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JPWO2005094701A1 - Ultrasonic irradiation method and ultrasonic irradiation apparatus - Google Patents

Ultrasonic irradiation method and ultrasonic irradiation apparatus Download PDF

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JPWO2005094701A1
JPWO2005094701A1 JP2006511695A JP2006511695A JPWO2005094701A1 JP WO2005094701 A1 JPWO2005094701 A1 JP WO2005094701A1 JP 2006511695 A JP2006511695 A JP 2006511695A JP 2006511695 A JP2006511695 A JP 2006511695A JP WO2005094701 A1 JPWO2005094701 A1 JP WO2005094701A1
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洋一郎 松本
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貞一郎 池田
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晋 吉澤
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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。The information obtained from the behavior of the generated cavitation bubbles is used to optimize the ultrasonic irradiation. A first step of irradiating an object having liquid in at least a part of its surroundings with a high-frequency ultrasonic wave to generate cavitation bubbles in a region including the object, and a low-frequency ultrasonic wave to the object A first step comprising: a second step of irradiating the cavitation bubble to collapse the cavitation bubbles and imparting high energy to the object; and a third step that is an interval time after the second step; A second step of acquiring a sound wave emitted from the cavitation bubble and controlling the ultrasonic wave irradiation condition by signal processing the sound wave. The second step includes determining whether a stable cloud cavitation has been generated, whether the collapse position is appropriate, whether the collapse pressure is appropriate, and whether there are few remaining bubbles.

Description

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、キャビテーショ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。本明細書においては、一つの好ましい態様である結石破砕に基づい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、超音波洗浄やキャビテーション・ピーニング等の工業アプリケーションにおいても有用である。 The present invention relates to an ultrasonic irradiation method and an ultrasonic irradiation device, and more particularly to crushing, cleaning, surface modification, etc. of an object using the collapse pressure of cavitation bubbles. In this specification, although this invention is demonstrated based on the calculus crushing which is one preferable aspect, this invention is not only in medical applications, such as calculus crushing, but in industrial applications, such as ultrasonic cleaning and cavitation peening. Is also useful.

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、またキャビテーションによって正常組織が損傷されるという未解決問題を抱えていることも事実である。体組織の損傷は、キャビテーショ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、キャビテーショ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ャ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。 Shock wave lithotripsy (SWL) is often regarded as an almost established treatment technique at present. However, it is also true that calculus fragments are relatively large and have unresolved problems that normal tissue is damaged by cavitation. The damage to the body tissue is caused by a large impact pressure generated when the cavitation bubble collapses (collapses) rapidly. On the other hand, the collapse pressure of the cavitation bubble is certainly sufficient to scrape off the stone. If it can localize only on the surface of the stone and generate cavitation bubbles, and if it can effectively cause the collapse, then only the stone will be crushed while minimizing damage to normal tissue It is considered possible.

本出願の発明者等は、2種類の集束超音波によって、超音波キャビテーショ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、超音波キャビテーショ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。キャビテーショ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ャビテーションを生成させて崩壊を引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い破砕片、キャビテーショ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。 The inventors of the present application have developed a technique for controlling ultrasonic cavitation with two kinds of focused ultrasonic waves and crushing only stones from the surface. In this method, only stones are crushed by erosion due to the collapse phenomenon of ultrasonic cavitation without using high pressure due to shock waves. As the pressure wave that generates cavitation, compared to the shock wave generated by SWL, focused ultrasound with a wavelength that is one order of magnitude shorter is used. By generating cavitation in a localized region and causing collapse, only the calculus surface Guides the concentration of high pressure and energy. As a result, we developed a stone crushing technique that can solve both the relatively large fragments and the damage of body tissue due to cavitation damage, which are problems of existing SWL.

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っていた。例えばキャビテーション生成に必要な時間を50μs、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ャビテーションを生成し、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、キャビテーショ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)患部以外にキャビテーションの崩壊圧を作用させずに 2)患部においてはキャビテーションの崩壊を最大限(最適に)引き出すことが重要となる。 Until now, in the method using two kinds of ultrasonic waves, sequential control has been performed by giving an ultrasonic output and an ultrasonic irradiation time which are considered to be appropriate empirically. For example, the time required for cavitation generation is 50 μs, and the time required for annihilation is 50 ms. However, in the present method of generating stable cavitation with high-frequency ultrasound and then breaking it down with subsequent low-frequency ultrasound to obtain very high pressure in a very limited space-time domain, It is important to keep track of the status of the system and to maintain the optimal status at all times. In particular, when considering medical applications, it is important to 1) not to apply cavitation collapse pressure to other than the affected area, and 2) to maximize (optimally) the collapse of cavitation in the affected area.

ここで、発明者等の研究によって、破砕力は、安定なクラウドキャビテーショ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ョンの生成は、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、安定なクラウドキャビテーションとは図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、クラウドキャビテーショ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、安定なクラウドキャ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ャビテーショ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ャビテーションの発生から崩壊、消失までの一連の挙動を、物理的に把握しその高圧・高エネルギーの集中をコントロールすることが必要となる。
特開2004−33476
Here, as a result of researches by the inventors, the crushing force largely depends on the accuracy of the generation of stable cloud cavitation, and the generation of stable cloud cavitation depends on the pressure amplitude at the focus, dissolved gas concentration, bubble core concentration, saturation. It was found that the optimum ultrasonic irradiation conditions in the system greatly vary depending on the vapor pressure and so on. Here, as shown in FIG. 8, the stable cloud cavitation indicates a state in which the change rate of the size and shape of the cloud cavitation is remarkably reduced when a certain ultrasonic irradiation time is exceeded. In addition, the amount of crushing per unit time greatly depends on the number of stable cloud cavitation disruptions per unit time, that is, the repetition frequency of high-frequency ultrasound and low-frequency ultrasound, and the repetition frequency remains after the collapse of cloud cavitation. It depends greatly on the disappearance time of bubbles. In order to use two types of ultrasonic techniques in more advanced ultrasonic therapy equipment, we can physically grasp a series of behaviors from the generation, collapse, and disappearance of acoustic cavitation in a focused ultrasonic field. However, it is necessary to control the concentration of high pressure and high energy.
JP 2004-33476 A

本発明は、高周波数の超音波によってキャビテーションを生成し、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いエネルギーを生成する手段において、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、安定なクラウドキャビテーショ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ョンの生成は、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って大きく変化する。また、単位時間あたり集中されるエネルギーの総量は、安定なクラウドキャ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ャビテーショ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ョンの発生から崩壊、消失までの一連の挙動を常に把握しながら、そのエネルギーの集中をコントロールすることが必要となる。 The present invention provides a cavitation bubble generated in a means for generating cavitation by high-frequency ultrasound, collapsing it with subsequent low-frequency ultrasound, and generating very high energy in a limited space-time region. The objective is to optimize the ultrasonic irradiation using information obtained from the behavior of the above. Energy concentration efficiency greatly depends on the accuracy of stable cloud cavitation generation, and stable cloud cavitation generation largely depends on pressure amplitude at the focal point, dissolved gas concentration, bubble nucleus concentration, saturated vapor pressure, etc. The optimum ultrasonic irradiation method in the system greatly varies depending on these. The total amount of energy concentrated per unit time depends greatly on the number of stable cloud cavitation decays per unit time, that is, the repetition frequency of high frequency ultrasound and low frequency ultrasound, and the repetition frequency is collapsed by cloud cavitation. It largely depends on the disappearance time of the remaining bubbles later. Therefore, it is necessary to control the energy concentration while constantly grasping a series of behaviors from the generation of cavitation due to ultrasonic waves to the collapse and disappearance.

か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(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。好ましくは、キャビテーション気泡は、対象物近傍の局所領域に生成され、該キャビテーショ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い、あるいは気泡の発生及び成長を誘発しない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。 The technical means adopted by the present invention in order to achieve such a problem is that high-frequency ultrasonic waves are radiated toward an object in which liquid is present in at least a part of the periphery, and cavitation bubbles are formed in a region including the object. A first step of generating, a second step of irradiating the object with a low-frequency ultrasonic wave to collapse the cavitation bubble and imparting high energy to the object; and a step after the second step A first step having a third step which is an interval time (interval step); a second step of acquiring ultrasonic waves emitted from the cavitation bubbles and controlling ultrasonic irradiation conditions by performing signal processing on the sound waves And having. Preferably, the cavitation bubbles are generated in a local region in the vicinity of the object, and high energy is locally given to the object by collapsing the cavitation bubbles. In a preferred embodiment, the third step of the first step is an interval in which, after the second step, only an ultrasonic wave having an intensity that does not irradiate ultrasonic waves toward the object or does not induce generation and growth of bubbles is irradiated. It's time.

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ャビテーション気泡が生成されたか否かの判定を含み、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/あるいは照射時間である。判定結果が「否」の場合には、高周波数の超音波の出力および/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。 In one preferred embodiment, the signal processing in the second step includes determining whether stable cavitation bubbles have been generated by the first step in the first step, and the controlled ultrasonic irradiation condition is a high frequency ultrasonic wave. Output and / or irradiation time. When the determination result is “No”, the output and / or irradiation time of the high frequency ultrasonic wave is reset. The controlled ultrasonic irradiation conditions may include a high frequency ultrasonic frequency. The ultrasonic irradiation conditions to be controlled may further include position adjustment (including phase) of the ultrasonic irradiation apparatus.

安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定は、一つの好ましい態様では、受信信号の、圧力振幅および/あるいは圧力の大きさを用いることで行う。また、他の好ましい態様では、安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定は、受信信号の周波数成分を用いることで行う。 In one preferred embodiment, whether or not a stable cavitation bubble has been generated is determined by using the pressure amplitude and / or the pressure level of the received signal. In another preferred embodiment, whether or not a stable cavitation bubble has been generated is determined by using the frequency component of the received signal.

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ステップによるキャビテーショ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。キャビテーショ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。 In one preferable aspect of the present invention, the signal processing in the second step includes determining whether or not the collapse position of the cavitation bubble in the first step and the second step is appropriate, and the controlled ultrasonic irradiation condition is the positioning (Including phase). If the determination result is “No”, the position of the apparatus is adjusted. Whether or not the collapse position of the cavitation bubble is appropriate is determined by measuring the time from the transmission of the low frequency ultrasonic wave to the reception of the sound wave by the collapse pressure.

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ステップによるキャビテーショ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。キャビテーショ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/あるいは圧力の大きさの測定によって行う。 In one preferable aspect of the present invention, the signal processing in the second step includes determination of whether the collapse pressure of the cavitation bubbles in the second step of the first step is appropriate (determination of whether the crushing efficiency is appropriate). The ultrasonic irradiation conditions to be controlled include at least one of an output of a low frequency ultrasonic wave, a wave number, a rising time constant, a rising phase, and a frequency. Furthermore, the ultrasonic irradiation conditions to be controlled may include at least one of high-frequency ultrasonic parameters (output, irradiation time, frequency), positioning, and phase correction. In one preferred embodiment, whether the collapse pressure of the cavitation bubble is appropriate is determined by measuring the pressure amplitude and / or the magnitude of the pressure of the sound wave reception signal based on the collapse pressure.

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/あるいは崩壊時刻によって行う。 In one preferable aspect of the present invention, the signal processing in the second step includes a determination as to whether or not the residual bubbles in the first step and the third step are sufficiently small, and the controlled ultrasonic irradiation condition is a repetition frequency. is there. In a preferred embodiment, this determination is made based on the collapse pressure and / or collapse time of the residual bubbles.

本発明において、該キャビテーション気泡から生成される音波の処理は、音波に基づくキャビテーショ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/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んでもよい。そして、該信号処理は、対象物、および/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/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よい。 In the present invention, processing of sound waves generated from the cavitation bubbles may include obtaining an image of the cavitation bubbles based on the sound waves. Furthermore, the method may include the step of acquiring and signal processing a sound wave from the object and / or the environment surrounding the object. The signal processing may include obtaining an image of the object and / or the surroundings of the object using a sound wave signal from the object and / or an environment around the object.

