JPWO2015075863A1 - 超音波プローブ及びこの超音波プローブを用いた生体の血管径の測定方法 - Google Patents
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Abstract
超音波プローブを皮膚表面に載置したときの位置の影響を受けずに、血管径を確実に測定することができるようにした超音波プローブを提供する。生体の血管（Ｂ）の径を、パルスエコー法を用いて測定するための本発明の超音波プローブ（Ｐ）は、パルス電圧が印加されて血管に向けてパルス波を発振する発振部（２）と、血管に衝突して反射する反射波を受信する受信部（３）とを備える。発振部は、平面視正六角形の圧電素子（２２）の複数を同一平面内でハニカム状に配置したものであり、各圧電素子の夫々には、パルス電源（Ｅ）により選択的にパルス電圧が印加されるように構成している。
Description
本発明は、生体の血管、特に、手首梼骨動脈の血管径を、パルスエコー法を用いて測定するための超音波プローブ及びこの超音波プローブを用いた生体の血管径の測定方法に関する。
従来、上記種の超音波プローブは、例えば非特許文献１で知られている。この超音波プローブは、バッキング材と、バッキング材の片面に積層され、パルス電圧が印加されて血管に向けてパルス波を発振する発振部と、バッキング材への発振部の積層方向を上として、当該発振部上に積層され、血管に衝突して反射する反射波を受信する受信部（信号電極）と、この信号電極上に配置される音響レンズとを備える。発振部は、板状の接地電極上に、平面視矩形の圧電素子をその長手方向に直交する方向に等間隔で列設して構成されている。そして、圧電素子にパルス電圧を印加し、そのときの反射波を測定し、この測定した反射波を解析して当該圧電素子直下における血管径がパルスエコー法により測定される。
ここで、測定対象を手首梼骨動脈とした場合、この手首梼骨動脈の血管径は２〜４ｍｍの範囲と非常に小さく、超音波プローブを、上記血管の直上に位置する皮膚表面に載置させる際（一般には、音響レンズ部を皮膚表面に接着させる）、目視で確認しながら、血管直上に正確に位置決めしてセットすることは事実上困難である。このため、上記従来例の如く、矩形の圧電素子を所定の隙間を存して並設して発振部を構成すると、血管直上に当該隙間が位置する場合が生じる。このような場合、反射波がぼやけて血管径の判別ができないという問題がある。しかも、測定中に、少しでも腕を動かすと、反射波が受信できないという問題もある。
なお、生体の血管、特に手首梼骨動脈においる血管直上に配置してこの血管径を、パルスエコー法を用いて測定するための超音波プローブに関する特許文献は不知である。
甲子乃人著、「超音波の基礎と装置」、ベクトル・コア社
本発明は、以上の点に鑑み、超音波プローブを皮膚表面に載置したときの位置の影響を受けずに、血管径を確実に測定することができるようにした超音波プローブ及びこの超音波プローブを用いた生体の血管径の測定方法を提供することをその課題とするものである。
上記課題を解決するために、本発明は、生体の血管径を、パルスエコー法を用いて測定するための超音波プローブであって、パルス電圧が印加されて血管に向けて超音波を発振する発振部と、血管に衝突して反射する反射波を受信する受信部とを備えたものにおいて、前記発振部は、平面視正六角形の圧電素子の複数を同一平面内でハニカム状に配置したものであり、各圧電素子の夫々に選択的にパルス電圧が印加されるように構成したことを特徴とする。
本発明によれば、平面視正六角形の圧電素子の複数を同一平面内でハニカム状に配置して発振部を構成することで、超音波プローブを皮膚表面に載置すると、発振部が血管直上を含む一定領域を囲い、いずれかの圧電素子が当該血管の略直上に位置するようになる。そして、各圧電素子の夫々に選択的にパルス電圧を印加し、当該圧電素子を振動させて血管に向けて超音波を発振できる構成としたため、個々の圧電素子にパルス電圧を印加し、そのときの反射波を測定すれば、その結果から血管の略直上に位置する圧電素子を特定することができる。その結果、超音波プローブを皮膚表面に載置したときの位置の影響を受けずに、血管径を確実に測定することができる。なお、受信部も平面視正六角形の圧電素子の複数を同一平面内でハニカム状に配置して構成でき、また、発振部と受信部と一体に形成してもよい。
