JP4770927B2 - 血管径の測定を行う超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆血を行い血管径の測定を行う超音波診断装置に関する。

動脈硬化は狭心症・心筋梗塞等の心疾患や脳梗塞等の原因となるため、定期的に検査を行うことが望ましい。このような動脈硬化の初期診断のために血管のしなやかさを非侵襲的に評価する手法として、超音波診断装置を利用した血流依存性血管拡張反応（Flow Mediated Dilation: ＦＭＤ）試験が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

血流依存性血管拡張反応とは、血流の増大によって生じる血管内皮へのずり応力の作用により、血管内皮細胞から血管拡張因子である一酸化窒素（ＮＯ）が発生して血管径を拡張させる反応である。また、血流依存性血管拡張反応試験とは、前腕部を一定時間駆血した後一気に解放した際の上腕部血管径の拡張度を計測するものであり、該拡張度を表す％ＦＭＤは以下の式で定義される。
％ＦＭＤ＝（Ｄ_１−Ｄ_０）／Ｄ_０×１００（％）・・・・（数１）
ここで、Ｄ_０は駆血前の安静時における血管径（以下、「安静時血管径」と呼ぶ）を意味し、Ｄ_１は駆血解放後の最大血管径（以下、「解放後最大血管径」と呼ぶ）を意味する。

上記血流依存性血管拡張反応試験（以下、「％ＦＭＤ計測」と呼ぶ）を行う際には、まず、超音波プローブを被検者の上腕部に当接させ、超音波走査により安静時の上腕動脈の断層画像を描出してＶＣＲ（Video Cassette Recorder：ビデオ・カセット・レコーダ）に保存する。続いて、被検者の前腕部をカフによって加圧することで一定時間駆血し、その後、一気に解放した後の上腕動脈の断層画像を描出して再びＶＣＲに保存する。一連の撮像完了後に、上記安静時及び駆血解放後に取得された血管画像から適切な時刻の画像を選択し、これらの画像中に描出された血管の直径を画像解析によって計測する。これにより計測された安静時血管径Ｄ_０及び解放後最大血管径Ｄ_１から、上記の式（１）に基づいて％ＦＭＤが算出される。

特開2003-180690号公報（[0002]）

上記のような％ＦＭＤ計測においては、駆血圧が高いほど阻血効果が大きいため、精度の高い計測結果が得られる。しかし、駆血圧が高くなれば患者に対する負担が増加するだけでなく、これに伴い、患者の緊張を助長して交感神経を刺激し、結果的に血管を収縮させるおそれも生じ、このような場合、正確な％ＦＭＤが得られない。

一方、事前に血圧計測を行い、駆血圧を最高血圧（ＳＢＰ）に５０ｍｍＨｇ程度とした％ＦＭＤ計測を行うことも考えられるが、血圧計即時の最高血圧（ＳＢＰ）が％ＦＭＤ計即時の血圧と一致するとは限らないため、血流がある状態で％ＦＭＤ計測がなされる可能性があり、かかる場合においても正確な％ＦＭＤが得られない。

そこで、本発明は、患者に最小限の負担となる駆血圧による％ＦＭＤ計測を可能とする超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために成された請求項１にかかる発明の超音波診断装置は、超音波探触子と、前記超音波探触子により撮影された血管径の超音波断層画像に基づいて前記血管径の計測を行う血管径計測手段を備え、安静時の血管径と駆血後に開放した際の最大血管径から血管の拡張度を計測する超音波診断装置において、前記血管の駆血時に血流速に関するデータを入力し、入力したデータが前記血管の拡張度の計測に適した値となった場合に、駆血のための加圧を停止するための信号を出力する制御手段を備える。
請求項２にかかる発明の超音波診断装置は、前記制御手段により制御され、被検者の体表を加圧して診断対象となる血管を加圧する駆血手段を備える。
請求項３にかかる発明の超音波診断装置は、前記血流速に関するデータを検出する血流速関連データ計測手段を備える。
請求項４にかかる発明の超音波診断装置は、請求項３記載の超音波診断装置において、前記血流速関連データ計測手段が前記超音波探触子から得られるドップラー信号に基づいて血流速を計測することを特徴とする。
請求項５にかかる発明の超音波診断装置は、請求項３記載の超音波診断装置において。前記血流速関連データ計測手段が、血管の脈派を検知する脈派センサであることを特徴とする。
請求項６にかかる発明の超音波診断装置は、請求項５記載の超音波診断装置において、制御手段は脈派センサからの信号の加速度を演算して血流速に関するデータとして用いることを特徴とする。

