JP3694357B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、体腔内等に挿入され、超音波信号の送受信によって管腔内の直径、断面積、さらにはこの断面積を利用して管腔内の液体流量を求める超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、血管等の管腔内にカテーテルを挿入し、熱希釈法を用いて血流量を測定することによって心機能をモニタリングすることが知られている。この熱希釈法は、まず、頸静脈等よりカテーテルを挿入してカテーテル先端部を大静脈、右心房、左心室を通して肺動脈に到達させる。次に、カテーテルより右心房内に冷水を注入し、肺動脈内の血液の温度をカテーテルに備えられた温度センサによって検出し、温度の経時変化より心拍出量を算出する方法である。しかし、この熱希釈法は、冷水注入時の心拍出力量しか測定できない。従って、例えば手術中等、患者の容体変化などを随時検出するために重要となる心機能の連続モニタリングができないという問題があった。
【０００３】
そこで、カテーテルとして、連続走査が可能な超音波振動子を先端に設けた超音波探触子を用い、この探触子を血管内に挿入して血管の断面積及び血流速度を求め、管腔内の流量を測定する流量測定装置が提案されている。しかし、超音波を用いて流量測定を行い、このデータに基づいて心機能をモニタリングする方法は、臨床データが少なく、また従来の流量測定方法では得られる流量精度が低いため、例えば特開平５−１３７７２５号公報等に示されているように、熱希釈法と超音波測定法とが併用がされていた。
【０００４】
図６は、この併用型の流量測定装置における探触子の構成を示している。探触子５０には、液体の流速を求めるための第１振動子５６、５８が、探触子５０の長軸に交差し、かつ互いに直交する方向に超音波信号を送受信するように配置され、また、血管の内径を求めるための第２振動子６０、６２が、探触子５０の長軸に直交しかつ互いに反対方向（１８０度異なる方向）に超音波信号を送受信するように配置されている。
【０００５】
また、探触子５０には、熱希釈法によって血流量を測定する際に、例えば右心房に冷水を注入するための注水口６５と、肺動脈内での血液温度を測定するための温度センサ５４が設けられている。
【０００６】
更に、超音波探触子５０の先端には、内部に生理食塩水等の液体を別途注入可能なバルーン５２が設けられており、超音波探触子５０の先端部を静脈内に挿入し、バルーン５２に内に液体を注入して膨らませることにより、超音波探触子５０を血流に乗せて血管の所定位置まで送ることを可能としている。なお、注水口６５は、温度センサ５４が例えば肺動脈に到達した際には、右心房に位置するように配置されている。
【０００７】
超音波を用いた流量測定では、第２振動子６０、６２がそれぞれ超音波信号を送受信し、受信信号より第２振動子６０、６２から血管内壁までの距離を求め、この距離に基づいて血管内の内径ｄを求める。また、第１振動子５６、５８から得られる受信信号に基づき公知の方法によってそれぞれドプラ偏移周波数Δｆを求め、このドプラ偏移周波数Δｆに基づいて血流速度ｖを求めている。更に、求めた血管内径ｄより血管断面積Ａを算出し、次式（１）を演算することにより血流量Ｑu を求めている。
【０００８】
【数１】
Ｑu ＝Ａ×ｖ ・・・・・・・（１）
以上のような構成の流量測定装置においては、予め熱希釈法によって血流量Ｑn を求め、次に超音波によって血流量Ｑu を求め、この血流量Ｑu を熱希釈法による血流量Ｑn によって補正して基準血流量Ｑref を得る。以降は、超音波測定のみによって血流量Ｑu を求め、基準血流量Ｑref に基づいて連続的に血流量Ｑを算出する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、装置構成の簡略化及び装置の小型化等の観点より、図６に示すような熱希釈法との併用型ではなく、超音波測定のみで正確な血流量Ｑを測定することが要求されている。
