JP4751089B2 - Blood rheology measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、生体中を循環する体液の測定装置にかかわり、特に血液の状態を把握し健康の評価、疾患の診断、薬品の効果の評価等を行う技術に関する。 The present invention relates to an apparatus for measuring body fluid circulating in a living body, and more particularly to a technique for grasping the state of blood and evaluating health, diagnosing diseases, evaluating drug effects, and the like.
人体の健康状態を判断する検査項目のひとつとして、血液の流動性に着目した血液レオロジー測定が注目されている。血液レオロジーを測定する手段として、被験者より採血した一定量の血液が微小流路(マイクロチャネル)を通過する時間を計測する装置(製品名MC−FAN)が開発されている(非特許文献1参照。)。現在においては、MC−FAN装置は、血液レオロジー測定における標準機とされている。 As one of the examination items for judging the health condition of the human body, blood rheology measurement focusing on blood fluidity has attracted attention. As a means for measuring blood rheology, an apparatus (product name MC-FAN) for measuring the time required for a certain amount of blood collected from a subject to pass through a microchannel (microchannel) has been developed (see Non-Patent Document 1). .) At present, the MC-FAN apparatus is a standard machine in blood rheology measurement.
しかし、MC−FAN装置による測定においては上記のように必ず採血を行う必要があり、測定が行えるのは医療機関に限られ、いつでもだれでもが手軽に健康状態を検査する目的には極めて不都合が大きい。また、採血は被験者に対する肉体的および心理的な負担も大きく、1日あたりに計測できる回数もせいぜい数回まででしかないため、時系列的に連続したデータが得られないという問題がある。血液レオロジーと生体内の血流速度は強い相関があると考えられる。すなわち、血液の粘性が高い場合、血流速度は遅く、粘性が低い場合は血流速度が速いと考えられる。そのため、生体内の血流速度を計測することで、間接的に血液レオロジーを知ることが可能となる。
血管内の血流速度をから血液レオロジーの指標を算出するためには、特許文献1に記載されているように、血流速度の計測以外に、カフを用いて生体の血圧を測定する必要があった。この血圧値と血流速度をもちいて血液レオロジーすなわち、血液の運動粘性率の指標を算出する方式は、対象とする動脈内部の血流圧力を血圧値で近似するとうい概念を基にしている方式である(特許文献1参照。)。
In order to calculate the blood rheology index from the blood flow velocity in the blood vessel, it is necessary to measure the blood pressure of the living body using a cuff in addition to the blood flow velocity measurement as described in
しかしながら、血圧値と血流速度をもちいて血液レオロジーすなわち、血液の運動粘性率の指標を算出する方式は、動脈内部の血流圧力を血圧値で近似している事が原因で、計測誤差が大きいという問題があった。さらには、血圧測定のための機構及び煩雑さ等の観点から、手首や指先等の部位で血液レオロジーを測定するために必要不可欠な装置の小型化が困難であるという問題もあった。 However, the method of calculating blood rheology, that is, the index of blood kinematic viscosity using the blood pressure value and blood flow velocity, approximates the blood pressure inside the artery with the blood pressure value, resulting in measurement errors. There was a problem of being big. Furthermore, from the viewpoint of blood pressure measurement mechanism and complexity, there is also a problem that it is difficult to downsize an apparatus indispensable for measuring blood rheology at a site such as a wrist or a fingertip.
そこで本願発明の目的は、手首や指先等の部位で測定可能かつ血圧測定を必要としない簡便、高精度及び小型の血液レオロジー測定装置及び測定方法を提供する事である。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a simple, high-precision and small-sized blood rheology measuring apparatus and measuring method that can be measured at a site such as a wrist or a fingertip and does not require blood pressure measurement.
上記課題を解決するために、本発明に係る血液レオロジー測定装置は、生体の心拍に同期して周期的に拍動する動脈血流情報から脈波位相速度を検出する手段と、該脈波位相速度より血液レオロジーの指標を演算する演算手段とからなる事を特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, a blood rheology measurement device according to the present invention includes a means for detecting a pulse wave phase velocity from arterial blood flow information periodically pulsating in synchronization with a heartbeat of a living body, and the pulse wave phase. It is characterized by comprising computing means for computing blood rheological indices from speed.
