山口 匡

超音波を用いた高精度かつ定量的な組織性状診断を実現するためには,生体組織の構造及び組成と物性との関係を明確にする必要がある.組織固有の指標として音速と減衰という音響特性に着目し,計測を行っている.本研究では細胞1つ程度の領域での分解能を有する中心周波数250MHzの超音波振動子を用いてラット臓器の音響特性解析を行った.性状の異なる組織として硬変肝モデルの計測を行い,硬変肝の音響特性が正常肝とは異なることを示した.また同様に組織構造が特徴的な腎臓,脾臓に関しても音響特性の比較を行い,臓器間の音響特性の違いを示した.

腹腔鏡下手術では、術中に血管や病変部など臓器内部の情報を取得するため、ポートから挿入可能な超音波プローブが使用される。しかし、別々のモニタに表示された腹腔鏡画像と超音波画像を同時に確認しなければならず、実空間と超音波画像の対応付けが困難である。そこで腹腔鏡画像に超音波画像をリアルタイムに重畳し、1画面の観察で画像間の対応付けを直感的に行うことが可能となるシステムを構築した。プローブ先端部は屈曲自由度を有しているため、腹腔鏡画像から屈曲角を検出する手法を用いて、腹腔鏡に対する先端部の位置姿勢情報を取得した。銅線を張ったファントムを用いたシステムの評価実験の結果、超音波画像の重畳位置精度は平均6.9pixelとなった。また腹腔鏡下で行った動物実験では、プローブ先端部の屈曲角検出率は83.1%という結果を得た。(著者抄録)

<B>目的</B>：超音波を用いた肝線維症の定量的診断法を開発することはきわめて重要である．パワースペクトル，テクスチャパラメータ，局所減衰，および統計学的特徴などの超音波信号の特性を用いて組織の特徴を解析することを可能にするためには，複雑な散乱体の構造と超音波信号との関係を十分に理解する必要がある．<B>方法</B>：本研究では，計算機シミュレーションによる散乱体モデルを用いて，超音波エコー信号の振幅包絡特性を解析した．ここで，我々の提案する定量的パラメータを用いたイメージング法を評価するために，様々な肝臓の状態を模したモデルを作成している．エコー信号の統計的特性は，スペックルを呈する肝臓内に内包された媒質の散乱体密度の増減に伴って変化した．<B>結果</B>：計算機シミュレーションにおける解析結果を考慮し，不均質な組織構造を有する媒質についての新しい解析法を本稿で提案する．この新しい方法により，嚢胞や血管の影響を除外し，これまでに提案されてきた手法に比して高精度に線維組織の存在を検出することが可能である．

前立腺癌治療後の患者のQOL維持のため,癌部位の局所的治療を目的とした詳細な癌部位の検出手法が求められている.本研究では,超音波画像診断法の精度の向上を目的として前立腺組織の癌組織を含む前立腺組織切片から,病理診断を元に癌部と非癌部を抽出し,超音波顕微鏡を用いて各部位の細胞レベルでの音響特性を計測した.癌組織と正常組織には,組織内の音速および減衰特性に統計的に有意差が認められ,超音波画像診断法における前立腺癌の精密な検出の可能性が示唆された.

Early diagnosis for non-alcoholic steatohepatitis (NASH) is desired because it may progress to cirrhosis or finally hepatocellular carcinoma in the severe case. To propose the possible noninvasive diagnosis using ultrasound, we aim to summarize the change of the tissue property. As a basic study, this report demonstrates the acoustic impedance of mouse livers in case of the normal, the liver cirrhosis and the NASH model using bio-acoustic microscopy. To measure the acoustic impedance, a transducer with 80-MHz center frequency, which is incorporated in a bio-acoustic microscopy system, was employed. The value could be calculated based on the analysis of the echo amplitude, and 2D image of acoustic impedance can be obtained by scanning the transducer. The 2D image demonstrated that the tissue structure is homogeneous in normal liver. In contrast, the pattern of random granular texture like lipid droplet was found in NASH liver. Based on statistical analysis, it was found that the acoustic impedance in case of NASH is lowest among all models.

