JP5647338B2 - 流体力学的キャビテーションを治療に利用するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体力学的キャビテーションを、腎臓結石の破壊又はがんになった細胞の抹殺などの治療に利用するための装置に関するものである。

医療のための支出は、多くの国の予算においてかなり大きな部分を占めており、多くの国では国内総生産（ＧＤＰ）の4％をかなり超えている。医療のための支出に割り当てられる莫大な予算は、健康を害している原発性疾患を解消するための治療手法を見いだすために、賢明に管理されるべきである。

流体力学的キャビテーションは、典型的には、局所的な静圧を、臨界値より低い状態に低下させることにより惹起される。多くのターボ機械における流体力学的キャビテーションの効果は、いくつかの記事及び種々の方面における標準的教科書に記載されているように、多数の研究者によって研究されている。あらゆる流体装置は、特定のキャビテーション流れの状態がみられる場合には、キャビテーションによって惹起される損傷作用の影響を受けることが多いということが知られている。大半の場合、流体力学的キャビテーションは望ましくない。なぜなら、流体力学的キャビテーションは、流体システムの性能を損ない、壊滅的な損傷及び流体流れの閉塞を生じさせ、騒音を生じさせ、かつ効率を低下させるからである。

キャビテーション流れの主な発生源としては、流体力学的発生源及び超音波発生源の２つが存在する。がん組織の超音波治療における超音波キャビテーションの利用は、種々の研究者によって研究されている。この技術は、がん治療において幅広く用いられている。これは、非侵襲性の治療であるが、所望の部位に治療を施すことについて、いくつかの困難に直面している。加熱・電気化学的方法と連携させる超音波キャビテーションは、費用のかかる方法であり、発泡性キャビテーションを生じさせてミクロンスケール又はナノメートルスケールの泡を生じさせるために、多大なエネルギの投入を必要とする。

特許文献１は、流体力学的キャビテーションを、所定の成分、とくに活性薬剤化合物を結晶化させるために利用する方法を開示している。特許文献１に開示された処理方法は、化合物の生成に用いられている。この方法は、薬剤化合物の結晶化を目標としており、マクロスケールのものに応用することができるものである。

特許文献２は、流体力学的キャビテーションを利用する歯科治療用の水洗浄器を開示している。引用文献２に開示された発明に係る方法は、歯の表面から歯垢を除去するのに用いられる。流体力学的キャビテーションは、水の中にラジカル及びイオンを生成して歯に関する疾病を取り除くために利用される。

特許文献３は、流体力学的キャビテーションを利用して液体中にミクロンスケールの泡を生成する装置及び方法を開示している。特許文献３に記載された発明に係る方法は、鉱物の回収、汚染された地下水の浄化及び廃水の処理などに用いられる。この方法は、一般的には対象物の浄化ないしは精製に用いられる。

米国特許出願公開第２００８／０１９４８６８号明細書 米国特許出願公開第１９９９／５８６０９４２号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１９４８６８号明細書

本発明の目的は、流体力学的キャビテーションを治療に利用するための費用効率の高い装置を実現することである。本発明のもう１つの目的は、流体力学的キャビテーションを治療に利用するためのエネルギ効率の高い装置を実現することである。

本発明の目的を達成するための、流体力学的キャビテーションを治療に利用する装置は、添付の図面に記載されている。なお、図面中の各構成要素の符号の説明は、後記のとおりである。

図１は、本発明に係る装置の模式図である。

流体力学的キャビテーション（hydrodynamic cavitation）を治療に利用するための装置１は、下記の各構成要素を備えている。
流体の容器として用いられるタンク２。
タンク２に接続され、流体の入口圧力（input pressure）を維持するための圧縮器３。
その内部を上記流体が流れる管４（tubing）。
その内部でキャビテーションが起こる探針５（probe）。
管４の内部に配置され、流体が探針５内に流入することを可能にするバルブ６。
管４の内部に配置され、あらかじめ決定された寸法（size）の粒子が探針５内に流入するのを防止するフィルタ７。
探針５を管４に接続する接続具８（fitting）。
探針５内を流れる流体の体積流量（volume flow rate）を測定する流量計９（flowmeter）。
泡Ｂ（bubbles）が探針５を出た後に、順次の一連の（sequential）泡Ｂの成長及び泡Ｂの崩壊の画像を取り込む画像取込ユニット１０（image capturing unit）。
探針５と目標表面ＴＳ（target surface）との間の距離を調整する（adjust）位置決め組立体１１（positioning assembly）。
制御・データ取得ユニット１２（control and data acquisition unit）。

探針５は、該探針５の２つの端部間を伸びる通路１３（channel）を備えている。この通路１３は、流体が接続具８を通り抜けて該通路１３に流入する入口側領域１４（inlet region）と、キャビテーションの結果として形成された泡Ｂが、該通路１３から出て、目標表面ＴＳに接触させられる出口側領域１５（exist region）とを有している。

