特開 2024-67924 電位発生方法、電位発生装置、及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024067924

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】電位発生方法、電位発生装置、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   A61N 2/02 20060101AFI20240510BHJP

   A61N 7/00 20060101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

A61N2/02 Z

A61N7/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022178346

(22)【出願日】2022-11-07

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】細谷 俊彦

【テーマコード（参考）】

4C106

4C160

【Ｆターム（参考）】

4C106AA01

4C106AA06

4C106BB21

4C160JJ33

(57)【要約】

【課題】超音波と磁場を用いて、物体の内部に所望の時間パターンを有する電位を発生させると共に、所望の時間持続させることができる電位発生方法、電位発生装置、及びプログラムを提供する。
【解決手段】磁場を生成する磁場生成部を用いて対象物の内部の目標位置を含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場を生成し、１つ以上の波源を個別に制御し方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の超音波を発生し、前記目標位置に対して１つ以上の前記超音波を照射することにより前記第１時間パターンに応じて所望の方向、強度、及び形状を有する力を発生させ、前記力に基づいて前記目標位置における前記対象物の所定領域を移動させ、前記所定領域に前記磁場に基づく任意の電位を生成する、電位発生方法である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁場を生成する磁場生成部を用いて対象物の内部の目標位置を含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場を生成し、
１つ以上の波源を個別に制御し方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の超音波を発生し、
前記目標位置に対して１つ以上の前記超音波を照射することにより前記第１時間パターンに応じて所望の方向、強度、及び形状を有する力を発生させ、前記力に基づいて前記目標位置における前記対象物の所定領域を移動させ、
前記所定領域に前記磁場に基づく任意の電位を生成する、
電位発生方法。

【請求項2】

前記目標位置において前記第１時間パターンに基づいて生成される前記磁場の方向に応じて方向を調整した前記力を発生させ、前記力の方向に従って前記所定領域を移動させ、
前記所定領域に任意の第２時間パターンを有する電位を生成する、
請求項１に記載の電位発生方法。

【請求項3】

前記目標位置において前記超音波の振動周期に比して長い時間において前記所定領域に同一方向の速度成分を生じるように前記力を発生させ、
前記所定領域に直流電位を所定の時間において生成する、
請求項２に記載の電位発生方法。

【請求項4】

前記磁場の方向と略直交する方向に前記力を発生させ、前記力の方向に従って前記所定領域を移動させ、
前記所定領域に直流電位を任意の時間において生成する、
請求項３に記載の電位発生方法。

【請求項5】

前記目標位置において静磁場となる前記磁場を生成し、
前記目標位置において前記磁場の方向と略直交する面方向に回転する前記力を発生させ、前記力の方向に従って前記所定領域にひねり振動を発生させ、
前記所定領域に直流電位を所定の時間において生成する、
請求項４に記載の電位発生方法。

【請求項6】

異なる位置に配置された複数の前記波源に基づいて、異なる方向から複数の前記超音波を前記目標位置に向かって出力し、
前記目標位置において複数の前記超音波を合成し、前記磁場の方向と略直交する面方向に回転する前記力を発生させる、
請求項５に記載の電位発生方法。

【請求項7】

前記超音波を音響レンズに基づいて渦音波を発生させ、
前記目標位置において前記渦音波に基づいて前記磁場の方向と略直交する面方向に回転する前記力を発生させる、
請求項５に記載の電位発生方法。

【請求項8】

異なる位置に配置された複数の前記波源から出力される複数の前記超音波を合成して渦音波を発生させ、
前記目標位置において前記渦音波に基づいて前記磁場の方向と略直交する面方向に回転する前記力を発生させる、
請求項５に記載の電位発生方法。

【請求項9】

前記所定領域を共振させる周期において前記ひねり振動となる前記力を発生させ、
前記所定領域に直流電位を所定の時間において生成する、
請求項５から７のうちいずれか１項に記載の電位発生方法。

【請求項10】

対象物の内部の目標位置を含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場を生成する磁場生成部と、
超音波を発生する１つ以上の波源を備える超音波出力部と、
前記超音波出力部と前記磁場生成部とを連動して制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記磁場生成部を制御して前記対象物を含む領域に磁場を生成し、
前記超音波出力部を制御して方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の前記超音波を発生し、前記目標位置に対して前記超音波を照射することにより前記第１時間パターンに応じて所望の方向、強度、及び形状を有する力を発生させ、前記力に基づいて前記目標位置における前記対象物の所定領域を移動させ、前記所定領域に前記磁場に基づく任意の電位を生成する、
電位発生装置。

【請求項11】

対象物の内部の目標位置を含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場を生成する磁場生成部と、超音波を発生する１つ以上の波源を備える超音波出力部とを連動して制御する制御装置に搭載されるコンピュータにおいて実行されるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記磁場生成部を制御させて前記対象物を含む領域に磁場を生成させ、
前記超音波出力部を制御させ、１つ以上の前記波源から方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の前記超音波を発生させる処理を実行させ、前記目標位置に対して照射された１つ以上の前記超音波に基づいて前記第１時間パターンに応じて所望の方向、強度、及び形状を有する力を発生させ、前記力に基づいて前記目標位置における前記対象物の所定領域を移動させ、前記所定領域に前記磁場に基づく任意の電位を生成させる、
プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電位発生方法、電位発生装置、及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

空間内や物体内の任意の位置に対し、電位や電場や電流を発生させる方法が研究されている。物体内に所望の空間パターン、時間パターンを持つ電位や電流を非破壊により生成できれば、非侵襲的に脳刺激を与えるなどの様々な応用が考えられる。物体内において、局所的に電位や電流を発生させる方法が知られている。例えば、非特許文献１には、時間的に変動する強力な磁場を照射し誘導電流を起こす方法が記載されている。

