(57)【要約】入射波と反射波とを正確に分離し、個体差による動脈硬化度を精度よく評価できる動脈硬化評価装置を提供する。第１の検出手段１で生体の１箇所において動脈を伝わる脈波を変位信号として検出し、第２の検出手段２で生体の同一箇所において動脈の血流速度を測定する。第２の検出手段で得られた血流速度を変位信号に変換して入射波を得た後、第１の検出手段によって検出された変位信号から入射波を差し引いて反射波を得る。入射波と反射波の振幅強度から生体の血管機能を評価する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の１箇所において動脈を伝わる脈波を検出する第１の検出手段と、
前記生体の動脈の血流速度を測定する第２の検出手段と、
前記第２の検出手段で得られた血流速度に基づいて第１の波形を特定する第１波形特定手段と、
前記第１の検出手段によって検出された脈波から前記第１の波形を差し引いて第２の波形を得る第２波形決定手段と、
前記第１の波形及び第２の波形の振幅強度から動脈硬化度を評価する評価手段と、を備えたことを特徴とする動脈硬化評価装置。
【請求項２】
前記第１の検出手段は前記脈波を変位信号として検出し、
前記第１波形特定手段は、前記第２の検出手段で得られた血流速度を変位信号に変換して、第１の波形として入射波を特定し、
前記第２波形決定手段は、前記第１の検出手段によって検出された変位信号から前記入射波を差し引いて、第２の波形として反射波を得るものである、請求項１に記載の動脈硬化評価装置。
【請求項３】
前記第１波形特定手段は、前記血流速度を血管内圧の時間波形に変換する第１変換手段と、変換された血管内圧の時間波形を複素弾性率を用いて変位信号に変換する第２変換手段とを含むことを特徴とする、請求項２に記載の動脈硬化評価装置。
【請求項４】
前記第１変換手段は、血流速度から血管断面積の時間変化を推定し、血管断面積の時間変化と血管内圧との関係から、血管内圧の時間波形を推定するものである、請求項３に記載の動脈硬化評価装置。
【請求項５】
前記第２変換手段における複素弾性率を表すモデルはVoigtモデルまたは一般化Voigtモデルであることを特徴とする、請求項３又は４に記載の動脈硬化評価装置。
【請求項６】
前記第２の波形を、フィット関数でフィッティングすることにより複数の展開波形に分解する分解手段を更に含むことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の動脈硬化評価装置。
【請求項７】
前記第１の検出手段は、前記脈波を速度信号として検出する圧電トランスデューサを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の動脈硬化評価装置。
【請求項８】
前記第１の検出手段は、前記圧電トランスデューサの検出出力を時間積分する積分器を含むことを特徴とする請求項７に記載の動脈硬化評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は動脈硬化などの血管機能を評価する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現代社会は生活習慣の変化や高齢化に伴い、動脈硬化症に起因する循環器疾患が増加している。しかし、これらに対する早期発見のための医療制度は未確定な状態である。動脈硬化症に対しては血管壁の柔軟さの評価が大変重要であり、現在の診断装置としては、ＭＲＩ，Ｘ線ＣＴによる画像診断や脈波伝播速度法と呼ばれるものが一般的である。しかし、ＭＲＩ，Ｘ線ＣＴは検査費用が高く、日々のモニタリングには不向きである。また、脈波伝播速度法と呼ばれる手法は、血管壁の硬軟に応じて脈波の伝播速度が変化することを利用したものであり、検査が簡便に行えるため医療現場では一般的に用いられている手法であるが、年齢と脈波伝播速度の関係が不明瞭であり、特に予防という観点や個人差を考慮するとその診断精度が低い。【０００３】
