JP4649445B2 - エコーを用いた血管径測定方法およびその装置 - Google Patents
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Description
前者は、脈波が動脈管を伝播する速度は血管壁が硬いほど早くなる事象に基づいたものであり、一般に、高齢者ほど脈波の伝播速度が高く、従って、血管壁が硬いと評価される。また、後者は、脈波の血圧変動により血管の容積が非線形的に変動する事象に基づいたもので、かかる血管容積の変化量を表すパラメータとして、経験則から求めた指標などが利用される。
そこで、血管の内皮機能不全を非侵襲的に短時間で測定する方法として、血管を強制的に弛緩させて測定する方法が考えられている。この方法は、例えば以下のような手順(一連のステップ)で実施することができる。
[b] 上記安静期間経過後、被験者の心拍を心電計にて測定するとともに、超音波発射部の長手方向が被験者の上腕動脈の中心線(以下、適宜、「長軸」と称する。)を含む面に一致するように、所定周波数(例えば、7.5−15MHz)の超音波リニアプローブをセットし、血管の拡張末期を心拍のR波に同期させて、エコー画像を複数の拍動期について取得する。このように心拍R波と同期させることで、拍動による血管径の変動の影響を受けないエコー画像を得ることができる。この場合、血管の中心線を含む面のエコー画像(以下、適宜、「長軸側のエコー画像」と称する。)が得られることになる。
[c] このエコー画像から安静時の上腕動脈径を計測し、複数の拍動期分の平均値を求める。
[e] この阻血期間経過後、カフによる圧力を解除し血流を急速に解放する。
[f] この血流の急速解放に伴う充血反応過程で、解放から所定時間(例えば1分間)経過後に、上記ステップ[b]における場合と同様の方法でエコー画像を取得する。カフ圧を解放すると、上腕動脈は充血期の約1分間で徐々に血管径を拡張させ、約45−60秒後に最大値を取るとされているので、カフ圧解放から1分間経過後にエコー画像を取ることで、最大値の血管径を計測することができる。
[g] このエコー画像から充血反応後の血管径(上腕動脈径)を計測し、複数の拍動期分の平均値を求める。
この値が、所謂、%FMD(Flow-Mediated Dilatation)であり、血流依存性血管拡張反応を示す指標として、血管の内皮機能不全の診断、つまり、動脈硬化の診断等において有効に活用することができる。
血管の力学的物理量に関連した変化を観察する従来の診断方法では動脈硬化が認められず、一見健康な人でも、内皮細胞の機能不全という観点から診断すれば、既に動脈硬化進展の初期段階に入っている可能性もある。
また、上記%FMDを用いることにより、ある程度長期にわたる血液の粘性(どろどろ/さらさら)の影響を、いわば血管ざらざら度/つるつる度として表現することができる。従って、この%FMDを、血管のしなやかさを示す新たな指標として用いることも可能である。
従って、その応用範囲が広く、動脈硬化の診断のみならず、例えば、抗酸化サプリメント等のダイエットや健康食品分野、或いは高脂血症や糖尿病などの薬効判定など、幅広い分野での応用が考えられている。
すなわち、まず第1の課題として、血管径の測定は、上記ステップ[b]で述べたように、あくまでも血管の長軸側のエコー画像を撮像して、つまり、超音波発射部の長手方向が血管の中心線を含む面に一致するように超音波リニアプローブをセットし、血管の中心線を含む面のエコー画像を撮像して行われる関係上、検査者に高い熟練度が要求され、検査スタッフが豊富な研究施設や大病院等での利用に限られてしまうという問題があった。
そこで、FMD法で血管径を計測するに際して、エコープローブを血管の長軸側のエコー画像を撮像することにより、エコープローブの長さに略対応した適当な長さについて血管径のエコー画像を得ることができ、これらエコー画像に基づいて演算された血管径の値を平均することで、血管拡張反応による変化率が上述のように小さい場合でも、比較的高精度で血管径を求めることができるのである。
