JP2004041482A - 脈波検出装置及び生体電位検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】検出信号に重畳されるノイズを低減することができる脈波検出装置及び生体電位検出装置を提供すること。
【解決手段】非侵襲的に末梢における脈波を検出する脈波検出装置１０は、被験者の脈波検出部位に接触されて被験者の脈波を検出する脈波検出プローブ６１と、被験者の脈波検出部位と隣接する部位に接触されて生体アースをとる少なくとも一つの生体アース電極６３と、脈波検出プローブ６１及び生体アース電極６３を覆って配置され、脈波検出プローブ６１及び生体アース電極６３を被験者に装着させる装着保持部材６２とを有する。装着保持部材６２は、導電性部材にて形成され、かつ、生体アース電極６３に接続されている。
【選択図】 図１
【解決手段】非侵襲的に末梢における脈波を検出する脈波検出装置１０は、被験者の脈波検出部位に接触されて被験者の脈波を検出する脈波検出プローブ６１と、被験者の脈波検出部位と隣接する部位に接触されて生体アースをとる少なくとも一つの生体アース電極６３と、脈波検出プローブ６１及び生体アース電極６３を覆って配置され、脈波検出プローブ６１及び生体アース電極６３を被験者に装着させる装着保持部材６２とを有する。装着保持部材６２は、導電性部材にて形成され、かつ、生体アース電極６３に接続されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出信号のノイズを低減できる脈波検出装置及び生体電位検出装置に関する。
【０００２】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
被験者に装着されて被験者の末梢の脈波を被侵襲的に検出する脈波検出装置の開発が進められている。被験者は、自身の健康状態等を、携帯型脈波検出装置にて検出された脈波から自ら知ることができる。
【０００３】
脈波を被侵襲的に検出するのに、脈波を光学的に検出したり、あるいは脈圧に基づいて脈波を検出することが知られている。
【０００４】
上記のようにして検出される脈波波形は、心臓の伸収縮に基づき大動脈から末梢血管に血液が流れることで生ずる純粋な脈波波形とはならない。検出される脈波波形には、ノイズが重畳されるからである。
【０００５】
心電位、筋電位などの生体電位検出装置でも、同様にノイズの問題がある。
【０００６】
本発明者は、このノイズについて検討した結果、共に、生体アースの取り方に改善の余地があることを見出した。
【０００７】
本発明の目的は、検出信号に重畳されるノイズを低減することができる脈波検出装置及び生体電位検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る脈波検出装置は、非侵襲的に末梢における脈波を検出する脈波検出装置において、被験者の脈波検出部位に接触されて被験者の脈波を検出する脈波検出プローブと、被験者の前記脈波検出部位と隣接する部位に接触されて生体アースをとる少なくとも一つの生体アース電極と、前記脈波検出プローブ及び前記生体アース電極を覆って配置され、前記脈波検出プローブ及び前記生体アース電極を被験者に装着させる装着保持部材とを有する。そして、前記装着保持部材は、導電性部材にて形成され、かつ、前記生体アース電極に接続されている。
【０００９】
この構成によれば、下記の動作によりＳ／Ｎが向上すると考えられる。まず、脈波検出プローブ及び生体アース電極は、それらを被験者に装着させるための導電性の装着保持部材により覆われている。しかも、装着保持部材は生体アース電極に接続されている。これにより、脈波検出プローブに電磁波ノイズなどの外乱ノイズの影響を受けることが低減される。次に、被験者の脈波検出部位と隣接する部位であって、脈波検出部位と常に一定の距離にある部位に接触する生体アース電極が設けられる。ここで、脈波はアース電位を基準電位として検出される。このため、検出部位の近くの一定距離の位置にて生体アース電位を設定することで、従来のように検出部位と離れたり、あるいは設定の都度に検出部位からの距離が異なるもの比較して、アース電位の電位が不安定になることはない。よって、アース電位の電位差に起因して生ずる弊害を防止できる。
【００１０】
脈波検出プローブは、光学的に脈波を検出するものとすることができ、発光素子と受光素子とを含むことができる。この場合、生体アース電極は、発光素子及び受光素子を挟んだ両側にそれぞれ配置することができる。あるいは、生体アース電極を、発光素子及び受光素子を囲んで配置してもよい。
【００１１】
脈波検出部位は、指の橈骨動脈と対応する部位に設定することができる。この場合、装着保持部材は、指に挿入される筒型の指サック形状に形成することができる。脈波検出部位は、手首の橈骨動脈と対応する部位に設定しても良い。この場合、装着保持部材は、手首に巻回して保持されるリストバンドの形状に形成することができる。脈波検出部位は他の末梢部位例えば耳などに設定してもよく、その検出部位に適合するように装着保持部材の形状を設定すればよい。なお、装着保持部材としてのリストバンドに電池を内蔵する筐体を設けることができる。このとき、その電池の基準電位線と筐体とを接続し、かつ、その筐体をリストバンドに接続することができる。こうして、電池の基準電位を設定する筐体を生体アース電極に接続できる。
【００１２】
装着保持部材は、導電体のメッシュにて形成することができる。長時間の装着でも検出部位が蒸れることがなく、しかも電磁気のシールド効果を発揮できる。なお、装着保持部材に遮光機能を持たせるのであれば、発光・受光素子以外の場所に通気孔、メッシュなどを形成する等して、通気性を持たせることができる。
【００１３】
本発明の他の態様に係る生体電位検出装置は、被験者の検出部位に接触して配置される生体電位検出電極と、前記生体電位検出電極に接続される信号電位取出ケーブルと、前記信号電位取出ケーブルの周囲に電気的に絶縁されて配置されるシールドケーブルと、前記シールドケーブルの端部に電気的に接続されて、前記検出部位と非接触となるように配置され、前記生体電位検出電極を覆うシールド用筒部とを有する。
【００１４】
この生体電位検出装置においては、生体電位検出電極を覆ったシールド用筒部により、外乱ノイズが生体電位検出電極に入ることを低減できる。また、信号取出ケーブルはシールドケーブルにより覆われているので、信号取出ケーブルにも外乱ノイズが入ることを防止でき、Ｓ／Ｎが向上する。
【００１５】
生体電位検出電極は、被験者の検出部位に接触して配置される電極部と、前記電極部に接続された端子とを含むことができる。この場合、信号電位取出ケーブルは、生体電位検出電極の端子と着脱可能に接続される。このように、生体電位検出電極と信号電位取出ケーブルとを着脱可能とすることで、生体電位検出電極を検出部位に設定する作業が容易になる。
【００１６】
本発明の他の態様に係る生体電位検出装置は、取り出される生体電位信号が不活性な部位に接触される生体アース電極をさらに有することができる。そして、シールドケーブルはその生体アース電極に接続されることで、外乱ノイズの悪影響を低減できる。