図12は、本発明の効果を示す特性図であって、本発明に係る血液レオロジー装置にて測定した血液レオロジーの指標値μとMC−FANを用いた採血方式による血液レオロジーの指標である全血通過時間Tの相関を示している。縦軸はμ値を示しており、図12を見て縦軸の原点に近いほうがμ値は小さく、上方に行くほどβ値は大きな値となる。詳細については後述するが、μ値が小さいということは血液の粘性率が大きいということを意味している。
一方、横軸は全血通過時間Tを示しており、図8を見て縦軸の原点に近いほうがTの値は小さく、上方に行くほどTは大きな値となる。すなわち、全血通過時間Tの値が小さいということは、測定している血液がさらさらの血液であることを意味し、すなわち、μ値が大きな値となる。一方、全血通過時間Tの値が大きいということは、測定している血液が粘性率の高いどろどろの血液であることを意味している。すなわち、粘性率が高いということはμ値が小さいということであり、これらの関係を考慮して図12を見た場合、μ値と全血通過時間Tとは有意な相関を有しているとみなすことが可能である。
従って、この図12からわかる通り、本発明に係る血液レオロジー測定装置は、血圧測定を必要せずに精度よく手首や指先で血液レオロジーを測定する事が可能となるので、簡便、高精度及び小型の血液レオロジー測定装置が供給でき、その結果、被験者から採血を行うことなく、専門家以外の誰でも手軽に正確なレオロジーを調べることができ、健康状態の確認に利用することができるようになる。
FIG. 12 is a characteristic diagram showing the effect of the present invention, and is an index of blood rheology by a blood collection method using the blood rheology index value μ and MC-FAN measured by the blood rheology apparatus according to the present invention. The correlation of blood transit time T is shown. The vertical axis indicates the μ value, and the μ value is smaller near the origin of the vertical axis as seen in FIG. 12, and the β value increases as it goes upward. Although details will be described later, a small μ value means that the viscosity of blood is large.
On the other hand, the horizontal axis indicates the whole blood passage time T. The value of T is smaller near the origin of the vertical axis as viewed in FIG. 8, and the value T increases as it goes upward. That is, a small value of the whole blood passage time T means that the blood being measured is a smooth blood, that is, the μ value is a large value. On the other hand, a large value of the whole blood passage time T means that the blood being measured is muddy blood with a high viscosity. That is, a high viscosity means that the μ value is small, and when these relationships are taken into consideration and FIG. 12 is viewed, the μ value and the whole blood passage time T have a significant correlation. Can be considered.
Accordingly, as can be seen from FIG. 12, the blood rheology measuring apparatus according to the present invention can accurately measure blood rheology with the wrist or fingertip without the need for blood pressure measurement. Blood rheology measurement device can be supplied, and as a result, it is possible for anyone other than an expert to easily check the accurate rheology without collecting blood from the subject, and to use it for health status confirmation. .
(実施の形態1)
図1に、本発明に係る実施例を説明するためのブロック図を示す。図1は血流速度による超音波ドップラー信号から脈波位相速度を検出するためのブロック図である。
センサ部は、二つのセンサ部からなっている。これら二つのセンサ部は双方共に超音波センサであって、超音波センサ1と超音波センサ4より構成されている。これら二つの超音波センサは同一動脈の特定の距離を隔てた異なる二ヶ所の部位に対して、超音波の発信と該二ヶ所の部位において生じるドップラー信号を伴った反射超音波を受信する機能を備えている。
超音波センサ1は発信素子2と受信素子3、超音波センサ4は発信素子5と受信素子6から構成されており、発信素子2及び発信素子5は超音波発振回路7と接続されている。この発信素子2及び発信素子5は超音波発振回路7にて発生する電気振動を機械的超音波に変換して、生体内に超音波を発信する。
発信素子2より生体内に発信した超音波は対象動脈の第一の部位における血流に対してドップラー信号を伴って反射する。このドップラー信号を伴った反射超音波は受信素子3で電気信号に変換された後、第一受信検波回路8に入力される。この第一受信検波回路8で第一の部位におけるドップラー信号が検波される。また、発信素子5より体内に発信した超音波は対象動脈の第二の部位における血流に対してドップラー信号を伴って反射する。このドップラー信号を伴った反射超音波は受信素子6にて電気信号に変換された後、第二受信検波回路9に入力される。この第二受信検波回路9で第二の部位におけるドップラー信号が検波される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram for explaining an embodiment according to the present invention. FIG. 1 is a block diagram for detecting a pulse wave phase velocity from an ultrasonic Doppler signal based on a blood flow velocity.
