(57)【要約】生成されたキャビテーション気泡の挙動から得られる情報を用いて、超音波照射の最適化を図る。高周波数の超音波を周囲の少なくとも一部に液体が存在する対象物に向けて照射し、該対象物を含む領域にキャビテーション気泡を生成させる第1ステップと、低周波数の超音波を該対象物に向けて照射し、該キャビテーション気泡を崩壊させて、該対象物に高エネルギーを付与する第２ステップと、第２ステップの後のインターバル時間である第３ステップと、を有する第１工程と、該キャビテーション気泡から放出される音波を取得し、該音波を信号処理することで超音波照射条件を制御する第２工程と、を有する。第２工程には、安定なクラウドキャビテーションが生成されているか、崩壊位置は適切か、崩壊圧は適切か、残留気泡は十分少ないかの判定が含まれる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波数の超音波を周囲の少なくとも一部に液体が存在する対象物に向けて照射し、該対象物を含む領域にキャビテーション気泡を生成させる第1ステップと、
低周波数の超音波を該対象物に向けて照射し、該キャビテーション気泡を崩壊させて、該対象物に高エネルギーを付与する第２ステップと、
第２ステップの後のインターバル時間である第３ステップと、
を有する第１工程と、
該キャビテーション気泡から放出される音波を取得し、該音波を信号処理することで超音波照射条件を制御する第２工程と、
を有する超音波照射方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法おいて、第１工程の第３ステップは、第２ステップの後に、超音波を対象物に向けて照射しない、あるいは気泡の発生及び成長を誘発しない程度の強度の超音波のみを照射するインターバル時間であることを特徴とする超音波照射方法。
【請求項３】
請求項１，２いずれかに記載の方法において、前記第２工程は、第１工程の第１、第２、第３ステップのいずれの時刻においても行うことができ、該キャビテーション気泡から発生する音波を受動的に受信および／あるいは照射された超音波に対してキャビテーション気泡から反射される音波を受信することによって行われることを特徴とする超音波照射方法。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の方法において、該第２工程の信号処理は、第１工程の第1ステップによって安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定を含み、制御される超音波照射条件は高周波数の超音波の出力および／あるいは照射時間であることを特徴とする超音波照射方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、制御される超音波照射条件は、さらに、高周波数の超音波の周波数を含むことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項６】
請求項４，５いずれかに記載の方法において、安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定は、キャビテーション気泡からの音波の受信信号の、圧力振幅および／あるいは圧力の大きさを用いることを特徴とする超音波照射方法。
【請求項７】
請求項４乃至６いずれかに記載の方法において、安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定は、キャビテーション気泡からの音波の受信信号の周波数成分を用いることを特徴とする超音波照射方法。
【請求項８】
請求項４乃至７いずれかにおいて、安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定は、生成されたキャビテーション気泡群が中音圧域にあるかを判定することで行うことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の方法において、該第２工程の信号処理は、第１工程の第２ステップによるキャビテーション気泡の崩壊位置および／あるいは崩壊時刻が適切であるかの判定を含み、制御される超音波照射条件は、位置決めであることを特徴とする超音波照射方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、キャビテーション気泡の崩壊位置および／あるいは崩壊時刻が適切であるかの判定は、低周波の超音波の送信から崩壊圧による音波の受信までの時間を測定することで行うことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０いずれかに記載の方法において、該第２工程の信号処理は、第１工程の第２ステップによるキャビテーション気泡の崩壊圧が適切であるかの判定を含み、制御される超音波照射条件は、低周波数の超音波の出力、波数、立ち上がりの時定数、立ち上がりの位相、周波数の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、制御される超音波照射条件は、さらに、高周波数の超音波の照射条件、位置決めの少なくとも一つを含むことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項１３】
請求項１１，１２いずれかに記載の方法において、キャビテーション気泡の崩壊圧が適切であるかの判定は、崩壊圧による音波の受信信号の、圧力振幅および／あるいは圧力の大きさの測定によって行うことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１３いずれかに記載の方法において、該第２工程の信号処理は、第１工程の第３ステップにおける残留気泡が十分少ないか否かの判定を含み、制御される超音波照射条件は、請求項１記載の第１工程の繰り返し周波数であることを特徴とする超音波照射方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法おいて、該判定は、残留気泡の崩壊圧および／あるいは崩壊時間によって行うことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法おいて、該判定は、第１工程第３ステップにおいて照射された、気泡の発生及び成長を誘発しない程度の強度の超音波超音波に対して、残留気泡から反射される音波を受信することによって行うことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項１７】
請求項１乃至１６いずれかに記載の方法において、該キャビテーション気泡から生成される音波の処理は、音波に基づくキャビテーション気泡の画像の取得を含むことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１７いずれかに記載の方法において、該方法はさらに、対象物、および／あるいは、対象物の周囲の環境からの音波を取得して信号処理するステップを含むことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、該信号処理は、対象物、および／あるいは、対象物の周囲の環境からの音波の信号を用いた該対象物および／あるいは、対象物の周囲の画像を取得することを含む超音波照射方法。
【請求項２０】
請求項１乃至１９いずれかに記載の方法において、該第２ステップは、対象物の破砕を含むことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項２１】
請求項１乃至１９いずれかに記載の方法において、該第２ステップは、対象物からの異物の剥離を含むことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項２２】
請求項１乃至１９いずれかに記載の方法において、該第２ステップは、対象物の表面改質を含むことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項２３】
請求項１乃至１９いずれかに記載の方法において、該第２ステップは、対象物の熱的変性を含むことを特徴とする超音波照射方法。
【請求項２４】
設定された超音波照射条件に基づいて対象物に超音波を照射する超音波照射部と、
音波受信部と、
音波受信部で受信した信号を処理する信号処理部と、
超音波照射部の超音波照射条件を制御する制御部とを有し、
該超音波照射部は、該制御部によって、高周波数の超音波を周囲の少なくとも一部に液体が存在する対象物に向けて照射し、該対象物を含む領域にキャビテーション気泡を生成させ、次いで、低周波数の超音波を該対象物に向けて照射し、該キャビテーション気泡を崩壊させて、該対象物に高エネルギーを付与するように制御されており、
該音波受信部は、該キャビテーション気泡から放出される音波を受信し、受信した音波を該信号処理部で処理することで、信号処理結果に基づいて該制御部によって超音波照射条件を制御するように構成したことを特徴とする超音波照射装置。
【請求項２５】
請求項２４に記載の装置において、該音波受信部は超音波プローブおよび／あるいはハイドロフォンであることを特徴とする超音波照射装置。
【請求項２６】
請求項２４，２５いずれかに記載の装置において、該信号処理部は、受信した音波の音圧分析部を含むことを特徴とする超音波照射装置。
【請求項２７】
請求項２４乃至２６いずれかに記載の装置において、該信号処理部は、受信した音波の周波数分析部を含むことを特徴とする超音波照射装置。
【請求項２８】
請求項２３乃至２７いずれかに記載の装置において、該装置は、さらに、気泡の発生及び成長を誘発しない程度の強度の超音波を照射する手段を含み、対象物および／あるいは対象物の周囲の環境および／あるいはキャビテーション気泡からの該超音波の反射音波を音波受信部で処理するように構成されていることを特徴とする超音波照射装置。
【請求項２９】
請求項２４乃至２８いずれかに記載の装置において、該信号処理部は、受信した音波に基づいて画像情報を得る画像処理部を含むことを特徴とする超音波照射装置。
【請求項３０】
