JP6371334B2 - 超音波断面画像測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体圧迫装置からの圧迫圧力の変化に対応する生体内の管状臓器の断面画像を測定できる生体圧迫装置を有する超音波画像測定装置に関するものである。

生体内の臓器について、外部からの所定の圧迫圧力下における変形量を超音波断面画像で測定することで、臓器の判別、診断などを行う可能性が研究されており、生体内の臓器生体内の動脈や静脈などの管状臓器の断面形状を、生体圧迫装置による圧迫を変化させつつ超音波画像から測定することが生体の診断等の分野から望まれる。

特許文献１には、圧電セラミックス等から構成された複数個の超音波振動子（超音波発振子）が一列に配列された超音波アレイを、液密な容器内に収容し、その容器の底面を生体に密着させた状態で上記超音波アレイを短軸方向に直線的に往復移動させることで、生体内の臓器の超音波断面画像を取得することができる超音波断面画像測定装置が、開示されている。

これによれば、生体（乳房）へ密接させた状態で生体内の超音波断面画像から生体内における腫瘍の存在の可能性を取得することができる。

特開２００８−８００９３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の超音波画像測定装置では、生体に対して圧迫圧力を付与する生体圧迫装置を備えておらず、生体圧迫装置により圧迫される部位において生体に対する圧迫圧力の変化に対応する生体内の臓器の断面画像を正確に測定することは困難であった。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、生体圧迫装置により圧迫される部位において生体に対する圧迫圧力の変化に対応する生体内の臓器の断面画像を測定することができる生体圧迫装置を有する超音波断面画像測定装置を提供することにある。

本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねるうち、生体の一部に巻回されてその生体の一部を締めつけるための環状の圧迫帯の一部に、超音波透過可能な超音波透過板材を設け、その超音波透過板材を通して超音波プローブから生体内に超音波を送受信すると、圧迫圧力の変化に対応する生体内の臓器の超音波断面画像の形状を取得できることを見いだした。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。

すなわち、第１発明の要旨とするところは、（ａ）生体に対する圧迫圧力の変化に対応する前記生体内の超音波断面画像を測定する超音波断面画像測定装置であって、（ｂ）前記生体の一部に巻回されて前記生体の一部を締めつけるための環状の圧迫帯と、前記圧迫帯の一部において前記生体の一部に密着可能に設けられた超音波透過可能な超音波透過板材と、前記圧迫帯の張力を調節して前記超音波透過板材の前記生体の一部に対する圧迫圧力を変化させることが可能なアクチュエータとを有する生体圧迫装置と、（ｃ）前記超音波透過板材によってふさがれた開口を有し、液体が充填される容器と、（ｄ）前記容器内に収容され、前記超音波透過板材を通して前記生体の一部との間で超音波を授受する超音波プローブと、（ｅ）前記超音波プローブに受信された超音波信号に基づいて前記超音波断面画像を生成する制御装置とを、含むことにある。

第２発明の要旨とするところは、前記制御装置は、前記超音波断面画像に基づいて前記生体圧迫装置による前記生体の一部に対する圧迫圧力を変化させることにある。

第３発明の要旨とするところは、前記制御装置は、前記生体の血管拡張反応の測定に際して、前記超音波断面画像に基づいて前記生体の１脈波周期の一部において前記生体内の動脈が潰れた状態とされる脈拍が所定数持続するように、前記生体圧迫装置による前記生体の一部に対する圧迫圧力を制御することにある。

第４発明の要旨とするところは、前記制御装置は、前記超音波断面画像に基づいて前記生体の１脈波周期内において前記生体内の動脈が圧平される脈拍が所定数持続するように前記生体圧迫装置による前記生体の一部に対する圧迫圧力を制御することで前記生体内の動脈にずり応力を与えた後、前記生体圧迫装置による圧迫を解放し、前記超音波断面画像に基づいて前記生体内の動脈の拡径割合を算出することにある。

第５発明の要旨とするところは、前記制御装置は、前記超音波断面画像に基づく前記生体内の血管の形状変化と前記圧迫装置による圧迫圧力の変化との割合から前記生体内の血管の硬さ（スティフネス）を示す指標を算出し、出力することにある。

第６発明の要旨とするところは、前記制御装置は、前記生体内の血管への穿刺に先立って、前記圧迫装置による圧迫圧力を増加させて前記血管を圧平することに基づいて前記血管が静脈であること判定することにある。

第１発明は、（ａ）生体に対する圧迫圧力の変化に対応する前記生体内の臓器の超音波断面画像を測定する超音波断面画像測定装置であって、（ｂ）前記生体の一部に巻回されて前記生体の一部を締めつけるための環状の圧迫帯と、前記圧迫帯の一部において前記生体の一部に密着可能に設けられた超音波透過可能な超音波透過板材と、前記圧迫帯の張力を調節して前記超音波透過板材の前記生体の一部に対する圧迫圧力を変化させることが可能なアクチュエータとを有する生体圧迫装置と、（ｃ）前記超音波透過板材によって閉じられた開口を有し、液体が充填される容器と、（ｄ）前記容器内に収容され、前記超音波透過板材を通して前記生体の一部との間で超音波を授受する超音波プローブと、（ｅ）前記超音波プローブに受信された超音波信号に基づいて前記超音波断面画像を生成する制御装置とを、含むことから、前記生体圧迫装置により圧迫されている前記生体内の断面画像が正確に得られる。すなわち、前記環状の圧迫帯により前記生体の一部が固定されるので体動の影響が回避されるとともに、前記生体圧迫装置の超音波透過板材による生体内の圧迫部位と超音波プローブにより超音波透過板材を通して得られる生体内の断面画像の位置とが一致するので、生体圧迫装置による圧迫圧力に対する生体内の断面画像の形状が、正確に得られる。

第２発明によれば、前記制御装置は、前記超音波断面画像に基づいて前記生体圧迫装置による前記生体の一部に対する圧迫圧力を変化させるものであることから、超音波断面画像中の生体内の血管を所望の形状とするように圧迫圧力を変化させることができる。たとえば、前記制御装置は、前記血管の断面形状に基づいて前記血管を圧平状態すなわち平坦形状に潰された状態を判定し、１拍の脈拍周期の一部または全部が圧平状態内となるように、前記生体圧迫装置による前記生体の一部に対する圧迫圧力を変化させることができる。

