動脈硬化診断と硬さ計測
長谷川英之 1,2，金井 浩 2,1，市来正隆 3，手塚文明 4(1 東北大学大学院医工学研究科，2 東北大学大学院工学研究科，3 JR 仙台病院，4 仙台赤十字病院)
2. 原理

1. はじめに
近年，食生活の欧米化や高齢化社会の急速な進展

超音波診断装置の超音波プローブから送信されに伴い，動脈硬化症に起因する心筋梗塞や脳梗塞なた超音波パルスは，微小振動している心臓・動脈壁

どの循環器疾患の増加が問題となっている 1-3)．これで反射されて超音波プローブに戻るまでに，伝搬距らの重篤な疾病は，動脈硬化性プラークの破綻によ離による位相遅れが生じる．著者らが開発した位相り発症すると言われており，その易破裂性を診断す

差トラッキング法では，深さ d における反射・散乱ることが重要である．血管内視鏡カテーテルを動脈波の直交検波信号 z(d; n) = zr(d; n) + jzi(d; n) から，連内に直接挿入し病変部位を特定する観血的な診断続する 2 つのフレームにおいて送受信された超音波法や，造影剤を使用した X 線 CT，MRI などの画像

パルス間の位相差 Δθd(n) = θd(n+1) – θd(n) を複素相診断法は，いずれも患者に与える肉体的, 精神的負互相関関数γd,n により検出する 10)．

 z (d + x (n); n) ⋅ z (d + x (n); n + 1)

担が大きいことから病変の経時的変化を反復的に診断する方法としては不向きである．それに対し，
超音波断層法は非侵襲であり，反復診断に適してい*dγ d ,n = d ∈Rd z (d + x (n); n) ⋅ z (d + x (n); n + 1)
*dるが，やはり形状の診断が主である．

dd ∈R(1)= e jΔθ d ( n )動脈硬化症による組織変性に伴い，動脈壁の弾性特性は変化する 4,5)．また，プラークの易破裂性診断において壁の機械的特性は欠かせない要素である．
このようなことから，動脈壁の弾性特性を非侵的襲的に評価することは有用である 6)．従来，心拍による動脈径の変化を超音波により非侵襲計測し，弾性特性を評価する試みが主であった 7-9)が，そのような場合，動脈を壁厚の均一な円筒管と仮定する必要があり，動脈硬化性プラークが生じ，壁厚が不均一となった場合には適用できないという問題がある．本
研究グループでは，このような問題を解決するため，超音波を用いて心周期内における動脈壁のミクロンオーダの厚み変化(ひずみ)

図 1: 位相差トラッキング法の原理説明図．

を高精度に計測することによって，動脈壁の局所弾性的特性を評価す

ここで，n はフレーム番号，xd(n) は深さ d の点の変る手法を開発した 10-13)．

位である．また，*は複素共役を示す．(1)式によりこの手法では，受信超音波の位相偏移および中心検出された位相差 Δθd(t)をもとに，2 つのフレーム周波数に基づき動脈壁内の変位分布を推定し，その(時間間隔 T ) 間の対象物変位 Δxd(n) (Δxd(n) を T で変位分布に基づきひずみを算出している．変位を推除すれば T 間の平均速度) が次のように求められ定する際，推定の際に仮定した中心周波数と，実際る.の受信超音波の中心周波数が異なる場合には変位の推定誤差が生じる．本稿では，このような誤差を低減するための手法について述べるとともに，模擬血管および摘出血管を用いた実験結果を示す．

Δx d (n) = −c0
Δθ d (n)4π f 0(2)ここで，f0 は送信超音波の角周波数，c0 は音速である．(2)式により得られたフレーム間変位 Δxd(n) をい，受信超音波 RF 信号を 40 MHz，16 bit で A/D積算することにより変位 xd(n) が得られる．以上の変換した．超音波ビームの走査線数は 46，フレーム処理を，各深さ d に適用することにより，超音波ビレートは 286 Hz である．

ームに沿った変位分布{xd(n)}が得られる．
著者らは，心拍１周期内の動脈壁の微小な厚み変化(数十ミクロン，ひずみとして数%)を計測するた
めに，変位計測精度のさらなる向上を行った 14)．(2)式を用いる場合，通常は送信超音波と受信超音波の中心周波数は同じと(もしくはある周波数を)仮定す

図 2: in vitro 実験システム．

る．本来必要なのは受信超音波の中心周波数であるが，複数の散乱体が存在する場合には，散乱波はお互いに干渉し中心周波数が変動する．これは，受信超音波信号の周波数スペクトルに，干渉によるディップが発生し見掛け上中心周波数が変化するからである．このような中心周波数変動の影響を低減するための誤差補正関数βd,k を導入する．

c0∠ γ' d , n ⋅ γ *d , n4 π f0
β d ,n =ΔX()(3)

 z (d + x (n); n) ⋅ z (d + x (n) + ΔX ; n + 1)
*dγ ' d ,n = d∈Rd z (d + x (n); n) ⋅ z (d + x (n) + ΔX ; n + 1)
*ddd ∈R(4)
ここで，ΔX は受信超音波信号の標本化周波数である．
βd,n により誤差が補正された変位 Δxd(n)は(5)式で表される．

