(57)【要約】【課題】従来とは異なる新規な方法で血液の流速、流量を簡便に計測することができる血流測定装置を提供すること。【解決手段】血流測定装置は、血液を流す管と、管中の血液に近赤外光を照射する発光ダイオードと、管中の血液による反射光あるいは透過光を受光して、光の強さを電気信号に変換するフォトダイオードと、フォトダイオードに流れる電流を電圧値に変換する電流電圧変換回路と、前記電流電圧変換回路の出力電圧を増幅する増幅回路と、増幅回路から出力される測定値をデジタル情報に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器から測定値を取り込み、流量を算出する情報処理装置とを備える。新規な方式を採用することにより、安価な部品のみで構成可能であり、構造が簡単で製造も容易であり、かつ小型化が可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液を流す管と、
前記管中の血液に近赤外光を照射する発光部と、
前記照射された近赤外光の管中の血液による反射光あるいは透過光を受光して、光の強さを電気信号に変換する受光部と、
受光部から出力される電気信号から管中を流れる血液の流量を求める流量値生成手段と
を備えたことを特徴とする血流測定装置。
【請求項２】
前記発光部は近赤外線光を発光する発光ダイオードを備え、
前記受光部はフォトダイオードを備え、
前記流量値生成手段は、
前記フォトダイオードに流れる電流を電圧値に変換する電流電圧変換回路と、  前記電流電圧変換回路の出力電圧を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路から出力される測定値をデジタル情報に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器から測定値を取り込み、流量を算出する情報処理装置とを備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の血流測定装置。
【請求項３】
前記情報処理装置は、
外部からの操作に基づき、前記測定値を記憶する測定値記憶手段と、
前記測定値を前記測定値記憶手段に記憶されている測定値で除算した商を求める除算手段と、
予め、実験に基づき前記商および商と対応する流速値の情報を複数記憶しているテーブル手段と
前記商に基づき前記テーブル手段を参照して流速値を求める流速値生成手段と、
前記流速値に前記管の断面積を乗算して流量値を生成する流量値算出手段と、
前記流量値を表示する表示手段と
を備えたことを特徴とする請求項２に記載の血流測定装置。
【請求項４】
更に、設定された目標値に基づき、管を流れる血液の流量を制御する弁手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の血流測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、血流測定装置に関するものであり、特に、近赤外光を利用して血液の流速、流量を計測する血流測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
血流量を計測するために、音波や光のドップラ−効果を利用した血流計が商品化されている。下記の特許文献１には、人工心肺装置等の体外循環血液回路などで用いられる超音波ドップラ効果を利用した超音波ドップラ血流計が開示されている。この超音波ドップラ血流計は、超音波プローブにより血液の流れに対して超音波を照射し、その血液からの超音波エコー信号を受信して、エコー信号のドップラ周波数偏移から血液の流量を測定するものである。
【特許文献１】特開２００３−１６９８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した従来の血流計においては、超音波変換素子を使用し、超音波を血流に対して斜めに照射／受信するために、超音波プローブの構造が複雑となり、高価であるという問題点があった。
本発明は、上記した課題を解決し、従来とは異なる新規な方法で血液の流速、流量を簡便に計測することができる血流測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の血流測定装置は、血液を流す管と、前記管中の血液に近赤外光を照射する発光部と、前記照射された近赤外光の管中の血液による反射光あるいは透過光を受光して、光の強さを電気信号に変換する受光部と、受光部から出力される電気信号から管中を流れる血液の流量を求める流量値生成手段とを備えたことを主要な特徴とする。