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。 In the present invention, the second step of the first step includes, in some preferred embodiments, crushing of the object, separation of foreign matter from the object, surface modification of the object, and thermal modification of the object.

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ャ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ように制御されており、該音波受信部は、該キャビテーション気泡から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。 The present invention is also provided as an ultrasonic irradiation apparatus. An ultrasonic irradiation apparatus according to the present invention includes an ultrasonic irradiation unit that irradiates an object with ultrasonic waves based on set ultrasonic irradiation conditions, a sound wave reception unit, and a signal that processes a signal received by the sound wave reception unit A processing unit, and a control unit that controls ultrasonic irradiation conditions of the ultrasonic irradiation unit, and the ultrasonic irradiation unit causes high frequency ultrasonic waves to be present in at least a part of the periphery by the control unit. Irradiating the target object, generating cavitation bubbles in a region including the target object, and then irradiating the target object with low-frequency ultrasonic waves to collapse the cavitation bubble, The sound wave receiving unit receives the sound wave emitted from the cavitation bubble and processes the received sound wave by the signal processing unit, so that it is based on the signal processing result. To the control unit What it is configured to control the ultrasound irradiation condition.

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/あるいはハイドロフォンである。 In a preferred embodiment, the sound wave receiving unit is an ultrasonic probe and / or a hydrophone.

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。 In one preferred embodiment, the signal processing unit includes a sound pressure analysis unit for the received sound wave. The sound pressure analyzer can analyze pressure amplitude, pressure magnitude, collapse position, collapse time, collapse pressure, and the like.

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。 In another preferred embodiment, the signal processing unit includes a frequency analysis unit for received sound waves. The frequency analyzer can analyze pressure amplitude, pressure magnitude, collapse pressure, and the like.

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/あるいは対象物の周囲の環境および/あるいはキャビテーショ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いる。 In one preferred embodiment, the apparatus further comprises means for irradiating the ultrasonic wave with an intensity that does not induce bubble generation and growth, from the object and / or the environment surrounding the object and / or cavitation bubbles. The reflected sound wave of the ultrasonic wave is processed by the sound wave receiving unit.

一つの好ましい態様では、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ものである。 In one preferable aspect, the signal processing unit includes an image processing unit that obtains image information based on the received sound wave.

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、周波数からなる群から選択された一つあるいは複数を含むものである。 In a preferable example, the ultrasonic irradiation conditions are not limited. The output of the high frequency ultrasonic wave, the irradiation time of the high frequency ultrasonic wave, the frequency of the high frequency ultrasonic wave, the positioning of the ultrasonic irradiation unit with respect to the object, the repetition frequency, the low frequency It includes one or more selected from the group consisting of sound wave output, wave number, rise time constant, rise phase, and frequency.

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。 In another preferable aspect, the apparatus includes a storage unit, and information indicating a relationship between the ultrasonic irradiation condition and the physical condition is stored in the storage unit.

本発明によれば、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、安定なクラウドキャビテーションが生成されているか否か、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ャビテーションを生成し、安定なクラウドキャビテーションを、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。 According to the present invention, using information obtained from the behavior of the generated cavitation bubbles, whether stable cloud cavitation is generated, whether the collapse position is appropriate, whether the collapse pressure is appropriate, It is possible to determine whether there are enough bubbles, etc., and based on the determination result, reliably generate stable cloud cavitation, and lead to stable cloud cavitation to collapse at a reliable and accurate time and position. The ultrasonic irradiation conditions can be reset to the repetition frequency.

[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ャビテーショ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+1) 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。
[A] Ultrasonic irradiation method using two types of frequencies First, ultrasonic irradiation using two types of frequencies according to the present invention will be described. First, the basic configuration of the calculus breaking device will be described. FIG. 1 shows a schematic diagram of an ultrasonic cavitation experiment apparatus according to the present invention. A concave PZT (lead zirconate titanate) transducer with an aperture diameter of 80 mm and a focal length of 80 mm fixed to an acrylic water tank was used as a source of focused ultrasound. Two types of PZT elements with resonance frequencies of 1.08 MHz and 545 kHz were used. As a characteristic of the PZT element, in addition to the resonance frequency of the fundamental mode, there are (2n + 1) times higher-order mode resonance points, and higher output is possible compared to other frequencies.

PZTトランスデューサから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,AG1024) 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。 The waveform of the ultrasonic wave transmitted from the PZT transducer into the acrylic water tank is created on a PC, then generated by an arbitrary waveform generator (Agilent, 33120A), and amplified by an ultrasonic band amplifier (T & C Power Conversion, AG1024) And sent to the PZT element. The transmitted ultrasonic wave is focused at a position of 80 mm, which is the geometric focus of the concave PZT element. The maximum output of AG1024 is 2 kW for continuous sine wave transmission and 800 V for voltage amplitude during pulse transmission.

キャビテーション現象の観測には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ャ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×0.40mm〜2.50mm×3.06mの領域を1200pix×980pixのCCD画像に撮影した。キャビテーショ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、超音波キャビテーションの現象観測、および崩壊による衝撃波のシャドウグラフ撮影を行った。キャビテーション崩壊による音圧は、衝撃波測定用ハイドロフォン(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、任意波形発生装置からのトリガ信号を基準として行った。キャビテーショ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。
For observation of the cavitation phenomenon, DRS Hadland's frame mode ultra high-speed camera IMACON 200 was used. The IMACON 200 can capture images with a minimum exposure time of 5 ns and an inter frame of 5 ns, and has sufficient performance to capture the cavitation phenomenon generated by ultrasonic waves on the order of MHz. In addition, a high-speed camera has a long-range microscope (Quester, QM100, focal length 150 to 350
mm), a region of 0.33 mm × 0.40 mm to 2.50 mm × 3.06 m was photographed on a CCD image of 1200 pix × 980 pix. Daylighting in the cavitation generation range was performed using a high-intensity strobe point light source (Nisshin Electronics, SA200F) with a maximum light intensity of 200 J / flash. The light from the point light source was converted into parallel light by the lens system and then guided to the test section, where the phenomenon of ultrasonic cavitation was observed and the shadow wave of the collapsed wave was photographed. Sound pressure due to cavitation decay was measured with a hydrophone for shock wave measurement (IMOTEC, Type 80-0.5-4.0, rise time 50 ns). In addition, synchronized data of sound pressure measurement and phenomenon shooting by a high-speed camera was performed with reference to a trigger signal from an arbitrary waveform generator. An aluminum sphere was used as the solid wall surface for growing cavitation. In addition, the experiment was performed in a state where the water in the water tank was continuously deaerated to 1.0 to 2.0 ppm in the dissolved oxygen concentration.

図2にキャビテーション制御手法のスキーム概略図と、音響キャビテーション制御に用いられた超音波パルス波形の概略を示す。音響キャビテーショ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ャビテーションを発生させる高周波(1MHz〜4MHz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ャビテーションを発生させる。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〜1MHz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ャビテーションが生成し、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。 FIG. 2 shows a schematic diagram of a cavitation control method and an outline of an ultrasonic pulse waveform used for acoustic cavitation control. The acoustic cavitation is controlled by focused ultrasound with two different frequencies. One is a high-frequency (about 1 MHz to 4 MHz) ultrasonic wave that generates cavitation in a narrow region (FIGS. 2-1, 2). High-frequency ultrasonic waves generate cloud cavitation composed of a large number of microbubbles in the focal region. The other ultrasonic wave is a low-frequency ultrasonic wave (about 100 kHz to 1 MHz) having a frequency around the resonance frequency as a group of cloud bubbles, which is about one order lower than the high-frequency ultrasonic frequency. As shown in FIG. 5, the high frequency ultrasonic wave is applied immediately after it is stopped. This low frequency ultrasonic wave causes the cloud generated at a high frequency to vibrate and lead to collapse (Figs. 2-3, 4). The shock wave is focused inside the cloud placed in the oscillating pressure field, and the bubble collapses violently in the center (Figs. 2-5 and 6). As a result of this series of schemes, cloud cavitation is generated at a spatially controlled position, and by further inducing its collapse, efficient stone crushing can be realized.

次に、クラウドキャビテーショ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ャビテーションを生成・崩壊させたときのキャビテーショ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ャビテーションが545kHzの低周波超音波によって崩壊に導かれる様子である。 Next, the collapse behavior of cloud cavitation will be described. Fig. 3 shows the behavior of cavitation when acoustic cavitation by focused ultrasound is actually generated and collapsed using the above method. Fig. 3 (a) shows how cloud cavitation produced by 2.75MHz high-frequency ultrasound is led to collapse by 545kHz low-frequency ultrasound.

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ャビテーションは、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ャビテーションは、超音波の波長に強く依存することがわかっており、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ャビテーションを生成することができる。このことについて補足する。100〜200μs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ャビテーショ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ャビテーショ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ャビテーションが形成された。また、図26Aに示されるようなクラウドキャビテーションの、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、超音波によって固体壁面上に発生するクラウドキャビテーショ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い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ャビテーションは、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。 The semi-elliptical spherical cloud cavitation as seen in the first frame of FIG. 3A can be generated while maintaining a stable size and shape as long as the frequency of the high frequency ultrasonic wave is the same. In addition, it is known that cloud cavitation generated at different frequencies strongly depends on the wavelength of the ultrasonic wave. By changing the frequency of the high frequency, cloud cavitation of any size is generated in the localized area of the calculus surface. can do. This will be supplemented. After irradiating ultrasonic waves continuously for 100 to 200 μs, the state of cloud cavitation developed on the wall surface was observed. FIG. 26A is a photograph of cloud cavitations of a semi-elliptical sphere shape, which is generated by focused ultrasound at various frequencies and has a stable size and shape. Stable semi-ellipsoidal cloud cavitation was formed in the focal region of the ultrasonic wave on the solid wall at all frequencies of 1.67, 2.75, 3.27, and 3.82 MHz. FIG. 26B is a plot of representative length versus frequency for cloud cavitation as shown in FIG. 26A. As the representative length, the maximum cloud length in the normal direction of the solid wall surface was used. From FIG. 26B, the length of the cloud cavitation generated on the solid wall surface by the ultrasonic wave has a strong correlation with the wavelength of the ultrasonic wave, and it fits very well to a line that is a quarter of the wavelength. The result that the bubble cloud size is uniquely determined by the wavelength is considered to be because the sound field generated by the standing wave near the solid wall has a large influence on the cloud generation region. As a result, FIGS. 26A and 26B show that cloud cavitation that develops on a solid wall surface by focused ultrasound can control the generation region by the wavelength of the ultrasound. In addition, it was found that ultrasonic waves of 1.0 MHz or more can be guided to a localized region of 1.0 mm or less.

図3(a)の2、3フレーム目では、半楕円球状のクラウドキャビテーションが、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、クラウドキャビテーショ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、クラウドキャビテーショ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。 In the 2nd and 3rd frames of Fig. 3 (a), the semi-elliptical spherical cloud cavitation collapses in the positive pressure part of the 545 kHz ultrasonic wave by reducing the volume of each bubble that makes up the cloud. The state can be confirmed. At this time, it is considered that a large number of bubbles collapse violently in the center of cloud cavitation and exert a very high pressure on the solid surface. That is, by disrupting cloud cavitation, high pressure can be spatially controlled and focused only on the calculus surface.

