WO2005094701A1

WO2005094701A1 - 超音波照射方法及び超音波照射装置

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Publication number: WO2005094701A1
Application number: PCT/JP2005/005969
Authority: WO
Inventors: Yoichiro Matsumoto; Teiichiro Ikeda; Shin Yoshizawa
Original assignee: Hitachi Ltd; Todai TLO Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Todai TLO Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2006-09-30
Also published as: JPWO2005094701A1

Abstract

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。

Description

明細書

超音波照射方法及び超音波照射装置

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、キヤビテーシヨ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。本明細書におヽては、一つの好まし、態様である結石破砕に基づヽ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、超音波洗浄ゃキャビテーシヨン'ピー-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、またキヤビテーシヨンによって正常組織が損傷されると、う未解決問題を抱えて、ることも事実である。体組織の損傷は、キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨ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ヤ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、超音波キヤビテーシヨ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、超音波キヤビテーシヨ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。キヤビテーシヨ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ヤビテーシヨンを生成させて崩壊を弓 I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、破砕片、キヤビテーシヨ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つていた。例えばキヤビテーシヨン生成に必要な時間を 50 s、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ヤビテーシヨンを生成し、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、キヤビテーシヨ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)患部以外にキヤビテーシヨンの崩壊圧を作用させずに 2)患部においてはキヤビテーシヨンの崩壊を最大限 (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、安定なクラウドキヤビテーシヨンの生成の精度に大きく依存し、安定なクラウドキヤビテーシヨンの生成は、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、安定なクラウドキヤビテーシヨンとは図 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、クラウドキヤビテーシヨ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、安定なクラウドキヤ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ヤビテーシヨ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ヤビテーシヨンの発生から崩壊、消失までの一連の挙動を、物理的に把握しその高圧 ·高エネルギ一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

発明が解決しょうとする課題

[0006] 本発明は、高周波数の超音波によってキヤビテーシヨンを生成し、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!、エネルギーを生成する手段にぉ、て、生成されたキヤビテーシヨン気泡の挙動力も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、安定なクラウドキヤビテーシヨ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ヨンの生成は、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つて大きく変化する。また、単位時間あたり集中されるエネルギーの総量は、安定なクラウドキヤビテーシヨ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ヤビテーシヨ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ヨンの発生力崩壊、消失までの一連の挙動を常に把握しながら、そのェネルギ一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] 力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ヤビテーシヨ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、該キヤビテーシヨ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、該キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨン気泡は、対象物近傍の局所領域に生成され、該キヤビテーシヨ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、、あるいは気泡の発生及び成長を誘発しな、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ヤビテーシヨン気泡が生成された力否かの判定を含み、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 Zあるいは照射時間である。判定結果力 s「否」の場合には、高周波数の超音波の出力および Z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] 安定なキヤビテーシヨン気泡が生成された力否かの判定は、一つの好ましい態様では、受信信号の、圧力振幅および Z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、態様では、安定なキヤビテーシヨン気泡が生成された力否かの判定は、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ステップによるキヤビテーシヨ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。キヤビテーシヨ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ステップによるキヤビテーシヨ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。キヤビテーシヨ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 Z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 Zあるいは崩壊時刻によって行う。

[0013] 本発明において、該キヤビテーシヨン気泡力生成される音波の処理は、音波に基づくキヤビテーシヨ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 Zあるいは、対象物の周囲の環境力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 Zあるいは、対象物の周囲の環境力もの音波の信号を用いた該対象物および z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ょ、。

[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ヤビテーシヨン気泡を生成させ、次いで、低周波数の超音波を該対象物に向けて照射し、該キヤビテーシヨン気泡を崩壊させて、該対象物に高工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、該キヤビテーシヨン気泡力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 Zあるいはハイド口フォンである。

[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 Zあるいは対象物の周囲の環境および Zあるいはキヤビテーシヨン気泡力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、る。