請求項２３乃至２９いずれかに記載の装置において、超音波照射条件は、高周波数超音波の出力、高周波数超音波の照射時間、高周波数超音波の周波数、対象物に対する超音波照射部の位置決め、繰り返し周波数、低周波数超音波の出力、波数、立ち上がりの時定数、立ち上がりの位相、周波数からなる群から選択された一つあるいは複数を含むことを特徴とする超音波照射装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載の装置において、該装置は、記憶部を有し、該記憶部には、前記超音波照射条件と物理的条件との関係を示す情報が格納されていることを特徴とする超音波照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波照射方法及び超音波照射装置に係り、詳しくは、キャビテーション気泡の崩壊圧を利用した対象物の破砕、洗浄、表面改質等に関するものである。本明細書においては、一つの好ましい態様である結石破砕に基づいて本発明を説明するが、本発明は、結石破砕等の医療アプリケーションのみならず、超音波洗浄やキャビテーション・ピーニング等の工業アプリケーションにおいても有用である。
【背景技術】
【０００２】
衝撃波結石破砕術(SWL: Shock Wave Lithotripsy)は、現在においてほぼ確立された治療技術としてとらえられることが多い。しかしながら、結石破砕片が比較的大きく、またキャビテーションによって正常組織が損傷されるという未解決問題を抱えていることも事実である。体組織の損傷は、キャビテーション気泡が急激につぶれる（崩壊する）時に発生する大きな衝撃圧が原因である。一方で、キャビテーション気泡の崩壊圧力は結石を削り取るのに十分な力を持っていることも確かである。とすれば、結石表面だけに局在化してキャビテーション気泡を発生させ、さらには効果的にその崩壊を引き起こしてやることができれば、正常組織に与えるダメージを最小限に抑えつつ、結石のみを破砕することが可能であると考えられる。【０００３】
本出願の発明者等は、２種類の集束超音波によって、超音波キャビテーションをコントロールし、結石のみを表面から削り取るように破砕する手法を開発した。本方法は、衝撃波による高圧を用いずに、超音波キャビテーションの崩壊現象によるエロージョンで、結石のみを破砕するものである。キャビテーションを生成させる圧力波としては、SWLによる衝撃波と比べ、1オーダーほど波長が短い集束超音波を用い、局在化された領域にキャビテーションを生成させて崩壊を引き起こすことにより、結石表面のみでの高圧力・高エネルギーの集中を導く。これにより、現存SWLの問題点である比較的大きい破砕片、キャビテーション損傷による体組織の損傷の双方を解決し得る結石破砕手法を開発した。【０００４】
これまで、２種類の超音波を用いた手法においては、経験的に適切だと思われる超音波出力および超音波照射時間を与えることによってシーケンシャルな制御を行っていた。例えばキャビテーション生成に必要な時間を50μs、消滅に必要な時間を50msとしていた。しかしながら、高周波数超音波によって安定なキャビテーションを生成し、それを後に続く低周波数超音波でそれを崩壊させ、非常に限定された時空間領域で非常に高い圧力を得るという本手法においては、キャビテーションの状態を常に把握し、常に最適な状態を保つようにすることが重要である。特に、医療応用を考える際には、1)患部以外にキャビテーションの崩壊圧を作用させずに 2)患部においてはキャビテーションの崩壊を最大限（最適に）引き出すことが重要となる。【０００５】
ここで、発明者等の研究によって、破砕力は、安定なクラウドキャビテーションの生成の精度に大きく依存し、安定なクラウドキャビテーションの生成は、焦点での圧力振幅、溶存ガス濃度、気泡核濃度、飽和蒸気圧などに大きく依存するため、その系での最適な超音波照射条件はこれらによって大きく変化する、という知見が得られた。ここで、安定なクラウドキャビテーションとは図８に示すように、ある一定の超音波照射時間を超えたときに、クラウドキャビテーションの大きさおよび形状の変化率が著しく減少している状態を指す。また、単位時間あたりの破砕量は、安定なクラウドキャビテーションの単位時間あたりの崩壊回数、すなわち、高周波数超音波と低周波数超音波の繰り返し周波数に大きく依存し、繰り返し周波数はクラウドキャビテーション崩壊後の残留気泡の消滅時間に大きく依存する。２種類の超音波を用いた手法を、より高度な超音波治療装置に利用するためには、集束超音波音場における音響キャビテーションの発生から崩壊、消失までの一連の挙動を、物理的に把握しその高圧・高エネルギーの集中をコントロールすることが必要となる。
【特許文献１】特開２００４−３３４７６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高周波数の超音波によってキャビテーションを生成し、それを後に続く低周波数の超音波で崩壊させ、限定された時空間領域で非常に高いエネルギーを生成する手段において、生成されたキャビテーション気泡の挙動から得られる情報を用いて、超音波照射の最適化を図ることを目的とするものである。エネルギーの集中効率は、安定なクラウドキャビテーションの生成の精度に大きく依存し、安定なクラウドキャビテーションの生成は、焦点での圧力振幅、溶存ガス濃度、気泡核濃度、飽和蒸気圧などに大きく依存するため、その系での最適な超音波照射方法はこれらによって大きく変化する。また、単位時間あたり集中されるエネルギーの総量は、安定なクラウドキャビテーションの単位時間あたりの崩壊回数、すなわち、高周波数超音波と低周波数超音波の繰り返し周波数に大きく依存し、繰り返し周波数はクラウドキャビテーション崩壊後の残留気泡の消滅時間に大きく依存する。そのため、超音波によるキャビテーションの発生から崩壊、消失までの一連の挙動を常に把握しながら、そのエネルギーの集中をコントロールすることが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を達成するために本発明が採用した技術手段は、高周波数の超音波を周囲の少なくとも一部に液体が存在する対象物に向けて照射し、該対象物を含む領域にキャビテーション気泡を生成させる第1ステップと、低周波数の超音波を該対象物に向けて照射し、該キャビテーション気泡を崩壊させて、該対象物に高エネルギーを付与する第２ステップと、第２ステップの後のインターバル時間（インターバル工程）である第３ステップと、を有する第１工程と、該キャビテーション気泡から放出される音波を取得し、該音波を信号処理することで超音波照射条件を制御する第２工程と、を有する。好ましくは、キャビテーション気泡は、対象物近傍の局所領域に生成され、該キャビテーション気泡を崩壊させることで、該対象物に局所的に高エネルギーを付与する。好ましい態様では、第１工程の第３ステップは、第２ステップの後に、超音波を対象物に向けて照射しない、あるいは気泡の発生及び成長を誘発しない程度の強度の超音波のみを照射するインターバル時間である。【０００８】
一つの好ましい態様では、該第２工程の信号処理は、第１工程第１ステップによって安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定を含み、制御される超音波照射条件は高周波数の超音波の出力および／あるいは照射時間である。判定結果が「否」の場合には、高周波数の超音波の出力および／あるいは照射時間を再設定する。制御される超音波照射条件は、高周波数の超音波の周波数を含んでもよい。制御される超音波照射条件は、さらに、超音波照射装置の位置調整（位相を含む）を含んでもよい。【０００９】
安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定は、一つの好ましい態様では、受信信号の、圧力振幅および／あるいは圧力の大きさを用いることで行う。また、他の好ましい態様では、安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定は、受信信号の周波数成分を用いることで行う。【００１０】
本発明の一つの好ましい態様では、該第２工程の信号処理は、第１工程第２ステップによるキャビテーション気泡の崩壊位置が適切であるかの判定を含み、制御される超音波照射条件は、位置決め（位相を含む）である。判定結果が「否」の場合には、装置の位置調整を行う。キャビテーション気泡の崩壊位置が適切であるかの判定は、低周波の超音波の送信から崩壊圧による音波の受信までの時間を測定することで行う。【００１１】
本発明の一つの好ましい態様では、該第２工程の信号処理は、第１工程第２ステップによるキャビテーション気泡の崩壊圧が適切であるかの判定（破砕効率が適切であるかの判定）を含み、制御される超音波照射条件は、低周波数の超音波の出力、波数、立ち上がりの時定数、立ち上がりの位相、周波数の少なくともいずれか一つを含む。さらに、制御される超音波照射条件は、高周波の超音波のパラメータ（出力、照射時間、周波数）、位置決め、位相補正の少なくとも一つを含んでもよい。キャビテーション気泡の崩壊圧が適切であるかの判定は、一つの好ましい態様では、崩壊圧による音波の受信信号の、圧力振幅および／あるいは圧力の大きさの測定によって行う。【００１２】
本発明の一つの好ましい態様では、該第２工程の信号処理は、第１工程第３ステップの残留気泡が十分少ないか否かの判定を含み、制御される超音波照射条件は、繰り返し周波数である。該判定は、好ましい態様では、残留気泡の崩壊圧および／あるいは崩壊時刻によって行う。【００１３】
本発明において、該キャビテーション気泡から生成される音波の処理は、音波に基づくキャビテーション気泡の画像の取得を含んでもよい。さらには、該方法は対象物、および／あるいは、対象物の周囲の環境からの音波を取得して信号処理するステップを含んでもよい。そして、該信号処理は、対象物、および／あるいは、対象物の周囲の環境からの音波の信号を用いた該対象物および／あるいは、対象物の周囲の画像を取得することを含んでもよい。【００１４】
本発明において、該第１工程第２ステップは、好ましい幾つかの態様では、対象物の破砕、対象物からの異物の剥離、対象物の表面改質、対象物の熱的変性を含む。【００１５】
