JP6065601B2 - 超音波診断装置 - Google Patents
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Description
図10に関節軟骨の変性程度を推定する手法の検討に用いた実験装置の概略図を示す。XY軸ステージ上に水槽を設置し、水槽の上方には送受信兼用の振動子(直径3mm、中心周波数15MHz)を有し、直線的に超音波を送信する超音波探触子(検査技術研究所社製)に把持部を備えたプローブがXステージを介して設置されている。超音波探触子は電気的に接続しているパルサーレシーバー(オリンパスNDT社製)によって駆動され、0.002μsごとに4096点のデータ、時間にして8μs分の波形データを得られる。超音波探触子が受信した、試料からの超音波波形データは、パルサーレシーバーを通じてパーソナルコンピューターへ送られる。水槽はXYステージと2軸の傾斜ステージθによって、任意の位置および角度に配置することが可能である。また、超音波探触子は回転ステージによって回転可能である。この装置によって、関節軟骨試料の任意の位置および角度における超音波波形データを得ることができる。
(試料)
関節軟骨試料として幅40mm、奥行15mm、高さ10mmのブロック状に切りだしたブタ膝関節軟骨を用いた(図11)。また、変性した関節軟骨の模擬として、コラゲナーゼ処理したブタ膝関節軟骨を用いた。コラゲナーゼ(Serva社製)を30unit/mlの濃度となるようにPBS(Phosphate Buffered Saline)に溶解して調製したコラゲナーゼ酵素液(以下、単に「コラゲナーゼ酵素液」ともいう。)を振盪恒温水槽内に入れ、そこにブロック状に切りだしたブタ膝関節軟骨を漬けて37℃で0、1、2、3、4時間処理した。関節軟骨のコラーゲン線維をコラゲナーゼで分解することで、関節軟骨の変性を模擬することができる。臨床では肉眼により変性程度をグレード0(正常)、グレード1(軽度の変性)、グレード2(軽度の変性)、グレード3(重度の変性)、グレード4(重度の変性)に分類することが一般的であり、酵素処理0時間がグレード0に、酵素処理1時間がグレード1に、酵素処理2時間がグレード2に、酵素処理3時間がグレード3に、酵素処理4時間がグレード4の変性に相当する。
関節軟骨試料(n=10)を上記実験装置の水槽に設置して超音波波形データを測定した。測定において、位置についてはX軸方向にそれぞれ±5.0mmの範囲を0.5mmごとに21点とし、角度については、±5.0度の範囲を1.0度ごとに11点測定とし、合計で1試料について231点測定した。
ここで、xは反射エコー強度、yは反射エコー強度の標準偏差(x、yはそれぞれn個)であり、x_ave、y_aveはそれぞれx、yの平均を表す。
図13から明らかなように、試料1において酵素処理時間が増加するにつれて、プロットされる点が、右上から左下に直線状に移動しており、相関係数は0.978であった。また、表1より、すべての測定試料において相関係数は0.95を超えていることが分かった。したがって、関節軟骨変性の進行に伴って、関節軟骨表面からの超音波反射エコーの振幅の平均値と標準偏差が線形に減少していくことが明らかとなった。つまり、ランダムな測定位置や角度から超音波を送信し、得られた複数の超音波波形データの特徴量を統計処理することによって関節軟骨の変性程度を推定できることが明らかとなった。
手動で測定を実施するときに、一定の角度間隔ごとに超音波探触子を固定することは容易ではない。また測定点数は少ない方が、測定時間の短縮が可能となる。これは測定装置の利便性につながる。そこで、不等間隔の角度で測定して超音波波形データを取得し、統計処理に利用する超音波波形データの数を減少させた場合の影響を以下のステップ1〜4によって調べた。
幅40mm、奥行15mm、高さ10mmのブロック状に切りだしたブタ膝関節軟骨試料(n=10)をコラゲナーゼ酵素液で0、1、2、3、4時間、37℃で処理した。
図10に示す実験装置の水槽に酵素処理した関節軟骨試料をセットする。X軸テーブルなどを利用して、送受信兼用の超音波探触子を、ランダムな位置および角度に配置して、試験1と同様の方法で超音波波形データを測定し、関節軟骨試料からの超音波波形データを231点取得した。このとき取得した超音波波形データに番号を1番から231番までつけた。
