温度負荷に伴う皮膚微小循環変動の光音響イメージングによる評価

概要

博士論文

温度負荷に伴う皮膚微小循環変動の
光音響イメージングによる評価

東北大学大学院医学系研究科医科学専攻
医用イメージング分野
伊藤

洋介

目次
要約 ......................................................................................................................... 3
第１章 研究背景 ................................................................................................... 5
第2章

研究目的 ................................................................................................ 10

第3章

研究方法 ................................................................................................ 11

3-1

デザインと参加者 ........................................................................................... 11

3-2

計測に用いた機器 ........................................................................................... 11

3-2-1 LED-PAI システム ...................................................................................... 11

3-2-2 皮膚血流の量的評価 ............................................................................. 12
3-3

実験のプロトコール ........................................................................................ 13

3-4

画像の取得および統計解析 ............................................................................. 14

3-4-1 統計解析 .............................................................................................. 15

第4章

結果 ........................................................................................................ 17

4-1

コントロール値 ............................................................................................... 17

4-2

代表的な血流変化および画像所見 .................................................................. 17

1

4-3 10 例の LDF, PA num, PA int に関する検討 ..................................................... 18

第 5 章 考察 ..........................................................................................................21
5-1

結果に関する考察 ........................................................................................... 21

5-2

LED-PAI の麻酔科領域の臨床使用の可能性に関する考察 ........................... 24

5-3

光音響イメージングの周術期の利用に関する可能性 .................................... 25

5-3-1 光音響イメージング装置の 3 つの分類 ................................................... 25

5-3-2 周術期の光音響イメージング装置の利用に関する将来展望 .................. 27

５-4 本研究のリミテーション ............................................................................... 28

第6章

結論 .................................................................................................... 31

参考文献 ............................................................................................................... 32
図........................................................................................................................... 38

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要約

我々哺乳類の体温はおおむね 37℃±0.3℃で一定の範囲で調節されている。
体温調節は大きく行動性調節および自律性調節に大別される。自律性調節は低
体温時には皮膚血管の収縮、そして非ふるえ熱産生、ふるえ熱産生といった反応
を、高体温時には皮膚血管の拡張や発汗といった反応を引き起こすことにより
体温恒常性を保つ。全身麻酔時には体温調節の行動性調節が不可能であり、また
自律性調節である低体温時の皮膚血管収縮閾値の低下、高体温時の皮膚血管拡
張閾値の上昇がみられ、体温調節性の血管反応が起きていないかといった皮膚
血管状態の評価は、適切な体温管理が行われているかの指標となる可能性があ
る。
皮膚微小循環の評価法にはさまざまな手法が考案されているが、光音響イメ
ージングもその一つである。光音響イメージング（PAI）は対象物に短パルス
光を照射することにより対象物から生じる光音響波を超音波検出器により受
信し画像構築を行う。照射波に光を、受信波には音響波といったハイブリッド
な特性から特有の深達度、解像度の画像構築が可能であり、近年医学分野での
報告も盛んになっている。
3

今回の研究では照射波に LED 光源を用いた LED-PAI 装置を用い、健常人ボ
ランティア 10 名に対し 15℃の冷水、40℃の温水、15℃の冷水での局所温度負
荷を行い、その際の皮膚微小循環の画像評価を行った。また同時に LED-PAI
装置の PA（photoacoustic）信号面積と皮膚微小循環の定量評価機器であるレ
ーザードップラー血流計（LDF）による血流量との相関を調べた。LED-PAI 装
置により、画像所見上温度負荷に伴う血流信号の変化を確認できた。また LEDPAI 装置から得られた PA 信号面積と LDF 値には相関がみられた。LED-PAI
装置は局所温度負荷に伴う皮膚血流の変動を捕捉可能であった。
PAI 装置は今回の LED-PAI に代表するような巨視的イメージングである
PACT（Photoacoustic Computed Tomography、光音響断層撮影法）
、微視的イ
メージング装置である PAM（Photoacoustic Microscopy、光音響顕微鏡）に大
別される。これらを観察対象部位別に用いることにより、表皮近傍の毛細血管、
真皮層の交通細動静脈、動静脈吻合(AVA)、皮下組織の小動静脈といった皮膚
血流の変動の解明、血流変化の深度別の情報に関する新たな知見を提供する可
能性があるものと考えられた。これらの知見は麻酔薬による自律神経による影
響、体温調節性の影響、出血などの循環血液量の影響が複雑に作用する全身麻
酔手術時の介入方法の決定に関して、新たな情報を提供する可能性があるもの
と考えられた。
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第1章 研究背景