図3(b)は、図3(a)に続いて発生するクラウドキャビテーショ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が、図3の3フレーム目においてクラウドキャビテーショ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・白の濃淡となって現れる。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、単一のキャビテーション気泡がそれぞれ崩壊したときの衝撃圧と比べ3倍以上の圧力値を観測している。 FIG. 3 (b) is a shadow graph image showing the state of shock wave propagation due to the collapse of cloud cavitation that occurs subsequent to FIG. 3 (a). Although the ultrasonic frequency is different, it corresponds to the phenomenon immediately after the collapse of cloud cavitation in the third frame of Fig. 3. The high frequency ultrasonic wave is 3.82 MHz, and the subsequent low frequency is 545 kHz. In FIG. 3 (b), it can be seen that the spherical wave centering on the bubble cloud propagates outward. In the shadow graph image, black and white shades appear where the gradient of density change is large. That is, the shadow of the shock wave seen in FIG. 3 (b) indicates that a very high pressure is generated at that location. Actually, when the impact pressure at this time was measured in the distance, a pressure value more than three times the impact pressure when each single cavitation bubble collapsed was observed.

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、クラウドキャビテーショ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。 Furthermore, the phenomenon of Fig. 3 (a), (b) is observed every time in almost the same frame of high-speed camera shooting, and even in the impact pressure sensor measured far away, the variation in the signal of cloud cavitation collapse is ± 100 nsec. From this, it was found that high pressure and high energy can be focused in a region that is very controlled in time.

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。キャビテーション制御波形は、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、クラウドキャビテーションの崩壊を起こしている。 A crushing experiment will be described. Here, we will describe the results of confirming the applicability of crushing model stones and kidney stones using the above method. Figures 4 (a) and 4 (b) show the results of applying this method to model stones. FIG. 4 (a) shows a model calculus for each ultrasonic irradiation time, and FIG. 4 (b) shows a crushed piece. The cavitation control waveform was the same as that shown in FIG. 2, and a group of high frequency and low frequency was taken as one pulse, and ultrasonic waves were irradiated at a repetition frequency of 25 Hz. In other words, cloud cavitation collapses 1500 times per minute on the stone surface.

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、破砕片はキャビテーションエロージョ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。 From FIG. 4 (a), it can be seen that the calculus is crushed so as to be scraped off from the surface. After 12 minutes, the model calculus had been scraped off almost one third of its mass, and in 30-40 minutes the model calculus was completely crushed. This is as efficient as the total treatment time (60-120 minutes) with existing SWL devices. Further, from FIG. 4 (b), it can be seen that the crushed pieces are crushed so as to be scraped off by cavitation erosion. All fragments are less than 1 mm and are considered large enough to painlessly pass through the urethra.

図4(c)は腎臓結石の中でも最も硬く、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、非常に細かい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ョンエロージョンにより削り取られ、破砕片を非常に細かくすることができ、2)破砕をもたらす超音波キャビテーションは、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ついては、特開2004−33476の記載を適宜参照することができる。 Fig. 4 (c) shows the application of this method to a cystine calculus, which is the hardest kidney calculus and is difficult to crush with existing SWL devices. As in the case of the model calculus, it can be seen that the calculus has been cut into very fine fragments. According to this method, 1) stones are scraped off by cavitation erosion, and fragments can be made very fine. 2) Ultrasonic cavitation that causes crushing is localized only on the stone surface. Therefore, it has the potential to solve the two problems of existing SWL devices: calculus fragmentation is relatively large, and damage to normal tissues in the body during crushing. In addition, about the ultrasonic irradiation method using two types of frequencies, description of Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-33476 can be referred suitably.

[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、キャビテーションの崩壊を導くためには、キャビテーショ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ャビテーショ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、安定なクラウドキャビテーションの生成に大きく依存することがわかった。また、安定なクラウドキャビテーショ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、安定なクラウドキャビテーションの生成は超音波の照射時間あるいは/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かった。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ャビテーションの生成の関係は、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、「安定なキャビテーションの生成を確実に実行する」こと一つとっても、キャビテーショ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。
[B] System using feedback control [B-1] Background of feedback control In the ultrasonic irradiation method using the two types of frequencies described above, in order to induce the collapse of cavitation, Stable cloud cavitation must be generated accurately. As a result of intensive studies by the inventors, it was found that the crushing force greatly depends on the generation of stable cloud cavitation. In addition, the range in which stable cloud cavitation can be generated is limited. For example, in this experimental system shown in FIG. 1, as shown in FIGS. It has also been found that this depends on the ultrasonic irradiation condition of ultrasonic output. Here, the magnitude of the ultrasonic output has a strong correlation with the magnitude of the ultrasonic pressure amplitude at the focal point, but there are many cases where the influence of reflection, refraction, and scattering in the propagation process of the ultrasonic wave cannot be ignored. In addition, the relationship between the pressure amplitude at the focal point and the generation of stable cloud cavitation is highly dependent on the dissolved gas concentration at the focal point, the bubble core concentration at the focal point, the saturated vapor pressure at the focal point, and the atmospheric pressure at the focal point, The optimum ultrasonic irradiation conditions in the system vary greatly depending on these. Therefore, it is important to monitor the state of cavitation and provide feedback even for one of “to ensure the generation of stable cavitation”.

一方、安定なクラウドキャビテーションの生成過程では、キャビテーションから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、キャビテーションから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ョンを生成するように制御することが可能である。さらに、キャビテーショ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。 On the other hand, in the process of generating stable cloud cavitation, it was also found that the sound wave generated from cavitation changes characteristically. Therefore, it is possible to control to generate appropriate cloud cavitation under various conditions by applying feedback using sound waves generated from cavitation. Furthermore, since the sound wave generated from cavitation also has information on the collapse phenomenon and residual bubble vibration after the collapse, this is analyzed and feedback is applied to obtain the appropriate collapse pressure and the appropriate repetition frequency of ultrasonic irradiation. (This is directly linked to crushing efficiency).

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、キャビテーションから発生される音波を用いることができる。キャビテーショ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、キャビテーショ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、のすべ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ャビテーショ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/あるいは圧力の大きさから崩壊圧を推定し、破砕効率が適切か否かの判定ができる。尚、本技術では対象物(結石)エロージョ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、100-200μs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/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。 In the present invention, as a specific monitoring method, a sound wave generated from cavitation can be used as one preferred embodiment. The sound generated from cavitation is shown in FIG. By processing this sound, it is possible to perform all of the focus position target, whether cavitation is generated, whether the crushing is sufficiently performed, and optimization of the ultrasonic repetition frequency. As shown in FIG. 7, when the cloud is stabilized, a signal corresponding to the irradiation time of the high frequency ultrasonic wave is changed. Therefore, it is determined whether stable cloud cavitation is generated by monitoring the change in the signal. When the cloud collapses, an impact pressure corresponding to the strength of the collapse is observed. The collapse pressure is estimated from the pressure amplitude and / or the magnitude of the received sound wave due to the impact pressure, and it can be determined whether or not the crushing efficiency is appropriate. In addition, in this technique, since it is crushed so as to be scraped off by an object (calculus) erosion, it is important to say how fast the object (calculus) is scraped off. Therefore, the crushing efficiency is an amount such as a weight (mg / min) scraped per unit time, for example. Residual bubbles collapse after 100-200 μs and generate sound waves. The optimum repetition frequency is determined from the pressure amplitude and / or the magnitude of the pressure of the sound wave reception signal and the collapse time.

[B−2]システムの全体構成
システムの全体構成について説明する。キャビテーションの崩壊圧を利用した結石破砕法(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、キャビテーション気泡の生成から消滅までの過程と関連しており、具体的には、安定なクラウドキャビテーションの生成、クラウドキャビテーションの崩壊、クラウドキャビテーションの消滅が重要となる。
[B-2] Overall Configuration of System The overall configuration of the system will be described. The calculus crushing method (CCL: Cavitation Control Lithotripsy) using the collapse pressure of cavitation is configured as shown in FIG. The system can be broadly divided into two types: stone capture and stone crushing. The capture of the calculus includes measurement of the position of the calculus, coarse / fine movement of the ultrasonic generator, and phase correction of the ultrasonic generator. The crushing of stones includes two steps of irradiation with high-frequency ultrasonic waves and irradiation with low-frequency ultrasonic waves. The crushing process of stones is related to the process from generation to disappearance of cavitation bubbles. Specifically, the generation of stable cloud cavitation, the collapse of cloud cavitation, and the disappearance of cloud cavitation are important.

高周波超音波の照射は、安定なクラウドキャビテーショ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、キャビテーションの生成状態をモニタリングすることで、安定なクラウドキャビテーションが生成されているか否かを判定する。低周波超音波の照射は、クラウドキャビテーショ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か判定する。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、キャビテーショ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。 High-frequency ultrasonic irradiation is related to the generation of stable cloud cavitation. By monitoring the cavitation generation state during or after high-frequency ultrasonic irradiation (including after low-frequency ultrasonic irradiation) Determine whether a stable cloud cavitation has been generated. Low-frequency ultrasonic irradiation is related to the collapse of cloud cavitation, and it is determined whether or not appropriate collapse has occurred by monitoring the collapse phenomenon during or after low-frequency ultrasonic irradiation. Further, by monitoring residual bubbles after irradiation with low-frequency ultrasonic waves, it is determined whether or not cavitation bubbles have disappeared (or are sufficiently small). Steps (1) to (2) in the flowchart shown in FIG. 6 correspond to a stone capturing block, and steps (3) to (8) correspond to a stone crushing block.

本発明に係る超音波照射装置は、キャビテーション気泡から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ロ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/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/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/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かが、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、キャビテーショ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、治療装置の形態が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)であるか、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、キャビテーション気泡から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(プロー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ャビテーション気泡からの反射波を受信しても良い。 The ultrasonic irradiation apparatus according to the present invention has means for receiving a sound wave emitted from a cavitation bubble. In the experimental apparatus of FIG. 1, a hydrophone is used as a sound wave receiving means, but one preferred form of the receiving means is an ultrasonic probe. FIG. 12 illustrates three types of receiving means. The left figure in FIG. 12 shows an ultrasonic probe installed inside a piezoelectric element that emits high-frequency and / or low-frequency ultrasonic waves, and the central figure emits high-frequency and / or low-frequency ultrasonic waves. In the case where an ultrasonic probe is installed outside the piezoelectric element, the piezoelectric element that irradiates high-frequency and / or low-frequency ultrasonic waves, or the type in which the piezoelectric element is divided into a plurality of segments, as shown in the figure on the right Some of them are responsible for receiving functions. These forms receive sound waves alone or in combination. The reception can have both a function of monitoring cavitation bubbles and a function of normal ultrasonic diagnosis for imaging a stone and a tissue. Moreover, after having these receiving means, whether the form of the treatment apparatus is a phased array system (the focal position can be changed by phase correction) or a single focus system is changed. The sound pressure signal receiving probe may passively receive the sound wave emitted from the cavitation bubble, or the probe itself transmits an ultrasonic wave (a waveform generator is connected to the probe) You may receive the reflected wave from the cavitation bubble with respect to a sound wave.

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/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/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ータとして用いることができる。また、音圧信号から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。 The sound pressure signal received by the ultrasonic probe is subjected to signal processing in the signal processing unit. In the signal processing unit, means for obtaining the pressure amplitude and / or the magnitude of the pressure of the received sound pressure signal, and the sound pressure signal are analyzed (frequency component extraction by frequency filter, frequency analysis by Fourier transform such as FFT). Means for obtaining a frequency component and means for obtaining image information from a sound pressure signal. The pressure amplitude and / or pressure magnitude of the sound pressure signal and the frequency component of the sound pressure signal can be used as parameters in the feedback loop. Further, the image information acquired from the sound pressure signal is displayed on the display unit, and the image information can also be used for feedback control.