【００１７】
信号電位取出ケーブルは、心電位を取り出すもの、あるいは筋電位を取り出すものとすることができ、本発明の生体電位検出装置を心電図計測装置、筋電図計測装置等に適用できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態は、脈波検出装置である。
【００２０】
（脈波検出装置の外観構成）
本実施形態の脈波検出装置は、被験者の例えば手首に装着される携帯型であり、図１（Ａ）、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すような外観的構成とすることができる。脈波検出装置１０は、腕時計状の構造を有する装置本体１２と、この装置本体１２のコネクタ部２０にコネクタピース５７を介して接続されるケーブル５８と、このケーブル５８の先端側に設けられた脈波検出部６０とを含んで構成されている。装置本体１２にはリストバンド５６が取り付けられ、リストバンド５６によって装置本体１２が被験者の手首に装着される。
【００２１】
装置本体１２はコネクタ部２０を備えており、コネクタ部２０にはケーブル５８の端部となっているコネクタピース５７が着脱自在に取り付けられている。
【００２２】
図１（Ｃ）は、このコネクタピース５７を取り外したコネクタ部２０を示しており、例えば、ケーブル５８との接続ピン２１や、データ転送を行うためのＬＥＤ２２、フォトトランジスタ２３を備えている。
【００２３】
また、装置本体１２の表面側には、液晶パネルからなる表示部５４が設けられている。表示部５４は、セグメント表示領域や、ドット表示領域などを有し、脈波中の血管中水分量に依存して変化する指標や、それに基づいて判定される血液透析時期など表示する。なお、表示部５４には液晶パネルではなく他の表示装置を用いてもよい。
【００２４】
装置本体１２の内部には、各種演算や変換などを制御するＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）、ＣＰＵを動作させるプログラムその他を記憶するメモリを備え（図示省略）、装置本体１２の外周部には各種操作や入力を行うためのボタンスイッチ１４がそれぞれ設けられている。
【００２５】
一方、脈波検出部６０は、図１（Ｂ）に示すように、脈波検出プローブ６１と、その両側に配置された２つのアース電極６３，６３を有する。この脈波検出部６０は、指サック形状のセンサ固定用バンド（装着保持部材）６２によって遮光されながら、被験者の人差し指の根本付近に装着される。このように、脈波検出部６０を指の根本付近に装着すると、ケーブル５８が短くて済むので、装着しても邪魔にならない。また、指の根元付近は指先に比べると気温による血流量の変化が少ないため、検出した脈波波形に対する気温などの影響が比較的少ない。
【００２６】
（脈波検出部）
脈波検出プローブ６１は、例えば図２に示すように、アース電極６３により接地された発光素子例えばＬＥＤ６４、受光素子例えばフォトトランジスタ６５を含み、非侵襲的すなわち皮膚を破ることなく末梢における脈波を検出できるように構成されている。この脈波検出プローブ６１は、脈波波形が血流量の変動波形（容積脈波波形）とほぼ同様の波形となることを利用し、毛細血管網に対する光照射と、毛細血管内の血液による反射光量の変動または透過光量の変動の検出とを行うように形成された光センサを用いて脈波（容積脈波）を検出する。
【００２７】
さらに具体的には、脈波検出プローブ６１は、スイッチＳＷがオン状態となり、電源電圧が印加されると、ＬＥＤ６４から光が照射される。この照射光は、被験者の血管や組織によって反射した後に、フォトトランジスタ６５によって受光される。したがって、フォトトランジスタ６５の光電流を電圧に変換したものが、脈波検出部６０の信号ＰＴＧとして出力される。
【００２８】
図３は、脈波検出プローブ６１と２つのアース電極６３，６３の配置を説明するための平面図である。２つのアース電極６３，６３は、発光素子６４及び受光素子６５を含む脈波検出プローブ６１を挟んだ両側にて、脈波検出プローブ６１に接近し、かつ、脈波検出プローブ６１から常に一定距離だけ離れた位置に生体アース電極６３，６３が配置されている。あるいは、発光素子６４及び受光素子６５を囲むようにガードリング形状のアース電極としても良い。ここで、脈波はアース電位を基準電位として検出される。このため、検出部位の近くの一定距離の位置にて生体アース電位を設定することで、従来のように検出部位と離れたり、あるいは設定の都度に検出部位からの距離が異なるもの比較して、アース電極の電位が不安定になることはない。
【００２９】
ここで、図１（Ａ）（Ｂ）に示すセンサ固定用バンド（装着保持部材）６２は、導電性部材により形成され、かつ、２つのアース電極６３，６３と電気的に接続されている。このように、脈波検出プローブ６１を覆うセンサ固定バンド６２は、アース電極６３，６３に接続されているので、脈波検出プローブ６１への外乱ノイズの侵入を防止するシールド部材として兼用することができる。
【００３０】
以上の構成から、脈波検出プローブ６１にて検出される脈波のＳ／Ｎが向上する。
【００３１】
ＬＥＤ６４の発光波長は、血液中のヘモグロビンの吸収波長ピーク付近に選ばれる。このため、受光レベルは血流量に応じて変化する。したがって、受光レベルを検出することによって、脈波波形が検出されることとなる。例えば、ＬＥＤ６４としては、ＩｎＧａＮ系（インジウム−ガリウム−窒素系）の青色ＬＥＤが好適である。このＬＥＤの発光スペクトルは、４５０ｎｍ付近を発光ピークとし、その発光波長域は、３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲とすることができる。
【００３２】
このような発光特性を有するＬＥＤに対応するフォトトランジスタ６５として、本実施形態においては、例えばＧａＡｓＰ系（ガリウム−砒素−リン系）のものを用いることができる。このフォトトランジスタ６５の受光波長領域は、主要感度領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでの範囲とし、３００ｎｍ以下にも感度領域があるものとすることができる。
【００３３】
このような青色ＬＥＤ６４とフォトトランジスタ６５とを組み合わせると、その重なり領域である３００ｎｍから６００ｎｍまでの波長領域において、脈波を検出することができ、以下のような利点がある。
【００３４】
