回旋剪断波エラストグラフィで骨盤底筋の損傷メカニズムに迫る

9月 7, 2026 · 論文解説

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解説対象論文: Local assessment of shear anisotropy in fiber network phantoms of the levator ani muscle using rotational shear wave elastography
Physics in Medicine and Biology｜被引用数: 0（2026年9月7日時点）

出産は女性の骨盤底筋群（LAM）に大きな損傷を引き起こし、多くの女性が尿失禁や臓器脱などの骨盤底機能障害（PFD）に苦しんでいます。しかし、LAMの損傷メカニズムやその力学特性に関する理解はまだ不十分で、現在の診断法では十分に定量的な評価ができていません。従来の剪断波エラストグラフィ（SWE）は、均質な組織を前提としているため、小さく複雑で異方性を持つLAMの評価には課題がありました。本研究では、LAMの複雑な繊維ネットワークを再現したファントムを開発し、新しい回旋剪断波エラストグラフィを用いて、局所的かつ方向依存的なLAMの硬さ（剪断異方性）を評価する可能性を探ります。この革新的なアプローチが、LAM損傷の予防、診断、治療の進展にどのように貢献するかを見ていきましょう。

研究サマリー（FINER & PICO）

Feasible実施可能性	LAMファントムの構築と回旋SWEイメージングは、高い再現性で実施可能であることが示されました。
Ethical倫理面	本研究は人体を使用しないファントム研究であり、倫理的懸念は最小限です。
Interesting面白さ	出産によるLAM損傷は多くの女性に影響を与え、その力学特性の理解は重要な課題です。
Novel新規性	LAMの複雑な繊維ネットワークを再現したファントムを用いた回旋SWEは新規性があります。
Relevant切実さ	LAM損傷のより正確な診断、予防、治療法開発につながる可能性があり、関連性が高いです。
Measurable測定可能性	回旋SWEにより、繊維方向、剪断異方性、縦横剪断弾性率が定量的に測定可能です。
Modifiable派生・改善	ファントムの繊維タイプ、密度、凍結融解サイクル数を変えることで力学特性が変化しました。
Structured文章構造	研究は明確な目的、ファントム構築、回旋SWE測定、および結果分析の構造で実行されました。
PICO / PECO対象・介入・比較・結果	LAM損傷の理解と評価において、回旋SWE（I）は従来のSWE（C）よりも局所的な剪断異方性と繊維ネットワーク構造をより詳細に特徴づける（O）ことが可能です。

はじめに：骨盤底筋損傷と既存の診断法の課題

どうも、Beyond the Pixelです。出産は女性の骨盤底筋群（LAM）損傷の主要な原因であり、経腟分娩後には10%以上の女性に影響を与えます。この損傷は、尿失禁や臓器脱などの骨盤底機能障害（PFD）につながり、世界中の女性の30%以上が苦しんでいます。LAMは骨盤臓器を支え、排便や排尿を調節する重要な筋肉ですが、分娩時には初期の最大3倍もの長さに引き伸ばされることがあります。このような過度な伸張は、剥離や過伸展といった損傷を引き起こすと考えられています。しかし、その正確なメカニズムや力学特性の理解は不十分であり、診断、予防、治療の進展を妨げています。現在の予防策は骨盤底筋の特性に焦点を当てておらず、診断法は触診や従来の超音波を用いた定性的な評価にとどまり、LAMの力学特性を定量化できていません。

**Figure 1.** Figure 1. Color-coded representation of levator ani muscle (LAM) (overall shape in dark blue),**解説:** 骨盤底筋（LAM）のカラーコード化された図。恥骨結合（PS）、尿道（U）、膣（V）、直腸（R）、会陰体（PB）、外肛門括約筋（EAS）、および腸骨尾骨筋（IC）などの解剖学的ランドマークと構造が示されており、骨盤底の解剖学的な図（a: 下面図、b: 上面図）と結合型恥骨直腸筋-恥骨尾骨筋LAMファントム（c: 横断平面）におけるLAM繊維組織の配置を示しています。

