ずり 弾 性 とは 体 積 弾 性 ずり 弾 性 体 積 を 変 えないような ずり 変 形 を 繰 り 返 しながら 伝 わっていく 弾 性 波 ずり 弾 性 波 ずり 弾 性 波 は 個 体 中 を 伝 わる 振 動 波 ( 体 積 弾 性 波 ずり 弾 性 波 の2つがある)の1つで 地 震

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1 生 体 組 織 の 硬 さを 映 像 化 する 実 時 間 ずり 弾 性 波 映 像 法 群 馬 大 学 大 学 院 理 工 学 府 電 子 情 報 部 門 教 授 山 越 芳 樹 1

2 ずり 弾 性 とは 体 積 弾 性 ずり 弾 性 体 積 を 変 えないような ずり 変 形 を 繰 り 返 しながら 伝 わっていく 弾 性 波 ずり 弾 性 波 ずり 弾 性 波 は 個 体 中 を 伝 わる 振 動 波 ( 体 積 弾 性 波 ずり 弾 性 波 の2つがある)の1つで 地 震 のS 波 に 相 当 ( 地 震 のP 波 が 体 積 弾 性 波 に 相 当 )

3 ずり 弾 性 波 (せん 断 波 :Shear wave)の 特 徴 伝 搬 速 度 ( 組 織 の 硬 さに 大 きく 依 存 ) 生 体 組 織 では 大 体 1m/sから 数 10m/s 組 織 を 触 った 時 の 硬 さに 関 連 伝 搬 速 度 の 目 安 : プリン:1~2m/s 程 度 コンニャク:3~5m/s 程 度 プラスチック 消 しゴム: 数 m/s ~10m/s 生 体 の 硬 さの 映 像 化 のためのパ ラメータとしてずり 弾 性 波 (せん 断 波 )の 伝 搬 速 度 は 適 する 肝 線 維 化 のずり 弾 性 波 による 評 価 ( 弾 性 率 の 平 方 根 が 伝 搬 速 度 に 比 例 ) L. Castera, J. Vergniol, J. Foucher, B. Le Bail, E. Chanteloup, M. Haaser et al. Gastroenterology, 128 (2005), 343.

4 超 音 波 による 生 体 組 織 の 弾 性 評 価 ( 製 品 化 例 ) 各 社 製 品 パンフレットより Siemens Virtual Touch Tissue Imaging Virtual Touch Tissue Quantification Virtual Touch Technologies ストレイン 法 (ストレインエラストグラフィ) ( 静 圧 印 加 時 の 歪 を 測 定 ) 定 量 性 に 劣 る 臓 器 の 動 きを ずり 弾 性 波 源 として 使 う 音 響 放 射 圧 法 (ARFI* 法 ) 高 フレームレートの 超 音 波 映 像 装 置 が 必 要 (シス テム 価 格 の 上 昇 ) 骨 での 温 度 上 昇 に 懸 念 *ARFI (Acoustic Radiation Force Impulse) トランジェント 法 (トランジェントエラストグラフィ) 低 周 波 振 動 を 用 いる 映 像 化 技 術 ではない MR Elastography

5 従 来 技 術 の 課 題 生 体 組 織 の 硬 さの 映 像 化 技 術 は 癌 や 腫 瘍 等 の 診 断 におけるツール 従 来 法 では 定 量 性 システム 価 格 生 体 へ の 安 全 性 に 課 題 定 量 性 価 格 実 時 間 性 生 体 への 安 全 性 を 有 する 新 たな 映 像 技 術 が 求 められる 5

6 新 技 術 の 特 徴 従 来 技 術 との 比 較 超 音 波 カラーフロー 画 像 で 使 われる 信 号 処 理 の 特 徴 に 着 目 汎 用 の 超 音 波 エコー 装 置 がせん 断 波 (ずり 弾 性 波 )の 映 像 化 にそのまま 使 える 実 時 間 で 画 像 が 得 られる 定 量 性 を 有 し 物 理 的 意 味 が 明 確 な 画 像 が 複 数 得 られる 6

