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

• 研究課題/領域番号: 16H03160
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生体医工学・生体材料学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 吉澤 晋 東北大学, 工学研究科, 准教授 (30455802)
• 研究分担者: 梅村 晋一郎 東北大学, 医工学研究科, 学術研究員 (20402787)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2018年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2017年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2016年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: キャビテーション / 結石破砕 / 集束超音波

研究成果の概要

2種類の周波数において強力集束超音波（HIFU）を照射できるトランスデューサを開発した．すでに保有しているトランスデューサおよび開発したトランスデューサを用いて，キャビテーション気泡を生成し，高速度撮影，超音波イメージングによってキャビテーション気泡の挙動を調べ，キャビテーション気泡を効率的に利用できる結石破砕手法を提案した．水槽中においてモデル結石を用いた結石破砕実験を行い，提案手法により高効率な結石破砕が行えることを示した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

HIFU照射によって発生するキャビテーション気泡は，結石破砕のみならず，HIFUによるがんなどの治療や，HIFUを用いたドラッグデリバリーなどの分野でも利用が期待されている．したがって，本研究で得られたキャビテーション気泡の挙動に関する知見は，それらの分野への展開も期待できる．また，近年はレーザ技術等の進歩により経尿道的尿路結石除去術 （TUL）が発展してきているが，体外式のHIFUを用いた高効率かつ安全な結石破砕法は，より低侵襲で高速な結石破砕を実現できる可能性がある．

