JP2022517819A - 衝撃波および超音波の複合源 - Google Patents

Abstract

集束された衝撃波および超音波を発生させる装置は、円筒状のコイルをその中心軸線に保持する凹状反射器を備える。電力発生器は、超音波信号と衝撃波信号とを交互にコイルに供給するために、コイルに接続された衝撃波および超音波の複合発生器を備え、これにより、コイルは超音波と衝撃波とを交互に発生させる。

Description

本発明は、超音波とともに音響衝撃波を発生させる方法およびデバイスに関するものである。発生した波動は、人体または動物の体の中にある結石を破砕するのに用いられうる。

関連技術の詳細
衝撃波源が、米国特許第５０５８５６９号明細書に開示されている。コイルが円筒状の支持体上に取り付けられている。コイルに高電圧パルスが印加されると、さらに、周囲の円筒膜に高電流が流れるようになり、円筒膜が半径方向に膨張することで、コイルの周囲の媒体に円筒状の圧力波を発生させる。このような媒体は、好ましくは水のような液体である。発生した円筒状の圧力波は、放物面状反射器によってコイルの軸方向に偏向かつ集束され、焦点に到達する。焦点領域に向かう途中で、焦点領域における重ね合わせにより、圧力波が急角度となり、衝撃波となる。

欧州特許第１６５１１２０号明細書では、２つの衝撃波発生器を備える衝撃波発生システムが開示されている。

一般に、すべての衝撃波デバイスは、大きな結石をより小さな粒子に破砕することができる。超音波デバイスは、粒子のサイズをさらに縮小することができる。それゆえに、衝撃波と超音波との複合処置は、衝撃波または超音波だけの処置に比べて格段に優れた結果をもたらす。実際には、最初に衝撃波源を適用してこの衝撃波源を除去し、次のステップにおいて超音波源を適用することは困難である。これは煩雑であり、時間が掛かりすぎてしまう。さらに、２つのステップ間で、衝撃波によって発生した石のより小さな粒子が焦点スポットから離れて漂い、このため、分離した個々の粒子に焦点を合わせることが非常に困難となる。

欧州特許第２５２９６７８号明細書は、同軸上に配置された２つの衝撃波源を備えた衝撃波装置を開示している。第１の衝撃波源はコイルによって駆動される一方、第２の衝撃波源は弾道衝撃波源である。

欧州特許第１６５１１２０号明細書は、同軸上に配置された２つの衝撃波源を開示している。

こうした複合型の解決手段により、２つの異なる信号を同時に、または互いの信号の直後に用いて処置することが可能となり、これにより粒子径を大幅に縮小することにつながる。

これらの実施形態には、コイルの中心部が第２の源に占有され、超音波またはＸ線の位置特定デバイスには使用することができないという別の欠点がある。それゆえに、軸外の位置検出デバイスが使用されなければならず、体内結石破砕装置全体がより複雑かつ使用困難なものとなってしまう。

さらに不利な点は、半径方向の圧力波の侵入度が、集束電磁衝撃波源と比較して著しく小さいことである。

発明の概要
本発明が解決しようとする課題は、残存する結石の粒子のサイズをさらに縮小することである。本発明の別の目的は、身体組織の損傷を低減し、特に血腫を低減することである。本発明の別の目的は、軸上超音波位置検出デバイスの使用を可能にする解決策を提供することである。本発明の別の目的は、源を可能な限り単純に保つことである。

課題の解決手段は、独立請求項に記載されている。各従属請求項は、本発明のさらなる改善に関するものである。

長期にわたるテストにより、２つの衝撃波源と比べて、衝撃波と超音波との複合源が格段に優れた結果をもたらすことが示された。粒子径はより短時間でさらに縮小可能となっている。

衝撃波および超音波の複合源は、電力発生器に接続されたトランスデューサを含む。トランスデューサは、コイルと反射器とをさらに含みうる。コイルは、中心軸線を有する円筒形状であることが好ましい。コイルは、その中心軸線を、好ましくは回転対称の設計を有する凹状の反射器の中心軸線に合わせて取り付けられうる。コイルは、回転型放物面形状を有しうる。代替のトランスデューサは、音響レンズの下方に位置するように取り付けられた平坦コイルを含みうる。好ましくは、コイルは膜で覆われている。