特許文献１には、生体の所定部位に装着される脈波検出装置と、この脈波検出装置の下流側に装着され、当該部位を圧迫することにより血流を抑制する圧迫装置とを備え、圧迫装置により血流が抑制されている状態で、脈波検出装置により検出される脈波の進行波成分のピークと反射波成分のピークとに基づいて、動脈硬化度を評価する装置が提案されている。具体的には、第１圧迫袋と第２圧迫袋とを一体に備えたカフを上腕部に装着し、第２圧迫袋によるその装着部位を止血した状態で第１圧迫袋により上腕脈波を検出すると、この上腕脈波は、進行波と第２圧迫袋の装着部位で生じた反射波との合成波となる。反射波は、動脈が硬いほど大きくなり且つ速度が速くなることから、動脈硬化情報算出手段により進行波成分のピークと反射波成分のピークとの時間差および強度比を算出すると、それら時間差および強度比は動脈硬化度によって変化するので、動脈硬化度を評価することができるとされている。【０００４】
特許文献１の場合、進行波と反射波の分離を行う手段として、第２圧迫袋を用いて動脈を止血させ、血流を抑制させた状態で脈波検出を行っている。このような手法を用いると、第１圧迫袋（測定部）と第２圧迫袋（止血部）の２種類の構成が必ず必要であり、２つの装置間の伝播経路を伝わる脈波の時間差から進行波と反射波を分離しているため、２つの装置間の距離ばらつきの影響を受ける。また、第２圧迫袋を用いることによる脈動への影響も考慮されておらず、第２圧迫袋の抑制力によって、その反射波成分の振幅強度は異なってしまう。さらに、皮下脂肪などは個人差があるため、その圧迫力の制御なども難しく、個体差を識別するための手法として不十分である。
【特許文献１】特開２００４−１１３５９３号公報
【非特許文献１】北脇知己，他「一次元数値計算モデルを用いた生体循環器系における上腕動脈圧脈波波形解析」第１８回数値流体力学シンポジウム，Ｃ２−１，２００４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、入射波と反射波とを正確に分離し、個体差による動脈硬化度を精度よく評価できる動脈硬化評価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】
前記目的を達成するため、本発明は、生体の１箇所において動脈を伝わる脈波を検出する第１の検出手段と、前記生体の動脈の血流速度を測定する第２の検出手段と、前記第２の検出手段で得られた血流速度に基づいて第１の波形を特定する第１波形特定手段と、前記第１の検出手段によって検出された脈波から前記第１の波形を差し引いて第２の波形を得る第２波形決定手段と、前記第１の波形及び第２の波形の振幅強度から動脈硬化度を評価する評価手段と、を備えたことを特徴とする動脈硬化評価装置を提供する。【０００７】
脈波は、血管内を伝搬する圧力波が体表に変位として現れたものである。この変位は心臓の血流駆出により生じた前進波による入射波成分と、それが血管を伝搬し末梢で反射されて生じた反射波成分から成る（以下、各成分を入射波，反射波と呼ぶ）。反射波は末梢まで伝搬しているので、血管壁の粘弾性特性に強く依存し、血管壁の硬化により著しく変化する。したがって、入射波と反射波を分離し、反射波の評価を行えば、血管の硬化状態の判定が可能になると考えられる。【０００８】
本発明では、まず第１の検出手段で生体の１箇所において動脈を伝わる脈波を検出する。例えば、脈波を変位信号として検出する。この検出手段としては、変位出力の公知の脈波センサを用いてもよいし、圧電トランスデューサを用いてもよい。速度出力の圧電トランスデューサの場合には、出力を時間積分することで、変位信号を得ることができる。なお、圧電トランスデューサは脈波を速度信号及び変位信号のいずれでも検出することができるが、速度信号として検出する方が好ましい。脈波のような皮膚表面の微小な変位を測定するには、測定変位を増幅する必要がある一方で、皮膚表面は安静状態であっても測定時の呼吸、体のゆらぎ等により細かいノイズが発生しやすい。脈波を速度信号として検出することで、ノイズに強く、ＤＣ的なゆらぎをカットすることができるため、測定誤差が生じにくいという利点がある。このようにして検出された脈波は、入射波と反射波とを含む合成波である。【０００９】
