(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
血管内の血流から反射された超音波反射信号から血流速度に関する情報を抽出する抽出部と、抽出された情報に基づいて循環器系の良否を判定する判定部とを有する超音波式血流情報判別装置において、
前記判定部は、前記血流速度の波形に基づいて心臓不整脈の有無を判定し、
前記抽出部は、所定期間内に採取された前記血流速度のピークツーピーク期間にそれぞれ相当する各脈拍周期の変動率を少なくとも判定のための評価関数として採用し、
前記判定部は、前記脈拍周期の変動率が所定しきい値を超える場合に前記心臓不整脈の存在を肯定することを特徴とする超音波式血流情報判別装置。
【請求項２】
血管内の血流から反射された超音波反射信号から血流速度に関する情報を抽出する抽出部と、抽出された情報に基づいて循環器系の良否を判定する判定部とを有する超音波式血流情報判別装置において、
前記判定部は、前記血流速度の波形に基づいて心臓不整脈の有無を判定し、
前記抽出部は、所定期間内に採取された前記血流速度の各ピーク値の変動率を前記判定のための評価関数として採用し、
前記判定部は、前記血流速度のピーク値の変動率が所定しきい値を超える場合に、前記心臓不整脈の存在を肯定することを特徴とする超音波式血流情報判別装置。
【請求項３】
前記抽出部はさらに、前記超音波反射信号から前記血流に含まれる異物の速度に関する情報を抽出し、
前記判定部はさらに、少なくとも前記血流速度に関する情報及び前記異物速度に関する情報に基づいて前記異物の存在の有無を判定する請求項１及び２のいずれかに記載の超音波式血流情報判別装置。
【請求項４】
前記判定部は、前記血流速度に関する情報として血流加速度と、前記異物速度に関する情報としての異物加速度との比率が所定の数値範囲内に存在する時、前記異物が微小栓子に相当すると判定する請求項３記載の超音波式血流情報判別装置。
【請求項５】
血管内の血流から反射された超音波反射信号から血流速度に関する情報を抽出する抽出部と、抽出された情報に基づいて循環器系の良否を判定する判定部とを有する超音波式血流情報判別装置において、
前記判定部は、前記血流速度の波形に基づいて心臓不整脈の有無を判定し、
前記抽出部はさらに、前記超音波反射信号から前記血流に含まれる異物の速度に関する情報を抽出し、
前記判定部はさらに、少なくとも前記血流速度に関する情報及び前記異物速度に関する情報に基づいて前記異物の存在の有無を判定し、
前記判定部は、前記血流速度に関する情報として血流加速度と、前記異物速度に関する情報としての異物加速度との比率が所定の数値範囲内に存在する時、前記異物が微小栓子に相当すると判定することを特徴とする超音波式血流情報判別装置。
【請求項６】
血管内の血流から反射された超音波反射信号から血流速度に関する情報を抽出する抽出部と、抽出された情報に基づいて循環器系の良否を判定する判定部とを有する超音波式血流情報判別装置において、
前記抽出部は、前記超音波反射信号から前記血流の加速度に関する情報と、前記血流内の異物の加速度に関する情報を抽出し、
前記判定部は、前記血流の加速度及び前記異物の加速度に基づいて前記異物の種類を判別することを特徴とする超音波式血流情報判別装置。
【請求項７】
前記抽出部は、前記血流速度のピークツーピーク期間に相当する脈拍周期の初期期間に相当する血流増速期間において、前記血流加速度に関する情報並びに前記異物加速度に関する情報を抽出する請求項６記載の超音波式血流情報判別装置。
【請求項８】
前記判定部は、前記血流加速度に対する前記異物加速度の比が所定の数値範囲内に存在する時、前記異物が微小栓子に相当すると判定する請求項６記載の超音波式血流情報判別装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環器情報の抽出判定を行う装置に関し、特にドップラー効果を利用する超音波式血流情報判別装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの循環器情報計測装置として、心臓から発生する微小電圧を多点計測することにより電圧波形を抽出し、心電波形と呼ばれるこの電圧波形に基づいて心臓機能の良否を判定する心電波形判定装置が広く用いられている。特に、この装置は、不整脈と呼ばれる心臓の不規則的な動きの判定に重用されている。