7 映 像 法 の 基 本 アイディア カラーフロー 画 像 (CFI) 生 体 表 面 にせん 断 波 (ずり 弾 性 波 )を 励 起 超 音 波 プローブ ずり 弾 性 波 加 振 器 低 周 波 振 動 軟 組 織 連 続 的 なせん 断 波 が 生 体 内 部 を 伝 播 せん 断 波 の 振 幅 条 件 周 波 数 条 件 を 満 たすと カラーフロー 画 像 (CFI) 上 にせん 断 波 の 波 面 が 生 成 される ずり 弾 性 波 の 伝 播 フーリエ 変 換 と 波 数 推 定 により 伝 播 速 度 マップと 伝 播 方 向 マッ プを 得 る

8 機 械 加 振 映 像 法 の 基 本 原 理 (I) Power amplifier O.S.C. Control PC 超 音 波 映 像 装 置 の カラーフロー 画 像 (CFI) システム 超 音 波 プローブ ずり 弾 性 波 波 面 の 観 測 のために CFI 法 を 用 いる B モード 像 ずり 弾 性 波 PC 伝 播 速 度 マップ 伝 播 方 向 マップの 再 構 成 軟 組 織 N: パケットサイズ CFIにおいて 流 速 vはn+1 回 の 連 続 超 音 波 の 直 交 検 波 信 号 出 力 から 以 下 の 式 で 推 定 される,,. (1)

9 映 像 法 の 基 本 原 理 (II) 物 体 が 正 弦 的 に 変 動 したと 仮 定 したとき 組 織 変 位 は(2) 式 のように 表 される sin 2 : 加 振 周 波 数 (2) 以 下 の2つの 条 件 が 満 足 されるとき CFI 上 にはずり 弾 性 波 (せん 断 波 )の 波 面 が 流 速 0および 最 大 からなる2 値 画 像 として 現 れる 1)ずり 弾 性 波 (せん 断 波 )の 周 波 数 条 件 Δ 超 音 波 のパルス 繰 返 し 周 期 Δ, m : 0,1,2,3 2)ずり 弾 性 波 (せん 断 波 )の 振 幅 条 件 : 超 音 波 の 波 長 (4) (3) CFI 画 像 上 には ずり 弾 性 波 の1 周 期 に2 回 流 速 が 最 大 になる これは 組 織 内 部 を 伝 播 するせん 断 波 の 波 面 を 表 す

10 実 験 系 Ultrasonic probe Actuator head Power amplifier O.S.C. Control PC Agar gel phantom Photograph of phantom experiment Shear wave Vibrator Ultrasonic probe Ultrasonic wave Ultrasound color flow imaging system *1 Video signal Reconstruction of shear wave maps PC Bmode image *1 EUB 8500, Hitachi Aloka Medical with a 6.5 MHz Linear probe Vibrator: Multi layer piezo electric actuator or Linear vibration actuator

11 寒 天 ゲルを 用 いた 基 礎 実 験 結 果 Shear wave frequency : 276.3Hz Color flow image (CFI) Phantom : 1.5w% agar gel 10[mm] [rad.] [m/s] 10 z x 0 Shear wave phase map, Shear wave velocity map, Shear wave propagation direction map,

12 定 量 性 の 評 価 Shear wave velocity measured by the proposed method [m/s] :1.00wt% :1.50wt% :1.75wt% Shear wave velocity measured by small displacement estimation method Shear wave frequency : 276.3Hz [m/s]

13 乳 腺 模 擬 ファントムでの 映 像 例 Vibrator Cyst US probe Vibration frequency : 276.5Hz 10mm Breast phantom B-mode image 10mm Cyst size = 6.6mm Cyst size = 4.5mm Cyst size = 2.5mm

14 3 次 元 映 像 化 への 展 開 Shear wave frequency 245.9Hz Vibrator Agar gel phantom Y 3D probe X Orthogonal cross-section image Philips iu22 X3-I 3D probe 10mm Flow velocity X axis image Y axis image

