JP2015159934A - 超音波計測装置及び超音波計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検者の呼吸回数を正しく検出する新たな手法の提案。【解決手段】超音波計測装置１において、超音波センサー４は、血管に向けて超音波を送信し、反射波を受信する。そして、本体装置５の処理部５７において、超音波計測制御部５８、呼吸変動成分分離部５７１、及び呼吸数算出部５７５は、反射波の受信信号を用いて血管壁の生体表面からの深さ方向の変位を解析し、当該解析結果を用いて単位時間当たりの呼吸回数を検出する。単位時間は例えば１分でもよいし、１秒でもよい。【選択図】図６

Description

本発明は、被検者の呼吸回数を検出する超音波計測装置等に関する。

被検者の呼吸回数を検出する手法の１つとして、例えば、被検者から採取される脈波信号に基づいて被検者の呼吸状態を把握する技術が知られている（特許文献１を参照）。この特許文献１では、光学式の脈波センサーを用いて被検者に光を照射し、血液の流動による受光量の変化を検出することによって呼吸状態を把握している。

特開２００２−１７６９６号公報

ところで、血管は、呼吸に伴い周辺の器官や筋肉が動くことによって拡張／収縮を繰り返しており、この呼吸に伴う血管の拡張／収縮の周期がわかれば単位時間当たりの呼吸回数を知ることができる。
本発明は、上記に鑑み、被検者の呼吸回数を正しく検出することができる新しい手法を提案することを目的とする。

以上の課題を解決するための第１の発明は、血管に向けて超音波を送信し、反射波を受信する送受信部と、前記反射波の受信信号を用いて血管壁の生体表面からの深さ方向の変位を解析し、当該解析結果を用いて単位時間当たりの呼吸回数を検出する検出部と、を備えた超音波計測装置である。

また、別形態として、血管に向けて超音波を送信し、反射波を受信することと、前記反射波の受信信号を用いて血管壁の生体表面からの深さ方向の変位を解析し、当該解析結果を用いて単位時間当たりの呼吸回数を検出することと、を含む超音波計測方法を構成することとしてもよい。

第１の発明及び別形態によれば、血管壁の生体表面からの深さ方向の変位を解析し、単位時間当たりの呼吸数を算出することができる。

第２の発明は、前記検出部は、前記血管壁の深さ方向の変位を周波数解析し、呼吸変動成分の周波数を特定することによって前記呼吸回数を検出する、第１の発明の超音波計測装置である。

第２の発明によれば、血管壁の深さ方向の変位を周波数解析して呼吸変動成分の周波数を特定し、呼吸回数を算出することができる。

第３の発明は、前記検出部は、心拍数を算出する心拍数算出部を有し、前記周波数解析結果から前記心拍数に対応する周波数を除外し、前記呼吸変動成分の周波数を特定する、第２の発明の超音波計測装置である。

第３の発明によれば、周波数解析結果から心拍数を除外した上で呼吸変動成分の周波数を特定することができる。

第４の発明は、前記検出部は、血管前壁及び血管後壁の何れか一方の深さ方向の変位に基づいて前記呼吸回数を検出する、第１〜第３の何れかの発明の超音波計測装置である。

第４の発明によれば、血管前壁及び血管後壁の何れか一方の深さ方向の変位を解析し、呼吸回数を検出することができる。

第５の発明は、前記検出部は、前記血管壁における受信信号強度の時間変化に基づいて前記呼吸回数を検出する、第１の発明の超音波計測装置である。

第５の発明によれば、血管壁における受信信号強度の時間変化から呼吸回数を検出することができる。

第６の発明は、前記検出部は、血管前壁の深さ方向の変位と血管後壁の深さ方向の変位とによって定まる血管径の時間変化に基づいて前記呼吸回数を検出する、第１の発明の超音波計測装置である。

第６の発明によれば、血管径の時間変化から呼吸回数を検出することができる。

第７の発明は、前記検出部は、前記血管径の時間変化から拡張期血管径及び収縮期血管径の何れか一方の時間変化を表す血管径変動を周波数解析して前記呼吸回数を検出する、第６の発明の超音波計測装置である。

