JP2015143632A - 超音波計測装置及び超音波計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】人工透析治療に用いられるチューブ内の流体の流れに影響を与えることなく、流体圧を計測可能とすること。【解決手段】超音波計測装置１は、超音波を血液回路チューブ５に送信し、その反射波の受信信号に基づいて、血液回路チューブ５の弾性変形を示す指標値である内径Ｒを算出する。そして、内圧変化量Δｐと内径変化量ΔＲとは比例関係にあることを利用し、この内径Ｒの内径初期値Ｒ０に対する変化量ΔＲをもとに内圧変化量Δｐを算出し、内圧初期値ｐに内圧変化量Δｐを加算することで、血液回路チューブ５の内圧ｐ（すなわち静脈圧）を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波計測装置等に関する。

人工透析治療では、患者の血液を循環させる血液回路チューブ内の圧力（静脈圧）を計測・監視する必要がある。このような血液回路チューブの内圧を測定する方法として、歪みゲージ（ロードセル）を用いて血液回路チューブの歪みを測定し、この歪みから内圧（静脈圧）を計測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−８１８５２号公報

しかしながら、上述の特許文献１の技術のような歪みゲージ（ロードセル）を用いる方法では、歪みゲージを血液回路チューブの外面に押しつける必要があるため、チューブ内の血液の流れに影響を与える可能性があった。つまり、加圧することで血液回路チューブ内の圧力、すなわち静脈圧を変化させてしまうおそれがあり、取り扱いに細心の注意を払う必要がある。また、歪みゲージは、振動などの微小な外乱により測定精度が劣化するため、この点からも、血液回路チューブへの取り付けに細心の注意を払う必要があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、人工透析治療に用いられるチューブ内の流体の流れに影響を与えることなく、流体圧を計測可能とすることである。

上記課題を解決するための第１の形態は、流体圧により弾性変形するチューブに向けた超音波の送信および反射波の受信を制御する送受信制御部と、前記反射波の受信信号に基づき、前記チューブの弾性変形を示す指標値を算出する指標値算出部と、前記指標値に基づいて前記流体圧を算出する圧力算出部と、を備えた超音波計測装置である。

また、他の形態として、流体圧により弾性変形するチューブに向けた超音波の送信および反射波の受信を制御することと、前記反射波の受信信号に基づき、前記チューブの弾性変形を示す指標値を算出することと、前記指標値に基づいて前記流体圧を算出することと、を備えた超音波計測方法を構成しても良い。

この第１の形態等によれば、超音波を用いることで、チューブ内の流体の流れに影響を与えることなく流体圧を算出することができる。つまり、チューブに向けて送信した超音波の反射波の受信信号に基づいて、チューブの弾性変形を示す指標値を算出し、この指標値に基づいて流体圧が算出される。

また、第２の形態として、第１の形態の超音波計測装置であって、前記指標値算出部は、前記指標値として前記チューブの内径の変化量を算出する、超音波計測装置を構成しても良い。

この第２の形態によれば、チューブの弾性変形を示す指標値として、チューブの内径の変化量が算出される。例えば、円筒形状のチューブの場合、流体圧がチューブ内の壁面に対して等方的に作用し、チューブは等方的に拡大或いは縮小するように変形する。このような場合、内径の変化量は、弾性変形を示す指標として適当である。

第３の形態として、第１又は第２の形態の超音波計測装置であって、前記チューブは人工透析用の血液回路チューブであり、前記圧力算出部は透析被検者の静脈圧を算出する、超音波計測装置を構成しても良い。

この第３の形態によれば、人工透析用の血液回路チューブを対象として、血液回路チューブ内の血液の流れに影響を与えることなく、チューブ内の流体圧、例えば、透析被検者の静脈圧を計測することができる。

超音波計測装置の適用例。 超音波プローブの構成例。 超音波測定の模式図。 深さに対する反射波の強さの分布図。 血液回路チューブの断面図。 超音波計測装置の機能構成図。 静脈圧計測処理のフローチャート。

