血管径測定装置
【課題】正確な血管の径を測定できる血管径測定装置を提供する。
【解決手段】３つの超音波アレイ１１から超音波が発信されてから血管で反射して超音波アレイ１１に到達するまでの到達時間に基づいて血管の外径及び内径を算出する制御回路とを備える。制御回路は、超音波が血管の中心を通過するように超音波の発信角度を制御する信号遅延回路と、血管で反射されて、最も早く超音波アレイ１１に到達する第１反射波の第１到達時間、及び第１到達時間から所定時間経過後に超音波アレイ１１に到達した第２反射波の第２到達時間を測定する受信計測部と、３つの第１反射波の第１到達時間に基づいて血管の外径Ｒを算出する外径算出部と、３つの第２反射波の第２到達時間に基づいて血管の内径ｒを算出する内径算出部とを備える。
【解決手段】３つの超音波アレイ１１から超音波が発信されてから血管で反射して超音波アレイ１１に到達するまでの到達時間に基づいて血管の外径及び内径を算出する制御回路とを備える。制御回路は、超音波が血管の中心を通過するように超音波の発信角度を制御する信号遅延回路と、血管で反射されて、最も早く超音波アレイ１１に到達する第１反射波の第１到達時間、及び第１到達時間から所定時間経過後に超音波アレイ１１に到達した第２反射波の第２到達時間を測定する受信計測部と、３つの第１反射波の第１到達時間に基づいて血管の外径Ｒを算出する外径算出部と、３つの第２反射波の第２到達時間に基づいて血管の内径ｒを算出する内径算出部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて生体内の血管の径を測定する血管径測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を用いて生体内の血管の径を測定する測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１の測定装置では、血管の軸方向と交差する方向に第１アレイ及び第２アレイが設けられた超音波プローブを備える。各アレイは、それぞれ複数の超音波素子を有する。そして、各アレイにおいて、複数の超音波素子は、超音波を互いに平行となるように血管に発信し、血管で反射された超音波を受信している。これにより、超音波の発信から受信までの時間を計測して、この時間に基づいて血管の径を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４４１６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、超音波素子から超音波が血管の壁面に対して直交方向に発信される場合には、血管の壁面で反射される超音波の強度は低下することがなく、超音波素子は反射された超音波を正確に受信できる。しかしながら、特許文献１のような測定装置では、超音波が互いに平行となるように血管の壁面に発信されるため、血管の中心を通る超音波以外は、血管の壁面に対して直交せずに発信されることとなる。このため、血管の壁面に対して直交せずに発信された超音波は、血管の壁面で反射される超音波の強度が低下し、超音波素子は反射された超音波を正確に受信できない。これにより、正確な血管の径を測定できないおそれがある。
また、血管壁の肉厚部分が薄い場合や血管が収縮している場合には、反射された超音波が血管の内壁または外壁のいずれで反射されたものか判別できないため、正確な血管の径を算出できないおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、正確な血管の径を測定できる血管径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】
本発明の血管径測定装置は、生体に接触するプローブに設けられた少なくとも３つの超音波アレイと、前記超音波アレイから超音波が発信されてから前記生体内の血管で反射して前記超音波アレイに到達するまでの到達時間に基づいて前記血管の外径及び内径を算出する制御回路とを備え、前記超音波アレイは、複数の超音波素子が走査方向に沿って一方向に配設されたライン状アレイ構造を有し、前記制御回路は、前記各超音波素子から超音波を発信するタイミングを遅延させることで、前記超音波アレイから発信される超音波が前記血管の中心を通過するように超音波の発信角度を制御する発信角度制御部と、前記各超音波アレイから発信された超音波が前記血管で反射されて、最も早く前記超音波アレイに到達する第１反射波の第１到達時間を測定する第１反射波測定部と、前記第１到達時間を基準として設定される所定時間の範囲内に前記超音波アレイに到達した第２反射波の第２到達時間を測定する第２反射波測定部と、前記各超音波アレイに到達する少なくとも３つの前記第１反射波の前記第１到達時間に基づいて前記血管の外径を算出する外径算出部と、前記各超音波アレイに到達する少なくとも３つの前記第２反射波の前記第２到達時間に基づいて前記血管の内径を算出する内径算出部とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、超音波が血管の中心を通過するように、超音波の発信角度を制御する発信角度制御部を備えるので、血管の壁面に対して直交する方向に確実に超音波を発信させることができ、前述した従来のような反射波の強度の低下を防止することができ、確実に反射波を受信できる。
また、超音波の発信後、受信するまでの時間が最短となる第１反射波の第１到達時間を測定する第１反射波測定部、及び第１到達時間を基準として設定される所定時間の範囲内に超音波アレイに到達した第２反射波の第２到達時間を測定する第２反射波測定部を備える。ここで、第１反射波は、超音波アレイから最も近い位置の血管の外壁で反射した超音波である。そして、「所定時間の範囲内に超音波アレイに到達した第２反射波」とは、第１反射波の次に血管の内壁で反射する反射波を受信すると予測される時間を経過した後から超音波アレイから最も遠い血管の外壁で反射した反射波を受信すると予測される時間までの範囲内に超音波アレイに到達した反射波である。
これによれば、例えば、第１反射波の次に血管の内壁で反射する反射波、及び超音波アレイから最も遠い血管の外壁で反射した反射波を受信することを除くことができ、第１反射波、及び所定時間後に到達した第２反射波を確実に区別して受信することが可能となる。従って、超音波の血管での所望の反射位置をより正確に検出することができる。
そして、外径算出部は、第１反射波の第１到達時間から検出された少なくとも３つの反射位置の座標に基づいて、血管の外径を正確に算出できる。また、内径算出部は、第２反射波の第２到達時間から検出された少なくとも３つの反射位置の座標に基づいて、血管の内径を正確に算出できる。
【０００８】
本発明の血管径測定装置では、前記制御回路は、少なくとも２つの前記超音波アレイから前記発信角度制御部により制御されて超音波の発信角度毎に発信された各超音波のうち、前記血管で反射されて最も遅く前記超音波アレイに到達する少なくとも２つの反射波の最遅到達時間、及び前記最遅到達時間となるように発信された各超音波の各発信角度に基づいて、前記血管の中心位置を推定する中心位置推定部を備えることが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、中心位置推定部は、少なくとも２つの超音波アレイから発信された超音波が最も遅く超音波アレイに到達する少なくとも２つの反射波の最遅到達時間、及びこの際の各超音波の各発信角度に基づいて、血管の中心位置を推定するので、３つの超音波アレイを用いて中心位置を推定する場合と比べると、処理速度を向上させることができる。
【００１０】
本発明の血管径測定装置では、前記第２反射波測定部は、前記第１反射波から前記第２反射波までの間に反射波の未振幅期間が少なくとも１つあるか否かを判定することが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、第２反射波測定部は第１反射波から第２反射波までの間に未振幅期間が少なくとも１つあるか否かを判定するので、例えば、第１反射波と第２反射波とが連続しているような反射波を検出することができる。これによれば、第２反射波測定部は、反射波が連続していることを検出すると、未振幅期間を検出するまで、超音波を発信して反射波を測定するようにすれば、第１反射波の反射位置、及び第２反射波の反射位置を明確に特定することができ、血管の径の正確な測定をすることができる。
【００１２】
本発明の血管径測定装置では、前記外径算出部は、前記第１反射波の前記血管における少なくとも３点の反射位置の座標に基づいて、前記血管の外径を算出するとともに前記血管の中心座標を算出し、前記内径算出部は、前記第２反射波の前記血管における少なくとも３点の反射位置の座標に基づいて、前記血管の内径を算出するとともに前記血管の中心座標を算出し、前記制御回路は、前記各中心座標のずれ量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、前記閾値を超えている場合には、警告を出力する警告出力部を備えることが好ましい。
【００１３】
ところで、血管が収縮したり、またプローブを生体に密着しすぎて血管の形状が円形状となっていない場合には、外径算出部で算出した中心座標と、内径算出部で算出した中心座標とが異なるおそれがある。
そこで、本発明によれば、各中心座標のずれ量を所定の閾値と比較する警告出力部を備え、この警告出力部は、ずれ量が閾値を超えている場合には警告を出力する。これによれば、例えば、利用者が警告を受けた後に、プローブを検査対象位置に再度取り付け直しなどしてから再測定して、各中心座標のずれ量が閾値より小さくなるまで行うことで、より正確な血管の中心座標を求めることができ、正確な血管の径の測定が可能となる。
【００１４】
本発明の血管径測定装置では、前記制御回路は、少なくとも２つの前記超音波アレイから前記発信角度制御部により制御されて超音波の発信角度毎に発信された各超音波のうち、前記血管で反射されて最も遅く前記超音波アレイに到達する少なくとも２つの反射波の最遅到達時間、及び前記最遅到達時間となるように発信された超音波の発信角度に基づいて、前記血管の中心位置を推定する中心位置推定部と、前記中心位置推定部で推定された前記血管の中心推定位置と、前記外径算出部及び前記内径算出部で算出される中心座標とのずれ量が前記閾値を超えているか否かを判定し、前記閾値を超えている場合には、警告を出力する警告出力部とを備えることが好ましい。
【００１５】
本発明によれば、警告出力部は、推定された血管の中心推定位置と、外径算出部及び内径算出部で算出される中心座標とのずれ量を比較し、ずれ量が閾値を超えている場合には警告を出力する。この場合には前述と同様に、プローブを取り付け直して、再測定することで、より正確な血管の中心座標を求めることができ、正確な血管の径の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る本実施形態の血管径測定装置の外観を示す図。
【図２】前記実施形態のプローブの概略構成を示す平面図。
【図３】前記実施形態の超音波アレイを拡大した拡大平面図、及びその断面図。
【図４】前記実施形態の各超音波素子に入力する駆動信号を、△ｔだけ順に遅延させて、入力した際の超音波の発信角度を示す図。
【図５】前記実施形態の超音波アレイのスキャンエリアを示す図。
【図６】前記実施形態の血管径測定装置の概略構成を示すブロック図。
【図７】前記実施形態の超音波アレイから発信された超音波の反射波を示す図。
【図８】前記実施形態の各超音波アレイから血管の中心位置を通る超音波を模式的に示す図。
【図９】前記実施形態の測定制御部の概略構成を示すブロック図。
【図１０】前記実施形態の血管径測定装置の測定処理を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する
【００１８】
［１．血管径測定装置の概略構成］
図１は、本実施形態の血管径測定装置１の外観を示す図である。
血管径測定装置１は、図１に示すように、装置本体２と、装置本体２を人体などの生体に装着するためのバンド３とを備える。そして、この血管径測定装置１は、装置本体２の裏面に対して生体を接触させた状態で、バンド３を締めることで生体に装着されて、生体内の血管の外径及び内径を測定する。
【００１９】
［２．装置本体の構成］
