JP5963811B2 - 治療用超音波振動子 - Google Patents

Description

本発明は、治療用超音波振動子に関し、特に、超音波処置具に搭載されるボルト締めランジュバン型の治療用超音波振動子に関するものである。

従来、超音波処置具用の超音波振動子として、ボルト締めランジュバン型（ＢＬＴ）振動子が使用されている（例えば、特許文献１，２参照。）。ＢＬＴ振動子は、圧電素子を、アルミ合金やチタン合金のような高剛性の一対の金属体の間に挟み、圧電素子と一対の金属体とをボルトで強固に締結したものであり、強力な超音波振動を発生することができる。

超音波処置具の処置性能は、超音波振動子が発生する超音波振動の強さに依存するが、超音波振動を増強するために超音波振動子に供給する電力を増大すると、超音波振動子の発熱量が増大する。そこで、超音波振動子からの放熱を促進する手段を備えた超音波処置具が知られている（例えば、特許文献３参照。）。特許文献３の超音波処置具は、超音波振動子を内蔵するケースの外側表面に放熱フィンを設け、該放熱フィンによって、超音波振動子からケースに伝達された熱の放出を図っている。

特許第４６４２９３５号公報 特開昭６１−１８２９９号公報 特開２００１−３２１３８８号公報

骨や軟骨、石灰化組織のような硬い組織の処置する場合、特に強力な超音波振動が必要とされ、そのために超音波振動子への供給電力を増大する必要がある。このような使用においては、超音波振動子の発熱量が特許文献３の放熱フィンによる放熱性能を超えてしまい、特許文献３の放熱フィンでは超音波振動子の過熱を抑制することができないという問題がある。超音波振動子が一度過熱してしまうと、超音波振動子の温度が正常範囲に下がるまで処置を一時停止しなければならず、全体の処置時間が長くなるという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、過熱を効果的に抑制し、高い処置性能を発揮し続けることができる治療用超音波振動子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の周波数の超音波振動を発生する治療用超音波振動子であって、先端側から長手軸に沿って順に、第１の金属体と、複数の圧電素子を分極方向が交互に逆方向となるように前記長手軸方向に積層してなる積層体と、第２の金属体とを有し、これらをボルトによって一体に締結してなる振動子本体と、該振動子本体の、前記超音波振動の節となる位置またはその近傍に形成された半径方向外方に突出するフランジ部を介し、前記振動子本体の熱を該振動子本体の外部へ放出する放熱手段とを備える治療用超音波振動子を提供する。

本発明によれば、圧電素子に高周波電力が供給されることによって振動子本体が発生した超音波振動を、振動子本体から直接または他の部材を介して組織に与えることによって、組織に対して粉砕や溶解等の処置を行うことができる。
この場合に、振動子本体のうち、超音波振動による歪み量が最大となり、発熱量が最大となる節の位置に接続された放熱手段によって、振動子本体の熱が高効率で放出されるので、振動子本体の過熱が効果的に抑制される。したがって、圧電素子に大きな高周波電力が供給された場合に、振動子本体は、過熱することなく高い処置性能を発揮し続けることができる。

上記発明においては、前記振動子本体が、前記第１の金属体の先端側に、該第１の金属体と一体に接続されたホーンを有し、前記第１の金属体と前記ホーンとの前記長手軸方向の接続位置は、前記超音波振動の腹の位置における振動速度に対する振動速度の比が０．０５以上０．３以下となる位置であることが好ましい。
このようにすることで、比較的脆弱なホーンと第１の金属体との境界面を、大きな応力が発生する節の位置からずれた位置に配置しつつ、ホーンの、長手軸方向の途中位置に位置する節からの良好な放熱効果を得ることができる。

また、上記発明においては、前記放熱手段が、前記振動子本体を前記長手軸方向に収容し、その外周面に半径方向外方に突出する複数の放熱フィンを有する筒状の放熱管を備えていてもよい。
このようにすることで、振動子本体の外周面を覆う大面積の放熱管によって、全体の径寸法をほとんど増加することなく、高い放熱性能を得ることができる。

また、上記発明においては、前記放熱手段が、前記フランジ部に固定されたペルチェ素子を備えていてもよい。
このようにすることで、ペルチェ素子によって振動子本体から能動的に吸熱することによって、高い放熱性能を得ることができる。

また、上記発明においては、前記第１の金属体および前記第２の金属体が、その外周面に形成された複数の放熱溝を有していてもよい。
また、上記発明においては、前記第２の金属体が、その基端面に、前記長手軸方向に延びる複数の放熱フィンを備えていてもよい。
このようにすることで、節の位置のみならず、金属体の外表面からも効率的に放熱されるので、放熱性能をさらに向上することができる。

