WO2022097573A1 - 非接触血管解析装置 - Google Patents

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拓則 島崎
芳文 川久保
淳 光藤
祐平 林
真也 畑辺
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株式会社 レイマック
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Definitions

  • the present invention relates to a non-contact blood vessel analyzer capable of non-contact analysis of the state of blood vessels affected by anastomosis.
  • vascular access In treatments such as dialysis therapy in which the patient's blood is circulated extracorporeally through the extracorporeal blood circuit, a doorway (vascular access) is provided to extract the blood from the patient and return the blood to the patient.
  • vascular access for extracorporeal circulation, a method of anastomosing arteries and veins to form an arteriovenous anastomosis is used, either directly by surgery or using an artificial blood vessel so that arterial blood flows directly into the vein. Has been done.
  • the blood vessels affected by the anastomosis are stenotic or even occluded due to thickening and hardening of the intima of the blood vessel, thrombus formation, etc., and blood flow disorders are likely to occur. Therefore, before and after the treatment, it is judged whether or not there is an abnormality in the blood vessels by listening to the sound or feeling the movement of the pulse.
  • the method of listening to the sound is typically to use a stethoscope to listen to the loudness and range of the blood flow sound (so-called shunt sound) to determine whether or not there is an abnormality.
  • the method of feeling the movement of the pulse is typically the vibration (thrill) caused by the turbulence generated when the blood of a high-pressure artery is poured into the vein by hitting the blood vessel wall with a finger on the blood vessel.
  • the vibration By feeling, it is judged whether there is any abnormality. In other words, you can feel the thrill normally, but when the blood vessel narrows and approaches the obstruction, the blood flow decreases, so the thrill disappears.
  • Patent Document 1 discloses a technique of acquiring a shunt sound by a shunt sound acquisition device provided in an extracorporeal circulation blood circuit, converting it into an electric signal, and analyzing a pulse or the like. Further, in Patent Document 2, a shunt sound analyzer acquires a shunt sound and converts it into an electric signal, and then extracts a characteristic component indicating the characteristics of the shunt sound generated by the narrowing of a blood vessel, and shunts based on the characteristic component. A technique for outputting evaluation information related to sound evaluation is disclosed.
  • the analysis device using the shunt sound as in Patent Documents 1 and 2 requires a quiet environment or external noise shielding measures in order to prevent external noise from entering, so that the place where it can be used is limited. Furthermore, since it is necessary to bring a microphone or the like into contact with the skin, it is necessary to take measures against infection caused by the contact.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a non-contact blood vessel analysis device capable of easily analyzing the state of blood vessels in a non-contact manner without being limited to a specific place.
  • the non-contact blood vessel analyzer is based on an image acquirer that acquires an image of a moving image of a blood vessel or a continuous still image, and the brightness and / or chromaticity of the image. It is equipped with an image processor that detects pulsations and thrills from changes in the derived index over time.
  • the non-contact blood vessel analyzer further comprises a light irradiator that sheds light on the blood vessels.
  • the index derived from the brightness and / or chromaticity of the image is the brightness or brightness of the image.
  • the image processor detects a region near the maximum value as a pulsation in the power spectrum of the brightness or brightness of the image.
  • the image processor uses a frequency indicating the maximum value of the power spectrum of the brightness or brightness of the image as the heart rate.
  • the image processor detects as a thrill a region near the maximum value when the maximum value decreases as the frequency increases in the power spectrum of the brightness or brightness of the image, and then once the maximum value increases.
  • non-contact blood vessel analyzer it is possible to easily analyze the state of blood vessels in a non-contact manner without being limited to a specific place.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the use example of the non-contact blood vessel analysis apparatus which concerns on embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows the image processor realized by the computer system in the non-contact blood vessel analysis apparatus shown in FIG. It shows the analysis example in the use example shown in FIG. 1, and is the graph of the data which shows the time change of the brightness (brightness) of the image acquired in the arteriovenous anastomosis part.
  • An analysis example in the usage example shown in FIG. 1 is shown, and the graph of the power spectrum of the data shown in FIG. 3A (vertical axis is power and horizontal axis is frequency). It shows the analysis example in the use example shown in FIG.
  • FIG. 1 is the graph of the data which shows the time change of the brightness (brightness) of the image acquired at the part away from the arteriovenous anastomosis part.
  • An analysis example in the usage example shown in FIG. 1 is shown, and the graph of the power spectrum of the data shown in FIG. 4A (vertical axis is power and horizontal axis is frequency).
  • the non-contact blood vessel analysis device 1 includes an image acquisition device 2 and an image processor 3.