まず、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指の組織を透過しにくい傾向があるため、外光がセンサ固定用バンドで覆われていない指の部分に照射されても、指の組織を介してフォトトランジスタ６５まで到達せず、検出に影響を与えない波長領域の光のみがフォトトランジスタ６５に達する。一方、３００ｎｍより長い波長領域の光は、皮膚表面でほとんど吸収されるので、受光波長領域を７００ｎｍ以下としても、実質的な受光波長領域は、３００ｎｍ〜７００ｎｍとなる。したがって、指を大掛かりに覆わなくとも、外光の影響を抑圧することができる。また、血液中のヘモグロビンは、波長が３００ｎｍから７００ｎｍまでの光に対する吸光係数が大きく、波長が８８０ｎｍの光に対する吸光係数に比して数倍〜約１００倍以上大きい。したがって、この例のように、ヘモグロビンの吸光特性に合わせて、吸光特性が大きい波長領域（３００ｎｍから７００ｎｍ）の光を検出光として用いると、その検出値は、血量変化に応じて感度よく変化するので、血量変化に基づく脈波波形のＳＮ比を高めることができる。
【００３５】
このように、脈波検出部６０は、血流量に対応して変化する脈波すなわち容積脈波を、皮膚付近に存在する毛細血管網における赤血球量の変動としてとらえ、皮膚に照射した光の透過量または反射量の変動として検出することができるため、センサを末梢動脈例えば橈骨動脈や側指動脈の位置に合わせることなく検出することができる。したがって、脈波検出部６０は、皮膚付近に存在する毛細血管における赤血球量の変動を、末梢動脈における脈波（容積脈波）として安定して検出することが可能である。
【００３６】
（基本機能ブロック構成及び低域遮断部）
図４は、実施形態に係る脈波検出装置１０の機能ブロック図である。図４では、脈波検出装置１０は、上述した脈波検出部６０の他、低域遮断部７０、指標抽出部８０及び告知部９０を有する。低域遮断部８０は必ずしも必須の構成ではない。この脈波検出装置１０を装着した被験者は、安静状態あるいは少なくとも静止状態のときに血液透析時期を判定することが好ましい。しかし、安静状態または静止状態といえども、検出される脈波には、被験者の自律神経系機能の活動に伴う変動（血管の動きは除く）に起因した低域周波数成分、あるいは静止状態を維持する間の被験者の体の揺らぎ（体動）に起因した低周波数成分が重畳する。これらも、脈波を検出する際のノイズとなる。このノイズを低域遮断部７０にて除去することで、検出精度がさらに高められる。この低域遮断部７０の詳細については後述する。
【００３７】
（脈波波形及び指標抽出部）
図５は、動脈例えば橈骨動脈における典型的な脈波波形を示す特性図である。図５に示す一周期分の脈波は、脈波のうちの一周期の最初の立ち上がり点Ｐ０、駆出波（Ｅｊｅｃｔｉｏｎ Ｗａｖｅ）Ｐ１、退潮波（Ｔｉｄａｌ Ｗａｖｅ）Ｐ２、切痕（Ｄｉｃｒｏｔｉｃ Ｎｏｔｃｈ）Ｐ３、切痕波（Ｄｉｃｒｏｔｉｃ Ｗａｖｅ）Ｐ４の各ピークを有している。
【００３８】
図３の指標抽出部８０は、指標Ｐ０〜Ｐ４のうちのいずれかの波高あるいは波高比率等に基づいて指標を抽出するものである。
【００３９】
指標抽出部７０は、図５に示す脈波から指標を抽出しても良いが、脈波の二次微分波形に基づいて指標を抽出しても良い。二次微分波形には、図５に示す脈波の特徴がより顕在化されるからである。従って、図６に示すように、図４に示す基本機能ブロックの構成に加えて一次微分部１００と二次微分部１１０とをさらに設けることができる。
【００４０】
図７（Ａ）は脈波検出部６０にて検出された脈波（あるいは低域遮断部７０にて低域周波数成分が除去された脈波）の原波形ＰＴＧの波形図である。図７（Ｂ）は、原波形ＰＴＧが一次微分部１００にて微分された一次微分波形ＦＤＰＴＧ（速度波形）の波形図である。図７（Ｃ）は、一次微分波形ＦＤＰＴＧが二次微分部１１０にて微分された二次微分波形ＳＤＰＴＧ（加速度波形）の波形図である。二次微分波形ＳＤＰＴＧは、図８に示すように、原波形ＰＴＧより明確な５つの変極点を有し、その波高値をそれぞれａ〜ｅとする。
【００４１】
ここで、波高値ａは脈波のうちの一周期の最初の立ち上がり点Ｐ０に相当し、波高値ｂは駆出波Ｐ１に相当し、波高値ｃは退潮波Ｐ２に相当し、波高値ｄは切痕Ｐ３に相当し、波高値ｅは切痕波Ｐ４に相当する。指標抽出部８０は、波高値ａ〜波高値ｄのいずれか、あるいはそれらの波高比率などを指標として抽出することができる。
【００４２】
（低域遮断部）
次に、検出精度をさらに高めるための低域遮断部７０について説明しておく。
【００４３】
低域遮断部７０は、脈波検出部６０にて検出された脈波から、自律神経系機能の活動に伴う変動（血管の動きは除く）に起因した低域周波数成分を除去するものである。この低域周波数成分は、心臓の伸収縮に基づき大動脈から末梢血管に血液が流れることで生ずる純粋な脈波の周波数成分ではなく、純粋な脈波中の周波数成分よりも低域の周波数成分である。この低域周波数成分が脈波中に重畳するノイズとなるので、このノイズを除去することで、安定して脈波を検出できる。
【００４４】
低域遮断部７０は、被験者の静止時の体動に起因した低域周波数成分をさらに除去することができる。被験者は、静止した状態であったとしても、その静止状態を維持するため等により体の揺らぎ（体動）がある。この体動は、意識的に手足を速く動かした時のようなものでなく、比較的ゆったりとした動きである。よって、この体動に起因して脈波に低域周波数成分が重畳し、これもノイズとなるので除去している。
【００４５】
低域遮断部７０は、自律神経系機能の活動に伴う変動（血管の動きは除く）及び体動に起因した低域周波数成分を除去するためには、低域遮断周波数を０．４〜０．５Ｈｚの範囲中の値に設定することが好ましい。この低域遮断周波数未満の低域周波数成分には脈波固有の特徴は含まれてなく、これらはノイズとなるからである。自律神経系機能に伴う変動として、交換神経系機能及び副交換神経系機能の活動に伴う変動がある。交換神経系機能の活動に伴う変動に起因した低域周波数成分として、例えば１０秒に１回程度に生ずる筋ポンプ機能の変動等に起因した低域周波数成分（例えば０．１Ｈｚ程度）を挙げることができる。副交感神経系機能の活動に伴う変動に起因した低域周波数成分として、例えば呼吸運動に起因した低域周波数成分（例えば０．１５Ｈｚ程度）を挙げることができる。
【００４６】
低域遮断部７０は、上述の低域遮断周波数の他に、高域遮断周波数が例えば１６〜３０Ｈｚの範囲中の値に設定されたバンドパスフィルタにて構成してもよい。これにより、低域周波数成分に加えて、高域遮断周波数を越える無駄な高域成分も除去できる。高域遮断周波数は、余裕を見ても３０Ｈｚとすれば十分であり、高域遮断周波数を２０Ｈｚ、あるいは１６Ｈｚとしてもよい。
【００４７】
（具体的構成例１）
図９は、図６の機能ブロックのうちの脈波検出部６０から二次微分部１１０までをより具体的に示すブロック図であり、図１０は低域遮断部の回路図である。図９に示すように、構成例１は、脈波検出部６０、アナログ微分回路１２０、量子化部１３０及び二次微分部１１０を有する。アナログ微分回路１２０は、図６に示す低域遮断部７０及び一次微分部１００の機能に加えて高域遮断部の機能も兼ね備えている。換言すれば、このアナログ微分回路１２０は、バンドパス機能を備えている。これに代えて、アナログ微分回路１２０が、ハイパス機能を備えるものであっても良い。いずれの場合も、０．４〜０．５Ｈｚの遮断周波数未満の低域周波数成分を遮断できるからである。
【００４８】