本発明によれば、過熱を効果的に抑制し、高い処置性能を発揮し続けることができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子の全体構成を示す（ａ）側面図および（ｂ）基端側から長手軸方向に見た背面図である。 図１の超音波振動子の縦振動における（ａ）節の位置と、（ｂ）長手軸方向の各位置の変位量とを示す図である。 図１の超音波振動子の変形例を示す（ａ）側面図および（ｂ）基端側から長手軸方向に見た背面図である。 図１の超音波振動子のもう１つの変形例を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波振動子の全体構成を示す（ａ）側面図および（ｂ）基端側から長手軸方向に見た背面図である。 図５の超音波振動子の変形例を示す側面図である。 図５の超音波振動子のもう１つの変形例を示す側面図である。 図１および図５の振動子本体の変形例を示す側面図である。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る治療用超音波振動子１０について図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係る治療用超音波振動子１０は、図１（ａ），（ｂ）に示されるように、ボルト締めランジュバン型（ＢＬＴ）振動子からなる振動子本体（以下、単に「本体」という。）１と、該本体１を収容する放熱管２とを備えている。符号１４は、治療用超音波振動子１０の外側を被覆する電気絶縁性の外筒である。

本体１は、先端側から長手軸Ａに沿って順に、ホーン３と、第１の金属体４と、複数枚の圧電素子からなる積層体５と、第２の金属体６とを備えている。また、本体１は、第１の金属体４、積層体５および第２の金属体６を一体に締結するための、ボルト７とナット８とを備えている。

圧電素子は、ＰＺＴ（チタンジルコ酸塩）のような圧電材料からなる板状の部材であって、厚さ方向に分極している。積層体５は、複数枚の圧電素子が、分極方向が交互に逆方向になるように長手軸Ａ方向に積層されてなる。
第１の金属体４および第２の金属体６は、アルミニウムを主成分とする合金またはセラミックス（例えば、ジュラルミン）からなる柱状の部材である、金属体４，６の外周面には、周方向に延びる多数の放熱溝４ａ，６ａが長手軸Ａ方向に間隔を空けて形成されている。放熱溝４ａ，６ａによって各金属体４，６の表面積が増大し、金属体４，６からの放熱が促進されるようになっている。

ホーン３およびボルト７は、高い超音波伝播効率と高い強度とを有する金属からなる単一の部材であって、好ましくは、６４チタン合金（ＡＳＴＭ規格のＢ３４８ Ｇｒａｄｅ５）からなる。ホーン３は、先端に向かって先細となる略円錐状である。ボルト７は、ホーン３の基端面から基端側へ向かって長手軸Ａに沿って真っ直ぐに延びている。

第１の金属体４、積層体５および第２の金属体６には、長手軸Ａに沿って貫通し、ボルト７が挿入されるボルト穴９が形成されている。ナット８は、第２の金属体６の基端面から突出するボルト７の先端部分に締結され、これによって、積層体５が第１の金属体４と第２の金属体６とによって両側から強固に締め付けられている。なお、ナット８を省略し、第２の金属体６が、ボルト７と締結する雌ねじを有することによってナット８を兼ねていてもよい。

図示しない高周波電源からの高周波電力が積層体５に印加されると、積層体５が長手軸Ａ方向の縦振動を発生し、発生された縦振動がボルト７を介してホーン３に伝達され、ホーン３の先端が長手軸Ａ方向に振動する。このときに、縦振動が、ホーン３の基端から先端へ伝達する間に増幅されることによって、ホーン３の先端において大きな振幅の振動が得られる。ここで、高周波電力の周波数は、図２（ａ），（ｂ）に示されるように、本体１の先端、中間位置および基端が縦振動の腹となるように、２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の範囲内から選択される。図２（ａ）において、矢印Ｎ１，Ｎ２が縦振動の節を示している。

本体１はさらに、先端側の節Ｎ１の位置またはその近傍に、半径方向外方に突出し、高い熱伝導性を有する金属からなる環状のフランジ部１１を備えている。すなわち、フランジ部１１の、本体１への長手軸Ａ方向の取り付け位置は、振動速度が０となる位置となっている。
また、金属体４と、フランジ１１を有するホーン３との境界面Ｂでの縦振動の振動速度をＶ１とし、腹の位置での縦振動の振動速度をＶ２としたときに、振動速度比Ｖ１／Ｖ２は、０．０５以上０．３以下であることが好ましい。振動速度比Ｖ１／Ｖ２が０．３よりも大きい場合には、ホーン３が、振動速度の速い位置において金属体４に接続されることによって、ズレ振動などの、本来の長手軸Ａ方向の縦振動以外の振動が発生して発熱し易くなり、後述する放熱管２による放熱性能を十分に得られない可能性がある。一方、互いに異なる種類の金属同士の境界面Ｂを節Ｎ１に配置した場合には、強度不足になり得る。そのため、ホーン３と金属体４との境界面Ｂは、節Ｎ１から若干離れた、振動速度比Ｖ１／Ｖ２が０．０５以上となる位置に配することが好ましい。