また、治療法も症状の緩和を目的としており、再発率が高いことが課題です。

剪断波エラストグラフィ（SWE）の可能性と限界

剪断波エラストグラフィ（SWE）は、非侵襲的に軟組織の弾性（硬さ）を定量的に測定できる超音波ベースの手法です。音響放射力インパルスと呼ばれる集束超音波パルスが局所的な組織の動きを誘発し、超音波ビームに垂直に伝播する剪断波を発生させます。この剪断波の伝播速度（SWS）を測定することで、組織の剪断弾性率（硬さを示す指標）を推定します。SWEは現在、乳房、甲状腺、肝臓などの比較的大きく均質な組織の診断やモニタリングに広く用いられています。しかし、LAMのような骨格筋は繊維の配向によって異方性（方向によって力学特性が異なる性質）を持つため、単一の剪断弾性率ではその力学特性を完全に特徴づけることができません。従来のSWEは、均質で等方性の組織（どの方向も同じ特性を持つ組織）を仮定しているため、小さく複雑なLAMの評価には不向きとされていました。

回旋剪断波エラストグラフィによる異方性評価への挑戦

この課題を克服するために導入されたのが、回旋剪断波エラストグラフィ（Rotational SWE）です。この手法では、超音波プローブをその中心軸の周りに回転させ、複数のプローブ方向で剪断波の伝播を測定します。これにより、組織の局所的かつ方向依存的な特性を捉えることができ、縦方向と横方向の剪断弾性率の両方を推定し、剪断異方性（方向による硬さの違い）を定量化することで、筋肉組織をより正確かつ再現性高く特徴づけることが可能になります。しかし、これまでの回旋SWEは主に大きな骨格筋に適用されており、LAMのような小さく幾何学的に複雑な筋肉への適用は限定的でした。LAMのSWE研究は、従来の単一方向SWEを用いた生体内での実現可能性評価に限られており、多方向SWEによる正確な異方性特性評価を目的としたファントム研究は行われていませんでした。

**Table 1.** Table 1. Shear anisotropy metrics from the ellipse model, including the fit quality (R2), fiber解説: LAM、TI、および等方性ファントムについて、楕円モデルから得られた剪断異方性指標（適合品質R²、繊維方向𝜙𝑓𝑖𝑏𝑒𝑟、横方向剪断弾性率𝜇𝑇、縦方向剪断弾性率𝜇𝐿、剪断異方性𝜒𝜇）を示しています。複製されたLAMファントム間およびTIファントムの異なるプローブ位置間の平均相対差（MRD）も示されており、ファントム構築の再現性および空間的変動を評価しています。

また、従来のファントム作製方法はLAMの複雑な3D繊維構造を再現するのに適していませんでした。そこで本研究は、LAMの繊維ネットワークを再現したファントムを開発し、回旋SWEイメージングを用いて、LAMの局所的かつ方向依存的な剪断異方性特性を評価することを目的としました。

研究方法：LAMファントムの構築と回旋SWE測定

本研究では、生体LAMの3D繊維構造を模倣した繊維ネットワークLAMファントムを開発しました。具体的には、ポリビニルアルコール（PVA）をマトリックスとし、その中に合成繊維を埋め込むことで、形状と横方向等方性（TI）特性を再現しました。合計6種類のLAMファントムが作製され、繊維の種類（ナイロンまたはポリエチレン）、繊維密度（高密度または低密度）、凍結融解サイクル数（1回または2回）、および繊維ネットワークの構成（恥骨直腸筋単独または恥骨直腸筋と恥骨尾骨筋の複合）を変えて、異なる生体力学的状態を再現しました。

**Figure 2.** Figure 2. Phantom construction (a) Levator ani muscle (LAM) model (b) LAM mold: (b, 1)**解説:** ファントムの作製プロセスを示しています。（a）LAMモデル、（b）LAM型、および（c）一方向性TIファントムの型を示しています。LAM型（b）では、高密度ナイロン繊維がアクリル板の間に通され、恥骨直腸筋、恥骨尾骨筋の各繊維ネットワークが再現されています。TIファントム型（c）では、アクリルプレートと3Dプリントされたサポートを使用して、高密度ナイロン繊維ネットワークが構築されています。