The sensor unit is composed of two sensor units. Both of these two sensor units are ultrasonic sensors, and are composed of an
The
The ultrasonic wave transmitted from the transmitting
第一受信検波回路8及び第二受信検波回路9にて検波された第一の部位のドップラー信号と第二の部位のドップラー信号は、生体心拍と同期した周期的時間変化を伴う血流速度の信号成分を含んでいる。これらのドップラー信号から血流速度を分離抽出するための装置が血流速度演算処理装置である。すなわち第一の部位のドップラー信号から第一の部位の血流速度信号成分を抽出するための演算処理装置が第一血流速度演算処理装置10であり、第二の部位のドップラー信号から第二の部位の血流速度信号成分を抽出するための演算処理装置が第二血流速度演算処理装置11である。これら二種類の血流速度演算処理装置から出力された二種類の血流速度信号は本発明に係るレオロジー演算処理部12に入力される。このレオロジー演算処理部12は、脈波位相速度演算処理部13、レオロジー指標演算処理部14より構成されている。このレオロジー演算処理装置14にて検出されたレオロジー指標が出力装置15にて出力される。
(実施の形態2)
図2に本発明に係る第二の実施例を説明するためのブロック図を示す。図2は容積脈波より脈波位相速度を検出するためのブロック図である。センサ部は、二つのセンサ部からなっている。これら二つのセンサ部は双方共に光センサであって、光センサ16と光センサ19より構成されている。これら二つの光センサは同一動脈の特定の距離を隔てた異なる二ヶ所の部位に対する光の照射と該二ヶ所の部位における容積脈波変化に起因する減衰光を受光する機能を備えている。
光センサ16は対象動脈の第一の部位における容積脈波を測定するためのセンサであり、発光素子17と受光素子18より構成されている。光センサ19は該動脈の第二の部位における容積脈波を測定するためのセンサであり、発行素子20と受光素子21から構成されている。発光素子17及び発光素子20は発光回路22と接続されている。この発光素子17及び発光素子20は、生体内に光を照射する。この照射された光量は動脈内の容積脈波に比例して減衰する。
発光素子17より照射された光は動脈内の第一の部位における容積脈波に比例した減衰光として受光素子18で受光され、電気信号に変換される。この電気信号は第一受光検波回路23に入力され、この第一受光検波回路23より第一の部位の容積脈波信号が出力される。同様に発光素子20より照射された光は、該動脈の第二の部位における容積脈波に比例した減衰光として受光素子21で受光され、電気信号に変換される。この電気信号は第二受光検波回路24に入力され、この第二受光検波回路24より第二の部位の容積脈波信号が出力される。
これら二種類の容積脈波信号は、図1と同様に、本発明に係るレオロジー演算処理部12に入力される。このレオロジー演算処理部12は、脈波位相速度演算処理部13、レオロジー指標演算処理部14より構成されている。このレオロジー演算処理部14にて検出されたレオロジー指標が出力装置15にて出力される。
(実施の形態3)
図3に、本発明に係る第三の実施例を説明するためのブロック図を示す。図3は動脈血流と同期運動する動脈から伝搬した生体表面の運動変位から脈波位相速度を検出するためのブロック図である。センサ部は、二つのセンサ部からなっている。これら二つのセンサ部は双方共に変位検出センサであって、変位検出素子25と変位検出素子26より構成されている。これら二つの変位検出素子は、拍動する動脈から伝搬する生体表面変位を特定の距離を隔てた異なる二ヶ所の生体表面部位で検出する機能を備えている。
変位検出素子25は生体表面の第一の部位における変位を測定するための素子であり、変位検出素子26は該生体表面の第二の部位における変位を測定するための素子である。これら二個の変位検出素子はそれぞれ第一駆動検出回路27及び第二駆動検出回路28に接続されている。生体表面の第一の部位における変位信号は第一駆動検出回路27、第二の部位における変位信号は第二駆動検出回路28より出力され、図1、図2と同じく本発明に係るレオロジー演算処理部12に入力される。このレオロジー演算処理部12は、脈波位相速度演算処理部13、レオロジー指標演算処理部14より構成されている。このレオロジー演算処理装置14にて検出されたレオロジー指標が出力装置15にて出力される。
本発明に係るレオロジー指標演算処理装置12でおこなわれる演算処理の理論的背景を以下で説明する。図4は、心拍に同期して拍動する動脈の模式図であって、動脈29における圧力分布30によって、血流は動脈の軸方向であるZ軸方向と半径方向に血流速度分布31を生じる。この圧力分布30が血圧値と相関する事はいうまでもない。さらに、動脈壁32が弾性を持っているために、動脈壁32はZ軸方向と半径方向に振動変位を起こす。この振動変位が図中の脈波変位33である。さらに、この脈波変位33は拍動にともなってZ軸方向に波動として、動脈壁32を伝搬する。この波動が脈波34である。さらにこの脈波変位33は生体内部組織35を伝搬し、生体表面36で生体表面変位37を誘導する。この生体表面変位37は、動脈の脈波34と平行に生体表面上を波動として伝搬する。この波動が生体表面波動38である。
以上のモデルにおいて、圧力分布、血流速度分布及び脈波変位は流体力学におけるナビエ・ストークスの方程式および動脈壁の力学的運動方程式を用いて解析的に求める事が可能である。すなわち、心拍の角振動数をω、脈波34の位相速度をCとすると、任意の時刻t、任意のZ軸位置座標z及び任意の半径方向位置座標rにおける動脈の圧力分布30をP、血流速度分布31の軸方向速度成分をV、動脈の脈波34の動脈半径方向変位ξ、及びZ軸方向変位ηは、血液密度、血液運動粘性率、動脈内径、動脈壁厚、動脈ヤング率及び動脈ポアソン比をそれぞれρ、ν、R、h、E及びσとして、以下の(1)〜(4)式にて決定される
The Doppler signal of the first part and the Doppler signal of the second part detected by the first
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a block diagram for explaining a second embodiment according to the present invention. FIG. 2 is a block diagram for detecting the pulse wave phase velocity from the volume pulse wave. The sensor unit is composed of two sensor units. These two sensor parts are both optical sensors, and are composed of an
The
The light emitted from the
These two types of plethysmogram signals are input to the rheology
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a block diagram for explaining a third embodiment according to the present invention. FIG. 3 is a block diagram for detecting the pulse wave phase velocity from the movement displacement of the living body surface propagated from the artery that moves in synchronism with the arterial blood flow. The sensor unit is composed of two sensor units. These two sensor parts are both displacement detection sensors, and are composed of a
The
The theoretical background of the arithmetic processing performed by the rheology index
In the above model, the pressure distribution, the blood flow velocity distribution, and the pulse wave displacement can be analytically determined using the Navier-Stokes equation in fluid dynamics and the dynamic equation of motion of the arterial wall. That is, assuming that the angular frequency of the heartbeat is ω and the phase velocity of the pulse wave 34 is C, the pressure distribution 30 of the artery at any time t, any Z-axis position coordinate z and any radial position coordinate r is P, The axial velocity component of the blood flow velocity distribution 31 is V, the arterial radial displacement ξ and the Z axial displacement η of the arterial pulse wave 34 are blood density, blood kinematic viscosity, arterial inner diameter, arterial wall thickness, arterial young. The rate and arterial Poisson's ratio are determined by the following equations (1) to (4), with ρ, ν, R, h, E, and σ, respectively.
