2017 Fiscal Year Research-status Report
強力集束超音波治療におけるキャビテーションの力学的作用に関する数値解析
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17K06170
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
沖田 浩平 日本大学, 生産工学部, 准教授 (20401135)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | キャビテーション / 医用超音波 / 気泡力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
キャビテーションを援用した強力集束超音波による結石破砕や組織破砕を対象に，生体中のキャビテーションの力学的作用に関する知見を得ることを研究目的として今年度実施した内容は以下のとおりである．
研究代表者によって開発された集束超音波キャビテーションのアプリケーションソフトウェアに弾性体モデルを新たに導入した．これによって，結石のような硬い弾性体が集束超音波焦点にある場合に形成される定在波音場と弾性体内を伝播する弾性波の挙動を再現することが可能になった．一方，キャビテーションが発生するような音圧では，集束超音波焦点に生じる音響流によって気泡が移動する．このような気泡の並進運動が結石表面に形成されるクラウドキャビテーションの空間分布に与える影響を明らかにするため，今年度は気液間のスリップがない状態での気泡の並進運動を考慮したソフトウェアの高度化についても行った．
高周波数の集束超音波で結石表面に生成されたクラウドキャビテーションを低周波数の集束超音波で崩壊する結石破砕法を数値シミュレーションした結果，焦点領域の定在波音場に生成されたクラウドキャビテーションの非定常な振舞いを再現することができた．また，気泡周囲の媒質に溶存している不凝縮ガスの析出によって成長した気泡が形成するクラウドキャビテーションと超音波の圧力振幅の関係について検討した．このような数値シミュレーションが実施された例はなく，本研究で開発されたソフトウェアおよび得られた成果は，近年注目されているキャビテーションを援用した超音波治療法の開発に貢献するものと考えられる．
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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
集束超音波キャビテーションのマルチスケール・マルチフィジックス解析のためのアプリケーションソフトウェアの開発において，弾性体モデルの導入を研究計画に沿って実施した．本研究で開発されたソフトウェアによって，結石のような硬い弾性体が集束超音波焦点にある場合に形成される定在波音場に生じるクラウドキャビテーションの非定常な振舞いが初めて再現されたが，実験で観察されるような結石表面だけに生成するクラウドキャビテーションの分布と定性的に異なる分布となった．このような実験との違いについては本研究の計画時に想定されており，集束超音波音場の音響流や定在波音場の腹もしくは節に向かうBjerknes力による気泡の並進運動とキャビテーションの空間分布の関係について検討することが研究計画に含まれていたため，今年度は気液間のスリップがない状態での気泡の並進運動を取り扱うためのソフトウェアの高度化を行った．ただし，Bjerknes力等による影響を明らかにするまでには至っていないため，研究の現在までの進捗状況についてはおおむね順調に進展していると評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
気泡の並進運動と集束超音波によるキャビテーションの空間分布の関係についてBjerknes力等による影響を明らかにするために，気液間のスリップがある場合の気泡の並進運動を取り扱うためのソフトウェアの高度化を実施する．また，生体の軟組織表面での気泡の崩壊および軟組織内での気泡の膨張による組織破砕を対象に柔らかい弾性体への集束超音波キャビテーションの力学的作用について検討する．一方，結石破砕や組織破砕で使用される超音波は強度が強く，短時間でも焦点近傍の温度上昇が生じるため，温度上昇に伴う物性の変化の影響について検討するために，物理量の温度依存性を考慮した物理モデルの導入を行う．これらに並行して，集束超音波キャビテーションの挙動に関する様々なパラメータの影響について，高度化された数値解析モデルによって，他の実験結果を対象に検討することで本解析手法の有効性を検証する．また，本研究で得られた知見を随時学会等で公表する．
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Research Products
(6 results)
