JP5071768B2

JP5071768B2 - 血流速度測定装置

Info

Publication number: JP5071768B2
Application number: JP2006331938A
Authority: JP
Inventors: 定夫尾股; 嘉延村山
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2026-12-08
Also published as: JP2008142254A

Description

本発明は血流速度測定装置に関し、特に被験者の血管を流れる血流速度を測定する血流速度測定装置に関する。

循環器疾患は、心臓、血管等の循環器が狭窄や動脈硬化等により正常に働かなくなるものである。狭窄や動脈硬化等の原因としては、高脂血症による脂肪の沈着、高血圧による血管壁厚の増加、血管内壁の粥状硬化等があり、いずれも症状がゆっくり進行する。したがって、徐々に血の流れが悪くなってゆくことに気づかないことが多い。したがって、血流速度を的確に計測し、狭窄等の前兆を早期に発見することが望まれている。

血流速度の測定方法としては、例えば、特許文献１には、超音波素子を用いてドップラシフト周波数を求めるために、２つの超音波センサを血管に対し相互に傾いて設け、２つの超音波センサの指向性が異なるので、２つの超音波センサの角度差と、ドップラシフト周波数とから、血流速度を求めることが開示されている。

なお、血流速度を検出するものではないが、本願に関連するものとして、本願発明者は、特許文献２において、発光素子と受光素子とを用いて動脈の脈動波形を検出する方法を開示している。

特開２００６−２１２２６９号公報特開２００２−３２０５９３号公報

従来技術では、特許文献１に述べられている超音波素子を用いる方法のほかにも、レーザドップラ血流計等が提案されている。これらの装置は高価であり、また、安静下で使用することが好ましいとされ、使用条件に制約が多い。特許文献２の方法は、簡便に動脈波形を得ることができるが、血流速度を求めることが困難である。

本発明の目的は、簡便な構成で血流速度を求めることができる血流速度測定装置を提供することである。

本発明に係る血流速度測定装置は、被験者の血管の脈動を検出するために、皮膚上で離隔して設定される複数のセンサ装着部に装着される複数の光探触子であって、それぞれは、皮膚を通して血管に光を照射する発光素子と、皮膚を通して血管からの反射光を受光する受光素子とを有する複数の光探触子と、各光探触子ごとに設けられ、光探触子に増幅器とともに直列に接続され、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する複数の位相シフト回路と、各位相シフト回路によって位相差がゼロに補償された周波数の時間的変化から、各センサ装着部における脈動波形をそれぞれ出力する複数の脈動波形出力部と、複数のセンサ装着部の中の２箇所のセンサ装着部におけるそれぞれの脈動波形の同じ時間における周波数の差に基づき、対応する脈動波形が重ねられるために必要な時間差を求め、当該２箇所のセンサ装着部の間の距離をその時間差で除して、当該２箇所のセンサ装着部の間における血流速度を算出する血流速度算出部と、を備えることを特徴とする。

また、血流速度算出部は、複数のセンサ装着部の中の２箇所のセンサ装着部におけるそれぞれの脈動波形を規格化し、時間軸を同じとして対応する脈動波形を重ねあわせ、対応する脈動波形の同じ時間における周波数の差を生じさせる２つの脈動波形の間の時間差を求め、当該２箇所のセンサ装着部の間の距離をその時間差で除して、当該２箇所のセンサ装着部の間における血流速度を算出することが好ましい。

また、本発明に係る血流速度測定装置において、血流速度算出部は、３つの圧電素子を直列に接続して一体化した複合振動素子であって、両端部に配置される各端部圧電素子のそれぞれに振動信号を入力し、それぞれに入力した振動信号に周波数の差があるときは、中央部に配置される圧電素子から、その周波数の差に相当する周波数を有する振動信号が出力される複合振動素子を含み、複数のセンサ装着部の中の２箇所のセンサ装着部におけるそれぞれの脈動波形を２つの振動信号として、２つの振動信号の一方を複合振動素子の一方側端部の圧電素子に入力し、他方を複合振動素子の他方側端部の圧電素子に入力し、中央部の圧電素子から出力される振動信号の周波数をもって、２箇所のセンサ装着部におけるそれぞれの脈動波形の同じ時間における周波数の間の差の周波数として、中央部の圧電素子から出力される振動信号の周波数に基づき、当該２箇所のセンサ装着部の間の血流速度を求めることが好ましい。

