JP6989192B1

JP6989192B1 - 動脈硬化計測装置、動脈硬化計測プログラム、及び、動脈硬化計測装置の作動方法

Info

Publication number: JP6989192B1
Application number: JP2021123374A
Authority: JP
Inventors: 一也飯永
Original assignee: MEDICAL PHOTONICS CO., LTD.
Current assignee: MEDICAL PHOTONICS CO., LTD.
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2041-07-28
Also published as: WO2022138904A1; JP2022101441A

Abstract

【課題】動脈硬化や動脈瘤の検査をすることが可能な装置を提供する。【解決手段】被検体へ光を照射する照射部と、被検体から放出された光を受光して、受光強度を検出する受光部と、受光強度の時間変化による波形を微分して微分波形を算出し、微分波形に周期的なピークがない場合には、健常者と判定し、微分波形に周期的な下向きのピークがある場合には、頸動脈肥厚と判定し、微分波形に周期的な上向きのピークがある場合には、動脈瘤と判定する制御部と、を有する。【選択図】図１

Description

この明細書に記載の実施形態は、動脈硬化計測装置、動脈硬化計測プログラム、及び、動脈硬化計測装置の作動方法に関する。

従来の血流データに基づく動脈硬化診断方法は、流速や血圧などといった、絶対値としての計測データが必要であった（例えば、特許文献１参照）。

特開2020-120839号公報

絶対値計測は、測定結果の信頼性を得るためには重要な情報であるが、一方で、非侵襲的に計測する場合において、超音波を用いるなどの計測湯法の限定や、装置の高額化が課題となるケースも多くみられる。

また、動脈硬化などの血管の性状をPWVなどが用いられる。これは、脈波伝搬速度から動脈の硬さを計測するものである。この脈波伝搬速度計測では、詳細な波形解析や絶対値としての計測値を用いることで、その診断制度を高めてきた。

しかしながら、このように高精度な性能を追求することにより、一般家庭でも安価かつ簡便に使える装置ではなくなってしまったのも事実である。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされた発明であって、絶対値計測を用いずとも、動脈硬化や動脈瘤の検査を可能とする装置、プログラム、及び、装置の作動方法を提供するものである。

本発明の動脈硬化計測装置は、被検体へ光を照射する照射部と、被検体から放出された光を受光して、受光強度を検出する受光部と、受光強度の時間変化による波形を微分して微分波形を算出し、所定の分析区間における微分波形の波形微分値の平均値と標準偏差を算出し、波形微分値の平均値から標準偏差の所定倍を引いた値以下であり、所定の周期で存在する波形微分値がある場合には、頸動脈肥厚と判定し、波形微分値の平均値に標準偏差の所定倍を加えた値以上であり、所定の周期で存在する波形微分値がある場合には、動脈瘤と判定する制御部と、を有する。

本発明の動脈硬化計測プログラムは、コンピュータに、被検体へ光を照射する処理と、被検体から放出された光を受光して、受光強度を検出する処理と、受光強度の時間変化による波形を微分して微分波形を算出する処理と、所定の分析区間における微分波形の波形微分値の平均値と標準偏差を算出する処理と、波形微分値の平均値から標準偏差の所定倍を引いた値以下であり、所定の周期で存在する波形微分値がある場合には、頸動脈肥厚と判定する処理と、波形微分値の平均値に標準偏差の所定倍を加えた値以上であり、所定の周期で存在する波形微分値がある場合には、動脈瘤と判定する処理とを実行させる。

本発明の動脈硬化計測装置の作動方法は、被検体へ光を照射し、被検体から放出された光を受光して、受光強度を検出し、受光強度の時間変化による波形を微分して微分波形を算出し、所定の分析区間における微分波形の波形微分値の平均値と標準偏差を算出し、波形微分値の平均値から標準偏差の所定倍を引いた値以下であり、所定の周期で存在する波形微分値がある場合には、頸動脈肥厚と判定し、波形微分値の平均値に標準偏差の所定倍を加えた値以上であり、所定の周期で存在する波形微分値がある場合には、動脈瘤と判定する。

動脈硬化計測装置の概略図動脈硬化計測装置のブロック図３症例の受光強度の時間変化の測定結果の図健常者の場合の受光強度の時間変化の図健常者の場合の波形を微分処理した図頸動脈肥厚がある場合の受光強度の時間変化の図頸動脈肥厚がある場合の波形を微分処理した図動脈瘤がある場合の受光強度の時間変化の図動脈瘤がある場合の波形を微分処理した図実施形態の動脈硬化計測装置の作動方法のフローチャート