さらに容積脈波の変化量Sは、図4記載の動脈29の断面積の変化量として定義できるが、通常、動脈半径Rに比較して、拍動変位量ξは十分小さいので、以下の(5)式で十分に近似できる Further, the change amount S of the volume pulse wave can be defined as the change amount of the cross-sectional area of the artery 29 shown in FIG. 4, but since the pulsatile displacement amount ξ is usually sufficiently smaller than the artery radius R, the following ( 5) Can be approximated by equation
ここで、(1)式におけるPo、Pmはそれぞれ心拍に同期して周期変化する動脈圧力分布の一定圧力項と振幅項である。(1)、(2)式におけるJoは0次のベッセル関数である。また、(2)〜(5)式において、無次元関数F、Φは動脈壁の密度ρo、血液密度ρ、動脈内径R、動脈壁厚hより定義された無次元パラメータγをもちいて次式で与えられる。 Here, Po and Pm in the equation (1) are a constant pressure term and an amplitude term of the arterial pressure distribution that periodically change in synchronization with the heartbeat. Jo in the equations (1) and (2) is a 0th order Bessel function. In the equations (2) to (5), the dimensionless functions F and Φ are expressed by the following equations using dimensionless parameters γ defined by the artery wall density ρo, blood density ρ, artery inner diameter R, and artery wall thickness h. Given in.
ここで無次元パラメータγは、 Where the dimensionless parameter γ is
であり、(7)式中のΓはガンマ関数である。また、(6)、(7)式を定義する変数αは、血液の運動粘性率ν、心拍角周波数及び動脈内径Rを用いて次式で定義されている。 In the equation (7), Γ is a gamma function. Further, the variable α defining the equations (6) and (7) is defined by the following equation using the kinematic viscosity ν of blood, the heartbeat angular frequency, and the artery inner diameter R.
以上の解析結果より、血流速度V、容積脈波S及び脈波変位ξ、ηはすべて、動脈内圧の振幅Pmに比例すると同時に心拍角周波数、脈波位相速度Cで決定される同一の進行波成分、すなわち From the above analysis results, the blood flow velocity V, the volume pulse wave S, and the pulse wave displacements ξ and η are all proportional to the amplitude Pm of the arterial pressure and at the same time determined by the heartbeat angular frequency and the pulse wave phase velocity C. Wave component, ie
を持っている事が判明する。同様に図4における生体表面波動38においてもその振幅成分に関する詳細な理論式は与える事は困難であるが動脈内圧の振幅Pmに比例すると共に(10)式で与えられる進行波成分Ψ(t、z)を持っている。 It turns out that it has. Similarly, in the biological surface wave 38 in FIG. 4, it is difficult to give a detailed theoretical expression related to the amplitude component, but it is proportional to the amplitude Pm of the arterial pressure and the traveling wave component Ψ (t, z).
この脈波位相速度Cは、拍動粘性流と動脈の振動が動脈壁において満足する力学的境界条件から決定される。すなわち、脈波位相速度Cは、 The pulse wave phase velocity C is determined from a mechanical boundary condition in which the pulsating viscous flow and the vibration of the artery are satisfied in the artery wall. That is, the pulse wave phase velocity C is
で決定される。ここで、関数Φは(6)、(7)で定義された無次元関数である。この脈波位相速度Cは、動脈内圧の振幅項Pmには無関係に決定される特徴を持っている。さらに無次元関数Φは(9)式で定義された血液の運動粘性率νを含んだパラメータαの関数であるので、この脈波位相速度Cは血液の運動粘性率νの関数とみなせる事が判明する。また、(11)式において、血液の運動粘性率νが0のときの脈波位相速度Coは、 Determined by Here, the function Φ is a dimensionless function defined in (6) and (7). This pulse wave phase velocity C has a characteristic that is determined independently of the amplitude term Pm of the intra-arterial pressure. Further, since the dimensionless function Φ is a function of the parameter α including the kinematic viscosity ν of blood defined by the equation (9), the pulse wave phase velocity C can be regarded as a function of the kinematic viscosity ν of blood. Prove. In the equation (11), the pulse wave phase velocity Co when the kinematic viscosity ν of blood is 0 is
であるので、規格化位相速度Cmを次式で定義する。 Therefore, the normalized phase velocity Cm is defined by the following equation.
