JP5062809B2

JP5062809B2 - 血管壁インピーダンス推定装置

Info

Publication number: JP5062809B2
Application number: JP2006244874A
Authority: JP
Inventors: 敏夫辻; 建次柴; 貴浩三成; 昌志河本; 昇佐伯; 隆治中村; 貞二鵜川
Original assignee: Nihon Kohden Corp; Hiroshima University NUC
Current assignee: Nihon Kohden Corp; Hiroshima University NUC
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: JP2008061910A

Description

本発明は、プレチスモグラム測定器によって測定されたプレチスモグラムに基づいて、生体の血管壁の剛性及び粘性を推定する血管弾性モニタリング装置に関する。

血管は、刺激に応じて、その直径が小さくなって収縮したり、直径が大きくなって弛緩したりして、状態が変化する。この状態変化を示したものがプレチスモグラムである。図１２は、血管の状態変化を説明するための図である。このような血管の力学特性を解析することにより、例えば手術中の診断を支援することが試みられている（例えば、特許文献１参照）。

図１３は、血管壁インピーダンスを説明するための図である。血管壁の機械インピーダンスは、血管壁の半径方向に沿って加わる応力と、血管壁の歪とに基づいて、血管壁の慣性Ｍ、粘性Ｂ及び剛性Ｋによって表される。

図１４は、従来の血管弾性モニタリング装置の構成を説明するための模式図である。従来の血管弾性モニタリング装置は、人体の一方の腕の指先のプレチスモグラムＰ_ｌ（ｔ）を測定するプレチスモグラム測定器を備えている。プレチスモグラム測定器の一例として、指先の血管に赤外線を照射する発光素子と、血管を透過した赤外線を受光する受光素子とを含んでいるものがある。発光素子から血管に照射された赤外線は、血管によってその一部が吸収され、残りの赤外線は、受光素子に入射する。このため、受光素子に入射した赤外線の量に基づいて、血管を流れる血液の量の変動、及び血管の容積（半径）の変動が分かる。プレチスモグラム測定の他の例としては、腕や指など人体の外周囲の長さの変化を基に、血管を流れる血液の量の変動、及び血管の容積（半径）の変動を測定するものもある。

血管弾性モニタリング装置には、カテーテルが設けられている。カテーテルは、プレチスモグラム測定器により赤外線が照射された指を有する腕の動脈血圧Ｐｂ（ｔ）を測定する。

図１５は、血管壁インピーダンスモデルを説明するための模式図である。血管壁の機械インピーダンスを推定するためには、応力と歪とを計測する必要がある。血管（動脈）の内膜に作用する法線応力は、動脈血圧と等しいので、法線応力は、動脈血圧Ｐｂ（ｔ）と等しい。血管壁の歪は、直接測定することは困難であるが、プレチスモグラムＰ_ｌ（ｔ）によって表すことができる。よって、プレチスモグラム測定器によって測定されたプレチスモグラムＰ_ｌ（ｔ）に基づいて血管壁の歪を求め、カテーテルによって測定された動脈血圧Ｐｂ（ｔ）に基づいて血管壁の法線応力を求め、血管壁の粘性Ｂ及び剛性Ｋを推定することができる。

図１６は、血管壁の剛性Ｋ及び粘性Ｂを推定する従来のアルゴリズムを説明するための
模式図である。プレチスモグラム測定器によって測定されたプレチスモグラムＰ_ｌ（ｔ）のある時刻ｔ０からの変化量
ｄＰ_ｌ（ｔ）＝Ｐ_ｌ（ｔ）−Ｐ_ｌ（ｔ０）
を表す波形と、プレチスモグラムＰ_ｌ（ｔ）を微分したプレチスモグラム速度のある一定時刻ｔ０からの変化量を表す波形と、カテーテルによって測定された動脈血圧Ｐｂ（ｔ）のある一定時刻ｔ０からの変化量
ｄＰ_ｌ（ｔ）＝Ｐ_ｌ（ｔ）−Ｐ_ｌ（ｔ０）
を表す波形とを用い、図１６に示す血管の力学モデルの式に基づいて最小二乗法でフィッティングを行うことにより、血管壁の剛性Ｋ及び粘性Ｂを推定する。
特開２００６−１２９９５８号公報（平成１８年５月２５日（2006.5.25）公開）