【0003】

脳内に脳刺激を与える場合等、所望の位置において所望の電位を所望の時間間隔により発生させる必要がある。磁場は、原理的に空間内に限局できず、発生源から離れると速やかに拡散する性質がある。そのため、非特許文献１に記載された方法によれば、磁場の焦点を絞ることが難しいことに加え、磁場が影響する範囲は磁場発生器近傍に限られていた。このため、非特許文献１に記載された方法に基づいて脳刺激を与えようとする場合、その影響は脳表面に限られ、分解能もｃｍ程度のオーダーとなり、任意の位置に電位や電場や電流を発生できない場合がある。

【0004】

また、非特許文献２には、物体に複数の周波数で変動する電位を与え、干渉によって局在した電場変動を起こす方法が記載されている。脳刺激を与える場合、同じ向きの電位を一定時間維持する必要がある。非特許文献２の方法によれば、発生する電場の向きが高速変動するため、一定の方向の電場を保てない。そのため、非特許文献２に記載された方法によれば、任意の電位や電場や電流を発生させることが困難であるという課題がある。

【0005】

また、非特許文献３には、静磁場存在下で超音波によって物体を振動させ電磁誘導によって電流を引き起こす方法が記載されている。非特許文献３に記載された方法によれば、生成される電流の向きが高速で変化するため、一定方向の電位・電流を発生させることが困難であるという課題がある。従って、従来の方法によれば、電位や電流を所望の位置に局在化できないか、もしくは電位や電場や電流を所望の時間維持できないという課題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、超音波と磁場を用いて、物体の内部に所望の空間パターンを有する電位を発生させると共に、所望の時間持続させることができる電位発生方法、電位発生装置、及びプログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、磁場を生成する磁場生成部を用いて対象物の内部の目標位置を含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場を生成し、１つ以上の波源を個別に制御し方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の超音波を発生し、前記目標位置に対して１つ以上の前記超音波を照射することにより前記第１時間パターンに対応して所望の方向、強度、及び形状を有する力を発生させ、前記力に基づいて前記目標位置における前記対象物の所定領域を移動させ、前記所定領域に前記磁場に基づく任意の電位を生成する、電位発生方法である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、超音波と磁場を用いて、物体の内部に所望の時間パターンを有する電位を発生させると共に、所望の時間持続させることができることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る力場発生装置の構成を示すブロック図である。

【図2】超音波出力部の構成を示す図である。

【図3】超音波の平面波を発生させる原理を示す図である。

【図4】目標位置に超音波を合成して力を発生させる原理を概略的に示す図である。

【図5】導体内に電位を発生させる原理を示す斜視図である。

【図6】導体内に電位を発生させる原理を示す平面図である。

【図7】超音波振動により導体内に発生する電位を示す図である。

【図8】超音波振動により導体内に発生する圧力、電位、速度の時間平均を示す図である。

【図9】超音波振動を超えた変位を与えた際に導体に生じる電位を示す図である。

【図10】超音波振動を超えた変位を与えた際に導体に生じる圧力、電位、速度の時間平均を示す図である。

【図11】目標位置にひねり振動を生じさせる原理を示す図である。

【図12A】ひねり振動に基づいて目標位置に生じる速度を示す図である。

【図12B】目標位置の近傍に生じる電位分布を示す図である。

【図12C】音響レンズの一例を示す斜視図である。

【図13】ひねり振動を生じさせるための超音波の圧力を示す図である。

【図14】ひねり振動に基づいて目標位置周辺に生じる電位分布を示す図である。

【図15】対象物の共振周波数を示す図である。

【図16】共振周波数を与える際の超音波の圧力を示す図である。

【図17】共振周波数を目標位置に与えた際に生じる振幅を示す図である。

【図18】共振周波数を目標位置に与えた際に生じる電位を示す図である。

【図19】共振周波数を目標位置に与えた際に目標位置周辺に生じる電位分布を示す図である。

【図20】電位発生方法の処理の流れを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１に示されるように、電位発生装置１は、磁場を生成する磁場生成部７と、超音波を発生する１つ以上の波源を備える超音波出力部２と、超音波出力部２と磁場生成部７とを連動して制御する制御装置１０と、対象物Ｐにおける目標位置Ｒを検出する検出部１５とを備える。超音波出力部２は、例えば、超音波を発生する１つ以上の波源３や音響レンズを有している。各波源３は、異なる位置に配置されている。波源３の構成については後述する。

【0011】

磁場生成部７は、例えば、磁場を生成する１つ以上の電磁コイルを備える。磁場生成部７は、目標位置Ｒを含む領域に各電磁コイルから生じる磁場の方向、周波数、強度を任意に調整することにより任意の第１時間パターン及び任意の第１空間パターンに基づく強度を有する磁場を生成する。磁場生成部７は、静磁場を生成してもよいし、交流磁場を生成してもよい。磁場生成部７は、例えば、対象物Ｐが人体である場合、ＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)装置であってもよい。

【0012】

検出部１５は、対象物Ｐの内部の目標位置Ｒを検出する。検出部１５は、例えば、対象物Ｐが人体である場合、ＭＲＩ装置であってもよい。この場合、検出部１５は、磁場生成部７であってもよい。検出部１５は、診断用の超音波プローブであってもよい。検出部１５は、対象物Ｐの内部の目標位置Ｒを測定可能であればどのようなものを用いてもよい。また、検出部１５は目標位置Ｒにおける磁場の強度を検出してもよい。検出部１５は、必ずしも設けられていなくてもよい。

【0013】

制御装置１０は、例えば、検出部１５の検出値に基づいて超音波出力部２及び磁場生成部７を連動して制御する制御部１１と、制御に必要なデータが記憶された記憶部１２と、制御を実行するための情報を表示する表示部１３と、検出部１５、磁場生成部７、及び超音波出力部２との間で信号を送受信する送受信部１４とを備える。