［全体構成］
図１は、本実施形態における超音波計測装置１の適用例を示す図である。
本実施形態の超音波計測装置１は、超音波を利用することで被検者７の人工透析時の静脈圧を計測する超音波計測装置であり、本体装置１０と、超音波プローブ２０とを備える。具体的には、超音波計測装置１は、透析装置３の血液回路チューブ５内の圧力を測定することで、被検者（透析患者）７の静脈圧を計測する。

透析装置３は、血液回路チューブ５を介して被検者７の血液を循環させて血液透析を行うものであり、超音波計測装置１によって計測される被検者７の静脈圧を監視しながら透析治療を行う。透析治療中は静脈圧が変化し得る。そのため、透析治療中は、静脈圧が低下する事態を監視する目的で、被検者の静脈圧が計測される。血液回路チューブ５は、断面が円形状でなる弾性変形するプラスチックチューブとして構成される。

本体装置１０は、超音波プローブ２０と有線接続され、超音波プローブ２０を用いて血液回路チューブ５の内径を計測することで、被検者７の静脈圧を推定的に求める。血液回路チューブ５の内径は、血液回路チューブ５の弾性変形を示す指標値の１つである。また、本体装置１０は、透析装置３との間で無線通信等によるデータの送受信が可能に構成されている。

超音波プローブ２０は、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの超音波のパルス信号或いはバースト信号を送信し、その反射波を受信した受信信号を本体装置１０に出力する。また、超音波プローブ２０は、透析装置３が有する透析器（ダイアライザー）より下流側の静脈側の血液回路チューブ５に取り付けられている。

図２は、超音波プローブ２０の構成を説明するための概略断面図である。図２では、血液回路チューブ５に取り付けた状態を、血液回路チューブ５の短軸方向の断面で示している。超音波プローブ２０は、凹部同士を対向させて二つの部材２２，２４を組み合わせ、内部に血液回路チューブ５を収容する空間が形成されている。その内部空間には、略直方体状の音響インピーダンス整合用媒体である固形ゲル２６が充填されており、さらに固形ゲル２６の中央部に血液回路チューブ５が貫通されている。血液回路チューブ５が固形ゲル２６の断面中央部を貫通するように位置決めされるため、弾性変形によって血液回路チューブ５が部材２２，２４の内面に当接することがないように構成されている。

また、超音波プローブ２０は、一方の部材２２の内面に露出させて配設した、超音波を送受信する複数の超音波振動子２８を有し、信号線（図中の黒色太線）を介して内部空間に収容された血液回路チューブ５に向けた超音波の送受信が制御される。超音波振動子２８は、図２に示すように、血液回路チューブ５の短軸方向に沿って一列のみに配設されることとしても良いし、長軸方向に各列を配設した複数列の構成としても良い。また、超音波プローブ２０は、超音波を送信する超音波振動子２８の切り替えや、超音波の送信方向やフォーカス位置（焦点）を変化させることが可能に構成されている。

［原理］
本実施形態では、超音波を利用することで血液回路チューブ５の内径を測定し、測定した内径から、被検者７の静脈圧を推定的に算出する、

（１）血液回路チューブの内径の測定
図３は、超音波プローブを用いた測定を行っている状態の模式図であり、血液回路チューブ５の短軸方向の断面で示している。なお、断面ハッチングは省略している。超音波振動子２８からは、図３において下に向かう方向に超音波が送信される。超音波は、音響インピーダンスが異なる部分において反射する。つまり、超音波振動子２８から送信された超音波は、血液チューブの前壁５ａの外面及び内面、後壁５ｂの内面及び外面において反射し、反射波は超音波振動子によって受信される。この反射波の受信時間や強度をもとに、血液回路チューブ５の内径が測定される。