【０００３】
けれども、この電圧波形を得るために、たとえば四肢のすべてに電極を低接触抵抗状態で固定しなければならず、さらに筋電ノイズなどの発生を回避するため被測定者の動きは制限された。したがって、被測定者の心電波形を長時間にわたって継続的にモニターすることは難しかった。
【０００４】
もう一つの循環器情報抽出判定装置として、血流から反射する超音波の周波数偏差に関する情報を抽出し、この周波数偏差に基づいて血流内の異物を判定する超音波式異物計測装置が知られている。特に、この装置は脳梗塞の危険の予知などにおいて使用されている。
【０００５】
この超音波式異物計測法の基本原理が簡単に説明される。血流は、白血球、赤血球、血小板、異物等の超音波反射粒子を含む。これらの反射粒子はそれぞれ特有の質量、体積、反射率をもつ。このため、各反射粒子から反射した各反射信号は、それぞれ特有の周波数値及び強度値をもつ。したがって、反射波から得られる検出信号は、それぞれ特有の周波数値をもつ周波数成分の総和となる。各周波数成分の振幅に相当するその強度値は交流検波処理により強度信号に変換される。
【０００６】
主として赤血球からの反射波は、ドップラー効果により送信周波数に対して赤血球速度に応じた周波数偏差をもつ。したがって、血流速度は特に赤血球からの反射信号から得られた周波数偏差に基づいて抽出することができる。同様に、異物からの反射波も、ドップラー効果により送信周波数に対して異物速度に応じた周波数偏差をもつ。したがって、異物速度は、異物からの反射反射信号から得られた周波数偏差に基づいて抽出することができる。なお、この血流速度に血管断面積を掛ければ血流量となる。
【０００７】
結局、反射波から得られた周波数スペクトルの各周波数成分の周波数偏差及びその振幅により、血流速度、異物速度、血流からの反射強度、異物からの反射強度が得られる。異物の有無及び種別がこれらの情報に基づいて特定される。
【０００８】
毛細血管塞栓現象を生じる可能性をもつ所定サイズの異物は、微小栓子と呼ばれる。この微小栓子は、たとえば赤血球クラスターなどからなる。多数の赤血球の凝集体であるこの赤血球クラスターは、１０μm未満の径をもつ円盤形の赤血球と比べて大型となり、独立赤血球よりも高い反射強度、並びに独立赤血球よりも低い速度をもつ。なお、白血球は、赤血球よりも遙かに大径であるためその周波数偏差は大きくなるが、低い反射率をもつ。したがって、反射波から得られた各周波数成分の強度（振幅）をしきい値処理することにより容易に除去可能である。
【０００９】
本出願人により出願された特許文献１は微小栓子判定装置の例を開示する。この装置は、反射信号の各周波数偏差成分に基づいて、血流の速度、並びに、それ以外の異物の速度を抽出し、それらの速度比に基づいて微小栓子としての異物の有無を判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１７−１６９６８０号公報
【発明の概要】
【００１１】
本発明者は、被験者の循環器系を検査するにあたって、心電波形信号及び血流反射波信号のの両方を取得して分析することは、検査時間の延長、分析装置費用の高騰を招くという弊害に気がついた。さらに、本発明者は、従来において微小栓子検出装置から得られる血流速度波形は、従来の心電波形とほぼ同じ心臓鼓動の良否に関する十分な情報を含むことに気がついた。超音波式血流速度検出装置を用いて、心臓鼓動に関する上記情報、特に不整脈を判定するという技術思想は、従来において知られていなかった。
【００１２】
本発明の目的は、利便性及び判定精度に優れた循環器情報判定装置、特に超音波式血流情報判別装置を提供することをその目的としている。
