血管形状測定装置、血流速度測定装置、および血流量測定装置
【目的】 高精度で血管の断面形状を測定することができる血管形状測定装置を提供する。
【解決手段】 血管形状算出手段６２により、生体の一部１４である上腕部の表皮２０下に位置する上腕動脈１８に交差してその表皮２０上に配置された第１アレイ２６および第２アレイ２８から検出されるエコー信号に基づいて、その第１アレイ２６および第２アレイ２８の直下に位置する部分の血管壁のうち各第１超音波素子２６n および第２超音波素子２８n に対応する部位の位置がそれぞれ算出され、それら血管壁の第１超音波素子２６n および第２超音波素子２８n に対応する部位の位置に基づいて、上腕動脈１８の直交断面における形状が算出されるので、生体皮膚２０下の上腕動脈１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その上腕動脈１８の断面形状が正確に得られる。
【解決手段】 血管形状算出手段６２により、生体の一部１４である上腕部の表皮２０下に位置する上腕動脈１８に交差してその表皮２０上に配置された第１アレイ２６および第２アレイ２８から検出されるエコー信号に基づいて、その第１アレイ２６および第２アレイ２８の直下に位置する部分の血管壁のうち各第１超音波素子２６n および第２超音波素子２８n に対応する部位の位置がそれぞれ算出され、それら血管壁の第１超音波素子２６n および第２超音波素子２８n に対応する部位の位置に基づいて、上腕動脈１８の直交断面における形状が算出されるので、生体皮膚２０下の上腕動脈１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その上腕動脈１８の断面形状が正確に得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体の表示下に位置する血管の形状を超音波を用いて測定する装置、その血管内の血流速度を測定する血流速度測定装置、およびそれを用いてその血管内の血流量を測定する血流量測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体の状態を把握するために、非侵襲でその生体の血管の径や断面積、血流速度、血流量を正確に測定することが要請されている。たとえば、血管の内皮機能検査に際しては、内径４ｍｍφの動脈において、１％の精度で血管径や断面積、血流速度、血流量を測定することが求められる。
【０００３】
これに対し、特許文献１には、非侵襲で生体表皮下の血管の長手方向の２位置に、一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、該第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイとを配置し、それら第１アレイおよび第２アレイの直下の２位置において血管の断面形状を検出する技術が提案されている。これによれば、超音波を用いているため、非侵襲にて血管の断面形状が検出される。
【特許文献１】特開平１１−７６２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の血管の断面形状を検出する装置は、第１アレイの複数の第１超音波素子の配列方向を含む測定断面内および第２アレイの複数の第１超音波素子の配列方向を含む測定断面内における血管の断面形状を検出するものであることから、必ずしも血管の長手方向とその測定断面とは直交するものではないので、十分な精度が得られないという問題があった。生体の皮膚下の血管上に上記第１アレイおよび第２アレイが固定された超音波プローブが装着されるとき、動脈の位置は目視し難いことから第１アレイおよび第２アレイがその動脈に直交するように装着したとしても必ずしも正確ではなく、しかも、動脈は皮膚に対して平行でない場合が殆どであるので、動脈血管の長手方向と上記第１アレイや第２アレイの測定断面とは直交しないので、その測定断面内で測定される血管の径や断面積等の断面形状、それに基づく血流速度や血流量を正確に測定することができなかった。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、高精度で血管の形状、その血管内の血流速度や血流量を測定することができる血管形状測定装置、血流速度測定装置、および血流量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための請求項１に係る発明の血管形状測定装置の要旨とするところは、一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、その第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイとを備え、生体の表皮下に位置する血管に交差して該表皮上に配置された該第１アレイおよび第２アレイから検出されるエコー信号に基づいて該血管の形状を測定する血管形状測定装置であって、(a) 前記第１アレイの各第１超音波素子から検出される反射信号に基づいて、前記血管の該第１アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第１超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段と、(b) 前記第２アレイの各第２超音波素子から検出されるエコー信号に基づいて、前記血管の該第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第２超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段と、(c) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記血管の直交断面における形状を算出する血管形状算出手段とを、含むことにある。
【０００７】
また、請求項２に係る発明では、上記請求項１にかかる発明において、(a) 前記第１血管壁位置演算手段は、各第１超音波素子から放射される放射信号と該各第１超音波素子により検出される前記血管壁からの反射信号との時間差に基づいて該血管壁までの距離をそれぞれ算出し、その距離に基づいて前記第１アレイの測定断面内における血管壁の位置を決定するものであり、(b) 前記第２血管壁位置演算手段は、各第２超音波素子から放射される放射信号と各第２超音波素子により検出される前記血管壁からの反射信号との時間差に基づいて該血管壁までの距離をそれぞれ算出し、その距離に基づいて前記第２アレイの測定断面内における血管壁の位置を決定するものである。
【０００８】
また、請求項３に係る発明では、上記請求項２にかかる発明において、前記血管形状算出手段は、(a) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段と、(b) その測定断面内形状算出手段により算出された第１アレイの測定断面と前記第２アレイの測定断面とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて該血管の中心軸を算出する中心軸算出手段と、(c) その中心軸算出手段により算出された血管の中心軸に基づいて、該血管の直交断面と前記測定断面との交差角度を算出する交差角度算出手段と、(d) その交差角度算出手段により算出された交差角度に基づいて、前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、前記形状算出手段により算出された長軸径および／または短軸径を補正する補正手段とを、含むものである。
【０００９】
また、請求項４にかかる発明では、上記請求項３に係る発明において、前記血管形状算出手段は、前記補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段を、さらに含むものである。
【００１０】
前記目的を達成するための請求項５に係る発明の血流速度測定装置の要旨とするところは、(a) 一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、該第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイと、ドップラ用超音波素子とを備え、該第１アレイおよび第２アレイが前記生体の表皮下に位置する血管と交差し且つ該ドップラ用超音波素子からの超音波を放射方向が該血管に対して鋭角を成すように装着される超音波プローブと、(b) 前記ドップラ用超音波素子から前記血管に向かって超音波を放射したときに得られる、該血管内の血流速度に基づくドップラ効果により変化させられるドップラ反射波に基づいて該血流速度を算出する血流速度算出手段と、(c) 前記第１アレイの各第１超音波素子から検出される反射信号に基づいて、前記血管の該第１アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第１超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段と、(d) 前記第２アレイの各第２超音波素子から検出されるエコー信号に基づいて、前記血管の該第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第２超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段と、(e) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点を算出し、該第１アレイの測定断面と前記第２アレイの測定断面とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて該血管の中心軸を算出する中心軸算出手段と、(f) その中心軸算出手段により算出された前記血管の中心軸と前記ドップラ用超音波素子から該血管に向かって超音波を放射する方向との実際の相対角度を算出する相対角度算出手段と、(g) その相対角度算出手段により算出された実際の相対角度に基づいて前記血流速度算出手段により算出された血流速度を補正する血流速度補正手段とを、含むことにある。
【００１１】
前記目的を達成するための請求項６に係る発明の血流量測定装置の要旨とするところは、(a) 上記請求項５に係る発明の血流速度測定装置と、(b) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段と、(c) 前記中心軸算出手段により算出された血管の中心軸に基づいて、該血管の直交断面と前記測定断面との交差角度を算出する交差角度算出手段と、(d) その交差角度算出手段により算出された交差角度に基づいて、前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、前記形状算出手段により算出された長軸径および／または短軸径を補正する補正手段と、(e) その補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段と、(f) その直交断面積算出手段により算出された前記血管の直交断面における断面積と前記血流速度補正手段により補正された血流速度とに基づいて、前記血管内の血流量を算出する血流量算出手段とを、含むことにある。
【発明の効果】
【００１２】
前記請求項１に係る発明によれば、生体の表皮下に位置する血管に交差して該表皮上に配置された該第１アレイおよび第２アレイから検出されるエコー信号に基づいて、その第１アレイおよび第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち各第１超音波素子および第２超音波素子に対応する部位の位置がそれぞれ算出され、それら血管壁の第１超音波素子および第２超音波素子に対応する部位の位置に基づいて、血管の直交断面における形状が算出されるので、生体皮膚下の血管の方向が上記第１アレイおよび第２アレイと直交していなくても、或いは皮膚に平行でなくても、その血管の血管径、血管断面形状、或いは断面積等の断面形状が正確に得られる。
【００１３】
また、請求項２に係る発明によれば、第１血管壁位置演算手段および第２血管壁位置演算手段によって、各第１超音波素子および各第２超音波素子から放射される放射信号とその各第１超音波素子および各第２超音波素子により検出される前記血管壁からの反射信号との時間差に基づいて該血管壁までの距離がそれぞれ算出され、その距離に基づいて前記第１アレイの測定断面内における血管壁の位置が決定されるので、第１アレイおよび第２アレイの測定断面内において各血管壁の位置が正確に得られる。
【００１４】
また、請求項３に係る発明によれば、前記血管形状算出手段において、第１アレイおよび第２アレイの測定断面内の血管壁の部位の位置に基づいて、その第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とがそれぞれ算出され、その第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて血管の中心軸が算出され、その血管の中心軸に基づいて前記血管の直交断面と前記測定断面との交差角度が算出され、その交差角度に基づいて前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、長軸径および／または短軸径が補正されるので、生体皮膚下の血管の方向が上記第１アレイおよび第２アレイと直交していなくても、或いは皮膚に平行でなくても、その血管の断面形状が正確に得られる。
【００１５】
また、請求項４に係る発明によれば、前記血管形状算出手段は、前記補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段を含むものであるので、生体皮膚下の血管の方向が上記第１アレイおよび第２アレイと直交していなくても、或いは皮膚に平行でなくても、その血管の断面積が正確に得られる。
【００１６】