図４は、深さＤに対する反射波の強さを示すグラフの概略例である。深さＤは、超音波の送信位置（すなわち、超音波振動子２８の位置）からの距離に相当し超音波の送信時点から反射波の受信時点までの時刻Ｔと、超音波の送信速度とから求められる。図４に示すように、血液回路チューブ５の前壁５ａの外面及び内面と、後壁５ｂの内面及び外面とに相当する位置（深さ）に、強い反射波のピークが表れている。このように、反射波のピークおよびその深さ方向の順位から、前壁５ａの内面、及び、後壁５ｂの内面の位置（深さ）を判定し、内径Ｒを測定することができる。なお、各超音波振動子について反射波信号が得られるため、各超音波振動子の反射波信号それぞれに基づいて内径Ｒと思われる長さを測定し、そのうちの最大値を採用することで、血液回路チューブ５の断面中心を通る内径Ｒを確実に測定することができる。

（２）静脈圧の計測
血液回路チューブ５は、血管と同様に、等方的に収縮拡張する。つまり、血液回路チューブ５内を流れる血液の流体圧すなわち内圧ｐが変化し、この内圧ｐの変化によって、血液回路チューブ５が弾性変形してその内径Ｒが変化する。本実施形態では、この血液回路チューブ５の内圧ｐの変化Δｐが内径Ｒの変化ΔＲにほぼ比例することを利用して、血液回路チューブ５の内圧ｐ、すなわち被検者７の静脈圧を計測する。

図５は、血液回路チューブ５の短軸方向の断面図である。図５に示すように、血液回路チューブ５の内径を「Ｒ」、外径を「Ｑ」、圧縮率を「ｋ」、内圧を「ｐ」とする。そして、内圧ｐが変化量Δｐだけ変化したときの内径Ｒの変化を「ΔＲ」、血液回路チューブ５の長手方向の単位長さ当たりの体積Ｖの変化を「ΔＶ」とすると、次式（１）が成り立つ。但し、内圧ｐの変化によって外径Ｑは変化しないものとする。
Δｐ・ｋ＝−ΔＶ／Ｖ ・・（１）

また、チューブの体積Ｖは、次式（２）となる。
Ｖ＝π（Ｑ^２−Ｒ^２） ・・（２）
この式（２）から、次式（３）が成り立つ。
−ΔＶ／Ｖ＝（（Ｒ＋ΔＲ）^２−Ｒ^２）／（Ｑ^２−Ｒ^２） ・・（３）

従って、式（１），（３）から、次式（４）が成り立つ。
Δｐ・ｋ＝（（Ｒ＋ΔＲ）^２−Ｒ^２）／（Ｑ^２−Ｒ^２） ・・（４）
ΔＲ／（Ｑ−Ｒ）、ΔＲ^２、は充分に小さいため、式（４）は、次式（５）に近似できる。
Δｐ・ｋ≒（２・Ｒ・ΔＲ）／（Ｑ^２−Ｒ^２） ・・（５）

このように、内径Ｒ、外径Ｑ、及び、圧縮率ｋは、対象とする血液回路チューブ５によって定まる固定値であるため、内径変化量ΔＲから内圧変化量Δｐを求めることができる。また、血液回路チューブ５の設計諸元は既知であるため、内径が拡径し始める時点の内圧（以下「内圧初期値ｐ_０」という）は予め分かっている。よって、内径初期値Ｒ_０からの内径変化量ΔＲに基づき内圧変化量Δｐを求めて、これを内圧初期値ｐ_０に加算することで内圧、すなわち血液回路チューブ５内を流れる流体圧を求めることができる。内径Ｒは、血液回路チューブ５の弾性変形を示す指標値であり、これを利用して流体圧を求めることができる。

［機能構成］
図６は、超音波計測装置１の機能構成を示す図である。図６によれば、超音波計測装置１の本体装置１０は、操作部１１０と、表示部１２０と、音出力部１３０と、時計部１４０と、通信部１５０と、処理部２００と、記憶部３００とを備えて構成される。

