集束超音波

集束超音波
HIFU を使用して体内の組織を破壊する方法を示した図。音響レンズを使用して、音を体内の小さな点に集中させます。音は組織の多くの層を伝わります。焦点ゲインにより、焦点にある組織のみが破壊されます。
その他の名前	磁気共鳴ガイド下集束超音波手術（MRgFUS）、集束超音波手術（FUS）、MRガイド下集束超音波アブレーション
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高密度焦点式超音波（HIFU）またはMR誘導焦点式超音波手術（MR誘導焦点式超音波アブレーション）は、非電離超音波を使用して組織を加熱または切除する切開のない治療技術^{[1]です。HIFUは、熱的および機械的メカニズムを介して}血液またはリンパの流れを増加させたり、腫瘍などの組織を破壊したりするために使用できます。超音波発生メカニズムの普及と比較的低コストを考慮すると、HIFUの前提は、少なくとも手術室での治療を上回る非侵襲的で低コストの治療法になると期待されていることです。

この技術は超音波画像診断で使用される技術とは異なりますが、必要な熱量を得るために、パルス波ではなく低周波と連続波が使用されます。ただし、熱的損傷ではなく機械的損傷が必要な場合は、パルス波も使用できます。周囲の組織を損傷することなく、対象組織に必要な強度を得るために、音響レンズがよく使用されます。理想的なパターン図は、太陽光の拡大鏡によるビーム集束です。拡大鏡の焦点だけが高温になります。

HIFU は、医療用超音波やMRIなどの他の画像技術と組み合わせて、治療のガイダンスとモニタリングを可能にします。

局所性前立腺がんに関する研究では、治療後、再発性前立腺がんの低リスクおよび中リスク患者では無増悪生存率が高いことが示されました。^[2] InsighTec ExAblate 2000は、FDAの市場承認を取得した最初のMRgFUSシステムです。^[3]米国特許5,247,935。

HIFU と他の形態の治療用超音波との境界については明確なコンセンサスがありません。特定の文献では、HIFU はアブレーションまたはキャビテーションによって組織を破壊するために必要な高レベルのエネルギーを指しますが、作業療法や理学療法などの低強度の用途を説明するために使用されることもあります。

いずれにしても、HIFUは切開を必要とせずに体の深部の組織を非侵襲的に加熱するために使用されます。^[1]主な用途は、高体温による組織の破壊、灌流の増加、理学療法です。筋骨格系疾患の治療における超音波の使用は、理学療法の現場でのもう1つの用途です。^[4]

HIFUの最初の応用例の1つは、 1940年代のパーキンソン病の治療でした。当時は効果がなかったものの、HIFUは病変を切除する能力を持っています。焦点式超音波システムは、本態性振戦^[5]、 神経障害性疼痛^[6]、パーキンソン病振戦^[7]の治療薬としてイスラエル、カナダ、イタリア、韓国、ロシアで承認されています。このアプローチにより、切開や放射線なしで脳を治療できます。2016年、米国食品医薬品局（FDA）は、本態性振戦の治療薬としてInsightecのExablateシステムを承認しました。^[8]その他の視床皮質性不整脈や精神疾患の治療薬としての研究が進められています。^[9]

HIFUは前立腺癌の治療に効果があるかもしれない。^{[10] [11] [12]}

HIFUは肝臓癌で研究されており、多くの研究で高い奏効率と良好な結果が報告されています。^[13] HIFUによる転移性肝臓癌の治療中に、局所領域から離れた場所で免疫反応が観察されています。^[14]

腸管内（経直腸）からのHIFUによる前立腺肥大症（良性前立腺肥大症）の治療は成功しなかったことが判明した。^{[15] [16]}

米国以外の国では、前立腺の内側、つまり前立腺尿道のカテーテルを介してHIFUが行われることもあります。2019年時点では証拠が不足しています。^[17]

