Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP4474530B2 - Hemodynamic characteristic measuring device - Google Patents

Hemodynamic characteristic measuring device Download PDF

Info

Publication number
JP4474530B2
JP4474530B2 JP2004359792A JP2004359792A JP4474530B2 JP 4474530 B2 JP4474530 B2 JP 4474530B2 JP 2004359792 A JP2004359792 A JP 2004359792A JP 2004359792 A JP2004359792 A JP 2004359792A JP 4474530 B2 JP4474530 B2 JP 4474530B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
distribution
viscosity
blood
shear stress
dimensional
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2004359792A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006166974A (en
Inventor
尚隆 新田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP2004359792A priority Critical patent/JP4474530B2/en
Publication of JP2006166974A publication Critical patent/JP2006166974A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4474530B2 publication Critical patent/JP4474530B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Description

本発明は、血液力学特性測定装置に係わり、特に、血流動態の診断に用いられる超音波ドプラ計測法に基づき、血液性状を代表する粘性率分布や血液内のずり応力分布を算出することにより、殆どの血管系疾患の引き金となっている動脈硬化プラーク破綻の危険性予知に関わる情報を術者に提供したり、個人の日常健康管理のための医療診断機器に利用可能な血液力学特性測定装置に関する。   The present invention relates to a hemodynamic characteristic measurement device, and in particular, by calculating a viscosity distribution representing blood properties and shear stress distribution in blood based on an ultrasonic Doppler measurement method used for diagnosis of blood flow dynamics. Measure hemodynamic properties that can be used to provide information to the surgeon for predicting the risk of atherosclerotic plaque failure, which triggers most vascular diseases, and for medical diagnostic equipment for personal daily health management Relates to the device.

下記の非特許文献1には、半導体微細加工技術(集積回路製作技術)を用いてシリコン単結晶基板表面に加工した微細な溝(マイクロチャネル)のアレイ(マイクロチャネルアレイ)を毛細血管モデルとして用い、そこに採取した血液を流し込み、溝を通過する赤血球・血漿などを顕微鏡で観察しながら、通過時間を計測する技術が開示されている。これは、この通過時間を計測することにより、赤血球変形能、白血球粘着能、血小板凝集能などを評価するものである。本計測に用いるマイクロチャネルアレイは製品化(製品名:MC-FAN, Micro Channel array Flow ANalyzer)されている。   Non-Patent Document 1 below uses an array of micro grooves (micro channel array) processed on the surface of a silicon single crystal substrate using a semiconductor micro processing technique (integrated circuit manufacturing technique) as a capillary model. A technique for measuring the passage time while pouring blood collected therein and observing red blood cells and plasma passing through the groove with a microscope is disclosed. This is to evaluate erythrocyte deformability, leukocyte adhesion ability, platelet aggregation ability and the like by measuring the passage time. The microchannel array used for this measurement has been commercialized (product name: MC-FAN, Micro Channel array Flow Analyzer).

また、下記の特許文献1には、非侵襲的に生体表面から波動(超音波)を入力し、生体を流れる体液に反射させて動きや位置から血液等の状態を解析し、循環情報を求めて健康状態を評価することを目的とした循環動態測定装置が開示されている。この装置は、生体表面から生体内部に波動を送受信する循環センサ部と、受信された波動から循環動態を算出する処理部とを備え、さらに循環センサ部は、血流量を測定する手段と血圧を測定する手段とを備え、処理部において、測定された血流量及び血圧から血液の粘性に関する情報を算出し、または事前に採取して測定した血液の粘性値との組み合わせにより、血管の形状に関する抵抗成分を算出するものである。   Further, in Patent Document 1 below, wave information (ultrasonic waves) is input non-invasively from the surface of a living body, reflected on a body fluid flowing through the living body, and the state of blood or the like is analyzed from movement or position to obtain circulation information. An apparatus for measuring circulatory dynamics for the purpose of evaluating health status is disclosed. This apparatus includes a circulation sensor unit that transmits and receives a wave from the surface of the living body to the inside of the living body, and a processing unit that calculates the circulation dynamics from the received wave, and the circulation sensor unit further includes means for measuring blood flow and blood pressure. Means for calculating the blood viscosity information from the measured blood flow rate and blood pressure in the processing unit, or by combining with the blood viscosity value measured in advance and measured, the resistance related to the shape of the blood vessel The component is calculated.

この発明の測定原理は、血流速度や血圧及び血管径の時間変化から循環情報を求めることを基本とするものであり、生体の末梢部位の血管を電気回路で置き換え、血流量Qを電流、血管内の異なる2点間の血圧値Vを電圧に相当させ、血管抵抗RをこのVとQの比と考えて(オームの法則から)、血管抵抗R = 血圧差V/血流量Q(式1)を算出するものである。この血管抵抗Rには、血管太さなど形状的な要因と、血液の粘性の要因が加算されており、rを形状的な要因(血管形状抵抗成分)、ρを血液の粘性の要因とすると、R = r × ρ = 血圧差V/血流量Q(式2)となる。同一被験者においては、rが日々大きく変化することは考えにくいため、血管抵抗Rは血液の粘性の影響を大きく受ける。そのため、比較的短期間(数日)においては、血管抵抗Rの変動は血液粘性ρの変化と見なせる。すなわち、血管抵抗Rを測定することにより、血液の粘性ρの変化を知ることができることから、この血管抵抗Rを末梢部位の循環動態の指標に利用しようとするものである。   The measurement principle of the present invention is based on obtaining circulatory information from changes in blood flow velocity, blood pressure, and blood vessel diameter over time, replacing blood vessels in a peripheral part of a living body with an electric circuit, blood flow volume Q as a current, The blood pressure value V between two different points in the blood vessel is equivalent to the voltage, and the blood vessel resistance R is considered to be the ratio of this V and Q (from Ohm's law). Vascular resistance R = blood pressure difference V / blood flow Q (formula 1) is calculated. The vascular resistance R includes a shape factor such as the thickness of the blood vessel and a factor of blood viscosity, where r is a shape factor (blood vessel shape resistance component) and ρ is a factor of blood viscosity. R = r × ρ = blood pressure difference V / blood flow rate Q (formula 2). In the same subject, since it is unlikely that r changes greatly every day, the vascular resistance R is greatly influenced by the viscosity of blood. Therefore, in a relatively short period (several days), the change in vascular resistance R can be regarded as a change in blood viscosity ρ. That is, by measuring the vascular resistance R, it is possible to know the change in the viscosity ρ of the blood. Therefore, the vascular resistance R is intended to be used as an indicator of the circulation dynamics in the peripheral region.

血管抵抗Rの測定方法については(式2)に基づくが、血流速度v、血管径d、血圧Vとすると、(式2)は、R = ρ×r = V/Q = 8V/πd2v(式3)となる。ここで、血流速度vと血管径dの測定は、循環センサ部に設置された複数枚の圧電振動子から超音波の送受信に基づいて行い、血圧の測定は、循環センサ部に設置された血圧センサを用いて行う。 The measurement method of the vascular resistance R is based on (Equation 2). However, assuming that the blood flow velocity v, the blood vessel diameter d, and the blood pressure V (Equation 2), R = ρ × r = V / Q = 8V / πd 2 v (Equation 3). Here, blood flow velocity v and blood vessel diameter d are measured based on transmission / reception of ultrasonic waves from a plurality of piezoelectric vibrators installed in the circulation sensor unit, and blood pressure measurement is installed in the circulation sensor unit. This is done using a blood pressure sensor.

また、下記の非特許文献2には、超音波システムを用いて血液粘性率を非侵襲で推定する方法が提案されている。硬い管内では、層流におけるニュートン流体の速度プロファイルの形状は、ナビエ-ストークス方程式における粘性率と圧勾配に関係している。順問題として考えれば、粘性率と圧勾配によって、血管内血流の速度分布の形状が決定される。従って、逆問題として考えれば、速度分布の形状から、粘性率と圧勾配を推定できることが考えられる。   Non-Patent Document 2 below proposes a method for noninvasively estimating blood viscosity using an ultrasonic system. In a rigid tube, the shape of the velocity profile of a Newtonian fluid in laminar flow is related to the viscosity and pressure gradient in the Navier-Stokes equation. If considered as a forward problem, the shape of the velocity distribution of the blood flow in the blood vessel is determined by the viscosity and the pressure gradient. Therefore, when considered as an inverse problem, it is conceivable that the viscosity and pressure gradient can be estimated from the shape of the velocity distribution.

管内を循環する流体の支配方程式は、ストークス方程式によって表される。円筒内の流れが層流であり、軸対称な1方向流であるような、強い制約下では、以下のような線形の常微分方程式が得られる。
このように、式(4)を基本式とし、速度成分分布(速度プロファイル)から、粘性率と圧勾配を求める方法については、以下のようなものが提案されている。
The governing equation of the fluid circulating in the pipe is represented by the Stokes equation. Under the strong constraint that the flow in the cylinder is a laminar flow and is an axisymmetric one-way flow, the following linear ordinary differential equation is obtained.
As described above, the following methods have been proposed for obtaining the viscosity and the pressure gradient from the velocity component distribution (velocity profile) using equation (4) as a basic equation.

(1) Linearized Method (線形化法、Bensahla,1983)
この方法は、速度プロファイルを時間軸方向に周波数分解し、その結果得られた拍動成分の速度プロファイルを基に、管内の2点の速度比をとって粘性率を推定するものである。しかし、この方法は時間軸方向の周波数解析を必要としているので、超音波診断技術に求められる実時間性を満たさない。また、速度比をとる2点の選び方によって、結果が変わってしまう問題もある。
(1) Linearized Method (Bensahla, 1983)
In this method, the velocity profile is frequency-resolved in the time axis direction, and the viscosity is estimated by taking the velocity ratio of two points in the tube based on the velocity profile of the pulsation component obtained as a result. However, since this method requires frequency analysis in the time axis direction, it does not satisfy the real-time property required for ultrasonic diagnostic techniques. In addition, there is a problem that the result changes depending on how to select two points having a speed ratio.

(2) Integral Method(積分法、Deguet,1999)
この方法は、式(4)が、半径r方向に2回積分できるので、粘性率及び密度を空間的に一様な定数として、2つの異なる位置で積分すると2式からなる連立方程式が得られことから、これを解くことにより粘性率を求めるものである。しかし、この方法は2つの積分路の選び方が非常に微妙であり、積分路の選び方によって結果が変わってくる。この点で、線形化法と同じ問題がある。
(2) Integral Method (Integral Method, Deguet, 1999)
In this method, since equation (4) can be integrated twice in the radius r direction, simultaneous equations at two different positions can be obtained by integrating the viscosity and density at spatially uniform constants at two different positions. Therefore, the viscosity is obtained by solving this. However, this method is very delicate in selecting two integration paths, and the result depends on how the integration path is selected. In this respect, there is the same problem as the linearization method.

(3) Maximum Likelihood Method (最尤推定法、Bacrie、1999、本論文で提案する手法)
この方法は、この非特許文献2に提案されている方法であり、上記(1)(2)のように、2点の計測だけでなく、多数点をとって、最尤推定法(最小二乗法)により粘性率と圧勾配を同時に推定する方法である。空間的に平均化して算出するので推定値の安定化が見込まれる。
これらの方法については、シミュレーションと流体実験により検証され、その結果については手法の妥当性が示されている。
(3) Maximum Likelihood Method (Maximum Likelihood Method, Bacrie, 1999, the method proposed in this paper)
This method is a method proposed in Non-Patent Document 2, and as described in the above (1) and (2), not only two points but also a number of points are taken and a maximum likelihood estimation method (minimum two This is a method of simultaneously estimating the viscosity and the pressure gradient by a multiplicative method. Since the calculation is performed by spatially averaging, the estimated value can be stabilized.
These methods are verified by simulation and fluid experiments, and the validity of the method is shown for the results.

また、下記の特許文献2には、血管内皮機能を評価するために、ずり応力に応じて変化する血管及び/または血流に関する情報を測定し、その変化量を算出した後、この変化量をずり応力の所定時間累積値によって正規化し、定量的な血管内皮機能の指標として用いることを特徴とする測定装置が開示されている。本測定装置は、血管内に生ずるずり応力を求めるずり応力算出手段と、ずり応力に応じて変化する血管及び/または血流に関する情報の変化量を、ずり応力の所定時間累計値で正規化した値を血管内皮機能の指標として求める指標算出手段とから構成されている。   In addition, in Patent Document 2 below, in order to evaluate the vascular endothelial function, information on blood vessels and / or blood flows that change according to shear stress is measured, and the amount of change is calculated. A measuring apparatus is disclosed that is normalized by a cumulative value of shear stress for a predetermined time and used as a quantitative indicator of vascular endothelial function. This measuring apparatus normalizes the shear stress calculation means for determining the shear stress generated in the blood vessel, and the amount of change in information regarding the blood vessel and / or blood flow that changes in accordance with the shear stress with the cumulative value of the shear stress for a predetermined time. It comprises index calculating means for obtaining a value as an index of vascular endothelial function.

