尿道の形態変化と排尿流動態の流体力学的相互作用の解析

• 研究課題/領域番号: 22K16799
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分56030:泌尿器科学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 石井 琢郎 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50748754)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2024年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 医用超音波 / 前立腺部尿道 / 運動解析 / ベクターフローイメージング / ウロダイナミクス / 高速超音波撮像法 / 臓器運動解析

研究開始時の研究の概要

本研究課題は，排尿中の尿道運動や内腔形態変化を高時間分解能・高精度に計測・解析する技術の開発と，こうした尿道の形態・運動特徴と尿道内を通過する排尿流動態が相互に与える影響を明らかにする事を目的とする．排尿時の尿道と内部の排尿流動態を1,000枚／秒を超える超高時間分解能で撮影する超音波イメージング技術（Uro-VFI）を活用し，特に排尿開始期や終了期などダイナミックな尿道の運動や形態変化を高精度に計測・可視化し，定量的に指標化する解析技術の確立を目指す．

研究実績の概要

排尿時の下部尿路において，尿道のどこがどのように動き，どのような形態変化をするのか，その臓器ダイナミクスを定量的に計測する超音波画像解析手法の構築に取り組んだ．まず，適切な画像解析手法を選定するため，先行研究で構築した男性下部尿路の排尿時エコーデータベースを用いて，複数の組織運動計測法を施行し，その有効性や組織運動の性状を評価した．
まず組織ドプラーイメージング法による組織運動の超音波ビーム方向に対する速度成分を計測した．対象データは，男性の前立腺部尿道の矢状断面を経直腸に撮像したものであったが，組織ドプラーイメージングの結果，排尿開始や終了期の前立腺部尿道の運動は，臓器長軸方向への変化も大きく，直交する方向（尿道短軸方向）の速度成分だけでは臓器運動が適切に評価できないことが分かった．そこで，Multi-angle Vector Doppler法を応用し，臓器運動の２次元速度ベクトル場を計測した．その結果，臓器の展開・収縮における変形量やその位置や伝搬を計測・可視化する事ができた．
この方法による臓器運動性状の評価法の開発やその精度の定量的評価のため，男性下部尿路の排尿時変形を模擬する可変形尿道モデルと実験系の構築を行った．光造形3Dプリンタやポリビニルアルコール（PVA）ハイドロゲルを用いて管腔臓器モデルを作成した．液体ポンプで管腔内部の圧力を制御する事により，実際の尿道のような収縮と展開が可能であることを確認した．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

男性下部尿路の排尿時臓器運動について，画像平面2次元内での運動を高時空間分解で計測・評価する手法について，実際の尿道運動の基本的性状に基づく至適な計測法が明らかになった．今後，臓器運動の評価法を構築していく上で必要な実験系も順調に構築を進めており，本研究課題はおおむね順調に進展している．

今後の研究の推進方策

排尿時尿道変形を模擬する可変形尿道モデルの構築を進める．異なる下部尿路や前立腺性状に基づく臓器変形をシミュレートし，Multi-angle vector Doppler法による臓器変形の計測と得られたデータから臓器変形の時空間的性状を可視化する手法を構築する．さらに，内部流れの速度や圧力の分布との相互作用を解析する．提案手法の臨床的有効性を検証するため，下部尿路症状患者を対象としたUro-VFIシステムによる排尿流イメージングを実施し，様々な尿道性状における尿道運動と排尿流動態のデータベースを構築していく．