JP2578638B2 - 所定波形を有した弾性パルス発振器及びその医療診断又は処理への応用 - Google Patents

所定波形を有した弾性パルス発振器及びその医療診断又は処理への応用

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、所望の所定波形を有する弾性パルス発振器
及びこれの医療診断又は処理の応用に関する。
背景技術 弾性パルス、特に体外結石摘出に用いられるような高
パワーの弾性パルスが結合液体中で伝搬するときに、不
可避的に負ピークの波形が形成され該液体中に圧力変化
を生じさせ、局部圧が飽和蒸気圧以下になったとき当該
液中に蒸気で満されたキャビティ（気泡）が生じる。こ
れをキャビテーション現象という。これらの蒸気気泡が
高圧力領域に達すると、それらは急に凝集する。
出願人は、弾性波の負の振幅ピークは蒸気で満たされ
たキャビティ（気泡）を形成し、これらの蒸気で満たさ
れたキャビティは弾性波の伝搬を遅延せしめる傾向にあ
ること、換言すれば、負ピーク（negaive peak）と、
前記負ピーク（negative peak）の後ろに伴う正ピーク
（positive peak）とからなる弾性波は、負ピークによ
って生じるキャビテーション現象により弾性波の遅延が
生じることを発見した。
かかるキャビテーション現象は弾性パルス発振器によ
って処理又は試験されるべき細胞へ伝達されるパワーを
かなり減少させること、焦点における超音響パワー集中
によりエコーグラフィー試験又は処理への弾性パルスの
応用においてはやっかいな問題である。エコーグラフィ
ーにおいては、弾性波の伝搬によりある領域で像を形成
し所望の効果が得られるが、キャビテーション現象は弾
性波の搬送を制限し、遅延させ、その結果、エネルギー
の集中を妨げる。また、体外結石摘出においては、キャ
ビテーション現象が痛感域値に達すると針痛感覚を引き
起こすという重大な欠点を有している。
発明の概要 本発明の目的は、所望の所定波形を有する弾性パルス
発振器を提供することにあり、この弾性パルス発振にお
いては前記所望の波形が圧電又は磁気歪トランスデュー
サの焦点領域における弾性波の重畳によって得られ、基
本弾性波は異なる伝達関数を有するトランスデューサ素
子の基本放射表面の各々によって個別に生じる異なる周
波数及び移相特性を有している。
本発明の弾性パルス発振器は、焦点手段と協動して集
束作用をなす圧電又は磁気歪トランスデューサであり、
前記トランスデューサは、互いに電気的に分離されかつ
所定距離に亘る伝搬の後に焦点領域で重畳する弾性信号
を発生させるトランスデューサ素子群と、異なった周波
数の弾性信号を発生するために所定放射比率の別個の電
気信号で前記トランスデューサ素子を周期的に励磁する
励磁手段と、前記トランスデューサ素子の表面から発せ
られた弾性信号を移相する移相手段とからなり、所望の
所定波形を前記焦点領域で得るように前記周波数と前記
弾性信号の移相とを設定することを特徴とする。
好ましくは、前記励磁手段は前記電気信号が異なる周
波数スペクトルを有するように構成することである。
第１の実施例においては、前記トランスデューサは、
球形スカルキャップ形状の支持体の表面上に基本セラミ
ック圧電トランスデューサ素子が配置されており、その
厚さは励磁周波数に反比例している。
好ましくは、前記励磁手段は、前記放射比率及び前記
移相手段を形成する調節自在は遅延線を画定する同一同
期信号によって同期化された異なる周波数の発振器を設
けることである。
第２の実施例においては、トランスデューサは一体型
セラミックトランスデューサであり、トランスデューサ
素子は一体型セラミックトランスデューサ上に異なる厚
さの基本放射表面を形成するように配置されている。
本発明はさらに、体外結石手術に用いられる処理方法
であって、所定放射比率で高周波数パルス波形にて放射
される弾性波を用い、キャビテーションによる有害で特
に痛みを伴う作用を、パルスの正ピークの振幅に対して
パルスの負ピークの振幅を実質的に減少させることによ
って、減少させる処理方法をも提供する。
実施例 以下に、本発明による実施例を図面を参照しつつ説明
する。
従来の圧電トランスデューサの短期間の弾性パルスを
図１（ａ）に示す。同図において、圧電トランスデュー