第３発明によれば、前記制御装置により、前記生体の血管拡張反応の測定に際して、前記超音波断面画像に基づいて前記生体の１脈波周期の一部において前記生体内の動脈が潰れた状態とされる脈拍が所定数持続するように、前記生体圧迫装置による前記生体の一部に対する圧迫圧力が制御される。これにより、前記生体の動脈内において乱流が脈拍に同期して繰り返し発生させられるので、前記生体の動脈の内皮に対するずり応力の付与が効率よく行われる。たとえば、動脈に対して５分間の阻血した後に解放することによってずり応力が付与される従来のＦＭＤ（血流依存性血管拡張反応）測定に比較して、短時間でずり応力の付与が行われる。これにより、ＦＭＤ測定を短時間で行うことが可能となる。

第４発明によれば、前記制御装置により、前記超音波断面画像に基づいて前記生体の１脈波周期内において前記生体内の動脈が潰される脈拍が所定数持続するように前記生体圧迫装置による前記生体の一部に対する圧迫圧力を制御することで前記生体内の動脈にずり応力が与えられた後、前記生体圧迫装置による圧迫が解放され、前記超音波断面画像に基づいて前記生体内の動脈の拡径割合が算出されることから、ＦＭＤ（血流依存性血管拡張反応）測定が、短時間で実行される。

第５発明によれば、前記制御装置により、前記超音波断面画像に基づく前記生体内の動脈血管の形状変化と前記圧迫装置による圧迫圧力の変化との割合から前記生体内の動脈血管の硬さ（スティフネス）を示す指標が算出され、出力されることから、動脈血管の硬さに基づいた診断が可能となる。たとえば、前記生体内の動脈にずり応力が与えられた後のその動脈の拡径割合と併せることにより、動脈硬化に対する一層正確な診断が可能となる。

第６発明によれば、前記制御装置により、前記生体内の血管への穿刺操作に先立って、前記圧迫装置による圧迫圧力が増加させられて前記血管が潰すことに基づいて前記血管が静脈であることが判定される。これにより、穿刺操作時における血管の誤認が解消されるとともに、穿刺操作中に超音波断面画像から針と静脈との位置が確認されるので、針を静脈に刺す操作が確実且つ容易となる。

本発明の一実施例である動脈血管評価装置を説明する斜視図である。 図１の動脈血管評価装置の測定対象である血管に対する超音波プローブの姿勢を概略的に説明する斜視図である。 図１の動脈血管評価装置の測定対象である血管の多層膜構成を概略的に示す拡大図である。 図１の動脈血管評価装置に備え得られた生体圧迫装置の構成をそれを収容する容器の一部を切り欠いて示すとともに、電子制御装置の機能の要部を機能ブロック線図で説明する図である。 図４の電子制御装置の血管状態評価部の制御機能を詳しく説明する機能ブロック線図である。 図１の動脈血管評価装置において行われる、動脈血管のＦＭＤ評価作動における血管内腔径の変化を例示したタイムチャートである。 図６のずり応力付与期間において、動脈血管の内皮にずり応力を付与するために圧迫圧を変化させる作動を説明する図である。 図６のずり応力付与期間において、動脈血管の内皮にずり応力を付与するために圧迫圧を変化させる他の作動を説明する図である。 図６のずり応力付与期間において、動脈血管の内皮にずり応力を付与するために圧迫圧を変化させる他の作動を説明する図である。 図４の血管状態評価部の動脈判定作動を示す動脈判定ルーチン作動を説明するフローチャートである。 図４の血管状態評価部のＦＭＤ測定作動を示すＦＭＤ測定ルーチン作動を説明するフローチャートである。 図４の血管状態評価部の動脈硬さ測定作動を示す動脈硬さ測定ルーチン作動を説明するフローチャートである。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、生体圧迫装置を有する超音波断面画像測定装置としても機能する動脈血管評価装置１０を示している。動脈血管評価装置１０は、基台１２上に固定され、超音波プローブ１４を収容する密閉容器１６と、密閉容器１６に設けられた生体圧迫装置１８と、基台１２上に固定された表示装置２０と、基台１２の下に配置された電子制御装置２２とを備えている。

図４に詳しく示されるように、密閉容器１６は、側方に開口する開口２４を有し、音響インピーダンスが生体と類似していて超音波透過効率の高い材質たとえば酢酸ビニル系等の有機材料から構成されて超音波透過可能な超音波透過板材２６により開口２４が液密に閉じられている。これにより、音響インピーダンスが生体と類似していて伝搬損失の少ない液体状の超音波媒質たとえばオイル２８が密閉容器１６の内部に充填されている。

図１に戻って、生体圧迫装置１８は、基台１２上に固定され、生体の右上腕２９を載置する上腕載台３０と、基台１２上から水平方向に突設されたブラケット３２上に固定され、生体の右手掌を載置する手掌載置台３６と、可撓性ベルト３８から構成され、密閉容器１６の開口２４の上側開口縁および下側開口縁に可撓性ベルト３８の両端部がそれぞれ取り付けられ圧迫帯４０と、圧迫帯４０の内側に装着され、膨張することにより圧迫帯４０の張力を高める膨張袋４２とを備えている。超音波透過板材２６は、実質的に圧迫帯４０の一部を構成している。生体圧迫装置１８では、生体の右上腕２９が圧迫帯４０により巻回された状態で膨張袋４２が圧縮空気の供給によって膨張させられると、圧迫帯４０の張力が高められると同時に、生体の右上腕２９が超音波透過板材２６に押しつけられ、生体の右上腕２９が超音波透過板材２６によって圧迫されるようになっている。

超音波プローブ１４は、生体の右上腕２９内の動脈血管２９ａに関連する生体情報すなわち血管パラメータを検出するためのセンサとして機能するものであって、図２に示すように、互いに平行な１対の第１短軸用超音波アレイ探触子Ａ及び第２短軸用超音波アレイ探触子Ｂと、それらの長手方向と直交する方向に長手状を成し、それらの長手方向中央部を連結する長軸用超音波アレイ探触子Ｃとを、１平面上すなわち平坦な探触面４４に有するＨ型の超音波プローブである。図４に示されるように、超音波プローブ１４は、ベース部材４６に固定された多軸位置決め装置４８に固定されている。第１短軸用超音波アレイ探触子Ａ、第２短軸用超音波アレイ探触子Ｂ、及び長軸用音波アレイ探触子Ｃは、例えば後述する図２に示すように、圧電セラミックスから構成された多数個の超音波振動子（超音波発振子）ａ１〜ａｎが直線的に配列されることにより長手状にそれぞれ構成されている。