上記構成を有する本発明の超音波診断装置によれば、血管の駆血時に血流速に関するデータを入力し、入力したデータが前記血管の拡張度の計測に適した値となった場合に、駆血のための加圧を停止するための信号を出力する制御手段を備えるため、％ＦＭＤ計測計測に際して、精度の高い計測を可能になると共に、駆血時における患者の負担を必要最小限に抑えることが可能となる。

血流速関連データ計測手段を前記超音波探触子から得られるドップラー信号に基づいて血流速の計測を行なものとすることにより、ドップラー撮影機能を備えた超音波診断装置であれば、特別な血流速に関する計測装置を用いる必要がないため、装置構成が簡略化される。

脈派センサの脈派データの加速度から血流速に関連するデータを得ることにより、汎用されている脈派センサを用いて容易に血流速関連データを得ることが可能となる。

本発明の一実施例に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。 同実施例に係る超音波プローブを被検者の上腕部に当接させた状態を示す断面図であり、上腕動脈の血管軸に平行な断面を示す。 同実施例の超音波診断装置を用いた％ＦＭＤ計測の手順を示すフローチャートである。 カフ及び超音波プローブを被検者に固定した状態を示す模式図である。 カフ圧を加えた場合の血流速の時間的変化を示した図である。 モニタ上に描出される上腕動脈の軸方向断層画像の一例を示す図である。 本発明の他の実施例に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。 カフ圧を加えた場合の脈波センサの時間的変化を示した図である。 同実施例の超音波診断装置を用いた％ＦＭＤ計測の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…超音波診断装置本体
１１…超音波プローブ
１１ａ…超音波振動子
１２…送受信制御部
１３…入力部
１４…超音波信号処理部
１５…表示処理部
１６…モニタ
１７…血管径測定部
１８…測定結果記憶部
１９…画像保存部
２０…制御部
２１…血流速測定部
３０…駆血ユニット
３１…カフ
３２…エアパイプ
３３…圧縮ポンプ
３４…駆血制御部
４０…上腕部
４２…脈派センサ
５０…上腕動脈
５１…血管内腔
５２…血管壁

図１は超音波診断装置１０本体と、上腕の駆血を行なう駆血ユニット３０が示されている。図１における超音波診断装置１０おいて、超音波プローブ１１は、超音波を被検者の体内に送波すると共に、被検者の体内で反射された超音波を受波して電気信号に変換するものである。本実施例に係る超音波プローブ１１には、図２に示すように、一次元状に配列された多数の超音波振動子で構成されリニアスキャン方式による超音波ビームの走査を行う振動子アレイ１１ａが内蔵されている。

超音波プローブ１１が出力する超音波の反射超音波の電気信号は、超音波信号処理部１４に入力される。超音波信号処理部１４は、この電気信号を画像データに変換し、該画像データに対して更に整相加算、ゲイン調整、対数圧縮等、画像表示に適したデータ処理を行う。処理後のデータは超音波信号処理部１４から表示処理部１５に出力される。表示処理部１５では、画像データからモニタ１６に表示するための電気信号を生成し、この電気信号をモニタ１６に出力する。ここまでの動作が所定の周期で繰り返し行われ、モニタ１６には超音波画像が動画として表示される。なお、オペレータの指示に応じて該動画を任意の期間に亘りＶＣＲから成る画像保存部１９に保存させることもできる。

血管径測定部１７は、表示処理部１５のメモリに記憶された血管の断層画像に対し所定の画像解析アルゴリズムにより血管壁の検出及び該血管壁間の距離の計測を行うことによって血管径を導出するものであり、測定結果記憶部１８は、血管径測定部１７による測定結果を記憶するものである。

血流速測定部２１は、超音波プローブ１１から入力されたドップラー信号に基づき、撮影対象となる血管の血流速度を測定するものである。

上記各部はＣＰＵ等から成る制御部２０によって制御されており、該制御部２０にはオペレータが設定又は指示等を入力するためのマウスあるいはトラックボール等のポインティングデバイスやキーボード等から成る入力部１３が接続されている。

