JP3180987U - 画像式脈波伝播速度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像分析ユニットが、ＰＰＧ信号にもとづき、異なる部位組織の灌流指数、呼吸数、脈拍数、血管硬化指数、反射指数を含む生理的パラメータを計算するとともに、異なる部位組織間の距離とそのＰＰＧ信号にもとづき、その部位組織間の脈波伝播速度を計算する画像式脈波伝播速度測定装置を提供する。
【解決手段】画像式脈波伝播速度測定装置は、異なる部位組織に照射するのに用いる少なくとも２つの光発射ユニット１０、１０’と、異なる部位組織に反射して発生した光信号をそれぞれ受信ならびに伝送する少なくとも２つの光伝送ユニット１２、１２’と、部位組織に反射して発生した光信号を画像信号に変換する画像センサユニット１４と、部位組織間の距離の長さを測定するのに用いる長さ測定ユニット１６と、前記画像信号を分析して異なる部位組織のＰＰＧ信号を取得するのに用いる画像分析ユニット１８を備える。
【選択図】図１

Description

本考案は脈波伝播速度の測定装置に関するものであり、特に、撮像素子によりフォトプレチスモグラフィー（Ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ：以下「ＰＰＧ」という）信号を分析して、灌流指数、呼吸数、脈拍数、血管硬化指数、反射指数および脈波伝播速度を取得する画像式測定装置に関するものである。

現代医学における新しい科学技術の絶え間ない進歩のもとで、医療の技術と質はより高くなっており、手術で使用する生理的データの記録はますます多くなっている。心拍、血圧、体温、血中酸素濃度等のような必要な生理的データ以外にも、自律神経の測定が次第に加わるようになり、たとえば脳波測定に利用するＢＩＳまたは聴覚神経の反応の測定に使用するＡＥＰのような、手術中麻酔薬の使用量を知るための麻酔深度の測定がある。上述のこれらの装置を用いた測定により、医師は手術過程において、患者の生理的データをより正確に把握できるようになっている。

しかし、現在の医療手術の過程では、医師は心電図、血圧および血中酸素濃度等多くの生理的パラメータを記録することによって手術を受ける患者のその時の生理状態を判断する以外に、脈波伝播速度（Ｐｕｌｓｅ Ｗａｖｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ：ＰＷＶ）もまた、現代医学において、人体の血管特性を分析する非侵襲的測定方法によく用いられる。

既存の脈波伝播速度測定方法は、エコートラッキング方式、ドップラー方式、圧力センサ方式、光センサ方式等がある。しかし、エコートラッキング方式を用いた設備は価格が相当高く、通常はコストが不十分である。ドップラー方式は、測定者が測定したい部位に照準を当て正確に装置を操作することが難しいため、実施が比較的難しい。圧力センサ方式で使用する圧力センサは、測定したい動脈上を覆い包む必要があり、使用方法が不適切な場合、波形に歪みが生じることがある。フォトダイオードを用いて光信号を受信する光センサ方式は、コストが比較的高く、通常は幾種もの部位の測定を行うことはできない。このように、上述の公知の各種測定方法はどれも操作上克服すべき困難を有する。

また、脈波伝播速度を測定する際、使用する測定機材とセンサは測定する組織部位に対応したものでなくてはならず、たとえば、頸動脈を測定するセンサの価格は高く、より熟練した操作技巧を要し、異なる規格のセンサに交換したり異なる測定部位の測定に使用しようとすると、ハードウェアの規格が対応しないといった問題が生じることがある。

さらに、この種のセンサの価格は一般的に高く、このような測定構造は、使用上柔軟性に欠けるだけでなく、異なる測定システムに変えたときは、対応する規格のセンサに交換しないと正常に作動しないといった状況が起こるため、事実上コストもそれに応じて増加することになる。

したがって、上述の問題を解決でき、脈波伝播速度を測定するのに有効な測定装置をいかに提供するかは、この技術分野を熟知する者が解決すべき課題の１つである。

本考案の主な目的は、一般的に普及している撮像素子を採用したものであり、身体上の複数の部位の光信号を同時に受信し、幾種もの部位組織を測定する機能を有するだけでなく、部位選択における柔軟性も有する画像式脈波伝播速度測定装置を提供することである。

本考案のもう１つの目的は、２つの測定部位の間の距離およびそれらの個々のＰＰＧ信号にもとづき、動脈硬化の程度を医学的に評価するための指標となる脈波伝播速度を算出する画像式脈波伝播速度測定装置を提供することである。