図２は、超音波プローブ１４に互いに平行に設けられた第１短軸用超音波アレイ探触子Ａおよび第２短軸用超音波アレイ探触子Ｂと、それら第１短軸用超音波アレイ探触子Ａおよび第２短軸用超音波アレイ探触子Ｂの長手方向の中央部間にそれらと直交して位置するように設けられた長軸用超音波アレイ探触子Ｃとを示す斜視図である。多軸位置決め装置４８は、第１短軸用超音波アレイ探触子Ａの長手方向と平行でその第１短軸用超音波アレイ探触子Ａの超音波ビーム放射方向に位置し、動脈血管２９ａ又はその付近を通る方向をｙ軸とし、長軸用超音波アレイ探触子Ｃの長手方向と平行でｙ軸と直交する方向をｘ軸とし、第１短軸用超音波アレイ探触子Ａの長手方向と長軸用超音波アレイ探触子Ｃの長手方向との交点を通り且つｘ軸方向およびｙ軸と直交する方向をｚ軸とするとき、超音波プローブ１４は、多軸位置決め装置４８によって、ｙ軸方向に並進可能、且つ、ｙ軸およびｚ軸まわりにそれぞれ回動可能とされている。

図３は、動脈血管評価装置１０の測定対象である動脈血管２９ａの多層膜構成を概略的に示す拡大図である。この図３に示す動脈血管２９ａは、内膜（内皮）Ｌ１、中膜Ｌ２、及び外膜Ｌ３の３層構造を備えている。超音波の反射は、一般に音響インピーダンスの異なる部分で発生することから、超音波を用いた動脈血管２９ａの状態測定において、実際は血管内腔の血液と内膜Ｌ１の境界面、及び中膜Ｌ２と外膜Ｌ３との境界面が白く表示され、組織が白黒の班で表示される。

電子制御装置２２は、ＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつ予めＲＯＭに記憶されたプログラムに従って入力信号を処理するＣＰＵを有する所謂マイクロコンピュータである。電子制御装置２２は、超音波駆動制御回路５０および位置決めモータ駆動回路５２を、備えている。動脈血管評価装置１０による血管状態の測定においては、電子制御装置２２によって超音波駆動制御回路５０から駆動信号が供給されると、超音波プローブ１４の第１短軸用超音波アレイ探触子Ａ、第２短軸用超音波アレイ探触子Ｂ、及び長軸用超音波アレイ探触子Ｃからよく知られたビームフォーミング駆動によりビーム状の超音波が順次放射される。そして、第１短軸用超音波アレイ探触子Ａ、第２短軸用超音波アレイ探触子Ｂ、及び長軸用超音波アレイ探触子Ｃにより超音波の反射信号が検知され、電子制御装置２２へ入力させる。電子制御装置２２へ入力された反射波信号は、検波処理部８２により検波され、超音波信号処理部８４により画像合成可能な情報として処理される。これにより、皮膚下の超音波二次元断面画像が発生させられ、モニタ画面表示装置或いは画像表示装置として機能する表示装置２０に表示される。

多軸位置決め装置４８は、ｙ軸回動モータにより超音波プローブ１４のｙ軸まわりの回動位置を位置決めするｙ軸回動機構と、ｙ軸並進モータにより超音波プローブ１４のｚ軸方向に位置決めするｙ軸並進機構と、ｚ軸回動モータにより超音波プローブ１４のｚ軸まわりの回動位置を位置決めするｚ軸回動機構とを備えている。位置決めモータ駆動回路５２は、ｙ軸回動モータ、ｙ軸並進モータ、およびｚ軸回動モータを、電子制御装置２２からの指令にしたがって制御する。

図４に示すように、電子制御装置２２は、位置決めモータ駆動制御部７８、超音波駆動制御部８０、検波処理部８２、超音波信号処理部８４、圧迫圧制御部８８、血管状態評価部９０、及び表示制御部９２を備えている。これらの制御機能は、電子制御装置２２に機能的に備えられたものであるが、それらの制御機能のうち一部乃至全部が電子制御装置２２とは別体の制御部として構成され、相互に情報の通信を行うことにより以下に詳述する制御を行うものであってもよい。

電子制御装置２２は、超音波プローブ１４から動脈血管２９ａに対して出力される超音波の反射信号に基づいて、血管２９ａの超音波断面画像から血管断面画像を抽出し、その血管断面画像からその長手方向に直交する断面を示す超音波短軸画像を生成し、その超音波短軸画像から内径、内膜厚、プラーク等を測定し、さらにはＦＭＤ（Flow−Mediated Dilation：血流依存性血管拡張反応）の評価を行う。このＦＭＤの評価に際して、表示装置２０は、安静時の動脈血管２９ａの内膜Ｌ１の径ｄａに対するずり応力付与径の内膜の最大径ｄ_ＭＡＸの変化率すなわち内腔径の拡張率Ｒを時系列的に表示する。ＦＭＤの評価及び動脈血管２９ａの超音波画像の生成等に際しては、超音波プローブ１２は、測定対象である動脈血管２９ａ上の皮膚に対して繰り返し走査される。

電子制御装置２２による動脈２０の血管状態の測定においては、超音波プローブ１４は、前記生体における上腕２９の皮膚の上からその皮膚直下に位置する動脈血管２９ａに対して超音波透過板材２６を通して超音波信号を放射し、その反射波を受信する。この状態で、位置決めモータ駆動制御部７８は、第１短軸用超音波アレイ探触子Ａにより受信された超音波反射信号から超音波信号処理部８４により生成された動脈血管２９ａの第１短軸断面画像の位置、第２短軸用超音波アレイ探触子Ｂにより受信された超音波反射信号から超音波信号処理部８４により生成された動脈血管２９ａの第２短軸断面画像の位置、長軸用超音波アレイ探触子Ｃにより受信された超音波反射信号から超音波信号処理部８４により生成された動脈血管２９ａの長軸断面画像の位置に基づいて、動脈血管２９ａが第１短軸用超音波アレイ探触子Ａおよび第２短軸用超音波アレイ探触子Ｂの長手方向の中央部下に位置し、且つ長軸用超音波アレイ探触子Ｃと動脈血管２９ａとが平行となるように、超音波プローブ１４を自動的に位置決めする。