装置本体２は、図１に示すように、直方体状の筐体２１を備え、装置本体２の裏面側には、センサー窓２２が形成され、このセンサー窓２２には、生体に密着されるプローブ２３が設けられている。また、装置本体２には、プローブ２３の他、制御回路４（図６参照）が設けられている。
プローブ２３は、上述したように、血管径測定装置１により生体内の血管の外径及び内径を測定する際に、生体に密着される。
また、装置本体２の表面側には、特に図示を省略したが、血管径測定装置１を操作する操作部や測定結果を表示する表示部などが設けられている。
【００２０】
［２−１．プローブの構成］
図２は、本実施形態のプローブ２３の概略構成を示す平面図である。
プローブ２３は、図２に示すように、シリコン（Ｓｉ）などで形成された矩形状の基板１０を備える。この基板１０には、平面中心位置を通って、基板１０の長辺（バンド３の基端側が取り付けられていない側の辺）に沿う方向に３つの超音波アレイ１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）が設けられる。この超音波アレイ１１は、複数の超音波素子１２を備え、これら複数の超音波素子１２を走査方向Ａに沿う一方向に配設したライン状アレイ構造（１次元アレイ構造）を有している。そして、血管径の測定の際、プローブ２３は、各超音波素子１２の配設方向が血管の軸方向に直交するように生体に密着される。
【００２１】
図３は、超音波アレイ１１を拡大した拡大平面図（図３（Ａ））、及び拡大断面図（図３（Ｂ））である。
超音波アレイ１１を構成する超音波素子１２は、ダイアフラム１３と、ダイアフラム１３上に形成される圧電体１４とを備える。なお、ダイアフラム１３及び圧電体１４の構成の説明については後述する。
ここで、基板１０には、長辺に沿う方向に平面視円形状の複数の開口部１０１が形成される。また、基板１０には、支持膜１５が積層されて、開口部１０１が支持膜１５により閉塞されている。
【００２２】
支持膜１５は、例えばＳｉＯ２膜とＺｒＯ２層との２層構造により構成される。ここで、ＳｉＯ２層は、基板１０がＳｉ基板である場合、基板表面を熱酸化処理することで成膜することができる。また、ＺｒＯ２層は、ＳｉＯ２層上に例えばスパッタリングなどの手法により成膜される。
【００２３】
ダイアフラム１３は、支持膜１５のうち、開口部１０１を閉塞する領域により構成される。そして、ダイアフラム１３は、開口部１０１から、超音波素子１２の超音波出力方向（図３（Ｂ）中、紙面下方向）の空間に対して露出している。
【００２４】
圧電体１４は、支持膜１５の上層に積層される下部電極１４１と、下部電極１４１上に形成される圧電膜１４２と、圧電膜１４２上に形成される上部電極１４３とを備える。
下部電極１４１には、図３（Ａ）に示すように、支持膜１５上で走査方向Ａに対して直交する方向に沿って延出する下部電極線１４１Ａが接続されている。この下部電極線１４１Ａは、各超音波素子１２に対して、それぞれ独立して設けられている。
上部電極１４３には、支持膜１５上の走査方向Ａに沿って延出する上部電極線１４３Ａが接続されている。この上部電極線１４３Ａは、１つの超音波アレイ１１において共通電極線となる。すなわち、上部電極線１４３Ａは、図３に示すように、隣り合う超音波素子１２の上部電極１４３に接続されており、端部において、例えばＧＮＤに接続されている。これにより、各超音波素子１２の上部電極１４３がアースされることになる。
【００２５】
圧電膜１４２は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、圧電膜１４２としてＰＺＴを用いるが、電圧を印加することで、面内方向に収縮することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）などを用いてもよい。
【００２６】
このような超音波素子１２では、下部電極１４１と、上部電極１４３とに電圧を印加することで、圧電膜１４２が面内方向に伸縮する。このとき、圧電膜１４２の一方の面は、下部電極１４１を介して支持膜１５に接合されるが、他方の面には、上部電極１４３が形成されるものの、この上部電極１４３上には他の層が積層形成されないため、圧電膜１４２の支持膜１５側が伸縮しにくく、上部電極１４３側が伸縮し易くなる。このため、圧電膜１４２に電圧を印加すると、開口部１０１側に凸となる撓みが生じ、ダイアフラム１３を撓ませる。したがって、圧電膜１４２に交流電圧を印加することで、ダイアフラム１３が膜厚方向に対して振動し、このダイアフラム１３の振動により超音波が発信される。
また、超音波素子１２で超音波を受信する場合、超音波がダイアフラム１３に入力されると、ダイアフラム１３が膜厚方向に振動する。超音波素子１２では、このダイアフラム１３の振動により、圧電膜１４２の下部電極１４１側の面と上部電極１４３側の面とで電位差が発生し、上部電極１４３および下部電極１４１から圧電膜１４２の変位量に応じた受信信号（電流）が出力される。
【００２７】
図４は、各超音波素子１２Ａ〜１２Ｄに入力する駆動信号を、△ｔだけ順に遅延させて、入力した際の超音波の発信方向（発信角度）を示す図である。
本実施形態における超音波素子１２が走査方向Ａに沿って複数配置される超音波アレイ１１では、各超音波素子１２から超音波を発信させるタイミングを遅延させてずらすことで、所望の方向に超音波の平面波を発信することが可能となる。
各超音波素子１２から超音波を発信させると、これらの超音波が互いに強めあう合成波面Ｗが形成されて伝搬される。ここで、図４に示すように、配設間隔がｄに設定された各超音波素子１２Ａ〜１２Ｄへ入力する駆動信号を△ｔだけ遅延させると、先に駆動信号が入力された超音波素子１２から発信される超音波の波面と、後に駆動信号が入力された超音波素子１２から発信される波面とで、位相が異なるため、合成波面Ｗが走査方向Ａに対して傾斜して伝搬される。
【００２８】
この時、合成波面Ｗの伝搬方向と、走査方向Ａに直交する方向との発信角度をθｓ、音速をｃとすると、次式（１）の関係が成立する
【００２９】
【数１】
【００３０】
図５は、１つの超音波アレイ１１のスキャンエリアＳareaを示す図である。
超音波アレイ１１は、上述のように、各超音波素子１２に入力する駆動信号のタイミングを遅延させることで、超音波の発信角度を変化させることができる。ここで、超音波アレイ１１は、ライン状アレイ構造（１次元アレイ構造）を有しているため、超音波の発信角度は、図５に示すように、走査方向Ａを通り、基板１０に対して直交するスキャン面Ｓに制限され、スキャン面Ｓに対して交差する方向に発信角度を変化させることはできない。これにより、超音波アレイ１１のスキャンエリアＳareaは、走査方向Ａを通り、基板１０に対して直交するスキャン面Ｓ内に形成される。そして、血管がスキャンエリアＳareaを通過するように、プローブ２３を生体に密着させておけば、超音波アレイ１１からスキャンエリアＳareaに超音波を発信させて、血管で反射された超音波を受信することで、血管とスキャンエリアＳareaとの交点を検出することが可能となる。
【００３１】
［２−２．制御回路の構成］
図６は、本実施形態の血管径測定装置１の概略構成を示すブロック図である。
制御回路４は、超音波アレイ切替回路４１と、受発信切替回路４２と、超音波モード切替制御部４３と、超音波信号発信回路４４と、信号遅延回路４５（発信角度制御部）と、受信計測部４６（第１反射波測定部、第２反射波測定部）と、遅延時間計算部４７と、記憶部４８と、測定制御部４９とを備える。
【００３２】
超音波アレイ切替回路４１は、プローブ２３に設けられる３つの超音波アレイ１１のうち、駆動させる超音波アレイ１１を切り替えるスイッチング回路である。
本実施形態の血管径測定装置１では、１つの超音波アレイ１１から超音波の受発信が実施されている間、他の超音波アレイ１１への駆動信号の出力、および他の超音波アレイ１１からの受信信号の受信は実施しない。これにより、駆動対象となった超音波アレイ１１では、他の超音波アレイ１１から発信された超音波を受信してしまい、ノイズが検出される不都合や、駆動対象以外の超音波アレイ１１から受信信号が検出されてしまう不都合を回避できる。
この超音波アレイ切替回路４１は、例えば、各超音波アレイ１１の下部電極線１４１Ａおよび上部電極線１４３Ａに接続される端子群を備え、測定制御部４９から入力されるアレイを選択する旨の切替制御信号に基づいて、切替制御信号に基づいた超音波アレイ１１に対応した端子群と、受発信切替回路４２とを接続する。また、駆動させない超音波アレイ１１に対応した端子群は、例えば、下部電極線１４１Ａおよび上部電極線１４３Ａの双方をＧＮＤに接続するなどすることで、駆動させない構成としてもよい。
【００３３】
受発信切替回路４２は、超音波モード切替制御部４３から入力されるモード切替信号に基づいて、接続状態を切り替えるスイッチング回路である。
具体的には、超音波モード切替制御部４３から超音波発信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、受発信切替回路４２は、信号遅延回路４５から入力された駆動信号を、超音波アレイ切替回路４１に出力可能な接続状態に切り替わる。一方、受発信切替回路４２は、超音波モード切替制御部４３から超音波受信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、超音波アレイ切替回路４１から入力される受信信号を受信計測部４６に出力可能な接続状態に切り替わる。
【００３４】
超音波モード切替制御部４３は、超音波アレイ１１から超音波を発信させる超音波発信モードと、超音波アレイ１１にて超音波を受信させる超音波受信モードとを切り替える。
具体的には、超音波モード切替制御部４３は、測定制御部４９から血管の径の測定を開始する旨の制御信号が入力されると、まず、超音波発信モードに切り替える処理を実施する。この処理では、超音波モード切替制御部４３は、受発信切替回路４２に、発信モードに切り替える旨の制御信号を出力し、超音波信号発信回路４４から駆動信号を出力させる旨の制御信号を出力する。
また、超音波モード切替制御部４３は、図示しない計時部（タイマー）により計測される時間を認識し、超音波発信モードから所定の発信時間経過後に、超音波受信モードに切り替える処理を実施する。ここで発信時間は、超音波アレイ１１から例えば１〜２周波数のバースト波が発信される時間程度に設定されていればよい。受信モードでは、超音波モード切替制御部４３は、受発信切替回路４２に受信モードに切り替える旨の制御信号を出力して、受発信切替回路４２を、超音波アレイ１１から入力される受信信号を受信計測部４６に入力可能な接続状態にスイッチングさせる。
なお、超音波モード切替制御部４３は、上記処理を例えば予め設定された回数実施する。この回数は、超音波の発信角度の設定数により適宜設定される回数であり、例えば、図５に示すように、超音波の発信角度を５段階に切り替えて血管の中心位置を推定する場合、５回上記の処理を繰り返す。
【００３５】
超音波信号発信回路４４は、発信モードにおいて、超音波モード切替制御部４３から駆動信号を出力させる旨の制御信号が入力されると、超音波アレイ１１の超音波素子１２を駆動させるための駆動信号（駆動電圧）を信号遅延回路４５に出力する。
【００３６】
信号遅延回路４５は、超音波信号発信回路４４から、各超音波素子１２に対する駆動信号が入力されると、その駆動信号を遅延させて受発信切替回路４２に出力する。
ここで、信号遅延回路４５は、遅延時間計算部４７から入力される遅延設定信号に基づいて、各超音波素子１２を駆動させるための駆動信号を△ｔずつ遅延させた遅延済駆動信号を受発信切替回路４２に出力する。
【００３７】
図７は、超音波アレイ１１から発信された超音波の反射波を示す図である。
図８は、各超音波アレイ１１から血管の中心位置を通る超音波を模式的に示す図である。
受信計測部４６は、計時部にて計測される時間を監視し、超音波が受信されまでの時間を計測する。
具体的には、受信計測部４６は、超音波モード切替制御部４３が発信モードに切り替える処理を実施したタイミング、すなわち、超音波モード切替制御部４３により計時部でカウントされる時間がリセットされてからの時間を監視する。そして、受信計測部４６は、超音波モード切替制御部４３が受信モードに切り替える処理を実施し、超音波アレイ１１で受信された反射超音波に応じた受信信号が受発信切替回路４２から受信計測部４６に入力されると、その入力されたタイミングでの時間（ＴＯＦデータ：Time Of Flightデータ）を取得し、ＴＯＦデータを測定制御部４９に入力する。