本発明は、超音波照射装置としても提供される。本発明に係る超音波照射装置は、設定された超音波照射条件に基づいて対象物に超音波を照射する超音波照射部と、音波受信部と、音波受信部で受信した信号を処理する信号処理部と、超音波照射部の超音波照射条件を制御する制御部とを有し、該超音波照射部は、該制御部によって、高周波数の超音波を周囲の少なくとも一部に液体が存在する対象物に向けて照射し、該対象物を含む領域にキャビテーション気泡を生成させ、次いで、低周波数の超音波を該対象物に向けて照射し、該キャビテーション気泡を崩壊させて、該対象物に高エネルギーを付与するように制御されており、該音波受信部は、該キャビテーション気泡から放出される音波を受信し、受信した音波を該信号処理部で処理することで、信号処理結果に基づいて該制御部によって超音波照射条件を制御するように構成されている。【００１６】
好ましい態様では、該音波受信部は超音波プローブおよび／あるいはハイドロフォンである。【００１７】
一つの好ましい態様では、該信号処理部は、受信した音波の音圧分析部を含むものである。音圧分析部によって、圧力振幅、圧力の大きさ、崩壊位置、崩壊時刻、崩壊圧等を分析することができる。【００１８】
他の好ましい態様では、該信号処理部は、受信した音波の周波数分析部を含むものである。周波数分析部によって、圧力振幅、圧力の大きさ、崩壊圧等を分析することができる。【００１９】
一つの好ましい態様では、該装置は、さらに、気泡の発生及び成長を誘発しない程度の強度の超音波を照射する手段を含み、対象物および／あるいは対象物の周囲の環境および／あるいはキャビテーション気泡からの該超音波の反射音波を音波受信部で処理するように構成されている。【００２０】
一つの好ましい態様では、該信号処理部は、受信した音波に基づいて画像情報を得る画像処理部を含むものである。【００２１】
超音波照射条件は、限定されない好ましい例では、高周波数超音波の出力、高周波数超音波の照射時間、高周波数超音波の周波数、対象物に対する超音波照射部の位置決め、繰り返し周波数、低周波数超音波の出力、波数、立ち上がりの時定数、立ち上がりの位相、周波数からなる群から選択された一つあるいは複数を含むものである。【００２２】
他の好ましい態様では、該装置は、記憶部を有し、該記憶部には、前記超音波照射条件と物理的条件との関係を示す情報が格納されている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、生成されたキャビテーション気泡の挙動から得られる情報を用いて、安定なクラウドキャビテーションが生成されているか否か、崩壊位置は適切であるか、崩壊圧は適切であるか、残留気泡は十分少ないか等を判定することができ、判定結果に基づいて、確実に安定なクラウドキャビテーションを生成し、安定なクラウドキャビテーションを、確実にかつ正確な時刻および位置で崩壊に導き、最適な繰り返し周波数に超音波照射条件を再設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［Ａ］２種類の周波数を用いた超音波照射手法
先ず、本発明に係る２種類の周波数を用いた超音波照射について説明する。最初に、結石破砕装置の基本構成について説明する。図1に、本発明に係る超音波キャビテーション実験装置の概略図を示す。集束超音波の発生源として、アクリル水槽に固定された開口径80mm、焦点距離80 mmの凹面PZT（ジルコン酸チタン酸鉛）トランスデューサを用いた。PZT素子は共振周波数1.08MHzと545kHzを持つものの二種類を用いた。PZT素子の特性として、基本モードの共振周波数以外に、 (2n+1) 倍の高次モードの共振点が存在し、他の周波数と比べ、高い出力が可能である。
【表１】
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【００２５】
PZTトランスデューサからアクリル水槽中に発信される超音波の波形はPC上で作成された後、任意波形発生装置(Agilent，33120A) にて発生、超音波帯域のアンプ (T&C Power Conversion，AG1024) によって増幅され、PZT素子に送られる。発信された超音波は凹面PZT素子の幾何学焦点である80 mmの位置に集束する。AG1024の最大出力は、正弦波連続発信時で電力2 kW、パルス発信時の電圧振幅で800 Vである。【００２６】
キャビテーション現象の観測にはDRS Hadland社のフレームモードの超高速度カメラ、IMACON 200を用いた。IMACON 200は最小で5 nsの露光時間、5 nsのインターフレームでの撮影が可能であり、MHzオーダの超音波によって発生するキャビテーション現象をとらえるのに十分な性能を有する。また、高速度カメラに、長距離顕微鏡(Quester，QM100, 焦点距離150〜350
mm)を取り付けることにより、0.33mm×0.40mm〜2.50mm×3.06mの領域を1200pix×980pixのCCD画像に撮影した。キャビテーション生成範囲への採光は、最大200 J/flashの光量を持つ、高輝度ストロボ点光源 (日進電子、SA200F)を用いて行った。点光源からの光を、レンズ系により平行光に変換した後テストセクションに導き、超音波キャビテーションの現象観測、および崩壊による衝撃波のシャドウグラフ撮影を行った。キャビテーション崩壊による音圧は、衝撃波測定用ハイドロフォン(IMOTEC，Type 80-0.5-4.0,立ち上がり時間50ns)により測定した。また、音圧測定と高速度カメラによる現象撮影との同期したデータを、任意波形発生装置からのトリガ信号を基準として行った。キャビテーションを成長させる固体壁面としては、アルミニウム球を用いた。また、水槽中の水は、溶存酸素濃度において1.0〜2.0ppmに、連続脱気されている状態で実験が行われた。【００２７】
図２にキャビテーション制御手法のスキーム概略図と、音響キャビテーション制御に用いられた超音波パルス波形の概略を示す。音響キャビテーションの制御は二種類の周波数をもつ集束超音波によってなされる。一方は狭い領域にキャビテーションを発生させる高周波（１MHz〜４MHｚ程度）の超音波である(図2-1、2)。高周波超音波は焦点領域に、多数の微小気泡で構成されるクラウドキャビテーションを発生させる。もう片方の超音波は、前記の高周波の超音波周波数より１オーダー程度低い、クラウド気泡の群としての共振周波数近辺の周波数を持つ低周波の超音波（１００kHz〜１MHｚ程度）であり、図2下に示されるように、高周波の超音波がストップした後、直ちに印加される。この低周波の超音波は、高周波で生成されたクラウドを強制振動させ崩壊を導く(図２-3、4)。振動圧力場中におかれたクラウドの内部には衝撃波が集束し、中心部では、気泡は激しく崩壊する(図２-5、6)。この一連のスキームの結果、空間的に制御された位置にクラウドキャビテーションが生成し、さらに、その崩壊を誘導することにより、効率よい結石破砕が実現され得る。【００２８】
次に、クラウドキャビテーションの崩壊挙動について説明する。図3は、実際に上記の手法を用いて集束超音波による音響キャビテーションを生成・崩壊させたときのキャビテーションの挙動を示している。図3(a)は2.75MHzの高周波超音波によって作られるクラウドキャビテーションが545kHzの低周波超音波によって崩壊に導かれる様子である。【００２９】
図３(a)の１フレーム目に見られるような半楕円球状のクラウドキャビテーションは、高周波超音波の周波数が同じであれば、安定したサイズ・形状を保って生成することが出来る。また、異なる周波数で生成したクラウドキャビテーションは、超音波の波長に強く依存することがわかっており、高周波の周波数を変えることによって、結石表面の局在的な領域に任意のサイズのクラウドキャビテーションを生成することができる。このことについて補足する。100〜200μsの時間、連続して超音波を照射した後に、壁面上に発達したクラウドキャビテーションの様子を観測した。図２６Ａはさまざまな周波数における、集束超音波によってつくられる、サイズ・形状が安定な半楕円球状のクラウドキャビテーションを撮影したものである。1.67， 2.75，3.27，3.82 MHzのいずれの周波数においても、固体壁面上の超音波の焦点領域に安定な半楕円体状のクラウドキャビテーションが形成された。また、図２６Ａに示されるようなクラウドキャビテーションの、代表長さを周波数に対してプロットしたものが図２６Ｂである。代表長さとしては、固体壁面の法線方向のクラウドの最大長さを用いた。図２６Ｂより、超音波によって固体壁面上に発生するクラウドキャビテーションの長さは超音波の波長と強い相関が見られ、波長の４分の1倍の線に非常によくフィットしている。波長によって気泡クラウドサイズが一意に決まるという結果は、固体壁近傍の定在波のつくる音場が、クラウド生成領域に対して大きく影響を及ぼしているからであると考えられる。結果として、図２６Ａ,２６Ｂは、集束超音波によって固体壁面上に発達するクラウドキャビテーションは、その発生領域を超音波の波長によって制御可能であることを示している。また、特に1.0 MHz以上の超音波であれば、1.0 mm以下の局在的な領域に導くことが可能であることがわかった。【００３０】
図３(a)の2、3フレーム目では、半楕円球状のクラウドキャビテーションが、545 kHzの超音波の正圧部において、クラウドを構成する一つ一つの気泡の体積を減少させ崩壊している様子が確認できる。このとき、クラウドキャビテーションの中心部においては多数の気泡が激しく崩壊し、固体表面に対して非常に高い圧力を及ぼしていると考えられる。すなわち、クラウドキャビテーションを崩壊させることによって、高い圧力を空間的に制御して、結石表面のみに集束することができる。【００３１】
図3(b)は、図3(a)に続いて発生するクラウドキャビテーションの崩壊による衝撃波伝播の様子のシャドウグラフ（影絵）画像である。超音波周波数は異なるが、図3の3フレーム目においてクラウドキャビテーションが崩壊した直後の現象に対応している。高周波の超音波としては3.82MHz、続いて印加する低周波の周波数は545 kHzである。図3(b)では、気泡クラウドを中心とした球面波が、外に伝播してゆく様子がわかる。シャドウグラフ画像においては、密度変化の傾きが大きいところが、黒・白の濃淡となって現れる。すなわち、図3(b)に見られる衝撃波の陰影は、その場所において非常に高い圧力が発生していることを示している。実際に、このときの衝撃圧を遠方において測定したところ、単一のキャビテーション気泡がそれぞれ崩壊したときの衝撃圧と比べ3倍以上の圧力値を観測している。【００３２】
