JP2016195618A - 血管内皮機能障害を処置する装置、ならびにPLCγ1、ERK5またはERK1/2の活性化制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】非侵襲的な即時性の血管内皮機能の向上または改善を可能にする装置を提供する。【解決手段】血管内皮機能障害を処置する装置1は、血管内皮機能障害の患者に超音波を照射する超音波照射手段として超音波生成部14およびプローブユニット20を備えている。プローブユニットは、1つ以上の探触子(超音波放出端子)21を備えている。探触子から、照射対象である患者に超音波を照射することによって、血管内皮機能の向上または改善を患者にもたらし得る。【選択図】図1

Description

本発明は、血管内皮機能障害を処置する装置ならびにPLCγ1、ERK5またはERK1/2の活性化制御方法に関し、より詳細には、対象に対する超音波照射による上記装置および活性化制御方法に関する。
血管内皮機能障害は、血管の弛緩と収縮とのバランスまたは血栓の形成と融解とのバランスが、血管内皮細胞において部分的または完全に失われている状態である。よって、血管内皮機能障害は、脳卒中、心筋梗塞、狭心症、心室細動、動脈硬化および勃起障害の初期の危険因子として挙げられている(非特許文献1および2)。これらのうち勃起障害を例に挙げて、血管内皮機能障害についてさらに詳述する。
勃起障害(勃起不全とも呼ばれる)は、男性の性的機能障害の1つであり、陰茎の勃起の発現または維持の不能に起因して、満足な性交を行い得ない状態を指す。勃起障害に陥る人は加齢にともなって増加する傾向にある。勃起障害の罹患率は、20〜39歳の若年層において4.7%、40代前半において16%、40代後半において20%、50代前半において36%、50代後半において47%、60代前半において57%、60代後半において70%と報告されている(非特許文献3および4)。
勃起障害は、発症の原因にしたがって、器質性勃起障害、機能性勃起障害、混合性勃起障害および薬剤性勃起障害の4つに分類される。器質性勃起障害は、解剖学的な問題(例えば、神経系、血管系、組織、または陰茎そのものの異常)または内分泌障害によって、所望される十分な陰茎の勃起を生じない状態を指す。器質性勃起障害は、例えば高血圧、糖尿病または動脈硬化によって引き起こされる。機能性勃起障害は、解剖学的には正常であるが、心理的要因などによって所望される十分な陰茎の勃起を生じない状態を指す。混合性勃起障害は、器質性勃起障害および機能性勃起障害の複合的な状態を指す。薬剤性勃起障害は、一部の薬剤の副作用によってテストステロンの分泌が抑制されて、勃起障害に陥る状態を指す。
これらのうち、特に器質性勃起障害に対する現行の処置としては、血行再建手術、血管新生を促す処置、および薬物による機能回復などが挙げられる。血行再建手術は、患者の陰茎以外の部位から動脈を切除し、切除した動脈を陰茎の動脈とつなぎ合わせることによって、遮断された血流を回復する処置である。血管新生を促す処置は、陰茎に対する外的要因(例えば衝撃波の局部照射)に基づく血管新生によって、恒常的な血流量を向上させる処置である。
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しかし、上述のような血行再建手術、血管新生を促す処置、および薬物による勃起の促進のそれぞれは、以下に示すような問題点を有している。
血行再建手術は、高い侵襲性などに起因して、大きな身体的、精神的および経済的な負担を患者に強いる。衝撃波によって血管新生を促す処置は、第一の問題として、性的機能の回復までに長期の加療を要する。長期の加療に基づいて、患者は、長期にわたる低下した生活の質を強いられる。よって、衝撃波によって血管新生を促す処置は、肉体的、経済的、時間的および精神的な負担という問題を有している。例えば、肉体的な負担は、必要に応じて麻酔を要するほどの苦痛である。また、上述した脳血管疾患および心疾患に対する処置は、即座(例えば数分〜数十分後)に作用をもたらさなければ、患者を死に至らしめる。薬物による機能回復は、即座の作用を示すが、同時に副作用を完全に回避し得ない。
このような課題に鑑みて、本発明の目的は、非侵襲的な即時性の血管内皮機能の向上または改善を可能にするツールを提供することである。
上記課題を解決するために、本願発明者らは、鋭意検討した結果として以下に示す発明を完成するに至った。
(1)血管内皮機能障害を処置する装置であって、血管内皮機能障害の患者に照射する超音波を生成する超音波生成手段を備えている装置。
(2)上記血管内皮機能障害は、脳卒中、心筋梗塞、狭心症、心室細動、動脈硬化および勃起障害からなる群から選択される、(1)に記載の装置。
(3)上記超音波生成手段から送信される超音波の1回あたり送信時間を、20〜40分間±10%に制御する送信条件制御手段をさらに備えている、(1)または(2)に記載の装置。
(4)上記送信条件制御手段は、上記超音波生成手段から送信される超音波の周波数を、0.5〜3MHz±10%にさらに制御する、(3)に記載の装置。
(5)上記超音波生成手段は、超音波伝播媒体を介した患者に対する非侵襲的な接触をもたらし、装置の外部に超音波を出力する超音波放出端子と接続されている、(1)〜(4)のいずれか1つに記載の装置。
(6)複数の上記超音波放出端子のそれぞれを時分割して順次駆動させることによって、複数の当該超音波放出端子のそれぞれに超音波を出力させる出力方式制御手段をさらに備えている、(5)に記載の装置。
(7)対象に超音波を照射することによって、PLCγ1、ERK5またはERK1/2の活性化を促進する活性化促進工程を包含している、PLCγ1、ERK5またはERK1/2の活性化制御方法。
(8)上記活性化促進工程において、超音波の1回あたりの照射時間は0分を超えて20分±10%である、(7)に記載の活性化制御方法。
(9)上記活性化促進工程において、0.5〜3MHz±10%の周波数を有している超音波を上記対象に照射する、(7)または(8)に記載の活性化制御方法。
(10)上記活性化促進工程において、超音波照射装置に備えられている複数の超音波放出端子のそれぞれを時分割して駆動させることによって、当該超音波放出端子のそれぞれに超音波を出力させる、(7)〜(9)のいずれか1つに記載の活性化制御方法。
(11)血管内皮機能障害の患者に超音波を照射する超音波照射工程を包含している、血管内皮機能障害を処置するための方法。
(12)上記血管内皮機能障害は、脳卒中、心筋梗塞、狭心症、心室細動および勃起障害からなる群から選択される、(11)に記載の方法。
(13)上記超音波照射工程において、上記患者に対する1回あたりの超音波の照射時間は、0分を超えて20分±10%である、(11)または(12)に記載の方法。