本考案のさらなる目的は、画像処理装置から得られたＰＰＧ信号の記録を行うことにより、異なる部位組織の灌流指数、呼吸数、脈拍数、血管硬化指数、反射指数等の生理的パラメータをさらに取得できる画像式脈波伝播速度測定装置を提供することである。

上述の目的を達成するため、本考案の画像式脈波伝播速度測定装置は、少なくとも２つの光発射ユニット、少なくとも２つの光伝送ユニット、画像センサユニット、長さ測定ユニットおよび画像分析ユニットを備える。
光発射ユニットは少なくとも２箇所の部位組織に照射するのに用いられる。光伝送ユニットは光発射ユニットに対応して設置され、少なくとも２箇所の部位組織に反射して発生した光信号をそれぞれ受信ならびに伝送する。画像センサユニットは光伝送ユニットに対応して設置され、部位組織に反射して発生した光信号を画像信号に変換する。
長さ測定ユニットは部位組織間の距離を測定するのに用いられる。画像分析ユニットは画像センサユニットに電気的に接続し、前記画像信号を分析し、前記少なくとも２箇所の部位組織の２つのＰＰＧ信号を取得する。画像分析ユニットは、前記少なくとも２箇所の部位組織間の距離と前記２つのＰＰＧ信号にもとづき、前記少なくとも２つの部位組織間の脈波伝播速度を計算する。

実施例において、画像分析ユニットは、前記２つのＰＰＧ信号にもとづき、脈波伝播時間を取得し、前記少なくとも２箇所の部位組織間の距離を前記脈波伝播時間で除して脈波伝播速度を算出する。

実施例において、上述の２つの光発射ユニットはそれぞれ光源モジュールおよび制御モジュールを具備する。光源モジュールは各部位組織に照射するための光源を提供する。制御モジュールは前記光源モジュールに電気的に接続するとともに、光源モジュールを駆動する光源強度を制御し、光源モジュールが異なる部位組織によって異なる強度の信号を発射するようにする。

実施例において、上述の光源モジュールが発射する信号は多波長または単一波長の光線であり、光源モジュールは発光ダイオード、レーザーダイオードまたは白熱灯である。

実施例において、上述の光伝送ユニットは、光ファイバー、リフレクタまたは屈折レンズ等の光伝送素子である

実施例において、上述の画像センサユニットは電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＣＭＯＳ）等の撮像素子を有するデジタル撮像装置である。

実施例において、この種の画像式脈波伝播速度測定装置は、前記画像分析ユニットに電気的に接続するデータ処理ユニットをさらに備え、データ処理ユニットはパラメータアルゴリズムにもとづき、前記２つＰＰＧ信号を分析し、灌流指数、呼吸数、脈拍数、血管硬化指数、反射指数および脈波伝播速度の生理的パラメータを取得する。

実施例において、上述のデータ処理ユニットはコンピュータ、ＰＤＡ（個人情報端末）または携帯電話である。

本考案が開示する画像式脈波伝播速度測定装置は、光学ユニット、長さ測定ユニット、画像センサユニットを基礎とした脈波伝播速度（ＰＷＶ）の測定技術である。上述の各素子により、本考案は高価なセンサ装置を必要としなくても、効果的に脈波伝播速度を測定することができる。

また本考案は、データ処理ユニットおよびそのパラメータアルゴリズムによりＰＰＧ信号を分析することで、灌流指数、呼吸数、脈拍数、血管硬化指数、反射指数および脈波伝播速度の生理的パラメータを取得することができる。

本考案の画像式脈波伝播速度測定装置の実施例を示す図。 本考案の画像式脈波伝播速度測定方法の実施例のステップフローチャート。 本考案実施例の光発射ユニットの内部を示す図。 本考案実施例の光発射ユニットの内部を示す図。 本考案実施例のＰＰＧ信号のタイミング波形図。 本考案の画像式脈波伝播速度測定装置のもう１つの実施例を示す図。 本考案実施例のデータ処理ユニットのパラメータアルゴリズムのフローチャート。 本考案実施例のＰＰＧ信号とその特徴抽出を示す図。

本考案の目的、技術内容、特徴およびその達成される効果の更なる理解のため、具体的実施例と図面を併せて以下に詳しく説明する。

本考案が提供する画像式脈波伝播速度測定装置は、主に光発射ユニットを用いて少なくとも２箇所の測定部位に照射し、画像分析ユニットにより上述の測定部位の個別のＰＰＧ信号を記録し、さらにこの２箇所の測定部位の間の脈波伝播速度（ＰＷＶ）を検出する。