ここで、ずり応力算出手段としては、ずり応力が、τ=4μQ/πr(Q:血流量、r:血管内半径、μ:粘性係数)によって計測することを特徴とするものである。すなわち、粘性係数が既知であるとし、血流量(血流速度計測により算出可)と血管内半径を測定して、上のずり応力算出式により、ずり応力を求めようとするものである。 Here, as the shear stress calculation means, the shear stress is measured by τ = 4 μQ / πr 3 (Q: blood flow volume, r: intravascular radius, μ: viscosity coefficient). That is, assuming that the viscosity coefficient is known, the blood flow volume (which can be calculated by blood flow velocity measurement) and the radius in the blood vessel are measured, and the shear stress is obtained by the above shear stress calculation formula.

菊池佑二、門馬正人、牧野鉄也、田村正孝:細胞マイクロレオロジー測定装置MC-FAN、細胞、30(7)、281-284、1998.Kikuchi Shinji, Monma Masato, Makino Tetsuya, Tamura Masataka: Cellular Microrheology Measurement Device MC-FAN, Cell, 30 (7), 281-284, 1998. C. C-Bacrie:”Estimation of Viscosity from Ultrasound Measurementsof Velocity Profiles”, Proc. IEEE Ultrasonics Symp., vol.2, pp.1489-1492, 1999.C. C-Bacrie: “Estimation of Viscosity from Ultrasound Measurements of Velocity Profiles”, Proc. IEEE Ultrasonics Symp., Vol.2, pp.1489-1492, 1999. 特開2003-290226JP2003-290226 特開2003-144395JP2003-144395

上記の非特許文献1に記載の技術によれば、マイクロチャネルアレイの溝を毛細血管モデルとして用い、そこを通過する血液成分を顕微鏡で観察すると共に通過時間を計測して、赤血球変形能、白血球粘着能、血小板凝集能などを評価するので、血液の性状を直感的に評価でき、優れた手法である。しかしながら、採血後の血液に対して検査が行われるので、抗凝固剤を添加するなど、血液が凝固しないような対処が必要となる。このため、生体内と同じ状態で血液性状を評価することは困難であると考えられる。   According to the technique described in Non-Patent Document 1 described above, the groove of the microchannel array is used as a capillary model, blood components passing therethrough are observed with a microscope, and the passage time is measured. Since adhesive ability, platelet aggregation ability, and the like are evaluated, blood properties can be intuitively evaluated, which is an excellent technique. However, since the test is performed on the blood after blood collection, it is necessary to take measures to prevent the blood from coagulating, such as adding an anticoagulant. For this reason, it is considered difficult to evaluate blood properties in the same state as in the living body.

また、上記の非特許文献2に記載の技術によれば、ストークス方程式利用し、血液の粘性率と圧勾配を定量的に推定しようとする方法であり、血流として、1方向流を仮定したストークス方程式を用いている。しかしながら、実際の血流は1方向のみの流れであるとは限らず、仮定の制約が強すぎる問題があると考えられる。従って、多方向に速度成分を持つような流れに対して、1方向流仮定を適用すると、算出される粘性率及び圧勾配の定量性が不十分となり、推定結果の信頼性は低下するものと考えられる。またこの手法では上述の特許文献1と同様、血管内の平均的な粘性率及び圧勾配を算出しているため、制約が強すぎる。また、この手法では、血管内を流れる血流全体の平均的な粘性率を算出するに留まり、粘性率の空間的な分布を画像化することはできない。   In addition, according to the technique described in Non-Patent Document 2, the Stokes equation is used to quantitatively estimate the viscosity and pressure gradient of blood, and a one-way flow is assumed as the blood flow. Stokes equation is used. However, the actual blood flow is not always a flow in one direction, and it is considered that there is a problem that the assumption restriction is too strong. Therefore, if the one-way flow assumption is applied to a flow that has velocity components in multiple directions, the quantitativeness of the calculated viscosity and pressure gradient will be insufficient, and the reliability of the estimation results will be reduced. Conceivable. In addition, in this method, the average viscosity and pressure gradient in the blood vessel are calculated, as in the case of the above-mentioned Patent Document 1, so that the restriction is too strong. Also, with this method, the average viscosity of the entire blood flow flowing in the blood vessel is calculated, and the spatial distribution of the viscosity cannot be imaged.

また、上記の特許文献1に記載の技術によれば、粘性に関する指標として、血流量と血圧の比で定義された血管抵抗を用いることを特徴としている。しかしながら、血管抵抗には、血管の形状要因や血液の粘性要因だけでなく、血管壁の粘弾性など、その他の要因も含まれていると考えられる。従って、複雑に各種要因を含む血管抵抗値を粘性に関する指標として用いるのは、粘性率のような物理量を算出していることには相当せず、定量性に欠けていると考えられる。また、血管抵抗値の算出は、超音波による2点での流量測定に基づいているため、このままではその2点区間の平均的な血管抵抗値を算出しているに過ぎない、と考えられる。   Moreover, according to the technique described in Patent Document 1, the blood vessel resistance defined by the ratio between the blood flow volume and the blood pressure is used as an index related to viscosity. However, it is considered that the vascular resistance includes not only the shape factor of the blood vessel and the blood viscosity factor but also other factors such as viscoelasticity of the blood vessel wall. Therefore, using a vascular resistance value including various factors in a complicated manner as an index relating to viscosity is not equivalent to calculating a physical quantity such as a viscosity, and is considered to lack quantitativeness. Further, since the calculation of the vascular resistance value is based on the flow measurement at two points using ultrasonic waves, it is considered that the average vascular resistance value in the two-point section is merely calculated as it is.

また、上記の特許文献2に記載の技術によれば、血管内皮機能を評価するためにずり応力を求めているが、ずり応力推定に用いられている式、τ=4μQ/πr (Q:血流量、r:血管内半径、μ:粘性係数)について、血行力学的にその導出過程が不明確である。従って、得られたずり応力値の妥当性も不明瞭である。また本来、ずり応力は、血管内皮側と軸中央で異なるなど、分布を持つものであるが、上記算出式では血管内の平均的なずり応力値しか算出できず、内皮機能を評価するには、不十分であると考えられる。 Further, according to the technique described in Patent Document 2, the shear stress is obtained in order to evaluate the vascular endothelial function. The equation used for shear stress estimation is τ = 4 μQ / πr 3 (Q: The derivation process of blood flow volume, r: intravascular radius, μ: viscosity coefficient) is unclear in terms of hemodynamics. Therefore, the validity of the obtained shear stress value is also unclear. In addition, the shear stress is inherently distributed such that it differs between the vascular endothelium side and the center of the axis, but the above formula can only calculate the average shear stress value in the blood vessel, and to evaluate the endothelial function Is considered insufficient.

ところで、近年の厚生労働省人口動態調査によると、動脈硬化症に代表されるような血管系疾患は、ガンに匹敵する死亡数となっている。動脈硬化症における不安定プラークは、ずり応力の少ない部位に発生し、多量の脂質を薄い線維被膜が覆う脆弱な構造をしているが、大きなずり応力や圧較差によって突如破綻し、血栓形成により閉塞に至ることが知られている。血流速度勾配とずり応力は、粘性率を係数として概ね比例関係にあるが、血糖値の上昇、または血液中のヘマトクリット上昇(多血症)、あるいは血栓形成(血栓症)に伴って粘性率が上昇すると、それに起因してずり応力が増加し、血管内皮への負荷が大きくなるため、不安定プラーク破綻の危険性が増すものと考えられている。すなわち、血液のずり応力や粘性率は、不安定プラーク破綻の危険因子であると言える。現在、不安定プラークを検出するのに注目されている技術として、冠動脈への血管内エコー法や経皮的頸動脈エコーを利用して、拍動により変形する血管壁の局所的な歪みを求め、プラークの弾性(硬さ)を把握することにより、プラークの不安定度を診断する弾性イメージングがある。しかし、プラーク破綻の危険性を予知するには、このような組織診断だけでなく、破綻の直接的な引き金となる血液のずり応力、またはずり応力を制御している粘性率を知ることが必要不可欠である。血液のずり応力や粘性率を知ることにより、プラーク破綻の危険性を予知でき、血管系疾患の予防に有用な指標となり得ると考えられる。従って、診断において血液のずり応力及び粘性率を正確かつ非侵襲に評価することができれば、有意義な診断情報を提供できるものと考えられる。   By the way, according to a recent demographic survey of the Ministry of Health, Labor and Welfare, vascular diseases such as arteriosclerosis have the number of deaths comparable to cancer. Unstable plaque in arteriosclerosis occurs at a site with low shear stress, and has a fragile structure where a large amount of lipid is covered with a thin fibrous capsule, but it suddenly fails due to large shear stress and pressure difference, and due to thrombus formation It is known to lead to blockage. The blood flow velocity gradient and shear stress are approximately proportional to each other with the coefficient of viscosity as the coefficient, but the viscosity is associated with an increase in blood glucose level, hematocrit in the blood (polysemia), or thrombus formation (thrombosis). It is considered that the risk of unstable plaque rupture increases because the shear stress increases due to the increase, and the load on the vascular endothelium increases. That is, it can be said that shear stress and viscosity of blood are risk factors for unstable plaque failure. Currently, as a technique attracting attention for detecting unstable plaque, intravascular echo technique to coronary artery or percutaneous carotid artery echo is used to find local distortion of blood vessel wall deformed by pulsation. There is elastic imaging that diagnoses plaque instability by grasping the elasticity (hardness) of plaque. However, in order to predict the risk of plaque failure, it is necessary to know not only the tissue diagnosis but also the shear stress of blood that directly triggers the failure, or the viscosity that controls the shear stress. It is essential. Knowing the shear stress and viscosity of blood can predict the risk of plaque failure, and may be a useful index for the prevention of vascular diseases. Therefore, it is considered that meaningful diagnosis information can be provided if the shear stress and viscosity of blood can be accurately and non-invasively evaluated.

一方、診断的な側面のみならず、近年の健康維持促進の観点から、血液の健康度を日常的にチェックすることは、個人レベルでの血管系疾患の予防にとって重要である。例えば、喫煙においては、ヘマトクリット、平均赤血球容積の増加、また血小板の活性化により血栓形成が促進され、その結果、血液粘性が上昇する。さらには、血糖値の高い血液も、その粘性は大きいことが分かっている。このように、粘性に代表される血液性状は、動脈硬化や糖尿病などの生活習慣病の日常的なモニタリング指標として有用であると考えられる。従って、簡便に血液の粘性率を正確に把握することができれば、生活習慣病予防に対する個人の健康管理を促進し、結果的に医療費の抑制に寄与するものと期待される。   On the other hand, from the viewpoint of not only the diagnostic aspect but also the promotion of health maintenance in recent years, it is important for daily prevention of blood health to prevent vascular diseases at the individual level. For example, in smoking, thrombus formation is promoted by hematocrit, an increase in average red blood cell volume, and activation of platelets, resulting in an increase in blood viscosity. Furthermore, it is known that blood with a high blood sugar level has a high viscosity. Thus, blood properties represented by viscosity are considered useful as a daily monitoring index for lifestyle-related diseases such as arteriosclerosis and diabetes. Therefore, if the viscosity of blood can be grasped accurately and easily, it is expected that personal health management for lifestyle-related disease prevention will be promoted and, as a result, medical costs will be reduced.

これらのニーズに対して、キーワードとなるのは、正確にずり応力、及び粘性率を評価することの他に、血管内における血液の粘性率分布、及び血流によるずり応力分布を知ることである。周知の通り、血液は血球成分と血漿成分の混在流体であり、それぞれの成分の粘性率は異なっている。すなわち、血液内の粘性率は分布を持っており、この分布が、不安定プラークの破綻に大きく影響しているものと考えられる。平均的な粘性率、またはずり応力から、血液の組成に関して議論し、血液の性状を評価することには限界がある。従って、平均的な粘性率及びずり応力の評価に加えて、これらの分布を正確に知ることができれば、上記のニーズを十分に満たすことができると考えられる。   For these needs, the key is to know the shear viscosity distribution and the shear stress distribution due to blood flow in addition to accurately assessing shear stress and viscosity. . As is well known, blood is a fluid mixture of blood cell components and plasma components, and the viscosity of each component is different. That is, the viscosity in blood has a distribution, and this distribution is considered to have a great influence on the failure of unstable plaque. There is a limit to discussing blood composition and evaluating blood properties from average viscosity or shear stress. Therefore, in addition to the evaluation of average viscosity and shear stress, it is considered that the above needs can be sufficiently satisfied if these distributions can be accurately known.

本発明の目的は、上記の問題に鑑み、生体内を流れる血液内の粘性率分布及びずり応力分布を捉えるために、超音波ドプラ計測により得られた血流速度分布を領域分割し、局所的に粘性率が一定であると仮定した、非圧縮粘性流体の2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式を用いて、各領域において粘性率を算出し、これを全空間内で反復することにより、粘性率の分布を得ることにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to divide a blood flow velocity distribution obtained by ultrasonic Doppler measurement into a region in order to capture a viscosity distribution and a shear stress distribution in blood flowing through a living body. By calculating the viscosity in each region using the 2D or 3D Navier-Stokes equation of the incompressible viscous fluid, which is assumed to be constant, and repeating this in the whole space, The purpose is to obtain a viscosity distribution.

