2016 Fiscal Year Annual Research Report
超音波キャビテーションを利用した高速・高精度な超音波結石破砕法の開発
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16H03160
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
吉澤 晋 東北大学, 工学研究科, 准教授 (30455802)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
梅村 晋一郎 東北大学, 医工学研究科, 教授 (20402787)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 集束超音波 / 結石破砕 / キャビテーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. キャビテーション気泡の高速度撮影による挙動解析
本年度の研究では，128素子からなるアレイ・トランスデューサから1 MHzの超音波を発生させ，そのときに生じたキャビテーション気泡の高速度撮影を行った．超音波焦点は，単一焦点と4焦点同時形成の2種類とした．さらに，単一焦点の条件では，トランスデューサ幾何焦点1点の場合と，トランスデューサ各素子の駆動波形の位相制御により4焦点を走査する場合について実験を行った．また，4焦点を同時に形成する方法としては，トランスデューサ各素子の駆動波形の位相をトランスデューサの周方向にずらしていくsector-vortex array法を用い，トランスデューサ内で位相が360度回転するモード1と，720度回転するモード2の2種類で実験を行った．実験は適度に脱気された水を入れた水槽中で行った．その結果，単一焦点に超音波を集束させた場合では，結石表面からトランスデューサに向かって数mm程度の位置まで気泡群が観察されたのに対して，同音響パワーで4焦点同時形成を行った場合は，結石表面から1 mm程度以内のみの領域にキャビテーション気泡が生じることがわかった．
2. 結石破砕量の測定および破砕片の解析
セメント等の材料を用いて作成したモデル結石を対象として結石破砕実験を行う．作成したモデル結石は，マイクロビッカース硬度計と材料試験器によって微小領域および全体の硬さを測定し，実際の結石と同程度の硬さとなっていることを確認した．また，モデル結石の作成手順を見直し，砂粒状の結晶の大きさおよび量を低減した．そのモデル結石に対して1.と同様の条件で超音波を照射し，結石破砕効率について調べた．その結果，4焦点同時形成を行った場合の方が，単一焦点形成時よりも（結石破砕量）／（音響エネルギー）で算出されるエネルギー効率が高いことがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
交付申請書における計画のうち，1.のキャビテーション気泡の挙動解析においては，様々な超音波パラメータで実験を行った．具体的には，超音波パルスの強度，パルス長，パルス繰り返し周波数，超音波焦点形成方法である．このうち，特に焦点形成方法について着目し，方法間での比較を行った．また，周囲生体へのキャビテーション気泡の影響を解析するための準備として，鶏肉内部に生じたクラウドキャビテーション気泡の高速度撮影を行う実験系も確立できた．さらに，結石破砕中に生じたキャビテーション気泡のモニタリングを超音波イメージングによって可視化することにも着手するなど，当初の計画を拡張して研究が実施できた．したがって本項目については，当初の計画以上に進展していると言える．2.の結石破砕量の測定および破砕片の解析については，様々な超音波パラメータにおいて破砕量の比較を行った．特に各種焦点形成方法における超音波結石破砕について，投入音響エネルギーに対する破砕効率を比較した．破砕片の大きさについては，当社はモデル結石作成時に生じる1 mm程度の結晶粒の大きさに依存するようになっていた．この大きさの結晶粒は他のモデル結石では見られないものであったため，モデル結石の作成プロセスを改良し，結晶粒の影響を低減した．これは計画当初には考慮していなかった過程であり，そのため予定よりもやや遅れていると言える．以上より，全体としてはおおむね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，既存の超音波照射システムを用いて，様々な超音波照射方法によるキャビテーションの挙動解析およびモデル結石の破砕速度の評価を行い，高速な結石破砕を実現する超音波照射方法を開発する．改良されたモデル結石を照射対象として，1 MHz単独，1 MHzと2 MHzの重畳波の2通り，超音波集束方法として単一焦点領域，単一焦点の電子走査，複数焦点領域の3通りについて比較検討を行う．昨年度着手した超音波イメージングプローブによるキャビテーション可視化をさらに推し進め，結石の破砕に伴う経時的変化も解析の対象として加える．また，併行してより高速な結石破砕を実現するトランスデューサの開発も行う．一般的に，超音波の周波数が低い方がキャビテーションエロージョンの効果は高くなるため，0.5 MHzと1 MHzなどの組み合わせの周波数において強力な超音波を照射できるトランスデューサを開発する．手順としては，数値計算による設計，小型のテスト用トンラスデューサの試作を経て最終的なトランスデューサの仕様を決定する．
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Research Products
(4 results)