研究成果

• [雑誌論文] Ultrasound Sub-pixel Motion-tracking Method with Out-of-plane Motion Detection for Precise Vascular Imaging (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshikawa Hideki、Yamamoto Taku、Tanaka Tomohiko、Kawabata Ken-ichi、Yoshizawa Shin、Umemura Shin-ichiro
  • 雑誌名: Ultrasound in Medicine & Biology 巻: 46 号: 3 ページ: 782-795
  • DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2019.11.005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrasound imaging of cavitation using triplet pulse sequence in bubble-enhanced ultrasonic heating (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiozaki Ikumi、UMEMURA Shin-ichiro、YOSHIZAWA Shin
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: SK ページ: SKKE05-SKKE05
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab7fe5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental investigation of effect of ultrasonic duty cycle on generation of reactive oxygen species for highly efficient sonodynamic treatment (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsukahara Kenki、Umemura Shin-ichiro、Yoshizawa Shin
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: SK ページ: SKKE08-SKKE08
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab82a5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sonodynamic therapy with anticancer micelles and high-intensity focused ultrasound in treatment of canine cancer (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Hirose, M. Maeda, Y. Konishi, J. Okamoto, S. Ikuta, Y. Okamoto, H. Ishii, S. Yoshizawa, S. Umemura, T. Ueyama, S. Tamano, A. Sofuni, K. Takemae, K. Masamune, H. Iseki, N. Nishiyama, K. Kataoka, Y. Muragaki
  • 雑誌名: Front. Pharmacol. 巻: 10 ページ: 545-545
  • DOI: 10.3389/fphar.2019.00545
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Blood flow imaging using singular value decomposition filter during high-intensity focused ultrasound exposure (2019)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Hayato、Yoshizawa Shin、Maeda Moe、Umemura Shin-ichiro、Saijo Yoshifumi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SG ページ: SGGE15-SGGE15
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab1a2e
  • NAID: 210000156519
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of inter-focal distance and interval time in focus scanning of high-intensity focused ultrasound on efficiency of reactive oxygen generation (2019)
  • 著者名/発表者名: Mashiko Daisaku、Umemura Shin-ichiro、Yoshizawa Shin
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SG ページ: SGGE04-SGGE04
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab0df6
  • NAID: 210000156359
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of annular focusing of ultrasound on rate of stone erosion using cavitation bubbles (2018)
  • 著者名/発表者名: Yura Toshiya、Lafond Maxime、Yoshizawa Shin、Umemura Shin-Ichiro
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 7S1 ページ: 07LB18-07LB18
  • DOI: 10.7567/jjap.57.07lb18
  • NAID: 210000149285
  • 査読あり
• [学会発表] 強力集束超音波の生体作用とその治療応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋，梅村 晋一郎
  • 学会等名: 日本超音波医学会第92回学術集会
• [学会発表] 強力集束超音波治療モニタリングへの並列ビーム形成技術の応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋, 池田 隼人, 谷畑 大貴, 梅村 晋一郎
  • 学会等名: 日本超音波医学会第92回学術集会
• [学会発表] 音響力学治療用集束超音波の焦点走査による活性酸素生成効率への影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 塚原 健生, 益子 大作, 梅村 晋一郎, 吉澤 晋
  • 学会等名: 日本超音波医学会第92回学術集会
• [学会発表] アレイトランスデューサ開口分割照射による焦点領域外キャビテーション気泡の低減 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中 結衣, 益子 大作, 梅村 晋一郎, 吉澤 晋
  • 学会等名: 日本超音波医学会第92回学術集会
• [学会発表] 音響放射圧イメージングを用いた強力集束超音波加熱分布の超音波強度依存性の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 谷畑 大貴, 池田 隼人, 梅村 晋一郎, 吉澤 晋
  • 学会等名: 日本超音波医学会第92回学術集会
• [学会発表] Ultrasonic imaging of tissue displacement induced by short burst exposure of therapeutic ultrasound for estimation of ultrasonically heated region (2019)
  • 著者名/発表者名: Shin Yoshizawa, Hiroki Yabata, Shin-ichiro Umemura
  • 学会等名: The 19th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • 国際学会
• [学会発表] Suppression of cavitation generation outside focal region by split-aperture transmission methods (2019)
  • 著者名/発表者名: Yui Tanaka, Shin-ichiro Umemura, Shin Yoshizawa
  • 学会等名: The 19th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrasound Exposure Method to Improve Efficiency of Sonodynamic Treatment (2018)
  • 著者名/発表者名: Daisaku Mashiko, Shinya Nishitaka, Shin-ichiro Umemura, and Shin Yoshizawa
  • 学会等名: The 18th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • 国際学会
• [学会発表] 気泡援用超音波における焦点領域外キャビテーションの高速度撮影 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中 結衣，坂本 和広，梅村 晋一郎，吉澤 晋
  • 学会等名: 日本超音波医学会第91回学術集会
• [学会発表] Artificial Stone Comminution and Behavior of Cavitation Bubbles with Annular Focused Ultrasound (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin Yoshizawa, Toshiya Yura, Kanta Sato, Daisaku Mashiko, Yoshifumi Saijo, Shin-ichiro Umemura
  • 学会等名: 2018 IEEE International Ultrasonics Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] HIFU治療に関する技術開発と その臨床応用可能性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋
  • 学会等名: 第17回日本超音波治療研究会
• [学会発表] 様々な集束超音波によるキャビテーション気泡を用いた結石破砕速度への影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 由良 俊哉, マキシム ラフォン, 吉澤 晋, 梅村 晋一郎
  • 学会等名: 第38回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(USE2017)
• [学会発表] Effect of focal shape control on stone erosion rate using cavitation bubbles (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiya Yura, Maxime Lafond, Shin Yoshizawa, Shin-ichiro Umemura
  • 学会等名: 2017 International Congress on Ultrasonics (ICU2017)
  • 国際学会
• [学会発表] 生体組織中に発生させたキャビテーション気泡群の光学的及び音響的高速同時観察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 魁, 岩﨑 亮祐, 高木 亮, 吉澤 晋, 梅村 晋一郎
  • 学会等名: 第37回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(USE2016)
  • 発表場所: 韓国（釜山）
  • 年月日: 2016-11-16
• [学会発表] 超音波治療システム用多機能パルス発生回路 (2016)
  • 著者名/発表者名: 玉野 聡, 吉澤 晋, 梅村 晋一郎
  • 学会等名: 第37回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(USE2016)
  • 発表場所: 韓国（釜山）
  • 年月日: 2016-11-16
• [学会発表] 強力集束超音波により生体組織に発生させたキャビテーション気泡群の光学的及び音響的高速イメージングによる解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 魁, 岩崎 亮祐, 高木 亮, 吉澤 晋, 梅村 晋一郎
  • 学会等名: 電子情報通信学会 超音波研究会
  • 発表場所: 日本大学（郡山市）
  • 年月日: 2016-10-07
• [学会発表] 集束超音波を用いた結石破砕における焦点領域制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 由良 俊哉, 高木 亮, 吉澤 晋, 梅村 晋一郎
  • 学会等名: 日本超音波医学会 平成28年度第3回基礎技術研究会
  • 発表場所: 北海道大学（札幌市）
  • 年月日: 2016-08-06