第７の発明によれば、拡張期血管径及び収縮期血管径の何れか一方の時間変化を表す血管径変動を抽出して周波数解析し、呼吸回数を検出することができる。

第８の発明は、前記血管は動脈である、第１〜第７の何れかの発明の超音波計測装置である。

第８の発明によれば、動脈の血管を対象に深さ方向の変位を解析し、呼吸回数を検出することができる。

第１実施形態における超音波計測装置の全体構成例を示す図。 血管壁変動の検出原理を説明する図。 血管壁変動波形の一例を示す図。 血管壁変動波形のＦＦＴ処理結果を示す図。 血管壁変動波形の微分波形を示す図。 第１実施形態における超音波計測装置の機能構成例を示すブロック図。 第１実施形態における呼吸数検出処理の処理手順を示すフローチャート。 信号強度変動波形の一例を示す図。 変形例における呼吸数検出処理の処理手順を示すフローチャート。 血管径変動波形の一例を示す図。 拡張期血管径変動波形のＦＦＴ処理結果を示す図。 第２実施形態における超音波計測装置の機能構成例を示すブロック図。 第２実施形態における呼吸数検出処理の処理手順を示すフローチャート。 変形例における血管計測装置の全体構成例を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の超音波計測装置及び超音波計測方法を実施するための一形態について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明が適用可能な形態は、以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付す。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態における超音波計測装置１の全体構成例を示す図である。第１実施形態の超音波計測装置１は、計測対象血管（例えば頸動脈）の血管壁変動に基づいて被検者７の呼吸数を検出するものであり、図１に示すように、超音波プローブ３と、本体装置５とを備える。超音波プローブ３は、超音波の反射波を計測するためのものであり、例えば、複数の超音波振動子が２次元配列された送受信部としての超音波センサー４を有している。本体装置５は、超音波プローブ３を用いた超音波計測を行って血管壁変動を取得し、被検者７の呼吸数を算出（推定）する。なお、呼吸数とは１分間当たりの呼吸回数として説明するが、単位時間当たりの呼吸回数であればよく、１分間当たりの呼吸回数に限定されるものではない。

［原理］
図２は、血管壁変動の取得原理を説明する図であり、（１）は血管９の長軸（血管９の走行方向）断面を模式的に示し、（２）は血管９の短軸断面（血管９の走行方向に対して垂直な面）を模式的に示している。図２において、血管９の血管長軸方向をＹ方向、生体表面からの深さ方向をＺ方向、Ｙ方向及びＺ方向に直交する血管９の血管短軸方向をＸ方向と表記する。

超音波計測に際しては、超音波センサー４は、超音波プローブ３を例えば被検者７の生体表面（ここでは頸部の皮膚面）に貼付することによって、血管（例えば頸動脈）９の直上に位置決めされる。そして、超音波センサー４は、図２（１）中に破線矢印で示すように、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの超音波のパルス信号あるいはバースト信号を血管９に向けて送信し、血管９の血管前壁９１からの反射波及び血管後壁９３からの反射波を含む反射波を受信する。一方、本体装置５は、超音波センサー４によって受信した反射波の受信信号を増幅・信号処理することにより、被検者７の生体内構造に係る反射波データを生成する。この超音波計測は、所定の計測周期（例えば、１秒当たり３００フレームから５００フレームのフレームレート）で繰り返し実行される。

反射波データには、いわゆるＡモード、Ｂモード、Ｍモード、カラードップラーモードの各モードの画像が含まれる。Ａモードは、第１軸を所定の生体表面位置からの深さ方向（Ｚ方向）の距離とし、第２軸を反射波の受信信号強度として、反射波の振幅（Ａモード像）を表示するモードである。また、Ｂモードは、生体表面位置を走査させながら得た反射波振幅（Ａモード像）を輝度値に変換することで可視化した生体内構造の二次元画像（Ｂモード像）を表示するモードである。

血管９は、心臓の拍動により概ね等方的に拡張／収縮を繰り返す。超音波は媒質界面で大きく反射する特性があるため、血管壁での反射信号が強く現れるが、超音波の送信方向と直交する面ほど強い反射波を受信できる。反対に、超音波の送信方向と平行に近い面ほど反射波を受信し難くなる。そのため、超音波計測では、血管９の中心直上の血管前壁９１及び中心直下の血管後壁９３からの反射波は強く検出されるが、血管横壁９５からの反射波は弱くなる。したがって、反射波データには、血管前壁９１及び血管後壁９３に係る強い反射波が現れることになる。

