JP2023028891A - 生体情報処理方法、生体情報処理装置及びプログラム - Google Patents

生体情報処理方法、生体情報処理装置及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】被検者の体内を流れる流体に関連する情報を自動的に取得することが可能な生体情報処理方法及び生体情報装置を提供する。【解決手段】生体情報処理方法は、被検者の生体組織によって反射された複数の超音波の反射信号を取得するステップＳ１と、前記複数の反射信号に基づいて、複数の超音波素子のうち流体が流れる管に対向する二以上の超音波素子を特定するステップＳ２と、第１超音波素子に対向する前記管の部分の前記超音波の照射方向における第１位置を特定するステップと、第２超音波素子に対向する前記管の部分の前記超音波の照射方向における第２位置を特定するステップと、前記第１位置と前記第２位置に基づいて、前記超音波の照射方向に対する前記管の角度を特定するステップＳ３と、前記管内を流れる流体により反射された超音波に生じるドップラ偏移周波数を特定するステップＳ４と、前記流体に関連する情報を取得するステップＳ５，Ｓ７と、を含む。【選択図】図４

Description

本開示は、生体情報処理方法及び生体情報処理装置に関する。特に、本開示は、二次元上に配置された複数の超音波素子を有する超音波センサを用いた生体情報処理方法及び生体情報処理装置に関する。さらに、本開示は、当該生体情報処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。
超音波ビームを出射する複数の振動素子を備えた超音波センサを用いて患者の生体組織の関心領域（ＲＯＩ）を示す画像データを生成した上で、当該画像データを表示部に表示する超音波診断装置が現在普及している（例えば、特許文献１参照）。超音波センサは、患者の様々な生体組織に関する情報を検出することができ、例えば、患者の血管内を流れる血液の速度（血流速度）及び血液の量（血流量）を検出することが可能となっている。この点において、患者の脳の状態を診断するために、超音波センサを用いて頸動脈の血流速度から頸動脈の血流量に関する情報が取得される場合がある。ここで、超音波センサを用いて患者の血流速度を算出するためには、血液中の赤血球により反射された超音波のドップラ偏移周波数を測定する必要がある。さらに、超音波ビームの照射方向に対する血管の角度を考慮した上で、測定されたドップラ偏移周波数から血流速度が算出される。
特開２０１７－８６７２６号公報
ところで、従来では、医療従事者は、超音波センサにより取得された超音波画像データと超音波ビームの設定角度から超音波ビームの照射方向に対する血管の角度を目視により決定していた。一方で、血管の角度の決定は医療従事者の経験やスキルに依存するため、担当する医療従事者によって血管の角度の精度にバラツキが生じる場合がある。この結果、担当する医療従事者に応じて、最終的に決定される血流速度や血流量の精度にバラツキが生じていた。このように、上記観点より、血管の血流量等の被検者の体内を流れる流体に関連する情報を自動的に取得するための手法について検討の余地がある。
本開示は、被検者の体内を流れる流体に関連する情報を自動的に取得することが可能な生体情報処理方法及び生体情報処理装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る生体情報処理方法は、各々が超音波を被検者の生体組織に向けて出射するように構成された複数の超音波素子を有する超音波センサを用いて、前記被検者の体内を流れる流体に関連する情報を自動的に取得するための方法であって、
前記生体組織によって反射された複数の超音波の反射信号を取得するステップと、
前記複数の反射信号に基づいて、前記複数の超音波素子のうち前記流体が流れる管に対向する二以上の超音波素子を特定するステップと、
前記二以上の超音波素子のうちの第１超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第１超音波素子に対向する前記管の部分の前記超音波の照射方向における第１位置を特定するステップと、
前記二以上の超音波素子のうちの第２超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第２超音波素子に対向する前記管の部分の前記超音波の照射方向における第２位置を特定するステップと、
前記第１位置と前記第２位置に基づいて、前記超音波の照射方向に対する前記管の角度を特定するステップと、
前記第１超音波素子又は前記第２超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記管内を流れる流体により反射された超音波に生じるドップラ偏移周波数を特定するステップと、
前記管の角度と前記ドップラ偏移周波数とに少なくとも基づいて、前記流体に関連する情報を取得するステップと、
を含む。
上記方法によれば、被検者の体内を流れる流体（例えば、血液）に関連する情報（例えば、血流速度や血流量）を自動的に取得することが可能な生体情報処理方法が提供される。このように、流体に関連する情報が自動的に取得されるため、担当する医療従事者の経験やスキルに応じて流体に関連する情報の精度にバラツキが生じてしまうことを好適に防止することが可能となる。さらに、医療従事者による手動操作なしに流体に関連する情報が自動的に取得されるので、医療従事者による作業負荷を低減することが可能となる。
また、前記生体情報処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供されてもよい。
