修士学位論文要約（平成 24 年 3 月）

血管壁の長軸方向変位を利用した頸動脈壁内膜表面粗さの高精度超音波計測に関する研究北村 浩典
指導教員：金井浩，研究指導教員：長谷川英之

Study on Accurate Ultrasonic Measurement of Luminal Surface Roughness ofCarotid Arterial Wall Using Arterial Longitudinal Motion
Kosuke KITAMURA
Supervisor: Hiroshi KANAI, Research Advisor: Hideyuki HASEGAWA
It would be useful to measure minute surface roughness of the carotid arterial wall for early stage ofatherosclerosis. In conventional ultrasonography, the axial resolution of a B-mode image depends on the ultrasonicwavelength of 150 m at 10 MHz because a B-mode image is constructed using the amplitude of the RF echo.
Therefore, the surface roughness caused by atherosclerosis in an early stage cannot be measured by conventional
B-mode ultrasonic images because the roughness is 10-20 m corresponding to sizes of endothelial cells. We haverealized to transcutaneouly estimate such minute surface profile accurately using lateral motion of the carotid
arterial wall which is estimated by block matching based on correlation between received ultrasonic RF echoes.
However, the width of the region, where the surface profile is estimated, depends on the magnitude of the lateraldisplacement of the carotid arterial wall (i.e., if the lateral displacement of arterial wall is 1 mm, the surface profile
is estimated in a region of 1 mm in width). In this study, the width was increased by combining surface profiles
estimated at several ultrasonic beams. In the present study, we first measured a fine wire, whose diameter was 13
m, using ultrasonic equipment to obtain ultrasonic beam profile for determination of the optimal kernel size forblock matching. Second, we estimated lateral displacement and surface profile of a phantom which had saw teeth
profile on its surface and compared it with the surface roughness measured by a laser profilometer. This result
proved to measure such surface profile (10 m) using the proposed method. Finally, we estimated lateraldisplacement and surface roughnesses of carotid arterial walls of three healthy subjects (24, 23, and 23-year-oldmales) using the proposed method. These results of in vivo measurements showed that the proposed method isapplicable.

1. はじめに動脈硬化症の極早期段階において，頸動脈壁内膜表面粗さの計測を行うことは有用である．従来の超音波診断装置では，B モード断層像は超音波 RFエコーの振幅を用いて構成されるため，中心周波数10 MHz の場合，B モード断層像の超音波ビーム方向の空間分解能は超音波の波長(150 m)程度である．動脈硬化症の極早期段階で生じる表面粗さは10-20 m であるため 1, 2)，従来の B モード断層像による超音波診断法を用いて計測することはできない．
そこで，超音波 RF エコー間の相関関数に基づくブロックマッチング 3)により推定した頸動脈壁の長軸方向変位を利用して，そのような微小な表面形状の高精度超音波計測を実現する 4)．しかし，表面形状の計測範囲は頸動脈壁の長軸方向変位量に依存する(血管壁の長軸方向変位量が 1 mm の場合，表面形状の計測範囲は 1 mm となる)．そこで本研究では，複数の超音波ビームにおいて推定された表面形状を結合させることにより，表面形状の計測範囲を拡張した．
2. 頸動脈壁内膜表面粗さ高精度計測の原理位相差トラッキング法 5)により，ある超音波ビーム位
置 xm, n フレームにおける超音波ビーム方向変位 d(m,dˆ ( m , n ) c2ω 0n- 1  θ̂ ( m , n )(1 )n0n)は次式のように表される．
ここで，c は生体中の音速 (1540 m/s)，および0 (=2f0) は超音波の中心角周波数 (中心周波数 f0 = 10MHz)である．
推定された変位 dˆ (m, n)は血管壁の拍動により生じる変位 dg(n)と表面形状 (粗さ)により生じる変位 ds(m, n)を含んでおり，次式のように表される．
dˆ ( m , n )  d g ( n )  d s ( m , n )(2)脈波の波長は 1 m 程度 (脈波伝搬速度は数 m/s，主な周波数成分は数 Hz)であるため，計測範囲 (血管長軸の数 mm の範囲)よりも十分に長い．そのため，ラテラル方向位置{xm}において拍動により生じる超音波ビー
ム方向変位{dg(m + i, n)} (i = 0, 1, 2, …, M - 1)は，超音波ビーム位置によらず一定と仮定することができる．
拍動により生じる超音波ビーム方向変位{dg(n)}は，位相差トラッキング法を用いて複数のビームにおいて推定された超音波ビーム方向変位{ dˆ (m, n)}を平均することにより，次式のように得られる．
1dˆ g ( n ) MM 1