本発明に係る血流速度測定装置によれば、皮膚上で離隔して設けられる２つの光探触子によって、距離的に離れた２点における血管の脈動波形をそれぞれ求める。そして、対応する脈動波形が重ねられるために必要な時間差を求め、この時間差で、２つの光探触子の間の距離を除することで、血流速度を求める。したがって、簡便な構成で、血流速度を測定することができる。

以下に本発明に係る実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明する。以下では、光探触子を２つ用いて血流速度を求めるものとして説明するが、測定時に、被験者に３つ以上の光探触子を装着し、その中の任意の組合せの２つを用いてそれぞれ血流速度を求めるものとしてもよい。この場合は同時に複数の血流速度を測定することができる。また、以下では、光探触子として１個のＬＥＤと１個のフォトセンサから構成される場合を説明するが、個数、及び配置は、一例であって、用途に応じ、適宜変更が可能である。

図１は、血流速度測定装置１０の構成を示す図である。図１には、血流速度測定装置１０の構成要素ではないが、被験者２が示されている。血流速度測定装置１０は、２つの光探触子２０，２１と、それぞれの光探触子２０，２１を作動させる電子回路である２つの光探触子回路２８，２９と、それぞれの光探触子回路２８，２９に接続され、血管の脈動波形を出力する２つの脈動波形出力部３０，３１と、２つの脈動波形出力部３０，３１から出力された２つの脈動波形に基づいて血流速度を算出する血流速度算出部５０とを含んで構成される。

２つの光探触子２０，２１は、被験者２の血管の脈動を検出するに適した部位にそれぞれ装着される。図１の例では、光探触子２０，２１のセンサ装着部Ａ，Ｂとして、腕の肘部の内側に対応する上腕動脈部と、指先が選ばれている。脈動を検出するに適した他のセンサ装着部としては、手首の撓骨動脈部、心臓の近傍等が挙げられる。

図２は、２つの光探触子２０，２１が装着される様子を示す図である。光探触子２０，２１は、代表的に光探触子２０が拡大されて示されているように、発光素子であるＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）２２と、受光素子であるフォトダイオード２４がそれぞれ１つずつ並べて配置されたものである。ＬＥＤ２２とフォトダイオード２４は、例えば適当な回路基板上等に配置され、適当なベース材に支持され、バンド等で、センサ装着部Ａ，Ｂに固定される。バンドの代わりに適当なテープを用いてもよい。

図２では、皮膚４の下の血管６の脈動を測定するように、皮膚上に光探触子２０，２１が距離Ｌだけ離されて配置されている。距離Ｌは、上記の例では、センサ装着部Ａである上腕動脈部と、センサ装着部Ｂである指先の間の距離である。Ｌは、皮膚４上で血管６に沿うようにして測った長さであることが好ましい。実際には、皮膚４上の最短距離でＬを測定するものとできる。

ここで、血管６の脈動とは、血流の流れの周期的な強弱であるが、光探触子２０，２１は、その脈動を、血管６の局部的膨らみ８，９の伝播として検出する。つまり、センサ装着部Ａにおいて、血管６は周期的に膨張、収縮を繰り返す。膨張のときは、血管６の表面が光探触子２０に近づき、収縮のときは、血管６の表面が光探触子２０から遠ざかる。したがって、光探触子２０から見ると、照射した光が反射される間の生体組織の内容が血管６の脈動によって変化することになる。生体組織の内容の変化は、光探触子２０と血管６の表面までの距離の変化、その距離の間の生体組織の密度の変化等である。光探触子２０は、この生体組織の内容の変化を検出することで、血管６の脈動を検出する機能を有する。