【００１３】
本発明の１つの様相によれば、血管内の血流から反射された超音波反射信号から抽出された血流速度の波形に心臓の不整脈の有無を判定する。この不整脈はいわゆる頻脈を含む。この不整脈判定法は、超音波式不整脈判定法と呼ばれる。この超音波式不整脈判定法は、心電波形を用いる従来の不整脈判定と比べて筋電圧等の雑音電圧の影響を受けないため、被測定者の動きを制限する必要が無く、長期にわたって継続的に不整脈をモニターすることが容易となる。
【００１４】
１つの態様において、脈拍に応じて変動する血流速度のピークツーピーク期間に相当する各脈拍周期の変動率が高い時に、心臓不整脈との判定がなされる。もう１つの態様において、脈拍に応じて周期的に発生する血流速度のピーク値の変動率が高い時、心臓不整脈との判定がなされる。
【００１５】
もう１つの態様において、この超音波式不整脈検出装置は血流内の異物粒子の検出に用いられる。好適には、毛細管塞栓に因果関係をもつ微小栓子が検出した異物粒子から抽出される。これにより、同一装置を用いかつ同一の検査プロセスにて、不整脈及び微小栓子の検査を同時に実施することができる。
【００１６】
本発明のもう１つの様相によれば、いわゆるドップラー効果により得られた超音波反射信号の周波数偏差に基づいて血流内の異物を判定する異物判定処理において、抽出した血流加速度及び異物加速度に基づいて異物の種類を判別する。この加速度判定方式は、血流速度及び異物速度に基づいて異物の種類を判別する従来の速度判定方式と比べて高精度の異物種別が可能となる。
【００１７】
１つの態様において、血流加速度及び異物加速度は、脈拍周期の初期期間に相当する血流増速期間に抽出される。血流加速度はこの増速期間おいて他の期間（特に減速期間）と比べて異物加速度に対して格段に高くなる。このため、両加速度の比較精度が向上する。もう１つの態様において、血流加速度に対する異物加速度の比が所定のしきい値範囲に存在する時、異物が微小栓子に相当すると判定される。血流加速度及び異物加速度は、血流速度及び異物速度と比べて直流成分を含まないため、判定精度が改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例の超音波式血流情報判別装置の要部を示すブロック回路図である。
【図２】脈拍周期の初期における血流速度及び異物速度の時間変化を示す波形図である。
【図３】血流速度波形の正常例を示す血流速度波形図である。
【図４】心臓不整脈の一例を示す血流速度波形図である。
【図５】心臓不整脈のもう一つの例を示す血流速度波形図である。
【図６】心臓不整脈のもう一つの例を示す血流速度波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の好適な実施例が図面を参照して説明される。超音波ドップラー効果を利用して血流やその中に混在する異物粒子を検出するための超音波血流判別装置はもはや公知であるため、血管内の血流に超音波を照射する超音波送信部の説明は省略される。異物粒子検出のための超音波血流判別装置の送信部や受信部の具体的な回路構造及びその制御については、たとえば本出願人により出願された特許文献１などの記載を必要に応じて参照されたい。
【００２０】
図１は、血流から反射する超音波信号を処理するための信号処理部を示すブロック回路図である。この信号処理部は、受信部１、高速FFT（高速フーリエ変換）アナライザ２、特定信号抽出部３、異物判定部４、及び血流波形判定部５を含む。
【００２１】
受信部１は、超音波発振器に近接して測定対象者の皮膚に密着される超音波受信器からなる。超音波発振器及び超音波受信器はそれぞれ圧電素子からなる。発振器及び受信器を共通の圧電素子により構成することも可能である。発振器はたとえば５MHzの超音波を皮膚近傍の血管に照射する。受信器は反射波を交流信号電圧に変換してアナライザ２に出力する。
【００２２】