(14)上記超音波照射工程において、上記患者に対して照射される超音波は、0.5〜3MHz±10%の周波数を有している、(11)〜(13)のいずれかに記載の処置方法。
(15)上記超音波照射工程において、超音波照射装置に備えられている複数の超音波放出端子のそれぞれを時分割して駆動させることによって、当該超音波放出端子のそれぞれに超音波を出力させる、(11)〜(14)のいずれか1つに記載の方法。
本発明は、非侵襲的な即時性の血管内皮機能の向上または改善を可能にする。
本発明に係る一実施形態の超音波照射装置の構成を示すブロック図である。 本発明の係る他の実施形態の超音波照射装置の構成を示すブロック図である。 (a)および(b)は、本発明に係る装置の一実施形態におけるプローブユニットの構成を例示する模式図である。 男性の陰部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの形状を例示する模式図である。 男性の陰部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの他の形状を例示する模式図である。 男性の陰部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの他の形状を例示する模式図である。 頭部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの形状を例示する模式図である。 頭部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの他の形状を例示する模式図である。 胸部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの形状を例示する模式図である。 超音波照射による血管拡張に関与する分子の活性化について変化を調べた、培養した血管内皮細胞を用いた実施例1の実験系を示す模式図である。 図10に示す実験系を用いてPLCγ1の活性化について調べた結果をまとめた図である。 図10に示す実験系を用いてERK1/2の活性化について調べた結果をまとめた図である。 図10に示す実験系を用いてERK5の活性化について調べた結果をまとめた図である。 図10に示す実験系を用いてFAKの活性化について調べた結果をまとめた図である。 細胞の移動度に対する超音波照射の影響について調べた、培養した血管内皮細胞を用いた実施例2の実験系を示す模式図である。 図15に示す実験系を用いて細胞の移動度について調べた結果まとめた図である。 実施例1と同じ実験系を用いた実施例3において、超音波照射によるERK1/2の活性化に与えるPLCγ1阻害剤の影響について調べた結果まとめた図である。 各実施例の結果などから明らかになった、超音波照射による血管内皮機能の改善または向上の分子機序を説明する図である。 照射時間の変化とERK1/2の活性化状態との関係について調べた結果をまとめた図である。
〔血管内皮機能障害を処置する装置〕
本発明は、血管内皮機能障害の患者に照射する超音波を生成する超音波生成手段を備えている血管内皮機能障害を処置する装置である。つまり、本発明は、超音波を患者に照射することによって血管内皮機能障害を処置する超音波照射装置と言い換えることができる。以下において、説明を容易にするために、本発明に係る血管内皮機能障害を処置する装置を、単に超音波照射装置と称する。
後述する実施形態の構成および実施例において明らかにされているように、本発明に係る超音波照射装置は、超音波の照射によって、血管内皮機能の向上または改善を患者にもたらし得る。当該向上または改善の作用は、一定時間の超音波照射後に即座に現れる。また、超音波は、患者の外部から内部に到達し得るので、非侵襲的に当該作用が得られる。よって、本発明は、血管内皮機能障害の処置において、高い安全性および速やかな有効性を示す。
本明細書において、血管内皮機能障害は、正常な血管が有している機能の一部またはすべてを果たし得ない血管に基づいて生じる状態を意味している。また、血管内皮機能障害は、処置を行う時点で患者内に存在する血管の機能回復によって改善または治癒の見込みを有している状態であり、特に、当該改善または治癒のためには、血管の機能回復が、処置を行う時点から短時間(例えば数十分間以下)に生じることを要する。つまり、本発明は、長期間(例えば数週間)かけて血流量を徐々に上昇させる血管新生を起こさせることを目的としていない。
したがって、本明細書に使用されるとき、“処置(する)”は、血管内皮機能障害に起因して、死に瀕している患者、または重篤な症状(例えば、意識障害、心筋虚血、四肢または感覚の麻痺など)を呈している患者を救う処置を指す。すなわち、本明細書における“処置(する)”は、“応急処置(する)”と交換可能である。
ここで、本明細書に使用されるとき、“応急処置(する)”は、処置を受けた当日に患者の血管内皮機能障害を改善することによって、日常生活の支障を除く処置を指す。後者の場合、“応急”は、文化的な生活を営むためにヒトの患者が求める行為(例えば、旅行、運動、職務の遂行、創作活動または性交など)を、当該患者が求める日時に応じて、治療行為によって実現させ得る場合をさらに包含している。
本発明に係る超音波照射装置を図面を参照して以下に詳細に説明する。
(超音波照射装置の構成)
本発明に係る超音波照射装置の構成の一例について、図1を参照して説明する。図1は、本発明に係る一実施形態の超音波照射装置(血管内皮機能を処置する装置)1の構成を示すブロック図である。
図1に示すように、超音波照射装置1は、超音波生成装置10およびプローブユニット20を備えている。超音波生成装置10は、ユーザインターフェース(UI)11、コントローラ(送信条件制御手段および出力方式制御手段)12、電源部13および1つ以上の超音波生成部(超音波生成手段)14を備えている。プローブユニット20は、1つ以上の探触子(超音波放出端子)21を備えている。プローブユニット20は、超音波生成装置10から独立したハウジングに収納され得るか、または超音波生成装置10と同じハウジングに、超音波生成装置10から離して収納され得る。また、プローブユニット20が、ケーブルなどを介して超音波生成装置10に接続されており、プローブユニット20が、超音波生成装置20から離れた位置において動作し得る構成を、超音波照射装置1には採用され得る。
また、図1に示すように、超音波生成装置10は、n個の超音波生成部(超音波生成部14(1)〜超音波生成部14(n))を備えている。この場合、プローブユニット20は、n個の超音波生成部のそれぞれと一対一対応するn個の探触子(探触子21〜探触子21n)を備えている。ここで、nは1以上の任意の整数である。探触子21(1)〜21(n)のそれぞれは、超音波生成部14(1)〜14(n)のそれぞれと、一対一対応して接続している。