また、請求項５に係る発明の血流速度測定装置によれば、(a) 一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、該第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイと、前記ドップラ用超音波素子とを備え、該第１アレイおよび第２アレイが前記生体の表皮下に位置する血管と交差し且つ該ドップラ用超音波素子からの超音波を放射方向が該血管に対して鋭角を成すように装着される超音波プローブと、(b) 前記ドップラ用超音波素子から前記血管に向かって超音波を放射したときに得られる、該血管内の血流速度に基づくドップラ効果により変化させられるドップラ反射波に基づいて該血流速度を算出する血流速度算出手段と、(c) 前記第１アレイの各第１超音波素子から検出される反射信号に基づいて、前記血管の該第１アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第１超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段と、(d) 前記第２アレイの各第２超音波素子から検出されるエコー信号に基づいて、前記血管の該第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第２超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段と、(e) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点を算出し、該第１アレイの測定断面と前記第２アレイの測定断面とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて該血管の中心軸を算出する中心軸算出手段と、(f) その中心軸算出手段により算出された前記血管の中心軸と前記ドップラ用超音波素子から該血管に向かって超音波を放射する方向との実際の相対角度を算出する相対角度算出手段と、(g) その相対角度算出手段により算出された実際の相対角度に基づいて前記血流速度算出手段により算出された血流速度を補正する血流速度補正手段とが、設けられているので、生体皮膚下の血管の方向が上記第１アレイおよび第２アレイと直交していなくても、或いは皮膚に平行でなくても、その血管内の血流速度が正確に得られる。
【００１７】
また、請求項６に係る発明の血流量測定装置によれば、(a) 上記請求項５に係る発明の血流速度測定装置と、(b) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段と、(c) 前記中心軸算出手段により算出された血管の中心軸に基づいて、その血管の直交断面と前記測定断面との交差角度を算出する交差角度算出手段と、(d) その交差角度算出手段により算出された交差角度に基づいて、前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、前記形状算出手段により算出された長軸径および／または短軸径を補正する補正手段と、(e) その補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段と、(f) その直交断面積算出手段により算出された前記血管の直交断面における断面積と前記血流速度補正手段により補正された血流速度とに基づいて、前記血管内の血流量を算出する血流量算出手段とが、設けられているので、生体皮膚下の血管の方向が上記第１アレイおよび第２アレイと直交していなくても、或いは皮膚に平行でなくても、その血管内の血流量が正確に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
ここで、好適には、前記血管は、生体の皮膚下に位置する動脈たとえば上腕動脈、撓骨動脈、足背動脈、頸動脈、浅側頭動脈等である。ＦＭＤ（flow-medeated dilation: 内皮依存性血管拡張反応）検査の場合には、たとえば上腕動脈、撓骨動脈、足背動脈が対象となり、頭部への血流把握の場合には、たとえば頸動脈、浅側頭動脈が対象となる。
【００１９】
また、好適には、前記第１アレイおよび第２アレイを構成する複数の超音波素子は、振動子と受信子とが共通の振動子から構成されたものであってもよいし、一対の発信子と受信子とからそれぞれ構成されていてもよい。
【００２０】
また、好適には、ドップラ用超音波素子は、送信子と受信子とが共通の１個の振動子であってもよいし、一対の発信子と受信子とから構成されていてもよい。また、このドップラ用超音波素子は、前記血管の方向に対して交差する方向に配列された複数個の振動子アレイから構成されてもよい。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例の超音波測定装置１０に備えられた超音波プローブ１２の生体１４に対する装着状態を示している。この超音波プローブ１２は、図２或いは図３に示すように、装着バンド１６によって生体の一部たとえば上腕部において上腕動脈１８の真上に位置するように装着される。この上腕動脈１８は、上腕二頭筋の下端部下側から表皮２０に向かって接近する形状を有している。
【００２２】
上記超音波プローブ１２は、その表皮２０と接触する接触面２２を有し、アクリル樹脂等の合成樹脂、セラミックス、金属などの超音波透過性材料から構成された本体２４と、その本体２４内に所定の間隔Ｌを隔てて互いに平行となるように埋設され且つ上記上腕動脈１８と交差する長手方向の第１アレイ２６および第２アレイ２８と、その第２アレイ２８から下流側に位置するように配設され且つ上記上腕動脈１８と交差する長手方向の第３アレイ３０とを備えている。第１アレイ２６および第２アレイ２８は、上記一方向すなわち上記長手方向に配列された複数個の超音波素子２６n および２８n （ｎは整数）をそれぞれ備えている。上記第３アレイ３０も、上記の第１アレイ２６および第２アレイ２８と平行な一方向すなわち上記長手方向に配列された複数個の超音波素子３０n を備えている。上記超音波素子２６n および２８n は、測定対象となる上腕動脈１８の径よりも十分に小さい間隔たとえば０．２乃至０．５ｍｍ程度となるように配置されている。超音波素子３０n もそれと同等であるかそれよりも大きい間隔で配置されている。
【００２３】
上記第１アレイ２６の超音波素子２６n および第２アレイ２８の超音波素子２８n は、圧電素子などから構成されることによって超音波の発信子および受信子として機能するものであり、真下に向かって超音波を発信するように接触面２２に対して垂直に設けられている。上記第３アレイ３０の超音波素子３０n も、圧電素子などから構成されることによって超音波の発信子および受信子として機能するものであり、上流部位の上腕動脈１８に向かって超音波を発信するように接触面２２に対して超音波放射面が斜めにたとえば４５度程度傾斜して設けられている。上記第１アレイ２６の超音波素子２６n および第２アレイ２８の超音波素子２８n は、Ｘ−Ｚ平面として設定される接触面２２内に略位置するように配置され、第１アレイ２６の超音波素子２６n のうちの端部に位置する素子２６1 が上記Ｘ−Ｙ−Ｚ三次元直交座標の原点として設定されている。
【００２４】
第１アレイ２６の複数個の超音波素子２６n および第２アレイ２８の複数個の超音波素子２８n は、それぞれ、上記接触面２２に対して垂直方向に超音波を放射し、その超音波の伝播過程に存在する界面からの反射波をエコー信号として受信するので、図２に示すように、第１アレイ２６および第２アレイ２８の直下には、互いに平行であって上記上腕動脈１８がそれぞれ貫通させられる測定断面Ａおよび測定断面Ｂが形成されるようになっている。それらの測定断面Ａおよび測定断面Ｂは前記Ｘ−Ｙ−Ｚ三次元直交座標のＸ−Ｙ平面に平行な面となり、それら測定断面Ａおよび測定断面Ｂの面内の位置は座標値により表される。
【００２５】
図３に示すように、上記超音波測定装置１０は、第１アレイ２６、第２アレイ２８、第３アレイ３０を駆動制御するための超音波駆動制御回路３２と、アナログ信号およびデジタル信号の一方から他方へ変換するための信号変換器３４と、電子制御装置３６と、数字および画像を表示するための表示器３８とを備えている。上記電子制御装置３６はＣＰＵ４０、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４４、図示しない記憶装置やインターフェース等から成る所謂マイクロコンピュータから構成されており、ＣＰＵ４０はＲＡＭ４４の一時記憶機能を利用しつつ予めＲＯＭ４２に記憶されたプログラムにしたがって入力信号を処理して、血管形状測定装置、血流速度測定装置、および血流量を算出し、演算結果を表示器３８に表示させ、或いは他の機器へ出力する。このため、超音波測定装置１０は、血管形状測定装置、血流速度測定装置、および血流量測定装置として機能している。
【００２６】
図４は、上記電子制御装置３６の演算制御機能の要部を説明する機能ブロック線図である。図４において、第１管壁位置演算手段４８および第２管壁位置演算手段５０は、第１アレイ２６の直下の測定断面Ａおよび第２アレイ２８の直下の測定断面Ｂにおける上腕動脈１８の断面形状を、各超音波素子２６n および各超音波素子２８n がそれぞれ受信したエコー信号に基づいて算出する。図５は、第１アレイ２６の各超音波素子２６n 毎に示す送信信号Ｓn と上腕動脈１８の管壁からのエコー信号Ｅn の波形を示すタイムチャートであり、その送信信号Ｓn とエコー信号Ｅn との時間差が第１アレイ２６からの深さ寸法に対応している。このため、上記第１管壁位置演算手段４８は、上記送信信号Ｓn とエコー信号Ｅn との間の時間差と、生体内の音速とに基づいて各超音波素子２６n に対応する管壁の深さ位置をそれぞれ算出する。第２管壁位置演算手段５０も同様にして、測定断面Ｂにおける各超音波素子２８n に対応する管壁の深さ位置をそれぞれ逐次算出する。
【００２７】
次いで、測定断面形状算出手段５２は、上記測定断面ＡおよびＢにおいて、上記各超音波素子２６n および２８n に対応する管壁の深さ位置から、図６に示すようにＸ−Ｙ座標内の点で特定し、さらに、それらの各点から曲線補完を用いてそれら各点を結ぶ閉曲線Ｋを算出して上腕動脈１８の内腔の形状とし、その閉曲線Ｋの長径軸寸法２ｂ、短軸径寸法２ａ、Ｘ軸に対する長径軸の傾斜角度θをそれぞれ逐次算出する。図６は測定断面Ａにおける座標を示している。
【００２８】
中心軸算出手段５４は、測定断面形状算出手段５２により測定断面ＡおよびＢにおいて求められた閉曲線Ｋから、その各測定断面ＡおよびＢにおける閉曲線Ｋの中心点ＣA （Ｘ0A，Ｙ0A，ＺA ）およびＣB （Ｘ0B，Ｙ0B，ＺB ）をそれぞれ算出する。そして、それら各測定断面ＡおよびＢにおける閉曲線Ｋの中心点ＣA （Ｘ0A，Ｙ0A，ＺA ）およびＣB （Ｘ0B，Ｙ0B，ＺB ）を結ぶ直線を、上腕動脈１８の中心軸ＣＬとして逐次決定する。図７は接触面２２に平行な面（水平面）内の中心軸ＣＬを示し、図８は接触面２２に垂直な面（垂直面）内の中心軸ＣＬを示している。たとえば、上記中心点ＣA は、閉曲線Ｋに近似する楕円の式(1) を利用した次式(1) から、最小自乗法を用いて未知数であるＸ0 およびＹ0 を算出する。
【００２９】
[(Ｘi −Ｘ0 ）cos θ＋( Ｙi −Ｙ0 ）sin θ]2/a2
＋[ ( Ｘi −Ｘ0 ）sin θ＋( Ｙi −Ｙ0 ）cos θ]2/b2 ＝１ ・・・(1)
【００３０】
交差角算出手段５６は、図７に示す接触面２２に平行な面内において、測定断面Ａ或いはＢについて、中心軸算出手段５４により算出された上腕動脈１８の中心軸ＣＬに基づいて中心点ＣA を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ａ’或いは中心点ＣB を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ｂ’を決定し、その直交断面Ａ’或いはＢ’と測定断面Ａ或いはＢとの交差角度β（度）を逐次算出する。同様に、図８に示す接触面２２に垂直な面内において、測定断面Ａ或いはＢについて、中心軸算出手段５４により算出された上腕動脈１８の中心軸ＣＬに基づいて中心点ＣA を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ａ’或いは中心点ＣB を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ｂ’を決定し、その直交断面Ａ’或いはＢ’と測定断面Ａ或いはＢとの交差角度γ（度）を逐次算出する。
【００３１】
補正手段５８は、上記交差角度算出手段５６により算出された交差角度βおよびγに基づいて、測定断面形状算出手段５２により算出された形状を直交断面Ａ’およびＢ’における形状となるように補正する。すなわち、上腕動脈１８の直交断面Ａ’およびＢ’における長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’となるように、補正式(2) 、(3) により測定断面形状算出手段５２により算出された長軸径２ｂおよび短軸径２ａをそれぞれ逐次補正する。
【００３２】
ａ’＝ａ／cos β ・・・(2)
ｂ’＝ｂ／cos γ ・・・(3)
但し、cos β＝( Ｘ0 Ａ−Ｘ0 Ｂ)/Ｌ
cos γ＝( Ｘ0 Ａ−Ｘ0 Ｂ)/Ｌ
【００３３】
直交断面積算出手段６０は、直交断面Ａ’およびＢ’における上腕動脈１８の内腔面積ＳA ’およびＳB ’を、上記補正手段５８によって補正された長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’に基づいて逐次算出する。たとえば、直交断面Ａ’およびＢ’における値に補正された長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’から特定される楕円の式(4) を用いて積分することにより、直交断面Ａ’およびＢ’における面積ＳA ’およびＳB ’が算出される。本実施例では、上記測定断面形状算出手段５２、中心軸算出手段５４、交差角算出手段５６、補正手段５８、および直交断面積算出手段６０が、血管形状算出手段６２に対応している。
【００３４】
（( Ｘi ’−Ｘ0 ）/a’)2＋（( Ｙi ’−Ｙ0 ）/b’)2＝１ ・・・(4)
【００３５】
アクティブ素子選択手段６４は、第３アレイ３０の複数の超音波素子３０n のうち上腕動脈１８に最も近い素子或いは超音波放射方向線が上腕動脈１８の中心軸ＣＬと最も近いアクティブ素子を、中心軸算出手段５４により求められた上腕動脈１８の中心軸ＣＬの位置に基づいて選択する。
【００３６】