更に、上記制御部２０は、被検者の上腕動脈を駆血するための駆血ユニット３０と接続されている。駆血ユニット３０は、被検者の前腕部に巻き付けて使用されるカフ３１と、カフ３１にエアを送り込むためのエアパイプ３２及び圧縮ポンプ３３、並びにこれらの動作を制御する駆血制御部３４を備えている。圧縮ポンプ３３にはエアを排出するための電磁弁が設けられており、駆血解除時には、該電磁弁が開放されると同時に、カフ３１の減圧開始を知らせる減圧開始信号が超音波診断装置本体１０の制御部２０へと出力される。更に、駆血制御部３４には、超音波診断装置本体１０に設けられた入力部１３を介してオペレータからの指示を入力することができる。

次に、本実施例の超音波診断装置を用いた％ＦＭＤ計測の手順について図３のフローチャートを用いて説明する。

（１）プローブの固定（ステップＳ１１）
まず、被検者の前腕部にカフ３１を巻き付けて１５分間安静状態とした後、上腕部４０の所定の位置に超音波プローブ１１を当接させる（図４）。このとき、図２に示されるように、超音波プローブ１１は振動子アレイ１１ａの配列方向（すなわち、超音波ビームの走査方向）が腕の軸方向と平行になるように上腕に対して当接させる。続いて振動子アレイ１１ａによる超音波ビームの走査を行い、図５に示される上腕動脈５０の軸方向断層画像をモニタ１６上に描出させる。オペレータは該画像をモニタ１６上で確認しながら超音波プローブ１１の位置や角度を手で少しずつ動かすことによって描出される血管５０の径が最大となる位置を探し出し、超音波プローブ１１が当該位置から動かないよう所定の固定具（図示略）によって固定する。

（２）安静時血管画像の取得（ステップＳ１２）
ステップＳ１１において超音波プローブ１１を固定した状態で、オペレータが入力部１３において所定の操作を行うことにより、制御部２０は、送受信制御部１２にＢモード撮影指示を出して、超音波画像の撮像を行い、該画像を所定の時間に亘って画像保存部１９に保存させる。ここで取得された画像を以下、「安静時血管画像」と呼ぶ。

（３）駆血加圧開始（ステップＳ１３）
同時に制御部２０は、駆血ユニット３０の駆血制御部３４に加圧指示を出し、駆血制御部３４が圧縮ポンプ３３を制御してエアパイプ３２を介して被検者の前腕部に巻き付けられたカフ３１にエアを送り込み、カフ３１による上腕動脈の駆血動作を開始する。

（４）Ｂモード・ドップラー同時撮影（ステップＳ１４）
制御部２０は送受信制御部１２を介してＢモード・ドップラー同時撮影指示を行い、送受信制御部１２から得られたエコーデータについて、超音波信号処理部１４及び表示処理部１５を介して処理を行い超音波画像（Ｂモード画像）をモニタ１６に表示する。また、送受信制御部１２から血流速測定部２１にドップラー信号が入力され、制御部２０は、モニタ１６において超音波画像（Ｂモード画像）の血管部に血流速測定部２１において求められた血流速データをリアルタイムで表示させる。

（５）血流速計測、血流速と設定値との対比（ステップＳ１５〜Ｓ１７）
ステップＳ１５において、血流速測定部２１は、送受信制御部１２から入力されるドップラー信号を処理して血流速を計測し、ステップＳ１６において、制御部２０は血流速測定部２１から入力される血流速データをモニタし、あらかじめ定めた設定値以下となったか否かの判断を行う。

ここで、設定値は完全に駆血された血流の状態としてゼロにするのが望ましいが、ゼロに近い値であっても％ＦＭＤ計測結果に悪影響を与えない値であればよい。％ＦＭＤ計測結果に悪影響を与えるか与えないかは試行錯誤によって定められるものであり、また患者の負担と計測精度とのトレードオフの関係に立つものであるため、ケースバイケースで定めることになる。

なお、この設定値は、制御部２０において事前にプリセットされた値を不図示の記憶手段に保持しておいてもよいし、入力部１３より操作者が好ましい値を入力することも可能である。そして、設定値に達しない場合は、ステップＳ１５における血流速計測、ステップＳ１６における設定値との対比を継続する。

