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Ultrasonic visualization of thoracic vertebrae for supporting epidural anesthesia

Research Project

Project/Area Number 20H02156
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 21030:Measurement engineering-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

金井 浩  東北大学, 工学研究科, 教授 (10185895)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 荒川 元孝  東北大学, 医工学研究科, 准教授 (00333865)
山内 正憲  東北大学, 医学系研究科, 教授 (00404723)
大西 詠子  東北大学, 大学病院, 助教 (10822265)
森 翔平  東北大学, 工学研究科, 助教 (50815149)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Keywords硬膜外麻酔 / 胸椎間隙 / 超音波医学 / 散乱特性 / 可視化 / 反射特性 / 散乱角特性 / 超音波プローブ
Outline of Research at the Start

胸椎の鮮明な描出を目的とし,骨の反射角特性Rr(θ)と筋組織の散乱角特性Rs(θ)の差を描出する研究を行う。
初年度は,関心点(x,z)での散乱角特性R(θ)を計測するための原理を研究し,送信超音波に対する骨での反射角特性Rr(θ)と筋肉での散乱角特性Rs(θ)の差を可視化する。
次年度は,骨と筋肉のファントムを用いた水槽実験で原理の確認と検討を行なった上で,計測システムを構築する。
最終年度は,大学病院の麻酔科医師によって臨床応用し,胸椎の描出能の評価し,硬膜外麻酔支援を目指した超音波による胸椎可視化法として確立を目指す。さらに散乱角特性R(θ)を活用した全く新しい超音波診断の可能性を拓く。

Outline of Annual Research Achievements

(1) 関心点(x, z)での散乱角特性R(θ) 計測のための定式化と基礎実験による確認
(1-a) 定式化 位置(x0, z0)の点散乱体にちょうど焦域をもつ集束ビームを送信したときに,点散乱体からの散乱波が,再び超音波プローブに戻り,多数の圧電素子で受信される。このとき点散乱体から各受信素子までの距離は異なり,各受信素子での受信時刻をtとおくと,その2乗値は,理論的に横軸距離xの2次関数で表わされる。実際に各素子で得られたRF信号の包絡信号は,理論値のように確かに放物線を示すことを確認した。
さらにこの特性から,集束ビームの焦域にある対象物の散乱角特性R(θ)を算出した。対象が点散乱体であれば,このR(θ)は拡がりをもつ。一方,集束ビームの焦域に,点ではなく平面をおいた場合には,散乱ではなく鏡面反射が起きる。そのため反射方向は限定され,求めた散乱角特性R(θ)は,極めて限定された特性となることを実験的に確認した。
さらに,この散乱角特性R(θ)を,関心領域内に設定した各点(x0, z0)で計測し,骨と点散乱体の集まりである筋肉の差異の描出を基礎実験によって試みた。さらに,平面が,集束ビームに対してφだけ傾いた場合には,各素子で得られる波形はさらに複雑になるが,この場合の受信波形の定式化を行って,散乱角特性R(θ)の特性の定式化を模擬実験によって確認した。
(1-b) 実験的確認 定式化を行ったところで,水槽内で焦点領域に,①点散乱体,②平面(送信超音波ビームに垂直に設置),③平面(送信超音波ビームからφだけ傾けて設置)の3通り各々の対象物の散乱角特性R(θ)の計測から,上記で進めた定式化を実験的に確認した。さらに,反射特性についても同様に定式化と実験による確認を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和2年度は,関心点(x,z)での反射特性と散乱角特性R(θ) 計測のための定式化と基礎実験による確認を行った。その結果,散乱角特性R(θ) と反射特性を安定して区別することが概ねできることが確認された。
さらに,用いている超音波プローブにおいて,現在の開口角幅2cmを広く取ることによって,散乱角特性R(θ) と反射特性を一層区別できる見通しがついている。また,散乱角特性R(θ) と反射特性に,多くの凹凸が計測された理由についても,干渉に原因があることが見極められている。