この画像式脈波伝播速度測定装置は、一般的に普及している撮像素子を採用し、身体の異なる部位の光信号を受信するものであるため、幾種もの部位のを測定する機能を有し、部位選択における柔軟性も有する。

図１の本考案の画像式脈波伝播速度測定装置の実施例を示す図を参照されたい。これは２箇所の部位組織１、１’の間の脈波伝播速度の測定に用いられるものである。この測定装置は、少なくとも２つの光発射ユニット１０、１０’と、少なくとも２つの光伝送ユニット１２、１２’と、画像センサユニット１４と、長さ測定ユニット１６と、画像分析ユニット１８を備える。光発射ユニット１０、１０’は部位組織１、１’にそれぞれ照射する。
光伝送ユニット１２、１２’は光発射ユニット１０、１０’に対応して設置するとともに、部位組織１、１’に反射して発生した光信号をそれぞれ受信ならびに伝送する。画像センサユニット１４は光伝送ユニット１２、１２’に対応して設置し、部位組織１、１’に反射して発生した光信号を画像信号に変換する。画像分析ユニット１８は画像センサユニット１４に電気的に接続し、画像信号を分析するとともに、部位組織１、１’のＰＰＧ信号を取得する。

図２は本考案の画像式脈波伝播速度測定方法の実施例のステップフローチャートである。この実施例の実施方式の説明については、図１と図２を併せて参照されたい。説明の詳細は次のとおりである。

ステップＳ２０２が示すように、まず、少なくとも２箇所の部位組織１、１’を提供し、長さ測定ユニット１６により部位組織１、１’の間の距離を測定する。

本実施例において、本考案の実施形態では頸動脈を有する頸部および人差し指末梢をそれぞれ部位組織１、１’とするが、本考案はこれに限定されない。実際医療の応用においては、使用者は測定する部位組織１、１’が何であるか自ら決定でき、この実施形態は本考案の考案範疇を限定するものではない。

本考案が開示する長さ測定ユニット１６の実施例では、帯状のメジャーを用いて部位組織１、１’間の距離を測定することが可能であるが、本考案はこれに限定されない。長さ測定ユニット１６はもちろん測定機能を有する巻尺等のその他測定機器であってもよい。

続いて、ステップＳ２０４が示すように、少なくとも２つの光発射ユニット１０、１０’を提供し、部位組織１、１’にそれぞれ照射する。

詳細は、図３ａと図３ｂがそれぞれ示す本考案実施例の光発射ユニット１０、１０’の内部の図を参照されたい。

図３ａと図３ｂが示すように、光発射ユニット１０、１０’はそれぞれ、光源モジュール１０２、１０２’および制御モジュール１０４、１０４’を備える。一般的に、光源モジュール１０２、１０２’は部位組織１、１’に照射するための光源を提供するのに用いられる。
制御モジュール１０４、１０４’は、光源モジュール１０２、１０２’に電気的に接続し、光源モジュール１０２、１０２’を駆動する光源の強度を制御するのに用いられ、光源モジュール１０２、１０２’が異なる測定部位組織によって異なる強度の信号を発射できるようにする。

たとえば、光源モジュール１０２、１０２’は、多波長または単一波長の光線を発射する発光ダイオード、レーザーダイオードまたは白熱灯である。

その後、ステップＳ２０６が示すように、光伝送ユニット１２、１２’は部位組織１、１’に反射して発生した光信号の受信ならびに伝送を開始する。本実施例においてここで発生した光信号は、部位組織１、１’への反射または透射により発生した光信号を含むことに注目されたい。
本考案の実施例にもとづけば、光伝送ユニット１２、１２’は、たとえば光ファイバー、リフレクタまたは屈折レンズ（ｒｅｆｒａｃｔｏｒ）等外界の光の干渉を受けない光伝送素子であり、光伝送ユニット１２、１２’は多種の波長の光信号を伝送するのに用いることもできる。

さらに、光伝送ユニット１２、１２’は前述の光信号を画像センサユニット１４に伝送し、その信号は画像センサユニット１４により画像信号に変換される。

画像センサユニット１４は、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＣＭＯＳ）等の撮像素子を有するデジタル撮像装置であってもよい。画像センサ１４は１つまたはそれ以上の数の画像をその場で記録し、そのレンズの絞り、焦点距離、解像度、露出、ホワイトバランス等のパラメータをその場で調整できる。画像センサユニット１４はもちろん、画像を即時に画像処理装置中に取り込みディスプレイ上で表示することも選択できる。

次に、ステップＳ２０８が示すように、画像分析ユニット１８は画像センサユニット１４が送信した画像信号を分析するとともに、図４が示すような光強度の変化を示す波形図を作成し、部位組織１、１’の個別のＰＰＧ信号を取得する。

