2017 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.高速な結石破砕を実現する超音波照射方法の開発
結石破砕の高速化を目指し，128素子からなるアレイトランスデューサを用い，主として超音波の焦点形成法，パルス長，パルス繰り返し周波数をパラメータとして実験を行った．超音波の周波数は1 MHzとし，焦点形成法としては，単一焦点，単一焦点の高速走査，4焦点同時形成，リング状焦点，および単一焦点とリング状焦点の組み合わせについて検討を行った．その結果，低い繰り返し周波数の条件では，それぞれの焦点形状に対応した形状で破砕が行われることを確認した．一方，高い繰り返し周波数の条件では，単一焦点の場合ではサイドローブにおいても破砕が起こり，サイドローブ領域を含む広い領域で破砕が行われることがわかった．また，単一焦点とリング状焦点を組み合わせた場合に，それぞれ単独で行った場合の破砕速度を加算したとき以上の破砕速度が得られる条件があることがわかった．
2.さらに高速な結石破砕を実現するトランスデューサの開発
さらなる結石破砕の高速化を目指し，周波数0.5 MHzで強力な超音波を照射可能なアレイトランスデューサの開発を行った．一般的には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や，結石内の定在波による破砕効果が高まると考えられる．しかしながら，低周波数では焦点領域が拡大するため組織損傷の危険性が高くなること，高出力を達成するために電気インピーダンスをある程度に抑えるには素子が大型化することなどから，0.5 MHzを目標周波数とした．市販のソフトウェアを用いた数値計算により設計を行い，実績のある1 MHzのトランスデューサのテストピースの評価結果を加味して最終的な仕様を決定した．その仕様に基づいて製作されたアレイトランスデューサを評価したところ，事前予測に近い，比較的低い電気インピーダンスを有することがわかった．
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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項目目の超音波照射方法の開発については，様々なパラメータで結石破砕実験を行い，結石破砕速度の評価および結石破砕形状の評価を行った．当初は周波数2 MHz程度の超音波についても検討する予定であったが，現状のモデル結石を高速に破砕するのに十分な出力が出ていないと判断し，周波数は1 MHzに固定して破砕実験を行った．その分，特に焦点形成法については様々な比較実験を行い，単一焦点とリング状焦点を組み合わせた場合の高効率な破砕法を開発することに成功した．2項目のトランスデューサ開発については，キーコンポーネントであるマッチング層のパラメータについての検討に時間がかかったため，最終的なアレイトランスデューサの仕様決定が予定よりも遅れた．そのため，予定していた結石破砕実験を行うには至らなかった．しかしながら，結果として昨年度まで結石破砕実験に用いていたトランスデューサよりも周波数当たりの電気インピーダンスが低いトランスデューサを開発できた．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 |
昨年度開発したアレイトランスデューサの評価およびそれを用いた結石破砕実験を行っていく．トランスデューサの評価は，ハイドロフォンを用いた音響的評価を評価するとともに，定期的に電気インピーダンスを測定することで耐久性についても評価を行う．結石破砕実験では，パルス長を変化させたときのキャビテーション気泡の挙動解析，結石破砕の破砕片評価，破砕形状評価を行い，キャビテーションエロージョンによる破砕効果と，Burst Wave Lithotripsy（BWL）で重要とされている結石内の定在波による破砕効果について検討を行う．キャビテーションエロージョンによる破砕力は，昨年度までよりも低周波で照射することで増強されることが期待できる．一方，結石内の定在波による破砕効果は，BWLでよく学会発表されている周波数よりも若干高い周波数を用いることになるため，顕著に見られない可能性がある．そのような場合は，モデル結石のサイズや超音波焦点のサイズを変えることで定在波による効果を増強することを目指す．これらの実験結果から，キャビテーションエロージョン破砕による小さい破砕片という長所を保ちつつ，さらに高速な破砕を実現する超音波照射方法の開発を目指す．
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