【００１０】
一方で、図６に示す従来の流量測定装置では、探触子５０が図７（ａ）に示すように血管の中央部に位置しない場合であっても、第２振動子６０、６２で得られた受信信号から直接血管内径ｄを求めていた。また、図７（ｂ）のように超音波探触子５０の長軸が血管内壁に対して傾いている場合も同様に第２振動子６０、６２の受信信号から直接血管内径ｄを求めていた。図７（ａ）の場合には、実際の血管直径Ｄよりも求めた血管内径ｄの方が小さく、反対に図７（ｂ）の場合には求めた血管内径ｄが実際の血管直径Ｄよりも大きくなり、いずれの場合にも求めた血管内径ｄが誤差を含んでいた。このように、従来の流量測定装置では、探触子５０の位置の偏りや血管壁に対する傾き等を全く考慮していなかったため、超音波測定だけでは正確な血管直径Ｄを求められず、得られる血流量Ｑの精度を向上することができなかった。従って、管腔の直径及び断面積の測定精度が高く、正確な流量を連続的に求めることが可能な超音波診断装置が求められている。
【００１１】
本発明は、上記課題を解消するためになされたものであり、管腔直径及び断面積を精度良く測定することが可能な超音波診断装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る超音波診断装置は以下のような特徴を有する。
【００１３】
まず、管腔内に挿入可能なシースチューブと、前記シースチューブ内に挿入され回転駆動される回転ワイヤと、前記回転ワイヤの回転軸と交差する互いに異なる方向に超音波信号を送受信する複数の振動子を含む送受信手段と、を有する超音波探触子と、前記回転ワイヤと一体的に回転する前記各振動子ごとに、回転に伴って得られる各方位ごとの受信信号に基づいて送受信軸上における超音波探触子の基準位置と管腔壁との距離を求める距離演算手段と、前記各方位ごとに、前記複数の振動子に対応する前記複数の距離に基づいて前記管腔壁に対する前記超音波探触子の回転軸の傾きを求める傾き演算手段と、前記各方位ごとに、前記傾きと前記複数の振動子に対応する前記複数の距離とに基づいて管腔壁に対する垂線方向の管腔内径を演算する管腔直径演算手段と、前記管腔内径から管腔断面積を演算する断面積演算手段と、を有する。
【００１４】
上記構成によれば、管腔壁に対して超音波探触子の回転軸が傾いて配置されていてもこれを補正して正確に管腔内径を演算でき、この管腔内径に基づいて管腔断面積を求めれば、格段に信頼性の高いデータが得られる。
【００１５】
また、前記受信信号に基づいて前記管腔内の液体の流速を演算する流速演算手段と、前記管腔断面積と前記流速とから液体の流量を求める流量演算手段と、を設ければ、管腔断面積を精度良く求めることができるので、得られる液体流量は正確であり、この液体流量に基づいて行われる診断の信頼性を向上させることが可能となる。
【００１６】
望ましくは、前記傾き演算手段は、二つの振動子のうちの一方に対応する基準位置と管腔壁との距離ｒ１およびこれと１８０度異なる方向における基準位置と管腔壁との距離ｒ２´、並びに、二つの振動子のうちの他方に対応する基準位置と管腔壁との距離ｒ２およびこれと１８０度異なる方向における基準位置と管腔壁との距離ｒ１´に基づいて、前記管腔壁に対する前記超音波探触子の回転軸の傾きθ１を数式θ１＝ｔａｎ ^-1 ｛（ｒ２＋ｒ１´）／（ｒ１＋ｒ２´）｝−π／４に従って演算することを特徴とする。
【００１７】
また望ましくは、前記断面積演算手段は、複数の方位についての管腔内径のうちの最大の管腔内径を管腔直径として前記管腔断面積を演算することを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、超音波探触子を管腔内に挿入して管腔断面積を求める際に、探触子が管腔中心位置からずれていても、複数の方位に超音波信号を送信して得られた受信信号に基づいて管腔断面積を求めるため、正確な管腔断面積を得ることが可能となる。
【００１９】
