JP4363987B2 - 超音波振動ビームを収束する装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動ビームを収束する装置に関する。本装置は、特に組織の治療、詳細には非侵襲性の収束超音波を利用する皮下組織の治療に用いる。

音波に使用される際の収束という用語は、光学における収束といった一般に理解されている意味とは微妙に異なる意味を持つ。光ビームは、レンズにより収束し、平光束が収束点（およびその後の発散）に向かうようになる。この場合、レンズは、デバイス内を光が進行する際、電磁ビームによる影響を受けない。

超音波は、振動デバイスにより発生される。デバイスが、曲線状の圧電変換器結晶である場合、結晶の曲面は、普通は表面に伝搬する音波を放出する。音波は、共通領域に収束する。光と超音波の本質的な違いは、「レンズ」から音波の収束点との距離が振動デバイスの共振モードかどうか次第である。曲線状の圧電セラミック変換器（ＰＺＴ）結晶の場合は、本質的に単に共振の単一モードのみが可能であるために比較的単純である。

ただし、圧電セラミック変換器および収束素子は、特定の種類のエポキシまたは他の接着剤を用いて、特に緊密に結合できる。この方法を用いる場合、簡単な理論では、収束面の位置および光線の強度を予測するのに不適当である。小直径の音響レンズの特性を測定する場合、最大５０％の誤差が生じる。

ディスク型ＰＺＴが、組合せ変換器を製作するために金属表面に結合する場合、多重の（ｍｕｌｔｉｐｌｅ）共振モードが可能であり、モード変化の影響は極めて複雑である。大抵の周期では、金属表面の自由面が、凸形半径である場合、大半の共振モードが放射ビームになり、すなわち、発散される。逆に、金属表面の自由面が凹形半径である場合、「ビーム」の伝播経路は増加前に直径が減少する。この収束は角度、伝送経路に到達する最小直径およびレンズからの共振モードを修正する。

有限要素技法は、２つまたはそれ以上の固体物質および本質的に流体相の代わりであるターゲット材料から成る複雑な物体システムを正確にモデル化できる。変換器／レンズ形状を決定して特定の収束特性を達成することが可能な場合、組合せレンズシステムを用いることは、変換器の収束配列を設計し、製作作業を極めて単純化することになる。

有限要素モデルは、システムの固体構成要素で発生される振動モードに影響を与えるすべての要素を考慮に入れて、線対称のレンズ変換器の組合せ形状を予測できる。解析網は、ビーム形状を生成するために流体相に拡張してデバイスの収束特性を確認する。

曲線状ＰＺＴ発信器（ＭＨｚ帯域において作動する）は、様々な医療の用途で用いられるが、少なくとも２つの本質的制限を有する。すなわち、製造コストが高く、また本質的に脆い。

前者の問題点は、単に製造工程との相関関係である。後者の問題点は、医療用途における高出力要求と、ＭＨｚ周波数での共振を達成するためのセラミックの最小厚さとに起因する。

曲線状ＰＺＴ発信器システムは、レンズがＰＺＴに隣接して配列されることについて特許文献１により公知である。ただし、このようなシステムでの収束は、取り組み方法が問題の複雑さを十分に把握できていないために困難であることが判明している。

組合せ変換器、すなわちＰＺＴに固定して薄く取り付けたレンズを有する変換器は、これらの問題に対して１つの解決策を指示しなければならない。それにはまず最初に、平板ディスクＰＺＴは、曲線状セラミックのコストの一部であり、すべての可能な寸法に製造する。第２に、エポキシ接着剤を使用してアルミニウム板に平板ＰＺＴを結合すると、結果として非常に耐久性のあるシステムになる。

このような組合せ変換器は、レンズ板の表面を湾曲させることでさらに改良できる。ただし、このような変換器の収束は、従来考えられていたものよりさらに複雑である。
特許出願第ＧＢ ２３６７５００Ａ号