ここで、本体装置５は、対象とする反射波データ（例えばＡモード像）に関心領域（トラッキングポイント）を設定することで、異なるフレーム間で関心領域を追跡し変位を算出する、いわゆる「トラッキング」を行うことができる。

第１実施形態では、血管の断面形状である円形を検出するパターンマッチング等の手法を用いて血管短軸断面（ＸＺ平面）のＢモード像から血管９を検出し、血管９の中心付近を通る走査線（図２（２）中に一点鎖線で示すラインＬ１）上の反射波振幅に相当するＡモード像を対象に選ぶ。そして、選んだＡモード像において血管前壁９１に関心領域を設定してトラッキングを行い、拍動や呼吸に伴う血管前壁９１の生体表面からの深さ方向の変位を算出することで血管壁変動波形を取得する。なお、血管前壁９１と併せて血管後壁９３にも関心領域を設定してトラッキングを行い、血管後壁９３の生体表面からの深さ方向の変位を算出すれば、フレーム毎に血管径Ｄを算出することができる。

図３は、血管壁変動波形の一例を示す図である。血管９は、上記した心臓の拍動に伴い拡張／収縮を繰り返す他、呼吸に伴って周辺の器官や筋肉が動くことによっても拡張／収縮する。そして、通常１回呼吸する間に心臓は複数回拍動することから、血管壁変動波形には、短い周期Ｔ２１で拍動に伴う変動（拍動変動）が現れるとともに、周期Ｔ２１よりも長い周期Ｔ２３で呼吸に伴う変動（呼吸変動）が現れる。

そこで、血管壁変動波形をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理して周波数解析し、呼吸変動成分を分離する。図４は、図３の血管壁変動波形のＦＦＴ処理結果を示す図である。ＦＦＴ処理の結果、複数の周波数スペクトルのピークが得られる。図４では、例えば、一点鎖線で囲って示すピークＰ３１が呼吸変動成分に対応し、二点鎖線で囲って示すピークＰ３５が拍動変動成分に対応している。

拍動変動成分に対応するピークＰ３５については、血管壁変動波形を微分し、拍動の周波数（心拍数）を算出することによって特定することができる。図５は、図３の血管壁変動波形の微分波形を示す図である。図５に示す微分波形のピーク間の時間Ｔ４１が拍動変動の周期（図３の周期Ｔ２１）に相当する。したがって、例えば、各ピーク間の時間Ｔ４１の平均値を拍動変動の周期として求め、その周波数を算出することによって、図４のＦＦＴ処理結果において拍動変動成分に対応するピークがどれなのか（ここではピークＰ３５）を特定することができる。

このようにして拍動変動成分に対応するピークＰ３５を特定したならば、特定したピークＰ３５を除外した上で、残ったピークの中からその周波数が基本波及びその整数倍波（２倍波，３倍波，・・・）の関係となっているピーク、図４では、ピークＰ３１，Ｐ３２，Ｐ３３を選出する。そして、基本波のピークＰ３１の周波数を呼吸変動成分の周波数（呼吸周波数）として特定することで、呼吸変動成分を分離することができる。その後は、特定した呼吸周波数から呼吸数を算出する。

［機能構成］
図６は、超音波計測装置１の主要な機能構成例を示すブロック図である。図６に示すように、超音波計測装置１の本体装置５は、操作部５１と、表示部５３と、通信部５５と、処理部５７と、記憶部５９とを備え、この本体装置５が超音波センサー４と接続されて構成される。

操作部５１は、ボタンスイッチやレバースイッチ、ダイヤルスイッチ等の各種スイッチ、タッチパネル、トラックパッド、マウス等の入力装置によって実現されるものであり、操作入力に応じた操作信号を処理部５７に出力する。

表示部５３は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＥＬディスプレイ（Electroluminescence display）等の表示装置によって実現されるものであり、処理部５７から入力される表示信号をもとに各種画面を表示する。この表示部５３には、検出した被検者７の呼吸数等が表示される。例えば、操作部５１に対するモードの切替操作に応じて、現在の呼吸数表示画面や、過去のロギングデータに基づき呼吸数変化をグラフ化した呼吸数変化表示画面等として表示されるようになっている。

通信部５５は、処理部５７の制御のもと、外部との間でデータを送受するための通信装置である。この通信部５５の通信方式としては、所定の通信規格に準拠したケーブルを介して有線接続する形式や、クレイドルなどと呼ばれる充電器と兼用の中間装置を介して接続する形式、無線通信を利用して無線接続する形式等、種々の方式を適用可能である。