血流速度算出手段６６は、予め記憶された式(5) から、上記アクティブ素子から放射された超音波が血流によるドップラ効果によって位相変化或いは周波数変化させられたドップラ反射波の周波数fdに基づいて１拍毎に発生する最大瞬時血流速度Ｕmax を算出する。式(5) において、fcは放射される超音波の波数、ｃは生体中の音速である。式(5) において、θ2 は図９に示す接触面２２に垂直な面内のアクティブ素子からの超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの角度、θ1 は図１０に示す接触面２２に垂直な面内のアクティブ素子からの超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの角度、θ3 は図１０に示す接触面２２に垂直な面内の受波素子の受波方向線ＲＳＬと中心軸ＣＬとの角度である。アクティブ素子が受波素子を兼ねる場合にはθ3 ＝０となる。それらの角度θ1 、θ2 、θ3 は、既知のアクティブ素子の幾何的位置と前記中心軸算出手段５４により算出された中心軸ＣＬとに基づいて予め算出されるとともに、上記式(5) は、それらの角度θ1 、θ2 、θ3 による補正が加味されているので、本実施例の血流速度算出手段６６は、式(5) を用いることにより超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの間の相対角度θ1 、θ2 、θ3 に起因する最大瞬時血流速度Ｕmax のずれを補正した最大瞬時血流速度Ｕmax を一挙に算出しているので、超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの間の相対角度θ1 、θ2 、θ3 を算出する相対角度算出手段６８、およびその相対角度θ1 、θ2 、θ3 に起因する最大瞬時血流速度Ｕmax のずれを補正する血流補正手段７０を兼ねているが、血流速度算出手段６６は最大瞬時血流速度Ｕmax を基本的に算出し、相対角度算出手段６８は既知のアクティブ素子の幾何的位置と前記中心軸算出手段５４により算出された中心軸ＣＬとに基づいて超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの間の相対角度θ1 、θ2 、θ3 を算出し、血流補正手段７０はその相対角度θ1 、θ2 、θ3 に起因する最大瞬時血流速度Ｕmax のずれを補正するように役割を分担するように構成されてもよい。
【００３７】
fd＝−（fc／ｃ）（cos θ1cosθ2 ＋cos θ3cosθ2 ） ・・・(5)
【００３８】
血流量算出手段７２は、前記直交断面積算出手段６０により求められた直交断面Ｂ’における上腕動脈１８のＳB ’と、上記血流速度算出手段６６において求められた補正後の最大瞬時血流速度Ｕmax とに基づいて、直交断面Ｂ’における血流量ＱB （＝ＳB ’×Ｕmax ／２）を逐次算出する。そして、出力手段７４は、上記のようにして求められた、補正後の長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’、補正後の血流速度Ｕ、血流量ＱB をそれぞれ数字、グラフにて表示器３８に画像表示或いは印字表示させるとともに、図示しない記憶装置に記憶させる。
【００３９】
図１１および図１２は、前記電子制御装置３６の制御作動の要部を説明するフローチャートであって、図１１は測定開始操作判定後に実行される測定制御ルーチンであり、図１２はその測定制御ルーチン内の直交断面内の血管形状算出ルーチンを示している。
【００４０】
図１１において、測定開始操作が判定されると、ステップ（以下、ステップを省略する）Ｓ１において、実際の測定実行時間Ｔが予め設定された最大測定時間Ｔｍよりも小さいか否かが判断される。当初はこのＳ１の判断が肯定されるので、Ｓ２において走査素子番号ｎがクリアされた後、Ｓ３においてその走査素子番号ｎに「１」が加算される。次に、Ｓ４において、走査素子番号ｎがその最大番号ｎmax よりも低いか否かが判断される。この走査素子番号ｎは、第１アレイ或いは第２アレイの超音波素子数に対応した値に設定される。当初はこのＳ４の判断が肯定されるので、Ｓ５においてｎ番目の超音波素子２６n および２８n から超音波は発信され、Ｓ６においてｎ番目の超音波素子２６n および２８n によりエコー信号が受信される。次いで、前記第１血管壁位置演算手段４８および第２血管壁位置演算手段５０に対応するＳ７において、上腕動脈１８のうちの上記ｎ番目の超音波素子２６n および２８n に対応するに部位の血管壁の深さ位置が算出される。そして、上記Ｓ４の判断が否定されるまで上記Ｓ３以下が繰り返し実行される。
【００４１】
１番目の超音波素子２６1 および２８1 からｎmax 番目の超音波素子２６nmaxおよび２８nmaxまでの送信受信が終了すると上記Ｓ４の判断が否定されるので、前記アクティブ素子選択手段６４に対応するＳ８において、測定断Ｂにおける最大血管径位置或いは管壁の最大深さ位置が上記Ｓ７において算出された各超音波素子２８n に対応するに部位の血管壁の深さ位置に基づいて決定されるとともに、第３アレイ３０のうちの上記最大血管径位置或いは管壁の最大深さ位置に対応して位置するドップラ用超音波素子３０n が血流検出に用いられるアクティブ素子として決定される。次いで、前記血流算出手段６６に対応するＳ９において、よく知られた前記の式(5) から、上記アクティブ素子から放射された超音波が血流によるドップラ効果によって位相変化或いは周波数変化させられたドップラ反射波の周波数fdに基づいて最大瞬時血流速度Ｕmax が算出される。
【００４２】
次のＳ１０では、図１２に示す直交断面の血管形状算出ルーチンが実行される。図１２において、前記測定断面内形状算出手段５２に対応するＳＡ１では、測定断面ＡおよびＢにおいて各超音波素子２６n および２８n に対応する管壁の深さ位置が図６に示すようにＸ−Ｙ座標内の点で特定され、それらの各点から曲線補完を用いてそれら各点を結ぶ閉曲線Ｋが算出されて上腕動脈１８の内腔の形状とされ、測定断面Ａの場合の図６に示すように、その閉曲線Ｋの長径軸寸法２ｂ、短軸径寸法２ａが測定断面ＡおよびＢにおいてそれぞれ算出される。次に、前記中心軸算出手段５４に対応するＳＡ２では、ＳＡ１により求められた各測定断面ＡおよびＢ内の閉曲線Ｋから、その閉曲線Ｋの中心点ＣA （Ｘ0A，Ｙ0A，ＺA ）およびＣB （Ｘ0B，Ｙ0B，ＺB ）がそれぞれ算出され、それら各測定断面ＡおよびＢにおける閉曲線Ｋの中心点ＣA （Ｘ0A，Ｙ0A，ＺA ）およびＣB （Ｘ0B，Ｙ0B，ＺB ）を結ぶ直線が、上腕動脈１８の中心軸ＣＬとして決定される。続いて、前記交差角算出手段５６に対応するＳＡ３では、図７に示す接触面２２に平行な面内において、測定断面Ｂについて、ＳＡ２により算出された上腕動脈１８の中心軸ＣＬに基づいて中心点ＣB を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ｂ’が決定され、その直交断面Ｂ’と測定断面Ｂとの交差角度β（度）が算出される。また、図８に示す接触面２２に垂直な面内において、測定断面Ｂについて、中心軸算出手段５４により算出された上腕動脈１８の中心軸ＣＬに基づいて中心点ＣB を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ｂ’が決定され、その直交断面Ｂ’と測定断面Ｂとの交差角度γ（度）が算出される。次に、前記補正手段５８に対応するＳＡ４では、上記ＳＡ３により算出された交差角度βおよびγに基づいて、ＳＡ１により算出された形状が直交断面Ｂ’における形状となるように補正する。すなわち、上腕動脈１８の直交断面Ｂ’における長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’となるように、補正式(2) 、(3) により測定断面形状算出手段５２により算出された長軸径２ｂおよび短軸径２ａがそれぞれ補正される。そして、前記直交断面積算出手段６０に対応するＳＡ５では、直交断面Ｂ’における上腕動脈１８の内腔面積ＳB ’が上記ＳＡ４によって補正された長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’に基づいて算出する。たとえば、直交断面Ｂ’における値に補正された長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’から特定される楕円の式(4) を用いて積分することにより、直交断面Ｂ’における面積ＳB ’が算出される。本実施例では、上記ＳＡ１乃至ＳＡ５が、血管形状算出手段６２に対応している。
【００４３】
図１１に戻って、前記相対角度算出手段６８に対応するＳ１１および前記血流速度補正手段７０に対応するＳ１２では、既知のアクティブ素子の幾何的位置と前記中心軸算出手段５４により算出された中心軸ＣＬとに基づいて超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの間の相対角度θ1 、θ2 、θ3 が算出されるとともに、その相対角度θ1 、θ2 、θ3 に起因する最大瞬時血流速度Ｕmax のずれが補正される。本実施例では、Ｓ９において角度θ1 、θ2 、θ3 による補正が加味された式(5) が用いられることによって最大瞬時血流速度Ｕmax が算出されているので、上記Ｓ１１およびＳ１２は、Ｓ９において実行されていることになる。
【００４４】
以上のようにして直交断面Ｂ’における上腕動脈１８の内腔の直交断面積ＳB ’と最大瞬時血流速度Ｕmax とが算出されると、前記血流量算出手段７２に対応するＳ１３において、上腕動脈１８の血流量ＱB （＝ＳB ’×Ｕmax ／２）が算出される。そして、前記出力手段７４に対応するＳ１４では、上記のようにして求められた、補正後の長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’、補正後の最大瞬時血流速度Ｕmax 、血流量ＱB がそれぞれ数字、グラフにて表示器３８に画像表示出力或いは印字表示出力させられるとともに、図示しない記憶装置に記憶させられる。このようにして、直交断面Ａ’およびＢ’における上腕動脈１８の内腔の長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’、その内腔の断面形状や、直交断面Ｂ’における直交断面積ＳB 、最大瞬時血流速度Ｕmax 、および血流量ＱB が逐次求められるので、血流により血管壁に加えられるシェアストレスを計算できる。これは内皮機機能の評価に用いられ得る。
【００４５】
上述のように、本実施例によれば、血管形状算出手段６２（Ｓ１０）により、生体の一部１４である上腕部の表皮２０下に位置する上腕動脈１８に交差してその表皮２０上に配置された第１アレイ２６および第２アレイ２８から検出されるエコー信号に基づいて、その第１アレイ２６および第２アレイ２８の直下に位置する部分の血管壁のうち各第１超音波素子２６n および第２超音波素子２８n に対応する部位の位置がそれぞれ算出され、それら血管壁の第１超音波素子２６n および第２超音波素子２８n に対応する部位の位置に基づいて、上腕動脈１８の直交断面における形状が算出されるので、生体皮膚２０下の上腕動脈１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その上腕動脈１８の断面形状が正確に得られる。
【００４６】
また、本実施例によれば、第１血管壁位置演算手段４８（Ｓ７）および第２血管壁位置演算手段５０（Ｓ７）によって、各第１超音波素子２６n および各第２超音波素子２８n から放射される放射信号とその各第１超音波素子２６n および各第２超音波素子２８n により検出される血管壁からのエコー（反射）信号との時間差に基づいてその血管壁までの距離がそれぞれ算出され、血管形状算出手段６２（Ｓ１０）により、その距離に基づいて前記第１アレイ２６の測定断面Ａ内および第２アレイ２８の測定断面Ｂ内における血管壁の位置が決定されるので、第１アレイ２６および第２アレイ２８の測定断面Ａ内および測定断面Ｂ内において各血管壁の位置が正確に得られる。
【００４７】
また、本実施例によれば、血管形状算出手段６２（Ｓ１０）において、第１アレイ２６および第２アレイ２８の測定断面内の血管壁の部位の位置に基づいて、その第１アレイ２６の測定断面Ａ内および前記第２アレイ２８の測定断面Ｂ内における血管壁の断面の中心点ＣA およびＣB と長軸径２ｂおよび短軸径２ａとがそれぞれ算出され、その第１アレイ２６の測定断面Ａ内と前記第２アレイ２８の測定断面Ｂ内とにおける血管壁の断面の中心点ＣA とＣB とに基づいて上腕動脈１８の中心軸ＣＬが算出され、その上腕動脈１８の中心軸ＣＬに基づいてその血管の直交断面Ｂ’と測定断面Ｂとの交差角度βおよびγが算出され、その交差角度βおよびγに基づいて上記血管の直交断面Ｂ’内の長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’となるように、長軸径２ｂおよび短軸径２ａが補正されるので、生体皮膚２０下の上腕動脈１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その血管１８の断面形状が正確に得られる。
【００４８】
また、本実施例によれば、血管形状算出手段６２（Ｓ１０）は、補正手段５８（ＳＡ４）によって補正された長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’に基づいて血管１８の直交断面Ｂ’における断面積ＳB ’を算出する直交断面積算出手段６０（ＳＡ５）を含むものであるので、生体皮膚２０下の血管１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その血管１８の断面積ＳB ’が正確に得られる。
【００４９】