したがって本発明の目的は、改良されたビーム収束を実現する組合せレンズを提供することである。

一般に、上述した方法および装置を利用して治療される組織には、皮下血管、見苦しい静脈の筋および選択された癌組織等がある。この装置は血管の止血切断および焼灼に使用される。またこの装置は、小さな目標領域に高強度のエネルギーを供給することが望ましく他の非医学的な分野にも利用できる。

このような治療の恩恵を受ける組織の種類の１つは、皮膚の真下にある動脈および静脈も含まれる。これらは、完全に不規則な領域で見られるようになり、領域では局部的な領域の皮膚を通して見られ、これらの動脈または静脈は、「クモ静脈」として知られ、はっきりと目に見える皮膚のきずを組成する。

レーザーエネルギーまたは身体の組織に関するの手術のどちらか利用される血管の除去または治療により、血管系の特定部分に対する血液の供給は永続的に停止され、見苦しいきずが除去できることは公知である。

ただし、このような公知の治療方法は、治療された患者の組織に対する２次的被害の原因となり、長い回復時間が必要になることがある。

同様に、皮膚癌および他の黒色腫といった特定種類の癌細胞は、皮膚表面の直ぐ下にあることが公知である。このような癌は、時にはレーザー照射により治療されるが、周囲の組織および皮膚の外層に再び損傷を与える場合がありしたがってこれは容認されない。

また、美容整形の皮膚治療も同様の方法で実行されている。

コラーゲン分子は、収束ビームを利用して皮膚組織を密着し再構成することができる。

脱毛は、現在、電気分解法、一時的なワックスでの脱毛、剃毛または抜き取りといった痛みを伴う治療法により行われている。各毛胞に収束されたビームエネルギーは毛髪を破壊しそれ以上の成長を妨げている。

また、収束ビームは変色した組織を破壊するのにも使用できそれにより不要な入れ墨の除去に役立つ。

このように本発明の別の目的は、前記の不都合を未然に防ぎ、表面または皮下組織の治療方法および装置を提供することである。

本発明の第１の実施形態によれば、超音波振動を発生する手段と、発生手段に固定され、所定の領域に超音波振動を収束するレンズとを具備する超音波振動ビームを収束するための装置が提供される。

レンズは平凹レンズであってもよい。

レンズは、チタン、チタン合金、アルミニウムまたはこのような材料を含む混合物で構成されていてもよい。

レンズは、特定のレンズ面から構成できる。

この場合、特定のレンズ面はは、単一の超音波発生手段に固定できる。

少なくとも、レンズ面のいくつかは、曲率半径のほぼ一致する中心を有する。

少なくとも、レンズ面のいくつかは、ほぼ一致する焦点または焦点領域を有する。

レンズは、様々な波速を有する材料のなかで、実質的にいくつかの円領域に分割される。

装置は、組織または皮膚のの下の領域の治療に利用できる。

本発明の第２の実施形態によれば、エネルギーを治療領域に収束できるような、事前に選択された特性を有する前述の装置を提供する工程と、治療される組織が存在する身体に前記装置を適用する工程とを含む、組織の治療方法が提供される。

しみのある皮膚を治療するには、治療される組織は皮下の血管であってもよい。

美容整形の脱毛方法においては、治療される組織は毛の毛胞（ｆｏｌｌｉｃｌｅ）であってもよい。

美容整形の入れ墨の除去方法においては、治療される組織は、変色した皮膚細胞であってもよい。

次に、本発明の実施形態を例および添付図面により詳細に説明する。

本発明の目的は、改良されたビーム収束を実現する組合せレンズを提供することである。

本発明の実施形態における装置例は、例および添付図面の図１により、以下に示す。

例において、
ｌ_ｐは、レンズの周辺部厚さを表し、
ｌ_ｃは、レンズ軸方向の厚さを表し、
ｄ_ｏは、レンズの直径を表し、
Ｒは、レンズの凹面の曲率半径を表す。

図１を参照すると、電気的手段（図示せず）により適切な周波数で励起されると、圧電セラミックディスク１は、１〜５ＭＨｚの範囲の高周波数の超音波を発生する。アルミニウム合金、チタン合金またはその他の適切な材料または混合物の収束平凹レンズ２が、圧電セラミックディスク１に隣接して適切な接着手段によりセラミックディスク１に固定され、これにより超音波振動は、治療される組織がある体内に焦点領域３を向ける。