処理部５７は、超音波計測装置１の各部を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphic Processing Unit）等のマイクロプロセッサーや、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）メモリー等で実現される。この処理部５７は、超音波計測制御部５８と、呼吸変動成分分離部５７１と、呼吸数算出部５７５とを備え、検出部として機能する。なお、処理部５７を構成する各部は、電子回路などのハードウェアで構成することとしてもよい。

超音波計測制御部５８は、超音波センサー４とともに超音波計測部２を構成し、この超音波計測部２によって超音波計測が実現される。この超音波計測制御部５８は、公知技術により実現できる。例えば、超音波計測制御部５８は、駆動制御部５８１と、送受信制御部５８３と、受信合成部５８５と、トラッキング部５８７とを含み、血管９に向けた超音波の送信及び反射波の受信を制御する。

駆動制御部５８１は、超音波センサー４からの超音波パルスの送信タイミングを制御し、送信制御信号を送受信制御部５８３に出力する。

送受信制御部５８３は、駆動制御部５８１からの送信制御信号に従ってパルス電圧を発生させて超音波センサー４に出力する。その際、送信遅延処理を行って各超音波振動子へのパルス電圧の出力タイミングの調整を行う。また、送受信制御部５８３は、超音波センサー４から入力された反射波信号の増幅やフィルター処理を行い、処理結果を受信合成部５８５に出力する。

受信合成部５８５は、必要に応じて遅延処理等を行っていわゆる受信信号のフォーカスに係る処理等を実行し、反射波データを生成する。

トラッキング部５８７は、「トラッキング」に係る処理を行う機能部であり、反射波データに基づいて関心領域の位置を超音波計測のフレーム間で追跡する。例えば、Ｂモード像から血管９の位置を検出し、血管前壁９１に関心領域を設定するための処理、関心領域を異なるフレーム間で追跡するための処理、関心領域の変位を算出する処理等を行う。公知の位相差トラッキングやエコートラッキング等の機能が実現される。

呼吸変動成分分離部５７１は、トラッキング部５８７が追跡した関心領域（血管前壁９１）の時間変化を表す血管壁変動波形から呼吸周波数を特定し、呼吸変動成分を分離する。この呼吸変動成分分離部５７１は、血管壁変動波形に基づいて拍動周波数（心拍数）を算出する心拍数算出部５７２を有する。なお、心拍数算出部５７２は、外部から被検者７の心拍を表す信号或いは心拍数を示す信号を入力することで心拍数を取得することしてもよい。

呼吸数算出部５７５は、呼吸周波数に従って被検者７の単位時間（例えば１分）当たりの呼吸回数を呼吸数として算出する。なお、単位時間は、１分に限らず１秒としてもよい。

記憶部５９は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の各種ＩＣ（Integrated Circuit）メモリーやハードディスク等の記憶媒体により実現されるものである。記憶部５９には、超音波計測装置１を動作させ、この超音波計測装置１が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、このプログラムの実行中に使用されるデータ等が事前に記憶され、或いは処理の都度一時的に記憶される。

また、記憶部５９には、処理部５７を超音波計測制御部５８、呼吸変動成分分離部５７１、及び呼吸数算出部５７５として機能させ、呼吸数検出処理（図７を参照）を行うための第１呼吸数検出プログラム５９１と、反射波データ５９３と、トラッキングデータ５９５と、呼吸数データ５９７とが記憶される。

反射波データ５９３は、フレーム毎に繰り返される超音波計測で得た反射波データを記憶する。この反射波データ５９３は、トラッキングの対象に選ばれて関心領域が設定されるフレーム毎のＡモード像のデータを含む。

トラッキングデータ５９５は、トラッキング部５８７によるトラッキング結果のデータであり、関心領域とされて追跡されたフレーム毎の血管前壁９１の変位のデータが含まれる。

呼吸数データ５９７は、呼吸数算出部５７５によって所定の算出対象時間（例えば、１０秒であってもよいし３０秒であってもよい。）毎に随時算出される呼吸数を記憶する。

［処理の流れ］
図７は、呼吸数検出処理の処理手順を示すフローチャートである。なお、ここで説明する処理は、処理部５７が記憶部５９から第１呼吸数検出プログラム５９１を読み出して実行することで実現できる。この呼吸数検出処理は、超音波プローブ３が被検者７の頸部に貼付され、所定の計測開始操作が入力されると開始される。