サから発生するパルスを単一の振動とすることはほとん
ど不可能であり、通常は１の基本振動（第１次振動）と
幾つかの減衰（第２次）振動を発生する。減衰振動はで
きるだけ小さくしなければならない。また、圧電トラン
スデューサは、トランスデューサの後面は適当に制動さ
れ、かつその前面に音響インピーダンスに適合するブレ
ッド（blades）が載置されるように構成されている。か
かる構成により発生する弾性パルスは、高励磁周波数の
反対符号の半波からなっており、負半波の存在は放射パ
ワーが比較的高くなるとすぐにキャビテーション現象に
よるエネルギー効率の有意損失をもたらす（これは治療
に用いられるプローブのケースである）。
有意振幅の第１ピークが正となるようにトランスデュ
ーサの極性が選択され、この反対の場合には、第１負ピ
ークによって生じるキャビテーションが信号の残部の伝
搬を阻止することは避けられない。
第１図（ａ）から分かるように、第１ピークが実質的
に第２ピークの振幅よりも低い振幅を有しているので、
結果として、弾性信号のパワーのすべてが使用されずキ
ャビテーションは悪影響を起すことになる。
その弾性信号の波形についてはいかなるものであって
も、理論的には完全なトランスデューサでも少くとも２
つの反対符号の半波を発生させることは強調すべきこと
であり、これは位相対向（phase opposition）における
放射をなしかつ半波長だけ分離された２つの放射表面を
必然的に有しているからである。詳言すれば、圧電トラ
ンスデューサは前面の放射表面と後面の２つの表面から
なり、これらの表面間の距離は共振周波数に反比例し、
これは共振周波数の波長の半分に等しい。圧電トランス
デューサにより発生するパルスは前面の放射表面によっ
て放射されたパルスと後面から放射されたパルスとの結
合である。これらの表面間の距離は共振周波数の半分に
等しいので、前面の放射表面が正の振幅ピークを発生す
るとき後面は負の振幅ピークを発生する。従って、トラ
ンスデューサが完全であったとしても、単一のトランス
デューサから発生するパルスには負のピークが含まれる
ことになる。
次に、本願発明に係わる実施例を示す。前記負のピー
クを小さくするためには、トランスデューサを構成する
トランスデューサ素子から発せされる弾性波の周波数及
び位相を夫々変えて、この弾性信号を重畳させることが
有効であることを発見した。
圧電トランスデューサを構成する複数のトランスデュ
ーサ素子（ｎ個）の共振周波数が夫々、F1,F2,……Fnで
あり、これらの素子は共通で任意な位相基準に対して−
5/（4F1），−5/（4F2），……−5/（4Fn）だけ位相し
た個別のキャリア周波数F1,F2,……Fnをもつ電気パルス
によって夫々励磁される。
実験によれば、もしこれらの電気信号が同一の振幅あ
るいは非常に近い振幅を有し、かつトランスデューサの
素子が第１図（ａ）に示す音響波形を発生させるように
構成されていても、このように生じた音響信号を重畳さ
せると第１図（ｂ）に示す波形となる。この波形におい
て、負半波は非常に減少された相対振幅（relative amp
litude）を有する。
さらに、実験によれば、例えば、周波数F,2F,3F,4Fを
有する４つの素子を得ることで十分である。また、周波
数F,2F,4Fの３つの素子でも充分な単一正半波の優位ピ
ーク（Piedominacce）を得ることができることを発見し
た。
かかる素子が例えば第２図に示す如く球形スカルキャ
ップ上に配置された場合に、その球形スカルキャップの
中心までの素子の経路は同一なので、球形スカルキャッ
プは焦点を形成して、よって音響信号は放射時間と、同
一相対位相をもってそれの焦点に達する。これらは例え
ば平坦面のような他の異なる面に配置することもでき、
この場合、励磁信号の移相を変更する必要があり、焦点
までの異なる素子の異なる経路を考慮して焦点を合わせ
ることになる。
互いに移相された異なる周波数によって励磁された素
子は４個よりも数を多くすることができる（あるいは、
同一信号で励磁された素子によって各々形成された４群
以上に分割することもできる。）。
本発明の目的の１つは、いくつかの基本弾性波形を重
畳させることによって所望の弾性波形（特に単一正ピー
クの優位を有することが好ましい。）を発生させること
にある。かかる発生は、所望の目的波形を得るために互