本発明において、手首梼骨動脈の血管径を測定する場合、各圧電素子の外接円の径を０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲とし、各圧電素子の一辺間の間隔を０.ｌｍｍ〜０．２ｍｍの範囲とし、圧電素子の個数を１０個以上とすることが好ましい。
また、本発明においては、前記発振部の発振面を覆う音響レンズを更に備えることが好ましい。この場合、音響レンズは、例えば、ポリフッ化ビニリデン等の超音波発振面の表面に適当な音響インピーダンスを持つ素材で構成され、発振方向に対して凸の形状を持つ、厚さの最大値が３０μｍのものとすれば、発振される超音波を集束させ、より強い反射信号を得ることができる。なお、音響レンズとしては、圧電素子を夫々覆うもの、互いに隣接する複数個の圧電素子を覆うものや発振部全体を一枚で覆うものを利用することができる。また、音響整合層を更に備えていてもよい。
更に、上記課題を解決するために、パルス電圧が印加されて血管に向けて超音波を発振する発振部と、血管に衝突して反射する反射波を受信する受信部とを備える超音波プローブにより生体の血管径を測定する測定方法であって、発振部を測定しようする生体の血管上に配置し、発振部を構成する複数の圧電素子の中から選択した少なくとも１個に対しパルス電圧を印加してその際の反射波を受信部で受信し、この受信した反射波を解析して当該圧電素子直下に血管壁が存するかを判別し、この判別を全ての圧電素子に対して行い、この得られた全ての結果を基に、圧電素子のうちパルス波の進行方向手前側と奥側の両血管壁が認識できるものを選択し、この選択した圧電素子を基に血管径を算出することを特徴とする。
この場合、前記血管壁が認識できる圧電素子を、手前側と奥側の両血管壁の差が最大となるものの中から選択し、この選択した圧電素子からパルス電圧を複数回に分けて印加し、そのときの最大値と最小値とから血管径を算出すればよい。また、超音波プローブとして、請求項１または請求項２記載のものを用いることが好ましい。
以下、図面を参照して、測定対象を手首梼骨動脈Ｂとし、この血管径を、パルスエコー法を用いて測定するための超音波プローブ及びこの超音波プローブを用いた生体の血管径の測定方法を説明する。
図１及び図２を参照して、Ｐは、本発明の実施形態の超音波プローブである。超音波プローブＰは、例えば金属粉とエポキシ樹脂の混合部で構成され、超音波を血管に向けて効率よく照射するバッキング材１と、バッキング材１の片面に積層され、パルス電圧が印加されて血管Ｂに向けてパルス波を発振し、血管Ｂに衝突して反射する反射波を受信する発振・受信部２と、バッキング材１への発振・受信部２の積層方向を上として、後述する発振・受信部の圧電素子２２の上面を夫々覆う音響レンズ３とを備える。
発振・受信部２は、バッキング材１表面に積層される金属製板材で構成される接地電極２１と、接地電極２１上に積層される複数個の圧電素子２２とで構成される。圧電素子２２の各々は、厚さが８０〜１２０μｍ（好ましくは、９０μｍ）で、例えばマグネシウムニオブ酸鉛・チタン酸鉛固溶体製のものであり、図２に示すように、平面視正六角形の輪郭を有する。この場合、各圧電素子２２の外接円の径を０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲とし、各圧電素子２２の一辺間の間隔を０.ｌｍｍ〜０．２ｍｍの範囲とし、圧電素子２２の個数を１０個以上とされる（本実施形態では、１３個）。なお、本実施形態では、血管Ｂに向けて超音波を発振する機能と、血管Ｂに衝突して反射する反射波を受信する機能とを各圧電素子２２で実現するものを例に説明するが、これに限定されるものではなく、発振部の圧電素子２２が、上記の如く、形成されていればよく、発振部と受信部とは別部材で構成することもできる。
