JPH07508908A - 流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 流量計 本発明は、人間又は動物の体内における導管内の流体の流れパラメータを測定す ることに関する。本発明は、特に、ドツプラー超音波形態の流量計に適用され、 更に、患者の血流の監視に適用されるものである。

ドツプラー超音波型式の流量計は、患者の血流を測定し且つ監視するために医療 分野で日常的に使用されている。これらの流量計は、通常、経皮的に使用する構 造とされているが、カテーテルを利用して対象とする血管中に挿入する型式のも のも開発されている。しかし、かかる流量計は、血液の速度を測定する手段とし かなり得ないことが多い一方、医療分野では、対象とする血管内の血液の体積流 量を知りたいことが多い。血管が上行大動脈である場合、その流量は心臓出力を 有効に直接、表示するものであるから、この要望は特に、顕著となる。血液の速 度はドツプラー超音波方法を利用して測定することが出来、又、血液の体積流量 は、速度と血管の断面積との積として簡単にめられる。かかる計算に使用する速 度は、血管の直径における速度分布を考慮に入れるべく加重平均値である。

該当する面積をめることが依然として問題であり、心臓出力を問題とする場合に は、その面積は、所定の患者に対して、全く異なる画像方法によって推定される ことが多い。かかる測定の誤差程度は２０％にもなる。身体の胸骨が超音波信号 に対して効果のある遮蔽物となるから、超音波監視装置が非侵襲的に大動脈にア クセスすることは、特に問題である。胸骨上切痕を介してアクセスすることも可 能であるが、このスペースの寸法は極めて小さい。

本発明の一つの目的は、かかる状況を改善することであり、この目的のため、本 発明の一つの形態によれば、人間又は動物の体内における導管内の流体の流れパ ラメータの測定に使用するのに適した医療用プローブにして、超音波透過性の壁 部分を有する中空のハウジングと、該ハウジング内に取り付けられ、一つの経路 に沿って超音波ビーム信号を放出し且つ検出する作用可能な変換器手段と、該ハ ウジング内に回転可能に取り付けられ且つ超音波透過性の壁部分の出口部分を通 ってハウジングから出るような角度でビームを偏向させ得るように上記経路内に 配置された反射手段と、を備え、上記経路に直交するハウジングの外部寸法が変 換器手段の領域から出口部分の領域まで著しく縮小することを特徴とするプロー ブが提供される。

狭い超音波ビームを必要とするため、走査型超音波装置に使用される型式の変換 器の寸法は比較的大きくなる可能性があり、このため、比較的大きい水晶体が必 要とされる。しかし、胸骨上切痕を介してアクセスすることが極めて制限される 結果、大きい変換器を有するプローブを切痕内に直接、導入することは極めて難 しい。本発明の特別な利点は、出口部分が位置するプローブ部分を切痕内に配置 することが出来、又、回転可能な反射手段の使用によって、超音波ビームを走査 することが出来る一方、変換器手段自体はアクセス箇所から離れた距離にあるよ うにし得る点である。

この反射手段は、出口部分の領域内に取り付けることが望ましい。そうすれば、 本発明のプローブの先端に小型の回転反射器を使用することが可能となる。

この反射手段を回転させる駆動手段は、ハウジング内に取り付けることが望まし い。この駆動手段は、反射手段を揺動状態にて、又は連続的に一方向に回転させ 得るものとすることが出来る。

好適な形態において、反射手段は上記ビーム経路に沿って位置する軸線の周りで 回転可能であるように取り付けられている。

変換器手段及び反射手段は、共に回転可能であるように連結することが望ましい 。このようにして、作動中、変換器手段と反射手段との相対的方向は一定である 。このことは、部品の僅かな整合誤差、又は、ビームの部分のビーム強さの分布 が自動的に補正され、その超音波ビームの特性がその掃引範囲に亙って変化しな いという利点がある。

反射手段は、上記ビームの経路の方向に対して約４５°の角度で取り付けること が望ましい。このことは、この反射手段がビーム経路に沿って位置する軸線の周 りで回転するとき、このビームが平面状の円弧に沿って掃引することを意味する 。