本発明の好ましい実施形態においては、通路１３は、ミクロンスケール（micro scaled）又はナノメータスケール（nano scaled）のものである。

本発明の好ましい実施形態においては、ミクロンスケール又はナノメータスケールの通路１３は、０．５〜２５０μｍの直径を有している。ミクロンサイズ（micro size）又はナノメータサイズ（nano size）の内直径を有する通路１３は標準の（standard）外直径を有し、これにより通路１３は標準の（standard）接続具８を用いて管４に接続することができるようになっている。ミクロンスケール又はナノメータスケールの通路１３の形成は、収束イオンビーム法（Focused Ion Beam method）又は電子放射法（Electron Discharge method: ＥＤＭ）により、ミクロンサイズ又はナノメータサイズの穴（９００ｎｍ〜１５０μｍ）を穿孔すること（drilling）により行われる。その結果得られるミクロンサイズ又はナノメータサイズの内直径を有する探針５の一方の端部は、小型の接続具８でもって管４と一体的に結合され（integrated）、これにより他方の端部は、ミクロンスケール又はナノメータスケールの発泡性キャビテーション（bubbly cavitation）と接触すべき目標表面ＴＳに目標が定められる。ミクロンスケール又はナノメータスケールの探針５を製作した後、通路１３はナノ流体（nanofluid）で満たされる。本発明の好ましい実施形態においては、銅又は鉄を主体とするナノ流体（copper or iron based nanofluid）が用いられる。探針５はジュール加熱され（joule heated）、これによりナノ流体は蒸発（evaporate）ないしは気化することができる。この蒸発の結果、銅又は鉄のナノ粒子（copper or iron nanoparticles）は、ナノ流体内に懸濁し（suspended）、通路１３の内壁に堆積する（deposit）。その結果生じるナノメータスケール又はミクロンスケールの通路１３の壁面上のナノ構造（nanostructure）はキャビテーションの生成を促進するが、ミクロンサイズ又はナノメータサイズの泡Ｂの生成には入口側圧力（inlet pressure）が低いことが必要とされる。この堆積の後、探針５は、エタノール水溶液（ethanol solution）で洗浄される。これらのナメータ構造でもってキャビテーションが促進され、ナノメータサイズ又はミクロンサイズの泡Ｂは、多孔性のナノメータ構造の通路１３の壁部に出現する。

位置決め組立体１１は、管４の一方の端部に固定された細長部材１６（strip）と、細長部材１６と当接する加熱器１７と、加熱器１７に必要な電力を供給する電力供給部１８（power supply）とを有している。

本発明の好ましい実施形態においては、細長部材１６は、その２つの端部で固定されるとともに、探針５に接続された管４と当接するように構成されたＴ字形のシリコン製のストリップ（silicon strip）である。加熱器１７は、細長部材１６のシリコン層に配置されている。電力供給部１８は、加熱器１７に、必要な電力を供給する。電力供給部１８から加熱器１７に電力が供給されたときに、シリコン製の細長部材１６は、温度上昇に伴う熱膨張に起因して曲がる。これに伴って、ストリップ１６は管４を目標表面ＴＳに向かって押し出すことになり、これにより探針５と目標表面ＴＳとの間の距離を調整することができる。加熱器１７は、細長部材１６の表面温度を測定し、細長部材１６の表面温度のデータを含む信号を制御・データ取得ユニット１２に伝達する。

制御・データ取得ユニット１２は、画像取込ユニット１０と加熱器１７と電力供給部１８とに接続されている。制御・データ取得ユニット１２は、画像取込ユニット１０から画像データを受け取り、目標表面ＴＳに有効な損傷（effective damage）を生じさせるために、探針５と目標表面ＴＳとの間に必要とされる最適（optimal）ないしは適切な距離を決定する。制御・データ取得ユニット１２は、加熱器１７からストリップ１６の表面温度のデータを受け取る。この画像データに基づいて、制御・データ取得ユニット１２は、上記の最適な距離を決定し、電力供給部１８を起動する。電力供給部１８が起動された後、制御・データ取得ユニット１２は、加熱器１７から送られてきて入力される温度を用いて、上記のように決定された探針５と目標表面ＴＳとの間の最適な距離を調整するように細長部材１６の曲がり（bending）を制御する。