しかしながら、上記従来の構成では、動脈血圧の連続波形に基づいて、最小二乗法により血管壁の剛性及び粘性を推定する処理が複雑であり、医療現場で使い難いという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、医療現場で使いやすい血管弾性モニタリング装置を提供することにある。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置は、上記課題を解決するために、生体のプレチスモグラムを測定するプレチスモグラム測定手段と、前記生体の最高血圧及び最低血圧を測定する血圧測定手段と、前記プレチスモグラム測定手段によって測定されたプレチスモグラムと、前記血圧測定手段によって測定された最高血圧及び最低血圧とに基づいて、前記生体の血管壁の剛性を推定する血管壁インピーダンス推定手段とを備えたことを特徴とする。

上記の特徴によれば、血圧測定手段によって測定された最高血圧及び最低血圧とに基づいて、前記生体の血管壁の剛性及び粘性を推定するので、汎用的な自動血圧計を使用して、血管壁の剛性及び粘性を推定することができる。このため、医療現場で使いやすい血管弾性モニタリング装置を提供することができる。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置では、前記プレチスモグラム測定手段は、前記生体の血管に光線を照射する発光素子と、前記血管を透過した光線を受光する受光素子とを含むことが好ましい。

上記構成によれば、簡単な構成により生体のプレチスモグラムを測定することができる。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置では、前記プレチスモグラム測定手段は、人体の指先のプレチスモグラムを測定することが好ましい。

上記構成によれば、人体のプレチスモグラムを容易に測定することができる。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置では、前記プレチスモグラム測定手段は、人体の一方の腕の指先のプレチスモグラムを測定し、前記血圧測定手段は、前記一方の腕の最高血圧及び最低血圧を測定することが好ましい。

上記構成によれば、同一の腕から、プレチスモグラムを測定し、最高血圧及び最低血圧を測定するので、血管壁の剛性及び粘性精度を向上させることができる。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置では、前記血管壁インピーダンス推定手段は、前記プレチスモグラムから取得した血管径の最大伸長比率及び最大収縮比率と、前記血圧測定手段によって測定された最高血圧及び最低血圧とに基づいて前記生体の血管壁の剛性を推定することが好ましい。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置では、前記血管壁インピーダンス推定手段は、前記血管径の最大伸長比率及び最大収縮比率より得られる血管径の変動比率と、前記血圧測定手段によって測定された血圧の変動幅との比率に基づいて前記生体の血管壁の剛性を推定することが好ましい。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置では、前記血管壁インピーダンス推定手段は、前記血管壁の粘性を推定する場合は、前記プレチスモグラムの微分値を利用することが好ましい。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置では、前記血管壁インピーダンス推定手段は、前記血管壁の粘性を推定する場合は、前記プレチスモグラムより得られる血管径の変動速度を利用することが好ましい。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置では、前記プレチスモグラム測定手段と前記血圧測定手段とは、心臓の鼓動一拍単位内での測定を行い、前記血管壁インピーダンス推定手段は、前記一拍単位で前記生体の血管壁の剛性及び粘性を推定することが好ましい。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置では、前記光線は、赤外線であることが好ましい。

本発明に係る血管弾性モニタリング装置は、以上のように、前記生体の最高血圧及び最低血圧を測定する血圧測定手段と、前記プレチスモグラム測定手段によって測定されたプレチスモグラムと、前記血圧測定手段によって測定された最高血圧及び最低血圧とに基づいて、前記生体の血管壁の剛性を推定する血管壁インピーダンス推定手段とを備えているので、医療現場で使いやすい血管弾性モニタリング装置を提供することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１ないし図１１に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、実施の形態に係る血管弾性モニタリング装置１の構成を模式的に示すブロック図である。