人の体温は非常に精巧な機構により深部温が 37℃になるよう調節されている。
37℃に調節している理由としては諸説あるものの、生体を構成する酵素の反応
速度が最適であることが主な理由と考えられており、その 37℃の恒温性を保つ
ことにより他の哺乳類と異なり、赤道直下の高温環境下、高緯度地方の低温環境
下といった地球上の広大な環境での生存を可能にしている 1。
人の体温調節法は行動性調節と自律性調節に大別される。行動性調節は望ま
しい温熱環境を手に入れるための身体的行動で、すべての動物で行われる体温
調節であり、人の場合は衣類の調節や冷暖房の使用といったものがあげられる。
一方自律性調節は自律神経による体温調節で、低体温時における血管収縮、非ふ
るえ熱産生（NST）、ふるえ熱産生（shivering）、高体温時における血管拡張、発
汗による体温調節を行う。自律性調節が発動しない深部温の範囲である閾値温
度間の範囲（温熱的中性域と定義する）はわずか 0.2℃であり、その上限が血管
拡張、発汗の閾値温度、下限が血管収縮の閾値温度であるといわれている 2,3。周
術期の Surgical Site Infection（SSI）の増加には低体温時の血管収縮が関与して
いるものと考えられており 4 、さらに血管収縮に引き続きもたらされる NST、
5

shivering といった反応は熱産生により体温を上昇させる合目的反応ではあるも
のの、血圧、心拍数の上昇、酸素消費量の増大により心血管系合併症のリスクを
上げる 5。
全身麻酔手術を受ける患者における体温調節は特殊環境下に置かれる。まず
は麻酔薬の影響により行動性体温調節が不可能である点があげられる。そして
自律性体温調節も麻酔薬の影響をうける 6 7 。低体温時には血管収縮閾値温度の
低下を、高体温時には血管拡張および発汗閾値温度の上昇をきたし、温熱的中性
域（閾値間域）の開大につながる。また、手術侵襲にともない産生される IL-6,IL8,TNF-αといった炎症性サイトカインの産生

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にともない、体温調節の閾値間

域は上方にシフトする(図 1)。閾値間域の変動は患者背景、手術侵襲、麻酔薬の
影響によりさまざまであり、個々の症例で判別する必要がある。そのため低体温
にともなう皮膚血管の収縮反応（体温調節性血管収縮閾値）を捕捉し介入し、
NST、shivering といった生体反応を予防することは SSI の減少や心血管系合併
症の発生頻度を低減させる効果があると考えられる。4,5,9
体温調節性血管収縮の定量評価を用いた観測にはレーザードップラーフロー
メトリー（LDF）1０や前腕―指尖温度較差（forearm to fingertip skin temperature
gradients）1１が用いられている。LDF では血流量そのもの、もしくはコンダク
タンスを算出することにより体温調節性血管収縮閾値を捕捉する
6

12

ことが可能

と考えられる。前腕―指尖温度較差では前腕部と指尖部の温度較差が急激に大
きくなる点を体温調節性血管収縮閾値と定義している。周術期には前腕―指尖
温度較差を用いて体温調節性の血管反応を把握しているが、周術期に体温調節
性の皮膚微小循環変動の可視化を行っている報告はない。
皮膚微小循環の形態学的評価に関する方法には様々なものが提唱されている
13 14

