JP2014132992A - 血管検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】皮下深度に関わらず血管を検知し、皮下深度の異なる血管を簡易に弁別して表示する血管検知装置を提供する。
【解決手段】反射型血管検知用の光を照射する反射型血管検知用光源１と、透過型血管検知用の光を照射する透過型血管検知用光源２と、反射型血管検知用光源１が照射した光の後方散乱光のうち検知対象を通過した後方散乱光と、透過型血管検知用光源２が照射した光の前方散乱光のうち検知対象を通過した前方散乱光とを検知し、検知した後方散乱光に基づき反射型撮像画像信号５ａを、検知した前方散乱光に基づき透過型撮像画像信号５ｂを出力する撮像部３と、反射型血管検知用光源１と透過型血管検知用光源２の切り替えを制御して切り替え動作情報を出力する制御部４と、反射型撮像画像信号５ａと透過型撮像画像信号５ｂと切り替え動作情報とを用いて、血管を皮下深度に応じて弁別する信号処理部５と、血管を皮下深度に応じて弁別して表示する表示部６とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、皮下深度の異なる血管を弁別して検知かつ表示する血管検知装置に関するものである。

採血や静脈注射等の静脈穿刺において、一般的には目視や触診、駆血帯を用いた血管を怒張させる手法等を用いて血管位置を検知する。しかし、これらの手法では、例えば血管の細さ、血管位置の深さ、皮膚の色等の個人差によって、血管検知が難しい場合がある。
そこで、血液に含まれるヘモグロビンの、近赤外領域における光吸収が大きい性質を利用した血管検知手法が提案されている。この手法においては、例えば近赤外線を観測対象に照射し、反射光および後方散乱光を撮像すると、表皮に近い静脈の位置では周囲と比較して信号量が低下するため、静脈として検知することができる。

特許文献１や特許文献２には、穿刺位置を明確にするために、近赤外線を前腕に照射し、近赤外線カメラを用いて反射光および後方散乱光を撮像し、撮像した画像をモニタに表示することで、血管位置を視認できる装置が開示されている。特許文献１では、腕の加圧装置を有し、血管の怒張を図ることで血管検知精度を向上させることが提案されており、また特許文献２では、眼鏡に配置した実用的な施術用モニタが提案されている。
また、特許文献３には、被処置者の身体に光を照射し、カメラを用いて前方散乱光を撮像し、撮像した画像をモニタに表示することで、血管位置を視認できる装置が開示されている。

特開２００９−０９５５１６号公報 特開２０１１−１６０８９１号公報 特表２００９−５３２１４０号公報

特許文献１や特許文献２のように、検知対象に光を照射して皮下からの後方散乱光や皮膚表面の反射光を基に血管検知を行う方法（以下、「反射型血管検知」と呼ぶ）では、血管によって後方散乱光が減衰した部位と、そうでない部位の後方散乱光の差を相対的に検知することで行われる。
しかし、生体内組織は強い前方散乱成分を持つ異方性媒体のため、皮下深くからの微弱な後方散乱光を検知することは困難である。

例えば、動脈と静脈を繋ぐシャントと呼ばれる手術によって発生しうる動脈閉鎖を検知する場合、シャント部の動脈の位置は通常の動脈位置より比較的浅く、静脈と同程度の深さにあるが、動脈閉鎖はその周囲に発生する可能性があるため、より深い位置にある血管を検出する必要がある。しかし、反射型血管検知では、このような皮下深くにある血管を検知することは難しいという問題がある。

一方、引用文献３のように、検知対象の背面から光を照射して検知部位を透過した前方散乱光を基に血管検知を行う方法（以下、「透過型血管検知」と呼ぶ）では、上述したように、生体内組織は強い前方散乱成分を持つ異方性媒体のため、光は前方に伝達されやすい性質を持つ。従って、検知対象の背面から光を照射することで、より深くに位置する血管を検知することが可能となる。しかし、透過型血管検知は皮下浅い血管と深い血管を共に検知するために、一見して両者を弁別することはできないという問題がある。