トランスデューサに接続された電力発生器は、高出力信号を発生させる。このような高出力信号がトランスデューサに印加されると、トランスデューサは、焦点領域へ導波される波、反射される波、または配向される波を発生させる。トランスデューサが円筒状のコイルを備える場合、円筒状のコイルは、コイルの半径方向に伝搬する、好ましくは中心軸線に対して対称な円筒波を発生させる。この波は、反射器によって、焦点にもなりうる焦点領域に向けて反射される。好ましくは、焦点領域は中心軸線上にあり、コイルから離れている。この距離は、結石が粉状化されるように患者を位置決めするための十分なスペースが残るよう、反射器およびコイルの設計に応じて２ｃｍ～２５ｃｍの範囲であってよい。

電力発生器は、好ましくは、２０ｋＨｚ～１ＭＨｚの超音波領域の信号を供給する。この信号は、連続的な信号であってよく、または１０ｍｓ～１００ｓの、最も好ましくは１００ｍｓ～５ｓの範囲の持続時間を有する少なくとも１つのバーストを含みうる。超音波信号は、１Ｗ～１ｋＷの電力がコイルに結合されるように、コイルに適合した振幅を有する。超音波信号は、衝撃波信号と同時に、または衝撃波信号間に供給されうる。超音波信号は、衝撃波パルス間のギャップを完全に充填しうる。

電力発生器は、１００Ｖ～２５ｋＶ、好ましくは１ｋＶ～１０ｋＶの範囲の電圧を有し、１０ｎｓ～１０ｍｓの範囲の持続時間を有する１つもしくは複数の高電圧パルスを含む衝撃波信号をさらに発生させうる。

超音波信号および衝撃波信号を発生させる電力発生器と、コイルを備えるトランスデューサとを組み合わせることで、多くの利点が得られる。基本的に、コイルは、巻き数およびワイヤの断面積を変更するだけで、簡単に電力発生器に適合させることができる。そのため、インダクタンスおよび抵抗を、複数の規模のオーダーにわたって簡単に変化させることができる。コイルは、衝撃波信号のために急速に上昇する電流を流すことができる程度に十分に低いインダクタンスを有さなければならない。２つの独立したコイル、または少なくとも１つのタップが衝撃波に適合し、もう１つのタップが超音波に適合するコイルもありうる。これは圧電トランスデューサでは実現できない。一般的に、コイルトランスデューサは圧電トランスデューサよりもインピーダンスレベルが低い場合がありうるので、これにより電力発生器回路がさらに単純化される。加えて、上述した実施形態におけるコイルトランスデューサは、圧電トランスデューサよりも格段に高い出力電力を供給しうる。

単純な衝撃波発生器または超音波発生器であれば、電力発生器回路は問題ないが、電気的特性が大きく異なるこれらの信号を組み合わせると問題が倍増し、複合型の発生器が非常に複雑となる。ここで、コイルトランスデューサを使用すると、コイルの設計の柔軟性と適応性とにより、発生器回路を単純化するのに役立つ。

好ましくは、衝撃波信号および超音波信号は、コイルに同時に印加されない。衝撃波信号または超音波信号のどちらかが印加される。

衝撃波および超音波の複合発生器を制御し、かつ衝撃波または超音波を発生させるコイルに出力する電力のタイミングおよび好ましくは信号振幅を供給する制御ユニットが設けられうる。

一実施形態では、超音波信号を発生させるための超音波発生器が設けられ、衝撃波信号を発生させるための衝撃波発生器が設けられている。超音波信号および衝撃波信号は、信号をコイルに導くコンバイナ（combiner）に結合される。コンバイナは、信号を増幅する増幅器を備えるか、または衝撃波発生器からの衝撃波信号が超音波発生器を妨害したり破壊したりしないように、または逆に超音波発生器からの超音波信号が衝撃波発生器を妨害したり破壊したりしないように、超音波発生器を衝撃波発生器から隔離し、かつ逆に衝撃波発生器を超音波発生器から隔離する回路を備える。

