JP2008000281A - ファントム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】低沸点化合物を液滴化してゲル中に封入した超音波ファントム及びこれを用いた計測。これにより、液滴の成分、液滴のサイズ、サイズの異なる液滴の混合により超音波照射で液滴が気化する超音波強度を制御することが可能であり、その結果、異なる値の超音波強度に対してその強度を超える超音波が照射されたかどうかを可視化することができる。
【選択図】図6
Description
従来、上述の超音波ファントムとしては、超音波のエネルギーそのものではなく、超音波により生じる二次的な作用を可視化するものが考案されてきた。例えば、可溶性のタンパクを指示剤として用い、超音波照射による温度上昇を検出するものが挙げられる(非特許文献1)。これは、タンパクが熱変性すると、凝固して凝集するため、変性前に比べて光学散乱強度が大きくなることを利用している。また、超音波照射により音響キャビテーションが生じる際に水酸基ラジカルなどの酸化力の大きい物質が生成されることを利用し、酸化反応に伴って呈色を起こす反応基質を指示剤として用いて超音波照射による化学作用の程度を検出するものもある(特許文献1)。
log(p_r/p)=−2γM/ρrRT
(pは水平表面の蒸気圧、p_r は半径rの微粒子の蒸気圧、Mはモル質量、γは表面張力、ρは液体の密度、Tは絶対温度)に示されるように、微粒子として存在するときには、液体の蒸気圧は、その半径が小さいほど小さいことから、みかけの沸点は半径が小さいほど高くなる。しかしながら、みかけの沸点が高くなった状態を外部エネルギーで崩すことができれば蒸気圧は通常状態に戻る。このことを利用すると、揮発性の液体を沸点よりも十分に低い温度にて界面活性剤を用いて液滴化し、沸点付近あるいはそれ以上の温度にて超音波を照射することにより、液滴を気泡化することが可能である。さらにこの気泡化を液滴を封入した透明性の高い媒体中にて生じることにより、目的とする超音波ファントムを得ることができることに想到した。
温度を4℃に保った状態で以下の成分を一緒に添加し、そして20mlのリン酸バッファ(pH=7.4)をゆっくり添加しながら、ULTRA−TURRAX T25(Janke&Knukel、Staufen Germany)中にて9500rpmで氷温にて1分間ホモジナイズした。
グリセロール 2.0g
α―トコフェロール 0.02g
コレステロール 0.1g
レシチン 1.0g
パーフルオロペンタン 0.2g
(1)温度上昇指示剤を含まないゲルの調製
以下の作業は全て4℃において行った。上述の平均直径1.18μmの液滴を含むエマルション(パーフルオロペンタン濃度: 10mM)5mlを水86.5mlとアクリルアミド40%溶液(アクリルアミド:ビスアクリルアミド=39:1)25mlとをよく混合し、直方体型容器に流し込む。スターラーにてゆるやかに攪拌しながら、過硫酸アンモウム10%溶液7.5mlおよびN,N,N',N'-テトラメチルエチレンジアミン10mlをすばやく添加し、均一に混ざったら、攪拌を停止し、スターラーバーを除去して直方体容器にカバーをして20分間放置する。以上の操作により、ほぼ透明なゲルを調製した。
以下の作業は全て4℃において行った。上述の平均直径1.18μmの液滴を含むエマルション(パーフルオロペンタン濃度: 10mM)5mlを牛血清アルブミン5%溶液86.5mlとアクリルアミド40%溶液(アクリルアミド:ビスアクリルアミド=39:1)25mlとをよく混合し、直方体型容器に流し込む。スターラーにてゆるやかに攪拌しながら、過硫酸アンモウム10%溶液7.5mlおよびN,N,N',N'-テトラメチルエチレンジアミン10mlをすばやく添加し、均一に混ざったら、攪拌を停止し、スターラーバーを除去して直方体容器にカバーをして20分間放置する。以上の操作により、ほぼ透明なゲルを調製した。