本開示の一態様に係る生体情報処理装置は、シートと、前記シート上に二次元状に配置されると共に、各々が超音波を被検者の生体組織に向けて出射するように構成された複数の超音波素子と、を有する超音波センサを用いて前記被検者の体内を流れる流体に関連する情報を自動的に取得するように構成されている。
前記生体情報処理装置は、一以上のプロセッサと、命令を記憶するメモリと、を備える。
前記命令が前記プロセッサにより実行されるときに、前記生体情報処理装置に、
前記生体組織によって反射された複数の超音波の反射信号を取得させ、
前記複数の反射信号に基づいて、前記複数の超音波素子のうち前記流体が流れる管に対向する二以上の超音波素子を特定させ、
前記二以上の超音波素子のうちの第１超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第１超音波素子に対向する前記管の部分の前記超音波の照射方向における第１位置を特定させ、
前記二以上の超音波素子のうちの第２超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第２超音波素子に対向する前記管の部分の前記超音波の照射方向における第２位置を特定させ、
前記第１位置と前記第２位置に基づいて、前記超音波の照射方向に対する前記管の角度を特定させ、
前記第１超音波素子又は前記第２超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記管内を流れる流体により反射された超音波に生じるドップラ偏移周波数を特定させ、
前記管の角度と前記ドップラ偏移周波数とに少なくとも基づいて、前記流体に関連する情報を取得させる。
上記構成によれば、被検者の体内を流れる流体（例えば、血液）に関連する情報（例えば、血流速度や血流量）を自動的に取得することが可能な生体情報処理装置が提供される。このように、流体に関連する情報が自動的に取得されるため、担当する医療従事者の経験やスキルに応じて流体に関連する情報の精度にバラツキが生じてしまうことが好適に防止することが可能となる。さらに、医療従事者による手動操作なしに流体に関連する情報が自動的に取得されるので、医療従事者による作業負荷を低減することが可能となる。
本開示によれば、被検者の体内を流れる流体に関連する情報を自動的に取得することが可能な生体情報処理方法及び生体情報処理装置を提供することができる。
本発明の実施形態（以下、本実施形態という。）に係る生体情報処理装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 超音波センサの一例を概略的に示す平面図である。 超音波センサが被検者の頸部に取り付けられた様子を示す図である。 本実施形態に係る生体情報処理方法を説明するためのフローチャートである。 超音波センサに設けられた各超音波素子が被検者の頸動脈に対向している状態を示す図である。 超音波の照射方向に対する頸動脈の角度θを特定するための処理を説明するためのフローチャートである。 Ｚ軸方向における頸動脈の前側壁と後側壁との間の中間点の位置を説明するための図である。
以下、本実施形態について図面を参照しながら説明する。最初に、図１を参照して本実施形態に係る生体情報処理装置２（以下、単に処理装置２という。）のハードウェア構成について以下に説明する。図１は、処理装置２のハードウェア構成の一例を示す図である。図１に示すように、処理装置２は、制御部２０と、記憶装置２１と、通信部２５と、表示部２２と、音声出力部２８と、入力操作部２６と、センサインターフェース２３とを備える。これらの構成要素はバス２７を介して互いに通信可能に接続されている。処理装置２は、超音波センサ３に電気的に接続されている。
処理装置２は、被検者Ｐ（図３参照）の生体情報を表示するための医療機器（例えば、生体情報モニタ）であってもよいし、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、スマートフォン、タブレット、医療従事者の身体（例えば、腕や頭等）に装着されるウェアラブルデバイス（例えば、ＡＲグラス等）であってもよい。
制御部２０は、メモリとプロセッサを備えている。メモリは、コンピュータ可読命令（プログラム）を記憶するように構成されている。例えば、メモリは、各種プログラム等が格納されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やプロセッサにより実行される各種プログラム等が格納される複数ワークエリアを有するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等から構成される。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ(Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ)、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及びＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のうちの少なくとも一つにより構成される。ＣＰＵは、複数のＣＰＵコアによって構成されてもよい。ＧＰＵは、複数のＧＰＵコアによって構成されてもよい。プロセッサは、記憶装置２１又はＲＯＭに組み込まれた各種プログラムから指定されたプログラムをＲＡＭ上に展開し、ＲＡＭとの協働で各種処理を実行するように構成されてもよい。特に、プロセッサが図４に示す一連の処理を実行する生体情報処理プログラムをＲＡＭ上に展開し、ＲＡＭとの協働で当該プログラムを実行することで、制御部２０が図４に示す一連の処理を実行する。生体情報処理プログラムの詳細については後述する。