制御部２０は設定値以下になったと判断した場合、ステップＳ１７で設定値以下となった時点から所定時間経過したか否かを判断し、経過していなければステップＳ１５の血流速計測、ステップＳ１６の設定値との対比、ステップＳ１７の経過時間の判断を繰り返す。そして、一旦設定値以下となった血流速が再び設定値以上となることなく所定時間が経過した場合、次のステップＳ１８で加圧停止を行う。

これは、図５に示されるように、血管内の血流速は心臓の鼓動に同期して周期的に脈動することから、設定値を超えたり、それ以下となったりする動作を繰り返すため、血流速が設定値以下となってからその状態が所定時間が経過したことを判断することで、血流速が実際にゼロに近づいたことの判断を可能としたものである。従って、ステップＳ１７における所定時間とは、心臓の心拍周期、例えば１０〜２０振幅数程度に相当する時間に設定しておけば、血流速がゼロになったことの判断が可能となる。

（６）加圧停止・所定時間保持（ステップＳ１８）
制御部２０は、ステップＳ１７で所定時間経過したと判断した場合、駆血制御部３４に対して、加圧を停止し、現圧力を保持する指示を行う。これにより、駆血制御部３４は、圧縮ポンプ３３の加圧動作を停止させ、一定期間この状態を保持する。なお、一定時間とは、％ＦＭＤ計測に際して定められた時間である。

（７）解放後血管画像の取得（ステップＳ１９）
ステップＳ１８において、所定時間が経過すると制御部２０は、駆血制御部３４に対して駆血開放の指示を出し、駆血制御部３４は圧縮ポンプ３３に設けられた電磁弁を開放し、エアを排出させて一気に減圧を行う。このとき、駆血制御部３４は、電磁弁の開放に伴って超音波診断装置本体１０の制御部２０に減圧の開始を知らせる信号（減圧開始信号）を送出する。

制御部２０は減圧開始信号を受け取ると超音波撮影画像の保存を指示し、駆血の解除から所定の時間が経過するまでの間、上記超音波プローブ１１によって描出される上腕動脈５０の断層画像を画像保存部１９に保存させ、撮像を完了する。このとき取得された画像を以下、「解放後血管画像」と呼ぶ。

（８）％ＦＭＤの算出（ステップＳ２０）
以上の一連の撮像行程が完了した後、オペレータが入力部１３を操作することにより、画像保存部１９に保存された安静時血管画像を再生させる。更に、所定の操作を行うことにより適切な時点で画像をフリーズさせ、血管径の測定を指示すると、血管径測定部１７は、図６に示されるような画像の輝度分布に基づいて、血管内腔５１と２つの血管壁（皮膚から近い側と遠い側）５２との境界位置（図６の矢印で示した箇所）を検出し、両境界位置の間の距離を上腕動脈５０の直径として測定し、これを安静時血管径Ｄ_０として測定結果記憶部１８に記憶する。
また、解放後血管画像を画像保存部１９から読み出し、血管径が最も拡張したと考えられる解放後血管画像を選定して同様の手法で駆血後最大血管径Ｄ_１を取得する。なお、これらの動作を制御部２０が行い、駆血後最大血管径Ｄ_１を自動で取得してもよい。そして、上述の式（１）を用いてこれらＤ_０及びＤ_１の値から％ＦＭＤを算出してモニタ１６上に表示する。

なお、このような血管壁の検出及び血管径の計測には、例えば、従来既知のアルゴリズムを用いることができる。また、このような画像のフリーズ及び血管径の測定を複数回繰り返して行い、得られた値を平均化することでより精度の高い結果を得られるようにしてもよい。

以上のように、本実施例の超音波診断装置によれば被検体に対する駆血動作を、血流速、即ち血流量をモニタし、被検体に付与するカフ圧を、精度の高い％ＦＭＤ計測を行うのに必要最小限の圧力とできるため、精度の高い％ＦＭＤ計測を可能にすると共に、被検体への負担を必要最小限に抑えることが可能となる。

以上、実施例を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々の変更が許容されるものである。

図７は、図１において、血流速測定部２１に替えて血流速を測定するために脈波センサ４２を用いた実施形態を示している。図７において、それ以外の構成は、図１に示された構成と同じであるので同一符号をつけて、説明を省略する。

脈波センサ４２は、血管内の圧力の変化を測定するためのセンサであり、駆血動作により血流速が下がれば脈圧も下がることから、上腕に取り付けることにより、図１で示した血流速測定部２１と同様に血流速の検知が可能となる。ただし、本実施形態では、脈派データの加速度が血流速データ度同様の挙動を示すことから、脈派データの加速度に基づいて血流速に関するデータを判断する。