このアナログ微積分回路１２０は、例えば図１０に示すように、オペアンプ１２２の正入力端子、負入力端子及び負帰還経路に所定の定数を有する素子Ｃ１〜Ｃ３及びＲ１，Ｒ２を備えて構成できる。これらの素子の定数の設定により、このアナログ微分回路１２０は、０．４〜３０Ｈｚ、０．４〜２０Ｈｚあるいは０．４〜１６Ｈｚなどの帯域の周波数成分を通過させるバンドパス機能を備えることができる。いずれの場合も、低域遮断周波数は０．４〜０．５Ｈｚである。
【００４９】
量子化部１３０は、アナログ微分回路１２０からのアナログ信号を量子化して、図１１（Ａ）に示すようなデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器である。量子化の手法は、公知の種々の手法を採用できる。例えば、図２及び図１０に示すスイッチＳＷにて発光素子６４を点滅させた場合、そのスイッチングにより出力波形は標本化されているので、スイッチング周期と同じサンプリングレートでサンプリングすればよい。このとき、量子化部１３０はＡＧＣ（オート・ゲイン・コントロール）機能により、出力振幅をダイナミックレンジの範囲内で一定レベル以上となるように増幅させると良い。脈波検出部６０の発光素子６４と受光素子６５との間の光伝達経路には、被験者の皮膚内の血管床が存在する。このため、脈波検出部６０の出力信号を、ダイナミックレンジの範囲内で適切に増幅する必要があるからである。
【００５０】
図９に示す二次微分部１１０は、量子化微分部であり、図１１（Ａ）の時間軸上で隣り合う２つの離散値の変化量（傾き）を得るものである。具体的には、図１２に示すように、スイッチ１１２によって交互にデータが記憶される第１，第２の記憶部１１４，１１６と、第１，第２の記憶部１１４，１１６からのデータ同士の差分をとるデジタル減算器１２８とで構成できる。図１１（Ａ）に示すデータの変化量である二次微分波形は図１１（Ｂ）に示す通りとなる。
【００５１】
（実験例）
被験者Ａ〜Ｃの３名について、アナログ微分回路１２０のバンドパス特性を異ならせて、原波形ＰＴＧ、一次微分波形ＦＤＰＴＧ及び二次微分波形ＳＤＰＴＧを収集してみた。バンドパス帯域として、高域遮断周波数は１６Ｈｚで共通させたが、低域遮断周波数は、０．１Ｈｚ（比較例１）、０．２Ｈｚ（比較例２）、０．４３Ｈｚ（実施例１）、０．６Ｈｚ（比較例３）と異ならせた。
【００５２】
こうして検出された各二次微分波形ＳＤＰＴＧのそれぞれについて、指標−ｂ／ａを算出して見た。なお、指標−ｂ／ａは、上述したように個々の被験者の血管中水分量に依存して変化すると共に、図１５に示すように被験者の年齢と正相関を有するものである。上記の測定の結果、被験者Ａについての実施例１に示す二次微分波形ＳＤＰＴＧの指標−ｂ／ａ（＝１．１２）が、被験者Ａの年齢に最も相応しい値であることが確認できた。
【００５３】
被験者Ａより年齢が高い被験者Ｂと、被験者Ａよりも年齢が低い被験者Ｃについても同様に測定した。実施例１にて測定した被験者Ｂの指標−ｂ／ａ＝１．１８であり、同じく被験者Ｃの指標−ｂ／ａ＝０．８９であり、被験者Ｃの年齢＜被験者Ａの年齢＜被験者Ｂの年齢の相関と、被験者Ｃの指標（０．８９）＜被験者Ａの指標（１．１２）＜被験者Ｂの指標（１．１８）の相関は、年齢順に一致した。これにより、バンドパス特性の低域遮断周波数は、比較例１〜３と対比すると、実施例１の低域遮断周波数０．４３Ｈｚが最適であることが分かった。このように、低域遮断周波数は０．４〜０．５Ｈｚが最適であり、比較例１〜３のように、その低域遮断周波数より低く過ぎても（０．１Ｈｚ，０．２Ｈｚ）高過ぎても（０．６Ｈｚ）好ましくない。
【００５４】
（具体的構成２）
図１３は、脈波検出部６０と低域遮断部７０との間に量子化部１３０を設けた変形例を示している。量子化部１３０の機能は図９と同じである。同様に、一次・二次微分部１００，１１０の機能は、図９に示す二次微分部１１０と同じである。なお、一次・二次微分部１００，１１０のいずれか一方を、アナログ微分回路とすることも可能である。
【００５５】
図１３に示す低域遮断部７０は、図１４に示すように、量子化データをフーリエ変換するフーリエ変換部７２と、低域遮断周波数未満の周波数スペクトルを除去するデジタルフィルタ７４と、前記デジタルフィルタの出力を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換部７６とを有する。フーリエ変換により得られた周波数スペクトルのうち、所定遮断周波数未満の周波数スペクトルをデジタルフィルタで除去することで、低域周波数成分を除去できる。
【００５６】
この他、低域遮断部７０までをアナログ信号処理とし、低域遮断部７０と一次微分回路１００との間に量子化部１３０を設け、一次・二次微分部１００，１１０をデジタル微分回路として構成しても良い。
【００５７】
（脈波検出部位の変形例）
上述した実施形態では、脈波検出部位を指に設定したが、他の部位例えば手首あるいは耳の橈骨動脈などであっても良い。
【００５８】
図１６に示す脈波検出装置２００は、図１（Ａ）と同様に腕時計状の構造を有する装置本体２１０と、装置本体２１０を被験者の手首に装着するためのリストバンド２１２とを有する。図１６には、図３に示す脈波検出部６０は図示されていないが、リストバンド２１２の内側に配置されている。そして、このリストバンド２１２を脈波検出部６０の装着保持部材として兼用している。このため、リストバンド２１２は導電性部材にて形成され、図３の２つのアース電極６３，６３と接続される。これにより、図１６のリストバンド２１２は図１（Ｂ）のセンサ固定バンド６２と同様に機能させることができる。
【００５９】
なお、装置本体２１０は電池（図示せず）を内蔵している。この電池の基準電位線は、装置本体２１０の筐体に接続することができる。また、この筐体はリストバンド２１２と電気的に接続されることで、アース電極と同電位に設定することができる。
【００６０】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明を生体電位検出装置に適用した実施形態について説明する。この生体電位検出装置の一例として、心電図（Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ）測定装置を挙げることができる。この心電図測定装置は、心臓活動電流を心電計によって図形記録するために、心電位を検出するための電極が必要である。
【００６１】
図１７は、本実施形態に係る心電図測定装置の信号電位検出部３００を示している。この信号電位検出部３００は、被験者の検出部位３０２に接触して配置される生体電位検出電極３１０と、生体電位検出電極３１０に接続される信号電位取出ケーブル３２０と、信号電位取出ケーブルの周囲に電気的に絶縁されて配置されるシールドケーブル３３０と、シールドケーブル３３０の端部に電気的に接続されて、検出部位３０２と非接触となるように配置され、生体電位検出電極３１０を覆うシールド用筒部３４０とを有する。生体電位検出電極３１０は、被験者の検出部位３０２に接触して配置される電極部３１２と、その電極部３１２に接続された端子３１４とを含む。信号電位取出ケーブル３２０は、生体電位検出電極３１０の端子３１２と着脱可能に接続され例えば嵌合する嵌合部３２２を有する。