[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いて説明する。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、雰囲気圧力等が、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。
[B-3] Crushing Procedure Using Feedback System A series of crushing processes using the feedback system will be described based on a flowchart. In the storage unit of the device, the dependence of physical parameters on the ultrasonic parameters is stored as a database. Here, the ultrasonic parameter means a parameter including the focal position of the ultrasonic generator, specifically, the positions of the ultrasonic generator and the receiver (including those by phase correction), and the high frequency ultrasonic wave. The output, the irradiation time, the frequency, the output of the low frequency ultrasonic wave, the wave number, the rising time constant, the rising phase, the frequency, and the repetition frequency of the first step. Physical parameters include the state of the medium, dissolved gas concentration, liquid type, liquid temperature, bubble core concentration, saturated vapor pressure, atmospheric pressure, etc., as well as the acoustic impedance and surface roughness of the object. Is included.

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(ステップ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ャビテーショ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。 Ultrasonic parameters are set based on the database and calculus position information (step 1). Information on the calculus position is obtained by, for example, ultrasonic diagnosis. In this step, for example, positioning is performed first, then parameters of high frequency and low frequency ultrasonic waves and a repetition frequency are provisionally set, and then only high frequency ultrasonic waves are actually irradiated continuously to perform cavitation. The high-frequency ultrasonic parameters are reset using the feedback method in step 5 described later, and the low-frequency ultrasonic waves and the repetition frequency are optimized in the loop of steps 2 to 8. A method can be considered.

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に戻って最初から超音波パラメータを設定し直すこともあり得る。 In order to follow the movement of the calculus, the position of the calculus is measured again, and the apparatus is positioned (including that by phase correction) (step 2). At this time, if it is impossible to follow the movement of the calculus in real time, it is possible to return to step 1 again and reset the ultrasonic parameters from the beginning.

高周波超音波を照射し、安定なクラウドキャビテーションを生成する(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。 Irradiate high frequency ultrasonic waves to generate stable cloud cavitation (step 3). High-frequency ultrasonic irradiation is performed based on the parameters set in step 1. The high frequency range is 100 kHz or more, and preferably 500 kHz to 10 MHz.

続いて低周波超音波を照射し、クラウドキャビテーションを崩壊に導き、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。 Subsequently, low-frequency ultrasonic waves are irradiated, the cloud cavitation is led to collapse, and the stone is crushed (step 4). The low frequency range is less than or equal to half the frequency of the ultrasonic wave irradiated in step 3.

安定なクラウドキャビテーションが生成されているかを判定する(ステップ5)。ステップ3のプロセスは例えば50μsという非常に短い時間で終了するため、キャビテーション生成のモニタリングはステップ4の後になる。これは、キャビテーションからの音波の発生から受信するまでに50μs程度かかるためである。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く、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、キャビテーション発生時の特徴的な音波や安定なキャビテーションからの特徴的な音波などを用いてキャビテーションのモニタリングを行う。安定なキャビテーショ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。安定なキャビテーションが生成されていないと判定された場合には、ステップ2に戻る。 It is determined whether a stable cloud cavitation has been generated (step 5). Since the process of Step 3 is completed in a very short time, for example, 50 μs, the monitoring of cavitation generation is after Step 4. This is because it takes about 50 μs from generation of sound waves from cavitation to reception. Of course, this is not the case when this technique is used in different systems, and it is desirable to perform this process immediately after step 3, if possible. Here, for example, cavitation monitoring is performed using a characteristic sound wave when cavitation occurs or a characteristic sound wave from stable cavitation. If it is determined that stable cavitation has been generated, the process proceeds to step 6. If it is determined that stable cavitation has not been generated, the process returns to step 2.

キャビテーション気泡の崩壊位置および/あるいは崩壊時刻が正しいかを判定する(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い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、キャビテーショ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。キャビテーショ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。 It is determined whether the collapse position and / or collapse time of the cavitation bubble is correct (step 6). From the reception timing of the sound wave due to the collapse pressure, it can be confirmed whether or not the collapse has occurred at a position separated by the focal length. For example, it is possible to perceive a state in which collapse occurs in the side lobe before the focus. Furthermore, when it is determined that the collapse position of the cavitation bubble is correct, the process proceeds to step 7. If it is determined that the collapse position of the cavitation bubble is not correct, the process returns to step 2.

キャビテーショ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/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。これによって、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。 It is determined whether the collapse pressure of the cavitation bubble is appropriate (step 7). The collapse pressure at the focal point can be estimated from the pressure amplitude of the sound wave and / or the magnitude of the pressure due to the collapse pressure. This makes it possible to check whether the pressure (or pressure amplitude) necessary for crushing is obtained. If it is determined that the collapse pressure is appropriate, the process proceeds to step 8. If it is determined that the collapse pressure is not appropriate, the process returns to step 2.

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。 It is determined whether the remaining bubbles are sufficiently small (step 8). By receiving sound waves from the residual bubbles after the collapse, the state of the residual bubbles can be monitored. The reception of sound waves from the bubbles may be reception only, transmission / reception, or a combination thereof.

[B−4]キャビテーション気泡生成のモニタリング
安定なクラウドキャビテーションが生成されているか否かは、 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か否か等の複数の手法が考えられる。これらの情報は、キャビテーション気泡から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。
[B-4] Monitoring of cavitation bubble generation Whether or not stable cloud cavitation is generated is determined by changing the sound pressure amplitude, stabilizing the sound pressure amplitude, detecting the harmonic signal generated from the bubble, or even low frequency. Thus, a plurality of methods such as whether or not a cloud collapse signal is actually obtained can be considered. These pieces of information can be acquired by processing the received sound pressure signal from the cavitation bubble.

正常なキャビテーション制御のサイクルの好ましい一つの例は、(1)キャビテーションの発生、(2)安定なクラウドキャビテーションの生成、(3)安定なクラウドキャビテーションの崩壊、(4)キャビテーションの消失、からなる。このうち、(1)、(2)、(3)のプロセスが安定なクラウドキャビテーショ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ャビテーションの生成をチェックすることが可能である。 One preferred example of a normal cavitation control cycle consists of (1) the occurrence of cavitation, (2) the generation of stable cloud cavitation, (3) the collapse of stable cloud cavitation, and (4) the disappearance of cavitation. Of these, the processes (1), (2), and (3) interact with the generation of stable cloud cavitation, and it is possible to check the generation of stable cloud cavitation with this process. .

(1)では、キャビテーションの発生を検知し、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ャビテーションが生成されるかを予測できる。(2)ではクラウドキャビテーションが安定してきているかを確認する。ただし、安定なクラウドキャビテーションからの音波が検知しにくい場合は、検知しにくいとい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ャビテーションが生成できていたのだろうということを確認できる。 In (1), the occurrence of cavitation is detected, and if it occurs, it can be predicted how long the irradiation time will generate stable cloud cavitation. (2) confirms whether cloud cavitation has stabilized. However, if it is difficult to detect sound waves from stable cloud cavitation, it is possible to use the feature that it is difficult to detect.In addition, in order to increase the accuracy, confirmation in the processes (1) and (3) is also possible. It will be important. In (3), it can be confirmed that a stable cloud cavitation would have been generated as a result if a database-like (or sufficiently large) collapse occurred.

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、キャビテーショ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った後に、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化している。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ャビテーショ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。データベ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ャビテーションが生成できていたであろうと判定できる。 As a specific determination method, the determination is performed using the pressure of the sound wave and the frequency component. The use of the pressure value will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the relationship between the sound pressure of the reception signal of the sound emitted from the cavitation cloud and time. As shown in FIG. 7, when the cloud is stabilized, a change is observed in a signal during irradiation of high-frequency ultrasonic waves. For example, in FIG. 7, after the pressure amplitude once increases with fluctuations, the value is decreased with time and stabilized at a substantially constant pressure amplitude. By monitoring such signal changes, it is determined whether stable cloud cavitation is generated. When the cloud collapses, an impact pressure corresponding to the strength of the collapse is observed. If the collapse according to the database occurs, it can be determined that a stable cloud cavitation could be generated as a result.

周波数成分については、例えば、キャビテーショ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つため、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。これが安定なキャビテーションになると、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。 As for the frequency component, for example, since the sound pressure signal emitted in the cavitation generation process has a wide frequency band, it can be detected at a frequency lower or higher than the frequency of the irradiation ultrasonic wave. If this becomes stable cavitation, the frequency component is almost limited to a harmonic component that is an integral multiple of the irradiated ultrasonic wave. Therefore, it is determined by examining (1) the distribution of frequency components (spreading, variation, etc.) and (2) a specific frequency component (1/2 subharmonic component, double harmonic component, etc.) be able to.

安定なクラウドキャビテーションが生成されているかの判定が「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、安定なクラウドキャビテーショ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。安定なクラウドキャビテーションの生成は、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。これによって、生成するクラウドキャビテーショ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。 When the determination as to whether stable cloud cavitation has been generated is “No”, the parameters to be subjected to feedback control are high-frequency ultrasonic parameters (high-frequency irradiation time, high-frequency output). FIG. 8 shows the relationship between the minimum output required for stable cloud cavitation and the minimum irradiation time. The generation of stable cloud cavitation depends on the output of high-frequency ultrasonic waves and the irradiation time of ultrasonic waves. Furthermore, the high frequency is also controlled. As a result, the size of the generated cloud cavitation can be changed, and the crushing force (power, range, etc.) can be changed.

安定なクラウドキャビテーションが生成されているかの判定が「否」の場合は、例えば、高周波の照射時間および/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、判定が「否」の場合に、高周波の照射時間および/あるいは高周波の出力を長く・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、気泡が目的としない場所にも発生してしまっている場合は、高周波の照射時間および/あるいは高周波の出力を短く・小さくすることになる。 If the determination of whether stable cloud cavitation is generated is “No”, for example, the high frequency irradiation time and / or the high frequency output is lengthened / enlarged. However, when the determination is “no”, the high-frequency irradiation time and / or the high-frequency output is not necessarily increased or increased. For example, when bubbles pass through a stable situation and are generated even in an unintended place, the high-frequency irradiation time and / or the high-frequency output is shortened / reduced.

同様に、周波数を変更させる時に、安定なクラウドキャビテーションが生成されているかの判定が「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「気泡が目的としない場所にも発生する」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く、しか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) 安定なクラウドキャビテーションから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から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。 Similarly, when it is determined that stable cloud cavitation has been generated when changing the frequency, the frequency is basically lowered, but bubbles are also generated in places where the target is not intended. If this is the case, it is necessary to increase the frequency in order to suppress damage to body tissues and increase efficiency. With respect to the fact that “bubbles are also generated at undesired locations”, it is possible to accurately determine the position of an image by performing imaging in the manner of ultrasonic diagnosis. However, since it is not always possible, (1) whether the sound wave from stable cloud cavitation is kept in a stable state, and (2) whether collapse pressure is obtained from multiple positions Therefore, it is considered that it is necessary to first determine what has occurred. There may be an embodiment in which the doctor finally makes a decision on (3) an ultrasound imaging image.

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く・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から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。
Strictly speaking, in the flowchart shown in FIG. 6, there is a loop for changing the high-frequency output / irradiation time. For the sake of simplicity, the procedure returns from step 8 to step 2, but first, the cloud must be generated even if the output / irradiation time of the ultrasonic parameter high frequency is changed and the output / irradiation time of the high frequency is sufficiently long. In this case, the positioning is re-executed from the position where the positioning is performed again. As other parameters, in the case of a phased array system, a change in phase between individual elements becomes a parameter.

[B−5]キャビテーション気泡崩壊現象のモニタリング
キャビテーショ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か、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く、例えば高周波の照射時刻はわかっているので、高周波の発信からの時間を測定することで間接的に測定しても構わない。
[B-5] Monitoring of cavitation bubble collapse phenomenon By monitoring the cavitation bubble collapse phenomenon, it is determined whether the collapse position is appropriate or the collapse pressure is appropriate. In the determination of the collapse position, "Check whether collapse occurs at a position that is away from the focal distance from the reception time of the sound wave by the collapse pressure" is to measure the time from the transmission of the low frequency to the reception of the collapse pressure. To do. The time may be measured directly. For example, since the irradiation time of the high frequency is known, the time may be measured indirectly by measuring the time from the transmission of the high frequency.