放熱管２は、高い熱伝導性を有する金属からなる筒状であり、その先端の開口部からホーン３の先端部分を突出させた状態で本体１を収容している。放熱管２の外周面には、周方向に延びる多数の放熱フィン２ａが長手軸Ａ方向に間隔を空けて配列して設けられている。放熱管２は、フランジ部１１の外周面に固定されている。

次に、このように構成された治療用超音波振動子１０の作用について説明する。
本実施形態に係る治療用超音波振動子１０は、生体内の組織に超音波振動を与えることによって組織の粉砕や溶解等の処置を行う超音波処置装置に搭載されるものである。超音波処置装置が備える高周波電源から、２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の範囲の周波数の高周波電力が積層体５に供給されると、積層体５が長手軸Ａ方向の縦振動を発生し、ホーン３の先端が超音波振動する。したがって、超音波振動するホーン３の先端を患部に接触させることによって、患部の粉砕や溶解等の処置を行うことができる。

この場合に、本実施形態によれば、積層体５に供給された高周波電力のうち、大部分は機械的振動に変化されるが、一部は熱に変換される。本体１において生じた熱は、金属体４，６に設けられた放熱溝４ａ，６ａと本体１の外側に設けられた放熱管２とによって、該放熱管２の外部に放出され、さらに外筒１４の外部に放出されるので、本体１の過熱が抑制される。特に、本体１のうち、歪み量が最大となる節Ｎ１，Ｎ２の位置において発熱量が最大となるが、節Ｎ１の位置に放熱管２がフランジ部１１を介して本体１に連結されているので、本体１の熱が高効率で放熱管２を介して放出される。したがって、ホーン３の先端の振動振幅を増大して処置性能を高めるために、積層体５に供給する高周波電力を増大した場合にも、治療用超音波振動子１０は、過熱することなく作動し続けることができ、高い処置性能を発揮し続けることができることができるという利点がある。

さらに、従来のＢＬＴ振動子は一般に、金属体としてチタン製を使用しているが、本実施形態に係る治療用超音波振動子１０は、チタンよりもはるかに高い熱伝導率を有するアルミニウム製の金属体４，６を使用している。したがって、積層体５において発生した熱を、金属体４および放熱管２を介してさらに効率的に放出することができ、本体１全体の全長を短くすることができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、図３（ａ），（ｂ）に示されるように、第２の金属体６の基端面に、長手軸Ａ方向に延びる複数の放熱フィン６ｂが間隔を空けて設けられていてもよい。図３（ａ），（ｂ）の例では、放熱フィン６ｂは、長手軸Ａを中心とする周方向に配列して設けられている。
本体１のうち、組織に対して仕事を行うのはホーン３の先端部分のみである。そこで、本体１の基端に放熱フィン６ｂを設けることによって、治療用超音波振動子１０の処置動作に影響を与えることなく、治療用超音波振動子１０の放熱性能をさらに向上することができる。

また、本実施形態においては、縦振動の２つの節Ｎ１，Ｎ２のうち、先端側の節Ｎ１において本体１と放熱管２とをフランジ部１１を介して接続することとしたが、これに代えて、またはこれに加えて、図４に示されるように、基端側の節Ｎ２において本体１と放熱管２とを接続してもよい。この場合、節Ｎ２は、積層体５に位置するので、２枚の圧電素子の間に挟まれた、圧電素子よりも大径の金属板１２をさらに備え、該金属板１２の、積層体５の外周面から半径方向にフランジ状に突出する周縁部分または外周面が、放熱管２と連結固定される。
このようにしても、図１（ａ），（ｂ）に示される構成と同様の放熱効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る治療用超音波振動子２０について図５から図７を参照して説明する。
本実施形態に係る治療用超音波振動子２０は、放熱管２に代えて、ペルチェ素子１３を備えている点において、第１の実施形態に係る治療用超音波振動子１０と異なっている。したがって、本実施形態においては、ペルチェ素子１３について主に説明し、その他の第１の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