操作部１１０は、ボタンスイッチやタッチパネル、各種センサー等の入力装置によって実現され、なされた操作に応じた操作信号を処理部２００に出力する。表示部１２０は、ＬＣＤ等の表示装置によって実現され、処理部２００からの表示信号に基づく各種表示を行う。音出力部１３０は、スピーカー等の音出力装置によって実現され、処理部２００からの音信号に基づく各種音出力を行う。

時計部１４０は、水晶振動子及び発振回路でなる水晶発振器を有して構成される内部時計であり、現在時刻や、指定タイミングからの経過時間を計時する。通信部１５０は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信装置によって実現され、外部装置（主に、透析装置３）との通信を行う。

処理部２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のマイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路：Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）メモリー等の電子部品によって実現され、記憶部３００に記憶されたプログラムやデータ、操作部１１０からの操作信号等に基づいて各種演算処理を実行して、超音波計測装置１の動作を制御する。また、処理部２００は、超音波測定制御部２１０と、内径算出部２２０と、静脈圧算出部２３０とを有し、静脈圧計測プログラム３１０に従った静脈圧計測処理（図７参照）を実行する。

超音波測定制御部２１０は、超音波プローブ２０における超音波の送受信を制御する。具体的には、所定周期の送信タイミングで、超音波プローブから超音波を送信させる。また、超音波プローブ２０において受信された超音波の反射波の信号の増幅等を行う。

内径算出部２２０は、超音波プローブ２０における超音波の受信波をもとに、血液回路チューブ５の内径Ｒを算出する。すなわち、図４に示したような、深さＤに対する反射波の強さの分布（変化）を求める。つまり、超音波の送信時点から、受信した当該超音波の反射波の強さを継続的に取得し、超音波の送信からの経過時間それぞれにおける受信波の強さを、当該経過時間に対応する深さＤにおける反射波の強さとする。そして、反射波の強さのピークを検出することで、血液回路チューブの前壁５ａの内面の位置と、後壁５ｂの内面の位置とを判定し、これらの位置間の長さを内径Ｒとする。

静脈圧算出部２３０は、内径算出部２２０によって算出された血液回路チューブ５の内径Ｒｓから、静脈圧を算出する。すなわち、算出された内径Ｒと、内径初期値Ｒ_０との差である内径変化量ΔＲ（＝Ｒ_０−Ｒ）を算出する。次いで、この内径変化量ΔＲを用いて、式（５）から、内圧変化量Δｐを算出する。なおこのとき、式（５）における内径Ｒは内径初期値Ｒｏとする。そして、算出した内圧変化量Δｐを内圧初期値ｐ_０に加算することで、内圧ｐすなわち静脈圧を算出する。静脈圧算出部２３０が算出した静脈圧ｐは、算出時刻と対応付けて、計測値蓄積データ３３０として蓄積記憶される。

ここで、内径初期値Ｒ_０は、血液回路チューブ５内に血液が流れていない状態、すなわち内圧ｐがゼロである状態での内径Ｒである。そして、内圧初期値ｐ_０は、内圧ｐをゼロから徐々に増加させたときに、内径Ｒが変化し始めるときの内圧ｐの値である。内径初期値Ｒ_０、及び、内圧初期値ｐ_０は、血液回路チューブ５の外径Ｑ、及び、圧縮率ｋとともに、チューブ構成データ３２０として記憶されている。

記憶部３００は、ＲＯＭやＲＡＭ、ハードディスク等の記憶装置によって実現され、処理部２００が超音波計測装置１を統合的に制御するためのプログラムやデータ等を記憶しているとともに、処理部２００の作業領域として用いられ、処理部２００が実行した演算結果や、操作部１１０からの操作データ等が一時的に格納される。本実施形態では、記憶部３００には、静脈圧計測プログラム３１０と、チューブ構成データ３２０と、計測値蓄積データ３３０とが記憶される。