いに結合させられる少なくとも異った位相及び周波数特
性を有する別個の弾性波を同一の空間領域で重畳させる
ことで得られる。実際には個々の波形の周波数、位相及
び振幅のパラメータを調整するコンピュータ補助の制御
を用いて、目的波形は、これらパラメータを変化させる
ことによって最適化されるよう予めシュミレートされ
る。
少なくとも、第１図（ａ）に示されるタイプのトラン
スデューサのパルス応答のためには、目的波形を得る均
一放射表面を有するトランスデューサを励磁するために
電気信号のパラメータを変化させるだけでは十分でな
い。
上記した均一放射面でもって優位ピークを与えるため
には、上記したタイプのトランスデューサが単一の電気
信号で駆動される場合は、個々のトランスデューサ素子
から放射される弾性波は明らかにすべて基準位相に対し
て同位相となるが、異なった伝搬速度をもつ透明材料に
より移相することができる。弾性波は前記透明材料を通
過すると移相される、透明材料の厚さを各トランスデュ
ーサ素子毎に夫々変えれば各トランスデューサ素子から
放射される弾性波の位相は夫々異なることになる。
上記した解決策をさらに実行及び調整容易にする方法
を以下に示す。
第２図および第３図においては、アルミニウム合金製
の球形スカルキャップ１が示されている。その球形の半
径は例えば40cmでその高さは3.8cmである。このスカル
キャップの内部表面には例えば直径20cmの円筒形状の30
0個のセラミック圧電素子が載置されている。これらの
素子は３つの同心円状に分けられており、それらの２つ
が図示されていて、中央補助トランスデューサ２を囲む
環状領域をなしている。これらの機能は“結石破壊超音
波パルス装置”と称する本出願人による1983年12月14日
出願の仏国特許第8320041号明細書に記載されている。
かかる特許発明と区別されるべき本発明の結石摘出エ
ミッタの特徴を以下に説明する。
環状領域における組1a−2a,……,1b−2b……の各々の
素子は３つの組に分かれている。例えば、素子1a−4a,
……（3n＋１）ａは300KHzの共振周波数を有した第１群
を形成し、素子2a−5a,……（3n＋２）ａは600KHzの共
振周波数を有した第２群を形成し、素子3a−6a,……（3
n＋３）ａは1200KHzの共振周波数を有した第３群を形成
している。他の２つの環状組に対応する順位の素子に対
する周波数の分配は同一である。異なる周波数は個別の
共振周波数F,2F,4Fを有する異なる高さの環状素子に対
応している。例えば300KHzに対して10mm,600KHzに対し
て5mm,1200KHzに対して2.5mmである。
第４図において、同期発振器３が示されており、これ
は100万分の１秒のオーダの期間で、例えば1/100〜1Hz
間で調整可能な比率のブリップ（クロックパルス）を放
射する。
これらのブリップは、３つの調整自在の移相回路4,5,
6を介して、３つの高周波数パルス発振器7,8,9へ印加さ
れ、これら発振器は各々例えば300KHz,600KHz,1200KHz
として３つの素子群の共振周波数に対応している。
発振器7,8,9は各々分離ステージ10,11,12を介して電
力増幅器13,14,15を駆動する。
各電力増幅器は、同一群の異なる素子に分離して並列
に励磁するために、各群における素子があるように並列
に数多くの分離ステージを有している。
移相回路4,5,6は例えば遅延線から形成され、上記の
指示に従って所望の波形で第１図（ｂ）に示す波形にで
きるだけ近づくような波形が得られるように調整され
る。符号16でコンピュータが示されているが、これは調
整のために３つの同期信号でかつ重畳から得られた信号
の波形を計算する。このコンピュータは、３つの波形及
びそれらの各位相を決定するために移相回路の調整でだ
けでなく、発振器7,8,9も調整する。
かかる装置においては、例えば医療応用ではないキャ
ビテーション現象を増加させるために負ピークを与える
ことを含めたトランスデューサの組立体によって生ぜし
められる音響信号の数多くの波形を得ることを可能にす
るとは明らかである。
結石摘出への応用、特にその方法において、キャビテ
ーションをかなり減少させることを通して、先行技術に
おいては、キャビテーション現象のため、結石摘出は約
15Hzの連続照射パルスで行われている。しかし、本願発
