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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein kardiovaskuläres
Informationsmessungssystem, das in der Lage ist, nichtinvasiv und
kontinuierlich vitale kardiovaskuläre Informationen zu messen.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Verschiedene Indices, so wie ein
Blutflußvolumen,
Viskoelastizität,
verursacht durch Vasodilierung und Vasokonstruktion, werden konventionell
als kardiovaskuläre
Indices zum Ermitteln des Zustandes von Zirkulationsorganen des
Patienten eingesetzt.
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Ein Blutflußvolumen wird nach dem folgenden
Verfahren gemessen.
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Das Blutgefäß eines Patienten wird mit
einer Ultraschallwelle bestrahlt, und die Blutflußgeschwindigkeit
wird erhalten unter Verwendung eines Dopplersignals, das durch den
Blutfluß generiert
wird. Das Blutflußvolumen
wird dann gemäß der Beziehung
zwischen der Blutflußgeschwindigkeit
und der Querschnittsfläche des
Blutgefäßes erhalten.
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Ein optisches Flußverfahren zum Messen eines
Geschwindigkeitsvektors unter Verwendung des Grenzwertgradienten
(liminance gradient) aus kontinuierlichen Bilddaten wird als ein
Verfahren zum Erhalten der Vasodilierungs- und Vasokonstriktionsraten
verwendet.
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Wenn das Blutflußvolumen aus der Blutflußgeschwindigkeit
erhalten werden soll, die auf dem Dopplersignal, wie offenbart in
US 5,309,916 , berechnet
wird, ist ein Bedarf für
eine Technik zum leichten und kontinuierlichen Berechnen der Querschnittsfläche des
Blutgefäßes von
Interesse entstanden, um das Blutflußvolumen zu erhalten.
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Das obige optische Flußverfahren
erfordert nicht wünschenswerte
komplizierte sequentielle Berechnungen.
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Ein Verfahren des Wickelns einer
Manschette um einen Armteil eines Patienten und Messen des Blutdrucks
aus der resultierenden Vibration oder des Tons wurde als ein konventionelles
Verfahren zum Messen des Blutdrucks praktiziert. Jedoch wenn der
Blutdruck für
einige Tage nach chirurgischer Operation gemessen werden muß, muß der Anteil
des Patienten unter Druck gesetzt werden, was in bemerkenswerter
mentaler und physischer Belastung resultiert. Um dieses Problem
zu lösen,
ist ein Verfahren zum Messen der Fortschreitungsgeschwindigkeit
einer Pulswelle, die durch das Blutgefäß propagiert wird, und zum
Messen des Blutdrucks mittels einer Ultraschallwelle in der japanischen
Patentoffenlegungsschrift Nr. 07-241288
(1995) offenbart. Gemäß diesem
Verfahren wird der Blutdruck unter Verwendung des folgenden theoretischen
Ausdrucks berechnet: ΔP = ρCΔv wobei ΔP: der Blutdruck
ist,
ρ:
die Blutdichte ist
Δv:
die Flußgeschwindigkeitsveränderung
ist
C: die Pulswellengeschwindigkeit ist.
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Dieser theoretische Ausdruck ist
in der folgenden Referenz offenbart (herausgegeben durch The Japan
Hydraulics & Pneumatic
Society, New Hydropneumatic Handbook, Section 1, Chapter 3, 24–25, OHM-sha, Ltd.,
1988 und in
US 5,099,852 ).
Jedoch ist dieser theoretische Ausdruck ein Ausdruck, der auf der
Bedingung basiert, daß in
der Blutgefäßwand keine
Veränderungen
auftreten. D. h., dieser Ausdruck vernachlässigt den Einfluß der Blutgefäßwand.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde daher
unter in Erwägungziehen
der konventionellen Probleme, die oben beschrieben sind, gemacht
und hat als Aufgabe, ein kardiovaskuläres Informationsmeßsystem
zur Verfügung
zu stellen, das in der Lage ist, nicht invasiv die Querschnittsform
eines Blutgefäßes zu messen
und einen kardiovaskulären
Index basierend auf der gemessenen Querschnittsform zu berechnen.
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Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein kardiovaskuläres
Informationsmessungssystem zur Verfügung zu stellen, das in der
Lage ist, nichtinvasiv die Querschnittsform eines Blutgefäßes zu messen
und genau den Blutdruck unter Betrachtung der Pulswelle der Blutgefäßwand zu
messen. Um die obigen Probleme zu lösen und um die obigen Aufgaben
zu lösen,
hat ein kardiovaskuläres
Informationsmeßsystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung die Anordnung gemäß Anspruch
1.
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Andere Aufgaben und Vorteile außer denen,
die oben diskutiert sind, werden dem Fachmann aus der Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung klar werden, welche folgt. In der Beschreibung wird
Bezug auf die begleitende Zeichnung genommen, welche einen Teil
davon bildet und welche ein Beispiel der Erfindung illustriert.