[0020] 一つの好ま、態様では、該信号処理部は、受信した音波に基づ!、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、周波数力もなる群力も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、生成されたキヤビテーシヨン気泡の挙動カゝら得られる情報を用いて、安定なクラウドキヤビテーシヨンが生成されている力否力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ヤビテーシヨンを生成し、安定なクラウドキャビテーシヨンを、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ヤビテーシヨ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+l)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] Table 1 Resonant frequency of PZT elements that are used in the experiment

1^st mode 2^nd mode 3 ^rd mode 4^th mode

545 kHz 1.64 MHz 2.75 MHz 3.82 MHz

1.08 MHz 3.27 MHz Not use Not use

[0025] PZTトランスデューサカも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, AG 1024)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] キヤビテーシヨン現象の観測には 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ヤ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 X 0.40mm〜2.50mm X 3.06mの領域を 1200pix X 980_Pixの CCD画像に撮影した。キヤビテーシヨ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、超音波キヤビテーシヨンの現象観測、および崩壊による衝撃波のシャドウグラフ撮影を行つた。キヤビテーシヨン崩壊による音圧は、衝撃波測定用ハイド口フォン (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、任意波形発生装置力のトリガ信号を基準として行った。キヤビテーシヨ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にキヤビテーシヨン制御手法のスキーム概略図と、音響キヤビテーシヨン制御に用いられた超音波パルス波形の概略を示す。音響キヤビテーシヨ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ヤビテーシヨンを発生させる高周波（1ΜΗζ〜4ΜΗζ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ヤビテーシヨンを発生させる。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〜l MHz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ヤビテーシヨンが生成し、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、クラウドキヤビテーシヨ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ヤビテーシヨンを生成 '崩壊させたときのキヤビテーシヨ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ヤビテーシヨンが 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ヤビテーシヨンは、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ヤビテーシヨンは、超音波の波長に強く依存することがわ力つており、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ヤビテーシヨンを生成することができる。このことについて補足する。 100〜200 s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ヤビテーシヨ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ヤビテーシヨ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ヤビテーシヨンが形成された。また、図 26Aに示されるようなクラウドキヤビテーシヨンの、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、超音波によつて固体壁面上に発生するクラウドキヤビテーシヨ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、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ヤビテーションは、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ヤビテーシヨン力 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、クラウドキヤビテーシヨ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、クラウドキヤビテーシヨ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ヤビテーシヨ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力図 3の 3フレーム目においてクラウドキヤビテーシヨ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'白の濃淡となつて現れる。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、単一のキヤビテーシヨン気泡がそれぞれ崩壊したときの衝撃圧と比ベ 3倍以上の圧力値を観測して、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、クラウドキヤビテーシヨ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。キヤビテーシヨン制御波形は、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、クラウドキヤビテーシヨ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、破砕片はキヤビテーシヨンエロージヨ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ぐ現存 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、非常に細力、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ヨンエロージョンにより削り取られ、破砕片を非常に細力べすることができ、 2)破砕をもたらす超音波キヤビテーシヨンは、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っ、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、キヤビテーシヨンの崩壊を導くためには、キヤビテーシヨ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ヤビテーシヨ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、安定なクラウドキヤビテーシヨンの生成に大きく依存することがわかつた。また、安定なクラウドキヤビテーシヨ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、安定なクラウドキヤビテーシヨンの生成は超音波の照射時間あるいは Z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力つた。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ヤビテーシヨンの生成の関係は、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、「安定なキヤビテーシヨンの生成を確実に実行する」こと一つとつても、キヤビテーシヨ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、安定なクラウドキヤビテーシヨンの生成過程では、キヤビテーシヨン力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、キヤビテーシヨン力も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ヨンを生成するように制御することが可能である。さらに、キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨン力も発生される音波を用いることができる。キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨ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、のすベ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ヤビテーシヨ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 Zあるいは圧力の大きさから崩壊圧を推定し、破砕効率が適切力否かの判定ができる。尚、本技術では対象物（結石)ェロージヨ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、 100-200 s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 Z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、て説明する。キヤビテーシヨンの崩壊圧を利用した結石破碎法（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、キヤビテーシヨン気泡の生成力も消滅までの過程と関連しており、具体的には、安定なクラウドキヤビテーシヨンの生成、クラウドキヤビテーシヨンの崩壊、クラウドキヤビテーシヨンの消滅が重要となる。