明によれば結石摘出を約150Hzのパルスで行うことがで
きる。これは従来技術に比べて約10倍短い処理時間であ
る。
上記した装置の変形例として、トランスデューサの３
つの個別の群の電気駆動信号間にて電気的に得られる移
相が、トランスデューサの３つの個別の群によって発生
せしめられた音響信号の異なる経路長を導入することに
よって得られた移相によって置換できる。
例としては、かかる違いは個別の適当なシム（距離を
微調するための細いスペーサー）を導入することで得る
こともできる。このシムはスカルキャップ１の表面と３
つの群の円筒圧電素子の後面励磁表面との間に導入さ
れ、超音波を透過可能な材料からなるものである。
第５図においてはエコーグラフィー装置に用いられる
プローブが示されており、これは、5MHzを中心にした周
波数スペクトルを有する音響パルスを結果として発生さ
せるプローブである。
このプロープは、その放射表面すなわち前面が平坦で
あって、例えば直径20mmを有する圧電ディスク17によっ
て形成されている。一方、その後面の励磁表面は、異な
る厚さでかつ例えば1mmの幅の非常に微細な平行ストリ
ップ18の列を形成するように構成されている。
第６図においてはそのディスクの厚さ拡大概略図が示
されており、個別に1/4mm,1/2mm,1mmの厚さを有する３
つのストリップ181,182,183の群の連続を示している。
これらのストリップの各々には調整ストリップの励磁
電極から分離した励磁電極1810,1820,1830が設けられて
いる。
第６図において、単一電気パルス発振器19が示されて
おり、これは、３つの調整自在遅延線20,21,22を介して
個別の電極1810,1820,1830に接続されている。さらに詳
しくは、各遅延線の出力は連続する群の同一厚さのスト
リップの電極のすべてに接続されている。もちろん、図
示されていない接地線は図示されていないが正面に固定
された単一電極へ接続されている。
このように３つの圧電トランスデューサの組立体は10
MHz,5MHz,2.5MHzの個別の共振周波数を有するように形
成される。
公知方法においては、トランスデューサの後面に緩衝
部材を、トランスデューサの放射表面にはインピーダン
ス整合板を配置していた。
遅延手段は、上述した個々の３つの組立体によって発
生された異なる周波数の３つの音響信号の所望の移相に
対応するように調整自在である。発振器19によって供給
される励磁信号は10MHz,5MHz,2.5MHzの値をカバーする
周波数スペクトルを有さなければならない。
この実施例は、高周波数（数メガヘルツ）において動
作するプローブの構成に適当であり、非常に小さいサイ
ズの独立した別個の圧電素子について細心の注意を要す
る煩雑は製造工程を回避できる。
かかるトランスデューサは焦点合わせをしていないの
で、よって例えば音響レンズ等の集束手段でもって個々
の弾性波を重畳させるものと協動させることになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の方法を説明する波形を示す説明図、第
２図はスカルキャップ形状のトランスデューサの放射位
相の概略平面図、第３図は対称平面を通した第２図の概
略断面図、第４図は励磁回路の回路図、第５図は励磁回
路を取り付けた平坦なトランスデューサ組立体の概略
図、第６図は第５図のVI−VI線における部分断面図であ
る。 主要部分の符号の説明 １……球形スカルキャップ ２……中央補助トランスデューサ ３……同期発振器 4,5,6……移相回路 7,8,9……パルス発振器 10.11,12……分離ステージ 17……圧電ディスク 18……平行ストリップ 20,21,22……遅延ライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｒ 17/00 ３３２ Ｈ０４Ｒ 17/00 ３３２Ｂ

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】焦点手段と協動して集束作用をなす圧電又
    は磁気歪トランスデューサであり、前記トランスデュー
    サは、互いに電気的に分離されかつ所定距離に亘る伝搬
    の後に焦点領域で重畳する弾性信号を発生させるトラン
    スデューサ素子群と、異なった周波数の弾性信号を発生