光探触子２１も同様な機能を有する。光探触子２０と光探触子２１とは距離Ｌだけ離れているので、図２に示すように、血管６の膨らみ８がセンサ装着部Ａにおいて時刻ｔ₁で検出されても、センサ装着部Ｂにおいては、同じ時刻ｔ₁で血管６は膨らんでいない。センサ装着部Ｂにおいては、時刻ｔ₁から遅れた時刻ｔ₂で血管６の脹らみ９が検出されることになる。このとき、時間差Δｔ＝ｔ₂−ｔ₁かけて、血管６の膨らみが距離Ｌだけ移動したことになる。したがって、２つの光探触子２０，２１を用いて、それぞれのセンサ装着部Ａ，Ｂにおける血管６の膨らみを検出し、その検出したときの時間差Δｔを求めることで、センサ装着部Ａ，Ｂの間における血流速度ｖが、ｖ＝Ｌ／Δｔで求められる。これが血流速度測定装置１０の血流算出の原理である。

図３は、センサ装着部Ａにおける光探触子２０、光探触子回路２８、脈動波形出力部３０の構成を示す図である。センサ装着部Ｂにおける光探触子２１、光探触子回路２９、脈動波形出力部３１の構成も同様である。ここでは、光探触子２０が光探触子回路２８に組み込まれている形態で示されている。また、これらの構成要素ではないが、血管６が図示されている。光探触子回路２８は、ＬＥＤ２２を駆動して発光させる機能と、フォトダイオード２４を動作可能の状態にして光が当てられるとフォトダイオードをオンさせる機能とを有する回路である。

図３においては、ＬＥＤ２２に接続されるスイッチングトランジスタ２７を入力信号によってオンさせると、ＬＥＤ２２に電流が流れて、ＬＥＤ２２が発光する。ＬＥＤ２２に流れる電流は、スイッチングトランジスタ２７のオン電流で規定されるので、スイッチングトランジスタ２７への入力信号の大きさでＬＥＤ２２の発光量が決まる。

また、フォトダイオード２４は、受光量に応じたオン電流が流れる性能を有する素子であるが、オン電流の大きさは抵抗２６によって電圧に変換され出力信号となる。したがって、出力信号の大きさは、受光量で定まることになる。

図３において、脈動波形出力部３０は、光探触子回路２８からの出力信号を受け取る端子３２と、光探触子回路２８への入力信号を出す端子３４と、後述する位相シフト法によって位相差が補償された振動の周波数が出力される端子３６と、その振動信号を出力する端子３８を有する。脈動波形出力部３０の内部は、次のように構成される。

光探触子回路２８の出力信号が供給される端子３２は、適当なＤＣカットコンデンサを介して増幅器４０に接続される。増幅器４０は、光探触子回路２８の出力信号を適当に増幅する電子回路で、周知の増幅回路を用いることができる。

増幅器４０の出力は、位相シフト回路４２に入力され、位相シフト回路４２の出力は、端子３４を介して光探触子回路２８に接続される。したがって、光探触子２０が血管６に向かいあっている状態で、光探触子回路２８のＬＥＤ２２−（血管６を含む生体組織）−光探触子回路２８のフォトダイオード２４−増幅器４０−位相シフト回路４２−光探触子回路２８のＬＥＤ２２の閉ループが構成される。この閉ループの中を、光探触子２０と血管６との間の生体組織の物性内容に依存して振動する電気信号が流れる。したがって、位相シフト回路４２の内容を適当に設定することで、この閉ループにおける振動の電気信号について自励発振を生じさせることができる。なお、この振動と、血管６の脈動の振動とは別のものである。ここでいう振動は、光探触子２０と血管６との間の生体組織の物性内容を一種の質量とバネ定数の組合せの振動体と考えて、閉ループの中に生体組織という振動体が存在することで生じる振動である。

位相シフト回路４２の機能は、この閉ループにおいて、位相シフト回路４２に入力される入力信号と、出力される出力信号との間に位相差が生じるときは、閉ループの共振周波数を変更して、位相差をゼロに補償する機能を有する。そして、位相差をゼロに補償したときの周波数を周波数出力部４４に出力する。