第１実施形態の呼吸数検出処理では、先ず、超音波計測制御部５８が超音波計測を開始することによって、受信合成部５８５による反射波データの取得を開始するとともに（ステップＳ１）、トラッキング部５８７によるトラッキングを開始する（ステップＳ３）。その後、初回のみ、算出対象時間の間待機し、算出対象時間分のデータを収集する（ステップＳ５：Ｎｏ）。

算出対象時間が経過し、算出対象時間分のデータを収集したならば（ステップＳ５：ＹＥＳ）、呼吸変動成分分離部５７１が、トラッキングデータ５９５から直近の算出対象時間分のトラッキング結果を読み出して血管壁変動波形を取得し（ステップＳ７）、取得した血管壁変動波形をＦＦＴ処理する（ステップＳ９）。また、心拍数算出部５７２が、ステップＳ７で取得した血管壁変動波形を微分し、微分波形のピーク間の時間から拍動周波数（心拍数）を算出する（ステップＳ１１）。

続いて、呼吸変動成分分離部５７１が、ＦＦＴ処理結果から拍動周波数のピークを除外した上で、上記した要領で選出した基本波のピークの周波数を呼吸周波数として特定する（ステップＳ１３）。

そして、呼吸数算出部５７５が、呼吸周波数に従って１分当たりの呼吸回数を呼吸数［回／分］として算出する（ステップＳ１５）。算出した呼吸数は、呼吸数データ５９７として記憶部５９に記憶され、適宜のタイミングで表示部５３に表示制御される。その後は、超音波計測を終了するまでの間（ステップＳ１７：Ｎｏ）、ステップＳ７に戻って上記した処理を繰り返す。

以上説明したように、第１実施形態によれば、例えば血管前壁９１に関心領域を設定してトラッキングを行い、血管前壁９１の生体表面からの深さ方向の変位を算出して血管壁変動波形を取得することができる。そして、この血管壁変動波形を周波数解析し、拍動周波数のピークを除外した上で呼吸周波数を特定し、呼吸数を算出することができる。したがって、被検者７の呼吸回数を正しく検出することができる新しい手法を実現することができる。

なお、第１実施形態では、血管前壁９１に関心領域を設定してトラッキングを行い、血管壁変動波形を取得することとした。これに対し、血管後壁９３に関心領域を設定し、トラッキングを行うことで血管壁変動波形を取得することとしてもよい。

ところで、血管壁は、拍動や呼吸に伴い血管９が拡張／収縮することで血管短軸方向（Ｘ方向）にも変位する。そして、図２を参照して上記したように、超音波計測では、血管９の血管前壁９１及び血管後壁９３からの反射波は強く検出されが、血管横壁９５からの反射波は弱くなる。したがって、ある特定の走査線（例えば図２の走査線Ｌ５）上での血管横壁９５からの反射波に着目すると、その受信信号強度は、血管９の拡張時よりも収縮時の方が小さくなる。拡張時と比べ、収縮時において血管横壁９５の壁面が超音波の送信方向と平行に近づき、血管横壁９５からの反射波が弱くなるためである。そこで、血管横壁９５からの反射波の受信信号強度の時間変化に基づいて被検者７の呼吸数を検出することとしてもよい。

本変形例では、血管横壁９５を通る走査線のＡモード像を対象に選ぶ。そして、選んだＡモード像の血管横壁９５に関心領域を設定してトラッキングを行い、各フレームでの関心領域における受信信号強度の時間変化を信号強度変動波形として取得する。

図８は、信号強度変動波形の一例を示す図である。この信号強度変動波形は、細かな拍動変動を繰り返しながら全体として呼吸の周期を描く。したがって、各周期の最小値間の時間Ｔ６の平均値を呼吸の周期として求めれば、呼吸数を算出することができる。なお、各周期の最大値間の時間の平均値を呼吸の周期として求めることとしてもよい。