Strategy for Future Research Activity

当初の研究計画を変更し,研究実施計画を実施する。
(1)散乱角特性R(θ) と反射特性に含まれる多くの凹凸が生じた理由をさらに深く調べる。(2)各素子のRFデータを用い,いずれの方向から到来した波面かを識別する手法を新たに開発し,関心点(x,z)での散乱角特性R(θ) 計測のための定式化に加える。実験的確認:定式化を行ったところで,水槽内で焦点領域に,①点散乱体,②平面(送信超音波ビームに垂直に設置),③平面(送信超音波ビームからφだけ傾けて設置)の3通り各々の対象物の散乱角特性R(θ)の計測から,上記で進めた定式化を実験的に確認する。
(3) 対象が複雑な構造の水槽実験と方法の修正: 筋肉の模擬基礎実験では,対象(点散乱体/平面)は,超音波ビームの焦域にのみあると仮定していた。筋肉のように,点散乱体を線維状にし,さらに束ね,筋肉のファントムとした場合について,定式化によって,散乱角特性R(θ)を推定できるか水槽実験で確認し,もし難しい場合には,定式化と対応策を検討する。
(4) 適切な周波数の検討: 健常者に対する胸椎の深さは30 mm程度であり,現在,動作中心周波数が7.5 MHzのリニアアレイプローブを用いている.しかし肥満患者では,骨位置が40~50 mmと深くなるため,低い周波数(3 MHz)の超音波プローブによる計測実験を行い,7.5 MHzと比較する。
(5) 水槽実験による計測システムの総合評価: 筋組織をナイロンワイヤ,骨をアクリル板によって模擬し,反射ビームの指向性を計測する。さらに骨つきトリ肉により,骨と筋組織の両方からの信号を同時に取得し,散乱角特性をもとにそれらを分離する。(6) in vivo 基礎実験:健常者の胸椎間隙の可視化を試み,評価を行う。(7) システム化:ここまでに評価し確認した胸椎間隙の可視化手法を基に,患者に適用するシステム化を検討する。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(17 results)

All 2021 2020

All Journal Article (11 results) (of which Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Evaluation of error factors depending on ultrasonic transmitted beamwidth in measurement of myocardial minute velocity2021

    • Author(s)
      Sugahara Kana、Mori Shohei、Arakawa Mototaka、Kanai Hiroshi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abef0e

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Estimation of viscoelasticity of radial artery during flow-mediated dilatation using a single ultrasound probe based on blood pressure measurement via pulse transit time method2021

    • Author(s)
      Shoji Yuto、Mori Shohei、Arakawa Mototaka、Ohba Shigeo、Kobayashi Kazuto、Kanai Hiroshi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abef0b

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Measurement of propagation of local and minute contractile response in layered myocardium2021

    • Author(s)
      Obara Yu、Mori Shohei、Arakawa Mototaka、Kanai Hiroshi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abeabf

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High temporal resolution measurement of propagation pattern of myocardial stretching in left ventricle2021

    • Author(s)
      KUROKAWA Takafumi、NAKAJIMA Hiroyuki、TAKAHASHI Shinichiro、TANAKA Motonao、KANAI Hiroshi、SAIJO Yoshifumi
    • Journal Title

      Choonpa Igaku

      Volume: 48 Issue: 2 Pages: 73-80

    • DOI

      10.3179/jjmu.jjmu.a.177

      10.3179/jjmu.JJMU.A.177

    • NAID

      130007996959

    • ISSN
      1346-1176, 1881-9311
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multifrequency Phased Tracking Method for Estimating Velocity in Heart Wall2021

    • Author(s)
      Obara Yu、Mori Shohei、Arakawa Mototaka、Kanai Hiroshi
    • Journal Title

      Ultrasound in Medicine & Biology

      Volume: 47 Pages: 1077-1088

    • DOI

      10.1016/j.ultrasmedbio.2020.12.011

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Evaluation method of the degree of red blood cell aggregation considering ultrasonic propagation attenuation by analyzing ultrasonic backscattering properties2021