また、本発明の他の目的は、超音波ドプラ計測により得られた血流速度分布からずり速度分布を算出し、ニュートンの粘性の法則である(ずり応力)=(粘性率)×(ずり速度)に、それぞれ算出された粘性率分布とずり速度分布を代入、すなわち、粘性率分布とずり速度分布を乗算して、ずり応力分布を算出することにある。なお、ずり応力分布の算出は、計測の安定化を図るために、粘性率の平均値とずり速度分布を乗算しても得ることもできる。   Another object of the present invention is to calculate a shear velocity distribution from a blood flow velocity distribution obtained by ultrasonic Doppler measurement, and is Newton's law of viscosity (shear stress) = (viscosity) × (shear velocity). ) Is substituted with the calculated viscosity distribution and shear rate distribution, that is, the shear stress distribution is calculated by multiplying the viscosity distribution and shear rate distribution. The calculation of the shear stress distribution can also be obtained by multiplying the average value of the viscosity and the shear rate distribution in order to stabilize the measurement.

また、本発明の他の目的は、ナビエ-ストークス方程式に基づいてずり応力を算出するのではなく、血液の粘性率分布が一様であると仮定して、血流の純粋な速度測定値からずり速度分布を求め、ずり応力分布を相対的に把握することにある。   Another object of the present invention is not to calculate shear stress based on the Navier-Stokes equation, but to assume that the blood viscosity distribution is uniform, The purpose is to obtain a shear rate distribution and relatively grasp the shear stress distribution.

また、本発明の他の目的は、得られた粘性率分布、ずり応力分布、ずり速度分布を実時間で時々刻々術者または検査者に画像表示すると同時に、粘性率分布及びずり応力分布の平均値を数値として画面表示することにある。   Another object of the present invention is to display an image of the obtained viscosity distribution, shear stress distribution, and shear rate distribution on the operator or examiner in real time, and at the same time, average the viscosity distribution and shear stress distribution. The value is displayed on the screen as a numerical value.

本発明は、上記の問題を解決するために、下記の手段を採用した。
第1の手段は、経皮的に血管内の血流に向けて超音波等の波動を入射させ、その血管内の血液中に含まれる血球成分からの散乱エコーを受信した後、超音波ドプラ計測によって血流速度分布を計測する手段と、前記計測された血流速度分布に基づいて、2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式を利用して、前記血液の粘性率分布及び/または前記血液の粘性率分布平均値を求める手段とからなることを特徴とする血液力学特性測定装置である。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The first means percutaneously enters a wave such as an ultrasonic wave toward the blood flow in the blood vessel, receives a scattered echo from a blood cell component contained in the blood in the blood vessel, and then receives an ultrasonic Doppler. A means for measuring a blood flow velocity distribution by measurement, and using the two-dimensional or three-dimensional Navier-Stokes equation based on the measured blood flow velocity distribution, the viscosity distribution of the blood and / or the blood It is a hemodynamic characteristic measuring device characterized by comprising means for obtaining an average value of viscosity distribution of

第2の手段は、第1の手段において、前記血液の粘性率分布を、実時間で計測して画像表示すると同時に、前記血液の粘性率分布平均値を数値として表示する手段とを備えたことを特徴とする血液力学特性測定装置である。   The second means includes means for measuring the viscosity distribution of the blood in real time and displaying the image in the first means, and simultaneously displaying the average value of the viscosity distribution of the blood as a numerical value. Is a hemodynamic characteristic measuring device characterized by

第3の手段は、経皮的に血管内の血流に向けて超音波等の波動を入射させ、その血管内の血液中に含まれる血球成分からの散乱エコーを受信した後、超音波ドプラ計測によって血流速度分布を計測する手段と、前記計測された血流速度分布に基づいて、2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式を利用して、前記血液の粘性率分布及び/または血液の粘性率分布平均値を求める手段と、前記計測された血流速度分布からずり速度分布を算出するずり速度分布算手段と、前記算出されたずり速度分布と血液の粘性率分布または血液の粘性率分布平均値とに基づいて血液内のずり応力分布を求める手段とからなることを特徴とする血液力学特性測定装置である。   The third means percutaneously enters a wave such as an ultrasonic wave toward the blood flow in the blood vessel, receives a scattered echo from a blood cell component contained in the blood in the blood vessel, and then receives an ultrasonic Doppler. Means for measuring blood flow velocity distribution by measurement, and using the two-dimensional or three-dimensional Navier-Stokes equations based on the measured blood flow velocity distribution, the viscosity distribution of the blood and / or the blood Means for calculating viscosity distribution average value, shear rate distribution calculating means for calculating shear rate distribution from the measured blood flow velocity distribution, and the calculated shear rate distribution and blood viscosity distribution or blood viscosity A hemodynamic characteristic measuring apparatus comprising: means for obtaining a shear stress distribution in blood based on a distribution average value.

第4の手段は、第3の手段において、前記血液内のずり応力分布は、前記算出されたずり速度分布と血液の粘性率分布または血液の粘性率分布平均値とを乗算することにより算出されることを特徴とする血液力学特性測定装置である。   According to a fourth means, in the third means, the shear stress distribution in the blood is calculated by multiplying the calculated shear rate distribution by the blood viscosity distribution or the blood viscosity distribution average value. This is a device for measuring hemodynamic characteristics.

第5の手段は、経皮的に血管内の血流に向けて超音波等の波動を入射させ、その血管内の血液中に含まれる血球成分からの散乱エコーを受信した後、超音波ドプラ計測によって血流速度分布を計測する手段と、前記計測された血流速度分布からずり速度分布を算出するずり速度分布算手段と、血液の粘性率分布が一様であるとの条件下において、前記算出されたずり速度分布から血液内のずり応力分布を求める手段とからなることを特徴とする血液力学特性測定装置である。   The fifth means percutaneously enters a wave such as an ultrasonic wave toward the blood flow in the blood vessel, receives a scattered echo from a blood cell component contained in the blood in the blood vessel, and then receives an ultrasonic Doppler. Under the condition that the means for measuring the blood flow velocity distribution by measurement, the shear velocity distribution calculating means for calculating the shear velocity distribution from the measured blood flow velocity distribution, and the blood viscosity distribution is uniform, A hemodynamic characteristic measuring apparatus comprising: means for obtaining a shear stress distribution in blood from the calculated shear rate distribution.

第6の手段は、第3の手段乃至第5の手段のいずれか1つの手段において、前記血液の粘性率分布及び前記血液内のずり応力分布を、実時間で計測して画像表示すると同時に、前記血液の粘性率分布及び血液内のずり応力分布の平均値を数値として表示する手段とを備えたことを特徴とする血液力学特性測定装置である。   Sixth means, in any one of the third to fifth means, the viscosity distribution of the blood and the shear stress distribution in the blood are measured and displayed in real time, A hemodynamic characteristic measuring apparatus comprising: means for displaying, as numerical values, an average value of the viscosity distribution of blood and the shear stress distribution in blood.

本発明によれば、従来の技術では捉えることが困難であった、血液内の粘性率分布及びずり応力分布を正確に把握することができ、また粘性率分布及びずり応力分布を画像として、また副次的に粘性率分布及びずり応力分布の平均値を数値として、術者あるいは検査者に、実時間で呈示することが可能となる。
また、粘性率分布及びずり応力分布の画像により、血球成分(高粘性)と血漿成分(低粘性)の含有割合など、血液の組成を把握することが可能となる。これにより、例えば、動脈硬化プラークに接する血液の粘性率、あるいは血流のずり応力が通常よりも高い、などの測定結果から、プラーク破綻の危険性を正確かつ容易に予知することが可能となり、血管系疾患の防止に寄与ですることがきる。
According to the present invention, it is possible to accurately grasp the viscosity distribution and shear stress distribution in the blood, which was difficult to capture with the conventional technology, and to display the viscosity distribution and shear stress distribution as an image. Secondary, the average value of the viscosity distribution and the shear stress distribution can be presented as numerical values to the operator or the examiner in real time.
In addition, the composition of blood such as the content ratio of blood cell component (high viscosity) and plasma component (low viscosity) can be grasped from the images of viscosity distribution and shear stress distribution. This makes it possible to accurately and easily predict the risk of plaque failure, for example, from the measurement results such as the viscosity of blood in contact with atherosclerotic plaque or the shear stress of blood flow being higher than usual. It can contribute to the prevention of vascular diseases.

以下に、本発明の一実施形態を図1乃至図8を用いて説明する。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

図1は、本実施形態の発明に係る血液力学特性測定装置の構成及び該装置の全体の処理の流れを示す図である。
同図において、1は生体断層面描出及び血管内の血流速度分布計測に用いる超音波プローブであり、プローブ表面上に、1次元配列または2次元配列された素子から超音波を発生させて生体内に入射し、測定対象血管2内の血球からの散乱波及び血管周辺組織3からの散乱波を、同一の素子を経由して受信するものであり、受信した散乱波は、断層面の構成、及び血流速度分布計測に用いられる。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a hemodynamic characteristic measuring apparatus according to the invention of the present embodiment and a flow of processing of the entire apparatus.
In the figure, reference numeral 1 denotes an ultrasonic probe used for rendering a tomographic surface of a living body and measuring a blood flow velocity distribution in a blood vessel. The incident light enters the body and receives the scattered wave from the blood cell in the blood vessel 2 to be measured and the scattered wave from the tissue surrounding the blood vessel 3 through the same element. And blood flow velocity distribution measurement.

4は速度分布測定部であり、超音波プローブ1を経由して受信された超音波散乱波を用いて、断層像を作成して血管位置を同定すると同時に、2次元断層面内、または3次元空間内の2次元速度ベクトル分布、または3次元速度ベクトル分布を求める。ここで、2次元速度ベクトル分布、または3次元速度ベクトル分布は、例えば、ある時間間隔をおいて時間的に連続する超音波断層像、または超音波3次元ボリューム像を2枚用いて、血球の移動量を相関法により求め、その移動量を2枚の像の時間間隔で除算することにより求めることができるものである。あるいは2次元速度ベクトル分布を求めることに限れば、超音波ドプラ法を用いて、血球に対して超音波を連続照射し、連続受信した隣接する散乱波の移動量を超音波照射時間間隔で除算して、2次元速度ベクトルの1速度成分である、超音波照射方向の速度成分を求め、それに直交するもう一方の速度成分は、流体力学における非圧縮条件を用いて求めて、完全な2次元速度ベクトル分布を求めることもできるものである。   A velocity distribution measuring unit 4 creates a tomographic image by using the ultrasonic scattered wave received via the ultrasonic probe 1 to identify the blood vessel position, and at the same time, within the two-dimensional tomographic plane or three-dimensionally. A two-dimensional velocity vector distribution or a three-dimensional velocity vector distribution in space is obtained. Here, the two-dimensional velocity vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution is obtained by using, for example, two ultrasonic tomographic images or two ultrasonic three-dimensional volume images that are temporally continuous at a certain time interval. The amount of movement can be obtained by a correlation method and can be obtained by dividing the amount of movement by the time interval between two images. Alternatively, if it is limited to obtaining a two-dimensional velocity vector distribution, ultrasonic doppler method is used to continuously irradiate blood cells with ultrasonic waves, and the amount of movement of adjacent scattered waves continuously received is divided by the ultrasonic irradiation time interval. Then, the velocity component in the ultrasonic irradiation direction, which is one velocity component of the two-dimensional velocity vector, is obtained, and the other velocity component orthogonal thereto is obtained using the incompressible condition in the fluid dynamics to obtain a complete two-dimensional A velocity vector distribution can also be obtained.

5は2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式に基づき計測対象血管2内の血液の粘性率の分布を算出する粘性率分布算出部であり、粘性率分布の算出には、速度分布測定部4で得られた2次元速度ベクトル分布または3次元速度ベクトル分布を用いる。   Reference numeral 5 denotes a viscosity distribution calculating unit that calculates the distribution of the viscosity of blood in the blood vessel 2 to be measured based on a two-dimensional or three-dimensional Navier-Stokes equation. For calculating the viscosity distribution, a velocity distribution measuring unit 4 is used. The two-dimensional velocity vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution obtained in (1) is used.

6は粘性率分布算出部5で得られた粘性率分布の空間的な平均値を求めるための粘性率分布平均値算出部であり、粘性率分布算出部5は、血液粘性率の空間的なパターンを認識するための部分であるのに対し、粘性率分布平均値算出部6は、血液粘性率値を定量的に把握するための部分である。   Reference numeral 6 denotes a viscosity distribution average value calculation unit for obtaining a spatial average value of the viscosity distribution obtained by the viscosity distribution calculation unit 5, and the viscosity distribution calculation unit 5 spatially calculates the blood viscosity. The viscosity distribution average value calculation unit 6 is a part for quantitatively grasping the blood viscosity value while it is a part for recognizing the pattern.