血管の走行の方向や皮膚表面からの深さ等は、被験者の体格などによってある程度異なるので、上記のようにエコープローブを好適にセットするには、数多くの経験が必要で、また、ある程度「勘」に頼らざるを得ない面がある。
また、特に、血管の充血反応過程では、カフ圧解放後、約45−60秒の約15秒以内に計測を終える必要があるので(前述のステップ[f]参照)、迅速な計測作業を正確に行うことが求められ、この点においても、検査者には高い熟練度が求められるのである。
そこで、従来では、心電計を併用し、血流依存性血管拡張反応(FMD)による被験者の血管の拡張末期、心電図では心拍のR波に同期するエコー画像のみを使用して血管径の計測を行うことで、心拍動による血管径の変動の影響を極力排除するようにしていた。
しかしながら、従来では、上記のように一律に定められた高いカフ圧で5分間程度もの長い期間にわたって阻血されるので、被験者に対してかなりの苦痛・負担を強いることなる。
尚、本明細書中において、「血管が流れる方向」とは、当該「血管内の血液が流れている方向」、換言すれば、血管の中心線に沿った方向を言うものとする。
この場合において、上記第1部位へのカフ圧を上昇させながら被測定者の脈圧を検出し、脈圧消失が生じた時点でのカフ圧を検出することで、当該被測定者の最高血圧に対応したカフ圧を検出することができる。つまり、カフ圧を加える工程で被測定者の最高血圧を計測することができる。そして、この最高血圧に対応したカフ圧の検出値に基づいて上記阻血カフ圧を設定することにより、血管径を測定する直前での被測定者の最高血圧に基づいた阻血カフ圧の設定を行うことができる。
この場合において、上記カフ圧の上昇時に上記被測定者の脈圧を検出する脈圧検出手段を更に備えることにより、上記第1部位へのカフ圧を上昇させながら被測定者の脈圧を検出して脈圧消失が生じた時点でのカフ圧を検出することができ、当該被測定者の最高血圧に対応したカフ圧を検出することができる。つまり、カフ圧を加える工程で被測定者の最高血圧を計測することができる。そして、この最高血圧に対応したカフ圧の検出値に基づいて上記阻血カフ圧を設定することにより、血管径を測定する直前での被測定者の最高血圧に基づいた阻血カフ圧の設定を行うことができる。
図1及び図2は、本実施形態に係る血管径測定装置Msのシステム構成を概略的に示す説明図およびブロック構成図である。この血管径測定装置Msは、被測定者の所定の血管(代表的には上腕動脈)のエコー画像を撮像し、当該エコー画像に基づいて上記血管の直径を測定することにより、当該被測定者の%FMDを計測するもので、腕部加圧機構10とプローブ固定機構20と撮像機構30と制御演算機構40と表示機構50とを、主要部として備えている。
上記第1部位としては、被測定者の前腕部Afが代表的であり、これに限定されるものではないが、本実施形態においても、この前腕部Afにカフ圧を加えて阻血するようにした。
尚、このように被測定者の最高血圧に基づいて阻血カフ圧を設定する場合、以上のような実測を特に行うことなく、被測定者が過去の測定経験から記憶していた最高血圧値を申告し、この申告された値に基づいて阻血カフ圧を設定するようにしても良い。
従って、このプローブ固定具27に固定されたエコープローブ31は、被測定者の上腕部Auの上腕動脈の方向と該上腕動脈の周方向とについて、位置および方位が調節可能である。
図6〜図9は、第1の具体例を示している。これらの図に示すように、この第1具体例に係る血管径測定装置M1は、計測演算ユニットUmと固定保持ユニットUH1とを備え、両者Um,UH1は、例えば合成樹脂を材料に用いて一体に形成されている。