が、光音響イメージングもその一つである。光音響イメージング(PAI)は、

新しい画像技術のひとつであり、対象物に光を照射し、光を吸収した部位から生
じる光音響波と呼ばれる超音波を受信、可視化するというハイブリッドな特性
を有する。例えば、赤血球が特異的に吸収する波長の光を照射することで、従来
の超音波装置よりも高い分解能、そして光学的イメージングよりも大きな画像
深度で血管の選択的なイメージングを可能にしている。近年臨床医学領域でも
多数の使用報告 15,16 がみられ、今後の臨床応用の拡大が予想される。
PAI 装置は巨視的イメージングである PACT（Photoacoustic Computed
Tomography、光音響断層撮影法）、微視的イメージング装置である PAM
（Photoacoustic Microscopy、光音響顕微鏡）に分けられる。
PAM は音響受信焦点と光学照射焦点との関係性により音響分解能光音響顕
微鏡（AR-PAM）および光学分解能光音響顕微鏡（OR-PAM）に分類されるが、
いずれの装置も照射光に LASER 光を使用し音響波を作り出すため、装置が大規
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模であり、測定には反射波をスキャンする時間を要するためリアルタイムの描
出は難しい。また、OR-PAM, AR-PAM ともに、サブミリオーダーの高い空間
分解能を有するが、例えば AR-PAM では観察深度は 3mm 程度、水平方向の観
察面積は 6mm×6mm ほどと観察範囲は非常に限定されてしまう。
一方、PACT に分類される機器の中では、照射光に LED を用いる LED-PAI
装置の実用化も進んでいる。LED-PAI 装置は従来の照射光に LASER 光を用い
た AR-PAM や OR-PAM といった PAI 装置に比較し、分解能は劣るものの装置
が簡便、小型化され、廉価であり、機器の移動も可能であり、ベッドサイドでの
使用も可能である。また LED 光源を用いることで AR-PAM, OR-PAM に比べ
てより深い組織まで拡散光を到達させ、最大 10 mm 程度までの血管をイメージ
ングすることも可能とされる。また AR-PAM や OR-PAM では受信波の機械ス
キャンによる時間的制約を受けるが、LED-PAI 装置では受信波はアレイ状の超
音波トランスデューサーを用いるため、リアルタイムイメージングが可能で時
間分解能の観点でも他の PAM 機器に比べ利点がある 17,18。特に全身麻酔下での
末梢循環評価においては皮下の細動静脈付近までの評価が重要と考えられる。
また術中の様々な動きがイメージングに与える影響を抑制するためにも、イメ
ージングの時間分解能はある程度高いものが必要である。こうした因子から、本
研究が目指す術中の末梢血流動態においては、AR-PAM, OR-PAM よりも LED8

PAI などが適している。
皮膚微小循環に関する解剖学的知識（図 2）として、皮膚の血流は、真皮の表
層側から毛細血管係蹄、乳頭下層血管網、真皮間の交通細動静脈、真皮皮下組織
境界部の血管網、皮下組織の筋性細動脈といった流れになっており 19 20、四肢末
端無毛部の真皮層には内径 10-150μm、長さ 200-500μm 程度の動静脈吻合
（AVA）が存在し 21 、体温調節に関する血流調節の主体をなすもの 22 と考えら
れえている。体温調節に対する皮膚微小循環を形態学的に捕捉することは、生体
反応の生理学的知見を深める可能性がある。さらに四肢末端の皮膚微小循環を
リアルタイムに描出することにより体温変化に対する血流変化を迅速に捕捉し、
全身麻酔手術時の患者管理の新たなモニターになる可能性がある。
体温調節性の皮膚微小循環変動の定量的、形態学的評価に関してさまざまな
手法を用いた報告がみられるが、PAI 装置を用いた局所温度負荷に伴う皮膚微
小循環変動の評価に関する報告も見られた 23

24

。これらの機器は照射波にレー

ザー光を用いた PAI 装置であり測定に時間を要するものと思われた。また取得
された画像の評価に関する報告であり、LDF などの定量評価との関連性に関し
ては不明であった。

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第2章 研究目的

本研究は、局所温度負荷にともなうヒト皮膚の微小循環動態の変化を LEDPAI システムによって計測・可視化し、微小循環の画像的評価の有効性の評価を
行うこと、および従来皮膚血流量の量的測定に用いられているレーザードップ
ラー血流計（LDF）を用い、LDF の指標と LED-PAI から得られる画像特徴と
の関連性の評価を行うことを目的とした。

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第3章

研究方法

３－１．デザインと参加者
今回の研究は 2022 年 8 月に施行された健常人ボランティアを対象とした前
向きパイロットスタディーである。今回の研究は東北大学工学研究科倫理委員
会の承認（承認番号 17A-8）のもと施行され、ヘルシンキ宣言のもとすべての被
検者から同意書面を得た。
22 歳から 35 歳の健常人ボランティア 10 名（男性 9 名、女性 1 名）を対象と
し、局所温度負荷にともなう皮膚血流変動を LED-PAI 装置および LDF による
評価を行った。計測に使用した装置およびデータ取得方法については以後の節
で詳しく述べる。

３－２．計測に用いた機器
３－２－１．LED-PAI システム
本研究で用いた Acoustic X（Cyberdyne, Tsukuba, Japan）は、光音響（PA）
/超音波（US）の画像をリアルタイムに同時表示できる LED-PAI システムであ
り、LED 光源、超音波リニアアレイプローブ、画像処理装置、モニターで構成
される。LED 光源は、波長 850nm で大きさ 1×１mm のチップ LED が 144（4
11

×36）個配置されたアレイであり、超音波プローブの両側面に 1 個ずつ固定さ
れている（図４）。この光源からパルス繰り返し周波数（PRF）４kHz、200μ
J/pulse のパルスを対象物に照射する。
LED 光源から照射された光を吸収し、血管から光音響（PA）波が生じる。こ
の PA 波を超音波プローブ（中心周波数９MHz、128 素子の PZT アレイ）で受
信した。受信した信号は画像処理装置の中で画像化され、モニターにリアルタイ
ム表示される。先行研究

