科研報告：ポリエチレン基頭蓋インプラントを用いた超音波ガイド下での頭蓋内焦点超音波焼灼治療の実現可能性に関する研究

学術背景

焦点超音波（Histotripsy）は、非温熱的かつ非侵襲的な癌腫瘍焼灼技術です。その頭蓋内応用においては、頭蓋骨による超音波の著しい吸収および反射が問題となり、大規模で複雑なアレイトランスデューサを使用してこれを克服する必要があります。この問題を解決するため、超音波が頭蓋内空間に侵入する際の歪みを減少させる目的で、ポリエチレン基生体対応頭蓋修補物が開発されました。しかし、この方法が高強度焦点超音波治療（例：Histotripsy）に対してどの程度実行可能であるかは、十分には検証されていません。

出典と著者情報

本研究は、Lauren Ruger、Maya Langman、Renata Farrell、John H. Rossmeisl、Francesco PradaおよびEli Vlaisavljevichによって執筆されました。全ての著者はVirginia Polytechnic Institute and State Universityおよびその他関連研究機関に所属しています。本論文はIEEE Transactions on Biomedical Engineeringに受理されており、2024年に正式に発表される予定です。

研究プロセス

研究設計

本研究は3つの主要なコンポーネントに分けられます。まず、シングルユニットトランスデューサが各周波数と角度における頭蓋修補物を通過する際の影響を測定します。次に、マルチユニットトランスデューサアレイに拡張し、より臨床に関連するテスト条件下での圧力損失と焦点歪みの効果を確認します。最後に、光学イメージングを用いて水および組織シミュレートゲルにおけるキャビテーション雲の生成能力を検証し、赤血球シミュレーションおよび豚脳組織を用いた焼灼実験を行います。

シングルユニットトランスデューサの実験

500 kHz、1 MHzおよび3 MHzのカスタムシングルユニットトランスデューサを使用して圧力波形を測定しました。シングルユニットトランスデューサは90°、120°および135°の角度でテストされ、マルチユニットトランスデューサアレイが臨床に使用される状況をシミュレートしました。結果から、圧力損失は周波数と角度が増加するにつれて増大し、音波の伝播速度は条件ごとに2472 m/s、2234 m/sおよび2082 m/sであることが分かりました。

マルチユニットトランスデューサアレイの実験

8エレメントおよび16エレメントのマルチユニットトランスデューサアレイを使用し、シミュレーションされた「偽頭蓋骨」を通してすべての条件下で伝送歪みがトランスデューサの焦点位置に大きな影響を与えることを記録しました。ハイドロフォンベースの歪み補正技術を適用することで、一部の圧力損失が回復し、最大22 MPaに達しました。

実験対象と投入機材

すべての実験には厚さ4 mmのポリエチレン基頭蓋修補物を使用しました。使用された装置には、カスタム高電圧パルス発生器、マイクロメートル精度の3Dロボットポジショナーおよび各種の超音波トランスデューサが含まれます。

光学および赤血球シミュレーション実験

高周波光学イメージングおよび赤血球シミュレーション実験を使用し、頭蓋修補物が存在するにもかかわらず、Histotripsyのキャビテーション雲が水およびシミュレートゲル中に生成されることが分かりましたが、その形成プロセスは自由場条件下よりも遅いことが判明しました。赤血球模擬サンプル上では、顕著な圧力減衰が見られましたが、高周波条件下でも有効な焼灼が行われました。

豚脳組織の実験

地元の屠殺場から取得した豚脳を脱気したゼラチン内に埋め込み、実験を行いました。超音波イメージングにより、明瞭なキャビテーション雲の生成が確認され、組織は完全に破壊され無細胞化しました。

主な結果

本研究の実験結果は、ポリエチレン基尻蓋修補物が音響窓として機能し、頭蓋骨内でのHistotripsyの応用が可能であることを示しています。顕著な圧力減衰が存在するにもかかわらず、ハイドロフォンベースの歪み補正技術を応用することで一部の圧力損失が回復し、さまざまなシミュレート生物条件下で有効な焼灼効果が得られました。

結論と意義

本研究結果は、リソースが限られている、またはMRIガイドが利用できない状況での超音波ガイドによるHistotripsy技術の最適化において、頭蓋内病変の治療の可能性を提供します。将来の研究では、機器の改良やナノ粒子媒介のHistotripsyなど他の技術を取り入れ、圧力を増強し、焼灼効率を高めることが必要です。またより多くの体内研究を行い、その安全性と臨床的実現可能性を評価する必要があります。

強調ポイント

1. 修補物の革新：ポリエチレン基尻蓋修補物の応用が、超音波イメージングだけでなく、高強度焦点超音波治療にも有用であることを初めて証明。
2. 多角度圧力損失研究：異なる周波数および角度条件下での圧力損失を説明し、マルチユニットトランスデューサデザインの基盤を提供。
3. ハイドロフォンベースの歪み補正技術：一部の圧力損失を回復し、実際の応用における治療効果の改善方法を示しました。

その他の有益な情報

本研究は、Focused Ultrasound FoundationおよびAmerican Kennel Club Canine Health Foundationの部分的な支援を受けています。研究チームの一部は関連企業とも協力関係にあり、研究装置の改良と臨床応用の基盤を提供しています。さらに、研究過程で実施された歪み補正技術および高周波パルス生成方法は、他の超音波治療技術にとっても重要な参考となります。