この発明は、上述したような課題を解決するためになされたもので、皮下深度に関わらず血管を検知し、皮下深度の異なる血管を簡易に弁別して表示できる血管検知装置を得ることを目的とする。

この発明に係る血管検知装置は、反射型血管検知用の光を照射する反射型血管検知用光源と、透過型血管検知用の光を照射する透過型血管検知用光源と、反射型血管検知用光源が照射した光の後方散乱光のうち検知対象を通過した後方散乱光と、透過型血管検知用光源が照射した光の前方散乱光のうち検知対象を通過した前方散乱光とを検知し、検知した後方散乱光に基づき反射型撮像画像信号を、検知した前方散乱光に基づき透過型撮像画像信号を出力する撮像部と、反射型血管検知用光源と透過型血管検知用光源の切り替えを制御して切り替え動作情報を出力する制御部と、反射型撮像画像信号と透過型撮像画像信号と切り替え動作情報とを用いて、血管を皮下深度に応じて弁別する信号処理部と、血管を皮下深度に応じて弁別して表示する表示部とを備えるものである。

この発明によれば、皮下深度に関わらず血管を検知し、皮下深度の異なる血管を簡易に弁別して表示することができる。

本発明における実施の形態１の血管検知装置の構成を示した図である。 本発明における実施の形態１の反射型撮像画像の概略図である。 本発明における実施の形態１の透過型撮像画像の概略図である。 本発明における実施の形態１の表示部により表示される血管検知画像例である。 本発明における実施の形態２の血管検知装置の構成を示した図である。 本発明における実施の形態３の血管検知装置の構成を示した図である。 本発明における実施の形態４の血管検知装置の構成を示した図である。 本発明における実施の形態５の血管検知装置の構成を示した図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における血管検知装置を示すものである。実施の形態１における血管検知装置は、反射型血管検知用光源１、透過型血管検知用光源２、撮像部３、制御部４、信号処理部５、表示部６、光源台２０を備える。そして、検知対象は、光源台２０に備えられた透過型血管検知用光源２の上に置かれる。

反射型血管検知用光源１は、反射型血管検知を行うために、検知対象に近赤外線を照射する。透過型血管検知用光源２は、光源台２０に備えられており、透過型血管検知を行うために、検知対象に近赤外線を照射する。近赤外線は、ヘモグロビンの吸収波長帯であるため、検知対象に照射すると、後方散乱光あるいは前方散乱光は、血管位置において吸収されて強度が低下する。

撮像部３は、反射型血管検知用光源１から近赤外線が照射された場合と、透過型血管検知用光源２から近赤外線が照射された場合のそれぞれにおいて、検知対象を撮像し、その撮像画像信号を信号処理部５に出力する。前者の場合に得られるのが反射型撮像画像信号５ａ、後者の場合に得られるのが透過型撮像画像信号５ｂである。

反射型血管検知用光源１と撮像部３は、反射型血管検知用光源１による検知対象の被照射面に対して、同じ方向に設置される。図１においては、反射型血管検知用光源１と撮像部３は、検知対象の上部に設置されている。また、透過型血管検知用光源２と撮像部３との間に、反射型血管検知用光源１による検知対象の被照射面が位置するように、透過型血管検知用光源２が設置される。図１においては、透過型血管検知用光源２は、検知対象の下部に設置されている。

制御部４は、反射型血管検知用光源１および透過型血管検知用光源２の切り替え動作や、それに応じた撮像部３の撮像設定の切り替えを行う。また、信号処理部５に、反射型血管検知用光源１および透過型血管検知用光源２の切り替え動作の情報を、切り替え動作情報として出力する。他にも、制御部４は、後述するボケ補正の設定等、信号処理部５の制御情報を信号処理部５へ出力する。

信号処理部５は、撮像部３から入力される撮像画像信号と、制御部４から入力される切り替え動作情報とから、反射型撮像画像信号５ａ、透過型撮像画像信号５ｂを判別する。反射型撮像画像信号５ａまたは透過型撮像画像信号５ｂと判別された撮像画像信号は、画像処理装置５ｃに送られ、画像処理装置５ｃは、画像処理により、皮下深くに位置する血管と浅くに位置する血管を弁別し、血管検知画像信号として表示部６へ出力する。
表示部６は、信号処理部５から入力される血管検知画像信号を基に、血管検知画像を表示する。