超音波生成部14(1)〜14(n)のそれぞれによって生成された超音波は、対応する探触子21(1)〜21(n)に送信される。超音波の送信を受けた探触子21(1)〜21(n)は、超音波照射装置1の外部に超音波を放出することによって、照射対象である患者に超音波を照射する。なお、超音波生成部14(1)〜14(n)のそれぞれは同じ構成であり、探触子21(1)〜21(n)のそれぞれは同じ構成である。したがって、超音波生成部14および探触子21についての説明は、残りの超音波生成部および探触子に対して同様に適用される。
UI11は、超音波照射装置1の動作状態および動作条件などを表示する表示部と、ユーザが任意の入力を行う入力部とを備え得る。UI11は、ユーザによる入力を受けたとき、当該入力を表す入力信号をコントローラ12に送信し、コントローラ12は、受信した入力信号に基づいて各構成要素を制御する。
また、UI11は、コントローラ12から送信された超音波照射装置1の状態を表す信号を受信すると、受信した信号に基づいて超音波照射装置1の状態を表示部に表示する。UI11の入力部は、例えば、照射する超音波の周波数または照射時間(超音波生成部14からの超音波の送信時間と一致する)などのユーザによる入力が可能な構成を有し得る。
コントローラ12は、超音波照射装置1の各構成要素を制御する。コントローラ12は、プローブユニット20の探触子21に対して超音波生成部14から超音波を送信させ、探触子21から患者に超音波を放出させる。具体的には、コントローラ12は、超音波生成部14の送信用発振部142から超音波を出力させ、送信器141から探触子21に送信させる。また、コントローラ12は、UI11に対するユーザの入力に基づいて、超音波生成部14からの超音波の送信を制御し、UI11に超音波照射装置1の状態または動作まどを表示させる制御を行う。さらに、コントローラ12は、電源部13からの電力を送信用電源部140に供給する。
また、コントローラ12は、送信用発振部142からの超音波の出力を制御することによって、規定の値によって表される超音波を探触子21から出力させる。探触子21からの超音波の出力は、所望の作用をもたらす適切な程度に設定され、設定された程度の超音波を出力するようにコントローラ12が制御する。また、コントローラ12は、探触子21の感度のばらつきを補正するために超音波出力を制御する構成であり得る。超音波出力の制御は、送信用発振部142における発振周波数に変更、または送信器143から探触子21に超音波を送信するときの送信電圧の変更などによって実現され得る。
電源部13は、超音波照射装置1の各構成要素に電力供給する。電源部13は、コントローラ12および超音波生成部14の送信用電源部140に、商用電源または畜電池などからの電力を供給する。
なお、コントローラ12によって制御される種々の超音波の照射条件および照射方式については、後ほど項目を設けて詳述している。ここに述べられているコントローラ12による制御動作を、後述する超音波の照射条件および照射方式と組み合わせて参照すれば、超音波照射装置1の構成は、より明確に理解され得る。
超音波生成部14は、送信用電源部140、送信器141および送信用発振部142を備えている。送信用電源部140は、コントローラ12または電源部13からの電力を送信器141に供給する。送信器141は、送信用発振部142から出力された超音波を探触子21に送信する。送信用発振部142は、コントローラ12からの指示に基づいて超音波を発振して送信器141に出力する。送信用電源部140、送信器141および送信用発振部142として、従来公知の電源部、送信器および超音波発振部などを使用可能である。
探触子21は、超音波生成部14の送信器141から送信された超音波を患者に放出する。探触子21の数(n)は超音波を照射する範囲に応じて変化する。広範囲に超音波を照射する場合、例えばnは100〜1000であり得る。このとき、可撓性材料(例えば、シリコーン材料)に対して接着などによって、複数の探触子21(1)〜21(n)を固定すれば、複数の探触子21(1)〜21(n)による患部の被覆が可能になる。探触子21は、超音波を伝播する媒体(例えば超音波ゲル)を介して患者に対して非侵襲的に接触しながら、患者に照射する超音波を放出し得るように、プローブユニット20のハウジング内に設けられている。探触子21の構成の詳細については後述する。
超音波照射装置1は、規定の値によって表される超音波を出力するため、探触子21の感度のばらつきを補正するため、または超音波の出力を一定に維持するために、送信器141から送信される超音波をモニタリングするフィードバック機構を備え得る。これにより、送信器141から超音波の送信状態がコントローラ12にフィードバックされる。コントローラ12は、超音波の送信状態に基づいて、送信用発振部142および送信器141による超音波の出力を制御する。
また、探触子21と患部とのカップリング不良を検出するために、探触子21からの超音波の出力をモニタリングするフィードバック機構も備え得る。これによって、患部とのカップリング状態が、探触子21からコントローラ12または送信器141にフィードバックされる。コントローラ12は、このカップリング状態に基づいて、送信用発振部142および送信器141による超音波の出力を制御する。
超音波照射装置1は、以上の構成を備えているので、上述した通り、超音波の照射によって、血管内皮機能の向上または改善を患者にもたらし得る。当該向上または改善の作用は、一定時間(例えば20分間)の超音波照射後に即座に現れる。また、超音波は、患者の外部から内部に到達し得るので、非侵襲的に当該作用が得られる。よって、本発明は、血管内皮機能障害の処置において、高い安全性および速やかな有効性を示す。
後述する実施例に記載されている通り、本発明に係る超音波照射装置(すなわち血管内皮機能障害を処置する装置)による超音波照射は、血管内皮細胞の機能(血管拡張作用または運動能)を向上させるシグナル分子を容易かつ迅速に活性化させ得る。したがって、本発明は、生体内の血管壁における内皮機能の改善または向上を非侵襲的に実現可能である。
(超音波照射装置の構成の変形例)
本発明に係る超音波照射装置の構成の変形例について、図2を参照して説明する。図2は、他の実施形態の超音波照射装置2の構成を示すブロック図である。図2から明らかなように、超音波照射装置1aは、切り替えスイッチ15をさらに備えており、単一の超音波生成部14のみを備えている点において、超音波照射装置1と異なっている。したがって、本実施形態では、切り替えスイッチ15の詳細、および単一の超音波生成部14のみによって超音波照射装置1と同等の機能を示し得る点のみを説明する。
