JP4475457B2 - 膠原線維割合測定装置 - Google Patents

Description

本願発明は、超音波計測した生体組織の弾性率から、組織を構成する膠原線維などの各要素の割合を算出するための解析方法及びその解析装置に関する。

線維組織や脂肪組織等の弾性率分布をあらかじめライブラリとして有していれば、特許文献１（国際公開第03/015635号パンフレット）に開示された方法(位相差トラッキング法)を適用して、血管壁の弾性特性を超音波計測することにより、血管壁の組織を線維組織や脂肪組織等に分類することができる。なお、非特許文献１も同様の事項を開示する。

国際公開第03/015635号パンフレット Hiroshi Kanai, Hideyuki Hasegawa, et al Elasticity Imaging of Atheroma With Transcutaneous Ultrasound Preliminary Study, Circulation 2003/107 3018-3021

位相差トラッキング法の概略を説明する。位相差トラッキング法は、心臓壁・血管壁の微小な振動速度を測定する新しい生体計測法であり、５００Ｈｚ以下、０．０１ｍｍレベルの振動、また、壁の１０ミクロンレベルの変化などを精度よく測定しうるものである。
この方法によると、たとえば動脈血管の壁内層間あるいは壁上に置いた複数の測定点の微小速度を超音波ドプラ法により求め、それら各定点での微小速度を時間積分することにより各測定点の時間的な位置変化を算出する。各測定点の時間的な位置変化から層の厚み変化が分かるので、層の弾性率が求まり、これから破れやすさを推測することができる。
実際には、第１図に示すように、超音波ビーム９１上の動脈壁内測定点を（ｉ）、その次の深さに設定した測定点を（ｉ＋１）に設定し、それぞれの測定点について微小振動速度Ｖｉ（ｔ）とＶｉ＋１（ｔ）とを求め、それらの微小振動速度の差を時間積分することで、動脈壁内の測定点（ｉ）と（ｉ＋１）に挟まれる層の厚み変化Δｈ（ｔ）を求める。
なお、９２はプラークである。
これを壁内各層ごとに弾性値にするには、最も簡単な方法としては、壁厚が厚くなる最低血圧の時点での壁厚と内半径をｈｄとｒｄ、厚み変化をΔｈとし、上腕動脈でのカフ圧での脈圧をΔＰとして、壁弾性率を各層ごとに以下の如く測定する。
血管内膜面から外膜側への厚さｈｄｎ各層毎の厚さ変化（Δｈｎ）から、血管壁粥腫内各微小部分（ｎ）ごとの弾性値（Ｅｎ）を、次式により求める。
Ｅｎ＝０．５（ｒｄ／ｈｄ＋１）ΔＰ／（Δｈｎ／ｈｄｎ）
この位相差トラッキング法により、超音波ビーム上で約０．０７５ｍｍ毎の血管壁内の深さ方向での層別弾性値が計測できるようになり、弾性値に基づく断層像を表示することが可能となる。

特許文献１に開示された方法は、位相差トラッキング法により、血管壁の局所的な微小領域ごとに弾性特性を超音波計測して、線維組織と脂肪組織等の血管壁の組織成分に分類するものである。つまり、この方法は、超音波を用いて血管壁の微小領域の弾性率を測定し、予めデータライブラリに蓄積した弾性率を含む弾性データと生体組織の種類（脂質・線維層など）との相関を参照し、測定された微小領域がどの種類の生体組織なのかを特定する。この方法によれば当該微小領域の弾性率によって、生体組織の当該部分が脂質なのか、線維層なのかを判別することができる。脂質は弾性率が低く、他方、線維層は弾性率が高いのが一般である。

図２は、前記方法に基づき、in vitro実験において計測した線維組織の弾性率である。
図２において、ｘ軸は弾性率を表し、ｙ軸は頻度（弾性率を計測した全領域の面積に対する、各棒グラフの範囲の弾性率が占める面積の割合）を示す。線維組織の弾性率分布は既知なので、図２の弾性率分布の平均値±標準偏差の範囲を線維組織として、in vivo計測された弾性率断層像から線維組織に対応する部位を特定することができる。

ところで、線維組織は膠原線維と平滑筋の混合物である。しかし、現状では、線維組織を特定することまではできるが、線維組織中の膠原線維を特定することはできない。他方、投薬による脂質低下療法を行うことで、動脈硬化性プラーク内の脂質を覆うように膠原線維が生成され、強固な線維性の被膜が形成されることが知られている。膠原線維の割合が特定できれば、治療による安定化の評価をはじめ、動脈硬化性プラークの易破裂性診断に有用な情報となることが期待される。