また、音響レンズ３は、ポリフッ化ビニリデン等の超音波発振面の表面に適当な音響インピーダンスを持つ素材で構成され、発振方向に対して凸の形状を持つ。また、音響レンズ３の厚さの最大値が１０〜３０μｍの範囲、好ましくは、３０μｍのものである。これにより、発振される超音波を集束させ、より強い反射信号を得ることができる。なお、本実施形態では、圧電素子２２を夫々覆うものを例に説明しているが、これに限定されるものではなく、互いに隣接する複数個の圧電素子を覆うものや発振・受信部全体を一枚で覆うものを利用することができる。また、図外の音響整合層を更に備えていてもよい。この場合、音響整合層は公知のものを利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。
また、各圧電素子２２は、接地電極２１との間でパルス電圧を夫々印加する公知の構造のパルス電源Ｅに図示省略のスイッチング素子を介して接続され、各圧電素子２２のうちいずれか１個に対して選択的に所定のパルス電圧が印加されるようになっている。これにより、４０〜１００Ｖの範囲のパルス電圧を印加すると、圧電素子２２が振動して約２０ＭＨｚの超音波が血管Ｂに向けて照射される。また、各圧電素子２２は、増幅回路３を介して公知の構造の受信機Ｒに接続されている。そして、いずれかの圧電素子２２から照射された超音波が血管Ｂで反射し、この反射波が当該圧電素子２２に衝突すると、振動し、この振動が電気信号に変換されて反射波が測定される。更に、電源Ｅ及び受信機Ｒには、パーソナルコンピュータ等の制御手段Ｃが接続され、電源Ｅから出力電圧や圧電素子２２の選択、受信機Ｒで測定した反射波の解析等を統括的に制御するようになっている。以下に、超音波プローブを用いた生体の血管径の測定方法を説明する。
先ず、発振部２を、その音響レンズ３側から手首梼骨動脈Ｂ上に位置する皮膚に密着配置する。次に、各圧電素子２２の中から選択したいずれか１個に対し、その振幅、周波数を適宜制御してパルス電圧を印加し、そのときの反射波を受信機Ｒで受信し、制御手段Ｃでこの受信した反射波を解析して当該圧電素子直下に血管Ｂ壁が存するかを判別する。この場合、制御手段Ｃでの解析や判別は、公知の専用ソフトウェアを用いて行なわるため、ここでは、詳細な説明を省略する。そして、この一連の操作を、残りの全ての圧電素子２２に対して行う。
全ての圧電素子２２に対し上記操作が終了すると、夫々得られた全ての結果を基に、圧電素子２２のうちパルス波の進行方向手前側と奥側の両血管壁Ｂｗ１、Ｂｗ２が認識でき、かつ、手前側と奥側の両血管壁Ｂｗ１、Ｂｗ２の差が最大となる圧電素子２２を選択する。そして、この選択した圧電素子２２からパルス電圧を複数回に分けて印加し、そのときの最大値と最小値とから血管Ｂの径を算出する。なお、手前側と奥側の両血管壁Ｂｗ１、Ｂｗ２の差が最大となる単一の圧電素子２２を選択して、これを基に血管Ｂの径を測定しているが、これに限定されるものではない。例えば、進行方向手前側と奥側の両血管壁Ｂｗ１、Ｂｗ２が認識できる圧電素子２２のうち、予め設定された所定閾値を超えるものを複数選択し、上記と同様の操作で血管Ｂの径を夫々算出し、算出したものを平均化して血管Ｂの径とすることもできる。閾値は、例えば、算出された最大血管径と比較して例えば８０％以上となる圧電素子、というように決定すればよい。また、上記実施形態では、各圧電素子２２の中から選択したいずれか１個に対しパルス電圧を印加していくものを例に説明したが、複数の圧電素子２２に対してその振幅、周波数を適宜制御してパルス電圧を印加するようにしてもよい。
