経膣超音波画像に基づく子宮頸部のエラストグラフィシステム

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経膣超音波 ひずみ測定 応力センサー 子宮頸部の弾性 妊娠期の子宮頸部軟化

経腟超音波および圧力測定に基づく妊娠期子宮頸部弾性の定量化手法

背景と動機

早産（37週妊娠期前分娩）は、新生児の病気や死亡の主要な原因です。早産による高リスクのため、多くの早産症状を持つ妊婦が入院治療を受けますが、最終的には半数以上の妊婦が満期で分娩します。現行の子宮頸部軟化予測方法（例えばBishopスコア）は、早産の予測に効果が限られているため、より正確な予測ツールの開発が求められています。

研究課題

現在、子宮頸部弾性イメージングの一般的な方法には、ひずみ弾性イメージングとせん断波弾性イメージングの2種類があります。しかし、ひずみ弾性イメージングは応力情報に欠けており、異なるイメージングセッション間の比較をサポートしません。せん断波弾性イメージングは、子宮頸部組織が高度に不均質な場合にその安定性が影響を受けます。

目的と方法

本研究の目的は、経腟超音波イメージングシステムに応力センサーを追加することで、上記の制約を克服する定量的子宮頸部弾性イメージングシステムを開発することです。このシステムは安全、正確かつ高再現性を持ち、長期的なモニタリングと異なる検査者間の比較に使用できます。

出典

本論文はPeng Hu、Peinan Zhao、Molly J. Stoutらによって執筆され、IEEE Transactions on Biomedical Engineering（2024年、Vol.xx、No.xx）に発表されました。この研究はMarch of Dimes PreMaturity Research Centerによって資金提供されました。

研究詳細

実験プロセス

研究設計と実験方法

実験プロセスには以下の主要ステップがあります：

  1. 画像取得と応力測定

    • 経腟超音波システムを使用して、Bモード画像での子宮頸部の変形を記録し、同時に応力センサーでプローブ表面の応力を記録します。

  2. 変形とひずみの定量化

    • 特徴追跡アルゴリズムを用いて変形を自動で定量化し、ひずみを計算します。その後、応力-ひずみ線形回帰により子宮頸部のヤング率を推定します。

  3. 応力センサーのキャリブレーション

    • キャリブレーションシステムを用いて応力センサーをキャリブレーションし、測定結果の正確性を確保します。

  4. データ分析と回帰

    • 応力とひずみを線形回帰分析で解析し、子宮頸部のヤング率を推定します。

サンプル選択

本研究には、ワシントン大学セントルイス医学院で2017年1月から2020年1月の期間に実施された前向き縦断コホート研究の妊婦が参加しました。参加者は妊娠第1四半期から分娩まで定期的に検査を受け、最終的に22名の少なくとも3回のイメージング測定を受け、最終測定が34週以上であった参加者が含まれました。

研究結果

システムの精度、再現性と繰返し性

  1. ファントム実験

    • ファントム実験では、それぞれ濃度が70 g/l、90 g/l、110 g/l、130 g/lの4つのゼラチンファントムを用意しました。2名の操作員がそれぞれ2つの応力センサーを用いて各ファントムに対して定量的弾性イメージングを複数回行いました。結果は、2人の操作員と2つの方法間に有意な差がないことを示しました（P値 = 0.369 > 0.05）。
    • 繰返し係数（CV）は低く、システムが高い再現性を持つことを示しています。

  2. 接触角の影響

    • 接触角が60°と90°の応力センサーを用いてファントム測定を行い、その結果、測定に対する接触角の影響は有意ではないことが示されました（P値 = 0.638 > 0.05）。

  3. 臨床実験

    • 19名の妊婦参加者の実験では、2名の超音波医師がそれぞれ複数回定量的弾性イメージングを行い、結果は高い再現性と再現性を示しました。2名の医師の測定差異は許容範囲内であり、ピアソン相関係数（PCC）は0.981でした。

長期モニタリング結果

システムは妊娠期間中の子宮頸部の軟化プロセスを定量化することに成功しました。22名の参加者を対象とした長期モニタリングにより、子宮頸部のヤング率が妊娠期間中に徐々に減少することが明らかになりました。第1、2、3四半期の幾何平均ヤング率はそれぞれ13.07 kPa、7.59 kPa、4.40 kPaでした。

結論と意義

本論文で開発した定量的子宮頸部弾性イメージングシステムは正確で安定かつ安全であり、長期モニタリングや異なる検査者間の比較に使用できます。妊娠期間中の子宮頸部軟化プロセスを定量化することで、早産の予測に重要な根拠を提供しています。このシステムは、子宮頸部軟化の臨床研究だけでなく、実際の臨床において異常な子宮頸部生理に関連する産科問題の評価に応用でき、早産管理の効率を向上させることができます。

技術のハイライトと今後の展望

  1. 技術のハイライト

    • 本システムの独自性は、応力とひずみの計測を組み合わせることで、同一患者間および異なる患者間の比較において信頼性が高いことにあります。
    • 自動化されたひずみ量化アルゴリズムとリアルタイムGUIインターフェースにより、効率的なデータ分析と可視化が実現されました。

  2. 今後の展望

    • 局所的なひずみ量化の精度を向上させ、子宮頸部の異なる領域の軟化状況をさらに詳細に解析すること。
    • 多くのセンサーと有限要素解析による機械モデリングを通じて、応力分布の推定精度をさらに向上させること。
    • 応力センサーの感度、キャリブレーションシステム、および自動画像/信号処理の改善により、システムの効率と拡張性を向上させること。