１．５７ＭＨｚの領域の周波数において有効な装置は以下のレンズ寸法を有する。

ｌ_ｐ＝４．０ｍｍ
ｌ_ｃ＝１．５ｍｍ
ｄ_ｏ＝１０ｍｍ
装置は焦点距離７．０ｍｍおよび焦点領域０．０２ｃｍ^２を有するものとする。

１．５５ＭＨｚの領域の周波数において有効な装置は以下のレンズ寸法を有する。

ｌ_ｐ＝３．５ｍｍ
ｌ_ｃ＝１．５ｍｍ
ｄ_ｏ＝１０ｍｍ
Ｒ＝７．５ｍｍ
装置は焦点距離１０．０ｍｍおよび焦点領域０．０２５ｃｍ^２を有するものとする。

１．５７ＭＨｚの領域の周波数において有効な装置は以下のレンズ寸法を有する。

ｌ_ｐ＝４．０ｍｍ
ｌ_ｃ＝１．５ｍｍ
ｄ_ｏ＝１０ｍｍ
Ｒ＝６．２６ｍｍ
装置は焦点距離７．６ｍｍおよび焦点領域０．０２ｃｍ^２を有するものとする。

図２および３を参照すると、直径３５ｍｍが好ましい単一の圧電セラミック変換器は、周辺部において厚さ１２〜１３ｍｍが好ましくおよびもっとも薄い部分で約８ｍｍの領域内に複合レンズ５に取り付けられている。

レンズ５の外面は、４つの等間隔を空けた凹面６を有するように形成されている。それぞれは、予め選択された点で一致する曲率半径を有する球体部分を形成する。

凹面６は、４つより多いまたは少なく設けられることもできる。

レンズの特性を決定する理論の別の例を以下に示す。

組合せレンズおよびＰＺＴの物理的システムに対する結果は以下のとおりである。

ＰＺＴディスクの厚さ−ｌ_１＝２ｍｍ
周辺部のレンズの厚さ−ｌ_２＝７．５ｍｍ
軸でのレンズの厚さ−ｌ_３＝１．５ｍｍ
レンズ面の曲率半径−Ｒ＝１５．２５ｍｍ
組立品の直径−Ｄ＝２５ｍｍ
これらは、図８〜１０に示されている。

図８は、放射表面の半分の上のレンズの表面から３６ｍｍまでの、すなわち中心線から１２．５ｍｍの圧力振幅の３Ｄグラフである。

図９はレンズ軸方向の圧力変化の図表であり、レンズ表面から２７ｍｍの位置に強度のピークを示す。

図１０は、焦点面の放射強度の変化の図表である。

組合せレンズおよびＰＺＴの物理的システムに対する結果は以下のとおりである。

ＰＺＴディスクの厚さ−ｌ_１＝２ｍｍ
周辺部のレンズの厚さ−ｌ_２＝４ｍｍ
軸でのレンズの厚さ−ｌ_３＝１．５ｍｍ
レンズ面の曲率半径−Ｒ＝６．２５ｍｍ
組立品の直径−Ｄ＝１０ｍｍ
これらは、図５〜７に示されている。