さらに、図3(a)、(b)の現象は、高速度カメラ撮影のほぼ同一フレームにおいて毎回観測されており、遠方で計った衝撃圧センサにおいても、クラウドキャビテーションの崩壊の信号のばらつきは±100 n秒であった。このことより、本手法によれば時間的にも非常にコントロールされた領域に高圧力・高エネルギーを集束させることが可能であることがわかった。 【００３３】
破砕実験について説明する。ここでは、上記手法を用いて、実際にモデル結石・腎臓結石の破砕の適応可能性を確かめた結果について述べる。図4(a)、(b)はモデル結石に対して、本手法を適用した結果である。図4(a)は、超音波照射時間ごとのモデル結石の様子であり、図4(b)は削り取られた破砕片の様子である。キャビテーション制御波形は、図2に示したものと同様であり、高周波＋低周波のひとまとまりを1パルスとし、繰り返し周波数25Hzで超音波を照射した。すなわち、結石表面では1分間に1500回、クラウドキャビテーションの崩壊を起こしている。【００３４】
図4(a)より、結石は、表面より削り取られるように破砕されている様子がわかる。12分後にモデル結石はその質量のほぼ3分の1を削り取られており、30〜40分でモデル結石は完全に破砕された。これは、現存SWL機器によるトータルの治療時間（60〜120分）と比べても劣らない効率である。また、図4(b)より、破砕片はキャビテーションエロージョンによって削り取られるように破砕されていることがわかる。すべての破砕片は1 mm以下であり、尿道を無痛で通過するに十分なサイズであると考えられる。【００３５】
図4(c)は腎臓結石の中でも最も硬く、現存SWL機器での破砕が困難であるとされているシスチン結石に本手法を適応したものである。モデル結石の場合と同様に、非常に細かい破砕片に結石が削り取られていることがわかる。本手法によれば、１）結石はキャビテーションエロージョンにより削り取られ、破砕片を非常に細かくすることができ、２）破砕をもたらす超音波キャビテーションは、結石表面のみに局在化される。よって現存SWL機器が抱える問題点である、結石破砕片が比較的大きいこと、破砕時に体内の正常組織に損傷を与えること、の2点を解決しうる可能性を持つ。尚、２種類の周波数を用いた超音波照射手法については、特開２００４−３３４７６の記載を適宜参照することができる。【００３６】
［Ｂ］フィードバック制御を用いたシステム
［Ｂ−１］フィードバック制御の背景
上述の２種類の周波数を用いた超音波照射手法において、キャビテーションの崩壊を導くためには、キャビテーションの生成プロセスにおいて、目的とする安定なクラウドキャビテーションが的確に生成されている必要がある。発明者等が鋭意研究したところ、破砕力は、安定なクラウドキャビテーションの生成に大きく依存することがわかった。また、安定なクラウドキャビテーションを生成できる範囲は限られており、例えば、図１に示される本実験系では、図８，９に示すように、安定なクラウドキャビテーションの生成は超音波の照射時間あるいは／および超音波の出力という超音波照射条件に依存することもわかった。ここで、超音波出力の大きさは、焦点での超音波の圧力振幅の大きさと強い相関があるが、超音波の伝播過程における反射・屈折・散乱の影響が無視できない場合も多い。さらに、焦点での圧力振幅と安定なクラウドキャビテーションの生成の関係は、焦点での溶存ガス濃度、焦点での気泡核濃度、焦点での飽和蒸気圧、焦点での雰囲気圧力に大きく依存するため、その系での最適な超音波照射条件はこれらによって大きく変化する。したがって、「安定なキャビテーションの生成を確実に実行する」こと一つとっても、キャビテーションの状態をモニタリングし、フィードバックをかけることが重要になってくる。【００３７】
一方、安定なクラウドキャビテーションの生成過程では、キャビテーションから発生する音波が特徴的な変化をすることもわかった。したがって、キャビテーションから発生する音波を用いてフィードバックをかけることにより、様々な条件下で適切なクラウドキャビテーションを生成するように制御することが可能である。さらに、キャビテーションから発生する音波は、その崩壊現象および崩壊後の残留気泡振動の情報も持っているため、これを解析し、フィードバックをかけることで適切な崩壊圧、適切な超音波照射の繰り返し周波数（これは破砕効率に直結する）を得ることも可能である。【００３８】
本発明では、具体的なモニタリング手法としては、一つの好ましい態様として、キャビテーションから発生される音波を用いることができる。キャビテーションからの発生音を図７に示す。この音を処理することで、焦点位置のターゲット、キャビテーションが生成しているかどうか、破砕が十分行われているかどうか、超音波の繰り返し周波数の最適化、のすべてを行うことが出来る。図７に示すように、クラウドが安定化されると高周波数超音波の照射時間に相当する信号に変化がみられる。したがって、信号の変化を監視することで安定なクラウドキャビテーションが生成されているかの判定が行われる。クラウドが崩壊するとその崩壊の強さに応じた衝撃圧が観測される。衝撃圧による音波の受信信号の、圧力振幅および／あるいは圧力の大きさから崩壊圧を推定し、破砕効率が適切か否かの判定ができる。尚、本技術では対象物（結石）エロージョンで削り取られるように破砕されるので、対象物（結石）がどのくらいの速度で削り取られるかと言うことが重要である。よって破砕効率とは、たとえば単位時間あたり削り取られる重量（mg/分）などの量である。また、残留気泡は、100-200μs後に崩壊し、音波を発生する。音波の受信信号の、圧力振幅および／あるいは圧力の大きさ、および崩壊時刻から、最適な繰り返し周波数が決定される。【００３９】
［Ｂ−２］システムの全体構成
システムの全体構成について説明する。キャビテーションの崩壊圧を利用した結石破砕法（CCL:Cavitation  Control  Lithotripsy）は図５のように構成される。システムは、結石の捕捉と結石の破砕の2つに大きく分けられる。結石の捕捉は、結石の位置の測定、超音波発生装置の粗動・微動、超音波発生装置の位相補正を含む。結石の破砕には、高周波超音波の照射と低周波超音波の照射の２ステップが含まれる。結石の破砕過程は、キャビテーション気泡の生成から消滅までの過程と関連しており、具体的には、安定なクラウドキャビテーションの生成、クラウドキャビテーションの崩壊、クラウドキャビテーションの消滅が重要となる。【００４０】
高周波超音波の照射は、安定なクラウドキャビテーションの生成と関連しており、高周波超音波の照射中あるいは照射後（低周波超音波照射後を含む）に、キャビテーションの生成状態をモニタリングすることで、安定なクラウドキャビテーションが生成されているか否かを判定する。低周波超音波の照射は、クラウドキャビテーションの崩壊と関連しており、低周波超音波の照射中あるいは照射後に、崩壊現象をモニタリングすることで、適切な崩壊が行われているか判定する。さらに、低周波超音波の照射後に、残留気泡をモニタリングすることで、キャビテーション気泡が消滅しているかどうか（もしくは十分に少ないかどうか）を判定する。図６に示すフローチャート中のステップ(1)〜(2)が結石の捕捉ブロックに相当し、ステップ(3)〜(8)が結石の破砕ブロックに相当する。【００４１】
本発明に係る超音波照射装置は、キャビテーション気泡から放出される音波を受信する手段を有する。図１の実験装置では、音波の受信手段としてハイドロフォンを用いているが、受信手段の一つの好ましい形態は超音波プローブである。図１２に、受信手段として３形態を例示する。図１２の左図は、高周波数および／あるいは低周波の超音波を照射する圧電素子の内側に超音波プローブを設置したもの、中央図は、高周波数および／あるいは低周波の超音波を照射する圧電素子の外側に超音波プローブを設置したもの、右図の、高周波数および／あるいは低周波の超音波を照射する圧電素子もしくは該圧電素子が複数のセグメントに分かれているタイプでは、それらのセグメントのいくつかが、受信機能を担うものである。これらの形態は、単独もしくはそれらの組み合わせで音波を受信する。受信は、キャビテーション気泡のモニタリングの機能と、結石・組織のイメージングを行う通常の超音波診断としての機能を兼ね備えることができる。また、これらの受信手段を兼ね備えた上で、治療装置の形態がフェーズドアレイ方式（位相補正で焦点位置を変えられるもの）であるか、単一焦点の方式であるかが変わる。音圧信号受信プローブは、キャビテーション気泡から放出される音波を受動的に受信しても良いし、プローブ自身が、超音波を送信し（プローブには波形生成装置が接続されている）、その超音波に対するキャビテーション気泡からの反射波を受信しても良い。【００４２】
超音波プローブで受信された音圧信号は、信号処理部において信号処理される。信号処理部には、受信された音圧信号の圧力振幅および／あるいは圧力の大きさを得る手段と、音圧信号を解析する（周波数フィルターによる周波数成分の抽出、ＦＦＴ等のフーリエ変換による周波数解析が例示される）ことによって周波数成分を得る手段と、音圧信号から画像情報を得る手段が含まれる。音圧信号の圧力振幅および／あるいは圧力の大きさ、音圧信号の周波数成分は、フィードバックループ内のパラメータとして用いることができる。また、音圧信号から取得した画像情報は表示部に表示され、画像情報をフィードバック制御に用いることもできる。【００４３】
［Ｂ−３］フィードバックシステムを用いた破砕の手順
フィードバックシステムを用いた破砕法の一連の流れをフローチャートに基づいて説明する。機器の記憶部には、超音波パラメータに対する物理的なパラメータの依存関係がデータベースとして保存されている。ここで、超音波パラメータは超音波発生装置の焦点位置も含めたパラメータを意味し、具体的には超音波発生装置および受信装置の位置（位相補正によるものを含む）、高周波数の超音波の出力・照射時間・周波数、低周波数の超音波の出力・波数・立ち上がりの時定数・立ち上がりの位相・周波数、第１工程の繰り返し周波数である。物理的パラメータとしては、媒質の状態として、溶存ガス濃度、液体の種類、液体の温度、気泡核濃度、飽和蒸気圧、雰囲気圧力等が、その他にも対象物の音響インピーダンスや表面の粗さなどが含まれる。【００４４】
データベースおよび結石位置の情報に基づいて超音波パラメータの設定を行う（ステップ１）。結石位置の情報は、例えば超音波診断によって得られる。このステップでは、例えば、まず位置決めをし、次に高周波数と低周波数の超音波のパラメータおよび繰り返し周波数を暫定的に設定した後、実際に高周波数の超音波のみを連続で照射してキャビテーションからの音波を受信し、後述のステップ５のフィードバック手法を用いて高周波数の超音波のパラメータを再設定し、低周波数の超音波および繰り返し周波数の最適化はステップ２〜８のループ内で行うという手法が考えられる。【００４５】