7は速度分布測定部4で求められた2次元速度ベクトル分布または3次元速度ベクトル分布を用いて、ずり速度分布を算出するずり速度分布算出部である。具体的には、ずり速度分布算出部7は2次元速度ベクトル分布または3次元速度ベクトル分布に基づいて、2次元または3次元のひずみ速度テンソルを求め、そのテンソル成分の内、せん断成分を抽出して、ずり速度分布を算出する。血液の粘性率が空間的に一様であると仮定すると、ずり速度分布はずり応力分布に比例する。従って、ずり応力分布の相対的評価として、ずり速度分布を直接用いることもできる。   Reference numeral 7 denotes a shear velocity distribution calculation unit that calculates a shear velocity distribution using the two-dimensional velocity vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution obtained by the velocity distribution measuring unit 4. Specifically, the shear velocity distribution calculation unit 7 obtains a two-dimensional or three-dimensional strain rate tensor based on the two-dimensional velocity vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution, and extracts a shear component from the tensor components. To calculate the shear rate distribution. Assuming that the viscosity of blood is spatially uniform, the shear rate distribution is proportional to the shear stress distribution. Therefore, the shear rate distribution can be directly used as a relative evaluation of the shear stress distribution.

8はずり速度分布算出部7で得られたずり速度分布の空間的な平均値を求めるためのずり速度分布平均値算出部であり、ずり速度分布算出部7は血流によるずり速度の空間的なパターンを認識するための部分であるのに対し、ずり速度分布平均値算出部8は血流ずり速度値を定量的に把握するための部分である。   8 is a shear rate distribution average value calculating unit for obtaining a spatial average value of the shear rate distribution obtained by the shear rate distribution calculating unit 7, and the shear rate distribution calculating unit 7 spatially calculates the shear rate due to blood flow. On the other hand, the shear rate distribution average value calculation unit 8 is a part for quantitatively grasping the blood flow shear rate value.

9はニュートン粘性法則式:(ずり応力)=(粘性率)×(ずり速度)に基づいて、ずり応力分布を算出するずり応力分布算出部である。粘性率には、粘性率分布算出部5、または粘性率が一様であると仮定して、粘性率分布平均値算出部6にて求められた値を用いる。また、ずり速度には、ずり速度分布算出部7で求められたずり速度分布を用いる。このようにして求められた、粘性率分布(あるいは粘性率分布平均値)とずり速度分布を用いて、ずり応力分布を算出する。   Reference numeral 9 denotes a shear stress distribution calculation unit that calculates a shear stress distribution based on the Newtonian viscosity law formula: (shear stress) = (viscosity) × (shear rate). As the viscosity, a value obtained by the viscosity distribution calculation unit 5 or the viscosity distribution average value calculation unit 6 on the assumption that the viscosity is uniform is used. Further, as the shear rate, the shear rate distribution obtained by the shear rate distribution calculating unit 7 is used. A shear stress distribution is calculated using the viscosity distribution (or viscosity distribution average value) and the shear rate distribution thus obtained.

10はずり応力分布算出部9で得られたずり応力分布の空間的な平均値を求めるためのずり応力分布平均値算出部である。ずり応力分布算出部9は血流によるずり応力の空間的なパターンを認識するための部分であるのに対し、ずり応力分布平均値算出部10は血流ずり応力値を定量的に把握するための部分である。   10 A shear stress distribution average value calculation unit for obtaining a spatial average value of the shear stress distribution obtained by the shear stress distribution calculation unit 9. The shear stress distribution calculation unit 9 is a part for recognizing a spatial pattern of shear stress due to blood flow, whereas the shear stress distribution average value calculation unit 10 quantitatively grasps the blood flow shear stress value. It is a part of.

11は、血管位置を同定するための超音波断層像にて描出された血管内腔上に、2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式に基づく粘性率分布算出部5で得られた血液の粘性率分布、ずり速度分布算出部7で得られたずり速度分布、またはずり応力分布算出部9で得られたずり応力分布の各々を重ね合わせて画像表示する表示部である。これら各々の分布画像は、表示部11において切り替え表示可能である。また同時に、粘性率分布平均値算出部6にて得られた粘性率分布平均値、ずり速度分布平均値算出部8にて得られたずり速度分布平均値、またはずり応力分布平均値算出部10にて得られたずり応力分布平均値を表示部11画面上に定量的な数値として表示することが可能である。   Reference numeral 11 denotes a blood viscosity obtained by the viscosity distribution calculation unit 5 based on a two-dimensional or three-dimensional Navier-Stokes equation on a blood vessel lumen drawn by an ultrasonic tomographic image for identifying a blood vessel position. This is a display unit that superimposes each of the rate distribution, the shear rate distribution obtained by the shear rate distribution calculation unit 7, or the shear stress distribution obtained by the shear stress distribution calculation unit 9 to display an image. Each of these distribution images can be switched and displayed on the display unit 11. At the same time, the viscosity distribution average value obtained by the viscosity distribution average value calculation unit 6, the shear rate distribution average value obtained by the shear rate distribution average value calculation unit 8, or the shear stress distribution average value calculation unit 10. Can be displayed as a quantitative numerical value on the screen of the display unit 11.

次に、本発明に係る血液力学特性測定装置の動作について説明する。
まず、上記で説明した生体の体表より非侵襲で血液の粘性率分布、ずり速度分布、ずり応力分布、及び粘性率分布平均値、ずり速度分布平均値、ずり応力分布平均値を求めるために、生体断層面描出及び血管内の血流速度分布計測に用いる超音波プローブ1を体表面に配置し接触させる。プローブ表面上に、1次元配列または2次元配列された素子から超音波を発生させて生体内に入射し、測定対象血管2内の血球からの散乱波及び血管周辺組織3からの散乱波を、同一の素子を経由して受信する。受信した散乱波は、断層面の構成及び血流速度分布計測に用いられる。
Next, the operation of the hemodynamic characteristic measuring apparatus according to the present invention will be described.
First, in order to obtain non-invasive blood viscosity distribution, shear rate distribution, shear stress distribution, and viscosity distribution average value, shear rate distribution average value, and shear stress distribution average value from the body surface of the living body described above. Then, the ultrasonic probe 1 used for rendering the tomographic surface of the living body and measuring the blood flow velocity distribution in the blood vessel is placed on and brought into contact with the body surface. On the probe surface, an ultrasonic wave is generated from a one-dimensional array or a two-dimensional array element and is incident on a living body, and a scattered wave from a blood cell in the blood vessel 2 to be measured and a scattered wave from a tissue around the blood vessel 3 are Receive via the same element. The received scattered wave is used for tomographic plane configuration and blood flow velocity distribution measurement.

速度分布測定部4は、素子を1次元配列または2次元配列した超音波プローブ1を経由して受信された超音波散乱波を用いて、断層像を作成して血管位置を同定すると同時に、2次元断層面内における2次元速度ベクトル分布、または3次元空間内の3次元速度ベクトル分布を求める。2次元速度ベクトル分布または3次元速度ベクトル分布は、例えば、ある時間間隔をおいて時間的に連続する超音波断層像、または超音波3次元ボリューム像を2枚用いて、血球の移動量を相関法により求め、その移動量を2枚の像の時間間隔で除算することにより求めることができる。   The velocity distribution measurement unit 4 creates a tomographic image by using the ultrasonic scattered wave received via the ultrasonic probe 1 in which the elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally and identifies the blood vessel position. A two-dimensional velocity vector distribution in a three-dimensional tomographic plane or a three-dimensional velocity vector distribution in a three-dimensional space is obtained. Two-dimensional velocity vector distribution or three-dimensional velocity vector distribution correlates the amount of movement of blood cells using, for example, two ultrasonic tomographic images or two ultrasonic three-dimensional volume images that are temporally continuous at a certain time interval. It can be obtained by the method and divided by the time interval between the two images.

あるいは、2次元速度ベクトル分布を求めることに限れば、超音波ドプラ法を用いて、血球に対して超音波を連続照射し、連続受信した隣接する散乱波の移動量を超音波照射時間間隔で除算して、2次元速度ベクトルの1速度成分である、超音波照射方向の速度成分を求め、それに直交するもう一方の速度成分は、流体力学における非圧縮条件を用いて求めて、完全な2次元速度ベクトル分布を求めることもできる。   Alternatively, if it is limited to obtaining a two-dimensional velocity vector distribution, ultrasonic doppler method is used to continuously irradiate blood cells with ultrasonic waves, and the amount of movement of adjacent scattered waves received continuously is measured at intervals of ultrasonic irradiation time. By dividing, a velocity component in the ultrasonic irradiation direction, which is one velocity component of the two-dimensional velocity vector, is obtained, and the other velocity component orthogonal thereto is obtained by using an incompressible condition in fluid mechanics. A dimensional velocity vector distribution can also be obtained.

ここで求められる2次元速度ベクトル分布、または3次元速度ベクトル分布は、それらの測定を時間連続的に反復して得ることができるので、速度分布測定部4では、2次元速度ベクトル分布、または3次元速度ベクトル分布の時系列を求めることができる。   Since the two-dimensional velocity vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution obtained here can be obtained by repeating the measurement continuously in time, the velocity distribution measuring unit 4 can obtain the two-dimensional velocity vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution. A time series of dimensional velocity vector distribution can be obtained.

特に、速度分布測定部4において、2次元速度ベクトル分布を相関法の適用以外で求める方法としては、前述のように流体力学の非圧縮条件を用いることができる。この際、計測手段として超音波ドプラ法を利用するが、この超音波ドプラ法で求められる速度成分は、前述のように、2次元速度ベクトルの内の、超音波ビーム照射方向の1成分のみである。これに直交する速度成分を求めれば、2次元速度ベクトルが求められるわけであるが、これを算出するのに、非圧縮条件を利用することができる。本発明においては、血液が非圧縮性の流体であることを仮定したので、血流速度場の至る場所での2次元速度ベクトル成分に対し、以下の非圧縮条件が成り立つことになる。
ここでは、vが超音波ドプラ法で計測された速度成分であるとし、vに直交するもう一方の速度成分uを算出することを考える。式1をxについて積分すると、以下のような、uに関する積分方程式が導ける。
この式は、1つの速度成分を知れば、もう一方の速度成分は、非圧縮条件を用いて算出できることを示している。すなわち、超音波ドプラ法で超音波ビーム照射方向の速度成分vの分布を求めることができれば、それに直交するもう一方の速度成分uの分布を算出することができる。従って、超音波ドプラ法による速度計測結果と式2に基づいて、2次元速度ベクトル分布を算出することが可能であるが、式2は、積分を含むので、求める速度分布域が広範囲に及ぶ場合には、ノイズによる誤差伝播により、算出の安定性に不十分な場合が生じ、さらには、uの初期値u(x0,y)を適切に与える必要がある。このような場合に備えて、式1の非圧縮条件式に基づいた反復法によるuの算出も可能である。式1に基づいて、超音波ドプラ法により計測されたvの分布に基づいてuを算出するのに、以下のような反復式を用いる。
ここで、vはビーム軸方向成分、uは方位方向成分に直交する速度成分、i、jは格子点、Δx、 Δyは格子点間隔、kは繰り返しのインデックスである。uの初期値としては、ビーム軸方向とチューブ軸との角度が既知であるので、以下のように与えられる。
一方向流であれば、式4に基づいて方位方向の速度成分を推定可能であるが、一般に血管内を流れる血流は、1方向流では近似することは困難である。従って、式4を反復式における初期値として、式3によりuを修正しながら求めるのが有効である。式3の収束性は実験データにより確認しており、すなわち、式3はuの算出に有効である。
In particular, as a method for obtaining the two-dimensional velocity vector distribution other than the application of the correlation method in the velocity distribution measuring unit 4, the non-compressive condition of fluid dynamics can be used as described above. At this time, an ultrasonic Doppler method is used as a measuring means. As described above, the velocity component obtained by this ultrasonic Doppler method is only one component of the two-dimensional velocity vector in the ultrasonic beam irradiation direction. is there. If a velocity component orthogonal to this is obtained, a two-dimensional velocity vector is obtained, but an uncompressed condition can be used to calculate this. In the present invention, since it is assumed that blood is an incompressible fluid, the following incompressible condition is satisfied for a two-dimensional velocity vector component at a place where the blood flow velocity field reaches.
Here, it is assumed that v is a velocity component measured by the ultrasonic Doppler method, and that another velocity component u orthogonal to v is calculated. If equation 1 is integrated with respect to x, the following integral equation for u can be derived.
This equation shows that if one speed component is known, the other speed component can be calculated using non-compression conditions. That is, if the distribution of the velocity component v in the ultrasonic beam irradiation direction can be obtained by the ultrasonic Doppler method, the distribution of the other velocity component u orthogonal to it can be calculated. Therefore, it is possible to calculate the two-dimensional velocity vector distribution based on the velocity measurement result by the ultrasonic Doppler method and Equation 2, but since Equation 2 includes integration, the velocity distribution region to be obtained covers a wide range. In some cases, error propagation due to noise causes insufficient calculation stability, and it is necessary to appropriately provide an initial value u (x 0 , y) of u. In preparation for such a case, it is also possible to calculate u by an iterative method based on the uncompressed conditional expression of Expression 1. Based on Equation 1, the following iterative equation is used to calculate u based on the distribution of v measured by the ultrasonic Doppler method.
Here, v is a beam axis direction component, u is a velocity component orthogonal to the azimuth direction component, i and j are lattice points, Δx and Δy are lattice point intervals, and k is a repetition index. The initial value of u is given as follows because the angle between the beam axis direction and the tube axis is known.
In the case of a unidirectional flow, the velocity component in the azimuth direction can be estimated based on Equation 4, but it is generally difficult to approximate the blood flow in the blood vessel with the unidirectional flow. Therefore, it is effective to obtain Equation 4 while correcting u using Equation 3 with the initial value in the iterative equation. The convergence of Equation 3 is confirmed by experimental data, that is, Equation 3 is effective in calculating u.