Δx d (n) =c0∠ γ d ,nβ d ,n 4 π f 01(5)(5)式で算出されたフレーム間変位 Δxd(n) をフレーム方向に積算することにより変位 xd(n)が得られる．
深さ d 方向 2 点の変位 xd(n) の差分もしくは変位xd(n) の深さ d 方向の空間勾配を推定することで壁のビーム方向の厚み変化(ひずみ) εr,d が得られる．

3. 摘出血管を用いた in vitro 実験

図 3: in vitro 実験結果．(1) 超音波 B モード断層像．

3. 1 実験システム(2) 径方向ひずみ像．(3) 弾性率断層像．(4) 顕微鏡

塞栓症患者のバイパス手術の際に摘出された大像(エラスティカ−マッソン染色). (5) 顕微鏡像(ヘ腿動脈を用いて in vitro 実験を行った．図 2 に示す循

マトキシリン−エオシン染色). (a) 石灰化が見られ環系を模擬した水槽実験系において，拍動流ポンプた部位．(b) 線維組織からなる部位．

を用いて血管内圧の変化を発生させた．
ま た ， 測 定 は 超 音 波 診 断 装 置 (ALOKA 社 製SSD-6500)の 10 MHz リニア型プローブを用いて行

3. 2 実験結果
図 3(a-1)と 3(b-1)は超音波診断装置を用いて撮影した B モード断層像である．第 1 フレームにおいてく対応した．本手法を用いることにより動脈壁の局手動で壁位置(図 3(a-1)と 3(b-1)それぞれにおいて 2所弾性特性を非侵襲的に計測することが可能であ本の赤線に挟まれた領域)を設定し，第 2 節で述べたり，動脈硬化症の定量的診断への貢献が期待できる．

手法により動脈壁内の変位分布を推定することにより得られたひずみ分布をイメージングした結果が図 3(a-2)と 3(b-2)である．図 3(a-2)の部位はひずみが非常に小さい．図 3(b-2)の部位はひずみが比較的大きく，内腔(図 3(a)，3(b)の上が内腔側)からの距離の増加に伴いひずみが小さくなる，円筒管壁のひずみ分布に対応する傾向が見られた．
また，図 3(a-3)と 3(b-3)は，内圧変化から円筒管壁の応力分布を算出し，壁の弾性率分布を推定した結果である．図 3(a-3)中に緑の線で示した領域には石灰化が見られた．一方，図 3(b-3)の部位はほぼ均一に線維組織(平滑筋と膠原組織の混合組織)から構成されていた．これらの結果から，本稿で述べた手法により得られた弾性率分布が組織性状を良く反映していることが分かる．

4. ヒト頸動脈の in vivo 計測
4. 1 実験システム
図 4 はヒト頸動脈壁弾性特性の in vivo 計測結果である．図 4(a)はプラークのある部位を，図 4(b)は健常

図 4: ヒト頸動脈の in vivo 計測結果．(1) 超音波 B部位を計測したものである．図 4(2)のひずみ像におモード断層像．(2) 径方向ひずみ像．(3) 弾性率断層

いてプラークではひずみ量が不均一であり，ひずみ像．(a) 動脈硬化性プラークが見られた部位．(b) 健量が小さい部位が見られ，それに対応して図 4(a-3)

常な部位．

では弾性率が高くなっている．それに対し図？(b)の健常部位においては，図 4(b-2)に均一に 5%程度

参考文献

(心臓収縮期に壁厚みが減少しているため負号)のひ

1) E. Falk, P. K. Shah, and V. Fuster: Coronary Plaque

ずみ量が検出されている．このように本計測法を用

Disruption, Circulation, 92 (1995) 657.

いれば動脈壁局所の弾性特性の計測が可能であり，

2) M. J. Davies: Stability and Instability: Two Faces of

喫煙・糖尿病・冠動脈疾患と頸動脈弾性特性との関Coronary Atherosclerosis, Circulation, 94 (1996)

係が示されるなど 16-20)，臨床における有用性も示さ2013.

れつつある．

3) J. Golledge, R. M. Greenhalgh, and A. H. Davies: TheSymptomatic Carotid Plaque, Stroke, 31 (2000) 774.

5. まとめ4) R. T. Lee, A. J. Grodzinsky, E. H. Frank, R. D. Kamm,

本稿では，心拍に伴う血管内圧の変化により発生

and F. J. Schoen: Structure-Dependent Dynamic

する数十ミクロンの動脈壁の微小厚み変化を検出

Mechanical Behavior of Fibrous Caps From Human

し，動脈壁の弾性特性を非侵襲的に超音波計測する

Atherosclerotic Plaques, Circulation, 83 (1991) 1764.

