2015 Fiscal Year Research-status Report
マイクロバブルを援用した集束超音波治療に対する物理モデルの高度化と実験による検証
| Project/Area Number |
26420125
|
|---|
| Research Institution | Nihon University |
|---|
Principal Investigator |
沖田 浩平 日本大学, 生産工学部, 准教授 (20401135)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | キャビテーション / 超音波 / マイクロバブル |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロバブルを援用した集束超音波治療に対する物理モデルの高度化と実験による検証を目的として，今年度は以下の３項目を実施した．
1. 前年度から継続してマイクロバブルを含む生体ファントムに対し周波数3~6MHzの範囲で周波数特性取得実験を実施し，生体ファントムのサンプルによる誤差原因について検討した．その結果，サンプルの温度変化に依存して減衰率が変化することがわかった．また，サンプル生成後の経過時間によるゲル中のマイクロバブルの減少によると思われる減衰率の減少についても経過時間と減衰率の関係を得た．
2. HIFUに対するin vitro実験において，照射方向に平衡に配置した薄膜熱電対を埋め込んだゲルを3次元自動ステージによって移動することで，3次元的な温度の時間変化を計測することが可能になった．その結果，軸対称を仮定した音場において薄膜熱電対上の温度上昇と薄膜熱電対に垂直な軸上の温度上昇に差が生じていることがわかり，薄膜熱電対を用いた場合でもviscous heatingの影響を考慮する必要があることがわかった．
3. 前年度に導入したrectified diffusionを考慮したマイクロバブルモデルを用いて，キャビテーション気泡核を含むゲルへのHIFU照射に関する軸対称２次元計算を行った．その結果，焦点領域でキャビテーション気泡が成長し，成長した気泡の体積振動によって加熱効率が向上することがわかった．さらに，高圧力振幅のHIFU照射で生成したキャビテーション気泡群に低圧力振幅のHIFU照射によって気泡群周辺のみを選択的に加熱するTriggerd-HIFUと呼ばれる手法を数値シミュレーションによって再現することができ，本研究で開発している物理モデルの高度化が妥当であることが示された．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
HIFUに対するin vitro実験において，viscous heatingの影響が無視できないものの，薄膜熱電対を用いた温度計測によって焦点近傍の温度の時間変化が３次元的に取得可能になり，数値シミュレーションによって得られる焦点近傍温度場を検証することができるようになった．また，マイクロバブルを含む生体ファントムの周波数特性取得実験におけるサンプルによる誤差の要因を把握することはできたが，物理モデルのモデルパラメータの同定を定量的に評価するには十分なデータを得るまでに至っていない．今後，さらに誤差対策を施すことでマイクロバブルを含むゲルの周波数特性を定量的に評価できるようになれば，マイクロバブルに関するモデルパラメータの同定が可能になると考えられる．一方，平成28年度に予定していたマイクロバブルの空間分布が加熱効率と治療のロバスト性に与える影響について先行して検討した．具体的には，Triggerd-HIFUを対象にした数値シミュレーションを実施し，物理モデルの高度化による数値シミュレーションの妥当性について検証することができた．また，気泡のシェル崩壊モデルについては，DSMC法における衝突過程を参考にした確率論的なモデルについて検討した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
マイクロバブルを含むゲルのサンプルによる誤差原因に対する対策を施し，周波数特性取得実験におけるデータの信頼性を向上することで，物理モデルのパラメータの同定を行う．また，気泡のシェル崩壊モデルについて前年度から継続して検討し，モデルを構築する．さらに，マイクロバブルを援用したHIFUに対するin vitro実験において，薄膜熱電対による温度計測実験を継続して実施するとともに，実験に対応した数値シミュレーションによって物理モデルの妥当性と適用範囲を明らかにする．一方，汎用超音波画像診断装置を用いて集束超音波音場におけるマイクロバブルの空間的な分布の時間変化について調べる．また，前年度までに開発した物理モデルを用いた数値シミュレーションによって，マイクロバブルの空間分布が加熱効率と治療のロバスト性に与える影響について検討し，マイクロバブルを含むHIFU治療に対する最適な照射条件等に関する知見を得る．最終年度は，得られた成果を学会等で随時発表するとともに成果をまとめて論文として公表する．
|