  • the image acquirer 2 captures a patient's blood vessel (for example, an arteriovenous anastomosis portion) and acquires an image 2im of a moving image or a continuous still image.
  • a patient's blood vessel for example, an arteriovenous anastomosis portion
  • the non-contact blood vessel analyzer 1 blocks the light irradiator 4 (ring type illuminator in FIG. 1) that irradiates the blood vessel of the patient and the external light in addition to the image acquirer 2.
  • a light-shielding box 5 can be provided.
  • the light of the light irradiator 4 is monochromatic light (for example, green light or the like) or white light, and may be light in an infrared region and an ultraviolet region in addition to visible light.
  • the amount of red blood cells in blood vessels fluctuates due to fluctuations in contraction and expansion due to pulsation, etc., and the absorbance fluctuates.
  • a blood vessel is imaged, it is possible to acquire an image 2im of a moving image or a continuous still image in which the brightness and / or the chromaticity changes with time due to the fluctuation of the absorbance and / or the physical fluctuation of the blood vessel.
  • an image 2im containing the change due to the thrill in addition to the change due to the pulsation can be obtained.
  • the fluctuation of the absorbance with respect to green light was remarkable.
  • the image processor 3 detects the pulsation and the thrill from the time change of the index derived from the brightness and / or the chromaticity of the image 2im acquired by the image acquirer 2.
  • the index derived from the lightness and / or the chromaticity is derived from the lightness, the hue, the saturation, or a combination thereof, and includes brightness and the like. Assuming that the index derived from the lightness and / or the chromaticity is the lightness or the brightness, the time change can be easily graphed and easily analyzed as described later.
  • the description is made using lightness, the same applies even if brightness is used instead of lightness.
  • the image processor 3 is usually realized by a computer system as shown in FIG. 2, and has an image processing program in the program memory 3a.
  • reference numeral 3b indicates a CPU
  • reference numeral 3c indicates a work memory
  • reference numeral 3d indicates other parts including an input / output unit.
  • the index derived from the lightness and / or the chromaticity of the image 2im is the lightness
  • the image 2im used in the graph of FIG. 3A (and FIG. 4A described later) was obtained by irradiating the patient with green light by the light irradiator 4. Further, the graph of FIG. 3A (and FIG. 4A described later) is extracted in the frequency range of 0.8 Hz to 12 Hz. Further, the graph of FIG. 3A (and FIG. 4A described later) shows the data between 20 seconds and 25 seconds after the start of data acquisition.
  • the beat and thrill are detected by Fourier transforming the waveform of the time change of the brightness of the image 2im as shown in FIG. 3B and performing frequency analysis (that is, analyzing the power spectrum of the brightness with respect to the frequency). It is possible to do.
  • the region near the maximum value of power As a pulsation, it is possible to detect the region near the maximum value of power as a pulsation, and to set the frequency fp indicating the maximum value as the heart rate. Then, it is also possible to evaluate whether or not the pulsation is normal based on the detected pulsation intensity or the frequency of the heart rate.
  • the one having the lowest frequency (fundamental wave) among a plurality of regions near the maximum value is the region near the maximum value and indicates a pulsation. Further, there also appears a harmonic pu'in which the maximum value gradually decreases as the frequency increases.
  • the region near the maximum value as a thrill th when the maximum value decreases as the frequency increases and then once rises.
  • the region near the maximum value before the region near the maximum value detected as a thrill can be regarded as the above-mentioned harmonic pu'. Then, it is possible to evaluate whether or not the thrill is normal based on the strength of the detected thrill or the presence or absence thereof. Further, in FIG. 3B, a thrill th'appears in addition to the thrill indicated by the reference numeral th.
  • various other methods are possible as specific methods for detecting pulsations and thrills.
  • the non-contact blood vessel analyzer 1 detects pulsations and thrills by using an image acquirer 2 and an image processor 3 instead of the conventional method of listening to sound and feeling the movement of pulse.
  • the state of blood vessels can be easily analyzed without contact without limiting the location.
  • the non-contact blood vessel analysis device 1 has a simple configuration. Further, since the non-contact blood vessel analysis device 1 is non-contact with the patient, analysis can be performed in a state where the contact does not affect the blood vessels.
  • the non-contact blood vessel analysis device 1 includes a display device 6 (see FIG. 1), and display data 3s from the image processor 3 is input to the display device 6, as shown in FIGS. 3A and 3B. Graphs can be displayed simultaneously or selectively.
  • imaging is possible not only at the arteriovenous anastomosis part but also at blood vessels at other sites as long as the blood vessels affect blood flow by anastomosis between arteries and veins. Even at a site distant from the arteriovenous anastomosis, the brightness changes with time as shown in FIG. 4A, and it is possible to detect pulsations and thrills as shown in FIG. 4B.
