JP4217023B2

JP4217023B2 - 血管内皮計測装置

Info

Publication number: JP4217023B2
Application number: JP2002048057A
Authority: JP
Inventors: 一郎佐久間; 健純土肥; 尉義大内; 正生吉栖
Original assignee: 一郎佐久間
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2022-02-25
Also published as: US20030167005A1; JP2003245280A; US6623431B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は血管内皮機能測定システムに関するもので、特にロボットアームによる位置決めと画像処理を組み合わせた測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
日本人の３大死因の内、脳梗塞、心筋梗塞の主要因である動脈硬化は、食生活の欧米化に伴い増加してきている。そこで動脈硬化症を早期に発見するための非侵襲で簡便な検査法が必要とされている。
【０００３】
現在、このような検査法として血管内皮機能検査がある。この方法は、血管壁の最も内側の細胞層である血管拡張物質を放出し血管の拡大収縮を調節する血管内皮の機能を測定し、安静時に対する反応性充血時の血管径の増加率を拡張度とし動脈硬化の指標としている。橋本ら（臨床医（１９９８）：２４（５）７８９−７９１）によると動脈硬化の進行度が低い被検者で拡張度約１０％、重度に進行している被検者で約２％に低下することが報告されている。
【０００４】
この血管径の計測は、医師が被検者の上腕部に超音波プローブを押し当て、適切な血管長軸画像を保存し、後に目視により血管壁を認識する方法で血管径を算出している。
【０００５】
また、Ｆａｎら（ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＯＮＭＥＤＩＣＡＬＩＭＡＧＩＮＧ：Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ２０００，ｐ６２１−６３１）は医師が取得した画像を処理して血管径を算出している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、橋本らの方法では、適切な画像を取得するのは困難で時間がかかる上に、血管壁の認識を目視で行っているため、再現性が悪いという問題点がある。また、Ｆａｎらの方法では、同一被検者においても医師が選んだ画像に大きく左右されることが報告されている。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決し、ロボットアームによる位置決め及び画像処理を組合わせた血管内皮計測装置を提供し検査の迅速化、再現性の向上を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では下記の（１）〜（６）の構成により課題の解決を図っている。
【０００９】
（１）超音波診断装置及びそれに付随する超音波プローブを備えて超音波診断画像を取得する計測系、コンピュータ及び画像処理ボードを備えて前記計測系で取得した超音波診断画像を処理・計算する画像処理・計算系並びに、前記超音波プローブを保持し移動・回転するロボットアームを備えたナビゲーション系から構成される血管内皮計測装置であって、前記超音波プローブを保持したロボットアームを血管内皮機能検査対象部位に手動で移動した後、超音波画像を取得し前記画像処理・計算系で該取得画像を処理し、超音波プローブをＸ方向に所定のピッチで移動させる一連の操作を繰り返し、対象とする血管の血管中心を画像の中心と一致するように超音波プローブを導くための計算・制御する第１段階、前記第１段階で取得した画像を起点に画像取得、画像処理・計算及び前記ロボットアームをＺ軸周りを所定の角度ずつ回転させる一連の操作を繰り返し、対象とする血管の血管中心と超音波プローブが平行になる位置へ導く第２段階、前記第２段階で取得した画像を起点に画像取得、画像処理・計算及び前記ロボットアームをＸ方向に所定のピッチで移動させる一連の操作を繰り返し、前記超音波プローブを対象とする血管の血管中心上へ導く第３段階、前記第３段階終了後に取得した超音波画像から血管径が計算されることを特徴とする血管内皮計測装置。