【００３８】
受信計測部４６は、２つの超音波アレイ１１から発信角度毎（例えば、図５に示す発信角度θ１〜θ５）に発信されて血管で反射した反射波の受信信号のうち、入力が最後に終了した受信信号の２つのＴＯＦデータを取得する。この受信計測部４６への入力が最後に終了した受信信号は、超音波アレイ１１から最も遠い反射位置での反射波の受信信号である。
また、受信計測部４６は、図７に示すように、この受信信号における発信角度で発信された超音波の反射波の第１波（本発明に係る第１反射波）の受信信号が入力された時点ｔ１（本発明に係る第１到達時間）、及び反射波の第３波（本発明に係る第２反射波）の受信信号が入力された時点ｔ３（本発明に係る第２到達時間）のＴＯＦデータを取得する。加えて、後述する中心位置推定部４９１で算出される残りの超音波アレイ１１からの発信角度θｓに基づいて発信された超音波の反射波の第１波及び第３波のＴＯＦデータを取得する。
【００３９】
ここで、受信計測部４６は、受信信号を受信するパターンとしては、図７に示す波形１〜波形４のパターンがある。図７では、図示の都合上、血管が円形状となっているものを示している。
例えば、波形１では、血管の内壁及び外壁での反射波が理想的に取得できているのに対し、波形２では、血管が収縮するなどにより楕円形状等に変形したことが原因で、第３波と第４波とが連続した反射波となっている。また、波形３では、血管の肉厚部分が極めて薄いことなどが原因で、第１波及び第２波が連続し、第３波及び第４波が連続した反射波となっている。波形４では、波形２や波形３の場合に比べて血管がかなり収縮し、血管の肉厚部分が極めて薄くなっていることが原因で、第１波から第４波が連続した反射波となっている。
このため、受信計測部４６は、特に、波形１及び波形２のパターンにおいて、第３波の受信信号を第２波及び第４波の受信信号と区別して受信する必要がある。そこで、第３波の反射波の受信信号が入力された時点ｔ３が以下の式（２）の所定時間Ｔの範囲内の条件を満たしていれば、第２波及び第４波の受信信号を受信することがなく、第３波の受信信号のみを受信することが可能となる。
【００４０】
【数２】
【００４１】
ここで、Ｒは血管の外径、ｃは音速である。また、Ｌは血管の肉厚寸法であり、血管の内径をｒとすると、Ｌ＝（Ｒ−ｒ）／２で求められる。一般的に、内径ｒは１（ｍｍ）、外径Ｒは３（ｍｍ）であるため、肉厚寸法Ｌは１（ｍｍ）である。そして、音速ｃは１５３０（ｍ／ｓ）であるので、これらを上述の式（２）へ代入すると、１３００（ｎs）＜Ｔ＜３９２０（ｎs）の関係が成り立つ。
【００４２】
また、受信計測部４６は、図７に示す第１波の受信信号を受信してから、第３波の受信信号までの間に未振幅期間が１つあるか否かを検出する。すなわち、受信計測部４６は、第１波の受信信号を受信して、第３波の受信信号を受信するまで間における未振幅期間の有無を検出して、未振幅期間が少なくとも１つあればノイズ等の影響が無いと判断する。一方、受信計測部４６は、未振幅期間が無い場合には、ノイズ等の影響が有る判断して、測定制御部４９に再測定信号を入力し、測定制御部４９から超音波モード切替制御部４３に制御信号を入力させる。
例えば、図７の波形１のパターンでは、第１波の受信信号を受信してから未振幅期間を経て第２波、さらに未振幅期間を経て第３波、さらに未振幅期間を経て第４波の受信信号を受信するので、未振幅期間が３箇所ある。また、図７の波形２のパターンでは、第１波の受信信号を受信してから未振幅期間を経て第２波、さらに未振幅期間を経て第３波の受信信号を受信するので、未振幅期間が２箇所ある。図７の波形３のパターンでは、第１波の受信信号を受信してから未振幅期間を経て第３波の受信信号を受信するので、未振幅期間が１箇所ある。ところが、図７の波形４のパターンでは、第１波の受信信号を受信してから、反射波が連続しており、受信信号を受信し続けるため、未振幅期間が存在せず、ノイズの影響が有ると判断する。
【００４３】
遅延時間計算部４７は、測定制御部４９から入力される発信角度データに基づいて、各超音波素子１２の駆動遅延時間を算出する。
ここで、この発信角度データは、記憶部４８に予め記憶されているデータであり、例えば、本実施形態では、図５に示すように、θｓ＝θ１〜θ５の５つの発信角度データが予め記憶されている構成を例示する。なお、６個以上の発信角度データが記憶され、より細かく発信角度を変化可能な構成などとしてもよい。
そして、遅延時間計算部４７は、入力された発信角度データθｓと、予め設定されている超音波素子１２の素子ピッチｄと、音速ｃとを用いて、上記式（１）に基づいて、遅延時間△ｔを算出し、遅延設定信号として信号遅延回路４５に出力する。
【００４４】
記憶部４８は、例えばメモリーやハードディスクなどの記録媒体を備えて構成され、受信計測部４６や遅延時間計算部４７や測定制御部４９での処理に必要な各種データ及びプログラムを適宜読み出し可能に記憶する。
具体的には、各種データとして、プローブ２３における超音波アレイ１１の位置データ、発信角度データθｓ、ＴＯＦデータなどが挙げられる。また、各種プログラムとして、詳しくは後述するが、測定制御部４９にて実行され、ＴＯＦデータに基づいて血管の中心位置を推定する中心位置推定プログラム、ＴＯＦデータに基づいて血管の反射位置の６点の座標位置を算出する反射位置座標算出プログラム、反射位置の３点の座標位置から血管の外径及び血管の中心座標を算出する外径算出プログラム、反射位置の３点の座標位置から血管の内径及び血管の中心座標を算出する内径算出プログラム、２つの血管の中心座標を比較して警告を報知する警告出力プログラムなどが挙げられる。
【００４５】
図９は、測定制御部４９の概略構成を示すブロック図である。
測定制御部４９は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えて構成され、記憶部４８に記憶されたプログラムを実行する。すなわち、測定制御部４９は、記憶部４８に記憶されたプログラム及びデータを処理することにより、各種機能を実現する。このような測定制御部４９は、血管の径を測定する際には、当該プログラムを処理することにより、図９に示すように、中心位置推定部４９１、反射位置座標算出部４９２と、外径算出部４９３と、内径算出部４９４と、警告出力部４９５とを機能として実現する。
【００４６】
中心位置推定部４９１は、入力された超音波アレイ１１から最も遠い反射位置での反射波の２つのＴＯＦデータ、及び最も近い反射位置での反射波の２つのＴＯＦデータに基づいて、発信角度データθｓを参照して、血管の中心位置を推定し、これを中心推定位置とする。
そして、中心位置推定部４９１は、既に駆動された２つの超音波アレイ１１以外の残りの超音波アレイ１１から中心推定位置に対して、超音波を発信するように発信角度θｓを算出して、この発信角度データθｓを遅延時間計算部４７に入力する。
【００４７】
反射位置座標算出部４９２は、入力された第１波及び第３波のＴＯＦデータに基づいて、超音波アレイ１１から反射位置の６点（図８のＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２）までの距離を算出する。そして、記憶部４８に記憶された発信角度データに基づいて、超音波アレイ１１Ｂの位置を原点とし、超音波アレイ１１の配設間隔をＰとして、６点の座標位置を以下の式（３）〜（８）を用いて算出する。
【００４８】
【数３】
【００４９】
外径算出部４９３は、６点の反射位置のうち、Ａ１，Ｂ１，Ｃ１の座標位置に基づいて、以下の式（９）を用いて血管の外径Ｒを算出するとともに、中心座標Ｏ（ｘ，ｙ）を算出する。
【００５０】
【数４】
【００５１】
内径算出部４９４は、６点の反射位置のうち、Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の座標位置に基づいて、以下の式（１０）を用いて血管の内径ｒを算出するとともに、中心座標Ｏ（ｘ，ｙ）を算出する。
【００５２】
【数５】
【００５３】
警告出力部４９５は、外径算出部４９３及び内径算出部４９４で算出された２つの中心座標のずれ量を所定の閾値と比較する。そして、警告出力部４９５は、ずれ量が閾値を超えている場合には利用者にプローブ２３を再度、検査対象位置に付け直す旨の警告を装置本体２の図示しない表示部に報知する。
また、警告出力部４９５は、外径算出部４９３及び内径算出部４９４で算出された２つの中心座標と、中心位置推定部４９１で推定された血管の中心推定位置とのずれ量を比較する。そして、ずれ量が閾値を超えている場合には、利用者にプローブ２３を再度、検査対象位置に付け直す旨の警告を装置本体２の図示しない表示部に報知する。
【００５４】
［３．血管径測定装置の測定処理］
次に、血管径測定装置１の測定処理について、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、血管径測定装置１のプローブ２３を生体の例えば腕等の検査対象位置に密着させて、バンドを締め付けて装置本体２を検査対象位置に固定する。
そして、利用者が図示しない操作部を操作することで入力信号が入力されると、血管径測定装置１は、血管の径の測定を開始する。
【００５５】
次に、測定制御部４９は、２つの超音波アレイ１１を駆動可能に切り替える処理を実施する。ここでは、測定制御部４９は、２つの超音波アレイ１１を駆動可能に切り替える旨の切替制御信号を超音波アレイ切替回路４１に出力する。
【００５６】
そして、測定制御部４９は、超音波発信モードにおける各種処理を実施する（ステップＳ１）。
この超音波発信モードでは、測定制御部４９は、記憶部４８から発信角度データθｓを読み込み、遅延時間計算部４７に出力する。ここでは、まず、発信角度データθ１を読み込み、遅延時間計算部４７に出力する。これにより、遅延時間計算部４７は、式（１）に基づいて、遅延時間△ｔを算出し、遅延設定信号として信号遅延回路４５に出力する。
【００５７】
また、測定制御部４９は、超音波モード切替制御部４３に測定制御部４９から超音波発信モードに切り替える旨の制御信号を入力すると、超音波信号発信回路４４は、２つの超音波アレイ１１の各超音波素子１２に出力するための駆動信号（駆動パルス）が信号遅延回路４５に出力される。この信号遅延回路４５では、上記のように、遅延時間計算部４７から遅延設定信号が入力されている。このため、各駆動信号は、遅延設定信号に基づいた遅延時間だけ遅延させて受発信切替回路４２に出力される。
そして、受発信切替回路４２は、信号遅延回路４５から入力される駆動信号を超音波アレイ切替回路４１に出力する。
【００５８】
また、受発信切替回路４２は、上記のように、超音波モード切替制御部４３から入力される制御信号により、信号遅延回路４５から入力される駆動信号を超音波アレイ切替回路４１に出力する状態にスイッチングされている。このため、信号遅延回路４５から出力された遅延済駆動信号は、超音波アレイ切替回路４１を介して、２つの超音波アレイ１１の各超音波素子１２に出力される。
以上により、２つの超音波アレイ１１から、発信角度データθ１に対応した発信角度で超音波が出力される。以上の処理を発信角度データθ２〜θ５についても行うことで、２つの超音波アレイ１１から各発信角度データθ１〜θ５に対応した発信角度で超音波が出力される。
【００５９】
また、受信計測部４６は、超音波モード切替制御部４３が受信モードに切り替える処理を実施し、超音波アレイ１１で受信された反射超音波に応じた受信信号が受発信切替回路４２から受信計測部４６に入力されると、その入力されたタイミングでの時間を取得する。そして、超音波モード切替制御部４３は、例えば１〜２周期のバースト波が出力される時間後に、超音波受信モードの各種処理を実施する（ステップＳ２）。
【００６０】
ステップＳ２の超音波受信モードでは、超音波モード切替制御部４３は、受発信切替回路４２に超音波アレイ切替回路４１から入力される受信信号を受信計測部４６に出力する旨の制御信号を出力する。
これにより、超音波アレイ１１で超音波が受信されて、受信信号が超音波アレイ切替回路４１から受発信切替回路４２に入力されると、この受信信号は受信計測部４６に出力される。
受信計測部４６は、計時部にてカウントされる時間を監視し、超音波が発信されたタイミングから、受信信号が入力されるタイミングまでの時間であるＴＯＦデータを取得し測定制御部４９に出力する。そして、測定制御部４９は、入力されたＴＯＦデータを適宜読み出し可能に記憶部４８に記憶する。