また、本実施例によれば、(a) 一方向に配列された複数の第１超音波素子２６n を有する第１アレイ２６と、その第１超音波素子２６n の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子２８n を有する第２アレイ２８と、ドップラ用超音波素子３０n を有する第３アレイ３０とを備え、その第１アレイ２６および第２アレイ２８が生体の表皮２０下に位置する上腕動脈１８と交差し且つそのドップラ用超音波素子３０n からの超音波を放射方向ＵＳＬが上腕動脈１８に対して鋭角を成すように装着される超音波プローブ１２と、(b) ドップラ用超音波素子３０n から上腕動脈１８に向かって超音波を放射したときに得られる、その上腕動脈１８内の血流速度に基づくドップラ効果により変化させられるドップラ反射波に基づいてその血流速度Ｕを算出する血流速度算出手段６６（Ｓ９）と、(c) 第１アレイ２６の各第１超音波素子２６n から検出されるエコー（反射）信号に基づいて、上腕動脈１８の第１アレイ２６の直下に位置する部分の血管壁のうち各第１超音波素子２６n に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段４８（Ｓ７）と、(d) 第２アレイ２８の各第２超音波素子２８n から検出されるエコー信号に基づいて、上腕動脈１８第２アレイ２８の直下に位置する部分の血管壁のうち各第２超音波素子２８n に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段５０（Ｓ７）と、(e) 第１血管壁位置演算手段４８により算出された各第１超音波素子２６n に対応する血管壁部位の位置と第２血管壁位置演算手段５０により算出された各第２超音波素子２８n に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、第１アレイ２６の測定断面Ａ内と第２アレイ２８の測定断面Ｂ内とにおける血管壁の断面の中心点ＣA とＣB とを算出し、第１アレイ２６の測定断面Ａと第２アレイ２８の測定断面Ｂとにおける血管壁の断面の中心点ＣA とＣB に基づいてその血管１８の中心軸ＣＬを算出する中心軸算出手段５４（ＳＡ２）と、(f) その中心軸算出手段５４により算出された血管１８の中心軸ＣＬとドップラ用超音波素子３０n からその血管１８に向かって超音波を放射する方向ＵＳＬとの実際の相対角度θ1 、θ2 、θ3 を算出する相対角度算出手段６８（Ｓ１１）と、(g) その相対角度算出手段６８により算出された実際の相対角度θ1 、θ2 、θ3 に基づいて血流速度算出手段６６により算出された血流速度を補正する血流速度補正手段７０（Ｓ１２）とが、設けられているので、生体皮膚２０下の血管１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その血管１８内の最大瞬時血流速度Ｕmax が正確に得られる。
【００５０】
また、本実施例によれば、(a) 上記の血流速度測定のための構成と、(b) 第１血管壁位置演算手段４８により算出された各第１超音波素子２６n に対応する血管壁部位の位置と第２血管壁位置演算手段５０により算出された各第２超音波素子２８n に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、第１アレイ２６の測定断面Ａ内と第２アレイ２８の測定断面Ｂ内とにおける血管壁の断面の中心点ＣA およびＣB と長軸径２ｂおよび短軸径２とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段５２（ＳＡ１）と、(c) 中心軸算出手段５４により算出された血管１８の中心軸ＣＬに基づいて、その血管１８の直交断面Ｂ’と測定断面Ｂとの交差角度β、γを算出する交差角度算出手段５６（ＳＡ３）と、(d) その交差角度算出手段５６により算出された交差角度β、γに基づいて、血管１８の直交断面Ｂ’内の長軸径２／ｂ’および短軸径２／ａ’となるように、測定断面形状算出手段５２により算出された長軸径２／ｂおよび短軸径２／ａを補正する補正手段５８（ＳＡ４）と、(e) その補正手段５８によって補正された長軸径２／ｂおよび短軸径２／ａに基づいて血管１８の直交断面Ｂ’における断面積Ｓ’を算出する直交断面積算出手段６０（ＳＡ５）と、(f) その直交断面積算出手段６０により算出された血管１８の直交断面Ｂ’における断面積Ｓ’と血流速度補正手段７０により補正された最大瞬時血流速度Ｕmax とに基づいて、血管１８内の血流量ＱB を算出する血流量算出手段７２（Ｓ１３）とが、設けられているので、生体皮膚２０下の血管１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その血管１８内の血流量ＱB が正確に得られる。
【００５１】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用され得る。
【００５２】
たとえば、前述の実施例では、血流量算出手段７２により直交断面Ｂ’における上腕動脈１８の血流量ＱB （＝ＳB ’×Ｕmax ／２）が算出されていたが、直交断面Ａ’における上腕動脈１８の血流量ＱA （＝ＳA ’×Ｕmax ／２）が、直交断面積算出手段６０により求められた直交断面Ａ’における上腕動脈１８の直交断面積ＳA ’に基づいて算出されてもよい。また、直交断面Ａ’と直交断面Ｂ’との平均値に対する血流量が求められてもよい。
【００５３】
また、直交断面Ａ’およびＢ’における上腕動脈１８の内腔の長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’、その内腔の断面形状や、直交断面Ｂ’における直交断面積ＳB 等の変化の時間差に基づいて脈波伝播速度が算出されてもよい。
【００５４】
また、前述の実施例において、血流量算出手段７２により直交断面Ｂ’における上腕動脈１８の平均の血流量ＱB （＝ＳB ’×Ｕmax ／２）が算出されていたが、血流速度算出手段６６によって算出される血流速度Ｕが平均速度である場合には、上記血流量ＱB は式（ＱB ＝ＳB ’×Ｕ）に基づいて算出される。また、血流量算出手段７２により、最大血流量ＱBmax（＝ＳB ’×Ｕmax ）が求められてもよい。
【００５５】
また、前述の実施例において、第３アレイ３０は複数のドップラ用超音波素子３０n から構成されていたが、単一のドップラ用超音波素子から構成されていたもよい。
【００５６】
また、前述の実施例では、たとえば第１アレイ２６では、各超音波素子２６n が、図５に示すように、個々に超音波の発信および受信を行っていたが、位相が異なる駆動信号を用いて数個の超音波素子から超音波を送信して細い超音波ビームを送信し、受信する場合も数個の超音波素子を用いて受信する所謂ビームフォーミング技術を採用することもできる。これによれば、所定の距離で収束するように超音波ビームを形成することができるので、検出精度が高められる。
【００５７】
なお、上述したのは、あくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施例の超音波装置に備えられた超音波プローブが上腕に装着された状態を示す斜視図である。
【図２】図１の実施例の超音波装置の超音波プローブに設けられた第１アレイの測定断面および第２アレイの測定断面と上腕動脈との関係を示す斜視図である。
【図３】図１の実施例の超音波装置の要部構成を概略説明する図である。
【図４】図３の電子制御装置の制御機能の要部を説明する機能ブロック線図である。
【図５】図１の実施例において、第１アレイの測定断面における各超音波素子の送信波および受信波を説明する図である。
【図６】図５の第１血管壁位置演算手段により図５の送信波と受信波との時間差に基づいて算出された第１アレイの測定断面における各測定点の座標と、それらを接続した閉曲線である上腕動脈の内腔の形状を説明する図である。
【図７】図５の中心線算出手段により求められた中心線ＣＬに直交する直交断面Ｂ’と第２アレイの測定断面Ｂとの、接触面に平行な平面内の交差角度βを示す図である。
【図８】図５の中心線算出手段により求められた中心線ＣＬに直交する直交断面Ｂ’と第２アレイの測定断面Ｂとの、接触面に垂直な面内の交差角度γを示す図である。
【図９】図５の中心線算出手段により求められた中心線ＣＬとドップラ用超音波素子の放射方向線ＵＳＬとの、接触面に垂直な面内の相対角度θ2 を示す図である。
【図１０】図５の中心線算出手段により求められた中心線ＣＬとドップラ用超音波素子の放射方向線ＵＳＬとの、接触面に平行な平面内の相対角度θ1 と、中心線ＣＬとドップラ用超音波素子の受波方向線ＲＳＬとの、接触面に平行な平面内の相対角度θ3 とを示す図である。
【図１１】図３の電子制御装置の制御作動の要部を説明するフローチャートである。
【図１２】図１１のＳ１０の直交断面内における血管形状を算出するためのルーチンを示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０：超音波測定装置（血管形状測定装置、血流速度測定装置、血流量測定装置）
１２：超音波プローブ
１４：生体の一部（上腕部）
１８：上腕動脈（血管）
２６：第１アレイ
２６n ：第１超音波素子
２８：第１アレイ
２８n ：第２超音波素子
４８：第１血管壁位置演算手段
５０：第２血管壁位置演算手段
５２：血管断面内形状算出手段
５４：中心軸算出手段
５６：交差角算出手段
５８：形状補正手段
６０：直交断面積算出手段
６２：血管形状算出手段
６６：血流速度算出手段
６８：相対角度算出手段
７０：血流速度補正手段
７２：血流量算出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体の表示下に位置する血管の形状を超音波を用いて測定する装置、その血管内の血流速度を測定する血流速度測定装置、およびそれを用いてその血管内の血流量を測定する血流量測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体の状態を把握するために、非侵襲でその生体の血管の径や断面積、血流速度、血流量を正確に測定することが要請されている。たとえば、血管の内皮機能検査に際しては、内径４ｍｍφの動脈において、１％の精度で血管径や断面積、血流速度、血流量を測定することが求められる。
【０００３】
これに対し、特許文献１には、非侵襲で生体表皮下の血管の長手方向の２位置に、一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、該第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイとを配置し、それら第１アレイおよび第２アレイの直下の２位置において血管の断面形状を検出する技術が提案されている。これによれば、超音波を用いているため、非侵襲にて血管の断面形状が検出される。
【特許文献１】特開平１１−７６２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の血管の断面形状を検出する装置は、第１アレイの複数の第１超音波素子の配列方向を含む測定断面内および第２アレイの複数の第１超音波素子の配列方向を含む測定断面内における血管の断面形状を検出するものであることから、必ずしも血管の長手方向とその測定断面とは直交するものではないので、十分な精度が得られないという問題があった。生体の皮膚下の血管上に上記第１アレイおよび第２アレイが固定された超音波プローブが装着されるとき、動脈の位置は目視し難いことから第１アレイおよび第２アレイがその動脈に直交するように装着したとしても必ずしも正確ではなく、しかも、動脈は皮膚に対して平行でない場合が殆どであるので、動脈血管の長手方向と上記第１アレイや第２アレイの測定断面とは直交しないので、その測定断面内で測定される血管の径や断面積等の断面形状、それに基づく血流速度や血流量を正確に測定することができなかった。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、高精度で血管の形状、その血管内の血流速度や血流量を測定することができる血管形状測定装置、血流速度測定装置、および血流量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための請求項１に係る発明の血管形状測定装置の要旨とするところは、一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、その第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイとを備え、生体の表皮下に位置する血管に交差して該表皮上に配置された該第１アレイおよび第２アレイから検出されるエコー信号に基づいて該血管の形状を測定する血管形状測定装置であって、(a) 前記第１アレイの各第１超音波素子から検出される反射信号に基づいて、前記血管の該第１アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第１超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段と、(b) 前記第２アレイの各第２超音波素子から検出されるエコー信号に基づいて、前記血管の該第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第２超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段と、(c) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記血管の直交断面における形状を算出する血管形状算出手段とを、含むことにある。
【０００７】
また、請求項２に係る発明では、上記請求項１にかかる発明において、(a) 前記第１血管壁位置演算手段は、各第１超音波素子から放射される放射信号と該各第１超音波素子により検出される前記血管壁からの反射信号との時間差に基づいて該血管壁までの距離をそれぞれ算出し、その距離に基づいて前記第１アレイの測定断面内における血管壁の位置を決定するものであり、(b) 前記第２血管壁位置演算手段は、各第２超音波素子から放射される放射信号と各第２超音波素子により検出される前記血管壁からの反射信号との時間差に基づいて該血管壁までの距離をそれぞれ算出し、その距離に基づいて前記第２アレイの測定断面内における血管壁の位置を決定するものである。
【０００８】
また、請求項３に係る発明では、上記請求項２にかかる発明において、前記血管形状算出手段は、(a) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段と、(b) その測定断面内形状算出手段により算出された第１アレイの測定断面と前記第２アレイの測定断面とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて該血管の中心軸を算出する中心軸算出手段と、(c) その中心軸算出手段により算出された血管の中心軸に基づいて、該血管の直交断面と前記測定断面との交差角度を算出する交差角度算出手段と、(d) その交差角度算出手段により算出された交差角度に基づいて、前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、前記形状算出手段により算出された長軸径および／または短軸径を補正する補正手段とを、含むものである。
【０００９】