このように構成された血管検知装置の動作の詳細について以下説明する。
反射型血管検知用光源１、透過型血管検知用光源２から検知対象への近赤外線の照射は、制御部４により切り替え制御が行われ、一方の光源による照射中は、他方の光源からの照射は行われないようになっている。この情報は、切り替え動作情報として信号処理部５に送られる。また、同時に制御部４は、適切なコントラストの撮像画像を得られるように撮像部３の撮像設定の切り替えを行う。ここで、例えば、手動によるスイッチングや、時間経過による自動スイッチングを行うことで、簡易に光源および撮像設定の切り替えを行うことができる。

このように制御された反射型血管検知用光源１から近赤外線が照射されると、撮像部３は、皮膚表面の反射光および皮下からの後方散乱光を撮像し、皮下浅くにある血管の位置においての信号量が低下した、反射型撮像画像信号５ａを生成する。図２に、反射型撮像画像信号５ａから得られる反射型撮像画像の概略図を示す。なお、ここでは一例として、人体の手から肘の間の領域における血管検知を行ったものを示すが、血管を検知したい任意の生体箇所で検知を行ってよい。
同様に、透過型血管検知用光源２から近赤外線が照射されると、撮像部３は、皮下から透過した前方散乱光を撮像し、血管位置においての信号量が低下した、透過型撮像画像信号５ｂを生成する。生体内組織は前方散乱成分が強い異方性媒体であるため、反射型血管検知用光源１から照射した場合と比較すると、皮下深くにある血管の位置においても信号量が低下した透過型撮像画像信号５ｂを生成する。図３に、透過型撮像画像信号５ｂから得られる透過型撮像画像の概略図を示す。
反射型撮像画像信号５ａおよび透過型撮像画像信号５ｂは、画像処理装置５ｃへ送られる。

信号処理部５は、制御部４から入力された切り替え動作情報を基に、反射型撮像画像信号５ａ、透過型撮像画像信号５ｂを判別する。続いて、画像処理装置５ｃで反射型撮像画像信号５ａと透過型撮像画像信号５ｂの差分から、皮下深くに位置する血管と浅くに位置する血管を弁別し、その結果は、血管検知画像信号として、表示部６へ出力される。

信号処理部５から出力された血管検知画像信号を基に、血管検知画像が表示部６に表示される。図４に、表示部により表示される血管検知画像例を示す。図４では、皮下深度の異なる血管に対して異なる配色で強調して表示したものを示している。血管検知画像を表示することにより、皮下深度によって弁別された血管を視認することができる。

ここで、反射型血管検知用光源１、透過型血管検知用光源２が照射する光の波長は単一でもよいし、複数の波長を用いてもよい。また、ＬＥＤのような安価な光源を用いてもよいし、光出力や指向性の強いレーザのような光源を用いてもよい。

撮像部３は、例えばカメラのような同時に広範囲の２次元画像の画像信号を簡易に取得することができる装置でもよいし、単素子の光検出器やアレイ型の光検出器を用いてスキャンしてもよい。
また、撮像部３は、反射型血管検知用光源１、透過型血管検知用光源２の波長に感度を持つ近赤外カメラを用いてもよいし、可視から近赤外に感度を持つ一般的な広帯域カメラに反射型血管検知用光源１、透過型血管検知用光源２と同じ波長帯が透過するバンドパスフィルターを用いてもよい。また、カメラレンズとして解像度や検知範囲を調整するための焦点可変レンズを用いてもよい。なお、撮像部３は透過型血管検知において微弱光を検出するため、高感度であることが望ましい。