キャビテーショ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。 When the collapse position of the cavitation bubble is not correct, the position of the apparatus is adjusted by feedback control in the case of manual positioning. In the case of the phased array method, the phase of each element is also a parameter as a positioning parameter.

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)。最終的に得たい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。 The collapse pressure at the focal point is estimated from the relationship between the crushing efficiency of the stone and the received sound pressure. (Since the decay pressure itself cannot be measured, the received sound pressure is considered to be a parameter dependent on the decay pressure). The final information we want to obtain is the efficiency of stone crushing and the amount of damage to the body tissue. Since these both have a strong correlation with the decay pressure, it is also possible to create a database of each relationship via the decay pressure predicted from the received sound pressure. It is also possible to create a database of these relationships.

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加えて、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。 If an appropriate collapse pressure is not obtained, the feedback control targets include low-frequency output, changing the wave number, changing the time constant of the low-frequency rise, and the phase of the low-frequency rise. Changing the frequency of the low frequency. In addition to such low-frequency parameters, any one of a high-frequency parameter, a repetition frequency, positioning, phase correction (if a device capable of phase correction), or a combination of a plurality of parameters is also a control target. For example, the low-frequency parameter is first adjusted, and if an appropriate collapse pressure is not yet obtained, the target state is achieved in combination with the high-frequency parameter, positioning, phase correction, and the like.

[B−6]キャビテーション残留気泡のモニタリング
本技術では、キャビテーションを狭い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、キャビテーション崩壊後の残留気泡は安定なクラウドキャビテーショ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、そのまま高周波から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く、小さくなっ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、次のサイクルまでの時間(すなわち繰り返し周波数)を決定することになる。
[B-6] Monitoring of Cavitation Residual Bubbles In the present technology, one of the points is to use cavitation only in a narrow area. However, residual bubbles after the collapse of cavitation are generated or diffused in areas other than the area where stable cloud cavitation is generated, so even if the cycle starting from high frequency is repeated as it is, it becomes impossible to control in the local area End up. Therefore, the most efficient is to start the next cycle when the remaining bubbles are so small that they can be ignored. Therefore, residual bubbles are monitored, and the time until the next cycle (that is, the repetition frequency) is determined.

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。さらに、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、残留気泡から反射される音波を受信することによっ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、高くなるからである。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からである。 The state of residual bubbles is monitored by receiving sound waves from the residual bubbles after collapse. The state of residual bubbles means the size and total volume of residual bubbles. These parameters can be predicted from the magnitude of the collapse pressure (sound wave) from the residual bubbles and the time interval at which the collapse pressure occurs. Furthermore, an effective technique is to monitor the state of residual bubbles by irradiating the residual bubbles with ultrasonic waves with a strength that does not induce the generation and growth of residual bubbles and receiving sound waves reflected from the residual bubbles. . The magnitude of the collapse pressure from the residual bubbles directly indicates the volume of the residual bubbles. This is because the collapse pressure of a single bubble increases as the bubble radius increases. Moreover, the fact that the generation time of the collapse pressure is late and that the interval between the generation times of the collapse pressure is long also means that the volume of the residual bubbles is large. This is because if the bubble is large, the natural frequency of the bubble vibration naturally decreases.

残留気泡のモニタリングによって、キャビテーショ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、キャビテーショ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。 If the disappearance of the cavitation bubbles is determined to be insufficient by monitoring the residual bubbles, the frequency is reset again to be low. Further, when it is determined that the disappearance of the cavitation bubbles is sufficiently fast, the repetition frequency is reset higher.

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い。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エンスである。 The relationship between monitoring of residual bubbles and resetting of the repetition frequency will be described. If there are many residual bubbles (larger), the repetition frequency must be lowered. Conversely, if there are few residual bubbles, the repetition frequency can be increased to increase the crushing efficiency. If the repetition frequency can be doubled, the treatment time will be reduced to 1/2, and this process will directly affect the crushing efficiency, so this process is a very important sequence.

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いる。本発明に係る2段階の超音波照射からなる1パルス間のインターバルは、キャビテーション気泡のモニタリング時間を除いて、10000〜40000μsの待ち時間がある。したがって、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50−200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。 FIG. 11 shows a time chart of ultrasonic irradiation and ultrasonic reception protocols. The interval between one pulse consisting of two-stage ultrasonic irradiation according to the present invention has a waiting time of 10,000 to 40,000 μs, excluding the monitoring time of cavitation bubbles. Therefore, it is possible to monitor the calculus body and surrounding tissue by irradiating 50-200 rasters of ultrasonic waves of 5 kHz PRF (pulse repetition frequency) using the waiting time.

[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ャビテーション挙動のデータベース(一連のスキーム中のキャビテーション挙動の特性)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)キャビテーション挙動データベースの作成(高周波フェーズ);
高周波フェーズにおけるキャビテーション挙動の3種類の分類(図14、図15、図16)
(2)キャビテーション挙動に応じた音圧信号取得(高周波フェーズ);
高周波フェーズの音波モニタリング、および3種類のキャビテーショ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種類のキャビテーション挙動との対応(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パターンにキャビテーションを分類し、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いて、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。
[C] Outline of Example A cavitation behavior database (characteristics of cavitation behavior in a series of schemes) by high-frequency ultrasonic waves and low-frequency ultrasonic waves is created, and actual collapse behavior confirmation is performed according to the database. An experiment was conducted.
In particular,
(1) Creation of cavitation behavior database (high frequency phase);
Three types of cavitation behavior in the high frequency phase (Figs. 14, 15, 16)
(2) Sound pressure signal acquisition according to cavitation behavior (high frequency phase);
Examples of correspondence with high-frequency phase acoustic wave monitoring and three types of cavitation behavior (FIGS. 17, 18, 19, and 20)
(3) Creation of collapse pressure database (low frequency phase);
Correspondence between collapse pressure detection in low frequency phase and three types of cavitation behavior (FIGS. 21 and 22);
Extraction of conditions that lead to the optimal collapse pressure by monitoring the collapse pressure in the low frequency phase (FIG. 23);
(1), pressure sensitive sheet experiment and calculus crushing experiment based on (2), (3) (FIGS. 24 and 25);
Went.
In the high-frequency phase, cavitation was classified into three patterns, low, medium and high, according to the output level, and the characteristic monitoring sound pressure waveform corresponding to the classification was measured. Furthermore, it was clarified that the collapse pressure is optimally generated at medium output among the three types, and an example of a database for monitoring the collapse pressure in the low frequency phase was created. Based on these results, two types of confirmation tests were conducted: confirmation of a two-dimensional high pressure generation region using a pressure sensitive sheet and calculus crushing experiment.

[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。キャビテーショ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、高周波フェーズにおいては3.89 [MHz]を、低周波フェーズにおいては555 [kHz]を用いている。
キャビテーショ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。キャビテーションからの放出音圧のモニタリングには、開口径12[mm]、焦点距離78.3[mm]の凹面型ハイドロフォンを用いた。この凹面型ハイドロフォンはほぼPZTトランスデューサと同じ焦点距離をもち、焦点で起きるキャビテーショ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、この凹面型ハイドロフォンは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 < 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-1] Experimental Device FIG. 13 is a schematic diagram of the experimental device used in this example. The experimental device is an experimental system in which an ultrasonic sensor is arranged at a position simulating monitoring from outside the body. FIG. 13 is a schematic diagram of an experimental apparatus used in this example. As the ultrasonic wave generation source, a concave PZT transducer having an aperture diameter of 100 [mm] and a focal length of 80 [mm] was used. The resonant frequency of the transducer is 555 [kHz] and has a fourth harmonic mode at 3.89 [MHz]. The high frequency and low frequency of cavitation control use the above two frequencies, that is, 3.89 [MHz] in the high frequency phase and 555 [kHz] in the low frequency phase.
A high-speed camera IMACON2000 (exposure 10 [nsec], interframe 10 [ms] in this experiment) was used for photographing cavitation behavior. A concave hydrophone with an aperture diameter of 12 [mm] and a focal length of 78.3 [mm] was used to monitor the sound pressure emitted from the cavitation. This concave hydrophone has almost the same focal length as the PZT transducer and can receive the sound pressure due to the cavitation phenomenon occurring at the focal point with high sensitivity. Since it is used as a Detector, it will be abbreviated as PCD hereinafter.) The resonant frequency of PCD is 20 [MHz], and it has a flat response and sufficient sensitivity in the <10 [MHz] band that is the subject of this experiment.

[C−2]高周波(3.89[MHz])フェーズにおけるキャビテーション気泡群の分類(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 [μs](0-506[周期])の固体壁面のキャビテーショ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、キャビテーショ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]):キャビテーショ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い微細なキャビテーションが発生している状態;
(B)中音圧域(7.4 <|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(クラウドキャビテーション)が発生している状態;
(C)高音圧域 (10.5[MPa]<|p_|:形状・サイズが不安定なキャビテーショ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いる状態;
である。
これらの挙動は、キャビテーション気泡群から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が、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く、あくまでキャビテーション挙動が(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ャビテーショ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-2] Classification of cavitation bubbles in the high frequency (3.89 [MHz]) phase (high frequency phase database)
FIG. 14 shows the result of photographing a state of bubbles generated and growing on a wall surface in a high frequency phase of 3.89 [MHz] with a high-speed camera. The behavior of cavitation bubbles on the solid wall surface of the ultrasonic irradiation time 0-130 [μs] (0-506 [period]) at various ultrasonic outputs. The ultrasonic output (vertical axis) in the graph is the maximum negative pressure at the focal point (| p_ | = 4.8-11.7 [MPa]). This result shows that the behavior of the cavitation bubble group is large and can be classified into three types.
That is,
(A) Low sound pressure range (| p_ | <6.5 [MPa]): A state in which cavitation has not occurred or fine cavitation that cannot be confirmed by the camera has occurred;
(B) Medium sound pressure range (7.4 <| p_ | <9.6 [MPa]): A state in which a group of bubbles (cloud cavitation) maintaining a stable shape and size of a semi-elliptical sphere is generated;
(C) High sound pressure range (10.5 [MPa] <| p_ |: The state where cavitation with unstable shape and size occurs, especially around the semi-elliptical spherical bubbles that occur in the mid sound pressure range. In a state where a bubble or a group of bubbles, which are generated irregularly, have a relatively large diameter;
It is.
These behaviors are closely related to the sound pressure emitted from the cavitation bubbles and the collapse pressure in the low frequency phase. 15 and 16 show this classification in detail.
Note that the sound pressure ranges of (A), (B), and (C) have values as described above in this figure, but these threshold values are the state of the medium (dissolved gas concentration, type of liquid, liquid Temperature, bubble nucleus concentration, saturated vapor pressure, atmospheric pressure, impurity concentration, etc.), and the acoustic impedance and roughness of the solid wall surface. Therefore, the absolute value itself is not important, but it is important to note that the “characteristic” that the cavitation behavior changes by raising the ultrasonic output (A) → (B) → (C) is important. Keep it. This is because the cavitation state can be specified by monitoring the “characteristic response” as long as the “characteristic” and the “characteristic response to the characteristic” are known. An example of monitoring “characteristic response” corresponding to the three states (A), (B), and (C) in this high frequency phase is shown in FIGS.