図5は、(13)式で定義された規格化位相速度と(9)式で定義されたαとの関係を示した特性図であって、縦軸は規格化位相速度Cm、横軸はαである。規格化位相速度Cmはαと一価の関数関係にあり、その関数形状は特性曲線39となる事が判明する。この特性曲線39は、生体組織での代表的なσ、γの値
σ=0.5 γ=0.1〜0.5
では大きな変化がなく、ほぼαの値の変化で決定される事が判明した。動脈内半径Rがほぼ一定とみなせる測定範囲では、このαは、(9)式で定義されているように、動脈内の圧力Pに無関係に、心拍角周波数ω、血液の運動粘性率ν及び動脈内半径Rで決定される。すなわち、図5記載の特性曲線39と脈波位相速度Cまたは規格化位相速度Cmを用いて、αの値を算出すれば、血圧を測定せずに血液の運動粘性率νが検出できることになる。すなわち、本発明に係る血液レオロジーの測定方法の根幹部分は、(10)式で与えられる進行波成分Ψ(t、z)から動脈内圧に無関係な物理量である脈波位相速度を測定する事であり、演算処理の根幹部分は、前記脈波位相速度を演算処理してαを算出する事にある。ちなみに、(12)式で与えられるCoの値は、人種、性別、年齢、及び測定対象となる動脈部位によって変化するが、本発明に係る血液レオロジー装置を使用する対象者を想定してあらかじめ、複数の数値を演算処理部に内蔵し、対象者にあわせて設定する方式を採用すればなんら問題ない。以上が本発明に係る演算処理の理論的背景である。
以上のように、図5記載の特性曲線39を用いてαの値を決定すれば、血液の運動粘性率νを決定できる事になる。すなわち、脈波位相速度Cまたは規格化脈波位相速度Cmを血液レオロジーの指標とする事にほかならない。
以下で、具体的な本発明に係る血液レオロジーの指標に関する演算処理方法について説明する。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the normalized phase velocity defined by equation (13) and α defined by equation (9). The vertical axis represents the normalized phase velocity Cm, and the horizontal axis represents α. It is found that the normalized phase velocity Cm has a monovalent function relationship with α, and the function shape is a characteristic curve 39. This characteristic curve 39 shows typical values of σ and γ in living tissue.
σ = 0.5 γ = 0.1-0.5
It turned out that there was no big change, and it was decided by the change of the value of α. In the measurement range in which the intra-arterial radius R can be regarded as substantially constant, this α is independent of the intra-arterial pressure P, as defined by the equation (9), and the heartbeat angular frequency ω, blood kinematic viscosity ν and It is determined by the radius R within the artery. That is, if the value of α is calculated using the characteristic curve 39 shown in FIG. 5 and the pulse wave phase velocity C or the normalized phase velocity Cm, the kinematic viscosity ν of blood can be detected without measuring blood pressure. . That is, the fundamental part of the blood rheology measurement method according to the present invention is to measure the pulse wave phase velocity, which is a physical quantity unrelated to the intra-arterial pressure, from the traveling wave component Ψ (t, z) given by the equation (10). There is a fundamental part of the calculation processing to calculate α by calculating the pulse wave phase velocity. Incidentally, the value of Co given by equation (12) varies depending on race, gender, age, and arterial site to be measured, but it is assumed in advance for a subject who uses the blood rheology device according to the present invention. There is no problem if a method of setting a plurality of numerical values in the arithmetic processing unit and setting them according to the target person is adopted. The above is the theoretical background of the arithmetic processing according to the present invention.
As described above, if the value of α is determined using the characteristic curve 39 shown in FIG. 5, the kinematic viscosity ν of blood can be determined. That is, the pulse wave phase velocity C or the normalized pulse wave phase velocity Cm is nothing but an index of blood rheology.
Hereinafter, a calculation processing method relating to a specific blood rheology index according to the present invention will be described.
(13)式で定義された規格化位相速度Cmを以下のように変換する。 The normalized phase velocity Cm defined by the equation (13) is converted as follows.
図6は、(14)式で定義されたβとαの関係を示した特性図であって、縦軸はα、横軸はβである。規格化位相速度Cmを(14)式を用いて新たな変数βに変数変換する事によって、図中の特性曲線40のように、血液レオロジーの指標であるαはβの三次曲線でほぼ近似できる事が判明する。つまり計測された脈波位相速度Cから規格化位相速度Cmを演算処理し、さらに(14)式をもちいてβ値を算出すると、α値は、以下に示すβの多項式として決定されるわけである。 FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between β and α defined by equation (14), where the vertical axis is α and the horizontal axis is β. By transforming the normalized phase velocity Cm into a new variable β using the equation (14), α, which is an indicator of blood rheology, can be approximately approximated by a cubic curve of β as in the characteristic curve 40 in the figure. Things turn out. That is, when the normalized phase velocity Cm is calculated from the measured pulse wave phase velocity C and the β value is calculated using the equation (14), the α value is determined as a polynomial of β shown below. is there.