【００１０】
（２）超音波診断画像のカラードップラー信号領域の重心を前記血管中心として認識することを特徴とする請求項１記載の血管内皮計測装置。
【００１１】
（３）取得した超音波診断画像をＸ軸方向に所定の幅を抽出し、該幅をＸ軸に垂直方向に輝度値の累計である画像エネルギー勾配を検索し、画像エネルギーが極大値を示す点を基準にして血管壁と血管内腔との境界として決定し、決定された２つの境界の間の距離を血管径とすることを特徴とする請求項１記載の血管内皮計測装置。
【００１２】
（４）前記ロボットアームは並進２自由度及び回転１自由度で制御されることを特徴とする請求項１記載の血管内皮計測装置。
【００１６】
（５）前記第２段階あるいは前記第３段階の一連の操作中に取得した任意の超音波画像をＸ軸方向に所定の幅で分割し、分割した領域毎に血管径を算出し、その血管径のメディアン値を求め、そのメディアン値を中心に所定の範囲内にある血管径の数を求め、その数を前記領域数で割った値をスコア値とし、一連の操作で得られた一連の画像のスコア値を比較し、スコア値が極大値を有する画像に相当する超音波プローブの位置を該段階における最適位置として判定することを特徴とする請求項１記載の血管内皮計測装置。
【００１７】
（６）血管拡張反応発生後の経時変化をリアルタイムで追跡できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の血管内皮計測装置。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は血管内皮機能自動測定システムの概略構成を示しており、計測系、画像処理・計算系及びナビゲーション系の３つのサブシステムで構成している。計測系は超音波画像診断装置、それに付属の超音波プローブなどで構成し超音波画像を取得する。画像処理・計算系はコンピュータ、画像処理ボードなどで構成しており、計測系で取得した画像を処理しそれに基づいて後述のロボットアームを駆動するモータの制御値を計算する。ナビゲーション系は上記超音波プローブを保持し、その超音波プローブの走査及び位置決めを行なうロッボットアームで構成している。
【００２０】
図２にロボットアームの構成を模式的に示す。後述する血管径の計測に用いる超音波画像を取得するため、超音波プローブを走査し、最適位置に保持できるように、ロボットアームは表１に示す２つの回転自由度及び２つの並進自由度を有している。即ち、ロッボトアームは測定対象となる被検部（腕）へと超音波プローブの位置を粗調整する手動のＹ軸回転自由度（−４５度〜＋４５度）、超音波画像の中心と血管中心を合わせる自動のＺ軸並進自由度及び測定に供する最適画像が得られる位置まで超音波プローブを案内する自動のＸ軸並進自由度及び自動のＺ軸回転自由度で構成する４自由度の範囲内でその動きが制御される。Ｘ軸並進自由度及びＺ軸並進自由度の範囲は自動走査を超音波画像のサイズ４０ｍｍ内で行なうためそれぞれ−２０ｍｍ〜＋２０ｍｍと設定し、それに対応してＺ軸回転自由度の範囲を７０度〜１１０度と設定した。取得する画像のピクセルの大きさは０．０５ｍｍまで拡大できるので自動のＸ軸並進自由度、Ｚ軸並進自由度の空間分解能はその１／２０の０．００２ｍｍに設定した。それに対応するＺ軸回転自由度の分解能は０．１度に設定した。
【００２１】
表１に示した各自由度の範囲は一例であってこの範囲に限定されるものではない。
【００２２】
【表１】

