ずり 弾 性 波 を 用 いた 生 体 組 織 硬 さの 超 音 波 映 像 法 ( 所 属 機 関 名 ) 群 馬 大 学 ( 部 局 名 ) 大 学 院 理 工 学 府 電 子 情 報 部 門 ( 発 表 者 ) 山 越 芳 樹 概 要 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 技 術 の 特 徴 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 映 像 化 にそのまま 使 える 定 量 性 を 有 し 物 理 的 意 味 が 明 確 な 画 像 が 複 数 得 られる 想 定 される 用 途 医 療 診 断 リハビリテーション 画 像 による 内 部 の 粘 弾 性 評 価 (レオロジー 食 品 科 学 材 料 科 学 )
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 )
ずり 弾 性 波 (せん 断 波 :Shear wave)の 特 徴 1. 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 理 論 的 には ずり 弾 性 率 の 平 方 根 を 密 度 で 除 した 値 として 伝 搬 速 度 が 定 義 される(ただし 粘 性 が 無 視 できる 場 合 ) 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 2. 周 波 数 依 存 性 理 論 的 には 伝 搬 速 度 の 周 波 数 依 存 性 からずり 粘 性 が 評 価 できる 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.
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 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) 臓 器 の 動 きを ずり 弾 性 波 源 として 使 う 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 組 織 の 弾 性 の 映 像 化 法 としていくつかの 方 法 が 実 用 化 された しかし 従 来 法 では システ ム 価 格 定 量 性 等 で 課 題 がある
映 像 法 の 基 本 原 理 (I) Color flow Imaging unit Ultrasonic Transducer Shear wave Vibrator Low frequency vibration Soft Tissue Low frequency vibration is applied to tissue surface. Continuous shear wave is excited and the wave propagates inside the tissue. Wave-front of shear wave is observed by a color flow imaging (CFI) under an experimental set-up where the shear wave frequency and the displacement amplitude conditions are satisfied. Shear wave propagation Shear wave velocity and propagation direction maps are reconstructed by Fourier analysis method.
Mechanical vibrator Shear wave 映 像 法 の 基 本 原 理 (II) Power amplifier Ultrasonic probe PC O.S.C. Control PC Ultrasound color flow imaging (CFI) system Shear wave velocity and shear wave propagation direction maps are reconstructed in PC. CFI method is adopted to observe the shear wave wave-front. B mode image Soft tissue N: Packet size In CFI, the flow velocity v is estimated from the quadrature detector output signals I i and Q i which are acquired for N+1 successive ultrasonic waves. v = c 4πf 0 Δt arcta n E U E L, E U = N i=1 I i Q i+1 I i+1 Q i, E L = N i=1 I i+1 I i + Q i+1 Q i. (1)
映 像 法 の 基 本 原 理 (III) We assume that a tissue displacement ξ is a sinusoidal one: ξ = ξ 0 sin 2πf b t + φ b f b : Shear wave frequency (2) If the following two conditions are satisfied, 1) Shear wave frequency condition : f b = 1 2 m + 1 2 1 Δt, Δt Pulse repetition period of US wave m : zero or an integer value 2) Shear wave displacement amplitude condition : 1 8 λ < ξ 0 < 3 8 λ λ : Wavelength of US wave (3) (4) It is derived that the estimated flow velocity by CFI algorithm becomes the maximum or zero depending on the phase of shear wave. A binary pattern produced on CFI, which consists of zero and the maximum flow velocities, makes a shear wave s wavefront which propagates inside the tissue.
定 量 的 なずり 弾 性 波 画 像 の 構 築 法 To obtain quantitative shear wave velocity and propagation direction maps, Fourier analysis method is adopted for color flow velocity image FVM x, z, t F FMV x, z, ω p = 0 T CFI FVM x, z, t exp jω p t dt (5) ω p : Angular frequency of wavefront motion. By differentiating the phase of the Fourier spectrum, the wave-numbers of shear wave are : k x x, z = θ FVM x, z x k z x, z = θ FVM x,z z. + ω b T p, θ FVM x, z = arg F FMV x, z, ω p T P : Time lag of the ultrasonic wave irradiation per unit length. Shear wave velocity map v est (x, z) and shear wave propagation direction map θ est x, z are: v est (x, z) = 2π k(x,z), θ est (x, z) = tan 1 k z(x,z) k x (x,z). (6) k x, z = k x 2 x, z + k z 2 x, z (7)
基 礎 実 験 系 Ultrasonic probe Actuator head Power amplifier O.S.C. Control PC Agar gel phantom Photograph of phantom experiment Large amplitude multilayer piezoelectric actuator * 2 Ultrasonic probe Soft tissue Ultrasound color flow imaging system* 1 Video signal Reconstruction of shear wave maps B mode image PC *2 AHB800, NEC-Tokin (Japan) *1 EUB-8500, Hitachi Aloka Medical with 6.5 MHz Linear probe
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.] π [m/s] 10 z x π 0 Shear wave phase map θ FVM x, z Shear wave velocity map v est (x, z) Shear wave propagation direction map θ est (x, z)
Shear wave velocity measured by the proposed method 定 量 性 の 評 価 [m/s] 10 Shear wave frequency : 276.3Hz 8 6 4 2 :1.00wt% :1.50wt% :1.75wt% 0 0 2 4 6 8 10 Shear wave velocity measured by small displacement estimation method [m/s]
僧 帽 筋 での 映 像 化 例 Photograph of experiment [rad] 10mm π π 6.3 m/s Color Flow Image [m/s] 10 0 Vibration frequency : 273.6Hz z x Shear wave phase map Shear wave velocity map Propagation direction map Experiments were carried out under the approval of IRB, Gunma University.
従 来 法 (ストレインエラストグラフィ)との 画 像 比 較 [m/s] 10 Vibration frequency : 273.6Hz 0 Shear wave velocity Conventional method (Strain Elastography) Proposed method
乳 腺 ファントムでの 映 像 化 実 験 提 案 法 は ファン トム 内 の 膿 胞 の 検 出 に 対 して 高 い 感 度 を 持 つ 10mm Photograph of experiment [rad] π Color Flow Image [m/s] 12 Vibration frequency : 276.5Hz z x π 0 Shear wave phase map Shear wave velocity map Propagation direction map
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
システム 化 技 術 企 業 に 求 めること 企 業 に 具 体 的 にしてほしいこと 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 ( 周 波 数 300Hz 振 動 振 幅 1mm 程 度 例 : 小 型 リニ ア 振 動 モータ 等 ) 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
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