18

によると、本システムによる PAI の空間分解能は方

位方向に 0.46±0.06mm であり、深度方向に 0.22±0.01mm である。本研究に
おける時間分解能は 10fps 程度であった。
なお、本研究で用いた撮像シーケンスでは、通常の超音波イメージングと光音
響イメージングを交互に行う事で、組織の解剖学的な画像と PAI による微小血
管像の重畳表示が可能になっている。

３－２－２．皮膚血流の量的評価
血流量の定量評価を行うため、ポケット LDF（JMS, Hiroshima, Japan）(図４)
を使用した。ポケット LDF は日本国内で血流量測定、皮膚灌流圧測定、循環血
流量測定を目的に使用されている。発光素子から発するレーザー光が赤血球に
より散乱された受光波のドップラーシフトを演算処理することにより皮下２
12

mm 程度の深度の微小循環血流量を算出する（Laser Doppler Flowmetry）。機器
は生体へのレーザー照射、および生体からの散乱反射光の受光を行うプローブ
と、プローブから出力された信号を演算処理し、血流量を表示する本体で構成さ
れる。レーザー光出力 0.6mW、レーザー波長は 850nm である。

３－３．実験のプロトコール
被検者には 23℃の室温に 20 分ほど座位にて馴化した。自律神経による皮膚
血流変化の影響を減らすため、安静を保った。
はじめに被検者による皮膚血流状態の均一化を図るため、25℃の水を入れた
水槽（奥行 60cm×幅 25cm×深さ 20cm）内で LED-PAI 装置と固定用ジグを組
み合わせた計測装置（図 6）に被検者中指を挿入し、浸水 5 分後に PAI 画像を
取得した。同時に拇指での LDF 血流計による計測を行い Control 条件での PAI
画像データ、LDF 血流データの取得を行った。
つづいて、被検者の手の位置は変更することなく、水槽内の水を 15℃の冷水に
入れ替え、水温変更 5 分後に被検者中指の PAI 画像、被検者拇指の LDF 血流の
計測を行い Cold-1 条件での PAI 画像データ、LDF 血流データの取得を行った。
つづいて、被検者の手の位置は変更することなく、水槽内の水を 40℃の温水に
入れ替え、水温変更 5 分後に被検者中指の PAI 画像、被検者拇指の LDF 血流の
13

計測を行い Warm 条件での PAI 画像データ、LDF 血流データの取得を行った。
最後に被検者の手の位置は変更することなく、水槽内の水を再び 15℃の冷水に
入れ替え、水温変更 5 分後に被検者中指の PAI 画像、被検者拇指の LDF 血流の
計測を行い Cold-2 のデータを取得した。

３－４．画像の取得および統計解析
各被検者あたり 4 条件の PAI(US+PA)画像および LDF 血流をえた。各装置
の計測および定量化方法は以下の通りであった。
PAI 画像はそれぞれの温度条件に水槽内の温度を変化させた後 5 分後の状態
でイメージングを実施した。PA 画像の取得を 10 秒の動画として取得し、血流
信号が明瞭なポイントでの静止画を用いた。取得された PA 画像の大きさは、縦
20mm×横 27mm、縦 500×横 675 ピクセルであった。すなわち、本画像のピク
セルサイズは深度方向、方位方向ともに 0.04 mm/pixel であった。
まず、PA 画像と同時に取得される超音波 B-mode 画像を参照しながら、指の
組織中から来ていると思われる PA 信号強度が存在する領域を抽出した。皮膚
表面のメラニンなどから生じる高強度な PA 信号の領域もこの段階で解析対象
から除いた。以後のデータ解析はこの領域に対してのみ実行した。
対象領域において血管が拡張すると、PAI 画像中の赤血球の存在範囲も拡張
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すると考えられる。そこで、指定した画像領域中の微小血管の面積を示す指標と
して、PA 信号が観測されているピクセル数（PA num）を算出した。さらに、
単位体積中の光吸収体の密度が光音響強度と比例することから、血流量増加に
よる赤血球からの光音響強度の増加を評価するため、PAI 画像中の微小血管か
ら得られる PA 信号の平均輝度（PA int）を算出した。各ピクセルにおける PA
信号の輝度値は０から 255 の値を有しており、PA num および PA int の算出に
あたっては、指定領域中で輝度値 0 以外のピクセル数および平均輝度値と定義
した。 ...

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