なお、このロボットアームには６軸力覚センサが備えられており、超音波プローブと被検体である上腕部との接触圧を計測し常に一定の状態を保つようにしている。
【００２３】
次に取得した画像をコンピュータで画像処理し血管径を算出する手順を述べる。
【００２４】
血管長軸断面の超音波画像の上下にある血管壁と血管内腔との２つの境界の距離を血管径として算出する。しかしながら、画像に示される血管壁は長軸方向に濃淡が不規則に変化しているので、その境界の抽出を通常のエッジ検出アルゴリズムで処理しても再現性のある結果が得られないことがわかっている。そこで、本願では、血管壁像が直線に近いゆるやかな曲線を呈することに着目し、一定の幅のある複数の線分を血管壁に近似する方法を用いた（線分手法）。この方法では図３に示すように、Ｘ軸方向のある線分幅ｄ内の画素の輝度値累計を画像エネルギーとし、血管内腔中心から血管壁の方向に向かって画像エネルギー勾配を検索していき、閾値に達した位置を血管壁と血管内腔の境界とした。この図ではＹ座標の１００及び２００近辺に認められる２つの画像エネルギーのピークを境界としている。線分手法を用いて血管超音波画像を処理した結果を図４に示す。
【００２５】
図４の上部に示した□内の数字はＸ軸方向の○囲み数字１〜１０の各領域の血管径を画像のピクセル数に換算した値で、６４近辺を中心に分布している。場合によっては、明らかに誤認と思われる、かけ離れた値が認められられることもあるので、それに左右されないように、メディアン値を血管径として用いることとし、図４の例ではその値は図の下部に示した６５となる。
【００２６】
血管径計測に適した血管壁が鮮明な血管長軸画像を取得するには、超音波プローブと血管とが適切な位置関係になければならない。そのために、上述の設定された自由度内でロボットアームを数段階に渉って操作しその都度取得した画像から上述した方法で血管径を計算しその結果を基に、超音波プローブは粗調整から微調整を経て最適位置へ動かされる。以下、その位置決めのための調整方法について述べる。
【００２７】
図５のケース１は血管中心線上に超音波プローブがあり、適切な位置に置かれていることを示している。この場合、正確な血管径Ｄ₀が算出される。ケース２のように超音波プローブが血管の中心線に対してある角度回転した位置にある場合は中心線と一致した部分のみ血管径が正確な値Ｄ₀となり、一致した部分から離れるほど正確な径よりも小さな値を示している。ケース３は超音波プローブが血管の中心線と平行ではあるが、位置がずれている場合で、算出される血管径Ｄ₁は正確な血管径Ｄ₀よりも小さい。このことから、超音波プローブが血管の中心線上にある時にのみ、算出される血管径が最も大きな値Ｄ₀となり正確な径として採用可能である。
【００２８】
超音波プローブは図６に示す（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の３段階のナビゲーション操作を経てケース１に示す最適位置へと導かれる。
【００２９】
先ず、超音波プローブを手動で操作し、血管短軸画像（すなわち血管の中心軸に垂直な血管断面像）が得られる位置へ導く。目的とする画像を得た後、図６（ａ）に示すように血管中心が画像の中央に一致するように超音波プローブをＸ軸方向に自動でナビゲーション操作する。ここでは、血流存在領域であるカラードップラ−信号領域の重心を血管中心として認識している。
【００３０】
血管中心を画像の中央に一致させた後、図６（ｂ）に示すようにＺ軸を回転中心として自動でロボットアーム、即ち超音波プローブを所定の角度づつ回転させてそれぞれの位置における画像を取得する。取得した画像を処理した後、判定を行い、計測に最も適した状態の血管長軸画像（すなわち血管の中心軸に平行な血管像）が得られる位置を決定する。
【００３１】
最適かどうかの判定は、図５のケース２及びケース３で説明したように、超音波プローブが血管の中心線からずれた場合に血管径が正確な径よりも小さく算出されることに着目して行った。取得した画像を基に、以下に定義する超音波プローブの各回転角度におけるスコア値を算出しその極大値を示す角度が最適位置となる。
【００３２】
スコア値（％）＝ｎ／Ｎ＊１００
上記の式において、ｎはある回転角度における代表血管径（ピクセル）±１ピクセル内にある血管径の数であり、図４の例では６５±１内の血管径の数は７となる。そして、Ｎはある回転角度における全て血管径の数で図４の例では１０となる。従って、この例のスコア値は７／１０即ち７０％となる。
【００３３】
このようにして得られたスコア値と回転角度と関係の一例を図７に示す。この例では回転角度１２度でスコア値が最大となっておりこの角度が最適位置と判定される。
【００３４】
図６（ｂ）に示す操作により超音波プローブは血管の中心線に平行な位置へと導かれるが、血管の中心線上には位置していない場合がある。そのため、図６（ｃ）に示すように超音波プローブをＸ軸方向に所定のピッチずつ自動で動かし、それぞれの位置における画像を取得し図６（ｂ）と同様な手順で超音波プローブの最適位置を決定する。
【００３５】
超音波プローブを０．０５ｍｍのピッチで動かして得た画像を基に、上述と同様に算出したスコア値と超音波プローブの基準点からの変位の関係の一例を図８に示す。この例では基準点から０．０５ｍｍの位置でスコア値が最大となっており最適位置と判定される。
【００３６】
以上述べた手順を用いて３人の被検者（Ａ、Ｂ、Ｃいずれも２０代の健常者）を対象に血管径計測及びＦＭＤ（ＦｌｏｗＭｅｄｉａｔｅｄＤｉｌａｔｉｏｎ）計測を行った。以下それぞれ計測方法と得られた結果を説明する。
【００３７】
（血管径計測）
上記の計測システムによる測定結果の再現性を検証するため同一被検査者に対し１０回の血管径計測を行った。測定の度ごとに超音波プローブの初期位置と初期角度を変化させた。また被検者Ｂに対しては比較のため手動による血管径の計測も行った。１０回の計測から算出した平均血管径（ｍｍ）、平均スコア値（％）、最大誤差（ｍｍ）及び標準偏差（ｍｍ）を被検者毎の値と手動による計測結果を表２に示す。
【００３８】
【表２】