また、超音波発生器および衝撃波発生器を制御する制御ユニットと、コンバイナとが設けられうる。

別の実施形態では、コイルは超音波発生器に接続されている。さらに、補助コイルが設けられており、衝撃波発生器に接続されている。好ましくは、両方のコイルが同軸上に配置されており、最も好ましくは、同じコイルキャリアによって保持されている。この実施形態では、やや複雑なコイルが必要となるが、超音波発生器と衝撃波発生器とを互いに電気的に絶縁することができ、これにより回路設計が格段に単純化される。

以下では、本発明を、全体的な発明概念を限定することなく、図面を参照しながら実施例について記載する。

一実施形態の断面図である。 基本的な電気回路図である。 超音波発生器と衝撃波発生器とを分離した実施形態を示す図である。 衝撃波発生回路の詳細を示す図である。 自己発振型の超音波発生回路の詳細を示す図である。 複合回路の詳細を示す図である。 ２つのコイルを用いた実施形態を示す図である。 湾曲コイルトランスデューサの実施形態を示す図である。 平坦コイルトランスデューサの実施形態を示す図である。

図１には、一実施形態の断面図が示されている。衝撃波源および超音波源１００は、凹状の反射器１１０内に保持された円筒膜１３０によって囲まれたコイル１２０を備える。膜を有するコイルおよび反射器は、好ましくは回転対称であり、共通の中心軸線１９０を有する。コイルは、好ましくは、導電性ワイヤの巻線が保持される円筒体によって画定されうる円筒形状を有する。代替的に、コイルは、その前方の平膜を有する平坦コイルでありうる。反射器は、好ましくは放物面形状を有し、このため、円筒膜によって発生した円筒波は、好ましくは共通の中心軸線１９０上にある焦点領域２００に偏向される。本図は、コイルから焦点領域までの波動伝搬２１０を図式化したものである。反射器は、焦点領域の特定の形状が得られるように最適化されうる。好ましい焦点領域は、好ましくは１０ｍｍ以下の直径を有する、比較的小さな焦点でありうる。本実施形態では、コイルは中空の形状を有しているため、超音波位置検出デバイスまたはその他の位置検出デバイスのためのスペースが残っている。

図２では、基本的な電気回路図が示されている。コイル１２０は信号発生器３００に接続されている。この信号発生器３００は、好ましくは、衝撃波および超音波の複合発生器３１０を備え、さらに制御ユニット３９０によって制御されうる。衝撃波および超音波の複合発生器は、適切な信号形状、周波数、電力を有する信号を発生させてコイルを動作させ、これにより衝撃波および超音波を発生させる。衝撃波用の電圧は、１００Ｖ～２５ｋＶ、好ましくは１ｋＶ～１０ｋＶの範囲内で、１０ｎｓ～１０ｍｓの範囲の持続時間を有するものでありうる。超音波用の電力は、２０ｋＨｚ～１ＭＨｚの超音波領域でありうる。この信号は、１０ｍｓ～１００ｓ、最も好ましくは１００ｍｓ～５ｓの範囲の持続時間を有する連続的な信号でありうる。超音波信号は、１Ｗ～１ｋＷの電力がコイルに結合されるように、コイルに適合した振幅を有する。超音波信号は、衝撃波信号と同時に、または衝撃波信号間に供給されうる。超音波信号は、衝撃波パルス間のギャップを完全に充填しうる。

図３においては、超音波発生器と衝撃波発生器とを分離した実施形態が示されている。超音波発生器３２１は、コイルが後に発生させる超音波に対応する波形を発生させる。衝撃波発生器３２２は、コイルが後に発生させる衝撃波に対応する衝撃波信号を発生させる。超音波発生器３２１および衝撃波発生器３２２は、制御ユニット３９０によって制御されうる。超音波発生器３２１の超音波信号３２５と衝撃波発生器３２２の衝撃波信号３２６とがコンバイナ３２３によって複合化され、さらに制御ユニット３９０によって制御されうる。コンバイナには２つの異なる実施形態があってよい。第１の実施形態では、超音波発生器３２１および衝撃波発生器３２２は、必要な波形を供給する低電力信号のみを供給する。これらの低電力信号は、それらが必要な振幅および電力を有するようにコンバイナにおいて増幅され、これにより、コイルが必要な超音波および衝撃波を発生させる。他方の実施形態では、超音波発生器３２１および衝撃波発生器３２２は、コイルを直接に駆動するのに十分な電力で超音波信号３２５および衝撃波信号３２６を供給する。この実施形態では、コンバイナは、信号をコイル用の共通信号へと単に結合する。コンバイナは、例えば、衝撃波発生器３２２が衝撃波信号を発生させるときにこの信号が超音波発生器３２１を損傷しないように、超音波発生器３２１が衝撃波発生器３２２から電気的に絶縁され、また逆に衝撃波発生器３２２を超音波発生器３２１から電気的に絶縁されることが好ましい。最も単純化された実施形態では、コンバイナは、源のうち一方のみをコイルに切り替えるスイッチまたはリレーを含みうる。

