脂肪肝診断のための市販超音波診断装置のアタッチメント大阪府立大学工学研究科電子物理工学科教授堀中博道 1 従来技術とその問題点 脂肪肝の診断には、超音波エコー装置が用いられているが、初期の脂肪肝は検出できない。 ＭＲＳ（Magnetic Resonance Spectroscopy）を用いると脂肪肝の定量評価も可能であるが、装置が大きく、高価で、測定時間もかかる。 最近、肝脂肪測定機能を持つファイブロスキャンが市販されているが、単一機能の装置としては高価。 2 新技術の特徴・従来技術との比較 • 超音波速度の温度依存性が水中と脂肪中で符号まで異なることを利用した新しい測定原理に基づく装置であり、脂肪肝の初期段階の診断に適用できる。 • 小型、軽量、安価でほぼリアルタイムである。 • 市販の超音波エコー診断装置に取り付けるだけで脂肪肝の診断に適用できる。 3 想定される用途 • 脂肪肝の初期診断（未病の段階で検出） • 生体内部の脂肪分布、脂肪割合の検出 • 剥がれやすい血管プラークの発見（脳梗塞、心筋梗塞の予防） • 小型、安価、リアルタイムなので健康診断、ベッドサイドでの診断 4 検出原理超音波アレイトランスデューサ加温用超音波トランスデューサ超音波速度 (m/s) 1550 1550 水 1.9 m/s℃ 1500 1500 1450 脂肪 - 4.9 m/s℃ 1450 I 1400 1400 35 36 36 37 38 39 38 40 40 41 組織境界 42 42 温度 (℃) 水中、脂肪中の超音波速度の温度依存性 II 生体組織水は温度上昇によって超音波速度が増加する特殊な液体 v n  v  n I II 2 加温前 n vn : 超音波速度変化 n : エコーパルスシフト加温後  n : エコーパルスの間隔 v : 温度変化前の超音波速度時間 1 1 + 2 5 移動補償プログラムの開発アレイトランデューサー加温用超音波トランスデューサー－振動ファントムでの検証－ X-axis Y-axis Z-axis ステージコントローラ微動機鶏肉脂肪移動補償なしウサギの呼吸、鼓動を再現（振幅、速度）超音波振幅画像移動補償あり超音波速度変化画像 6 家兎での実証実験加温用超音波トランスデューサー標準的なウサギの肝臓 V/V 0.5% 0% -0.5% 超音波エコーカメラ(SSD-500) 脂肪が蓄積されたウサギの肝臓 V/V 信号処理システム(PXI) 超音波速度変化イメージング装置周波数画像用超音波アレイトランスデューサー：7.5 MHz 加温用トランスデューサー：1.0 MHz 0.5% 0% -0.5% 7 開発装置の検証－麻酔下のウサギへの適用－大阪市立大学医学研究科での実験の様子 8 肝臓の脂肪蓄積に対する超音波速度変化超音波速度変化割合 (%) 0.06 con-1 con-2 r = -0.90 (p < 0.005) con-1,2：正常肝の兎 0.04 2w-1 2w-1,2,3： 0.02 高栄養食を２週間続けた兎 2w-3 0 4w-1 -0.02 2w-2 4w-1,2,3： -0.04 4w-2 高栄養食を４週間続けた兎 4w-3 -0.06 2 4 6 肝臓内の脂肪蓄積割合 (%) 8 肝臓部分の超音波速度変化は摘出肝の顕微鏡観測で求めた脂肪蓄積割合と高い相関を示した 9 プロトタイプ１号機画像用超音波アレイプローブ装置の構成 SSD-500 （超音波画像装置アナログ方式）送受信ボードディスプレイコントローラキーボード高速AD変換器高速HDD ファンクションジェネレータ高周波パワーアンプ加温用超音波プローブ 10 脂肪肝診断装置 • 超音波速度変化イメージング法によって家兎の肝臓の脂肪状態を観測することが可能であった。 • 人の肝臓の場合は、肋骨の間から診断するため加温と画像検出を同じ部分から行う必要がある。ＪＳＴのプロジェクトでは，加温と画像測定を同じトランスデューサーで行う脂肪肝診断の専用装置の開発を行っている。