  • the non-contact blood vessel analysis device 1 can be integrated as a whole, and for example, a terminal with a camera such as a smartphone or a notebook computer can be used.
  • Non-contact blood vessel analyzer 2 Image acquirer 2im image 3 Image processor 3a Program memory 3b CPU 3c Work memory 3d Other parts of computer system 3s Display data 4 Light irradiator 5 Shading box 6 Display device fp Frequency at which power shows maximum value in power spectrum of image brightness Large and gradual change due to PU beat Pu Image brightness Region near the maximum value of power in the power spectrum of (fundamental wave) pu'harmonic TH sudden change due to small thrill th, th' thrill

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Abstract

場所を限定せずに容易に非接触で血管の状態を解析できる非接触血管解析装置を提供する。この非接触血管解析装置１は、血管の動画又は連続した静止画の画像２ｉｍを取得する画像取得器２と、画像２ｉｍの明度又は輝度の時間変化から拍動とスリルを検出する画像処理器３と、を備える。画像処理器３は、画像２ｉｍの明度又は輝度のパワースペクトルにおいて最大値近傍領域を拍動として検出し、また、画像２ｉｍの明度又は輝度のパワースペクトルの最大値を示す周波数を心拍数とし、また、画像２ｉｍの明度又は輝度のパワースペクトルにおいて周波数が高くなるにつれて極大値が減少してから後、一旦上がったときの極大値近傍領域をスリルとして検出することができる。

Description

非接触血管解析装置
　本発明は、吻合によって影響された血管の状態を非接触で解析できる非接触血管解析装置に関する。
　透析療法をはじめ患者の血液を体外循環血液回路に通して体外循環させる治療においては、患者から血液を抜き出したり患者に血液を戻したりする出入り口（バスキュラーアクセス）が設けられる。バスキュラーアクセスにおいては、体外循環のために、動脈血を直接静脈に流し込むように外科手術により直接に又は人工血管を用いて、動脈と静脈を吻合して動静脈血管吻合部を形成する方法が用いられている。
　しかし、動静脈血管吻合部を形成することで、それにより影響された血管が血管内膜の肥厚や硬化、血栓形成などにより狭窄したり更には閉塞したりして血流障害が起こり易くなる。そこで、治療前後に血管に異常がないかどうかを音を聞いたり脈の動きを感じたりして判断している。音を聞く方法は、典型的には、聴診器を用いて血流音（いわゆるシャント音）の大きさと音域を聴いて異常がないかどうかを判断している。つまり、正常では大きく低い音を聴くことができるが、血管が狭窄していると低音が小さくなり高音が大きくなる。更に狭窄が進むと音の大きさが小さくなり、閉塞すると聴くことができなくなる。
　また、脈の動きを感じる方法は、典型的には、血管に指を当て、圧が高い動脈の血が静脈に流し込まれる際に生じる乱流が血管壁をたたくために生じる振動（スリル）を感じることで、異常がないかどうかを判断している。つまり、正常ではスリルを感じることができるが、血管が狭窄し閉塞に近づいてくると血流が減るため、スリルはなくなってくる。
　このような血管の状態を解析し異常を容易に発見できるようにするために、従来より、様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、体外循環血液回路に設けられたシャント音取得装置により、シャント音を取得して電気信号に変換し、脈拍等を解析する技術が開示されている。また、特許文献２には、シャント音解析装置により、シャント音を取得して電気信号に変換し、それから血管の狭窄によって生じるシャント音の特徴を示す特徴成分を抽出し、特徴成分に基づいてシャント音の評価に関連する評価情報を出力する技術が開示されている。
特開２００５－３２８９４１号公報 国際公開２０１６－２０７９５１号公報
　しかし、特許文献１、２のようにシャント音を用いる解析装置は、外来雑音が入らないようにするために静かな環境或いは外来雑音遮蔽対策を必要とするため、使用できる場所が限定される。更には、マイクロホンなどを皮膚に接触させる必要があるため、接触による感染への対策が必要となる。