By using two different analysis method, the scatter structure of rat liver was evaluated. Rat liver of fibrosis, NASH and control model were prepared. The self-made scanner system with 15-MHz ultrasound, which has good spatial resolution compared with commercial ultrasound scanner, were constructed. The single focused transducer with 15-MHz resonant frequency and 200 mu m lateral resolution was employed for the measurement. To quantitatively evaluate the scatter structure, two parameters were evaluated: the quantile-quantile (Q-Q) parameter and the scatterer size. As a result, there was no significant difference between the three different rat models.

Acoustic property of tissue such as speed of sound (SoS), attenuation provide beneficial information for the pathological diagnosis. The pathological change due to liver fibrosis have been investigated by using a 250-MHz central frequency transducer with fine spatial resolution of 4-mu m. The SoS and attenuation of rat liver in case of control and fibrosis models were measured by bioacoustics microscopy incorporating the 250-MHz transducer. In addition, rat spleen was measured to investigate whether tissue property in spleen was affected by liver fibrosis. The SoS and attenuation were calculated by analyzing the echo data in frequency domain, and their 2D images were obtained by scanning the transducer. After the measurement, the histology in the same cross section (H&E staining and Azan staining) was acquired for comparing with 2D image of acoustic properties. Rat livers and spleens of the control and fibrosis model were measured. In case of liver, there were the individual variability for SoS and attenuation. In a sample of fibrosis model, for example, the difference of SoS between normal and fiber portions were approximately 50 m/s. In contrast, there was no significant difference between them in another case. In addition, there was few difference between control and fibrosis models. In case of spleen, we clearly found the significant difference in SoS and attenuation between white pulp and red pulp. However, there was few difference between control and fibrosis models as well as the liver.

This work investigates the statistics of the envelope of three-dimensional (3D) high-frequency ultrasound (HFU) data acquired from dissected human lymph nodes (LNs). Nine distributions were employed, and their parameters were estimated using the method of moments. The Kolmogorov Smirnov (KS) metric was used to quantitatively compare the fit of each candidate distribution to the experimental envelope distribution. The study indicates that the generalized gamma distribution best models the statistics of the envelope data of the three media encountered: LN parenchyma, fat and phosphate-buffered saline (PBS). Furthermore, the envelope statistics of the LN parenchyma satisfy the pre-Rayleigh condition. In terms of high fitting accuracy and computationally efficient parameter estimation, the gamma distribution is the best choice to model the envelope statistics of LN parenchyma, while, the Weibull distribution is the best choice to model the envelope statistics of fat and PBS. These results will contribute to the development of more-accurate and automatic 3D segmentation of LNs for ultrasonic detection of clinically significant LN metastases. © 2014 The Japan Society of Applied Physics.

腹腔鏡下手術では，術中に血管や病変部など臓器内部の情報を取得するため，ポートから挿入可能な超音波プローブが使用される．しかし，別々のモニタに表示された腹腔鏡画像と超音波画像を同時に確認しなければならず，実空間と超音波画像の対応付けが困難である．そこで腹腔鏡画像に超音波画像をリアルタイムに重畳し，1画面の観察で画像間の対応付けを直感的に行うことが可能となるシステムを構築した．プローブ先端部は屈曲自由度を有しているため，腹腔鏡画像から屈曲角を検出する手法を用いて，腹腔鏡に対する先端部の位置姿勢情報を取得した．銅線を張ったファントムを用いたシステムの評価実験の結果，超音波画像の重畳位置精度は平均6.9 pixelとなった．また腹腔鏡下で行った動物実験では，プローブ先端部の屈曲角検出率は83.1％という結果を得た．

超音波を用いた高精度な組織性状診断を実現するためには,各種生体組織の有する構造および組成と物性との関係を明確にする必要がある.超音波顕微鏡を用いて生体組織の構造を視覚的に観察するとともに,同組織の音響的な性質を計測することで,光学顕微鏡を用いた病理検査では知ることのできない特徴を診断指標として得ることが可能である.本研究では,超音波顕微鏡で汎用的に使用されている周波数に比して高周波である250MHzでの生体組織の構造観察と音響特性計測を試みた.