【0014】

制御装置１０は、ネットワークＷを介して検出部１５、磁場生成部７、及び超音波出力部２に接続されていてもよい。ネットワークＷは、例えば、公衆回線、ＬＡＮ、ＷＡＮ等により構成されている。ネットワークＷは、有線、無線等の様々な各種回線種類により構成されていてもよい。ネットワークＷは、近接通信をするものであってもよい。

【0015】

制御装置１０は、例えば、検出部１５から検出値を取得する。制御装置１０は、例えば、パーソナルコンピュータ、タブレット端末、スマートフォン等の情報処理装置により構成されている。制御装置１０は、ネットワークＷに接続されたサーバ装置であってもよい。制御装置１０は、ネットワークＷ上において超音波出力部２、磁場生成部７、及び検出部１５と連動して動作するように構成されていてもよいし、超音波出力部２、磁場生成部７、及び検出部１５と一体に構成されていてもよい。

【0016】

制御装置１０は、例えば、検出部１５から送受信部１４を介して計測データを取得する。送受信部１４は、例えば、データを送受信可能な通信インタフェースである。送受信部１４は、取得したデータを記憶部１２に記憶する。送受信部１４は、後述のように、制御部１１の制御信号を磁場生成部７及び超音波出力部２に出力する。記憶部１２は、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、フラッシュメモリ等により構成された非一時な記憶装置である。記憶部１２は、制御装置１０に一体又は別体に設けられていてもよいし、ネットワークＷに接続されたサーバ装置であってもよい。

【0017】

記憶部１２に記憶された計測データは、制御部１１により読み出される。制御部１１は、例えば、計測データに基づいて各波源３と目標位置Ｒとの相対的な位置関係を算出する。制御部１１は、例えば、計測データに基づいて、予め設定された原点の位置を基準とした各波源３の座標を算出すると共に、目標位置Ｒの座標を算出する。制御部１１は、目標位置Ｒの座標に基づいて、磁場生成部７及び１つ以上の波源３を個別に制御する。

【0018】

制御部１１は、対象物Ｐの内部の目標位置Ｒを含む領域に磁場Ｂを生成する。制御部１１は、例えば、目標位置Ｒの計測データ、磁場生成部７の位置、磁場生成部７を制御する制御情報に基づいて目標位置Ｒにおける磁場Ｂの強度、方向、周波数、位相等のパラメータに基づく磁場Ｂの経時的変化を算出する。制御部１１は、目標位置Ｒにおいて第１時間パターンに基づく磁場Ｂの状態を算出する。第１時間パターンは、例えば、時間的に変化するパラメータを含む磁場Ｂの変化量である。第１パターンは、例えば、静磁場を生成するパターンであってもよいし、交流磁場を生成するパターンであってもよい。制御部１１は、磁場生成部７を制御して対象物Ｐの内部の目標位置Ｒを含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場Ｂを生成する。

【0019】

制御部１１は、例えば、１つ以上の波源３から出力される各超音波の方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整し、１つ以上の波源３からそれぞれ超音波を発生させる。制御部１１は、１つ以上の波源３を個別に制御して方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の超音波を発生させる。制御部１１は、目標位置Ｒに対して超音波を照射することにより、目標位置Ｒにおける第１時間パターンに基づく磁場の状態に応じて所望の方向、強度、及び形状を有する力を対象物Ｐの内部の目標位置Ｒを含む所定領域に発生させる。対象物Ｐの内部の目標位置Ｒを含む所定領域とは、例えば、対象物Ｐが人体である場合は、目標位置Ｒから所定距離範囲内の人体組織の塊である。所定領域Ｑは、対象物Ｐを構成する細胞組織、素材等により構成される電気伝導体である。

【0020】

これにより、対象物Ｐの目標位置Ｒにおける所定領域Ｑは、発生した力に基づいて目標位置Ｒから移動する。このとき、所定領域Ｑには第１時間パターンに基づく磁場Ｂが生じているため、磁場の方向及び時間的変化と所定領域Ｑに生じる速度の方向との関係に基づいて所定領域Ｑに電磁誘導に基づくローレンツ力が発生する。所定領域Ｑには、このローレンツ力に基づいて自体の電気伝導性や誘電率に応じた電位や電場や電流が生じる。

【0021】

制御部１１は、所定領域Ｑに所望の電位、電流を発生させるため、磁場Ｂ及び超音波を調整することにより、目標位置Ｒにおける所定領域Ｑの移動量、移動方向、移動時間等を調整する。制御部１１は、超音波出力部２、及び磁場生成部７を制御して、目標位置Ｒに対して１つ以上の超音波を照射する。制御部１１は、第１時間パターンに応じて所定領域Ｑに所望の方向、強度、及び形状を有する力を発生させ、目標位置Ｒにおける所定領域Ｑを移動させ、所定領域Ｑに磁場Ｂに基づく任意の電位を生成する。制御部１１は、例えば、生成された超音波に基づく力の状態、生成された電位を示す画像を生成し、表示部１３に表示させる。

【0022】

表示部１３は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等により構成される表示装置である。表示部１３は、例えば、タッチパネルにより構成され、制御装置１０を操作するための操作情報を入力する操作部であってもよい。操作部は、別体に設けられていてもよい。

【0023】

図２に示されるように、超音波出力部２は、異なる位置に配置された複数の波源３と、波源３を制御する発信部６とにより構成されている。各波源３は、対象物Ｐ内に超音波を入力可能に形成されている。各波源３は、例えば、対象物Ｐが人体である場合、対象物Ｐに貼付可能にパッド状に形成されていてもよい。各波源３は、一つの基板５上に配列されていてもよい。各波源３は、発信部６に電気的に接続されている。