【０００５】
また、上記した血流測定装置において、前記発光部は近赤外線光を発光する発光ダイオードを備え、前記受光部はフォトダイオードを備え、前記流量値生成手段は、前記フォトダイオードに流れる電流を電圧値に変換する電流電圧変換回路と、  前記電流電圧変換回路の出力電圧を増幅する増幅回路と、前記増幅回路から出力される測定値をデジタル情報に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器から測定値を取り込み、流量を算出する情報処理装置とを備えた点にも特徴がある。
【０００６】
また、上記した血流測定装置において、前記情報処理装置は、外部からの操作に基づき、前記測定値を記憶する測定値記憶手段と、前記測定値を前記測定値記憶手段に記憶されている測定値で除算した商を求める除算手段と、予め、実験に基づき前記商および商と対応する流速値の情報を複数記憶しているテーブル手段と前記商に基づき前記テーブル手段を参照して流速値を求める流速値生成手段と、前記流速値に前記管の断面積を乗算して流量値を生成する流量値算出手段と、前記流量値を表示する表示手段とを備えた点にも特徴がある。
【０００７】
また、上記した血流測定装置において、更に、設定された目標値に基づき、管を流れる血液の流量を制御する弁手段を備えた点にも特徴がある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の血流測定装置は上記したような特徴によって、以下のような効果がある。
（１）新規な方式を採用することにより血流測定装置を安価な部品のみで構成可能であり、低価格化が可能である。
（２）超音波プローブと比べて本発明のセンサ装置は構造が簡単で製造も容易であり、かつ小型化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図７は、本発明の血流測定装置の測定原理を示す実験結果を示すグラフである。発明者は、流量を調整可能なポンプ、流速／流量計、本発明のセンサ装置を管で直列に接続して血液を流し、ポンプを調整して流量を変化させながらセンサ装置の出力信号電圧を測定する実験を行った。図７のグラフは、発明者が行った実験結果を示している。
【００１０】
従来、近赤外光が遭遇するヘモグロビンの量は流量や流速には関係なく一定の筈で、近赤外光の反射量は速度に無関係であると考えられていた。しかし、実験の結果、図７に示すように流速が速いほど電圧＝反射光量が多くなるという結果が得られた。
【００１１】
このような現象のメカニズムは不明であるが、一つの推論として、速度あるいは圧力に応じてヘモグロビンの光学的特性が変化し、近赤外光の反射率が変化する可能性がある。あるいは管内を流れる扁平なヘモグロビンが流速に応じて一定の方向に向きを変えるか、あるいは管の断面におけるヘモグロビンの分布が流速に応じて一様ではなくなり、反射率が変化する可能性も考えられる。いずれにせよ、上記現象に基づき近赤外光を使用して血流の流速を計側可能であることを見いだした。本発明は上記現象に基づいて開発された血流測定装置である。以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の血流測定装置の実施例の構成を示すブロック図である。本発明の血流測定装置は、センサ装置１０、アンプ（増幅回路）１２、Ａ／Ｄ変換器１３、ＣＰＵ（情報処理装置）１４、表示装置１５を備えている。センサ装置１０は内部に血液を流す直径が数ミリメートル程度のガラスあるいはプラスティック製の透明な管１１を備え、更に管１１中の血液に近赤外光を照射する発光部とである赤外線ＬＥＤ（発光ダイオード）、照射された近赤外光の管中の血液による反射光（あるいは透過光）を受光して、光の強さを電気信号に変換する受光部であるフォトダイオードとを備えている。
【００１３】
アンプ１２はセンサ装置１０のフォトダイオードから出力される光量に比例した電流値を電圧に変換して増幅する回路であり、公知のロックインアンプ方式のアンプを採用可能である。
【００１４】
アンプ１２の出力信号はＡ／Ｄ変換器１３によってＡ／Ｄ変換されてＣＰＵ１４に読み込まれる。ＣＰＵ１４においては、受光部から出力される電気信号から管中を流れる血液の流量を求める流量値生成機能を実現するプログラムが実行され、流量値が生成される。
【００１５】
ＣＰＵ１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備えた公知の情報処理装置であり、仕様を満たせば市販されている任意の１チップコンピュータを採用可能である。校正用スイッチ１６は、血流が静止している時の測定値を記憶するための押しボタンスイッチである。流量値あるいは流速値は表示装置１５にリアルタイムに表示される。ＣＰＵ１４としては周知のパソコンを使用してもよい。