出力された周波数は、上記の血管６の脈動に起因する光探触子２０と血管６の間の生体組織の内容の変化に応じて変化することになる。つまり、血管６が膨張しているときの光探触子２０と血管６の間の生体組織の振動体としての特性と、血管６が収縮しているときの光探触子２０と血管６の間の生体組織の振動体としての特性との間には相違がある。したがって、位相シフト回路４２に入力される入力信号と、出力される出力信号との間の位相差が、血管６の膨張のときと収縮のときとで相違する。これにより、位相差をゼロに補償したときの周波数は、血管６が膨張したときと収縮したときとで異なる。もちろん、膨張の程度、収縮の程度によって、位相差をゼロに補償したときの周波数はそれぞれ異なる。

このようにして、周波数出力部４４から出力される周波数の時間変化は、血管６の膨張と収縮とを反映し、血管６の脈動を示す波形となる。こうして、センサ装着部Ａにおける脈動波形が、脈動波形出力部３０の端子３６から出力されることになる。同様に、センサ装着部Ｂにおける脈動波形が、脈動波形出力部３１から出力されることになる。

図１に再び戻り、２つの脈動波形出力部３０，３１から出力された２つの脈動波形は、血流速度算出部５０に入力される。図４は、血流速度算出部５０の構成を示す図である。

血流速度算出部５０において、入力された２つの脈動波形のデータは、それぞれメモリ５２，５３に一旦記憶される。メモリ５２，５３においては、脈動波形は、各時刻の周波数データとして記憶される。つまり、測定時刻に関連付けて、周波数データが記憶される。

そして、１周期分の脈動波形のデータが揃ったところで、それぞれの脈動波形データがピーク検出部５４，５５に転送される。ピーク検出部５４，５５は、１周期分の脈動波形のデータの中で、最も周波数の高いデータをピークデータとして検出し、そのピークデータに対応する測定時間を読み出す。例えば、センサ装着部Ａに対応する脈動波形データがメモリ５２に記憶され、センサ装着部Ｂに対応する脈動波形データがメモリ５３に記憶されているとすると、ピーク検出部５４は、センサ装着部Ａに対応する脈動波形データが最大の周波数となる測定時間を読み出す。これを、図２の例に従って、ｔ₁とする。同様に、ピーク検出部５４は、センサ装着部Ａに対応する脈動波形データが最大の周波数となる測定時間を読み出す。これを、図２の例に従って、ｔ₂とする。

次に、時間差Δｔ算出部５６は、ピーク検出部５４で読み出された測定時間ｔ₁と、ピーク検出部５４で読み出された測定時間ｔ₂とから、時間差Δｔ＝ｔ₂−ｔ₁を求める機能を有する。算出された時間差Δｔは、次の（Ｌ／Δｔ）演算部５８に送られ、センサ装着部Ａとセンサ装着部Ｂとの間の距離Ｌを時間差Δｔで除し、血流速度ｖを算出する。

図５は、血流速度算出部５０の機能を説明する図である。ここでは、メモリ５２，５３に記憶されているデータが「周波数−時間」のデータ６０，６１として模式的に示されている。そして、ピーク検出部５４，５５によって読み出される時間ｔ₁，ｔ₂と、これらから時間差Δｔを求める様子が、データ６０，６１について、時間軸を合わせて、対応する脈動波形を重ねて示す「重ね波形」６２として模式的に示されている。「重ね波形」６２から分かるように、時間差Δｔとは、対応する脈動波形が重ねられるために必要な時間差である。

このように、脈動波形出力部３０，３１から出力される２つの脈動波形について、対応する脈動波形が重ねられるために必要な時間差Δｔを求め、２箇所のセンサ装着部Ａ，Ｂの間の距離Ｌをその時間差Δｔで除して、２箇所のセンサ装着部Ａ，Ｂの間における血流速度ｖを算出することができる。

上記では、時間差Δｔを求めるためにピーク検出の方法を用いたが、それ以外の方法で、対応する脈動波形が重ねられるために必要な時間差を求める方法を用いてもよい。例えば、２つの脈動波形をそれぞれ規格化し、ピーク値の所定％となる時間を求めて、その時間差をΔｔとする方法でもよい。この場合には、１つの脈動波形について複数の時間が求められることになるので、注意が必要である。また、規格化された脈動波形について、所定の傾き（周波数／時間）となる時間を求めて、その時間差をΔｔとすることもできる。

