2013 Fiscal Year Annual Research Report
生体内超音波ビーム計測及び制御法を用いた低侵襲超音波診断治療統合システム
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24246035
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
松本 洋一郎 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60111473)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沖田 浩平 日本大学, 生産工学部, 准教授 (20401135)
梅村 晋一郎 東北大学, 医工学研究科, 教授 (20402787)
高木 周 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30272371)
村垣 善浩 東京女子医科大学, 医学部, 教授 (70210028)
光石 衛 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90183110)
葭仲 潔 独立行政法人産業技術総合研究所, ヒューマンライフテクノロジー研究部門, 研究員 (90358341)
東 隆 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90421932)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 集束超音波治療 / 凝固モニタリング / 早期腫瘍検出 / 生体数値計算 / 音圧分布可視化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、下記の５つの要素技術、すなわち（１）生体内超音波ビーム計測技術、（２）生体内超音波ビーム制御技術、（３）生体モニタリング技術、（４）生体内超音波伝搬技術、（５）システム評価、の開発を行う。
初年度では、生体内超音波ビーム計測技術、生体モニタリング技術、生体内超音波伝搬技術に関する検討を重点的に行い、散乱波から治療ビームを可視化する技術、音響放射力を用いて焦点組織を振動させることにより凝固前後の硬さの変化を計測する技術、シミュレーションによる乳腺と脂肪の音速差に起因した焦点近傍の音圧分布を推定する技術の確立を行った。
今年度は生体モニタリング技術の検討に置いて、変調周波数によって制御される横波の波長と検出対象となる凝固サイズの関係の制御が重要であることを見出し、30Hzから200Hzの範囲の変調周波数を、凝固サイズの拡大と共に変調周波数を変化させることで、超音波治療の開始から停止までの全時間にわたって凝固サイズを正確に評価出来ることを確認した。またウサギを用いた検討により、体動などのある生きている組織においても提案手法が有効に機能することを確認した。また、凝固体積を正確に制御するために、照射中の焦点移動を行う手法に関しても検討を行い、焦点移動速度やビームのスキャン方法に関する最適化を行い、凝固体積制御手法を確立した。更に透過波と散乱波を用いた新しい生体の音響特性不均質の計測手法を提案し、これを確立した。
超音波治療はこれまで良性腫瘍には適用されてきたが、悪性腫瘍への適用は難しかった。これは治療の不完全性に起因する局所再発のリスクが十分には評価出来なかったからである。本研究では、数値シミュレーション、及び治療ビームの可視化や凝固モニタリングといった実験的検討により、患者個人差を考慮して治療精度管理する手法への道を開くものであり、その意義は大きい。
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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
５つの要素技術、（１）生体内超音波ビーム計測技術、（２）生体内超音波ビーム制御技術、（３）生体モニタリング技術、（４）生体内超音波伝搬技術、（５）システム評価、に関する検討を進め、治療の安全性を担保する要素技術を確立するという当初の目的を達成することができた。またこれまで良性腫瘍のみにしか適用できなかった集束超音波治療を、予定領域を完全に治療することで悪性腫瘍への適用可能にするための高精度な治療管理技術を実現するための必須な技術として、治療ビームを可視化する技術と凝固領域の空間分布を可視化する技術を確立し、動物実験によるシステム評価を行い、その実用性を確認できた。特に数値シミュレーション技術を高めたことにより、治療精度の個人差や個体差が生じる原因を解明したことは、非常に重要な成果であり、当初の期待を上回る成果である。ビームの可視化と治療効果の可視化、数値シミュレーションと３つの技術を実現したことは、集束超音波治療の研究の今後発展に対する寄与も大きいものと予想される。
またこれまで超音波治療は治療時間が外科手術に比べて長いことが課題であったが、今回新たに治療中の焦点スキャンによる凝固体積拡大法を検討し、スキャンする順序や速度を最適化するための指針を得た。これは超音波治療の実用性の向上に大きく貢献する成果である。
最終年度では、凝固モニタリング精度1mm以内、計測のリアルタイム性の実現（撮像時間間隔1秒以内とフィールドバック制御への応用）に関する検討を行う。また、より多くの患者データを用いたシミュレーションによる治療効果バラつきの統計的な解析と熱シミュレーションに関する検討を行う。更に、治療ビームの可視化に関しては、散乱が大きい系においても音響強度分布と散乱体分布を独立して評価する手法の確立を行い、臨床検討へ進むための要素技術の完成を目指す予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）生体内超音波ビーム計測技術：これまでに実現した成果においては、散乱体の不均一が顕著な系においては、治療ビームの視認性が大きく損なわれることが分かっている。計測時に治療ビームを動かすことにより、変動分と固定分を分離して、生体中の散乱体分布の影響を受けずに音響強度分布の情報のみを抽出する手法を確立する。
（２）生体内超音波ビーム制御技術：生体内のビーム歪みを可視化した結果に基づき、治療ビームをin situに補正する技術を確立する。
