超音波治療のための音響ホログラフィによる力場制御

摘要

生体内に力場を形成する利点として，治療に役立てることが可能であることが挙げられる．例えば，12.5 Hz のような低周波数で培養骨芽細胞に力学的な刺激を与えると，細胞増殖が活発になる．これにより，骨折の治癒を促進する効果が期待される．また，脳に圧力を加えることで脳圧が不足する病気の改善が期待される．このとき，体内の特定の箇所に非侵襲で力場を形成するので，指向性の高い超音波を用いた音響ホログラフィが，力場形成の手段の1 つとして挙げられる．まず，ホログラフィというのは，広辞苑によると，「物体にレーザー光などを当て，そこから得られる光と，もとの光との干渉パターンを感光材料に記録し，これに別の光を当てて物体の像を再現する方法および，これを利用した光学技術の総称」と定義されている．つまり，位相情報が記録された干渉縞が回折格子となり，光を当てると像ができる．これと対応して，音響ホログラフィとは，アレイ状に並べた超音波振動子の位相を個別に制御することで，空間上に任意形状の力場を生成する技術である．どちらも，位相情報から像を形成している．超音波を用いた治療器としては，集束超音波治療法（HIFU）や，低出力超音波パルス治療（LIPUS）などがある．集束超音波治療法は超音波を集束させるように超音波振動子を配置し，焦点において超音波の吸収による熱エネルギやキャビテーションによって，癌細胞を破壊する治療器である．LIPUSは，1 日20 分間，1.5 MHz，パルス幅200 μs の低出力超音波パルスを，1 kHz で繰り返し照射することで，骨折の治癒を促進する治療器である．どちらも生体内に力場を形成し治療を行っているが，焦点が固定であることや，対象領域に一様な力場しか形成できないこと，装置が大掛かりであることなど，応用性に欠けている．一方，本研究で実現を目標としている，音響ホログラフィを用いた力場制御装置では，任意形状の力場を形成することが可能であることに加え，AM 変調やパルス波ように超音波の強度を自由に変更することが可能である，装置が小型であるという利点がある．このように，音響ホログラフィを用いた力場制御装置は非常に応用性が高い．この装置を実現させるには，生体内で任意の力場を形成できるか，生体に効果的な強度?周波数の力学刺激を与えられるかといった問題を解決する必要がある．これらの問題を解決するためには，治療に適した力場を形成し，さらにAM 変調により低周波数で生体に力学刺激を与える必要がある．しかし，生体内は均一な媒質ではなく，力場制御を行うのが困難である．よって，生体内において力場制御を行う前に，まずは均一な媒質である空気中において力場を制御することとした．本研究では，力場制御装置を設計?試作した上で，空気中において焦点を形成し，焦点径の大きさを理論値と比較し，さらに治療に十分な出力があるか確認した．また，各超音波振動子からAM 変調波を出力し，そのときの音圧変動を測定した．その際に12.5 Hz 成分が得られるかを確認した．