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

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24246035
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 松本 洋一郎 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60111473)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

本研究では、５つの要素技術、（１）生体内超音波計測技術、（２）生体内超音波制御技術、（３）生体モニタリング技術、（４）生体内超音波伝搬計算技術、（５）システム評価の開発を行った。
過去２年では、散乱波からの治療ビーム可視化技術、音響放射力を用いて焦点振動を励起し凝固領域を可視化する技術、乳腺と脂肪の音速差に起因した焦点近傍の音圧分布の変化を数値シミュレーションから推定する技術の確立を行った。特に凝固モニタリングにおいては、変調周波数によって局所振動領域を制御することで、凝固開始時の微小凝固域の検出から、照射終盤の10mm程度の長さの凝固領域のサイズ推定まで、一連の凝固域の成長の様子を各フェーズに合わせて30から200Hzの変調周波数の利用により高精度なモニタリングが実現可能であることを見出した。またウサギを用いた検討により、体動や血流のある生きた組織においても、本手法の適用が可能であることを確認した。
最終年度の検討では、フィードバック実験系の構築により、撮像レート1秒、凝固サイズ10mmに対して相対誤差12%と、リアルタイム計測と精度1mmの目標をほぼ達成した。また治療ビームの可視化技術に関しては、過去2年の検討において、散乱体の不均一分布に起因する音圧分布の評価精度の低下が課題であった。これに対して散乱体分布と治療ビームの最尤推定により分離評価する手法を開発し、治療ビームの高精度計測とこれに基づいた治療ビーム制御が可能であることを確認した。生体内伝搬計測に関して、音圧と熱分布計算手法を確立した。更に担癌マウスを用いた実験により、超音波トランスデューサを5軸ロボットにより保持した新機構により、多方向からの照射により、皮膚熱傷のリスクを抑制しながら焦点における凝固域の形成が可能であることを確認し、提案したシステムの有効性と安全性の柳両立を確認することに成功した。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Real-time feedback control for high-intensity focused ultrasound (HIFU) system using localized motion imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Sugiyama et al.,
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 53 ページ: 未定
  • 査読あり
• [雑誌論文] A novel automatic first-arrival picking method for ultrasound sound speed tomography (2015)
  • 著者名/発表者名: X. Qu et al.,
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 53 ページ: 未定
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transducer elements position compensation in a ring array USCT system (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Tamano et al.,
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 53 ページ: 未定
  • 査読あり
• [雑誌論文] The role of numerical simulation for the development of an advanced HIFU system (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Okita, R. Narumi, T. Azuma, S. Takagi, Y. Matumoto
  • 雑誌名: Comput. Mech. 巻: 54 ページ: 1023-1033
  • 査読あり
• [学会発表] REAL‐TIME COAGULATION SIZE CONTROL SYSTEM BASED ON SIZE ESTIMSTION WITH LOCALIZED MOTION IMAGING AND MULTIPLE MODULATION FREQUENCIES TO ACHIEVE HIGHER SPATIAL RESOLUTION (2015)
  • 著者名/発表者名: T.Azuma et al.,
  • 学会等名: The 15th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • 発表場所: Utrecht, Netherland
  • 年月日: 2015-04-15 – 2015-04-18
• [学会発表] INFLUENCE OF BREAST STRUCTURE ON HIFU FOCAL ERROR (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Okita et al.,
  • 学会等名: The 15th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • 発表場所: Utrecht, Netherland
  • 年月日: 2015-04-15 – 2015-04-18
• [学会発表] HIFU BEAM IMAGING ENHANCEMENT TECHNIQUE BASED ON THE REFLECTED ECHO OF MICROSECOND PULSES OF HIFU (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Matsui et al.,
  • 学会等名: The 15th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • 発表場所: Utrecht, Netherland
  • 年月日: 2015-04-15 – 2015-04-18
• [学会発表] Bent ray ultrasound tomography reconstruction using virtual receivers for reducing time cost (2015)
  • 著者名/発表者名: X. Qu et al.,
  • 学会等名: SPIE medical imaging symposium 2015
  • 発表場所: Orlando, USA
  • 年月日: 2015-02-21 – 2015-02-26
• [学会発表] 凝固サイズの推定結果に基づいた加熱凝固領域制御手法 (2014)
  • 著者名/発表者名: 金沢憲吾他
  • 学会等名: 第13回日本超音波治療研究会
  • 発表場所: 仙台情報・産業プラザ, 宮城県仙台市
  • 年月日: 2014-12-15
• [学会発表] HIFU Beam Visualization using Beam Profile Extraction from Tissue Speckle Pattern (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Sugiyama et al.,
  • 学会等名: The 35th Symposium on Ultrasonic Electronics
  • 発表場所: Meiji University, Tokyo