上述のゲル調製法(1)に従って調製したゲルを37℃に保温した状態で、直径24mm、F数1の収束超音波トランスデューサを密着させ音響強度を0から300W/cm2まで変化させて4MHzの超音波を4周期分照射した際のゲルの概観の一例を図2に示す。図2は、超音波照射後のゲルを黒い板に載せ、写真を撮影した後に画像処理により二値化したものである。音響強度0(超音波照射なし)の場合には、ゲルは黒いままであり、ゲルが光学的にほぼ透明であることを示している。これに対し、超音波を照射した際には、焦点付近が白くなる現象が見られた。この白くなる領域は超音波強度が高いほど大きいことがわかる。このことより、本試験例にて用いたゲルが一定の超音波強度(図2の場合、音響強度50W/cm2)以上の超音波を照射された部位が白くなるという特徴を示すことが明らかである。なお、超音波照射の長さが4周期から10秒(約4×107周期相当)まで変化させてもほぼ同様の効果が見られた。なお、上述のゲル調製法(2)により調製したゲルを用いて、ほぼ同様の結果を得た。
上述のごとく、液滴サイズは調製条件により変更可能である。平均粒径が異なる液滴をゲルに封入した場合の図2に示すゲルの変化が生じる超音波強度の依存性を調べた結果の一例を図3に示す。超音波照射の条件は試験例1と同じである。図3の横軸は平均粒径を対数表示したものであり、縦軸は図2に示されるゲルの変化が生じる最小の超音波強度(超音波強度閾値)をそれぞれ示す。平均粒径が0.5μm以下の場合には、超音波強度閾値は約130-160W/cm2と高い値を示し、0.5μmを超える平均粒径の場合には、粒径に対する依存性はほとんどなく、約40W/cm2という値を示した。この結果より、本試験で用いたゲルにおいて粒径を0.5μmよりも小さくするか大きくするかで超音波感受性を変化させることができることが明らかである。(なお、上述のゲル調製法(2)により調製したゲルを用いて、ほぼ同様の結果を得た。
粒径が異なると、図3に示すごとく超音波への感受性は変化する。ただし、その変化は粒径に対して急激なものである。超音波感受性を細かく変化させるため、超音波感受性の低い小粒子液滴(例として粒径0.2μm)と当該小粒子液滴よりも粒径が大きくかつ超音波感受性の高い大粒子液滴(例として粒径1μm)とを比率を変更して混合した液滴群を用い、それ以外は試験例1、2と同一の実験系において、試験例2と同様に超音波強度に関する閾値を求めた結果の一例を図4に示す。図4の横軸は液滴全体に占める大粒子の割合を、縦軸は図2と同じく液滴を封じ込めたゲルが変化を起こす超音波強度をそれぞれ示している。図から、大粒子の割合が重量比で0〜50%の間の場合には、大粒子の割合に依存して超音波強度閾値が変化し、割合が高いほど閾値が低いことがわかる。その変化は、割合の変化に対して十分緩やかであり、割合を調合することで、ゲルの超音波感受性を細かく制御できることがわかる。なお、同様の効果が、大粒子液滴のサイズを0.7μm以上20μm以下の間で変化させて行った実験でも得られた。小粒子液滴のサイズを0.1μm以上0.5μm以下の範囲で変化させて行った場合も同様であった。また、液滴内のパーフルオロペンタンをパーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタンに変更して同様の実験を行い、ほぼ同様の結果を得た。なお、上述のゲル調製法(2)により調製したゲルを用いて、ほぼ同様の結果を得た。
以上の試験例より、本発明における液滴を封入したゲルが制御された超音波感受性を有し、一定の強度以上の超音波を照射することによって光学的な変化を生じることが明らかになった。