結石の移動に追従するため、再び結石の位置を測定し、装置の位置決め（位相補正によるものを含む）を行う（ステップ２）。このとき、結石の移動にリアルタイムに追従することが不可能な場合には、再びステップ１に戻って最初から超音波パラメータを設定し直すこともあり得る。【００４６】
高周波超音波を照射し、安定なクラウドキャビテーションを生成する（ステップ３）。高周波超音波の照射は、ステップ１で設定されたパラメータに基づいて行う。高周波の範囲は、１００ｋＨｚ以上であり、好ましくは、５００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。【００４７】
続いて低周波超音波を照射し、クラウドキャビテーションを崩壊に導き、結石を破砕する（ステップ４）。低周波の範囲は、ステップ３で照射される超音波の周波数の２分の１以下である。【００４８】
安定なクラウドキャビテーションが生成されているかを判定する（ステップ５）。ステップ３のプロセスは例えば50μsという非常に短い時間で終了するため、キャビテーション生成のモニタリングはステップ４の後になる。これは、キャビテーションからの音波の発生から受信するまでに50μs程度かかるためである。もちろん、異なる系にこの技術を用いた場合はこの限りではなく、可能であればこのプロセスはステップ３のすぐ後に行うのが望ましい。ここでは、例えば、キャビテーション発生時の特徴的な音波や安定なキャビテーションからの特徴的な音波などを用いてキャビテーションのモニタリングを行う。安定なキャビテーションが生成されていると判定された場合には、ステップ６に進む。安定なキャビテーションが生成されていないと判定された場合には、ステップ２に戻る。【００４９】
キャビテーション気泡の崩壊位置および／あるいは崩壊時刻が正しいかを判定する（ステップ６）。崩壊圧による音波の受信タイミングから、崩壊が焦点距離だけ離れた位置で起きているかどうかを確認することができる。例えば焦点手前のサイドローブで崩壊が起こっている状態を知覚することができる。さらには、キャビテーション気泡の崩壊位置が正しいと判定された場合には、ステップ７に進む。キャビテーション気泡の崩壊位置が正しくないと判定された場合には、ステップ２に戻る。【００５０】
キャビテーション気泡の崩壊圧が適切かを判定する（ステップ７）。崩壊圧による音波の圧力振幅および／あるいは圧力の大きさ値から、焦点での崩壊圧を推測することができる。これによって、破砕するのに必要な圧力（もしくは圧力振幅）が得られているかを調べることができる。崩壊圧が適切であると判定された場合には、ステップ８に進む。崩壊圧が適切でないと判定された場合には、ステップ２に戻る。【００５１】
残留気泡が十分少ないかを判定する（ステップ８）。崩壊後の残留気泡からの音波を受信することにより、残留気泡の状態をモニタリングすることができる。気泡からの音波の受信は、受信のみでも、送受信でもよいし、またそれらの組み合わせでもよい。【００５２】
［Ｂ−４］キャビテーション気泡生成のモニタリング
安定なクラウドキャビテーションが生成されているか否かは、 音圧振幅の変化・音圧振幅の安定化・気泡から発生する高調波信号の検出・さらには低周波で実際
にクラウドの崩壊信号が得られるか否か等の複数の手法が考えられる。これらの情報は、キャビテーション気泡からの受信音圧の信号を処理することで取得することができる。【００５３】
正常なキャビテーション制御のサイクルの好ましい一つの例は、(1)キャビテーションの発生、(2)安定なクラウドキャビテーションの生成、(3)安定なクラウドキャビテーションの崩壊、(4)キャビテーションの消失、からなる。このうち、(1)、(2)、(3)のプロセスが安定なクラウドキャビテーションの生成と相互に影響しあう部分であり、このプロセスで安定なクラウドキャビテーションの生成をチェックすることが可能である。【００５４】
(1)では、キャビテーションの発生を検知し、発生していたら、あとどれくらいの照射時間で安定なクラウドキャビテーションが生成されるかを予測できる。(2)ではクラウドキャビテーションが安定してきているかを確認する。ただし、安定なクラウドキャビテーションからの音波が検知しにくい場合は、検知しにくいという特徴を使うことも可能であり、さらに、確度を上げるためには(1)、(3)のプロセスでの確認も重要になってくると考えられる。(3)では、データベース通りの（もしくは十分に大きな）崩壊が起こっていれば、結果的に安定なクラウドキャビテーションが生成できていたのだろうということを確認できる。【００５５】
具体的な判定方法としては、音波の圧力と周波数成分で行う。圧力値を用いることについて図７に基づいて説明する。図７には、キャビテーションクラウドから放出される音の受信信号の音圧と時間との関係が示してある。図７に示すように、クラウドが安定化されると高周波数の超音波を照射している間の信号に変化がみられる。例えば図７では、圧力振幅が一度変動と伴いながら大きくなった後に、時間の経過とともにその値を小さくし、ほぼ一定の圧力振幅において安定化している。このような信号の変化を監視することで安定なクラウドキャビテーションが生成されているかの判定が行われる。クラウドが崩壊するとその崩壊の強さに応じた衝撃圧が観測される。データベース通りの崩壊が起こっていれば、結果的に安定なクラウドキャビテーションが生成できていたであろうと判定できる。【００５６】
周波数成分については、例えば、キャビテーションの発生過程において放出される音圧信号は広い周波数帯域をもつため、照射超音波の周波数よりも低い周波数や高い周波数で検出することが可能である。これが安定なキャビテーションになると、周波数成分は照射した超音波の整数倍の高調波成分にほぼ限定されることになる。したがって、(1) 周波数成分の分布（広がり、ばらつき具合）や、(2) ある特定の周波数成分（1/2倍の分数調波成分や2倍の高調波成分など）を調べることで判定することができる。【００５７】
安定なクラウドキャビテーションが生成されているかの判定が「否」の場合のフィードバック制御の対象となるパラメータは高周波の超音波パラメータ（高周波の照射時間、高周波の出力）である。図８には、安定なクラウドキャビテーションに必要な最低出力と最低照射時間の関係が示してある。安定なクラウドキャビテーションの生成は、高周波の超音波の出力や超音波の照射時間に依存する。さらに、高周波の周波数も制御対象となる。これによって、生成するクラウドキャビテーションのサイズを変化させることができ、破砕力（パワーや範囲など）を変化させることができる。【００５８】
安定なクラウドキャビテーションが生成されているかの判定が「否」の場合は、例えば、高周波の照射時間および／あるいは高周波の出力を長く・大きくする。しかしながら、必ずしも、判定が「否」の場合に、高周波の照射時間および／あるいは高周波の出力を長く・大きくするのみとは限らない。例えば、安定な状況を通り越して、気泡が目的としない場所にも発生してしまっている場合は、高周波の照射時間および／あるいは高周波の出力を短く・小さくすることになる。【００５９】
同様に、周波数を変更させる時に、安定なクラウドキャビテーションが生成されているかの判定が「否」の場合は、基本的には周波数を低くするが、気泡が目的としない場所にも発生してしまっている場合は、体組織の損傷を抑える、また効率を上げるという意味でも周波数を高くする必要がある。この「気泡が目的としない場所にも発生する」ということについては、超音波診断の要領でイメージングを行えば精度よく、しかもその位置までを判定することが可能である。ただし、いつでもそれが可能とは限らないので、(1) 安定なクラウドキャビテーションからの音波が安定な状態で保たれているかどうか、また、(2) 崩壊圧が複数の位置から得られていないかどうか（受信タイミングでチェックする）ということから、発生していることをまず判定することも必要になると考えられる。最終的には医者が(3) 超音波イメージング画像上での判断をするという実施形態もあり得る。【００６０】
図６に示すフローチャートにおいては、厳密には、高周波の出力・照射時間を変
化させるというループが存在する。図の簡便のためステップ８からステップ２に戻っているが、先ず、超音波パラメータ高周波の出力・照射時間を変化させ、高周波の出力・照射時間を十分大きく・長くしてもクラウドが発生しなければ、位置決めをし直すところからやり直すことになる。その他のパラメータとしては、フェーズドアレイ方式であれば、個々の素子間の位相の変化がパラメータとなる。【００６１】
［Ｂ−５］キャビテーション気泡崩壊現象のモニタリング
キャビテーション気泡崩壊現象のモニタリングすることで、崩壊位置が適切であるか、崩壊圧が適切であるかを判定する。崩壊位置の判定において、「崩壊圧による音波の受信時刻から、崩壊が焦点距離だけ離れた位置で起きているかどうかの確認」は、低周波の発信から崩壊圧の受信までの時間を測定することによって行う。測定は、直接その時間を測定してもよく、例えば高周波の照射時刻はわかっているので、高周波の発信からの時間を測定することで間接的に測定しても構わない。【００６２】
キャビテーション気泡の崩壊位置が正しくない場合には、マニュアルの位置決めの場合、フィードバック制御によって装置の位置を調整する。フェーズドアレイ方式の場合、位置決めのパラメータとして、各素子の位相もパラメータとなる。【００６３】
焦点での崩壊圧の推定は、結石自体の破砕効率と受信音圧の関係から行う。（崩壊圧自体の計測はできないため受信音圧を持って崩壊圧に依存したパラメータと考える）。最終的に得たい情報は結石の破砕効率と体組織へのダメージの大きさである。これらはともに崩壊圧と強い相関があるので、受信音圧から予測される崩壊圧を介して、それぞれの関係をデータベース化することも可能であり、直接受信音圧と破砕効率およびダメージの大きさの関係をデータベース化することも可能である。【００６４】
