストである。
【０１１０】
【表２】
2017523891.tif 000008
【０１１１】
以下は、図３４に示される、トランスデューサへの、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波ジェネレータ用の交互切替超音波シャシ（ｃｈａｓｓｉｓ）のための部品リストである。
【０１１２】
【表３】
2017523891.tif 000009
【０１１３】
この発明のデバイスは、ある特定の主要な機能を提供することを意図する。
ａ）１つまたは複数の異なる超音波波形を生成する、新しいトランスデューサ設計およびトランスデューサのアレイの使用は、超音波に付されるターゲット材料における、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）および強力な熱効果を生み出すという、超音波の傾向を低減または排除することができる。
ｂ）１つまたは複数の異なる超音波波形を生成する、新しいトランスデューサ設計およびトランスデューサのアレイの使用により、より高い電力利用効率を提供し、そして、ターゲット材料に対する過度のキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）の損傷効果の回避に役立てることができる。
ｃ）超音波伝達において、１つまたは複数の異なる交互切替音波波形を使用する際に、いずれか１つの波形に存在する時間のタイミングを変化させることにより、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）形成および成長を妨害することができる。
ｄ）さらに、超音波伝達において、異なる交互切替音波波形間に、タイミングサイクル（ｔｉｍｉｎｇ  ｃｙｃｌｅ）における不活性化期間（ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  ｐｅｒｉｏｄ）をインストールすることにより、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）形成および成長を妨害することができる。
ｅ）単一のエレメント  トランスデューサ、およびトランスデューサのアレイを通じて、の両者において、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）のない超音波の提供が可能なトランスデューサ設計について、それらの手段または製作と共に開示されており、そして、当該デバイスに送達された電子信号と同様の機械的な波形をトランスデューサに生じさせることについて開示されている。
ｆ）薬物相互作用における、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）超音波の損傷効果が示されており、リスプロ  インスリンは、正弦波超音波である、従来の単一波形音波エネルギーによって劣化することが見出された。従来の超音波のビームプロファイル（ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅ）は、音波パターン内の強力な熱効果を有するが、しかし、交互切替超音波波形伝達の使用を通じて発見されたパターンを有しない、不規則な形状の伝達エネルギーを呈する。
【０１１４】
本発明を、上記に詳細に説明してきたが、当業者であれば、デバイスの設計や機能に対する多くの変形形態があるが、そのような設計や機能の変形形態は、本開示の範囲内に収まることが意図されることが認識されよう。
【０１１５】
当業者であれば、その広い発明概念から逸脱することなく、上記で説明された実施形態を変更できることが理解されよう。従って、この発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の精神および範囲内で、変更形態を包含することが意図されることが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
2017523891.tif 000033
【図２５】
2017523891.tif 000034
【図２６Ａ】
2017523891.tif 000035
【図２６Ｂ】
2017523891.tif 000036
【図２７】
2017523891.tif 000037
【図２８】
2017523891.tif 000038
【図２９】
2017523891.tif 000039
【図３０】
2017523891.tif 000040
【図３１】
2017523891.tif 000041
【図３２】
2017523891.tif 000042
【図３３】
2017523891.tif 000043
【図３４−１】
2017523891.tif 000044
【図３４−２】
2017523891.tif 000045
【図３４−３】
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【図３５】
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【国際調査報告】
2017523891.tif 000048