また、管腔内径測定用の振動子と流速測定用の振動子を共用する構成にすれば、管腔内径測定用の振動子と流速測定用の振動子をそれぞれ別に設ける必要がなく、探触子の小型化等を図ることができる。
【００２０】
また、さらに別の構成としては、前記超音波信号の送受信する送受信手段が、前記シースチューブの表面に設けられ、前記回転ワイヤの回転軸と交差する方向であって、かつ互いに異なる方向で超音波信号を送受信する複数の第１振動子と、前記回転ワイヤに設けられ、前記回転ワイヤの回転軸と直交する方向で超音波信号を送受信する第２振動子と、を含む。そして、前記断面積演算手段は、前記第２振動子を回転走査して得られた各方位の受信信号に基づいて前記管腔断面積を演算し、前記流速演算手段は、前記複数の第１振動子の受信信号に基づいて前記管腔内の液体の流速を演算することを特徴とする。このような構成によっても、管腔中心に対する超音波探触子の偏りを補正して正確な管腔断面積を求めることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００２２】
実施形態１．
図１は、本実施形態の超音波診断装置の概略構成を示している。
【００２３】
血管等の管腔内に挿入可能な超音波探触子１０は、ポリエチレン等からなるシースチューブ２０内に回転ワイヤ１２が挿入されて構成されている。回転ワイヤ１２の先端付近には、第１超音波信号を送受信する第１振動子１４、１６が設けられており、図２（ａ）に示すように、この第１振動子１４、１６は、回転ワイヤ１２の回転軸に交差し、かつ互いに所定の角度θ（例えば９０度）で異なる方向に超音波信号を送受信するように配置されている。
【００２４】
回転ワイヤ１２は、回転制御部４１の制御によってシースチューブ２０内を回転可能であり、第１振動子１４、１６はこの回転ワイヤ１２と一体的に回転し、図示しない振動子制御部からの制御に基づいて図２（ｂ）に示すように各方位に超音波信号の送受信を行う。
【００２５】
第１振動子１４、１６が管腔内で反射されて戻る超音波信号を受信し、この受信信号が流速演算部３０にそれぞれ供給されると、流速演算部３０は、まず、この受信信号に基づき血液等の流速ｖと次式（２）、（３）のような関係を有するドプラ偏移周波数Δｆ1 、Δｆ2 をそれぞれ求める。
【００２６】
【数２】
Δｆ1 ＝（２×ｆc ）×ｖ×ｃｏｓα ・・・・・（２）
【数３】
Δｆ2 ＝（２×ｆc ）×ｖ×ｃｏｓ（α＋θ） ・・・・・（３）
ｆc ：送信超音波（参照波）信号の周波数
α ：流れ方向に対する超音波信号の送信角度
θ ：２つの第１振動子の超音波送受信軸のなす角度
次に、流速演算部３０は、上式（２）、（３）からαを消去して得られる次式（４）を演算することにより、角度αに依存しない周囲の液体の真の流速ｖを求める。なお、この流速ｖは、必ずしも第１振動子１４、１６を回転走査して各方位での流速ｖを求める必要はなく、例えば、所定の一方向のみで求めてもよい。
【００２７】
【数４】

ｃ ：生体内での音速
また、第１振動子１４、１６からの受信超音波信号は、距離演算部３２にもそれぞれ供給され、距離演算部３２は、例えば、ローパスフィルタ等を用いて受信信号から低速運動体である管腔壁２２で反射されて戻る低周波信号を抽出し、この低周波信号に基づいて超音波探触子１０の基準点Ｐ（本実施形態では回転軸上の点）から管腔壁２２までの距離ｒを求める。なお、例えば受信信号から信号強度分布を得て、管腔壁２２より得られる強度の高い領域を検出して管腔壁２２の位置を特定し、基準点Ｐから管腔壁２２までの距離ｒを求めてもよい。
【００２８】
傾き演算部３４は、求められた距離ｒに基づいて管腔壁２２に対する超音波探触子の回転軸の傾きθ１を求める。管腔直径演算部３６は、距離演算部３２で求められた距離ｒに基づいて後述する方法によって管腔直径Ｄを求め、管腔断面積演算部３８は、この管腔直径Ｄに基づいて断面積Ａを求めて、これを流量演算部４０に供給する。流量演算部４０は、得られた断面積Ａと、流速演算部３０より供給される流速ｖとを乗算し流量Ｑを求める。このようにして得られた流量Ｑは、例えば図示しないディスプレイに表示されて心機能等のモニタリングに利用される。