Solch ein Beispiel jedoch ist nicht erschöpfend hinsichtlich der verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung und daher wird zum Bestimmen des Umfangs der Erfindung
Bezug auf die Ansprüche
genommen, welche der Beschreibung folgen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
ein Diagramm, das die Anordung eines Blutdruckmeßgeräts als die erste Ausführungsform eines
kardiovaskulären
Informationsmeßsystems
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Perspektivansicht, die die Anordnung einer Tomogrammaquisitionseinheit
zeigt;
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3 ist
ein Blockdiagramm einer Blutgefäßquerschittsflächenberechnungseinheit;
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Teils eines Blutgefäßes;
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5 ist
eine Ansicht, die das Koordinatensystem eines quasi eindimensionalen
Modells zeigt;
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6A bis 6C sind Ansichten, die die
Beziehung zwischen dem Ultraschallwellensignal und der Blutgefäßwandoberfläche zeigen;
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7 ist
ein Blockdiagramm, das den schematischen Aufbau einer Blutgefäßquerschnittsflächenberechnungseinheit
gemäß der zweiten
Ausführungsform
zeigt;
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8 ist
eine Ansicht, die eine Einheit zum Detekieren einer Position direkt über einem
Blutgefäß zeigt;
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9A und 9B sind Ansichten, die einen
Aufbau zum Erhalten einer Pulswellenpropagationsgeschwindigkeit
zeigen;
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10 ist
eine Ansicht, die den schematischen Aufbau einer drucksensitiven
Elementgruppe zum Erhalten der Pulswellengeschwindigkeit zeigt;
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11 ist
eine Perspektivansicht, die einen Aufbau eines Mittels zum Detektieren
einer Position direkt überhalb
eines Blutgefäßes zeigt;
und
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12A und 12B sind Ansichten, die ein
Beispiel des Setzens eines Grenzwertes zeigen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Detail unter Bezugnahme auf
die begleitende Zeichnung beschrieben werden.
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(Erste Ausführungsform)
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1 ist
ein Diagramm, das den Aufbau eines Blutdruckmeßapparates als die erste Ausführungsform eines
kardiovaskulären
Informationsmeßsystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Wie in 1 gezeigt,
umfaßt
eine Tomogrammaquisitionseinheit 1 Ultraschallmeßwandlergruppen 4a und 4b zum
Erhalten von Ultraschalltomogrammen 3a und 3b von
zwei benachbarten Punkten eines Blutgefäßes. Die erhaltenen Tomogramme 3a und 3b werden
an eine Blutgefäßquerschnittsflächenberechnungseinheit 5 weitergeleitet,
um die Abschnitte des Blutgefäßes zu extrahieren.
Die Blutgefäßquerschnittsflächen, die durch
die Blutgefäßquerschnittsflächenberechnungseinheit 5 berechnet
wurden, werden an eine Blutflußgeschwindigkeitsberechnungseinheit 6 und
an eine Pulswellengeschwindigkeitsberechnungseinheit 7 weitergeleitet.
Die Blutflußgeschwindigkeitsberechnungseinheit 6 berechnet
eine Blutflußgeschwindigkeit
aus den Querschnittsflächen
und dem Abstand zwischen den zwei Punkten. Die Pulswellengeschwindigkeitsdetektionseinheit 7 berechnet
eine Pulswellenpropagationsgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit dem Phasenunterschied
einer Zeitveränderung
in Querschnittsflächen
zwischen den zwei Punkten. Die Blutflußgeschwindigkeit, errechnet
durch die Blutflußgeschwindigkeitsberechnungseinheit 6 und
die Pulswellengeschwindigkeit, errechnet durch die Pulswellengeschwindigkeitsberechnungseinheit 7 werden
weitergeleitet und in die folgende Umwandlungsgleichung substituiert: P – P0
= ρC0v +
(1/8)ρv2 wobei P: der Blutdruck ist,
Po
= minimaler Blutdruck (diastolischer Druck) ist,
ρ: die spezifische
Dichte des Blutes ist,
C0: die telediastolische Pulswellenpropagationsgeschwindigkeit
ist, und
v: die Flußgeschwindigkeit
ermittelt über
den Querschnitt des Blutgefäßes ist.
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Durch die obige Gleichung wird der
Relativwert zu dem minimalen Blutdruck als Referenzwert berechnet
und an eine Blutdruckveränderungsberechnungseinheit
weitergeleitet. Der absolute Wert des Blutdruckes bei einem gegebenen
Zeitpunkt, gemessen durch eine Referenzdruckmessungseinheit 9 wird
an eine Blutdruckberechnungseinheit 10 weitergeleitet.
Die Blutdruckberechnungseinheit 10 berechnet Blutdruckwerte kontinuierlich.
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2 zeigt
den Aufbau einer Tomogrammaquisitionseinheit. Die Ultraschallmeßwandlergruppe 4a umfaßt n (n
ist eine natürliche
Zahl) Ultraschallmeßwandler
a1 bis an und die Ultraschallmeßwandlergruppe 4b umfaßt den Ultraschallmeßwandler
b1 bis bn. Die Ultraschallmeßwandlergruppe 4a ist
parallel zu der Ultraschallmeßwandlergruppe 4b und
in einem Abstand von der Gruppe 4b der Distanz L angeordnet.
Der Ultraschallmeßwandler
a1 der Ultraschallmeßwandlergruppe 4a emittiert
eine Ultraschallwelle in Richtung einer Arterie 2 und detektier
ein Signal, das nach dem Reflektieren der emittierenden Ultraschallwelle
durch die Arterienwand erhalten wurde. Diese Serie von Vorgängen wird
von dem Vibrator a1 bis zu dem Vibrator an wiederholt, um ein Ultraschalltomogramm 3a zu
erhalten. Nachdem das arterielle Tomogramm 3a erhalten
wurde, wird ein arterielles Tomogramm 4b durch dieselbe
Vorgangsweise wie bei dem Vorgang für das Erhalten des arteriellen
Tomogramms 4a erhalten.