［処理の流れ］
図７は、静脈圧計測処理の流れを説明するためのフローチャートである。この処理は、処理部２００が静脈圧計測プログラム３１０に従った処理を実行することで実現される。

先ず、超音波測定制御部２１０が、超音波プローブ２０に超音波の送信及び受信を開始させる（ステップＳ１）。次いで、内径算出部２２０が、超音波プローブ２０が受信した反射波をもとに、血液回路チューブ５の内径Ｒを算出する（ステップＳ３）。続いて、静脈圧算出部２３０が、血液回路チューブ５の内径初期値Ｒ_０に対する内径Ｒの差である内圧変化量Δｐを算出し（ステップＳ５）、この内圧変化量Δｐを内圧初期値ｐ_０に加算して、現在の内圧ｐすなわち被検者の静脈圧を算出する（ステップＳ７）。そして、算出した静脈圧を、計測値蓄積データ３３０として蓄積記憶させたり、表示部１２０に表示出力する（ステップＳ９）。

その後、処理部２００は、静脈圧計測を終了するか否かを判断し、終了しないならば（ステップＳ１１：ＮＯ）、ステップＳ３に戻る。終了するならば（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、超音波測定制御部２１０が、超音波プローブ２０に超音波の送受信を終了させる（ステップＳ１５）。以上の処理を行うと、静脈圧計測処理を終了する。

［作用効果］
このように、本実施形態の超音波計測装置１によれば、超音波を用いることで、人工透析治療に用いられる血液回路チューブ５内の血液の流れに影響を与えることなく、血液回路チューブ５の内圧（静脈圧）の計測が可能となる。すなわち、超音波を血液回路チューブ５に送信し、その反射波の受信信号に基づいて、血液回路チューブ５の弾性変形を示す指標値である内径Ｒを算出する。そして、内圧変化量Δｐと内径変化量ΔＲとが所定関係にあることを利用し、この内径Ｒの内径初期値Ｒ_０に対する変化量ΔＲをもとに内圧変化量Δｐを算出し、内圧初期値ｐに内圧変化量Δｐを加算することで、血液回路チューブ５の内圧ｐ（すなわち静脈圧）を算出する。

なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

例えば、静脈圧ではなく、動脈圧を計測することも可能である。
また、血液が流れる血液回路チューブ５に対して超音波計測を行う実施形態を説明したが、他の流体が流れるチューブに対して本発明の超音波計測を適用することで、当該チューブに流れる流体圧を計測することができる。

１ 超音波計測装置、１０ 本体装置、１１０ 操作部、１２０ 表示部、１３０ 音出力部、１４０ 時計部、１５０ 通信部、２００ 処理部、２１０ 超音波測定制御部、２２０ 内径算出部、２３０ 静脈圧算出部、３３０ 記憶部、３１０ 静脈圧計測プログラム、３２０ チューブ構成データ、３３０ 計測値蓄積データ、２０ 超音波プローブ、２８ 超音波振動子、３ 透析装置、５ 血液回路チューブ、７ 被検者

Claims (4)

1. 流体圧により弾性変形するチューブに向けた超音波の送信および反射波の受信を制御する送受信制御部と、
   前記反射波の受信信号に基づき、前記チューブの弾性変形を示す指標値を算出する指標値算出部と、
   前記指標値に基づいて前記流体圧を算出する圧力算出部と、
   を備えた超音波計測装置。
2. 前記指標値算出部は、前記指標値として前記チューブの内径の変化量を算出する、
   請求項１に記載の超音波計測装置。
3. 前記チューブは人工透析用の血液回路チューブであり、
   前記圧力算出部は透析被検者の静脈圧を算出する、
   請求項１又は２に記載の超音波計測装置。
4. 流体圧により弾性変形するチューブに向けた超音波の送信および反射波の受信を制御することと、
   前記反射波の受信信号に基づき、前記チューブの弾性変形を示す指標値を算出することと、
   前記指標値に基づいて前記流体圧を算出することと、
   を備えた超音波計測方法。

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