肝胆膵外科領域において,体内に形成された固形がんに対して高精度に病変部位を検出し,内視鏡等を用いて低侵襲かつ高精度に治療することが求められている.著者らは,このような消化器がんに対する高精度低侵襲手術を実現することを目指し,診断から治療までのプロセスに導入する各種の新規イメージング技術やデバイス技術の研究開発を進めている.具体的課題として,診断・事前データ収集のフェーズでは,各種断層像からの臓器のセグメンテーション,粘弾性特性や音響特性など臓器物性のイメージング技術,呼吸による臓器変形量の計測,治療計画のフェーズでは,体位や呼吸による臓器変形の予測・モデル化,手術工程解析,治療のフェーズでは,腹腔鏡画像の視野拡大や,腹腔鏡画像と超音波画像との融合による手術支援,ステレオX線透視像による術中利用技術,などの研究開発が挙げられる.本講演では,プロジェクトの体制とこれらの課題のいくつかを紹介する.

腹腔鏡下手術では、術中に血管や病変部など臓器内部の情報を取得するため、ポートから挿入可能な超音波プローブが使用される。しかし、別々のモニタに表示された腹腔鏡画像と超音波画像を同時に確認しなければならず、実空間と超音波画像の対応付けが困難である。そこで腹腔鏡画像に超音波画像をリアルタイムに重畳し、画像間の対応付けを直感的に行うことが可能となるシステムを構築した。プローブ先端部は屈曲自由度を有しており、手元のダイヤル操作により角度が変化する。そこで先端部の位置姿勢を取得するため、腹腔鏡-プローブ間の位置関係と腹腔鏡画像上のプローブ形状から先端部の角度を推定する手法をシステムに統合した。これにより腹腔内に挿入される先端部にセンサやマーカを装着することなく位置姿勢を取得することが可能となった。動物実験により本システムの有効性を検証した。(著者抄録)

Electrothermal bipolar vessel sealing devices have been used for the ligation of vessels during surgical procedures. However, unexpected bleeding is still reported, the cause of which is not yet clarified by conventional histopathological analysis. In the present study, ultrasonic microscopy with a central frequency of 80MHz was applied to evaluate the mechanical properties of ligated vessels. Five arteries and five veins were electrically sealed for 0, 2, 4, 6, and 8 s. The speed of sound in the native adventitia were higher than that in the media. The speed of sound was not correlated with sealing time. However, acoustical inhomogeneity was seen in the sealed vessels. Thus, the acoustical properties of vessels may be affected by the electrothermal effect, and the evaluation of mechanical properties is important for assessing the tissue sealing performance. (c) 2013 The Japan Society of Applied Physics

To realize a quantitative diagnosis method of liver fibrosis, we have been developing a modeling method for the probability density function of the echo amplitude. In our previous model, the approximation accuracy is insufficient in regions with hypoechoic tissue such as a nodule or a blood vessel. In this study, we examined a multi-Rayleigh model with three Rayleigh distributions, corresponding to the distribution of the echo amplitude from hypoechoic, normal, and fibrous tissue. We showed quantitatively that the proposed model can model the amplitude distribution of liver fibrosis echo data with hypoechoic tissue adequately using Kullback-Leibler (KL) divergence, which is an index of the difference between two probability distributions. We also found that fibrous indices can be estimated stably using the proposed model even if hypoechoic tissue is included in the region of interest. We conclude that the multi-Rayleigh model with three components can be used to evaluate the progress of liver fibrosis quantitatively. (C) 2013 The Japan Society of Applied Physics

Electrothermal bipolar vessel sealing devices have been used for the ligation of vessels during surgical procedures. However, unexpected bleeding is still reported, the cause of which is not yet clarified by conventional histopathological analysis. In the present study, ultrasonic microscopy with a central frequency of 80MHz was applied to evaluate the mechanical properties of ligated vessels. Five arteries and five veins were electrically sealed for 0, 2, 4, 6, and 8 s. The speed of sound in the native adventitia were higher than that in the media. The speed of sound was not correlated with sealing time. However, acoustical inhomogeneity was seen in the sealed vessels. Thus, the acoustical properties of vessels may be affected by the electrothermal effect, and the evaluation of mechanical properties is important for assessing the tissue sealing performance. (c) 2013 The Japan Society of Applied Physics