比較のために、単純な一方向性TIファントムと繊維を含まない等方性ファントムも作製されました。LAMファントムは、骨盤底解剖モデルから抽出したLAMの幾何学的形状に基づいたカスタム3Dプリント型を使用して作製されました。繊維は透明なアクリル板の穴を通して層状に配置され、LAMの湾曲に沿って張力をかけられました。

**Figure 3.** Figure 3. Overview of the constructed levator ani muscle (LAM), transversely isotropic (TI),**解説:** 作製された骨盤底筋（LAM）、横方向等方性（TI）、および等方性ファントムの概要とその特性、および対応する研究目的をまとめた表です。各ファントムの名前、繊維の種類、繊維ネットワーク、繊維密度、凍結融解サイクル数、および実施された実験の目的がカラーコードで示されています。特にLAM_PR_N_hd_1FT_1がベースラインLAMファントムとして複数種類の実験に用いられています。

これらのファントムを用いて、カスタムの回旋SWEイメージングセットアップとVerasonics V1システムを使用し、制御されたプローブ回転（0°から180°まで10°刻み）で剪断波速度（SWS）を推定しました。SWSは半自動Radon和アルゴリズムによって軸方向速度マップから推定され、楕円モデルに適合されました。このモデルは、繊維方向、剪断異方性、縦方向および横方向の剪断弾性率などの異方性指標の推定を可能にしました。また、プローブの再配置やSWE取得の繰り返しによる測定の再現性も評価されました。

**Figure 4.** Figure 4. (a) Levator ani muscle (LAM) phantom in a water container stabilized in agar with解説: 回旋剪断波エラストグラフィ（SWE）のセットアップとプローブ位置を示しています。（a）は水槽内で寒天で安定化された骨盤底筋（LAM）ファントムと、0°回転時の初期プローブ位置（P1、P2、P3）を黄色で示しています。（b）は水槽内で寒天で安定化された横方向等方性（TI）ファントムと、0°回転時の初期プローブ位置（P4、P5）を黄色で示しています。（c）はカスタムプローブホルダー、線形アレイプローブ、TIファントム入りの水槽、およびVerasonics V1システムのディスプレイインターフェースを含む回旋SWEイメージングセットアップを示しています。（d）はLAMファントム（恥骨直腸筋繊維が青色）の繊維ネットワーク全体にわたる回旋SWEイメージングの概略図です。

なお、この研究はファントムを対象としており、人間を対象としたものではないため、倫理的な懸念は最小限です。

主な結果：多様なLAMファントムの特性評価と複雑な繊維構造の検出

ファントム構築の評価

繊維ネットワークLAMファントムとTIファントムは、Bモード画像で明確な繊維構造を示し、SWSの楕円形分布と剪断異方性指標が異方性挙動を裏付けました。一方、等方性ファントムは繊維が視認できず、SWSが円形分布を示し、剪断異方性はほぼゼロでした。これはファントムの作製が意図した通りであることを示しています。また、TIファントムにおける異なるプローブ位置間での剪断異方性指標の空間的変動は低く、ファントム作製の再現性が高いことが示されました。2つの複製されたLAMファントム間の剪断異方性指標の変動も低く、特に縦方向の剪断弾性率は非常に一貫していました。

**Figure 5.** Figure 5. SWSs (group velocities), ellipse model over the rotational angles (𝜙𝑟𝑜𝑡), B-mode解説: 剪断波速度（SWS）、回転角度（𝜙𝑟𝑜𝑡）にわたる楕円モデル、Bモード画像、および軸方向速度マップを示しています。ベースラインLAMファントム（P1）、TIファントム（P4、P5）、および等方性ファントム（ISO_1FT）について、90°（繊維に垂直）と0°（繊維に平行）のプローブ回転でデータが提示されています。等方性ファントムは円形に近いSWS分布を示し、一方、LAMファントムとTIファントムは楕円形の異方性分布を示しています。