記憶装置２１は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、フラッシュメモリ等の記憶装置（ストレージ）であって、プログラムや各種データを格納するように構成されている。記憶装置２１には、生体情報処理プログラムが組み込まれてもよい。また、記憶装置２１には、超音波センサ３から出力された生体信号に基づいて生成された生体情報データ（例えば、血流量及び／又は血流速度の時間変化を示す波形データ等）が保存されてもよい。
通信部２５は、処理装置２を院内ネットワークに接続するように構成されている。具体的には、通信部２５は、院内ネットワークに配置されたセントラルモニタやサーバと通信するための各種有線接続端子を含んでもよい。また、通信部２５は、セントラルモニタやサーバと無線通信するための無線通信モジュールを含んでもよい。通信部２５は、例えば、医用テレメータシステムに対応した無線通信モジュールを含んでもよい。また、通信部２５は、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信規格に対応した無線通信モジュールおよび／又はＳＩＭを用いた移動体通信システムに対応する無線通信モジュールを含んでもよい。院内ネットワークは、例えば、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）又はＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）により構成されてもよい。処理装置２は、院内ネットワークを介してインターネットに接続されてもよい。
表示部２２は、リアルタイムに取得された被検者Ｐの頸動脈を流れる血液に関連する情報を表示するように構成されており、例えば、液晶パネル又は有機ＥＬパネルによって構成されている。音声出力部２８は、一以上のスピーカにより構成されており、被検者Ｐの頸動脈を流れる血液に関連する情報に応じて音声アラートを可聴的に出力するように構成されている。入力操作部２６は、例えば、表示部２２上に重ねて配置されたタッチパネル、マウス、及び／又はキーボード等である。入力操作部２６は、医療従事者の入力操作を受け付けると共に、医療従事者の入力操作に対応した操作信号を生成するように構成されている。入力操作部２６によって生成された操作信号がバス２７を介して制御部２０に送信された後、制御部２０は、当該操作信号に応じて所定の動作を実行する。
超音波センサ３は、超音波を被検者の生体組織に向けて出射することで、被検者の生体組織に関連する情報（本例では、頸動脈を流れる血液に関連する情報）を検出するように構成されている。図２に示すように、超音波センサ３は、シート３２と、複数の超音波素子３０と、シート固定部３５と、接続ケーブル３４とを備える。超音波センサ３は、使い捨てのセンサであってもよい。シート３２は、被検者Ｐに所定の部位（本例では、頸部）に貼り付けられる（図３参照）。シート３２は、例えば、シリコーン等の可撓性材料によって構成されている。
複数の超音波素子３０は、シート３２の一面上に二次元状に配置されている。本例では、複数の超音波素子３０が８行×８列のマトリックス状に配置されている。行方向及び列方向において互いに隣接する超音波素子３０の間の距離は略一定であってもよい。各超音波素子３０は、被検者Ｐの生体組織に向けて超音波を送信するように構成されると共に、生体組織によって反射された超音波を受信するように構成されている。特に、各超音波素子３０は、後述する駆動回路３３１から送信された電気的な駆動信号（高周波信号）に応じて振動することで超音波を送信すると共に、生体組織によって反射された超音波を電気的な信号に変換するように構成されている。各超音波素子３０から出力された後、生体組織によって反射された超音波の反射信号は、シート固定部３５及び接続ケーブル３４を介してセンサインターフェース２３に入力される。また、本実施形態では、各超音波素子３０は、所定の周波数（例えば、８ｋＨｚ）の超音波パルスを出力してもよい。
センサインターフェース２３は、超音波センサ３を処理装置２に通信可能に接続するためのインターフェースである。センサインターフェース２３は、超音波センサ３から出力される生体信号が入力される入力端子を含んでもよい。入力端子は、超音波センサ３のコネクタと物理的に接続されてもよい。また、センサインターフェース２３は、超音波処理回路３３を含んでもよい。超音波処理回路３３は、駆動回路３３１と、アナログ処理回路３３２とを有する。駆動回路３３１は、発振回路を備えており、超音波センサ３の超音波素子３０を駆動するための駆動信号を生成した上で、当該駆動信号を各超音波素子３０に送信するように構成されている。アナログ処理回路３３２は、各超音波素子３０から出力された超音波の反射信号を信号処理するように構成されている。アナログ処理回路３３２は、例えば、各超音波素子３０から出力された反射信号のうちノイズ成分を除去するフィルタ処理回路と、反射信号を増幅する信号増幅回路と、反射信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤ変換回路とを少なくとも含む。このように、超音波センサ３から出力されたアナログの超音波の反射信号がセンサインターフェース２３によってデジタルの超音波の反射信号に変換された上で、デジタルの反射信号が制御部２０に送信される。