画像処理装置５ｃは、前述の信号処理に加えて皮下深度測定を行ってもよい。皮下深くに位置する血管を透過した光は、生体内の散乱により血管の像にボケが発生する。例えば、生体内散乱の異方性より線広がり関数を推定し、デコンボリューション処理を実施することで、ボケ量から血管の皮下深度を推定することができる。さらに、ボケを補正する処理を行うことで、表示部６で血管が明瞭に表示されるようにしてもよい。
また、画像処理装置５ｃは、血管の太さ、深さ、配置等の先見情報を用いて動脈と静脈を識別する機能を付加してもよい。
また、画像処理装置５ｃは、生成した血管検知画像信号と、該生成した血管検知画像信号よりも前に生成した血管検知画像信号とを用いて解析を行うことで、同一部位における血管検知画像信号の時間変動を検知し、脈動（約１Ｈｚ程度）が検知される部位を動脈と推定し、動脈と静脈を識別する機能を付加してもよい。
また、画像処理装置５ｃは、反射型撮像画像信号５ａあるいは透過型撮像画像信号５ｂの信号量が少ない場合、積算処理を行い、信号量が少なくとも血管を検知できるようにしてもよい。

表示部６は、適宜既存の画像処理技術を用いて、皮下深度の深い血管のみを表示する場合や、皮下深度の浅い血管のみを表示する場合を切り替えて表示してもよい。

検知対象は、透過型血管検知用光源２上部に置くものとしたが、撮像部３と透過型血管検知用光源２の間に配置されるのであれば、透過型血管検知用光源２に対して任意の位置に置いてよい。

以上のように、反射型血管検知と透過型血管検知により得られる撮像画像信号を処理することによって、皮下深度に関わらず血管を検知し、皮下深度の異なる血管を簡易に弁別して表示することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２における血管検知装置を示したものであり、図１との対応部分については同一符号を付与し、説明を省略する。
実施の形態２における血管検知装置は、実施の形態１における血管検知装置の撮像部３を光検出器７およびスキャナ８で構成したものであり、それに伴いレンズ９、Ａ／Ｄコンバータ１０を備えたものである。光検出器７は、単素子あるいは１次元アレイの光検出器である。

実施の形態１では、撮像部３としてカメラ等の多画素センサを用い、簡易に２次元画像の画像信号を取得してもよいとしたが、高解像度かつ高感度のカメラは非常に高価である。一方、高感度な光検出器は高感度カメラと比較して安価のため、装置の低コスト化が可能である。
また、スキャナ８の走査量や、光検出器７に集光させるレンズ９によって、取得する血管検知画像の分解能、検知範囲、血管検知画像の取得速度等の調整を行うことができる。

光検出器７は、制御部４により制御され、光を検出してアナログ信号として出力する。例えば高感度フォトダイオードを用いてもよい。
スキャナ８は、制御部４により制御され、スキャナ８に備えられた反射面（図示せず）が揺動機構（図示せず）によって揺動されることで、検知対象をスキャンして、検知対象からの光をレンズへと導く。
スキャナ８は、走査角度や走査速度を調整することによって、検知範囲や血管検知画像の取得速度を調整することができる。
スキャナ８は、例えばＭＥＭＳミラーを用いてもよい。ＭＥＭＳミラーを用いることによって、小型な装置でスキャンすることができる。

レンズ９は、スキャナ８により導かれた検知領域からの光を、光検出器（単素子）７に集光する装置である。
レンズ９は、その焦点距離によって検知面積を調整することができ、すなわち血管検知画像の分解能を調整することができる。

Ａ／Ｄコンバータ１０は、光検出器（単素子）７から出力されるアナログ信号を、信号処理部５に伝達するためにデジタル信号に変換する装置である。

以上のように、実施の形態２によれば、撮像部３を高感度カメラと感度が同等の光検出器で構成したので装置の低コスト化が可能であり、また、スキャナの走査速度や走査角度、レンズによって、検知範囲、血管検知画像の分解能、血管検知画像の取得速度等の調整を行うことができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３における血管検知装置を示したものであり。図１、図５との対応部分については同一符号を付与し、説明を省略する。
実施の形態３における血管検知装置は、実施の形態２における血管検知装置の反射型血管検知用光源１からの光を光検出器７の検知領域に一致させて照射するために、偏光ビームスプリッター１１と、レンズ１２を備えたものである。