  • 年月日: 2014-12-03 – 2014-12-05
• [学会発表] Optimization of Transmitted Pulse Length of HIFU Beam Imaging (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Matusi et al.,
  • 学会等名: The 35th Symposium on Ultrasonic Electronics
  • 発表場所: Meiji University, Tokyo
  • 年月日: 2014-12-03 – 2014-12-05
• [学会発表] A novel automatic first-arrival picking method for ultrasound sound speed tomography (2014)
  • 著者名/発表者名: X. Qu et al.,
  • 学会等名: The 35th Symposium on Ultrasonic Electronics
  • 発表場所: Meiji University, Tokyo
  • 年月日: 2014-12-03 – 2014-12-05
• [学会発表] 超音波CTにおける振動子位置補正の検討 (2014)
  • 著者名/発表者名: 玉野聡他
  • 学会等名: 第35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
  • 発表場所: 明治大学, 東京都
  • 年月日: 2014-12-03 – 2014-12-05
• [学会発表] Preclinical Ultrasound Image-guided High Intensity Focused Ultrasound Robot System for Breast Cancer Therapy (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Azuma et al.,
  • 学会等名: 4th International Symposium of Focued Ultrasound
  • 発表場所: Washingtom DC, USA
  • 年月日: 2014-10-12 – 2014-10-16
• [学会発表] Integrated transducer and system for therapeutic ultrasound with ultrasound image guide (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Azuma
  • 学会等名: 1st international conference on ultrasonic-based Applications: from analysis to synthesis
  • 発表場所: Costa da Caparica, Portugal
  • 年月日: 2014-09-15 – 2014-09-17
  • 招待講演
• [学会発表] Real-time Localized Motion Imaging for Coagulation Monitoring using Acoustic Radiation Force (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Sugiyama et al.,
  • 学会等名: 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium
  • 発表場所: Chicago, USA
  • 年月日: 2014-09-06 – 2014-09-08
• [学会発表] Algebraic reconstruction considering Curved Ray for ultrasound tomography with ring array to Integrate HIFU therapeutic system (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Imoto et al.,
  • 学会等名: 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium
  • 発表場所: Chicago, USA
  • 年月日: 2014-09-06 – 2014-09-08
• [学会発表] 検出精度の向上に向けた放射圧によるリアルタイム加熱凝固モニタリング手法の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 杉山隆介他
  • 学会等名: 第87回日本超音波医学会
  • 発表場所: パシフィコ横浜, 神奈川県横浜市
  • 年月日: 2014-05-10 – 2014-05-12
• [学会発表] 超音波CTをベースとした治療診断統合システムの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中村弘文他
  • 学会等名: 第87回日本超音波医学会
  • 発表場所: パシフィコ横浜, 神奈川県横浜市
  • 年月日: 2014-05-10 – 2014-05-12
• [学会発表] HIFU治療評価に向けた3次元リアルタイム温度計測ファントムの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岩橋利英他
  • 学会等名: 第87回日本超音波医学会
  • 発表場所: パシフィコ横浜, 神奈川県横浜市
  • 年月日: 2014-05-10 – 2014-05-12
• [学会発表] Real-time monitoring system for coagulated area using Localized motion imaging (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Sugiyama et al.,
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • 発表場所: Las Vegas, USA
  • 年月日: 2014-04-02 – 2014-04-05
• [学会発表] Algebraic reconstruction considering curved ray for sound-speed tomography with ring-array transducer to integrate HIFU therapeutic system (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Nakamura et al.,
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • 発表場所: Las Vegas, USA
  • 年月日: 2014-04-02 – 2014-04-05
• [学会発表] High Accuracy position control of HIFU transducer for breast cancer treatment using 5DOF parallel-link robot (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Iwahashi et al.,
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Therapeutic Ultrasound
  • 発表場所: Las Vegas, USA
  • 年月日: 2014-04-02 – 2014-04-05
• [産業財産権] 超音波医用装置 (2013)
  • 発明者名: 東隆, 佐々木明, 青柳良佑, 高木周, 射谷和徳, 藤原圭祐他
  • 権利者名: 東隆, 佐々木明, 青柳良佑, 高木周, 射谷和徳, 藤原圭祐他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 5590493
  • 出願年月日: 2013-05-30
  • 取得年月日: 2014-08-08