次に、図４を主に参照して本実施形態に係る生体情報処理方法（特に、被検者Ｐの頸動脈を流れる血液に関連する情報を取得する一連の処理）について以下に説明する。図４は、本実施形態に係る生体情報処理方法を説明するためのフローチャートである。尚、以下の説明では、図５に示すように、超音波センサ３に対して相対的に設定されたＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向について言及する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のうちの一方は、残りの２方向に対して直交するものとする。複数の超音波素子３０は、ＸＹ平面内において二次元状に配列されているものとする。超音波センサ３のシート３２は、図３に示すように、被検者Ｐの頸部に貼り付けられており、複数の超音波素子３０の一部がＸＹ平面に垂直なＺ軸方向において被検者Ｐの頸動脈１００（血管の一例）に対向するものとする。各超音波素子３０から出射される超音波ビームの照射方向は、Ｚ軸方向に平行であるものとする。
図４に示すように、ステップＳ１において、処理装置２の制御部２０は、超音波センサ３から超音波処理回路３３を介して、被検者Ｐの生体組織によって反射された複数の超音波４０の反射信号（デジタル信号）を取得する（ステップＳ１）。特に、制御部２０は、複数の超音波素子３０から出力された複数の超音波４０の反射信号を取得する。
ステップＳ２において、制御部２０は、複数の超音波の反射信号に基づいて、Ｚ軸方向において被検者Ｐの頸動脈１００に対向する超音波素子３０を特定する。図５に示すように、本例では、複数の超音波素子３０のうち超音波素子３０ａ～３０ｈがＺ軸方向において頸動脈１００に対向しているものとする。
この点において、制御部２０は、複数の超音波４０の反射信号の成分に基づいて、Ｚ軸方向において頸動脈１００に対向する超音波素子３０ａ～３０ｈを特定する。一般的に、超音波は、音響特性インピーダンスが異なる媒質間の境界で反射するため、頸動脈１００と頸動脈１００に隣接する生体組織との間の境界において反射する。特に、頸動脈１００と頸動脈１００に隣接する生体組織との間の音響インピーダンスの差が大きいため、超音波４０は、頸動脈１００の前側壁１２０及び後側壁１３０においてそれぞれ強く反射する。また、頸動脈１００の前側壁１２０及び後側壁１３０によって反射された超音波４０の反射信号成分のパターンは予め判明している。ここで、制御部２０は、所定の反射信号成分（例えば、図７に示す反射信号成分Ｃ１、Ｃ２等）を有する反射信号に関連付けられた超音波素子３０をＺ軸方向において頸動脈１００に対向している超音波素子として決定することができる。
次に、ステップＳ３において、制御部２０は、超音波４０（超音波ビーム）の照射方向（Ｚ軸方向）に対する頸動脈１００の角度θを特定する。ステップＳ３の具体的な処理について図６及び図７を参照して以下に詳細に説明する。図６は、超音波４０の照射方向（Ｚ軸方向）に対する頸動脈１００の角度θを特定するための処理を説明するためのフローチャートである。図７は、Ｚ軸方向における頸動脈１００の前側壁１２０と後側壁１３０との間の中間点の位置Ｚ３，Ｚ６を説明するための図である。尚、以下の説明では、頸動脈１００に対向する超音波素子３０ａ～３０ｈのうち２つの超音波素子３０ｂ，３０ｄから送信された超音波４０の反射信号に基づいて、Ｚ軸方向に対する頸動脈１００の角度θが特定されるものとする。また、頸動脈１００の壁の肉厚は十分に小さいものとする。
図６に示すように、ステップＳ１０において、制御部２０は、超音波素子３０ｂ（第１超音波素子の一例）から送信された超音波４０の反射信号を解析することで、超音波素子３０ｂに対向する頸動脈１００の部分のＺ軸方向における前側壁１２０の位置Ｚ１と後側壁１３０の位置Ｚ２とを特定する。具体的には、制御部２０は、超音波素子３０ｂから送信された超音波４０の反射信号を解析することで、前側壁１２０によって反射された超音波４０の反射信号成分を特定する。次に、制御部２０は、前側壁１２０によって反射された超音波４０の反射信号成分の受信時刻を特定する。その後、制御部２０は、超音波４０の送信時刻ｔ０と、前側壁１２０によって反射された超音波４０の反射信号成分の受信時刻ｔ１とに基づいて、Ｚ軸方向における超音波素子３０ｂと前側壁１２０との間の距離Ｌ１を特定する。ここで、距離Ｌ１＝ｃ（ｔ１－ｔ０）／２となる。ｃは生体組織内を進む超音波４０の音速である。このように、制御部２０は、Ｚ軸方向における前側壁１２０の位置Ｚ１を特定することが可能となる。
同様に、制御部２０は、超音波素子３０ｂから送信された超音波４０の反射信号を解析することで、後側壁１３０によって反射された超音波４０の反射信号成分を特定する。次に、制御部２０は、後側壁１３０によって反射された超音波４０の反射信号成分の受信時刻を特定する。その後、制御部２０は、超音波４０の送信時刻ｔ０と、後側壁１３０によって反射された超音波４０の反射信号成分の受信時刻ｔ２とに基づいて、Ｚ軸方向における超音波素子３０ｂと後側壁１３０との間の距離Ｌ２（Ｌ２＝ｃ（ｔ２－ｔ０）／２）を特定する。このように、制御部２０は、Ｚ軸方向における後側壁１３０の位置Ｚ２を特定することが可能となる。
次に、ステップＳ１１において、制御部２０は、Ｚ軸方向における前側壁１２０の位置Ｚ１と後側壁１３０の位置Ｚ２との間の中間点の位置Ｚ３（Ｚ３＝（Ｚ１＋Ｚ２）／２）を特定する。
ステップＳ１２において、制御部２０は、超音波素子３０ｄ（第２超音波素子の一例）から送信された超音波４０の反射信号を解析することで、超音波素子３０ｄに対向する頸動脈１００の部分のＺ軸方向における前側壁１２０の位置Ｚ４と後側壁１３０の位置Ｚ５とを特定する。具体的には、制御部２０は、超音波素子３０ｄから送信された超音波４０の反射信号を解析することで、前側壁１２０によって反射された超音波４０の反射信号成分Ｃ１（図７参照）を特定する。次に、制御部２０は、前側壁１２０によって反射された超音波４０の反射信号成分Ｃ１の受信時刻を特定する。その後、制御部２０は、超音波４０の送信時刻と、前側壁１２０によって反射された超音波４０の反射信号成分Ｃ１の受信時刻とに基づいて、Ｚ軸方向における超音波素子３０ｄと前側壁１２０との間の距離を特定する。このように、制御部２０は、Ｚ軸方向における前側壁１２０の位置Ｚ４を特定することが可能となる。