一方、第２の検出手段で、生体の動脈の血流速度を測定する。この動脈は、第１の検出手段で脈波を検出する動脈と同じ方が好ましいが、必ずしも第１の検出手段で脈波を検出する動脈と同じでなくてもよい。血流速度は、例えば超音波診断装置のドップラー機能を用いて測定できる。なお、第１の検出手段と第２の検出手段の測定箇所は同一位置である必要はなく、動脈を流れる同じ血流を測定できれば、多少の位置の違いがあってもよい。次に、測定された血流速度を、例えば変位信号に変換し、入射波として推定する。変換にあたって、まず血流速度から内圧波形（血管内圧の時間波形）に変換する。内圧波形への変換は、非特許文献１などから公知である一次元流体モデルの連続の式と運動方程式等を用いて算出することができる。次に、変換された内圧波形を複素弾性率を用いて皮膚表面の変位信号に変換する。複素弾性率を表すモデルとしては、例えばVoigt モデルや一般化Voigt モデルを用いることができる。このように変換された変位信号は、実際の被験者の心臓の血流駆出により生じた脈波のうちの入射波を表すと考えられる。その理由は、動脈において、血流は心臓から動脈の末梢に至るまでほぼ一方向に流れる。この一方向に流れる血流から得られる変位情報が、血流と同じく心臓から発生する脈波の入射波成分の変位情報と近似すると考えられるからである。入射波は、脈波のうち最も大きな振幅強度を有する最初の波形であり、これを第１の波形と呼ぶ。【００１０】
入射波と反射波とを含む脈波（合成波）は、第１の検出手段によって検出されているので、この合成波から第１の波形（入射波）を差し引いて第２の波形（反射波）を得る。つまり、合成波と入射波との差分により反射波を推定する。なお、入射波と合成波とは異なる検出手段によって検出された波形であるため、差分を取る前に、合成波の最初のピーク波形に対して第１の波形をフィッティングさせるのがよい。以上のようにして推定された第１の波形（入射波）と第２の波形（反射波）との振幅強度（ピーク強度）の比較から血管の動脈硬化度を評価する。例えば、反射波と入射波との振幅強度の差又は比を求め、この差又は比から動脈硬化度を評価することができる。一般に、動脈硬化が進むと、血管の粘弾性が低下し、反射波の振幅強度が高くなる傾向にあるため、反射波と入射波との振幅強度比から動脈硬化度を評価することができる。なお、入射波をフィッティングする際に入射波の振幅を規格化しておけば、フィッティング後に得られた反射波の振幅は入射波の振幅に対する比となっているので、反射波の振幅を基準値と比較することで、動脈硬化度を容易に評価できる。【００１１】
第２の波形を、フィット関数でフィッティングすることにより複数の展開波形に分解する分解手段を更に含んでもよい。フィット関数としては、公知の非線形フィット関数、例えばExponential Gaussian関数、Gauss関数、Voigt関数、Log-Normal関数、ローレンツ関数等、波形形状に応じて任意の関数を使用することができる。反射波と推定される第２の波形を複数の波形に分解することにより、動脈の硬化度情報をより詳細に把握できる。【００１２】
第１の検出手段としては、脈波を検出できるものであれば何でもよいが、例えば圧電トランスデューサを使用することができる。圧電トランスデューサは、医療用脈波センサに比べて小型で安価な検出器であり、人体の皮膚表面に接触させるだけで脈波を検出できるので、無傷、無痛で検出できる。また、従来のような脈波計のように脈圧を測定するのではなく、脈波の振動（変位情報）を直接測定するので、より簡単かつ正確に脈波を測定することができる。一方、第２の検出手段としては、血流速度を測定できるものであればよく、超音波診断装置に限るものではない。
【発明の好ましい実施の形態の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、第１の検出手段で脈波（合成波）を検出し、第２の検出手段で測定した血流速度から入射波（第１の波形）を推定し、第１の検出手段で検出した脈波から入射波を差し引いて反射波（第２の波形）を得るようにしたので、従来のように測定ばらつきの影響を受けることなく、入射波と反射波とを正確に分離測定することができる。このように分離された入射波と反射波との振幅強度から血管機能を評価することで、個体差による動脈硬化度を精度よく評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る動脈硬化評価装置の第１実施例のシステム図である。
【図２】圧電トランスデューサの一例の概略構造図である。
【図３】本発明に係る評価装置の内部回路図である。
【図４】超音波診断装置で得られた２０代の被験者と６０代の被験者の頸動脈における血流速度波形図である。
【図５】図４の血流波形を変換して得られた２０代の被験者と６０代の被験者の内圧波形図である。
【図６】図５の内圧波形を 一般化Voigtモデルを用いて変換した皮膚表面の変位信号（入射波）の波形図である。