この固定保持ユニットUH1は、被測定者の前腕部Afを載置させ支持する断面半円状の前腕支持部61と、被測定者の上腕部Auを載置させ支持する断面半円状の上腕支持部62とを備え、両者61,62は側面視において所定の角度をなすように一体に形成されている。
測定時には、上記上腕支持部62の後端側から被測定者の腕を通し、その前腕部Afが前腕支持部61上に位置し、上腕部Auが上腕支持部62上に位置するまで、腕を挿通させてセットが行われる。
また、前腕支持部61の略中央部分は円筒状に形成され、この円筒状部分がカフ部11を構成している。図8に示すように、このカフ部11は、内側から順に、被測定者の前腕部Afを包み込む略円筒状の弾性クッション部64、圧縮エアの充填によりクッション部64を加圧するエアバッグ部65,エアバッグ部65の外周部を覆うカバー部66を備えて構成されている。尚、カフ部11では、カバー部66の一部(下半分)が前腕支持部61を構成している。
尚、このようなマイクロフォン67の代わりに圧力センサを用いて脈圧を検知するようにしても良い。
上記ウォータバッグ68の内部は水が充填されているだけであるので、超音波測定時にノイズを生じせしめる等の悪影響を及ぼすことはなく、このウォータバッグ68を被測定者の上腕Au表面とエコープローブ31の平坦な超音波発射面31fとの間に介在させることで、両者の表面形状が相違する場合でも、より安定した測定を行うことができるのである。
尚、かかるウォータバッグ68を介在させることにより、被測定者の測定対象部位(本実施形態では上腕部Au)とエコープローブ31とが直接に接触することは無くなるので、被測定者が変わる毎にエコープローブ31を洗浄消毒する必要はなく、衛生維持の観点からも好都合である。
図7において破線で囲まれた領域で示されるように、エコープローブ31は、上腕支持部62への取付の基準位置を中心にして一定範囲の領域69で取付位置および取付方位を調節できるように構成されている。
エコープローブ31の取付位置および取付方位を上述のように調節可能とすることにより、エコープローブ31を最適の位置および方位にセットすることができ、より正確な測定をより容易に行うことができるようになる。
また、この場合、ディスプレイ画面51を2画面に切換可能とし、一方の画面には、測定や阻血の残り時間などの測定情報を表示させるようにしても良い。
また、測定結果を外部のパーソナルコンピュータやメモリ装置あるいはMD,CD,DVDなどの記録媒体のプレーヤに送信して記録させることも可能である。
特に、初期動脈硬化に対して、ワインのポリフェノール効果やビタミンC又はビタミンEなどの抗酸化作用をある程度の期間内で知りたい場合などには、非常に手軽で有効である。
この第2の具体例に係る血管径測定装置M2は、第1具体例における装置M1と同様の計測演算ユニットUmを備え、固定保持ユニットUH2についても、カフ部11が上下二分割構造である点を除いては同様である。
この第2具体例に係る血管径測定装置M2によれば、カフ部11が一体であった具体例1の装置M1に比して、被測定者の前腕部Afを固定支持ユニットUH2に固定する際の固定作業が容易に行える。
この上側カバー77は、上記筒状部77cの挿通孔に上記枢支軸76sを挿通させることで前腕支持部76に組み付けられ、枢支軸76sを中心にして開閉可能に支持される。
この第3具体例に係る血管径測定装置M3によれば、カフ部11が一体であった具体例1の装置M1に比して、被測定者の前腕部Afを固定支持ユニットUH3に固定する際の固定作業が容易に行える。
まず、被測定者の前腕部Afを腕部加圧機構10のカフ部11に固定保持し、装置の電源をONする(図17:ステップ#1,#2)。または、自動で電源がONされる。そして、所定期間(例えば、15分程度以上)安静に保つ。この安静期間の初期に、被測定者の上腕部Auに対するエコープローブ31をセットしておく(ステップ#3)。このエコープローブ31のセットを行う際には、より好ましくは、エコープローブ31の位置及び/又は取付方位を調節し(例えば、図7に示す調節可能領域69の範囲内で調節し)、血管Bv(上腕動脈)の直径を測定する上での最適の測定位置を検索して、最終的な位置及び/又は取付方位の設定(セット)が行われる。