同様に、制御部２０は、超音波素子３０ｄから送信された超音波４０の反射信号を解析することで、後側壁１３０によって反射された超音波４０の反射信号成分Ｃ２（図７参照）を特定する。次に、制御部２０は、後側壁１３０によって反射された超音波４０の反射信号成分Ｃ２の受信時刻を特定する。その後、制御部２０は、超音波４０の送信時刻と、後側壁１３０によって反射された超音波４０の反射信号成分Ｃ２の受信時刻とに基づいて、Ｚ軸方向における超音波素子３０ｄと後側壁１３０との間の距離を特定する。このように、制御部２０は、Ｚ軸方向における後側壁１３０の位置Ｚ５を特定することが可能となる。
次に、ステップＳ１３において、制御部２０は、Ｚ軸方向における前側壁１２０の位置Ｚ４と後側壁１３０の位置Ｚ５との間の中間点の位置Ｚ６（Ｚ６＝（Ｚ４＋Ｚ５）／２）を特定する。
ステップＳ１４において、制御部２０は、中間点の位置Ｚ３と中間点の位置Ｚ６とに基づいて超音波４０の照射方向に対する頸動脈１００の角度θを特定する。具体的には、図７に示すように、制御部２０は、Ｚ軸方向における位置Ｚ６と位置Ｚ３との間の距離ΔＺと、Ｘ軸方向における超音波素子３０ｂと超音波素子３０ｄとの間の距離ΔＸに基づいて、Ｘ軸方向に対する頸動脈１００の角度θ１を特定する。より具体的には、角度θ１は、θ１＝ｔａｎ－１（ΔＺ／ΔＸ）によって算出される。また、角度θ＝（９０°－θ１）であることから、制御部２０は、算出した角度θ１からＺ軸方向に対する頸動脈１００の角度θを特定することが可能となる。
尚、距離ΔＸは、Ｘ軸方向における超音波素子３０ｂの中心位置と超音波素子３０ｄの中心位置との間の距離であってもよい。また、本例では、超音波素子３０ｂ，３０ｄから送信された超音波４０の反射信号に基づいて頸動脈１００の角度θが特定されているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、超音波素子３０ｂ，３０ｃ若しくは超音波素子３０ｃ，３０ｄから送信された超音波４０の反射信号に基づいて頸動脈１００の角度θが特定されてもよいし、頸動脈１００に対向する超音波素子３０ａ～３０ｈのうちの任意の２つの超音波素子から送信された超音波４０の反射信号に基づいて頸動脈１００の角度θが特定されてもよい。
また、本例では、２つの中間点の位置Ｚ３，Ｚ６との間の距離に基づいて頸動脈１００の角度θが決定されているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、Ｚ軸方向における前側壁１２０の位置Ｚ１，Ｚ４との間の距離に基づいて頸動脈１００の角度θが決定されてもよいし、後側壁１３０の位置Ｚ２，Ｚ５との間の距離に基づいて頸動脈１００の角度θが決定されてもよい。
図４に戻ると、ステップＳ４において、制御部２０は、頸動脈１００を流れる血液により反射された超音波４０に生じるドップラ偏移周波数ｆｄを特定する。この点において、制御部２０は、頸動脈１００に対向する超音波素子３０ａ～３０ｈのうちの一以上の超音波素子から送信された超音波４０の反射信号を解析することで、血液（より、具体的には赤血球）により反射された超音波に生じるドップラ偏移周波数ｆｄを特定してもよい。
頸動脈１００中を流れる血液の速度（血流速度）がｖである場合に、血液中に含まれる赤血球も速度ｖで頸動脈１００内を移動する。また、Ｚ軸方向に対する頸動脈１００の角度がθである場合、赤血球はｖｃｏｓθの速度でＺ軸方向を移動しているように観測される。また、超音波素子３０から送信され、頸動脈１００内を通過する超音波４０の一部は、Ｚ軸方向にｖｃｏｓθで移動する赤血球により反射された後に、超音波素子３０ｂにより受信される。このように、Ｚ軸方向にｖｃｏｓθで移動する赤血球により反射された超音波４０の周波数がドップラ効果によって変化する。
ここで、超音波素子３０から送信される超音波４０の周波数をｆ０、ドップラ偏移周波数をｆｄ、頸動脈１００中を流れる血液の速度をｖ、Ｚ軸方向に対する頸動脈１００の角度をθ、生体組織内を進む超音波の音速をｃとした場合に、ドップラ偏移周波数ｆｄは以下式（１）により導出される。

ｆｄ＝２ｖｆ０×ｃｏｓθ／ｃ・・・（１）
上記の式（１）より、ドップラ偏移周波数ｆｄは、頸動脈１００中を流れる血流速度ｖに比例して変化することが理解される。換言すれば、ドップラ偏移周波数ｆｄを測定することで頸動脈１００の血流速度ｖを測定することが可能となる。
制御部２０は、例えば、パルスドップラ法又はカラードップラ法によって、超音波素子３０ａ～３０ｈのうちの少なくとも一つに関連付けられた超音波４０の反射信号を解析することで、ドップラ偏移周波数ｆｄを特定することができる。例えば、パルスドップラ法によってドップラ偏移周波数ｆｄが特定される場合には、制御部２０は、各超音波パルスに対する頸動脈１００中の赤血球により反射された超音波の反射信号成分Ｃ３（図７参照）の輝度値の総和の変化を示すデータを取得した上で、当該取得されたデータに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を実行することで、ドップラ偏移周波数ｆｄを特定することが可能となる。一方、カラードップラ法によってドップラ偏移周波数ｆｄが特定される場合には、制御部２０は、自己相関法によってドップラ偏移周波数ｆｄを推定することが可能となる。また、超音波の周波数が８ｋＨｚである場合（換言すれば、１秒間に８０００個の超音波パルスが出力される場合）、制御部２０は、１４０個の超音波パルス毎にドップラ偏移周波数ｆｄを演算してもよい。この場合、ドップラ偏移周波数ｆｄの更新レートは５７Ｈｚとなる。