超音波信号処理部８４は、動脈血管２９ａと他の組織との伝播速度差によりそれらの境界から反射される超音波反射信号間の時間差処理等を行って、第１短軸用超音波アレイ探触子Ａ直下の超音波二次元画像である第１短軸断面画像、第２短軸用超音波アレイ探触子Ｂ直下の超音波二次元画像である第２短軸断面画像、及び長軸用超音波アレイ探触子Ｃ直下の超音波二次元画像である長軸断面画像から成る画像データを所定の周期で繰り返し生成するとともに、その画像データを順次記憶する。

膨張することにより圧迫帯４０の張力を高める膨張袋４２は、図１に示すように、電子制御装置２２に備えられた圧迫圧制御部８８により空気ポンプ５８及び圧力制御弁６０等が制御されることにより実行される。例えば、電子制御装置２２からの指令に従って、空気ポンプ５８からの元圧が圧力制御弁６０で制御され、上腕２９に巻回された圧迫帯４０の膨張袋４２に供給される。具体的には、膨張袋４２内の圧力が昇圧させられることで、上腕２９内の動脈血管２９ａが圧迫される。本実施例では、圧迫帯４０の一部が超音波透過板材２６により構成されており、超音波プローブ１４によりその超音波透過板材２６を通して上記上腕２９内の動脈血管２９ａの圧迫部位に対して超音波信号の授受が行われるので、動脈血管２９ａの被圧迫部位の断面画像が得られるようになっている。

血管状態評価部９０は、図５に示すように、血管形状算出部１００、血管拡張率測定制御部１０２、血管硬さ測定制御部１０４を、備えている。血管形状算出部１００は、上記のようにして生成される動脈血管２９ａの断面画像から、その動脈血管２９ａの外径、壁圧、或いは内皮Ｌ１の直径である内皮径（内腔径）ｄ１等を算出する。

血管形状算出部１００は、圧迫圧制御部８８により静脈圧よりも高く且つ最低血圧値Ｐｄよりも低い圧で上腕２９を圧迫させたとき、超音波断面画像中に存在する複数個の管状臓器を示す画像のうちで潰れない管状臓器を、動脈血管２９ａとして判定し、超音波断面画像中で特定する処理を行う。これにより特定された動脈血管２９ａについて、後述のように、動脈血管２９ａの径、動脈血管２９ａの内皮Ｌ１の直径である内皮径（内腔径）ｄ１、虚血反応性充血後のＦＭＤ（血流依存性血管拡張反応）を表す動脈血管２９ａの血管内腔径の拡張率（変化率）Ｒ（％）、生体の最高血圧値Ｐｓおよび最低血圧値Ｐｄ、動脈血管２９ａの硬さを表すスティフネスパラメータβ等の測定が行われる。このような動脈特定画像処理は、穿刺に際しても有用である。

血管拡張率測定制御部１０２は、上腕２９に巻回された圧迫帯４０により動脈血管２９ａの内皮Ｌ１に対して血流を利用したずり応力を付与した後に、血流依存性血管拡張反応により一時的に拡大する内皮径（内腔径）ｄ１等を逐次算出し、ずり応力付与後のＦＭＤ（血流依存性血管拡張反応）を表す血管内腔径の拡張率（変化率）Ｒ（％）［＝１００×（ｄ_ＭＡＸ−ｄａ）／ｄａ］を算出する。この式における「ｄａ」は、安静時の血管内腔径（ベース径、安静径）を示している。血管状態評価部９０は、ずり応力付与後のＦＭＤ（血流依存性血管拡張反応）を表す血管内腔径の拡張率（変化率）Ｒの測定装置としても機能している。

血管拡張率測定制御部１０２による上記動脈血管２９ａの拡張率（変化率）Ｒ（％）の測定では、生体１４における測定部位例えば上腕２９が生体圧迫装置１８の圧迫帯４０によりにより圧迫されて動脈血管２９ａの内皮Ｌ１に対して血流を利用したずり応力を付与されることで、血管壁の内皮Ｌ１へのずり応力増加に伴う内皮からの一酸化窒素（ＮＯ）の産生が起こり、その一酸化窒素に依存する平滑筋の弛緩状況が内皮径（内腔径）ｄ１を調べることで動脈血管２９ａの内皮機能の判定が行われる。

図６は、血管拡張率測定制御部１０２による動脈血管２９ａのＦＭＤ評価における、阻血（駆血）開放後の血管内腔径ｄ１の変化を例示したタイムチャートである。この図６においては、時点ｔ０までが安静期間、時点ｔ０から時点ｔ１までがずり応力付与期間、時点ｔ１以降がずり応力付与後の血流依存性血管拡張反応の測定期間を表しており、時点ｔ２から血管内腔径ｄ１が拡張し始め、時点ｔ３で血管内腔径ｄ１がその最大値ｄ_ＭＡＸに達していることが示されている。従って、電子制御装置２２が算出する血管内腔径ｄ１の拡張率Ｒは、時点ｔ３で最大になる。

ここで、上記のような上腕動脈２９ａのＦＭＤ評価に際して血管拡張反応を発生させるために、従来では、上腕動脈２９ａの超音波断面画像を計測する部位よりも上流側位置または下流側位置をカフ等を用いて最高血圧値よりもたとえば５０ｍｍＨｇ程度高い圧力で所定時間たとえば５分間圧迫（阻血）した後にたとえば０．６秒程度で大気圧まで急解放することでそれまで零であった血流が開始されることにより上腕動脈２９ａにずり応力の付与が行われていた。このような従来の方法では、被測定者に最高血圧値よりもかなり高い圧力での５分間の圧迫による苦痛を強いることとなっていた。しかし、本実施例の血管拡張率測定制御部１０２は、上腕動脈２９ａの超音波断面画像において、１脈波周期の一部たとえば最低血圧Ｐｄのタイミング付近で上腕動脈２９ａの潰れた状態たとえば上腕動脈２９ａの断面が閉じられた閉塞状態（たとえば平坦に圧迫されて閉じられた圧平状態）或いは上腕動脈２９ａの断面が閉じられないまでも断面が局所的に狭窄された状態が超音波断面画像から観察或いは判定されるように膨張袋４２による上腕動脈２９ａへの所定の圧迫圧力を所定時間Ｔ１の間或いは所定脈拍数の間維持するように調圧することで、脈拍毎の上腕動脈２９ａの開閉でずり応力の付与を繰り返すので、ずり応力の付与を従来よりも低い圧力で且つ短期間で行うようになっている。