この阻血期間が経過すると、その時点でカフ部11内の加圧エアが急速に排気され急速減圧が行われる。これにより、阻血されていた血管内に急速に血液が流れるようになり充血が始まる(充血反応開始:ステップ#10)。この充血反応期間が開始された後、所定時間(例えば、約45秒間)が経過し血管拡張反応が生じた時点で、撮像機構30を作動させ、充血時の拡張した血管Bvのエコー画像を撮像し、これを制御演算機構40の記憶装置に記憶させる(ステップ#11)。この充血期の撮像は、例えば約15秒間の時間内に行われる。
以上の測定で得られた安静時のエコー画像と充血時のエコー画像に基づいて、制御演算機構40により安静時および充血時の上腕動脈Bvの血管径がそれぞれ演算され、これらの血管径の演算値から%FMDが算出される。これら血管径および%FMDの演算値は何れも、制御演算機構40の記憶装置に記憶される。
この結果、被測定者の心拍動を心電計で別途に計測して同期を取るという作業を行う必要なしに、従って、大掛かりで複雑な装置を要することなく、血管Bvの拡張期や収縮期を検出することができるようになり、また、測定作業に高い熟練度を求められることもない。
本実施形態では、保存されたエコー画像(フレーム画像)上の血管Bvの直径に近似したサイズのテンプレートを用意しておき、上記所定フレーム数(例えば60フレーム)の画像データの各々を、上記テンプレートを基準として相対比較することにより、上記血管Bvの拡張期や収縮期を検出するようにした。
上記テンプレートTP1は、例えばマウス等の操作手段を用いてディスプレイ画面51上で移動操作することができる。
この自動検出方法で用いられるテンプレートTP2は、図19に示すように、上記マニュアル検出用のテンプレートTP1が備えた3本の線分S1,S2,S3と同様の線分を備えるとともに、一対の平行な線分(横ライン)S1,S2に矩形状のテンプレートT1,T2をそれぞれ付設して構成されている。
図20に示すように、画像フレーム層では、被測定者の心拍動による血管の拡張期と収縮期とが一連のフレーム画像F(F1,…,Fm,…,Fn)として表示されており、その中で最大拡張期のフレームを検出すれば良い。
また、横ラインS1,S2に付設された矩形フレームT1,T2は、横ラインS1,S2を基準として±dH方向はエコー深さ方向を表わし、縦ラインS3を基準として±dL方向は腕の幅方向を表わしている。
このLf値を全フレームF(F1,…,Fm,…,Fn)について求め、Lf値が最大となる画像フレームを自動で抽出することで、最大拡張期のフレームを自動検出することができるのである。
このように、所定数(例えば60−120フレーム)の各フレーム画像Fの輝度情報に基づいて、血管Bvの拡張期や収縮期を自動検出することにより、血管の拡張期や収縮期をより迅速に検出することができ、また、検出作業を大幅に省力化できる。
このため、本実施形態では、x−y座標系で表示された血管Bvのエコー画像を極座標系に変換して表示し、当該極座標表示のエコー画像に基づいて測定対象の血管Bvのエッジを検出することで、血管エッジの検出および血管径の計測をより容易かつ正確に行えるようにしている。
この極座標表示を用いた場合、例えば、x−y座標系で図24に示されるような曲線C1及び外枠線G1は、点P1を原点とする極座標系に変換することにより、図25に示すような曲線C2及び曲線G2で表わされる。
このように、円の中心P1から若干外れた点P2を原点として極座標変換した場合でも、得られた曲線J3と基準線Ljとの距離Rの平均値を取ることで、円の中心P1から外れた点P2を原点としたことによる直線の歪みを相殺し、精度低下を補うことができる。