【００１６】
図２は、本発明の血流測定装置のセンサ装置１０の構成を示す断面図である。図２（ａ）は反射光を検出する形式、（ｂ）は透過光を検出する形式の例である。赤外線ＬＥＤ２１から管１１中の血液２０に照射された近赤外線は一部は吸収、反射され、一部は透過する。この反射光あるいは透過光がフォトダイオード２２によって検出される。フォトダイオード２２には集光レンズを装着してもよい。
【００１７】
図３は、本発明の血流測定装置のアンプ１２の構成を示すブロック図である。このアンプ１２は公知のロックインアンプを構成している。タイミングジェネレータ３０は所定の周波数の矩形波を発生する。ＬＥＤドライバ回路３１はこの矩形波によって強度変調された駆動電流をセンサ装置１０のＬＥＤ２１に供給する。フォトダイオード２２は、近赤外線を受光することによって起電力が発生し、光量に比例した電流がフォトダイオード２２に流れる。プリアンプ３２はフォトダイオード２２に流れる電流を比例する電圧に変換して出力する。
【００１８】
図４は、本発明の血流測定装置のＬＥＤドライバ３１、センサ装置１０およびプリアンプ３２の構成を示す回路図である。ＬＥＤドライバ回路３１は、定電圧回路２３、スイッチング用トランジスタ２４、定電流回路を構成する演算増幅器２５、トランジスタ２６、抵抗２７からなる。タイミングジェネレータ３０によって発生された所定の周波数の矩形波信号に基づき、スイッチング用トランジスタ２４がオン／オフし、演算増幅器２５の＋入力端子には、スイッチング用トランジスタ２４がオフの場合には定電圧回路２３の出力電圧が印加され、オンの場合にはほぼ０Ｖが印加される。
【００１９】
定電流回路は抵抗２７に発生する電圧が演算増幅器２５の＋入力端子の電圧に等しくなるように機能するので、ＬＥＤ２１には、スイッチング用トランジスタ２４がオフの場合には定電圧回路２３の出力電圧に比例する一定の電流が印加され、オンの場合にはほぼ０Ａとなる。
【００２０】
フォトダイオード２２の両端は演算増幅器２８の＋、−端子に接続されており、フォトダイオード２２は、赤外線を受光することによって起電力が発生し、光量に比例した電流がフォトダイオード２２に流れる。演算増幅器２８は電流電圧変換回路として機能し、フォトダイオード２２に流れる電流Ｉと比例する電圧Ｖ（Ｖ＝Ｉ×１ＭΩ）を出力する。
【００２１】
図３に戻って、バンドパスフィルタ３３はタイミングジェネレータ３０によって発生される所定の周波数の信号のみを通すフィルタ回路であり、例えば演算増幅器を使用したアクティブフィルタを採用可能である。バンドパスフィルタ３３の出力信号は、タイミングジェネレータ３０によって発生された所定の周波数の矩形波を参照信号として同期検波回路３４によって検波される。
【００２２】
図５は、本発明の血流測定装置の同期検波回路３４の構成を示す回路図である。演算増幅器４０の＋入力端子には電子スイッチ回路４１が接続されており、外部から入力される参照信号の反転信号によって＋入力端子を接地／開放可能に構成されている。参照信号が１であり、＋入力端子が接地されている場合には、演算増幅器４０は利得１の反転増幅器として機能し、出力には入力信号の極性が反転した信号が出力される。また、参照信号が０であり、電子スイッチ回路４１が開放状態の場合には＋入力端子と−入力端子に同じ入力信号が印加されるので、出力にも入力信号と同じ信号が出力される。
【００２３】
従って、同期検波回路３４は参照信号に従って、出力には入力信号がそのまま出力されるか、あるいは入力信号の極性が反転した信号が出力される。フォトダイオード２２には参照信号が０の場合にのみ血液からの反射光が入力され、光量に応じた電流が流れ、電圧に変換されて出力される。従って、同期検波回路３４の出力は、入力信号がそのまま出力された信号電圧の方が入力信号の極性が反転した信号電圧よりも上記光量に応じた電圧だけ高くなる。
【００２４】
同期検波回路３４の出力信号はローパスフィルタ３５によって直流成分（一定の周波数以下の信号成分）が抽出され、演算増幅器を使用した減算器３６によって設定されたオフセット値が減算され、出力アンプ３７によって設定されたゲイン値に基づいて増幅されて出力される。
【００２５】
図６は、本発明の血流測定装置のＣＰＵ１４における処理の内容を示すフローチャートである。Ｓ１０においては、初期化を行い、Ｓ１１においては、Ａ／Ｄ変換器１３から出力値である測定値Ｔを読み取る。Ｓ１２においては、校正スイッチ１６がオンであるか否かが判定され、判定結果が否定の場合にはＳ１４に移行するが、肯定の場合にはＳ１３に移行する。なお、使用者は、血流の測定前あるいは測定中の血液の流速が０（静止状態）である時に校正スイッチを押下する。
