新田 尚隆¹, 工藤 信樹², 秋山 いわき³

Naotaka NITTA¹, Nobuki KUDO², Iwaki AKIYAMA³

¹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, ²北海道大学大学院情報科学研究科人間情報工学研究室, ³同志社大学生命医科学部医情報学科

¹Human Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology （AIST）, ²Laboratory of Biomedical Engineering, Graduate School of Information Science and Technology, Hokkaido University, ³Department of Biomedical Information, Faculty of Life and Medical Sciences, Doshisha University

キーワード :

【目的】
組織弾性の測定及び可視化のための新しい技術として,音響放射力（Acoustic Radiation Force, ARF）を利用して軟部組織内に微小変位やせん断波を発生させ,その変位量や伝搬速度を超音波で測定することにより組織の硬さを測定する技術が実用に供されている．一方,このARF技術は,従来の超音波診断装置とは異なり,持続時間が長く高強度のパルス波形を周期的に用いており,本会機器及び安全に関する委員会は,従来の超音波診断装置に比べて超音波持続時間内での熱発生が大きいと指摘している1）．また,その焦点に骨が存在する場合,超音波診断装置の規制値（720 mW/cm2）以内でも顕著な温度上昇が生じる可能性があるとHerman-Harrisらは指摘している2）．このような背景の下,本稿では数値解析を一例として,音響放射力を伴う超音波照射条件と温度上昇との関係を考察した．
【方法】
骨を含む場合と骨を含まない場合の2種類の組織モデルを対象として温度上昇を評価した．骨を含まない組織モデル（Model A）は3次元円柱体であり,その内部に皮膚層,脂肪層,筋層及び臓器層を含むものとした．これらの吸収係数は一様に0.3 dB/cm/MHzとした．骨を含む組織モデル（Model B）はModel Aに骨層を追加したもので,骨の吸収係数は軟部組織よりも大きい10から30dB/cm/MHzの範囲で与え,骨表面上に焦点が置かれるような配置とした．各モデル上部で集束型超音波振動子（2.5 MHz, 焦点距離35 mm, Fナンバー = 2）を配置し,同一走査線上で音響放射力を伴う超音波照射を行う．超音波照射条件としては,パルス持続時間：0.3 ms〜100 ms,パルス繰り返し時間：2〜20 s,音圧：10 MPaまでを与え,この照射条件下で超音波の強度分布を計算した．強度分布と組織モデル内の各層における吸収係数から発熱量を算出し,これを生体熱輸送方程式（bioheat transfer equation）に入力して解くことで,照射開始から200 s間の温度上昇を計算した．なお,各層の熱伝導率や比熱等の熱物理量及び血液灌流率は,文献値3）を参照して設定した．
【結果】
各モデル共通の特性として,超音波照射期間での温度上昇と非照射期間での温度降下を繰り返しながら,パルス照射回数の増加に伴い,焦点での温度ピーク値は徐々に上昇した．また200 s間の最大温度上昇は,照射期間での強度と比例関係を示した．そのため,瞬時強度とパルス持続時間の増大に伴い,最大温度も増加した．一方,パルス繰り返し時間が長くなると冷却時間が確保されることにより,最大温度は抑制された．Model AとModel Bの比較では,Model Bにおける骨焦点での最大温度は,Model A焦点での最大温度よりも大きくなり,骨の吸収係数の増加に伴って最大温度も増加した．
【結論】
最大温度上昇は,超音波照射条件として瞬時強度,パルス持続時間,パルス繰り返し時間及び照射回数,組織特性として吸収係数等による影響を受けることが確認された．
【文献】
1）http://www.jsum.or.jp/committee/m_and_s/acoustic_radiation.html,
2）Herman BA, Harris GR: Ultrasound in Medicine & Biology 2002; 28: 1217-24.,
3）NCRP Report No. 113, 1992.