上記の所定の圧迫圧力は、脈拍毎の動脈血管２９ａの開閉に伴う血液の乱流の繰り返しの発生によって効率的にずり応力を内皮Ｌ１に付与するずり応力付与圧と称されるべきものであり、１脈波周期の一部たとえば最低血圧Ｐｄのタイミング付近で動脈血管２９ａの潰れた状態となるように、最高血圧値よりも低く且つ最低血圧値よりも高い圧力範囲Ｐ１内に設定される。また、上記所定時間Ｔ１或いは上記所定脈拍数は、動脈血管２９ａのＦＭＤ評価に際して血管拡張反応を発生させるために必要且つ十分な値に、たとえば実験的値に基づいて設定される。上記所定時間Ｔ１或いは上記所定脈拍数は、たとえば数拍乃至数十拍、好適には１０拍乃至十数拍、或いは数秒乃至数十秒、好適には１０秒乃至十数秒に設定される。上記所定の圧迫圧力は、たとえば図７に示されるようにその所定の圧力範囲Ｐ１内に設定された一定値に上記所定時間Ｔ１の間で維持されるように制御されてもよいが、たとえば図８或いは図９に示されるように、たとえば５〜６ｍｍＨｇ／ｓｅｃ程度での上昇過程或いは減少過程でその所定の圧力範囲Ｐ１を上記所定時間Ｔ１で通過させるように制御されてもよい。要するに、動脈血管２９ａのＦＭＤ評価に際して血管拡張反応を発生させるためには、生体圧迫装置１８による圧迫は、所定の所定時間Ｔ１で、１脈波周期内の一部で動脈血管２９ａが潰された区間を有する拍動となるように所定の圧力範囲Ｐ１内に制御されればよい。

圧迫圧制御部８８は、膨張袋４２の圧力を検出する圧力センサ６４からの信号に応じてその圧迫圧を検出する。そして、図６においては、例えば、圧迫圧制御部８８は、ずり応力付与期間完了前の所定時間Ｔ１すなわち時点ｔ１前の所定時間Ｔ１にわたって圧迫圧（圧迫圧力）を前記所定範囲の圧力値Ｐ１であるずり応力付与圧で圧迫し、時点ｔ１において圧迫圧を直ちに大気圧にまで減圧する。圧迫圧制御部８８は、ずり応力付与制御部としても機能している。

図５に戻って、血管硬さ測定制御部１０４は、まず、超音波信号処理部８４により生成された超音波断面画像内に示される生体の動脈血管２９ａの形状と、圧迫圧制御部８８による圧迫後とから生体の最高血圧値Ｐｓおよび最低血圧値Ｐｄを決定する。すなわち、血管硬さ測定制御部１０４は、生体の最高血圧値Ｐｓより高く設定された昇圧値まで圧迫圧を上昇させた後、所定の減圧速度たとえば３〜６ｍｍＨｇ／ｓｅｃで圧迫圧を減少させる過程で、超音波断面画像内に示される生体の動脈血管２９ａの断面が１脈波周期内で開かれた脈波の発生時点の圧迫圧を最高血圧値Ｐｓとして決定するとともに、動脈血管２９ａの断面が１脈波周期内で閉じられなくなった時点の圧迫圧を最低血圧値Ｐｄとして決定し、最高血圧値Ｐｓの決定時点の動脈血管２９ａの血管径Ｄｓおよび最低血圧値Ｐｄ決定時点の動脈血管２９ａの血管径Ｄｄを、最高血圧値Ｐｓおよび最低血圧値Ｐｄと共に記憶する。

次いで、血管硬さ測定制御部１０４は、動脈血管２９ａの硬さを表すスティフネスパラメータβを求める予め記憶された次式（スティフネスパラメータ算出式）から、最高血圧値Ｐｓの決定時点の動脈血管２９ａの血管径Ｄｓ、最低血圧値Ｐｄ決定時点の動脈血管２９ａの血管径Ｄｄ、最高血圧値Ｐｓ、および最低血圧値Ｐｄに基づいて、スティフネスパラメータβを算出する。
β＝（ｌｎＰｓ−ｌｎＰｄ）／（（Ｄｓ−Ｄｄ）／Ｄ０）

上式スティフネスパラメータ算出式のＤ０は、本来は無印加時の血管径であるべきであるが臨床的には計測ができないため、臨床指標として使われる場合には、血管壁厚を含む血管径（＝Ｄｄ＋２ＩＭＴ）が用いられる。このＩＭＴは、たとえば内膜および中膜の複合体の厚みである。

一般に、血管径Ｄを表す軸と血圧Ｐを表す軸との二次元座標では血圧Ｐの増加に対して血管径Ｄの増加が飽和する非線形の関係であるが、その二次元座標において血圧Ｐを表す軸を血圧の対数値ｌｎＰを表す軸に置換した片対数グラフにて表すと、線形な関係で表すことができる。この線形な関係において、血管径Ｄの変化率ΔＤと血圧Ｐの変化量ΔＰで成り立つ弾性率Ｅｐの式（Ｅｐ＝ΔＰ／２（ΔＤ／Ｄ）において、ΔＰの代わりに（ｌｎＰｓ−ｌｎＰｄ）を用いた関係において、弾性率Ｅｐに替わる指標としたのが、スティフネスパラメータβである。前記スティフネスパラメータ算出式は、上記の関係から導かれたものである。

表示制御部９２は、血管状態評価部９０において算出された動脈血管２９ａの径、内皮７０の直径である内皮径（内腔径）ｄ１、虚血反応性充血後のＦＭＤ（血流依存性血管拡張反応）を表す動脈血管２９ａの血管内腔径の拡張率（変化率）Ｒ（％）、生体の最高血圧値Ｐｓおよび最低血圧値Ｐｄ、動脈血管２９ａの硬さを表すスティフネスパラメータβ等を、画像表示装置２０に表示させる。