図５は、放射体の表面の半分の上のレンズの表面から３６ｍｍまでの、すなわち中心線から１２．５ｍｍの圧力振幅の３Ｄグラフである。

図６はレンズ軸方向の圧力変化の図表であり、レンズ表面から２７ｍｍにピーク強度を示す。

図７は、焦点面の放射強度の変化の図表である。

実験的に算出されたビーム断面図は、理論的に予測されるパターンに精度よく一致している。

ＰＺＴ変換器素子が収束デバイスに機械的に取り付けられる場合、複雑な有限要素技法を用いる操作モードにおいて分析されるだけの複合共振子が作成される。このような方法を改良して、基本的に平凹金属レンズに結合された平板のディスクＰＺＴ変換器から成る密結合の二重収束発信器から発信される動的波形パターンの詳細な分析を可能にする。この理論は、二重収束デバイスの形状および音響特性を考慮し、広範囲の周波数にわたり流体媒体中で伝送するときの操作をシミュレートする。このようなデバイスは、長波長システムにおいて縦または横状共振子と同様に作用し、光学システムでは発生しないレンズのひずみを有する。この技法により、特定の収束特性を選択して、広範囲の外科的処置のエネルギーおよび形状的な要求を満たすことができる。

測定はビームプロッティングタンク（ｂｅａｍ ｐｌｏｔｔｉｎｇ ｔａｎｋ）内で行われ、水中マイクが、超音波デバイスが発信する水中に吊下げられる。水中マイクは、バーニアデバイスを用いて発信器に対して３次元的に正確に位置合わせされる。センサは水中を通過する伝播波により発生する圧力を測定し、圧力を電圧信号に変換する。次に、これをＰＣ上にプロットして、伝送経路形状の記録を作成する。伝送経路の幅は、レンズ中心から既知の距離において測定され、最少は幅の位置すなわち、「焦点」の計算、ならびに、「収束」度合い、レンズ表面積と「焦点」平面における伝送経路の面積との比の計算ができる。

機械加工および良好な音響特性の容易性の理由、および結合―標準アラルダイト（ＲＴＭ）エポキシ接着剤の理由から、レンズに使用する材料はアルミニウムとした。

レンズ形状の実験的研究は、使用したＰＺＴの直径に基づき２段階で実行した。先に説明した超音波放射デバイスは、直径１０ｍｍのディスクを利用し、したがってレンズの初期範囲は、凹面に機械加工された曲率半径の片面を有するΦ１０ｍｍのアルミニウムディスクをもとにした。選択された初期半径は、代表的範囲をカバーすることを意図し、この値は以下の表に記載されている。

最少曲率半径は、アルミニウム（約２．５ｍｍ）内の１ＭＨｚにおける半波長を採用し、これを凹面表面の深さとして算出した。最少厚さ２．５ｍｍである場合、理論的にレンズ表面における最大振幅は、レンズ表面の中心および端の両方で現れることを意味する。６．２５ｍｍの半径は、単にこれら寸法を固定する結果である。

第１の３つの曲率半径について、最少厚さの様々な値を試験したが、表１に示す結果は、図２を見てもわかるように顕著な結果だけを示す。これら結果を考察して、第２の３種類のレンズはし、Ｒ６．２６（すなわち、６．２５ｍｍの曲率半径）により示される明白な性能向上を検査するために試験を行った。

注目すべき第１の点は音響出力について得られた小さな値である。これは２つの要因に起因する。第１に、結晶は１ＭＨｚの固有周波数に「調整」され、したがって要求される特性を与える共振モードは、システムの固有周波数における共振モードで無い限りは「非共振」である。この結果、音響発生器からのエネルギー伝達が小さくなる。結果として、音響発生器は負荷の特定の電気特性に対して最適化し、固有周波数におけるものではない共振モードを効率的に駆動できるようにする必要がある。

伝播経路直径において減少を示す第１グループのレンズの唯一の例は、最少厚さ１．５ｍｍのＲ６．２５レンズである。リストに示していない例は、大幅な「収束」度合いを示すのに失敗したものである。Ｒ２０（すなわち、２０ｍｍの曲率半径）および平板の例で示される「収束」の限界レベルは顕著な特徴を示さないため、これらは曲率半径の増加による所望の特性の減少を意味する。興味深い点は、平板レンズは僅かな「収束」を示していることである。