[C−3]高周波超音波照射時間に対するキャビテーション気泡群代表長さ(時間―径グラフ)
図15は図14と同様の撮影におけるキャビテーショ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から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[μsec])となっており、それぞれの出力において、キャビテーション気泡群が成長してゆく様子を示している。図中“○”印は固体壁面から成長する半楕円球状のキャビテーショ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ャビテーショ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次的なキャビテーションまで含めた長さをとっている。
(A)「低音圧域」において気泡群はグラフ中100[μsec]をすぎても確認できていない。110[μsec]をすぎたあたりから、キャビテーショ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、最終的なキャビテーション代表長さは短く、30 - 40[μm]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[μsec]の時点でキャビテーション気泡が確認されはじめ、130[μsec]においては、50-60[μm]程度の安定したキャビテーション気泡群を形作っている。ただし、150[μsec]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次的なキャビテーション気泡が生成するケースもある。
(C)「高音圧域」においてはキャビテーション気泡が発生した直後(85[μsec])に、半楕円球状の気泡群の周囲を覆うように2次的なキャビテーション気泡が生成している。このような不規則なキャビテーション気泡の存在は、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から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く、制御の工程数を減らすことができるからである.
[C-3] Cavitation bubble group typical length with respect to high frequency ultrasonic irradiation time (time-diameter graph)
FIG. 15 shows the result of measuring the representative length in the ultrasonic wave propagation direction (the normal direction of the solid wall surface) in a photograph of the cavitation bubble group in the same photographing as in FIG. That is, the length corresponding to the horizontal axis direction in FIG. 14 is measured. The conditions are the same as in FIG. 14, and the measurement results in (A) Low sound pressure range: 4.7 [MPa], (B) Medium sound pressure range: 8.7 [MPa], (C) High sound pressure range: 11.7 [MPa] It has become. The horizontal axis in FIG. 15 is the ultrasonic irradiation time (however, the time when the first ultrasonic wave is transmitted from the transducer is zero, so the time when the ultrasonic wave reaches the focal point is approximately 54 [μsec]). The cavitation bubbles are growing at each output. In the figure, “◯” indicates the length of a semi-elliptical spherical cavitation bubble group growing from the solid wall surface, and the representative length of cavitation that can be regarded as one bubble group in contact with the solid wall surface is measured. In addition, the “▲” mark in the figure has a length including the secondary cavitation generated so as to cover the semi-elliptical spherical bubbles.
(A) In the “low sound pressure range”, the bubble group has not been confirmed even after 100 [μsec] in the graph. Cavitation bubbles begin to be identified after passing 110 [μsec] and grow with time, but the final representative cavitation length is short, about 30-40 [μm].
(B) In the “medium sound pressure range”, the bubbles form a stable shape and size. Cavitation bubbles begin to be confirmed at 80 [μsec], and stable cavitation bubbles of about 50-60 [μm] are formed at 130 [μsec]. However, there are cases where secondary cavitation bubbles are generated from around 150 [μsec] so as to cover a group of semi-elliptical spherical bubbles having a stable size.
(C) In the “high sound pressure region”, secondary cavitation bubbles are generated so as to cover the periphery of the semi-elliptical spherical bubbles immediately after the generation of cavitation bubbles (85 [μsec]). Since the presence of such irregular cavitation bubbles may hinder effective high-pressure concentration on the solid wall surface, in the present technology, this sound pressure region is generally not preferable from the viewpoint of control. Conceivable. However, by using ultrasonic waves in a low frequency phase having a sufficiently low frequency and a sufficiently large pressure amplitude to collapse these bubble groups together, a large collapse pressure can be easily achieved. That is, the higher the frequency and the lower the frequency of ultrasonic output, the better, and the number of control steps can be reduced under such parameter conditions.

[C−4]高周波超音波照射時間に対するキャビテーション気泡群代表長さ(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[μsec]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ってゆき、7[MPa]程度で50-60[μm]程度の半楕円球状の安定した形状・サイズのキャビテーション気泡群となる。一方10[MPa]を超えたあたりから、2次的なキャビテーショ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、キャビテーション気泡群の異なる3つの状態の領域を定めることができる。
[C-4] Cavitation bubble group representative length with respect to high frequency ultrasonic irradiation time (output-diameter graph)
FIG. 16 is a graph in which the ultrasonic output is arranged on the horizontal axis with respect to the same result as FIG. The ultrasonic irradiation time was 114 [μsec], which is the time when 233 [cycle] was applied. According to this, the diameter of the bubble group gradually increases until the output of about 6.5 [MPa], and the stable shape and size of the semi-elliptical sphere of about 50-60 [μm] at about 7 [MPa]. It becomes a cavitation bubble group. On the other hand, from around 10 [MPa], secondary cavitation bubbles start to form. As described in FIG. 14, the threshold value varies depending on various surrounding conditions. In this condition, the low sound pressure range is up to 6.5 [MPa], and the medium sound pressure is from 6.5 [MPa] to 10 [MPa]. It is possible to define a region of three states in which the cavitation bubble group is different from the high sound pressure region over 10 [MPa].

[C−5]キャビテーショ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、キャビテーショ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。キャビテーション気泡が、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。
[C-5] Detection of sound emission pressure when cavitation occurs FIGS. 17A, 17B, and 17C show high-speed camera photography and emission when cavitation occurs at each frequency of 1.7, 2.8, and 3.9 [MHz]. It is a detection result of sound pressure. When the cavitation bubbles are confirmed in the photographed image, the emitted sound pressure is detected almost simultaneously.

[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、キャビテーショ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ェネレータの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、キャビテーショ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ャビテーションから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・形状の安定したキャビテーショ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、キャビテーショ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。
[C-6] Waveform of emission sound pressure monitoring in high-frequency phase FIG. 18 shows the monitoring of sound emission pressure in the entire high-frequency phase. 18A, 18B, and 18C show the results of monitoring the sound pressure from the cavitation bubble group by the concave type transducer (in this case, the output is shown by the peak-to-peak amplitude of the function generator. 19, 20, and 24 are also experimented under the same conditions as in FIG. 18). As shown in FIG. 18A, no change is seen in the received signal in the low sound pressure range of 100 to 300 [mV]. From around 350 [mV], the sound pressure released from cavitation begins to be detected. As shown in FIG. 18B, the sound pressure emitted from cavitation is always present in the received signal in the mid-range sound pressure range of 400-600 [mV]. Detected. As shown in FIG. 18C, the received signal is detected even in the high sound pressure range of 700 to 1000 [mV], but the waveform fluctuates greatly, reflecting the generation of a bubble group having an irregular shape and size. ing. On the other hand, in the 400-600 [mV] region of the medium sound pressure range, the waveform of the received signal shows a stable amplitude and a broken line, corresponding to the generation of cavitation bubbles with a stable size and shape. it seems to do. These results include information as “characteristic responses” to three types of “characteristic generation forms” due to differences in sound pressure output of cavitation bubbles, and the quantification thereof is shown in FIGS. 19 and 20 below. An example of typical detection will be described.

[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、キャビテーショ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ャビテーション気泡群から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ャビテーショ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、キャビテーション気泡群が発生していないもしくはごく微少なキャビテーショ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、半楕円球状のキャビテーショ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ャビテーショ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。
[C-7] Example of monitoring by amplitude of sound pressure waveform: magnitude of amplitude of time average waveform FIG. 19 is a time average waveform of sound pressure released from a cavitation bubble group at each output in the same case as FIG. It shows the absolute value of the amplitude of. The time average waveform is obtained by accumulating 10 different sample reception waveforms of the same case with the same time and dividing by 10 samples. By performing time averaging, the amplitude of random noise can be relatively reduced. That is, the amplitude of the signal from the cavitation bubble group in a stable state is increased each time, and the amplitude of the signal from the cavitation bubble group that is irregular and random in time and phase is relatively small. There is expected. In FIG. 19, corresponding to the original waveform seen in FIG. 18, (A) In the low sound pressure range, no cavitation bubbles are generated or only a very small cavitation is generated, and thus no received signal is detected. ; (B) In the medium sound pressure range, semi-elliptical spherical cavitation bubbles are generated with a stable shape and size, so that signals with the same amplitude and phase are detected in the received signal every time. The amplitude of the time-average waveform is also stably large. (C) In the high sound pressure region, the irregular component is canceled, so that the pressure amplitude is smaller than that in the case (B). We obtained processing results synchronized with these three forms.
It can be seen that the cavitation bubble group in the focal region can be monitored by processing such a received signal.

[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、キャビテーション気泡群から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、ごく微小なキャビテーショ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、半楕円球状のキャビテーショ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次的なキャビテーション気泡が生成している高音圧域に対応し、この不安定なキャビテーショ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つため、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ャビテーショ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。
[C-8] Example of monitoring based on frequency component of sound pressure waveform: FFT analysis of received sound pressure FIGS. 20A, 20B, and 20C show the sound emitted from a group of cavitation bubbles at the same output as in FIG. The pressure and its frequency component are shown. FIG. 20A corresponds to a low sound pressure range where only very small cavitation occurs, and the main frequency component at that time is only 3.9 [MHz] which is the transmission frequency. FIG. 20B corresponds to a medium sound pressure region in which a group of semi-elliptical spherical cavitation bubbles maintains a stable shape and size. At this time, a frequency component corresponding to a harmonic component such as 7.8 [MHz] is a transmission frequency. It has risen to a value close to the 3.9 [MHz] component. FIG. 20C corresponds to the high sound pressure region in which irregular secondary cavitation bubbles are generated so as to cover the periphery of the semi-elliptical spherical bubble group. Is disturbed, and the value of the component having a frequency lower than 3.9 [MHz] which is the transmission frequency is increased. As described above, since the received signal in PCD has characteristic frequency components corresponding to each of the three types in FIG. 18, the received signal is analyzed by frequency analysis, or a low-pass filter, a high-pass filter, a band It can be seen that the cavitation bubble group in the focal region can be monitored by applying a filter for frequency components such as a pass filter to the received signal.

[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、キャビテーション気泡群の崩壊圧そのものを抜き出したものである。左から右に向かって加えた低周波の圧力振幅は大きくなっていっている。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ャビテーショ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っていることがわかる。
[C-9] Detection of Collapse Pressure in Low Frequency Phase FIG. 21 shows an example of monitoring the collapse pressure in the low frequency (555 [kHz]) phase after finishing the high frequency ultrasonic wave. The upper part is the original waveform of the PCD received sound pressure in the low frequency phase, and the lower part is the one that cuts the reflected wave due to the low frequency component of 555 [kHz] from the received signal and extracts the collapse pressure itself of the cavitation bubbles. The pressure amplitude of the low frequency applied from the left to the right is increasing. In all cases, the high-frequency ultrasonic wave is 9.5 [MPa] (maximum negative pressure) in the middle sound pressure range, and is a condition for generating a semi-elliptical spherical cloud cavitation with a stable shape and size. Looking at the top, it can be seen that the collapse pressure of the bubbles is observed during the reception of the reflected low-frequency wave. It can also be seen that the received sound pressure of the bubble group collapse increases as the low-frequency sound pressure increases.