【図７】脈波検出器によって得られた被験者の頸動脈における脈波波形図である。
【図８】図７に示す脈波波形から、入射波と反射波とを分離した結果を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。
【００１６】
−第１実施例−
図１は、本発明に係る動脈硬化評価方法の一例を示す。この実施例は、人体の頸部動脈の脈波と血流速度とを測定することによって、動脈硬化を評価する例である。被験者Ｈの頸部に圧電トランスデューサ１を接触させると共に、それと同時又はその前／後に超音波診断装置(TOSHIBA Aplio SSA-700A)２の浅部組織用プローブ(PLT-1204AT 中心周波数12MHz)３を被験者Ｈの頸部の同じ箇所に接触させる。超音波診断装置２はドップラー機能により被験者Ｈの動脈の血流波形の画像及び血流速度情報を得るものであり、その画像信号は配線を介して動脈硬化診断装置４に送られる。圧電トランスデューサ１は動脈を伝わる脈波を速度信号に変換する一種の音響センサである。圧電トランスデューサ１は配線を介して動脈硬化評価装置本体４に接続されている。動脈硬化評価装置本体４には、評価結果を表示する表示部４ａが設けられている。表示部４ａには、被験者の動脈硬化度が数値、記号、グラフなどによって表示される。測定箇所は頸部に限るものではなく、同じ動脈の脈波と血流速度とを測定できる部位であれば、手首や足首、大腿部など如何なる部位でもよい。心臓の拍動の電気的な波形を測定する心電計の出力信号を動脈硬化評価装置本体４に接続し、脈波、血流速度波形と心臓の拍動との同期を取ることもできる。
【００１７】
図２は圧電トランスデューサ１の構造の一例を示す。トランスデューサ１は圧電ユニモルフ構造を有し、有底筒状のケース１０の底部１１が振動面として構成され、その底部１１内面に圧電セラミック素子１２が固定されている。底部１１の外表面が被験者Ｈの皮膚に接触される。ケース１０の開口部は封止材１３によって閉じられ、この封止材１３を介してリード線１４が引き出されている。なお、圧電トランスデューサ１は図２の構造に限らないことは勿論である。
【００１８】
図３は動脈硬化評価装置本体４の内部回路構成を示す。圧電トランスデューサ１で検出された脈波（速度信号）は増幅器４０で増幅された後、ブロック４１に入力される。入力された速度信号はブロック４１で時間積分され、変位信号に変換される。この変位信号は、脈波の中の入射波と反射波とを含む合成波である。なお、圧電トランスデューサ１に代えて公知の医療用脈波センサを使用してもよい。
【００１９】
一方、超音波診断装置２で得られた血流速度波形は、動脈硬化評価装置本体４の中のブロック４３に送られる。ブロック４３では、血流速度波形を内圧波形（血管内圧の時間波形）に変換する。内圧波形への変換は、非特許文献１などから公知である一次元流体モデルの連続の式と運動方程式とから算出することができる。具体的には、血流速度から血管断面積の時間変化を推定し、血管断面積の時間変化と血管内圧との関係から、内圧の時間波形を推定している。次に、血管内圧の時間波形はブロック４４に送られ、血管内圧ｐの時間波形を(1),(2)式に示す 一般化Voigtモデルを用いて皮膚表面の変位信号εに変換する。このように変換された変位信号εは、血流波形から推定された体表面の変位であり、被験者Ｈの心臓の血流駆出により生じた脈波のうちの入射波を表すと考えられる。
【００２０】
【数１】
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【数２】
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但し、ずれ弾性定数γ、及びずれ粘性係数ηは被験者の年齢等によって変わるものであり、例えば若年者のγは5.6kPa〜16.0kPa、高齢者のγは14.0kPa〜40.0kPaを用いることができる。また、若年者及び高齢者共にηは230,000Pa・s〜1,100Pa・s を用いることができる。なお、血管内圧を皮膚表面の変位信号に変換するための複素弾性率を表すモデルとして、ここでは一般化Voigtモデルを使用したが、Voigtモデルや他のモデルを使用してもよい。
【００２１】