【００６２】
生体電位検出電極３１０を検出部位３０２に設置するには、信号電位取出ケーブル３２０、シールドケーブル３３０及びシールド用筒部３４０を生体電位検出電極３１０とは切り離す。よって、生体電位検出電極３１０単体で検出部位３０２に設置できる。生体電位検出電極３１０は、電極部３１２を検出部位３０２に固定するために、絶縁性粘着層３１６を有する絶縁テープ３１８を用いることができる。
【００６３】
この構成によれば、生体電位検出電極３１０を覆ったシールド用筒部３４０により、外乱ノイズが生体電位検出電極３１０に入ることを低減できる。また、信号取出ケーブル３２０はシールドケーブル３３０により覆われているので、信号取出ケーブル３３０にも外乱ノイズが入ることを防止でき、Ｓ／Ｎが向上する。
【００６４】
なお、図１７に示す電極は一つの活用電極を用いるモノポール法に用いられるものであるが、二つの活用電極を用いるバイポーラ法に用いる電極にも適用できる。
【００６５】
また、この生体電位検出装置としては、心電図を測定するものに限らず、筋電図（Ｅｌｅｃｒｏｍｙｏｇｒａｍ）を測定する筋電図測定装置にも同様に適用できる。筋電図測定装置は、筋が収縮、緊張する際に発生する活動電位を記録したもので、心電図測定装置と同様な表面電極（皮膚電極）が用いられるからである。筋電図測定装置にもモノポール法とバイポーラ法があるが、本発明はさその双方に適用することができる。
【００６６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、装着保持部材である図１（Ｂ）のセンサ固定バンド６２や図１６のリストバンド２１２などは、長時間装着しても検出部位が蒸れないように、通気性を確保してもよく、例えばメッシュ形状としても良い。装着保持部材により脈波検出部６０の遮光を行う場合には、通気部の位置を工夫して、発光・受光素子に外光が入らないようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る脈波検出装置の外観図である。
【図２】図１に示す脈波検出部の回路構成の一例を示す回路図である。
【図３】図１（Ｂ）に示す脈波検出プローブと２つの生体アース電極とを示す平面図である。
【図４】本発明の実施形態の基本機能ブロック図である。
【図５】脈波検出部にて検出された脈波の１拍分の波形図である。
【図６】図３の基本機能ブロックに一次・二次微分部を付加した機能ブロック図である。
【図７】図７（Ａ）は検出された脈波の原波形、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の一次微分波形、図７（Ｃ）は図７（Ａ）の二次微分波形をそれぞれ示す波形図である。
【図８】二次微分波形の特徴を説明するための概略説明図である。
【図９】低域遮断回路以降の回路の具体的構成１を示すブロック図である。
【図１０】図９中のアナログ微分回路の回路図である。
【図１１】図１１（Ａ）は量子化波形を示し、図１１（Ｂ）はその微分波形を示す波形図である。
【図１２】図９に示す二次微分部の構成例を示すブロック図である。
【図１３】低域遮断回路以降の回路の具体的構成２を示すブロック図である。
【図１４】図１３中の低域遮断部の回路図である。
【図１５】指標（−ｂ／ａ）と被験者の年齢との相関を示す特性図である。
【図１６】脈波検出部位を手首とした脈波検出装置の外観図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る生体電位検出装置の信号検出部の概略断面図である。
【符号の説明】
１０ 脈波検出装置
６０ 脈波検出部
６１ 脈波検出プローブ
６２ センサ固定用バンド（装着保持部材）
６３ 生体アース電極
６４ 発光素子
６５ 受光素子
７０ 低域遮断部
７２ フーリエ変換部
７４ デジタルフィルタ
７６ 逆フーリエ変換部
８０ 指標抽出部
９０ 告知部
１００ 一次微分部
１１０ 二次微分部
１１２ スイッチ
１１４，１１６ 第１，第２の記憶部
１１８ デジタル減算器
１２０ アナログ微分回路（低域遮断部＋一次微分回路＋高域遮断部）
１２２ オペアンプ
１３０ 量子化部
２００ 脈波検出装置
２１０ 装置本体
２１２ リストバンド（装着保持部材）
３００ 信号電位検出部
３０２ 検出部位
３１０ 信号電位検出電極
３１２ 電極部
３１４ 端子
３１６ 粘着層
３１８ 絶縁テープ
３２０ 信号取出ケーブル
３２２ 嵌合部
３３０ シールドケーブル
３４０ シールド筒部
ＰＴＧ 原波形
ＦＤＰＴＧ 一次微分波形
ＳＤＰＴＧ 二次微分波形
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出信号のノイズを低減できる脈波検出装置及び生体電位検出装置に関する。
【０００２】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
被験者に装着されて被験者の末梢の脈波を被侵襲的に検出する脈波検出装置の開発が進められている。被験者は、自身の健康状態等を、携帯型脈波検出装置にて検出された脈波から自ら知ることができる。
【０００３】
脈波を被侵襲的に検出するのに、脈波を光学的に検出したり、あるいは脈圧に基づいて脈波を検出することが知られている。
【０００４】
上記のようにして検出される脈波波形は、心臓の伸収縮に基づき大動脈から末梢血管に血液が流れることで生ずる純粋な脈波波形とはならない。検出される脈波波形には、ノイズが重畳されるからである。
【０００５】
心電位、筋電位などの生体電位検出装置でも、同様にノイズの問題がある。
【０００６】
本発明者は、このノイズについて検討した結果、共に、生体アースの取り方に改善の余地があることを見出した。
【０００７】
本発明の目的は、検出信号に重畳されるノイズを低減することができる脈波検出装置及び生体電位検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る脈波検出装置は、非侵襲的に末梢における脈波を検出する脈波検出装置において、被験者の脈波検出部位に接触されて被験者の脈波を検出する脈波検出プローブと、被験者の前記脈波検出部位と隣接する部位に接触されて生体アースをとる少なくとも一つの生体アース電極と、前記脈波検出プローブ及び前記生体アース電極を覆って配置され、前記脈波検出プローブ及び前記生体アース電極を被験者に装着させる装着保持部材とを有する。そして、前記装着保持部材は、導電性部材にて形成され、かつ、前記生体アース電極に接続されている。
【０００９】