ここでの記憶部４８に記憶されるＴＯＦデータは、上述したように、２つの超音波アレイ１１から発信角度毎（例えば、図５に示す発信角度θ１〜θ５）に発信されて血管で反射した反射波の受信信号のうち、入力が最後に終了した受信信号の２つのＴＯＦデータ、及び最も早く反射した反射波の受信信号の２つのＴＯＦデータである。
【００６１】
次に、測定制御部４９の中心位置推定部４９１は、記憶部４８からＴＯＦデータ等を読み出し、血管の中心位置を推定し、これを中心推定位置とする（ステップＳ３）。そして、中心位置推定部４９１は、既に駆動された２つの超音波アレイ１１以外の残りの超音波アレイ１１から中心推定位置に対して、超音波を発信するように発信角度θｓを算出して、この発信角度データθｓを遅延時間計算部４７に入力する。
この後、残りの超音波アレイ１１は、この算出された発信角度θｓで超音波を発信して、受信計測部４６は、超音波の反射波の第１波及び第３波のＴＯＦデータを取得して、測定制御部４９に入力する。そして、測定制御部４９は、入力されたＴＯＦデータを適宜読み出し可能に記憶部４８に記憶する。
【００６２】
受信計測部４６は、反射波のうち、第１波の受信信号を受信してから、第３波の受信信号までの間に未振幅期間があるか否かを検出する（ステップＳ４）。未振幅期間が少なくとも１つあればノイズ等の影響が無いと判断し、次のステップＳ５の処理を実行する。
一方、受信計測部４６は、未振幅期間が無い場合（受信信号を受信し続けるなどの場合）には、ノイズ等の影響が有る判断して、ステップＳ１に戻り、測定制御部４９は、超音波発信モードにおける各種処理を実施する。なお、ステップＳ１からステップＳ４の処理を所定回数行っても、未振幅期間が無いと判定されれば、測定制御部４９は利用者にプローブ２３を取り付け直す旨のエラーを出力する処理をする。
【００６３】
次に、測定制御部４９の反射位置座標算出部４９２は、反射位置の座標位置を算出する処理を実施する（ステップＳ５）。
反射位置座標算出部４９２は、記憶部４８からＴＯＦデータ等を読み出し、図８に示す６点の反射位置Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２の座標位置を上述の式（３）〜（８）を用いて算出する。
【００６４】
そして、外径算出部４９３は、ステップＳ５で算出した反射位置Ａ１，Ｂ１，Ｃ１の座標位置、及び上述の式（９）を用いて、血管の外径Ｒ及び血管の中心座標Ｏ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ６）。
さらに、内径算出部４９４は、ステップＳ５で算出した反射位置Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の座標位置、及び上述の式（１０）を用いて、血管の内径ｒ及び血管の中心座標Ｏ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ７）。
【００６５】
次に、警告出力部４９５は、ステップＳ６、Ｓ７で算出した各中心座標Ｏのずれ量を所定の閾値と比較する（ステップＳ８）。そして、各中心座標Ｏのずれ量が所定の閾値よりも大きい場合には利用者にプローブ２３を再度、検査対象位置に付け直す旨の警告を報知し（ステップＳ９）、ステップＳ１に戻り再測定を開始する。
一方、各中心座標Ｏのずれ量が所定の閾値より小さい場合には、各中心座標Ｏと推定中心位置とのずれ量を所定の閾値と比較する（ステップＳ１０）。そして、ずれ量が閾値より小さい場合には血管の径の測定処理を終了する。ところが、当該ずれ量が閾値より大きい場合には、警告出力部４９５は、ステップＳ９の警告を報知し、ステップＳ１に戻り再測定を開始する。
【００６６】
［４．本実施形態の作用効果］
本実施形態では、超音波が血管の中心Ｏを通過するように、超音波の発信角度を制御する信号遅延回路４５を備えるので、血管の壁面に対して直交する方向に確実に超音波を発信させることができ、前述した従来のような反射波の強度の低下を防止することができ、確実に反射波を受信できる。
また、超音波の発信後、受信するまでの時間が最短となる第１波から、上記式（２）の所定時間Ｔの範囲内で到達した反射波を第３波として測定する受信計測部４６を備える。すなわち、受信計測部４６を備えることで、第１波の次に血管の内壁で反射する第２波及び第４波を除くことができ、第１波、及び所定時間Ｔの範囲内で受信した第３波を確実に区別して受信することが可能となる。これによれば、第３波の受信信号のＴＯＦデータを正確に取得でき、超音波の血管での反射位置Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の座標を上記式（４）、（６）、（８）を用いて正確に求めることができる。従って、外径算出部４９３及び内径算出部４９４により、上記式（９）、（１０）を用いて、より正確な血管の外径Ｒ、内径ｒ、及び中心座標Ｏを算出できる。
【００６７】
さらに、受信計測部４６は第１波から第３波までの間に未振幅期間が少なくとも１つあるか否かを判定するので、例えば、第１波から第３波が連続しているような反射波を検出することができる。従って、反射波が連続波となっている場合には、再測定することで、第１波の反射位置、及び第３波の反射位置を確実に特定することができ、血管の径の正確な測定をすることができる。
また、外径算出部４９３及び内径算出部４９４により算出した各中心座標Ｏのずれ量を所定の閾値と比較する警告出力部４９５を備え、この警告出力部４９５は、ずれ量が閾値を超えている場合にはプローブ２３を再度取り付け直す旨の警告を出力する。これによれば、利用者がプローブ２３を検査対象位置に再度取り付け直した後に、再測定して、各中心座標Ｏのずれ量が閾値より小さくなることで、より正確な血管の中心座標Ｏを求めることができ、正確な血管の径の測定が可能となる。
さらに、警告出力部４９５は、中心位置推定部４９１により推定された血管の中心推定位置と、外径算出部４９３及び内径算出部４９４で算出された中心座標Ｏとのずれ量を比較し、ずれ量が閾値を超えている場合にはプローブ２３を再度取り付け直す旨の警告を出力する。そして、再測定することで、より正確な血管の中心座標を求めることができ、正確な血管の径の測定が可能となる。
【００６８】
［実施形態の変形］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、２つの超音波アレイ１１からは発信される超音波の２つの反射波に基づいて、血管の中心位置を推定していたが、３つの超音波アレイ１１から発信される超音波の反射波から３つの反射波に基づいて、血管の中心位置を推定してもよい。この場合には、２つの超音波アレイ１１を用いて、血管の中心位置を推定する場合に比べて、中心位置を推定する精度をより向上できる。
【００６９】
前記実施形態では、３つの超音波アレイ１１を用いた血管径測定装置１を例示したが、これに限定されず、４つ以上の超音波アレイ１１を用いてもよい。
前記実施形態では、開口部１０１として平面視円形状のものを例示したが、これに限定されず、ダイアフラム１３の撓みバランスや、圧電体１４によるダイアフラム１３の振動安定性に応じて、例えば矩形状などその他の形状に形成されてもよい。すなわち、ダイアフラム１３の振動時の応力バランスなどを考慮して、超音波素子１２の形状を自由に設計することができる。
【００７０】
前記実施形態では、各超音波アレイ１１は、各超音波素子１２により超音波の発信および受信の双方を実施し、超音波モード切替制御部４３により、超音波発信モードと、超音波受信モードとを切り替える例を示したが、これに限定されず、受信専用の超音波素子及び発信専用の超音波素子を並設する構成としてもよい。
【００７１】
前記実施形態において、遅延時間計算部４７が、測定制御部４９から発信角度データを受け取ることで、各超音波素子１２に入力する駆動信号の遅延時間を演算する装置である例、すなわち、遅延時間計算部４７がハードウェアとして構成される例を示したが、これに限定されない。例えば、記憶部４８に遅延時間計算プログラムが記憶され、測定制御部４９によりこの遅延時間計算プログラムが読み出されて実行されることで、各駆動信号に遅延時間を演算する構成としてもよい。
また、前記実施形態では、中心位置推定部４９１、反射位置座標算出部４９２、外径算出部４９３、内径算出部４９４、及び警告出力部４９５として、測定制御部４９が各種プログラムを読み出し実行することで機能する例を示したが、例えば、中心位置推定部４９１、反射位置座標算出部４９２、外径算出部４９３、内径算出部４９４、及び警告出力部４９５が、例えばＩＣなどの集積回路により、ハードウェアとして構成されるものであってもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１…血管径測定装置、４…制御回路、１１…超音波アレイ、１２…超音波素子、２３…プローブ、４５…信号遅延回路（発信角度制御部）、４６…受信計測部（第１反射波測定部、第２反射波測定部）、４９１…中心位置推定部、４９３…外径算出部、４９４…内径算出部、４９５…警告出力部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて生体内の血管の径を測定する血管径測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を用いて生体内の血管の径を測定する測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１の測定装置では、血管の軸方向と交差する方向に第１アレイ及び第２アレイが設けられた超音波プローブを備える。各アレイは、それぞれ複数の超音波素子を有する。そして、各アレイにおいて、複数の超音波素子は、超音波を互いに平行となるように血管に発信し、血管で反射された超音波を受信している。これにより、超音波の発信から受信までの時間を計測して、この時間に基づいて血管の径を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４４１６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、超音波素子から超音波が血管の壁面に対して直交方向に発信される場合には、血管の壁面で反射される超音波の強度は低下することがなく、超音波素子は反射された超音波を正確に受信できる。しかしながら、特許文献１のような測定装置では、超音波が互いに平行となるように血管の壁面に発信されるため、血管の中心を通る超音波以外は、血管の壁面に対して直交せずに発信されることとなる。このため、血管の壁面に対して直交せずに発信された超音波は、血管の壁面で反射される超音波の強度が低下し、超音波素子は反射された超音波を正確に受信できない。これにより、正確な血管の径を測定できないおそれがある。
また、血管壁の肉厚部分が薄い場合や血管が収縮している場合には、反射された超音波が血管の内壁または外壁のいずれで反射されたものか判別できないため、正確な血管の径を算出できないおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、正確な血管の径を測定できる血管径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】
本発明の血管径測定装置は、生体に接触するプローブに設けられた少なくとも３つの超音波アレイと、前記超音波アレイから超音波が発信されてから前記生体内の血管で反射して前記超音波アレイに到達するまでの到達時間に基づいて前記血管の外径及び内径を算出する制御回路とを備え、前記超音波アレイは、複数の超音波素子が走査方向に沿って一方向に配設されたライン状アレイ構造を有し、前記制御回路は、前記各超音波素子から超音波を発信するタイミングを遅延させることで、前記超音波アレイから発信される超音波が前記血管の中心を通過するように超音波の発信角度を制御する発信角度制御部と、前記各超音波アレイから発信された超音波が前記血管で反射されて、最も早く前記超音波アレイに到達する第１反射波の第１到達時間を測定する第１反射波測定部と、前記第１到達時間を基準として設定される所定時間の範囲内に前記超音波アレイに到達した第２反射波の第２到達時間を測定する第２反射波測定部と、前記各超音波アレイに到達する少なくとも３つの前記第１反射波の前記第１到達時間に基づいて前記血管の外径を算出する外径算出部と、前記各超音波アレイに到達する少なくとも３つの前記第２反射波の前記第２到達時間に基づいて前記血管の内径を算出する内径算出部とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、超音波が血管の中心を通過するように、超音波の発信角度を制御する発信角度制御部を備えるので、血管の壁面に対して直交する方向に確実に超音波を発信させることができ、前述した従来のような反射波の強度の低下を防止することができ、確実に反射波を受信できる。