15 僧 帽 筋 での 映 像 化 実 験 本 実 験 は 群 馬 大 学 IRBの 承 認 の 下 で 実 施 した Frequency: [Hz] Linear Vibration actuator US probe [rad] π [m/s] 10 z x π 0 Phase map Velocity map V = 4.22 m/s Propagation direction map

16 筋 弛 緩 緊 張 時 での 映 像 化 例 22 Year Old CFI [m/s] 12 Shear wave Velocity Map 0 In Relaxation state Velocity 4.11m/s In Contraction state Velocity 9.95m/s

17 ハムストリングでの 映 像 化 の 課 題 10mm V= 3.82[m/s] V= 5.19[m/s] 10mm [rad] π [rad] π π π Shear wave is excited on tendon (A) Shear wave is NOT excited on tendon

18 同 一 の 波 面 が 形 成 されている 領 域 の 自 動 抽 出 法 画 像 上 に 縦 5 点 横 5 点 計 25 点 の 参 照 点 を 考 える( 図 1) ROI 各 参 照 点 について その 点 を 中 心 として 同 様 の 伝 搬 速 度 同 様 の 伝 搬 方 向 が 推 定 されている 部 分 は 同 一 の 波 面 が 形 成 されていると 考 え 速 度 推 定 領 域 を 広 げていく 具 体 的 には 1. 伝 搬 速 度 の 差 が±30% 以 内 2. 平 均 伝 搬 方 向 の 差 が±30 以 内 であれば 同 一 の 波 面 が 形 成 されている 領 域 として 認 識 す る 図 1 参 照 点 複 数 の 領 域 に 分 かれた 場 合 には 最 大 の 面 積 を 有 する 領 域 および その 領 域 と 1. 伝 搬 速 度 の 差 が±30% 以 内 2. 平 均 伝 搬 方 向 の 差 が±30 以 内 の 領 域 での 伝 搬 速 度 推 定 値 の 平 均 を 速 度 推 定 値 とする ( 図 2) 合 算 して 伝 搬 速 度 の 平 均 値 を 求 める 図 2

19 10mm せん 断 波 の 伝 搬 方 向 の 制 限 角 度 制 限 なし 加 振 周 波 数 [Hz] 僧 帽 筋 位 相 像 B mode 速 度 像 CFI 3.45 m/s (0.13 m/s) 3.43 m/s (0.13 m/s) 伝 搬 速 度 ( 標 準 偏 差 )

20 臨 床 に 適 用 する 上 での 検 討 せん 断 波 の 振 幅 は 振 幅 条 件 を 満 足 する 必 要 画 像 化 のための 最 小 振 幅 は 29 MHz 超 音 波 この 振 幅 は 小 型 のアクチュエータ(リニア 振 動 アクチュエータ 積 層 圧 電 アクチュエータ)で 容 易 に 発 生 できる せん 断 波 の 周 波 数 は 周 波 数 条 件 を 満 足 する 周 波 数 付 近 で 選 ぶ 必 要 利 用 できるせん 断 波 の 周 波 数 は 91, 274, 456,,, Hz(@PRF = 365 Hz)であり 実 際 の 臨 床 応 用 では 大 きな 問 題 にはならない 連 続 的 なせん 断 波 を 用 いる 利 点 は 発 生 が 容 易 で 生 体 に 対 して 高 い 安 全 性 を 有 することであるが 問 題 は せん 断 波 が 組 織 中 で 屈 折 や 反 射 を 生 じやすいこと 超 音 波 映 像 面 の 前 後 方 向 にも せん 断 波 が 伝 搬 しやすいこと ここで 開 発 したせん 断 波 伝 搬 の 実 時 間 可 視 化 法 を 用 いると これら 問 題 による 影 響 を 有 効 に 低 減 できる