適切な崩壊圧が得られていない場合には、フィードバック制御の対象としては、低周波の出力、波数を変化させること、低周波の立ち上がりの時定数を変化させること、低周波の立ち上がりの位相を変化させること、低周波の周波数を変化させること、がある。このような低周波パラメータに加えて、高周波パラメータ、繰り返し周波数、位置決め、（位相補正が可能な装置ならば）位相補正のいずれか、もしくは複数の組み合わせも制御対象となる。例えば、まずは低周波のパラメータの調整を行い、それでも適切な崩壊圧が得られていない場合は高周波パラメータ、位置決め、位相補正などと組み合わせて目標とする状態を達成する。【００６５】
［Ｂ−６］キャビテーション残留気泡のモニタリング
本技術では、キャビテーションを狭い領域に限定して利用することがポイントの一つである。しかし、キャビテーション崩壊後の残留気泡は安定なクラウドキャビテーションを生成する領域以外にも発生もしくは拡散しているため、そのまま高周波から始まるサイクルを繰り返しても、局所的な領域で制御をすることができなくなってしまう。そのため、最も効率的なのは残留気泡が無視できる程度に少なく、小さくなったときに次のサイクルを開始することである。そのために残留気泡のモニタリングを行い、次のサイクルまでの時間（すなわち繰り返し周波数）を決定することになる。【００６６】
崩壊後の残留気泡からの音波を受信することにより、残留気泡の状態をモニタリングする。残留気泡の状態とは、残留気泡の大きさ、総体積を意味する。これらのパラメータは、残留気泡からの崩壊圧（音波）の大きさ、その崩壊圧の発生する時間間隔から予測することができる。さらに、残留気泡の発生および成長を誘発しない程度の強度の超音波を残留気泡に照射し、残留気泡から反射される音波を受信することによって残留気泡の状態をモニタリングする手法も有効な手法となる。残留気泡からの崩壊圧の大きさは、そのまま、残留気泡の体積の大きさを示している。なぜならば単一気泡の崩壊圧は、気泡半径が大きいほど、高くなるからである。また、崩壊圧の発生時刻が遅いこと、また、崩壊圧の発生時刻の間隔が長いことも、残留気泡の体積の大きさが大きいことを意味する。気泡が大きければ、当然その気泡振動の固有振動数が下がるからである。【００６７】
残留気泡のモニタリングによって、キャビテーション気泡の消失が不十分であると判定された場合には、繰り返し周波数を低く再設定する。また、キャビテーション気泡の消失が十分に早いと判定された場合には、繰り返し周波数を高く再設定する。【００６８】
残留気泡のモニタリングと繰り返し周波数の再設定との関係について説明する。残留気泡が多ければ（大きければ）繰り返し周波数を低くしなければならない。逆に残留気泡が少なければ、繰り返し周波数を上げ破砕効率を上げることができる。繰り返し周波数を２倍にできれば、治療時間は1/2に短くなる、と、直に破砕効率に効いてくるためこのプロセスは非常に重要なシークエンスである。【００６９】
図１１は、超音波照射と超音波受信のプロトコルのタイムチャートを示している。本発明に係る２段階の超音波照射からなる１パルス間のインターバルは、キャビテーション気泡のモニタリング時間を除いて、１００００〜４００００μｓの待ち時間がある。したがって、待ち時間を利用して、例えば、ＰＲＦ（パルス繰り返し周波数）５ｋＨｚの超音波を５０−２００ラスター照射することで、結石本体および周囲組織のモニタリングを行うことが可能である。
【実施例】
【００７０】
［Ｃ］実施例の概略
高周波数の超音波および低周波数の超音波によるキャビテーション挙動のデータベース（一連のスキーム中のキャビテーション挙動の特性）を作成し、データベースに対応して、実際の崩壊挙動確認の実験を行った。
具体的には、
（１）キャビテーション挙動データベースの作成（高周波フェーズ）；
高周波フェーズにおけるキャビテーション挙動の３種類の分類（図１４、図１５、図１６）
（２）キャビテーション挙動に応じた音圧信号取得（高周波フェーズ）；
高周波フェーズの音波モニタリング、および３種類のキャビテーション挙動との対応実施例（図１７、 図１８、 図１９、 図２０）
（３）崩壊圧データベースの作成（低周波フェーズ）；
低周波フェーズにおける崩壊圧検出と３種類のキャビテーション挙動との対応（図２１、図２２）；
低周波フェーズにおける崩壊圧のモニタリングによる最適崩壊圧を導く条件の抽出（図２３）；
（１）、（２）、（３）に基づいた、感圧シート実験および結石破砕実験（図２４、図２５）；
を行った。
高周波フェーズにおいて出力の大きさによって、低・中・高の３パターンにキャビテーションを分類し、その分類に対応した特徴的なモニタリング音圧波形を計測した。さらに３種類のうち中程度の出力において、最適に崩壊圧力が発生することを明らかにし、低周波フェーズにおける崩壊圧のモニタリングのためのデータベースの一例を作成した。これらの結果を基に、感圧シートによる２次元的な高圧発生領域の確認および結石破砕実験の２通りの確認試験を行った。【００７１】
［Ｃ−１］実験装置
図１３は本実施例に用いられた実験装置の概略図であり、実験装置は、体外からのモニタリングを模擬した位置に超音波センサを配した実験系である。図１３は本実施例に用いられた実験装置の概略図である。超音波発生源は、開口径100[mm]、焦点距離80[mm]の凹面型PZTトランスデューサを用いた。トランスデューサの共振周波数は555[kHz]であり、3.89[MHz]に4次の高調波モードを有する。キャビテーションコントロールの高周波、低周波の周波数としては以上の2周波数、すなわち、高周波フェーズにおいては3.89 [MHz]を、低周波フェーズにおいては555 [kHz]を用いている。
キャビテーションの挙動撮影には高速度カメラIMACON2000（本実験では露光10[nsec]、インターフレーム10[ms]）、を用いた。キャビテーションからの放出音圧のモニタリングには、開口径12[mm]、焦点距離78.3[mm]の凹面型ハイドロフォンを用いた。この凹面型ハイドロフォンはほぼPZTトランスデューサと同じ焦点距離をもち、焦点で起きるキャビテーション現象に起因する放出音圧を感度よく受信することが可能である（本実験では、この凹面型ハイドロフォンはPassive Cavitation Detectorとして用いているため、以後 PCDと略記することとする）。PCDの共振周波数は20[MHz]であり、本実験で対象とする < 10 [MHz]の帯域においては、フラットな応答かつ十分な感度を持つ。【００７２】
［Ｃ−２］高周波（3.89[MHz]）フェーズにおけるキャビテーション気泡群の分類（高周波フェーズデータベース）
図１４は壁面に3.89 [MHz]の高周波フェーズにおいて、発生、成長する気泡群の状態を高速度カメラによって撮影した結果である。様々な超音波出力における、超音波照射時間0-130 [μs]（0-506[周期]）の固体壁面のキャビテーション気泡群の挙動となっている。なお、グラフ中における超音波出力（縦軸）は焦点における最大負圧の大きさ（|p_|＝4.8−11.7[MPa]）となっている。この結果によって、キャビテーション気泡群の挙動が大きく３タイプに分類することができることがわかる。
すなわち、
（Ａ）低音圧域（|p_|<6.5[MPa]）：キャビテーションが発生していないもしくは、カメラで確認することのできない微細なキャビテーションが発生している状態；
（Ｂ）中音圧域（7.4 <|p_|<9.6[MPa]）：半楕円球状の安定した形状、サイズを保った気泡群（クラウドキャビテーション）が発生している状態；
（Ｃ）高音圧域 (10.5[MPa]<|p_|：形状・サイズが不安定なキャビテーションが発生している状態、特に、中音圧域で発生するような半楕円球状の気泡群の周囲を、不規則に発生する比較的径の大きな気泡もしくは気泡群が覆っている状態；
である。
これらの挙動は、キャビテーション気泡群から発せられる放出音圧、さらには低周波フェーズにおける崩壊圧それぞれと密接に関わっている。図１５、図１６において、この分類について詳しく示す。
なお、(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)の音圧域はこの図の場合上記のように値を記しているが、これらの閾値は媒質の状態（溶存ガス濃度、液体の種類、液体の温度、気泡核濃度、飽和蒸気圧、雰囲気圧力、不純物濃度等）、固体壁面の音響インピーダンスや粗さなどによって変化する。そのため、絶対値そのものが重要なのではなく、あくまでキャビテーション挙動が(Ａ)→(Ｂ)→(Ｃ)と超音波出力を上げていくことによって遷移するという“特性”が重要であることを付しておく。“特性”とその“特性に対する特徴的な応答”さえわかれば、“特徴的な応答”をモニタリングすることによってキャビテーションの状態を特定することが可能であるからである。なおこの高周波フェーズにおける(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)の3状態に対応する“特徴的な応答”のモニタリング例は、図１９、２０に示した。【００７３】
［Ｃ−３］高周波超音波照射時間に対するキャビテーション気泡群代表長さ（時間―径グラフ）
図１５は図１４と同様の撮影におけるキャビテーション気泡群の写真において、超音波伝播方向（固体壁面の法線方向）の代表長さを計測した結果である。すなわち、図１４における、横軸方向に対応する長さを計測している。条件は図１４と同様であり、(Ａ)低音圧域：4.7[MPa]、(Ｂ)中音圧域：8.7[MPa]、(Ｃ)高音圧域：11.7[MPa]、における計測結果となっている。図１５中の横軸は超音波照射時間（ただし、最初の超音波がトランスデューサから発信された瞬間の時刻をゼロとしているため、焦点に超音波がたどり着いた時刻は約54[μsec]）となっており、それぞれの出力において、キャビテーション気泡群が成長してゆく様子を示している。図中“○”印は固体壁面から成長する半楕円球状のキャビテーション気泡群の長さであり、固体壁面に接している一つの気泡群と見なせるキャビテーションの代表長さを計測している。また図中“▲”印は、半楕円球状の気泡群を覆うように発生している、2次的なキャビテーションまで含めた長さをとっている。
（Ａ）「低音圧域」において気泡群はグラフ中100[μsec]をすぎても確認できていない。110[μsec]をすぎたあたりから、キャビテーション気泡が確認されはじめ、時間を経るにつれ成長してゆくが、最終的なキャビテーション代表長さは短く、30 - 40[μm]程度である。