血管弾性モニタリング装置１は、プレチスモグラム測定器２を備えている。プレチスモグラム測定器２は、人体の一方の腕の指先のプレチスモグラムを測定する。

図２は、プレチスモグラム測定器２の構成を模式的に示す回路図である。プレチスモグラム測定器２は、指先７の血管に赤外線を照射する発光素子５と、この血管を透過した赤外線を受光する受光素子６とを含んでいる。発光素子５はＬＥＤによって構成されており、受光素子６はフォトダイオードによって構成されている。発光素子５から血管に照射された赤外線は、血管によってその一部が吸収され、残りの赤外線は、受光素子６に入射する。このため、受光素子６に入射した赤外線の量に基づいて、血管を流れる血液の量の変動、及び血管の容積（半径）の変動が分かる。

血管に赤外線を照射する例を示しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、超音波またはレーザを照射するように構成してもよい。また、指先に照射する例を示しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、足先または耳たぶに照射するように構成してもよい。また、ストレンゲージプレチスモグラフィーによってプレチスモグラム測定器２を構成してもよい。

血管弾性モニタリング装置１には、自動血圧計３が設けられている。自動血圧計３は、人体の一方の腕の最高血圧及び最低血圧を測定する。自動血圧計３は、市販の汎用的な自動血圧計によって構成することができる。なお、本実施の形態では、自動血圧計を使用する例を示すが、本発明はこれに限定されない。例えば、カテーテルによって血圧測定手段を構成してもよい。

血管弾性モニタリング装置１は、血管壁インピーダンス推定器４を備えている。血管壁インピーダンス推定器４は、プレチスモグラム測定器２によって測定された指先のプレチスモグラムと、自動血圧計３によって測定された腕の最高血圧及び最低血圧とに基づいて、人体の血管壁の剛性及び粘性を推定する。

図３は血管壁インピーダンス推定器４によって推定される血管壁の剛性を説明するためのグラフであり、図４はプレチスモグラム測定器２によって測定されたプレチスモグラムＰｌ[％]を示すグラフであり、図５は自動血圧計３によって測定された最高血圧Ｐ_ｂｍａｘ及び最低血圧Ｐ_ｂｍｉｎを示すグラフである。

図４における横軸は時間を示し、縦軸はプレチスモグラムＰｌ[％]を示している。プレチスモグラムＰｌ[％]は、心臓の心拍に応じて周期的に変動する。血管壁インピーダンス推定器４は、心臓の心拍ごとに血管壁の剛性及び粘性を推定する。

図５における横軸は時間を示し、縦軸は動脈血圧Ｐｂ[ｍｍＨｇ]を示している。動脈血圧Ｐｂ[ｍｍＨｇ]も心臓の心拍に応じて周期的に変動し、自動血圧計３は、１周期中の最高血圧Ｐ_ｂｍａｘと最低血圧Ｐ_ｂｍｉｎとを計測する。

図３における横軸はプレチスモグラムＰｌ[％]を示し、縦軸は動脈血圧Ｐｂ[ｍｍＨｇ]を示している。図３には、動脈血圧ＰｂとプレチスモグラムＰｌとのリサージュ波形が示されている。

血管壁の剛性は、血管径の変動に対する血圧の変動量の割合を表していることから、図３に示すように、プレチスモグラムＰｌと、動脈血圧Ｐｂの最低血圧Ｐ_ｂｍｉｎと最高血圧Ｐ_ｂｍａｘとを結ぶ直線の傾きで近似する。

図６は血管壁インピーダンス推定器４によって推定される血管壁の粘性を説明するためのグラフであり、図７はプレチスモグラム測定器２によって測定された図４に示すプレチスモグラムを微分したプレチスモグラム速度を示すグラフである。

血管壁の粘性は、血管径の速度の変動に対する血圧の変動量の割合を表していることから、図６に示すように、プレチスモグラム速度と、動脈血圧Ｐｂの最低血圧Ｐ_ｂｍｉｎと最高血圧Ｐ_ｂｍａｘとを結ぶ直線の傾きで近似する。

