生体内の流れ可視化
超音波流れイメージングの時空間分解能・定量性の向上
血液など体内で動いているものを超音波で計測すると、ドプラー効果により速さに応じた周波数変化が発生します。この周波数変化量を画像化したものが、カラードプラー画像であり、医用超音波イメージングの強みの一つになっています。この技術を発展させ、当研究室では心臓内部の血流や、末梢の微小血管、尿の流れなど体の中の様々な「流れ」をより鮮明・詳細にイメージングする研究を行っています。 例えば、Echo-dynamography(EDG)法と呼ばれる技術を開発し、心臓内部の渦流れやジェット流を可視化したり、流れの定量解析によるより詳細な心臓運動の評価に役立てようとしています。
EchoDynamographyの原理
ドプラ効果とは、観測者に向かってくる音源からの音波の周波数が高くなり、遠ざかっていく音源からの周波数が低くなることを言います。臨床超音波診断では、このドプラ効果を利用して、血液の流れがプローブから遠ざかるか近付くかを検出しています。 しかし、心臓の中の血流は必ずしも超音波の進行に平行な方向だけには流れていません。ここに流体力学の諸法則を応用することで、心臓や血管の中の血流を可視化するEchoDynamographyの開発がスタートしました。 左図に示すように、一般的に流れの成分は直流成分と渦流成分に分離することができます。
流量距離関数
超音波プローブからの距離がxnの位置における流速分布からxnにおける流量関数を描くことができます。このとき、Qnと隣接するQn+1を比較し、その差が一番大きい部位において他の平面から流入がある（ほかの平面に流出する）と考えることができます。EchoDynamographyでは、このような流れを考慮することで、二次元平面の流れの計測から三次元方向の流れを推測することができます。
EchoDynamographyの実例
右図は、左から通常のカラードプラ画像、EchoDynamographyによる血流ベクトル画像、同じく流線画像です。 経験豊かなソノグラファーはカラードプラ動画像を見ただけで、心臓の中の血液の流れをイメージすることができますが、通常はこのようなEchoDynamographyの画像を見て初めて血流の方向や大きさが分かることになります。また、渦の定量化なども可能です。
三次元流への拡張
超音波の二次元カラードプラ画像を基にしたEchoDynamographyだけではなく、経食道心エコーにより三次元データを取得し、それをバーチャル空間に再構築することで、三次元流の解析へも拡張しています。 現在、東北大学流体科学研究所の早瀬敏幸所長や船本健一博士との共同研究により、動脈瘤モデル内の三次元血流シミュレーションに超音波データを融合させることで、シミュレーションと実計測を極限まで一致させる研究が進行中です。 さらに、MRIによる血流解析も開始し、超音波の高時間分解能とMRIのデータ安定性の両立を目指した診断方法についての研究も開始しつつあります。