近年,超音波診断装置において,エコー画像に含まれるスペックルノイズを除去し,病変組織の量や分布の様子を詳細に捉えるための様々な手法が研究されている.本研究では,肝エコー信号に含まれるスペックルノイズと生体組織構造を反映したエコー信号との独立性を指標とし,独立成分分析(Independent Component Analysis; ICA)によるスペックル抑制法を提案する.組織構造とは独立した信号成分であるスペックルノイズを除去するため,広帯域プローブを用いて同一の肝臓を異なる周波数で観察することで観測信号を仮想的に増やし,ICAを適用した.肝硬変の臨床データによるICA分離結果では,"正数値のみのデータ"と"正負両方の値をもつデータ"の二つの出力が得られ,前者および後者の正部にスペックルノイズが,後者の負部には線維構造が抽出されることを確認した.この結果より,独立性を指標とした新たなスペックル抑制法の可能性が示された.

Histology performed to assess lymph nodes excised during node-dissection surgeries from cancer patients suffers an unsatisfactory rate of false-negative determinations due to labor and time constraints. In this study, more than 300 lymph nodes were scanned in 3D using a 26-MHz high-frequency ultrasound transducer. Following scanning, individual nodes underwent a special histology procedure that involved step-sectioning each node at 50-μm intervals to guarantee that no significant cancer foci were missed. The 3D radio-frequency ultrasound dataset was analyzed using overlapping 3D regions-of-interests that were individually processed to yield thirteen quantitative ultrasound (QUS) estimates associated with tissue microstructure and were hypothesized to show contrast between normal and cancerous regions in lymph nodes. Step-wise linear discriminant analyses were performed to yield an optimal QUS-based classifier. ROC curves and areas under the ROC curves (AUCs) were obtained to assess cancer-detection performance. The AUC for the linear combination of four QUS estimates was 0.83 for a dataset of 110 axillary nodes of breast-cancer patients. Similarly, using five QUS estimates, an AUC of 0.97 was obtained for a dataset of 180 nodes of gastrointestinal-cancer patients. These studies demonstrate that QUS methods may provide an effective tool to guide pathologist towards suspicious regions in lymph nodes. © 2013 Acoustical Society of America.

Objective: The main aim of this study was to investigate the relationship between gastric dynamics and electrical phenomena during mental stress. Materials and Methods: Antropyloric movements were measured for 25 minutes after the consumption of a meal using continuous ultrasonography of the pyloric anterior wall and simultaneous electrogastrograms (EGG) obtained in 8 healthy subjects. The relationship between the electrogastrograms and the actual gastric contractions while the subjects were performing mental arithmetic was then studied. The recordings were performed while the subjects were in a supine potion under five stages: 1) under fasting conditions and at rest for 5 minutes before lunch, 2) while eating biscuits and drinking water for 5 minutes, 3) while at rest for 10 minutes, 4) while doing mental arithmetic for 10 minutes, and 5) while at rest for 5 minutes after performing mental arithmetic. Results: The mental arithmetic significantly decreased the gastric contractions, the ultrasonographic power at 3 cycles per minute, the electrogastrographic power at 3 cycles per minute, and the mean R-R interval. The mental arithmetic did not affect the ultrasonographic diameter of the pyloric anterior wall or the dominant frequency of the EGG. Conclusions: The synchronicity between EGG and gastric movements increased after a mental arithmetic stimulus. Furthermore, the mental arithmetic inhibited postprandial gastric motility and the EGG for the lower abdomen as well as the heart rate. © 2013 Japan International Cultural Exchange Foundation and Japan Health Sciences University.

これまでに,脂肪肝や肝炎における肝臓への脂肪沈着の程度についてエコー信号の有する各種の特徴量を用いて数値化することが検討されている.しかし,超音波診断装置で取得されるエコー信号は生体組織の構造や音響的特性のみならず,送信音波の音圧が各位置で大きく異なる影響が強く反映されているため,未だ高精度な評価の確立はなされていない.そこで本研究では,超音波診断装置およびプローブ固有の送信音場特性を排除する手法を用い,生体組織の性質のみに起因した減衰率を算出することを試みた.また,脂肪や線維が沈着した肝臓におけるエコー信号の減衰率と脂肪沈着度について,送受信音波の周波数を基準として評価することを検討した.

