Estimation of sound speed distribution in vivo for improvement of ultrasonic image quality and quantitative diagnosis of fatty liver disease

• Project/Area Number: 21K14166
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 21030:Measurement engineering-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Mori Shohei 東北大学, 工学研究科, 助教 (50815149)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 音速 / 医用超音波 / 脂肪肝 / 超音波 / 肝臓 / びまん性肝疾患 / 医用超音波画像

Outline of Research at the Start

超音波画像診断装置はリアルタイム性・低侵襲性・簡便性の点から様々な疾患の診断が可能な装置であるが，汎用の診断装置では，生体内の断層像を形成する際に仮定音速を用いているため，断層像の画質が劣化してしまう。本研究では，生体内の音速分布を推定することで，断層像の画質を向上させるとともに，肝臓内の音速分布を推定することによる脂肪肝の定量診断法を開発する。

Outline of Final Research Achievements

This study aimed to develop an estimation method of speed-of-sound (SoS) in liver for improving the ultrasound image quality and quantification of the fatty liver. In our proposed SoS estimation method, the SoS in liver is estimated using the received signals from blood vessels in the liver. We developed a correction method of overestimated SoS caused by the size of target blood vessels based on the target information observed in the ultrasound image. We also developed a method for distinguishing between the presence and absence of SoS misestimations caused by the rotation of probe to the target blood vessels based on the decrease in signal power received at the edge elements in the probe. These methods will contribute to the development of high-accurate estimation method of SoS in liver.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

超音波画像診断装置はリアルタイム性・低侵襲性・簡便性の観点から様々な疾患の診断が可能な装置であるが，超音波を用いて生体内の情報を正確に計測するためには生体内の音速の情報が必要である。計測した超音波受信信号のみを用いて音速推定に適したターゲット条件判定を行った上で音速を推定できる本手法は実際の臨床現場での使用が期待される重要な成果である。