また、本発明は、人間又は動物の体内における導管内の流体の流れパラメータを 測定する装置にして、上述のプローブと、戻る超音波信号のドツプラー成分を分 析する信号処理手段とを備える測定装置をも包含するものである。

本発明の別の形態によれば、上述のプローブを使用して、人間又は動物の体内に おける導管内の流体の流れパラメータを測定する方法にして、出口部分が体の皮 膚に隣接する位置に配置され得るようにプローブを位置決めする段階と、 超音波ビームを放出し得るように変換器手段を作動させる段階と、超音波ビーム を反射手段によって略導管に沿って向ける段階と、超音波ビームが円弧に沿って 掃引するように反射手段を回転させる段階と、ビームの掃引範囲の少なくとも一 つから戻る超音波ビーム信号を検出し、その戻る信号を分析する段階と、を備え る測定方法が提供される。

本発明によってめることの出来るパラメータには、流体の流動断面積、従って血 管の断面積を推定する基礎となる血管の直径と、適当な直径又は部分における連 続的な−組みの点の速度値とが含まれ、この速度値は、上記の組みの点からのド ツプラー信号値からめることが出来る。これらのパラメータから、流体の体積流 量を推定することが出来る。ビーム源の多数の異なる範囲からデータをめるなら ば、導管の長手方向部分に亙る導管内の流体の動きを監視することが可能となる 。

本発明の具体的な適用例において、導管は上行大動脈であり、ビームは胸骨上切 痕を介して導入される。これにより血液の流れを監視することで心臓の機能が表 示される。

以下に添付図面に関して、本発明を更に詳細に説明する。添付図面において、図 １は、本発明を実施する装置の一実施例を示す図、図２は、本発明の実施状況を 概略図で示す図、図３及び図４は、本発明の詳細を示すグラフ図である。

本発明に従って、超音波ビームを発生させ且つ方向法めする装置の好適な形態は 、図１に示しである。該装置は、狭い超音波ビームを発生させる型式とした平面 状円板の形態の圧電水晶体から成る変換器２を有する超音波プローブ１を備えて いる。このビームは符号３の破線で示しである。変換器を駆動する電気信号はケ ーブル１６によって送られる。また、該プローブ１は、ビーム３を捕捉し且つ偏 向させ得るように配置された、例えば平面状円板であるステンレス鋼製の音響反 射器４を備えている。この反射器４はビームの伝搬方向に対して４５″の角度で 取り付けられ、ビームを直角に偏向させ得るようにしであるが、勿論、反射器の その他の角度も可能であり、その角度は適宜に選択される。その結果、得られる 偏向後の狭いビームは図１に参照符号５の破線で示しである。

変換器及び反射器は、その一方を図１に符号６で示した、互いに離間した２以上 のアームによって互いに堅固に接続されている。これらのアームは、変換器２の 外周と反射器４の外周との間を伸長し、その変換器と反射器とが互いに相対的に 動かないようにしである。駆動シャフト９、変換器２及び反射器４が、伝搬した 超音波ビーム３の中心線である軸線７の周りでモータによって回転され得るよう に、変換器はモータ８の中空の駆動シャフト９の一端に堅固に取り付けられてい る。モータ８は、既知の回転速度にて一定の既知の角度に亙って揺動することの 出来る直流のステッピングモータであることが望ましい。故に、かかる揺動回転 は、狭い超音波ビーム５を発生させ、このビームは軸線７に対して垂直に周期的 な平面状の極掃引（ｃｙｃｌｉｃ　ｐｌａｎｅ　ｐｏｌａｒｓｗｅｅｐ）を行う 。光学式エンコーダ１９のようなエンコーダが駆動シャフト９に設けられている 。

モータ、変換器及び反射器の全ては円筒形の基端部分１２とテーパー付きの末端 部分１３という２つの部分から成るプローブハウジング１０内に取り付けられて いる。この基端部分１２は、モータ８を包み込む一方、テーパー付きの末端部分 １３は、変換器及び反射器の組み合わせ体を収容している。反射器４に隣接して 、テーパー付き末端部分１３の側壁には、超音波窓６が設けられており、超音波 ビームが透過することを許容する。この窓は音響減衰率が極めて低い透明なプラ スチック材料から成っている。プローブ１は、操作者が円筒形の基端部分１２を 保持して容易に操作可能な構造としである一方、その内部に反射器４が配置され たテーパー付き末端部分１３の先端は、患者の胸骨上切痕により提供される狭い スペース内に嵌まり得る形状及び寸法としである。−例として、その直径が変換 器の領域内の２．５ｃｍから先端領域の著しく小さい径まで狭小となる、長さ１ ２Ｃｍのプローブを使用することが出来る。

