(57)【要約】【課題】  手首の動脈部で信憑性のある血管弾性率を簡便に測定できる血管弾性率測定方法及び血管弾性率測定装置を提供する。【解決手段】  超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する超音波検出手段とを備え、平均血圧に相当する外部圧力を血管に加え、手前側の血管壁内外面から反射される超音波と反対側の血管壁内外面から反射される超音波の時間差から血管の内径、外径を算出し、血圧、血管径から血管弾性率を算出する。【選択図】      図７
2006263128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段と、血管を加圧する加圧手段と、血圧を測定する測定手段とを備え、手前側の血管壁内外面から反射される超音波と反対側の血管壁内外面から反射される超音波パルスの時間差から血管内径及び血管外径を算出し血管弾性率を算出する血管弾性率測定方法において、平均血圧に相当する外部圧力で血管を加圧したときの血管変形量から血管弾性率を算出することを特徴とする血管弾性率測定方法。
【請求項２】
超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段と、血管を加圧する加圧手段とを備え、手前側の血管壁内面から反射される超音波と反対側の血管壁内面から反射される超音波の時間差から血管径を算出し血管弾性率を算出する血管弾性率測定方法において、平均血圧Ｐavに相当する圧力を外部より加え、独立に測定して得た拡張期血圧Ｐidのときの血管内側半径adと血管外側半径bｄと、収縮期血圧Ｐisのときの血管内側半径aｓと血管外側半径bｓとから、
【数１】
2006263128.tif 000007
により血管弾性率Ｅを求めることを特徴とする請求項１に記載の血管弾性率測定方法。
【請求項３】
超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段と、血管を加圧する加圧手段と、血圧を測定する測定手段とを備え、手前側の血管壁内外面から反射される超音波と反対側の血管壁内外面から反射される超音波パルスの時間差から血管内径及び血管外径を算出し血管弾性率を算出する血管弾性率測定装置において、平均血圧に相当する外部圧力で血管を加圧したときの血管変形量から血管弾性率を算出する血管弾性率演算部を設けたことを特徴とする血管弾性率測定装置。
【請求項４】
超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段と、血管を加圧する加圧手段とを備え、手前側の血管壁内面から反射される超音波と反対側の血管壁内面から反射される超音波の時間差から血管径を算出し血管弾性率を算出する血管弾性率測定装置において、平均血圧Ｐavに相当する圧力を外部より加え、独立に測定して得た拡張期血圧Ｐidのときの血管内側半径adと血管外側半径bｄと、収縮期血圧Ｐisのときの血管内側半径aｓと血管外側半径bｓとから、
【数２】
2006263128.tif 000008
により血管弾性率Ｅを求める血管弾性率演算部を設けたことを特徴とする請求項３に記載の血管弾性率測定装置。
【請求項５】
超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段とを備え、手前側の血管壁内面から反射される超音波と反対側の血管壁内面から反射される超音波の時間差から血管径を算出し血管弾性率を算出する血管弾性率測定装置において、圧電振動子と皮膚との間に、音響インピーダンスが皮膚に近い厚さ８〜１０ｍｍのポリオレフィン系のゲル状部材を有していることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の血管弾性率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、血管弾性率測定方法及び血管弾性率測定装置に関し、さらに詳しくは、手首の動脈部で血管の弾性率を簡便に測定できる血管弾性率測定方法及び血管弾性率測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
血管特に動脈の弾性率を求めることは動脈硬化の診断や予防に大切なことである。超音波エコー法は非侵襲で生体内部の血管についての情報を得ることができるため、広く使われている。心臓から送り出された動脈血はその時間的に変動する血圧に依存して動脈の血管を拡張，収縮させている。すなわち血管径は血圧に依存する。超音波エコー法により求めた頚動脈の血管径と血圧計により求めた血圧値から血管の弾性率を算出する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。これに従えば、拡張期血圧Ｐidのときの血管内側半径adと血管外側半径bｄと、収縮期血圧Ｐisのときの血管内側半径asと血管外側半径bsとから、
【数３】
2006263128.tif 000003
により血管弾性率Ｅが求められる。