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Aus Einfachheitsgründen führen die
Ultraschallmeßwandler
Transmission und Empfang einer nach dem anderen in einer Reihenfolge
von a1, a2, ..., an aus, um Tomogramme zu erhalten. Jedoch, wie
in einem allgemeinen Ultraschalldiagnoseapparat, ist es möglich, Tomogramme
durch Strahlbildung unter Verwendung einer Vielzahl von Vibratoren
zu erhalten. "Strahlbildung" ist das Bilden eines Ultraschallstrahls
mit einer Zieleigenschaft durch Kontrollieren der Phase oder der
Verzögerungsverteilung
in der Anordnung.
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Ein beliebiges Verfahren des Erhaltens
von arteriellen Tomogrammen kann verwendet werden, so lange die
arteriellen Tomogramme erhalten werden. In dieser Ausführungsform
werden die Tomogramme durch die Ultraschallmeßwandlergruppe 4b erhalten,
nachdem die Tomogramme durch die Ultraschallmeßwandlergruppe 4a erhalten
worden sind. Die Tomogramme können
simultan erhalten werden, wenn sie aquiriert werden können. Die
Umstände,
so wie die Tomogrammaquisitionsreihenfolge, die Anzahl der Vibratorgruppen
und die Formen der Tomogramme können
natürlich
beliebig gewählt
werden. Die Umstände,
so wie die Anzahl der Ultraschallmeßwandler, die jede Ultraschallmeßwandlergruppe
bilden, das Layout, die Größe und die
Emissionsfrequenz kann auf jegliche werte eingestellt werden, die
sich innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung befinden.
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Die resultierenden Tomogramme 4a und 4b werden
an die Blutgefäßquerschnittsflächenberechnungseinheit 5 weitergeleitet. 3 ist ein Blockdiagramm,
das den Aufbau der Blutgefäßquerschnittsflächenberechnungseinheit 5 zeigt.
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Die transmittierten Tomogramme werden
in den Rahmenspeichern 11a und 11b gespeichert.
Diese Bilder werden durch eine Binärisierungseinheit 12 binärisiert,
um die Blutgefäßwand zu
extrahieren. Wenn ein Blutgefäß mit einer
Ultraschallwelle bestrahlt wird, tritt starke Reflektion an dem
Grenzabschnitt zwischen der Blutgefäßwand und dem inneren des Blutgefäßes auf.
Während
die Blutbestandteile in dem Blutgefäß uniform sind, ist eine Veränderung
der akustischen Impedanz klein und die reflektierte Welle ist schwach.
Wenn ein Bild rekonstruiert werden soll, so daß ein größerer Monochromgradierungswert
einer reflektierten Welle mit einer größeren Größe zugewiesen werden soll und
ein kleinerer Monochromgradierungswert einer reflektierten Welle
mit einer kleineren Größe zugewiesen
werden soll, wird der Grenzteil zwischen der Blutgefäßwand und dem
Inneren des Blutgefäßes durch
ein weißliches
Bild ausgedrückt,
während
das Innere des Blutgefäßes durch
ein schwärzliches
Bild und einem niedrigen Gradierungsniveau ausgedrückt wird.
Unter Verwendung dieser Eigenschaft wird die folgende Verarbeitung
(Binärisierung)
ausgeführt.
Ein gegebener Gradierungswert wird als Grenzwert definiert. Ein
Teil mit einem Wert, der gleich oder größer als der Grenzwert, wird
als weiß ausgedrückt, d.
h. der maximale Gradierungswert, während ein Teil mit einem Wert,
der kleiner als der Grenzwert ist als schwarz ausgedrückt wird,
d. h. der minimale Gradierungswert. Diese Binärisierung wird allgemein auf
dem Gebiet der Bildverarbeitung ausgeführt.
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Eine Blutgefäßformberechnungseinheit 13 berechnet
die Fläche
des Inneren des Blutgefäßes und
den Blutgefäßdurchmesser
unter Verwendung des Bildes mit dem schwarzen Inneren des Blutgefäßes, welches durch
Binärisierung
erhalten wurde. Die berechnete Fläche und der berechnete Durchmesser
werden an die Blutflußgeschwindigkeitsberechnungseinheit 6 und
die Blutflußgeschwindigkeitsberechnungseinheit 7 weitergeleitet.
Die Tomogramme können
kontinuierlich entlang der Zeitachse erhalten werden, um eine Zeitveränderung
in der Abschnittsform des Blutgefäßes zu erhalten.
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Wie durch die durchgezogene Linie
in
4 angezeigt, berechnet
die Blutflußgeschwindigkeitsberechnungseinheit
6 Querschnittsflächen Sa(t)
und Sb(t) (Meßdaten,
welche sich entlang der Zeitachse verändern) der Blutgefäßabschnitte
14a und
14b durch
Verwenden der Ultraschallmeßwandlergruppen
4a und
4b und
berechnet dann eine Durchschnittsflußgeschwindigkeit v in den Abschnitten
der Punkte A und B unter Verwendung der berechneten Querschnittsflächen wie
folgt:
wobei L der Abstand zwischen
den Punkten A und B ist und · das
Zeitdifferential repräsentiert.