反射型血管検知用光源１は、照射領域に集光させるために、例えばレーザのようなビーム広がり角の小さい光源を用いることが望ましい。

偏光ビームスプリッター１１は、図６のように、光検出器７とスキャナ８間に配置することで、光検出器７の検知領域と反射型血管検知用光源１の照射領域を一致させ、かつ連動させることができる。また、それによって反射型血管検知用光源１の照射エネルギーを低減することができる。
また、反射型血管検知用光源１として偏光特性を持つレーザを使用した場合、皮膚表面からの正反射成分は偏光成分が保持されるため、偏光成分と垂直の成分のみ透過するように設置することで正反射成分を除去することができ、皮下組織からの後方散乱光の血管位置での信号量低下を検知しやすくなる。

レンズ１２は、反射型血管検知用光源１のビーム広がりを照射領域に集光するための装置である。レンズ１２を用いることによって、光検出器７の検知領域と等しくなるように反射型血管検知用光源１のビームを集光することができる。

以上のように、実施の形態３によれば、反射型血管検知用光源の照射エネルギーを低減することができ、また皮膚表面の正反射を除去することで皮下組織からの後方散乱光を検知することが容易となるため、より鮮明な反射型撮像画像を取得することが出来る。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４における血管検知装置の一例を示したものであり、図１、図５、図６との対応部分については同一符号を付与し、説明を省略する。
実施の形態４における血管検知装置は、実施の形態１から実施の形態３のいずれかにおける血管検知装置の反射型血管検知用光源１と透過型血管検知用光源２に、周波数変調を加えるための周波数変調器１３、１４と、それぞれの光源によって発生する後方散乱光、前方散乱光を位相検波により光検出するための位相検波器１５、１６を備えたものであり、図７は実施の形態３に対して適応した例を示したものである。
また、反射型血管検知用光源１および透過型血管検知用光源２が複数波長帯持つ場合は、光源の種類に応じて周波数変調器、位相検波器の数を増加してもよい。

周波数変調器１３は反射型血管検知用光源１に周波数変調を加える装置であり、周波数変調器１４は透過型血管検知用光源２に周波数変調を加える装置である。周波数変調器１３と周波数変調器１４は、制御部４により制御される。周波数変調器１３と１４が異なる周波数変調を反射型血管検知用光源１、透過型血管検知用光源２に加えることで、血管検知に用いる後方散乱光および前方散乱光を周期的に発生させることができる。

位相検波器１５は、光検出器７の出力信号と周波数変調器１３の信号から、反射型血管検知用光源１による周波数のみを抽出する装置である。位相検波器１５は、光検出器７から反射型血管検知用光源１による後方散乱光を抽出し、反射型撮像画像信号５ａを取得することができる。

位相検波器１６は、光検出器７の出力信号と周波数変調器１４の信号から、透過型血管検知用光源２による周波数のみを抽出する装置である。位相検波器１６は、光検出器７から透過型血管検知用光源２による前方散乱光を抽出し、透過型撮像画像信号５ｂを取得することができる。

位相検波器１５、１６を用いて光検出器７から特定の周波数成分を抽出することによって、反射型血管検知用光源１と透過型血管検知用光源２による後方散乱光および前方散乱光を同時に取得することができる。さらに、外部光と異なる周波数変調を加えることによりその影響を除去することができ、照明下における使用が容易となる。

以上のように、実施の形態４によれば、反射型血管検知と透過型血管検知を同時に実施することができる。また、外部光と異なる周波数変調を加えることによって、照明等外部の影響を除去することができる。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５における血管検知装置の一例を示したものであり、図１、図５から図７との対応部分については同一符号を付与し、説明を省略する。
実施の形態５における血管検知装置は、実施の形態２から実施の形態４のいずれかにおける血管検知装置に対し、血管を検知した画像を検知対象に投影するための投影用光源１７と、光検出器７の検知領域、反射型血管検知用光源１の照射領域および投影用光源１７の照射領域を連動させるためのダイクロイックミラー１８と、投影用光源１７を照射領域に集光するレンズ１９を備えたものであり、図８は実施の形態４に対して適応した例を示したものである。