図９は、本変形例における呼吸数検出処理の処理手順を示すフローチャートである。なお、第１実施形態と同様の処理工程には、同一の符号を付している。

本変形例の呼吸数検出処理では、初回の算出対象時間分のデータを収集した後（ステップＳ５：ＹＥＳ）、トラッキングデータ５９５から直近の算出対象時間分のトラッキング結果を読み出して用い、信号強度変動波形を取得する（ステップＳ２０１）。例えば、算出対象時間分のトラッキング結果に従ってトラッキングの対象としたＡモード像の関心領域内の受信信号強度を反射波データ５９３から読み出す。そして、読み出した関心領域内の受信信号強度の平均値をフレーム毎に算出し、算出した平均値の時間変化を信号強度変動波形として取得する。

信号強度変動波形を取得したならば、信号強度変動波形が描く各周期の最小値間の時間から呼吸の周期を求め、呼吸数を算出する（ステップＳ２０３）。その後、ステップＳ１７に移行する。

本変形例によれば、例えば血管横壁９５に関心領域を設定してトラッキングを行い、血管横壁９５の生体表面からの深さ方向の変位に従って各フレームでの血管横壁９５からの反射波の受信信号強度の時間変化を信号強度変動波形として取得することができる。そして、この信号強度変動波形から呼吸の周期を求め、呼吸数を算出することができる。したがって、被検者７の呼吸回数を正しく検出することができる新たな手法を実現することができる。

〔第２実施形態〕
第２実施形態では、拍動や呼吸に伴う血管径の時間変化に基づいて被検者７の呼吸数を検出する。なお、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。

［原理］
先ず、血管前壁９１及び血管後壁９３の両方に関心領域を設定してトラッキングを行う。そして、図２を参照して上記した要領でフレーム毎に血管径Ｄを算出し、血管径Ｄの時間変化を表す血管径変動波形を取得する。

図１０は、血管径変動波形の一例を示す図である。図１０に示すように、血管径は、１回の拍動（１心拍）毎に繰り返される心臓の拡張と収縮とによって大きく変動し、収縮期で大きく、拡張期で小さくなる。したがって、拡張期及び収縮期の何れか一方の血管径のみを抽出すれば、血管径変動波形から拍動変動成分を除去し、呼吸変動成分を分離することができる。

そこで、例えば、拡張期の血管径のみを抽出（サンプリング）することによって、図１０中に一点鎖線で示す拡張期血管径の時間変化を表す拡張期血管径変動波形Ｌ７１を生成する。このとき、サンプリングした各拡張期血管径のサンプリング時間は等間隔とは限らないため、等間隔のデータにリサンプリングする処理を適宜行うとよい。また、包絡線検波に係る技術を適用して拡張期血管径変動波形Ｌ７１を生成することとしてもよい。なお、図１０中に二点鎖線で示すように、収縮期の血管径のみを抽出して収縮期血管径の時間変化を表す収縮期血管径変動波形Ｌ７３を生成するようにしてもよく、以降の処理を同様に行うことで呼吸変動成分を分離することができる。

拡張期血管径変動波形を生成したならば、生成した拡張期血管径変動波形をＦＦＴ処理して周波数解析し、呼吸変動成分を分離する。図１１は、図１０中に一点鎖線で示した拡張期血管径変動波形Ｌ７１のＦＦＴ処理結果を示す図である。このＦＦＴ処理結果から、図１１中に破線で囲って示す最も高いスペクトルのピークＰ８の周波数を呼吸周波数として特定することで、呼吸変動成分を分離することができる。その後は、特定した呼吸周波数から呼吸数［回／分］を算出する。図示の例では、ピークＰ８の周波数は０．３９［Ｈｚ］であり、呼吸数は、０．３９×６０＝１８［回／分］として算出できる。

［機能構成］
図１２は、第２実施形態における超音波計測装置１ａの主要な機能構成例を示すブロック図である。図１２に示すように、超音波計測装置１ａの本体装置５ａは、操作部５１と、表示部５３と、通信部５５と、処理部５７ａと、記憶部５９ａとを備える。この本体装置５ａが超音波センサー４と接続されて超音波計測装置１ａが構成される。

第２実施形態では、処理部５７ａは、超音波計測制御部５８ａと、血管径算出部５７７ａと、呼吸変動成分分離部５７１ａと、呼吸数算出部５７５とを備える。

超音波計測制御部５８ａにおいて、トラッキング部５８７ａは、対象のＡモード像の血管前壁９１及び血管後壁９３に関心領域を設定し、各関心領域を異なるフレーム間で追跡して関心領域毎の変位を算出する。