[C−10]高周波フェーズで生成されるキャビテーション気泡群と崩壊圧との関係
図22にキャビテーショ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”発生するキャビテーショ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、キャビテーション気泡群の崩壊圧もまた、高周波フェーズの三種類のキャビテーショ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、キャビテーション気泡が生成していない、もしくはごく微少なキャビテーション気泡のみしか生成していない為、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、キャビテーショ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。しかしながら、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次的キャビテーショ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次的なキャビテーショ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ャ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って行くという結果が得られているが、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。再度になるが、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、特性の概形が機器から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いて、崩壊圧の大きさがどのように分布しているかのマッピング結果ということになる。図23にそのマッピングの例を示す。
[C-10] Relationship between Cavitation Bubble Group Generated in High Frequency Phase and Collapse Pressure FIG. 22 shows the relationship between the cavitation bubble group and the collapse pressure. The horizontal axis of FIG. 22 is the pressure amplitude of “high frequency ultrasonic”. In addition, the magnitude of the collapse pressure “in the low frequency phase” with respect to the pressure amplitude of the high frequency ultrasonic wave and the diameter of the cavitation bubbles generated “in the high frequency ultrasonic wave” at that time are shown in the same graph. The collapse pressure graph shows the magnitude of the collapse pressure signal of the bubbles as seen in FIG. 21, taking 100 cases of samples for various high-frequency ultrasonic outputs, and averaging the absolute values. It is. FIG. 22 shows that the collapse pressure of the cavitation bubble group is also greatly related to the three types of cavitation forms in the high frequency phase. That is, (A) In the low sound pressure range (0-6.5 [MPa]), no cavitation bubbles are generated or only very small cavitation bubbles are generated, so no collapse pressure is observed in the low frequency phase. Or very small. (B) In the mid-sound pressure range (6.5-10 [MPa]), the cavitation bubbles gradually increase in size, and the magnitude of the collapse pressure increases accordingly, near 9 [MPa]. Take the maximum value at. This coincides with a region where a group of stable bubbles having a semi-elliptical spherical size and shape is generated. However, when it exceeds 9 [MPa], the magnitude of the collapse pressure starts to decrease. (C) In the high sound pressure range (10 [MPa] or more), the semi-elliptical spherical bubbles are covered with irregular secondary cavitation bubbles, and as a result, the bubbles are affected by low frequency ultrasonic waves of 555 [kHz]. The collapse cannot be effectively caused, and the collapse pressure gradually decreases. The process in which the magnitude of the collapse pressure decreases beyond 10 [MPa] corresponds to the region where secondary cavitation bubbles are generated.
As described above, it can be seen from the results of FIG. 22 that the three types of cavitation bubble groups generated in the high frequency phase have a great influence on the “characteristic” of the collapse pressure in the low frequency phase. Further, the results of FIG. 21 show that the magnitude of the collapse pressure increases as the ultrasonic output at low frequency is increased, but these are obtained in FIGS. 21 and 22. Together with the obtained results, it shows the characteristics of the collapse pressure in the low frequency phase. Again, in the result of this collapse pressure,
* High frequency ultrasound is in low sound pressure range: no collapse pressure detected;
* High-frequency ultrasonic waves are in the mid-sound pressure range: Collapse pressure gradually increases, and starts to decrease with the generation of secondary bubbles.
* High-frequency ultrasonic waves are in the high sound pressure range: Due to the influence of secondary bubbles, effective collapse cannot be obtained, and the collapse pressure is smaller than in the medium sound pressure range;
* Increasing the pressure amplitude of low frequency ultrasound increases the magnitude of the collapse pressure;
The “characteristic” itself is important, and the absolute value of the output threshold value that delimits each region is not important because it varies depending on the surrounding conditions. In the control, the output parameter is changed in the direction in which the optimum collapse pressure is obtained according to the “characteristic”. That is, it is sufficient that the outline of the characteristics can be referred to from the device. Here, the “rough shape of the characteristic” is a mapping result of how the magnitude of the collapse pressure is distributed in all the high-frequency and low-frequency ultrasonic output parameter regions. FIG. 23 shows an example of the mapping.

[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
これまでに分かった、高周波フェーズでのキャビテーショ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か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。
[C-11] Example of database of collapse pressure with respect to pressure amplitudes of ultrasonic waves of high frequency and low frequency Different characteristics of cavitation bubbles in the high frequency phase, characteristics of collapse pressure in the low frequency phase, which have been found so far. In view of this, FIG. 23 shows the result of measuring the magnitude of the collapse pressure, which shows the efficiency of the actual technique, for each of various outputs of high-frequency ultrasonic waves and various outputs of low-frequency ultrasonic waves.
For high-frequency ultrasonic output, the collapse pressure increases from the low sound pressure range to the medium sound pressure range, and the collapse pressure decreases when reaching the high sound pressure range. On the other hand, it shows the “characteristic of the present technology” seen in the previous examples that the collapse pressure increases as the output is increased. In this case, the optimum collapse pressure was obtained at a high frequency of 9.5 [MPa] and a low frequency of 30 [MPa]. In actual equipment, the parameter to be controlled is changed so as to reach the peak of this collapse pressure. Therefore, optimization can be performed.

[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った。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において分かるように、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ツ型の変色域となった。これは2次的なキャビテーション気泡が、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かったためである。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っ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っていることが確認される。
[C-12] Pressure Sensitive Sheet Experiment FIG. 23 shows the result of mapping the collapse pressure by monitoring the disintegration pressure in the distance. A confirmation test was carried out to see if this actually coincided with the generation of high pressure on the solid wall in the focal region. As an object, an experiment was conducted in which a pressure-sensitive sheet exhibiting a color change with respect to high pressure was installed in the focal region, and the output of high-frequency and low-frequency ultrasonic waves was changed in the same manner as in FIG. As can be seen in FIG. 24, for the output of high-frequency ultrasonic waves, the collapse pressure increases from the low sound pressure range to the mid sound pressure range, and a large discoloration is seen at the center in the mid sound pressure range. On the other hand, when reaching the high sound pressure region, only the central part became a donut-shaped discoloration region where discoloration was not observed. This is because secondary cavitation bubbles prevented effective collapse of the bubble groups, and no large pressure was concentrated in the center. As for the output of low frequency ultrasonic waves, the results showed that the area of the discoloration area gradually increased as the output was increased. This agrees very well with the characteristics shown in the results of FIG. 23, and indicates that it is possible to control the present technology by performing monitoring. Fig. 24B is a cross-sectional view of the luminance distribution, showing strong color development at the center of the pressure-sensitive sheet in the middle sound pressure range of 400 mV, and weakening of color development in the center at 800, 1000 mV in the high sound pressure range. It is confirmed that

[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いう結果であり、これまでの検討を裏付けた。
[C-13] Results of stone crushing experiment in each sound pressure range Finally, a model stone crushing experiment was conducted in the high-frequency range of low sound pressure, medium sound pressure, and high sound pressure. The results are shown in FIG. The result was that the medium sound pressure range crushes stones more efficiently than the low sound pressure range and the high sound pressure range.

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く、超音波洗浄やキャビテーション・ピーニ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。 The present invention is effective not only in medical applications such as stone crushing but also in industrial applications such as ultrasonic cleaning and cavitation peening.

超音波照射装置の全体システム図である。It is a whole system diagram of an ultrasonic irradiation device. キャビテーション制御手法のスキーム概略図と、音響キャビテーション制御に用いられた超音波パルス波形の概略を示す。A schematic diagram of a cavitation control method and an outline of an ultrasonic pulse waveform used for acoustic cavitation control are shown. 実際に上記の手法を用いて集束超音波による音響キャビテーションを生成・崩壊させたときのキャビテーションの挙動を示す。The behavior of cavitation when acoustic cavitation by focused ultrasound is actually generated and collapsed using the above method is shown. 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。It is a figure which shows the result of applying this method to a model stone. 本発明に係る結石破砕システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the calculus crushing system which concerns on this invention. キャビテーショ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。It is a flowchart of the calculus crushing method using the collapse pressure of cavitation. キャビテーショ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、100-200μs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。It is a figure which shows the sound discharge | released from a cavitation cloud, a horizontal axis is time and a vertical axis | shaft is a sound pressure. (1) When the cloud is stabilized, the signal in the high frequency region changes. → Stable cloud monitoring is performed. (2) When the bubble cloud collapses, an impact pressure corresponding to the strength of the collapse is observed. → Crushing efficiency is judged. (3) Residual bubbles collapse after 100-200 μs and a signal is detected. → The optimum repetition frequency is determined from the signal strength and decay time. 安定なクラウドキャビテーションに必要な最低出力を示す図である。縦線Aは、キャビテーション発生の閾値(最小印加電圧)を示し、縦線Bは、安定なクラウドキャビテーションの閾値(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。It is a figure which shows the minimum output required for stable cloud cavitation. A vertical line A indicates a threshold value (minimum applied voltage) for occurrence of cavitation, and a vertical line B indicates a threshold value (applied voltage) for stable cloud cavitation. The applied voltage physically has a one-to-one correspondence with the pressure amplitude of the ultrasonic wave. 安定なクラウドキャビテーションに必要な最低照射時間を示す図である。縦線Cは、安定なクラウドキャビテーションの閾値(照射時間)を示す。It is a figure which shows the minimum irradiation time required for stable cloud cavitation. A vertical line C indicates a stable cloud cavitation threshold (irradiation time). 安定なクラウドキャビテーションのモニタリグを説明するフロー図である。It is a flowchart explaining the monitoring rig of stable cloud cavitation. キャビテーション気泡の崩壊・消失のモニタリングを示す図である。It is a figure which shows monitoring of collapse / disappearance of a cavitation bubble. 超音波照射・受信プロトコルを示す図である。It is a figure which shows an ultrasonic irradiation and reception protocol. 音波受信部を例示する概略図である。It is the schematic which illustrates a sound wave receiving part. 実験装置の概略図である。It is the schematic of an experimental apparatus. 高周波フェーズにおけるキャビテーションの分類(高周波圧力振幅4.8-11.7 [MPa])を示す。The classification of cavitation in the high frequency phase (high frequency pressure amplitude 4.8-11.7 [MPa]) is shown. 低音圧域4.7 [MPa]における、超音波照射時間に対する、キャビテーション気泡群代表長さを示す。○:半楕円球状のクラウドキャビテーション;▲:半楕円球状のクラウドキャビテーションを覆うキャビテーション(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いない。The representative length of cavitation bubble group for the ultrasonic irradiation time in the low sound pressure range 4.7 [MPa] is shown. ○: Semi-elliptical spherical cloud cavitation; ▲: Cavitation (Shielding cavitation) covering semi-elliptical spherical cloud cavitation. In the low sound pressure range 4.7 [MPa], the bubble cloud has not grown. 中音圧域8.7 [MPa]における、超音波照射時間に対する、キャビテーション気泡群代表長さを示す。○:半楕円球状のクラウドキャビテーション;▲:半楕円球状のクラウドキャビテーションを覆うキャビテーション(Shielding cavitation)である。中音圧域8.7 [MPa]においては130[μs]後あたりで、安定なサイズに達している。The typical cavitation bubble group length for the ultrasonic irradiation time in the middle sound pressure range of 8.7 [MPa] is shown. ○: Semi-elliptical spherical cloud cavitation; ▲: Cavitation (Shielding cavitation) covering semi-elliptical spherical cloud cavitation. The medium sound pressure range of 8.7 [MPa] has reached a stable size around 130 [μs]. 高音圧域11.7 [MPa]における、超音波照射時間に対する、キャビテーション気泡群代表長さを示す。○:半楕円球状のクラウドキャビテーション;▲:半楕円球状のクラウドキャビテーションを覆うキャビテーション(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。The representative length of the cavitation bubble group with respect to the ultrasonic irradiation time in the high sound pressure region 11.7 [MPa] is shown. ○: Semi-elliptical spherical cloud cavitation; ▲: Cavitation (Shielding cavitation) covering semi-elliptical spherical cloud cavitation. In the high sound pressure region 11.7 [MPa], a large number of bubbles are generated so as to cover the semi-elliptical spherical bubbles immediately after ultrasonic irradiation. 高周波数の超音波の圧力振幅に対する、キャビテーショ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。The representative length of a cavitation bubble group with respect to the pressure amplitude of high frequency ultrasonic waves (horizontal axis: pressure amplitude of ultrasonic waves of high frequency, vertical axis: bubble group representative length) is shown. 1.7[MHz]のそれぞれの各周波数における、キャビテーション発生時の放出音圧の検出を示す。It shows the detection of the sound pressure emitted when cavitation occurs at each frequency of 1.7 [MHz]. 2.8[MHz]のそれぞれの各周波数における、キャビテーション発生時の放出音圧の検出を示す。It shows the detection of the sound pressure released when cavitation occurs at each frequency of 2.8 [MHz]. 3.9[MHz]のそれぞれの各周波数における、キャビテーション発生時の放出音圧の検出を示す。The detection of the sound pressure released when cavitation occurs at each frequency of 3.9 [MHz] is shown. 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。Regarding the sound pressure emitted in the low sound pressure range, the experimental results at function generator output amplitude: 100, 200, 300 [mV] are shown. 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。The experimental results for function generator output amplitude: 400, 500, 600 [mV] are shown for the sound pressure emitted in the middle sound pressure range. 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。The experimental results at the function generator output amplitude: 700,800 900,1000 [mV] are shown for the sound pressure emitted in the high sound pressure range. 音圧波形によるキャビテーショ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。Example 1 of monitoring cavitation dynamics by sound pressure waveform: Indicates the amplitude of time averaged waveform. (A) No signal is detected in the low sound pressure range. (B) Since the signal has the same amplitude and phase in the middle sound pressure range, the time-average waveform has a stable amplitude. (C) Since the irregular component is canceled in the high sound pressure range, the pressure amplitude is reduced. 音圧波形によるキャビテーショ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。Example 2 of monitoring cavitation dynamics using sound pressure waveform: Shows frequency analysis (FFT), corresponding to low sound pressure range. 音圧波形によるキャビテーショ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。Example 2 of monitoring cavitation dynamics by sound pressure waveform-2: Shows frequency analysis (FFT) and corresponds to the mid sound pressure range. 音圧波形によるキャビテーショ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。Example 2 of monitoring cavitation dynamics by sound pressure waveform-2: Shows frequency analysis (FFT), corresponding to high sound pressure range. 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ャビテーショ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っていることがわかる。This shows the detection of the decay pressure in the low frequency phase (upper part: raw waveform of received sound pressure, lower part: waveform after removal of the low frequency (555 [kHz]) component). In all cases, the high-frequency ultrasonic wave is 9.5 [MPa] (maximum negative pressure) in the middle sound pressure range, and is a condition for generating a semi-elliptical spherical cloud cavitation with a stable shape and size. After the high frequency strike, the collapse pressure of the bubbles is observed during reception of the low frequency reflected wave. It can also be seen that the received sound pressure of the bubble group collapse increases as the low-frequency sound pressure increases. 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ャビテーション気泡群と崩壊圧との関係を示す。The relationship between the cavitation bubbles generated in the high frequency phase and the collapse pressure in the low frequency phase is shown. 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。An example of a collapse pressure database with respect to the pressure amplitude of ultrasonic waves at high and low frequencies is shown. 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。A pressure sensitive sheet experiment is shown. FIG. 24A shows the experimental results for the amplitudes at high and low frequencies. 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。A pressure sensitive sheet experiment is shown. FIG. 24B is a cross section of the luminance distribution in the case of the low frequency 26.6 [MPa]. 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。The results of stone crushing in each sound pressure range are shown. The left is the “low sound pressure range”, the center is the “medium sound pressure range”, and the right is the “high sound pressure range”. 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ャビテーションを示す。It shows a semi-elliptical spherical cloud cavitation with a stable size and shape created by focused ultrasound at various frequencies (1.67, 2.75, 3.27, 3.82 MHz). 図26Aに示されるようなクラウドキャビテーションの、代表長さを周波数に対してプロットしたものである。FIG. 26B is a plot of representative length versus frequency for cloud cavitation as shown in FIG. 26A.