【0024】

各波源３は、複数の超音波振動子４により構成されたフェーズドアレイ型の超音波トランデューサである。各波源３は、例えば、マトリクス状に配置された複数の超音波振動子４を備える。複数の超音波振動子４は、例えば、基板５上にｍ×ｎ（ｍ、ｎは任意の自然数）のマトリクス状に配置されている。基板５上には、第１方向（図のＸ軸方向）に沿ってｍ個の超音波振動子４の１列分の超音波振動子ユニット４Ａが形成されている。超音波振動子ユニット４Ａの配列方向に直交方向の第２方向（図のＹ軸方向）に沿って、ｎ個の超音波振動子４の１列分の超音波振動子ユニット４Ｂが形成されている。

【0025】

複数の超音波振動子４の配列方法は一例であり、他の配列方法が用いられてもよい。また、各波源３においてｍ、ｎの数が異なっていてもよい。各波源３において制御する複数の超音波振動子４の数を調整し、ｍ、ｎの数を調整してもよい。マトリクス状に配置された複数の超音波振動子４が一つの基板５上に配列されている場合、基板５を任意の大きさの複数の領域に区切り、各領域を個別に制御することで、複数の波源３を構成してもよい。各波源３は、隣接して配置されていてもよいし、異なる場所に配置されていてもよい。

【0026】

各超音波振動子４は、発信部６に個別に設けられた発信回路（不図示）に電気的に接続されている。各超音波振動子４は、発信回路から出力された高周波電力に基づいて振動する振動子を有し、振動子の振動に基づいて超音波振動を出力する。各発信回路は、制御部１１により個別に制御される。制御部１１は、各発信回路を個別に制御し、各超音波振動子４から出力される超音波の周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整する。

【0027】

制御部１１は、例えば、各波源３を構成する複数の超音波振動子４の周波数及び振幅を同一としたビーム状に進行する超音波ビームを生成すると共に、各超音波振動子４の位相を個別に調整し、超音波ビームの進行方向を調整する。超音波ビームは、粗密波の平面波を形成して進行する。制御部１１は、各波源３から出力される超音波の位相や偏波方向を調整し、円偏波や螺旋ビームに基づく超音波を発生してもよい。

【0028】

図３に示されるように、超音波振動子ユニット４Ａの各超音波振動子４―ｍからは、球面波Ｓｍの超音波が出力される。このとき、隣接する超音波振動子４―ｍから出力される超音波の位相を第１方向に沿って所定量ずつ遅延させると、各超音波振動子４―ｍから出力される超音波の球面波Ｓｍの包絡線Ｈが等位相面となる平面波Jが形成される。この平面波Jは、包絡線Ｈの直交方向に進行する。

【0029】

同様に超音波振動子ユニット４Ａの直交方向の超音波振動子ユニット４Ｂ（図２参照）において隣接する超音波振動子４―ｎ（不図示）から出力される超音波の位相を第２方向に沿って所定量ずつ遅延させると、形成される平面波Jの進行方向を調整することができる。上記制御方法に基づいて、波源３は、３次元方向において任意の方向に進行する平面波の超音波ビームを形成することができる。また、波源３は、各超音波振動子４から出力される超音波の位相や偏波方向を調整し、円偏波や螺旋ビームの超音波を発生してもよい。

【0030】

波源３は、複数の超音波振動子４が配列されたフェーズドアレイに構成される他に、音響プリズムを用いて超音波を特定の方向に進行させるように構成されていてもよい。超音波振動子ユニット４Ａは、音響レンズを用いて円偏波や螺旋ビームの超音波を発生させてもよい。複数の波源３は、一つの音源から出力される超音波を収束させ目標位置に焦点を生じさせる音響レンズであってもよい。即ち、複数の波源３とは、一つの波源３から音響レンズを介して超音波を出力する音響レンズにおける計算上のモデル化された各微小要素であってもよい。この場合、複数の波源３となる各微小要素から出力される超音波に基づいて、音圧と位相が制御された超音波を出力する音響レンズが構成されてもよい。

【0031】

即ち、音響レンズは、複数の波源３となる各微小要素から出力される各超音波のパラメータを計算上において調整し、各超音波を目標位置に集束させ、各微小要素の極限をとることで連続的な音源とし、目標位置において所望の力を発生させるように形状が設計されてもよい。このように設計された音響レンズは、超音波を出力する際に複数の波源となる各微小要素において、各超音波の方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整し、各微小要素から異なる周波数を有する複数の超音波を発生させ、対象物の内部における目標位置において複数の超音波を合成し、所望の力を発生させるように構成されていてもよい。上述した制御装置１０の処理には、超音波出力部２を制御して、目標位置において合成波を音響レンズを介して発生させる計算を含んでもよい。

【0032】

図４に示されるように、制御部１１は、複数の波源３に設けられた複数の超音波振動子４から出力される超音波の周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整し、複数の平面波Jを目標位置Ｒに向けて出力することができる。これにより制御部１１は、複数の波源３から異なる周波数を有する複数の超音波を発生させ、物体内部における目標位置Ｒにおいて複数の超音波を合成し、所望の方向、強度、及び形状を有する力を所望の時間パターンに基づいて発生させることができる。