図４は、衝撃波発生回路の詳細を示す図である。回路は、高電圧源３４０と、コンデンサ３４２と、第１のスイッチ３４３とを備える。コンデンサが電圧を保持し、その結果、衝撃波パルスに十分なエネルギを保持するまで、コンデンサは高電圧源によって充電される。充電レベルに達した後、第１のスイッチ３４３が短時間の間閉成され、コンデンサがコイル１２０を通して放電し、衝撃波パルスを発生させる。パルス電流は、矢印３４８で示される。結果として生じるコイル電流は、波形３５８で図式化されている。閉成時間は、好ましくは、衝撃波パルス時間の２０％～２００％の間である。さらなる実施形態では、ダイオードは、第１のスイッチ３４３に対して一方向で直列であり、このため、電流はコンデンサからコイルに流れるが、コイルからコンデンサには流れることができない。

図５は、自己発振型の超音波発生回路の詳細を示す図である。この回路は、第２のスイッチ３４１によってコンデンサ３４２に接続された高電圧源３４０と、コイル１２０に対して直列の第１のスイッチ３４３とを備える。コンデンサが電圧を保持し、その結果、超音波信号に十分なエネルギを保持するまで、コンデンサは、高電圧源によって充電される。充電レベルに達した後、第１のスイッチ３４３は超音波信号の持続時間の間閉成され、このため、コンデンサが、超音波信号を発生させるコイル１２０とともに共振回路を形成する。共振電流は、矢印３４９で示されている。結果として生じるコイル電流は、波形３５９として図式化されている。さらに、超音波信号の振幅を維持するために、スイッチ３４１は繰り返し閉成され、発振回路におけるエネルギ散逸を補償するために必要なエネルギが送達されうる。

図６は、複合回路の詳細を示す図である。コイルの左側は図４と同じであり、高電圧源３４０と、コンデンサ３４２と、第１のスイッチ３４３とを備える。右側には、第３のスイッチ３４４によってコイルに接続された超音波発生器３２１がある。この第３のスイッチは、衝撃波を発生させる場合には開放され、超音波信号を発生させる場合には閉成されうる。超音波信号は、超音波発生器３２１からコイル１２０内に直接に結合されうる。別の実施形態では、閉成されたスイッチ３４３を含み、コンデンサ３４２とコイル１２０とによって形成される共振回路が、超音波信号の発生に使用可能である。超音波発生器３２１は、回路内の発振損失を補償するのに十分なエネルギを供給するために使用されうる。この実施形態では、前図に示すように第１のスイッチ３４１を開放状態にして、高電圧源３４０を共振回路から分離することが有意でありうる。

図７においては、好ましくはインターリーブされた２つのコイルを有する実施形態が示されている。コイル１２０が超音波発生器３３１に接続可能であり、さらに衝撃波発生器３３２に接続された補助コイル１２１が設けられうる。両方の発生器は、制御回路３９０によって制御されうる。コイル１２０および補助コイル１２１が、その中心軸線を同軸として配置されていることが好ましい。最も好ましいのは、コイルが同じ円筒状基材上にあることである。別々のコイルを使用することで、コイル組立体の機械的設計がやや複雑になるが、超音波発生器３３１と衝撃波発生器３３２との電気的絶縁が得られる。

図８は、湾曲コイルトランスデューサ４００の一実施形態を示す図である。ここでは、曲線状の平坦コイル４２０が、球状または放物線状に配置された本体４１０によって保持されており、このため、コイルによって発生した複数の波動が焦点領域２００に集束(focus)される。コイルは、位置特定デバイスのための中心孔を有しうる。