1番から231番までの乱数を発生させて、その乱数にしたがって、N個(N=10,20,30,40,50,60,70,80,90,100)の超音波波形データを選び出す。このN個選び出す操作はそれぞれ10回行った。
N個だけ超音波波形データを用いた場合の反射エコー強度の平均値と標準偏差を算出した。酵素処理時間ごとに、横軸に反射エコー強度の平均値、縦軸に反射エコー強度の標準偏差としたグラフ上に、得られた反射エコー強度の平均値と反射エコー強度の標準偏差の値をプロットし、それらのプロットされた点に関する相関係数を上記式(II)により求めた。N個選び出す操作は10回繰り返したので、求めた相関係数の10回平均値を、N個だけデータを用いた場合の相関係数とした。
試行1における100点のデータを使用した際の結果(図14上段)と10点のデータを使用した際の結果(図14下段)を示す。いずれのグラフにおいても酵素処理時間の増大に伴って、プロットされる点が、右上から左下に直線状に移動していた。そしてその直線性に100点のデータを使用した場合と10点のデータ使用をした場合において大きな変化はみられなかった。
複数の測定位置および角度から皮膚を経由して超音波を送信して関節軟骨からの超音波波形データを取得することで、皮膚を経由した超音波によって関節軟骨の変性程度を推定できるかどうかを以下のステップ1〜3により検討した。
皮膚の模擬としてとり皮(厚さ1〜3mm)を上部に載せたブタ膝関節軟骨(以下「皮膚付きブタ膝関節軟骨」ともいう。)を図10に示す実験装置にセットして超音波を送信し、反射エコー強度が最大となる位置を探した。用いたブタ膝関節軟骨は試験1と同様であり、コラゲナーゼ酵素液で0、1、2、3、4時間、37℃で処理したものを用いた。
反射エコー強度が最大となる測定位置を基準としてX軸方向に±1.0mmの範囲を0.5mm間隔で測定する。
超音波探触子角度を±10度の範囲において1度間隔で変更し、それぞれの角度においてX軸方向に±1.0mmの範囲を0.5mm間隔で測定した。
一般に、超音波の入射角度が大きくなるにつれて、関節軟骨で反射する超音波波形データのエコー強度は減少する。この性質を利用して関節軟骨を評価する方法を以下のステップ1〜8により検討した。
図10に示す実験装置に皮膚付きブタ膝関節軟骨(n=12)をセットして超音波を送信し、反射エコー強度が最大となる位置を探した。皮膚付きブタ膝関節軟骨は試験3と同様に、コラゲナーゼ酵素液で0、1、2、3、4時間、37℃で処理したブタ膝関節軟骨にとり皮を上部に載せたものを用いた。
反射エコー強度が最大となる測定位置を基準として、角度が同一でX軸方向に±1.0mmの範囲を0.5mm間隔で測定した。
超音波送信時から、関節軟骨表面からの反射エコーの振幅が最大となる時刻Tiまでの時間をΔTiとした。
一般的な生体中の音速は、約1550m/sであるため、ΔTiと音速から、測定位置と関節軟骨表面で超音波が反射した位置(反射点)の距離(超音波伝播距離)を計算した。
最初に測定した位置を原点として、ステップ2で移動させた位置を求める。そして、それぞれの測定位置と、角度検知手段で得られた送受信する超音波の角度データと、超音波伝播距離とに基づき、5つの測定位置ごとの関節軟骨表面での超音波反射点の座標データを取得した。得られた座標データに基づいて近似平面を最小二乗法によって計算した。この近似平面を仮想関節軟骨表面とした。
超音波探触子角度を±10度の範囲において1度間隔で変更し、それぞれの角度においてX軸方向に±1.0mmの範囲を0.5mm間隔で測定して異なる5点の測定位置から超音波波形データを取得した。
それぞれの角度において、仮想関節軟骨表面の法線ベクトルと送受信した超音波の方向ベクトルとの角度差Δθを求めた(図19)。また、角度差Δθにおける超音波波形データの特徴量として、角度差Δθにおける5つの超音波波形データの反射エコー強度の平均値を求めた。
横軸に仮想関節軟骨表面の法線ベクトルと送受信した超音波の方向ベクトルとの角度差Δθ、縦軸に角度差Δθにおける反射エコー強度の平均値としたグラフ上に、角度差Δθと得られたと角度差Δθにおける反射エコー強度の平均値の値をプロットした。そして、プロットされた複数の点群の近似直線を求め、その近似直線の傾き(絶対値)を求めた。試料1における結果を図20に示す。