図2は、図1に示した粘性率分布算出部5の詳細な構成を示す図である。
同図において、12は速度分布サブ領域分割部であり、速度分布測定部4で得られた、2次元速度ベクトル分布、または3次元速度ベクトル分布を、細かなサブ領域13に分割する機能を有する。本発明において2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式に基づき粘性率を算出するのに、血液が非圧縮性であると仮定しているため、粘性率は空間的に一意であるとして算出される。しかしながら、血液は赤血球や血小板などの混在流体であり、粘性率は一意とならず、分布を持つ。この分布を得るために、サブ領域13に分割し、該サブ領域13内では粘性率が一様であるとして、粘性率を算出する。これを分割した全てのサブ領域13に対して反復することにより、粘性率分布を得るものである。
FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of the viscosity distribution calculator 5 shown in FIG.
In the figure, reference numeral 12 denotes a velocity distribution sub-region dividing unit having a function of dividing the two-dimensional velocity vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution obtained by the velocity distribution measuring unit 4 into fine sub-regions 13. . In the present invention, the viscosity is calculated on the basis of the two-dimensional or three-dimensional Navier-Stokes equations, and since the blood is assumed to be incompressible, the viscosity is calculated as spatially unique. . However, blood is a mixed fluid such as red blood cells and platelets, and the viscosity is not unique and has a distribution. In order to obtain this distribution, the viscosity is calculated by assuming that the viscosity is uniform in the sub-region 13 within the sub-region 13. By repeating this operation for all divided sub-regions 13, a viscosity distribution is obtained.

14は粘性率算出部であり、サブ領域13内では粘性率が一様であるとして、2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式に基づく粘性率の算出を行う。3次元速度ベクトル分布が用いられたときの粘性率算出式は式8、または式9、または式10に基づいて行われ、2次元速度ベクトル分布が用いられたときの粘性率算出式は式13に基づいて行われる。   Reference numeral 14 denotes a viscosity calculation unit, which calculates the viscosity based on a two-dimensional or three-dimensional Navier-Stokes equation, assuming that the viscosity is uniform in the sub-region 13. The viscosity calculation formula when the three-dimensional velocity vector distribution is used is based on Formula 8, 9, or 10, and the viscosity calculation formula when the two-dimensional velocity vector distribution is used is Formula 13. Based on.

15は粘性率分布構成部(サブ領域統合)であり、粘性率算出部14で求めた全てのサブ領域13内での粘性率を、元のサブ領域位置に埋め込んで統合することにより、粘性率分布を構成するものである。   Reference numeral 15 denotes a viscosity distribution component (sub-region integration), in which the viscosity in all the sub-regions 13 obtained by the viscosity-calculation unit 14 is embedded in the original sub-region position and integrated. It constitutes the distribution.

ここで、粘性率は、速度分布測定部4にて算出された、2次元速度ベクトル分布、または3次元速度ベクトル分布の時系列と、血液が非圧縮粘性流体であると仮定したときの2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式に基づいて得られる。   Here, the viscosity is the two-dimensional velocity vector distribution or time series of the three-dimensional velocity vector distribution calculated by the velocity distribution measuring unit 4 and the two-dimensional when the blood is assumed to be an incompressible viscous fluid. Alternatively, it is obtained based on the three-dimensional Navier-Stokes equation.

まず、3次元速度ベクトル分布の時系列に基づく粘性率算出法について説明する。速度分布測定部4において相関法などにより得られた3次元速度ベクトル分布の時系列の直交3成分をu、v、wとすると、3次元のナビエ-ストークス方程式は直交座標系(xyz)において以下のように記述できる。
ここで、t:時間、ρ:密度、p:圧力、ν:動粘性率で、粘性率μと密度ρの比であり、ν=μ/ρである。また、u,xなどの表記は、uをxで偏微分することを表しており、以下同様である。すなわち、ナビエ-ストークス方程式は、速度ベクトル成分u、v、wが既知であるとすると、未知数として、圧力p、動粘性率νを含む方程式であると見なすことができる。これらの式から、動粘性率νを求めるために、式5と式6、または式6と式7、または式7と式5のように、3式の内、2式を用いて、微分操作により、圧力pを含む項を消去する。
以上のように、3次元ナビエ-ストークス方程式の3式の内、2式を用いれば、3次元速度ベクトル分布の時系列のみから動粘性率νを算出することが可能となる。動粘性率νは、血液の粘性を表す物理量として、動粘性率分布、及び動粘性率分布平均値を求め、粘性率算出の代替として用いることができる。すなわち、以降、粘性率という場合は、この動粘性率算出も含まれる。また、粘性率は、式8、または式9、または式10によって算出された動粘性率と既知の血液密度を乗算することにより得ることができる。以上から、本発明における粘性率算出の基本原理は、式8、または式9、または式10である。
First, a viscosity calculation method based on a time series of a three-dimensional velocity vector distribution will be described. When the three orthogonal components of the time series of the three-dimensional velocity vector distribution obtained by the correlation method or the like in the velocity distribution measuring unit 4 are u, v, and w, the three-dimensional Navier-Stokes equations are as follows in the orthogonal coordinate system (xyz): Can be described as follows.
Here, t: time, ρ: density, p: pressure, ν: kinematic viscosity, the ratio of the viscosity μ and the density ρ, and ν = μ / ρ. Further, u, notation such as x represents the partially differentiating the u at x, and so forth. That is, if the velocity vector components u, v, and w are known, the Navier-Stokes equation can be regarded as an equation including the pressure p and the kinematic viscosity ν as unknowns. From these equations, in order to obtain the kinematic viscosity ν, the differential operation is performed using two of the three equations as in the equations 5 and 6, or the equations 6 and 7, or the equations 7 and 5. Deletes the term including the pressure p.
As described above, the kinematic viscosity ν can be calculated only from the time series of the three-dimensional velocity vector distribution by using two of the three expressions of the three-dimensional Navier-Stokes equation. The kinematic viscosity ν can be used as an alternative to viscosity calculation by obtaining the kinematic viscosity distribution and the kinematic viscosity distribution average value as physical quantities representing the viscosity of blood. That is, hereinafter, the term "viscosity" includes this kinematic viscosity calculation. Further, the viscosity can be obtained by multiplying the kinematic viscosity calculated by Expression 8, 9 or 10 by a known blood density. From the above, the basic principle of viscosity calculation in the present invention is Expression 8, Expression 9, or Expression 10.

一方で、血液が非圧縮粘性流体であることを仮定しているので、粘性率は空間的に1つの値(空間内の粘性率分布の平均値に準じた値)として得られるので、このままでは、粘性率分布を算出することはできない。そこで、粘性率分布を算出するために、速度分布測定部4において算出された3次元速度ベクトル分布を、速度分布サブ領域分割部12を用いて2次元または3次元空間領域におけるサブ領域13に分割し、各々の局所的なサブ領域13に対して、式8、または式9、または式10を用いる粘性率算出部14を適用することにより粘性率(または動粘性率を含む)を算出する。このようにして全てのサブ領域13で粘性率を求め、粘性率分布構成部(サブ領域統合)15において、サブ領域13における粘性率を空間的に再配置して統合すれば、血液内の粘性率分布を得ることができる。これが、本発明における、粘性率分布算出の基本原理である。
式8、または式9、または式10は、局所的な血流速度分布を用いて粘性率が算出できることを示しているので、上記のような考え方で、粘性率分布の算出が可能である。また、粘性率分布は、3次元速度ベクトル分布の時系列を用いて得られるので、時間的にこの処理を反復することにより、粘性率分布の時系列を求めることも可能である。さらに、式8、または式9、または式10は、3次元速度ベクトル成分から得られるので、頸動脈のような直線的な血管だけでなく、心臓のように3次元の血流分布を持つ対象にも適用できる。
On the other hand, since it is assumed that blood is an incompressible viscous fluid, the viscosity is obtained as a spatially single value (a value according to the average value of the viscosity distribution in the space). The viscosity distribution cannot be calculated. Therefore, in order to calculate the viscosity distribution, the three-dimensional velocity vector distribution calculated by the velocity distribution measuring unit 4 is divided into sub-regions 13 in a two-dimensional or three-dimensional space region using the velocity distribution sub-region dividing unit 12. Then, the viscosity (or kinematic viscosity is included) is calculated by applying the viscosity calculation unit 14 using Expression 8, 9, or 10 to each local sub-region 13. In this way, the viscosity in all the sub-regions 13 is obtained, and in the viscosity distribution component (sub-region integration) 15, the viscosity in the sub-region 13 is spatially rearranged and integrated. A rate distribution can be obtained. This is the basic principle of viscosity distribution calculation in the present invention.
Since Expression 8, 9 or 10 indicates that the viscosity can be calculated using the local blood flow velocity distribution, the viscosity distribution can be calculated based on the above-described concept. Further, since the viscosity distribution is obtained by using a time series of a three-dimensional velocity vector distribution, it is possible to obtain the time series of the viscosity distribution by repeating this process in terms of time. Furthermore, since Equation 8, or Equation 9, or Equation 10 is obtained from a three-dimensional velocity vector component, not only a linear blood vessel such as a carotid artery but also a subject having a three-dimensional blood flow distribution such as a heart. It can also be applied to.

以上は、3次元速度ベクトル分布を利用した粘性率分布の算出法に関する説明であるが、3次元速度ベクトルを求めるのが困難である場合、実用的な、2次元のナビエ-ストークス方程式を用いても、血液の粘性率分布を算出することは可能である。3次元ナビエ-ストークス方程式を用いた場合と同様、血液が非圧縮性粘性流体であると仮定して2次元流、すなわち、断面内にのみ速度ベクトルが存在する流れを扱うものとする。このとき、非圧縮性粘性流体に対する2次元ナビエ-ストークス方程式は、以下のように記述できる。
ここで、u、vは、同一断面内における2次元速度ベクトルの直交成分、pは圧力、ρ、νは密度、及び動粘性率(ν=μ/ρ、μは粘性率)であり、非圧縮性流体を仮定したので、ρ、νは定数と見なすことができる。速度分布測定部4において、相関法や、前述の非圧縮条件を用いた方式などにより、2次元の速度ベクトルの時系列が求められたとすると、未知パラメータは、密度・圧力・動粘性率であるが、その内の動粘性率νを求めるために、式11をyで、式12をxで微分した後に圧力項を消去し、非圧縮条件を用いて渦度輸送方程式を導いてからνについて解くと、ξを渦度として以下のように求まる。
ここで渦度は、
で定義されるように、2次元速度ベクトル成分から求まる量である。すなわち、2次元ナビエ-ストークス方程式を満たす血液の動粘性率νは、渦度を有する血流の2次元速度場の時間変化、すなわち、2次元速度ベクトル分布の時系列を計測することで求められることになる。3次元ナビエ-ストークス方程式を用いた粘性率の説明と同様、式13で算出される動粘性率は、血液の粘性を表す物理量として、動粘性率分布、及び動粘性率分布平均値を求め、粘性率算出の代替として用いることができる。すなわち、以降、粘性率という場合は、この動粘性率算出も含まれる。また、2次元の場合でも粘性率を算出するには、式13によって算出された動粘性率と既知の血液密度を乗算することにより得ることができる。以上から、本発明において、2次元ナビエ-ストークス方程式に基づく粘性率算出の基本原理は、式13となる。
The above is a description of a method for calculating a viscosity distribution using a three-dimensional velocity vector distribution. When it is difficult to obtain a three-dimensional velocity vector, a practical two-dimensional Navier-Stokes equation is used. However, it is possible to calculate the viscosity distribution of blood. As in the case of using the three-dimensional Navier-Stokes equation, it is assumed that the blood is an incompressible viscous fluid, and a two-dimensional flow, that is, a flow in which a velocity vector exists only in a cross section is handled. At this time, the two-dimensional Navier-Stokes equation for the incompressible viscous fluid can be described as follows.
Here, u and v are orthogonal components of the two-dimensional velocity vector in the same cross section, p is pressure, ρ and ν are density and kinematic viscosity (ν = μ / ρ, μ is viscosity), Since a compressible fluid is assumed, ρ and ν can be regarded as constants. If the velocity distribution measuring unit 4 obtains a time series of two-dimensional velocity vectors by the correlation method or the above-described method using the uncompressed condition, the unknown parameters are density, pressure, and kinematic viscosity. However, in order to obtain the kinematic viscosity ν, the equation 11 is differentiated by y and the equation 12 is differentiated by x, then the pressure term is eliminated, and the vorticity transport equation is derived using the incompressible condition and then ν is obtained. When solved, it is obtained as follows using ξ as the vorticity.
Where vorticity is
Is an amount obtained from a two-dimensional velocity vector component. That is, the kinematic viscosity ν of blood satisfying the two-dimensional Navier-Stokes equation is obtained by measuring the time change of the two-dimensional velocity field of the blood flow having vorticity, that is, the time series of the two-dimensional velocity vector distribution. It will be. Similar to the explanation of the viscosity using the three-dimensional Navier-Stokes equation, the kinematic viscosity calculated by the equation 13 calculates the kinematic viscosity distribution and the kinematic viscosity distribution average value as physical quantities representing the viscosity of blood. It can be used as an alternative to viscosity calculation. That is, hereinafter, the term "viscosity" includes this kinematic viscosity calculation. Further, even in the case of two dimensions, the viscosity can be calculated by multiplying the kinematic viscosity calculated by Equation 13 and a known blood density. From the above, in the present invention, the basic principle of viscosity calculation based on the two-dimensional Navier-Stokes equation is expressed by Equation 13.

