原著

走査法の違いが Strain ratio 計測値に及ぼす影響−Real time Tissue Elastography とファントムを用いた検討−
山田大智1, 2＊，田中則子1, 3，越野八重美1, 3，小柳磨毅1, 3
1

大阪電気通信大学大学院 医療福祉工学研究科 医療福祉工学専攻
大阪大学医学部附属病院 リハビリテーション部
3
大阪電気通信大学 医療健康科学部 理学療法学科
2

要旨
【緒言】
超 音 波 診 断 装 置 の Strain elastography 機 能 を 用 い た Strain ratio（SR）
計測は，音響カプラと対象物のひずみ値の比率から，生体組織の剛性を非侵襲的に計測できる．しかし，SR 計測における走査法の違いが計測値に及ぼす影響は明らかにされていない．本研究の目的は，Real-time Tissue
Elastography と超音波エコー用ファントム（以下，ファントム）を用いて，走査法の違いが SR の計測値に与える影響を検証することである．
【方法】
ファントム内に配置した異なる剛性をもつ独立した内包物（ヤング率100kPa, 200kPa, 400kPa）を計測対象とし，走査法は長軸走査と短軸走査の 2 条件とした．測定誤差の評価には，変動係数（Coefficient of variation:CV）を用いた．
【結果】
SR，内包物ひずみ値，音響カプラひずみ値の CV は，100kPa の内包物
では各条件で同程度の値を示したが，200kPa と 400kPa の内包物では，長軸走査に比べて短軸走査において高値を示した．Elastography 画像を確認した結果から，200kPa と 400kPa の内包物では，内包物のひずみ分布が不均一であることや，短軸走査では音響カプラの弯曲に伴い中央部に限局したひずみ分布を示した．
【結論】
剛性が高い対象物の SR 計測では，長軸走査に比べて短軸走査におけるSR の測定誤差が増加することが示された．

はじめに膝蓋腱やアキレス腱などの腱障害は，腱に加わる負荷と再生能力が不均衡となった結果として生じ1），跳躍などのスポーツ動作能力を著しく低下させる2, 3）．腱障害の 画 像 評 価 に は，磁 気 共 鳴 画 像 診 断 装 置（Magnetic
resonance imaging: MRI）と 超 音 波 診 断 装 置（Ultrasound: US）が用いられる4）．腱障害の MRI 画像 は T2
信号強度が増加し5），US では低エコーを認める6）．腱は受付日 2023 年 9 月 15 日
採択日 2023 年 11 月 30 日
＊

責任著者
山田大智
大阪電気通信大学大学院 医療
福祉工学研究科 医療福祉工学
専攻
大阪大学医学部附属病院 リハ
ビリテーション部
E-mail:dl19a001@oecu.jp
キーワードstrain elastography
strain ratio
走査法

4％ 以上のひずみで微視的なコラーゲン線維の破壊を引き起こして7）剛性が低下し，さらなるひずみにさらされることで腱障害が進行すると考えられている8）．そのため，腱障害を早期に発見する手段として，腱の剛性評価が着目され9, 10），定量的な剛性の評価方法が検討されている11）．
生体組織の剛性を定量的に評価する方法として，磁気共鳴画像エラストグラフィ（Magnetic resonance elasto-