図１０、図１１および図１２は、電子制御装置２２の制御作動の要部を説明するフローチャートであり、図１０は血管状態評価部９０に対応する動脈判定ルーチン、図１１は血管状態評価部９０に対応するＦＭＤ測定ルーチン、図１２は血管状態評価部９０に対応する動脈硬さ測定ルーチンを、それぞれ示している。上記動脈判定ルーチン、ＦＭＤ測定ルーチン、動脈硬さ測定ルーチンは、動脈血管評価装置１０の起動操作に連動して実行されてもよいが、個別の起動操作に応答して実行されてもよい。

動脈血管判定部１００に対応する図１０の動脈判定ルーチンにおいて、ステップＳ１（以下、ステップを省略する）では、圧迫圧制御部８８により静脈圧よりも高く且つ最低血圧値Ｐｄよりも低い圧で上腕２９が圧迫される。次いで、Ｓ２では、超音波断面画像中に存在する複数個の管状臓器を示す画像のうちで潰れる管状臓器があるか否かが判断される。Ｓ２の判断が肯定される場合は、Ｓ３において、つぶれのある管状臓器を除き、つぶれのない管状臓器を動脈血管２９ａとして判定し、超音波断面画像中で特定する処理を行う。また、Ｓ２の判断が否定される場合は、Ｓ４において、つぶれのない管状臓器を動脈血管２９ａとして判定し、超音波断面画像中で特定する処理を行う。これにより特定された動脈血管２９ａについて、動脈血管２９ａの径、動脈血管２９ａの内皮Ｌ１の直径である内皮径（内腔径）ｄ１、虚血反応性充血後のＦＭＤ（血流依存性血管拡張反応）を表す動脈血管２９ａの血管内腔径の拡張率（変化率）Ｒ（％）、生体の最高血圧値Ｐｓおよび最低血圧値Ｐｄ、動脈血管２９ａの硬さを表すスティフネスパラメータβ等の測定が行われる。

血管状態評価部９０に対応する図１１のＦＭＤ測定ルーチンにおいて、Ｓ１１では、超音波信号処理部８４により得られた超音波断面画像中の動脈として特定された画像から、たとえばテンプレートなどを用いて動脈血管２９ａの断面画像が抽出される。

Ｓ１２では、上記Ｓ１１で抽出された動脈血管２９ａの横断面画像から、動脈２９の径たとえば内皮Ｌ１の内径である内皮径（内腔径）ｄ１が測定される。そして、Ｓ１３では、Ｓ１２で測定された内皮径（内腔径）ｄ１が安静時の内腔径ｄａとして記憶される。図６の時点ｔ０はこの状態を示している。

次いで、Ｓ１４では、動脈血管２９ａの開閉の繰り返しに伴う血液の乱流の発生によって効率的にずり応力を内皮Ｌ１に付与できるずり応力付与圧となるように、生体圧迫装置１８による圧迫により上腕２９が圧迫されて、上腕２９内の動脈血管２９ａに対して血流に基づくずり応力の付与が開始される。図６の時点ｔ０はこの状態を示している。このずり応力の付与は、たとえば数拍乃至数十拍或いは数秒乃至数十秒の所定時間Ｔ１で、１脈波周期内で動脈血管２９ａが圧平された（平坦に閉じられた）区間を有する拍動となるように、生体圧迫装置１８による圧迫圧が、所定の圧力範囲Ｐ１内に制御される。たとえば図７に示されるようにその所定の圧力範囲Ｐ１内に設定された一定値に上記所定時間Ｔ１内に維持されるように制御されてもよいが、たとえば図８或いは図９に示されるように、たとえば５〜６ｍｍＨｇ／ｓｅｃ程度での上昇過程或いは減少過程でその所定の圧力範囲Ｐ１を上記所定時間Ｔ１で通過させるように制御されてもよい。

次いで、Ｓ１５において、上記ずり応力の付与開始から所定時間Ｔ１が経過したか否かが判断される。このＳ１５の判断が否定されるうちはＳ１４以下が繰り返し実行されるが、Ｓ１５の判断が肯定されると、Ｓ１６において、Ｓ１１と同様の動脈血管断面検出制御ルーチンが実行される。上記のように、繰り返し開閉される動脈血管２９ａ内の血流に繰り返し乱流が発生して測定部位の血管２９ａの内皮Ｌ１に繰り返しずり応力が付与される。これにより、動脈血管２９ａの内皮Ｌ１からの一酸化窒素（ＮＯ）の産生が起こり、その一酸化窒素に依存する平滑筋の弛緩によって動脈血管２９ａの内皮径の一時的増加現象が発生する。

この状態において、Ｓ１６では、Ｓ１１と同様の動脈血管断面検出制御ルーチンが、所定の周期で繰り返される超音波プローブ１２の走査毎に実行される。そして、Ｓ１７では、Ｓ１２と同様に、Ｓ１６で生成された動脈血管２９ａの横断面画像から、動脈血管２９ａの径たとえば内皮Ｌ１の直径である内皮径（内腔径）ｄ１が、上記走査毎に測定され、順次測定された内皮径（内腔径）ｄ１が止血解放後の内腔径ｄ１として逐次記憶される。図６の時点ｔ１以降はこの状態を示している。この止血解放後の内腔径ｄ１の測定は、Ｓ１８において止血解放後の動脈血管２９ａの内腔径ｄが、図６の時点ｔ３に示すように最大値ｄ_ＭＡＸに到達すると判断されるまで、Ｓ１６以下が繰り返し実行される。

しかし、Ｓ１８において、ずり応力付与後の動脈血管２９ａの内腔径ｄが最大値ｄ_ＭＡＸに到達したと判断されると、Ｓ１９において、Ｓ１８において判定された最大値ｄ_ＭＡＸとＳ１３において求められた安静時の動脈血管２９ａの内皮Ｌ１の直径である内腔径ｄａとに基づいて、動脈血管２９ａの内皮機能を評価するための虚血反応性充血後のＦＭＤ（血流依存性血管拡張反応）を表す血管内腔径の拡張率（変化率）Ｒ（％）［＝１００×（ｄ_ＭＡＸ−ｄａ）／ｄａ］が算出され、表示制御部９２によってが、表示装置２０に表示される。