これらの結果は、伝播経路直径の減少に対する回折作用を意味する。平板レンズにより示される「収束」は近傍効果によるものであり、近傍では表面から伝送される音波間の弱め合う干渉または強め合う干渉は結果としての収束経路を生成する。伝播経路直径の大幅な減少を生じる機構もまた、干渉形態に基づいており、この場合、半径の減少はこの効果の拡大に起因するものであった。

この根拠を評価するために、第２シリーズとして、Φ１０（直径１０ｍｍ）レンズを製作した。これらは「最適」なＲ６．２５レンズからの半径内の僅かな増加の効果を検査した。結果は「収束」の類似レベルが、達成することが示されたが、限界があり約８．０ｍｍの半径に達し、この半径では、共振周波数は類似の明らかな「収束」を示さなかった。

以下の結論を得た。

・レンズの最少厚さは約１．５ｍｍが好ましい。

・レンズの曲率半径およびディスクの直径は、レンズの明白な深度を生じる必要がある。

・要求される特性を提供する共振モードは必ずしも共振周波数に一致しないため、音響発生器は変換器の固有周波数以外のモードに最適一致できる必要がある。

これら結論により、実験的研究の第２段階に至る。Φ２５(直径２５ｍｍ）ＰＺＴは以下に示す曲率半径を加工された一定範囲のアルミニウムレンズに結合される。

これら変換器は前述の方法で検査し、その結果を表４に示している。

表４に示す結果は、Φ１０シリーズの変換器について測定された評価全体にわたり「収束」の大幅な増加を示す。従来と比較して、システムの音響出力の増加もまた明らかである。

測定された「収束」のレベルは、哺乳動物の組織の変質を発生させるのに要求される強度に達するために必要なレベルである。上記を達成するためには、「モデル」の吸収材料のサンプルにおいて熱発生器のレベルを確認するために移動することが初期必要条件であった。

組立ての実験的手法および主要点は全く簡単である。評価される発信器は、公知の深さまで下側保持チューブ内に挿入される。レンズとチューブを覆う膜の間の空間に水を注入し、第２チューブ／シリンジにより全空気を除去する。システムの上側部分は下側部分と反対に取り付けられる。第２膜により抑制される選択された吸収材料を含むサンプルホルダは、回転させて必要な高さにまで下ろす。音響結合ゲルは、２つの組織間の潤滑剤として作用し損失を制限する。熱電対ホルダは、初期温度を測定するためにサンプルホルダの上部に挿入される。次に熱電対を取り除き、変換器を一定時間稼動させ、熱電対を再度導入して、音響発生による温度上昇を測定する。（周囲温度は同時に対照として観測される）。

トリエチレングリコール（ＴＥＧ）、リバー（ｌｉｖｅｒ）および２つの混合体において得られたΦ２５、Ｒ１５．６２５、ＴＬ^Ｍｉｎ１．５の変換器から発信されたエネルギーの吸収に対する結果は、以下に示す。

引用符の結果は完全な状態ではない。レンズからの一定範囲の距離にわたる温度上昇パターンは、滑らかに最大まで上昇し、その後低下する特性を表さず多数のピークと谷を示す。このパターンは、実験セル内の伝播の複雑な特性に起因し、ほぼ確実に発生する。

項目１に示す材料の特性により、エネルギー平衡の実行を可能にし、それにより、プロセスの効率を測定できる。

変換器の音響出力＝０．２８８／０．０６８８＝４．１４２Ｗ
５ｓの音響発生間の伝送エネルギー＝４．１４２×５＝２０．１７Ｊ
ＴＥＧにより吸収される平均エネルギー＝２．４×０．５６２×１５＝２０．２５Ｊ
音響発生プロセスの効率＝２０．２５／２０．７１＝９７．８％
したがって、ＴＥＧは音響吸収の評価には優れた試験材料である。