装置１が起動されたときに、圧縮器３は、タンク２内の流体を、あらかじめ設定された圧力に調整する。この後、バルブ６が開かれ、タンク２内の流体は、管４内に流入しはじめる。この流体は、通路１３内に流入する前に、フィルタ７によってろ過され、あらかじめ設定された寸法を有する望ましくない対象物が除去される。かくして、流体中の大きい粒子による通路１３の閉塞が防止される。流体は、通路１３内に流入した後、通路１３内を流通し、このとき流体に急激かつ突然の圧力低下が生じる。その結果、流体の局所的な静圧が低下する。流体の圧力が所定の状態のもとである臨界値（certain critical value）まで低下すると、流体内で泡Ｂの形成が始まり、これらの泡Ｂは通路１３の壁部に出現する。通路１３の出口領域１５では、発泡性キャビテーションが発生する。この後、泡Ｂは、通路１３を出て、目標表面ＴＳに衝突する。泡Ｂが通路１３内にあるときに、泡Ｂの寸法と、探針５と目標表面ＴＳとの間の距離とを制御するために、画像取込ユニット１０によって泡Ｂの画像が取り込まれる。取り込まれた画像のデータは、制御・データ取得ユニット１２に送られる。そして、制御・データ取得ユニット１２は、受け取った画像データを用いて、目標表面ＴＳを破壊するための、探針５と目標表面ＴＳとの間の最も有効な距離を決定する。探針５と目標表面ＴＳとの間の距離が互いに十分に接近していない場合、制御・データ取得ユニット１２は電力供給部１８を起動し、これにより加熱器１７は、細長部材１６のシリコン層を加熱し始める。シリコン製の細長部材１６の温度が上昇すると、細長部材１６は曲りはじめ、その結果管４と、該管４に接続された探針５とが移動する。加熱器１７が動作しているときに、加熱器１７によって温度データが制御・データ取得ユニット１２に送られる。そして、制御・データ取得ユニット１２は、画像取込ユニット１０から取得したフィードバック（画像データ）に基づいて、入力された温度データを用いて細長部材１６の曲り量（amount of bending）を制御し、目標表面ＴＳと探針５との間の距離を、効果的な破壊（destroying）が生じるように調整する。

流体力学的な発泡性キャビテーションによって生じた泡Ｂは、所定の部位に位置合わせされた後は、目標表面に対して非常に破壊的な作用を及ぼす。このような理由により、これらの泡Ｂは、腎臓結石の破壊又はがんにかかった細胞（infected cancerous cells）の抹殺（killing）などといった種々の治療に利用される。

本発明の好ましい実施形態においては、装置１に用いられる流体は、脱イオン水、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）等である。脱イオン水は、腎臓結石の治療に用いられ、この場合環境（environment）はこの流体と適合する（compatible）。また、がん細胞の抹殺には、流体として、細胞培養（cell cultures）に適合する液体であるＰＢＳを用いるべきである。

本発明の好ましい実施形態においては、画像取込ユニット１０は電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラである。

本発明は、この明細書及び図面において詳細に説明されているが、これらの説明は単に具体例を例示するだけであり、本発明を限定するものではなく、本発明の思想及び範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるということが理解されるべきである。

１ 流体力学的キャビテーションを治療に利用するための装置、２ タンク、３ 圧縮器、４ 管、５ 探針、６ バルブ、７ フィルタ、８ 接続具、９ 流量計、１０ 画像取込ユニット、１１ 位置決め組立体、１２制御・データ取得ユニット、１３ 通路、１４ 入口側領域、１５ 出口側領域、１６ 細長部材、１７ 加熱器、１８ 電力供給部、Ｂ 泡、ＴＳ 目標表面。

Claims (5)

1. 流体力学的キャビテーションを治療に利用するための装置であって、
   流体の容器として用いられるタンクと、
   上記タンクに接続され、上記流体の入口側圧力を維持する圧縮器と、
   その内部を上記流体が流れる管と、
   その内部でキャビテーションが起こる探針と、
   上記管の内部に配置され、上記流体が上記探針内に流入することを可能にするバルブと、
   上記管の内部に配置され、あらかじめ決定された寸法の粒子が上記探針内に流入することを防止するフィルタと、
   上記探針を上記管に接続する接続具と、
   上記探針内を流れる上記流体の体積流量を測定する流量計と、
   泡が上記探針を出た後に、順次の一連の泡の成長及び泡の崩壊の画像を取り込む画像取込ユニットと、
   上記管の一方の端部に固定された細長部材と、上記細長部材と当接する加熱器と、上記加熱器に必要な電力を供給する電力供給部とを有し、上記探針と目標表面との間の距離を調整する位置決め組立体と、
   上記画像取込ユニットと上記加熱器と上記電力供給部とに接続された制御・データ取得ユニットとを備えていて、
   上記制御・データ取得ユニットは、上記画像取込ユニットから画像データを受け取り上記目標表面に有効な損傷を生じさせるために上記探針と上記目標表面との間に必要とされる適切な距離を決定し、上記加熱器から上記細長部材の表面の温度データを受け取り、上記温度データを用いて上記細長部材の曲り量を制御し、上記画像取込ユニットから取得された画像データに従って上記目標表面と上記探針との間の有効破壊距離を調整することを特徴とする装置。
2. 上記探針が、該探針の２つの端部の間を伸びる通路を備えていて、
   上記通路が、
   上記流体が上記接続具を通り抜けて該通路に流入する入口側領域と、
   キャビテーションの結果として形成された泡が、該通路から出て、上記目標表面に接触させられる出口側領域とを有していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 上記通路がミクロンスケール又はナノメータスケールのものであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 上記探針は、収束イオンビーム法又は電子放射法（ＥＤＭ）により、上記通路をなすミクロンサイズ又はナノメータサイズの穴が穿孔されたものであることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 上記細長部材は、Ｔ字形のシリコン製のストリップであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置。

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