また、パルスドップラ法ではＦＦＴによる演算負荷が大きいため、パルスドップラ法を通じた演算処理よりもカラードップラ法を通じた演算処理の方が制御部２０の演算負荷が小さい点で有利である。
次に、ステップＳ５において、制御部２０は、頸動脈１００を流れる血液の速度（血流速度）ｖを特定する。この点において、上記の式（１）は以下のように変形される。

ｖ＝（ｃｆｄ）／（２ｆ０ｃｏｓθ）・・・（２）
制御部２０は、上記式（２）に基づいて、ドップラ偏移周波数ｆｄと、周波数ｆ０と、頸動脈１００の角度θと、音速ｃとから血流速度ｖを算出することが可能となる。
次に、ステップＳ６において、制御部２０は、頸動脈１００の断面積Ｓを特定する。ここで、頸動脈１００の断面積Ｓは、頸動脈１００の軸方向に垂直な断面積であって、血液が流れる頸動脈１００の中空部分の断面積を指すものである。ここで、頸動脈１００の内径をＲとした場合に、頸動脈１００の断面積Ｓは、Ｓ＝πＲ２／４となる。また、図７に示すように、位置Ｚ１と位置Ｚ２との間の距離を｜Ｚ１－Ｚ２｜とした場合、内径Ｒは、Ｒ＝｜Ｚ１－Ｚ２｜ｓｉｎθにより算出される。同様に、位置Ｚ３と位置Ｚ５との間の距離を｜Ｚ４－Ｚ５｜とした場合、内径Ｒは、Ｒ＝｜Ｚ４－Ｚ５｜ｓｉｎθにより算出される。尚、上記したように、頸動脈１００の壁の肉厚は十分に小さいものとする。
超音波素子３０ｂに関連付けられた超音波の反射信号に基づいて頸動脈１００の断面積Ｓが算出される場合について以下に簡単に説明する。この場合、最初に、制御部２０は、超音波素子３０ｂに関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、Ｚ軸方向における前側壁１２０の位置Ｚ１と後側壁１３０の位置Ｚ２とを特定する。次に、制御部２０は、前側壁１２０の位置Ｚ１と後側壁１３０の位置Ｚ２との間の距離｜Ｚ１－Ｚ２｜を特定する。その後、制御部２０は、Ｒ＝｜Ｚ１－Ｚ２｜ｓｉｎθの関係式に基づいて、頸動脈１００の角度θと距離｜Ｚ１－Ｚ２｜から頸動脈１００の内径Ｒを特定する。最後に、制御部２０は、Ｓ＝πＲ２／４の関係式により、頸動脈１００の内径Ｒから頸動脈１００の断面積Ｓを特定する。尚、頸動脈１００に対向する超音波素子３０ａ～３０ｈのうちの少なくとも一つに関連する超音波の反射信号に基づいて頸動脈１００の断面積Ｓが算出されてもよい。
次に、ステップＳ７において、制御部２０は、頸動脈１００を流れる血液の流量（血流量）Ｑを特定する。ここで、血流量Ｑは、Ｑ＝Ｓｖ（ｖは血流速度、Ｓは頸動脈の断面積）となる。このように、制御部２０は、演算した血流速度ｖと頸動脈１００の断面積Ｓに基づいて、頸動脈１００の血流量Ｑを特定することができる。
ステップＳ８において、制御部２０は、頸動脈１００を流れる血液に関連する情報を出力する。例えば、制御部２０は、頸動脈１００の血流量Ｑの時間変化を示す波形データ及び／又は頸動脈１００の血流速度ｖの時間変化を示す波形データを表示部２２の表示画面上に表示してもよい。この場合、医療従事者は、表示部２２に表示された波形データを見ることで被検者Ｐの症状を的確に把握することが可能となる。特に、医療従事者は、頸動脈１００の血流量Ｑ若しくは血流速度ｖの時間変化を観察することで、被検者Ｐの脳の状態（特に、脳に流れる血液の供給状態）を的確に把握することが可能となる。
また、制御部２０は、頸動脈１００の血流量Ｑが所定の閾値Ｑｔｈ以下であるかどうかを判定した上で、頸動脈１００の血流量Ｑが所定の閾値Ｑｔｈ以下であるとの判定に応じてアラートを音声出力部２８から可聴的に出力してもよい。同様に、制御部２０は、頸動脈１００の血流速度ｖが所定の閾値ｖｔｈ以下であるかどうかを判定した上で、頸動脈１００の血流速度ｖが所定の閾値ｖｔｈ以下であるとの判定に応じてアラートを音声出力部２８から可聴的に出力してもよい。
この場合、医療従事者は、処理装置２の音声出力部２８から出力されたアラートを聞くことで、被検者Ｐの脳の状態（特に、脳に流れる血液の供給状態）の変化を瞬時に把握することが可能となる。また、制御部２０は、頸動脈１００の血流量Ｑ若しくは血流速度ｖが所定の閾値以下であるとの判定に応じて、警告表示を表示部２２の表示画面上に表示させてもよい。この場合でも同様に、医療従事者は、表示部２２に表示された警告表示を見ることで、被検者Ｐの脳の状態の変化を瞬時に把握することが可能となる。さらに、制御部２０は、血流量Ｑ若しくは血流速度ｖの時間変化を示す波形データを記憶装置２１に保存してもよいし、通信部２５を介して院内ネットワーク上に設けられたセントラルモニタやサーバに送信してもよい。
尚、上記説明では、制御部２０は、頸動脈１００の血流量Ｑ若しくは血流速度ｖが所定の閾値以下であるとの判定に応じて、可聴的又は視覚的に警告を医療従事者に提示しているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、制御部２０は、血流量Ｑ若しくは血流速度ｖの変化幅が所定の閾値以下であるとの判定に応じて、可聴的又は視覚的に警告を医療従事者に提示してもよい。ここで、「血流量Ｑ若しくは血流速度ｖの変化幅」とは、現在の血流量Ｑ若しくは血流速度ｖと所定時間前の血流量Ｑ若しくは血流速度ｖとの間の差分に相当する。
また、本実施形態では、頸動脈１００に対向する超音波素子３０ａ～３０ｈに関連する超音波の反射信号に基づいて頸動脈１００を流れる血液に関連する情報が取得される。このため、ステップＳ２において頸動脈１００に対向する超音波素子３０ａ～３０ｈが特定された後に、超音波素子３０ａ～３０ｈのみが駆動されてもよい。つまり、駆動回路３３１は、超音波素子３０ａ～３０ｈのみに駆動信号を供給してもよい。この場合、超音波素子３０ａ～３０ｈのみが駆動するため、被検者Ｐの生体組織に向けて照射される超音波の照射量を減らすことが可能となる。このように、超音波の照射によって生じる被検者Ｐの生体組織の影響を可能な限り抑えることができると共に、超音波センサ３の電力消費量を低減することが可能となる。