また、超音波の発信後、受信するまでの時間が最短となる第１反射波の第１到達時間を測定する第１反射波測定部、及び第１到達時間を基準として設定される所定時間の範囲内に超音波アレイに到達した第２反射波の第２到達時間を測定する第２反射波測定部を備える。ここで、第１反射波は、超音波アレイから最も近い位置の血管の外壁で反射した超音波である。そして、「所定時間の範囲内に超音波アレイに到達した第２反射波」とは、第１反射波の次に血管の内壁で反射する反射波を受信すると予測される時間を経過した後から超音波アレイから最も遠い血管の外壁で反射した反射波を受信すると予測される時間までの範囲内に超音波アレイに到達した反射波である。
これによれば、例えば、第１反射波の次に血管の内壁で反射する反射波、及び超音波アレイから最も遠い血管の外壁で反射した反射波を受信することを除くことができ、第１反射波、及び所定時間後に到達した第２反射波を確実に区別して受信することが可能となる。従って、超音波の血管での所望の反射位置をより正確に検出することができる。
そして、外径算出部は、第１反射波の第１到達時間から検出された少なくとも３つの反射位置の座標に基づいて、血管の外径を正確に算出できる。また、内径算出部は、第２反射波の第２到達時間から検出された少なくとも３つの反射位置の座標に基づいて、血管の内径を正確に算出できる。
【０００８】
本発明の血管径測定装置では、前記制御回路は、少なくとも２つの前記超音波アレイから前記発信角度制御部により制御されて超音波の発信角度毎に発信された各超音波のうち、前記血管で反射されて最も遅く前記超音波アレイに到達する少なくとも２つの反射波の最遅到達時間、及び前記最遅到達時間となるように発信された各超音波の各発信角度に基づいて、前記血管の中心位置を推定する中心位置推定部を備えることが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、中心位置推定部は、少なくとも２つの超音波アレイから発信された超音波が最も遅く超音波アレイに到達する少なくとも２つの反射波の最遅到達時間、及びこの際の各超音波の各発信角度に基づいて、血管の中心位置を推定するので、３つの超音波アレイを用いて中心位置を推定する場合と比べると、処理速度を向上させることができる。
【００１０】
本発明の血管径測定装置では、前記第２反射波測定部は、前記第１反射波から前記第２反射波までの間に反射波の未振幅期間が少なくとも１つあるか否かを判定することが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、第２反射波測定部は第１反射波から第２反射波までの間に未振幅期間が少なくとも１つあるか否かを判定するので、例えば、第１反射波と第２反射波とが連続しているような反射波を検出することができる。これによれば、第２反射波測定部は、反射波が連続していることを検出すると、未振幅期間を検出するまで、超音波を発信して反射波を測定するようにすれば、第１反射波の反射位置、及び第２反射波の反射位置を明確に特定することができ、血管の径の正確な測定をすることができる。
【００１２】
本発明の血管径測定装置では、前記外径算出部は、前記第１反射波の前記血管における少なくとも３点の反射位置の座標に基づいて、前記血管の外径を算出するとともに前記血管の中心座標を算出し、前記内径算出部は、前記第２反射波の前記血管における少なくとも３点の反射位置の座標に基づいて、前記血管の内径を算出するとともに前記血管の中心座標を算出し、前記制御回路は、前記各中心座標のずれ量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、前記閾値を超えている場合には、警告を出力する警告出力部を備えることが好ましい。
【００１３】
ところで、血管が収縮したり、またプローブを生体に密着しすぎて血管の形状が円形状となっていない場合には、外径算出部で算出した中心座標と、内径算出部で算出した中心座標とが異なるおそれがある。
そこで、本発明によれば、各中心座標のずれ量を所定の閾値と比較する警告出力部を備え、この警告出力部は、ずれ量が閾値を超えている場合には警告を出力する。これによれば、例えば、利用者が警告を受けた後に、プローブを検査対象位置に再度取り付け直しなどしてから再測定して、各中心座標のずれ量が閾値より小さくなるまで行うことで、より正確な血管の中心座標を求めることができ、正確な血管の径の測定が可能となる。
【００１４】
本発明の血管径測定装置では、前記制御回路は、少なくとも２つの前記超音波アレイから前記発信角度制御部により制御されて超音波の発信角度毎に発信された各超音波のうち、前記血管で反射されて最も遅く前記超音波アレイに到達する少なくとも２つの反射波の最遅到達時間、及び前記最遅到達時間となるように発信された超音波の発信角度に基づいて、前記血管の中心位置を推定する中心位置推定部と、前記中心位置推定部で推定された前記血管の中心推定位置と、前記外径算出部及び前記内径算出部で算出される中心座標とのずれ量が前記閾値を超えているか否かを判定し、前記閾値を超えている場合には、警告を出力する警告出力部とを備えることが好ましい。
【００１５】
本発明によれば、警告出力部は、推定された血管の中心推定位置と、外径算出部及び内径算出部で算出される中心座標とのずれ量を比較し、ずれ量が閾値を超えている場合には警告を出力する。この場合には前述と同様に、プローブを取り付け直して、再測定することで、より正確な血管の中心座標を求めることができ、正確な血管の径の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る本実施形態の血管径測定装置の外観を示す図。
【図２】前記実施形態のプローブの概略構成を示す平面図。
【図３】前記実施形態の超音波アレイを拡大した拡大平面図、及びその断面図。
【図４】前記実施形態の各超音波素子に入力する駆動信号を、△ｔだけ順に遅延させて、入力した際の超音波の発信角度を示す図。
【図５】前記実施形態の超音波アレイのスキャンエリアを示す図。
【図６】前記実施形態の血管径測定装置の概略構成を示すブロック図。
【図７】前記実施形態の超音波アレイから発信された超音波の反射波を示す図。
【図８】前記実施形態の各超音波アレイから血管の中心位置を通る超音波を模式的に示す図。
【図９】前記実施形態の測定制御部の概略構成を示すブロック図。
【図１０】前記実施形態の血管径測定装置の測定処理を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する
【００１８】
［１．血管径測定装置の概略構成］
図１は、本実施形態の血管径測定装置１の外観を示す図である。
血管径測定装置１は、図１に示すように、装置本体２と、装置本体２を人体などの生体に装着するためのバンド３とを備える。そして、この血管径測定装置１は、装置本体２の裏面に対して生体を接触させた状態で、バンド３を締めることで生体に装着されて、生体内の血管の外径及び内径を測定する。
【００１９】
［２．装置本体の構成］
装置本体２は、図１に示すように、直方体状の筐体２１を備え、装置本体２の裏面側には、センサー窓２２が形成され、このセンサー窓２２には、生体に密着されるプローブ２３が設けられている。また、装置本体２には、プローブ２３の他、制御回路４（図６参照）が設けられている。
プローブ２３は、上述したように、血管径測定装置１により生体内の血管の外径及び内径を測定する際に、生体に密着される。
また、装置本体２の表面側には、特に図示を省略したが、血管径測定装置１を操作する操作部や測定結果を表示する表示部などが設けられている。
【００２０】
［２−１．プローブの構成］
図２は、本実施形態のプローブ２３の概略構成を示す平面図である。
プローブ２３は、図２に示すように、シリコン（Ｓｉ）などで形成された矩形状の基板１０を備える。この基板１０には、平面中心位置を通って、基板１０の長辺（バンド３の基端側が取り付けられていない側の辺）に沿う方向に３つの超音波アレイ１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）が設けられる。この超音波アレイ１１は、複数の超音波素子１２を備え、これら複数の超音波素子１２を走査方向Ａに沿う一方向に配設したライン状アレイ構造（１次元アレイ構造）を有している。そして、血管径の測定の際、プローブ２３は、各超音波素子１２の配設方向が血管の軸方向に直交するように生体に密着される。
【００２１】
図３は、超音波アレイ１１を拡大した拡大平面図（図３（Ａ））、及び拡大断面図（図３（Ｂ））である。
超音波アレイ１１を構成する超音波素子１２は、ダイアフラム１３と、ダイアフラム１３上に形成される圧電体１４とを備える。なお、ダイアフラム１３及び圧電体１４の構成の説明については後述する。
ここで、基板１０には、長辺に沿う方向に平面視円形状の複数の開口部１０１が形成される。また、基板１０には、支持膜１５が積層されて、開口部１０１が支持膜１５により閉塞されている。
【００２２】
支持膜１５は、例えばＳｉＯ２膜とＺｒＯ２層との２層構造により構成される。ここで、ＳｉＯ２層は、基板１０がＳｉ基板である場合、基板表面を熱酸化処理することで成膜することができる。また、ＺｒＯ２層は、ＳｉＯ２層上に例えばスパッタリングなどの手法により成膜される。
【００２３】
ダイアフラム１３は、支持膜１５のうち、開口部１０１を閉塞する領域により構成される。そして、ダイアフラム１３は、開口部１０１から、超音波素子１２の超音波出力方向（図３（Ｂ）中、紙面下方向）の空間に対して露出している。
【００２４】
圧電体１４は、支持膜１５の上層に積層される下部電極１４１と、下部電極１４１上に形成される圧電膜１４２と、圧電膜１４２上に形成される上部電極１４３とを備える。
下部電極１４１には、図３（Ａ）に示すように、支持膜１５上で走査方向Ａに対して直交する方向に沿って延出する下部電極線１４１Ａが接続されている。この下部電極線１４１Ａは、各超音波素子１２に対して、それぞれ独立して設けられている。
上部電極１４３には、支持膜１５上の走査方向Ａに沿って延出する上部電極線１４３Ａが接続されている。この上部電極線１４３Ａは、１つの超音波アレイ１１において共通電極線となる。すなわち、上部電極線１４３Ａは、図３に示すように、隣り合う超音波素子１２の上部電極１４３に接続されており、端部において、例えばＧＮＤに接続されている。これにより、各超音波素子１２の上部電極１４３がアースされることになる。
【００２５】
圧電膜１４２は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、圧電膜１４２としてＰＺＴを用いるが、電圧を印加することで、面内方向に収縮することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）などを用いてもよい。
【００２６】
このような超音波素子１２では、下部電極１４１と、上部電極１４３とに電圧を印加することで、圧電膜１４２が面内方向に伸縮する。このとき、圧電膜１４２の一方の面は、下部電極１４１を介して支持膜１５に接合されるが、他方の面には、上部電極１４３が形成されるものの、この上部電極１４３上には他の層が積層形成されないため、圧電膜１４２の支持膜１５側が伸縮しにくく、上部電極１４３側が伸縮し易くなる。このため、圧電膜１４２に電圧を印加すると、開口部１０１側に凸となる撓みが生じ、ダイアフラム１３を撓ませる。したがって、圧電膜１４２に交流電圧を印加することで、ダイアフラム１３が膜厚方向に対して振動し、このダイアフラム１３の振動により超音波が発信される。
また、超音波素子１２で超音波を受信する場合、超音波がダイアフラム１３に入力されると、ダイアフラム１３が膜厚方向に振動する。超音波素子１２では、このダイアフラム１３の振動により、圧電膜１４２の下部電極１４１側の面と上部電極１４３側の面とで電位差が発生し、上部電極１４３および下部電極１４１から圧電膜１４２の変位量に応じた受信信号（電流）が出力される。