血管硬さ測定制御部１０４に対応する図１２の動脈硬さ測定ルーチンにおいて、Ｓ２０では、生体圧迫装置１８により生体の血管が１脈波周期内で完全に圧平する圧力よりも高い圧力まで上腕２９に対する圧迫圧が高められた後、その圧迫圧が所定の速度たとえば３〜６ｍｍＨｇ／ｓｅｃで圧迫圧を減少させる過程で、超音波断面画像内に示される生体の動脈血管２９ａの断面が１脈波周期内で開かれた最初の脈波の発生時点の圧迫圧が最高血圧値Ｐｓとして決定されるとともに、動脈血管２９ａの断面が１脈波周期内で閉じられなくなったときの脈波の発生時点の圧迫圧が最低血圧値Ｐｄとして決定された後、圧迫圧が解放される。次いで、Ｓ２１では、上記最高血圧値Ｐｓが決定された時点の動脈血管２９ａの血管径Ｄｓおよび最低血圧値Ｐｄが決定された時点の動脈血管２９ａの血管径Ｄｄが、超音波断面画像内に示される生体の動脈血管２９ａの断面が測定される。次に、Ｓ２２において、血圧測定が完了したか否かが判断される。このＳ２２の判断が否定さえるうちは、Ｓ２０以下が繰り返し実行されるが、肯定される場合は、Ｓ２３において、最高血圧値Ｐｓが決定された時点の動脈血管２９ａの血管径Ｄｓおよび最低血圧値Ｐｄが決定された時点の動脈血管２９ａの血管径Ｄｄが、最高血圧値Ｐｓおよび最低血圧値Ｐｄと共に記憶される。

次に、Ｓ２４では、前述のスティフネスパラメータ算出式）から、前述のＳ２３において記憶された、最高血圧値Ｐｓが決定された時点の動脈血管２９ａの血管径Ｄｓおよび最低血圧値Ｐｄが決定された時点の動脈血管２９ａの血管径Ｄｄと、最高血圧値Ｐｓおよび最低血圧値Ｐｄとに基づいて、動脈血管２９ａの硬さに対応するスティフネスパラメータβが、算出される。そして、Ｓ２５では、そのスティフネスパラメータβが、表示装置２０に表示される。

上述のように、本実施例の動脈血管評価装置１０は、上腕２９の一部に巻回されてその上腕２９の一部を締めつけるための環状の圧迫帯４０とその圧迫帯４０の一部において上腕２９の一部に密着可能に設けられた超音波透過板材２６とその圧迫帯４０の張力を調節して板材２６の上腕２９に対する圧迫圧力を変化させることが可能な膨張袋（アクチュエータ）４２とを有する生体圧迫装置１８と、超音波透過板材２６によって閉じられた開口２４を有し、オイル２８が充填される密閉容器１６と、密閉容器１６内に収容され、超音波透過板材２６を通して上腕動脈２９ａとの間で超音波を授受する超音波プローブ１４と、超音波プローブ１４に受信された超音波信号に基づいて超音波断面画像を生成する超音波信号処理部８４とを、含む超音波断面画像測定装置を備えており、この超音波断面画像測定装置によれば、生体圧迫装置１８により圧迫されている上腕２９内の断面画像が正確に得られる。すなわち、環状の圧迫帯４０により上腕２０の一部が固定されるので体動の影響が回避されるとともに、生体圧迫装置１８の超音波透過板材２６による上腕２９の圧迫部位と超音波プローブ１４により超音波透過板材２６を通して得られる上腕２９内の断面画像の位置とが一致するので、生体圧迫装置１８による圧迫圧力に対する上腕２９内の断面画像の形状が、正確に得られる。

また、本実施例の動脈血管評価装置１０では、電子制御装置２２は、超音波断面画像に基づいて生体圧迫装置１８による上腕２９の一部に対する圧迫圧力を変化させるものであることから、超音波断面画像中の上腕２９内の動脈血管２９ａを所望の形状とするように圧迫圧力を変化させることができる。たとえば、電子制御装置２２は、動脈血管２９ａの断面形状に基づいてその動脈血管２９ａを圧平状態すなわち平坦形状に潰された状態を判定し、１拍の脈拍周期の一部または全部が圧平状態となるように、生体圧迫装置１８による上腕２９の一部に対する圧迫圧力を変化させることができる。

また、本実施例の動脈血管評価装置１０では、電子制御装置２２により、上腕２０内の動脈血管２９ａの血管拡張反応の測定に際して、超音波断面画像に基づいて上腕２０内の動脈血管２９ａの１脈波周期の一部において上腕動脈２９ａが潰れた状態たとえば圧平状態とされる脈拍が所定数持続するように、生体圧迫装置１８による上腕２９に対する圧迫圧力が制御される。これにより、上腕動脈２９ａ内において乱流が脈拍に同期して繰り返し発生させられるので、上腕動脈２９ａの内皮Ｌ１に対するずり応力の付与が効率よく行われる。たとえば、上腕動脈２９ａに対して５分間の阻血した後に解放することによってずり応力が付与される従来のＦＭＤ（血流依存性血管拡張反応）測定に比較して、短時間でずり応力の付与が行われる。これにより、ＦＭＤ測定を短時間で行うことが可能となる。

また、本実施例の動脈血管評価装置１０では、電子制御装置２２により、超音波断面画像に基づいて上腕動脈２９ａの１脈波周期内において上腕２９内の上腕動脈２９ａが圧平される脈拍がたとえば所定数或いは所定時間持続するように生体圧迫装置１８による上腕２９に対する圧迫圧力を制御することで上腕動脈２９ａにずり応力が与えられた後、生体圧迫装置１８による圧迫が解放され、超音波断面画像に基づいて上腕動脈２９ａの拡径割合（内腔径の拡張率Ｒ）が算出されることから、ＦＭＤ（血流依存性血管拡張反応）測定が、短時間で実行される。