一般的には、ＰＰＧ信号は光センサ素子を用いて光線エネルギーを吸収する原理により、光線の変化を記録して信号を検出するものである。図４が示すように、本考案で得られる実線部分が示す波形は頸動脈から検出されたＰＰＧ信号であり、破線部分が示す波形は人差し指から検出されたＰＰＧ信号である。

上述の２つのＰＰＧ信号を取得した後、最後に、ステップＳ２１０において、画像分析ユニット１８は長さ測定ユニット１６が測定した部位組織１、１’の間の距離および上述の２つのＰＰＧ信号にもとづき、部位組織１、１’の間の脈波伝播速度（ＰＷＶ）を計算する。

詳しく述べれば、画像分析ユニット１８はまず測定原理にもとづき、図４中の２つのＰＰＧ信号の間の脈波伝播時間（Ｐｕｌｓｅ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｔｉｍｅ：
ＰＴＴ）を検出する。その後、次の数式に代入する。

距離とは部位組織１、１’の間の距離を指し、ＰＴＴは脈波伝播時間であり、本考案はこの計算により部位組織１、１’の間の脈波伝播速度を計算して求めることができる。

次に、図５は本考案の画像式脈波伝播速度測定装置のもう１つの実施例を示す図である。上述の光発射ユニット１０、１０’、光伝送ユニット１２、１２’、画像センサユニット１４、長さ測定ユニット１６および画像分析ユニット１８以外に、本考案のもう１つの実施例の測定装置は、画像分析ユニット１８に電気的に接続するデータ処理ユニット２０をさらに備える。

データ処理ユニット２０はコンピュータ、ＰＤＡ（個人情報端末）または携帯電話等の装置であり、パラメータアルゴリズムにもとづき、ＰＰＧ信号をさらに分析し、これにより病理上の灌流指数、呼吸数、脈拍数、血管硬化指数、反射指数および脈波伝播速度の生理的パラメータを取得する。

従来の非侵襲的な血管測定は、前端センサ回路である単一または特定のセンサ素子を必要とするので、コストが非常に高く、使用上の柔軟性に欠けるといった問題を常に有する。このため、本考案の実施例では、データ処理ユニット２０は、その内部のパラメータアルゴリズムにもとづき、ＰＰＧ信号に対して画像特徴分析とフィルタリング処理を行い、血管硬化の生理的パラメータを算出することができる。

詳しく述べると、その実行手順は、画像センサユニット１４と画像分析ユニット１８により画像を取得し、その後データ処理ユニット２０のユーザーインターフェースにより画像中から分析したい関心領域（Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ：ＲＯＩ）を選択し、さらにパラメータアルゴリズムにより信号処理およびパラメータ計算を行い、その結果をデータ処理ユニット２０のユーザーインターフェース上に表示する。こうしてソフトウェアの手順は完了する。その他の分析または計算を要する場合は、前記ソフトウェアの手順を繰り返し実行できる。

図６は本考案実施例のデータ処理ユニットのパラメータアルゴリズムのフローチャートである。画像センサユニット１４と画像分析ユニット１８が画像を取得した後、ステップＳ６０２が示すように、パラメータアルゴリズムはまず画像フィルタにより画像信号を処理し、その後ステップＳ６０４が示すように、画像信号から分析したい関心領域（ＲＯＩ）の画素を取得し、それを時間軸信号に変換する。
そしてステップＳ６０６が示すように、時間フィルタを用いて時間軸信号のフィルタリングを行う。最後にステップＳ６０８が示すように、ピーク部分と谷部分を調べることにより時間軸信号の信号特徴を読み取り、この信号特徴により反射指数（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ：以下、「ＲＩ」という）、血管硬化指数（Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ Ｉｎｄｅｘ：以下、「ＳＩ」という）等のパラメータを算出する。

図７が示すように、ＲＩパラメータの定義は被測定者の身長をΔｔで除した値であり、ＳＩパラメータの定義はａをｂで除した比率であり、％で表示する。

使用者は、画像センサユニット１４と画像分析ユニット１８を制御するデータ処理ユニット２０により連続的に画像信号を取得するとともに、パラメータアルゴリズムのソフトウェアの手順により血管硬化の生理的パラメータを計算できる。

実施例においては、現在、呼吸測定には呼吸による温度変化を検出するサーミスタ方式と胸部にエアバッグを取り付け内圧変化を検出するエアバッグ方式の２種類がある。サーミスタ方式は測定時に口や鼻に接触する可能性があり、細菌の感染経路を増加させる恐れがある。エアバッグ方式は、測定時に緩んで脱落しやすいため、一定の姿勢を維持する必要がある。このように両者はいずれも操作の困難性を有する。