図６は、実際に脈動波形等を測定した結果を示す図である。図６において、横軸は、任意に取った時間を示し、縦軸は位相シフト回路によって位相差をゼロに補償した周波数である。実際の周波数は、上腕動脈部と指先とで、かなり異なるので、脈動波形を比較しやすいように、それぞれ適当な値を減算してある。その意味で、縦軸にはΔｆとあるが、これは、周波数の絶対値でなく、周波数の相対値であることを示している。

図６には、腕上げのときと、腕下げのときについて、それぞれ、上腕動脈部であるセンサ装着部Ａの脈動波形と、指先であるセンサ装着部Ｂの脈動波形が示されている。これらの脈動波形のピークは黒丸で示され、ピークの間の時間差がΔｔで示されている。このように、光探触子と位相シフト回路という簡単な構成で、脈動波形がかなりきれいなデータとして得ることができ、これらから時間差Δｔを求めて、血流速度ｖを簡単な演算で算出することができる。

図７は、手首の撓骨動脈部にセンサ装着部Ｃを設定し、指先のセンサ装着部Ｂとの間の時間差Δｔを求める様子を示す図である。この場合は、Δｔが小さな値となるが、やはり簡単な方法で血流速度ｖを求めることができる。

図８、図９は、演算により血流速度を算出する血流速度算出部を用いないで、血流速度を求める方法を説明する図である。ここでは、３つの圧電素子７２，７４，７６を直列に接続して一体化した複合振動素子７０を用いる。複合振動素子７０は、両端部に配置される各端部圧電素子７２，７４のそれぞれに振動信号を入力し、それぞれに入力した振動信号に周波数の差があるときは、中央部に配置される圧電素子７６から、その周波数の差に相当する周波数を有する振動信号が出力されるものである。一般的に、周波数が異なる２つの振動を混合すると、２つの周波数の差に相当する周波数でうなり振動が生じることが知られている。複合振動素子７０は、その原理を一体化した１つの複合振動素子としたものである。

そして、図３で説明した脈動波形出力部３０において、位相シフト回路４２によって位相差がゼロに補償された周波数の振動信号を、振動信号出力部４６によって、端子３８から出力する。この振動信号の周波数をｆ₁とする。同様に、脈動波形出力部３１からも、位相シフト回路４２によって位相差がゼロに補償された周波数の振動信号を出力し、この振動信号の周波数をｆ₂とする。ｆ₁とｆ₂とは、それぞれ、同じ時間におけるセンサ装着部Ａとセンサ装着部Ｂにおける閉ループの振動の周波数である。

この周波数ｆ₁を有する振動信号を、複合振動素子７０の両端部における一方側の圧電素子７２に入力し、周波数ｆ₂を有する振動信号を、複合振動素子７０の両端部における他方側の圧電素子７４に入力する。これにより、中央部の圧電素子７６は、Δｆ＝ｆ₁−ｆ₂で振動する。ただし、周波数ｆ₁のほうが周波数ｆ₂よりも高いとする。

このように、各時刻において、センサ装着部Ａにおける周波数ｆ₁とセンサ装着部Ｂにおける周波数ｆ₂の間の差に相当する周波数Δｆ＝ｆ₁−ｆ₂が演算でなく、１つの複合振動素子７０によって得ることができる。

図９は、Δｆを用いて、時間差Δｔを求める様子を示す図である。波形Ａ，Ｂは、センサ装着部Ａにおける振動信号の周波数変化曲線と、センサ装着部Ｂにおける振動の周波数変化曲線で、これらは図５で説明した脈動波形と同じとなる。いま、ある時刻でセンサ装着部Ａにおける振動信号の周波数がｆ₁で、センサ装着部Ｂにおける振動信号の周波数がｆ₂とする。周波数差Δｆは図示したとおりであるが、これを、波形Ａについてみると、Δｆの周波数差は、時間差Δｔによって生じていることが分かる。このことは、どの時間においても成立することが図９から容易に分かる。したがって、脈動波形を規格化したデータを予め得ておけば、複合振動素子７０の中央部の圧電素子７６が出力する振動の周波数Δｆ＝ｆ₁−ｆ₂から、時間差Δｔを得ることができ、これでもって距離Ｌを除すことで、血流速度ｖを求めることができる。

