立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

自律的に駆動するパッチ型超音波振動子を用いた感染防止システムの開発
Development of an anti- infection system using a patch- type autonomously- driven ultrasound transducer
2201019

研究代表者

産業技術総合研究所
健康医工学研究部門

主任研究員

新田

尚

隆

共同研究者

産業技術総合研究所
健康医工学研究部門

主任研究員

三澤

雅

樹

したパッチ型振動子を用いて，ROS の生成が[研 究 の 目 的］増強されること (有効性)，カフ部周囲の正常体内留置カテーテル等の皮膚出口部での汚染組織に有害な温度上昇が生じないこと (安全による細菌感染は院内感染の主な原因となって性) を検証し，自律的に超音波出力を調整するいるが，依然として，医療従事者及び患者自身方法を検討した。

による適切な処置が最良の防止策となっている[研究の内容，成果］のが実情である。そのため，ヒューマンエラーによる感染を回避しつつ効果的な滅菌を行う技

1．パッチ型振動子の試作術の創出が課題となっている。
我々はこれまでに，酸化チタン (TiO 2) に

図 1(a) は，試作したパッチ型振動子 (500

超音波を照射すると滅菌を促す活性酸素種

kHz，45 mm 径，4 mm 厚) の 写 真，図 1 (b)(ROS) の 生 成 が 増 強 さ れ る 効 果 を 利 用 し，TiO 2 で被覆されたカフ基材に対して凹面振動子を用いて集束超音波を照射することによりROS の生成を促す感染防止システムを開発してきた。集束超音波では，必要なエネルギーがカフ基材部のみに供給され，周囲の正常組織が不必要に曝露されない利点がある。しかし，凹面の皮膚密着には水袋等が必要であり，繁忙な看護等の現場では不便となる課題があった。またヒューマンエラーの回避も未解決であった。
そこで本研究では，これらの課題を解決するべく，皮膚に直接貼付できるパッチ型振動子を用いて利便性を向上させ，人の調整によらず人間の特性に合わせて，滅菌効果を最大化するよ
うに自律的に超音波出力を調整する感染防止システムの開発を目的とした。そのために，試作
― 1 ―

図1

パッチ型振動子と出力

立石科学技術振興財団

は，連続波 (CW) の印加電圧に対する音響総超 音 波 照 射 も 行 わ な い (US-TiO2−) 群，出力を測定した結果である。1, 2, 3 W に対す

TiO 2 粒子を含み超音波照射を行わない (US-る単位面積あたりの音響出力は，それぞれ 63,TiO2+) 群，TiO 2 粒子を含まず超音波照射を126, 189 mW/cm 2に相当していた。

行う (US+TiO2−) 群を対照群として比較した。

2．実験(1) 音響総出力と吸光度との関係：

2. 1

ROS を生成するのに十分な音響総出力を決ROS 生成増強の評価 (有効性)構築した ROS 生成評価システムを図 2 に示定するために，30 mg の TiO 2粒子重量と 15 分す。メチレンブルー原液 (MB) を超純水で希間の照射時間の下で，1, 2, 3 W の音響総出力釈した溶液 15 mL にアナターゼ型 TiO 2 粒子に対する吸光度を測定した。

(平均粒径 250 nm) を混ぜた懸濁液 (25℃) を超音波照射を行わない群 (0 W) の吸光度

ポリスチレンカップに入れ，その底部にパッチを 基 準 と し て，(US+TiO2−) 群 と (US+型振動子を配置し，ファンクションジェネレー

TiO2+) 群における吸光度低下の割合 (低下

タ (FG) と パ ワ ー ア ン プ (Amp.) を 用 い て率) を比較した結果，(US+TiO2−) 群での低500 kHz の CW により超音波照射を行った。超下率は 1 W で 10%，2 W で 39%，3 W で 54%

音波照射後の懸濁液に対して 4000 rpm で 5 分

で あ っ た の に 対 し，(US+TiO2+) 群 で は 1間の遠心分離を行って上澄み液を取出し，再度W で 15%，2 W で 40%，3 W で 55% であった。