投影用光源１７は、適宜既存の画像処理技術を用いて、表示部６により出力される血管検知画像から血管位置を抽出して光を照射する装置であり、検知対象に、検知した血管位置を投影することができる。
投影用光源１７は、弁別された血管に対して、皮下深度に応じて異なる色の可視領域のレーザを用いて投影してもよいし、あるいは、皮下深度の深い血管のみを投影する場合や、皮下深度の浅い血管のみを投影する場合とを切り替えて投影するようにしてもよい。
投影用光源１７を用いて、注射等の施術において検知対象に血管位置や血管形状を投影することによって、施術中の血管の状態を把握することができる。

ダイクロイックミラー１８は、投影用光源１７が、光検出器７の検知領域および反射型血管検知用光源１の照射領域と同一の領域に連動して照射するための装置である。
ダイクロイックミラー１８は、例えば図８に示すような、反射型血管検知用光源１と投影用光源１７とに対する配置とし、投影用光源１７の波長帯では透過し、反射型血管検知用光源１の波長帯では反射するような波長特性を持つダイクロイックミラー１８を使用することで、光学系による照射エネルギー損失を低減することができる。
また、図５に示す実施の形態２に対して本実施の形態を適用する場合は、スキャナ８からレンズ９へと向かう光と、投影用光源１７からスキャナ８へと向かう光のうち、一方を反射し、他方を透過するように配置される。

レンズ１９は、投影用光源１７を照射領域に集光するための装置である。レンズ１９を用いることによって、投影用光源１７のビーム広がりを照射領域に集光することができる。

以上のように、実施の形態５によれば、反射型血管検知と透過型血管検知により弁別された血管検知画像を検知対象に照射することができ、検知対象を注視しながら異なる皮下深度の血管の位置、形状等を弁別して把握することができる。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 反射型血管検知用光源、２ 透過型血管検知用光源、３ 撮像部、４ 制御部、５ 信号処理部、５ａ 反射型撮像画像信号、５ｂ 透過型撮像画像信号、５ｃ 画像処理装置、６ 表示部、７ 光検出器、８ スキャナ、９ レンズ、１０ Ａ／Ｄコンバータ、１１ 偏光ビームスプリッター、１２ レンズ、１３ 周波数変調器、１４ 周波数変調器、１５ 位相検波器、１６ 位相検波器、１７ 投影用光源、１８ ダイクロイックミラー、１９ レンズ、２０ 光源台。

Claims (5)

1. 反射型血管検知用の光を照射する反射型血管検知用光源と、
   透過型血管検知用の光を照射する透過型血管検知用光源と、
   前記反射型血管検知用光源が照射した光の後方散乱光のうち検知対象を通過した後方散乱光と、前記透過型血管検知用光源が照射した光の前方散乱光のうち前記検知対象を通過した前方散乱光とを検知し、前記検知した後方散乱光に基づき反射型撮像画像信号を、前記検知した前方散乱光に基づき透過型撮像画像信号を出力する撮像部と、
   前記反射型血管検知用光源と前記透過型血管検知用光源の切り替えを制御して切り替え動作情報を出力する制御部と、
   前記反射型撮像画像信号と前記透過型撮像画像信号と前記切り替え動作情報とを用いて、血管を皮下深度に応じて弁別する信号処理部と、
   前記血管を皮下深度に応じて弁別して表示する表示部とを備える血管検知装置。
2. 前記撮像部は、光検出器とスキャナを備えることを特徴とする請求項１記載の血管検知装置。
3. 前記スキャナからの入光を前記光検出器に導き、前記反射型血管検知用光源が照射した光を前記スキャナに導く偏光ビームスプリッターを備えることを特徴とする請求項２記載の血管検知装置。
4. 前記表示部の表示に基づき前記検知対象に検知した血管を投影する投影用光源と、
   前記スキャナにおいて、前記投影用光源からの入光方向と前記光検出器への出光方向とが一致するように設けられたダイクロイックミラーとを備えることを特徴とする請求項２または請求項３記載の血管検知装置。
5. 前記反射型血管検知用光源および前記透過型血管検知用光源に周波数変調を加える周波数変調器と、
   前記撮像部から出力される信号を周波数に応じて分離する位相検波器とを備えることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の血管検知装置。

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