【特許文献１】特開２００２−２０９８５７号公報（第３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来技術における測定方法は血管に外部圧力が加えられていない場合であって、このときの血管の断面形状は円形である。しかしながら、実際には超音波探触子を頸部に押し当てた場合、外部圧力を０にすることは困難で、血管の変形は避けられない。したがって、血管の半径変化を測定しようとするとき、つぶれた血管が内部圧力により真円になろうとするときの血管壁の変位まで検出してしまうことになり、大きな誤差原因となる。また、通常の血圧の範囲である５０ｍｍHg〜１４０ｍｍHgでは頚動脈血管径の変化量は１００〜３００μｍ程度と小さい。したがってこの変化量を検出するためには超音波の距離分解能として２０μｍ程度が必要となる。ところが、分解能をあげるためには超音波探触子の共振周波数を高くする必要があるが、共振周波数を高くすると生体組織中での超音波の減衰が大きくなることが知られている。したがって、あまり超音波探触子の共振周波数を高くできない。したがって、容易に構成し得る超音波エコー装置で２０μｍ程度の分解能を得るのは困難であり、距離分解能を２０μｍ程度にしようとすると高価な超音波エコー装置が必要となる。ところで、測定部位としては頚動脈より手首の橈骨動脈が簡便であり好ましい。通常、橈骨動脈は直径が２〜４ｍｍである。血圧と血管径の関係は知られていて、収縮期血圧と拡張期血圧に対応する血管径の差は５０〜１００μｍであり、前記の頚動脈の血圧に対する血管径変化量よりさらに小さい。したがって、従来の方法では橈骨動脈を対象として血管弾性率を測定することは極めて困難であった。
【０００４】
（発明の目的）
本発明の目的は、手首の橈骨動脈を対象として、簡便な方法で正確に血管弾性率を測定できる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の血管弾性率測定方法及び血管弾性率測定装置では下記記載の手段を採用する。
超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段と、血管を加圧する加圧手段と、血圧を測定する測定手段とを備え、手前側の血管壁内外面から反射される超音波と反対側の血管壁内外面から反射される超音波の時間差から血管内径及び外径を算出し血管弾性率を算出する血管弾性率測定方法において、平均血圧に相当する外部圧力で血管を加圧したときの血管変形量から血管弾性率を算出することを特徴とする。
【０００６】
また、超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段と、血管を加圧する加圧手段とを備え、手前側の血管壁内面から反射される超音波と反対側の血管壁内面から反射される超音波の時間差から血管径を算出し血管弾性率を算出する血管弾性率測定方法において、平均血圧Ｐavに相当する圧力を外部より加え、独立に測定して得た拡張期血圧Ｐidのときの血管内側半径adと血管外側半径bｄと、収縮期血圧Ｐisのときの血管内側半径aｓと血管外側半径bｓとから、
【数４】
2006263128.tif 000004
により血管弾性率Ｅを求めることを特徴とする。
【０００７】
また、超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段と、血管を加圧する加圧手段と、血圧を測定する測定手段とを備え、手前側の血管壁内外面から反射される超音波と反対側の血管壁内外面から反射される超音波の時間差から血管内径及び外径を算出し血管弾性率を算出する血管弾性率測定装置において、平均血圧に相当する外部圧力で血管を加圧したときの血管変形量から血管弾性率を算出する血管弾性率演算部を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段と、血管を加圧する加圧手段とを備え、手前側の血管壁内面から反射される超音波と反対側の血管壁内面から反射される超音波の時間差から血管径を算出し血管弾性率を算出する血管弾性率測定装置において、平均血圧Ｐavに相当する圧力を外部より加え、独立に測定して得た拡張期血圧Ｐidのときの血管内側半径adと血管外側半径bｄと、収縮期血圧Ｐisのときの血管内側半径aｓと血管外側半径bｓとから、
【数５】
2006263128.tif 000005
により血管弾性率Ｅを求める血管弾性率演算部を設けたことを特徴とする。
【０００９】
また、超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段とを備え、手前側の血管壁内面から反射される超音波と反対側の血管壁内面から反射される超音波の時間差から血管径を算出し血管弾性率を算出する血管弾性率測定装置において、圧電振動子と皮膚との間に、音響インピーダンスが皮膚に近い厚さ８〜１０ｍｍのポリオレフィン系のゲル状部材を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の血管弾性率測定方法装置および血管弾性率測定装置によれば、従来の血管弾性率よりも信憑性のある血管弾性率を、簡便に正確かつ非侵襲的に測定可能となる。したがって、在宅でも容易に血管弾性率の測定が可能となるため、病院に行くことなしに、コレステロールの管理や生活習慣の改善の効果を知ることが出来る。したがって、医療費の削減に寄与することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は血圧と血管径及び血管の弾性率の関係に基づき、血管径と血圧を測定し、血管の弾性率を求めるものである。以下、本発明の原理を説明する。