血管径算出部５７７ａは、トラッキング部５８７ａが関心領域を追跡することで得た血管前壁９１の変位と血管後壁９３の変位とからフレーム毎に血管径を算出する。

呼吸変動成分分離部５７１ａは、血管径算出部５７７ａがフレーム毎に算出した血管径の時間変化を表す血管径変動波形を生成し、この血管径変動波形から呼吸周波数を特定することによって呼吸変動成分を分離する。この呼吸変動成分分離部５７１ａは、血管径変動波形から拡張期血管径変動波形を生成することによって拍動変動成分を除去する拍動変動成分除去部５７３ａを有する。

また、記憶部５９ａには、処理部５７ａを超音波計測制御部５８ａ、血管径算出部５７７ａ、呼吸変動成分分離部５７１ａ、及び呼吸数算出部５７５として機能させ、呼吸数検出処理（図１３を参照）を行うための第２呼吸数検出プログラム５９２ａと、反射波データ５９３と、トラッキングデータ５９５ａと、血管径データ５９９ａと、呼吸数データ５９７とが記憶される。

トラッキングデータ５９５ａは、関心領域とされて追跡されたフレーム毎の血管前壁９１の変位及び血管後壁９３の変位を記憶する。血管径データ５９９ａは、血管径算出部５７７ａによってフレーム毎に算出された血管径を記憶する。

［処理の流れ］
図１３は、呼吸数検出処理の処理手順を示すフローチャートである。なお、ここで説明する処理は、処理部５７ａが記憶部５９ａから第２呼吸数検出プログラム５９２ａを読み出して実行することで実現できる。

第２実施形態の呼吸数検出処理では、ステップＳ１で反射波データの取得を開始し、ステップＳ３でトラッキングを開始した後、血管径算出部５７７ａによる血管径の算出を開始する（ステップＳ３０１）。その後、初回のみ算出対象時間の間待機して算出対象時間分のデータを収集する（ステップＳ５：Ｎｏ）。

算出対象時間が経過し、算出対象時間分のデータを収集したならば（ステップＳ５：ＹＥＳ）、呼吸変動成分分離部５７１ａが、血管径データ５９９ａから直近の算出対象時間分の血管径を読み出して血管径変動波形を生成する（ステップＳ３０３）。

続いて、拍動変動成分除去部５７３ａが、ステップＳ３０３で生成した血管径変動波形から拡張期の血管径のみをサンプリングし、拡張期血管径変動波形を生成することによって拍動変動成分を除去する（ステップＳ３０５）。

そして、呼吸変動成分分離部５７１ａが、拡張期血管径変動波形をＦＦＴ処理し（ステップＳ３０７）、ＦＦＴ処理結果から最も高いスペクトルのピークの周波数を呼吸周波数として特定する（ステップＳ３０９）。その後、ステップＳ１５に移行する。

以上説明したように、第２実施形態によれば、血管前壁９１及び血管後壁９３の両方に関心領域を設定してトラッキングを行い、血管前壁９１と血管後壁９３とによって定まる血管径の時間変化を表す血管径変動波形を取得することができる。そして、この血管径変動波形から拡張期血管径のみを抽出することで拍動変動成分を除去した拡張期血管径変動波形を生成し、この拡張期血管径変動波形から呼吸周波数を特定して呼吸数を算出することができる。したがって、被検者７の呼吸回数を正しく検出することができる。

なお、上記した各実施形態では、計測対象血管として頸動脈を例示したが、別の血管を対象としてもよい。ただし、静脈と比べて拍動や呼吸に伴う変動が大きい動脈を対象とするのが好ましい。

また、超音波を利用して非加圧で血圧を計測する機能を、上記した各実施形態で説明した超音波計測装置に組み込んで血圧の計測と同時に呼吸数を検出するようにしてもよい。呼吸は、血圧変動に影響を与えることが知られている。一方で、血管径と血圧とは、ある非線形な相関特性で結び付けることが可能である。

図１４は、本変形例における超音波計測装置１００ｂの全体構成例を示す図である。本変形例の超音波計測装置１００ｂは、加圧血圧計と一体的に構成されており、図１４に示すように、超音波プローブ３と、カフ６ｂと、本体装置５ｂとを備える。

本体装置５ｂは、上記した各実施形態で説明した本体装置の構成に加え、計測対象血管（例えば頸動脈管）の血管径に基づき血圧を算出（推定）するために必要な構成を備えている。