【0033】

以下、目標位置Ｒの所定領域Ｑにおいて任意の電位を発生させる原理について説明する。

【0034】

図５及び図６に示されるように、媒質Ｔ中に超音波Ｕが存在する場合、媒質Ｔは、超音波Ｕの周波数で超音波Ｕの進行方向に沿って振動する。媒質Ｔの速度ベクトルをｖで表す（図６参照）。媒質Ｔに空間一様な静磁場が与えられている場合を考える。そうすると、超音波Ｕに基づいて振動する媒質Ｔにおいて、電荷ｑあたりローレンツ力：ｑｖ×Ｂが働く（図６参照）。但し、Ｂは、磁場のベクトル、×はベクトル外積を示す。媒質Ｔに作用するローレンツ力が０でないための必要十分条件は、ｖ×Ｂが０でないこと、すなわちｖがＢと並行でなく、Ｂの磁場方向に対して直交成分を有することである。

【0035】

媒質Ｔにおいて、超音波Ｕに基づいて生じるローレンツ力により、電荷分布が変化する。図６の例では、ある瞬間に媒質Ｔにおいて、紙面方向に見て上部に低電位の部位が生じ、下部に高電位の部位が生じる。磁場Ｂが空間一様である場合、vの渦度ベクトルの磁場と直交する方向の成分に基づいて電位が発生する。

【0036】

図７に示されるように、超音波Ｕの位相は、時間の経過に従って変化し、超音波Ｕに基づいて振動する媒質Ｔの速度ｖもこれに伴って変化する。そうすると、媒質Ｔに生じる電位Ｖは、速度ｖに従って変化する。

【0037】

図８に示されるように、媒質Ｔが超音波Ｕに基づいて振動するのみであり、正味の移動が生じない場合、速度ｖの時間平均は、０となる（図８（ｂ）参照）。このとき、媒質Ｔに生じる電位Ｖの時間平均も、０となる（図８（ｃ）参照）。媒質Ｔにおいて、非線形効果が生じたり音波が吸収されたりすると、媒質Ｔが一定の方向に加速される場合がある（例えば、非特許文献４参照）。

【0038】

図９に示されるように、静磁場中において媒質Ｔが一定の方向に加速される場合、速度ｖの時間平均Ｖ１は、０でなくなる。

【0039】

図１０に示されるように、速度ｖの時間平均Ｖ１に伴い、電位の時間平均も０でなくなる。この原理によれば、磁場が生じている導体内の所望の位置において、速度の時間平均が０でなくなるような動きを起こすように超音波を照射すると、導体内に時間的に永続する電位が形成される。即ち、超音波の放射パターンを調整し、導体内の所望の位置に磁場の方向と並行でない動きが生じるようにすることにより、導体内に０でない時間平均を持つ電位を生成することができる。

【0040】

さらに、超音波の放射パターンを調整することにより、物体内に所望の空間パターン及び時間パターンを有し、所望の時間持続する電位を生成することができる。また、磁場の時間パターン及び空間パターンに応じて超音波の放射パターンを調整してもよいし、超音波の放射パターンに基づいて生じる導体の動きに応じて磁場の時間パターン及び空間パターンを調整してもよい。

【0041】

即ち、電位発生装置１において制御部１１は、磁場生成部７を制御して目標位置Ｒにおいて任意の時間パターン（第１時間パターン）に基づく磁場Ｂを生じさせる。磁場Ｂの時間パターンは、直流であってもよいし、交流等の経時的に変化するものであってもよい。制御部１１は、超音波出力部２を制御して、目標位置Ｒに対して超音波を照射し、生成される磁場Ｂの方向に応じて方向を調整した力を発生させ、力の方向に従って所定領域Ｑを移動させる。これにより、所定領域Ｑに任意の時間パターン（第２時間パターン）を有する電位を任意の時間において生成することができる。

【0042】

電位の時間パターンは、直流であってもよいし、交流、パルス、衝撃電圧等の経時的に変化するものであってもよい。上記構成により、電位発生装置１は、例えば、生体内の目標位置Ｒにおいて、神経発火に必要な電位、膜電位、酸化還元電位等の任意の電位を発生させることができる。また、電位発生装置１は、生体内の目標位置Ｒにおいて、交流電位やパルス電位を発生させてもよいし、電位（電流）に基づいてジュール熱を発生させてもよい。

【0043】

静磁場が生じている導体内に直流電位を所望の時間において発生させる場合、対象物Ｐ内の目標位置Ｒを含む所定領域Ｑを継続的に移動させる必要がある。ここでいう直流電位とは、経時的に一定の電位だけでなく時間平均が０でない電位を含む（以下同じ）。超音波に基づいて対象物Ｐ内の目標位置Ｒに力を所定方向に与えた場合、所定領域Ｑは、力が加えられた方向に加速し、弾性変形により生じる反力に基づいて所定距離移動して停止する。このとき、所定領域Ｑには、移動に要した時間の間において電位が生じる。

【0044】

図１１に示されるように、制御部１１は、磁場生成部７を制御して静磁場を発生させる。図１１の例では、磁場Ｂは紙面の裏側から表側に向かって生成される。磁場生成部７において一定の磁場Ｂが自動的に生成される場合、制御部１１は、必ずしも磁場生成部７を経時的に制御する必要はない。制御部１１は、超音波出力部２を制御して、目標位置Ｒ（厳密には目標位置Ｒから若干ずれた位置：以下同様）に超音波Ｕを照射する。

【0045】

制御部１１は、超音波出力部２を制御して、第１の波源３から第１の超音波Ｕ１を照射する。制御部１１は、目標位置Ｒにおいて第１の超音波Ｕ１の振動周期に比して長い時間において所定領域Ｑに同一方向の速度成分ｖを生じるように第１の力Ｆ１を発生させる。このとき、制御部１１は、磁場Ｂの方向と略直交する方向に第１の力Ｆ１を発生させ、第１の力の方向に従って所定領域Ｑを移動させる。制御部１１は、所定領域Ｑに直流電位を移動に要する所定の時間において生成する（図９及び図１０参照）。

