磁性マイクロおよびナノ粒子で濃縮された組織ファントムにおける音エネルギーの熱への変換の超音波評価

Ultrasound assessment of the conversion of sound energy into heat in tissue phantoms enriched with magnetic micro- and nanoparticles.

• Barbara Gambin
• Eleonora Kruglenko
• Ryszard Tymkiewicz
• Jerzy Litniewski

抄録

目的:

今日では、超音波温熱療法の改善は、加熱効率を高めるために、超音波媒体に硬い粒子を添加することによって達成されることが多い。超音波加熱の現象を説明するには、サイズや物理的性質の異なる粒子を濃縮した組織模倣材料（TMM）を用いた試験が必要である。私たちの目標は、磁性マイクロ粒子やナノ粒子を用いたTMMがより多くの超音波エネルギーを熱に変換するか、寒天ゲルに埋め込まれた粒子がより効果的な熱超音波増感剤として作用するかを、定量的な音響特性を比較することで明らかにすることでした。

PURPOSE: Nowadays, the improvement of ultrasonic hyperthermia therapy is often achieved by adding hard particles to the sonicated medium in order to increase the heating efficiency. The explanation of the phenomenon of ultrasonic heating still requires testing on tissue mimicking materials (TMMs), enriched with particles of different sizes and physical properties. Our goal was to determine, by comparing their quantitative acoustic properties, which TMMs, with magnetic micro- or nanoparticles, convert more ultrasonic energy into heat or which of the particles embedded in the agar gel act as more effective thermal sonosensitizers.

方法:

磁性マイクロ粒子またはナノ粒子を８および１６ｍｇ／ｍｌの２つの割合で添加した純粋な寒天ゲルおよび寒天ゲルを製造した。超音波定量法、広帯域反射置換法、および後方散乱スペクトル分析を用いて、音速（ＳＯＳ）、周波数依存性減衰、および後方散乱係数によって試料を特徴付けた。また、統合後方散乱係数も計算した。マイクロ粒子およびナノ粒子を用いたファントムにおける超音波の定量的なパラメータ、散乱、および減衰係数を推定した。試料中の超音波の減衰と散乱に基づいて、加熱効率を決定する超音波エネルギー吸収率を評価した。さらに、超音波ビームによる超音波ファントムの超音波化中の温度上昇を熱電対を用いて直接測定した。

METHODS: We manufactured a pure agar gel and an agar gel with the addition of magnetic micro- or nanoparticles in two proportions of 8 and 16 mg/ml. Ultrasound quantitative techniques, the broadband reflection substitution technique and backscattered spectrum analysis were used to characterize the samples by speed of sound (SOS), frequency-dependent attenuation, and backscattering coefficients. The integrated backscattering coefficients were also calculated. The quantitative parameters, scattering, and attenuation coefficients of ultrasound in phantoms with micro- and nanoparticles were estimated. Based on the attenuation and scattering of ultrasound in the samples, the ultrasonic energy absorption, which determines the heating efficiency, was evaluated. Additionally, the temperature increase during sonication of the phantoms by an ultrasonic beam was directly measured using thermocouples.

結果:

ナノ粒子を有する材料の密度は、同じ粒子分率の微粒子を有する材料よりも高かった。すべての材料のSOSは1489〜1499m/sであった。全周波数範囲（3～8MHz）での減衰は、ナノ粒子を含む材料の方が微粒子を含む材料よりも高かった。粒子の含有量が少ない（8mg/ml）材料では、減衰係数は0.2dB/(MHzcm)であった。また、ナノ粒子の含有量が16mg/mlの場合は0.66、微粒子の含有量が16mg/mlの場合は0.45dB/(MHz cm)の減衰係数であった。全周波数領域における後方散乱係数の値は、ナノ粒子を含む材料よりも微粒子を含む材料の方が大きかった。積分後方散乱係数の値は、ナノ粒子を含む材料では0.05及び0.081/m、微粒子を含む材料では0.46及び0.821/mであり、濃度が8及び16mg/mlの材料ではそれぞれ0.46及び0.821/mであった。超音波加熱による最初の3秒間の温度上昇率は、ナノ粒子を含む材料の方が微粒子を含む材料よりも高かった。

RESULTS: The density of the materials with nanoparticles was higher than for the materials with microparticles with the same fractions of particles. The SOS for all materials ranged from 1489 to 1499 m/s. The attenuation in the whole frequency range (3-8 MHz) was higher for the materials with nanoparticles than for the materials with microparticles. For the materials with the lower content (8 mg/ml) of particles, the attenuation coefficient was 0.2 dB/(MHz cm). For the 16 mg/ml concentration of nanoparticles and microparticles, the attenuation coefficients were 0.66 and 0.45 dB/(MHz cm), respectively. The value of backscattering coefficient in the whole frequency range was greater for the materials with microparticles than for the materials with nanoparticles. The values of the integrated backscattering coefficient were 0.05 and 0.08 1/m for the materials with nanoparticles and 0.46 and 0.82 1/m for the materials with microparticles and concentrations of 8 and 16 mg/ml, respectively. The rates of temperature increase in the first 3 s due to ultrasonic heating were higher for the materials with nanoparticles than for the materials with microparticles.

結論:

音響測定に基づいて、すべての材料の特性が軟部組織の特性の範囲内であることから、超音波超温熱の研究における組織ファントムとして使用できることを確認しました。その結果、ナノ粒子を添加した材料は、微粒子を添加した材料に比べて超音波の減衰が大きく、散乱が小さいため、これらの材料での吸収が大きくなることがわかりました。このように、ナノ粒子を添加したTMMは、より多くの音響エネルギーを熱に変換することから、磁性ナノ粒子は、マイクロ粒子よりも効果的な熱超音波増感剤であると結論づけています。この結論は、超音波化の対象となるサンプルの温度上昇を直接測定することによって確認された。

CONCLUSIONS: Based on acoustical measurements, we confirmed that all materials can be used as tissue phantoms in the study of ultrasonic hyperthermia, as their properties were in the range of soft tissue properties. We found that the nanoparticle-doped materials had greater attenuation and smaller scattering of ultrasound than the materials with microparticles, so absorption in these materials is greater. Thus, the TMMs with nanoparticles convert more acoustic energy into heat and we conclude that magnetic nanoparticles are more effective thermal sonosensitizers than microparticles. This conclusion is confirmed by direct measurement of the temperature increase in the samples subjected to sonification.

© 2019 American Association of Physicists in Medicine.