プローブハウジングは、２つの部分１２．１３によって包み込まれたスペースを 分離する内部仕切り１１と、この仕切りの中央に形成され、中空のモータ駆動シ ャフト９が貫通することを可能にする穴とを更に備えている。駆動シャフトと仕 切り１１との間には、流体シール１５が設けられている。ケーブル１６は、プロ ーブの外側からプローブハウジングの基端部分１２の内部まで伸長し、次に駆動 シャフトの壁に形成された開口部１８を通って中空の駆動シャフト９内に入る。

該ケーブル１６は変換器２に接続されている。第二のケーブル１７がモータ８に 対する給電を行う。

プローブハウジングのテーパー付き部分１３によって包み込まれたスペースには 、鉱物油が充填されており、この鉱物油がモータ及びケーブルを収容するハウジ ングの部分１２内に流れるのはシール１５によって防止されている。この鉱物油 は、その音響的性質及びキャビテーションを回避する性質の双方の理由で選択さ れている。

別個の送信及び受信要素を使用することも可能であると考えられるが、変換器２ は、超音波トランスミッタ／レシーバとして機能する。

本発明の実施例が図２に概略図で示しである。トランスミッタ／レシーバシステ ム２１及びデジタル多重ゲートドツプラー型のドツプラー信号処理装置２２が利 用されている。該トランスミッタは、ケーブル１６を介して変換器２にパルス波 形モードの給電を行い、超音波ビームを発生させる超音波周波数発振器を備えて いる。変換器は、送信パルスの間にて、超音波信号を検出し、また、受信回路中 の一つのゲートを開放することにより、検査中の媒体中の異なる範囲から戻る信 号の導入が許容され、この範囲は、超音波ビームの送信と検出との時間的遅れか らめられる。受信回路中の後続のゲートを開放することにより、信号は一連の連 続的な範囲から導入され、このようにして、信号が集められる個々の深度に関す る特定のデータが受信される。その血管中での血液の動きを測定するためドツプ ラー超音波技術を応用する装置を開発すべく多（の研究が為されているが、本明 細書でこの点につき詳細に説明する積もりはなく、かかる装置及び関連する処理 方法に関する詳細は、１９８９年、ノヨン・ウィリー・エンド・サンズ（Ｊｏｈ ｎ　ｆｉｌｅｙ　＆　５ｏｎｓ）から出版された、Ｄ　Ｈエバンス（Ｅｖａｎｓ ）　、Ｗ、Ｈ。マツクディッケン（ＭｃＤｉｃｋｅｎ）　、Ｒ，スキッドモア（ Ｓｋｉｄｍｏｒｅ）　、及びＪＰ、ウッドコック（ｆｏｏｄｃｏｃｋ）による「 ドツプラー超音波−その物理、計測装置及び臨床への適用（Ｄｏｐｐｌｅｒ　Ｕ ｌｔｒａｓｏｕｎｄ　−Ｐｈｙｓｉｃｓ、　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　 ａｎｄ　Ｃ１１ｎｉｃａｌＡｐｐｌｉモ≠狽奄盾■ Ｓ）Ｊに記載されている。

また、該装置は、モータの電源及び掃引制御装置２０を備えている。モータへの 給電はケーブル１７を介して行われ、モータを適当な揺動方法で駆動する。エン コーダ１９により、所定の時点にて、ビームの角度位置をめることが出来る。

また、図２には、大動脈弁２５の下流にて上行大動脈２４を検査するのに使用さ れる超音波プローブ１が示しである。既述のビーム５は、反射器４によってプロ ーブ１から横方向に出て、上行大動脈２４に沿って胸骨上切痕２６を介して下方 に向けられる。この胸骨上切痕は患者の胸骨２７に小さい「窓」を提供する。