【0046】

制御部１１は、第１の力Ｆに基づいて移動する所定領域Ｑが停止するまでのタイミングにおいて、上記制御と同様に、超音波出力部２を制御して、第２の波源３から第２の超音波Ｕ２を照射する。制御部１１は、目標位置Ｒにおいて第２の超音波Ｕ２の振動周期に比して長い時間において所定領域Ｑに同一方向の速度成分ｖを生じるように第２の力Ｆ２を発生させる。このとき、制御部１１は、磁場Ｂの方向と略直交する方向に第２の力Ｆ２を発生させ、第２の力の方向に従って所定領域Ｑを移動させる。制御部１１は、第１の力Ｆ１と同様に第２の力Ｆ２に基づいて所定領域Ｑに直流電位を移動に要する所定の時間において生成する。

【0047】

制御部１１は、第２の力Ｆに基づいて移動する所定領域Ｑが停止するまでのタイミングにおいて、上記制御と同様に、超音波出力部２を制御して、第３の波源３から第３の超音波Ｕ３を照射する。制御部１１は、目標位置Ｒにおいて第３の超音波Ｕ３の振動周期に比して長い時間において所定領域Ｑに同一方向の速度成分ｖを生じるように第３の力Ｆ３を発生させる。このとき、制御部１１は、磁場Ｂの方向と略直交する方向に第３の力Ｆ３を発生させ、第３の力の方向に従って所定領域Ｑを移動させる。制御部１１は、第１の力Ｆ１と同様に第３の力Ｆ３に基づいて所定領域Ｑに直流電位を移動に要する所定の時間において生成する。

【0048】

制御部１１は、上記のように複数の超音波を照射する制御を実行し、所定領域Ｑを継続して移動させ、所定領域Ｑに直流電位を任意の時間において生成する。制御部１１は、複数の超音波を時間遅延して照射してもよいし同時に照射してもよい。制御部１１は、複数の超音波を照射する制御を繰り返し実行してもよいし、１回の制御を行ってもよい。図１１の例では、波源３が３個の場合を示しているが、波源３は、３個以上あってもよい。即ち、制御部１１は、異なる位置に配置された複数の波源３に基づいて、異なる方向から複数の超音波Ｕを目標位置Ｒに向かって出力する。制御部１１は、目標位置Ｒにおいて複数の超音波Ｕを合成し、磁場Ｂの方向と略直交する面方向に回転する力を発生させ、所定領域Ｑに、ひねり振動を生じさせる。これにより、制御部１１は、所定領域Ｑに直流電位を所望の所定の時間において生成する。

【0049】

図１１の例では、磁場方向と反対方向に見て反時計回りに回転する力を生じさせている。このとき、回転方向は時計回りであってもよい。制御部１１は、目標位置において静磁場となる磁場を生成し、目標位置Ｒにおいて磁場Ｂの方向と略直交する面方向に回転する力Ｆを発生させ、力の方向に従って所定領域Ｑに磁場Ｂに対する回転成分（∇×ｖ）を有するひねり振動を発生させ、所定領域Ｑに直流電位を所定の時間において生成する。

【0050】

図１２Ａには、シミュレーションに基づく所定領域Ｑに生じる速度の推定値が示されている。図１２Ｂには、シミュレーションに基づく目標位置Ｒの近傍に生じる電位分布の推定値が示されている。但し、シミュレーションは、対象物Ｐの媒質を脳と仮定し、各パラメータは以下の値に設定された。超音波周期：０．１５μｓ、超音波の周波数：６．７ＭＨｚ、波源３の数：２４個、波源３の方向：２４方向、超音波の照射時間：１００μｓ、目標位置Ｒからの速度計測位置：４ｍｍ、超音波のピークエネルギー：１４４０Ｗ／ｃｍ^２、媒質の密度：１０^３ｋｇ／ｍ^３、音速：１５００ｍ／ｓ、媒質の吸収係数０．３ｄＢ／ＭＨｚ／ｃｍ、媒質のヤング率：４ｋＰａ、媒質のポアソン比：０．４、目標位置の磁場強度３．５Ｔ、電位の測定タイミング：超音波の照射開始から１００μｓ。

【0051】

図示するように、目標位置Ｒを含む所定領域Ｑには、速度が生じると共に、直流電位が生じている。このように、静磁場が生じている対象物Ｐの目標位置Ｒに対して、異なる位置に配置された複数の波源３から出力される複数の超音波を合成して、磁場の方向と略直交する面方向に回転する力を発生させ、所定領域Ｑに直流電位を発生させることができる。所定領域Ｑは、複数の方向から照射される超音波に基づいて回転させるだけでなく、超音波出力部２から出力される音波に基づいて回転させてもよい。

【0052】

例えば、超音波出力部２から出力される音波を音響レンズに入力して渦音波を発生させ、目標位置Ｒにおいて渦音波に基づいて磁場の方向と略直交する面方向に回転する力を発生させ、所定領域Ｑにひねり振動を生じさせ、所定領域Ｑ内に直流電位を発生させてもよい。音響レンズは、立体的な螺旋形状に形成されていてもよいし、フレネルレンズ状に形成されていてもよい。また、音響レンズは、音響メタマテリアルに基づいて形成されていてもよい。音響レンズの例を図１２Ｃに示す。図１２Ｃの例では、色の違いに基づいてレンズの厚さが示されている。渦音波は、アレー状に配置された複数の波源３を制御することにより発生させてもよい。

