Viscoelasticity analysis algorithm of blood vessel for clinical application with ultrasonic-measurement-integrated analysis

• Project/Area Number: 17K13017
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2020-2021); Yamaguchi University (2017-2019)
• Principal Investigator: 門脇 弘子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 産総研特別研究員 (30781330)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2019: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 超音波診断装置 / 血管抽出 / カラードプラ / 画像処理 / 血管弾性 / 圧力方程式 / 対流項 / 有限要素法 / 逆問題解析 / 超音波計測融合解析 / 圧力場 / 血液粘度 / 血管特性推定 / 弾性円筒シェル / 連成波動理論 / 波動特性 / 血管粘弾性 / 2次元弾性論 / シェルモデル / 計測融合解析 / 超音波計測

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、動脈硬化の機序や進展を考える上で重要な情報である生体内の血管特性を再現するため、複雑な実血管の力学的挙動を表すモデルの定式化により、超音波計測融合解析による圧力と形状変形の情報を入力条件として血管特性を推定することを目的とした。令和３年度は、超音波計測融合解析システムの実用化に向けて、ヒト血流ドプラ速度の取得から数値解析に至るまでの情報処理システムの構築を実施した。
ヒト血流ドプラ速度の取得においては、超音波診断装置(CX-50, Philips)およびリニアプローブを用いて血流ドプラ速度を表すカラードプラ画像と血管組織を表すBモード画像を同時計測した。計測時間は約3秒間とし、取得したデータはDICOM形式で出力した。オープンソースの画像処理ソフトウェアであるImageJよりDICOMデータを読み込み、画像処理を施した。DICOMデータの輝度値に対する一次微分フィルタ・二値化・ノイズ処理を経て血管組織とカラードプラの領域を判別し、流体・固体情報およびドプラ速度情報を時系列のテキスト形式で出力した。出力したデータは自作のデータ処理用プログラムから読み込み、カラーバーで参照した輝度値をもとにドプラ速度を算出し、計測融合解析プログラムで扱うドプラ速度に合わせた流体・固体情報とドプラ速度が紐付いた形で時系列データを出力した。
20-40歳代の健常者4名に対して総頸動脈血流の超音波計測を実施し、前述の画像処理により血管領域抽出および血流ドプラ速度の算出を試みた。その結果、対象組織の性状により血管領域の抽出具合が異なることが明らかとなり、ImageJで目視によりドプラ速度と血管組織の境界が一致するよう輝度値の閾値を調整することで、高精度かつ簡便に形状抽出を行うことが可能となった。
これらの成果は、本研究の実用化に向けた情報処理方法の確立に資するものである。

Research Products

• [Journal Article] Feasibility Verification of Blood Viscosity Estimation by Two-Dimensional Ultrasonic-Measurement-Integrated Blood Flow Analysis (2021)
  • Author(s): Kadowaki Hiroko、Kishimoto Takuya、Tokunaga Takeshi、Mori Koji、Saito Takashi
  • Journal Title: Journal of Engineering and Science in Medical Diagnostics and Therapy Volume: 4 Issue: 2 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1115/1.4050793
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Estimation of Young's modulus of elastic pipes subjected to oscillating pressure based on the coupled wave theory (2021)
  • Author(s): TOKUNAGA Takeshi、KADOWAKI Hiroko、MORI Koji、SAITO Takashi
  • Journal Title: Transactions of the JSME (in Japanese) Volume: 87 Issue: 898 Pages: 20-00319-20-00319
  • DOI: 10.1299/transjsme.20-00319
  • NAID: 130008057149
  • ISSN: 2187-9761
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 2Dリニアアレイプローブによる3次元超音波計測融合血流解析における解析精度の空間的特性 (2020)
  • Author(s): 坂元 達哉, 門脇 弘子, 森 浩二, 齊藤 俊
  • Organizer: 日本機械学会2020年度年次大会
• [Presentation] 2次元超音波計測融合血流解析の圧力場の再現における対流項の影響 (2020)
  • Author(s): 福島 航平, 門脇 弘子, 齊藤 俊, 森 浩二
  • Organizer: 日本機械学会2020年度年次大会
• [Presentation] Effect of feedback conditions on blood viscosity estimation method in two-dimensional ultrasonic-measurement-integrated blood flow analysis (2019)
  • Author(s): Takuya Kishimoto, Hiroko Kadowaki, Takeshi Tokunaga, Koji Mori, Takashi Saito
  • Organizer: IMECE2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 血管－血流連成モデルによる血管特性推定の有効性に関する検討 (2019)
  • Author(s): 藏成広大、門脇弘子、森浩二、齊藤俊
  • Organizer: 日本機械学会中国四国支部第57回期総会・講演会
• [Presentation] 2次元超音波計測融合血流解析による血液粘度推定手法に関する検討～血液粘度の推定手法に対する影響～ (2019)
  • Author(s): 岸本拓也、門脇弘子、森浩二、齊藤俊
  • Organizer: 日本機械学会中国四国支部第57回期総会・講演会
• [Presentation] Study on Blood Viscosity Estimation Method on Two-Dimensional Ultrasonic-Measurement-Integrated Blood Flow Analysis~Effect of range of feedback domain~ (2019)
  • Author(s): Takuya Kishimoto, Hiroko Kadowaki, Koji Mori, Takashi Saito
  • Organizer: International Conference on Computational & Experimental Engineering and Sciences 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2次元超音波計測融合血流解析による血液粘度推定手法に関する検討 (2018)
  • Author(s): 岸本拓也、門脇弘子、森浩二、齊藤俊
  • Organizer: 2018年度日本機械学会年次大会
• [Presentation] 厚肉弾性円筒シェルによる静的血管力学モデルに関する検討 (2017)
  • Author(s): 蔵成広大
  • Organizer: 第40回日本生体医工学会中国四国支部大会