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Die obige Gleichung gilt wie folgt.
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Die Radialgeschwindigkeit und die
Druckgradienten einer Arterie können
bei dem Blutfluß vernachlässigt werden.
In diesem Falle wird nur die axiale Durchschnittsgeschwindigkeit
als ein Fluß in
Erwägung
gezogen. Beachten Sie, daß eine
Veränderung
in der Querschnittsfläche
(daher der Radius) des Blutgefäßes in Erwägung gezogen
wird. Dieses Modell wird ein quasieindimensionales Modell genannt.
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5 zeigt
das Koordinatensystem des quasieindimensionalen Modells. Die Achse
des Blutgefäßes wird
als x-Achse definiert. Lassen Sie S(x, t) die Querschnittsfläche des
Blutgefäßes sein.
Die Positionen der Meßpunkte
(zwei Abschnitte) sind gegeben als x = x1 und x = x2 (x1 < x2). Position x2
ist der Punkt, der flußabwärts angeordnet
ist. Die Position x = 0 wird als Ausstoßposition aus dem Herz gegeben,
(aber diese Position kann als ein anderer beliebiger Punkt definiert
sein).
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In einem quasi-eindimensionalen Fluß gilt die
folgende Kontinuitätsgleichung: ∂S/∂t + ∂(vS)/∂x = 0 (1)
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Gleichung (1) kann umgeschrieben
werden wie folgt: ∂(vS)/∂x = -∂S/∂t (2)
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Gleichung (2) wird nach x innerhalb
des Intervalls [x, +∞ ]
wie folgt integriert:
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(∵ v ist ausreichend klein
bei einer genügend
weit entfernten Position), und der folgende Wert ist ein endlicher
Wert:
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Die folgenden Gleichungen gelten:
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Die Volumenflußrate Q(x, t) wird gegeben
durch die Definitionen von v und S wie folgt: Q(x, t) = v(x, t)S(x, t) (4)
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Eine Substitution der Gleichung (3)
in die Gleichung (4) ergibt das folgende:
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Aus Gleichung (5) ist der Flußstrom Q(x
1, t) für
x = x
1 gegeben wie folgt:
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Angenommen, daß T als eine Zeit gegeben ist,
die kürzer
ist als die Pulsschlagperiode und eine Zeit, die gemessen werden
soll, ein Intervall [0, T] ist. In dem Fluß von Interesse kann der Herzschlag
als eine einzelne Welle während
eines Intervalls von einem gegebenen Schlag bis zu dem nächsten Schlag
angesehen werden. Bei den folgenden Bedingungen:
x2 ≤ x < ∞, 0 ≤ t ≤ T ändert sich
S nicht entlang der Zeitachse, da die Pulswelle nicht eintritt und
eine Funktion von nur x ist. Der zweite Term der Gleichung (5) kann
umgeschrieben werden wie folgt:
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Da das Intervall [x1,
x2] sehr kurz ist, steigt S monoton an oder
sinkt monoton ab für
x innerhalb des Intervalles [x1, x2], so das die folgende lineare Annäherung gemacht
werden kann: S(x,
t) = (x + a)f(t) (9) wobei
a eine Konstante ist.
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Eine Substitution der Gleichung (10)
in die Gleichung (8) ergibt das folgende:
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Aus Gleichung (4) kann die folgende
Gleichung abgeleitet werden:
v(x1,
t) = Q(x1, t)/S(x1,
t)
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Substitutionen der Gleichungen (9)
und (11) in die obige Gleichung ergeben das folgende:
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Da x2 – x1 viel kleiner ist als x1 und
x2 kann die folgende Gleichung angenähert werden: x1 +
x2 + 2a = 2 (x1 +
a) (13)
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Gleichung (12) kann umgeschrieben
werden wie folgt:
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Da die folgende Gleichung gilt:
L = x2 – x1 (15) gilt
die folgende Gleichung:
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Aus Gleichung (9) gilt die folgende
Gleichung: S(x1, t) = (x1 + a)f(t) (17) S(x2,
t) = (x2 + a)f(t) (18) und der
Unterschied zwischen Gleichungen (17) und (18) wird berechnet wie
folgt:
S(x2, t) – S(x1, t) = f(t)L (19)
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Da die folgenden Gleichungen gelten: S(x1,
t) = Sa(t) (20) S(x2,
t) = Sb(t) (21) ergibt
die Substitution der Gleichungen (20) und (21) das folgende: Sb(t) – Sa(t) = f(t)L (22)
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Die rechte und linke Seite der Gleichung
(22) werden differenziert wie folgt:
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Gleichung (16) kann umgeschrieben
werden unter Verwendung der Gleichungen (22) und (23):
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Die durchschnittliche Flußgeschwindigkeit
bei x = x
1 kann durch Gleichung (24) erhalten
werden. Der Flußstrom
Q(x
1, t) kann aus Gleichung (4) definiert
werden, wie folgt:
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Das tatsächliche Blutgefäß, wie gezeigt
in 4, kann die Formen
annehmen, die durch die gepunkteten Linien 15a und 15b angezeigt
sind. Als eine Verbesserung zum Reduzieren von Fehlern durch lineare Annäherungen können die
folgenden Verfahren ausgeführt
werden: ein Verfahren zum Abkürzen
der Distanz zwischen den zwei Abschnitten; ein Verfahren des Anordnens
der Ultraschallmeßwandler
in einer Matrixanordnung, um einen genauen Wert zu erhalten; und
ein Verfahren zum Ausführen
der Integration durch Definieren von Seitenabschnitten mit tatsächlichen
Kurven, d. h. den Kurven, die den gepunkteten Linien entsprechen.