ここで、(15)式中の多項式の係数an及び多項式の次数mは、実験的に求める数値である。さらにこれらの数値は本発明に係る血液レオロジー装置を使用する対象者の人種、性別、年齢さらには病歴等で変化する数値である。しかし複数の数値を演算処理部に内蔵し、対象者にあわせて設定する方式を採用すれば、なんら問題なく単なる設計的事項にすぎない。
(14)式で与えられたβ値と(15)式を用いてα値を決定し、心拍角周波数ωの平方根で除算する事で、心拍数の変化によるαの変化の影響を除外した血液レオロジーの指標μが導入される。すなわち、
Here, the coefficient an of the polynomial and the degree m of the polynomial in the equation (15) are numerical values obtained experimentally. Furthermore, these numerical values are numerical values that vary depending on the race, sex, age, medical history, etc. of the subject who uses the blood rheology apparatus according to the present invention. However, if a method in which a plurality of numerical values are built in the arithmetic processing unit and set according to the target person is adopted, it is merely a design matter without any problem.
The blood obtained by determining the α value using the β value given by the equation (14) and the equation (15), and dividing by the square root of the heartbeat angular frequency ω, thereby eliminating the influence of the α change due to the heart rate change. The rheological index μ is introduced. That is,
と演算処理を行う事で、より精度の高い血液レオロジーすなわち血液の運動粘性率νの検出が可能である。以上が本発明に係る血液レオロジーの指標の決定方法である。 Thus, it is possible to detect blood rheology with higher accuracy, that is, kinematic viscosity ν of blood. The above is the method for determining the blood rheology index according to the present invention.
次に、本発明に係る血液レオロジー装置のセンサ部の構造、脈波位相速度の決定方法及び図1記載のレオロジー演算処理部のアルゴリズムについて説明する。図7は、本発明に係る血液レオロジー測定装置において、生体表面より超音波を送受信して、動脈血流に対するドップラーシフトを伴った反射超音波から脈波位相速度を検出するためのセンサ構造を説明する概念図である。図において、二対のセンサ部すなわちセンサ部A41とセンサ部B42が同一の基板43に形成されている。センサ部A41には、発信素子A44と受信素子A45が形成されている。また、センサ部B42には発信素子B46と受信素子B47が形成されている。これらのセンサは生体表面48に装着されている。
発信素子A44より生体内部組織49を通過する入射超音波A50は動脈51の部位A52における動脈血流A53に反射し、ドップラーシフトを伴って反射超音波A54として受信素子A45にて電気的に変換される。また、発信素子B46より生体内部組織49を通過する入射超音波B55は動脈の部位B56における動脈血流B57に反射し、ドップラーシフトを伴って反射超音波B58として受信素子B47にて電気的に変換される。この時、動脈の部位A52と部位B56の距離が測定部位間距離59であり、基板43に構成されているセンサ部A41とセンサ部B42の間隔に等しい。
さらにこの測定部位間距離59はLである。また、これらセンサ部A41とセンサ部B42にて行われる超音波の送受信は同時に行われている。この図7は、超音波をもちいて動脈の血流速度を測定するための模式図であるが、光を生体内部に照射して、その減衰量値から脈波位相速度を検出するためのセンサ構造も概念的にはまったく同じである。すなわち、容積脈波測定の場合は、図7の記号において、発信素子が受光素子 受信素子が受光素子、超音波が光にそれぞれ置き換わり、血流対するドップラーシフトを伴った反射超音波が容積脈波変化に起因する減衰光に置き換わる事になる。
Next, the structure of the sensor unit of the blood rheology apparatus according to the present invention, the method for determining the pulse wave phase velocity, and the algorithm of the rheology calculation processing unit shown in FIG. 1 will be described. FIG. 7 illustrates a sensor structure for detecting a pulse wave phase velocity from reflected ultrasound accompanied by a Doppler shift with respect to arterial blood flow in the blood rheology measurement device according to the present invention by transmitting and receiving ultrasound from the living body surface. FIG. In the figure, two pairs of sensor parts, that is, sensor part A 41 and sensor part B 42 are formed on the same substrate 43. In the sensor part A41, a transmitting element A44 and a receiving element A45 are formed. In addition, a transmitting element B46 and a receiving element B47 are formed in the sensor unit B42. These sensors are mounted on the biological surface 48.
The incident ultrasonic wave A50 passing through the living body internal tissue 49 from the transmitting element A44 is reflected to the arterial blood flow A53 in the site A52 of the artery 51, and is electrically converted by the receiving element A45 as reflected ultrasonic wave A54 with Doppler shift. The Further, the incident ultrasonic wave B55 passing through the living body internal tissue 49 from the transmitting element B46 is reflected to the arterial blood flow B57 in the arterial part B56, and is electrically converted by the receiving element B47 as the reflected ultrasonic wave B58 with Doppler shift. Is done. At this time, the distance between the artery part A52 and the part B56 is the distance 59 between the measurement parts, which is equal to the distance between the sensor part A41 and the sensor part B42 formed on the substrate 43.