【0053】

図１３には、所定領域Ｑに入力される渦音波の音圧分布の一例が示されている。図１４には、図１３の渦音波に基づいて所定領域Ｑに生じる電位分布が示されている。但し、超音波に関する各パラメータは、以下の値に設定された。目標位置Ｒの磁場強度３．５Ｔ、超音波のピークエネルギー：６００Ｗ／ｃｍ^２、超音波の最大音圧：３ＭＰａ、超音波の照射半径：０．００７ｍ、超音波の周波数：３ＭＨｚ。その他のパラメータは、図１１及び図１２の例に使用されたものと同様である。図１４に示されるように、所定領域Ｑには、１．２ｍＶ程度の電位が生じた。所定領域Ｑに生じる電位を増大させたい場合、所定領域Ｑに生じるひねり振動の振幅を増大させればよい。

【0054】

図１５に示されるように、所定領域Ｑに対して媒質の固有周期に一致する周期のひねり振動を与えた場合、所定領域Ｑが共振し、振幅が増大する。弾性体のひねり振動の振動周波数は、回転半径と媒質のヤング率、ポアソン比、密度等のパラメータにより決定される。そのため、対象物Ｐを構成する媒質に応じて、所定領域を共振させる周期においてひねり振動となる力を発生させるように超音波のパラメータを調整すれば、所定領域Ｑに少ないエネルギー入力に比して所定領域Ｑに大きな直流電位を所定の時間において生成することができる。

【0055】

図１６から図１９に示されるように、所定領域Ｑに共振周波数に基づくひねり振動を生じさせると、所定領域Ｑに大きな直流電位を所定の時間において生成することができる。図１６から図１９に示される例では、超音波に関する各パラメータは、以下の値に設定された。目標位置Ｒの磁場強度３．５Ｔ、超音波のピークエネルギー：６７Ｗ／ｃｍ^２、超音波の最大音圧：１ＭＰａ、超音波の照射半径：０．００７ｍ、超音波の周波数：３ＭＨｚ。その他のパラメータは、図１１及び図１２Ａの例に使用されたものと同様である。

【0056】

図１６から図１９に示される例では、所定領域Ｑに１１ｍＶ程度の電位が生じた。図１６から図１９に示される例では、図１１及び図１２に示される例に比して入力される超音波のエネルギーが１／１０程度であるのに比して、所定領域Ｑに生じる電位が１０倍程度に向上し、エネルギー効率が８０倍超となった。即ち、制御部１１は、超音波出力部２を制御して超音波を目標位置Ｒに照射し、所定領域Ｑを共振させる周期においてひねり振動となる力を発生させ、所定領域Ｑに直流電位を任意の所定の時間において生成する。

【0057】

図２０には、電位発生装置１を用いた電位発生方法の処理の流れが示されている。電位発生装置１は、磁場を生成する磁場生成部７を用いて対象物Ｐの内部の目標位置Ｒを含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場を生成する（ステップＳ１００）。電位発生装置１は、１つ以上の波源３を個別に制御し方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の超音波を発生する（ステップＳ１０２）。電位発生装置１は、目標位置Ｒに対して１つ以上の超音波を照射することにより第１時間パターンに応じて所望の方向、強度、及び形状を有する力を発生させ、発生させた力に基づいて目標位置Ｒにおける対象物Ｐの所定領域Ｑを移動させ、所定領域Ｑに磁場に基づく任意の電位を生成する（ステップＳ１０４）。

【0058】

上述したように、電位発生装置１によれば、生体等の導電体（対象物Ｐ）の内部の任意の位置において超音波と磁場とを用いて任意の電位を発生させることができ、非侵襲的な治療装置に適用することができる。電位発生装置１によれば、導電体の内部の任意の位置において任意の時間パターンを有する電位を発生させることができ、神経発火、膜電位、酸化還元電位等、所望の効果をもたらす電位や電場もしくは電流を発生させることができる。電位発生装置１によれば、超音波を用いて対象物Ｐ内の所定領域Ｑを継続的に移動させることにより、所定領域Ｑ内に直流電位を任意の時間において発生させることができる。

【0059】

電位発生装置１によれば、所定領域Ｑに超音波に基づく渦音波を照射することにより、所定領域にひねり振動を生じさせることができ、所定領域Ｑに継続的に時間平均が０でない電位を発生させることができる。電位発生装置１によれば、所定領域Ｑにひねり振動を生じさせる際に、所定領域Ｑを共振させることにより、少ないエネルギーの入力に比して大きな電位を発生させることができる。また、電位発生装置１によれば、導電体内部の任意の位置に任意の時間パターンを有する電位を発生させることができ、非破壊的な修理装置や検査装置に適用することができる。

【0060】

上述した制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することで実現される。これらの各機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、記憶部１２が有するＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどの記憶装置に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭなどの着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることで記憶装置にインストールされてもよい。また、プログラムは、必ずしも必要ではなく、制御装置１０において順序回路を構成することにより所定の動作が実行されるようにしてもよい。

【0061】

プログラムは、対象物Ｐの内部の目標位置を含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場を生成する磁場生成部７と、超音波を発生する１つ以上の波源３を備える超音波出力部２とを連動して制御する制御装置１０に搭載されるコンピュータにおいて以下の処理を行わせるように実行される。

【0062】

プログラムは、磁場生成部７を制御させて対象物Ｐを含む領域に磁場を生成させる。プログラムは、超音波出力部２を制御させ、１つ以上の波源３から方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の超音波を発生させる。これにより、目標位置Ｒに対して照射された１つ以上の超音波に基づいて第１時間パターンに応じて所望の方向、強度、及び形状の空間パターンを有する力を発生させ、発生させた力に基づいて目標位置Ｒにおける対象物Ｐの所定領域Ｑを移動させ、所定領域Ｑに磁場に基づく任意の電位を生成させる。

【0063】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、電位発生装置１は、所定領域Ｑにひねり振動を生じさせるだけでなく、直動する振動を生じさせてもよい。この場合、電位発生装置１は、所定領域Ｑの振動周波数に応じて磁場生成部７を制御して交流磁場を生成し、所定領域Ｑに直流電位を発生させてもよい。また、電位発生装置１は、周波数が異なる超音波を合成し、うなりを発生させ、うなりに基づいて所定領域Ｑを共振させてもよい。