また、請求項４にかかる発明では、上記請求項３に係る発明において、前記血管形状算出手段は、前記補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段を、さらに含むものである。
【００１０】
前記目的を達成するための請求項５に係る発明の血流速度測定装置の要旨とするところは、(a) 一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、該第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイと、ドップラ用超音波素子とを備え、該第１アレイおよび第２アレイが前記生体の表皮下に位置する血管と交差し且つ該ドップラ用超音波素子からの超音波を放射方向が該血管に対して鋭角を成すように装着される超音波プローブと、(b) 前記ドップラ用超音波素子から前記血管に向かって超音波を放射したときに得られる、該血管内の血流速度に基づくドップラ効果により変化させられるドップラ反射波に基づいて該血流速度を算出する血流速度算出手段と、(c) 前記第１アレイの各第１超音波素子から検出される反射信号に基づいて、前記血管の該第１アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第１超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段と、(d) 前記第２アレイの各第２超音波素子から検出されるエコー信号に基づいて、前記血管の該第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第２超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段と、(e) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点を算出し、該第１アレイの測定断面と前記第２アレイの測定断面とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて該血管の中心軸を算出する中心軸算出手段と、(f) その中心軸算出手段により算出された前記血管の中心軸と前記ドップラ用超音波素子から該血管に向かって超音波を放射する方向との実際の相対角度を算出する相対角度算出手段と、(g) その相対角度算出手段により算出された実際の相対角度に基づいて前記血流速度算出手段により算出された血流速度を補正する血流速度補正手段とを、含むことにある。
【００１１】
前記目的を達成するための請求項６に係る発明の血流量測定装置の要旨とするところは、(a) 上記請求項５に係る発明の血流速度測定装置と、(b) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段と、(c) 前記中心軸算出手段により算出された血管の中心軸に基づいて、該血管の直交断面と前記測定断面との交差角度を算出する交差角度算出手段と、(d) その交差角度算出手段により算出された交差角度に基づいて、前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、前記形状算出手段により算出された長軸径および／または短軸径を補正する補正手段と、(e) その補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段と、(f) その直交断面積算出手段により算出された前記血管の直交断面における断面積と前記血流速度補正手段により補正された血流速度とに基づいて、前記血管内の血流量を算出する血流量算出手段とを、含むことにある。
【発明の効果】
【００１２】
前記請求項１に係る発明によれば、生体の表皮下に位置する血管に交差して該表皮上に配置された該第１アレイおよび第２アレイから検出されるエコー信号に基づいて、その第１アレイおよび第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち各第１超音波素子および第２超音波素子に対応する部位の位置がそれぞれ算出され、それら血管壁の第１超音波素子および第２超音波素子に対応する部位の位置に基づいて、血管の直交断面における形状が算出されるので、生体皮膚下の血管の方向が上記第１アレイおよび第２アレイと直交していなくても、或いは皮膚に平行でなくても、その血管の血管径、血管断面形状、或いは断面積等の断面形状が正確に得られる。
【００１３】
また、請求項２に係る発明によれば、第１血管壁位置演算手段および第２血管壁位置演算手段によって、各第１超音波素子および各第２超音波素子から放射される放射信号とその各第１超音波素子および各第２超音波素子により検出される前記血管壁からの反射信号との時間差に基づいて該血管壁までの距離がそれぞれ算出され、その距離に基づいて前記第１アレイの測定断面内における血管壁の位置が決定されるので、第１アレイおよび第２アレイの測定断面内において各血管壁の位置が正確に得られる。
【００１４】
また、請求項３に係る発明によれば、前記血管形状算出手段において、第１アレイおよび第２アレイの測定断面内の血管壁の部位の位置に基づいて、その第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とがそれぞれ算出され、その第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて血管の中心軸が算出され、その血管の中心軸に基づいて前記血管の直交断面と前記測定断面との交差角度が算出され、その交差角度に基づいて前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、長軸径および／または短軸径が補正されるので、生体皮膚下の血管の方向が上記第１アレイおよび第２アレイと直交していなくても、或いは皮膚に平行でなくても、その血管の断面形状が正確に得られる。
【００１５】
また、請求項４に係る発明によれば、前記血管形状算出手段は、前記補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段を含むものであるので、生体皮膚下の血管の方向が上記第１アレイおよび第２アレイと直交していなくても、或いは皮膚に平行でなくても、その血管の断面積が正確に得られる。
【００１６】
また、請求項５に係る発明の血流速度測定装置によれば、(a) 一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、該第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイと、前記ドップラ用超音波素子とを備え、該第１アレイおよび第２アレイが前記生体の表皮下に位置する血管と交差し且つ該ドップラ用超音波素子からの超音波を放射方向が該血管に対して鋭角を成すように装着される超音波プローブと、(b) 前記ドップラ用超音波素子から前記血管に向かって超音波を放射したときに得られる、該血管内の血流速度に基づくドップラ効果により変化させられるドップラ反射波に基づいて該血流速度を算出する血流速度算出手段と、(c) 前記第１アレイの各第１超音波素子から検出される反射信号に基づいて、前記血管の該第１アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第１超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段と、(d) 前記第２アレイの各第２超音波素子から検出されるエコー信号に基づいて、前記血管の該第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第２超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段と、(e) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点を算出し、該第１アレイの測定断面と前記第２アレイの測定断面とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて該血管の中心軸を算出する中心軸算出手段と、(f) その中心軸算出手段により算出された前記血管の中心軸と前記ドップラ用超音波素子から該血管に向かって超音波を放射する方向との実際の相対角度を算出する相対角度算出手段と、(g) その相対角度算出手段により算出された実際の相対角度に基づいて前記血流速度算出手段により算出された血流速度を補正する血流速度補正手段とが、設けられているので、生体皮膚下の血管の方向が上記第１アレイおよび第２アレイと直交していなくても、或いは皮膚に平行でなくても、その血管内の血流速度が正確に得られる。
【００１７】
また、請求項６に係る発明の血流量測定装置によれば、(a) 上記請求項５に係る発明の血流速度測定装置と、(b) 前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段と、(c) 前記中心軸算出手段により算出された血管の中心軸に基づいて、その血管の直交断面と前記測定断面との交差角度を算出する交差角度算出手段と、(d) その交差角度算出手段により算出された交差角度に基づいて、前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、前記形状算出手段により算出された長軸径および／または短軸径を補正する補正手段と、(e) その補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段と、(f) その直交断面積算出手段により算出された前記血管の直交断面における断面積と前記血流速度補正手段により補正された血流速度とに基づいて、前記血管内の血流量を算出する血流量算出手段とが、設けられているので、生体皮膚下の血管の方向が上記第１アレイおよび第２アレイと直交していなくても、或いは皮膚に平行でなくても、その血管内の血流量が正確に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
ここで、好適には、前記血管は、生体の皮膚下に位置する動脈たとえば上腕動脈、撓骨動脈、足背動脈、頸動脈、浅側頭動脈等である。ＦＭＤ（flow-medeated dilation: 内皮依存性血管拡張反応）検査の場合には、たとえば上腕動脈、撓骨動脈、足背動脈が対象となり、頭部への血流把握の場合には、たとえば頸動脈、浅側頭動脈が対象となる。
【００１９】
また、好適には、前記第１アレイおよび第２アレイを構成する複数の超音波素子は、振動子と受信子とが共通の振動子から構成されたものであってもよいし、一対の発信子と受信子とからそれぞれ構成されていてもよい。
【００２０】
また、好適には、ドップラ用超音波素子は、送信子と受信子とが共通の１個の振動子であってもよいし、一対の発信子と受信子とから構成されていてもよい。また、このドップラ用超音波素子は、前記血管の方向に対して交差する方向に配列された複数個の振動子アレイから構成されてもよい。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例の超音波測定装置１０に備えられた超音波プローブ１２の生体１４に対する装着状態を示している。この超音波プローブ１２は、図２或いは図３に示すように、装着バンド１６によって生体の一部たとえば上腕部において上腕動脈１８の真上に位置するように装着される。この上腕動脈１８は、上腕二頭筋の下端部下側から表皮２０に向かって接近する形状を有している。
【００２２】
上記超音波プローブ１２は、その表皮２０と接触する接触面２２を有し、アクリル樹脂等の合成樹脂、セラミックス、金属などの超音波透過性材料から構成された本体２４と、その本体２４内に所定の間隔Ｌを隔てて互いに平行となるように埋設され且つ上記上腕動脈１８と交差する長手方向の第１アレイ２６および第２アレイ２８と、その第２アレイ２８から下流側に位置するように配設され且つ上記上腕動脈１８と交差する長手方向の第３アレイ３０とを備えている。第１アレイ２６および第２アレイ２８は、上記一方向すなわち上記長手方向に配列された複数個の超音波素子２６n および２８n （ｎは整数）をそれぞれ備えている。上記第３アレイ３０も、上記の第１アレイ２６および第２アレイ２８と平行な一方向すなわち上記長手方向に配列された複数個の超音波素子３０n を備えている。上記超音波素子２６n および２８n は、測定対象となる上腕動脈１８の径よりも十分に小さい間隔たとえば０．２乃至０．５ｍｍ程度となるように配置されている。超音波素子３０n もそれと同等であるかそれよりも大きい間隔で配置されている。
【００２３】
上記第１アレイ２６の超音波素子２６n および第２アレイ２８の超音波素子２８n は、圧電素子などから構成されることによって超音波の発信子および受信子として機能するものであり、真下に向かって超音波を発信するように接触面２２に対して垂直に設けられている。上記第３アレイ３０の超音波素子３０n も、圧電素子などから構成されることによって超音波の発信子および受信子として機能するものであり、上流部位の上腕動脈１８に向かって超音波を発信するように接触面２２に対して超音波放射面が斜めにたとえば４５度程度傾斜して設けられている。上記第１アレイ２６の超音波素子２６n および第２アレイ２８の超音波素子２８n は、Ｘ−Ｚ平面として設定される接触面２２内に略位置するように配置され、第１アレイ２６の超音波素子２６n のうちの端部に位置する素子２６1 が上記Ｘ−Ｙ−Ｚ三次元直交座標の原点として設定されている。
【００２４】
第１アレイ２６の複数個の超音波素子２６n および第２アレイ２８の複数個の超音波素子２８n は、それぞれ、上記接触面２２に対して垂直方向に超音波を放射し、その超音波の伝播過程に存在する界面からの反射波をエコー信号として受信するので、図２に示すように、第１アレイ２６および第２アレイ２８の直下には、互いに平行であって上記上腕動脈１８がそれぞれ貫通させられる測定断面Ａおよび測定断面Ｂが形成されるようになっている。それらの測定断面Ａおよび測定断面Ｂは前記Ｘ−Ｙ−Ｚ三次元直交座標のＸ−Ｙ平面に平行な面となり、それら測定断面Ａおよび測定断面Ｂの面内の位置は座標値により表される。
【００２５】
