気泡界面でのHIFUの後方散乱によるキャビテーション初生と気泡クラウドの形成

気泡界面でのHIFUの後方散乱によるキャビテーション初生と気泡クラウドの形成

低侵襲な医療技術の一つとして，高強度集束超音波（High Intensity Focused Ultrasound : HIFU）の研究が進められている．HIFU治療は，病巣患部を加熱凝固する治療法であるが，焦点近傍の限られた範囲しか治療できないため，病巣すべての治療をするのに長時間を要する．そこで，HIFU治療の高効率化のために，HIFUの焦点近傍に生じるキャビテーション気泡の有効利用が注目されている．しかし，成長した気泡クラウドは，音響的なシールド効果により，HIFU治療を阻害してしまう可能性がある．そこで，気泡クラウドの制御が必要不可欠となる．気泡クラウドは，HIFUにより最初に初生したキャビテーション気泡界面でHIFUの後方散乱することにより成長する．しかし，最初のキャビテーション初生位置は確率的であり，その初生位置を特定することは困難である．そこで，本研究では，レーザ誘起気泡をHIFUの散乱体として利用することにより，キャビテーション初生位置を制御した上で，キャビテーションクラウドの生成機構を研究する．さらに，Euler格子で捕えることができない気泡核の成長を気泡力学に基づき予測し，その後の巨視的な気泡運動をLevel-set関数で捕えるというマルチスケール解析手法を開発して，実験で観測された気泡クラウドの形成を再現する．

Fig. 1 Caviation inception by HIFU

Fig. 2において，HIFUが右から左に伝播する．レーザ誘起気泡（図の左の球状の気泡）の界面にて，HIFUが後方散乱し，レーザ誘起気泡の右側に次々にキャビテーションが初生する．キャビテーションは段階的に層状に形成され，最終的に円錐状のキャビテーション気泡クラウドが形成される．Fig. 3は開発したマルチスケール解析手法で気泡クラウドの形成過程をシミュレートしたものである．実験と同様に円錐状の気泡クラウドが形成されている．

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Fig. 2 Formation of caviation cloud due to the backscattering of HIFU from a bubble interface.

Fig. 3 Numerical simulation of caviation cloud formation due to the backscattering of HIFU from a bubble interface.