　本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、特定の場所に限定されず容易に非接触で血管の状態を解析できる非接触血管解析装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る非接触血管解析装置は、血管の動画又は連続した静止画の画像を取得する画像取得器と、該画像の明度及び／又は色度から導出される指標の時間変化から拍動とスリルを検出する画像処理器と、を備える。
　好ましくは、非接触血管解析装置は、前記血管に光を当てる光照射器を更に備える。
　好ましくは、前記画像の明度及び／又は色度から導出される指標は、前記画像の明度又は輝度である。
　好ましくは、前記画像処理器は、前記画像の明度又は輝度のパワースペクトルにおいて最大値近傍領域を拍動として検出する。
　好ましくは、前記画像処理器は、前記画像の明度又は輝度のパワースペクトルの最大値を示す周波数を心拍数とする。
　好ましくは、前記画像処理器は、前記画像の明度又は輝度のパワースペクトルにおいて周波数が高くなるにつれて極大値が減少してから後、一旦上がったときの極大値近傍領域をスリルとして検出する。
　本発明に係る非接触血管解析装置によれば、特定の場所に限定されず容易に非接触で血管の状態を解析可能となる。
本発明の実施形態に係る非接触血管解析装置の使用例を示す概略図である。 図１で示した非接触血管解析装置においてコンピュータシステムで実現された画像処理器を示す概略図である。 図１で示した使用例における解析例を示すものであって、動静脈血管吻合部で取得した画像の明度（brightness）の時間変化を示すデータのグラフである。 図１で示した使用例における解析例を示すものであって、図３Ａで示したデータのパワースペクトルのグラフ（縦軸がパワー（power）で横軸が周波数（frequency））である。 図１で示した使用例における解析例を示すものであって、動静脈血管吻合部から離れた部位で取得した画像の明度（brightness）の時間変化を示すデータのグラフである。 図１で示した使用例における解析例を示すものであって、図４Ａで示したデータのパワースペクトルのグラフ（縦軸がパワー（power）で横軸が周波数（frequency））である。
　以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係る非接触血管解析装置１は、図１に示すように、画像取得器２と画像処理器３を備える。
　画像取得器２は、患者の血管（例えば、動静脈血管吻合部）を撮像して動画又は連続した静止画の画像２ｉｍを取得するものである。
　画像２ｉｍを取得するために、非接触血管解析装置１は、画像取得器２の他に、患者の血管に光を当てる光照射器４（図１においてはリング型照明器）と外光を遮断する遮光箱５を備えることができる。光照射器４の光は、単色光（例えば、緑色の光など）又は白色光であり、可視光の他、赤外領域及び紫外領域の光であってもよい。
　血管は、拍動などによる収縮及び拡張の変動により赤血球の量が変動し、吸光度が変動する。血管を撮像すると、吸光度の変動及び／又は血管の物理的変動によって、明度及び／又は色度が時間変化する動画又は連続した静止画の画像２ｉｍを取得することができる。そして、動静脈血管吻合によって影響された血管を撮像すると、拍動による変化の他にスリルによる変化が含まれた画像２ｉｍを取得することができる。なお、本願発明者による実験では、緑色の光に対する吸光度の変動が顕著であった。
　画像処理器３は、画像取得器２が取得した画像２ｉｍの明度及び／又は色度から導出される指標の時間変化から拍動とスリルを検出する。ここで、明度及び／又は色度から導出される指標とは、明度、色相、又は彩度或いはそれらの組み合わせから導出されるものであり、輝度などが含まれる。明度及び／又は色度から導出される指標を明度又は輝度とすると、後述するようにその時間変化を容易にグラフ化でき容易に解析できる。以下、明度を用いて説明するとき、明度の代わりに輝度を用いても同様である。
　画像処理器３は、通常、図２に示すように、コンピュータシステムで実現され、プログラムメモリ３ａに画像処理のプログラムを有する。図２中、符号３ｂはＣＰＵ、符号３ｃはワークメモリ、符号３ｄは入出力部を含むその他の部分を示している。
　画像２ｉｍの明度及び／又は色度から導出される指標を明度とすると、図３Ａに示すように、明度の変化の中には、拍動による大きく緩やかな変化ＰＵの他に小さなスリルによる急な変化ＴＨが含まれている。なお、図３Ａ（及び後述する図４Ａ）のグラフに用いた画像２ｉｍは、光照射器４により緑色の光を患者に当てて取得したものである。また、図３Ａ（及び後述する図４Ａ）のグラフは、０．８Ｈｚ～１２Ｈｚの周波数範囲で抽出したものである。また、図３Ａ（及び後述する図４Ａ）のグラフは、データを取り始めてから２０秒後～２５秒後の間のデータを示すものである。