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Die Pulswellengeschwindigkeitsberechnungseinheit 7 dividiert
die Distanz zwischen den Punkten A und B durch eine Zeitverzögerung τ (Phasenunterschied)
einer Zeitveränderung
in den Querschnittsflächen zwischen
den Punkten A und B, und berechnet dabei die Pulswellengeschwindigkeit
C0 wie folgt: C0 = L/τ
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Die Blutdruckänderungsberechnungseinheit 8 substituiert
die weitergeleitete Flußgeschwindigkeit
und die Pulswellengeschwindigkeit in den folgenden theoretischen
Ausdruck: P – P0 = ρC0v + (1/8)ρv2
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Dieser Ausdruck wird in der folgenden
Referenz beschrieben (Motoaki Sugawara, Yasuhisa Sakurai, et al.,
"Nonlinear Theory of pulse wave in arteries", Japanese Journal of
Medical Electronics and Biological Engineering, Vol. 11, Nr. 3,
180–189,
1973).
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Die obige Verarbeitung erlaubt es
der Blutdruckberechnungseinheit 10, kontinuierlich die
Blutdrücke auf
der Basis der Blutdruckwerte bei Zeitphasen zu berechnen, die durch
die Referenzdruckmeßeinheiten 9 gemessen
wurden. Dieser Referenzdruck kann gemessen werden durch z. B. ein
Verfahren des Setzens des Referenzdrucks durch Messen des minimalen
Blutdrucks unter Verwendung eines manschettenartigen automatischen
Sphygmomanometers (Ein-Punkt-Messung
des Messens des Blutdrucks einmal innerhalb einer gegebenen Zeit)
im voraus. Der Referenzdruck ist nicht auf den minimalen Blutdruck
limitiert. Jedes Justierungsverfahren kann verwendet werden, wenn
ein Druck und eine Blutdruckveränderungsberechnungseinheitsausgabe
simultan erhalten werden.
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Der berechnete Blutdruckwert kann
an eine Anzeigevorrichtung, so wie einen Blutdruckanzeigeflüssigkristallmonitor,
ein aufzeichnendes Speichermedium, einen Drucker oder ähnliches
weitergeleitet werden, wie benötigt,
in Übereinstimmung
mit dem Bedarf des Bedieners.
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In der obigen Ausführungsform
werden die Signale, die erhalten werden, dadurch, daß den Ultraschallmeßwandlergruppenn 4a und 4b erlaubt
wird, die Ultraschallwellen, die in dem lebenden Körper reflektiert
werden, zu empfangen, in ein Bildsignal umgewandelt und das Signal
wird dann binärisiert.
Jedoch können
die Empfangssignale, die aus den Ultraschallmeßwandlergruppen 4a und 4b ausgesandt
werden, logarithmisch amplifiziert und detektiert werden und das
detektierte Signal kann binärisiert
werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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In der ersten Ausführungsform
führt die
Blutgefäßquerschnittsflächenberechnungseinheit 5 die
Binärisiserung
unter Verwendung eines gegebenen Fixwertes aus, um ein Blutgefäßbild als
ein Binärbild
zu extrahieren. Das Verfahren des Berechnens der Blutgefäßquerschnittsfläche ist
nicht hierauf limitiert.
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6A und 6C zeigen die Beziehung zwischen
dem Ultraschallsignal und einer Wandoberfläche 16 eines Blutgefäßes. Wie
gezeigt in 6A fällt eine
Ultraschallwelle, die aus einem Cmth-Ultraschallmeßwandler ausgesandt wird, der
in einer Position angeordnet ist, die sich direkt überhalb
dem Zentrum des Blutgefäßes befindet,
auf das Blutgefäß orthogonal
zu der tangentialen Linie der Blutgefäßwand ein. Eine reflektierte
Welle, die durch diesen Vibrator Cm detektiert wird, hat eine große Größe. Eine
Ultraschallwelle, die durch einen Vibrator emitiert wird, die von
der Position direkt überhalb
des Blutgefäßes entfernt
ist, fällt
auf das Blutgefäß schief
versetzt von der tangentialen Linie der Blutgefäßwand ein. Eine reflektierte
Welle, die durch einen entfernten Vibrator detektiert wird, hat
eine kleinere Größe als die
des Vibrators Cm. Beim Strahlbilden unter Verwendung einer Vielzahl
von Vibratoren hat eine reflektierte welle eine große Größe, wenn
die zentrale Achse des Ultraschallstrahls näher am Zentrum des Blutgefäßes ist;
ansonsten hat die reflektierte Welle eine kleinere Größe.