【００２９】
［管腔直径Ｄ演算方法］
（方法１）
距離演算部３２は、受信信号に基づいて管腔壁２２の位置を特定し、図３に示すように、超音波探触子１０の基準点Ｐと管腔壁２２との距離ｒ１、ｒ２を求める。
【００３０】
超音波探触子１０の回転軸方向と管腔壁２２とが平行であるとすると、第１振動子１４の超音波送受信軸と管腔壁２２との傾きαは、あらかじめ設定された超音波探触子１０の回転軸と第１振動子１４の超音波送受信軸とのなす角度に等しくなる。よって、管腔直径演算部３６は、距離演算部３２で求められた距離ｒ１に基づいて、例えば［ｒ１×ｓｉｎα］を演算し、基準点Ｐから管腔壁２２までの距離ｄ１を求める。なお、距離ｄ１は、ｒ２に基づいて演算しても良い。
【００３１】
このような演算を図２（ｂ）に示すように第１振動子１４、１６を回転させながら実行し、各方位における距離ｄ１を求める。ここで、所定方位の距離ｄ１に対して１８０度方向の異なる距離をｄ１’とすると、所定方位における管腔内径ｄ［ｄ＝ｄ１＋ｄ１’］が求まる。図１の管腔直径演算部３６は、得られた各方位における管腔内径ｄより最大値ｄmax を求め、この最大値ｄmax を管腔直径Ｄとして管腔断面積演算部３８に出力する。
【００３２】
管腔が円形であるとすると、第１振動子１４、１６を回転走査して得られた複数の管腔内径ｄの内、最大値ｄmax が管腔の中心を通る真の直径に一致する。従って、管腔内径ｄの最大値ｄmax を管腔直径Ｄとすれば、図２（ｂ）に示すように管腔中心に超音波探触子１０が位置していない場合でも、正確な管腔直径Ｄを求めることが可能となる。
【００３３】
なお、この方法によって管腔直径Ｄを求める場合には、図１の傾き演算部３４は不要である。
【００３４】
（方法２）
超音波探触子１０の回転軸方向と管腔壁２２とが非平行である場合にも正確な管腔直径Ｄを求める場合には、次のような方法によって管腔直径Ｄを演算する。以下、この方法について図４を参照して説明する。
【００３５】
２つの第１振動子１４、１６の超音波送受信軸のなす角度θが９０度である場合において、図４に示すように、管腔壁２２に対する超音波探触子１０の回転軸の傾きをθ１とし、第１振動子１４の超音波信号送受信軸と管腔壁２２とのなす角度をα、第１振動子１６の超音波信号送受信軸と管腔壁２２の垂線とのなす角度をβ、さらに基準点Ｐから管腔壁２２までの距離ｒ１，ｒ２に対し、これと１８０度異なる方向における距離ｒをそれぞれｒ２’，ｒ１’とすると、管腔内径ｄは、次式（５）、（６）で示される。
【００３６】
【数５】
ｄ ＝（ｒ１＋ｒ２’）×ｓｉｎα ・・・・（５）
【数６】
ｄ ＝（ｒ２＋ｒ１’）×ｃｏｓβ ・・・・（６）
また、角度α及びβは、それぞれ次式（７）、（８）で示される。
【００３７】
【数７】
α ＝θ１＋π／４ ・・・・（７）
【数８】
β ＝θ１＋π／４ ・・・・（８）
上式（５）〜（８）に基づいてθ１を求めると次式（９）が得られる。
【００３８】
【数９】
θ１＝ｔａｎ-1{(ｒ２＋ｒ１’) ／( ｒ１＋ｒ２’)}−π／４ ・・（９）
従って、図１の傾き演算部３４が式（９）を演算して傾きθ１を求め、これに基づいて図１の管腔直径演算部３６が式（５）又は（６）のいずれかを演算することにより、図４のように管腔壁２２に対して超音波探触子の回転軸が傾いている場合にも、管腔壁２２に対する垂線方向の管腔内径ｄを求めることができる。
【００３９】
更に、第１振動子１４、１６を回転走査させて得られた他の方位においても、それぞれ距離ｒ１，ｒ１’，ｒ２，ｒ２’を求め、各方位についてそれぞれ式（５）〜（９）を用いて演算することにより管腔内径ｄを求める。そして、図１の管腔直径演算部３６が、求められた各方位について管腔内径ｄから最大値ｄmax を検出し、これを管腔直径Ｄとする。このような演算処理を行うことにより、図２（ｂ）のように管腔中心から超音波探触子の位置がずれている場合にも、（方法１）と同様に正確な管腔直径Ｄを求めることができる。