この構成によれば、下記の動作によりＳ／Ｎが向上すると考えられる。まず、脈波検出プローブ及び生体アース電極は、それらを被験者に装着させるための導電性の装着保持部材により覆われている。しかも、装着保持部材は生体アース電極に接続されている。これにより、脈波検出プローブに電磁波ノイズなどの外乱ノイズの影響を受けることが低減される。次に、被験者の脈波検出部位と隣接する部位であって、脈波検出部位と常に一定の距離にある部位に接触する生体アース電極が設けられる。ここで、脈波はアース電位を基準電位として検出される。このため、検出部位の近くの一定距離の位置にて生体アース電位を設定することで、従来のように検出部位と離れたり、あるいは設定の都度に検出部位からの距離が異なるもの比較して、アース電位の電位が不安定になることはない。よって、アース電位の電位差に起因して生ずる弊害を防止できる。
【００１０】
脈波検出プローブは、光学的に脈波を検出するものとすることができ、発光素子と受光素子とを含むことができる。この場合、生体アース電極は、発光素子及び受光素子を挟んだ両側にそれぞれ配置することができる。あるいは、生体アース電極を、発光素子及び受光素子を囲んで配置してもよい。
【００１１】
脈波検出部位は、指の橈骨動脈と対応する部位に設定することができる。この場合、装着保持部材は、指に挿入される筒型の指サック形状に形成することができる。脈波検出部位は、手首の橈骨動脈と対応する部位に設定しても良い。この場合、装着保持部材は、手首に巻回して保持されるリストバンドの形状に形成することができる。脈波検出部位は他の末梢部位例えば耳などに設定してもよく、その検出部位に適合するように装着保持部材の形状を設定すればよい。なお、装着保持部材としてのリストバンドに電池を内蔵する筐体を設けることができる。このとき、その電池の基準電位線と筐体とを接続し、かつ、その筐体をリストバンドに接続することができる。こうして、電池の基準電位を設定する筐体を生体アース電極に接続できる。
【００１２】
装着保持部材は、導電体のメッシュにて形成することができる。長時間の装着でも検出部位が蒸れることがなく、しかも電磁気のシールド効果を発揮できる。なお、装着保持部材に遮光機能を持たせるのであれば、発光・受光素子以外の場所に通気孔、メッシュなどを形成する等して、通気性を持たせることができる。
【００１３】
本発明の他の態様に係る生体電位検出装置は、被験者の検出部位に接触して配置される生体電位検出電極と、前記生体電位検出電極に接続される信号電位取出ケーブルと、前記信号電位取出ケーブルの周囲に電気的に絶縁されて配置されるシールドケーブルと、前記シールドケーブルの端部に電気的に接続されて、前記検出部位と非接触となるように配置され、前記生体電位検出電極を覆うシールド用筒部とを有する。
【００１４】
この生体電位検出装置においては、生体電位検出電極を覆ったシールド用筒部により、外乱ノイズが生体電位検出電極に入ることを低減できる。また、信号取出ケーブルはシールドケーブルにより覆われているので、信号取出ケーブルにも外乱ノイズが入ることを防止でき、Ｓ／Ｎが向上する。
【００１５】
生体電位検出電極は、被験者の検出部位に接触して配置される電極部と、前記電極部に接続された端子とを含むことができる。この場合、信号電位取出ケーブルは、生体電位検出電極の端子と着脱可能に接続される。このように、生体電位検出電極と信号電位取出ケーブルとを着脱可能とすることで、生体電位検出電極を検出部位に設定する作業が容易になる。
【００１６】
本発明の他の態様に係る生体電位検出装置は、取り出される生体電位信号が不活性な部位に接触される生体アース電極をさらに有することができる。そして、シールドケーブルはその生体アース電極に接続されることで、外乱ノイズの悪影響を低減できる。
【００１７】
信号電位取出ケーブルは、心電位を取り出すもの、あるいは筋電位を取り出すものとすることができ、本発明の生体電位検出装置を心電図計測装置、筋電図計測装置等に適用できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態は、脈波検出装置である。
【００２０】
（脈波検出装置の外観構成）
本実施形態の脈波検出装置は、被験者の例えば手首に装着される携帯型であり、図１（Ａ）、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すような外観的構成とすることができる。脈波検出装置１０は、腕時計状の構造を有する装置本体１２と、この装置本体１２のコネクタ部２０にコネクタピース５７を介して接続されるケーブル５８と、このケーブル５８の先端側に設けられた脈波検出部６０とを含んで構成されている。装置本体１２にはリストバンド５６が取り付けられ、リストバンド５６によって装置本体１２が被験者の手首に装着される。
【００２１】
装置本体１２はコネクタ部２０を備えており、コネクタ部２０にはケーブル５８の端部となっているコネクタピース５７が着脱自在に取り付けられている。
【００２２】
図１（Ｃ）は、このコネクタピース５７を取り外したコネクタ部２０を示しており、例えば、ケーブル５８との接続ピン２１や、データ転送を行うためのＬＥＤ２２、フォトトランジスタ２３を備えている。
【００２３】
また、装置本体１２の表面側には、液晶パネルからなる表示部５４が設けられている。表示部５４は、セグメント表示領域や、ドット表示領域などを有し、脈波中の血管中水分量に依存して変化する指標や、それに基づいて判定される血液透析時期など表示する。なお、表示部５４には液晶パネルではなく他の表示装置を用いてもよい。
【００２４】
装置本体１２の内部には、各種演算や変換などを制御するＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）、ＣＰＵを動作させるプログラムその他を記憶するメモリを備え（図示省略）、装置本体１２の外周部には各種操作や入力を行うためのボタンスイッチ１４がそれぞれ設けられている。
【００２５】
一方、脈波検出部６０は、図１（Ｂ）に示すように、脈波検出プローブ６１と、その両側に配置された２つのアース電極６３，６３を有する。この脈波検出部６０は、指サック形状のセンサ固定用バンド（装着保持部材）６２によって遮光されながら、被験者の人差し指の根本付近に装着される。このように、脈波検出部６０を指の根本付近に装着すると、ケーブル５８が短くて済むので、装着しても邪魔にならない。また、指の根元付近は指先に比べると気温による血流量の変化が少ないため、検出した脈波波形に対する気温などの影響が比較的少ない。
【００２６】
（脈波検出部）
脈波検出プローブ６１は、例えば図２に示すように、アース電極６３により接地された発光素子例えばＬＥＤ６４、受光素子例えばフォトトランジスタ６５を含み、非侵襲的すなわち皮膚を破ることなく末梢における脈波を検出できるように構成されている。この脈波検出プローブ６１は、脈波波形が血流量の変動波形（容積脈波波形）とほぼ同様の波形となることを利用し、毛細血管網に対する光照射と、毛細血管内の血液による反射光量の変動または透過光量の変動の検出とを行うように形成された光センサを用いて脈波（容積脈波）を検出する。
【００２７】
さらに具体的には、脈波検出プローブ６１は、スイッチＳＷがオン状態となり、電源電圧が印加されると、ＬＥＤ６４から光が照射される。この照射光は、被験者の血管や組織によって反射した後に、フォトトランジスタ６５によって受光される。したがって、フォトトランジスタ６５の光電流を電圧に変換したものが、脈波検出部６０の信号ＰＴＧとして出力される。