【００２７】
図４は、各超音波素子１２Ａ〜１２Ｄに入力する駆動信号を、△ｔだけ順に遅延させて、入力した際の超音波の発信方向（発信角度）を示す図である。
本実施形態における超音波素子１２が走査方向Ａに沿って複数配置される超音波アレイ１１では、各超音波素子１２から超音波を発信させるタイミングを遅延させてずらすことで、所望の方向に超音波の平面波を発信することが可能となる。
各超音波素子１２から超音波を発信させると、これらの超音波が互いに強めあう合成波面Ｗが形成されて伝搬される。ここで、図４に示すように、配設間隔がｄに設定された各超音波素子１２Ａ〜１２Ｄへ入力する駆動信号を△ｔだけ遅延させると、先に駆動信号が入力された超音波素子１２から発信される超音波の波面と、後に駆動信号が入力された超音波素子１２から発信される波面とで、位相が異なるため、合成波面Ｗが走査方向Ａに対して傾斜して伝搬される。
【００２８】
この時、合成波面Ｗの伝搬方向と、走査方向Ａに直交する方向との発信角度をθｓ、音速をｃとすると、次式（１）の関係が成立する
【００２９】
【数１】
【００３０】
図５は、１つの超音波アレイ１１のスキャンエリアＳareaを示す図である。
超音波アレイ１１は、上述のように、各超音波素子１２に入力する駆動信号のタイミングを遅延させることで、超音波の発信角度を変化させることができる。ここで、超音波アレイ１１は、ライン状アレイ構造（１次元アレイ構造）を有しているため、超音波の発信角度は、図５に示すように、走査方向Ａを通り、基板１０に対して直交するスキャン面Ｓに制限され、スキャン面Ｓに対して交差する方向に発信角度を変化させることはできない。これにより、超音波アレイ１１のスキャンエリアＳareaは、走査方向Ａを通り、基板１０に対して直交するスキャン面Ｓ内に形成される。そして、血管がスキャンエリアＳareaを通過するように、プローブ２３を生体に密着させておけば、超音波アレイ１１からスキャンエリアＳareaに超音波を発信させて、血管で反射された超音波を受信することで、血管とスキャンエリアＳareaとの交点を検出することが可能となる。
【００３１】
［２−２．制御回路の構成］
図６は、本実施形態の血管径測定装置１の概略構成を示すブロック図である。
制御回路４は、超音波アレイ切替回路４１と、受発信切替回路４２と、超音波モード切替制御部４３と、超音波信号発信回路４４と、信号遅延回路４５（発信角度制御部）と、受信計測部４６（第１反射波測定部、第２反射波測定部）と、遅延時間計算部４７と、記憶部４８と、測定制御部４９とを備える。
【００３２】
超音波アレイ切替回路４１は、プローブ２３に設けられる３つの超音波アレイ１１のうち、駆動させる超音波アレイ１１を切り替えるスイッチング回路である。
本実施形態の血管径測定装置１では、１つの超音波アレイ１１から超音波の受発信が実施されている間、他の超音波アレイ１１への駆動信号の出力、および他の超音波アレイ１１からの受信信号の受信は実施しない。これにより、駆動対象となった超音波アレイ１１では、他の超音波アレイ１１から発信された超音波を受信してしまい、ノイズが検出される不都合や、駆動対象以外の超音波アレイ１１から受信信号が検出されてしまう不都合を回避できる。
この超音波アレイ切替回路４１は、例えば、各超音波アレイ１１の下部電極線１４１Ａおよび上部電極線１４３Ａに接続される端子群を備え、測定制御部４９から入力されるアレイを選択する旨の切替制御信号に基づいて、切替制御信号に基づいた超音波アレイ１１に対応した端子群と、受発信切替回路４２とを接続する。また、駆動させない超音波アレイ１１に対応した端子群は、例えば、下部電極線１４１Ａおよび上部電極線１４３Ａの双方をＧＮＤに接続するなどすることで、駆動させない構成としてもよい。
【００３３】
受発信切替回路４２は、超音波モード切替制御部４３から入力されるモード切替信号に基づいて、接続状態を切り替えるスイッチング回路である。
具体的には、超音波モード切替制御部４３から超音波発信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、受発信切替回路４２は、信号遅延回路４５から入力された駆動信号を、超音波アレイ切替回路４１に出力可能な接続状態に切り替わる。一方、受発信切替回路４２は、超音波モード切替制御部４３から超音波受信モードに切り替える旨の制御信号が入力された場合、超音波アレイ切替回路４１から入力される受信信号を受信計測部４６に出力可能な接続状態に切り替わる。
【００３４】
超音波モード切替制御部４３は、超音波アレイ１１から超音波を発信させる超音波発信モードと、超音波アレイ１１にて超音波を受信させる超音波受信モードとを切り替える。
具体的には、超音波モード切替制御部４３は、測定制御部４９から血管の径の測定を開始する旨の制御信号が入力されると、まず、超音波発信モードに切り替える処理を実施する。この処理では、超音波モード切替制御部４３は、受発信切替回路４２に、発信モードに切り替える旨の制御信号を出力し、超音波信号発信回路４４から駆動信号を出力させる旨の制御信号を出力する。
また、超音波モード切替制御部４３は、図示しない計時部（タイマー）により計測される時間を認識し、超音波発信モードから所定の発信時間経過後に、超音波受信モードに切り替える処理を実施する。ここで発信時間は、超音波アレイ１１から例えば１〜２周波数のバースト波が発信される時間程度に設定されていればよい。受信モードでは、超音波モード切替制御部４３は、受発信切替回路４２に受信モードに切り替える旨の制御信号を出力して、受発信切替回路４２を、超音波アレイ１１から入力される受信信号を受信計測部４６に入力可能な接続状態にスイッチングさせる。
なお、超音波モード切替制御部４３は、上記処理を例えば予め設定された回数実施する。この回数は、超音波の発信角度の設定数により適宜設定される回数であり、例えば、図５に示すように、超音波の発信角度を５段階に切り替えて血管の中心位置を推定する場合、５回上記の処理を繰り返す。
【００３５】
超音波信号発信回路４４は、発信モードにおいて、超音波モード切替制御部４３から駆動信号を出力させる旨の制御信号が入力されると、超音波アレイ１１の超音波素子１２を駆動させるための駆動信号（駆動電圧）を信号遅延回路４５に出力する。
【００３６】
信号遅延回路４５は、超音波信号発信回路４４から、各超音波素子１２に対する駆動信号が入力されると、その駆動信号を遅延させて受発信切替回路４２に出力する。
ここで、信号遅延回路４５は、遅延時間計算部４７から入力される遅延設定信号に基づいて、各超音波素子１２を駆動させるための駆動信号を△ｔずつ遅延させた遅延済駆動信号を受発信切替回路４２に出力する。
【００３７】
図７は、超音波アレイ１１から発信された超音波の反射波を示す図である。
図８は、各超音波アレイ１１から血管の中心位置を通る超音波を模式的に示す図である。
受信計測部４６は、計時部にて計測される時間を監視し、超音波が受信されまでの時間を計測する。
具体的には、受信計測部４６は、超音波モード切替制御部４３が発信モードに切り替える処理を実施したタイミング、すなわち、超音波モード切替制御部４３により計時部でカウントされる時間がリセットされてからの時間を監視する。そして、受信計測部４６は、超音波モード切替制御部４３が受信モードに切り替える処理を実施し、超音波アレイ１１で受信された反射超音波に応じた受信信号が受発信切替回路４２から受信計測部４６に入力されると、その入力されたタイミングでの時間（ＴＯＦデータ：Time Of Flightデータ）を取得し、ＴＯＦデータを測定制御部４９に入力する。
【００３８】
受信計測部４６は、２つの超音波アレイ１１から発信角度毎（例えば、図５に示す発信角度θ１〜θ５）に発信されて血管で反射した反射波の受信信号のうち、入力が最後に終了した受信信号の２つのＴＯＦデータを取得する。この受信計測部４６への入力が最後に終了した受信信号は、超音波アレイ１１から最も遠い反射位置での反射波の受信信号である。
また、受信計測部４６は、図７に示すように、この受信信号における発信角度で発信された超音波の反射波の第１波（本発明に係る第１反射波）の受信信号が入力された時点ｔ１（本発明に係る第１到達時間）、及び反射波の第３波（本発明に係る第２反射波）の受信信号が入力された時点ｔ３（本発明に係る第２到達時間）のＴＯＦデータを取得する。加えて、後述する中心位置推定部４９１で算出される残りの超音波アレイ１１からの発信角度θｓに基づいて発信された超音波の反射波の第１波及び第３波のＴＯＦデータを取得する。
【００３９】
ここで、受信計測部４６は、受信信号を受信するパターンとしては、図７に示す波形１〜波形４のパターンがある。図７では、図示の都合上、血管が円形状となっているものを示している。
例えば、波形１では、血管の内壁及び外壁での反射波が理想的に取得できているのに対し、波形２では、血管が収縮するなどにより楕円形状等に変形したことが原因で、第３波と第４波とが連続した反射波となっている。また、波形３では、血管の肉厚部分が極めて薄いことなどが原因で、第１波及び第２波が連続し、第３波及び第４波が連続した反射波となっている。波形４では、波形２や波形３の場合に比べて血管がかなり収縮し、血管の肉厚部分が極めて薄くなっていることが原因で、第１波から第４波が連続した反射波となっている。
このため、受信計測部４６は、特に、波形１及び波形２のパターンにおいて、第３波の受信信号を第２波及び第４波の受信信号と区別して受信する必要がある。そこで、第３波の反射波の受信信号が入力された時点ｔ３が以下の式（２）の所定時間Ｔの範囲内の条件を満たしていれば、第２波及び第４波の受信信号を受信することがなく、第３波の受信信号のみを受信することが可能となる。
【００４０】
【数２】
【００４１】
ここで、Ｒは血管の外径、ｃは音速である。また、Ｌは血管の肉厚寸法であり、血管の内径をｒとすると、Ｌ＝（Ｒ−ｒ）／２で求められる。一般的に、内径ｒは１（ｍｍ）、外径Ｒは３（ｍｍ）であるため、肉厚寸法Ｌは１（ｍｍ）である。そして、音速ｃは１５３０（ｍ／ｓ）であるので、これらを上述の式（２）へ代入すると、１３００（ｎs）＜Ｔ＜３９２０（ｎs）の関係が成り立つ。
【００４２】
また、受信計測部４６は、図７に示す第１波の受信信号を受信してから、第３波の受信信号までの間に未振幅期間が１つあるか否かを検出する。すなわち、受信計測部４６は、第１波の受信信号を受信して、第３波の受信信号を受信するまで間における未振幅期間の有無を検出して、未振幅期間が少なくとも１つあればノイズ等の影響が無いと判断する。一方、受信計測部４６は、未振幅期間が無い場合には、ノイズ等の影響が有る判断して、測定制御部４９に再測定信号を入力し、測定制御部４９から超音波モード切替制御部４３に制御信号を入力させる。
例えば、図７の波形１のパターンでは、第１波の受信信号を受信してから未振幅期間を経て第２波、さらに未振幅期間を経て第３波、さらに未振幅期間を経て第４波の受信信号を受信するので、未振幅期間が３箇所ある。また、図７の波形２のパターンでは、第１波の受信信号を受信してから未振幅期間を経て第２波、さらに未振幅期間を経て第３波の受信信号を受信するので、未振幅期間が２箇所ある。図７の波形３のパターンでは、第１波の受信信号を受信してから未振幅期間を経て第３波の受信信号を受信するので、未振幅期間が１箇所ある。ところが、図７の波形４のパターンでは、第１波の受信信号を受信してから、反射波が連続しており、受信信号を受信し続けるため、未振幅期間が存在せず、ノイズの影響が有ると判断する。
【００４３】
遅延時間計算部４７は、測定制御部４９から入力される発信角度データに基づいて、各超音波素子１２の駆動遅延時間を算出する。
ここで、この発信角度データは、記憶部４８に予め記憶されているデータであり、例えば、本実施形態では、図５に示すように、θｓ＝θ１〜θ５の５つの発信角度データが予め記憶されている構成を例示する。なお、６個以上の発信角度データが記憶され、より細かく発信角度を変化可能な構成などとしてもよい。
そして、遅延時間計算部４７は、入力された発信角度データθｓと、予め設定されている超音波素子１２の素子ピッチｄと、音速ｃとを用いて、上記式（１）に基づいて、遅延時間△ｔを算出し、遅延設定信号として信号遅延回路４５に出力する。
【００４４】