他の方法 ⇒市販装置のアタッチメントとして開発 11 市販の超音波エコー装置で脂肪肝診断 ①市販超音波診断装置は測定部位の設定、確認に用いる。 ②音響ミラーで切り替え ③加温 ④超音波速度変化測定 ⑤脂肪割合に換算、表示 ②、③、④、⑤を行う超音波トランスデューサーとその信号処理回路をアタッチメントとして開発する。＊肝臓内部で脂肪の分布はほぼ一様であり、中心値のみでよい。 ⇒単眼(1ch)のトランスデューサーで加温、超音波速度変化計測を行う。 12 アタッチメントの構造例市販の超音波診断装置のプローブ加温＋超音波速度変化測定用トランスデューサー切替え超音波ミラー表面ガラスなど裏面吸収材ブチルゴム等正面図診断部位の決定シリコーンゴム超音波を透過加温、超音波速度変化測定側面図 13 装置全体の構成市販超音波診断装置は測定部位の設定，確認にのみ用いる。加温制御，超音波速度変化測定は，専用回路ボードで行われ，ＰＣで処理され，脂肪割合を求める。ＰＣにはエコー波形が表示され，演算範囲を入力し超音波速度変化割合，脂肪割合が表示される。正弦波発生部(加温用）ミラー切り替え信号部超音波パルス送信部エコー信号受信部ＡＤ変換部メモリ部脂肪肝診断用制御部アタッチメント制御、信号処理回路ボード市販の超音波診断装置ＰＣ表示内容・エコー波形（1ch) ・超音波速度変化・脂肪割合 14 深部の脂肪割合測定のためのアタッチメントの試作例加温用超音波トランスデューサー（伊藤超短波のプローブ(1MHz)）薄い金属板（切り替える）超音波速度変化測定用トランスデューサー（ジャパンプローブの探針 (1-3MHz)）ＣＢ超音波アレイトランスデューサー（SSD-500用のプローブ(7.5MHz)）Ａシリコーンゴムによる窓ポジション A ：Bモード画像測定 B：超音波による加温 C：超音波速度変化測定Ｂモード画像測定市販の装置を用いる市販の超音波診断装置のプローブ加温，超音波速度変化専用の装置を作製 15 加温用トランスデューサーによる生体深部の加温の検証 16 生体疑似ファントムにおける超音波による深部の加温特性実験結果シミュレーション結果 ℃ 2.0 1.0 0 5 深さ (cm) 10 人の肝臓の診断に必要な5cm以上の深さでも十分な加温が可能である 17 実用化に向けた課題 • 試作したアタッチメントを市販装置と組み合わせ、生体疑似ファントムに適用して、内部の脂肪量の評価の実験を行い、改良する。 • 今後、家兎，大型動物について実験データを取得し、ヒトに適用していく場合の条件設定を行う。 • 医工連携研究を継続し、医師目線で使い易い構造、必要な表示内容、画面構成などを決定する。 18 企業への期待超音波エコー装置を開発、販売している企業、電子計測機器、超音波装置企業との共同研究開発開発内容・装置試作、・超音波プローブの設計、作製・音響ミラーの切り替え構造・信号処理回路、処理プログラムの改良など 19 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称：脂肪診断用付属装置および脂肪診断システム • 出願番号：特願2014-135343,特願2014-135344 • 出願人：大阪府立大学、大阪市立大学 • 発明者：堀中博道、森川浩安 20 産学医工連携の経歴 • 2011年-2012年キヤノン財団「産業基盤の創生」に採択医工連携研究大阪市大医学研究科、大阪府大工学研究科 • 2012年-2014年 JST研究成果展開事業に採択先端計測機器分析技術・機器開発プロジェクト産学医工連携研究開発大阪府大工学研究科、大阪市大医学研究科、㈱アドバンテスト 21 お問い合わせ先大阪府立大学産学官研究連携戦略室コーディネータ野村幸弘ＴＥＬ 072－254－ 8263 ＦＡＸ 072－254－ 7475 e-mail [email protected] 22