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2013 年度 実施状況報告書

空中超音波を用いた生体内伝搬速度計測によるin vivo骨評価

研究課題

研究課題/領域番号 25750184
研究種目

若手研究(B)

研究機関東京工業大学

研究代表者

平田 慎之介  東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (80550970)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワード空中超音波 / 生体内音波伝搬 / 伝搬速度計測 / 非接触骨評価
研究概要

平成25年度は,振動子の広帯域化による超音波のパルス化,より高次のM系列を用いた受信信号のS/N向上,被験者によるin vivo実験およびFDTD法を用いた計算機シミュレーションを行った.
これまでの使用していた振動子は帯域が数%と狭く,超音波のインパルス応答によりパルス波を送信することが困難であった.そこで,帯域が30%程度の振動子を試作し,超音波のパルス化を実現した.また踵を透過した超音波は著しく減衰しており,その波頭から伝搬時間を計測することが困難であった.そのため,使用するM系列の次数を19次まで上げて,透過波のS/Nを57 dB向上させた.その結果,透過波の波頭から超音波の伝搬時間を計測することが可能となった.そして,被験者の踵を透過する空中超音波を用いて,踵内の音波伝搬速度を計測するin vivo実験を実施した.被験者によって透過波の振幅が大きく異なり,透過波を確認できず伝搬速度を計測できない被験者が存在した.また,踵の幅によって算出した伝搬速度が大きく変化したため,正確な伝搬速度を求めるには音波の伝播経路を正確に計測する必要がある.
踵内の音波伝搬を解析するための計算機シミュレーションでは,まず,音圧をスカラ量として取り扱う音響FDTD 法を用いた計算を行った.しかしながら,シミュレーション結果から踵内の骨梁構造による受信信号の変化を確認することが困難であった.そこで,音圧をベクトル量として取り扱う弾性FDTD 法を用いた計算を行った結果,in vivo実験と同程度の透過減衰が得られた.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

平成25年度の研究計画は,踵を透過した超音波の検出,評価であったため,計画通りの成果が得られている.また,主に平成26年度に計画していた踵内の音波伝播解析においてもある程度の成果が得られており,当初の計画以上に本研究が進展しているといえる.
踵を透過した空中超音波の評価では,基礎実験,被験者実験などによりその有用性や問題点について検討を行うことができた.今後は,他の部位を透過した超音波についても検討を行い,提案する非接触伝搬速度計測の評価を行う.FDTD法を用いた計算機シミュレーションでは,人の骨梁構造を擬似的に表現したモデルにおいて被験者実験と同程度の結果が得られた.今後は,より詳細な骨梁構造モデルを用いた音波伝搬解析を行う.

今後の研究の推進方策

平成26年度は,手首を透過した空中超音波についての検討,海綿骨と超音波ビーム幅に関する検討,ビームを操作する機構の試作を行う.
これまでは踵骨の骨評価を目的として研究を行ってきたが,踵骨と同じように海綿骨を含む手首の橈骨の非接触評価についても検討を行う.また,現在使用している振動子は海綿骨と同程度の開口幅である.振動子を走査し,音波伝搬速度に基づく断層画像を作成するには,送受信のフォーカスなど超音波のビーム幅についても検討を行う必要がある.さらに,自動ステージなどを用いて振動子を走査する機構の設計,試作を行う.

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2014 2013

すべて 学会発表 (6件)

  • [学会発表] 弾性FDTD法を用いた透過する空中超音波の踵内伝搬特性の評価2014

    • 著者名/発表者名
      平田慎之介, 蜂屋弘之
    • 学会等名
      日本音響学会 2014年春季研究発表会
    • 発表場所
      日本大学(東京)
    • 年月日
      20140310-20140312
  • [学会発表] Study about accuracy of non-contact measurement of propagation velocity in tissue mimicking phantom using pass-through ultrasound2014

    • 著者名/発表者名
      Lalita Haritaipan, Kotaro Hoshiba, Shinnosuke Hirata, Hiroyuki Hachiya, Nobuo Niimi
    • 学会等名
      日本音響学会 2014年春季研究発表会
    • 発表場所
      日本大学(東京)
    • 年月日
      20140310-20140312
  • [学会発表] Non-contact measurement of acoustic characteristics in tissues using a pass-through airborne ultrasonic wave for ultrasonic bone assessment2013

    • 著者名/発表者名
      Shinnosuke Hirata, Lalita Haritaipan, Kotaro Hoshiba, Hiroyuki Hachiya, Nobuo Niimi
    • 学会等名
      USE2013 The 34th Symposium on Ultrasonic Electronics
    • 発表場所
      同志社大学(京都)
    • 年月日
      20131120-20131122
  • [学会発表] 音響FDTD法を用いた空中超音波の踵内伝搬解析に関する検討2013

    • 著者名/発表者名
      平田慎之介, 蜂屋弘之
    • 学会等名
      日本音響学会 2013年秋季研究発表会
    • 発表場所
      豊橋技術科学大学(豊橋)
    • 年月日
      20130925-20130927
  • [学会発表] Study about the propagation of airborne ultrasonic wave through a heel for bone-density estimation2013

    • 著者名/発表者名
      Shinnosuke Hirata, Katsuyuki Kiso, Kotaro Hoshiba, Hiroyuki Hachiya, Nobuo Niimi
    • 学会等名
      2013 IEEE International Ultrasonics Symposium
    • 発表場所
      Prague Congress Centre (Prague, Czech Republic)
    • 年月日
      20130721-20130725
  • [学会発表] 空中超音波の生体内音波伝搬におけるFDTD法を用いた数値解析2013

    • 著者名/発表者名
      平田慎之介, 蜂屋弘之
    • 学会等名
      電子情報通信学会・日本音響学会 超音波研究会
    • 発表場所
      機械振興会館 (東京)
    • 年月日
      20130527-20130527

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公開日: 2015-05-28  

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