Further, the distance 59 between the measurement sites is L. In addition, transmission and reception of ultrasonic waves performed by the sensor unit A41 and the sensor unit B42 are performed simultaneously. FIG. 7 is a schematic diagram for measuring the blood flow velocity of an artery using ultrasonic waves. A sensor for irradiating light inside a living body and detecting a pulse wave phase velocity from the attenuation value. The structure is conceptually exactly the same. That is, in the case of volume pulse wave measurement, in the symbol of FIG. 7, the transmitting element is the light receiving element, the receiving element is the light receiving element, and the ultrasonic wave is replaced with light, and the reflected ultrasonic wave with the Doppler shift with respect to the blood flow is the volume pulse wave. It will replace the attenuated light due to the change.
図8は、本発明に係る血液レオロジー測定装置において、動脈血流と同期運動する動脈から伝搬した生体表面の運動変位から脈波位相速度を検出するためのセンサ構造を説明する概念図である。図において、二対の変位検出センサすなわちと変位検出素子A60と変位検出素子B61が同一の基板62に形成されている。これらのセンサは生体表面63に装着されている。生体内の動脈64の部位A65における動脈変位は伝搬波動A66、同様に動脈64の部位B67における動脈変位は伝搬波動B68として生体組織69を伝搬し生体表面63における生体表面波動70を形成する。この生体表面波動70を変位検出素子A60と変位検出素子B61にて検出する。このとき、部位A65と部位B67の距離が測定部位間距離71であり、基板62に構成されている変位検出素子A60と変位検出素子B61の間隔に等しい。さらにこの測定部位間距離71はLである。また変位検出素子A60と変位検出素子B61による生体表面波動の計測は同時に行われている。 FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating a sensor structure for detecting a pulse wave phase velocity from a motion displacement of a living body surface propagated from an artery that moves in synchronism with arterial blood flow in the blood rheology measurement device according to the present invention. In the figure, two pairs of displacement detection sensors, that is, a displacement detection element A 60 and a displacement detection element B 61 are formed on the same substrate 62. These sensors are attached to the living body surface 63. The arterial displacement at the part A65 of the artery 64 in the living body propagates through the living tissue 69 as the propagation wave A66, and similarly the arterial displacement at the part B67 of the artery 64 forms the living body surface wave 70 on the living body surface 63 as the propagation wave B68. This biological surface wave 70 is detected by the displacement detection element A60 and the displacement detection element B61. At this time, the distance between the part A65 and the part B67 is the distance 71 between the measurement parts, which is equal to the distance between the displacement detection element A60 and the displacement detection element B61 formed on the substrate 62. Further, the distance 71 between the measurement sites is L. In addition, the measurement of the biological surface wave by the displacement detection element A60 and the displacement detection element B61 is performed simultaneously.
図9は、図7で説明したセンサ構造にて検出されたドップラーシフトを伴った反射超音波信号から検出された動脈51の部位A52及び部位56における二種類の血流速度波形である。すなわち、部位A52における血流速度波形が血流速度波形A72であり、部位56における血流速度波形が血流速度波形B73である。縦軸は出力強度、横軸は時間である。両波形ともに心拍信号に同期して周期的変化を示している。図において血流速度波形A72及び血流速度波形B73は双方ともに時間間隔ΔTの範囲でN個のピーク値を持っている。
図10は、本発明に係るレオロジー演算処理部12の脈波位相速度演算処理部13における演算処理のフローチャートを示している。脈波位相速度演算処理13において、まずS1においてまず入力された血流速度波形A及び血流速度波形Bのピーク値とその出現時刻が計測される。その結果を表1にまとめて記す。
FIG. 9 shows two types of blood flow velocity waveforms in the part A52 and the part 56 of the artery 51 detected from the reflected ultrasonic signal accompanied by the Doppler shift detected by the sensor structure described in FIG. That is, the blood flow velocity waveform at the region A52 is the blood flow velocity waveform A72, and the blood flow velocity waveform at the region 56 is the blood flow velocity waveform B73. The vertical axis is output intensity, and the horizontal axis is time. Both waveforms show periodic changes in synchronization with the heartbeat signal. In the figure, the blood flow velocity waveform A72 and the blood flow velocity waveform B73 both have N peak values in the time interval ΔT.
FIG. 10 shows a flowchart of calculation processing in the pulse wave phase velocity
すなわち、血流速度波形Aのピーク値と出現時刻はそれぞれ、VA(1)〜VA(N)及びτA(1)〜τA(N)、血流速度波形Bのピーク値と出現時刻はそれぞれ、VB(1)〜VB(N)及びτB(1)〜τB(N)である。S2において、部位Aまたは部位Bにおけるピーク出現時刻の時間差より以下の(17)式を用いて心拍角周波数を算出する。 That is, the peak value and the appearance time of the blood flow velocity waveform A are V A (1) to V A (N) and τ A (1) to τ A (N), and the peak value and the appearance of the blood flow velocity waveform B, respectively. The times are V B (1) to V B (N) and τ B (1) to τ B (N), respectively. In S2, the heartbeat angular frequency is calculated using the following equation (17) from the time difference between the peak appearance times at site A or site B.
S3では、部位Aと部位Bのピーク出現時間より以下の(18)式を用いて、平均遅延時間差ΔτABを算出する。 In S3, the average delay time difference Δτ AB is calculated from the peak appearance times of the parts A and B using the following equation (18).