超音波探触子を備えたプローブを関節近傍の皮膚に押し当てて、識別可能な大きさの関節軟骨表面からの反射エコーを得られるようにモニターの超音波波形データを観察しながらプローブの角度を調整し、その角度でプローブを維持する。反射エコーが最大となる角度を厳密に探索する必要はなく、比較的大きな関節軟骨表面からの反射エコーが得られる角度を探索すればよい。
ステップ1で維持された角度から、プローブをランダムな方向に手動で傾ける。このとき超音波の角度データは、受信した超音波波形データと同期させてデータ取得部へ送信する。その中に反射エコー強度が最大となる超音波波形データが存在する。つまり、図7に示すように、ステップ1により、まずは比較的大きな関節軟骨表面からの反射エコーが得られる角度を探索し(■)、次にプローブをランダムな方向に手動で傾けて測定することで様々な角度(●)で測定すると、その中には反射エコー強度が最大となる超音波波形データが存在する。送受信される超音波の角度を知る手段を備えているので、測定者は、プローブを操作するときに超音波の角度を知る必要はない。プローブを傾ける方向は、プローブを握る手を同一面内で傾けるだけでなく、円やらせんを描くように動かす。
プローブの先端位置を手動で1.0mm程度平行移動させる。
上記ステップ1〜3を5回繰り返す。
それぞれの測定位置において受信する超音波波形データを角度データと同期してデータ取得部で取得する。
データ処理部において、取得した超音波波形データの特徴量が最大となる超音波の角度から一定範囲内の角度の超音波波形データを、超音波を送受信した位置ごとに選抜する。
データ演算部において、一定範囲内のそれぞれの角度における超音波波形データの特徴量群を統計処理することにより関節軟骨の変性程度を推定する。
2 振動子
3 把持部
4 プローブ
5 角度検知手段
6 パルサーレシーバー
7 超音波波形データ取得部
8 データ処理部
9 データ演算部
10 モニター
11 パーソナルコンピューター
Claims (5)
- 振動子を有し、直線的に超音波を送信する超音波探触子に把持部を備えたプローブと;超音波の角度検知手段と;プローブで送受信する超音波波形データを、超音波を送受信した位置ごとに、角度データと同期して取得する超音波波形データ取得部と;取得した超音波波形データの特徴量が最大となる超音波の角度から一定範囲内の角度の超音波波形データを、超音波を送受信した位置ごとに選抜するデータ処理部と;一定範囲内のそれぞれの角度における超音波波形データの特徴量群を統計処理することにより関節軟骨の変性程度を推定するデータ演算部とを備え、
前記超音波波形データの特徴量が、関節軟骨表面からの反射エコーの振幅、関節軟骨表面からの反射エコーの持続時間、該関節軟骨表面からの反射エコーの包絡線の振幅、包絡線の持続時間、関節軟骨表面からの反射エコーの信号処理値のいずれかである
ことを特徴とする超音波診断装置。 - 統計処理が、超音波波形データの特徴量の平均値と標準偏差の算出、又は、超音波波形データの特徴量と相対角度を変数とする非線形回帰であることを特徴とする請求項1記載の超音波診断装置。
- 送受信した位置を検知する測定位置検知手段をさらに備え、超音波波形データ取得部において、プローブで送受信する超音波波形データを角度データ及び測定位置データと同期して取得することを特徴とする請求項1又は2記載の超音波診断装置。
- さらにデータ処理部において、同一の超音波送受信角度を有する超音波波形データを取得し、測定位置から関節軟骨表面への超音波到達時間をそれぞれ求め、超音波伝播距離に基づいて測定位置ごとの関節軟骨表面の超音波反射点の座標データを取得することを特徴とする請求項3記載の超音波診断装置。
- さらにデータ演算部において、関節軟骨表面の超音波反射点の座標データから仮想関節軟骨表面を求め、仮想関節軟骨表面の法線ベクトルと送受信する超音波の方向ベクトルとの角度差Δθを求め、角度差Δθと角度差Δθにおける超音波波形データの特徴量との関係から、関節軟骨の変性程度を推定することを特徴とする請求項4記載の超音波診断装置。
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