ビームは、正確に案内されたならば、大動脈の幅を横断して特別の角度の円弧に 沿って掃引し、この角度は、変換器／反射器の組み合わせ体がモータ８により動 かされる揺動角度に依存する。

図３及び図４には、本発明による方法の原理が概略図で示しである。ドツプラー 信号処理装置２２の電子機器は、装置２０の掃引の制御によりめた、掃引に亙る 特定の既知の角度にて特定のビーム掃引範囲から出るドツプラー信号から情報を 集めることを可能にする。この情報は、モニター２３又はその他のものに適当な 方法で表示して、装置の作動をリアルタイムで監視することが出来る。大動脈の 壁は、参照符号３０で示してあり、ビーム源から順次、遠くなる距離にある３つ の異なる範囲がそれぞれ参照符号Ａ、Ｂ、Ｃで示しである。ビームが血管を横切 って掃引するとき、ドツプラー信号処理手段２２は、例えば、範囲Ａにおける流 動血液中の血球がトランスミッタ／レジーバ変換器１に向けて動くことで、受信 した信号のドツプラー成分を検出する。この掃引中、範囲Ａにおける場合のよう に、ビームがこの範囲の血管壁を越えて伸長するならば、その信号は、°ビーム 掃引の外縁にて零となる。ドツプラー信号は、流動する血液が検出される箇所、 換言すれば、点ｘ、　ｘ’の間でしか受信されない。これらの点の角度及び範囲 は既知であり、従って、これらの点の位置をめることが出来る。故に、ビームの 掃引中の異なる点における信号を処理するならば、図４に概略図で示すように、 その範囲における血管中の流体の像を表示することが出来る。該像は、ビームが その範囲の血管壁に入射する箇所である角度方向の間で、そのビーム掃引位置に 対する完全に異なる部分を有し、これに基づいて、血管の直径をめることが出来 、又は、より有益な情報である、血管内の流れの少なくとも直径をめることが出 来る。故に、大動脈が円形断面であると仮定すれば、その断面積をめることが可 能である。

更に、ビーム掃引に亙る特定の箇所からのドツプラー信号から速度値をめ、血管 における速度の分布プロファイルを表示することが出来、また、加重平均速度に 測定断面積を掛ければ、血液の流量を推定することが可能となる。ドツプラーカ シ−フローマツピングの技術を利用して、その速度プロファイルを有効に視覚的 に表示することが出来る。

使用時、操作者は、スクリーン上の像を監視しつつ、プローブ１の方向を設定す る。例えば、操作者は、掃引方向に対して垂直な方向にプローブを動かし、ビー ムが最も幅の広いドツプラー像を形成する時点をめ、故に、ビームが血管の全直 径に互って掃引されることを確実にする。監視範囲は、患者に適するように選択 し、例えば、大人の場合、プローブ先端から６ｃｍの範囲とし、又は新生児の場 合、２．５　ｃ　ｍとし、又、特定の状況にて必要であるならば、更に変更する ことが可能である。

心臓の機能を監視するとき、最大収縮期における心臓の出力を測定するため、大 動脈中の最大の血液流をめることが必要となることが多い。これは、本発明の方 法に従って、特定の点における最大速度がドツプラー信号処理手段によって検出 されたときに装置を作動させ、ビームの掃引からデータをめることによって行わ れる。大動脈の直径は心臓の周期中に変化し、このため、この時点にて最大とな ると考えられる。このようにして得られた流量の測定値は、心臓の最大収縮期の 出力を表示する。同一の時点にて、例えば、図３の範囲Ｂ、Ｃのような他の範囲 からのドツプラー信号が検出されたならば、次に、例えば、通過するパルスの全 長に互って、その導管の長手方向部分（「範囲の区画部分」）上における流動す る流体の瞬間的な像をめることが出来る。

パルス周期、ビームの掃引速度、及びその他のパラメータは、適当なものを選択 することが出来るのは勿論であるが、−例として、８ＫＨｚパルス状超音波を利 用し、ビームは、１０サイクル／秒の周期で掃引することが可能である。