[0040] 高周波超音波の照射は、安定なクラウドキヤビテーシヨ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、キヤビテーションの生成状態をモニタリングすることで、安定なクラウドキヤビテーシヨンが生成されている力否かを判定する。低周波超音波の照射は、クラウドキヤビテーシヨ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力判定する。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、キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨン気泡力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口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 Z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 Z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 Z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力が、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、キヤビテーシヨ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、治療装置の形態力 S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）である力、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、キヤビテーシヨン気泡力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 (プロ一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ヤビテーシヨン気泡力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 Z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 Z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一タとして用いることができる。また、音圧信号力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、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、雰囲気圧力等力 S、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（ステツプ 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ヤビテーシヨ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に戻って最初力も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、安定なクラウドキヤビテーシヨンを生成する (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、クラウドキヤビテーシヨンを崩壊に導き、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] 安定なクラウドキヤビテーシヨンが生成されて、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 50 sという非常に短い時間で終了するため、キヤビテーシヨン生成のモニタリングはステップ 4の後になる。これは、キヤビテーシヨンからの音波の発生力も受信するまでに 50 s程度力かるためである。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ぐ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、キヤビテーシヨン発生時の特徴的な音波や安定なキヤビテーシヨンからの特徴的な音波などを用いてキヤビテーシヨンのモニタリングを行う。安定なキヤビテーシヨ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。安定なキヤビテーシヨンが生成されていないと判定された場合には、ステツプ 2に戻る。

[0049] キヤビテーシヨン気泡の崩壊位置および Zある、は崩壊時刻が正し、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!/、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、キヤビテーシヨ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。キヤビテーシヨ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] キヤビテーシヨ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 Z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。これによつて、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]キヤビテーション気泡生成のモニタリング

安定なクラウドキヤビテーシヨンが生成されている力否かは、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力否か等の複数の手法が考えられる。これらの情報は、キヤビテーシヨン気泡力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] 正常なキヤビテーシヨン制御のサイクルの好ましい一つの例は、（1)キヤビテーシヨンの発生、（2)安定なクラウドキヤビテーシヨンの生成、（3)安定なクラウドキヤビテーシヨンの崩壊、（4)キヤビテーシヨンの消失、力もなる。このうち、（1)、（2)、（3)のプロセスが安定なクラウドキヤビテーシヨ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ヤビテーシヨンの生成をチェックすることが可能である。

[0054] (1)では、キヤビテーシヨンの発生を検知し、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ヤビテーシヨンが生成される力を予測できる。（2)ではクラウドキヤビテーシヨンが安定してきているかを確認する。ただし、安定なクラウドキヤビテーションカもの音波が検知しにくい場合は、検知しにく、と、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ヤビテーシヨンが生成できて、たのだろうと、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、キヤビテーシヨ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つた後に、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ィ匕している。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ヤビテーシヨ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。データべ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ヤビテーシヨンが生成できて、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、キヤビテーシヨ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っため、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。これが安定なキヤビテーシヨンになると、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] 安定なクラウドキヤビテーシヨンが生成されて、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、安定なクラウドキヤビテーシヨ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。安定なクラウドキヤビテーシヨンの生成は、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。これによつて、生成するクラウドキヤビテーシヨ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] 安定なクラウドキヤビテーシヨンが生成されているかの判定力 ^否」の場合は、例えば、高周波の照射時間および Z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、判定力 ^否」の場合に、高周波の照射時間および Zあるいは高周波の出力を長ぐ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!/、場所にも発生してしまって、る場合は、高周波の照射時間および Zあるヽは高周波の出力を短ぐ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、安定なクラウドキヤビテーシヨンが生成されている力の判定力 ^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、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ぐし力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)安定なクラウドキヤビテーシヨン力も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力も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ぐ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力も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]キヤビテーシヨン気泡崩壊現象のモニタリング