図３に示すように、上記超音波測定装置１０は、第１アレイ２６、第２アレイ２８、第３アレイ３０を駆動制御するための超音波駆動制御回路３２と、アナログ信号およびデジタル信号の一方から他方へ変換するための信号変換器３４と、電子制御装置３６と、数字および画像を表示するための表示器３８とを備えている。上記電子制御装置３６はＣＰＵ４０、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４４、図示しない記憶装置やインターフェース等から成る所謂マイクロコンピュータから構成されており、ＣＰＵ４０はＲＡＭ４４の一時記憶機能を利用しつつ予めＲＯＭ４２に記憶されたプログラムにしたがって入力信号を処理して、血管形状測定装置、血流速度測定装置、および血流量を算出し、演算結果を表示器３８に表示させ、或いは他の機器へ出力する。このため、超音波測定装置１０は、血管形状測定装置、血流速度測定装置、および血流量測定装置として機能している。
【００２６】
図４は、上記電子制御装置３６の演算制御機能の要部を説明する機能ブロック線図である。図４において、第１管壁位置演算手段４８および第２管壁位置演算手段５０は、第１アレイ２６の直下の測定断面Ａおよび第２アレイ２８の直下の測定断面Ｂにおける上腕動脈１８の断面形状を、各超音波素子２６n および各超音波素子２８n がそれぞれ受信したエコー信号に基づいて算出する。図５は、第１アレイ２６の各超音波素子２６n 毎に示す送信信号Ｓn と上腕動脈１８の管壁からのエコー信号Ｅn の波形を示すタイムチャートであり、その送信信号Ｓn とエコー信号Ｅn との時間差が第１アレイ２６からの深さ寸法に対応している。このため、上記第１管壁位置演算手段４８は、上記送信信号Ｓn とエコー信号Ｅn との間の時間差と、生体内の音速とに基づいて各超音波素子２６n に対応する管壁の深さ位置をそれぞれ算出する。第２管壁位置演算手段５０も同様にして、測定断面Ｂにおける各超音波素子２８n に対応する管壁の深さ位置をそれぞれ逐次算出する。
【００２７】
次いで、測定断面形状算出手段５２は、上記測定断面ＡおよびＢにおいて、上記各超音波素子２６n および２８n に対応する管壁の深さ位置から、図６に示すようにＸ−Ｙ座標内の点で特定し、さらに、それらの各点から曲線補完を用いてそれら各点を結ぶ閉曲線Ｋを算出して上腕動脈１８の内腔の形状とし、その閉曲線Ｋの長径軸寸法２ｂ、短軸径寸法２ａ、Ｘ軸に対する長径軸の傾斜角度θをそれぞれ逐次算出する。図６は測定断面Ａにおける座標を示している。
【００２８】
中心軸算出手段５４は、測定断面形状算出手段５２により測定断面ＡおよびＢにおいて求められた閉曲線Ｋから、その各測定断面ＡおよびＢにおける閉曲線Ｋの中心点ＣA （Ｘ0A，Ｙ0A，ＺA ）およびＣB （Ｘ0B，Ｙ0B，ＺB ）をそれぞれ算出する。そして、それら各測定断面ＡおよびＢにおける閉曲線Ｋの中心点ＣA （Ｘ0A，Ｙ0A，ＺA ）およびＣB （Ｘ0B，Ｙ0B，ＺB ）を結ぶ直線を、上腕動脈１８の中心軸ＣＬとして逐次決定する。図７は接触面２２に平行な面（水平面）内の中心軸ＣＬを示し、図８は接触面２２に垂直な面（垂直面）内の中心軸ＣＬを示している。たとえば、上記中心点ＣA は、閉曲線Ｋに近似する楕円の式(1) を利用した次式(1) から、最小自乗法を用いて未知数であるＸ0 およびＹ0 を算出する。
【００２９】
[(Ｘi −Ｘ0 ）cos θ＋( Ｙi −Ｙ0 ）sin θ]2/a2
＋[ ( Ｘi −Ｘ0 ）sin θ＋( Ｙi −Ｙ0 ）cos θ]2/b2 ＝１ ・・・(1)
【００３０】
交差角算出手段５６は、図７に示す接触面２２に平行な面内において、測定断面Ａ或いはＢについて、中心軸算出手段５４により算出された上腕動脈１８の中心軸ＣＬに基づいて中心点ＣA を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ａ’或いは中心点ＣB を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ｂ’を決定し、その直交断面Ａ’或いはＢ’と測定断面Ａ或いはＢとの交差角度β（度）を逐次算出する。同様に、図８に示す接触面２２に垂直な面内において、測定断面Ａ或いはＢについて、中心軸算出手段５４により算出された上腕動脈１８の中心軸ＣＬに基づいて中心点ＣA を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ａ’或いは中心点ＣB を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ｂ’を決定し、その直交断面Ａ’或いはＢ’と測定断面Ａ或いはＢとの交差角度γ（度）を逐次算出する。
【００３１】
補正手段５８は、上記交差角度算出手段５６により算出された交差角度βおよびγに基づいて、測定断面形状算出手段５２により算出された形状を直交断面Ａ’およびＢ’における形状となるように補正する。すなわち、上腕動脈１８の直交断面Ａ’およびＢ’における長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’となるように、補正式(2) 、(3) により測定断面形状算出手段５２により算出された長軸径２ｂおよび短軸径２ａをそれぞれ逐次補正する。
【００３２】
ａ’＝ａ／cos β ・・・(2)
ｂ’＝ｂ／cos γ ・・・(3)
但し、cos β＝( Ｘ0 Ａ−Ｘ0 Ｂ)/Ｌ
cos γ＝( Ｘ0 Ａ−Ｘ0 Ｂ)/Ｌ
【００３３】
直交断面積算出手段６０は、直交断面Ａ’およびＢ’における上腕動脈１８の内腔面積ＳA ’およびＳB ’を、上記補正手段５８によって補正された長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’に基づいて逐次算出する。たとえば、直交断面Ａ’およびＢ’における値に補正された長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’から特定される楕円の式(4) を用いて積分することにより、直交断面Ａ’およびＢ’における面積ＳA ’およびＳB ’が算出される。本実施例では、上記測定断面形状算出手段５２、中心軸算出手段５４、交差角算出手段５６、補正手段５８、および直交断面積算出手段６０が、血管形状算出手段６２に対応している。
【００３４】
（( Ｘi ’−Ｘ0 ）/a’)2＋（( Ｙi ’−Ｙ0 ）/b’)2＝１ ・・・(4)
【００３５】
アクティブ素子選択手段６４は、第３アレイ３０の複数の超音波素子３０n のうち上腕動脈１８に最も近い素子或いは超音波放射方向線が上腕動脈１８の中心軸ＣＬと最も近いアクティブ素子を、中心軸算出手段５４により求められた上腕動脈１８の中心軸ＣＬの位置に基づいて選択する。
【００３６】
血流速度算出手段６６は、予め記憶された式(5) から、上記アクティブ素子から放射された超音波が血流によるドップラ効果によって位相変化或いは周波数変化させられたドップラ反射波の周波数fdに基づいて１拍毎に発生する最大瞬時血流速度Ｕmax を算出する。式(5) において、fcは放射される超音波の波数、ｃは生体中の音速である。式(5) において、θ2 は図９に示す接触面２２に垂直な面内のアクティブ素子からの超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの角度、θ1 は図１０に示す接触面２２に垂直な面内のアクティブ素子からの超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの角度、θ3 は図１０に示す接触面２２に垂直な面内の受波素子の受波方向線ＲＳＬと中心軸ＣＬとの角度である。アクティブ素子が受波素子を兼ねる場合にはθ3 ＝０となる。それらの角度θ1 、θ2 、θ3 は、既知のアクティブ素子の幾何的位置と前記中心軸算出手段５４により算出された中心軸ＣＬとに基づいて予め算出されるとともに、上記式(5) は、それらの角度θ1 、θ2 、θ3 による補正が加味されているので、本実施例の血流速度算出手段６６は、式(5) を用いることにより超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの間の相対角度θ1 、θ2 、θ3 に起因する最大瞬時血流速度Ｕmax のずれを補正した最大瞬時血流速度Ｕmax を一挙に算出しているので、超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの間の相対角度θ1 、θ2 、θ3 を算出する相対角度算出手段６８、およびその相対角度θ1 、θ2 、θ3 に起因する最大瞬時血流速度Ｕmax のずれを補正する血流補正手段７０を兼ねているが、血流速度算出手段６６は最大瞬時血流速度Ｕmax を基本的に算出し、相対角度算出手段６８は既知のアクティブ素子の幾何的位置と前記中心軸算出手段５４により算出された中心軸ＣＬとに基づいて超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの間の相対角度θ1 、θ2 、θ3 を算出し、血流補正手段７０はその相対角度θ1 、θ2 、θ3 に起因する最大瞬時血流速度Ｕmax のずれを補正するように役割を分担するように構成されてもよい。
【００３７】
fd＝−（fc／ｃ）（cos θ1cosθ2 ＋cos θ3cosθ2 ） ・・・(5)
【００３８】
血流量算出手段７２は、前記直交断面積算出手段６０により求められた直交断面Ｂ’における上腕動脈１８のＳB ’と、上記血流速度算出手段６６において求められた補正後の最大瞬時血流速度Ｕmax とに基づいて、直交断面Ｂ’における血流量ＱB （＝ＳB ’×Ｕmax ／２）を逐次算出する。そして、出力手段７４は、上記のようにして求められた、補正後の長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’、補正後の血流速度Ｕ、血流量ＱB をそれぞれ数字、グラフにて表示器３８に画像表示或いは印字表示させるとともに、図示しない記憶装置に記憶させる。
【００３９】
図１１および図１２は、前記電子制御装置３６の制御作動の要部を説明するフローチャートであって、図１１は測定開始操作判定後に実行される測定制御ルーチンであり、図１２はその測定制御ルーチン内の直交断面内の血管形状算出ルーチンを示している。
【００４０】
図１１において、測定開始操作が判定されると、ステップ（以下、ステップを省略する）Ｓ１において、実際の測定実行時間Ｔが予め設定された最大測定時間Ｔｍよりも小さいか否かが判断される。当初はこのＳ１の判断が肯定されるので、Ｓ２において走査素子番号ｎがクリアされた後、Ｓ３においてその走査素子番号ｎに「１」が加算される。次に、Ｓ４において、走査素子番号ｎがその最大番号ｎmax よりも低いか否かが判断される。この走査素子番号ｎは、第１アレイ或いは第２アレイの超音波素子数に対応した値に設定される。当初はこのＳ４の判断が肯定されるので、Ｓ５においてｎ番目の超音波素子２６n および２８n から超音波は発信され、Ｓ６においてｎ番目の超音波素子２６n および２８n によりエコー信号が受信される。次いで、前記第１血管壁位置演算手段４８および第２血管壁位置演算手段５０に対応するＳ７において、上腕動脈１８のうちの上記ｎ番目の超音波素子２６n および２８n に対応するに部位の血管壁の深さ位置が算出される。そして、上記Ｓ４の判断が否定されるまで上記Ｓ３以下が繰り返し実行される。
【００４１】
１番目の超音波素子２６1 および２８1 からｎmax 番目の超音波素子２６nmaxおよび２８nmaxまでの送信受信が終了すると上記Ｓ４の判断が否定されるので、前記アクティブ素子選択手段６４に対応するＳ８において、測定断Ｂにおける最大血管径位置或いは管壁の最大深さ位置が上記Ｓ７において算出された各超音波素子２８n に対応するに部位の血管壁の深さ位置に基づいて決定されるとともに、第３アレイ３０のうちの上記最大血管径位置或いは管壁の最大深さ位置に対応して位置するドップラ用超音波素子３０n が血流検出に用いられるアクティブ素子として決定される。次いで、前記血流算出手段６６に対応するＳ９において、よく知られた前記の式(5) から、上記アクティブ素子から放射された超音波が血流によるドップラ効果によって位相変化或いは周波数変化させられたドップラ反射波の周波数fdに基づいて最大瞬時血流速度Ｕmax が算出される。
【００４２】
次のＳ１０では、図１２に示す直交断面の血管形状算出ルーチンが実行される。図１２において、前記測定断面内形状算出手段５２に対応するＳＡ１では、測定断面ＡおよびＢにおいて各超音波素子２６n および２８n に対応する管壁の深さ位置が図６に示すようにＸ−Ｙ座標内の点で特定され、それらの各点から曲線補完を用いてそれら各点を結ぶ閉曲線Ｋが算出されて上腕動脈１８の内腔の形状とされ、測定断面Ａの場合の図６に示すように、その閉曲線Ｋの長径軸寸法２ｂ、短軸径寸法２ａが測定断面ＡおよびＢにおいてそれぞれ算出される。次に、前記中心軸算出手段５４に対応するＳＡ２では、ＳＡ１により求められた各測定断面ＡおよびＢ内の閉曲線Ｋから、その閉曲線Ｋの中心点ＣA （Ｘ0A，Ｙ0A，ＺA ）およびＣB （Ｘ0B，Ｙ0B，ＺB ）がそれぞれ算出され、それら各測定断面ＡおよびＢにおける閉曲線Ｋの中心点ＣA （Ｘ0A，Ｙ0A，ＺA ）およびＣB （Ｘ0B，Ｙ0B，ＺB ）を結ぶ直線が、上腕動脈１８の中心軸ＣＬとして決定される。続いて、前記交差角算出手段５６に対応するＳＡ３では、図７に示す接触面２２に平行な面内において、測定断面Ｂについて、ＳＡ２により算出された上腕動脈１８の中心軸ＣＬに基づいて中心点ＣB を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ｂ’が決定され、その直交断面Ｂ’と測定断面Ｂとの交差角度β（度）が算出される。また、図８に示す接触面２２に垂直な面内において、測定断面Ｂについて、中心軸算出手段５４により算出された上腕動脈１８の中心軸ＣＬに基づいて中心点ＣB を通ってその中心軸ＣＬと直交する上腕動脈１８の直交断面Ｂ’が決定され、その直交断面Ｂ’と測定断面Ｂとの交差角度γ（度）が算出される。次に、前記補正手段５８に対応するＳＡ４では、上記ＳＡ３により算出された交差角度βおよびγに基づいて、ＳＡ１により算出された形状が直交断面Ｂ’における形状となるように補正する。すなわち、上腕動脈１８の直交断面Ｂ’における長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’となるように、補正式(2) 、(3) により測定断面形状算出手段５２により算出された長軸径２ｂおよび短軸径２ａがそれぞれ補正される。そして、前記直交断面積算出手段６０に対応するＳＡ５では、直交断面Ｂ’における上腕動脈１８の内腔面積ＳB ’が上記ＳＡ４によって補正された長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’に基づいて算出する。たとえば、直交断面Ｂ’における値に補正された長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’から特定される楕円の式(4) を用いて積分することにより、直交断面Ｂ’における面積ＳB ’が算出される。本実施例では、上記ＳＡ１乃至ＳＡ５が、血管形状算出手段６２に対応している。