保健医療学雑誌 15 巻 1 号, pp8-16 2024 年 8graphy: MRE）がある．MRE は，撮像対象に対して音響的または機械的な剪断波を加え，軟部組織の剪断弾性率を推定する評価法である12）．しかし，この検査は実施できる環境が限定され，時間と高額な費用を要するため，臨床使用は限られる13）．これに対し，MRI を補完する検査機器として組織の剛性を計測する Elastography
機能を搭載した US が期待されている14）．US の Elastography 機能には，荷重による組織の変位を計測し，組織の剛性をカラーマッピング表示する Strain elastography（SE）と，プローブからプッシュパルスを放出して組織内を伝わる剪断波の伝搬速度より剪断弾性率を推定
す る Shear wave elastography（SWE）が あ る15）．ま た，
プローブの走査法には，観察する対象物に対して平行にプローブを当てる長軸走査と，対象物に対して直角にプ
ローブを当てる短軸走査がある16）．SWE 計測では，長軸走査がプッシュパルスの組織内伝搬速度を正確に計測できるとされ17），アキレス腱の SWE 計測においても，
短軸走査よりも長軸走査の再現性が高いと報告されている18）．しかし，長軸走査の SWE 計測で算出される腱の推定剪断弾性率には実際の剪断弾性率とは乖離があり，SWE 計測で得られる腱の推定剪断弾性率は，正確ではない可能性が指摘されている19）．一方，SE はこれまで
は色調を用いた定性的な剛性評価であったが20），新たに定量的な評価法として，計測対象のひずみ値と参照領域のひずみ値の比率を求める Strain ratio（SR）計測が開発された21）．しかし，SR 計測では長軸走査を用いた報告22-28）と短軸走査を用いた報告29-32）が散見され，走査法の違いが SR の計測値に及ぼす影響については明らかにされていない．
SE 計測のひとつである超音波診断装置に搭載される
Real-time Tissue Elastography（RTE）を用いた SR 計測
では，組織にプローブを押し当てて変形させ，任意に選択した関心領域のひずみ値（変形率）を算出する33）．ひ
ずみ値はプローブによる荷重の程度で変化する相対的な指標であり，SR 計測のために開発された一定の剛性をもつ音響カプラのひずみ値と計測対象のひずみ値の比により SR が求まる34）．本研究の目的は，RTE を用いた
圧縮的変形を評価する SR 計測35）において，異なる剛性をもつ単一の内包物を配置したファントムを用いて，走査法の違いが SR の計測値に及ぼす影響を明らかにすることである．

対象と方法
1．計測対象
計測対象は，ファントム（OST 社製）内に配置した
単一の内包物とした（図 1）．腱の表層には皮下脂肪組織が存在し，脂肪組織のヤング率は 18kPa36）と報告されている．これを参考に，計測対象となる内包物周辺部のヤング率は 20kPa とした．また，腱の剛性を示すヤン
グ率は，ヒツジ屈筋腱は 179kPa37），ウシ伸筋腱では約100〜310kPa38）と報告されることから，内包物のヤング率は 100kPa, 200kPa, 400kPa の 3 種類とした．
2．プローブの荷重を制御する装置
RTE を用いた SR 計測は，通常は用手的にプローブを操作して実施される．このとき，プローブによる荷重を加える前の初期荷重の違いが，SR の計測値に影響を与える可能性が示唆されている39）．そのため，本研究では以下の装置を用いてプローブの初期荷重を一定に制御し た．実 験 設 定 の 概 略 図 を 図 2 に 示 す．卓 上 試 験 機
FGS-TV（日本電産シンポ社製）に固定したデジタルフォースゲージ FGP-5（日本電産シンポ社製）に，自作の接続デバイスを用いてプローブを固定した．SR 計測
時の荷重量は，フォースゲージと卓上試験機のアドイン
ソフト FGT-VC（日本電産シンポ社製）を用いて調整した．プローブの荷重のための上下運動の移動速度は 400
mm/min とした．

図 1．計測対象としたファントム（a：概略図，b：実際の写真）
3 つのファントム（高さ：10.0cm，幅：10.0cm，厚さ：8.0cm）に剛性の異なる単一の内包物（直径：1.0cm，長さ：8.0cm，ヤン
グ率：100kPa, 200kPa, 400kPa）を，ファントム上端から 1.0cm 深部にその中心部が位置するよう，それぞれ独立して配置した．

保健医療学雑誌 15 巻 1 号, pp8-16 2024 年 9図 2．実験設定の概略（a：概略図，b：実際の写真）
卓上試験機，デジタルフォースゲージ，プローブを連結し，SR 計測時の初期荷重および荷重を制御した．

図 3．a：音響カプラ，b：音響カプラを装着したプローブ
SR 計 測 用 に 開 発 さ れ た 音 響 カ プ ラ EZU-TECPL1（幅：5.0cm，富士フイルムヘルスケア社製）を，専用アタッチメントを使用しプローブに装着した．