本願発明は、測定された血管壁の弾性率から、組織中の膠原線維割合を定量化することを目的とする。

線維組織中に膠原線維が増加するとともに、血管壁の弾性率は上昇するから、線維組織中の膠原線維の割合（全体中の量のことをいう）と弾性率の間には相関関係がある。本願発明にかかる解析方法は、この相関関係を利用して、弾性率と、これを計測した部位の病理組織標本から算出した膠原線維割合との相関関係を測定し、この相関関係について回帰直線を推定することで、弾性率から膠原線維割合を求めるものである。

血管壁の局所弾性率を特許文献１公報に開示された方法に基づき超音波計測する装置と、弾性率を計測した断面に関する病理組織標本の顕微鏡画像を撮影し、撮影した画像を解析することにより、膠原線維割合を算出する解析手段を有する。

この構成では、膠原線維割合と、対応する部位の弾性率との間の相関関係を表す回帰直線を推定することにより、血管壁の弾性率と膠原線維割合との関係を定量化できる。

生体組織中の膠原線維割合としては、比率で測ることが一般的であるが、他の指標を用いてもかまわない。そのような他の指標としては、例えば、体積比、重量比などが考えられるがこれに限定されるものではない。本明細書においては、これらを総称して膠原線維割合という。

本願発明を具現化した測定装置は、例えば、超音波発信端子により計測された超音波データから、測定対象部位の微小領域毎に弾性率を求める弾性率測定手段と、弾性率測定手段によって測定された弾性率から線維組織にかかる第一の微小領域を特定する線維組織特定手段と、生体組織中の膠原線維の比率と弾性率との定量的な相関関係を格納した膠原線維割合データベースと、膠原線維割合データベースにアクセスし、線維組織特定手段によって特定された第一の微小領域の膠原線維割合を算出する膠原線維割合算出手段とを含む。

本願発明によれば、超音波測定という比較的簡便な方法により、対象部位の弾性率を求めることによって、当該部位の膠原線維割合が測定できる。これによって、動脈硬化などの進行、血栓が生じる可能性や治療効果を簡便に計測することができる。

本実施形態では、特許文献１に開示された方法に基づき、血管壁の弾性率を超音波計測する。血管壁からの反射波を所定の標本化周波数でA/D変換して解析することにより、深さ方向には(音速)×(標本化周期)/2に対応する間隔ごとの弾性率を算出できる。さらに、超音波ビームを血管軸方法に所定の間隔で走査することにより、2次元の弾性率断層像を計測できる。

なお、本明細書においては、特許文献１記載の方法に基づいて生体組織の弾性率を測定しているが、生体組織の弾性率の測定方法は本願発明の対象ではなく、本願発明の適用にあっては当該測定方法に限定されるものではない。

次に、弾性率を計測した断面の病理組織標本を作成する。このために、例えば、エラスティカ−マッソン染色法を適用して膠原線維を青緑色に染色する。好ましくは、弾性率断層像を複数の部位に分割し、分割した各領域に対応する部位のエラスティカ−マッソン染色法を施した病理組織標本に関して、顕微鏡画像を撮影して解析することにより、青緑色に染色した膠原線維部位の比率を算出する。算出した各領域の膠原線維割合と測定された弾性率の関係をプロットし、両者の相関関係を表す回帰直線を推定する。

なお、本願発明においては膠原線維割合の定量化を目的としているが、本願発明の原理は膠原線維以外の組織についても適用可能である。病理組織標本を作成する際、膠原線維以外の組織を特異的に染色する染色法を適用すれば、膠原線維以外の組織構成要素についても弾性率との相関関係を定量化することができる。

図３(c)に、特許文献１公報に開示された方法に基づき計測した弾性率断層像を示す。解像度は、深さ方向75μm、血管軸方向300μmである。図３(c)の四角の枠に示すように、計測した弾性率断層像を複数の部位に分割して、各領域の平均弾性率を算出する。

次に、弾性率断層像を分割した各領域に対応する部位の病理組織画像を撮影する。図３(a)は、図３(c)に示す弾性率測定の一微小領域を拡大したイメージである。図３(a)において、エラスティカ−マッソン染色法を施しているため、膠原線維は青緑色に染色されている。図３(a)に示す病理組織画像を解析することにより、膠原線維に対応する青緑色の領域を抽出した結果が図３(b)である。
図３(c)に表れた他の領域についても同様に膠原線維の比率、弾性率の平均値と標準偏差を算出した。