以下に実施形態を図面を用いて説明する。

図１は、実施形態の動脈硬化計測装置１の構成例を概略的に示す図である。図１に示すように動脈硬化計測装置１は、照射部２、受光部３、及び、制御部４を有する。また、照射部２による生体（被検体）上の照射位置を照射位置２１とし、受光部３による生体上の受光位置を受光位置３１とする。

照射部２は照射光を生体に照射する。照射部２は、制御部４により、照射する光の波長や照射強度が制御されてもよい。実施形態では、照射部２はLED（Light Emitting Diode）（810nm）である。

実施形態の照射部２は、光の連続的な照射や光のパルス状の照射等の光を照射する時間の長さを任意に調整することができる。

照射部２は、波長が固定された光源を用いてもよい。照射部２は、波長が異なる複数の光源あるいは複数の波長の光を混合したものであってもよい。照射部２は、例えば、蛍光灯、LED、レーザー、白熱灯、HID、ハロゲンランプ等である。照射部２の照度は、制御部４により制御されてもよい。

実施形態の受光部３は、受光位置３１において生体内から生体外に放出される光を受光して、光強度を検出する。実施形態の受光部３は、フォトダイオードである。受光部３は、フォトダイオードに限られず、CCDやCMOSでもよい。受光部３は、波長を可入射波長に設定し、その波長を受光できるものでもよい。実施形態では、受光部３にフォトダイオードを用い、サンプリングレートは２ｍｓに設定した。

次に、動脈硬化計測装置１の制御系の構成について説明する。図２は実施形態の動脈硬化計測装置１のブロック図である。システムバス１４２を介して、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１４３、ＲＡＭ（Random Access Memory）１４４、記憶部１４５、外部Ｉ／Ｆ（Interface）１４６、照射部２、及び、受光部３が接続される。ＣＰＵ１４１とＲＯＭ１４３とＲＡＭ１４４とで制御部４を構成する。

ＲＯＭ１４３は、ＣＰＵ１４１により実行されるプログラムや閾値を予め記憶する。

ＲＡＭ１４４は、ＣＰＵ１４１が実行するプログラムを展開するエリアと、プログラムによるデータ処理の作業領域となるワークエリアなどの様々なメモリエリア等を有する。

記憶部１４５は、処理に必要なデータを記憶する。記憶部１４５は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)などである。

外部Ｉ／Ｆ１４６は、例えばクライアント端末（ＰＣ）などの外部装置と通信するためのインターフェースである。外部Ｉ／Ｆ１４６は、外部装置とデータ通信を行うインターフェースであれば良く、たとえば、外部装置にローカルに接続する機器（ＵＳＢメモリ等）であっても良いし、ネットワークを介して通信するためのネットワークインターフェースであっても良い。

以上のような構成を備える動脈硬化計測装置１において、予め設定されているプログラムに基づいて、動脈硬化計測装置１は動脈硬化計測ジョブを実行する。

図３は、健常者1名、頸動脈肥厚が確認された人１名、及び、動脈瘤が疑われる人1名の計３症例の受光強度の時間変化の測定結果である。図３のAは健常者の測定結果の波形を示し、Bは、動脈瘤が疑われる人の測定結果の波形を示し、Cは、頸動脈肥厚がある人の測定結果の波形を示す。

３症例の受光強度の時間変化を測定した結果、全症例とも、約1秒に1回の受光強度の拍動が確認できる。このときの受光強度は、受光により得られた電圧値である。血管の深さや太さにより値は大きく異なるため、受光強度の絶対値比較で、健常者か動脈硬化による頸動脈肥厚もしくは動脈瘤かの判断は難しいことがわかる。なお、ここで言う電圧値は厳格なmv単位ではないので、a.u.単位で表記した。

ただし、受光強度の時間変化による波形を拡大することで、受光強度の時間変化による波形の特徴が確認できる。

制御部４は、受光強度の時間変化による波形を微分し、微分波形を算出する。

図４は、健常者の場合の受光強度の時間変化による波形（図３のA）を拡大した図である。図に示すように、健常者の場合には、立ち上がりが強く表れ（図４のピーク前波形の傾きB）、ピークトップに到達し（図４のA）、その後、ややなだらかに値が減少する（図４のピーク後波形の傾きC）という受光強度の時間変化を示す波形となる。