3．Strain ratio 計測方法
3.1．装置図 4．Strain ratio 計 測 時 の Elastography 画 像（a：長 軸 走 査，
b：短軸走査，c：Strain graph 拡大図）
SR 計測には超音波診断装置 Noblus と L64 プローブ
A：内包物関心領域，B：音響カプラ関心領域（いずれも，富士フイルムヘルスケア社製）を使用し，専用アタッチメントにより，音響カプラ EZU-TECPL1（幅：5.0cm，富士フイルムヘルスケア社製）をプローブ
形状に合わせて可及的に大きくとれる位置に設定したに装着した（図 3）．プローブは，いずれの走査法にお （図 4）．
いても内包物の中央部に配置し，長軸走査では内包物の長軸に平行に配置し，短軸走査では内包物の長軸に対し3.3．荷重条件
直角に配置した．
Uff ら40）の報告を参考に，SR 計測に用いる初期荷重
は 1.0N とした．RTE を用いた SR 計測では，初期荷重
3.2．関心領域にさらに荷重を加えた後，初期荷重まで抜重する操作を繰り返す必要がある41）．本研究では，初期荷重に加える
SR 計測における Elastography の表示領域は，長軸走査では上辺を音響カプラ上縁部，下辺を内包物下縁部と荷重を 3.0N とし，その後，上記の操作を 1 往復としてし，幅は画面に合わせた．短軸走査における上辺と下辺
5 往復繰り返した．また，荷重時間の延長によって生じの設定は長軸走査と同一とし，幅は内包物の幅に合わせる音響カプラと内包物の応力緩和を考慮し，初期荷重が負荷された状態から直ちに計測を開始し，荷重を 5 往復
た．計測対象と周辺部の境界ではアーチファクトが生じ40）やすいことから ，音響カプラと内包物の関心領域は， 繰り返した後はプローブをファントムから離した．
音響カプラ，ファントム，内包物の境界を含めずに，各

保健医療学雑誌 15 巻 1 号, pp8-16 2024 年 10

図 5．Strain ratio，内包物ひずみ値，音響カプラひずみ値
a：Strain ratio（長軸走査），b：Strain ratio（短軸走査），c：内包物ひずみ値（長軸走査），d：内包物ひずみ値（短軸走査），e：音響カプラひずみ値（長軸走査），f：音響カプラひずみ値（短軸走査）3.4．Strain graph
結果
RTE では，Elastography 表示領域内のひずみ値の平長軸走査と短軸走査における 100kPa, 200kPa, 400kPaの SR，内包物ひずみ値，音響カプラひずみ値を図 5 に均値が Strain graph として画面下段部に表示され，荷重時は正の値，抜重時は負の値として表示される（図 4）． 示す．図 6 の Elastography 画像において，「内包物の関SR 計測では Strain graph の谷にあたるフレームの選択
心領域（A）」は，長軸走査，短軸走査ともに，100kPaが推奨されている41, 42）．このため，5 往復中 3 往復目の （a, d）では全体が緑色に配色された均一なひずみ分布
抜重時に Strain graph の谷にあたるフレームを選択し， を示すが，200kPa（b, e），400kPa（c, f）では緑色と青色が混在する不均一なひずみ分布であった．一方，「音
音響カプラひずみ値を内包物ひずみ値で除して SR を算出した．
響 カ プ ラ の 関 心 領 域（B）
」で は，200kPa（b, e），400
kPa（c, f）において長軸走査と短軸走査の画像が異なっていた．長軸走査（b, c）は全体が赤く配色される偏り
3.5．計測順序
計測順序は初めに長軸走査にて，100kPa, 200kPa, 400のないひずみ分布を示したが，短軸走査（e, f）では，中央部が限局して赤く配色される不均一なひずみ分布がkPa の順にそれぞれ 10 回ずつ計測を行い，短軸走査も同様の手順で計測した．
認められた．
100kPa, 200kPa, 400kPa の SR，内 包 物 ひ ず み 値，音4．解析方法響カプラひずみ値の CV を表 1 に示す．SR，内包物ひ得られた SR の測定誤差の評価には，標本の標準偏差
ずみ値，音響カプラひずみ値それぞれの計測値（平均値を平均値で除して算出される変動係数（Coefficient of±標準偏差：100kPa, 200kPa, 400kPa）を記す．長軸走
43）variation: CV） を用いた．SR，内包物ひずみ値，音響
査 SR は 2.27±0.044, 4.02±0.091, 6.70±0.129 で あ り，
カプラひずみ値それぞれの CV を内包物ごとに算出し短 軸 走 査 SR は 1.99±0.045, 4.03±0.342, 6.46±0.494 でた．
あ っ た．内 包 物 ひ ず み 値（長 軸 走 査）は 0.50±0.007,
0.30±0.004, 0.19±0.006，内包物ひず み 値（短 軸 走 査）