【００２８】
図３は、脈波検出プローブ６１と２つのアース電極６３，６３の配置を説明するための平面図である。２つのアース電極６３，６３は、発光素子６４及び受光素子６５を含む脈波検出プローブ６１を挟んだ両側にて、脈波検出プローブ６１に接近し、かつ、脈波検出プローブ６１から常に一定距離だけ離れた位置に生体アース電極６３，６３が配置されている。あるいは、発光素子６４及び受光素子６５を囲むようにガードリング形状のアース電極としても良い。ここで、脈波はアース電位を基準電位として検出される。このため、検出部位の近くの一定距離の位置にて生体アース電位を設定することで、従来のように検出部位と離れたり、あるいは設定の都度に検出部位からの距離が異なるもの比較して、アース電極の電位が不安定になることはない。
【００２９】
ここで、図１（Ａ）（Ｂ）に示すセンサ固定用バンド（装着保持部材）６２は、導電性部材により形成され、かつ、２つのアース電極６３，６３と電気的に接続されている。このように、脈波検出プローブ６１を覆うセンサ固定バンド６２は、アース電極６３，６３に接続されているので、脈波検出プローブ６１への外乱ノイズの侵入を防止するシールド部材として兼用することができる。
【００３０】
以上の構成から、脈波検出プローブ６１にて検出される脈波のＳ／Ｎが向上する。
【００３１】
ＬＥＤ６４の発光波長は、血液中のヘモグロビンの吸収波長ピーク付近に選ばれる。このため、受光レベルは血流量に応じて変化する。したがって、受光レベルを検出することによって、脈波波形が検出されることとなる。例えば、ＬＥＤ６４としては、ＩｎＧａＮ系（インジウム−ガリウム−窒素系）の青色ＬＥＤが好適である。このＬＥＤの発光スペクトルは、４５０ｎｍ付近を発光ピークとし、その発光波長域は、３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲とすることができる。
【００３２】
このような発光特性を有するＬＥＤに対応するフォトトランジスタ６５として、本実施形態においては、例えばＧａＡｓＰ系（ガリウム−砒素−リン系）のものを用いることができる。このフォトトランジスタ６５の受光波長領域は、主要感度領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでの範囲とし、３００ｎｍ以下にも感度領域があるものとすることができる。
【００３３】
このような青色ＬＥＤ６４とフォトトランジスタ６５とを組み合わせると、その重なり領域である３００ｎｍから６００ｎｍまでの波長領域において、脈波を検出することができ、以下のような利点がある。
【００３４】
まず、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指の組織を透過しにくい傾向があるため、外光がセンサ固定用バンドで覆われていない指の部分に照射されても、指の組織を介してフォトトランジスタ６５まで到達せず、検出に影響を与えない波長領域の光のみがフォトトランジスタ６５に達する。一方、３００ｎｍより長い波長領域の光は、皮膚表面でほとんど吸収されるので、受光波長領域を７００ｎｍ以下としても、実質的な受光波長領域は、３００ｎｍ〜７００ｎｍとなる。したがって、指を大掛かりに覆わなくとも、外光の影響を抑圧することができる。また、血液中のヘモグロビンは、波長が３００ｎｍから７００ｎｍまでの光に対する吸光係数が大きく、波長が８８０ｎｍの光に対する吸光係数に比して数倍〜約１００倍以上大きい。したがって、この例のように、ヘモグロビンの吸光特性に合わせて、吸光特性が大きい波長領域（３００ｎｍから７００ｎｍ）の光を検出光として用いると、その検出値は、血量変化に応じて感度よく変化するので、血量変化に基づく脈波波形のＳＮ比を高めることができる。
【００３５】
このように、脈波検出部６０は、血流量に対応して変化する脈波すなわち容積脈波を、皮膚付近に存在する毛細血管網における赤血球量の変動としてとらえ、皮膚に照射した光の透過量または反射量の変動として検出することができるため、センサを末梢動脈例えば橈骨動脈や側指動脈の位置に合わせることなく検出することができる。したがって、脈波検出部６０は、皮膚付近に存在する毛細血管における赤血球量の変動を、末梢動脈における脈波（容積脈波）として安定して検出することが可能である。
【００３６】
（基本機能ブロック構成及び低域遮断部）
図４は、実施形態に係る脈波検出装置１０の機能ブロック図である。図４では、脈波検出装置１０は、上述した脈波検出部６０の他、低域遮断部７０、指標抽出部８０及び告知部９０を有する。低域遮断部８０は必ずしも必須の構成ではない。この脈波検出装置１０を装着した被験者は、安静状態あるいは少なくとも静止状態のときに血液透析時期を判定することが好ましい。しかし、安静状態または静止状態といえども、検出される脈波には、被験者の自律神経系機能の活動に伴う変動（血管の動きは除く）に起因した低域周波数成分、あるいは静止状態を維持する間の被験者の体の揺らぎ（体動）に起因した低周波数成分が重畳する。これらも、脈波を検出する際のノイズとなる。このノイズを低域遮断部７０にて除去することで、検出精度がさらに高められる。この低域遮断部７０の詳細については後述する。
【００３７】
（脈波波形及び指標抽出部）
図５は、動脈例えば橈骨動脈における典型的な脈波波形を示す特性図である。図５に示す一周期分の脈波は、脈波のうちの一周期の最初の立ち上がり点Ｐ０、駆出波（Ｅｊｅｃｔｉｏｎ Ｗａｖｅ）Ｐ１、退潮波（Ｔｉｄａｌ Ｗａｖｅ）Ｐ２、切痕（Ｄｉｃｒｏｔｉｃ Ｎｏｔｃｈ）Ｐ３、切痕波（Ｄｉｃｒｏｔｉｃ Ｗａｖｅ）Ｐ４の各ピークを有している。
【００３８】
図３の指標抽出部８０は、指標Ｐ０〜Ｐ４のうちのいずれかの波高あるいは波高比率等に基づいて指標を抽出するものである。
【００３９】
指標抽出部７０は、図５に示す脈波から指標を抽出しても良いが、脈波の二次微分波形に基づいて指標を抽出しても良い。二次微分波形には、図５に示す脈波の特徴がより顕在化されるからである。従って、図６に示すように、図４に示す基本機能ブロックの構成に加えて一次微分部１００と二次微分部１１０とをさらに設けることができる。
【００４０】
図７（Ａ）は脈波検出部６０にて検出された脈波（あるいは低域遮断部７０にて低域周波数成分が除去された脈波）の原波形ＰＴＧの波形図である。図７（Ｂ）は、原波形ＰＴＧが一次微分部１００にて微分された一次微分波形ＦＤＰＴＧ（速度波形）の波形図である。図７（Ｃ）は、一次微分波形ＦＤＰＴＧが二次微分部１１０にて微分された二次微分波形ＳＤＰＴＧ（加速度波形）の波形図である。二次微分波形ＳＤＰＴＧは、図８に示すように、原波形ＰＴＧより明確な５つの変極点を有し、その波高値をそれぞれａ〜ｅとする。
【００４１】
ここで、波高値ａは脈波のうちの一周期の最初の立ち上がり点Ｐ０に相当し、波高値ｂは駆出波Ｐ１に相当し、波高値ｃは退潮波Ｐ２に相当し、波高値ｄは切痕Ｐ３に相当し、波高値ｅは切痕波Ｐ４に相当する。指標抽出部８０は、波高値ａ〜波高値ｄのいずれか、あるいはそれらの波高比率などを指標として抽出することができる。