【００４３】
図１１に戻って、前記相対角度算出手段６８に対応するＳ１１および前記血流速度補正手段７０に対応するＳ１２では、既知のアクティブ素子の幾何的位置と前記中心軸算出手段５４により算出された中心軸ＣＬとに基づいて超音波放射方向線ＵＳＬと中心軸ＣＬとの間の相対角度θ1 、θ2 、θ3 が算出されるとともに、その相対角度θ1 、θ2 、θ3 に起因する最大瞬時血流速度Ｕmax のずれが補正される。本実施例では、Ｓ９において角度θ1 、θ2 、θ3 による補正が加味された式(5) が用いられることによって最大瞬時血流速度Ｕmax が算出されているので、上記Ｓ１１およびＳ１２は、Ｓ９において実行されていることになる。
【００４４】
以上のようにして直交断面Ｂ’における上腕動脈１８の内腔の直交断面積ＳB ’と最大瞬時血流速度Ｕmax とが算出されると、前記血流量算出手段７２に対応するＳ１３において、上腕動脈１８の血流量ＱB （＝ＳB ’×Ｕmax ／２）が算出される。そして、前記出力手段７４に対応するＳ１４では、上記のようにして求められた、補正後の長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’、補正後の最大瞬時血流速度Ｕmax 、血流量ＱB がそれぞれ数字、グラフにて表示器３８に画像表示出力或いは印字表示出力させられるとともに、図示しない記憶装置に記憶させられる。このようにして、直交断面Ａ’およびＢ’における上腕動脈１８の内腔の長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’、その内腔の断面形状や、直交断面Ｂ’における直交断面積ＳB 、最大瞬時血流速度Ｕmax 、および血流量ＱB が逐次求められるので、血流により血管壁に加えられるシェアストレスを計算できる。これは内皮機機能の評価に用いられ得る。
【００４５】
上述のように、本実施例によれば、血管形状算出手段６２（Ｓ１０）により、生体の一部１４である上腕部の表皮２０下に位置する上腕動脈１８に交差してその表皮２０上に配置された第１アレイ２６および第２アレイ２８から検出されるエコー信号に基づいて、その第１アレイ２６および第２アレイ２８の直下に位置する部分の血管壁のうち各第１超音波素子２６n および第２超音波素子２８n に対応する部位の位置がそれぞれ算出され、それら血管壁の第１超音波素子２６n および第２超音波素子２８n に対応する部位の位置に基づいて、上腕動脈１８の直交断面における形状が算出されるので、生体皮膚２０下の上腕動脈１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その上腕動脈１８の断面形状が正確に得られる。
【００４６】
また、本実施例によれば、第１血管壁位置演算手段４８（Ｓ７）および第２血管壁位置演算手段５０（Ｓ７）によって、各第１超音波素子２６n および各第２超音波素子２８n から放射される放射信号とその各第１超音波素子２６n および各第２超音波素子２８n により検出される血管壁からのエコー（反射）信号との時間差に基づいてその血管壁までの距離がそれぞれ算出され、血管形状算出手段６２（Ｓ１０）により、その距離に基づいて前記第１アレイ２６の測定断面Ａ内および第２アレイ２８の測定断面Ｂ内における血管壁の位置が決定されるので、第１アレイ２６および第２アレイ２８の測定断面Ａ内および測定断面Ｂ内において各血管壁の位置が正確に得られる。
【００４７】
また、本実施例によれば、血管形状算出手段６２（Ｓ１０）において、第１アレイ２６および第２アレイ２８の測定断面内の血管壁の部位の位置に基づいて、その第１アレイ２６の測定断面Ａ内および前記第２アレイ２８の測定断面Ｂ内における血管壁の断面の中心点ＣA およびＣB と長軸径２ｂおよび短軸径２ａとがそれぞれ算出され、その第１アレイ２６の測定断面Ａ内と前記第２アレイ２８の測定断面Ｂ内とにおける血管壁の断面の中心点ＣA とＣB とに基づいて上腕動脈１８の中心軸ＣＬが算出され、その上腕動脈１８の中心軸ＣＬに基づいてその血管の直交断面Ｂ’と測定断面Ｂとの交差角度βおよびγが算出され、その交差角度βおよびγに基づいて上記血管の直交断面Ｂ’内の長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’となるように、長軸径２ｂおよび短軸径２ａが補正されるので、生体皮膚２０下の上腕動脈１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その血管１８の断面形状が正確に得られる。
【００４８】
また、本実施例によれば、血管形状算出手段６２（Ｓ１０）は、補正手段５８（ＳＡ４）によって補正された長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’に基づいて血管１８の直交断面Ｂ’における断面積ＳB ’を算出する直交断面積算出手段６０（ＳＡ５）を含むものであるので、生体皮膚２０下の血管１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その血管１８の断面積ＳB ’が正確に得られる。
【００４９】
また、本実施例によれば、(a) 一方向に配列された複数の第１超音波素子２６n を有する第１アレイ２６と、その第１超音波素子２６n の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子２８n を有する第２アレイ２８と、ドップラ用超音波素子３０n を有する第３アレイ３０とを備え、その第１アレイ２６および第２アレイ２８が生体の表皮２０下に位置する上腕動脈１８と交差し且つそのドップラ用超音波素子３０n からの超音波を放射方向ＵＳＬが上腕動脈１８に対して鋭角を成すように装着される超音波プローブ１２と、(b) ドップラ用超音波素子３０n から上腕動脈１８に向かって超音波を放射したときに得られる、その上腕動脈１８内の血流速度に基づくドップラ効果により変化させられるドップラ反射波に基づいてその血流速度Ｕを算出する血流速度算出手段６６（Ｓ９）と、(c) 第１アレイ２６の各第１超音波素子２６n から検出されるエコー（反射）信号に基づいて、上腕動脈１８の第１アレイ２６の直下に位置する部分の血管壁のうち各第１超音波素子２６n に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段４８（Ｓ７）と、(d) 第２アレイ２８の各第２超音波素子２８n から検出されるエコー信号に基づいて、上腕動脈１８第２アレイ２８の直下に位置する部分の血管壁のうち各第２超音波素子２８n に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段５０（Ｓ７）と、(e) 第１血管壁位置演算手段４８により算出された各第１超音波素子２６n に対応する血管壁部位の位置と第２血管壁位置演算手段５０により算出された各第２超音波素子２８n に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、第１アレイ２６の測定断面Ａ内と第２アレイ２８の測定断面Ｂ内とにおける血管壁の断面の中心点ＣA とＣB とを算出し、第１アレイ２６の測定断面Ａと第２アレイ２８の測定断面Ｂとにおける血管壁の断面の中心点ＣA とＣB に基づいてその血管１８の中心軸ＣＬを算出する中心軸算出手段５４（ＳＡ２）と、(f) その中心軸算出手段５４により算出された血管１８の中心軸ＣＬとドップラ用超音波素子３０n からその血管１８に向かって超音波を放射する方向ＵＳＬとの実際の相対角度θ1 、θ2 、θ3 を算出する相対角度算出手段６８（Ｓ１１）と、(g) その相対角度算出手段６８により算出された実際の相対角度θ1 、θ2 、θ3 に基づいて血流速度算出手段６６により算出された血流速度を補正する血流速度補正手段７０（Ｓ１２）とが、設けられているので、生体皮膚２０下の血管１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その血管１８内の最大瞬時血流速度Ｕmax が正確に得られる。
【００５０】
また、本実施例によれば、(a) 上記の血流速度測定のための構成と、(b) 第１血管壁位置演算手段４８により算出された各第１超音波素子２６n に対応する血管壁部位の位置と第２血管壁位置演算手段５０により算出された各第２超音波素子２８n に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、第１アレイ２６の測定断面Ａ内と第２アレイ２８の測定断面Ｂ内とにおける血管壁の断面の中心点ＣA およびＣB と長軸径２ｂおよび短軸径２とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段５２（ＳＡ１）と、(c) 中心軸算出手段５４により算出された血管１８の中心軸ＣＬに基づいて、その血管１８の直交断面Ｂ’と測定断面Ｂとの交差角度β、γを算出する交差角度算出手段５６（ＳＡ３）と、(d) その交差角度算出手段５６により算出された交差角度β、γに基づいて、血管１８の直交断面Ｂ’内の長軸径２／ｂ’および短軸径２／ａ’となるように、測定断面形状算出手段５２により算出された長軸径２／ｂおよび短軸径２／ａを補正する補正手段５８（ＳＡ４）と、(e) その補正手段５８によって補正された長軸径２／ｂおよび短軸径２／ａに基づいて血管１８の直交断面Ｂ’における断面積Ｓ’を算出する直交断面積算出手段６０（ＳＡ５）と、(f) その直交断面積算出手段６０により算出された血管１８の直交断面Ｂ’における断面積Ｓ’と血流速度補正手段７０により補正された最大瞬時血流速度Ｕmax とに基づいて、血管１８内の血流量ＱB を算出する血流量算出手段７２（Ｓ１３）とが、設けられているので、生体皮膚２０下の血管１８の方向が上記第１アレイ２６および第２アレイ２８と直交していなくても、或いは皮膚２０に平行でなくても、その血管１８内の血流量ＱB が正確に得られる。
【００５１】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用され得る。
【００５２】
たとえば、前述の実施例では、血流量算出手段７２により直交断面Ｂ’における上腕動脈１８の血流量ＱB （＝ＳB ’×Ｕmax ／２）が算出されていたが、直交断面Ａ’における上腕動脈１８の血流量ＱA （＝ＳA ’×Ｕmax ／２）が、直交断面積算出手段６０により求められた直交断面Ａ’における上腕動脈１８の直交断面積ＳA ’に基づいて算出されてもよい。また、直交断面Ａ’と直交断面Ｂ’との平均値に対する血流量が求められてもよい。
【００５３】
また、直交断面Ａ’およびＢ’における上腕動脈１８の内腔の長軸径２ｂ’および短軸径２ａ’、その内腔の断面形状や、直交断面Ｂ’における直交断面積ＳB 等の変化の時間差に基づいて脈波伝播速度が算出されてもよい。
【００５４】
また、前述の実施例において、血流量算出手段７２により直交断面Ｂ’における上腕動脈１８の平均の血流量ＱB （＝ＳB ’×Ｕmax ／２）が算出されていたが、血流速度算出手段６６によって算出される血流速度Ｕが平均速度である場合には、上記血流量ＱB は式（ＱB ＝ＳB ’×Ｕ）に基づいて算出される。また、血流量算出手段７２により、最大血流量ＱBmax（＝ＳB ’×Ｕmax ）が求められてもよい。
【００５５】
また、前述の実施例において、第３アレイ３０は複数のドップラ用超音波素子３０n から構成されていたが、単一のドップラ用超音波素子から構成されていたもよい。
【００５６】
また、前述の実施例では、たとえば第１アレイ２６では、各超音波素子２６n が、図５に示すように、個々に超音波の発信および受信を行っていたが、位相が異なる駆動信号を用いて数個の超音波素子から超音波を送信して細い超音波ビームを送信し、受信する場合も数個の超音波素子を用いて受信する所謂ビームフォーミング技術を採用することもできる。これによれば、所定の距離で収束するように超音波ビームを形成することができるので、検出精度が高められる。
【００５７】
なお、上述したのは、あくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施例の超音波装置に備えられた超音波プローブが上腕に装着された状態を示す斜視図である。
【図２】図１の実施例の超音波装置の超音波プローブに設けられた第１アレイの測定断面および第２アレイの測定断面と上腕動脈との関係を示す斜視図である。
【図３】図１の実施例の超音波装置の要部構成を概略説明する図である。
【図４】図３の電子制御装置の制御機能の要部を説明する機能ブロック線図である。
【図５】図１の実施例において、第１アレイの測定断面における各超音波素子の送信波および受信波を説明する図である。
【図６】図５の第１血管壁位置演算手段により図５の送信波と受信波との時間差に基づいて算出された第１アレイの測定断面における各測定点の座標と、それらを接続した閉曲線である上腕動脈の内腔の形状を説明する図である。
【図７】図５の中心線算出手段により求められた中心線ＣＬに直交する直交断面Ｂ’と第２アレイの測定断面Ｂとの、接触面に平行な平面内の交差角度βを示す図である。
【図８】図５の中心線算出手段により求められた中心線ＣＬに直交する直交断面Ｂ’と第２アレイの測定断面Ｂとの、接触面に垂直な面内の交差角度γを示す図である。
【図９】図５の中心線算出手段により求められた中心線ＣＬとドップラ用超音波素子の放射方向線ＵＳＬとの、接触面に垂直な面内の相対角度θ2 を示す図である。
【図１０】図５の中心線算出手段により求められた中心線ＣＬとドップラ用超音波素子の放射方向線ＵＳＬとの、接触面に平行な平面内の相対角度θ1 と、中心線ＣＬとドップラ用超音波素子の受波方向線ＲＳＬとの、接触面に平行な平面内の相対角度θ3 とを示す図である。
【図１１】図３の電子制御装置の制御作動の要部を説明するフローチャートである。