緊密に結合された発生器の収束効果を最適化するには、凹面出力面の全部分からの音波エネルギーの伝播は、ほぼ発生器軸の方向に向かう必要があり、凹面放射面の各表面素子は、周辺方向および半径方向の両方で、全隣接素子とほぼ同相に変位する必要がある。

これら基準には、様々な材料が個別の音響特性を有し、制御の必要レベルが材料の適正な選択により達成できるという事実を考慮することで適合できる。

次に図４Ａを参照する。この図には、平凹面レンズが、中心の円形部分（Ａ）を取り囲む複数の環状部分（Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）から構成されるデバイスを示している。各部分は相補的特性を有する材料であり、その結果ＰＺＴディスクに接触している平板面からの音波は、凹面放射面８から最適状態で発信される。

図４Ａおよび４Ｂに示すデバイスは同心状部分Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥを有し、これらの部分は、それぞれが適正な位相速度定数を表す異なる材料から成り、ＰＴＦＥの例については、絶縁材料のチューブ７により分離されている。凹面放射面８の素子は前記の基準、すなわち表面８からの同相収束音波発信に適合する。下の表６は、例の材料およびその配置により、内側素子から外側素子に位相速度を増加して、レンズを交差する厚みの増加を補償できることを示す。

特定収束半径に整合する最適駆動周波数および環状幅が決定できる。

この装置の構造および設計のこの方法の利点は、以下を含む。

１．ＰＺＴレンズ構造の機械的強度が増加する。

２．ユニットサイズ当たり高エネルギー出力が得られる。

３．設計柔軟性が大きい。

４．ユニットコストの節減。

５．複数ヘッドシステムを用いて、固有ビーム形状を生成できる。

収束超音波を発生するシステムを概略的に示す図である。 高強度の収束超音波を発生するシステムを概略的に示す端面図である。 図２のシステムを概略的に示す断面図である。 微分位相シフトレンズを組み込んでいる複合システムを概略的に示す平面図である。 微分位相シフトレンズを組み込んでいる複合システムを概略的に示す断面図である。 放射表面の半分の上のレンズ表面から３６ｍｍまでの、すなわち、中心線から１２．５ｍｍの圧力振幅の３Ｄグラフである。 レンズ軸に沿った圧力変化の図表であり、レンズ表面から８ｍｍにピーク強度を示す。 焦点面の放射強度変化の図表である。 放射表面の半分の上のレンズの表面から３６ｍｍまでの、すなわち、中心線から１２．５ｍｍの、圧力振幅の３Ｄグラフである。 レンズ軸に沿った圧力変化の図であり、レンズ表面から２７ｍｍにピーク強度を示す。 焦点面の放射強度変化を示す。

Claims (6)

1. 超音波振動を発生する手段と、
   前記発生手段に固定され、かつ所定領域に前記超音波振動を収束するレンズ手段と、
   を具備し、
   前記レンズ手段は、同心状に連なって配置されている実質的にいくつかの円領域に分割され、前記領域であって、隣接する領域同士の波速は異なる波速を有する材料で構成されていることを特徴とする超音波振動ビームを収束する装置。
2. 前記連なっている実質的にいくつかの円領域の波速速度は、最も中心の前記領域と、最も外側の前記領域との間で連続して変化することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動ビームを収束する装置。
3. 前記連なっている実質的にいくつかの円領域の波速速度は、最も中心の前記領域と、最も外側の前記領域との間で連続して上昇することを特徴とする請求項２に記載の超音波振動ビームを収束する装置。
4. 前記レンズ手段は、平凹面レンズであることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１項に記載の超音波振動ビームを収束する装置。
5. 前記実質的にいくつかの円領域は、隣接する実質的にいくつかの円領域から絶縁材料によって分離していることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１項に記載の超音波振動ビームを収束する装置。
6. 前記レンズ手段は、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、またはこのような材料の任意の１つ、または複数を有する混合物を含むことを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１項に記載の超音波振動ビームを収束する装置。

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