【００４０】
なお、例えば図１の距離演算部３２において、距離ｒ１＝ｒ２であるかどうか判定し、ｒ１＝ｒ２の場合には、（方法１）によって管腔直径Ｄを求め、ｒ１≠ｒ２の場合には、（方法２）によって管腔直径Ｄを求めてもよい。このようにすれば、管腔壁２２に対して超音波探触子１０の回転軸が傾いていなければ（ｒ１＝ｒ２）、演算処理の簡単な方法１が行われるため、演算処理時間を短縮することができる。
【００４１】
実施形態２．
図５は、本実施形態２の超音波診断装置の概略構成を示している。なお、すでに説明した図面と対応する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
本実施形態２において、超音波探触子１１は、シースチューブ２０の表面に血液等の周囲の液体の流速ｖを求めるための第１振動子２４、２６が設けられている。第１振動子２４、２６は、超音波探触子１１の回転軸に交差し、かつ互いにその超音波送受信軸が所定の角度θ（例えばθ＝９０度）となるように配置されている。また、第１振動子２４、２６の表面は、樹脂等からなる保護膜２１で覆われており、例えば超音波探触子１１を管腔内に挿入する際等に第１振動子２４、２６が直接管腔壁２２に接触したりすることを防止している。
【００４３】
また、回転制御部４１の制御によってシースチューブ２０内を回転可能な回転ワイヤ１２の先端部には、管腔直径Ｄを求めるための第２振動子２３が設けられており、この第２振動子２３は、回転ワイヤ１２の回転軸と直交する方向に第２超音波信号を送受信するように配置されている。
【００４４】
流速演算部３０は、第１振動子２４、２６より得られる受信信号に基づいて、上記式（２）〜（４）を演算し、連続的に血液等の液体の流速ｖを求める。
【００４５】
一方、距離演算部４２は、第２振動子２３から供給される第２受信信号から、例えばその信号強度分布（断層情報）を得て、液体に比較して高強度分布となる管腔壁２２の位置を特定する。そして、第２振動子２３の超音波送受信軸上における管腔壁２２と超音波探触子の基準点Ｐとの距離ｄ１を求める。
【００４６】
更に、この距離ｄ１の演算手順を第２振動子２４を回転走査させながら順次実行し（図２（ｂ）参照）、各方位についてそれぞれ距離ｄ１を求める。図５の管腔直径演算部４４は、実施形態１と同様に、この距離ｄ１に基づいて各方位における管腔内径ｄ［ｄ＝ｄ１＋ｄ１’］を求め、最大値ｄmax を検出する。そして、この最大値ｄmax を管腔直径Ｄとして管腔断面積演算部３８に出力する。管腔断面積演算部３８は、この管腔直径Ｄに基づいて管腔断面積Ａを求め、流量演算部４０は、得られた管腔断面積Ａと流速演算部３０からの流速ｖとを乗算し、液体の流量Ｑを求める。
【００４７】
このように、本実施形態２の構成においても、図２（ｂ）に示すように管腔中心から超音波探触子１１がずれている場合、簡単な構成で、正確な管腔直径Ｄを求めることが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態２においては、流速測定用の第１振動子２４、２６と、管腔直径演算用の第２振動子２３とをそれぞれ別に設けているため、簡単な演算処理によって連続的に流量Ｑを求めることができる。
【００４９】
更に、第１振動子２４、２６がシースチューブ２０の表面に設けられているので精度よく流速ｖを求めることが容易である。
【００５０】
なお、この第１振動子２４、２６を実施形態１のように回転ワイヤ１２に取り付ける構成も採用可能である。この場合には、第１振動子２４、２６より得られる受信信号に基づいて図４に示すように管腔壁２２と超音波探触子の回転軸との傾きθ１を求め、第２振動子２３からの受信信号に基づいて求めた管腔内径ｄを補正してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る超音波診断装置は、超音波の送受信手段を回転走査して得られた受信信号に基づいて管腔直径を求めることにより、管腔の中心に対して超音波探触子の位置が偏っていても、正確に管腔直径を求めることができる。従って、この管腔直径に基づいて正確な管腔断面積が求められ、さらにこの管腔断面積と別途求めた液体の流速とを乗算することにより正確な液体流量を求めることができる。
