門脇 弘子¹, 早瀬 敏幸², 船本 健一², 曾根 周作³, 島崎 正⁴, 地挽 隆夫⁴, 見山 広二⁴, 劉 磊⁴

Hiroko KADOWAKI¹, Toshiyuki HAYASE², Kenichi FUNAMOTO², Shusaku SONE³, Tadashi SHIMAZAKI⁴, Takao JIBIKI⁴, Koji MIYAMA⁴, Lei LIU⁴

¹東北大学大学院工学研究科, ²東北大学流体科学研究所, ³東北大学大学院医工学研究科, ⁴GEヘルスケア・ジャパン株式会社超音波製品開発部

¹Graduate School of Engineering, Tohoku University, ²Institute of Fluid Science, Tohoku University, ³Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University, ⁴Department of Ultrasound Product development, GE Healthcare Japan

キーワード :

【目的】
超音波計測融合（UMI）シミュレーションは，超音波計測で得られるドプラ速度を数値計算にフィードバックすることで2次元血管断面の血流場を正確かつ詳細に再現する．UMIシミュレーションでは，フィードバック領域内のドプラ速度誤差が最小となるように，流入境界条件の断面平均流速を決定する．しかし，血管軸に対して対称と非対称な流れを対象とした数値実験において，従来の推定手法は非対称流れに対して大きな推定誤差を生じることが明らかとなった［1］．本研究では，非対称流れでも正確な断面平均流速の推定が可能な手法の構築を目的とする．フィードバック領域の新たな設定により，非対称流れでも正確な流量推定が可能な手法を提案しその有効性を数値実験で示す．
【方法】
本研究では，総頸動脈の2次元UMIシミュレーションを対象とする．計算領域の上流端と下流端を除いた領域をフィードバック領域とした非対称流れに対する数値実験により，下流側のフィードバック境界で生じたフィードバック力の不連続性が上流側の計算精度に影響を及ぼす可能性があることから，下流端までフィードバック領域を拡張する手法を提案する．本手法の有効性を確認する数値実験の解析対象の血管は，70代女性の総頸動脈とし，GEヘルスケア製超音波診断装置LOGIQ7および超音波プローブ（10L）により取得したカラードプラ画像から血管断面形状を求めた．解析対象の血流場（基準解）は，血管軸に対して対称または非対称の2種の上流端速度分布を与えた定常流成分を有する正弦波振動流とした．UMIシミュレーションの上流端速度分布は，基準解と異なる放物分布とした．血管の上流端に与える断面平均流速は，フィードバック領域内で評価関数を最小とする値を黄金分割法により推定する．また，従来の計算領域の上流端から1/8の位置から7/8の位置までのフィードバック領域と，1/8の位置から8/8の位置までの新たなフィードバック領域の計算を行った．
【結果と考察】
非対称流れに対するUMIシミュレーションでの断面平均流速誤差の1周期間の時間平均値とフィードバックゲインの関係を図に示す．右側に，基準解の断面平均流速に対する誤差の割合を同時に示す．従来のフィードバック領域では10％〜35％の誤差率に対し，新たなフィードバック領域では0％〜10％と飛躍的に計算精度が向上した．
［1］Kadowaki H, et al. 7th East Asian Consortium on Biomed. Eng. 2013;64-65.