外部圧力を加えたときの血管の変形は一般に管法則として知られていて、外部圧力と単位長当りの血管内容積の関係が図４に示されるような曲線となる。血圧の変動が圧脈波の内部圧力として与えられると、血管は変形し、血管容積脈波として検出される。平均血圧と外部圧力が一致するとき容積脈波の振幅が最大となる。このとき血管壁は外部圧力０のときと比べて著しく大きく変位する。血圧に対して変化量の大きいこの血管変位すなわち短軸方向の血管径を測定する。平均血圧は収縮期血圧と拡張期血圧から以下に示す計算式にしたがって求める。
【００１２】
まず、図１に示すように、中空円筒状弾性体の内側半径をａ、外側半径をｂ、内側圧力をＰｉ、外側圧力をＰｏとして、中空円筒状弾性体の内部の半径ｒの点における径方向応力σｒｒ、周方向応力σφφを、弾性力学により求めると、図１の式（１）、式（２）で表される形となる。ヤング率をＥ、ポアソン比をλとするとき径方向応力σｒｒ、周方向応力σφφによる周方向変形εφφは、弾性力学によれば図１の式（３）で表される。ここで、図２に示すように、拡張期血圧Ｐidのときの血管内側半径をaｄ、血管外側半径をbｄとし、ｒ＝bｄとし、血管外側の圧力Ｐ＝Ｐavとすれば、前述の式（１）、式（２）から図２の式（４）、（５）が導かれる。また、収縮期血圧Ｐisのときの血管内側半径をasとし、血管外側半径をbｓとし、ｒ＝bｓとし、血管外側の圧力Ｐ＝Ｐavとすれば、前述の式（１）、（２）から図２の式（６）（７）が導かれる。
【００１３】
よって、拡張期血圧Ｐidの時のｒ＝bｄでの周方向変形εφφd(bｄ）は、前述の式（３）、（４）、（５）から図２の式（８）となる。また、収縮期血圧Ｐisの時のｒ＝bsでの
周方向変形εφφs(bs）は、前述の式（３）、（６）、（７）ら図２の式（９）となる。
【００１４】
拡張期の血圧Ｐidの時と収縮期の血圧Ｐisの時の周方向変形の差εφφs(bs）−  εφφd(bｄ）は、周長２πbsと周長２πbｄの差を平均周長（bs＋bｄ）／２で規格化したものだから、図３の式（１０）なる。
【００１５】
図２の式（８）、（９）、（１０）から図３に示す式（１２）、すなわち血管弾性率Ｅの計算式が得られる。
【００１６】
よって、上記血管弾性率測定方法では、血圧計で血圧を測定し、超音波エコー装置で血管径とを実測することにより、血管弾性率を容易に測定できる。
【実施例】
【００１７】
以上述べた血管弾性率測定方法を用いた血管弾性率測定装置及びその測定方法の具体的実施例を図に基づいて詳述する。図５は、本発明の最適な実施の形態を説明する図である。図６は、超音波エコーセンシングユニット１００の構造を示す図である。図７は、本発明の実施の形態に係る電子回路構成を示すブロック図である。
【００１８】
図５に示すように、本実施例における血管弾性率測定装置は、超音波を入射する超音波入射手段と、血管壁から反射される超音波を検出する検出手段及び前記超音波入射手段と超音波検出手段からなる超音波エコーセンシングユニット１００を生体組織に対して押圧する加圧手段としての加圧ユニット５０とからなっている。
【００１９】
図６の超音波エコーセンシングユニット１００は、超音波トランスデューサ１１０、圧力センサ１０１、加圧力伝達袋１０３、結合ゲル部材１２０が設けられている。また、図５に示すように、加圧ユニット５０では図示していないが本体に内臓された空気ポンプを用いてパイプ１０７を通して蛇腹１０６内に空気を送り、超音波エコーセンシングユニット１００を手首部の皮膚に対して加圧できるようにしてある。
【００２０】
本発明で用いる超音波エコー法では、超音波の距離分解能を上げるため、まず、送信部でパルス幅１００ｎｓ程度の電気パルスを発信周波数５０Ｈｚ、すなわち発信間隔２０ｍｓ間隔で生成し、この電気パルスを超音波トランスデューサ１１０に送り、極めて時間的に短い幅の超音波パルスを発生させる。超音波トランスデューサ１１０はPVDF（ポリフッ化ビニリデン）薄膜の圧電振動子とバッキング材として背面に接合された厚さ２００μｍの銅板からなる。電気パルス幅１００ｎｓに対して共振周波数１０ＭＨｚとなるようにするために、PVDF薄膜の厚さは、２０μｍ〜３０μｍが好適である。また、バッキング材により背面への超音波が前面側へ反射されパルス幅の短かい超音波パルスが効率的に発生される。橈骨動脈２１の超音波エコー測定には超音波トランスデューサ１１０の直径は４〜５ｍｍが好適である。
【００２１】