制御部４は、受光強度の時間変化の微分波形に、所定周期のピークがない場合には、健常者（頸動脈肥厚や動脈瘤ではない）と判定する。

図５は、健常者の場合（図３のA）の波形を微分処理した微分波形を示す。図５に示すように、健常者の微分波形に０．５〜２．０Hzの周期のピークは確認できない。脈拍に基づく計測原理であることから、ピークの周期は被検体の脈の周期と関連性がある。制御部４は、FFT解析、ウェーブレット変換、Stockwell変換などを用いてピークの周期を取得する。

図６は、頸動脈肥厚がある場合の受光強度の時間変化による波形（図３のＣ）を拡大した図である。

図に示すように、頸動脈肥厚がある場合には、立ち上がりが緩やかになる傾向を示す（図６のピーク前波形の傾きＢ）。これは動脈が固くなることで、肥大しにくくなることで、立ち上がりが遅くなり、ピークトップ（図６のＡ）が波形の中央付近にシフトしたと考えられる。その後、急に値が減少する（図６のピーク後波形の傾きC）という受光強度の時間変化を示す波形となる。

これらを特徴づけるため、受光強度の時間変化による波形の微分を行うと、図７のように特異的なピークが得られ、定性的な判断が可能となる。

制御部４は、受光強度の時間変化の微分波形に所定周期の下向き（波形微分値のマイナス方向）のピークがある場合には、頸動脈肥厚と判定する。

図７は、頸動脈肥厚がある場合（図３のC）の波形を微分処理した微分波形を示す。頸動脈肥厚がある場合の波形を微分した微分波形には、図６中の急に値が減少するピーク後波形の傾きC部に相当する部分に、周期的な下向き（マイナス方向）のピークが確認できる（図７中のA）。概ね1秒に1回すなわち拍動1回につき1個のシグナルが得られる。ただし、計測時にノイズがあると2個以上出てくることがあるので、複数個の形状から推測することも必要となる場合もある。

制御部４は、１秒以上（図７では3秒）の微分波形の区間（図７中の分析区間）において、受光強度の時間変化の測定値の微分値の平均値と標準偏差σを算出する。制御部４は、受光強度の時間変化の微分値の平均値から、2.6σ（図中の-2.6SD）を引いた値以下の数値を有し、かつ、FFT解析により検出された0.5〜2.0Hzの周期（の間隔）で、微分値が存在するか否かを検知する（図７中のA）。

制御部４は、上記条件に当てはまる微分値がある場合には、頸動脈肥厚と判定する。

図８は、動脈瘤がある場合の受光強度の時間変化による波形（図３のＢ）を拡大した図である。図に示すように、動脈瘤が存在すると、図８のAのようなピークトップを持つ波形が得られる。そして、ピークの立ち上がり（ピーク前波形の傾きB）と、ピークが下がる部分（ピーク後波形の傾きC）の傾きを比較すると、ピーク後波形の傾きCの傾きが急になることで、ピークトップAの位置が、ピークの中央より後ろにずれる傾向がある。動脈瘤が存在すると、血流の乱れと思われる二峰性のピーク（図８の二峰ピークD）がみられる。また図８のEのような肩を持ったピーク（図中の肩有ピーク）が得られることも確認できる。

これらを特徴づけるため、受光強度の時間変化による波形の微分を行うと、図９のように特異的なピークが得られ、定性的な判断が可能となる。

制御部４は、受光強度の時間変化の微分波形に周期的な上向き（波形微分値のプラス方向）のピークがある場合には、動脈瘤と判定する。

図９は、動脈瘤がある場合（図３のＢ）の波形を微分処理した微分波形を示す。動脈瘤がある場合の受光強度の時間変化を微分した微分波形には、図８のピーク前波形の傾きB部に相当する部分に、周期的な上向き（プラス方向）のピークが現れる（図９のA）。

制御部４は、１秒以上（図９では3秒）の微分波形の区間（図9中の分析区間）において、受光強度の時間変化の測定値の微分値の平均値と標準偏差σを算出する。制御部４は、受光強度の時間変化の微分値の平均値に2.6σ（図中の線B）を加えた値以上の数値を有し、かつ、FFT解析により検出された0.5〜2.0Hzの周期（の間隔）で、微分値が存在するか否かを検知する（図9中のA）。

制御部４は、上記条件に当てはまる微分値の存在を検知した場合には、動脈瘤と判定する。

なお、実施形態では、照射部と受光部と制御部を一体の装置として構成したが、これに限られず、例えば、照射部として、携帯端末（スマートフォン、タブレット、モバイルＰＣ）などのユーザ装置に備わる光源を使用し、受光部として携帯端末（スマートフォン、タブレット、モバイルＰＣ）などのユーザ装置に備わるセンサ（ＣＭＯＳ等）を使用し、制御部をユーザ装置とネットワーク接続したサーバー装置等に設置してもよい。