このようにして、一心拍ごとに推定を繰り返すことにより、血管の状態変化を捉えることが可能となる。

このように、最低血圧Ｐ_ｂｍｉｎと最高血圧Ｐ_ｂｍａｘとのみによって血管壁の剛性及び粘性を推定することが出来るので、血圧の測定には自動血圧計を使用すれば足り、少ない計算量によって血管の状態変化を捉えることができる。

本実施の形態において提案した推定アルゴリズムの推定精度の検証を試みた。胸部交感神経遮断術を行った患者（被験者Ａ，Ｂ）について血管弾性モニタリング装置の血管壁インピーダンス推定実験を行った。プレチスモグラム測定器とカテーテルとから計測した連続動脈血圧を用いた従来手法に加え、プレチスモグラム測定器と自動血圧計とから計測した最高・最低血圧を用いた本実施の形態に係る手法による推定を行った。プレチスモグラムと動脈血圧の測定にはベッドサイドモニタＢＳＳ−９８００（日本光電工業株式会社）を用いて計測し、パーソナルコンピュータに記録した。

胸部交感神経遮断術は、多汗症患者に対して行われる手術である。多汗症とは、胸部の背骨の横に連なっている交感神経の機能亢進により、手のひらや脇の下の発汗が通常の人よりも多い病気であり、同時に血管が収縮し、血液循環が悪い状態にある。この手術は、交感神経をクリップで遮断し、発汗を止めるために行われる。それに伴い血管が弛緩し、血管壁の剛性が下がることが知られている。

血管弾性モニタリング装置の実験結果を図８及び図９に示す。図８に示すグラフは、交感神経遮断術の被験者Ａの血管壁の剛性値及び粘性値を示しており、図９に示すグラフは、被験者Ｂの剛性値及び粘性値を示している。本実施の形態に係る推定方法による推定結果は、従来の方法による推定結果と精度良く一致していることが分かる。

自動血圧計を利用した本実施の形態に係る推定方法を用いた血管壁インピーダンス推定を、肝切除患者（被験者Ｃ、被験者Ｄ）に対して試みた。血管弾性モニタリング装置の実験では心電図、プレチスモグラム、動脈血圧をベッドサイドモニタＢＳＳ−９８００（日本光電工業株式会社）を用いて計測し、パーソナルコンピュータに記録した。繞骨動脈にカテーテルを挿入して動脈血圧を計測し、同側の指尖部よりプレチスモグラムを計測した。また、カテーテルを挿入した逆側の腕から自動血圧計を用いて動脈血圧を計測した。

図１０〜図１１は、血管弾性モニタリング装置１によって推定された血管壁の剛性及び粘性と、従来の方法によって推定された血管壁の剛性及び粘性とを示す実験結果のグラフである。図１０は被験者Ｃについての血管弾性モニタリング装置の実験結果を示しており、図１１は被験者Ｄについての血管弾性モニタリング装置の実験結果を示している。

血管壁の粘性、剛性ともに、本実施の形態に係る推定方法による推定結果は、従来の方法による推定結果と精度良く一致する傾向が得られるとともに、両手法の推定結果に高い相関を確認することができた。従って、最高・最低血圧とプレチスモグラムを用いて血管粘弾性を推定する手法の有効性を確認することができた。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、プレチスモグラム測定器によって測定されたプレチスモグラムに基づいて、生体の血管壁の剛性及び粘性を推定する血管弾性モニタリング装置に適用することができる。