（表1）

SWEイメージングの再現性

プローブの再配置を伴う繰り返しの実験で得られた剪断異方性指標の再現性は非常に高く、縦方向剪断弾性率の標準偏差は2 kPa未満、横方向剪断弾性率は0.5 kPa未満、剪断異方性は0.5未満、適合品質は0.1以下、繊維方向は2°未満でした。総じて、すべての指標において平均に対する標準偏差は20%未満でした。さらに、トランスデューサを動かさずにプッシュと超高速イメージングを4回繰り返したSWE取得の再現性は高く、軸方向速度マップの不一致は0.006%未満でした。

**Table 2.** Table 2. Shear anisotropy metrics from the ellipse model, including the fit quality (R²), fiber解説: ベースラインLAMファントム（P1、n=4）およびTIファントム（P4、n=2）について、プローブの再配置を伴う繰り返しの実験で得られた剪断異方性指標の平均値と標準偏差（SD）を示しています。この表は、測定の再現性が高いことを裏付けており、各指標のばらつきが小さいことが示されています。

多様な力学特性を持つ恥骨直腸筋LAMファントムの評価

繊維の種類、繊維密度、凍結融解サイクル数を変えたすべての恥骨直腸筋LAMファントムは、異方性挙動を示し、楕円形のSWS分布を持ちました。ポリエチレン繊維を持つLAMファントムは、4つの恥骨直腸筋LAMファントムの中で最も高い縦方向剪断弾性率と剪断異方性を示しました。凍結融解サイクル数を増やすと、剪断弾性率は上昇しましたが、剪断異方性は低下しました。また、低密度ナイロンファントムは、高密度ファントムよりも低い縦方向剪断弾性率と剪断異方性を示しました。これは、ファントムの特性を系統的に変更できることを示唆しています。

**Figure 6.** Figure 6 shows that all puborectalis LAM phantoms with varying fiber type, fiber density, and解説: さまざまな繊維タイプ、繊維密度、凍結融解サイクル数を持つ恥骨直腸筋LAMファントムの剪断波速度（SWS、群速度）、回転角度（𝜙𝑟𝑜𝑡）にわたる楕円モデル、Bモード画像、および軸方向速度マップを示しています。90°（繊維に垂直）と0°（繊維に平行）の回転角度でのデータが示されており、各ファントムが異なるSWS分布と異方性特性を示すことが視覚的に確認できます。特に、ポリエチレン繊維と2回の凍結融解サイクルを持つファントムは、SWSの楕円が最も伸長しています。

**Table 3.** Table 3. Shear anisotropy metrics from the ellipse model, including the fit quality (R2), fiber解説: 恥骨直腸筋（PR）LAMファントムについて、高/低繊維密度（hd/ld）、ナイロン/ポリエチレン繊維（N/PE）、1/2凍結融解サイクル（1FT/2FT）の組み合わせにおける剪断異方性指標（適合品質R²、繊維方向𝜙𝑓𝑖𝑏𝑒𝑟、横方向剪断弾性率𝜇𝑇、縦方向剪断弾性率𝜇𝐿、剪断異方性𝜒𝜇）をまとめた表です。これにより、ファントムの構成要素が異方性特性にどのように影響するかを示しています。

恥骨直腸筋単独と複合LAMファントムの比較

恥骨直腸筋単独のLAMファントムと比較して、恥骨直腸筋と恥骨尾骨筋を組み合わせた複合LAMファントムは、プローブ位置によってより複雑な異方性挙動を示しました。これは、複数の繊維配向が相互作用する構造的異質性を反映しています。特に、プローブ位置P2では、恥骨直腸筋LAMファントムは単一の楕円モデルに適合せず、デュアル楕円分割アルゴリズムを適用することで、湾曲した繊維ネットワークに対応する2つの楕円モデルを導き出すことができました。これは、回旋SWEイメージングが局所的な繊維湾曲を検出できる可能性を示しています。プローブ位置P3では、恥骨直腸筋LAMファントムは等方性挙動を示しましたが、複合LAMファントムではデュアル楕円が観測され、一方の楕円が恥骨尾骨筋の繊維方向に一致しました。