    • Author(s)
      Nagasawa Kanta、Fukase Akiyo、Mori Shohei、Arakawa Mototaka、Yashiro Satoshi、Ishigaki Yasushi、Kanai Hiroshi
    • Journal Title

      J Med Ultrason (2001)

      Volume: 48 Pages: 3-12

    • DOI

      10.1007/s10396-020-01065-z

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Feasibility of Non-invasive Pulse Pressure Measurement Using the Phased-Tracking Method2020

    • Author(s)
      Kobori Shusaku、Murotsuki Jun、Watanabe Shimpei、Hasegawa Hideyuki、Kanai Hiroshi、Yaegashi Nobuo、Saito Masatoshi
    • Journal Title

      Ultrasound in Medicine & Biology

      Volume: 46 Pages: 2711-2716

    • DOI

      10.1016/j.ultrasmedbio.2020.06.019

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultrasound measurement of fetal arterial pulse pressure using phased‐tracking methods: A phantom study and clinical experience with antenatal corticosteroid therapy2020

    • Author(s)
      Muromoto Jin、Murotsuki Jun、Miyashita Susumu、Hasegawa Hideyuki、Taki Hirofumi、Kanai Hiroshi、Yaegashi Nobuo
    • Journal Title

      Journal of Obstetrics and Gynaecology Research

      Volume: 46 Pages: 1994-2001

    • DOI

      10.1111/jog.14402

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Measurement of viscoelasticity of anisotropic viscoelastic phantom by dual ultrasound excitation2020

    • Author(s)
      Kawamura Hibiki、Mori Shohei、Arakawa Mototaka、Kanai Hiroshi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 59

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ab8bc0

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Generalized coherence factor estimated from real signals in ultrasound beamforming2020

    • Author(s)
      Hisatsu Masanori、Mori Shohei、Arakawa Mototaka、Kanai Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of Medical Ultrasonics

      Volume: 47 Pages: 179-192

    • DOI

      10.1007/s10396-019-01004-7

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Estimation of viscoelasticity of radial artery via simultaneous measurement of changes in pressure and diameter using a single ultrasound probe2020

    • Author(s)
      Takumi Saito, Shohei Mori, Mototaka Arakawa, Shigeo Ohba, Kazuto Kobayashi, and Hiroshi Kanai
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 59

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ab7f1c

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 硬膜外麻酔補助のための骨表面の描出を目指した超音波反射特性に関する理論的・実験的検討2020

    • Author(s)
      橋本拓実, 森 翔平, 荒川元孝, 大西詠子, 山内正憲, 金井 浩
    • Organizer
      日本音響学会2020年秋季研究発表会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 反乱と散乱の振幅角度特性の差異を利用した胸椎の超音波検出の鮮鋭化に関する検討2020

    • Author(s)
      橋本拓実, 森 翔平, 荒川元孝, 大西詠子, 山内正憲, 金井 浩
    • Organizer
      日本超音波医学会第60回東北地方会学術集会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 超音波の反射特性と散乱特性の差異による胸椎表面の描出に関する基礎検討2020

    • Author(s)
      橋本拓実, 森 翔平, 荒川元孝, 大西詠子, 山内正憲, 金井 浩
    • Organizer
      14th International Symposium on Advanced Biomedical Ultrasound
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超音波の反射特性と散乱特性の差異を用いた胸椎表面の描出に関する基礎検討2020

    • Author(s)
      橋本拓実, 森 翔平, 荒川元孝, 大西詠子, 山内正憲, 金井 浩
    • Organizer
      電子情報通信学会・日本音響学会 超音波研究会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 超音波による硬膜外麻酔補助を目指した反射体の角度推定に関する検討2020

    • Author(s)
      橋本拓実, 森 翔平, 荒川元孝, 大西詠子, 山内正憲, 金井 浩
    • Organizer
      第41回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 医用超音波による硬膜外麻酔補助を目指した超音波の反射・散乱特性の計測2020

    • Author(s)
      橋本拓実, 森 翔平, 荒川元孝, 大西詠子, 山内正憲, 金井 浩
    • Organizer
      日本超音波医学会第93回学術集会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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