手法について述べた．受信超音波信号の位相変化を

5) H. M. Loree, A. J. Grodzinsky, S. Y. Park, L. J.

高精度に検出することにより，数十ミクロンという

Gibson, and R. T. Lee: Static Circumferential

微小な壁の厚み変化を検出することが可能となっTangential Modulus of Human Atherosclerotic Tissue,

た．摘出血管を用いた in vitro 実験を行ったところ，J. Biomech, 27 (1994) 195.

計測したひずみ・弾性特性分布と壁の組織性状が良6) P. C. G. Simons, A. Algra, M. L. Bots, D. E. Grobbee,

and Y. van der Graaf: Common Carotid Intima-Media17) H. Okimoto, Y. Ishigaki, Y. Koiwa, Y. Hinokio, T.

Thickness and Arterial Stiffness, Circulation, 100

Ogihara, S. Suzuki, H. Katagiri, T. Ohkubo, H.

(1999) 951.

Hasegawa, H. Kanai, and Y. Oka: A Novel Method for7) A. P. G. Hoeks, C. J. Ruissen, P. Hick, and R. S.

Evaluating Human Carotid Artery Elasticity: Possible

Reneman: Transcutaneous Detection of Relative

Detection of Early Stage Atherosclerosis in Subjects

Changes in Artery Diameter, Ultrasound Med. Biol.,with Type 2 Diabetes, Atherosclerosis, 196 (2008)

11 (1985) 51.

391.

8) T. Länne, H. Stale, H. Bengtsson, D. Gustafsson, D.

18) Y. Ogata, Y. Miyachi, K. Manaka, H. Hasegawa, H.

Bergqvist, B. Sonesson, H. Lecerof, and P. Dahl:

Kanai, K. Itoh: Carotid Artery Elasticity Using theNoninvasive Measurement of Diameter Changes inPhased-Tracking Method Is Useful as a Risk Factor

the Distal Abdominal Aorta in Man, Ultrasound Med.

for Coronary Artery Disease, EUROSON 2009

Biol., 18 (1992) 451.

(2009).

9) P. J. Brands, A. P. G. Hoeks, M. C. M. Rutten, and R.

19) T. Yamagishi, M. Kato, Y. Koiwa, K. Omata, H.

S. Reneman: A Noninvasive Method to Estimate

Hasegawa, and H. Kanai: Evaluation of Plaque

Arterial Impedance by Means of Assessment of Local

Stabilization

Diameter Change and the Local Center-Line Blood

Intima-Medial

Flow Velocity Using Ultrasound, Ultrasound Med.

TranscutaneousBiol., 22 (1996) 895.

Characterization System, J. Atheroscler. Thromb., 1610) H. Kanai, M. Sato, Y. Koiwa, and N. Chubachi:

byFluvastatin

Elasticity

with

MeasuredUltrasonic-Based

CarotidbyaTissue(2009) 662.

Transcutaneous Measurement and Spectrum Analysis20) A. Tokita, Y. Ishigaki, H. Okimoto, H. Hasegawa, Y.

of Heart Wall Vibrations, IEEE Trans. UFFC, 43

Koiwa, M. Kato, H. Ishihara, Y. Hinokio, H. Katagiri,(1996) 791.

H. Kanai, Y. Oka: Carotid Arterial Elasticity is a11) 長谷川英之, 金井浩, 中鉢憲賢, 小岩喜郎: 動Sensitive Atherosclerosis Value Reflecting Visceral

脈壁厚変化の非侵襲的高精度計測による局所弾

Fat Accumulation in Obese Subjects, Atherosclerosis,性特性の評価, 超音波医学, 22 (1997) 851.

206 (2009) 168.

12) 長谷川英之, 金井浩, 星宮望, 小岩喜郎: 不均一な壁厚を有する管の局所壁弾性率の計測法,
超音波医学, 28 (2001) J3.
13) H. Kanai, H. Hasegawa, M. Ichiki, F. Tezuka, and Y.
Koiwa:

Elasticity

ImagingofAtheroma

withTranscutaneous Ultrasound, Circulation, 107 (2003)
3018.
14) H. Hasegawa and H. Kanai: Reduction of Influenceof Variation in Center Frequencies of RF Echoes on
Estimation of Artery-Wall Strain, IEEE Trans. UFFC,55 (2008) 1921.
15) S. P Timoshenko and J. N. Goodier: Theory ofElasticity, 3rd ed., McGraw Hill, New York (1970).
16) T. Yamagishi, M. Kato, Y. Koiwa, H. Hasegawa, andH. Kanai: Usefulness of Measurement of Carotid
Arterial Wall Elasticity Distribution in Detection ofEarly-Stage

Atherosclerotic

Lesions

CausedbyCigarette Smoking, J. Med. Ultrasonics, 33 (2006)
203.