図2に示すように、超音波照射装置1aは、単一の超音波生成部14および切り替えスイッチ15を備えている。超音波生成部14は、切り替えスイッチ15を介して、複数の探触子21(1)〜21(n)と接続している。超音波生成部14は生成した超音波を切り替えスイッチ15に送信する。切り替えスイッチ15は、受け取った超音波を複数の探触子21(1)〜21(n)のそれぞれに送信する。このとき、切り替えスイッチ15は、複数の探触子21(1)〜21(n)から1つ以上を選択して、超音波を送信する。つまり、複数の超音波生成部の動作の、コントローラ12による制御ではなく、超音波を放出させるべき探触子21(1)〜21(n)の、切り替えスイッチ15による切り替え(超音波の送信)にしたがって、超音波は、超音波照射装置1aから照射される。
超音波照射装置1aは、単一の超音波生成部14をコントローラ12の制御下においている。よって、コントローラ12による処理は、簡略化され、向上した速度を実現し得る。超音波照射装置1aは、単一の超音波生成部14を備えているので、小型化され、低コスト化され得る。超音波照射装置1aは、複数の探触子21(1)〜21(n)を備えている利点(広範囲の超音波照射)を維持しつつ、これらの利点を有している。
(探触子21)
探触子21の構成の一例について、図3を参照して説明する。図3の(a)は、探触子21の上面から見た構成を示しており、(b)は、探触子21の断面の構成を示している。
図3に示すように、探触子21は、コネクタ213とそれぞれ接続されている複数の振動子211および感度データ格納素子212をハウジング210に収納している。振動子211は、ハウジング210において2行3列に配列されている。なお、ここでは、6素子の振動子211を2行3列に配列させているが、振動子211の数および並びは適宜変更され得る。ハウジング210はシリコーン材料などから形成されている。探触子21は、図3に示すように、患者との接触面積および超音波の照射面積の増大を目的として、矩形状であることが好ましい。プローブユニット20aは、矩形状の複数の探触子21を備えており、隣り合う探触子21のそれぞれは、矩形の1辺(例えば図3(a)の上辺)を互いに接して配置されている。
複数の振動子211のそれぞれは、超音波生成部14から送信される超音波を受信することによって振動し、患者に超音波を放出する。感度データ格納素子212は、探触子21の感度データを記憶する。各探触子21について記憶されている感度データは、コントローラ12または送信器141に送信される。コントローラ12または送信器141は、送信された感度データに基づいて探触子21の感度のばらつきを補正する。また、探触子21は、探触子21の感度分類を示すデータを格納する素子を備え得る。当該データは、コントローラ12などにフィードバックされて、感度のばらつきの補正に使用され得る。
(プローブユニット20および20a)
プローブユニット20および20aは、超音波を照射する患者の部位に応じて異なる形状を有し得る。当該部位は、処置される血管内皮機能障害およびその患部によって異なる。当該部位としては、例えば、頭部、頸部、胸部、腹部、腰部、陰部、腕、脚部およびこれらの一部(例えば、腕における上腕部、肘、手首、掌または指)、ならびにこれらの組合せが挙げられる。
超音波を全身に照射する場合、例えば、プローブユニット20および20aの形状は、流体によって満たされ得る槽である。超音波照射装置1および1aによる超音波照射は、当該槽に超音波伝播媒体(例えば、水、ゲルまたはカップリング剤)を満たし、患者の身体を超音波伝播媒体に浸した状態において実施される。超音波を腕に照射する場合、例えば、プローブユニット20および20aの形状は円筒形である。上記超音波照射は、円筒形のプローブユニット20および20aの内径に超音波伝播媒体を塗布するか、または満たし、患者の腕を当該内径に挿入させた状態において実施される。
さらなる例示を目的として、男性の陰部、頭部または胸部を上記部位として選択した場合の、プローブユニット20および20aの具体的な形状を、図4〜9を参照して以下に説明する。図4は、男性の陰部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの形状を例示する模式図である。図5は、男性の陰部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの他の形状を例示する模式図である。図6は、男性の陰部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの他の形状を例示する模式図である。図7は、頭部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの形状を例示する模式図である。図8は、頭部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの他の形状を例示する模式図である。図9は、胸部に対して超音波を照射する場合のプローブユニットの形状を例示する模式図である。
図4に示すように、男性の陰部に対して超音波を照射する場合のプローブユニット20および20aの形状は、その一端が閉じられている円筒形である。この形状の場合、複数の探触子21は、シリコン製の円筒の内部に包埋されており、4つの探触子21によって、4か所から超音波が照射される。超音波照射時には、円筒の中空部分に超音波伝播媒体を満たし、中空部分に陰部を挿入する。円筒は、固定具(例えば、ベルトまたはバンド)と接続され得る。固定具は、患者への超音波照射時にプローブユニット20および20aを患者の身体に固定する部材である。
図5に示すように、男性の陰部に対して超音波を照射する場合のプローブユニット20および20aの他の形状は、平板状である。この形状の場合、プローブユニット20および20aは、超音波伝播媒体を介して患者の身体に圧着される。プローブユニット20および20aが圧着されるのは、患者の陰嚢、陰茎全体および亀頭にわたる領域である。この場合、超音波伝播媒体は、患者の身体またはプローブユニット20および20aに塗布される。上述の例と同じ目的として、この形状のプローブユニット20および20aは、固定具と接続されている。
図6に示すように、男性の陰部に対して超音波を照射する場合のプローブユニット20および20aの他の形状は、平坦部を有している塊状である。塊状の部分は、グリップと接続されている。この形状の場合、超音波の照射部分を適宜選択可能である。例えば、陰嚢、陰茎全体および亀頭にわたる領域に超音波伝播媒体を塗布した後に、陰茎に3か所(先端、中央および付け根)、および陰嚢に2か所(左右の陰嚢の裏側)の計5か所は、超音波照射を順次受ける。
