Development of Ultrasound Lithotripsy with High Throughput and Accuracy using Acoustic Cavitation

• Project/Area Number: 16H03160
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: YOSHIZAWA Shin 東北大学, 工学研究科, 准教授 (30455802)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 梅村 晋一郎 東北大学, 医工学研究科, 学術研究員 (20402787)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2018: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2017: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2016: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: キャビテーション / 結石破砕 / 集束超音波

Outline of Final Research Achievements

A HIFU transducer which has two resonance frequencies was developed. Cavitation bubbles were generated by the newly developed transducer or existing transducers and observed by high-speed photography and ultrasound imaging to investigate the behavior of the cavitation bubbles. A HIFU exposure method was proposed to erode a renal stone using cavitation bubbles efficiently. The result in the experiment of the erosion of model stones in a water tank showed the efficiency of the proposed method.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

HIFU照射によって発生するキャビテーション気泡は，結石破砕のみならず，HIFUによるがんなどの治療や，HIFUを用いたドラッグデリバリーなどの分野でも利用が期待されている．したがって，本研究で得られたキャビテーション気泡の挙動に関する知見は，それらの分野への展開も期待できる．また，近年はレーザ技術等の進歩により経尿道的尿路結石除去術 （TUL）が発展してきているが，体外式のHIFUを用いた高効率かつ安全な結石破砕法は，より低侵襲で高速な結石破砕を実現できる可能性がある．