本発明に係る実施の形態における血流速度測定装置の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、２つの光探触子が装着される様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、センサ装着部Ａにおける光探触子、光探触子回路、脈動波形出力部の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、血流速度算出部の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、血流速度算出部の機能を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、実際に脈動波形等を測定した結果の例を示す図である。本発明に係る実施の形態において、実際に脈動波形等を測定した結果の他の例を示す図である。別の実施の形態における複合振動素子を示す図である。別の実施の形態において、複合振動素子を用いて、時間差Δｔが得られる様子を示す図である。

符号の説明

２被験者、４皮膚、６血管、８，９膨らみ、１０血流速度測定装置、２０，２１光探触子、２２ＬＥＤ、２４フォトダイオード、２６抵抗、２７スイッチングトランジスタ、２８，２９光探触子回路、３０，３１脈動波形出力部、３２，３４，３６，３８端子、４０増幅器、４２位相シフト回路、４４周波数出力部、４６振動信号出力部、５０血流速度算出部、５２，５３メモリ、５４，５５ピーク検出部、５６時間差Δｔ算出部、５８Ｌ／Δｔ演算部、６０，６１データ、６２重ね波形、７０複合振動素子、７２，７４，７６圧電素子。

Claims

被験者の血管の脈動を検出するために、皮膚上で離隔して設定される複数のセンサ装着部に装着される複数の光探触子であって、それぞれは、皮膚を通して血管に光を照射する発光素子と、皮膚を通して血管からの反射光を受光する受光素子とを有する複数の光探触子と、
各光探触子ごとに設けられ、光探触子に増幅器とともに直列に接続され、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する複数の位相シフト回路と、
各位相シフト回路によって位相差がゼロに補償された周波数の時間的変化から、各センサ装着部における脈動波形をそれぞれ出力する複数の脈動波形出力部と、
複数のセンサ装着部の中の２箇所のセンサ装着部におけるそれぞれの脈動波形の同じ時間における周波数の差に基づき、対応する脈動波形が重ねられるために必要な時間差を求め、当該２箇所のセンサ装着部の間の距離をその時間差で除して、当該２箇所のセンサ装着部の間における血流速度を算出する血流速度算出部と、
を備えることを特徴とする血流速度測定装置。
請求項１に記載の血流速度測定装置において、
血流速度算出部は、
複数のセンサ装着部の中の２箇所のセンサ装着部におけるそれぞれの脈動波形を規格化し、時間軸を同じとして対応する脈動波形を重ねあわせ、対応する脈動波形の同じ時間における周波数の差を生じさせる２つの脈動波形の間の時間差を求め、当該２箇所のセンサ装着部の間の距離をその時間差で除して、当該２箇所のセンサ装着部の間における血流速度を算出することを特徴とする血流速度測定装置。
請求項１に記載の血流速度測定装置において、
血流速度算出部は、
３つの圧電素子を直列に接続して一体化した複合振動素子であって、両端部に配置される各端部圧電素子のそれぞれに振動信号を入力し、それぞれに入力した振動信号に周波数の差があるときは、中央部に配置される圧電素子から、その周波数の差に相当する周波数を有する振動信号が出力される複合振動素子を含み、
複数のセンサ装着部の中の２箇所のセンサ装着部におけるそれぞれの脈動波形を２つの振動信号として、２つの振動信号の一方を複合振動素子の一方側端部の圧電素子に入力し、他方を複合振動素子の他方側端部の圧電素子に入力し、中央部の圧電素子から出力される振動信号の周波数をもって、２箇所のセンサ装着部におけるそれぞれの脈動波形の同じ時間における周波数の間の差の周波数として、中央部の圧電素子から出力される振動信号の周波数に基づき、当該２箇所のセンサ装着部の間の血流速度を求めることを特徴とする血流速度測定装置。