 dˆ ( m , n )

(3)

m 0

ここで，M は超音波ビームの本数，d(m, n)は m 番目の超音波ビームの位置における超音波ビーム方向変位，dˆ g (n)は第 0 フレームから第 n フレームの間において拍動により生じる超音波ビーム方向変位である．これより，m 番目の超音波ビームにおいて推定される表面形状 zm(x; zm0)は次式のように表すことができる．

図 1 3 回の計測において推定されたシリコーン板の表面形状とレーザにより計測された表面形状．矢印は対象物のラテラル方向変位量を示している．(a) 超音波プローブとシリコーン板の間が水のみの場合．(b) 超音波
プローブとシリコーン板の間に肉片を挟んだ場合．

zˆ m ( x ; z m 0 )  zˆ m ( x m  lˆ ( m , n ); z m 0 ) z m 0  dˆ ( m , n )  dˆ g (n )(4)

ここで，zm0 は初期高さ(m 番目の超音波ビームでの第 0フレームにおける表面高さ)であり， lˆ (m, n)は推定された血管壁のラテラル方向変位である．
また，複数の超音波ビームにより計測された表面形状の計測範囲の重なりを利用し，計測範囲を血管壁のラテラル方向変位量 (約 1 mm) から B モード断層画像の幅 (約 8 mm) へと拡張する．
3. シリコーン板を用いた基礎実験
表面にノコギリ刃形状を持つシリコーン板をラテラル方向へ変位させ，図 1 のように表面形状を 3 回計測した．その際，皮膚と血管壁の間の音速不均一媒質を模擬するために，豚肉片を超音波プローブと対象物の間に挟んだ．レーザ変位計により計測した表面形状と比較することにより，提案手法を用いて 10
m 程度の表面形状を計測できることを示した．
4. ヒト頸動脈壁内膜表面の in vivo 計測
3 被験者(24，23，23 歳健常男性)の頸動脈壁の長軸方向変位および表面形状を in vivo において計測し，図 2 のように微小な表面形状を再現性良く計測することができた．
5. まとめ本研究を通じて提案手法により頸動脈内膜表面粗さの高精度超音波計測が行えることを示した．今後，動脈硬化症の極早期段階における頸動脈内膜表面粗さの超音波診断という形で，本研究の提案手法が応用されることが期待される．

図 2 各被験者について計測した頸動脈壁の表面形状．矢印
は血管壁のラテラル方向変位量を示している．(a) 被験者 A．(b) 被験者 B．(c) 被験者 C．

文献
1) E. Sho, M. Sho, T. M. Singh, H. Nanjo, M.
Komatsu, C. Xu, H. Masuda, and C. K. Zarins,Exp. Mol. Pathol., 73 (2002) 142.
2) Y. Uehara, I. Saito, T. Kushiro, and F. Nakamura,
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3) S. Golemati, A. Sassano, M. J. Lever, A. A.
Bharath, A. Dhanjil and A. N. Nicolaides,
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4) M. Cinthio, H. Hasegawa, and H. Kanai, IEEE
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5) H. Kanai, M. Sato, Y. Koiwa and N. Chubachi,
IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control,
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