【００５２】
更に、管腔壁に対する超音波探触子の回転軸の傾きを求め、この傾きと、超音波探触子の基準点と管腔壁との距離とに基づいて管腔内径を求めることにより、管腔壁に対して超音波探触子の回転軸が傾いて配置されている場合であっても、この管腔内径に基づいて正確に管腔直径を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る超音波診断装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１及び図５の超音波診断装置の駆動方法を説明する図である。
【図３】図１の超音波診断装置の演算方法を説明する図である。
【図４】図１の超音波診断装置の図３とは異なる演算方法を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る超音波診断装置の概略構成を示す図である。
【図６】従来の流量測定装置の探触子の構成を示す図である。
【図７】図６の探触子５０による管腔内径の演算方法の欠点を示す図である。
【符号の説明】
１０，１１ 超音波探触子、１２ 回転ワイヤ、１４，１６，２４，２６ 第１振動子、２０ シースチューブ、２２ 管腔壁、２３ 第２振動子、３０ 流速演算部、３２，４２ 距離演算部、３４ 傾き演算部、３６，４４ 管腔直径演算部、３８ 管腔断面積演算部、４０ 流量演算部。

Claims (4)

1. 管腔内に挿入可能なシースチューブと、前記シースチューブ内に挿入され回転駆動される回転ワイヤと、前記回転ワイヤの回転軸と交差する互いに異なる方向に超音波信号を送受信する複数の振動子を含む送受信手段と、を有する超音波探触子と、
   前記回転ワイヤと一体的に回転する前記各振動子ごとに、回転に伴って得られる各方位ごとの受信信号に基づいて送受信軸上における超音波探触子の基準位置と管腔壁との距離を求める距離演算手段と、
   前記各方位ごとに、前記複数の振動子に対応する前記複数の距離に基づいて前記管腔壁に対する前記超音波探触子の回転軸の傾きを求める傾き演算手段と、
   前記各方位ごとに、前記傾きと前記複数の振動子に対応する前記複数の距離とに基づいて管腔壁に対する垂線方向の管腔内径を演算する管腔直径演算手段と、
   前記管腔内径から管腔断面積を演算する断面積演算手段と、
   を有することを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記受信信号に基づいて前記管腔内の液体の流速を演算する流速演算手段と、
   前記管腔断面積と前記流速とから液体の流量を求める流量演算手段と、
   を有することを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記傾き演算手段は、二つの振動子のうちの一方に対応する基準位置と管腔壁との距離ｒ１およびこれと１８０度異なる方向における基準位置と管腔壁との距離ｒ２´、並びに、二つの振動子のうちの他方に対応する基準位置と管腔壁との距離ｒ２およびこれと１８０度異なる方向における基準位置と管腔壁との距離ｒ１´に基づいて、前記管腔壁に対する前記超音波探触子の回転軸の傾きθ１を数式
   θ１＝ｔａｎ ^-1 ｛（ｒ２＋ｒ１´）／（ｒ１＋ｒ２´）｝−π／４
   に従って演算することを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項３に記載の超音波診断装置において、
   前記断面積演算手段は、複数の方位についての管腔内径のうちの最大の管腔内径を管腔直径として前記管腔断面積を演算することを特徴とする超音波診断装置。

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