21 開 発 方 法 の 特 徴 位 相 像 速 度 像 伝 搬 方 向 像 など 定 量 的 な 画 像 が 得 られる 波 面 再 現 領 域 が 振 幅 依 存 であり シスト 部 の 抽 出 など 振 幅 像 が 得 ら れる 従 来 の 超 音 波 映 像 装 置 を 改 造 する 必 要 がない しかも せん 断 波 の 周 波 数 に 上 限 はない 実 時 間 で 映 像 が 得 られるので 連 続 波 加 振 で 問 題 になる 課 題 (せん 断 波 の 反 射 屈 折 Out plane propagation 加 振 点 の 選 択 )を 低 減 できる Shear wave frequency: [Hz]

22 本 映 像 技 術 が 応 用 できると 考 えられる 分 野 医 用 診 断 : 骨 格 筋 の 弾 性 評 価 乳 腺 甲 状 腺 前 立 腺 のがん 腫 瘍 膿 胞 の 映 像 化 産 婦 人 科 における 子 宮 頚 部 の 硬 さ 評 価 ( 分 娩 支 援 ) 手 術 前 の 組 織 間 の 癒 着 の 評 価 ( 手 術 支 援 ) リハビリテーション: 筋 組 織 のリハビリテーション 効 果 の 判 定 患 者 の 特 性 に 合 わせたリハビリテーションプログラムの 開 発 治 療 : 治 療 効 果 の 定 量 的 評 価 薬 液 の 有 効 性 評 価 手 術 後 の 機 能 回 復 評 価 薬 学 : 薬 剤 開 発 におけるその 場 での 評 価 技 術 ( 動 物 実 験 ) 基 礎 科 学 : ゲル レオロジー 評 価 高 分 子 化 学 分 野 における 媒 質 のずり 粘 弾 性 の 評 価 手 法 ( 従 来 のレオメータに 対 して 画 像 観 察 という 機 能 を 追 加 内 部 の 評 価 が 画 像 で 可 能 になる) 食 品 科 学 : 食 品 の 硬 さ 弾 性 の 可 視 化 物 質 科 学 ( 材 料 科 学 ): 媒 質 のずり 粘 弾 性 の 可 視 化

23 実 用 化 に 向 けた 課 題 現 在 映 像 化 原 理 と 定 量 画 像 の 構 築 法 につ いては 可 能 なところまで 開 発 済 み しかし 臨 床 応 用 を 目 指 した 小 型 加 振 器 の 開 発 が 未 解 決 である 今 後 臨 床 分 野 毎 に 有 効 性 についての 実 験 データを 取 得 し 加 振 方 法 画 像 処 理 技 術 の 最 適 化 を 行 っていく 23

24 企 業 への 期 待 企 業 に 具 体 的 にしてほしいこと システム 化 技 術 超 音 波 プローブ 小 型 加 振 源 (ずり 弾 性 波 源 )を 一 体 型 にし たプローブの 開 発 ( 医 師 が 片 手 で 操 作 できる 一 体 型 プローブ) 映 像 対 象 ( 骨 格 筋 甲 状 腺 乳 腺 等 )に 応 じた 最 適 化 技 術 求 める 技 術 要 素 振 動 防 振 機 構 軽 量 で 耐 久 性 のある 小 型 加 振 機 構 ハードと 画 像 技 術 を 組 み 合 わせるシステム 化 技 術 求 める 企 業 の 種 類 小 型 防 振 機 構 の 設 計 が 可 能 な 企 業 ( 周 波 数 300Hz) 一 体 型 プローブ 画 像 技 術 の 実 装 など 画 像 システム 構 築 が 可 能 な 企 業 24

25 本 技 術 に 関 する 知 的 財 産 権 発 明 の 名 称 : 超 音 波 映 像 システム 出 願 番 号 :PCT/JP2015/59207 出 願 人 : 群 馬 大 学 発 明 者 : 山 越 芳 樹 25

26 お 問 い 合 わせ 先 群 馬 大 学 TLO 電 話 : ~1175 FAX :