保健医療学雑誌 15 巻 1 号, pp8-16 2024 年 11

図 6．長軸走査と短軸走査における各内包物の Elastography 画像例
a：100kPa, b：200kPa, c：400kPa（a〜c：長軸走査），d：100kPa, e：200kPa, f：400kPa（d〜f：短軸走査），
A：内包物関心領域，B：音響カプラ関心領域

表 1．Strain ratio，内包物ひずみ値，音響カプラひずみ値の変
動係数

（図 5）
．また，SR，内包物ひずみ値，音響カプラひずみ
値の CV は，100kPa の内包物ではいずれの走査法においても同程度の値を示した．しかし，200kPa と 400kPaの内包物では，短軸走査の SR，内包物ひずみ値，音響
カプラひずみ値の CV は，長軸走査に比べ高値を示した
（表 1）
．

考察

は 0.52±0.004, 0.32±0.009, 0.21±0.010 であった．音響
カ プ ラ ひ ず み 値（長 軸 走 査）は 1.15±0.023, 1.21±
0.029, 1.29±0.017 であり，音響カプラひずみ値（短軸走査）は 1.04±0.021, 1.29±0.077, 1.41±0.078 であった

本研究は，走査法の違いが SR の計測値に与える影響を明らかにするため，剛性の異なる単一の内包物を配置した同一のファントムを対象として，長軸と短軸の 2 つの走査法で SR 計測を行い，得られた計測値より SR，
内包物ひずみ値，音響カプラひずみ値における測定誤差（CV）を比較した．その結果，100kPa の内包物の測定
誤差は，長軸走査と短軸走査において同程度であったが，剛性の高い 200kPa と 400kPa の内包物では，長軸保健医療学雑誌 15 巻 1 号, pp8-16 2024 年 12

走査に比べて短軸走査で SR，内包物ひずみ値，音響カ
腱内に低エコーや無エコーが発生するアーチファクトがプラひずみ値それぞれの測定誤差は増大した．
生じやすいと報告されている49）．また，膝蓋腱やアキレ
短軸走査の測定誤差が増大した要因を Elastography
ス腱などの断面の形状は，本研究で用いた内包物よりも画像により検討した（図 6）．100kPa の内包物では長軸断面が平坦になっている場合が多い．今後は，腱の走行走査と短軸走査のいずれにおいても，全体が緑色に配色
や断面の形状が SR 計測に及ぼす影響についてもさらなされる均一なひずみ分布が確認さ れ た が，200kPa とる検討が必要である．
400kPa の内包物では，緑色と青色が混在する不均一な
利益相反
ひずみ分布が確認された．ひずみ分布が不均一な対象物の SR 計測は，関心領域が小さい場合には測定誤差が増
本研究において開示すべき利益相反はない．
44）
大する可能性が示 唆 さ れ て い る ．200kPa と 400kPa
文献の内包物はひずみ分布が不均一であったことから，関心領域が小さい短軸走査では測定誤差が増大したと考えら
１）Andonovski A, Andonovska B, Trpeski S: Results ofarthroscopic treatment of chronic patellar tendinopaれた．
thy. Pril （ Makedon Akad Nauk Umet Odd Med
次に，100kPa の内包物では，長軸走査と短軸走査のいずれも音響カプラ全体が緑色に配色される均一なひず
Nauki）41: 71-79, 2020
み分布が確認された．これに対し 200kPa と 400kPa の２）Lian OB, Engebretsen L, Bahr R : Prevalence of
内包物では，長軸走査では内包物の剛性増加に伴い，音jumper’s knee among elite athletes from different
sports: A cross-sectional study. Am J Sports Med 33:
響カプラ全体が赤く配色される偏りのないひずみ分布が561-567, 2005
確認された．一方，短軸走査では音響カプラの中央部が３）Silbernagel KG, Hanlon S, Sprague A: Current clini限局して赤く配色される不均一なひずみ分布が確認さ
cal concepts : Conservative management of achilles
れ，内包物の形状に沿った音響カプラの弯曲を認めた．
長軸走査では，音響カプラと内包物はいずれも平面であtendinopathy. J Athl Train 55: 438-447, 2020４）Rosen AB, Wellsandt E, Nicola M, et al. : Clinicalることから荷重は均一に加えられ，音響カプラのひずみ
management of patellar tendinopathy. J Athl Train 57:に偏りは認めなかった．これに対し，剛性の低い組織は
45）
621-631, 2022
高い組織と比較して大きく変形するため ，短軸走査では剛性が低く平面である音響カプラの中央部が，剛性の５）Yu JS, Popp JE, Kaeding CC, et al.: Correlation of
高い内包物断面の円形形状に沿って変形したと考えられ
MR imaging and pathologic finding in athletes underた．こうした音響カプラの弯曲により，内包物が位置す
going surgery for chronic patellar tendinitis. AJR Am
る音響カプラの中央部に限局した不均一なひずみ分布がJ Roentgenol 165: 115-118, 1995
生じ，音響カプラひずみ値の測定誤差が増大したと考え
６）Rasmussen OS: Sonography of tendons. Scand J Medられた．
Sci Sports 10: 360-364, 2000
以上のことから，200kPa と 400kPa の内包物におい
７）Sharma P, Maffulli N: Tendon injury and tendinopaて，内包物ひずみ値と音響カプラひずみ値の測定誤差が
thy: Healing and repair. J Bone Joint Surg Am 87:
増大した結果，SR の測定誤差も大きくなったと考えら
187-202, 2005
46）
れた．腱の幅は，膝蓋腱では 2.8±0.2cm ，アキレス腱８）Arya S, Kulig K: Tendinopathy alters mechanical andでは 1.2±0.4cm47），棘上筋腱では 1.6±0.3cm48）とされ，material properties of the achilles tendon. J Appl
いずれも音響カプラの幅（5.0cm）よりも小さい．そのPhysiol 108: 670-675, 2010ため，腱の SR 計測では，長軸走査を選択するほうが測９）Hatta T, Yamamoto N, Sano H, et al.: In vivo meas定誤差は小さくなると考えられ，本研究で得られた知見
urement of rotator cuff tendon strain with ultrasound
は，腱の SR 計測における走査法の選択に重要な情報を
elastography: An investigation using a porcine model.
提供すると考えられた．
J Ultrasound Med 33: 1641-1646, 2014
今後の課題として，生体における腱の走行と形状が挙 １０）Zordo TD, Fink C, Feuchtner GM, et al.: Real-time
げられる．本研究では直線的な構造を持つ内包物を計測
sonoelastography findings in healthy achilles tendons.
対象としたが，生体における腱は必ずしも直線的な走行
AJR Am J Roentgenol 193: W134-138, 2009をしていない．肩腱板のように弯曲し走行する腱の超音 １１）Foure A: New imaging methods for non-invasive as波画像においては，長軸走査では超音波入射角によってsessment of mechanical, structural, and biochemical