図９は、平坦な平面コイル５２０と、平膜５３０と、平膜を有する平坦な平面コイルによって発生した平面波を焦点領域２００に集束させる音響レンズ５１０とを含む、別の平坦コイルトランスデューサ５００を示している。

１００ 衝撃波源および超音波源
１１０ 反射器
１２０ コイル
１２１ 補助コイル
１３０ 円筒膜
１９０ 中心軸線
２００ 焦点領域
２１０ 波動伝搬
３００ 電力発生器
３１０ 衝撃波および超音波の複合発生器
３２１ 超音波発生器
３２２ 衝撃波発生器
３２３ コンバイナ
３２５ 超音波信号
３２６ 衝撃波信号
３３１ 超音波発生器
３３２ 衝撃波発生器
３４０ 高電圧源
３４１ 第１のスイッチ
３４２ コンデンサ
３４３ 第２のスイッチ
３４４ 第３のスイッチ
３４８ パルス電流
３４９ 発振電流
３５８ 衝撃波パルス電流波形
３５９ 超音波発振電流波形
３９０ 制御ユニット
４００ 湾曲コイルトランスデューサ
４１０ 本体
４２０ 湾曲コイル
５００ 平坦コイルトランスデューサ
５１０ 音響レンズ
５２０ 平坦平面コイル
５３０ 平膜

Claims (13)

1. 電力発生器（３００）に接続されたトランスデューサ（１１０，１２０）を備えた、集束された衝撃波および超音波を発生させる装置（１００）において、
   前記電力発生器（３００）は、前記トランスデューサ（１１０，１２０）が超音波および衝撃波を発生させるように、超音波信号（３２５）と衝撃波信号（３２６）とを前記トランスデューサ（１１０，１２０）へ供給するための衝撃波および超音波の複合発生器（３１０）を含み、
   前記トランスデューサは、膜（１３０，５３０）によって覆われているコイル（１２０，５２０）を含む
   ことを特徴とする、装置（１００）。
2. 前記トランスデューサ（１１０，１２０）が、
   中心軸線（１９０）を定める凹状反射器（１１０）と、
   円筒膜（１３０）を有する円筒コイル（１２０）であって、その中心軸線が前記反射器の中心軸線（１９０）に配置されている、円筒コイル（１２０）と
   を含む、請求項１記載の装置（１００）。
3. 前記トランスデューサ（１１０，１２０）が、音響レンズの下方に配置された平膜（５２０，５３０）を有する平坦コイルを含む、請求項１記載の装置（１００）。
4. 前記平坦コイルが、平面コイルまたは湾曲コイルである、請求項３記載の装置（１００）。
5. 前記電力発生器（３００）が、超音波信号（３２５）および衝撃波信号（３２６）を交互に供給するように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置（１００）。
6. 前記電力発生器（３００）が、超音波信号（３２５）を供給するための超音波発生器（３２１）と、衝撃波信号（３２６）を供給するための衝撃波発生器（３２２）とを含み、前記超音波発生器（３２１）と前記衝撃波発生器（３２２）とが、コンバイナ（３２３）を介して前記コイルに結合されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置（１００）。
7. 前記コンバイナ（３２３）がスイッチである、請求項６記載の装置（１００）。
8. 前記コンバイナ（３２３）が電力増幅器を含む、請求項６記載の装置（１００）。
9. 制御ユニット（３９０）が、少なくとも前記信号発生器（３００）の制御のために設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置（１００）。
10. 前記電力発生器が、２０ｋＨｚ～１ＭＨｚの超音波領域の超音波信号を供給するように構成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置（１００）。
11. 前記電力発生器が、１００ｍｓ～５ｓの範囲の持続時間で超音波信号バーストを供給するように構成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置（１００）。
12. 前記電力発生器が、１００Ｖ～２５ｋＶ、好ましくは１ｋＶ～１０ｋＶの範囲の電圧を有し、１０ｎｓ～１０ｍｓの範囲の持続時間を有する１つもしくは複数の高電圧パルスを含む衝撃波信号を供給するように構成されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置（１００）。
13. 前記コイル（１２０）が、超音波発生器（３３１）に接続されており、衝撃波発生器（３３２）に接続された補助コイル（１２１）が設けられている、請求項１記載の装置（１００）。

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