生体の音響インピーダンスは超音波トランスデューサ１１０のPVDF薄膜と同程度であるから、生体と直接接触させても超音波エネルギーは生体内に効率的に入射されるが、通常圧電振動子の保護膜等が不要な多重反射を引き起こし、、Ｓ／Ｎを低下させる。本発明では、圧電振動子と皮膚との結合には音響インピーダンスのマッチングを行うため、音響インピーダンスが皮膚組織に近い厚さ８ｍｍのポリオレフィン系の結合ゲル部材１２０を挿入し、実質８ｍｍの区間で透明で無反射の領域を得ている。また、ゲル部材は適度の粘着性を有するため、皮膚表面の凹凸による超音波の散乱をなくし、Ｓ／Ｎを向上させていると同時に、通常用いられている液体状のゲル部材を必要とせず、利便性が著しく向上した。
【００２２】
この結合ゲル部材１２０の厚さ８ｍｍと一般的な血管の皮膚からの深さを考慮すると超音波トランスデューサ１１０の入射面の曲率は１／１３（１／ｍｍ）が好適である。
【００２３】
このようにして超音波トランスデューサ１１０から発信された超音波パルスは検査対象中を伝わり、音響インピーダンスの異なる血管の外面と内面でそれぞれ反射される。また、血管の手前側と反対側でも反射される。反射された超音波パルスは、超音波トランスデューサ１１０に入射され電気信号に変換され、合計４つの反射波が電気パルスとして検出される。超音波は弾性波で、生体組織中では３５℃で約１５２０ｍ／ｓ程度である。したがって、距離１ｍｍを時間に換算するとおおよそ７００ｎｓとなる。反射波の時間のずれを距離に換算する。なお、血管壁の厚さは１００〜２００μｍであり、血管壁の外面と内面の反射波の時間差は１２０〜２４０ｎｓとなる。
【００２４】
次に、実際に行う操作手順について説明する。まず、一般の血圧計で上腕動脈における、最高血圧Ｐis、最低血圧Pid、平均血圧Ｐavを決定する。
【００２５】
次に、図５、図７に示すように手首の橈骨動脈１１０の部分を圧力センサ１０１の値が平均血圧Ｐavを示す値まで空圧を用いた加圧部５０により超音波エコーセンシングユニット１００を押圧していく。圧力センサ１０１の値が平均血圧Ｐavを示したら、加圧を停止し、この状態で、超音波トランスデューサ１１０で合計４つの電気パルスとして超音波エコー信号を受信する。
【００２６】
この電気信号（超音波エコー信号）はプリアンプ２０１で増幅された後、フィルタ２０２で共振周波数１０MHｚの高周波のみ通し、ノイズ成分が除かれ、検波された信号成分のみが出力される。超音波パルスの発信タイミングに同期したトリガ信号に対して結合ゲル部材１２０を超音波の往復に要する時間だけ遅らせた時間から、ＡＤコンバータ２０３による前記信号成分のＡＤ変換が開始されメモリーに記憶される。ＡＤコンバータ２０３のサンプリング周波数は２００ＭＨｚとし、１回の超音波パルスに対するサンプリング時間は２０μｓとする。前記発信周波数は５０Ｈｚであるから、心拍１拍の間にこのサンプリングが概ね３０回から５０回行なわれることになる。５〜７個分の拍動を記録するため、測定時間は５秒間とする。測定終了後、ＣＰＵ２１０はメモリに記録された数値を順次読み出し、超音波の進行方向に対する血管壁の第１壁と第２壁のそれぞれの内壁、外壁からの反射波、すなわち合計４つの反射波の時間のずれを計算し、時間間隔の最大、最小を検出する数値処理を行い、得られた拍動数分だけ平均処理を行い血管内側半径aｄ、血管外側半径bｄ、血管内側半径as、血管外側半径bsとを算出する。
【００２７】
血管弾性率演算部２１３は、平均血圧Pav、拡張期血圧Pid、収縮期血圧Ｐisから次式により血管弾性率Ｅを算出し、表示部２１２に渡す。
【数６】
2006263128.tif 000006
【００２８】
表示部２１２は、演算の結果得られた血管弾性率Ｅを液晶表示器に表示する。
【００２９】
以上の血管弾性率測定装置によれば、従来の血管弾性率Ｅよりも簡便な装置を用いながら容易に血管弾性率Ｅを求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】中空円筒状弾性体の応力と変形を示す説明図である。
【図２】血圧による血管の変形と応力を示す説明図である。
【図３】本発明による血管弾性率を表す式である。
【図４】外部圧力に対する血管変形を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態を説明する図である。
【図６】本発明の超音波トランスデューサの構造を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３１】
２１  橈骨動脈  
２６  橈骨  
５０  加圧部
１００  超音波エコーセンシングユニット
１０１  圧力センサ  
１０３  加圧力伝達袋
１０６  蛇腹
１１０  超音波トランスデューサ  
１２０  結合ゲル部材  
２０１  プリアンプ
２０２  フィルタ
２０３  ADコンバータ
２０４  パルス発生器
２１０  CPU
２１２  表示部
２１３  血管弾性率表示部
【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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