図３で示したように、上腕をカフ３１により加圧し続けると、時間経過に応じて脈波センサ４２から得られる信号の加速度波形は、図８で示されるように、各周期毎の最大振幅がその時間経過に従って減少する。

以下、図７に示した超音波診断装置を用いた％ＦＭＤ計測の手順について図９のフローチャートを用いて説明する。
（１）プローブの固定（ステップＳ３１）、安静時血管画像の取得（ステップＳ３２）、駆血加圧開始（ステップＳ３３）、Ｂモード・ドップラー同時撮影（ステップＳ３４）
これらの動作は、図３で示したステップＳ１１〜ステップＳ１４の動作と同様である。
なお、検査に先立って、上腕に取り付けた超音波プローブの近傍に脈派センサ４２を取り付けておく必要がある。

（２）加速度脈派計測、加速度と設定値との対比（ステップＳ３５〜Ｓ３７）
ステップＳ３５において、脈波センサ４２は、上腕の血管内の血流の脈動を検知し、制御部２０にリアルタイムで検知したデータを送信し、制御部２０は入力される脈波データを時間的に２回微分を行うことで加速度を計測する。そして、ステップＳ３６であらかじめ定めた設定値以下となったか否かの判断を行う。

ここで、脈派データの加速度は図８に示されるように周期変動しその最大値は血流速に対応する値を示していると考えられるため、ここでの設定値は、血流速を直接計測した場合と同様にゼロとするのが望ましいが、ゼロに近い値であっても％ＦＭＤ計測結果に悪影響を与えない値であればよい。患者の負担と計測精度とのトレードオフの関係に立つものであるため、ケースバイケースで定めることになる。なお、この設定値は、制御部２０において事前にプリセットされた値を不図示の記憶手段に保持しておいてもよいし、入力部１３より操作者が好ましい値を入力することも可能である。

加速度が設定値より大きい場合は、制御部２０は、ステップＳ３５における血流速計測、ステップＳ３６における設定値との対比を継続する。

加速度が設定値以下となった場合、制御部２０は、ステップＳ３７で設定値以下となった時点から所定時間経過したか否かを判断し、経過していなければステップＳ３５の加速度計測、ステップＳ３６の設定値との対比、及びステップＳ３７の経過時間の判断を繰り返す。そして、一旦設定値以下となった血流速が再び設定値以上となることなく所定時間が経過した場合、加圧停止・所定時間保持（ステップＳ３８）、解放後血管画像の取得（ステップＳ３９）、％ＦＭＤの算出（ステップＳ４０）を行うが、これらの動作は、図３におけるステップＳ１８、ステップＳ１９、及びステップＳ２０で示した動作と同様である。

上述した実施形態では、血流速に関するデータとして、血流速や脈派データの加速度を用いたが、本発明は、計測対象となる血管が％ＦＭＤ計測を精度よく行うために十分駆血されたがどうかの検知を行い、加圧を停止、保持することを本質とするため、血流が駆決された状態を検知できるデータであれば、どのようなデータを用いてもよいことはいうまでもない。

Claims (6)

1. 超音波探触子と、前記超音波探触子により撮影された血管径の超音波断層画像に基づいて前記血管径の計測を行う血管径計測手段を備え、安静時の血管径と駆血後に開放した際の最大血管径から血管の拡張度を計測する超音波診断装置において、
   前記血管の駆血時に血流速に関するデータを入力し、入力したデータが前記血管の拡張度の計測に適した値となった場合に、駆血のための加圧を停止するための信号を出力する制御手段を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記制御手段により制御され、被検者の体表を加圧して診断対象となる血管を加圧する駆血手段、を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記血流速に関するデータを検出する血流速関連データ計測手段を備えたことを特徴とする請求項１又請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記血流速関連データ計測手段は、前記超音波探触子から得られるドップラー信号に基づいて血流速を計測する手段であることを特徴とする請求項３記載の超音波診断装置。
5. 前記血流速関連データ計測手段は、血管の脈派を検知する脈派センサであることを特徴とする請求項３記載の超音波診断装置。
6. 前記制御手段は前記脈派センサからの信号の加速度を演算して血流速に関するデータとして用いることを特徴とする請求項５記載の超音波診断装置。