    するために所定放射比率の別個の電気信号で前記トラン
    スデューサ素子を周期的に励磁する励磁手段と、前記ト
    ランスデューサ素子の表面から発せられた弾性信号を移
    相する移相手段とからなり、所望の波形を前記焦点領域
    で得るように前記周波数と前記弾性信号の移相とを設定
    することを特徴とする弾性パルス発振器。
  2. 【請求項２】前記トランスデューサを構成するｎ番目の
    トランスデューサ素子の共振周波数をFnとすると、共通
    で任意の位相基準に対して前記トランスデューサ素子の
    移相は−5/（4Fn）であることを特徴とする請求項１記
    載の弾性パルス発振器。
  3. 【請求項３】前記トランスデューサ素子は、共振周波数
    Ｆの第１のトランスデューサ素子と、共振周波数2Fの第
    ２のトランスデューサ素子と、共振周波数3Fの第３のト
    ランスデューサと、共振周波数4Fの第４のトランスデュ
    ーサ素子とからなり、共通で任意な位相基準に対して、
    前記第１トランスデューサ素子、前記第２のトランスデ
    ューサ素子、前記第３のトランスデューサ素子、及び前
    記第４のトランスデューサ素子の移相は夫々−5/（4
    F）、−5/（8F）、−5/（12F）、及び−5/（16F）であ
    ることを特徴とする請求項１または２記載の弾性パルス
    発振器。
  4. 【請求項４】前記トランスデューサ素子は、共振周波数
    Ｆの第１のトランスデューサ素子と、共振周波数2Fの第
    ２のトランスデューサ素子と、共振周波数4Fの第３のト
    ランスデューサ素子とからなり、共通で任意な位相基準
    に対して前記第１のトランスデューサ素子、前記第２の
    トランスデューサ素子、及び前記第３のトランスデュー
    サ素子の移相は夫々−5/（4F）、−5/（8F）、及び−5/
    （16F）であることを特徴とする請求項１または２記載
    の弾性パルス発振器。
  5. 【請求項５】前記トランスデューサ素子は異なった共振
    周波数をもち、前記励磁手段は前記異なった共振周波数
    で前記個別の電気信号を発して前記トランスデューサ素
    子を励磁することを特徴とする請求項１乃至４いずれか
    １項記載の弾性パルス発振器。
  6. 【請求項６】前記励磁手段は、異なった周波数の電気信
    号を発生させる発振器及び前記所定放射比率で前記電気
    信号発生器を同期させる同期信号発生器により前記トラ
    ンスデューサ素子を励磁し、前記移相手段は調整可能な
    遅延線により前記弾性信号を移相することを特徴とする
    請求項１乃至５いずれか１項記載の弾性パルス発振器。
  7. 【請求項７】前記トランスデューサ素子は異なった厚さ
    の圧電セラミックトランスデューサであり、球形のスカ
    ルキャップ上に支持されていることを特徴とする請求項
    １乃至６いずれか１項記載の弾性パルス発振器。
  8. 【請求項８】前記移相手段は前記所定距離に亘る前記弾
    性信号の伝搬時間を変更する音響手段により前記弾性信
    号を移相することを特徴とする請求項１乃至７いずれか
    １項記載の弾性パルス発振器。
  9. 【請求項９】前記トランスデューサ素子は前記焦点領域
    から異なった距離に位置する個別の放射表面からなるこ
    とを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の弾性
    パルス発振器。
  10. 【請求項１０】前記トランスデューサは一体型セラミッ
    クトランスデューサであり、前記トランスデューサ素子
    は前記一体型セラミックトランスデューサ上に異なる厚
    さの基本放射表面を構成することを特徴とする請求項１
    乃至９いずれか１項記載の弾性パルス発振器。
  11. 【請求項１１】所定放射比率で高周波パルス波形にて放
    射される弾性波を用い、パルスの正ピークの振幅に対し
    て負のピークの振幅を実質的に減少させることを特徴と
    する請求項１記載の弾性パルス発振器。
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