記憶部４８は、例えばメモリーやハードディスクなどの記録媒体を備えて構成され、受信計測部４６や遅延時間計算部４７や測定制御部４９での処理に必要な各種データ及びプログラムを適宜読み出し可能に記憶する。
具体的には、各種データとして、プローブ２３における超音波アレイ１１の位置データ、発信角度データθｓ、ＴＯＦデータなどが挙げられる。また、各種プログラムとして、詳しくは後述するが、測定制御部４９にて実行され、ＴＯＦデータに基づいて血管の中心位置を推定する中心位置推定プログラム、ＴＯＦデータに基づいて血管の反射位置の６点の座標位置を算出する反射位置座標算出プログラム、反射位置の３点の座標位置から血管の外径及び血管の中心座標を算出する外径算出プログラム、反射位置の３点の座標位置から血管の内径及び血管の中心座標を算出する内径算出プログラム、２つの血管の中心座標を比較して警告を報知する警告出力プログラムなどが挙げられる。
【００４５】
図９は、測定制御部４９の概略構成を示すブロック図である。
測定制御部４９は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えて構成され、記憶部４８に記憶されたプログラムを実行する。すなわち、測定制御部４９は、記憶部４８に記憶されたプログラム及びデータを処理することにより、各種機能を実現する。このような測定制御部４９は、血管の径を測定する際には、当該プログラムを処理することにより、図９に示すように、中心位置推定部４９１、反射位置座標算出部４９２と、外径算出部４９３と、内径算出部４９４と、警告出力部４９５とを機能として実現する。
【００４６】
中心位置推定部４９１は、入力された超音波アレイ１１から最も遠い反射位置での反射波の２つのＴＯＦデータ、及び最も近い反射位置での反射波の２つのＴＯＦデータに基づいて、発信角度データθｓを参照して、血管の中心位置を推定し、これを中心推定位置とする。
そして、中心位置推定部４９１は、既に駆動された２つの超音波アレイ１１以外の残りの超音波アレイ１１から中心推定位置に対して、超音波を発信するように発信角度θｓを算出して、この発信角度データθｓを遅延時間計算部４７に入力する。
【００４７】
反射位置座標算出部４９２は、入力された第１波及び第３波のＴＯＦデータに基づいて、超音波アレイ１１から反射位置の６点（図８のＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２）までの距離を算出する。そして、記憶部４８に記憶された発信角度データに基づいて、超音波アレイ１１Ｂの位置を原点とし、超音波アレイ１１の配設間隔をＰとして、６点の座標位置を以下の式（３）〜（８）を用いて算出する。
【００４８】
【数３】
【００４９】
外径算出部４９３は、６点の反射位置のうち、Ａ１，Ｂ１，Ｃ１の座標位置に基づいて、以下の式（９）を用いて血管の外径Ｒを算出するとともに、中心座標Ｏ（ｘ，ｙ）を算出する。
【００５０】
【数４】
【００５１】
内径算出部４９４は、６点の反射位置のうち、Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の座標位置に基づいて、以下の式（１０）を用いて血管の内径ｒを算出するとともに、中心座標Ｏ（ｘ，ｙ）を算出する。
【００５２】
【数５】
【００５３】
警告出力部４９５は、外径算出部４９３及び内径算出部４９４で算出された２つの中心座標のずれ量を所定の閾値と比較する。そして、警告出力部４９５は、ずれ量が閾値を超えている場合には利用者にプローブ２３を再度、検査対象位置に付け直す旨の警告を装置本体２の図示しない表示部に報知する。
また、警告出力部４９５は、外径算出部４９３及び内径算出部４９４で算出された２つの中心座標と、中心位置推定部４９１で推定された血管の中心推定位置とのずれ量を比較する。そして、ずれ量が閾値を超えている場合には、利用者にプローブ２３を再度、検査対象位置に付け直す旨の警告を装置本体２の図示しない表示部に報知する。
【００５４】
［３．血管径測定装置の測定処理］
次に、血管径測定装置１の測定処理について、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、血管径測定装置１のプローブ２３を生体の例えば腕等の検査対象位置に密着させて、バンドを締め付けて装置本体２を検査対象位置に固定する。
そして、利用者が図示しない操作部を操作することで入力信号が入力されると、血管径測定装置１は、血管の径の測定を開始する。
【００５５】
次に、測定制御部４９は、２つの超音波アレイ１１を駆動可能に切り替える処理を実施する。ここでは、測定制御部４９は、２つの超音波アレイ１１を駆動可能に切り替える旨の切替制御信号を超音波アレイ切替回路４１に出力する。
【００５６】
そして、測定制御部４９は、超音波発信モードにおける各種処理を実施する（ステップＳ１）。
この超音波発信モードでは、測定制御部４９は、記憶部４８から発信角度データθｓを読み込み、遅延時間計算部４７に出力する。ここでは、まず、発信角度データθ１を読み込み、遅延時間計算部４７に出力する。これにより、遅延時間計算部４７は、式（１）に基づいて、遅延時間△ｔを算出し、遅延設定信号として信号遅延回路４５に出力する。
【００５７】
また、測定制御部４９は、超音波モード切替制御部４３に測定制御部４９から超音波発信モードに切り替える旨の制御信号を入力すると、超音波信号発信回路４４は、２つの超音波アレイ１１の各超音波素子１２に出力するための駆動信号（駆動パルス）が信号遅延回路４５に出力される。この信号遅延回路４５では、上記のように、遅延時間計算部４７から遅延設定信号が入力されている。このため、各駆動信号は、遅延設定信号に基づいた遅延時間だけ遅延させて受発信切替回路４２に出力される。
そして、受発信切替回路４２は、信号遅延回路４５から入力される駆動信号を超音波アレイ切替回路４１に出力する。
【００５８】
また、受発信切替回路４２は、上記のように、超音波モード切替制御部４３から入力される制御信号により、信号遅延回路４５から入力される駆動信号を超音波アレイ切替回路４１に出力する状態にスイッチングされている。このため、信号遅延回路４５から出力された遅延済駆動信号は、超音波アレイ切替回路４１を介して、２つの超音波アレイ１１の各超音波素子１２に出力される。
以上により、２つの超音波アレイ１１から、発信角度データθ１に対応した発信角度で超音波が出力される。以上の処理を発信角度データθ２〜θ５についても行うことで、２つの超音波アレイ１１から各発信角度データθ１〜θ５に対応した発信角度で超音波が出力される。
【００５９】
また、受信計測部４６は、超音波モード切替制御部４３が受信モードに切り替える処理を実施し、超音波アレイ１１で受信された反射超音波に応じた受信信号が受発信切替回路４２から受信計測部４６に入力されると、その入力されたタイミングでの時間を取得する。そして、超音波モード切替制御部４３は、例えば１〜２周期のバースト波が出力される時間後に、超音波受信モードの各種処理を実施する（ステップＳ２）。
【００６０】
ステップＳ２の超音波受信モードでは、超音波モード切替制御部４３は、受発信切替回路４２に超音波アレイ切替回路４１から入力される受信信号を受信計測部４６に出力する旨の制御信号を出力する。
これにより、超音波アレイ１１で超音波が受信されて、受信信号が超音波アレイ切替回路４１から受発信切替回路４２に入力されると、この受信信号は受信計測部４６に出力される。
受信計測部４６は、計時部にてカウントされる時間を監視し、超音波が発信されたタイミングから、受信信号が入力されるタイミングまでの時間であるＴＯＦデータを取得し測定制御部４９に出力する。そして、測定制御部４９は、入力されたＴＯＦデータを適宜読み出し可能に記憶部４８に記憶する。
ここでの記憶部４８に記憶されるＴＯＦデータは、上述したように、２つの超音波アレイ１１から発信角度毎（例えば、図５に示す発信角度θ１〜θ５）に発信されて血管で反射した反射波の受信信号のうち、入力が最後に終了した受信信号の２つのＴＯＦデータ、及び最も早く反射した反射波の受信信号の２つのＴＯＦデータである。
【００６１】
次に、測定制御部４９の中心位置推定部４９１は、記憶部４８からＴＯＦデータ等を読み出し、血管の中心位置を推定し、これを中心推定位置とする（ステップＳ３）。そして、中心位置推定部４９１は、既に駆動された２つの超音波アレイ１１以外の残りの超音波アレイ１１から中心推定位置に対して、超音波を発信するように発信角度θｓを算出して、この発信角度データθｓを遅延時間計算部４７に入力する。
この後、残りの超音波アレイ１１は、この算出された発信角度θｓで超音波を発信して、受信計測部４６は、超音波の反射波の第１波及び第３波のＴＯＦデータを取得して、測定制御部４９に入力する。そして、測定制御部４９は、入力されたＴＯＦデータを適宜読み出し可能に記憶部４８に記憶する。
【００６２】
受信計測部４６は、反射波のうち、第１波の受信信号を受信してから、第３波の受信信号までの間に未振幅期間があるか否かを検出する（ステップＳ４）。未振幅期間が少なくとも１つあればノイズ等の影響が無いと判断し、次のステップＳ５の処理を実行する。
一方、受信計測部４６は、未振幅期間が無い場合（受信信号を受信し続けるなどの場合）には、ノイズ等の影響が有る判断して、ステップＳ１に戻り、測定制御部４９は、超音波発信モードにおける各種処理を実施する。なお、ステップＳ１からステップＳ４の処理を所定回数行っても、未振幅期間が無いと判定されれば、測定制御部４９は利用者にプローブ２３を取り付け直す旨のエラーを出力する処理をする。
【００６３】
次に、測定制御部４９の反射位置座標算出部４９２は、反射位置の座標位置を算出する処理を実施する（ステップＳ５）。
反射位置座標算出部４９２は、記憶部４８からＴＯＦデータ等を読み出し、図８に示す６点の反射位置Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２の座標位置を上述の式（３）〜（８）を用いて算出する。
【００６４】
そして、外径算出部４９３は、ステップＳ５で算出した反射位置Ａ１，Ｂ１，Ｃ１の座標位置、及び上述の式（９）を用いて、血管の外径Ｒ及び血管の中心座標Ｏ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ６）。
さらに、内径算出部４９４は、ステップＳ５で算出した反射位置Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の座標位置、及び上述の式（１０）を用いて、血管の内径ｒ及び血管の中心座標Ｏ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ７）。
【００６５】
次に、警告出力部４９５は、ステップＳ６、Ｓ７で算出した各中心座標Ｏのずれ量を所定の閾値と比較する（ステップＳ８）。そして、各中心座標Ｏのずれ量が所定の閾値よりも大きい場合には利用者にプローブ２３を再度、検査対象位置に付け直す旨の警告を報知し（ステップＳ９）、ステップＳ１に戻り再測定を開始する。
一方、各中心座標Ｏのずれ量が所定の閾値より小さい場合には、各中心座標Ｏと推定中心位置とのずれ量を所定の閾値と比較する（ステップＳ１０）。そして、ずれ量が閾値より小さい場合には血管の径の測定処理を終了する。ところが、当該ずれ量が閾値より大きい場合には、警告出力部４９５は、ステップＳ９の警告を報知し、ステップＳ１に戻り再測定を開始する。
【００６６】
［４．本実施形態の作用効果］
本実施形態では、超音波が血管の中心Ｏを通過するように、超音波の発信角度を制御する信号遅延回路４５を備えるので、血管の壁面に対して直交する方向に確実に超音波を発信させることができ、前述した従来のような反射波の強度の低下を防止することができ、確実に反射波を受信できる。
また、超音波の発信後、受信するまでの時間が最短となる第１波から、上記式（２）の所定時間Ｔの範囲内で到達した反射波を第３波として測定する受信計測部４６を備える。すなわち、受信計測部４６を備えることで、第１波の次に血管の内壁で反射する第２波及び第４波を除くことができ、第１波、及び所定時間Ｔの範囲内で受信した第３波を確実に区別して受信することが可能となる。これによれば、第３波の受信信号のＴＯＦデータを正確に取得でき、超音波の血管での反射位置Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の座標を上記式（４）、（６）、（８）を用いて正確に求めることができる。従って、外径算出部４９３及び内径算出部４９４により、上記式（９）、（１０）を用いて、より正確な血管の外径Ｒ、内径ｒ、及び中心座標Ｏを算出できる。
