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2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of a novel histotripsy method by continuous generation of cloud cavitation

Research Project

Project/Area Number 22K19889
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

吉澤 晋  東北大学, 工学研究科, 教授 (30455802)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Keywordsキャビテーション / 強力集束超音波 / Histotripsy
Outline of Annual Research Achievements

非侵襲ながん治療法として最近注目されているものに,強力集束超音波(HIFU)のパルス波を用いた組織破砕治療がある.これは,Histotripsyと呼ばれ,最近では免疫賦活効果も注目されている.Histotripsyでは,非常に強力なHIFUパルス波を集束させ,HIFU焦点において減圧沸騰現象による気泡群(クラウドキャビテーション)が発生させ,この気泡群の崩壊によるエロージョンを繰り返すことで周囲組織を破砕する.そこで本研究では,低いエネルギーと高いスループットを両立する新治療法の開発を目的とし,2022年度は連続的にクラウドキャビテーションを発生させるHIFU照射方法について検討を行った.
ここでは,非線形伝播したHIFU焦点波形が引き起こす”shock scattering”現象に着目した.HIFUの焦点波形は,非線形伝播と集束の効果により,短時間で絶対値の大きい正圧と,長時間で絶対値の小さい負圧から構成される.一旦キャビテーション気泡が生じると,この正圧が気泡表面で自由端反射し,絶対値の大きい負圧となって反射される.この反射波の伝播に伴ってクラウドキャビテーションが形成される現象がshock scatteringである.したがって,起点になる気泡が一度形成されれば,その気泡が溶解するよりも早くHIFU焦点を電子的に走査することで,連続的にクラウドキャビテーションを発生させることができると考えた.保有している装置でHIFU焦点の電子走査が可能な実験系の構築を行い,ゲル中に発生させた気泡群の高速度カメラ撮影実験を行った.その結果,HIFU伝播と逆方向に焦点走査を繰り返すことで,効率的にキャビテーション気泡群を生成できることがわかった.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2022年度は,HIFU音場の数値計算を実施し,実験系を構築してクラウドキャビテーションの高速度カメラ撮影を行い,連続的なクラウドキャビテーション気泡群生成が可能なHIFU照射パラメータについて知見を得る計画であった.HIFU音場の数値計算については,既存の数値計算コードを用いることで順調に進めることができた.また,HIFU焦点の電子走査が可能な実験系の構築においても保有している装置で問題は起こらず,順調に進捗した.高速度カメラ実験については,光源が故障するというトラブルがあったものの,故障当初に予想していたよりも修理が短期間に終了したことでおおむね予定通り実験を行うことができた.その結果として,ゲル中でのクラウドキャビテーション気泡群の連続生成が可能なHIFU照射条件,難しいHIFU条件についての一定の知見を得ることができた.

Strategy for Future Research Activity

2023年度は,ゲル中での高速度カメラ撮影実験を引き続き行うとともに,生体組織でのクラウドキャビテーション気泡群の連続生成についても実験を行う.照射対象が生体組織であるため,光学的に不透明でHIFU照射中の光学的観察が難しい.そのため,超音波イメージングによってリアルタイム可視化を実施する実験系と,生体組織をスライスし,光透過性をわずかながら確保して,高速度カメラ撮影ができる実験系の2つの実験系を構築する.前者では高感度・高精度な超音波イメージング方法,および臨床応用可能なイメージング方法について検討する.後者では,スライスした生体組織の適切な厚み,ゲルファントムに安定的に埋め込む方法などについて検討する.この2種類の実験により,生体組織でのクラウドキャビテーション気泡群の連続生成について,どのようなHIFU照射条件が適切であるかについての知見を得る.

Causes of Carryover

2022年度は,2022年中に高速度カメラ用の光源が故障したため,その修理に予定外の費用が必要となった.その分,計画していたハイドロフォンの購入を延期し,精度については劣るが計測可能な使用年数の長いハイドロフォンを用いて代替するなどし,2023年度分と合わせてハイドロフォン購入をすることにした.そのため,2022年度では残額が生じたが,2023年度にハイドロフォンを購入する分と合わせて,2023年度までで予定通りの使用額となる予定である.

  • Research Products

    (6 results)

All 2023

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] Basic study on a filtering method for selectively extracting cavitation bubble region in ultrasound imaging by triplet pulse sequence2023

    • Author(s)
      Kuji Shota、Umemura Shin-ichiro、Yoshizawa Shin
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 62 Pages: SJ1038~SJ1038

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acbe03

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 気泡援用超音波治療の治療用超音波が干渉した超音波画像のノイズ低減のための受信アポダイゼーション2023

    • Author(s)
      吉田奈央,久慈祥太,吉澤晋
    • Organizer
      令和5年東北地区若手研究者研究発表会
  • [Presentation] 音響放射力を用いた集束超音波治療の加熱分布推定法における集束超音波照射中の組織変位2023

    • Author(s)
      佐藤結衣,沼畑瑛里香,吉澤晋
    • Organizer
      令和5年東北地区若手研究者研究発表会
  • [Presentation] 集束超音波照射時の超音波イメージングにおける特異値分解フィルタによるノイズ除去の有効性に関する検討2023

    • Author(s)
      松崎宗真,吉澤晋
    • Organizer
      令和5年東北地区若手研究者研究発表会
  • [Presentation] 強力集束超音波の焦点走査による組織破砕領域拡大に関する基礎検討2023

    • Author(s)
      高橋和希,三宅翔太朗,吉澤晋
    • Organizer
      令和5年東北地区若手研究者研究発表会
  • [Presentation] 気泡援用超音波加熱中の気泡生成領域と温度分布の関係についての実験的検討2023

    • Author(s)
      佐藤太祐,神野藤颯汰,吉澤晋
    • Organizer
      令和5年東北地区若手研究者研究発表会

URL: 

Published: 2023-12-25  

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