S4ではS3で算出された平均時間差ΔτABと図7と図8記載の測定部位間距離Lより、以下の(19)式を用いて脈波位相速度Cを算出する。 In S4, the pulse wave phase velocity C is calculated using the following equation (19) from the average time difference Δτ AB calculated in S3 and the distance L between the measurement sites shown in FIGS.
以上の演算処理が脈波位相速度演算処理部13にて行われている。
以上の演算処理は距離Lだけ異なる二点間で、(10)式で与えられた進行波成分Ψ(t、z)を計測し、その遅延時間差より進行波の位相速度を計測する事に他ならない。また、図9、図10及び表1は、超音波ドップラー効果を基にして血流速度波形より脈波位相速度算出を説明するための図表であるが、容積脈波波形及び生体表面波動より脈波位相速度を算出する場合でもまったく同じ演算処理式を使う事は言うまでもない。
図11は、本発明に係るレオロジー演算処理部12のレオロジー指標演算処理部14における演算処理のフローチャートの一例を示している。このレオロジー指標演算処理部14には、メモリ部74が設置されている。このメモリ部74には、本発明に係る血液レオロジー測定装置を使用する対象者の人種、性別、年齢等で変化する血液の運動粘性率νが0のときの脈波位相速度Coの値、及び図6記載の特性曲線40を決定する多項式関数f(x)の係数情報が内蔵されており、対象者にあわせて数値設定できる機能を持たせてある。図11において、まず、S5、S6にてC0値及び多項式関数f(x)が設定される。次にS7にて規格化位相速度Cmが(13)式に従って算出される。S8にて規格化位相速度Cmを(14)式に従ってβ値に変換する。さらにS9にてβ値を変数とした多項式関数値f(β)を算出する。この時、多項式関数値f(β)は(15)式で定義されている。そして最終的にS10で、この多項式関数値f(β)、心拍角周波数及び(16)式を用いてからレオロジー指標であるμ値を算出する。
The above calculation processing is performed in the pulse wave phase velocity
The above calculation process is to measure the traveling wave component Ψ (t, z) given by the equation (10) between two points different by the distance L, and to measure the traveling wave phase velocity from the delay time difference. Don't be. 9, 10 and Table 1 are diagrams for explaining the calculation of the pulse wave phase velocity from the blood flow velocity waveform based on the ultrasonic Doppler effect. Needless to say, even when calculating the wave phase velocity, the same processing formula is used.
FIG. 11 shows an example of a flowchart of calculation processing in the rheology index
生体の脈波位相速度を計測することで、本発明は、医療および健康維持・増進を目的とした血液レオロジーが検出可能となるばかりでなく、生体(人体)の活動状況と生体各部における血流状態の相関を知るための計測においても利用可能である。 By measuring the pulse wave phase velocity of a living body, the present invention can detect not only blood rheology for the purpose of medical care and health maintenance / promotion, but also the activity state of the living body (human body) and the blood flow in each part of the living body. It can also be used in measurement to know the correlation between states.
Claims (5)
前記測定部は、第一のセンサ部と第二のセンサ部からなり、前記第一のセンサ部と前記第二のセンサ部において測定される前記動脈血流情報は、同一種類の情報であり、
前記レオロジー演算処理部は、前記第一のセンサ部と前記第二のセンサ部とから得られた前記動脈血流情報に基づいて脈波位相速度を算出する脈波位相速度演算処理部と、前記脈波位相速度演算処理部において検出した前記脈波位相速度から血液レオロジーの指標を演算する指標演算処理部とを有し、
前記脈波位相速度演算処理部は、前記第一のセンサ部にて測定された信号のピーク値と前記第二のセンサ部にて測定された信号のピーク値との時間差から、心拍角周波数(ω)、脈波位相速度(C)を算出し、
前記指標演算処理部は、前記脈波位相速度(C)を規格化脈波位相速度(Cm)に変換する演算処理機能を持つと共に、前記規格化脈波位相速度(Cm)を血液レオロジーの指標として出力する事を特徴とする血液レオロジー測定装置。 Blood flow velocity blood periodically pulsating in synchronism with the heartbeat of the living body is a velocity flow, or the volume pulse is an amount of flow of the blood, the measurement for measuring the living body outside as arterial blood flow information in the living A rheology calculation processing unit that processes the arterial blood flow information measured in the measurement unit,
The measurement unit includes a first sensor unit and a second sensor unit, and the arterial blood flow information measured in the first sensor unit and the second sensor unit is the same type of information,
The rheology calculation processing unit calculates a pulse wave phase velocity calculation unit based on the arterial blood flow information obtained from the first sensor unit and the second sensor unit; An index calculation processing unit that calculates an index of blood rheology from the pulse wave phase velocity detected in the pulse wave phase speed calculation processing unit;
The pulse wave phase velocity calculation processing unit calculates a heartbeat angular frequency (from a time difference between a peak value of the signal measured by the first sensor unit and a peak value of the signal measured by the second sensor unit. ω), pulse wave phase velocity (C),
The index calculation processing unit has a calculation processing function for converting the pulse wave phase velocity (C) into a normalized pulse wave phase velocity (Cm), and the normalized pulse wave phase velocity (Cm) is an index of blood rheology. Blood rheology measurement device characterized by being output as
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