以上、本実施形態によれば、頸動脈１００を流れる血液に関連する血流情報（例えば、血流速度ｖや血流量Ｑの時間変化を示す波形データ）を医療従事者の手動操作なしに自動的に取得することが可能な処理装置２を提供することができる。このように、血流情報が自動的に取得されるため、担当する医療従事者の経験やスキルに応じて血流情報の精度にバラツキが生じてしまうことを好適に防止することが可能となる。さらに、医療従事者による手動操作なしに血流情報が自動的に取得されるため、医療従事者の作業負荷を低減することが可能となる。特に、従来の超音波診断方法と比較して、超音波ビームの照射方向に対する頸動脈１００の角度θと頸動脈１００の軸方向に垂直な断面積Ｓが処理装置２によって自動的に決定されるため、血流情報の精度を向上することができると共に、医療従事者の作業負荷を低減することが可能となる。
また、本実施形態に係る処理装置２をソフトウェアによって実現するためには、生体情報処理プログラムが記憶装置２１又はＲＯＭに予め組み込まれていてもよい。または、生体情報処理プログラムは、磁気ディスク（例えば、ＨＤＤ、フロッピーディスク）、光ディスク（例えば、ＣＤ－ＲＯＭ，ＤＶＤ－ＲＯＭ、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）ディスク）、光磁気ディスク（例えば、ＭＯ）、フラッシュメモリ（例えば、ＳＤカード、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ）等のコンピュータ読取可能な記憶媒体に格納されていてもよい。この場合、記憶媒体に格納された生体情報処理プログラムが記憶装置２１に組み込まれてもよい。さらに、記憶装置２１に組み込まれた当該プログラムがＲＡＭ上にロードされた上で、プロセッサがＲＡＭ上にロードされた当該プログラムを実行してもよい。このように、本実施形態に係る生体情報処理方法が処理装置２によって実行される。また、生体情報処理プログラムは、通信ネットワーク上のコンピュータから通信部２５を介してダウンロードされてもよい。この場合も同様に、ダウンロードされた当該プログラムが記憶装置２１に組み込まれてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明をしたが、本発明の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではない。本実施形態は一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。
例えば、本実施形態の説明では、頸動脈を流れる血液に関連する情報が処理装置２に自動的に取得されているが、血管は頸動脈に限定されるものではない。例えば、頸動脈以外の血管を流れる血液に関連する情報が処理装置２によって自動的に取得されてもよい。
さらに、本実施形態では血液の流量や速度が処理装置２によって自動的に取得されているが、処理装置２は、血液以外の被検者の体内を流れる流体に関連する情報を自動的に取得してもよい。例えば、処理装置２は、被検者の菅の他の一例として尿管を流れる尿の流量や速度を自動的に取得してもよい。この場合、超音波センサ３のシート３２が尿管に対向するように被検者に貼り付けられる。さらに、処理装置２は、Ｚ軸方向において尿管に対向する超音波素子を特定した上で、尿管に対向する二以上の超音波素子から送信された超音波の反射信号を解析することで、超音波の照射方向に対する尿管の角度θを決定する。その後、処理装置２は、尿により反射された超音波に生じるドップラ偏移周波数を特定することで、尿管を流れる尿の速度と尿の流量を決定する。その後、処理装置２は、尿の流量や速度に関連する情報（尿の流量の時間変化を示す波形データ等）を表示部２２に表示してもよい。
２：生体情報処理装置（処理装置）
３：超音波センサ
２０：制御部
２１：記憶装置
２２：表示部
２３：センサインターフェース
２５：通信部
２６：入力操作部
２８：音声出力部
３０，３０ａ～３０ｈ：超音波素子
３２：シート
３３：超音波処理回路
４０：超音波
１００：頸動脈
１２０：前側壁
１３０：後側壁
３３１：駆動回路
３３２：アナログ処理回路

Claims (14)

  1. 各々が超音波を被検者の生体組織に向けて出射するように構成された複数の超音波素子を有する超音波センサを用いて、前記被検者の体内を流れる流体に関連する情報を自動的に取得するための生体情報処理方法であって、
    前記生体組織によって反射された複数の超音波の反射信号を取得するステップと、
    前記複数の反射信号に基づいて、前記複数の超音波素子のうち前記流体が流れる管に対向する二以上の超音波素子を特定するステップと、
    前記二以上の超音波素子のうちの第１超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第１超音波素子に対向する前記管の部分の前記超音波の照射方向における第１位置を特定するステップと、
    前記二以上の超音波素子のうちの第２超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第２超音波素子に対向する前記管の部分の前記超音波の照射方向における第２位置を特定するステップと、
    前記第１位置と前記第２位置に基づいて、前記超音波の照射方向に対する前記管の角度を特定するステップと、
    前記第１超音波素子又は前記第２超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記管内を流れる流体により反射された超音波に生じるドップラ偏移周波数を特定するステップと、