一方で2次元のナビエ-ストークス方程式を用いた場合でも、血液が非圧縮粘性流体であることを仮定しており、粘性率は空間的に1つの値として得られるので、このままでは、粘性率分布を算出することはできない。従って、粘性率分布を算出するための方式としても、前述の、3次元の方式を用いることができる。すなわち、速度分布測定部4において算出された2次元速度ベクトル分布を、速度分布サブ領域分割部12を用いて2次元断面領域におけるサブ領域に分割し、各々の局所的なサブ領域において、粘性率算出部14にて式13を適用することにより粘性率(または動粘性率を含む)を算出する。このようにして全てのサブ領域13で粘性率を求め、粘性率分布構成部(サブ領域統合)15において、サブ領域13における粘性率を空間的に再配置して統合すれば、血液内の粘性率の2次元分布を得ることができる。これが、本発明において2次元ナビエ-ストークス方程式を用いた場合の、粘性率分布算出の基本原理である。式13は、局所的な血流速度分布を用いて粘性率が算出できることを示しているので、上記のような考え方で、粘性率の2次元分布の算出が可能である。また、粘性率分布は、2次元速度ベクトル分布の時系列を用いて得られるので、時間的にこの処理を反復することにより、粘性率分布の時系列を求めることも可能である。   On the other hand, even when the two-dimensional Navier-Stokes equation is used, it is assumed that the blood is an incompressible viscous fluid, and the viscosity is obtained as one spatial value. Cannot be calculated. Therefore, the above-described three-dimensional method can be used as a method for calculating the viscosity distribution. That is, the two-dimensional velocity vector distribution calculated in the velocity distribution measuring unit 4 is divided into sub-regions in the two-dimensional cross-sectional region using the velocity distribution sub-region dividing unit 12, and the viscosity coefficient is determined in each local sub-region. The calculation unit 14 applies Equation 13 to calculate the viscosity (or kinematic viscosity). In this way, the viscosity in all the sub-regions 13 is obtained, and in the viscosity distribution component (sub-region integration) 15, the viscosity in the sub-region 13 is spatially rearranged and integrated. A two-dimensional distribution of rates can be obtained. This is the basic principle for calculating the viscosity distribution when the two-dimensional Navier-Stokes equation is used in the present invention. Since Expression 13 indicates that the viscosity can be calculated using the local blood flow velocity distribution, the two-dimensional distribution of the viscosity can be calculated based on the above-described concept. Further, since the viscosity distribution is obtained using a time series of two-dimensional velocity vector distribution, it is possible to obtain the time series of the viscosity distribution by repeating this process in time.

以上のように、2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式に基づく粘性率分布算出部5では、2次元速度ベクトル分布の時系列、または3次元速度ベクトル分布の時系列を用いて、粘性率の2次元分布、または3次元分布を得ることを可能としている一方で、粘性率分布平均値算出部6では、それらの粘性率分布の空間的な平均値を数値として得ることも可能である。さらに、粘性率分布の時系列も求めることが可能であるので、当然ながら、粘性率分布平均値の時系列を求めることも可能である。   As described above, the viscosity distribution calculation unit 5 based on the two-dimensional or three-dimensional Navier-Stokes equation uses the time series of the two-dimensional velocity vector distribution or the time series of the three-dimensional velocity vector distribution to calculate the viscosity. While it is possible to obtain a two-dimensional distribution or a three-dimensional distribution, the viscosity distribution average value calculation unit 6 can also obtain a spatial average value of these viscosity distributions as a numerical value. Furthermore, since the time series of the viscosity distribution can be obtained, it is naturally possible to obtain the time series of the viscosity distribution average value.

図3は、図2に示した粘性率分布算出部5における具体例を示す図である。
同図において、16は速度分布測定部4で得られた、2次元速度ベクトル分布または3次元速度ベクトル分布の断面図、17は粘性率算出部14で得られた全てのサブ領域13における粘性率に対して、粘性率分布構成部(サブ領域統合)15を経て求められた粘性率分布の断面図、18は粘性率分布平均値算出部6で算出された粘性率分布平均値である。
FIG. 3 is a diagram showing a specific example in the viscosity distribution calculator 5 shown in FIG.
In the figure, 16 is a cross-sectional view of a two-dimensional velocity vector distribution or a three-dimensional velocity vector distribution obtained by the velocity distribution measurement unit 4, and 17 is a viscosity coefficient in all sub-regions 13 obtained by the viscosity calculation unit 14. On the other hand, a cross-sectional view of the viscosity distribution obtained through the viscosity distribution component (sub-region integration) 15, and 18 is the viscosity distribution average value calculated by the viscosity distribution average value calculator 6.

同図に示すように、速度分布測定部4にて算出された、2次元速度ベクトル分布または3次元速度ベクトル分布16を、速度分布サブ領域分割部12において破線で囲まれたサブ領域13に分割し、各々のサブ領域13において粘性率算出部14によって粘性率を算出する。粘性率算出部14では、3次元速度ベクトル分布を基にした場合は、式8、または式9、または式10を用いて粘性率を求め、2次元速度ベクトル分布を基にした場合は、式13を用いて粘性率を求める。粘性率算出部14で算出された各々サブ領域13での粘性率値は、粘性率分布構成部(サブ領域統合)15において、元のサブ領域13に再配置して統合され、最終的な粘性率分布17が求められる。同時に、粘性率算出部14から算出された粘性率値は、血液内における局所的な値であるので、粘性率分布平均値算出部6により、粘性率分布平均値18が算出される。   As shown in the figure, the two-dimensional velocity vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution 16 calculated by the velocity distribution measuring unit 4 is divided into sub-regions 13 surrounded by broken lines in the velocity distribution sub-region dividing unit 12. Then, the viscosity is calculated by the viscosity calculator 14 in each sub-region 13. When the viscosity calculation unit 14 is based on the three-dimensional velocity vector distribution, the viscosity is obtained using the equation 8, 9, or 10, and when the viscosity is based on the two-dimensional velocity vector distribution, the equation 13 is used to determine the viscosity. The viscosity value in each sub-region 13 calculated by the viscosity calculation unit 14 is rearranged and integrated in the original sub-region 13 in the viscosity distribution component (sub-region integration) 15 to obtain the final viscosity. A rate distribution 17 is obtained. At the same time, since the viscosity value calculated from the viscosity calculation unit 14 is a local value in the blood, the viscosity distribution average value calculation unit 6 calculates the viscosity distribution average value 18.

図3においては、ある瞬時での粘性率分布及び粘性率分布平均値をそれぞれ算出を示しているが、この処理を時間的に反復して連続的に行うことにより、粘性率分布の時系列、及び粘性率分布平均値の時系列を求めることができる。   FIG. 3 shows the calculation of the viscosity distribution and the average viscosity distribution at a certain moment, but by repeating this process in time, the time series of the viscosity distribution, And a time series of viscosity distribution average values.

粘性率分布算出法について、例えば、2次元の場合の式13の妥当性を計算機シミュレーションで検討した。この際、実際の血液の動粘性率(0.03 cm2/s)を基準として、0.002cm2/s〜0.04cm2/sまで、粘性率を増減させた動粘性率を与えた場合について、ナビエ-ストークス方程式に基づいた流れ解析を行い、得られた2次元速度ベクトル分布のみを参照して、式13を用いて動粘性率を推定した。動粘性率を0.002cm2/sずつ細かく変化させて動粘性率算出を行った結果、真の粘性率に対して、算出された粘性値の平均二乗誤差は、1.8%であった。すなわち、流れがナビエ-ストークス方程式に従うものであり、2次元速度ベクトル分布を高精度に求めることができれば、本発明により、高精度に粘性率値の算出が可能であることを確認した。 Regarding the viscosity distribution calculation method, for example, the validity of Equation 13 in the two-dimensional case was examined by computer simulation. In this case, based on the kinematic viscosity of the actual blood (0.03 cm 2 / s), to 0.002cm 2 /s~0.04cm 2 / s, the case of giving a kinematic viscosity that increases or decreases the viscosity, Navier -Flow analysis based on the Stokes equation was performed, and the kinematic viscosity was estimated using Equation 13 with reference to only the obtained two-dimensional velocity vector distribution. As a result of calculating the kinematic viscosity by finely changing the kinematic viscosity by 0.002 cm 2 / s, the mean square error of the calculated viscosity value was 1.8% with respect to the true viscosity. That is, if the flow follows the Navier-Stokes equation and the two-dimensional velocity vector distribution can be obtained with high accuracy, it was confirmed that the viscosity value can be calculated with high accuracy according to the present invention.

図4は、図1に示したずり応力分布算出部9の詳細な構成を示す図である。
同図に示すように、ずり速度分布算出部9において、粘性率分布算出部5において算出された血液の粘性率分布または粘性率分布平均値算出部6において算出された粘性率分布平均値と、ずり速度分布算出部7において算出されたずり速度分布とを入力することにより、ニュートン粘性法則式に従って、(ずり応力分布)=(粘性率分布)×(ずり速度分布)、または(ずり応力分布)=(粘性率分布平均値)×(ずり速度分布)の演算を行い、ずり応力分布を算出する。
FIG. 4 is a diagram showing a detailed configuration of the shear stress distribution calculation unit 9 shown in FIG.
As shown in the figure, in the shear rate distribution calculation unit 9, the viscosity distribution of blood calculated in the viscosity distribution calculation unit 5 or the viscosity distribution average value calculated in the viscosity distribution average value calculation unit 6; By inputting the shear rate distribution calculated in the shear rate distribution calculating unit 7, according to Newton's law of viscosity, (shear stress distribution) = (viscosity distribution) × (shear rate distribution) or (shear stress distribution) = (Viscosity distribution average value) × (shear rate distribution) is calculated to calculate a shear stress distribution.

ここで、粘性率分布に代えて、粘性率分布平均値も適用できるようにしているのは、測定の安定化を図るためである。当然ながら、粘性率分布を利用したずり応力分布算出の方が、粘性率分布平均値を利用したずり応力分布算出よりも高い精度と、詳細なずり応力分布を得ることができる。
このようにして得られたずり応力分布は、ずり応力分布平均値算出部10にて、ずり応力分布平均値を求めることも可能である。また、粘性率分布時系列の算出と同様な考え方により、ずり応力分布の時系列を求めることも可能である。
Here, instead of the viscosity distribution, the average value of the viscosity distribution can be applied in order to stabilize the measurement. Naturally, the shear stress distribution calculation using the viscosity distribution can obtain a higher accuracy and a detailed shear stress distribution than the shear stress distribution calculation using the average viscosity distribution.
As for the shear stress distribution obtained in this way, the shear stress distribution average value calculation unit 10 can obtain the shear stress distribution average value. It is also possible to obtain a shear stress distribution time series based on the same concept as the calculation of the viscosity distribution time series.

図5は、図4に示したずり応力分布算出部9における具体例を示す図である。
同図において、19はずり速度分布算出部7で得られたずり速度分布の断面図、20はずり応力分布の断面図、21はずり応力分布平均値算出部10で得られたずり応力分布平均値、22はニュートン粘性法則式に従い、サブ領域13ごとに得られた粘性率とずり速度の乗算により、サブ領域13ごとにずり応力を算出するずり応力算出部である。
典型的な血液動態では血管内皮側で大きなずり応力を生ずるが、ずり応力分布算出部9において、ずり応力分布を適切に算出することにより、定量的なずり応力分布の評価が可能となる。
FIG. 5 is a diagram showing a specific example in the shear stress distribution calculation unit 9 shown in FIG.
In the figure, 19 is a cross-sectional view of the shear rate distribution obtained by the shear rate distribution calculation unit 7, 20 is a cross-sectional view of the 20 shear stress distribution, and 21 is an average shear stress distribution obtained by the shear stress distribution average value calculation unit 10. A value 22 is a shear stress calculation unit that calculates shear stress for each sub-region 13 by multiplication of the viscosity obtained for each sub-region 13 and the shear rate according to Newton's viscosity law.
In typical hemodynamics, a large shear stress is generated on the vascular endothelium side. However, by appropriately calculating the shear stress distribution in the shear stress distribution calculating unit 9, it is possible to evaluate the shear stress distribution quantitatively.