（Ｂ）「中音圧域」において気泡群は安定した形状、サイズを形作る。80[μsec]の時点でキャビテーション気泡が確認されはじめ、130[μsec]においては、50-60[μm]程度の安定したキャビテーション気泡群を形作っている。ただし、150[μsec]あたりから、半楕円球状の安定したサイズの気泡群を覆うように2次的なキャビテーション気泡が生成するケースもある。
（Ｃ）「高音圧域」においてはキャビテーション気泡が発生した直後(85[μsec])に、半楕円球状の気泡群の周囲を覆うように2次的なキャビテーション気泡が生成している。このような不規則なキャビテーション気泡の存在は、固体壁面への効果的な高圧の集中を妨げることが考えられるため、本技術においては、一般的にこの音圧領域はコントロールという観点から好ましくないと考えられる。ただし、これらの気泡群をまとめて崩壊しうるに十分低い周波数と十分大きな圧力振幅をもった低周波フェーズの超音波を用いることによって、簡便に大きな崩壊圧力も可能である。すなわち、そのようなパラメータの条件においては高周波数および低周波の超音波出力は、大きければ大きいほどよく、制御の工程数を減らすことができるからである．【００７４】
［Ｃ−４］高周波超音波照射時間に対するキャビテーション気泡群代表長さ（出力―径グラフ）
図１６は図１５と同様の結果に対し、超音波出力を横軸にとって整理したグラフである。超音波照射時間は233 [周期]印加した時刻である114[μsec]を選んだ。これによれば、6.5[MPa]程度の出力までは徐々に気泡群の径は大きくなってゆき、7[MPa]程度で50-60[μm]程度の半楕円球状の安定した形状・サイズのキャビテーション気泡群となる。一方10[MPa]を超えたあたりから、2次的なキャビテーション気泡群が発生し始める。閾値は図１４において述べたように、周囲の様々な条件によって変化するが、今回の条件においては、6.5[MPa]までを低音圧域、6.5[MPa]〜10[MPa]までを中音圧域、10[MPa]以上を高音圧域と、キャビテーション気泡群の異なる3つの状態の領域を定めることができる。【００７５】
［Ｃ−５］キャビテーション発生時の放出音圧の検出
図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃは、1.7、 2.8、 3.9[MHz]のそれぞれの各周波数における、キャビテーション発生時の高速度カメラ撮影と、放出音圧の検出結果である。キャビテーション気泡が、撮影画像に確認されるとほぼ同時に放出音圧が検出されている。【００７６】
［Ｃ−６］高周波フェーズにおける放出音圧のモニタリング波形
図１８は、高周波フェーズ全域における放出音圧のモニタリングを示す。図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃは凹面型トランスデューサによって、キャビテーション気泡群からの音圧をモニタリングした結果である（このケースにおいては、出力はファンクションジェネレータのPeak  to  Peakの振幅で示している。尚、図１９、図２０、図２４も図１８と同じ条件において実験を行っている）。図１８Ａに示すように、100−300[mV]の低音圧域においては、受信信号に変化が見られない。350[mV]あたりから、キャビテーションの放出音圧が検出されはじめ、図１８Ｂに示すように、400−600[mV]の中音圧域においては、常に受信信号中にキャビテーションからの放出音圧が検出される。図１８Ｃに示すように、高音圧域の700−1000[mV]の領域においても受信信号が検出されるが、その波形は大きく揺らいでおり、不規則な形状、サイズの気泡群生成を反映している。一方で、中音圧域の400−600[mV]の領域においては、受信信号の波形は、安定した振幅および崩絡線を示しており、サイズ・形状の安定したキャビテーション気泡群の発生と対応していると考えられる。これらの結果は、キャビテーション気泡群の音圧出力の違いによる三種類の“特徴的な発生形態”に対する“特徴的な応答”としての情報を含んでおり、以下の図１９、図２０においてその定量的な検出の実施例について述べる。【００７７】
［Ｃ−７］音圧波形の振幅によるモニタリング例：時間平均波形の振幅の大きさ
図１９は、図１８と同様のケースのそれぞれの出力における、キャビテーション気泡群からの放出音圧の時間平均波形の振幅の絶対値を示したものである。時間平均波形は、時刻をそろえた同ケースの異なるサンプル受信波形10ケースをそれぞれ積算し、サンプル数10で除した物である。時間平均を行うことによって、ランダムな雑音の振幅を相対的に小さくすることができる。すなわち、毎回安定した状態のキャビテーション気泡群からの信号の振幅は大きくなり、不規則で、時間や位相においてランダムな挙動をしめすキャビテーション気泡群からの信号の振幅はそれに対して相対的に小さくなることが期待される。図１９において、図１８で見られた元波形と対応して、(Ａ)低音圧域においては、キャビテーション気泡群が発生していないもしくはごく微少なキャビテーションのみ生成しているため受信信号は検出されない；(Ｂ)中音圧域においては、半楕円球状のキャビテーション気泡群が安定した形状・サイズを保って生成しているため、受信信号においても振幅、位相のそろった信号を毎回検出し、結果、時間平均波形の振幅も安定して大きな振幅をとる；(Ｃ)高音圧域においては不規則な成分がキャンセルされることで、圧力振幅の大きさは(Ｂ)のケースと比べ小さくなる、という三種類の形態と同期した処理結果を得た。
このような受信信号の処理により、焦点領域におけるキャビテーション気泡群のモニタリングを行うことが可能であることが分かる。【００７８】
［Ｃ−８］音圧波形の周波数成分によるモニタリング例：受信音圧のFFT解析
図２０Ａ、図２０Ｂ、図２０Ｃは、図１８と同様のケースのそれぞれの出力における、キャビテーション気泡群からの放出音圧およびその周波数成分を示したものである。図２０Ａは、ごく微小なキャビテーションのみが発生している低音圧域に対応し、そのときの主な周波数成分は送信周波数である3.9[MHz]のみとなっている。図２０Ｂは、半楕円球状のキャビテーション気泡群が安定した形状・サイズを保っている中音圧域に対応し、このとき7.8[MHz]などの高調波成分に相当する周波数成分が送信周波数である3.9[MHz]の成分に近い値にまで上昇している。図２０Ｃは、半楕円球状の気泡群の周囲を覆うように、不規則な２次的なキャビテーション気泡が生成している高音圧域に対応し、この不安定なキャビテーションによって受信信号の崩絡線が乱され、送信周波数である3.9[MHz]よりも低周波数の成分の値が上昇している。このように、PCDでの受信信号は図１８での３種類の形態それぞれに対応して特徴的な周波数成分をもつため、受信信号を周波数解析することによって、もしくはローバスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタなどの周波数成分に対するフィルターを受信信号に適用することによって、焦点領域におけるキャビテーション気泡群のモニタリングを行うことが可能であることが分かる。【００７９】
［Ｃ−９］低周波フェーズにおける崩壊圧の検出
図２１は高周波の超音波を打ち終わった後の、低周波(555[kHz])のフェーズにおける崩壊圧のモニタリングの実施例である。上段は低周波フェーズのPCD受信音圧の元波形であり、下段は受信信号から555[kHz]の低周波成分による反射波をカットし、キャビテーション気泡群の崩壊圧そのものを抜き出したものである。左から右に向かって加えた低周波の圧力振幅は大きくなっていっている。すべてのケースにおいて、高周波超音波は中音圧域の9.5[MPa]（最大負圧）であり、安定な形状、サイズの半楕円球状のクラウドキャビテーションが生成する条件である。上段を見ると、低周波の反射波の受信中に気泡群の崩壊圧が観測されていることがわかる。また、低周波の音圧の増加に伴い、気泡群崩壊の受信音圧も大きくなっていることがわかる。【００８０】
［Ｃ−１０］高周波フェーズで生成されるキャビテーション気泡群と崩壊圧との関係
図２２にキャビテーション気泡群と崩壊圧の大きさとの関係を示す。図２２の横軸は“高周波数の超音波の”圧力振幅である。また、高周波数の超音波の圧力振幅に対する“低周波フェーズにおける”崩壊圧の大きさ、およびその時の“高周波数の超音波で”発生するキャビテーション気泡群の径を同一のグラフに示した。崩壊圧のグラフは図２１で見られたような気泡群の崩壊圧の信号の大きさを、様々な高周波数の超音波出力に対してそれぞれ100ケースのサンプルを取り、絶対値を平均したものである。図２２により、キャビテーション気泡群の崩壊圧もまた、高周波フェーズの三種類のキャビテーションの形態と大きく関連を持つことが分かる。すなわち、(Ａ)低音圧域（0−6.5[MPa]）においては、キャビテーション気泡が生成していない、もしくはごく微少なキャビテーション気泡のみしか生成していない為、低周波フェーズにおける崩壊圧は観測されないかもしくは微少である。(Ｂ)中音圧域（6.5−10[MPa]）においては、キャビテーション気泡群は徐々にその大きさを大きくして行き、それに伴い崩壊圧の大きさも上昇してゆき、9[MPa]付近に於いて最大値を取る。これは半楕円球状のサイズ・形状の安定した気泡群が発生している領域と一致する。しかしながら、9[MPa]を超えると崩壊圧の大きさは下降に転じる。(Ｃ)高音圧域(10[MPa]以上)においては半楕円球状の気泡群が、不規則な2次的キャビテーション気泡によって覆われる結果、気泡群は555[kHz]の低周波数の超音波によって効果的に崩壊を起こすことができなくなり、崩壊圧が徐々に下がって行く。10[MPa]を超えて、崩壊圧の大きさが減少してゆく過程は、ちょうど2次的なキャビテーション気泡が生成している領域と対応している。
以上、図２２の結果は、３種類の、高周波フェーズにおいて生成するキャビテーション気泡群の形態が、低周波フェーズにおける崩壊圧の“特性”にも大きく影響を及ぼしていることが分かる。また、図２１の結果からは、低周波数の超音波出力を増加させてゆくに従って、崩壊圧の大きさは大きくなって行くという結果が得られているが、これら、図２１、図２２で得られた結果と併せ、低周波フェーズにおける崩壊圧の特性を現している。再度になるが、この崩壊圧の結果においても、
＊  高周波数の超音波が低音圧域：崩壊圧検出なし；
＊  高周波数の超音波が中音圧域：崩壊圧は徐々に上昇し、2次的な気泡群の発生に伴い下降に転じる；  