    前記管の角度と前記ドップラ偏移周波数とに少なくとも基づいて、前記流体に関連する情報を取得するステップと、
    を含む、コンピュータによって実行される生体情報処理方法。
  2. 前記流体に関する情報は、前記流体の速度を含む、
    請求項１に記載の生体情報処理方法。
  3. 前記流体に関する情報は、前記流体の流量を含み、
    前記生体情報処理方法は、前記管の断面積を特定するステップをさらに含み、
    前記管の断面積と、前記流体の速度とに基づいて、前記流体の流量が特定される、
    請求項２に記載の生体情報処理方法。
  4. 前記管の断面積を特定するステップは、
    前記第１超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第１超音波素子に対向する前記管の部分の前側壁及び後側壁の位置を特定するステップと、
    前記前側壁の位置と前記後側壁の位置との間の距離を特定するステップと、
    前記照射方向に対する前記管の角度と、前記前側壁の位置と前記後側壁の位置との間の距離とに基づいて、前記管の断面積を特定するステップと、
    を含む、請求項３に記載の生体情報処理方法。
  5. 前記流体の流量に関連する情報を出力するステップをさらに含む、
    請求項３又は４に記載の生体情報処理方法。
  6. 前記流体の流量に関連する情報を出力するステップは、前記流体の流量の時間変化を示す波形データを視覚的に提示するステップを含む、
    請求項５に記載の生体情報処理方法。
  7. 前記流体の流量に関連する情報を出力するステップは、前記流体の流量が所定の閾値以下であるとの判定に応じてアラートを可聴的に出力するステップを含む、
    請求項５に記載の生体情報処理方法。
  8. 前記照射方向における前記第１位置を特定するステップは、
    前記第１超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第１超音波素子に対向する前記管の部分の前記照射方向における第１前側壁及び第１後側壁の位置を特定するステップと、
    前記照射方向における前記第１前側壁と前記第１後側壁との間の第１中間点の位置を特定するステップと、
    を含み、
    前記照射方向における前記第２位置を特定するステップは、
    前記第２超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第２超音波素子に対向する前記管の部分の前記照射方向における第２前側壁及び第２後側壁の位置を特定するステップと、
    前記照射方向における前記第２前側壁と前記第２後側壁との間の第２中間点の位置を特定するステップと、
    を含み、
    前記第１中間点の位置と前記第２中間点の位置に基づいて、前記超音波の照射方向に対する前記管の角度が特定される、
    請求項１から７のうちいずれか一項に記載の生体情報処理方法。
  9. パルスドップラ法又はカラードップラ法を通じて前記ドップラ偏移周波数が特定される、
    請求項１から８のうちいずれか一項に記載の生体情報処理方法。
  10. 前記管に対向する二以上の超音波素子が特定された後に、前記管に対向する前記二以上の超音波素子のみが駆動される、
    請求項１から９のうちいずれか一項に記載の生体情報処理方法。
  11. 前記流体は、血液又は尿であり、
    前記管は、血管又は尿管である、
    請求項１から１０のうちいずれか一項に記載の生体情報処理方法。
  12. 前記超音波センサは前記被検者の頸部に装着され、
    前記管は、頸動脈である、
    請求項１１に記載の生体情報処理方法。
  13. 請求項１から１２のうちいずれか一項に記載の生体情報処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
  14. シートと、前記シート上に二次元状に配置されると共に、各々が超音波を被検者の生体組織に向けて出射するように構成された複数の超音波素子と、を有する超音波センサを用いて前記被検者の体内を流れる流体に関連する情報を自動的に取得するように構成された生体情報処理装置であって、
    前記生体情報処理装置は、
    一以上のプロセッサと、
    命令を記憶するメモリと、
    を備え、
    前記命令が前記プロセッサにより実行されるときに、前記生体情報処理装置に、
    前記生体組織によって反射された複数の超音波の反射信号を取得させ、
    前記複数の反射信号に基づいて、前記複数の超音波素子のうち前記流体が流れる管に対向する二以上の超音波素子を特定させ、
    前記二以上の超音波素子のうちの第１超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第１超音波素子に対向する前記管の部分の前記超音波の照射方向における第１位置を特定させ、
    前記二以上の超音波素子のうちの第２超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記第２超音波素子に対向する前記管の部分の前記超音波の照射方向における第２位置を特定させ、
    前記第１位置と前記第２位置に基づいて、前記超音波の照射方向に対する前記管の角度を特定させ、
    前記第１超音波素子又は前記第２超音波素子に関連付けられた超音波の反射信号を解析することで、前記管内を流れる流体により反射された超音波に生じるドップラ偏移周波数を特定させ、
    前記管の角度と前記ドップラ偏移周波数とに少なくとも基づいて、前記流体に関連する情報を取得させる、
    生体情報処理装置。
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