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保健医療学雑誌 15 巻 1 号, pp8-16 2024 年 15

Original article

Influence of different scanning method on
strain ratio measurement:
A phantom study using real-time tissue elastography
Daichi Yamada1, 2*, Noriko Tanaka1, 3, Yaemi Koshino1, 3, Maki Koyanagi1, 3
1Faculty of Biomedical Engineering, Osaka Electro‐Communication University Graduate School, Osaka, Japan
Department of Rehabilitation, Osaka University Hospital, Osaka, Japan
3
Faculty of Health Science, Osaka Electro‐Communication University, Osaka, Japan
2

ABSTRACTIntroduction
Strain ratio (SR) measurement using the strain elastography function of an ultrasound diagnostic device can be used tononinvasively measure the stiffness of living tissue by calculating the ratio of strain values between the acoustic coupler
and the target material. However, there are no reports on the influence of different scanning methods on SR measure‐ments. Therefore, this study investigated the influence of different scanning methods on SR measurement, using real‐timetissue elastography and a phantom.
Methods
Independent inclusions with stiffness values of 100, 200, and 400 kPa were placed in the phantom and measured using
both longitudinal and transverse scanning methods. Measurement error was used to examine the coefficient of variation.
Results
The coefficients of variation of SR, inclusion strain values, and acoustic coupler strain values were similar for both scanning
methods with 100 kPa inclusions, but for the 200 and 400 kPa inclusions, the transverse scanning method showed higher
values compared with the longitudinal scanning method. Elastography images showed heterogeneous strain distribution in
the 200 and 400 kPa inclusions, and the strain distribution was concentrated in the center of the acoustic coupler due tothe curvature of the acoustic coupler used in the transverse scanning method.
Conclusion
These results suggest that the SR measurement error increases when SR measurements are performed using the trans‐verse scanning method compared with the longitudinal scanning method for materials with high stiffness.
Key words: strain elastography, strain ratio, scanning method

保健医療学雑誌 15 巻 1 号, pp8-16 2024 年 16