| Project/Area Number |
20H02156
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21030:Measurement engineering-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
金井 浩 東北大学, 工学研究科, 教授 (10185895)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| 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)
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| 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 |
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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