キヤビテーシヨ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力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ぐ例えば高周波の照射時刻はわかっているので、高周波の発信力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] キヤビテーシヨ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、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カ卩えて、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]キヤビテーシヨン残留気泡のモニタリング

本技術では、キヤビテーシヨンを狭、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、キヤビテーシヨン崩壊後の残留気泡は安定なクラウドキヤビテーシヨ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、そのまま高周波力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ぐ小さくなつ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、次のサイタルまでの時間（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〖こ、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、残留気泡力反射される音波を受信することによつ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、高くなる力もである。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力である。

[0067] 残留気泡のモニタリングによって、キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨ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、。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ェンスである。

[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、る。本発明に係る 2段階の超音波照射力なる 1パルス間のインターバルは、キヤビテーシヨン気泡のモニタリング時間を除いて、 10000〜40000 5の待ち時間カぁる。したがつて、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 5 0— 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ヤビテーシヨン挙動のデータベース（一連のスキーム中のキヤビテーシヨン挙動の特性）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)キヤビテーシヨン挙動データベースの作成（高周波フーズ）；

高周波フェーズにおけるキヤビテーシヨン挙動の 3種類の分類（図 14、図 15、図 16

)

(2)キヤビテーシヨン挙動に応じた音圧信号取得 (高周波フーズ）；

高周波フェーズの音波モニタリング、および 3種類のキヤビテーシヨ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種類のキヤビテーシヨン挙動との対応（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パターンにキヤビテーシヨンを分類し、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、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。キヤビテーシヨ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、高周波フエ一ズにおいては 3.89 [MHz]を、低周波フェーズにおいては 555 [kHz]を用いている。キヤビテーシヨ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。キヤビテーシヨンからの放出音圧のモ二タリングには、開口径 12[mm]、焦点距離 78.3[mm]の凹面型ハイド口フォンを用いた。この凹面型ハイド口フォンはほぼ PZTトランスデューサと同じ焦点距離をもち、焦点で起きるキヤビテーシヨ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、この凹面型ハイド口フォンは 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く 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。

[C 2]高周波（3.89[MHz])フェーズにおけるキヤビテーシヨン気泡群の分類（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 [ μ s] (0-506 [周期])の固体壁面のキヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨ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])：キヤビテーシヨ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、微細なキヤビテーシヨンが発生して、る状態；

(B)中音圧域 (7.4く |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 (クラウドキヤビテーシヨン）が発生して、る状態；

(C)高音圧域（10.5[MPaK|p」：形状'サイズが不安定なキヤビテーシヨ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、る状態；

である。

これらの挙動は、キヤビテーシヨン気泡群力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力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ぐあくまでキヤビテーシヨン挙動が (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ヤビテーシヨ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。

[C 3]高周波超音波照射時間に対するキヤビテーシヨン気泡群代表長さ（時間径グラフ）

図 15は図 14と同様の撮影におけるキヤビテーシヨ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力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[ sec])となっており、それぞれの出力において、キヤビテーシヨン気泡群が成長してゆく様子を示している。図中 "〇"印は固体壁面力も成長する半楕円球状のキヤビテーシヨ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ヤビテーシヨ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次的なキヤビテーシヨンまで含めた長さをとつている。

(A)「低音圧域」において気泡群はグラフ中 100[ sec]をすぎても確認できていない。 110[ sec]をすぎたあたりから、キヤビテーシヨ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、最終的なキヤビテーシヨン代表長さは短ぐ 30 - 40 [ m]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 sec]の時点でキヤビテーシヨン気泡が確認されはじめ、 lSO^ sec]においては、 50- 60[ /ζ πι]程度の安定したキヤビテーシヨン気泡群を形作っている。ただし、 150 [ sec]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次的なキヤビテーシヨン気泡が生成するケースもある。

(C)「高音圧域」においてはキヤビテーシヨン気泡が発生した直後 (85[ sec])に、半楕円球状の気泡群の周囲を覆うように 2次的なキヤビテーシヨン気泡が生成している。このような不規則なキヤビテーシヨン気泡の存在は、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力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ぐ制御の工程数を減らすことができるからである.