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Nehmen Sie an, daß die Intensität der reflektierten
Welle, die durch den Cmth-Ultraschallmeßwandler detektiert wird, der
in der Position direkt überhalb
dem Zentrum des Blutgefäßes angeordnet
ist, eine Form hat, die in 6b gezeigt
ist. Positionen entsprechend den Blutgefäßwandabschnitten werden durch
Ya und Yb angezeigt und ein Abschnitt Yk repräsentiert Rauschen. In diesem
Fall, um die Blutwandabschnitte ordentlich zu extrahieren, wird
ein Grenzwert vorzugsweise auf etwa α2 gesetzt, d. h. ein Niveau,
das höher
ist, als der Rauschenpeak und niedriger ist, als der Blutgefäßwandpeak.
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Da der Ultraschallmeßwandler
in 6C nicht in einer
Position direkt überhalb
dem Zentrum des Blutgefäßes angeordnet
ist, ist die Intensität
der Welle, die durch den Abschnitt der Blutgefäßwand reflektiert wird, schwach
und erreicht nicht den Grenzwert α2.
Der Grenzwert muß innerhalb
des Bereiches von α1
bis α3 liegen,
was in Unbequemlichkeit resultiert. Wenn Rauschen vorhanden ist,
kann die Blutgefäßwand nicht
sauber durch Binärisieren
unter Verwendung des fixierten Grenzwertes extrahiert werden. Um
dieses Problem zu lösen,
verwendet diese Ausführungsform
ein Verfahren zum Ändern
des Grenzwertes in Übereinstimmung
mit einem Einfallswinkel der Ultraschallwelle bezüglich der
tangentialen Linie der Blutgefäßwand.
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7 ist
ein Blockdiagramm, das den schematischen Aufbau der Blutgefäßquerschnittsflächenberechnungseinheit
dieser Ausführungsform
zeigt. Eine Einheit 18 zum Detektieren der Position direkt überhalb dem
Blutgefäß von Interesse
detektiert einen spezifischen Vibrator, welcher in der Position
direkt überhalb
diesem Gefäß angeordnet
ist.
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8 zeigt
die Anordnung der Einheit zum Detektieren der Position direkt überhalb
des Blutgefäßes. Ein
Bild, das durch eine Ultraschallmeßwandlergruppe 3c in 6A erhalten wurde, wird
auf einem Displaymonitor 21 angezeigt. Ein Marker 22,
der eine spezifische Bildschirmposition für einen Bildteil anzeigt, der durch
einen Vibrator erhalten wurde, der im Zentrum oder in einer Position
nahe des Zentrums der Ultraschallmeßwandlergruppe 3c angeordnet
ist, wird auf dem Monitor dargestellt. Der Bediener bewegt den Fühler, um das
Zentrum des Blutgefäßbildes
mit dem Marker 22 zu treffen. Nachdem die Fühlerposition
so angepaßt
ist, daß ein
Blutgefäßbild 23a,
das von dem Zentrum verschoben ist, ein Blutgefäßbild 23b wird, das
mit dem Zentrum des Markers übereinstimmt,
drückt
der Bediener einen Detektionsendebestätigungsknopf und eine Messung
wird begonnen.
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Auf der Basis einer Adresse eines
Rahmenspeichers 17 berechnet eine Umwandlungseinheit 19,
daß die
Daten, die aus dem Rahmenspeicher 17 ausgelesen sind, Daten
sind, die von welchem der Vibratoren der Ultraschallmeßwandlergruppe
erhalten wurden. Die Umwandlungseinheit 19 überträgt das Berechnungsergebnis
an eine Grenzwertveränderungsbinärisierungseinheit 20.
Die Grenzwertveränderungsbinärisierungseinheit 20 verändert den
Grenzwert und gibt einen binären
Grenzwert auf der Basis der Daten, die aus der obigen Umwandlungseinheit
ausgegeben sind, aus.
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Der Grenzwert, der durch die Grenzwertveränderungsbinärisierungseinheit 20 ausgegeben
wird, wird nicht notwendigerweise nur durch den Einfallswinkel des
Ultraschallsignals, das auf die Blutgefäßwand einfällt, bestimmt. In der Praxis
kann das Setzen des Grenzwertes sich abhängig von den Meßbedingungen
und dem Patienten verändern.
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Eine Blutgefäßquerschnittsfläche S und
ein innerer Radius R eines Blutgefäßes kann aus der extrahierten
Blutgefäßwand erhalten
werden, oder ein Blutgefäßstadium
kann durch eine Zeitveränderung
in der Blutgefäßwand erhalten
werden.
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Ein Verfahren für das Reflektieren des Young-Moduls
und des Berechnens einer Pulswellenpropagationsgeschwindigkeit,
die als ein Index für
Arteriosklerose angesehen werden, werden hierunter beschrieben.