このずり応力分布の算出には、粘性率分布算出部5で得られた粘性率分布17または粘性率分布平均値算出部6で得られた粘性率分布平均値18と、ずり速度分布算出部7で得られたずり速度分布19を用いる。粘性率分布17とずり速度分布19をサブ領域13に分割し、各々のサブ領域13で、ずり応力算出部22において、ニュートン粘性法則式を適用して、粘性率×ずり速度の演算を実行して、サブ領域13ごとに、ずり応力を算出する。サブ領域13ごとに算出されたずり応力は、元のサブ領域13に再配置し統合することによって、ずり応力分布20が求められる。さらに、サブ領域13ごとに得られたずり応力を、ずり応力分布平均値算出部10にて平均化することにより、空間的なずり応力分布平均値21を算出することができる。   For the calculation of the shear stress distribution, the viscosity distribution 17 obtained by the viscosity distribution calculation unit 5 or the viscosity distribution average value 18 obtained by the viscosity distribution average value calculation unit 6 and the shear rate distribution calculation unit 7 are used. The shear velocity distribution 19 obtained in (1) is used. The viscosity distribution 17 and the shear velocity distribution 19 are divided into sub-regions 13, and in each sub-region 13, the shear stress calculation unit 22 applies Newton's viscosity law formula to calculate viscosity × shear velocity. Thus, the shear stress is calculated for each sub-region 13. The shear stress calculated for each sub-region 13 is rearranged and integrated in the original sub-region 13 to obtain a shear stress distribution 20. Furthermore, the shear stress distribution average value 21 can be calculated by averaging the shear stress obtained for each sub-region 13 by the shear stress distribution average value calculation unit 10.

図5に示す具体例は、ある瞬時でのずり応力分布算出およびずり応力分布平均値算出を示しているが、この処理を時間的に反復して連続的に行うことにより、ずり応力分布の時系列、およびずり応力分布平均値の時系列を求めることができる。   The specific example shown in FIG. 5 shows the calculation of shear stress distribution and the average calculation of shear stress distribution at a certain moment. By repeating this process repeatedly in time, the shear stress distribution is calculated. The time series of the series and the shear stress distribution average value can be obtained.

図6は、図1におけるずり速度分布算出部7の詳細な構成を示す図である。
同図において、23はずり速度分布算出に必要なひずみ速度分布を得るために、速度成分分布を微分するための速度成分分布微分演算部であり、速度分布測定部4で得られた2次元速度ベクトル分布、または3次元速度ベクトル分布に対して、空間微分演算を行う。
FIG. 6 is a diagram showing a detailed configuration of the shear velocity distribution calculation unit 7 in FIG.
In the figure, a two-dimensional velocity obtained by the velocity distribution measuring unit 4 is a velocity component distribution derivative calculating unit for differentiating the velocity component distribution in order to obtain a strain velocity distribution necessary for calculating the 23 shear velocity distribution. Spatial differentiation is performed on the vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution.

24はひずみ速度テンソル分布算出部であり、速度成分分布微分演算部23で得られた、2次元速度ベクトル、または3次元速度ベクトル成分の微分に対して加算処理を行って、2次元、または3次元のひずみ速度テンソル成分を求める。   Reference numeral 24 denotes a strain rate tensor distribution calculation unit, which performs addition processing on the differentiation of the two-dimensional velocity vector or the three-dimensional velocity vector component obtained by the velocity component distribution derivative calculation unit 23 to obtain a two-dimensional or three-dimensional value. Find the strain rate tensor component of the dimension.

25はずり速度分布抽出部であり、ひずみ速度テンソル分布算出部25において得られたひずみ速度テンソル分布から、ずり速度成分のみを抽出し、ずり速度度分布を求める。   25, which is a shear rate distribution extraction unit, extracts only the shear rate component from the strain rate tensor distribution obtained by the strain rate tensor distribution calculation unit 25, and obtains the shear rate degree distribution.

なお、ずり速度分布算出部7は、ずり応力分布算出部9に必要なずり速度分布を算出するものであるが、ナビエ-ストークス方程式が成立しない場合に備えて、このような場合でもずり応力分布が把握可能となるように、血液の粘性率分布が一様であると仮定したときにずり応力分布に比例するずり速度分布を、相対的なずり応力分布として代替することも可能である。   The shear rate distribution calculation unit 7 calculates the shear rate distribution necessary for the shear stress distribution calculation unit 9, but in the case where the Navier-Stokes equation does not hold, the shear stress distribution even in such a case. It is also possible to replace the shear rate distribution proportional to the shear stress distribution when the blood viscosity distribution is uniform, as a relative shear stress distribution.

ずり速度分布算出部7において、ずり速度分布を算出するには、まず、速度分布測定部4で得られた2次元速度ベクトル分布、または3次元速度ベクトル分布に対して、速度成分分布微分演算部23にて速度ベクトル成分を、空間微分し、さらにひずみ速度テンソル分布演算部24にてひずみ速度テンソルを算出する。3次元速度ベクトル分布を用いた場合の3次元ひずみ速度テンソルは、式15a〜式15fのように求められる。
ここで、exx、eyy、ezz、exy、eyz、ezxは、対称なひずみ速度テンソルにおける6成分を示している。exx、eyy、ezzが垂直ひずみ速度テンソル成分、exy、eyz、ezxがせん断ひずみ速度テンソル成分を示している。
なお、2次元速度ベクトル分布を用いた場合の2次元ひずみ速度テンソルは、式15a、式15b、式15cとして求められる。
式15a〜式15fのように求められたひずみ速度テンソルから、ずり速度分布抽出部25にてせん断成分を抽出し、3次元の場合のずり速度分布については式15d〜式15f、2次元の場合のずり速度分布については式15dが求められる。すなわち、3次元の場合のずり速度成分として求められるのは、exy、eyz、ezxであり、2次元の場合のずり速度成分として求められるのは、exyである。また、このようにして求められたずり速度分布に対し、ずり速度分布平均値算出部8を適用することにより、ずり速度分布平均値を算出することも可能である。また、粘性率分布時系列の算出と同様な考え方により、ずり速度分布の時系列を求めることも可能である。
In order to calculate the shear velocity distribution in the shear velocity distribution calculation unit 7, first, a velocity component distribution differential calculation unit is applied to the two-dimensional velocity vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution obtained by the velocity distribution measurement unit 4. 23, the velocity vector component is spatially differentiated, and the strain rate tensor distribution calculation unit 24 calculates the strain rate tensor. The three-dimensional strain rate tensor when the three-dimensional velocity vector distribution is used is obtained as in Equations 15a to 15f.
Here, e xx , e yy , e zz , e xy , e yz , and e zx represent six components in a symmetric strain rate tensor. e xx , e yy , and e zz indicate normal strain rate tensor components, and e xy , e yz , and e zx indicate shear strain rate tensor components.
Note that the two-dimensional strain rate tensor when the two-dimensional velocity vector distribution is used is obtained as Equations 15a, 15b, and 15c.
A shear rate distribution extracting unit 25 extracts a shear component from the strain rate tensor obtained as in the formulas 15a to 15f, and the shear rate distribution in the three-dimensional case is expressed by the formulas 15d to 15f and the two-dimensional case. Equation 15d is obtained for the shear velocity distribution. That is, from being determined as the shear rate component in the case of three dimensions, e xy, e yz, an e zx, being asked as shear rate component in the case of the two-dimensional is e xy. Further, it is also possible to calculate the shear rate distribution average value by applying the shear rate distribution average value calculating unit 8 to the shear rate distribution thus obtained. It is also possible to obtain the shear rate distribution time series based on the same concept as the calculation of the viscosity distribution time series.

図7は、図6に示したずり速度分布算出部7の具体例を示す図である。
同図において、26はサブ領域13ごとにずり速度を算出するずり速度算出部、27はずり速度分布平均値算出部8で得られたずり速度分布平均値である。
速度分布測定部4において求められた2次元速度ベクトル分布、または3次元速度ベクトル分布16に対して、サブ領域13に分割し、各々のサブ領域13に対して、ずり速度算出部26にて、ずり速度を算出する。ここで求められるずり速度は、3次元速度ベクトル分布を対象とした場合は式15d〜式15f、2次元速度ベクトル分布を対象とした場合は式15dに基づいて算出される。このように全てのサブ領域で算出されたずり速度値を、元のサブ領域に再配置し統合することによって、ずり速度分布19を得ることができる。さらに、全てのサブ領域で得られたずり速度を、ずり速度分布平均値算出部8にて平均化することで、空間的に平均化されたずり速度分布平均値27を算出することも可能である。
FIG. 7 is a diagram showing a specific example of the shear velocity distribution calculation unit 7 shown in FIG.
In the figure, reference numeral 26 denotes a shear rate calculation unit for calculating a shear rate for each sub-region 13, and 27 is a shear rate distribution average value obtained by the 27 shear rate distribution average value calculation unit 8.
The two-dimensional velocity vector distribution or the three-dimensional velocity vector distribution 16 obtained by the velocity distribution measuring unit 4 is divided into sub-regions 13, and for each sub-region 13, the shear velocity calculating unit 26 Calculate the shear rate. The shear rate obtained here is calculated based on Equation 15d to Equation 15f when the three-dimensional velocity vector distribution is targeted, and based on Equation 15d when the two-dimensional velocity vector distribution is targeted. The shear rate distribution 19 can be obtained by rearranging and integrating the shear rate values calculated in all the sub-regions in the original sub-region. Furthermore, the shear velocity distribution average value 27 can be calculated by averaging the shear velocity obtained in all the sub-regions in the shear velocity distribution average value calculating unit 8. is there.

図7に示す具体例は、ある瞬時でのずり速度分布算出及びずり速度分布平均値算出を示しているが、この処理を時間的に反復して連続的に行うことにより、ずり速度分布の時系列、及びずり速度分布平均値の時系列を求めることができる。   The specific example shown in FIG. 7 shows the calculation of the shear rate distribution and the average value of the shear rate distribution at a certain moment. By repeating this process in time, the shear rate distribution is calculated. The time series of the series and the shear speed distribution average value can be obtained.

本発明による粘性率分布算出のアルゴリズムは、2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式が成立するニュートン流体に対して無条件に適用可能である。ニュートン流体とは、ずり応力とずり速度が線形関係にあるような流体である。血液は、ずり応力とずり速度が非線形関係にある非ニュートン流体であるが、全体として非線形関係にある場合でも、細かく分割すれば、線形関係にあると見なせる。従って、微小なずり速度が加わり、ずり応力とずり速度が線形関係と見なせる時間区間においては、血液のような非ニュートン流体に対しても、本発明による粘性率分布算出アルゴリズムは適用可能である。拍動の少ない、末梢血管を対象とした測定においては、以上のように適用可能であるが、拍動を伴う血管において粘性率分布を算出する場合、拍動の時相により算出される粘性率の大きさが周期的に変化することが起こり得る。この様子を図8に示す。   The algorithm for calculating the viscosity distribution according to the present invention can be applied unconditionally to a Newtonian fluid in which a two-dimensional or three-dimensional Navier-Stokes equation is established. A Newtonian fluid is a fluid in which shear stress and shear rate are in a linear relationship. Blood is a non-Newtonian fluid in which shear stress and shear rate are in a non-linear relationship, but even if it is in a non-linear relationship as a whole, it can be regarded as having a linear relationship if divided finely. Therefore, the viscosity distribution calculation algorithm according to the present invention can be applied to a non-Newtonian fluid such as blood in a time interval in which a small shear rate is added and shear stress and shear rate can be regarded as a linear relationship. In the measurement of peripheral blood vessels with few pulsations, it can be applied as described above, but when calculating the viscosity distribution in blood vessels with pulsation, the viscosity calculated by the time phase of pulsation It can happen that the magnitude of is periodically changed. This is shown in FIG.

図8は、心電同期を用いた粘性率、ずり応力、ずり速度の時系列データに対する測定例を示す図である。
28は速度分布測定部4にて得られた3次元速度ベクトル分布の時系列、または2次元速度ベクトル分布の時系列の内、1成分のみを表示した血流速度波形である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a measurement example for time-series data of viscosity, shear stress, and shear rate using electrocardiographic synchronization.
Reference numeral 28 denotes a blood flow velocity waveform displaying only one component of the time series of the three-dimensional velocity vector distribution obtained by the velocity distribution measuring unit 4 or the time series of the two-dimensional velocity vector distribution.

29は、本発明により算出されたずり速度分布、粘性率分布、ずり応力分布の時系列を示した例である。記号を付した箇所は、心電同期によるずり速度・粘性率・ずり応力の抽出部30にて、抽出される時相を示す。   29 is an example showing the time series of the shear rate distribution, viscosity distribution, and shear stress distribution calculated by the present invention. A portion with a symbol indicates a time phase extracted by the extraction unit 30 for shear rate, viscosity, and shear stress by electrocardiographic synchronization.

30は、心電同期によるずり速度・粘性率・ずり応力の抽出部であり、心電図によりタイミングを取り、記号を付した箇所で示す時相において、ずり速度・粘性率・ずり応力が抽出される。   30 is an extraction unit for shear rate, viscosity, and shear stress synchronized with the electrocardiogram, which extracts the shear rate, viscosity, and shear stress in the time phase indicated by the location indicated by the symbol by taking an electrocardiogram. .

31は心電同期によるずり速度・粘性率・ずり応力の抽出部30にて抽出されたずり速度・粘性率・ずり応力を、時系列に並べたものであり、時間によらず、ずり速度・粘性率・ずり応力をほぼ一定で捉えることができるので、安定した評価が可能となる。   31 is a time-series arrangement of the shear rate, viscosity, and shear stress extracted by the extraction unit 30 for the shear rate / viscosity / shear stress due to the electrocardiogram synchronization. Since the viscosity and shear stress can be grasped almost constant, stable evaluation becomes possible.

