剪断波伝搬モデルに基づく定量的組織粘・弾性映像法の開発と肝線維化早期診断法の研究

• 研究領域: 医用画像に基づく計算解剖学の多元化と高度知能化診断・治療への展開
• 研究課題/領域番号: 15H01120
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 椎名 毅 京都大学, 医学研究科, 教授 (40192603)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2016年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2015年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: 生体医工学 / 超音波医科学 / 組織粘弾性 / 肝疾患診断 / 生体物性

研究実績の概要

超音波で体内に生成した剪断波の音速から組織の硬さ(弾性)を可視化するshear wave elastographyの手法が実用化したが、組織の力学的特性としては、弾性とともに粘性も重要となることから、以下に示す項目について研究を進めた。
(1)肝線維化モデル構築：肝線維化の進行により弾性とともに、NASHなどでは粘性の変化も反映する可能性があることから、結節の形成過程に、弾性と粘性の変化を組み入れた肝線維化モデルを構築し、剪断波の伝搬をシミュレーションにより再現した。また、剪断波速度を求めて、線維化stageの進行に伴い、速度が増大することが示された。さらに、速度分散特性に、Voigtモデルを当てはめ粘性と弾性の推定を行った。この際、組織に粘性要素を付加しない場合でも、線維化によるミクロな組織構造が、速度分散を生じ、見かけ上の粘性が生じることが示された。
（2）肝組織サンプルを用いた剪弾波伝搬解析：ブタ肝臓を用いて測定した剪弾波伝搬の速度分散から弾性と粘性の推定を行った。その結果、剪断波の波長（数mm～数cm）に比較し、薄い組織の場合は、ラム波としての伝搬を生じる結果、通常のTime of Flight法では誤差が大きくなるため、実際の臨床の場においても考慮が必要なことを示した。また、B型およびC型の慢性肝炎の各線維化stageにおける病理組織サンプルを用いて、線維構造を抽出したモデルを構築し、剪断波伝搬のシミュレーション解析を行った。その結果、（1）で検討した肝線維化モデルと類似の傾向を示した。
以上から、剪断波の速度計測によるNASH等の脂肪性の肝炎の鑑別診断や早期診断の可能性が示された。一方で、組織のサイズやミクロな構造の違いが速度分散を生じるため、速度分散からの粘弾性の評価における精度向上には、それらを配慮した測定法を適用する必要があることが確認された。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Study on the application of shear-wave elastography to thin-layered median and tubular structure: Finite-element analysis and experiment verification (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Jang, K. Kondo, T. Namita, M. Yamakawa, T Shiina
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 7S1 ページ: 07KF08-07KF08
  • DOI: 10.7567/jjap.55.07kf08
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] WFUMB Guidelines and recommendations for clinical use of ultrasound elastography: PART 3: Liver (2015)
  • 著者名/発表者名: Ferraioli G, Filice C, Castera L, Choi BI, Sporea I, Wilson SR, Cosgrove D, Dietrich CF, Amy D, Bamber JC, Barr R, Chou YH, Ding H, Farrokh A, Friedrich-Rust M, Hall TJ, Nakashima K, Nightingale KR, Palmeri ML, Schafer F, Shiina T, Suzuki S, Kudo M
  • 雑誌名: Ultrasound in Medicine & Biology 巻: 41(5) 号: 5 ページ: 1161-1179
  • DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2015.03.007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Comparison of techniques for estimating shear-wave velocity in arterial wall using shear-wave elastography - FEM and phantom study (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Jang, K. Kondo, T.Namita, M. Yamakawa, T. Shiina
  • 雑誌名: Proc. of 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium 巻: 1 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1109/ultsym.2015.0288
  • 査読あり
• [学会発表] Elasticity imaging of inhomogeneous media using inverse filtering with multiple shear wave generation (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Shiina
  • 学会等名: 5th Joint Meeting of the Acoustical Society of America and Acoustical Society of Japan
  • 発表場所: Honolulu
  • 年月日: 2016-11-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ex Vivo Assessment of Porcine Aortic Stiffness based on Leaky Lamb-wave Dispersion Analysis of Shear Wave Propagation (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Jang, K. Kondo, T. Namita, M.Yamakawa, T. Shiina
  • 学会等名: 第37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
  • 発表場所: Busan
  • 年月日: 2016-11-16
  • 国際学会
• [学会発表] 音響放射力をもちいた剪断波の高速イメージング (2016)
  • 著者名/発表者名: 椎名 毅
  • 学会等名: 日本超音波医学会 第89回学術集会
  • 発表場所: グランドプリンスホテル京都
  • 年月日: 2016-05-27
• [学会発表] 剪断波速度の周波数依存性によるブタ肝臓の粘弾性分布測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 五明美香子、近藤健悟、山川誠、椎名 毅
  • 学会等名: 日本超音波医学会 第89回学術集会
  • 発表場所: グランドプリンスホテル京都
  • 年月日: 2016-05-27
• [学会発表] プローブ加振によるぜん断波を用いた２-D ｔransient elastographyの実験的検討 (2016)
  • 著者名/発表者名: 平川青澄、近藤健悟、浪田健、山川誠、椎名毅
  • 学会等名: 日本超音波医学会 第89回学術集会
  • 発表場所: グランドプリンスホテル京都
  • 年月日: 2016-05-27
• [学会発表] Shear wave を用いた組織粘弾性のイメージング (2016)
  • 著者名/発表者名: 椎名 毅
  • 学会等名: 日本音響学会2016年春季研究発表会
  • 発表場所: 桐蔭横浜大学（横浜）
  • 年月日: 2016-03-09
  • 招待講演
• [学会発表] 剪断波伝播のTime Reversal による組織弾性イメージングシステム (2015)
  • 著者名/発表者名: 小江 啓介, 近藤 健悟, 山川 誠, 椎名 毅
  • 学会等名: 第36 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
  • 発表場所: つくば国際会議場（つくば）
  • 年月日: 2015-11-05
• [学会発表] A comparison study on shear wave velocity estimation of thin layered media using shear wave imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Jang, K. Kondo, T. Namita, M. Yamakawa, T. Shiina
  • 学会等名: World Congress on Medical Physics & Biological Engineering
  • 発表場所: トロント（カナダ）
  • 年月日: 2015-06-07
  • 国際学会
• [学会発表] 剪断波による組織粘弾性分布の可視化における課題と展望 (2015)
  • 著者名/発表者名: 近藤健悟，山川 誠，椎名 毅
  • 学会等名: 日本超音波医学会 第88回学術集会
  • 発表場所: グランドプリンスホテル新高輪（東京）
  • 年月日: 2015-05-22
• [学会発表] ガイド波理論に基づくShear Wave を用いた動脈壁の弾性率推定に関する研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 張 俊根，近藤健悟，山川 誠，椎名 毅
  • 学会等名: 日本超音波医学会 第88回学術集会
  • 発表場所: グランドプリンスホテル新高輪（東京）
  • 年月日: 2015-05-22