図7に示すように、頭部に対して超音波を照射する場合のプローブユニット20および20aの形状は、一対の柱状である。この形状の場合、プローブユニット20および20aは、超音波伝播媒体をあらかじめ満たした左右の鼻腔に挿入される。また、この形状の場合、超音波は、骨を介することなく頭部の全体に照射され得る。
図8に示すように、頭部に対して超音波を照射する場合のプローブユニット20および20aの他の形状は、種々の平面形状を有している一対の平板状である。この形状の場合、プローブユニット20および20aは、超音波伝播媒体を介して、厚さの薄い左右の側頭骨の付近に圧着される。上述の例と同じ目的として、この形状のプローブユニット20および20aは、固定具と接続されている。この場合の固定具の例としては、頭部を覆うヘルメット状の構造がさらに挙げられる。
図9に示すように、胸部に対して超音波を照射する場合のプローブユニット20および20aの他の形状は、種々の平面形状を有しているシート状である。この形状の場合、プローブユニット20および20aは、胸部を広く覆うために、十分な大きさを有しているか、または複数個を連結して形成されている。上述の例と同じ目的として、この形状のプローブユニット20および20aは、固定具と接続されている。
ここで、プローブユニット20および20aは、心臓からの超音波の反射波を受信する受信部をさらに備えていおり、超音波照射装置1および1aは、上記受信部からの信号を画像化する画像化部をさらに備えている。すなわち、胸部に超音波を照射する場合、超音波照射装置1および1aは、心エコー機能を有しており、これによって、胸部の特定の箇所に対して常に超音波を照射可能である。
また、ここで、プローブユニット20および20aは、心拍の波形を検出する電極をさらに備えており、超音波照射装置1および1aは、上記電極からの波形を表す信号に基づいて、心拍数を算出する算出部を備えている。心拍数は、コントローラ12に送信され、コントローラ12は、超音波発信部142にからの超音波の出力を、心拍に同期させる。
(超音波の照射時間)
超音波照射装置1および1aは、コントローラ12の制御によって、1回の照射につき一定の照射時間にわたって患者に超音波を照射する。上記照射時間は、1回の照射につき5〜100分間±10%、好ましくは10〜60分間±10%、より好ましくは20〜40分間±10%である。以上の範囲から照射時間を選択すれば、超音波照射装置1および1aは、種々の血管内皮機能障害を処置し得る。特に20〜40分間±10%の照射時間を選択した場合、血管内皮機能の改善または向上は、短時間の照射によって実現され得る。つまり、照射から当該改善または向上が認められる時間、および患者が超音波照射を受ける時間を短縮し得る。よって、患者の負担を最小化し、かつ即時性の高い処置を実現し得る。
(血管内皮機能障害)
超音波照射装置1および1aは、上述のように血管内皮機能障害を処置する装置である。超音波照射装置1および1aによって処置可能な血管内皮機能障害としては、脳卒中、心筋梗塞、狭心症、心室細動、勃起障害および動脈硬化が挙げられるが、これらに限定されない。超音波照射装置1および1aは、低侵襲的かつ即時的に血管拡張を起こさせる。したがって、超音波照射装置1および1aによって処置される血管内皮機能障害は、即座の血管拡張に基づく血流回復によって、症状の軽減または消失が認められる障害であることが好ましい。以上の観点から、超音波照射装置1および1aによって処置される血管内皮機能障害は、勃起障害であることが最も好ましい。
ここで、衝撃波照射による脳疾患または心疾患の従来の処置は、血栓の溶解または血管新生に基づいている。血栓の溶解のための衝撃波照射は、照射を受けた血管の周辺組織に悪影響を及ぼすと報告されている。具体的には、脳に対する衝撃波照射は、血栓の溶解と同時に、閉塞箇所以外の血管からの出血を生じさせるおそれがある。また、血管の狭窄に基づく血管内皮機能障害は、当然、血栓を生じていない。血管新生は、血流回復までに長期間(数週間以上)を要するので、最終的に血流を回復しても細胞の壊死(に基づく個体の死)を回避できず、処置が意味をなさないことがある。いずれの問題点も、超音波照射装置1および1aによる血管内皮機能の即時性の改善(例えば血管拡張)が知られておらず、不十分な条件設定に基づく衝撃波照射を行っているために生じている。
(血管内皮機能障害と超音波の照射時間との組合せ)
所望の治療効果を得るために、特定の血管内皮機能障害には、特定の超音波の照射時間が採用される。例えば、脳卒中の処置には、1回の照射につき20〜40分間±10%の照射時間が選択される。また例えば、心筋梗塞の処置には、1回の照射につき20〜40分間±10%の照射時間が選択される。また例えば、狭心症の処置には、1回の照射につき20〜40分間±10%の照射時間が選択される。また例えば、心室細動の処置には、1回の照射につき20〜40分間±10%の照射時間が選択される。また例えば、勃起障害の処置には、1回の照射につき20〜40分間±10%の照射時間が選択される。
(他の照射条件)
超音波照射装置1および1aは、コントローラ12の制御によって、一定の範囲内にある周波数の超音波を患者に照射する。当該周波数は、0.5〜3MHz±10%であることが好ましく、1〜2MHz±10%であることがさらに好ましく、2MHz±10%であることが最も好ましい。
なお、数値範囲または特定の数値の後ろに付されている“±10%”は、当該数値範囲または数値の誤差範囲を意味している。よって、例えば上述の範囲“0.5〜3MHzの±10%”は、下限値としての0.45MHzおよび上限値としての3.3MHzを包含している。“±数値%”は、ここに例示した通りの当該数値のパーセンテージの誤差範囲を意味して使用されている。
超音波照射装置1および1aは、コントローラ12の制御によって、一定の範囲内にある出力の超音波を患者に照射する。当該出力は、10〜100mW/cm±10%であることが好ましく、20〜50mW/cm±10%であることが好ましく、30mW/cm±10%であることが最も好ましい。
超音波照射装置1および1aは、コントローラ12の制御によって、一定の範囲内にあるduty比の超音波を患者に照射する。当該出力は、5〜40%±10%であることが好ましく、10〜30%±10%であることが好ましく、20%±10%であることが最も好ましい。
超音波照射装置1および1aは、コントローラ12の制御によって、一定の範囲内にあるパルス繰返し周波数(PRF)の超音波を患者に照射する。当該PRFは、0.5〜20kHz±10%または50〜200kHz±10%であることが好ましく、0.7〜15kHz±10%または75〜150kHz±10%であることが好ましく、1.0kHz±10%または100kHz±10%であることが最も好ましい。