上述のゲル調製法(2)に従って調製したゲルを37℃に保温した状態で、直径24mm、F数1の収束超音波トランスデューサを密着させ音響強度300W/cm2の4MHzの超音波を1msあるいは2s照射した直後に4℃へ冷却した。1時間4℃に保ったあと常温に戻した際のゲルの概観の一例を図5に示す。図5は、超音波照射後のゲルを黒い板に載せ、写真を撮影した後に画像処理により二値化したものである。超音波照射時間にかかわらず、超音波照射直後は焦域に相当する部位に白変領域が観察される。超音波照射時間が2sの場合には、4℃で処理しても超音波の照射された部位は白いままであり、超音波照射によりタンパクの変性温度(約65℃)に達したことがわかる。これに対し、超音波照射時間が1msの場合には、照射直後に観察された白変は4℃処理によりほぼ消失しており、この場合には温度上昇はなかったことがわかる。以上の結果より、本発明における超音波ファントムを超音波照射直後に光学的に観察し、さらにより低温へ冷却した後に光学的に観察することにより超音波強度および温度上昇に関し情報が得られることが明らかである。なお、低温処理の温度を−20℃以上10℃以下に変化させ、また、処理時間を10分から3時間まで変化させて実験を行い、ほぼ同様の結果を得た。
以下、本発明の一実施例について、図6および図7を用いて説明する。図6はファントムの外枠を示す図である。外枠本体1、超音波照射用音響窓2、超音波照射結果観察用窓3、超音波反射防止層4からなる。図7は液滴を封入したアクリルアミドゲルであり、ファントム本体である。焦域前用ゲル5、焦域用ゲル6、焦域後用ゲル7からなる。使用時は、まず、ゲル5,6,7を調製し、図6に示す外枠にはめ込み、図示されないふたにより密閉する。ファントムとしての使用時は、線量を測定する超音波照射源を超音波照射用音響窓2に密着させ超音波を照射し、超音波照射結果観察用窓3より結果を観察する。超音波照射源と超音波照射用音響窓2とを密着させられない場合、ファントムおよび超音波照射源を水槽に入れて超音波を照射することもできる。また、超音波照射用音響窓2と超音波照射源との間を音響ゼリーなどの音響カップリング剤で満たして照射することもできる。本実施例の形態として、超音波照射源の焦域(超音波の焦点を含む領域)においては目標とする超音波強度よりも高い超音波強度が照射され、焦域の前および後ろでは目標とする超音波強度以下が照射されることを確認する用途を考えると、例えば焦域前用ゲル5、焦域後用ゲル7には試験例3における大粒子径液滴の割合が重量比で50%以上の組成のものを、焦域用ゲル6には試験例3における大粒子径液滴の割合が重量比0〜10%の組成のものを用いることにより焦域において超音波強度が概ね100W/cm2以上で、焦域の前と後ろで40W/cm2よりも低いことを調べることが可能となる。
以下、図8および図9を用いて本発明の一実施例について説明する。図8はファントムの外枠を示す図である。外枠本体1と超音波照射用窓2とから構成されている。図9は、液滴を封入したゲルであってファントム本体であるものを示す図である。超音波感受性の異なるゲル8−1〜2nが層状に積み重なった形状となっている。使用時には、図9に示すゲルを図8に示す外枠にはめ込み、図示されないふたにより密閉する。ファントムとしての使用時は、測定対象となる超音波照射源を超音波照射用音響窓2に密着し、超音波感受性の高いゲルから順に超音波を照射しつつ超音波照射源を移動する。超音波感受性を変更するには、試験例4に示したように、大粒子液滴と小粒子液滴との割合を変更したゲルを調製することにより達成可能である。
以下、図10を用いて本発明の一実施例について説明する。本実施例における超音波ファントムと組み合わせて用いる装置は、ファントム保持部9、温度調整部10、温度調整制御部11、ファントム撮影部12、装置制御部13、表示部14から構成される。ファントム保持部9は図7あるいは図9に示されるようなファントムを保持し、超音波を照射できるよう構成されている。温度調整部10は、−10℃から40℃の範囲でファントム保持部10内に置かれたファントムの温度を制御できるよう構成されており、温度調整制御部11により制御される。ファントム撮影部12はファントム全体を撮影できるよう構成されており、撮影結果は装置制御部13に転送される。装置制御部13は、温度調整制御部11およびファントム撮影部12の制御を行い、かつファントム撮影部12により撮影されたファントム画像を保持し、二値化、重ね合わせなどの画像処理を行えるよう構成されている。表示部14は、ファントム画像を表示できるよう構成されている。制御部13はユーザからの入力により超音波照射時の温度、低温処理時の温度および時間を設定できるよう構成されており、超音波照射後および低温処理終了時にファントム撮影部12に撮影を開始する制御信号を送信する。