＊  高周波数の超音波が高音圧域：2次的な気泡群の影響により、効果的な崩壊が得られず崩壊圧は中音圧域に比べて小さくなる；
＊  低周波数の超音波の圧力振幅を増加させると、崩壊圧の大きさは増加する；
という、“特性”そのものが重要であり、それぞれの領域を区切る出力の閾値の絶対値は周囲の状況によって変化するために重要ではない。制御においては、この“特性”に従って、最適な崩壊圧が得られる方向に出力のパラメータを変化させてゆくということになる。すなわち、特性の概形が機器から参照できればよいことになる。ここで、その“特性の概形”とは高周波数・低周波数の各超音波出力パラメータ全領域において、崩壊圧の大きさがどのように分布しているかのマッピング結果ということになる。図２３にそのマッピングの例を示す。【００８１】
［Ｃ−１１］高周波数・低周波数それぞれの超音波の圧力振幅に対する崩壊圧のデータベース例
これまでに分かった、高周波フェーズでのキャビテーション気泡群の異なる形態、低周波フェーズにおける、崩壊圧の特性を鑑みて、高周波数の超音波の様々な出力、低周波数の超音波の様々な出力それぞれに対して、実際の技術の効率を示す、崩壊圧の大きさを計測した結果が図２３である。
高周波数の超音波の出力に対しては、低音圧域から中音圧域にかけて崩壊圧が増大し、高音圧域に至ると崩壊圧は減少するということ、また低周波数の超音波の出力に対しては、出力を大きくしてゆくに従って、崩壊圧は増大する、というこれまでの例において見られた“本技術の特性”を示している。今回のケースにおいては、高周波9.5[MPa]、低周波30[MPa]において最適な崩壊圧が得られており、実際の機器においては、この崩壊圧のピークに向かうように制御対象パラメータを変化させることにより、最適化を行うことができる。【００８２】
［Ｃ−１２］感圧シート実験
図２３は崩壊圧の遠方におけるモニタリングによる崩壊圧のマッピングの結果であった。これが実際に、焦点領域での固体壁面上での高圧発生と一致しているかどうかの確認試験を実施した。対象として、焦点領域に高圧に対して変色を呈する感圧シートを設置し、高周波数・低周波数の超音波の出力を図２３と同様に変化させた実験を行った。図２４において分かるように、高周波数の超音波の出力に対しては、低音圧域から中音圧域にかけて崩壊圧が大きくなり、中音圧域において、中心部に大きな変色が見られる。一方高音圧域に至ると、中心部だけが、変色が見られないドーナツ型の変色域となった。これは2次的なキャビテーション気泡が、気泡群の効果的な崩壊を妨げ、中心部に大きな圧力が集注しなかったためである。また低周波数の超音波の出力に対しては、出力を大きくしてゆくに従って、変色域の面積が徐々に大きくなって行くという結果が得られた。これは、図２３の結果が示す特性と非常によく一致しており、モニタリングを行うことで、本技術の制御を行うことが可能であることを示している。図24Bは輝度分布の断面図であり、400 mVの中音圧域で、感圧シート中心部に強い発色が見られ、高音圧域の800, 1000 mVにおいて、中心部の発色が弱くなっていることが確認される。【００８３】
［Ｃ−１３］それぞれの音圧域における結石破砕実験結果
最後に、高周波が低音圧・中音圧・高音圧域における、モデル結石の破砕実験を行った。結果を図２５に示す。中音圧域が低音圧域、高音圧域と比べ効率よく結石を破砕するという結果であり、これまでの検討を裏付けた。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、結石破砕などの医療アプリケーションだけでなく、超音波洗浄やキャビテーション・ピーニングなどの工業アプリケーションにおいても有効である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】超音波照射装置の全体システム図である。
【図２】キャビテーション制御手法のスキーム概略図と、音響キャビテーション制御に用いられた超音波パルス波形の概略を示す。
【図３】実際に上記の手法を用いて集束超音波による音響キャビテーションを生成・崩壊させたときのキャビテーションの挙動を示す。
【図４】モデル結石に対して、本手法を適用した結果を示す図である。
【図５】本発明に係る結石破砕システムの構成を示す図である。
【図６】キャビテーションの崩壊圧を利用した結石破砕法のフローチャートである。
【図７】キャビテーションクラウドから放出される音を示す図であり、横軸は時間、縦軸は音圧である。(1)クラウドが安定化されると高周波領域の信号に変化がみられる。→安定なクラウドのモニタリングが行われる。(2)気泡クラウドが崩壊するとその崩壊の強さに応じた衝撃圧が観測される。→  破砕効率が判定される。(3)残留気泡は、100-200μs後に崩壊し、信号が検出される。→信号強度・崩壊時刻から、最適な繰り返し周波数が決定される。
【図８Ａ】安定なクラウドキャビテーションに必要な最低出力を示す図である。縦線Aは、キャビテーション発生の閾値（最小印加電圧）を示し、縦線Bは、安定なクラウドキャビテーションの閾値（印加電圧）を示す。尚、印可電圧は物理的には、超音波の圧力振幅と１対１対応する。
【図８Ｂ】安定なクラウドキャビテーションに必要な最低照射時間を示す図である。縦線Cは、安定なクラウドキャビテーションの閾値（照射時間）を示す。
【図９】安定なクラウドキャビテーションのモニタリグを説明するフロー図である。
【図１０】キャビテーション気泡の崩壊・消失のモニタリングを示す図である。
【図１１】超音波照射・受信プロトコルを示す図である。
【図１２】音波受信部を例示する概略図である。
【図１３】実験装置の概略図である。
【図１４】高周波フェーズにおけるキャビテーションの分類（高周波圧力振幅4.8-11.7 [MPa]）を示す。
【図１５Ａ】低音圧域4.7 [MPa]における、超音波照射時間に対する、キャビテーション気泡群代表長さを示す。○：半楕円球状のクラウドキャビテーション；▲：半楕円球状のクラウドキャビテーションを覆うキャビテーション（Shielding cavitation）である。低音圧域4.7 [MPa]では気泡クラウドは成長しきっていない。
【図１５Ｂ】中音圧域8.7 [MPa]における、超音波照射時間に対する、キャビテーション気泡群代表長さを示す。○：半楕円球状のクラウドキャビテーション；▲：半楕円球状のクラウドキャビテーションを覆うキャビテーション（Shielding cavitation）である。中音圧域8.7 [MPa]においては130[μｓ]後あたりで、安定なサイズに達している。
【図１５Ｃ】高音圧域11.7 [MPa]における、超音波照射時間に対する、キャビテーション気泡群代表長さを示す。○：半楕円球状のクラウドキャビテーション；▲：半楕円球状のクラウドキャビテーションを覆うキャビテーション（Shielding cavitation）である。高音圧域11.7 [MPa]においては、超音波照射直後に半楕円球状の気泡群を覆うように、多数の気泡が生成する。
【図１６】高周波数の超音波の圧力振幅に対する、キャビテーション気泡群の代表長さ（横軸：高周波数の超音波の圧力振幅，縦軸：気泡群代表長さ）を示す。
【図１７Ａ】1.7[MHz]のそれぞれの各周波数における、キャビテーション発生時の放出音圧の検出を示す。
【図１７Ｂ】2.8[MHz]のそれぞれの各周波数における、キャビテーション発生時の放出音圧の検出を示す。
【図１７Ｃ】3.9[MHz]のそれぞれの各周波数における、キャビテーション発生時の放出音圧の検出を示す。
【図１８Ａ】低音圧域での放出音圧に関し、ファンクションジェネレータ出力振幅:100,200,300[mV]における実験結果を示す。
【図１８Ｂ】中音圧域での放出音圧に関し、ファンクションジェネレータ出力振幅:400,500,600[mV]における実験結果を示す。
【図１８Ｃ】高音圧域での放出音圧に関し、ファンクションジェネレータ出力振幅:700,800 900,1000[mV]における実験結果を示す。
【図１９】音圧波形によるキャビテーション動態のモニタリング例-1: 時間平均波形の振幅の大きさを表す。(Ａ)低音圧域においては、信号は検出されない。(Ｂ) 中音圧域においては振幅、位相のそろった信号のため、時間平均波形の振幅は安定した振幅をとる。(Ｃ) 高音圧域においては不規則な成分がキャンセルされることで、圧力振幅の大きさは小さくなる。
【図２０Ａ】音圧波形によるキャビテーション動態のモニタリング例-2: 周波数解析（FFT）を示し、低音圧域に対応する。
【図２０Ｂ】音圧波形によるキャビテーション動態のモニタリング例-2: 周波数解析（FFT）を示し、中音圧域に対応する。
【図２０Ｃ】音圧波形によるキャビテーション動態のモニタリング例-2: 周波数解析（FFT）を示し、高音圧域に対応する。
【図２１】低周波フェーズにおける崩壊圧の検出を示す（上段: 受信音圧の生波形、下段: 低周波(555[kHz])成分の除去後の波形）。すべてのケースにおいて、高周波超音波は中音圧域の9.5[MPa]（最大負圧）であり、安定な形状、サイズの半楕円球状のクラウドキャビテーションが生成する条件である。高周波打ち終わりの後、低周波の反射波の受信中に気泡群の崩壊圧が観測される。また、低周波の音圧の増加に伴い、気泡群崩壊の受信音圧も大きくなっていることがわかる。
【図２２】低周波フェーズにおける、高周波フェーズで生成されるキャビテーション気泡群と崩壊圧との関係を示す。
【図２３】高周波数・低周波数それぞれの超音波の圧力振幅に対する、崩壊圧力のデータベース例を示す。
【図２４Ａ】感圧シート実験を示す。図２４Ａは、高周波数・低周波数それぞれの振幅に対する実験結果を示す。
【図２４Ｂ】感圧シート実験を示す。図２４Ｂは、低周波26.6[MPa]のケースにおける輝度分布の断面である。
【図２５】それぞれの音圧域における結石破砕の結果を示す。左が「低音圧域」、中央が「中音圧域」、右が「高音圧域」である。
【図２６Ａ】さまざまな周波数（1.67， 2.75，3.27，3.82 MHz）における、集束超音波によってつくられる、サイズ・形状が安定な半楕円球状のクラウドキャビテーションを示す。
【図２６Ｂ】図２６Ａに示されるようなクラウドキャビテーションの、代表長さを周波数に対してプロットしたものである。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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