超音波照射装置1および1aは、コントローラ12の制御によって、複数の探触子21(1)〜21(n)のそれぞれを時分割して順次駆動させ得る。より詳細には、コントローラ12は、複数の探触子21(1)〜21(n)のそれぞれを時分割して順次駆動させることによって、同じ周波数の超音波を超音波生成部14に生成させる制御を行い得る。例えば、4つの探触子21を用いて、1kHzのPRFおよび20%のduty比の条件において超音波を照射する場合、1つの探触子21を200μ秒間駆動させ、50μ秒間休止させ後に、他の1つの探触子21を200μ秒間駆動させる(さらなる他の探触子を駆動させる場合、50μ秒間の休止がある)。これを1サイクルとして、4つの探触子21を逐次駆動させゆき、照射時間および出力が上述のような範囲(または特定の数値)に達するまで、サイクルを繰り返させる。探触子21の数および駆動の順序に制限はない。このような方式を採用して超音波照射することによって、特定箇所に超音波照射のエネルギーが集中せずに、患者(の患部)に均一に超音波が照射される。
〔血管内皮機能障害を処置する方法〕
本発明に係る一実施形態は、血管内皮機能障害の患者に超音波を照射する超音波照射工程を包含している、血管内皮機能障害を処置するための方法である。当該方法に使用されるのは、上述した超音波照射装置1または1aである。すなわち、当該方法は、上述した超音波照射装置1または1aを使用して、患者の血管内皮機能障害を処置する方法である。よって、当該方法の詳細および作用は、〔血管内皮機能障害を処置する装置〕における記載から明らかである。
〔血管内皮機能に関与するシグナル分子の活性化を制御する方法〕
本発明に係る一実施形態は、対象に超音波を照射することによって、PLCγ1、ERK5またはERK1/2の活性化を促進する活性化促進工程を包含している、PLCγ1、ERK5またはERK1/2の活性化制御方法である。当該方法に使用されるのは、上述した超音波照射装置1または1aである。目的がPLCγ1、ERK5もしくはERK1/2の活性化を活性化させる点および異なる対象を含み得る点を除いて、超音波照射装置1または1aの使用方法および使用条件は、上述の実施形態を参照すればよい。
本発明に係る方法は、細胞におけるシグナル分子であるPLCγ1、ERK5またはERK1/2を超音波照射によって活性化可能である。よって、上述したような医療用途の他に、本発明に係る方法は、研究および医薬開発などに適用可能である。したがって、本発明に係る方法を適用する対象としては、ヒトの患者に加えて、他の生物ならびに生体材料(例えば生細胞、組織片および組織など)が挙げられる。
本発明に係る方法が、血管内皮機能を向上させるシグナル分子を活性化し得ることは、後述する実施例および図18に示されている通りである。
〔実施例1:血管拡張に関与する分子の活性化の、超音波照射による促進〕
血管拡張に関与する分子の活性化の、超音波照射による促進について、ヒト臍帯静脈由来の血管内皮細胞に超音波を照射して調べた。超音波の照射には、超音波照射装置1と対応する性能および構成を有している超音波照射装置(細胞用超音波照射装置 USE-MODL-001, 002、日本シグマックス社)を使用した。当該超音波照射装置は、培養細胞に対する超音波の照射に適した小型のプローブを備えている。
(培養細胞)
ヒト臍帯静脈由来の血管内皮細胞(Human Umbilical Vein Endothelial Cells、HUVEC)(Lonza社)を、EGM−2液体培地(Lonza社)に懸濁させた。細胞懸濁液を、6ウェルプレート(Corning社)のウェルに3.3×10細胞/ウェルだけ播種し、24時間にわたって37℃において静置した。ウェル底面に対する細胞の接着を確認した後に、培地を、0.5%のウシ胎児血清(FBS)を補ったEBM−2液体培地(Lonza社)に交換し、24時間静置した。
(超音波照射)
以上のようにして得られた培養細胞に超音波を照射する実験系を、図10に模式的に示した。図10の(a)に示すように、超音波発生装置に接続されているプローブを6ウェルプレートに張り付けた。図10の(b)に示すように、プローブ表面にヒト用の超音波ゲルの層を10mmの厚さに形成した。このとき、プローブ表面と超音波ゲルとの間に空気が入らないように注意した。細胞の入っているウェルがプローブ表面と重なり合うように、超音波ゲルの層の上にプレートを重ねた。プローブおよび6ウェルプレートのみを、インキュベータ内においた。インキュベータ内の条件は5%COの37℃である。
超音波の照射条件は、次の通りである。
超音波周波数:2.0MHz
パルス持続期間:200μ秒
パルス繰返し周波数:1.0kHz
duty比:20%
出力:30mW/cm
照射時間:非照射(Control)または20分間。
(活性型シグナル分子の検出)
超音波照射の終了からそれぞれの時間(0、5、10および20分)において、定法にしたがって各ウェルから細胞破砕物を回収した。これらの細胞破砕物に含まれているシグナル分子を、定法にしたがってウエスタンブロット法によって検出した。検出されたリン酸化タンパク質のバンドの強度を定量化することによって、活性型シグナル分子の存在量を決定した。検出されたシグナル分子は、4つ(PLCγ1、ERK1/2(単一の抗体によって検出可能であるため1つとみなす)、ERK5およびFAK)であった。
各活性型シグナル分子の検出には、抗リン酸化PLCγ1抗体(#2821, Cell Signaling社)、抗リン酸化ERK1/2抗体(#9106, Cell Signaling社)、抗リン酸化ERK5抗体(SC-16564, Santa Cruz Biotechnology社)、および抗リン酸化FAK抗体(#8556, Cell Signaling社)を1次抗体として使用し、HRP標識抗マウス2次抗体(G21040, Invitrogen社)およびHRP標識抗ウサギ2次抗体(G21234, Invitrogen社)を2次抗体として使用した。また、各シグナル分子の存在量(活性型および非活性型の総量)に関して、各ウェルから得られた細胞破砕物の間に有意な差がないことを、抗PLCγ1抗体(#5690, Cell Signaling社)、抗ERK1/2抗体(#4695, Cell Signaling社)、抗ERK5抗体(#3372, Cell Signaling社)、および抗FAK抗体(#3285, Cell Signaling社)を1次抗体として使用して、確認した。