2:超音波照射用窓
3:超音波照射結果観察用窓
4:超音波吸収材
5:焦域前用ゲル
6:焦域用ゲル
7:焦域後用ゲル
8:ゲル
9:ファントム保持部
10:温度調整部
11:温度調整制御部
12:ファントム撮影部
13:装置制御部
14:表示部
Claims (12)
- 熱不可逆性ゲルと、前記熱不可逆性ゲルの内部に収められた、超音波照射により液体から気体へ相変化する造影剤と、前記熱不可逆性ゲルと前記造影剤とを収める容器とを有するファントム。
- 前記造影剤は揮発性液体を内部に含み、前記揮発性液体が液体のときの平均粒径が0.5μm以下の第1液滴と0.5μmより大きく20μm以下の第2液滴とからなることを特徴とする請求項1に記載のファントム。
- 前記第2液滴は、前記造影剤の重量比50%以上の割合を占めることを特徴とする請求項1に記載のファントム。
- 前記熱不可逆性ゲルは、前記超音波照射の焦点を含む第1領域と前記焦点を含まない第2領域とを含み、前記第1領域では、前記第2液滴は前記造影剤の重量比50%以上の割合を占めることを特徴とする請求項1に記載のファントム。
- 前記熱不可逆性ゲルは、前記超音波照射の焦点を含む第1領域と前記焦点を含まない第2領域とを含み、前記第2領域では、前記第2液滴は前記造影剤の重量比0〜10%の割合を占めることを特徴とする請求項1に記載のファントム。
- 前記造影剤は、界面活性剤および液滴安定化剤を含む外殻を有することを特徴とする請求項1に記載のファントム。
- 前記揮発性液体は、フルオロトリクロロメタン、ジブロジフルオロメタン、2−ブロモー1,1,1−トリフルオロエタン、2−メチルブタン、パールフオロペンタン、1−ペンテン、ペンタン、2H,3H−パーフルオロペンタン、パーフルオロヘキサン、ヘキサン、1H−パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、ヘプタン、およびパーフルオロオクタンのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載のファントム。
- 前記熱不可逆性ゲルの内部に収められた温度上昇指示剤をさらに有することを特徴とする請求項1に記載のファントム。
- 前記温度上昇指示剤はタンパク質であることを特徴とする請求項8に記載のファントム。
- 前記造影剤は、超音波照射後の冷却によって、気体から液体へ相変化するものであることを特徴とする請求項1に記載のファントム。
- 熱不可逆性ゲルと、前記熱不可逆性ゲルの内部に収められた、温度上昇指示剤及び超音波照射により液体から気体へ相変化しかつ前記超音波照射の後の冷却により気体から液体に相変化する造影剤とを具備するファントムに超音波を照射する工程と、
前記超音波照射により生じる前記温度上昇指示剤の変性と前記造影剤の液体から気体への相変化とを光学的に検出し、第1検出結果を得る工程と、
前記超音波を照射する工程の後に前記ファントムを冷却する工程と、
前記冷却する工程の後に前記造影剤の気体から液体への相変化を光学的に検出し、第2検出結果を得る工程と、
前記第1検出結果と前記第2検出結果とから前記造影剤の相変化の比較をし、前記比較の結果から前記超音波照射の照射条件を計測する工程とを有する超音波照射条件計測方法。 - 前記冷却する工程では、前記ファントムを-20℃以上10℃以下の範囲の温度に冷却することを特徴とする請求項11に記載の超音波照射条件計測方法。
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