このため、本考案のもう１つの実施例では、データ処理ユニット２０は内部のパラメータアルゴリズムにもとづき、ＰＰＧ信号に対して自己回帰モデルによる計算を行い、呼吸数の生理的パラメータを算出する。

詳しく述べると、このパラメータアルゴリズムが、まず自己回帰モデルを利用し、少なくとも１つの自己回帰多項式の極値係数を求めた後、その自己回帰多項式の極値係数にもとづき、呼吸数範囲を求め、自己回帰エネルギーの周波数スペクトル図を描出する。最後にその最大値に対応する周波数を求め、次の数式を用いる。

これにより呼吸数分析の生理的パラメータを取得する。

上述の実施例は本考案の技術思想および特徴の説明に過ぎず、その目的は、この技術分野を熟知した者が本考案の内容を十分に理解し実施できるようにすることにあり、本考案の実用新案登録請求の範囲を限定するものではない。
本考案が開示する精神にもとづき加えられた変更や潤色は全て、本考案の実用新案登録請求の範囲内に含まれる。

１、１’ 部位組織
１０、１０’ 光発射ユニット
１２、１２’ 光伝送ユニット
１４ 画像センサユニット
１６ 長さ測定ユニット
１８ 画像分析ユニット
２０ データ処理ユニット
１０２、１０２’ 光源モジュール
１０４、１０４’ 制御ユニット

Claims (8)

1. 少なくとも２箇所の部位組織に照射する少なくとも２つの光発射ユニットと、
   前記少なくとも２つの光発射ユニットに対応して設置され、前記少なくとも２箇所の部位組織に反射して発生した光信号をそれぞれ受信ならびに伝送する少なくとも２つの光伝送ユニットと、
   前記少なくとも２つの光伝送ユニットに対応して設置され、前記少なくとも２箇所の部位組織に反射して発生した光信号を画像信号に変換する画像センサユニットと、
   前記少なくとも２箇所の部位組織間の距離を測定する長さ測定ユニットと、
   前記画像センサユニットに電気的に接続し、前記画像信号を分析して前記少なくとも２箇所の部位組織のＰＰＧ信号を取得し、前記少なくとも２箇所の部位組織間の距離と前記２つのＰＰＧ信号にもとづき前記少なくとも２箇所の部位組織間の脈波伝播速度を計算する画像分析ユニットと、を備えることを特徴とする、
   画像式脈波伝播速度測定装置。
2. 前記画像分析ユニットは、前記２つのＰＰＧ信号にもとづき脈波伝播時間を取得し、前記脈波伝播速度は前記少なくとも２箇所の部位組織間の距離を前記脈波伝播時間で除して算出することを特徴とする、請求項１に記載の画像式脈波伝播速度測定装置。
3. 前記少なくとも２つの光発射ユニットはそれぞれ、各前記部位組織に照射するための光源を提供する光源モジュールと、前記光源モジュールに電気的に接続するとともに、前記光源モジュールを駆動する光源の強度を制御し、前記光源モジュールが異なる部位組織によって異なる強度の信号を発射するようにする制御モジュールと、を具備することを特徴とする、請求項１に記載の画像式脈波伝播速度測定装置。
4. 前記光源モジュールが発射する信号は多波長または単一波長の光線であり、前記光源モジュールは発光ダイオード、レーザーダイオードまたは白熱灯であることを特徴とする、請求項３に記載の画像式脈波伝播速度測定装置。
5. 前記光伝送ユニットは、光ファイバー、リフレクタまたは屈折レンズ等の光伝送素子であることを特徴とする、請求項１に記載の画像式脈波伝播速度測定装置。
6. 前記画像センサユニットは電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）等の撮像素子を有するデジタル撮像装置であることを特徴とする、請求項１に記載の画像式脈波伝播速度測定装置。
7. 前記画像分析ユニットに電気的に接続するデータ処理ユニットをさらに備え、前記データ処理ユニットはパラメータアルゴリズムにもとづき、前記２つＰＰＧ信号を分析し、灌流指数、呼吸数、脈拍数、血管硬化指数、反射指数および脈波伝播速度の生理的パラメータを取得することを特徴とする、請求項１に記載の画像式脈波伝播速度測定装置。
8. 前記データ処理ユニットはコンピュータ、ＰＤＡ（個人情報端末）または携帯電話であることを特徴とする、請求項７に記載の画像式脈波伝播速度測定装置。

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