なお、これまでの説明から明らかなように、1つのシグナル分子についてのサンプルの1組は、照射時間の種類と同じ5つのウェルのそれぞれから回収された5つの細胞破砕物からなっている。後述の図11〜14に示されている通り、各シグナル分子ごとに複数組を検出に供している。
(結果)
直前の項目において検出した結果を、シグナル分子ごとに図11〜14に示す。図11は、図10に示す実験系を用いてPLCγ1の活性化について調べた結果をまとめた図である。図12は、図10に示す実験系を用いてERK1/2の活性化について調べた結果をまとめた図である。図13は、図10に示す実験系を用いてERK5の活性化について調べた結果をまとめた図である。図14は、図10に示す実験系を用いてFAKの活性化について調べた結果をまとめた図である。
図11〜14のそれぞれにある3つのパネルに示されているのは、以下の通りである。下部の左パネルには、ウエスタンブロットによって検出されたバンドが示されている。上部のパネルには、活性型シグナル分子のバンド強度を数値化した結果がまとめられている。下部の右パネルには、数値化した結果がさらにグラフとして示されている。
図11に示すように、活性型PLCγ1の存在量は、照射後のすべての時点(0、5、10および20分)において、非照射における存在量と比べて約1.3〜1.4倍に増大していた。図12に示すように、活性型ERK1/2の存在量は、照射後のすべての時点において、非照射における存在量と比べて約1.6〜2.0倍に増大していた。図13に示すように、活性型ERK5の存在量は、照射後のすべての時点において、非照射における存在量と比べて約1.4〜1.9倍に増大していた。図14に示すように、活性型FAKの存在量は、照射後のすべての時点において、非照射における存在量と比べて約1.45〜1.6倍に増大していた。
なお、図11〜14および17にあるグラフにおいて、1つのアスタリスクは、P<0.05において有意差が認められたことを示し、2つのアスタリスクは、P<0.01において有意差が認められたことを示している。
以上のことから、いずれのシグナル分子も極めて短時間(20分間)の超音波の照射によって、活性型の存在量の増大が明らかに認められた。また、非照射、および照射後のそれぞれの時点(0、5、10および20分)において、総タンパク質量(活性型および非活性型)に変化は認められなかった。よって、本実施例において超音波照射を受けた細胞では、シグナル分子の発現誘導ではなく、すでに存在していたシグナル分子の活性化が促進された。
PLCγ1を含めて、ERK1/2、ERK5およびFAKの活性型はいずれも、eNOS(endothelial NO synthase、内皮NO合成酵素)を介した、NO(血管拡張因子)の産生を誘導することが知られている(非特許文献5〜9)。よって、本発明に係る装置を用いて超音波を患者の血管に照射すれば、血管内皮の血管拡張作用(重要な血管内皮機能の1つ)の向上または改善が即座に認められることが示唆された。血管拡張作用の向上は、血管に対する超音波照射によって実現されるため、本発明によれば非侵襲的な即時性の、血管内皮機能の向上または改善を期待し得る。
〔実施例2:超音波照射による血管内皮細胞の運動能の向上〕
本実施例では、使用した実験系を除いて、実施例1と同じく血管内皮細胞に超音波を照射した。その後、血管内皮細胞の運動能に対する超音波照射の影響を調べた。以下に本実施例の詳細について、実施例1と異なる点のみ説明する。
(培養細胞)
2つのウェルを有しているカルチャーインサート(ibidi社)を、6ウェルプレートの各ウェルの底面に静置した。EGM−2液体培地に懸濁させた2.3×10細胞/ウェルのHUVECを播種し、24時間にわたって37℃において静置した。プレートのウェル底面に対する細胞の接着を確認した後に、プレートの各ウェルからカルチャーインサートを取り除いた。これによって、プレートのウェル底面には、カルチャーインサートの置かれていた箇所に細胞の接着していない領域ができた。それから、培地を、0.5%のウシ胎児血清(FBS)を補ったEBM−2液体培地に交換し、24時間静置した。
(細胞に対する処理)
以上のように調製した培養細胞を、照射群(20分間の超音波処理)、陽性コントロール(VEGF添加)および非照射群(処理なし)の3つにわけた。照射群における超音波の照射および陽性コントロールにおけるVEGFの添加を、カルチャーインサートを除去した直後に行った。超音波処理の条件は、照射時間を除いて実施例1と同じである。陽性コントロールにおいて、VEGFは、50ng/mlの終濃度において培地に加えられ、除去されずに評価された。超音波処理の実験系を図15に模式的に示した。カルチャーインサートの置かれていた箇所に細胞が接着していない点を除いて、図10に示す実験系と同じである。
各処理の後、24時間にわたって5%COの37℃において静置した。それから、カルチャーインサートの除去によって形成された領域に移動(遊走)した細胞の数をカウントすることによって、細胞の運動能を評価した。
(結果)
細胞の運動能を評価した結果を図16に示す。図16は、図15に示す実験系を用いて細胞の運動能について調べた結果まとめた図である。図16における下部の左パネルは、細胞数をカウントした領域の様子を示しており、上部のパネルは、カウントした細胞数の集計結果を示しており、下部の右パネルは、集計結果をグラフとして示している。図16における下部の左パネルにある2本の縦線は、カルチャーインサートの除去によって形成された領域の境界を示している。
図16に示すように、この実験系では、陽性コントロールの細胞は、非照射群と比べて約2.0倍の運動能を示した。このような実験系において、照射群の細胞は、非照射群と比べて約1.3倍の運動能を示した。
以上のことから、わずか20分間の超音波照射によって、血管内皮細胞の運動能が向上していることが明らかになった。血管内皮細胞の運動能は、重要な血管内皮機能の1つとして知られている(非特許文献10)。よって、本発明によれば血管内皮機能の非侵襲的な即時性の向上または改善を期待し得る。
〔実施例3:超音波照射によって活性化が促進される血管拡張に関与する分子の活性化機序の解明〕
超音波照射によって誘導される分子機序の詳細を調べるために、超音波処理およびPLCγ1阻害剤処理を組み合わせた試験を行った。PLCγ1阻害剤の添加の有無という条件を加えた点を除いて、実施例1と同じ操作を行った(実験系については図10を参照すればよい)。
PLCγ1阻害剤であるU73122(Cayman Chemical社)の添加の有無にしたがって、2群(U73122(+)およびU73122(−))に分けた。U73122(−)は、実施例1と同じ操作を行った群である。U73122(+)において、超音波照射の30分前に1μMの終濃度のU73122を培地に加えた。超音波処理後に、細胞破砕物に含まれているERK1/2(活性型および非活性型)を、実施例1と同じ抗体を用いて検出した。実施例1において確認された超音波処理の作用に対するPLCγ1阻害剤の影響を、活性型ERK1/2の存在量に基づいて各群について比較した。比較した結果を図17に示す。