（３）生体モニタリング技術：これまでに確立した熱凝固域の可視化手法の精度を向上し（変調周波数の最適化）、凝固モニタリング精度1mm以内、計測のリアルタイム性の実現（撮像時間間隔1秒以内とフィールドバック制御への応用）を実現する。
（４）生体内超音波伝搬技術：これまでに確立した音圧分布の生体内シミュレーション技術に熱分布計算を組込み、生体不均質に起因するビーム歪が治療精度に与える影響を精密に評価する。
（５）システム評価：担癌マウスを用いた動物実験により提案するシステムの評価を行う。
特に、2014年度においては、生体内音響特性の空間分布を計測するための超音波トモグラフィ技術の開発を進め、数値計算に用いているMRI(核磁気共鳴撮像法)から構築した生体モデルの妥当性の検証を進め、各要素技術を統合した研究が可能となることを目指す。また臨床家や産業界との意見交換を進め、構築するシステムの実用性の向上を目指していく。
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Research Products
(13 results)
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[Journal Article] A Novel High Intensity Focused Ultrasound Robotic System for Breast Cancer Treatment2013
Author(s)
1.T. Yonetsuji, T. Ando, J. Wang, K. Fujiwara, K. Itani, T. Azuma, K. Yoshinaka, A. Sasaki, S. Takagi, E. Kobayashi, H. Liao, Y. Matsumoto, and I. Sakuma
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Journal Title
Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention
Volume: 8151
Pages: 388-395
Peer Reviewed
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[Presentation] Numerical Estimation of HIFU Focal Error to Breast Cancer Treatment2013
Author(s)
R. Narumi, K. Matsuki, T. Azuma, K. Okita, A. Sasaki, K. Yoshinaka, J. Shidooka, H. Furusawa, S. Takagi, Y. Matsumoto
Organizer
2013 IEEE International Ultrasonics Symposium
Place of Presentation
Prague, Czech
Year and Date
2013-07-21 – 2013-07-25
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[Presentation] Localized Motion Imaging for Coagulation Monitoring using Acoustic Radiation Force2013
Author(s)
R. Aoyagi, T. Azuma, H. Nakamura, K. Fujiwara, H. Takeuchi, K. Itani, K. Yoshinaka, A. Sasaki, S. Takagi, Y. Matsumoto
Organizer
2013 IEEE International Ultrasonics Symposium
Place of Presentation
Prague, Czech
Year and Date
2013-07-21 – 2013-07-25
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[Presentation] Size Effect of Complexed Plasmid DNA to Gene Transfection Efficiency of Microbubble-mediated Sonoporation2013
Author(s)
Y. Matsumoto, Y. Zhang, R. Tachibana, A. Okamoto, T. Azuma, A. Sasaki, K. Yoshinaka, K. Osada, K. Kataoka, and S. Takagi,
Organizer
ICA 2013
Place of Presentation
Montreal, Canada
Year and Date
2013-06-01
Invited
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[Patent(Industrial Property Rights)] 超音波治療装置2013
Inventor(s)
東隆, 高木周, 佐々木明, 射谷和徳, 藤原圭祐
Industrial Property Rights Holder
東隆, 高木周, 佐々木明, 射谷和徳, 藤原圭祐
Industrial Property Rights Type
特許
Industrial Property Number
特願2013-114504
Filing Date
2013-05-30
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[Patent(Industrial Property Rights)] 超音波医用装置2013
Inventor(s)
東隆, 高木周, 佐々木明, 青柳良佑, 射谷和徳他
Industrial Property Rights Holder
東隆, 高木周, 佐々木明, 青柳良佑, 射谷和徳他
Industrial Property Rights Type
特許
Industrial Property Number
特願2013-113609
Filing Date
2013-05-30
