画像差分シュリーレン法による治療用超音波音場の可視化: シャーレ内の定在波音場の可視化

摘要

現在，超音波の治療応用として，通常は細胞内に入らない薬物や遺伝子を超音波照射によって細胞内に取り込ませるsonoporationが注目されている.培養細胞にsonoporationを行う際には，細胞と微小気泡を懸濁した培養液をシャーレに入れ，下方から連続超音波を照射する方法が多く用いられている．この際，シャーレ内部では様々な反射によって定在波が発生し，内部の超音波音場は非常に複雑になる．そこで本報告では，我々が提案する画像差分シュリーレン法を用いてシャーレのような小さな容器内の複雑な音場を可視化した結果について述べる.この手法は，簡易な光学系で超音波の瞬時昔場を可視化できる点で従来の方法よりも優れている.実験の結果，定在波音場像の輝度が進行波に比べて約2倍増加すること，また壁面の近傍では輝度の低下が生じることが示された.さらに，超音波の照射圧によって生じる水面の波立ちにより，定在波の腹の位置における振幅が大きく変化することが確認された.可視化画像の輝度と超音波圧力の関係には比較的良い線形性が確認されたことから，画像差分シェリーレン法は小容器内の複雑な音場の定量化に有用と考えられる．%Recently, there has been considerable interest in sonoporation, a technique to transduct drugs or genes into cells by ultrasound exposure. In typical studies of sonoporation using cultured cells, the cells and microbubbles are suspended in a culture dish with medium, and exposed to continuous ultrasound waves. In this situation, reflection of ultrasound at a medium-air interface and dish walls produces complex acoustic fields with various standing waves. In this study, the pressure fields of therapeutic ultrasound in a small chamber are visualized using a newly proposed technique called image-subtraction Schlieren. Observation results revealed that brightness of visualized fields is doubled in the presence of reflection and that brightness is decreased adjacent to the chamber wall. It was also confirmed that perturbation of water surface by acoustic streaming causes decrease in pressure amplitudes at antinodes. The linear relation found between brightness of the Schlieren images and acoustic pressure indicates the importance of the image-subtraction Schlieren technique for dosimetry of complex acoustic fields generated inside small chambers.