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9A zeigt
eine Anordnung zum Erhalten einer Pulswellenpropagationsgeschwindigkeit
und 9B zeigt die resultierenden
Wellenformen. Ultraschallmeßwandlergruppen
werden überhalb
einer Arterie und in einem Abstand der Distanz L entfernt voneinander
angeordnet. Eine Querschnittsfläche
wird aus Tomogrammen erhalten, die von den Ultraschallmeßwandlergruppen
in Übereinstimmung
mit der obigen Technik erhalten wurden. Wie gezeigt in 9B reflektieren die resultierenden
Wellen den Pulsschlag. Die Pulswellengeschwindigkeit C wird erhalten
durch C = L/τ,
wobei τ die
Zeitverzögerung
(Phasenunterschied) der Veränderungen
der Querschnittsfhächen
in zwei Tomogrammen 3a und 3b ist. Die Pulswellengeschwindigkeit
wird im allgemeinen erhalten durch den Zeitunterschied zwischen
der Halsschlagaderwelle und der Hüftarterienwelle und reflektiert
den Grad der Arteriosklerose aller Arterien, die zwischen der Halsschlagaderarterie
und der Oberschenkelarterie vorhanden sind. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung kann eine lokale Pulswellenfortschreitungsgeschwindigkeit
gemessen werden. Daher kann eine detaillierte Diagnose ausgeführt werden,
um einen spezifisch fortgeschrittenen arteriosklerotischen Teil
zu spezifizieren.
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Eine Pulsgeschwindigkeit RR umgewandelt
pro Minute kann erhalten werden unter Verwendung der Umwandlungsformel
RR = 60/τ1
unter Verwendung einer Periode τ1
einer Veränderung
der Querschnittsfläche des
Tomogramms 3a in 9B.
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Das Blutflußvolumen und die Durchschnittsflußgeschwindigkeit
innerhalb des Abschnittes kann aus den zwei Tomogrammen 3a und 3b erhalten
werden. Das Verfahren des Erhaltens dieser Werte wurde bereits in
der ersten Ausführungsform
beschrieben.
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In Kombination mit der Blutdruckmeßtechnik
kann die Elastizität
des Blutgefäßes direkt
erhalten werden. Messungen, die effektiv zum Evaluieren des Grades
der Arteriosklerose sind, sind erlaubt. Eine Druckelastizität Ep wird
definiert als der Index des Grades der Arteriosklerose wie folgt: Ep = ΔP/(Δr/r)
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Dieser Index wird erhalten durch
Messen des Drucks und des Blutgefäßdurchmessers unter Verwendung
eines intravaskulären
Katheters in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 4-329938.
Das Verfahren dieser Ausführungsform
jedoch erlaubt eine nichtinvasive Messung.
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Zusätzlich zu der Pulsgeschwindigkeit,
der Pulswellengeschwindigkeit und der Druckelastizität können verschieden
andere kardiovaskuläre
Daten, sowie die Dicke der Blutgefäßwand und die Pulsierungsgeschwindigkeit
der Blutgefäßwand aus
den extrahierten Zeitveränderungen
der Querschnittsflächen
der Blutgefäßwandabschnitte
erhalten werden.
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(Dritte Ausführungsform)
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Die zweite Ausführungsform hat das Verfahren
des manuellen Detektierens der Position direkt überhalb dem Zentrum des Blutgefäßes beispielhaft
dargelegt. Es ist auch möglich,
die Position direkt überhalb
des Blutgefäßes in Übereinstimmung
mit einem anderen Verfahren festzulegen. Die dritte Ausführungsform
wird ein Verfahren des Detektierens einer Position direkt überhalb
einem Blutgefäß unter
Verwendung eines Drucksensitiven Elements beispielhaft ausführen.
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10 ist
eine Ansicht, die den schematischem Aufbau einer Druck-sensitiven
Elementgruppe zum Erhalten des Zentrums eines Blutgefäßes 2 zeigt.
Die Drucksensitive Elementgruppe 31 wird unter Verwendung
eines Anpreßteils,
so wie einer Manschette, angepreßt, um ein Blutgefäß unter
Druck zu setzen und dadurch das Blutgefäß abzuflachen, wie in 10 gezeigt. Ein Druckwert
wird auf die Druck-sensitive Elementgruppe 31 übertragen.
Ein Teil, der den maximalen übertragenen
Druck repräsentiert,
wird als eine Position direkt überhalb
dem Blutgefäß definiert.
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Der Abschnitt, der den maximalen übertragenen
Druck repräsentiert,
wird als die Position direkt überhalb
dem Blutgefäß definiert.
Jedoch ändert
sich dieser Teil abhängig
von dem Druckverfahren, der Druckstärke und der Position des Blutgefäßes. Das
Verfahren des Bestimmens der Position direkt überhalb dem Blutgefäß kann beliebig
verbessert werden.
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11 ist
eine Ansicht, die den Aufbau eines Mittels zum Detektieren der Position
direkt überhalb
des Blutgefäßes zeigt.
Eine Ultraschallmeßwandldergruppe 4e ist
parallel zu einer Druck-sensitiven Elementgruppe 31 angeordnet.
Vor der Messung eines Blutgefäßbildes
wird die Druck-sensitive Elementgruppe 31 gegen einen Patienten
mit einem angemessenen Druck gepreßt, um auf der Basis der Druckwelle
zu bestimmen, welches der Druckelemente der Druck-sensitiven Elementgruppe 31 direkt überhalb
dem Blutgefäß von Interesse angeordnet ist.
Bei dieser Bestimmung werden die Druckwellen der entsprechenden
Druckelemente, welche sich im Laufe der Zeit in Übereinstimmung mit dem Pulsschlag
des Blutgefäßes ändern, miteinander
verglichen, und das Druck-sensitive Element, das den maximalen utput
generiert, wird als dasjenige bestimmt, das richtig angeordnet ist,
(abot) wodurch es möglich
ist, den Druck aus dem Blutgefäß freizusetzen,
um das Blutgefäß nicht
abzuflachen.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform
wird der Grenzwert gemäß dem Einfallswinkel
der Ultraschallwellen verändert.
Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf den Fall limitiert,
in welchem der Grenzwert nur durch den Einfallswinkel bestimmt wird
(d. h. dem proportionalen Verhältnis
zwischen dem Einfallswinkel und dem Sinuswert). Wenn es schwierig
ist, nacheinander die Einfallswinkel aufgrund der strukturellen
Komplexität
der Meßausrüstung für Ultraschallbilder,
die aus entsprechenden Vibratoren erhalten werden, zu berechnen,
kann das folgende Verfahren verwendet werden. D. h., ein Bildteil,
der durch ein Ultraschallsignal, das durch den Ulraschallmeßwandler
empfangen wird, der direkt überhalb
des Blutgefäßes angeordnet
ist, erhalten wird, wird definiert, als einen Einfallswinkel von
Null habend. Der Grenzwert wird verändert unter Verwendung einer
beliebigen Wellenform, so wie einer linearen oder einer gekrümmten Wellenform,
wenn entfernt von diesem Vibrator. In anderen Worten, ein einfaches
Verfahren unter Verwendung von nur Einfallswinkelinformation bei
einer oder verschiedenen Positionen ist auch im Umfang der vorliegenden
Erfindung beinhaltet.
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12A und 12B sind Ansichten, die ein
Beispiel des Setzens eines Grenzwertes zeigen. In 12A wird ein Grenzwert für einen
Teil, der direkt überhalb
dem Blutgefäß angeordnet
ist, als β1
gegeben, um den Grenzwert linear zu verändern. Ein Grenzwert, der von
der Position direkt überhalb
des Blutgefäßes um ra
entfernt ist, wird definiert als einen Grenzwert von β2 habend.
Sogar wenn ein einziges Blutgefäß eine Pulsierung aufweist,
werden unterschiedliche Grenzwerte in der Diastole und in der Systole
gesetzt. Wenn das Blutgefäß in gedehnter
Form behalten wird, wie angezeigt durch Referenznummer 34a in 12B wird der Grenzwert abhängig vom
Pulsschlag verändert,
wie durch die durchgezogene Linie angezeigt. Wenn das Blutgefäß zusammengezogen
behalten wird, wie angezeigt durch Referenznummer 34b,
wird der Grenzwert verändert
abhängig
vom Pulsschlag, wie angezeigt durch die gepunktete Linie. Noch spezifischer
wird ein Verfahren zum Anordnen der Detektionseinheiten für die Erweiterung
der Blutgefäße und für die Verengung
der Blutgefäße zum Detektieren
der Diastole und der Systole und zum Ändern der Grenzwerte in Übereinstimmung
mit den Daten von diesen Detektionseinheiten verwendet.
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Alternativ kann der Grenzwert durch
eine Gerade oder Kurve abhängig
vom Einfallswinkel wie oben beschrieben verändert werden, und die gesamte
Veränderungskurve,
die die Grenzwertgerade oder -kurve repräsentiert, kann vertikal durch
eine Volumenkontrolle oder ähnliches übertragen
werden. Die Volumenkontrolle kann so angepaßt werden, daß die Blutgefäßwand am
klarsten beobachtet wird, während
das binäre
Tomogramm auf dem Schirm gesehen wird.
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Wie oben beschrieben, wenn ein angemessener
Grenzwert in Übereinstimmung
mit dem Blutgefäßstadium,
kann die Arterienwand extrahiert werden und verschiedene Arten von
kardiovaskulärer
Information können
gemessen werden unter Verwendung des extrahierten Bildes der Arterienwand.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann beliebig verwendet
werden als Teil einer anderen Vorrichtung. Beispielsweise wird die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung synchronisiert mit einem
Ultraschalldiagnosegerät,
um die extrahierte Blutgefäßwand auf
dem Ultraschallbild zu überlagern
und das resultierende Bild auf einem Monitor darzustellen und die
resultierenden Werte auf dem Bildschirm auszugeben oder sie auf
Papier zu drucken. Diese Modifizierungen sind ebenso im Umfang der
vorliegenden Erfindung mit beinhaltet.
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Wie oben beschrieben wurde, kann
der Blutdruck gemäß der vorliegenden
Erfindung kontinuierlich und nichtinvasiv unter Verwendung eines
theoretischen Ausdruckes unter in-Erwägung-Ziehen der Blutgefäßwandbewegung
durch die Pulsierung der Blutgefäßwand gemessen
werden.
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Es kann ein kardiovaskuläres Informationsmessungssystem
zur Verfügung
gestellt werden, das in der Lage ist, nichtinvasiv kardiovaskuläre Indices,
so wie Blutgefäßstadium
und einen Blutfluß unter
Verwendung der Anordnung, die in der Lage ist, einen Blutgefäßwandteil
aus den Ultraschalltomogrammen zu extrahieren, zu messen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf die obigen Ausführungsformen
limitiert und verschiedene Veränderungen
und Modifizierungen können
gemacht werden. Daher, um die Öffentlichkeit
von dem Umfang der vorliegenden Erfindung in Kenntnis zu setzen,
werden die folgenden Ansprüche
gemacht.