　画像処理器３において、画像２ｉｍの明度の時間変化の波形を図３Ｂに示すようにフーリエ変換し、周波数解析（つまり、周波数に対する明度のパワースペクトルを解析）することにより、拍動とスリルを検出することが可能である。
　例えば、画像２ｉｍの明度のパワースペクトルにおいてパワーの最大値近傍領域ｐｕを拍動として検出し、また、最大値を示す周波数ｆｐを心拍数とすることが可能である。そして、検出した拍動の強度又は心拍数の周波数により、拍動が正常かどうかの評価をすることもできる。周波数に対する明度のパワースペクトルでは、一般に、複数個の極大値近傍領域のうち最も低い周波数のもの（基本波）は、最大値近傍領域となり、拍動を示す。また、そこでは、周波数が高くなるにつれて段々と極大値が減少する高調波ｐｕ’も現れる。
　また、例えば、画像２ｉｍの明度のパワースペクトルにおいて周波数が高くなるにつれて極大値が減少してから後、一旦上がったときの極大値近傍領域をスリルｔｈとして検出することが可能である。この場合、スリルとして検出する極大値近傍領域より前の極大値近傍領域は、上記の高調波ｐｕ’とみなすことができる。そして、検出したスリルの強度又はその有無により、スリルが正常かどうかの評価をすることもできる。また、図３Ｂにおいては、符号ｔｈで示したスリル以外にもスリルｔｈ’が現れている。
　なお、画像処理器３において、拍動とスリルを検出する具体的な方法はその他、様々な方法が可能である。例えば、深層学習やLiDAR（Light Detection And Ranging）などにより拍動とスリルを検出することも可能である。
　このように、非接触血管解析装置１は、従来の音を聞く方法と脈の動きを感じる方法に代えて画像取得器２と画像処理器３を用いて拍動とスリルを検出することにより、場所を限定せず容易に非接触で血管の状態を解析できる。また、非接触血管解析装置１は、簡易な構成である。また、非接触血管解析装置１は、患者に非接触なので、接触による血管への影響がない状態で解析が可能である。
　なお、非接触血管解析装置１は、表示装置６（図１参照）を備え、表示装置６には、画像処理器３からの表示データ３ｓが入力され、図３Ａや図３Ｂで示したようなグラフが同時に又は選択的に表示されるようにすることができる。
　また、撮像は、動静脈血管吻合部に限らず、動脈と静脈の吻合により血流に影響を及ぼす血管であれば、他の部位の血管でも可能である。動静脈血管吻合部から離れた部位であっても、図４Ａに示すように明度が時間とともに変化し、図４Ｂに示すように拍動とスリルを検出することが可能である。
　非接触血管解析装置１は、全体を一体化することも可能であり、例えば、スマートフォンやノートパソコンなどのカメラ付き端末を用いることも可能である。
　以上、本発明の実施形態に係る非接触血管解析装置について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。
　１　　　非接触血管解析装置
　２　　　画像取得器
　２ｉｍ　画像
　３　　　画像処理器
　３ａ　　プログラムメモリ
　３ｂ　　ＣＰＵ
　３ｃ　　ワークメモリ
　３ｄ　　コンピュータシステムのその他の部分
　３ｓ　　表示データ
　４　　　光照射器
　５　　　遮光箱
　６　　　表示装置
　ｆｐ　　画像の明度のパワースペクトルにおいてパワーが最大値を示す周波数
　ＰＵ　　　拍動による大きく緩やかな変化
　ｐｕ　　　画像の明度のパワースペクトルにおけるパワーの最大値近傍領域（基本波）
　ｐｕ’　　高調波
　ＴＨ　　　小さなスリルによる急な変化
　ｔｈ、ｔｈ’　スリル

Claims (6)

  1. 　血管の動画又は連続した静止画の画像を取得する画像取得器と、
    　該画像の明度及び／又は色度から導出される指標の時間変化から拍動とスリルを検出する画像処理器と、を備える非接触血管解析装置。
  2. 　請求項１に記載の非接触血管解析装置において、
    　前記血管に光を当てる光照射器を更に備える非接触血管解析装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の非接触血管解析装置において、
    　前記画像の明度及び／又は色度から導出される指標は、前記画像の明度又は輝度である非接触血管解析装置。
  4. 　請求項３に記載の非接触血管解析装置において、
    　前記画像処理器は、前記画像の明度又は輝度のパワースペクトルにおいて最大値近傍領域を拍動として検出する非接触血管解析装置。
  5. 　請求項４に記載の非接触血管解析装置において、
    　前記画像処理器は、前記画像の明度又は輝度のパワースペクトルの最大値を示す周波数を心拍数とする非接触血管解析装置。
  6. 　請求項３～５のいずれか１項に記載の非接触血管解析装置において、
    　前記画像処理器は、前記画像の明度又は輝度のパワースペクトルにおいて周波数が高くなるにつれて極大値が減少してから後、一旦上がったときの極大値近傍領域をスリルとして検出する非接触血管解析装置。
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