このような極座標表示の例を図29に示す。この図29では、上記血管像Ebのエッジラインが直線が歪んで形成された曲線Jとして表示され、画像フレームの外枠線が曲線Kで表示されている。
極座標変換を行う際の原点が血管の実際の中心からある程度ずれている場合や、エコー画像上の血管エッジに歪みや変形がある場合には、極座標表示では直線の歪みや変形として表れることになるが、当該極座標表示のエコー画像上で検出した血管エッジの検出データに基づいて血管Bvの平均直径を求めることにより、直線の歪みや変形が相殺されることになり、より正確な血管径をより容易に求めることができる。
これにより、血管像Ebの血管壁面部のうち、反射エコーが比較的得られ易く血管エッジが比較的明瞭に検出できる領域(エコー発射側に対して実質的に最も近位および遠位の領域Eb1及びEb2:極座標表示で0度および180度の領域)と、反射エコーが比較的得られ難く血管エッジの誤検出が生じ易い領域(エコー発射方向に直交する方向の両端領域Eb3,Eb4:極座標表示で90度および270度の領域)とを、極座標表示において予め容易に認識できる。従って、血管エッジの検出を行うに際しては、誤検出が生じ易い上記領域Eb3,Eb4について特段の注意を払うことなどにより、検出精度の向上に資することができる。
この場合、血管画像Ebのエッジと円形テンプレートTP3とをより精度良く重ね合わせる上で、円形テンプレートTP3の直径は、測定対象の血管画像Ebの直径にできるだけ近似していることが好まし、また、この血管画像Ebの直径よりも若干大きいことが更に好ましい。
このように、x−y座標系で表示されたエコー画像上の血管エッジに略対応する円形テンプレートTP4の直径を可変とした場合には、該テンプレートTP4がエコー画像上の血管エッジにより精度良く重なり合うようにテンプレートTP4の直径を調整でき、血管中心をより精度良く仮想することができる。
すなわち、図23に示されるように、r=√(dx・dx+dy・dy)で求められるr方向に沿って輝度値を検出し、これを角度θに沿って1回転分処理することで、例えば図28に示されるようなx−y座標表示の血管画像Ebが、図29に示されるように極座標表示Jに変換される。
図33は、血管像Ebの外膜エッジの自動認識を説明するための線図である。この図において縦軸は輝度を表わし、横軸には極座標変換の原点Pe(x−y座標表示での血管像の仮想中心)からの距離が示されている。
こうして直径の平均値を求めた後、より好ましくは、上記極座標展開図を元のx−y座標系に逆変換し、この逆変換して得られた画像を元のx−y座標表示の血管画像と対比する。
こうして認識した血管エッジに基づいて血管径の平均値を算出し、任意の時点における平均血管径として認識するようになっている(ステップ#30)。
以上のような血管径の測定が、血管径の収縮期および拡張期のそれぞれについて、所定のタイミング及び/又は所定の時間間隔で繰り返して行われる。
これにより、血管の拡張期や収縮期をより迅速に検出することができ、また、検出作業を省力化することもできる。
ここに、充血反応時間60秒に対応する拡張血管径の推定値を用いるのは、充血反応期間中における血管の拡張は、通常、充血反応が開始されて遅くとも60秒後には拡張作用が飽和するからである。
また、以上の実施態様は、上腕動脈の血管径を測定する場合を例としたものであったが、本発明に係る方法および装置は、かかる場合に限定されるものではなく、例えば、同じ上腕でもとう骨動脈など他の血管の直径を測定する場合、更には、腕ではなく脚部など他の部位の血管の直径を測定する場合などにも、有効に適用し得るものである。
11…カフ部
12…カフ圧制御部
13…脈圧計測部
14…ベース部
20…プローブ固定機構
21…アタッチメント
27…プローブ固定具
28,68…ウォータバッグ
30…撮像機構
31…エコープローブ