[C 4]高周波超音波照射時間に対するキヤビテーシヨン気泡群代表長さ（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[ sec]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つてゆき、 7[MPa]程度で 50-60[ μ m]程度の半楕円球状の安定した形状 ·サイズのキヤビテーシヨン気泡群となる。一方 10[MPa]を超えたあたりから、 2次的なキヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨン気泡群の異なる 3つの状態の領域を定めることができる。

[0075] [C 5]キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨ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。キヤビテーシヨン気泡が、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、キヤビテーシヨ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エネレータの 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、キヤビテーシヨ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ヤビテーシヨン力も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 ·形状の安定したキヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨ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ヤビテーシヨン気泡群力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ヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨン気泡群が発生していないもしくはごく微少なキヤビテーシヨ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、半楕円球状のキヤビテーシヨ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ヤビテーシヨン気泡群のモ- タリングを行うことが可能であることが分かる。

[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、キャビテーシヨン気泡群力も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、ごく微小なキヤビテーシヨ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、半楕円球状のキヤビテーシヨ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次的なキヤビテーシヨン気泡が生成してヽる高音圧域に対応し、この不安定なキヤビテーシヨ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っため、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ヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨン気泡群の崩壊圧そのものを抜き出したものである。左から右に向かつて加えた低周波の圧力振幅は大きくなつて、つて、る。すべてのケースにお!、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ヤビテーシヨ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つていることがわ力る。

[0080] [C 10]高周波フェーズで生成されるキヤビテーシヨン気泡群と崩壊圧との関係図 22にキヤビテーシヨ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"発生するキヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨン気泡群の崩壊圧もまた、高周波フェーズの三種類のキヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨン気泡が生成していない、もしくはごく微少なキヤビテーシヨン気泡のみしか生成して、な、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、キャビテーシヨ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。しカゝしながら、 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次的キヤビテーシヨ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次的なキヤビテーシヨ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ヤ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つて行くという結果が得られている力これら、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。再度になる力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、特性の概形が機器力も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 V、て、崩壊圧の大きさがどのように分布して、るかのマッピング結果と!/、うことになる。図 23にそのマッピングの例を示す。

[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

これまでに分力つた、高周波フェーズでのキヤビテーシヨ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力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つた。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において分力るように、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ッ型の変色域となった。これは 2次的なキヤビテーシヨン気泡力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力つたためである。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つ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つ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、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ぐ超音波洗浄やキヤビテーシヨン'ピーユ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]キヤビテーシヨン制御手法のスキーム概略図と、音響キヤビテーシヨン制御に用 V、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ヤビテーシヨンを生成-崩壊させたときのキヤビテーシヨンの挙動を示す。

[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]キヤビテーシヨ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]キヤビテーシヨ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、 100-200

IX s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]安定なクラウドキヤビテーシヨンに必要な最低出力を示す図である。縦線 Aは、キヤビテーシヨン発生の閾値 (最小印加電圧）を示し、縦線 Bは、安定なクラウドキヤビテーシヨンの閾値 (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]安定なクラウドキヤビテーシヨンに必要な最低照射時間を示す図である。縦線

Cは、安定なクラウドキヤビテーシヨンの閾値 (照射時間）を示す。

[図 9]安定なクラウドキヤビテーシヨンのモニタリグを説明するフロー図である。

[図 10]キヤビテーシヨン気泡の崩壊 '消失のモニタリングを示す図である。圆 11]超音波照射 ·受信プロトコルを示す図である。

圆 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ヤビテーシヨンの分類 (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、キヤビテーシヨン気泡群代表長さを示す。〇：半楕円球状のクラウドキヤビテーシヨン;▲：半楕円球状のクラウドキヤビテーシヨンを覆うキヤビテーシヨン（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!/、な!/、。