膝関節における軟骨や半月板の診断に超音波診断装置が用いられているが,組織の組成や構造とエコー信号から得られる情報との関係が十分に解明されていないために,イメージング結果の妥当性を検証することができない.超音波は内視鏡(関節鏡)による直接的な検査に比較して侵襲性が低いため,超音波による定量診断法の確立が求められている.そこで,エコー信号の性質を決定する主要因である生体組織の音響特性に着目し,生体超音波顕微鏡を用いて軟骨および半月板の音速および減衰を算出することで組織の組成と音響特性の関係性について検討を行った、対象はヒト軟骨,ウサギ軟骨およびウサギ半月板であり,80MHzの超音波を用いた計測・解析を行った.

腹腔鏡下手術では術中に血管や病変部など臓器内部の情報を取得するため,ポートから挿入可能な超音波プローブが使用される.しかし別々のモニタに表示された腹腔鏡画像と超音波画像を同時に確認しなければならず,実空間と超音波画像の対応付けが困難である.そこで腹腔鏡画像に超音波画像をリアルタイムに重畳し,画像間の対応付けを直感的に行うことが可能となるシステムが求められている.プローブ先端部は屈曲自由度を有しているため,腹腔鏡-プローブ間の位置関係と腹腔鏡画像上のプローブ形状から先端部の角度を推定する手法を提案した.評価画像を用いた精度評価の結果,屈曲角度の平均誤差は1.1度となった.

近年,超音波を用いた複数の組織性状診断法が開発され臨床現場においても使用され始めており,これらの指標とされるエコー信号特性と組織物性の関係性を詳細に把握しておく必要性がある.また,組織内は様々なサイズ・組成の散乱体が分布しているため,複数の周波数を用いることが組織特性解析に有用であると考えられる.我々は,エコー信号の性質を決定する主要因である音速・減衰に着目し,これらの音響特性と組織物性の関係性を把握するため超音波顕微鏡を用いての計測・解析を行った.本報告では,80MHzおよび250MHzの振動子を用いてラット肝臓における脂肪,線維の計測・解析を行った.その結果,各周波数帯において組織の特性を確認することができ,高周波帯を用いたミクロな音響特性解析が可能であることが示された.

整形外科やリハビリテーション、スポーツ科学分野において、各種疾患の診断や治療効果判定として筋肉の三次元的運動の定量評価が望まれている。本研究では簡便でリアルタイムに動き計測が可能な超音波診断装置を用いて筋運動を計測することを目的とし、ヒトおよびブタの下肢の筋運動を観察し得られたエコーデータからオプティカルフローを使用して複数の筋肉の動きを解析することを試みた。得られたエコーデータから二次元及び三次元オプティカルフローの算出を行った結果、二次元、三次元ともに複数の筋肉がそれぞれ別々に運動に伴った往復運動をする様子を観察することができた。本手法により筋運動を三次元的に解析できる可能性が示唆された。(著者抄録)

The development of a quantitative diagnostic method for liver fibrosis using ultrasound would be highly medically significant. Detection and classification of tissue disease using the characteristics of the ultrasound echo signal, such as power spectrum, texture parameters, local attenuation and statistical characteristics, requires an understanding of the relationship between complicated scatterer structures and the echo signal. In this chapter, a quantitative ultrasound (QUS) method for detecting and classifying liver fibrosis on the basis of the estimation of scatterer density from the statistical analysis of echo envelopes is introduced. Fibrotic tissue is inhomogeneous therefore, its envelope probability density function (PDF) cannot be accurately modeled by a single PDF. Additionally, some regions have variable scatterer densities. In order to detect and characterize the fibrotic liver quantitatively, the relationship between the scatterer distribution and the PDF of echo envelopes of inhomogeneous scattering media using computer simulations was examined. Based on these simulations, the analysis parameters in the simulated fibrotic tissue were successfully used to characterize liver fibrosis in clinical data sets.