【００２６】
Ｓ１３においては、Ｓ１１で読み取った測定値Ｔを静止時の測定値Ｓとして記憶する。Ｓ１４においては、測定値Ｔを静止時の測定値Ｓで除算した商Ｒ＝Ｔ／Ｓを算出する。
【００２７】
Ｓ１５においては、予め作成して記憶されている変換テーブルを参照して商Ｒを流速値Ｖに変換する。変換テーブルは、実験結果から判明した、商Ｒと対応する流速値Ｖの組み合わせを複数記憶したものである。なお、テーブルのステップ幅を大きくしておき、直線補間などの補間演算を行うことにより、テーブルのステップ幅より細かい商と対応する流量値Ｖを算出してもよい。
【００２８】
Ｓ１６においては、流速値Ｖに既知の管１１の断面積を乗算して流量値Ｍを求める。Ｓ１７においては、流量値Ｍを表示装置１５に表示し、Ｓ１１に戻って処理を繰り返す。この際、流量値Ｖを記憶しておき、直近の所定個の流量値Ｖの平均値を計算して表示してもよい。以上のような構成および動作によって血液の流量を測定することができる。
【実施例２】
【００２９】
図８は、本発明の血流測定装置の実施例２の構成を示すブロック図である。実施例２は実施例１の血流測定装置に、更に、流量を調節可能な弁装置５０、ＣＰＵ１４からの制御に基づき弁装置５０を駆動して流量を変更することが可能な弁駆動装置５１、流量の目標値を読み込むための目標値設定スイッチ５２および図示しない流量制御機能を実現するプログラムを追加したものである。このような構成によって所望の流量目標値を目標値設定スイッチに設定すれば、血液の流量が目標値になるように弁装置を自動制御することが可能となる。
【００３０】
以上実施例を開示したが、本発明には以下のような変形例も考えられる。実施例においては、血液からの反射光を検出する例を開示したが、反射光量が流速により変化するのであるから透過光量も当然流速によって変化する。従って、センサとして図２（ｂ）に示すような透過光を検出するものを使用して実験を行い、テーブルデータを作成すれば透過光を使用しても本発明を実施可能である。
【００３１】
実施例においては、テーブルは１つのみ用意しておく例を開示したが、例えばヘモグロビン濃度によってＳ値が異なると共にテーブルの内容も異なる可能性がある。従って、予めＳ値が異なる血液についてそれぞれ実験を行ってテーブルを作成しておき、測定時にはＳ値の範囲によって対応するテーブルを選択して変換を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の血流測定装置は人工心肺装置や透析装置等の体外循環血液回路に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の血流測定装置の実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の血流測定装置のセンサ装置１０の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の血流測定装置のアンプ１２の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の血流測定装置のＬＥＤドライバ３１、センサ装置１０およびプリアンプ３２の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の血流測定装置の同期検波回路３４の構成を示す回路図である。
【図６】本発明の血流測定装置のＣＰＵ１４における処理の内容を示すフローチャートである。
【図７】本発明の血流測定装置の測定原理を示す実験結果を示すグラフである。
【図８】本発明の血流測定装置の実施例２の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…センサ装置
１１…管
１２…アンプ（増幅回路）
１３…Ａ／Ｄ変換器
１４…ＣＰＵ（情報処理装置）
１５…表示装置
１６…校正用スイッチ
【図１】
2009050498.tif 000003
【図２】
2009050498.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009050498.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009050498.tif 000008
【図７】
2009050498.tif 000009
【図８】
2009050498.tif 000010