図面に示し且つ上述した本発明の実施例は、単に一例として掲げたものであり、 本発明の範囲を何ら限定するものではなく、本発明は、請求の範囲に属する全て の実施例を包含するものである。例えば、変換器／反射器の組み合わせ体を揺動 状態で駆動するモータに代えて、ビームを連続的な回転状態で励起させ、超音波 信号が検査領域を包含する角度範囲でのみ送信及び／又は受信されるようにして もよい。

反射器４は、更に、特定の状況に応じて、放出ビームの位置を変更し得るように 入射角度を変えるよう調節することが可能である。

信号処理装置によって提供される信号は、モニター２３上に像形式にて表示され ることに加えて、後で検索し得るようにコンピュータ記憶装置又はディスクに記 憶させることが出来る。同様に、像形式又はその他の形式によるデータのハード コピーを得るため、システムにプリンタを追加することも可能である。

補正書の翻訳文提出書 平成　７年　１月ｔ３日

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．人間及び動物の体内における導管内の流体の流れパラメータの測定に使用す るのに適した医療用プローブにして、超音波透過性の壁部分を有する中空ハウジ ングと、該ハウジング内に取り付けられ、一つの経路に沿って超音波ビームを放 出し且つ検出する作用可能な変換器手段と、 ハウジング内に回転可能に取り付けられ且つ前記超音波透過性の壁部分の出口部 分を通ってハウジングから出るようにビームをある角度にて偏向させ得るように 前記経路内に配置された反射手段と、を備え、前記経路に直交するハウジングの 外部寸法が変換器手段の領域から出口部分の領域まで著しく緒小することを特徴 とする医療用プローブ。
2. ２．請求の範囲第１項に記載のプローブにして、前記反射手段が出口部分の領域 内に取り付けられることを特徴とするプローブ。
3. ３．請求の範囲第１項又は第２項に記載のプローブにして、前記反射手段を回転 させる駆動手段が前記ハウジング内に取り付けられることを特徴とするプローブ 。
4. ４．請求の範囲第３項に記載のプローブにして、前記駆動手段が前記反射手段を 揺動状態に回転させ得るようにしたことを特徴とするプローブ。
5. ５．請求の範囲第１項乃至第４項の何れかに記載のプローブにして、前記反射手 段が前記ビーム経路に沿って位置する軸線の周りで回転可能に取り付けられるこ とを特徴とするプローブ。
6. ６．請求の範囲第１項乃至第５項の何れかに記載のプローブにして、前記変換器 手段及び反射手段が共に回転可能であるように連結されることを特徴とするプロ ーブ。
7. ７．請求の範囲第１項乃至第６項の何れかに記載のプローブにして、前記反射手 段が前記ビーム経路の方向に対して約４５°の角度で取り付けられることを特徴 とするプローブ。
8. ８．人間又は動物の体内における導管内の血液の流れパラメータを測定する装置 にして、請求の範囲第１項乃至第７項の何れかに記載のプローブと、戻る超音波 信号のドップラー成分を分析する信号処理手段とを備えることを特徴とする装置 。
9. ９．請求の範囲第１項乃至第７項の何れかの項に記載のプローブを使用して、人 間又は動物の体内における導管内の流体の流れパラメータを測定する方法にして 、 出口部分が体の皮膚に隣接した位置に配置されるようにプローブを位置決めする 段階と、 前記変換器手段を作動させて、超音波ビームを放出する段階と、反射手段を介し て、略導管に沿って超音波ビームを向ける段階と、前記超音波ビームが円弧に亙 って掃引し得るように反射手段を回転させる段階と、 少なくともーつのビーム掃引範囲から戻る超音波ビーム信号を検出し、その戻る 信号を分析する段階と、を備えることを特徴とする方法。
10. １０．請求の範囲第９項に記載の方法にして、測定すべきパラメータが略円形断 面の導管内の流体の流動断面積であることを特徴とする方法。
11. １１．請求の範囲第９項又は第１０項に記載の方法にして、前記導管が上行大動 脈であり、前記ビームが胸骨上切痕を介して導入されることを特徴とする方法。
12. １２．請求の範囲第１０項又は第１１項に記載の方法にして、速度測定が少なく とも一回、行われ、該測定断面積に速度測定値を掛けて、導管内の流体の流量の 推定値を得ることを特徴とする方法。