ここで、上記した血管径と血圧との相関特性は、血管に掛かる圧力と、各血圧時における血管径とから、次式（１）に示す相関式で表すことができる。次式（１）において、「Ｐｓ」は収縮期血圧（最高血圧）であり、「Ｐｄ」は拡張期血圧（最低血圧）である。「Ｄｓ」は収縮期血圧のときの血管径である収縮期血管径であり、「Ｄｄ」は拡張期血圧のときの血管径である拡張期血管径である。また、「β」はスティフネスパラメーターと呼ばれる血管弾性指標値である。
Ｐ＝Ｐｄ・ｅｘｐ［β（Ｄ／Ｄｄ−１）］ ・・・（１）
ただし、β＝ｌｎ（Ｐｓ／Ｐｄ）／（Ｄｓ／Ｄｄ−１） ・・・（２）

ただし、上記式（１）の相関式を用いて血管径から血圧を算出するにあたっては、血管径とは別に、校正用に血圧を計測する必要がある。カフ６ｂは、この校正時の血圧計測のための加圧用カフであり、超音波計測装置１００ｂは、校正時にカフ６ｂを用いた加圧血圧計測を行う。図１４では、被検者７の上腕部に巻き付けて上腕動脈の血圧を計測するタイプのものを図示している。このカフ６ｂは、超音波計測装置１００ｂを校正した後は被検者７から取り外され、以降は超音波プローブ３が単体で用いられて被検者７の血圧が非加圧で計測される。

１，１ａ 超音波計測装置、２ 超音波計測部、３ 超音波プローブ、４ 超音波センサー、５，５ａ，５ｂ 本体装置、５１ 操作部、５３ 表示部、５５ 通信部、５７，５７ａ 処理部、５８，５８ａ 超音波計測制御部、５８１ 駆動制御部、５８３ 送受信制御部、５８５ 受信合成部、５８７，５８７ａ トラッキング部、５７１，５７１ａ 呼吸変動成分分離部、５７２ 心拍数算出部、５７３ａ 拍動変動成分除去部、５７５ 呼吸数算出部、５７７ａ 血管径算出部、５９，５９ａ 記憶部、５９１ 第１呼吸数検出プログラム、５９２ａ 第２呼吸数検出プログラム、５９３ 反射波データ、５９５，５９５ａ トラッキングデータ、５９７ 呼吸数データ、５９９ａ 血管径データ、７ 被検者

Claims (9)

1. 血管に向けて超音波を送信し、反射波を受信する送受信部と、
   前記反射波の受信信号を用いて血管壁の生体表面からの深さ方向の変位を解析し、当該解析結果を用いて単位時間当たりの呼吸回数を検出する検出部と、
   を備えた超音波計測装置。
2. 前記検出部は、前記血管壁の深さ方向の変位を周波数解析し、呼吸変動成分の周波数を特定することによって前記呼吸回数を検出する、
   請求項１に記載の超音波計測装置。
3. 前記検出部は、心拍数を算出する心拍数算出部を有し、前記周波数解析結果から前記心拍数に対応する周波数を除外し、前記呼吸変動成分の周波数を特定する、
   請求項２に記載の超音波計測装置。
4. 前記検出部は、血管前壁及び血管後壁の何れか一方の深さ方向の変位に基づいて前記呼吸回数を検出する、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波計測装置。
5. 前記検出部は、前記血管壁における受信信号強度の時間変化に基づいて前記呼吸回数を検出する、
   請求項１に記載の超音波計測装置。
6. 前記検出部は、血管前壁の深さ方向の変位と血管後壁の深さ方向の変位とによって定まる血管径の時間変化に基づいて前記呼吸回数を検出する、
   請求項１に記載の超音波計測装置。
7. 前記検出部は、前記血管径の時間変化から拡張期血管径及び収縮期血管径の何れか一方の時間変化を表す血管径変動を周波数解析して前記呼吸回数を検出する、
   請求項６に記載の超音波計測装置。
8. 前記血管は動脈である、
   請求項１〜７の何れか一項に記載の超音波計測装置。
9. 血管に向けて超音波を送信し、反射波を受信することと、
   前記反射波の受信信号を用いて血管壁の生体表面からの深さ方向の変位を解析し、当該解析結果を用いて単位時間当たりの呼吸回数を検出することと、
   を含む超音波計測方法。

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