Claims (31)

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、
を有する超音波照射方法。
A first step of irradiating an object having liquid in at least a part of its surroundings with high-frequency ultrasonic waves to generate cavitation bubbles in a region including the object;
A second step of irradiating the object with low-frequency ultrasonic waves, causing the cavitation bubbles to collapse, and imparting high energy to the object;
A third step which is an interval time after the second step;
A first step comprising:
A second step of acquiring a sound wave emitted from the cavitation bubble and controlling the ultrasonic wave irradiation condition by processing the sound wave;
An ultrasonic irradiation method comprising:
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い、あるいは気泡の発生及び成長を誘発しない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。 The method according to claim 1, wherein the third step of the first step is performed after the second step so as not to irradiate the object with ultrasonic waves or to induce generation and growth of bubbles. An ultrasonic irradiation method, characterized by being an interval time during which only a sound wave is irradiated. 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、該キャビテーション気泡から発生する音波を受動的に受信および/あるいは照射された超音波に対してキャビテーショ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。 3. The method according to claim 1, wherein the second step can be performed at any time of the first, second, and third steps of the first step, and sound waves generated from the cavitation bubbles. Is performed by receiving sound waves reflected from cavitation bubbles with respect to ultrasonic waves that are passively received and / or irradiated. 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工程の第1ステップによって安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定を含み、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/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。 4. The method according to claim 1, wherein the signal processing of the second step includes a determination as to whether stable cavitation bubbles are generated by the first step of the first step, and is controlled by an ultrasonic wave. An ultrasonic irradiation method, wherein the irradiation condition is an output of high frequency ultrasonic waves and / or an irradiation time. 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。 5. The ultrasonic irradiation method according to claim 4, wherein the controlled ultrasonic irradiation condition further includes a high frequency ultrasonic frequency. 請求項4,5いずれかに記載の方法において、安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定は、キャビテーション気泡からの音波の受信信号の、圧力振幅および/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。 6. The method according to claim 4, wherein the determination as to whether or not a stable cavitation bubble has been generated uses a pressure amplitude and / or a pressure magnitude of a sound wave reception signal from the cavitation bubble. A characteristic ultrasonic irradiation method. 請求項4乃至6いずれかに記載の方法において、安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定は、キャビテーション気泡から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。 7. The ultrasonic irradiation method according to claim 4, wherein the frequency component of the reception signal of the sound wave from the cavitation bubble is used to determine whether or not a stable cavitation bubble has been generated. 請求項4乃至7いずれかにおいて、安定なキャビテーション気泡が生成されたか否かの判定は、生成されたキャビテーショ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。 8. The ultrasonic wave according to claim 4, wherein whether or not stable cavitation bubbles are generated is determined by determining whether or not the generated cavitation bubbles are in a medium sound pressure range. Irradiation method. 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工程の第2ステップによるキャビテーショ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。 9. The method according to claim 1, wherein the signal processing in the second step includes determining whether the collapse position and / or the collapse time of the cavitation bubble in the second step of the first step is appropriate, The ultrasonic irradiation method is characterized in that the controlled ultrasonic irradiation condition is positioning. 請求項9に記載の方法において、キャビテーショ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ことを特徴とする超音波照射方法。 The method according to claim 9, wherein the determination of whether the collapse position and / or the collapse time of the cavitation bubble is appropriate is performed by measuring a time from transmission of a low-frequency ultrasonic wave to reception of a sound wave due to collapse pressure. An ultrasonic irradiation method characterized by performing. 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工程の第2ステップによるキャビテーショ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。 11. The method according to claim 1, wherein the signal processing in the second step includes determining whether the collapse pressure of the cavitation bubble in the second step of the first step is appropriate and controlled ultrasonic waves. Irradiation conditions include at least one of an output of a low frequency ultrasonic wave, a wave number, a rising time constant, a rising phase, and a frequency. 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。 The ultrasonic irradiation method according to claim 11, wherein the controlled ultrasonic irradiation condition further includes at least one of a high-frequency ultrasonic irradiation condition and positioning. 請求項11,12いずれかに記載の方法において、キャビテーショ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/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。 13. The method according to claim 11, wherein whether or not the collapse pressure of the cavitation bubble is appropriate is determined by measuring a pressure amplitude and / or a pressure magnitude of a sound wave reception signal based on the collapse pressure. An ultrasonic irradiation method characterized by the above. 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工程の第3ステップにおける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、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。 14. The method according to claim 1, wherein the signal processing in the second step includes a determination as to whether or not the number of residual bubbles in the third step of the first step is sufficiently small, and is controlled by the ultrasonic irradiation conditions. Is the repetition frequency of the first step according to claim 1. 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/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。 15. The ultrasonic irradiation method according to claim 14, wherein the determination is made based on a collapse pressure and / or a collapse time of residual bubbles. 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。 15. The method according to claim 14, wherein the determination is reflected from the residual bubbles with respect to the ultrasonic ultrasonic wave irradiated in the third step of the first process and having an intensity that does not induce generation and growth of the bubbles. An ultrasonic irradiation method characterized by being performed by receiving a sound wave. 請求項1乃至16いずれかに記載の方法において、該キャビテーション気泡から生成される音波の処理は、音波に基づくキャビテーショ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。 17. The ultrasonic irradiation method according to claim 1, wherein the processing of the sound wave generated from the cavitation bubble includes acquisition of an image of the cavitation bubble based on the sound wave. 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/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。 18. The method according to any one of claims 1 to 17, further comprising the step of acquiring and signal-processing sound waves from the object and / or the environment surrounding the object. Sound wave irradiation method. 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/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/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。 19. The method according to claim 18, wherein the signal processing obtains an image of the object and / or the surrounding of the object using a sound wave signal from the environment of the object and / or the object. An ultrasonic irradiation method comprising: 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。 The ultrasonic irradiation method according to claim 1, wherein the second step includes crushing of an object. 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。 20. The ultrasonic irradiation method according to claim 1, wherein the second step includes peeling of a foreign substance from an object. 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。 The ultrasonic irradiation method according to claim 1, wherein the second step includes surface modification of an object. 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。 20. The ultrasonic irradiation method according to claim 1, wherein the second step includes thermal modification of an object. 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ャ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ように制御されており、
該音波受信部は、該キャビテーション気泡から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したことを特徴とする超音波照射装置。
An ultrasonic irradiation unit that irradiates the object with ultrasonic waves based on the set ultrasonic irradiation conditions;
A sound wave receiver;
A signal processing unit for processing a signal received by the sound wave receiving unit;
A control unit for controlling the ultrasonic irradiation conditions of the ultrasonic irradiation unit,
The ultrasonic irradiation unit irradiates a high frequency ultrasonic wave toward an object having liquid in at least a part of the periphery by the control unit, and generates cavitation bubbles in a region including the object, Irradiating the object with low-frequency ultrasonic waves, causing the cavitation bubbles to collapse, and controlling the object to give high energy;
The sound wave receiving unit receives sound waves emitted from the cavitation bubbles, and processes the received sound waves with the signal processing unit, so that the control unit controls ultrasonic irradiation conditions based on the signal processing result. An ultrasonic irradiation apparatus characterized by comprising the above.
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/あるいはハイドロフォンであることを特徴とする超音波照射装置。 25. The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 24, wherein the sound wave receiving unit is an ultrasonic probe and / or a hydrophone. 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。 26. The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 24, wherein the signal processing unit includes a sound pressure analysis unit for the received sound wave. 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。 27. The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 24, wherein the signal processing unit includes a frequency analysis unit of a received sound wave. 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/あるいは対象物の周囲の環境および/あるいはキャビテーショ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いることを特徴とする超音波照射装置。 28. The apparatus according to any one of claims 23 to 27, further comprising means for irradiating ultrasonic waves with an intensity that does not induce generation and growth of bubbles, and the object and / or surroundings of the object. An ultrasonic irradiation apparatus configured to process a reflected sound wave of the ultrasonic wave from an environment and / or a cavitation bubble by a sound wave receiving unit. 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。 29. The ultrasonic irradiation apparatus according to claim 24, wherein the signal processing unit includes an image processing unit that obtains image information based on a received sound wave. 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。 30. The apparatus according to claim 23, wherein the ultrasonic irradiation conditions are: output of high frequency ultrasonic waves, irradiation time of high frequency ultrasonic waves, frequency of high frequency ultrasonic waves, positioning of an ultrasonic irradiation unit with respect to an object. An ultrasonic irradiation apparatus comprising one or more selected from the group consisting of: repetition frequency, low frequency ultrasonic wave output, wave number, rise time constant, rise phase, frequency. 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。 The apparatus according to claim 30, wherein the apparatus includes a storage unit, and the storage unit stores information indicating a relationship between the ultrasonic irradiation condition and a physical condition. Ultrasonic irradiation device.
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