Research Products

• [Journal Article] Ultrasound Sub-pixel Motion-tracking Method with Out-of-plane Motion Detection for Precise Vascular Imaging (2020)
  • Author(s): Yoshikawa Hideki、Yamamoto Taku、Tanaka Tomohiko、Kawabata Ken-ichi、Yoshizawa Shin、Umemura Shin-ichiro
  • Journal Title: Ultrasound in Medicine & Biology Volume: 46 Issue: 3 Pages: 782-795
  • DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2019.11.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrasound imaging of cavitation using triplet pulse sequence in bubble-enhanced ultrasonic heating (2020)
  • Author(s): Shiozaki Ikumi、UMEMURA Shin-ichiro、YOSHIZAWA Shin
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: SK Pages: SKKE05-SKKE05
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab7fe5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental investigation of effect of ultrasonic duty cycle on generation of reactive oxygen species for highly efficient sonodynamic treatment (2020)
  • Author(s): Tsukahara Kenki、Umemura Shin-ichiro、Yoshizawa Shin
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: SK Pages: SKKE08-SKKE08
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab82a5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sonodynamic therapy with anticancer micelles and high-intensity focused ultrasound in treatment of canine cancer (2019)
  • Author(s): Y. Hirose, M. Maeda, Y. Konishi, J. Okamoto, S. Ikuta, Y. Okamoto, H. Ishii, S. Yoshizawa, S. Umemura, T. Ueyama, S. Tamano, A. Sofuni, K. Takemae, K. Masamune, H. Iseki, N. Nishiyama, K. Kataoka, Y. Muragaki
  • Journal Title: Front. Pharmacol. Volume: 10 Pages: 545-545
  • DOI: 10.3389/fphar.2019.00545
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Blood flow imaging using singular value decomposition filter during high-intensity focused ultrasound exposure (2019)
  • Author(s): Ikeda Hayato、Yoshizawa Shin、Maeda Moe、Umemura Shin-ichiro、Saijo Yoshifumi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 58 Issue: SG Pages: SGGE15-SGGE15
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab1a2e
  • NAID: 210000156519
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of inter-focal distance and interval time in focus scanning of high-intensity focused ultrasound on efficiency of reactive oxygen generation (2019)
  • Author(s): Mashiko Daisaku、Umemura Shin-ichiro、Yoshizawa Shin
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 58 Issue: SG Pages: SGGE04-SGGE04
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab0df6
  • NAID: 210000156359
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of annular focusing of ultrasound on rate of stone erosion using cavitation bubbles (2018)
  • Author(s): Yura Toshiya、Lafond Maxime、Yoshizawa Shin、Umemura Shin-Ichiro
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 7S1 Pages: 07LB18-07LB18
  • DOI: 10.7567/jjap.57.07lb18
  • NAID: 210000149285
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 強力集束超音波の生体作用とその治療応用 (2019)
  • Author(s): 吉澤 晋，梅村 晋一郎
  • Organizer: 日本超音波医学会第92回学術集会
• [Presentation] 強力集束超音波治療モニタリングへの並列ビーム形成技術の応用 (2019)
  • Author(s): 吉澤 晋, 池田 隼人, 谷畑 大貴, 梅村 晋一郎
  • Organizer: 日本超音波医学会第92回学術集会
• [Presentation] 音響力学治療用集束超音波の焦点走査による活性酸素生成効率への影響 (2019)
  • Author(s): 塚原 健生, 益子 大作, 梅村 晋一郎, 吉澤 晋
  • Organizer: 日本超音波医学会第92回学術集会
• [Presentation] アレイトランスデューサ開口分割照射による焦点領域外キャビテーション気泡の低減 (2019)
  • Author(s): 田中 結衣, 益子 大作, 梅村 晋一郎, 吉澤 晋
  • Organizer: 日本超音波医学会第92回学術集会
• [Presentation] 音響放射圧イメージングを用いた強力集束超音波加熱分布の超音波強度依存性の解析 (2019)
  • Author(s): 谷畑 大貴, 池田 隼人, 梅村 晋一郎, 吉澤 晋
  • Organizer: 日本超音波医学会第92回学術集会
• [Presentation] Ultrasonic imaging of tissue displacement induced by short burst exposure of therapeutic ultrasound for estimation of ultrasonically heated region (2019)
  • Author(s): Shin Yoshizawa, Hiroki Yabata, Shin-ichiro Umemura
  • Organizer: The 19th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Suppression of cavitation generation outside focal region by split-aperture transmission methods (2019)
  • Author(s): Yui Tanaka, Shin-ichiro Umemura, Shin Yoshizawa
  • Organizer: The 19th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrasound Exposure Method to Improve Efficiency of Sonodynamic Treatment (2018)
  • Author(s): Daisaku Mashiko, Shinya Nishitaka, Shin-ichiro Umemura, and Shin Yoshizawa
  • Organizer: The 18th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 気泡援用超音波における焦点領域外キャビテーションの高速度撮影 (2018)
  • Author(s): 田中 結衣，坂本 和広，梅村 晋一郎，吉澤 晋
  • Organizer: 日本超音波医学会第91回学術集会
• [Presentation] Artificial Stone Comminution and Behavior of Cavitation Bubbles with Annular Focused Ultrasound (2018)
  • Author(s): Shin Yoshizawa, Toshiya Yura, Kanta Sato, Daisaku Mashiko, Yoshifumi Saijo, Shin-ichiro Umemura
  • Organizer: 2018 IEEE International Ultrasonics Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HIFU治療に関する技術開発と その臨床応用可能性 (2018)
  • Author(s): 吉澤 晋
  • Organizer: 第17回日本超音波治療研究会
• [Presentation] 様々な集束超音波によるキャビテーション気泡を用いた結石破砕速度への影響 (2017)
  • Author(s): 由良 俊哉, マキシム ラフォン, 吉澤 晋, 梅村 晋一郎
  • Organizer: 第38回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(USE2017)
• [Presentation] Effect of focal shape control on stone erosion rate using cavitation bubbles (2017)
  • Author(s): Toshiya Yura, Maxime Lafond, Shin Yoshizawa, Shin-ichiro Umemura
  • Organizer: 2017 International Congress on Ultrasonics (ICU2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生体組織中に発生させたキャビテーション気泡群の光学的及び音響的高速同時観察 (2016)
  • Author(s): 鈴木 魁, 岩﨑 亮祐, 高木 亮, 吉澤 晋, 梅村 晋一郎
  • Organizer: 第37回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(USE2016)
  • Place of Presentation: 韓国（釜山）
  • Year and Date: 2016-11-16
• [Presentation] 超音波治療システム用多機能パルス発生回路 (2016)
  • Author(s): 玉野 聡, 吉澤 晋, 梅村 晋一郎
  • Organizer: 第37回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(USE2016)
  • Place of Presentation: 韓国（釜山）
  • Year and Date: 2016-11-16
• [Presentation] 強力集束超音波により生体組織に発生させたキャビテーション気泡群の光学的及び音響的高速イメージングによる解析 (2016)
  • Author(s): 鈴木 魁, 岩崎 亮祐, 高木 亮, 吉澤 晋, 梅村 晋一郎
  • Organizer: 電子情報通信学会 超音波研究会
  • Place of Presentation: 日本大学（郡山市）
  • Year and Date: 2016-10-07
• [Presentation] 集束超音波を用いた結石破砕における焦点領域制御 (2016)
  • Author(s): 由良 俊哉, 高木 亮, 吉澤 晋, 梅村 晋一郎
  • Organizer: 日本超音波医学会 平成28年度第3回基礎技術研究会
  • Place of Presentation: 北海道大学（札幌市）
  • Year and Date: 2016-08-06