また、本実施例の動脈血管評価装置１０では、電子制御装置２２により、超音波断面画像に基づく上腕２９内の上腕動脈２９ａの形状変化と生体圧迫装置１８による圧迫圧力の変化との割合から上腕動脈２９ａの血管の硬さ（スティフネス）を示す指標が算出され、出力されることから、上腕動脈２９ａの血管の硬さに基づいた診断が可能となる。たとえば、上腕動脈２９ａにずり応力が与えられた後のその動脈の拡径割合（内腔径の拡張率Ｒ）と併せることにより、動脈硬化に対する一層正確な診断が可能となる。

また、本実施例の動脈血管評価装置１０では、電子制御装置２２により、動脈血管２９ａへの穿刺操作に先立って、生体圧迫装置１８による圧迫圧が増加させられて動脈血管が圧平されることに基づいて上腕２９内の複数の管状臓器のうちの一部が動脈或いは静脈であることが判定される。これにより、穿刺操作時における血管の誤認が解消されるとともに、穿刺操作中に超音波断面画像から針と静脈との位置が確認されるので、針を静脈に刺す操作が確実且つ容易となる。特に、上記静脈が中心静脈であるときに有効である。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例において、前述の密閉容器１６は、充填されたオイル２８がもれないように密閉されたものであったが、密閉容器１６内に空間が形成されるようにオイル２８が充填されるようにしてもよい。また、密閉容器１６に替えて、たとえばオイル２８の漏れを抑止し且つ内圧と外圧とを同じにするための空気通路を形成するブリーザプラグ等を有する開放型の容器が用いられてもよい。

また、前述の実施例において、生体圧迫装置１８は上腕２９の一部に対して圧迫を加えるものであったが、生体の前腕や、生体の大腿部のような下肢等に対して圧迫を加えるものであってもよい。

また、前述の超音波プローブ１４は、互いに平行な２列の第１短軸用超音波アレイ探触子Ａ及び第２短軸用超音波アレイ探触子Ｂと、それらの長手方向中央部を連結する長軸用超音波アレイ探触子Ｃとを一平面に有して成るＨ型のハイブリッド型の超音波プローブであったが、一平面内において長手方向が交差する少なくとも一対の超音波アレイ探触子を有するものであればよい。上記一対の超音波アレイ探触子の交差角は、直角が好ましいが、やや計算が複雑となることが許容される場合には、必ずしも直角でなくてもよい。

また、前述の実施例の動脈血管評価装置１０では、上腕動脈２９ａの形状が測定されていたが、静脈やリンパ管などの管状臓器の形状を測定するものであってもよい。

また、前述の実施例の圧迫帯４０には、膨張袋４２がアクチュエータとして備えられていたが、それに替えて、エヤーシリンダやモータなどのアクチュエータが備えられていてもよい。

以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。

１０：動脈血管評価装置（超音波断面画像測定装置）
１２：基台
１４：超音波プローブ
１６：密閉容器（容器）
１８：生体圧迫装置
２０：表示装置
２２：電子制御装置（制御装置）
２４：開口
２６：超音波透過板材
２８：オイル（液体）
２９：上腕（生体）
２９ａ：動脈血管
３０：上腕載台
３２：ブラケット
３６：手掌載置台
３８：可撓性ベルト
４０：圧迫帯
４２：膨張袋（アクチュエータ）
４４：探触面
４６：ベース部材
４８：多軸位置決め装置
５２：位置決めモータ駆動回路
５８：空気ポンプ
６０：圧力制御弁
６４：圧力センサ
７８：位置決めモータ駆動制御部
８０：超音波駆動制御部
８２：検波処理部
８４：超音波信号処理部
８８：圧迫圧制御部
９０：血管状態評価部
９２：表示制御部
１００：血管形状算出部
１０２：血管拡張率測定部
１０４：血管硬さ測定部
Ａ：第１短軸用超音波アレイ探触子
Ｂ：第２短軸用超音波アレイ探触子
Ｃ：長軸用超音波アレイ探触子

Claims (6)

1. 生体に対する圧迫圧力の変化に対応する前記生体内の超音波断面画像を測定する超音波断面画像測定装置であって、
   前記生体の一部に巻回されて前記生体の一部を締めつけるための環状の圧迫帯と、前記圧迫帯の一部において前記生体の一部に密着可能に設けられた超音波透過可能な超音波透過板材と、前記圧迫帯の張力を調節して前記超音波透過板材の前記生体の一部に対する圧迫圧力を変化させることが可能なアクチュエータとを有する生体圧迫装置と、
   前記超音波透過板材によってふさがれた開口を有し、液体が充填される容器と、
   前記容器内に収容され、前記超音波透過板材を通して前記生体の一部との間で超音波を授受する超音波プローブと、
   前記超音波プローブに受信された超音波信号に基づいて前記超音波断面画像を生成する制御装置とを、含む
   ことを特徴とする超音波断面画像測定装置。
2. 前記制御装置は、前記超音波断面画像に基づいて前記生体圧迫装置による前記生体の一部に対する圧迫圧力を変化させる
   ことを特徴とする請求項１の超音波断面画像測定装置。
3. 前記制御装置は、前記生体の血管拡張反応の測定に際して、前記超音波断面画像に基づいて前記生体の１脈波周期の一部において前記生体内の動脈が潰れた状態とされる脈拍が所定数持続するように、前記生体圧迫装置による前記生体の一部に対する圧迫圧力を制御する
   ことを特徴とする請求項１または２の超音波断面画像測定装置。
4. 前記制御装置は、前記超音波断面画像に基づいて前記生体の１脈波周期内において前記生体内の動脈が潰される脈拍が所定数持続するように前記生体圧迫装置による前記生体の一部に対する圧迫圧力を制御することで前記生体内の動脈にずり応力を与えた後、前記生体圧迫装置による圧迫を解放し、前記超音波断面画像に基づいて前記生体内の動脈の拡径割合を算出する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項の超音波断面画像測定装置。
5. 前記制御装置は、前記超音波断面画像に基づく前記生体内の血管の形状変化と前記圧迫装置による圧迫圧力の変化との割合から前記生体内の血管の硬さを示す指標を算出し、出力する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の超音波断面画像測定装置。
6. 前記制御装置は、前記生体内の血管への穿刺に先立って、前記圧迫装置による圧迫圧力を増加させて前記血管を潰すことに基づいて前記血管が静脈であること判定する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項の超音波断面画像測定装置。

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