この交流信号電圧の振幅は超音波反射波の強度に相当する。この交流信号電圧は、多くの周波数成分を含む。各周波数成分は、各粒子の速度に応じて超音波送信波の周波数からドップラー効果により偏位される周波数をもつ。比較的小径である独立赤血球や血小板の速度は血流の液体速度とほぼ等速と仮定される。このため、反射体としての独立赤血球や血小板の速度は血流速度と見做される。
【００２３】
他方、たとえば赤血球凝集体（クラスター）などからなり、独立赤血球や血小板よりも大形の反射粒子は血流速度と異なる速度をもつ。この速度は異物速度と呼ばれる。したがって、アナライザ２から出力される周波数スペクトル信号は、血流速度に対応する血流周波数成分と、異物速度に対応する異物周波数成分とを含む。前者は血流スペクトルと呼ばれ、後者は異物スペクトルと呼ばれる。異物スペクトルの周波数は、血流スペクトルの周波数に対して所定の周波数偏差をもつ。この周波数偏差は、血流速度と異物速度との速度差に応じて変化する。異物スペクトルの強度は、血流スペクトルの強度に対して異物の形状及び反射率に応じて変化する。
【００２４】
ただし、異物の一種としての微小気泡（マイクロバブル）は、強い反射強度をもつにもかかわらず、血流速度とほぼ等しい速度をもつ。このため、以下の説明では、反射粒子としての微小気泡は、異物粒子に含まない。
【００２５】
異物スペクトル及び血流スペクトルの各振幅値であるこれらのスペクトルの強度は、これらのスペクトルを検波することにより強度に相当する信号電圧に変換される。アナライザから異物スペクトルとして出力される異物粒子からの反射信号は、ＨＩＴＳ（High Intensity Transient Signal：高強度過渡信号）と呼ばれる。このＨＩＴＳは、血流から得られる反射信号の強度に比べて高い強度をもつ。
【００２６】
栓子と呼ばれる異物粒子のうち、数十μm程度のものは微小栓子と呼ばれる。この微小栓子は毛細管閉塞により血管塞栓現象の主因と見做されており、異物判定において特に重要である。他方、微小栓子よりもさらに大形の異物粒子は、血管塞栓現象の主因とはならないため微小栓子から区別されることが好適である。結局、アナライザ２は、血流信号に相当する血流スペクトルと、異物粒子に相当する異物スペクトル信号とを含む周波数スペクトル信号を特定信号抽出部３へ出力する。
【００２７】
特定信号抽出部３は、アナライザ２から入力された周波数スペクトル信号から血流スペクトル及び異物スペクトルを分別する。まず、周波数スペクトル信号の各周波数成分のうち、所定しきい値強度（振幅）未満のものを除去するしきい値処理を行う。次に、各周波数スペクトル信号を検波処理して、血流及び異物の反射強度をそれぞれ得る。この反射強度は各周波数スペクトル信号の振幅に相当する。
【００２８】
次に、血流スペクトルと異物スペクトルとを分別する分別処理が実行される。この分別手法として種々の方式が知られている。一般に、継続的に発生するスペクトルは血流スペクトルと見做され、この血流スペクトルから所定範囲の周波数偏差をもち、かつ、突発的に（短期間だけ）発生する高強度のスペクトルは異物スペクトルと見做される。その他、血流スペクトルと異物スペクトルとを単にそれらの強度差により分別することも可能である。その他、送信周波数からの周波数偏差が小さいスペクトルを血流スペクトルと見なし、この血流スペクトルよりも送信周波数からの周波数偏差が大きいスペクトルを異物スペクトルと見做してもよい。
【００２９】
結局、特定信号抽出部３は、アナライザ２から入力された周波数スペクトル信号から血流スペクトル及び異物スペクトルを分別する。さらに、特定信号抽出部３は、血流スペクトルから所定の血流信号を抽出し、異物スペクトルから所定の異物信号を抽出する。
【００３０】