この表から自動計測システムでの計測は手動の場合に比べて最大誤差及び標準偏差が大きく減少しており計測精度が著しく向上していることがわかる。
【００３９】
（ＦＭＤ計測）
血管内皮機能検査では、まず安静時の血管径ｄを計測してから、下腕部を５分間駆血した後、その駆血を解除し、血流依存性血管拡張反応を発生させ最大血管径ｄ_maxを測定して、下記で定義するＦＭＤ値を算出し動脈硬化の指標としている。
【００４０】
ＦＭＤ値（％）＝（ｄ_max−ｄ）＊１００／ｄ
図９には血管拡張反応による自動計測で算出した血管径の経時変化を手動計測で算出した場合と比較して示した。図に示した自動計測ではリアルタイムで結果が得られ全体の所要時間が約２分である。一方、手動計測による結果は熟練者が行なっても約３０分を要している。従って本発明による自動計測法を用いることにより迅速な検査が可能となることは明らかである。
【００４１】
被検者Ａ、Ｂ及びＣそれぞれの安静時血管径、最大血管径、ＦＭＤ値を表３に示す。
【００４２】
【表３】

表３の被検者３名中２名のＦＭＤ値が東京大学医学部の橋本ら（従来の技術の項と同じ文献に記載）が行なった手動検査における２０代健常者１７名の計測結果の範囲９．８〜１１．５％にあり、医学的に妥当な結果であると言える。
【００４３】
以上述べたことから本発明による血管内皮機能検査方法を用いれば、従来の方法では実現できなかった動脈硬化の指標となる血管の拡張度の算出が精度良くしかも迅速に行なうことができ、食生活の変化などでますます増加している動脈硬化症の早期発見が可能となった。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、超音波プローブで取得した画像をコンピュータで解析し、その結果を基に超音波プローブを保持しているロボットアームを制御することにより、最適画像を取得し、血管径の算出が再現性良く且つ迅速にできるようになった。迅速な血管径の算出手順を用いることにより動脈硬化症の早期発見が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】血管内皮機能自動測定システムの概略構成を示す図
【図２】超音波プローブを保持し移動・回転するロボットアームの機能を説明する模式図
【図３】血管径の算出法を説明するための血管の超音波画像
【図４】画像処理による血管径の算出結果を示す図
【図５】超音波プローブの位置とそれによって取得される血管画像を示す模式図
【図６】超音波プローブの位置決めの手順を示す模式図で、（ａ）は血管中心を決めるための方法を示し、（ｂ）は超音波プローブを血管中心に平行に合わせる方法を示し、（ｃ）は超音波プローブを血管中心上に置く方法を示す
【図７】図６（ｂ）に示す位置決めのために用いる超音波プローブのＺ軸回りの回転角度とそのスコア値の関係を示す図
【図８】図６（ｃ）に示す位置決めのために用いる超音波プローブのＸ方向の位置とそのスコア値の関係を示す図
【図９】血管拡張反応による血管径の経時変化を示す図

Claims

超音波診断装置及びそれに付随する超音波プローブを備えて超音波診断画像を取得する計測系、コンピュータ及び画像処理ボードを備えて前記計測系で取得した超音波診断画像を処理・計算する画像処理・計算系並びに、前記超音波プローブを保持し移動・回転するロボットアームを備えたナビゲーション系から構成される血管内皮計測装置であって、
前記超音波プローブを保持したロボットアームを血管内皮機能検査対象部位に手動で移動した後、超音波画像を取得し前記画像処理・計算系で該取得画像を処理し、超音波プローブをＸ方向に所定のピッチで移動させる一連の操作を繰り返し、対象とする血管の血管中心を画像の中心と一致するように超音波プローブを導くための計算・制御する第１段階、
前記第１段階で取得した画像を起点に画像取得、画像処理・計算及び前記ロボットアームをＺ軸周りを所定の角度ずつ回転させる一連の操作を繰り返し、対象とする血管の血管中心と超音波プローブが平行になる位置へ導く第２段階、
前記第２段階で取得した画像を起点に画像取得、画像処理・計算及び前記ロボットアームをＸ方向に所定のピッチで移動させる一連の操作を繰り返し、前記超音波プローブを対象とする血管の血管中心上へ導く第３段階、
前記第３段階終了後に取得した超音波画像から血管径が計算されることを特徴とする血管内皮計測装置。
超音波診断画像のカラードップラー信号領域の重心を前記血管中心として認識することを特徴とする請求項１記載の血管内皮計測装置。
取得した超音波診断画像をＸ軸方向に所定の幅を抽出し、該幅をＸ軸に垂直方向に輝度値の累計である画像エネルギー勾配を検索し、画像エネルギーが極大値を示す点を基準にして血管壁と血管内腔との境界として決定し、決定された２つの境界の間の距離を血管径とすることを特徴とする請求項１記載の血管内皮計測装置。
前記ロボットアームは並進２自由度及び回転１自由度で制御されることを特徴とする請求項１記載の血管内皮計測装置。
前記第２段階あるいは前記第３段階の一連の操作中に取得した任意の超音波画像をＸ軸方向に所定の幅で分割し、分割した領域毎に血管径を算出し、その血管径のメディアン値を求め、そのメディアン値を中心に所定の範囲内にある血管径の数を求め、その数を前記領域数で割った値をスコア値とし、一連の操作で得られた一連の画像のスコア値を比較し、スコア値が極大値を有する画像に相当する超音波プローブの位置を該段階における最適位置として判定することを特徴とする請求項１記載の血管内皮計測装置。
血管拡張反応発生後の経時変化をリアルタイムで追跡できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の血管内皮計測装置。