ブロック４１で得られた変位信号とブロック４４で得られた変位信号とが、ブロック４５へ送られ、ここで差分が計算される。つまり、ブロック４１における変位信号（合成波）からブロック４４における変位信号（入射波）を差し引いて反射波を計算する。ブロック４６では、入射波と反射波の振幅強度を比較する。例えば、反射波のピーク強度と入射波のピーク強度との比を計算する。動脈硬化が進んでいる場合、反射波のピーク強度が相対的に大きくなると考えられるので、ピーク比も大きくなる。比較したピーク強度はブロック４７へ送られ、ここで動脈硬化度が評価又は診断される。
【００２２】
−実験結果−
次に、２人の被験者Ａ，Ｂについて、本評価装置を用いて評価した結果について説明する。ここで、被験者Ａは２０歳代、被験者Ｂは６０歳代の健常男性である。図４の（ａ）,（ｂ）は、超音波診断装置２で得られた被験者Ａ及び被験者Ｂの頸動脈における血流波形である。図５の（ａ）,（ｂ）は、図４の血流波形を変換して得られた被験者Ａ及び被験者Ｂの内圧波形である。図６の（ａ）,（ｂ）は、図５の内圧波形を一般化Voigtモデルを用いて変換した皮膚表面の変位信号（入射波）である。被験者Ａ（２０歳代）と被験者Ｂ（６０歳代）とで、入射波のピーク波形の後部に多少の違いが見られる。
【００２３】
図７の（ａ）,（ｂ）は、圧電トランスデューサ１によって得られた被験者Ａ及び被験者Ｂの頸動脈における脈波波形（速度信号を時間積分して変位に変換したもの）である。両者の波形は大きく異なることがわかる。これら脈波波形は入射波と反射波の合成波である。
【００２４】
図８の（ａ）,（ｂ）は、図７に示す脈波波形から図６で求めた入射波を差し引いて、反射波を分離した結果を示す。反射波を分離するに際し、入射波を脈波波形の最初のピーク波形にフィッティングさせた。なお、６０才代の脈波波形の場合、最大ピークが入射波のピークではないため、波形の立ち上がりから始まって、変極点で入射波のフィッティングを行った。図８では、脈波を入射波と反射波とに分離後、入射波の最大振幅を１として各波形を規格化したため、反射波の振幅強度は入射波に対する振幅強度比となる。必要に応じて、分離した反射波を平滑処理し、ピークを求めやすくしてもよい。図８には、平滑処理前の反射波をドットで表し、平滑処理後の反射波を実線で表してある。
【００２５】
図８から明らかなように、２０代の被験者Ａの場合、（ａ）のように反射波のピーク強度（比）が０．２程度であるのに対し、６０代の被験者Ｂの場合、（ｂ）のように反射波のピーク強度（比）は０．８程度と非常に大きくなっていることがわかる。この結果から、反射波が測定部位に到着するタイミングはほぼ同じであるが、反射波の振幅は若年者より高齢者の方が大きく、特に心臓の収縮後期の振幅に特徴的な差異が確認できた。この要因は、高齢者の血管壁の方が一般的に硬いため、反射波の減衰が少なかったからであると考えられる。反射波／入射波の振幅強度比を数値化し、統計的に評価することにより、動脈硬化度をより精度よく評価することができる。
【００２６】
前記実施例では、第１の検出手段も第２の検出手段も共に変位信号に変換して比較しているが、速度信号で比較することも可能である。すなわち、第１の検出手段が脈波を速度信号として検出する場合、第２の検出手段が検出した血流速度波形から皮膚表面の速度信号（入射波）を推定し、その入射波を脈波にフィッティングすることで、反射波を分離してもよい。また、反射波と入射波との振幅強度比から動脈硬化度を評価する場合に限らず、反射波と入射波とを周波数解析し、周波数解析を応用した振幅の比較によって動脈硬化度を評価することも可能である。例えば、反射波の波形を周波数解析し、特定周波数の振幅を取り出して評価してもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１            圧電トランスデューサ
２            超音波診断装置
３            プローブ
４            動脈硬化評価装置本体
４０          増幅ブロック
４１          積分ブロック
４３          内圧変換ブロック
４４          変位変換ブロック
４５          差分ブロック
４６          振幅強度比較ブロック
４７          評価ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2010024417.tif 000012
【国際調査報告】
2010024417.tif 000013
2010024417.tif 000014