この血流信号は、血流スペクトルの振幅に相当する血流強度、並びに、血流スペクトルの周波数偏差（発振周波数と受信周波数との差）に応じて得られた血流速度を含む。好適には、この血流速度は、血流スペクトルの周波数偏差を予め記憶するマップに入力することにより得られる。同様に、この異物信号は、異物スペクトルの振幅に相当する異物強度、並びに、異物スペクトルの周波数偏差に応じて得られた異物速度を含む。好適には、この異物速度は、異物スペクトルの周波数偏差を予め記憶するマップに入力することにより得られる。好適には、異物スペクトルの強度（振幅）、及び、血流スペクトルの強度（振幅）は、超音波送信波信号を参照信号として用いる直交検波処理により算出される。なお、血流信号及び異物信号の各強度は、脈拍に応じて時間変化することに注意されたい。
【００３１】
一般にＨＩＴＳ（High Intensity Transient Signal：高強度過渡信号）と呼ばれるこの異物信号は、たとえばマイクロバブルから得られるケースもある。すなわち、気泡は反射率が高いため、たとえ小径（たとえば１μm）であっても高強度の異物スペクトルを発生する。しかし、気泡の速度は、ほぼ血流速度と等しいため、高質量の他の異物粒子との分別は難しくない。
【００３２】
赤血球は一般的に直径７−８μｍ、厚さ２μｍの円盤形状を呈し、検出対象となる微小栓子としての異物粒子はたとえば１５−３０μｍのサイズを有し、大形異物はたとえば９０μｍ以上のサイズをもつことが仮定される。粒子が球形と仮定される時、慣性加速度に関連するその質量Mは径の３乗に比例することに留意されたい。
【００３３】
異物判定部４は、特定信号抽出部３から入力された少なくとも血流速度及び異物速度に関するパラメータ（変数）とする評価関数に基づいて異物が微小栓子かどうかを判定する。この実施例によれば、血流速度及び異物速度に関する上記パラメータとして、血流加速度及び異物加速度が採用される。さらに、上記評価関数は、血流加速度及び異物加速度に加えて、血流強度及び異物速度も用いることができる。
【００３４】
血流加速度及び異物加速度を用いる異物種別の判定例が以下に説明される。異物粒子に作用する付勢力Fは、血流速度Vbと異物速度Vpとの間の速度差（Vb−Vp）に略比例すると仮定される。異物粒子の加速度（Ap）は、異物速度の微分により得られる。加速度（Ap)は、所定観測時間内の速度差として算出することが簡単である。したがって、異物粒子の質量Mは、評価関数（（Vb−Vp）/Ap）に略比例する。
【００３５】
結局、異物粒子の質量Mは異物粒子の加速度Apと強い逆相関をもち、異物の平均径はこの質量Mと強い正相関をもつことが理解される。言い換えれば、異物の加速度Apから異物のサイズをかなり良好に推定できることが理解される。
【００３６】
図２は、１脈拍周期の初期段階における血流速度、微小栓子速度及び大形異物速度の時間変化を示す波形図である。各脈拍周期は、心臓収縮期間に本質的に相当する増速期間Taと、心臓拡張期間に本質的に相当する減速期間Tbに分割される。なお、超音波照射領域における血管径はほぼ一定であるため、血流速度は血流量に比例する。
なお、図２において、ピーク値がもっとも高い波形は血流速度を示し、ピーク値が中間値である波形は微小栓子速度を示し、ピーク値がもっとも低い波形は大形異物速度を示す。
【００３７】
血流速度は、増速期間Taの開始時点t０において最低値Vbminとなり、増速期間Taの終了時点t１において最高値Vbmaxとなる。したがって、この増速期間Taにおける血流の加速度は、（Vbmax−Vbmin）/Taとなる。
【００３８】
微小栓子速度は、独立赤血球よりも大形かつ大質量の微小栓子が相対的に大きな慣性をもつため、血流速度と比較して緩慢に変化する。図２において、微小栓子速度は、増速期間Taの開始時点t０において最低値Vpminとなり、増速期間Taの終了時点t１において最高値Vpmaxとなる。したがって、この増速期間T1における微小栓子の加速度は、（Vpmax−Vpmin）/Taとなる。実際には、微小栓子速度のピーク値は、時点t１よりも遅れて生じるが、ここではこのピーク値の遅れは無視される。
【００３９】
