和泉 拓哉¹, 長岡 亮¹, 佐藤 みか¹, 萩原 嘉廣², 矢部 裕², 西條 芳文¹

Takuya IZUMI¹, Ryo NAGAOKA¹, Mika SATO¹, Yoshihiro HAGIWARA², Yutaka YABE², Yoshifumi SAIJO¹

¹東北大学大学院医工学研究科, ²東北大学大学院医学系研究科

¹School of Biomedical Engineering, Tohoku University Graduate School, ²School of Medicine, Tohoku University Graduate School

キーワード :

【目的】
変形性膝関節症（OA）は重症化すると歩行困難をきたすため，早期発見が重要である．OAの画像診断として，Ｘ線，CT，MRIや超音波（US）が用いられているが，軟骨の評価が難しいため，いまだ確立した方法がない．OAの進行に伴い血管新生が起きることと，光音響（PA）イメージングでは生体内の血管を可視化できることから，PAイメージングをOAの評価に応用する発想に至った．本研究では，OA評価の基礎検討としてラットの膝関節の光音響特性を明らかにし，OAと健常のラット膝関節の計測結果を比較することで，PAイメージングのOA評価に対する有用性を示す．
【方法】
レーザの励起にはマイクロチップレーザ（波長 532 nm，繰り返し周波数 100 Hz，ファイバ出力 420 μJ, パルス幅 3.2 ns），超音波の受信には凹面トランスデューサ（中心周波数50 MHz，焦点距離15 mm）を用いた．水中で固定したラットの健常な膝関節とOAの膝関節をUSとPAで計測し，それぞれの3Dデータを取得した．計測領域は2 mm×2 mmで計測点数は50×50点，深さ方向の計測点数はUSで2048点，PAで1024点，サンプリング周波数は1 GHzであった．OAモデルはラットの片側膝関節を屈位で固定して作成した．固定期間は4週間と8週間とし，固定後に膝関節部を取り出した．
【結果】
図1はラット膝関節の3D画像であり，（a）が健常のラットの膝関節，（b）が4週間固定したラットの膝関節，（c）が8週間固定したラットの膝関節を示している．USをグレースケール，PAをカラースケールで示し，両画像をマージして表示した．I層が軟骨，II層が軟骨下骨，III層が海綿骨を示す．USは軟骨や軟骨下骨の表面からの信号が強く，PAは海綿骨で発生する信号が強いことが分かった．またOAの進行に伴い海綿骨で発生するPA信号が強くなることが分かった．
【考察】
USは音響インピーダンスが異なる軟骨と軟骨下骨の境界で強い信号うぃ示した．一方，海綿骨は骨髄を含むため色が赤く，レーザの波長532 nmに対して吸光度が高くなるので，海綿骨でPA信号が発生したと考えられる．またOAの進行に伴い海綿骨で血管新生が起こるため，海綿骨内の血管密度が増して，結果的に海綿骨で発生するPA信号が強くなったと考えられる．このことから，OAが進行するにつれて海綿骨で発生するPA信号が強くなることがわかり，OA評価の一つの指標となる可能性を見出した．
【結論】
本研究により，PAイメージングによるOA評価の有用性が示された．