実施形態の動脈硬化計測装置は、被検体へ、光を照射する照射部と、被検体から放出される受光強度を検出する受光部を有するユーザ装置に、通信可能に接続する。動脈硬化計測装置は、ユーザ装置から送信された受光強度から被検体内の動脈硬化（動脈瘤、頸動脈肥厚）を上記処理で判定する制御部を有する。

次に、実施形態の動脈硬化計測装置の作動方法について説明する。図１０は、実施形態の動脈硬化計測装置の作動方法（動脈硬化計測処理）のフローチャートである。

実施形態の動脈硬化計測装置の作動方法は、上記構成を有する照射部２により、被検体へ光を照射する（STEP101）。受光部３が、被検体から放出される受光強度を検出する（STEP102）。制御部４は、受光強度の時間変化による波形を微分して微分値を算出する（STEP103）。制御部４は、微分値の平均値と標準偏差を算出する（STEP104）。制御部４は、微分値の平均値から標準偏差の所定倍を引いた値以下であり、所定の周期で存在する前微分値がある場合には、頸動脈肥厚と判定する（STEP105）。制御部４は、微分値の平均値に標準偏差の所定倍を加えた値以上であり、所定の周期で存在する微分値がある場合には、動脈瘤と判定する（STEP106）。

次に、実施形態の動脈硬化計測プログラムについて説明する。なお、当該プログラムは記憶媒体に格納されてもよい。

実施形態の動脈硬化計測プログラムは、装置のコンピュータに、被検体へ光を照射する処理と、被検体から放出された光を受光して、受光強度を検出する処理と、受光強度の時間変化による波形を微分して微分値を算出する処理と、微分値の平均値と標準偏差を算出する処理と、微分値の平均値から標準偏差の所定倍を引いた値以下であり、所定の周期で存在する微分値がある場合には、頸動脈肥厚と判定する処理と、微分値の平均値に標準偏差の所定倍を加えた値以上であり、所定の周期で存在する微分値がある場合には、動脈瘤と判定する処理とを実行させる。

以上説明したように、本実施形態によれば、光学的手法を用い、絶対値計測を用いずとも、動脈硬化や動脈瘤の検査をすることができる。

以上、実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：動脈硬化計測装置
２：照射部
３：受光部
４：制御部

Claims

被検体へ光を照射する照射部と、
前記被検体から放出された光を受光して、受光強度を検出する受光部と、
前記受光強度の時間変化による波形を微分して微分波形を算出し、
所定の分析区間における前記微分波形の波形微分値の平均値と標準偏差を算出し、
前記波形微分値の平均値から前記標準偏差の所定倍を引いた値以下であり、所定の周期で存在する前記波形微分値がある場合には、頸動脈肥厚と判定し、
前記波形微分値の平均値に前記標準偏差の所定倍を加えた値以上であり、所定の周期で存在する前記波形微分値がある場合には、動脈瘤と判定する、
制御部と、
を有する動脈硬化計測装置。
前記所定倍は、2.6倍である、請求項1に記載の動脈硬化計測装置。
前記所定の周期は、0.5〜2.0Hzである、請求項１または2に記載の動脈硬化計測装置。
コンピュータに、
被検体へ光を照射する処理と、
前記被検体から放出された光を受光して、受光強度を検出する処理と、
前記受光強度の時間変化による波形を微分して微分波形を算出する処理と、
所定の分析区間における前記微分波形の波形微分値の平均値と標準偏差を算出する処理と、
前記波形微分値の平均値から前記標準偏差の所定倍を引いた値以下であり、所定の周期で存在する前記波形微分値がある場合には、頸動脈肥厚と判定する処理と、
前記波形微分値の平均値に前記標準偏差の所定倍を加えた値以上であり、所定の周期で存在する前記波形微分値がある場合には、動脈瘤と判定する処理と、
を実行させる動脈硬化計測プログラム。
被検体へ光を照射し、
前記被検体から放出された光を受光して、受光強度を検出し、
前記受光強度の時間変化による波形を微分して微分波形を算出し、
所定の分析区間における前記微分波形の波形微分値の平均値と標準偏差を算出し、
前記波形微分値の平均値から前記標準偏差の所定倍を引いた値以下であり、所定の周期で存在する前記波形微分値がある場合には、頸動脈肥厚と判定し、
前記波形微分値の平均値に前記標準偏差の所定倍を加えた値以上であり、所定の周期で存在する前記波形微分値がある場合には、動脈瘤と判定する、
動脈硬化計測装置の作動方法。