大形異物速度は、微小栓子よりも大質量の大形異物がさらに大きな慣性をもつため、微小栓子速度と比較してさらに緩慢に変化する。図２において、大形異物速度は、増速期間Taの開始時点t０において最低値Vxminとなり、増速期間Taの終了時点t１において最高値Vxmaxとなる。したがって、この増速期間T1における大形異物の加速度は、（Vxmax−Vxmin）/Taとなる。実際には、大形異物速度の最高値は、時点t１よりもかなり遅れて発生するが、ここではこのピーク値の遅れは無視される。
【００４０】
結局、血流加速度に対する微小栓子加速度の比は、（Vpmax−Vpmin）/（Vbmax−Vbmin）となり、血流加速度に対する大形異物加速度の比は、（Vxmax−Vxmin）/（Vbmax−Vbmin）となる。したがって、異物の上記加速度比が所定しきい値範囲に存在する時、微小栓子が発生したと判定される。
【００４１】
その他、従来のように、血流速度、微小栓子速度、及び大形異物速度の比較により、微小栓子を判別することも可能である。たとえば、異物粒子速度と血流速度との比率に基づいて微小栓子判定を実行することが可能である。けれども、異物粒子速度及び血流速度はそれぞれ直流速度成分をもつため、速度比による判定は、加速度比による判定よりも低精度とならざるをえない。
【００４２】
なお、比重の小さな気泡の速度は血流の速度とほぼ同程度となる。また、微小栓子速度及び大形異物速度を含む異物速度は、異物粒子が血管内壁に衝突したりして、血流速度に対して負値をもつ場合も生じる。これらの望ましくない信号は種々のフィルタ処理ルーチンにより除外される。この種のフィルタ処理はもはやノウハウレベルの技術であるため、それりの詳述を省略される。
【００４３】
血流波形判定部５は、特定信号抽出部３から入力された血流速度の波形に基づいて血流速度波形の良否を判定する。図２に示されるように、正常な血流速度の波形は、所定の脈拍周期の初期に増速期間（心臓収縮期間）をもち、その後に減速期間（心臓拡張期間）をもつ。正常な血流速度波形は、図２に示されるように鋸歯状となる。
【００４４】
しかし、不整脈が生じると、血流速度波形、特にその脈拍周期及び血流速度ピーク値は大きく乱れる。これ現象は、従来の心電波形と本質的に同じであることがわかった。不整脈現象のうち特に問題となるのは、いわゆる心房細動である。血流速度は、この心房細動により顕著な異常波形を生じることもわかった。
【００４５】
種々の血流速度の波形データが図３乃至図６に示される。図３は正常な血流速度波形である。図４乃至図６は種々の不整脈患者の血流速度波形を示す。図３乃至図６において、縦軸は血流速度（Vb）を示し、横軸は時間（t）を示す。図４において、各血流波形のピークツーピーク期間（脈拍周期）は大きく変化している。図５において、脈拍周期が変動し、さらに、血流速度のピーク値も変動している。図６において、脈拍周期が短くなり、血流速度のピーク値も低下している。
【００４６】
血流波形判定部５は、血流速度のピークツーピーク期間（脈拍期間）の変動率、並びに、血流速度のピーク値の変動率を所定期間にわたって演算し、これらの２つの変動率の両方がそれぞれ所定しきい値未満の場合に、不整脈は発生していないと判定する。結局、この実施例によれば、面倒な心電波形採取を省略することができ、さらに簡素なホールド装置により不整脈及び微小栓子の同時監視システムを実現することができる。
【要約】      （修正有）【課題】利便性及び判定精度に優れた超音波式血流情報判別装置を提供する。【解決手段】血流から反射される超音波信号の周波数がドップラー効果により変調されることを利用して血流速度が抽出される。この血流速度の波形に基づいて不整脈が判定される。さらに、血流から反射される超音波信号の周波数がドップラー効果により変調されることを利用して血流加速度及び異物加速度が抽出され、両加速度を変数とする関数値に基づいて異物の種類が判別される。【選択図】図２【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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