遠心分離を行う処理を 4 回繰り返すことで，この低下率が大きいほど ROS 生成量が多いこTiO 2粒子を取り除いた。分光光度計を用いて，とを意味している。すなわち，両群とも音響総TiO 2 粒子を除去した後の MB 希釈溶液の吸光出力の増加に伴い低下率も大きくなり，1 W でスペクトルがピークを示す波長 665 nm での吸は (US+TiO2+) 群の方が多く，2 W と 3 W

光度変化を測定することにより ROS 生成を評でも (US+TiO2+) 群の方がわずかに多い結価した。

果となった。超音波の生体作用を考慮すると低照射条件等に対する ROS 生成のデータベース化と，最適条件の探索のために，(1) 音響総強度の超音波照射が望ましく，ここでは 1 Wを選定した。

出力，(2) MB 希釈溶液 15 mL に混ぜる TiO 2(2) TiO 2粒子重量と吸光度との関係：

粒子の重量，(3) 照射時間をそれぞれ段階的にROS を生成するのに十分な TiO 2粒子の重量変化させて，吸光度との関係を調査した。また， を決定するために，1 W の音響総出力と 15 分TiO 2 粒 子 を 含 む 懸 濁 液 に 超 音 波 照 射 を 行 う

間の照射時間の下で，0〜30 mg の TiO 2粒子の(US+TiO2+) 群に対し，TiO 2 粒子を含まず重量に対する吸光度を測定した。
TiO 2 粒子を含まない群 (0 mg) の吸光度を基準として，(US+TiO2+) 群における吸光度の低下率を比較した結果，5 mg のとき 4 %，10 mg のとき 8 %，15 mg のとき 3 %，20 mgのとき 7 %，25 mg のとき 3 %，30 mg のとき4 % となった。この範囲の TiO 2 粒子重量と吸光度との間には有意差がなく，5 mg で ROS 生成が既に飽和していた可能性が考えられた。しかしながらここでは，この範囲で最大の低下率

図2ROS 生成評価システムを示した 10 mg の TiO 2粒子重量を選定した。
― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation(3) 照射時間と吸光度との関係：

ROS を生成するのに十分な照射時間を決定するために，上記で最適化した 1 W の音響総出力と 10 mg の TiO 2 粒子重量の条件下で，5,10, 15 分間の照射時間に対する吸光度を測定した。
その結果，照射時間の増加とともに，吸光度の低下率が大きくなる傾向が得られた。ただし，照射時間 5 分では (US+TiO2−) 群と (US+TiO2+) 群に有意差はなかったが，照射時間15 分では (US+TiO2−) 群と (US+TiO2+)
群に有意差が認められ (p<0.01)，より長い照

図4

温度上昇測定システム

図5振動子開口部の温度上昇

射時間において，TiO 2 粒子の存在による ROS生成増強の効果が顕著であった。
以上の結果から，本研究において調査した範囲においては，音響総出力 1 W，TiO 2 粒子重量 10 mg/15 mL，照射時間 15 分のときに最も吸光度が低下する結果となった。そのときの結果 を 図 3 に 示 す (N=16)。(US+TiO2+) 群の吸光度は，他の対照群と比較して有意に低下していることが分かる。すなわち，パッチ型振(N=4)

動子を用いた場合でも TiO 2 粒子との併存下において，十分な ROS 生成の増強が予測された。

厚さ 1.5 mm のシリコンゴムシートを生体模擬材料の上部に設置し，シリコンゴムシートとパッチ型振動子との間に薄膜熱電対を挟み込んだ。生体模擬材料の底部には厚さ 10 mm の吸音材を設置した。シリコンゴムシートと生体模擬材料，シリコンゴムシートとパッチ型振動子の各境界は，超音波ゼリーを塗布して音響的に結合した。さらに，TiO 2 粒子の存在が温度上図32. 2

昇に与える影響を調査するため，パッチ型振動照射時間に対する吸光度の変化

子直下のシリコンゴムシートと生体模擬材料との界面にある直径 5 mm の円形領域に，10 mg

温度上昇の測定 (安全性)