図４はこの結果をグラフにプロットしたものである。図４において、プロットは各領域の弾性率の平均値を、縦棒は標準偏差を示す。図４に示すデータから、膠原線維の比率Ａ_colと弾性率Ｅとの相関関係を表す回帰直線を推定したところ、Ｅ＝３１×Ａ_col＋３４０[kPa]であった。弾性率の標準偏差が大きい領域は、膠原線維や平滑筋などの組織成分が均一に分散しているのではなく、空間的に偏って分布していると考えられる。超音波の分解能は数百ミクロンであり、顕微鏡に比べ空間分解能が悪いため、数百ミクロン単位の平均的な弾性率を算出している。したがって、弾性率断層像と顕微鏡画像の対応をとる場合には、組織成分が空間的に均一に分散している部位を用いるのが望ましい。そこで、組織成分が均一に分散していると考えられる、弾性率の標準偏差が小さい(弾性率の標準偏差)/(平均値)<0.2のデータを用いて推定することが望ましい。

以上のようにして得られた定量関係に基づいて、in vivoで計測した弾性率断層像から膠原線維割合を算出した例を図５に示す。
図５(a)は、ヒト頸動脈において計測した弾性率断層像である。弾性率断層像中で、図２に示す線維組織の弾性率分布の平均値±標準偏差に該当する領域を抽出し、青色で表示した結果を図５(b)に示す。
図５(b)において抽出した領域に関して、図４に示した膠原線維の比率と弾性率の定量的な相関関係から、膠原線維割合を算出してカラーコーディングした結果を図５(c)に示す。

次に、本願発明の方法を実現した測定器の例を図６に開示する。
図６に示される測定器は、人体の所定の部分に接触し、超音波測定を行うための超音波発信端子１を具備している。超音波発信端子１はCPU３に超音波測定データを転送する。CPU３は、位相差トラッキング法その他適宜な方法を用いて、例えば、特許文献１に開示された方法により、超音波測定データから測定対象部位の微小領域毎に弾性率に変換する弾性率変換手段５と、変換された弾性率から微小領域のうち線維組織部分を特定する特定手段７とを含む。

さらに、CPU３は、メモリ８中に存在し少なくとも膠原線維の比率（比率、体積比、重量比その他をいう）と弾性率との定量的な相関関係を格納した膠原線維割合データベース９にアクセスし、特定手段によって特定された線維組織にかかる微小領域部分の膠原線維割合をそれぞれの微小領域毎に算出する膠原線維割合算出手段１１を具備する。なお、膠原線維割合データベース９に格納されたデータは、生体組織の微小領域にかかる弾性率と膠原線維比率を例えば図３に示した方法で求め、図４のようなプロットを行えるものであることが望ましい。

膠原線維割合算出手段１１によって算出された微小領域の膠原線維割合は、好ましくは電子データとして患者データベース１３に格納され、また、場合によってはこれをチャート、分布図に変換する表示変換手段１５によって加工されディスプレー１７上に表示される。

なお、本願発明の実施形態においては、測定→線維組織領域の特定→膠原線維割合の特定という順序で行っているが、測定をして、そこから直接膠原線維割合を特定してもよい。

本願発明は、組織中の膠原線維割合と弾性率の関係を定量化することで、血管壁の膠原線維割合を算出することができる。

位相差トラッキング法の原理を示す図である。 線維組織の弾性率分布を示す図である。 in vitro実験により計測した弾性率断層像および、弾性率断層像を分割した各領域の病理組織画像・膠原線維の抽出結果を示す図である。 膠原線維の比率と弾性率の相関関係を示す図である。 ヒト頸動脈においてin vivo計測された弾性率断層像、線維組織の分類結果、および定量化された膠原線維の比率と弾性率との関係から算出した膠原線維割合を示す図である。 本願発明の方法を適用した測定装置の模式図である。

Claims (1)

1. 超音波発信端子により計測された超音波データから、測定対象部位の微小領域毎に弾性率を求める弾性率測定手段と、
   前記弾性率測定手段によって測定された弾性率から線維組織にかかる第一の微小領域を特定する線維組織特定手段と、
   回帰直線を推定して算出した、生体組織中の膠原線維の既知の比率と前記弾性率測定手段によって測定された弾性率との定量的な相関関係を格納した膠原線維割合データベースと、
   前記膠原線維割合データベースの前記定量的な相関関係に基づき、前記線維組織特定手段によって特定された第一の微小領域の膠原線維割合を定量的に算出する膠原線維割合算出手段と、
   を含む膠原線維割合測定装置。