イギリスでは、国立医療技術評価機構（NICE）が2018年にこの方法を「推奨されない」と分類した。^[18]

HIFU ビームは病変組織の小さな領域に正確に焦点を合わせ、局所的に高レベルのエネルギーを蓄積します。

• 集束超音波は、嚢胞や腫瘍（良性または悪性）を治療するために、非常に局所的な加熱を生成するために使用されることがあります。これは、磁気共鳴誘導集束超音波（MRgFUS）または高強度集束超音波（HIFU）として知られています。これらの手順では、通常、医療診断用超音波よりも低い周波数（0.7～2 MHz）を使用しますが、周波数が高いほど、集束エネルギーが低くなります。HIFU治療は、多くの場合、MRIによって誘導されます。
• 集束超音波は、砕石術によって腎臓結石を溶かすために使用されることがあります。
• 超音波は、水晶体乳化吸引術による白内障治療に使用されることがあります。

焦点の組織の温度は65～85℃に上昇し、凝固壊死によって病変組織を破壊します。組織が1秒以上60℃の閾値を超えると、このプロセスは不可逆的になります。^[19]各超音波処理（個々の超音波エネルギーの蓄積）は、標的組織の正確に定義された部分を治療します。治療対象全体は、複数の超音波処理を使用して水道水などの非圧縮性物質の体積を作成することで治療されます。^[20]

${\displaystyle {\mathit {CEM}}=\int _{t_{o}}^{t_{f}}R^{T_{\mathrm {reference} }-T}dt}$

積分は処理時間にわたって行われ、Rは43℃以上の温度では0.5、43℃～37℃の温度では0.25で、基準温度は43℃、時間Tは分単位です。このレポートに記載されている方程式と方法は、臨床結果を示すことを意図したものではなく、水道水のみの非圧縮性物質における熱量推定のアプローチにすぎません。^[21]

超音波音波はゴムや人体組織などの圧縮組織を伝搬することができず、超音波エネルギーは熱に変換されるため、焦点を絞ったビームを使用すると、組織の浅い深部（通常 2 ～ 3 ミリメートル程度）の非常に小さな領域を加熱できます。組織は、水を加熱する微妙な振動と、水の一部がこの熱レベルにさらされる時間（「熱量」と呼ばれる測定基準）の両方の関数として発生します。複数の場所に焦点を絞るか、焦点をスキャンすることで、体積を熱的にアブレーションできます。^{[22] [23] [24]} 43 °C で 120 ～ 240 分の熱量は、細胞タンパク質を凝固させ、不可逆的な組織破壊を引き起こします。

HIFUを癌に応用すると、腫瘍の微小環境を破壊して免疫反応を引き起こし、免疫療法の有効性を高める可能性があるという報告もある。 ^{[25] [26]}

音響強度が十分に高い場合、キャビテーション（超音波場と相互作用する微小気泡の形成）が発生する可能性があります。場内で生成された微小気泡は振動して成長し（整流拡散などの要因により）、最終的には内破する可能性があります（慣性キャビテーションまたは過渡キャビテーション）。慣性キャビテーションの間、気泡内部で非常に高い温度が発生し、希薄化段階での崩壊は衝撃波とジェットを伴い、組織に機械的損傷を与える可能性があります。^[27]

安定したキャビテーションはマイクロストリームを発生させ、細胞に高いせん断力を誘発してアポトーシスを引き起こします。さらに、音響力による水の蒸発によって生成された気泡は、低圧の音響場の下で振動します。強いストリームは細胞に損傷を与える可能性がありますが、対流熱損失によって組織の温度も低下させます。^[28]

超音波を集束させる方法はいくつかあります。レンズ（ポリスチレンレンズ、放物線トランスデューサー、フェーズドアレイなど）を使用します。特別な特許と非常に精密な技術がこの課題を解決します。これは、超音波減衰の指数モデルを使用して決定できます。超音波の強度プロファイルは、超音波の減少が組織を通過する距離の関数である指数関数的に減少する関数によって制限されます。