同図に示すように、拍動下の血液は、その非ニュートン性により粘性率が時間的に変化するように観測されるが、粘性率、ずり応力、ずり速度の時系列データに対して、ずり速度・粘性率・ずり応力の抽出部30によって心電同期を掛けることによって、同一のずり速度が加わったときの粘性率分布を算出することができる。すなわち、拍動がある場合でも、心電同期を掛けることによって、本発明による粘性率分布算出アルゴリズムは常に同一の条件で粘性率分布を示すように算出することができ、拍動の影響を受けずに、血液の粘性率分布及びその空間的な平均値を算出することが可能である。   As shown in the figure, the blood under pulsation is observed such that the viscosity changes with time due to its non-Newtonian nature, but for the time series data of viscosity, shear stress, shear rate, By applying electrocardiographic synchronization by the shear rate / viscosity / shear stress extraction unit 30, the viscosity distribution when the same shear rate is applied can be calculated. That is, even when there is a pulsation, by applying electrocardiogram synchronization, the viscosity distribution calculation algorithm according to the present invention can always calculate the viscosity distribution under the same conditions and is affected by the pulsation. It is possible to calculate the viscosity distribution of blood and its spatial average value.

以上のように、本発明に係る粘性率分布及びずり応力分布及びずり速度分布の血液力学特性測定装置は、動脈硬化プラーク破綻の危険性を診断及び予知するために、既存の超音波診断装置における、新しい測定機能として搭載することが可能となる。また、粘性率分布及びずり速度分布及びずり応力分布の測定装置を小型化することによって、個人の日常健康管理機器(ホームヘルスケア機器)としての利用も可能となる。   As described above, the hemodynamic characteristic measurement device for viscosity distribution, shear stress distribution, and shear rate distribution according to the present invention is an existing ultrasonic diagnostic device for diagnosing and predicting the risk of atherosclerotic plaque failure. It can be installed as a new measurement function. Further, by downsizing the measuring device for viscosity distribution, shear rate distribution, and shear stress distribution, it can be used as an individual's daily health management device (home health care device).

一実施形態の発明に係る血液力学特性測定装置の構成及び該装置の全体の処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the structure of the hemodynamic characteristic measuring apparatus based on invention of one Embodiment, and the flow of the whole process of this apparatus. 図1に示した粘性率分布算出部5の詳細な構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of the viscosity distribution calculation part 5 shown in FIG. 図2に示した粘性率分布算出部5における具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example in the viscosity distribution calculation part 5 shown in FIG. 図1に示したずり応力分布算出部9の詳細な構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of the shear stress distribution calculation part 9 shown in FIG. 図4に示したずり応力分布算出部9における具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example in the shear stress distribution calculation part 9 shown in FIG. 図1におけるずり速度分布算出部7の詳細な構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of the shear rate distribution calculation part 7 in FIG. 図6に示したずり速度分布算出部7の具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of the shear velocity distribution calculation part 7 shown in FIG. 心電同期を用いた粘性率、ずり応力、ずり速度の時系列データの測定例を示す図である。It is a figure which shows the example of a measurement of the time series data of a viscosity, shear stress, and shear rate using electrocardiogram synchronization.

符号の説明Explanation of symbols

1 超音波プローブ
2 計測対象血管
3 血管周辺組織
4 速度分布測定部
5 粘性率分布算出部
6 粘性率分布平均値算出部
7 ずり速度分布算出部
8 ずり速度分布平均値算出部
9 ずり応力分布算出部
10 ずり応力分布平均値算出部
11 表示部
12 速度分布サブ領域分割部
13 サブ領域
14 粘性率算出部
15 粘性率分布構成部(サブ領域統合)
16 2次元速度ベクトル分布または3次元速度ベクトル分布の断面図
17 粘性率分布の断面図
18 粘性率分布平均値
19 ずり速度分布の断面図
20 ずり応力分布の断面図
21 ずり応力分布平均値
22 ずり応力算出部
23 速度成分分布微分演算部
24 ひずみ速度テンソル分布算出部
25 ずり速度分布抽出部
26 ずり速度算出部
27 ずり速度分布平均値
28 血流速度波形
29 ずり速度分布、粘性率分布、ずり応力分布の時系列
30 心電同期によるずり速度・粘性率・ずり応力の抽出部
31 抽出されて時系列に並べられたずり速度・粘性率・ずり応力
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic probe 2 Measurement target blood vessel 3 Vessel surrounding tissue 4 Velocity distribution measurement unit 5 Viscosity distribution calculation unit 6 Viscosity distribution average value calculation unit 7 Shear velocity distribution calculation unit 8 Shear velocity distribution average value calculation unit 9 Shear stress distribution calculation Unit 10 Shear stress distribution average value calculation unit 11 Display unit 12 Speed distribution sub-region division unit 13 Sub-region 14 Viscosity calculation unit 15 Viscosity distribution component (sub-region integration)
16 Cross-sectional diagram of two-dimensional velocity vector distribution or three-dimensional velocity vector distribution 17 Cross-sectional diagram of viscosity distribution 18 Viscosity distribution average value 19 Cross-sectional diagram of shear velocity distribution 20 Cross-sectional diagram of shear stress distribution 21 Shear stress distribution average value 22 Shear Stress calculation unit 23 Speed component distribution differentiation calculation unit 24 Strain rate tensor distribution calculation unit 25 Shear rate distribution extraction unit 26 Shear rate calculation unit 27 Shear rate distribution average value 28 Blood flow rate waveform 29 Shear rate distribution, viscosity distribution, shear stress Time series of distribution 30 Extraction unit 31 of shear rate / viscosity / shear stress by synchronization with electrocardiogram Shear rate / viscosity / shear stress extracted and arranged in time series

Claims (3)

経皮的に血管内の血流に向けて超音波等の波動を入射させ、その血管内の血液中に含まれる血球成分からの散乱エコーを受信した後、超音波ドプラ計測によって血流速度分布を計測する手段と、前記計測された血流速度分布に基づいて、2次元または3次元のナビエ-ストークス方程式を利用して、前記血液の粘性率分布及び/または血液の粘性率分布平均値を求める手段と、前記計測された血流速度分布からずり速度分布を算出するずり速度分布算手段と、前記算出されたずり速度分布と血液の粘性率分布または血液の粘性率分布平均値とに基づいて血液内のずり応力分布を求める手段とからなることを特徴とする血液力学特性測定装置。 The blood flow velocity distribution is measured by ultrasonic Doppler measurement after receiving waves such as ultrasonic waves percutaneously toward the blood flow in the blood vessel and receiving scattered echoes from blood cell components contained in the blood in the blood vessel. Based on the measured blood flow velocity distribution, a two-dimensional or three-dimensional Navier-Stokes equation is used to calculate the blood viscosity distribution and / or the blood viscosity distribution average value. Based on the means for obtaining, the shear rate distribution calculating means for calculating the shear rate distribution from the measured blood flow rate distribution, and the calculated shear rate distribution and blood viscosity distribution or blood viscosity distribution average value And a means for determining shear stress distribution in the blood. 前記血液内のずり応力分布は、前記算出されたずり速度分布と血液の粘性率分布または血液の粘性率分布平均値とを乗算することにより算出されることを特徴とする請求項に記載の血液力学特性測定装置。 Shear stress distribution in said blood according to claim 1, characterized in that is calculated by multiplying the viscosity distribution average value of the calculated shear rate distribution and blood viscosity index or blood Hemodynamic characteristic measuring device. 前記血液の粘性率分布及び前記血液内のずり応力分布を、実時間で計測して画像表示すると同時に、前記血液の粘性率分布及び血液内のずり応力分布の平均値を数値として表示する手段とを備えたことを特徴とする請求項乃至請求項のいずれか1つの請求項に記載の血液力学特性測定装置。 Means for measuring the viscosity distribution of the blood and the shear stress distribution in the blood in real time and displaying the image, and simultaneously displaying the average value of the viscosity distribution of the blood and the shear stress distribution in the blood as numerical values; hemodynamics characteristic measuring device according to any one of claims 1 to claim 2, characterized in that with a.
JP2004359792A 2004-12-13 2004-12-13 Hemodynamic characteristic measuring device Active JP4474530B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004359792A JP4474530B2 (en) 2004-12-13 2004-12-13 Hemodynamic characteristic measuring device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004359792A JP4474530B2 (en) 2004-12-13 2004-12-13 Hemodynamic characteristic measuring device

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009244038A Division JP4863324B2 (en) 2009-10-23 2009-10-23 Hemodynamic characteristic measuring device
JP2009244039A Division JP4863325B2 (en) 2009-10-23 2009-10-23 Hemodynamic characteristic measuring device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006166974A JP2006166974A (en) 2006-06-29
JP4474530B2 true JP4474530B2 (en) 2010-06-09

Family

ID=36668321

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004359792A Active JP4474530B2 (en) 2004-12-13 2004-12-13 Hemodynamic characteristic measuring device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4474530B2 (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4739945B2 (en) * 2005-12-27 2011-08-03 パナソニック株式会社 Blood viscosity measuring device
WO2008032875A1 (en) * 2006-09-15 2008-03-20 Keio University Platelet thrombus formation simulator
US20100268084A1 (en) * 2007-11-06 2010-10-21 Takashi Osaka Ultrasonic diagnostic apparatus
JP5199157B2 (en) * 2009-03-18 2013-05-15 富士フイルム株式会社 Ultrasonic diagnostic apparatus, pressure difference measuring method, and vascular elasticity measuring method
JP5224221B2 (en) * 2009-06-09 2013-07-03 独立行政法人産業技術総合研究所 Vascular function testing device
US8500640B2 (en) 2009-06-09 2013-08-06 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Blood vessel function inspecting apparatus
US8845542B2 (en) 2009-09-09 2014-09-30 Unex Corporation Blood vessel function inspecting apparatus
JP5501709B2 (en) * 2009-09-17 2014-05-28 ジーイー・メディカル・システムズ・グローバル・テクノロジー・カンパニー・エルエルシー Ultrasonic diagnostic apparatus, blood flow visualization apparatus, and control program
JP5522719B2 (en) * 2009-09-17 2014-06-18 国立大学法人東北大学 Ultrasonic diagnostic apparatus, blood flow visualization apparatus, and control program
JP2012176232A (en) * 2011-02-04 2012-09-13 Toshiba Corp Ultrasonic diagnostic apparatus, ultrasonic image processing apparatus, and ultrasonic image processing program
JP5438744B2 (en) * 2011-11-25 2014-03-12 国立大学法人 東京大学 Blood flow visualization diagnostic device and program
JP6116833B2 (en) * 2012-09-03 2017-04-19 東芝メディカルシステムズ株式会社 Medical image processing device
JP5723960B2 (en) * 2013-12-16 2015-05-27 株式会社ユネクス Vascular function testing device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006166974A (en) 2006-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ferraioli et al. Ultrasound point shear wave elastography assessment of liver and spleen stiffness: effect of training on repeatability of measurements
CN106028948B (en) Ultrasonic imaging apparatus and method
Kanai et al. Elasticity imaging of atheroma with transcutaneous ultrasound: preliminary study
JP4474530B2 (en) Hemodynamic characteristic measuring device
KR101398948B1 (en) Viscoelasticity measurement using amplitude-phase modulated ultrasound wave
Beulen et al. Toward noninvasive blood pressure assessment in arteries by using ultrasound
JP6169707B2 (en) Ultrasonic diagnostic apparatus and elasticity evaluation method
US8298143B2 (en) Ultrasonograph that determines tissue properties utilizing a reference waveform
Balocco et al. Estimation of the viscoelastic properties of vessel walls using a computational model and Doppler ultrasound
JP5474986B2 (en) Vascular function testing device
JP2006218169A (en) Blood rheology measuring apparatus and blood rheology measuring method
JP5224221B2 (en) Vascular function testing device
Nauleau et al. Cross-correlation analysis of pulse wave propagation in arteries: In vitro validation and in vivo feasibility
JP4863324B2 (en) Hemodynamic characteristic measuring device
KR20230018329A (en) Ultrasonic method and system for estimating the nonlinear shear wave elasticity of a medium
Altamirano-Diaz et al. Does obesity affect the non-invasive measurement of cardiac output performed by electrical cardiometry in children and adolescents?
JP4863325B2 (en) Hemodynamic characteristic measuring device
Thomas Tissue Doppler echocardiography–A case of right tool, wrong use
Park et al. Quantification of Ultrasound Correlation‐Based Flow Velocity Mapping and Edge Velocity Gradient Measurement
JP6783007B2 (en) Tissue elasticity measuring device and measuring method
JP4880971B2 (en) Blood circulation measurement device
Padilla et al. Scattering by trabecular bone
Iijima Approaches to the diagnosis of liver fibrosis
CN106963424A (en) Detect the viscoelastic system and method for arteries
JP5958806B2 (en) Ultrasonic diagnostic apparatus and blood flow estimation program

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20061101

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090820

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090825

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20091023

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100209

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100209

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4474530

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130319

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130319

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130319

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130319

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140319

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140319

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250