**Figure 7.** Figure 7. SWSs (group velocities) of the slow wave (hollow dots) and fast wave (filled dots),**解説:** 恥骨直腸筋（PR）単独のLAMファントムと、恥骨直腸筋-恥骨尾骨筋（PRPC）複合繊維ネットワークを持つLAMファントムについて、プローブ位置P1、P2、P3における剪断波速度（SWS）、楕円モデル、カラーコード化された繊維ネットワークオーバーレイ付きBモード画像、およびLAM型（プローブ位置を示す）を示しています。特にP2およびP3では、デュアル楕円モデルが適用され、複雑な繊維構造における多方向の剪断波伝播を捉えている様子が示されています。

**Table 4.** Table 4. Shear anisotropy metrics from the ellipse model, including the fit quality (R²), fiber解説: 恥骨直腸筋（PR）LAMファントムと恥骨直腸筋-恥骨尾骨筋（PRPC）複合LAMファントムについて、プローブ位置P1、P2、P3における剪断異方性指標（適合品質R²、繊維方向𝜙𝑓𝑖𝑏𝑒𝑟、横方向剪断弾性率𝜇𝑇、縦方向剪断弾性率𝜇𝐿、剪断異方性𝜒𝜇）を示しています。特に、P2およびP3では、単一の楕円モデルに適合しない場合に分割された回転角度範囲とその結果も示されており、複雑な繊維構造への適用能力を評価しています。

研究の意義と今後の展望

この研究は、回旋剪断波エラストグラフィが、従来のSWEでは得られない、解剖学的情報に基づいたLAMファントムの局所的な剪断異方性や繊維ネットワーク構造を特徴づけることができることを実証しました。これらの知見は、回旋SWEイメージングが将来的にLAMの生体内評価を改善できるかどうかの調査の基礎を提供します。骨盤底機能障害の診断、予防、管理は、骨盤底の生体力学の理解不足によって妨げられています。回旋SWEイメージングを用いたLAMの特性評価の信頼性と精度を向上させることで、骨盤底の生体力学に関する理解を深め、妊娠・出産関連の適応、PFD、LAM損傷、LAMリハビリテーション、および治療効果の評価における将来の応用に貢献できるでしょう。この技術が臨床現場で広く活用されるためには、標準化された測定プロトコルの開発と、生体内でのさらなる検証が重要となります。

用語集

骨盤底筋群（LAM）: 骨盤臓器を支え、排便・排尿を調節する複数の筋肉群の総称。
剪断波エラストグラフィ（SWE）: 超音波を用いて組織の硬さ（弾性）を非侵襲的に測定する画像診断技術。
異方性: 物質の物理的特性が方向によって異なる性質。筋肉繊維の配向によって生じる。
等方性: 物質の物理的特性がどの方向でも同じ性質。
横方向等方性（TI）材料: 一方向の軸に対して対称性を持つ異方性材料のモデル。筋肉組織によく適用される。
剪断弾性率: 組織の硬さを示す物理量。剪断波速度から算出される。
剪断波速度（SWS）: 組織内を伝播する剪断波の速度。組織が硬いほど速くなる。
ファントム: 生体組織の物理的特性や解剖学的構造を模倣して作られた実験用モデル。
恥骨直腸筋: 骨盤底筋群の一部で、直腸の周りにスリング状に位置する。
恥骨尾骨筋: 骨盤底筋群の一部で、恥骨から尾骨、会陰体、膣壁、外肛門括約筋に広がる。
回旋剪断波エラストグラフィ: プローブを回転させながら剪断波速度を測定し、組織の方向依存的な硬さを評価するSWEの拡張技術。