ずり弾性波を用いた生体組織硬さの超音波映像法
（所属機関名）群馬大学 （部局名）大学院理工学府 電子情報部門 （発表者）山越 芳樹 【概要】 ・生体組織の硬さの映像化技術は癌や腫瘍等の診断におけるツール ・従来法では、定量性、システム価格、生体への安全性に課題 ・定量性、価格、実時間性、生体への安全性を有する新たな映像技術 【技術の特徴】 ・超音波カラーフロー画像で使われる信号処理の特徴に着目 ・汎用の超音波エコー装置が映像化にそのまま使える ・定量性を有し物理的意味が明確な画像が複数得られる 【想定される用途】 ・医療診断、リハビリテーション ・画像による内部の粘弾性評価（レオロジー、食品科学、材料科学）ずり弾性とは
ずり弾性
体積弾性
体積を変えないような、ずり変形を繰り返しながら伝わっていく 弾性波 ずり弾性波 ずり弾性波は、個体中を伝わる振動波（体積弾性波、ずり弾性波の２つがある） の１つで地震のS波に相当 （地震のP波が体積弾性波に相当）ずり弾性波（せん断波：Shear wave)の特徴
１．伝搬速度（組織の硬さに大きく依存） ○生体組織では大体1m/sから数10m/s 組織を触った時の硬さに関連 伝搬速度の目安： プリン：1～2m/s程度 コンニャク：3～5m/s程度 プラスチック消しゴム：数m/s ～10m/s 理論的には、ずり弾性率の平方根を密度で 除した値として伝搬速度が定義される（ただし粘 性が無視できる場合） 生体の硬さの映像化のためのパラメータとして ずり弾性波（せん断波）の伝搬速度は適する ２．周波数依存性 理論的には、伝搬速度の周波数依存性からずり粘性が評価できる。 L. Castera, J. Vergniol, J. Foucher,
B. Le Bail, E. Chanteloup, M. Haaser et al. Gastroenterology, 128 (2005), 343.
肝線維化のずり弾性波による評価 （弾性率の平方根が伝搬速度に比例）
超音波による生体組織の弾性評価（製品化例）
Siemens
Virtual Touch Tissue Imaging
Virtual Touch Tissue Quantification
Virtual Touch Technologies
臓器の動きを ずり弾性波源 として使う MR Elastography 各社製品パンフレットより 音響放射圧法（ARFI*法） 高フレームレートの超音波映像装置が必要（システム価 格の上昇）、骨での温度上昇に懸念
*ARFI (Acoustic Radiation Force Impulse) ストレイン法（ストレインエラストグラフィ） （静圧印加時の歪を測定）定量性に劣る トランジェント法（トランジェントエラスト グラフィ） 低周波振動を用いる 映像化技術ではない 組織の弾性の映像化法としていくつかの方法が実用化された。しかし、従来法では、システ ム価格、定量性等で課題がある。
Ultrasonic Transducer Vibrator Low frequency vibration Soft Tissue
Shear wave propagation
映像法の基本原理（Ｉ）
Low frequency vibration is applied to tissue surface.
Continuous
s
hear wave is excited and the wave propagates inside the tissue.Wave-front of shear wave is
observed by a color flow imaging (CFI) under an experimental set-up where the shear wave frequency and the displacement amplitude conditions are satisfied.
Shear wave velocity and
propagation direction maps are reconstructed by Fourier analysis method .
Color flow Imaging unit
Mechanical vibrator
Power
amplifier O.S.C. Control PC Ultrasound
color flow imaging (CFI) system
Shear wave velocity and shear wave propagation direction maps are
reconstructed in PC. B mode image Ultrasonic probe Soft tissue PC
In CFI, the flow velocity v is estimated from the quadrature detector output signals Ii and Qi which are acquired for N+1 successive ultrasonic waves.
𝑣 =
4𝜋𝑓𝑐 0Δ𝑡𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎 𝑛
𝐸𝑈 𝐸𝐿 , 𝐸𝑈 = 𝑖=1 𝑁 𝐼𝑖𝑄𝑖+1 − 𝐼𝑖+1𝑄𝑖 , 𝐸𝐿 = 𝑖=1 𝑁 𝐼𝑖+1𝐼𝑖 + 𝑄𝑖+1𝑄𝑖 . (1) N: Packet sizeCFI method is
adopted to
observe the shear
wave wave-front.
Shear wave
𝜉 = 𝜉0 sin 2𝜋𝑓𝑏𝑡 + 𝜙𝑏
We assume that a tissue displacement 𝜉 is a sinusoidal one:
If the following two conditions are satisfied, 1) Shear wave frequency condition :
Δ𝑡 ∶ Pulse repetition period of US wave 𝑓𝑏 : Shear wave frequency
𝑓𝑏 = 1 2 𝑚 + 1 2 1 Δ𝑡 ,
2) Shear wave displacement amplitude condition :
1
8𝜆 < 𝜉0 < 3 8𝜆
A binary pattern produced on CFI, which consists of zero and the maximum flow velocities, makes a shear wave’s wavefront which propagates inside the tissue.