Research Products

• [Journal Article] Estimation error in speed of sound caused by rotation of measured cross-section from short-axis plane of blood vessels: a preliminary study (2023)
  • Author(s): Shohei Mori, Keiji Onoda, Mototaka Arakawa, Hiroshi Kanai
  • Journal Title: Journal of Medical Ultrasonics Volume: 51 Issue: 1 Pages: 49-57
  • DOI: 10.1007/s10396-023-01383-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantification of limitations in statistical analysis of ultrasound echo envelope amplitudes (2023)
  • Author(s): Mori Shohei、Arakawa Mototaka、Kanai Hiroshi、Hachiya Hiroyuki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: SJ Pages: 1-13
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acc33e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Speed-of-sound estimation in ultrasound propagation medium by considering size of target scatterer (2023)
  • Author(s): Shohei Mori, Hiroshi Kanai, Mototaka Arakawa
  • Journal Title: Journal of Medical Ultrasonics Volume: - Issue: 2 Pages: 151-165
  • DOI: 10.1007/s10396-023-01282-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preliminary Study on Estimation of Speed of Sound in Propagation Medium Considering Target Scatterer Size (2021)
  • Author(s): Shohei Mori, Aoi Nakayama, Keiji Onoda, Mototaka Arakawa, Hiroshi Kanai
  • Journal Title: Proceedings of 2021 IEEE International Ultrasonics Symposium Volume: - Pages: 1-3
  • DOI: 10.1109/ius52206.2021.9593638
• [Journal Article] 対象散乱体の大きさを考慮した伝播媒質内の音速推定法に関する検討 (2021)
  • Author(s): 森 翔平，荒川元孝，金井 浩
  • Journal Title: 電子情報通信学会 信学技報 Volume: IEICE-121 Pages: 36-41
• [Presentation] Examination of quantitative evaluation method of lung ultrasound for pneumothorax detection (2024)
  • Author(s): 森 翔平、Khoa Toran、荒川元孝、金井 浩、小野 雄
  • Organizer: 日本音響学会第151回（2024年春季）研究発表会
• [Presentation] 動脈硬化症の極早期診断を目指した頸動脈内腔表面粗さ超音波計測における解析時相の限定法 (2023)
  • Author(s): 森 翔平、山根綾太、荒川元孝、金井 浩
  • Organizer: 日本超音波医学会第67回東北地方会学術集会
• [Presentation] Examination of Envelope Statistics Analysis for M-mode Signals in Lung Ultrasound (2023)
  • Author(s): 森 翔平、Khoa Toran、荒川元孝、金井 浩、小野 雄
  • Organizer: 令和5年度第4回アコースティックイメージング研究会
• [Presentation] 超音波による生体組織性状解析における振幅確率分布モデルの近似精度評価法の比較 (2023)
  • Author(s): 森 翔平、荒川元孝、金井 浩、蜂屋弘之
  • Organizer: 第6回東北地区音響学研究会
• [Presentation] Examination of statistical limitation in statistics evaluation of ultrasound echo envelope amplitudes (2023)
  • Author(s): Shohei Mori, Mototaka Arakawa, Hiroshi Kanai, Hiroyuki Hachiya
  • Organizer: The 43rd Symposium on Ultrasonic Electronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超音波を用いた肝臓内音速推定における血管の走行角度の影響に関する基礎検討 (2023)
  • Author(s): 森 翔平、小野田啓司、荒川元孝、金井 浩
  • Organizer: 日本音響学会第150回（2023年秋季）研究発表会
• [Presentation] びまん性肝疾患の定量評価のための振幅確率分布モデルの選択法の検討 (2023)
  • Author(s): 森 翔平、荒川元孝、山口 匡、金井 浩、蜂屋弘之
  • Organizer: 日本超音波医学会第66回東北地方会学術集会
• [Presentation] High-speed measurement of two-dimensional displacement of heart wall without transmitted beam scanning and received beamforming (2023)
  • Author(s): Shohei Mori, Kaisei Hara, Mototaka Arakawa, Hiroshi Kanai
  • Organizer: 2023 IEEE International Ultrasonics Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Medical ultrasound imaging: quantification and visualization of diseases (2023)
  • Author(s): Shohei Mori
  • Organizer: IEEE Ottawa Section: Engineering in Medicine and Biology Society, 125th EMBS Seminar Series.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 頸動脈壁長軸方向変位の超音波による可視化と計測に関する検討 (2023)
  • Author(s): 森 翔平、荒川元孝、金井 浩
  • Organizer: 令和5年度第2回アコースティックイメージング研究会
• [Presentation] Examination of statistical limitation in statistics evaluation of ultrasound echo envelope amplitudes (2022)
  • Author(s): Shohei Mori, Mototaka Arakawa, Hiroshi Kanai, Hiroyuki Hachiya
  • Organizer: The 43rd Symposium on Ultrasonic Electronics, Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preliminary Study on Estimation of Speed of Sound in Propagation Medium Considering Target Scatterer Size (2021)
  • Author(s): Shohei Mori, Aoi Nakayama, Keiji Onoda, Mototaka Arakawa, Hiroshi Kanai
  • Organizer: 2021 IEEE International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 対象散乱体の大きさを考慮した伝播媒質内の音速推定法に関する検討 (2021)
  • Author(s): 森 翔平，荒川元孝，金井 浩
  • Organizer: 電子情報通信学会・日本音響学会 超音波研究会
• [Presentation] 超音波の媒質内伝播時間以外の遅延時間を考慮した生体内音速推定法に関する検討 (2021)
  • Author(s): 小野田啓司，森 翔平，荒川元孝，金井 浩
  • Organizer: 2021年度電気関係学会東北支部連合大会
• [Presentation] 超音波による生体内音速推定のための媒質内伝播時間以外の遅延時間算出に関する検討 (2021)
  • Author(s): 小野田啓司，森 翔平，荒川元孝，金井 浩
  • Organizer: 第4回東北地区音響学研究会
• [Remarks] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/7000022511
• [Remarks] 金井・荒川研究室ホームページ
  • URL: http://www.ecei.tohoku.ac.jp/~hkanai/index.html