図17は、実施例1と同じ実験系を用いた実施例3において、超音波照射によるERK1/2の活性化に与えるPLCγ1阻害剤の影響について調べた結果まとめた図である。図17における3つのパネルの意味は、図11〜14のパネルの意味と同じである。
図17に示すように、超音波照射後の0および5分において、U73122(+)では、U73122(−)と比べて活性型ERK1/2の量の減少が認められた。PLCγ1の阻害によって、活性型ERK1/2の量が減少していることから、PLCγ1は、ERK1/2を、シグナル伝達経路の上流において制御していることを示している。
以上の実施例の結果およびこれまでに本発明者らが得た知見に基づいて、超音波照射によって血管内皮機能を向上させるシグナル伝達経路を、図18に示す。図18は、超音波照射による血管内皮機能の改善または向上の分子機序を説明する図である。
図18に示すように、超音波照射によって、ERK5、PLCγ1およびFAKが活性化される。活性型ERK5はeNOSの発現を誘導する。PLCγ1は、ERK1/2の活性化を介してeNOSの活性化を誘導し、別の経路において、イノシトール三リン酸の産生誘導→細胞質内のCa2+濃度の上昇→Ca2+とカルモジュリンの結合を経て、eNOSの活性化を誘導する。FAKはeNOSの活性化を誘導する。これらの経路を経て、活性化または発現誘導されたeNOSは、NOを生成して血管拡張を引き起こす。他の経路として、FAKは、細胞運動能を向上させて血管拡張を促す。おそらく、超音波照射は、他の経路をも活性化していると考えられるが、各実施例において確認されたように、非侵襲的な即座の血管内皮機能の向上を導くことは明らかである。
〔実施例4:血管拡張に関与する分子の活性化のための超音波照射時間の検討〕
血管拡張に関与する分子を最適に活性化できる超音波照射時間の検討を行った。本実施例は、超音波照射時間の最適化を目的としている。よって、本実施例では、5点の照射時間(非照射(Control)、5、20、60および120分間)の直後における、シグナル分子の活性化状態を調べた。また、検出したシグナル分子は、ERK1/2のみであった。以上の点を除いて、本実施例を実施例1と同様に実施したので、結果のみを以下に示す。
本実施例において得られた結果を、図19に示す。図19は、照射時間の変化とERK1/2の活性化状態との関係について調べた結果をまとめた図である。
図19のそれぞれにある3つのパネルに示されているのは、以下の通りである。下部の左パネルには、ウエスタンブロットによって検出されたバンドが示されている。上部のパネルには、活性型シグナル分子のバンド強度を数値化した結果がまとめられている。下部の右パネルには、数値化した結果がさらにグラフとして示されている。
図19に示すように、活性型ERK1/2の存在量は、5、20、60分間の照射後において、非照射における存在量と比べてそれぞれ1.29、1.44、1.11倍に増大していた。しかし、120分間の照射後においては活性型ERK1/2量の増大は検出されなかった。
以上のことから、5、20、60分間の超音波照射によって、活性型ERK1/2の存在量の増大が明らかに認められた。また、非照射、およびそれぞれの照射時間(5、20、60、および120分間)において、総タンパク質量(活性型および非活性型)に変化は認められなかった。よって、本実施例の結果から、5、20、60分間の超音波照射を受けた細胞では、ERK1/2の活性化が促進されることが確認された。
本発明は、上述した各実施形態および実施例に限定されず、特許請求の範囲に示した範囲における種々の変更が可能であり、異なる実施形態および実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、超音波照射を介した血管内皮機能の向上または改善に利用可能である。
1 超音波照射装置(血管内皮機能を処置する装置)
1a 超音波照射装置(血管内皮機能を処置する装置)
10 超音波生成装置
11 ユーザインターフェース
12 コントローラ(照射条件制御手段および出力方式制御手段)
13 電源部
14 超音波生成部(超音波生成手段)
140 送信用電源部
141 送信器
142 送信用発振部
15 切り替えスイッチ
20 プローブユニット
20a プローブユニット
21 探触子(超音波放出端子)
210 ハウジング
211 振動子
212 感度データ格納素子
213 コネクタ

Claims (9)

  1. 血管内皮機能障害を処置する装置であって、血管内皮機能障害の患者に照射する超音波を生成する超音波生成手段を備えている、装置。
  2. 上記血管内皮機能障害は、脳卒中、心筋梗塞、狭心症、心室細動、動脈硬化および勃起障害およびからなる群から選択される、請求項1に記載の装置。
  3. 上記超音波生成手段から送信される超音波の周波数を、0.5〜3MHz±10%に制御する送信条件制御手段をさらに備えている、請求項1または2に記載の装置。
  4. 上記超音波生成手段は、超音波伝播媒体を介した患者に対する非侵襲的な接触をもたらし、装置の外部に超音波を出力する超音波放出端子と接続されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。
  5. 複数の上記超音波放出端子のそれぞれを時分割して順次駆動させることによって、複数の当該超音波放出端子のそれぞれに超音波を出力させる出力方式制御手段をさらに備えている、請求項4に記載の装置。
  6. 対象に超音波を照射することによって、PLCγ1、ERK5またはERK1/2の活性化を促進する活性化促進工程を包含している、PLCγ1、ERK5またはERK1/2の活性化制御方法。
  7. 上記活性化促進工程において、超音波の1回あたりの照射時間は20〜40分間±10%である、請求項6に記載の活性化制御方法。
  8. 上記活性化促進工程において、0.5〜3MHz±10%の周波数を有している超音波を上記対象に照射する、請求項6または7に記載の活性化制御方法。
  9. 上記活性化促進工程において、超音波照射装置に備えられている複数の超音波放出端子のそれぞれを時分割して駆動させることによって、当該超音波放出端子のそれぞれに超音波を出力させる、請求項6〜8のいずれか1項に記載の活性化制御方法。
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