【００６７】
さらに、受信計測部４６は第１波から第３波までの間に未振幅期間が少なくとも１つあるか否かを判定するので、例えば、第１波から第３波が連続しているような反射波を検出することができる。従って、反射波が連続波となっている場合には、再測定することで、第１波の反射位置、及び第３波の反射位置を確実に特定することができ、血管の径の正確な測定をすることができる。
また、外径算出部４９３及び内径算出部４９４により算出した各中心座標Ｏのずれ量を所定の閾値と比較する警告出力部４９５を備え、この警告出力部４９５は、ずれ量が閾値を超えている場合にはプローブ２３を再度取り付け直す旨の警告を出力する。これによれば、利用者がプローブ２３を検査対象位置に再度取り付け直した後に、再測定して、各中心座標Ｏのずれ量が閾値より小さくなることで、より正確な血管の中心座標Ｏを求めることができ、正確な血管の径の測定が可能となる。
さらに、警告出力部４９５は、中心位置推定部４９１により推定された血管の中心推定位置と、外径算出部４９３及び内径算出部４９４で算出された中心座標Ｏとのずれ量を比較し、ずれ量が閾値を超えている場合にはプローブ２３を再度取り付け直す旨の警告を出力する。そして、再測定することで、より正確な血管の中心座標を求めることができ、正確な血管の径の測定が可能となる。
【００６８】
［実施形態の変形］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、２つの超音波アレイ１１からは発信される超音波の２つの反射波に基づいて、血管の中心位置を推定していたが、３つの超音波アレイ１１から発信される超音波の反射波から３つの反射波に基づいて、血管の中心位置を推定してもよい。この場合には、２つの超音波アレイ１１を用いて、血管の中心位置を推定する場合に比べて、中心位置を推定する精度をより向上できる。
【００６９】
前記実施形態では、３つの超音波アレイ１１を用いた血管径測定装置１を例示したが、これに限定されず、４つ以上の超音波アレイ１１を用いてもよい。
前記実施形態では、開口部１０１として平面視円形状のものを例示したが、これに限定されず、ダイアフラム１３の撓みバランスや、圧電体１４によるダイアフラム１３の振動安定性に応じて、例えば矩形状などその他の形状に形成されてもよい。すなわち、ダイアフラム１３の振動時の応力バランスなどを考慮して、超音波素子１２の形状を自由に設計することができる。
【００７０】
前記実施形態では、各超音波アレイ１１は、各超音波素子１２により超音波の発信および受信の双方を実施し、超音波モード切替制御部４３により、超音波発信モードと、超音波受信モードとを切り替える例を示したが、これに限定されず、受信専用の超音波素子及び発信専用の超音波素子を並設する構成としてもよい。
【００７１】
前記実施形態において、遅延時間計算部４７が、測定制御部４９から発信角度データを受け取ることで、各超音波素子１２に入力する駆動信号の遅延時間を演算する装置である例、すなわち、遅延時間計算部４７がハードウェアとして構成される例を示したが、これに限定されない。例えば、記憶部４８に遅延時間計算プログラムが記憶され、測定制御部４９によりこの遅延時間計算プログラムが読み出されて実行されることで、各駆動信号に遅延時間を演算する構成としてもよい。
また、前記実施形態では、中心位置推定部４９１、反射位置座標算出部４９２、外径算出部４９３、内径算出部４９４、及び警告出力部４９５として、測定制御部４９が各種プログラムを読み出し実行することで機能する例を示したが、例えば、中心位置推定部４９１、反射位置座標算出部４９２、外径算出部４９３、内径算出部４９４、及び警告出力部４９５が、例えばＩＣなどの集積回路により、ハードウェアとして構成されるものであってもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１…血管径測定装置、４…制御回路、１１…超音波アレイ、１２…超音波素子、２３…プローブ、４５…信号遅延回路（発信角度制御部）、４６…受信計測部（第１反射波測定部、第２反射波測定部）、４９１…中心位置推定部、４９３…外径算出部、４９４…内径算出部、４９５…警告出力部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体に接触するプローブに設けられた少なくとも３つの超音波アレイと、
前記超音波アレイから超音波が発信されてから前記生体内の血管で反射して前記超音波アレイに到達するまでの到達時間に基づいて前記血管の外径及び内径を算出する制御回路とを備え、
前記超音波アレイは、複数の超音波素子が走査方向に沿って一方向に配設されたライン状アレイ構造を有し、
前記制御回路は、
前記各超音波素子から超音波を発信するタイミングを遅延させることで、前記超音波アレイから発信される超音波が前記血管の中心を通過するように超音波の発信角度を制御する発信角度制御部と、
前記各超音波アレイから発信された超音波が前記血管で反射されて、最も早く前記超音波アレイに到達する第１反射波の第１到達時間を測定する第１反射波測定部と、
前記第１到達時間を基準として設定される所定時間の範囲内に前記超音波アレイに到達した第２反射波の第２到達時間を測定する第２反射波測定部と、
前記各超音波アレイに到達する少なくとも３つの前記第１反射波の前記第１到達時間に基づいて前記血管の外径を算出する外径算出部と、
前記各超音波アレイに到達する少なくとも３つの前記第２反射波の前記第２到達時間に基づいて前記血管の内径を算出する内径算出部とを備える
ことを特徴とする血管径測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の血管径測定装置において、
前記制御回路は、
少なくとも２つの前記超音波アレイから前記発信角度制御部により制御されて超音波の発信角度毎に発信された各超音波のうち、前記血管で反射されて最も遅く前記超音波アレイに到達する少なくとも２つの反射波の最遅到達時間、及び前記最遅到達時間となるように発信された各超音波の各発信角度に基づいて、前記血管の中心位置を推定する中心位置推定部を備える
ことを特徴とする血管径測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の血管径測定装置において、
前記第２反射波測定部は、前記第１反射波から前記第２反射波までの間に反射波の未振幅期間が少なくとも１つあるか否かを判定する
ことを特徴とする血管径測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の血管径測定装置において、
前記外径算出部は、前記第１反射波の前記血管における少なくとも３点の反射位置の座標に基づいて、前記血管の外径を算出するとともに前記血管の中心座標を算出し、
前記内径算出部は、前記第２反射波の前記血管における少なくとも３点の反射位置の座標に基づいて、前記血管の内径を算出するとともに前記血管の中心座標を算出し、
前記制御回路は、前記各中心座標のずれ量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、前記閾値を超えている場合には、警告を出力する警告出力部を備える
ことを特徴とする血管径測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の血管径測定装置において、
前記制御回路は、
少なくとも２つの前記超音波アレイから前記発信角度制御部により制御されて超音波の発信角度毎に発信された各超音波のうち、前記血管で反射されて最も遅く前記超音波アレイに到達する少なくとも２つの反射波の最遅到達時間、及び前記最遅到達時間となるように発信された超音波の発信角度に基づいて、前記血管の中心位置を推定する中心位置推定部と、
前記中心位置推定部で推定された前記血管の中心推定位置と、前記外径算出部及び前記内径算出部で算出される中心座標とのずれ量が前記閾値を超えているか否かを判定し、前記閾値を超えている場合には、警告を出力する警告出力部とを備える
ことを特徴とする血管径測定装置。
【請求項１】
生体に接触するプローブに設けられた少なくとも３つの超音波アレイと、
前記超音波アレイから超音波が発信されてから前記生体内の血管で反射して前記超音波アレイに到達するまでの到達時間に基づいて前記血管の外径及び内径を算出する制御回路とを備え、
前記超音波アレイは、複数の超音波素子が走査方向に沿って一方向に配設されたライン状アレイ構造を有し、
前記制御回路は、
前記各超音波素子から超音波を発信するタイミングを遅延させることで、前記超音波アレイから発信される超音波が前記血管の中心を通過するように超音波の発信角度を制御する発信角度制御部と、
前記各超音波アレイから発信された超音波が前記血管で反射されて、最も早く前記超音波アレイに到達する第１反射波の第１到達時間を測定する第１反射波測定部と、
前記第１到達時間を基準として設定される所定時間の範囲内に前記超音波アレイに到達した第２反射波の第２到達時間を測定する第２反射波測定部と、
前記各超音波アレイに到達する少なくとも３つの前記第１反射波の前記第１到達時間に基づいて前記血管の外径を算出する外径算出部と、
前記各超音波アレイに到達する少なくとも３つの前記第２反射波の前記第２到達時間に基づいて前記血管の内径を算出する内径算出部とを備える
ことを特徴とする血管径測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の血管径測定装置において、
前記制御回路は、
少なくとも２つの前記超音波アレイから前記発信角度制御部により制御されて超音波の発信角度毎に発信された各超音波のうち、前記血管で反射されて最も遅く前記超音波アレイに到達する少なくとも２つの反射波の最遅到達時間、及び前記最遅到達時間となるように発信された各超音波の各発信角度に基づいて、前記血管の中心位置を推定する中心位置推定部を備える
ことを特徴とする血管径測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の血管径測定装置において、
前記第２反射波測定部は、前記第１反射波から前記第２反射波までの間に反射波の未振幅期間が少なくとも１つあるか否かを判定する
ことを特徴とする血管径測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の血管径測定装置において、
前記外径算出部は、前記第１反射波の前記血管における少なくとも３点の反射位置の座標に基づいて、前記血管の外径を算出するとともに前記血管の中心座標を算出し、
前記内径算出部は、前記第２反射波の前記血管における少なくとも３点の反射位置の座標に基づいて、前記血管の内径を算出するとともに前記血管の中心座標を算出し、
前記制御回路は、前記各中心座標のずれ量が所定の閾値を超えているか否かを判定し、前記閾値を超えている場合には、警告を出力する警告出力部を備える
ことを特徴とする血管径測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の血管径測定装置において、
前記制御回路は、
少なくとも２つの前記超音波アレイから前記発信角度制御部により制御されて超音波の発信角度毎に発信された各超音波のうち、前記血管で反射されて最も遅く前記超音波アレイに到達する少なくとも２つの反射波の最遅到達時間、及び前記最遅到達時間となるように発信された超音波の発信角度に基づいて、前記血管の中心位置を推定する中心位置推定部と、
前記中心位置推定部で推定された前記血管の中心推定位置と、前記外径算出部及び前記内径算出部で算出される中心座標とのずれ量が前記閾値を超えているか否かを判定し、前記閾値を超えている場合には、警告を出力する警告出力部とを備える
ことを特徴とする血管径測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−８５７８９（Ｐ２０１２−８５７８９Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３４５５１（Ｐ２０１０−２３４５５１）
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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