${\displaystyle I=I_{o}{e}^{-2\alpha \mathrm {z} }}$

${\displaystyle I_{o}}$はビームの初期強度、は減衰係数（長さの逆数の単位）、z は減衰媒体（たとえば組織）を通過する距離です。 ${\displaystyle \alpha}$

この理想的なモデルでは、^{[29]は超音波場から吸収される熱の}パワー密度の尺度です。これは、組織の加熱が強度に比例し、強度が超音波ビームが広がる面積に反比例することを示しています。したがって、ビームを鋭い点に集中させたり、ビームの強度を上げたりすると、焦点で急激な温度上昇が発生します。^[要出典]${\displaystyle {\frac {-\partial I}{\partial \mathrm {z} }}=2\alpha I=Q}$

超音波ビームは、次の方法で焦点を合わせることができます。

• 幾何学的には、例えばレンズや球状に湾曲したトランスデューサーを使用します。
• 電子的には、トランスデューサーの配列（「フェーズドアレイ」）内の要素の相対位相を調整することによって行われます。フェーズドアレイの要素への電子信号を動的に調整することで、ビームをさまざまな場所に誘導し、組織構造による超音波ビームの異常を補正することができます。^[要出典]これは、中間組織の反射、吸収、拡散がないことを前提としています。超音波自体は水などの非圧縮性物質を透過できますが、空気、ゴム、人体組織、脂肪、繊維、中空骨、筋膜などの圧縮性物質は超音波エネルギーを反射、吸収、拡散します。

ビーム照射は、ビームステアリングと画像誘導から構成される。ビームは、上層組織を無傷で通過し、2～3 mmのサイズ制限で局所領域に焦点を合わせる能力があり、これは超音波の臨床周波数によって決定される。アブレーション後、健康な組織と壊死組織の間に明確な境界が形成される（幅50ミクロン未満）。^[30]

最も一般的に使用されるトランスデューサーは、固定開口部と固定焦点距離を持つ凹面フォーカストランスデューサーです。^[30]フェーズドアレイトランスデューサーは、異なる配置（フラット/ボウル）で使用することもできます。^[30]

HIFU 療法は注意深いモニタリングを必要とするため、通常は他の画像診断技術と組み合わせて実施されます。

CTやMRIなどの術前画像診断は、通常、標的解剖学の一般的なパラメータを識別するために使用されます。一方、リアルタイム画像は、安全で正確な非侵襲的ターゲティングと治療モニタリングに必要です。MRIと医療用超音波画像はどちらもFUS治療のガイダンスに使用されています。これらの技術は、それぞれ磁気共鳴ガイド下集束超音波手術（MRgFUS）^{[31] [32]}と超音波ガイド下集束超音波手術（USgFUS）として知られています。^{[1] [33]} MRgFUSは、高い軟部組織のコントラストを特徴とし、温度に関する情報を提供する3D画像診断技術であるため、アブレーションのモニタリングが可能です。ただし、フレームレートが低いため、この技術はリアルタイム画像診断ではパフォーマンスが低く、コストが高いため使用には大きな制限があります。^[34]一方、USgFUSは2D画像化技術であり、これまで商業的に開発された温度に関する定量的な情報を提供するシステムはありませんが、高フレームレート（1秒あたり最大1000画像）、低コスト、健康への悪影響が最小限であるなど、いくつかの利点が活用されています。超音波が画像誘導に理想的なもう1つの理由は、治療と同じモダリティであるため、音響ウィンドウをリアルタイムで確認できることです。^[35]このことは、HIFU治療前および治療中に超音波画像化によってターゲット領域が視覚化されない場合、その特定の領域でHIFU治療が効果的である可能性は低いことを意味します。^[35]さらに、標準的なBモード画像で高エコーの変化を視覚的に検査することで、治療結果をリアルタイムで推定できます。^[36]