【図１２】図１１のＳ１０の直交断面内における血管形状を算出するためのルーチンを示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０：超音波測定装置（血管形状測定装置、血流速度測定装置、血流量測定装置）
１２：超音波プローブ
１４：生体の一部（上腕部）
１８：上腕動脈（血管）
２６：第１アレイ
２６n ：第１超音波素子
２８：第１アレイ
２８n ：第２超音波素子
４８：第１血管壁位置演算手段
５０：第２血管壁位置演算手段
５２：血管断面内形状算出手段
５４：中心軸算出手段
５６：交差角算出手段
５８：形状補正手段
６０：直交断面積算出手段
６２：血管形状算出手段
６６：血流速度算出手段
６８：相対角度算出手段
７０：血流速度補正手段
７２：血流量算出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、該第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイとを備え、生体の表皮下に位置する血管に交差して該表皮上に配置された該第１アレイおよび第２アレイから検出されるエコー信号に基づいて該血管の形状を測定する血管形状測定装置であって、
前記第１アレイの各第１超音波素子から検出される反射信号に基づいて、前記血管の該第１アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第１超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段と、
前記第２アレイの各第２超音波素子から検出されるエコー信号に基づいて、前記血管の該第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第２超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段と、
前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記血管の直交断面における形状を算出する血管形状算出手段と
を、含むことを特徴とする血管形状測定装置。
【請求項２】
前記第１血管壁位置演算手段は、各第１超音波素子から放射される放射信号と該各第１超音波素子により検出される前記血管壁からの反射信号との時間差に基づいて該血管壁までの距離をそれぞれ算出し、該距離に基づいて前記第１アレイの測定断面内における血管壁の位置を決定するものであり、
前記第２血管壁位置演算手段は、各第２超音波素子から放射される放射信号と各第２超音波素子により検出される前記血管壁からの反射信号との時間差に基づいて該血管壁までの距離をそれぞれ算出し、該距離に基づいて前記第２アレイの測定断面内における血管壁の位置を決定するものである請求項１の血管形状測定装置。
【請求項３】
前記血管形状算出手段は、
前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段と、
該測定断面内形状算出手段により算出された第１アレイの測定断面と前記第２アレイの測定断面とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて該血管の中心軸を算出する中心軸算出手段と、
該中心軸算出手段により算出された血管の中心軸に基づいて、該血管の直交断面と前記測定断面との交差角度を算出する交差角度算出手段と、
該交差角度算出手段により算出された交差角度に基づいて、前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、前記形状算出手段により算出された長軸径および／または短軸径を補正する補正手段と
を含むものである請求項２の血管形状測定装置。
【請求項４】
前記血管形状算出手段は、前記補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段を、さらに含むものである請求項３の血管形状測定装置。
【請求項５】
一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、該第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイと、ドップラ用超音波素子とを備え、該第１アレイおよび第２アレイが前記生体の表皮下に位置する血管と交差し且つ該ドップラ用超音波素子からの超音波を放射方向が該血管に対して鋭角を成すように装着される超音波プローブと、
前記ドップラ用超音波素子から前記血管に向かって超音波を放射したときに得られる、該血管内の血流速度に基づくドップラ効果により変化させられるドップラ反射波に基づいて該血流速度を算出する血流速度算出手段と、
前記第１アレイの各第１超音波素子から検出される反射信号に基づいて、前記血管の該第１アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第１超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段と、
前記第２アレイの各第２超音波素子から検出されるエコー信号に基づいて、前記血管の該第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第２超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段と、
前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点を算出し、該第１アレイの測定断面と前記第２アレイの測定断面とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて該血管の中心軸を算出する中心軸算出手段と、
該中心軸算出手段により算出された前記血管の中心軸と前記ドップラ用超音波素子から該血管に向かって超音波を放射する方向との実際の相対角度を算出する相対角度算出手段と、
該相対角度算出手段により算出された実際の相対角度に基づいて前記血流速度算出手段により算出された血流速度を補正する血流速度補正手段と
を、含むことを特徴とする血流速度測定装置。
【請求項６】
請求項５の血流速度測定装置を備えた血流量測定装置であって、
前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段と、
前記中心軸算出手段により算出された血管の中心軸に基づいて、該血管の直交断面と前記測定断面との交差角度を算出する交差角度算出手段と、
該交差角度算出手段により算出された交差角度に基づいて、前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、前記形状算出手段により算出された長軸径および／または短軸径を補正する補正手段と
該補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段と、
該直交断面積算出手段により算出された前記血管の直交断面における断面積と前記血流速度補正手段により補正された血流速度とに基づいて、前記血管内の血流量を算出する血流量算出手段と
を、含むことを特徴とする血流量測定装置。
【請求項１】
一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、該第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイとを備え、生体の表皮下に位置する血管に交差して該表皮上に配置された該第１アレイおよび第２アレイから検出されるエコー信号に基づいて該血管の形状を測定する血管形状測定装置であって、
前記第１アレイの各第１超音波素子から検出される反射信号に基づいて、前記血管の該第１アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第１超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段と、
前記第２アレイの各第２超音波素子から検出されるエコー信号に基づいて、前記血管の該第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第２超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段と、
前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記血管の直交断面における形状を算出する血管形状算出手段と
を、含むことを特徴とする血管形状測定装置。
【請求項２】
前記第１血管壁位置演算手段は、各第１超音波素子から放射される放射信号と該各第１超音波素子により検出される前記血管壁からの反射信号との時間差に基づいて該血管壁までの距離をそれぞれ算出し、該距離に基づいて前記第１アレイの測定断面内における血管壁の位置を決定するものであり、
前記第２血管壁位置演算手段は、各第２超音波素子から放射される放射信号と各第２超音波素子により検出される前記血管壁からの反射信号との時間差に基づいて該血管壁までの距離をそれぞれ算出し、該距離に基づいて前記第２アレイの測定断面内における血管壁の位置を決定するものである請求項１の血管形状測定装置。
【請求項３】
前記血管形状算出手段は、
前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段と、
該測定断面内形状算出手段により算出された第１アレイの測定断面と前記第２アレイの測定断面とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて該血管の中心軸を算出する中心軸算出手段と、
該中心軸算出手段により算出された血管の中心軸に基づいて、該血管の直交断面と前記測定断面との交差角度を算出する交差角度算出手段と、
該交差角度算出手段により算出された交差角度に基づいて、前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、前記形状算出手段により算出された長軸径および／または短軸径を補正する補正手段と
を含むものである請求項２の血管形状測定装置。
【請求項４】
前記血管形状算出手段は、前記補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段を、さらに含むものである請求項３の血管形状測定装置。
【請求項５】
一方向に配列された複数の第１超音波素子を有する第１アレイと、該第１超音波素子の配列方向と平行な方向に配列された複数の第２超音波素子を有する第２アレイと、ドップラ用超音波素子とを備え、該第１アレイおよび第２アレイが前記生体の表皮下に位置する血管と交差し且つ該ドップラ用超音波素子からの超音波を放射方向が該血管に対して鋭角を成すように装着される超音波プローブと、
前記ドップラ用超音波素子から前記血管に向かって超音波を放射したときに得られる、該血管内の血流速度に基づくドップラ効果により変化させられるドップラ反射波に基づいて該血流速度を算出する血流速度算出手段と、
前記第１アレイの各第１超音波素子から検出される反射信号に基づいて、前記血管の該第１アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第１超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第１血管壁位置演算手段と、
前記第２アレイの各第２超音波素子から検出されるエコー信号に基づいて、前記血管の該第２アレイの直下に位置する部分の血管壁のうち該各第２超音波素子に対応する部位の位置をそれぞれ算出する第２血管壁位置演算手段と、
前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点を算出し、該第１アレイの測定断面と前記第２アレイの測定断面とにおける血管壁の断面の中心点に基づいて該血管の中心軸を算出する中心軸算出手段と、
該中心軸算出手段により算出された前記血管の中心軸と前記ドップラ用超音波素子から該血管に向かって超音波を放射する方向との実際の相対角度を算出する相対角度算出手段と、
該相対角度算出手段により算出された実際の相対角度に基づいて前記血流速度算出手段により算出された血流速度を補正する血流速度補正手段と
を、含むことを特徴とする血流速度測定装置。
【請求項６】
請求項５の血流速度測定装置を備えた血流量測定装置であって、
前記第１血管壁位置演算手段により算出された各第１超音波素子に対応する血管壁部位の位置と前記第２血管壁位置演算手段により算出された各第２超音波素子に対応する血管壁部位の位置とに基づいて、前記第１アレイの測定断面内と前記第２アレイの測定断面内とにおける血管壁の断面の中心点と長軸径および／または短軸径とをそれぞれ算出する測定断面内形状算出手段と、
前記中心軸算出手段により算出された血管の中心軸に基づいて、該血管の直交断面と前記測定断面との交差角度を算出する交差角度算出手段と、
該交差角度算出手段により算出された交差角度に基づいて、前記血管の直交断面の長軸径および／または短軸径となるように、前記形状算出手段により算出された長軸径および／または短軸径を補正する補正手段と
該補正手段によって補正された長軸径および短軸径に基づいて前記血管の直交断面における断面積を算出する直交断面積算出手段と、
該直交断面積算出手段により算出された前記血管の直交断面における断面積と前記血流速度補正手段により補正された血流速度とに基づいて、前記血管内の血流量を算出する血流量算出手段と
を、含むことを特徴とする血流量測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−３４６６７（Ｐ２００６−３４６６７Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１９８６６（Ｐ２００４−２１９８６６）
【出願日】平成１６年７月２８日（２００４．７．２８）
【出願人】（３０４００８１７５）株式会社ユネクス (16)
【出願人】（３０４０２０２９２）国立大学法人徳島大学 (307)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２８日（２００４．７．２８）
【出願人】（３０４００８１７５）株式会社ユネクス (16)
【出願人】（３０４０２０２９２）国立大学法人徳島大学 (307)
【Ｆターム（参考）】
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