治療用超音波振動子２０は、図５（ａ），（ｂ）に示されるように、金属板１２を備えている。金属板１２は、図４に示される金属板１２と同様である。金属板１２の、積層体５の外周面から半径方向にフランジ状に突出する環状の周縁部分（フランジ部）１２ａには、複数個のペルチェ素子１３が、その吸熱面が金属板１２の表面と接触するように、周方向に並んで接着剤によって固定されている。各ペルチェ素子１３は、図示しない電線を介して電流が供給されることによって、金属板１２を介して積層体５から熱を吸収し、吸熱面と対向する放熱面から熱を放出するようになっている。

このように構成された治療用超音波振動子２０によれば、積層体５への高周波電力の供給によって本体１において生じた熱は、ペルチェ素子１３によって吸収され、該ペルチェ素子１３の放熱面から放出され、さらに外筒１４の外部に放出されるので、本体１の過熱が抑制される。特に、本体１のうち、発熱量が最大となる節Ｎ２の位置にペルチェ素子１３が金属板１２を介して接続されているので、本体１の熱が高効率でペルチェ素子１３によって放出される。したがって、ホーン３の先端の振動振幅を増大して処置性能を高めるために、積層体５に供給する高周波電力を増大した場合にも、治療用超音波振動子２０は、過熱することなく作動し続けることができ、高い処置性能を発揮し続けることができるという利点がある。その他の効果は、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

なお、本実施形態においては、図６に示されるように、第２の金属体６の基端面にもペルチェ素子１３が設けられていてもよい。図６には、ナットを兼ねた第２の金属体６が示されており、第２の金属体６の平坦な基端面にペルチェ素子１３が固定されている。このようにすることで、治療用超音波振動子２０の処置動作に影響を与えることなく、治療用超音波振動子２０の放熱性能をさらに向上することができる。

また、本実施形態においては、ペルチェ素子１３を、本体１の基端側の節Ｎ２の位置に、金属板１２を介して接続することとしたが、これに代えて、またはこれに加えて、図７に示されるように、本体１の先端側の節Ｎ１の位置に、ペルチェ素子１３を接続してもよい。この場合、上述したフランジ部１１の表面にペルチェ素子１３を固定すればよい。
また、第１の実施形態において説明した放熱管２と、第２の実施形態において説明したペルチェ素子１３とは、適宜組み合わせて用いてもよい。

また、第１および第２の実施形態においては、放熱溝４ａ，６ａおよび放熱フィン２ａの形状は、適宜変更可能である。例えば、図８に示されるように、放熱溝４ａ，６ａが、周方向に間隔を空けて長手軸Ａ方向に形成されていてもよい。同様に、放熱フィン２ａも、周方向に間隔を空けて長手軸Ａ方向に形成されていてもよい。

１ 振動子本体
２ 放熱管（放熱手段）
２ａ 放熱フィン
３ ホーン
４，６ 金属体
４ａ，６ａ 放熱溝
５ 積層体
６ｂ 放熱フィン
７ ボルト
８ ナット
９ ボルト穴
１０，２０ 治療用超音波振動子
１１ フランジ部
１２ 金属板
１２ａ 周縁部分（フランジ部）
１３ ペルチェ素子（放熱手段）

Claims (6)

1. ２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の周波数の超音波振動を発生する治療用超音波振動子であって、
   先端側から長手軸に沿って順に、第１の金属体と、複数の圧電素子を分極方向が交互に逆方向となるように前記長手軸方向に積層してなる積層体と、第２の金属体とを有し、これらをボルトによって一体に締結してなる振動子本体と、
   該振動子本体の、前記超音波振動の節となる位置またはその近傍に形成された半径方向外方に突出するフランジ部を介し、前記振動子本体の熱を該振動子本体の外部へ放出する放熱手段とを備える治療用超音波振動子。
2. 前記振動子本体が、前記第１の金属体の先端側に、該第１の金属体と一体に接続されたホーンを有し、
   前記第１の金属体と前記ホーンとの前記長手軸方向の接続位置は、前記超音波振動の腹の位置における振動速度に対する振動速度の比が０．０５以上０．３以下となる位置である請求項１に記載の治療用超音波振動子。
3. 前記放熱手段が、前記振動子本体を前記長手軸方向に収容し、その外周面に半径方向外方に突出する複数の放熱フィンを有する筒状の放熱管を備える請求項１または請求項２に記載の治療用超音波振動子。
4. 前記放熱手段が、前記フランジ部に固定されたペルチェ素子を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の治療用超音波振動子。
5. 前記第１の金属体および前記第２の金属体が、その外周面に形成された複数の放熱溝を有する請求項１から請求項４のいずれかに記載の治療用超音波振動子。
6. 前記第２の金属体が、その基端面に、前記長手軸方向に延びる複数の放熱フィンを備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の治療用超音波振動子。

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