2021 Fiscal Year Research-status Report
生体組織音響特性に影響を与える因子の定量的検討に基づく肝疾患診断法の研究
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20K12665
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
蜂屋 弘之 東京工業大学, 工学院, 教授 (90156349)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 超音波医学 / 定量診断 / shear wave / エラストグラフィー / 組織鑑別診断 / レイリー分布 / 肝炎 / びまん性肝疾患 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
肝線維化は肝発癌と密接に関連しており，線維化の定量評価手法の開発が望まれている。本研究の目的は，慢性肝疾患により変化する複数の生体組織音響特性を用いて，臨床的に十分なロバスト性を持つ非侵襲な慢性肝疾患の定量診断手法を確立することである。第１年度は，線維化による散乱体分布の変化を超音波反射信号の振幅確率密度の変化から検出する方法の高精度化と，生体中のせん断波の伝搬特性の変化の検出方法の検討を行った。第２年度は，生体中のせん断波の伝搬特性の変化について，実験と理論的検討結果の比較を主に行った。
生体中のせん断波は，病変による生体組織の剛性率変化により，伝搬特性が変化する。生体組織は粘弾性体のため，せん断波の減衰が大きく，高い周波数のせん断波は伝搬することができないが，数百Hz以下の周波数のせん断波の伝搬速度は測定が可能で，この伝搬速度を利用して，比較的大きな臓器の診断についての臨床応用が進められている。生体組織は剛性だけでなく粘性も大きいので，せん断波の伝搬速度は，周波数により変化する分散性があることが指摘されている。しかし，粘弾性体であれば，伝搬速度のみでなく，減衰の値も変化する。 2021年度は，生体組織の粘弾性特性とせん断波の伝搬速度，減衰の分散性の関係をVoigtモデルで解析し，昨年度検討した分散特性から生体組織の粘弾性特性を精度良く求める方法を用いて，ファントム中を伝搬するせん断波を観測し，解析結果と測定結果を比較検討した。ファントム表面の加振周波数は50Hzから200Hz程度まで変化させ，伝搬速度と伝搬減衰を求めた。シミュレーションと実験結果より，剛性率の小さい生体組織では，粘性の変化による伝搬速度変化が大きく，伝搬減衰の変動も大きいことがわかった。これらの結果より，肝臓の病変変化を高精度で検出する方法を開発するための基礎データを得ることができた。
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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
肝線維化の定量評価について，複数の方法で検討を進めている。第１年度は，これまで検討を進めてきた超音波エコー信号の振幅確率密度を用いる方法について，入力パラメータを最適化することで初期病変の検出精度を向上させることが明らかになり，振幅確率密度を用いる手法に関しては，初年度の目標が達成できた。
第２年度は，生体中のせん断波の伝搬特性の変化について，実験と理論的検討結果の比較を主に行った。50Hzから200Hzまでのファントム加振を安定に行う方法を確立し，昨年度に検討していたせん断波の複素波数を用いた分散性の推定方法を利用することで，伝搬速度と減衰の周波数特性を安定に求めることができた。また，せん断波の伝搬特性では，伝搬速度の分散性だけでなく，減衰の周波数依存性も重要な要素であり，この点を考慮することが，安定な診断に重要であることがわかった。
第２年目までに，病変による変化の検出精度を高める推定手法を確立でき，これまでの方法よりも安定な組織変化検出ができることが明らかとなった。また，病変推定に適切な粘弾性モデルについても検討を行い，推定精度への影響も評価できた。これらの点については，当初の予定が達成できている。第３年目は，これまでの成果をまとめ，実際の臨床データの検討や，診断装置での測定の問題点の検討を，追加実験やシミュレーション等を行いながら，検討を進める予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
第３年目は，まず，粘性を考慮できる生体組織ファントムを用いて，音響特性変化と超音波エコー信号変化，およびせん断波の伝搬状況の測定を行い，順問題の検討をさらに進める。これまでの検討から明らかになったように，生体を伝搬する横波であるせん断波は，縦波超音波の伝搬速度1540 m/s と比較し，周波数は数100Hz以下，伝搬速度数m/s と，波動としての性質に，非常に大きな差があり，十分な検討が必要である。そして，体表の脂肪組織の影響や音速の違いによる音波の屈折，臓器内での多重散乱の影響など，複雑な音響現象もとりこめるように，計算機シミュレーションモデルを構築し，ファントムによる実験とも比較する。これらの結果をもとに，超音波エコー信号・横波音速・減衰と組織構造変化の間を記述する組織音響特性変化モデルを確立する。
順調に順方向問題の検討が進行した場合は，臨床画像とせん断波伝搬の観測から生体組織の線維構造と脂肪化を定量的に求める逆問題について検討し，慢性肝疾患の病変進行についての定量診断手法を確立していく予定である。
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