【0064】

本発明は、以下の態様を含む。
［１］磁場を生成する磁場生成部を用いて対象物の内部の目標位置を含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場を生成し、１つ以上の波源を個別に制御し方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の超音波を発生し、前記目標位置に対して１つ以上の前記超音波を照射することにより前記第１時間パターンに応じて所望の方向、強度、及び形状を有する力を発生させ、前記力に基づいて前記目標位置における前記対象物の所定領域を移動させ、前記所定領域に前記磁場に基づく任意の電位を生成する、電位発生方法。
［２］前記目標位置において前記第１時間パターンに基づいて生成される前記磁場の方向に応じて方向を調整した前記力を発生させ、前記力の方向に従って前記所定領域を移動させ、前記所定領域に任意の第２時間パターンを有する電位を生成する、［１］に記載の電位発生方法。
［３］前記目標位置において前記超音波の振動周期に比して長い時間において前記所定領域に同一方向の速度成分を生じるように前記力を発生させ、前記所定領域に直流電位を所定の時間において生成する、［１］又は［２］に記載の電位発生方法。
［４］前記磁場の方向と略直交する方向に前記力を発生させ、前記力の方向に従って前記所定領域を移動させ、前記所定領域に直流電位を任意の時間において生成する、［１］から［３］のうちいずれか１つに記載の電位発生方法。
［５］前記目標位置において静磁場となる前記磁場を生成し、前記目標位置において前記磁場の方向と略直交する面方向に回転する前記力を発生させ、前記力の方向に従って前記所定領域にひねり振動を発生させ、前記所定領域に直流電位を所定の時間において生成する、［１］から［４］のうちいずれか１つに記載の電位発生方法。
［６］異なる位置に配置された複数の前記波源に基づいて、異なる方向から複数の前記超音波を前記目標位置に向かって出力し、前記目標位置において複数の前記超音波を合成し、前記磁場の方向と略直交する面方向に回転する前記力を発生させる、［１］から［５］のうちいずれか１つに記載の電位発生方法。
［７］前記超音波を音響レンズに基づいて渦音波を発生させ、前記目標位置において前記渦音波に基づいて前記磁場の方向と略直交する面方向に回転する前記力を発生させる、［１］から［５］のうちいずれか１つに記載の電位発生方法。
［８］異なる位置に配置された複数の前記波源から出力される複数の前記超音波を合成して渦音波を発生させ、前記目標位置において前記渦音波に基づいて前記磁場の方向と略直交する面方向に回転する前記力を発生させる、［１］から［５］のうちいずれか１つに記載の電位発生方法。
［９］前記所定領域を共振させる周期において前記ひねり振動となる前記力を発生させ、前記所定領域に直流電位を所定の時間において生成する、［１］から［９］のうちいずれか１つに記載の電位発生方法。
［１０］対象物の内部の目標位置を含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場を生成する磁場生成部と、超音波を発生する１つ以上の波源を備える超音波出力部と、前記超音波出力部と前記磁場生成部とを連動して制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記磁場生成部を制御して前記対象物を含む領域に磁場を生成し、前記超音波出力部を制御して方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の前記超音波を発生し、前記目標位置に対して前記超音波を照射することにより前記第１時間パターンに応じて所望の方向、強度、及び形状を有する力を発生させ、前記力に基づいて前記目標位置における前記対象物の所定領域を移動させ、前記所定領域に前記磁場に基づく任意の電位を生成する、電位発生装置。
［１１］対象物の内部の目標位置を含む領域に任意の第１時間パターンに基づく強度を有する磁場を生成する磁場生成部と、超音波を発生する１つ以上の波源を備える超音波出力部とを連動して制御する制御装置に搭載されるコンピュータにおいて実行されるプログラムであって、前記コンピュータに、前記磁場生成部を制御させて前記対象物を含む領域に磁場を生成させ、前記超音波出力部を制御させ、１つ以上の前記波源から方向、周波数、振幅、及び位相の各パラメータを個別に調整した１つ以上の前記超音波を発生させる処理を実行させ、前記目標位置に対して照射された１つ以上の前記超音波に基づいて前記第１時間パターンに応じて所望の方向、強度、及び形状を有する力を発生させ、前記力に基づいて前記目標位置における前記対象物の所定領域を移動させ、前記所定領域に前記磁場に基づく任意の電位を生成させる、プログラム。

【符号の説明】

【0065】

１ 電位発生装置
２ 超音波出力部
３ 波源
６ 発信部
７ 磁場生成部
１０ 制御装置
１１ 制御部
１２ 記憶部
１３ 表示部
１４ 送受信部
１５ 検出部
Ｂ 磁場
Ｐ 対象物
Ｑ 所定領域
Ｒ 目標位置
Ｕ 超音波

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0066】

【非特許文献1】Michael G Christiansen, et al. “Magnetic Strategies for Nervous System Control” Annu Rev Neurosci. 42: 271-293, 2019 Apr 2.

【非特許文献2】Nir Grossman, et al. ”Noninvasive Deep Brain Stimulation via Temporally Interfering Electric Fields” Cell 169, 1029-1041, 2017

【非特許文献3】Boyang Shen, et al. ”Design and simulation of superconducting Lorentz Force Electrical Impedance Tomography (LFEIT)” Physica C: Superconductivity and Its Applications, 524, 5-12, 2016

【非特許文献4】Kathy Nightingale, et al. “Acoustic Radiation Force Impulse (ARFI) Imaging: A Review” Current Medical Imaging Volume 7, Issue 4, 328-339 2011

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】