31f…超音波発射部
32…エコー画像処理装置
40…制御演算機構
41…カフ圧設定部
42…脈波演算部
43…血管径演算部
44…判定部
45…表示処理部
50…表示機構
51…モニタ表示部
52…プリンタ
Af…上腕部
Au…前腕部
Bv…血管
Eb…血管画像
F,F1,F2,Fm,Fn…画像フレーム
Lb…血管の中心線
Ms,M1,M2,M3…血管径測定装置
TP1,TP2,TP3,TP4…テンプレート
UH1,UH2,UH3…固定保持ユニット
Um…計測制御ユニット
Claims (8)
- 被測定者の腕部における第1部位にカフ圧を加えて所定時間だけ阻血した後に上記カフ圧を解放し、カフ圧を加える前とカフ圧解放後の所定タイミングで、上記被測定者の腕部における第2部位を流れる所定の血管のエコー画像を撮像し、当該エコー画像に基づいて上記血管の直径を測定する血管径測定方法において、
上記カフ圧を上昇させながら上記被測定者の脈圧を検出し、脈圧消失が生じた時点でのカフ圧を上記被測定者の最高血圧として検出し、
この最高血圧の検出に引き続いてカフ圧を更に所定値だけ上昇させることにより、カフ圧を上記被測定者の最高血圧に基づいた阻血カフ圧に設定する、
ことを特徴とするエコーを用いた血管径測定方法。 - 請求項1記載の血管径測定方法において、
上記カフ圧を上昇させながら、上記被測定者の最高血圧の検出に先立って、上記被測定者の最低血圧を検出することを特徴とするエコーを用いた血管径測定方法。 - 請求項1又は2に記載の血管径測定方法において、
上記第1部位は前腕部であり、上記第2部位は上腕部であることを特徴とするエコーを用いた血管径測定方法。 - 被測定者の所定の血管のエコー画像を撮像する撮像手段と、
該撮像手段で得られた上記エコー画像に基づいて上記血管の直径を演算し得る演算手段と、
被測定者の腕部における第1部位にカフ圧を加えて阻血し得る阻血手段と、
上記第1部位にカフ圧を加えて所定時間だけ阻血した後に上記カフ圧を解放するようにカフ圧を制御するカフ圧制御手段と、
上記撮像手段のエコープローブを被測定者の腕部における第2部位に固定する固定手段と、
上記第1部位にカフ圧を加える前とカフ圧解放後の所定タイミングで、上記第2部位を流れる所定の血管のエコー画像を撮像するように上記撮像手段を制御する撮像制御手段と、
上記カフ圧を上昇させながら上記被測定者の脈圧を検出し、脈圧消失が生じた時点でのカフ圧を上記被測定者の最高血圧として検出する脈圧検出手段と、
この最高血圧の検出に引き続いてカフ圧を更に所定値だけ上昇させることにより、カフ圧を上記被測定者の最高血圧に基づいた阻血カフ圧に設定する阻血カフ圧設定手段と、
を備えたことを特徴とするエコーを用いた血管径測定装置。 - 請求項4記載の血管径測定装置において、
上記脈圧検出手段は、上記カフ圧を上昇させながら、上記被測定者の最高血圧の検出に先立って、上記被測定者の最低血圧を検出することを特徴とするエコーを用いた血管径測定装置。 - 請求項4又は5に記載の血管径測定装置において、
上記演算手段は、上記カフ圧を加える前のエコー画像とカフ圧解放後のエコー画像とに基づいて、血流依存性血管拡張反応による血管径の拡張度を演算し、
上記演算手段には、上記血管径の拡張度を時系列で表示し得る演算結果表示手段が接続されている、
ことを特徴とするエコーを用いた血管径測定装置。 - 請求項4〜6の何れか一に記載の血管径測定装置において、
上記第1部位は前腕部であり、上記第2部位は上腕部であることを特徴とするエコーを用いた血管径測定装置。 - 請求項4〜7の何れか一に記載の血管径測定装置において、
上記エコープローブの固定状態を上記血管が流れる方向と該血管の周方向とについて調整し得る調整手段を更に備えたことを特徴とするエコーを用いた血管径測定装置。
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