𝜆 : Wavelength of US wave m : zero or an integer value
(2)
(3)
(4)
It is derived that the estimated flow velocity by CFI algorithm becomes the maximum or zero depending on the phase of shear wave.
To obtain quantitative shear wave velocity and propagation direction maps,
Fourier analysis method is adopted for color flow velocity image FVM 𝑥, 𝑧, 𝑡
𝐹𝐹𝑀𝑉 𝑥, 𝑧, 𝜔𝑝 = 0𝑇𝐶𝐹𝐼 𝐹𝑉𝑀 𝑥, 𝑧, 𝑡 𝑒𝑥𝑝 𝑗𝜔
𝑝𝑡 𝑑𝑡
𝜔𝑝 : Angular frequency of wavefront motion.
𝜃𝐹𝑉𝑀 𝑥, 𝑧 = 𝑎𝑟𝑔 𝐹𝐹𝑀𝑉 𝑥, 𝑧, 𝜔𝑝
By differentiating the phase of the Fourier spectrum, the wave-numbers of shear wave are :
𝑘𝑥 𝑥, 𝑧 = 𝜕 𝜃𝐹𝑉𝑀 𝑥, 𝑧
𝜕𝑥 + 𝜔𝑏∆𝑇𝑝 , 𝑘𝑧 𝑥, 𝑧 = 𝜕 𝜃𝐹𝑉𝑀 𝑥,𝑧
𝜕𝑧 .
∆𝑇𝑃 : Time lag of the ultrasonic wave irradiation per unit length.
定量的なずり弾性波画像の構築法
Shear wave velocity map 𝑣𝑒𝑠𝑡(𝑥, 𝑧) and shear wave propagation direction map 𝜗𝑒𝑠𝑡 𝑥, 𝑧 are:
𝑣
𝑒𝑠𝑡(𝑥, 𝑧) =
𝑘(𝑥,𝑧)2𝜋,
𝜗𝑒𝑠𝑡(𝑥, 𝑧) = tan−1 𝑘𝑧(𝑥,𝑧) 𝑘𝑥(𝑥,𝑧) . (5) (6) 𝑘 𝑥, 𝑧 = 𝑘𝑥2 𝑥, 𝑧 + 𝑘𝑧2 𝑥, 𝑧 (7)Power
amplifier O.S.C. ControlPC Ultrasound color flow imaging system*1 Reconstruction of shear wave maps Ultra-sonic probe Soft tissue PC Ultrasonic probe Agar gel phantom Actuator head Large amplitude multilayer piezoelectric actuator *2
基礎実験系
*1 EUB-8500, Hitachi Aloka Medical with 6.5 MHz Linear probe
*2 AHB800, NEC-Tokin (Japan) Photograph of
phantom experiment
Video signal
B mode image
Phantom :
1.5w% agar gel
10[mm]
Shear wave phase map Shear wave velocity map
10
0
[m/s]
Shear wave propagation direction map 𝜗𝑒𝑠𝑡(𝑥, 𝑧) 𝜋 −𝜋 [rad.] Shear wave frequency : 276.3Hz
寒天ゲルを用いた基礎実験結果
x z 𝜃𝐹𝑉𝑀 𝑥, 𝑧 𝑣𝑒𝑠𝑡(𝑥, 𝑧) Color flow image0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 S hear wave v elocity measur ed by the pr opos ed method
Shear wave velocity measured by small displacement estimation method
[m/s]
[m/s]
●：1.00wt% ▲：1.50wt% ◆：1.75wt%
Shear wave frequency : 276.3Hz
僧帽筋での映像化例
Shear wave phase map
Shear wave velocity map Propagation direction map 10 0 [m/s] 𝜋 −𝜋 [rad] 10mm Vibration frequency : 273.6Hz Photograph of experiment 6.3 m/s x z Color Flow Image
Vibration frequency : 273.6Hz Proposed method 10 0 [m/s] Conventional method （Strain Elastography) Shear wave velocity
従来法(ストレインエラストグラフィ）との画像比較
Shear wave phase map Shear wave velocity map Propagation direction map 10mm Vibration frequency : 276.5Hz x z Color Flow Image
0 12 [m/s] 𝜋 −𝜋 [rad]
乳腺ファントムでの映像化実験
Photograph of experiment 提案法は、ファン トム内の膿胞の 検出に対して高 い感度を持つ医用診断: 骨格筋の弾性評価、 乳腺、甲状腺、前立腺のがん・腫瘍・膿胞の映像化、 産婦人科における子宮頚部の硬さ評価（分娩支援） 手術前の組織間の癒着の評価（手術支援） リハビリテーション： 筋組織のリハビリテーション効果の判定 患者の特性に合わせたリハビリテーションプログラムの開発 治療： 治療効果の定量的評価、 薬液の有効性評価、 手術後の機能回復評価 薬学： 薬剤開発におけるその場での評価技術（動物実験） 基礎科学： ゲル・レオロジー評価、高分子化学分野における、媒質のずり 粘弾性の評価手法（従来のレオメータに対して画像観察という 機能を追加、内部の評価が画像で可能になる） 食品科学： 食品の硬さ・弾性の可視化 物質科学（材料科学）: 媒質のずり粘弾性の可視化