実施の形態に係る血管弾性モニタリング装置の構成を模式的に示すブロック図である。上記血管弾性モニタリング装置に設けられたプレチスモグラム測定器の構成を模式的に示す回路図である。上記血管弾性モニタリング装置に設けられた血管壁インピーダンス推定器によって推定される血管壁の剛性を説明するためのグラフである。上記プレチスモグラム測定器によって測定されたプレチスモグラムを示すグラフである。上記血管弾性モニタリング装置に設けられた自動血圧計によって測定された最高血圧及び最低血圧を示すグラフである。上記血管壁インピーダンス推定器によって推定される血管壁の粘性を説明するためのグラフである。上記プレチスモグラム測定器によって測定されたプレチスモグラムを微分したプレチスモグラム速度を示すグラフである。実施の形態に係る血管弾性モニタリング装置によって推定された血管壁の剛性及び粘性と、従来の方法によって推定された血管壁の剛性及び粘性とを示す実験結果のグラフである。実施の形態に係る血管弾性モニタリング装置によって推定された血管壁の剛性及び粘性と、従来の方法によって推定された血管壁の剛性及び粘性とを示す他の実験結果のグラフである。実施の形態に係る血管弾性モニタリング装置によって推定された血管壁の剛性及び粘性と、従来の方法によって推定された血管壁の剛性及び粘性とを示すさらに他の実験結果のグラフである。実施の形態に係る血管弾性モニタリング装置によって推定された血管壁の剛性及び粘性と、従来の方法によって推定された血管壁の剛性及び粘性とを示すさらに他の実験結果のグラフである。血管の状態変化を説明するための図である。血管壁インピーダンスを説明するための図である。従来の血管弾性モニタリング装置の構成を説明するための模式図である。血管壁インピーダンスモデルを説明するための模式図である。血管壁の剛性及び粘性を推定する従来のアルゴリズムを説明するための模式図である。

符号の説明

１血管弾性モニタリング装置
２プレチスモグラム測定器（プレチスモグラム測定手段）
３自動血圧計（血圧測定手段）
４血管壁インピーダンス推定器（血管壁インピーダンス推定手段）
５発光素子
６受光素子
７指先

Claims

生体のプレチスモグラムを測定するプレチスモグラム測定手段と、
前記生体の最高血圧及び最低血圧を測定する血圧測定手段と、
前記プレチスモグラム測定手段によって測定されたプレチスモグラムと、前記血圧測定手段によって測定された最高血圧及び最低血圧のみとに基づいて、前記生体の血管壁のインピーダンスを推定する血管壁インピーダンス推定手段とを備えたことを特徴とする血管壁インピーダンス推定装置。
前記プレチスモグラム測定手段は、前記生体の血管に光線を照射する発光素子と、
前記血管を透過した光線を受光する受光素子とを含む請求項１記載の血管壁インピーダンス推定装置。
前記プレチスモグラム測定手段は、人体の指先のプレチスモグラムを測定する請求項１記載の血管壁インピーダンス推定装置。
前記プレチスモグラム測定手段は、人体の一方の腕の指先のプレチスモグラムを測定し、
前記血圧測定手段は、前記一方の腕の最高血圧及び最低血圧を測定する請求項１記載の血管壁インピーダンス推定装置。
前記血管壁インピーダンス推定手段は、前記プレチスモグラムから取得した血管径の最大伸長比率及び最大収縮比率と、前記血圧測定手段によって測定された最高血圧及び最低血圧とに基づいて前記生体の血管壁の剛性を推定する請求項１記載の血管壁インピーダンス推定装置。
前記血管壁インピーダンス推定手段は、前記血管径の最大伸長比率及び最大収縮比率より得られる血管径の変動比率と、前記血圧測定手段によって測定された血圧の変動幅との比率に基づいて前記生体の血管壁の剛性を推定する請求項５記載の血管壁インピーダンス推定装置。
前記血管壁インピーダンス推定手段は、前記血管壁の粘性を推定する場合は、前記プレチスモグラムの微分値を利用する請求項１記載の血管壁インピーダンス推定装置。
前記血管壁インピーダンス推定手段は、前記血管壁の粘性を推定する場合は、前記プレチスモグラムより得られる血管径の変動速度を利用する請求項１記載の血管壁インピーダンス推定装置。
前記プレチスモグラム測定手段と前記血圧測定手段とは、心臓の鼓動一拍単位内での測定を行い、
前記血管壁インピーダンス推定手段は、前記一拍単位で前記生体の血管壁の剛性を推定する請求項１記載の血管壁インピーダンス推定装置。
前記光線は、赤外線である請求項２記載の血管壁インピーダンス推定装置。