カフ周囲の正常組織への不必要な超音波照射の重量に相当する TiO 2 粒子を分布させた。音による有害な温度上昇の可能性について，温度

響総出力を 1 W に設定し，15 分間の照射時間上昇測定システム (図 4) を用いた検証を行っに対する温度上昇を測定した。

た。パッチ型振動子開口部における温度上昇の温度上昇の測定結果を図 5 に示す (N=4)。

測定は，生体模擬材料と薄膜熱電対を用い，TiO 2 粒子の有無による温度上昇に有意差はな

IEC 60601-2-37 に準拠して行われた。

く，ともに温度上昇は 4℃程度に抑えられるこ― 3 ―立石科学技術振興財団とが分かった。IEC 規格では，診断用超音波プローブの表面で許容される温度上昇を 6℃以内としているが，本研究で最適化された条件下での温度上昇はいずれも 6℃を下回っており，正常組織への不必要な超音波照射により有害な温度上昇が生じる可能性は低いと考えられた。
2. 3

自律的な超音波出力の調整

振動子表面から強度 I 0 で照射された超音波は，生体の音響的減衰特性や振動子と皮膚との接触状態の影響を受けて指数関数的に減少し，深さzにおける強度はI  z =I 0 e 2となる (α：減衰定数)。照射対象となるカフ部の深さは既知であると見なせるが減衰定数は未知であり，個人差や接触状態によってカフ部に到達する音響強度が変わり得る。すなわちカフ部に到達す

図6

る強度を一定にしないと滅菌効果が最大化され出力調整による深部到達強度の均一化ない。原理的には，減衰が大きいときは印加電に得られたエコー輝度から対応表により印可電圧を大きく，減衰が小さいときは印加電圧を小圧の倍率を求め，ROS 生成用の超音波照射にさくすればよいが，前述のように減衰定数は未おける印可電圧の設定にフィードバックするシ知であり，人による試行錯誤的な調整はヒューステム構成とすることで，自律的な超音波出力マンエラーを引き起こすため，自律的に印可電の調整が可能になると思われる。

圧を決定して超音波出力が調整できればよい。

図 6(a) のôAfter adjustmentþは，調整前

このため，本研究では，ROS 発生のための超のエコー輝度に基づき，対応表から得られた印音波照射を行う前に，超音波プローブを用いて可電圧の倍率で改めてエコーを取得したときの取得したエコー情報をもとに，カフが存在する結果を示す。散乱減衰が大きいときはより大き深部への超音波到達強度を一定にするための基な印可電圧が加えられ，エコー輝度が調整前よ礎検討を行った。

りも大きくなっているが，深さ 10 mm での到図 6 (a) は，散 乱 体 濃 度 を 0.04, 0.26, 0.52,達強度は，図 6(b) 黒丸に示すように，散乱体1.04, 1.73, 2.59, 3.45, 3.88% の 8 通りに変えた減濃度つまり散乱減衰によらず均一化されている

衰ファントムに対し，駆動信号のレベルとタイことが分かる。

ミングを調整するソフトウェアを用いて取得したエコー像の例を示す。右のôBefore adjust-[今後の研究の方向，課題］

mentþは印可電圧を調整する前のエコー像であり，散乱体濃度が高いほど輝度が高く，つまパッチ型振動子と TiO 2粒子との併用により，り散乱減衰が大きく，深さ 10 mm に到達する

有害な温度上昇を抑制しつつ ROS 生成の十分強度が低くなることを示している (図 6(b) 白な増強が実証された。また，エコー情報に基づ丸参照)。この到達強度を均一化するために，き，自律的な超音波出調整の実現可能性が示さ

まず散乱体濃度に応じたエコー輝度と，到達強れた。今後は，実際の菌に際する抗感染効果を度を 0.04% に合わせて均一化するための印可確認してゆく必要がある。

電圧の倍率との対応表を作成する。次に，個々― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

on effectiveness of anti-infective system using a[成果の発表，論文等］[1]

冨永真由，賀谷彰夫，新田尚隆．超音波触媒活性を用いた感染防止システムにおける活性酸素種生成の最適化に関する検討．第 59 回日本生体医工学会大会抄録集，p. 254，2020.
[2]

M. Tominaga, A. Kaya, Y. Ohta, N. Nitta. Study― 5 ―planar transducer irradiating low-intensity ultrasound to titanium dioxide particles. Jpn J Appl Phys
59, SK, SKKE18, 2020.
[ 3 ] 新田尚隆．パッチ型振動子を用いた抗感染シス
テ ム の 開 発．超 音 波 TECHNO，日 本 工 業 出 版，
Vol. 33, No. 4, 2021. (出版中)