上記実施形態によれば、平面視正六角形の圧電素子２２の複数を同一平面内でハニカム状に配置して発振部２を構成することで、超音波プローブＰを皮膚表面に載置すると、発振部２が血管Ｂ直上の一定領域を囲い、いずれかの圧電素子２２が当該血管Ｂの略直上に位置するようになる。そして、各圧電素子２２の夫々に選択的にパルス電圧を印加できる構成としたため、個々の圧電素子２２にパルス電圧を印加し、そのときの反射波を測定すれば、血管Ｂの略直上に位置する圧電素子を特定することができる。その結果、超音波プローブＰを皮膚表面に接着させたときの位置の影響を受けずに、血管径を確実に測定することができる。また、上記従来例（矩形の圧電素子を所定間隔で並設したもの）では、少しでも腕を動かすと測定ができなくなるのに対し、上記実施形態のものでは、多少の緩やかな動きでは測定不能にはならず、腕をゆっくり下げる、上げるといった動作を行っている最中でも測定を継続することが確認できた。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、血管径を測定するものを例に説明したが、本発明は、血圧の相対的な測定に利用することができる。即ち、測定した血管径の大きさを、市販血圧計で同時に計測した最高血圧と最低血圧に対応させ、血圧の比較校正データを作る。そして、この校正データを適用し、反射エコーから得られた血管径を直接血圧に変換することにより、プローブのみで血圧を決定することで、プローブのみで血圧を相対的に測定することができる。また、受信部での反射波の振幅や周波数を解析して血管の弾性率の測定に利用することもでき、他方、同一の測定対象の血管径を定期的に繰り返し測定しておけば、血管径の変化も得ることができる。
更に、上記実施形態では、平面視正六角形の圧電素子２２の複数を同一平面内でハニカム状に配置して発振部２を構成したものを用いて血管径を測定したが、本発明の血管径の測定方法は、他の形態の超音波プローブ、例えば、矩形の圧電素子を所定間隔で並設したものを用いても実施することができる。
Ｐ…超音波プローブ、１…バッキング材、２…発振・受信部、２２…圧電素子、３…音響レンズ、Ｂ…血管、Ｂｗ1…血管の手前側の血管壁、Ｂｗ２…血管の奥側の血管壁、Ｅ…電源、Ｒ…受信機。
Claims (5)
- 生体の血管径を、パルスエコー法を用いて測定するための超音波プローブであって、
パルス電圧が印加されて血管に向けて超音波を発振する発振部と、血管に衝突して反射する反射波を受信する受信部とを備えたものにおいて、
前記発振部は、平面視正六角形の圧電素子の複数を同一平面内でハニカム状に配置したものであり、各圧電素子の夫々に選択的にパルス電圧が印加されるように構成したことを特徴とする超音波プローブ。 - 前記発振部の発振面を覆う音響レンズを更に備えることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
- パルス電圧が印加されて血管に向けて超音波を発振する発振部と、血管に衝突して反射する反射波を受信する受信部とを備える超音波プローブにより生体の血管径を測定する測定方法であって、
発振部を測定しようする生体の血管上に配置し、発振部を構成する複数の圧電素子の中から選択した少なくとも１個に対しパルス電圧を印加してその際の反射波を受信部で受信し、この受信した反射波を解析して当該圧電素子直下に血管壁が存するかを判別し、この判別を全ての圧電素子に対して行い、この得られた全ての結果を基に、圧電素子のうちパルス波の進行方向手前側と奥側の両血管壁が認識できるものを選択し、この選択した圧電素子を基に血管径を算出することを特徴とする血管径の測定方法。 - 前記血管壁が認識できる圧電素子を、手前側と奥側の両血管壁の差が最大となるものの中から選択し、この選択した圧電素子からパルス電圧を複数回に分けて印加し、そのときの最大値と最小値とから血管径を算出することを特徴とする請求項４記載の血管径の測定方法。
- 前記超音波プローブとして、請求項１または請求項２記載のものを用いることを特徴とする請求項３または請求項４記載の血管径の測定方法。
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