[図 15B]中音圧域 8.7 [MPa]における、超音波照射時間に対する、キヤビテーシヨン気泡群代表長さを示す。〇：半楕円球状のクラウドキヤビテーシヨン;▲：半楕円球状のクラウドキヤビテーシヨンを覆うキヤビテーシヨン（Shielding cavitation)である。中音圧域 8.7 [MPa]においては 130[ /z s]後あたりで、安定なサイズに達している。

圆 15C]高音圧域 11.7 [MPa]における、超音波照射時間に対する、キヤビテーシヨン気泡群代表長さを示す。〇：半楕円球状のクラウドキヤビテーシヨン;▲：半楕円球状のクラウドキヤビテーシヨンを覆うキヤビテーシヨン（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。

圆 16]高周波数の超音波の圧力振幅に対する、キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨ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、キヤビテーシヨン発生時の放出音圧の検出を示す。

圆 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。圆 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。

圆 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]音圧波形によるキヤビテーシヨ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]音圧波形によるキヤビテーシヨ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]音圧波形によるキヤビテーシヨ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]音圧波形によるキヤビテーシヨ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。

圆 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ヤビテーシヨ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つていることがわ力る。

[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ヤビテーシヨ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。

圆 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。

圆 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、集束超音波によつてつくられる、サイズ'形状が安定な半楕円球状のクラウドキヤビテーシヨンを示す。

[図 26B]図 26Aに示されるようなクラウドキヤビテーシヨンの、代表長さを周波数に対してプロットしたちのである。

Claims

請求の範囲

[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ヤビテーシヨ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、該キヤビテーシヨ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、

該キヤビテーシヨ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。

[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、、あるいは気泡の発生及び成長を誘発しな、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。

[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、該キヤビテーシヨン気泡から発生する音波を受動的に受信および Zあるいは照射された超音波に対してキヤビテーシヨ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。

[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ェ程の第 1ステップによって安定なキヤビテーシヨン気泡が生成された力否かの判定を含み、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 Z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。

[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。

[6] 請求項 4, 5いずれかに記載の方法において、安定なキヤビテーシヨン気泡が生成された力否かの判定は、キヤビテーシヨン気泡からの音波の受信信号の、圧力振幅および Z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。

[7] 請求項 4乃至 6 、ずれかに記載の方法にぉ、て、安定なキヤビテーシヨン気泡が生成された力否かの判定は、キヤビテーシヨン気泡力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。

[8] 請求項 4乃至 7いずれかにおいて、安定なキヤビテーシヨン気泡が生成された力否かの判定は、生成されたキヤビテーシヨ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。

[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ェ程の第 2ステップによるキヤビテーシヨ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。

[10] 請求項 9に記載の方法において、キヤビテーシヨン気泡の崩壊位置および Z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力も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。

[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ェ程の第 2ステップによるキヤビテーシヨ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。

[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。

[13] 請求項 11, 12いずれかに記載の方法において、キヤビテーシヨ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 Z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。

[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ェ程の第 3ステップにおける残留気泡が十分少な、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。

[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 Z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。

[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。

[17] 請求項 1乃至 16いずれかに記載の方法において、該キヤビテーシヨン気泡力生成される音波の処理は、音波に基づくキヤビテーシヨ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。

[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

Z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。

[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 Z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 Z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。

[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。

[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。

[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。

[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。

[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ヤ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、該キヤビテーシヨ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、該キヤビテーシヨン気泡力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、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。

[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 Zあるいはハイド口フォンであることを特徴とする超音波照射装置。

[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。

[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。

[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!ヽ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 Zあるいは対象物の周囲の環境および Zあるいはキヤビテーシヨ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、ることを特徴とする超音波照射装置。

[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。

[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。

[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。