【００４２】
（低域遮断部）
次に、検出精度をさらに高めるための低域遮断部７０について説明しておく。
【００４３】
低域遮断部７０は、脈波検出部６０にて検出された脈波から、自律神経系機能の活動に伴う変動（血管の動きは除く）に起因した低域周波数成分を除去するものである。この低域周波数成分は、心臓の伸収縮に基づき大動脈から末梢血管に血液が流れることで生ずる純粋な脈波の周波数成分ではなく、純粋な脈波中の周波数成分よりも低域の周波数成分である。この低域周波数成分が脈波中に重畳するノイズとなるので、このノイズを除去することで、安定して脈波を検出できる。
【００４４】
低域遮断部７０は、被験者の静止時の体動に起因した低域周波数成分をさらに除去することができる。被験者は、静止した状態であったとしても、その静止状態を維持するため等により体の揺らぎ（体動）がある。この体動は、意識的に手足を速く動かした時のようなものでなく、比較的ゆったりとした動きである。よって、この体動に起因して脈波に低域周波数成分が重畳し、これもノイズとなるので除去している。
【００４５】
低域遮断部７０は、自律神経系機能の活動に伴う変動（血管の動きは除く）及び体動に起因した低域周波数成分を除去するためには、低域遮断周波数を０．４〜０．５Ｈｚの範囲中の値に設定することが好ましい。この低域遮断周波数未満の低域周波数成分には脈波固有の特徴は含まれてなく、これらはノイズとなるからである。自律神経系機能に伴う変動として、交換神経系機能及び副交換神経系機能の活動に伴う変動がある。交換神経系機能の活動に伴う変動に起因した低域周波数成分として、例えば１０秒に１回程度に生ずる筋ポンプ機能の変動等に起因した低域周波数成分（例えば０．１Ｈｚ程度）を挙げることができる。副交感神経系機能の活動に伴う変動に起因した低域周波数成分として、例えば呼吸運動に起因した低域周波数成分（例えば０．１５Ｈｚ程度）を挙げることができる。
【００４６】
低域遮断部７０は、上述の低域遮断周波数の他に、高域遮断周波数が例えば１６〜３０Ｈｚの範囲中の値に設定されたバンドパスフィルタにて構成してもよい。これにより、低域周波数成分に加えて、高域遮断周波数を越える無駄な高域成分も除去できる。高域遮断周波数は、余裕を見ても３０Ｈｚとすれば十分であり、高域遮断周波数を２０Ｈｚ、あるいは１６Ｈｚとしてもよい。
【００４７】
（具体的構成例１）
図９は、図６の機能ブロックのうちの脈波検出部６０から二次微分部１１０までをより具体的に示すブロック図であり、図１０は低域遮断部の回路図である。図９に示すように、構成例１は、脈波検出部６０、アナログ微分回路１２０、量子化部１３０及び二次微分部１１０を有する。アナログ微分回路１２０は、図６に示す低域遮断部７０及び一次微分部１００の機能に加えて高域遮断部の機能も兼ね備えている。換言すれば、このアナログ微分回路１２０は、バンドパス機能を備えている。これに代えて、アナログ微分回路１２０が、ハイパス機能を備えるものであっても良い。いずれの場合も、０．４〜０．５Ｈｚの遮断周波数未満の低域周波数成分を遮断できるからである。
【００４８】
このアナログ微積分回路１２０は、例えば図１０に示すように、オペアンプ１２２の正入力端子、負入力端子及び負帰還経路に所定の定数を有する素子Ｃ１〜Ｃ３及びＲ１，Ｒ２を備えて構成できる。これらの素子の定数の設定により、このアナログ微分回路１２０は、０．４〜３０Ｈｚ、０．４〜２０Ｈｚあるいは０．４〜１６Ｈｚなどの帯域の周波数成分を通過させるバンドパス機能を備えることができる。いずれの場合も、低域遮断周波数は０．４〜０．５Ｈｚである。
【００４９】
量子化部１３０は、アナログ微分回路１２０からのアナログ信号を量子化して、図１１（Ａ）に示すようなデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器である。量子化の手法は、公知の種々の手法を採用できる。例えば、図２及び図１０に示すスイッチＳＷにて発光素子６４を点滅させた場合、そのスイッチングにより出力波形は標本化されているので、スイッチング周期と同じサンプリングレートでサンプリングすればよい。このとき、量子化部１３０はＡＧＣ（オート・ゲイン・コントロール）機能により、出力振幅をダイナミックレンジの範囲内で一定レベル以上となるように増幅させると良い。脈波検出部６０の発光素子６４と受光素子６５との間の光伝達経路には、被験者の皮膚内の血管床が存在する。このため、脈波検出部６０の出力信号を、ダイナミックレンジの範囲内で適切に増幅する必要があるからである。
【００５０】
図９に示す二次微分部１１０は、量子化微分部であり、図１１（Ａ）の時間軸上で隣り合う２つの離散値の変化量（傾き）を得るものである。具体的には、図１２に示すように、スイッチ１１２によって交互にデータが記憶される第１，第２の記憶部１１４，１１６と、第１，第２の記憶部１１４，１１６からのデータ同士の差分をとるデジタル減算器１２８とで構成できる。図１１（Ａ）に示すデータの変化量である二次微分波形は図１１（Ｂ）に示す通りとなる。
【００５１】
（実験例）
被験者Ａ〜Ｃの３名について、アナログ微分回路１２０のバンドパス特性を異ならせて、原波形ＰＴＧ、一次微分波形ＦＤＰＴＧ及び二次微分波形ＳＤＰＴＧを収集してみた。バンドパス帯域として、高域遮断周波数は１６Ｈｚで共通させたが、低域遮断周波数は、０．１Ｈｚ（比較例１）、０．２Ｈｚ（比較例２）、０．４３Ｈｚ（実施例１）、０．６Ｈｚ（比較例３）と異ならせた。
【００５２】
こうして検出された各二次微分波形ＳＤＰＴＧのそれぞれについて、指標−ｂ／ａを算出して見た。なお、指標−ｂ／ａは、上述したように個々の被験者の血管中水分量に依存して変化すると共に、図１５に示すように被験者の年齢と正相関を有するものである。上記の測定の結果、被験者Ａについての実施例１に示す二次微分波形ＳＤＰＴＧの指標−ｂ／ａ（＝１．１２）が、被験者Ａの年齢に最も相応しい値であることが確認できた。
【００５３】
被験者Ａより年齢が高い被験者Ｂと、被験者Ａよりも年齢が低い被験者Ｃについても同様に測定した。実施例１にて測定した被験者Ｂの指標−ｂ／ａ＝１．１８であり、同じく被験者Ｃの指標−ｂ／ａ＝０．８９であり、被験者Ｃの年齢＜被験者Ａの年齢＜被験者Ｂの年齢の相関と、被験者Ｃの指標（０．８９）＜被験者Ａの指標（１．１２）＜被験者Ｂの指標（１．１８）の相関は、年齢順に一致した。これにより、バンドパス特性の低域遮断周波数は、比較例１〜３と対比すると、実施例１の低域遮断周波数０．４３Ｈｚが最適であることが分かった。このように、低域遮断周波数は０．４〜０．５Ｈｚが最適であり、比較例１〜３のように、その低域遮断周波数より低く過ぎても（０．１Ｈｚ，０．２Ｈｚ）高過ぎても（０．６Ｈｚ）好ましくない。
【００５４】
（具体的構成２）
図１３は、脈波検出部６０と低域遮断部７０との間に量子化部１３０を設けた変形例を示している。量子化部１３０の機能は図９と同じである。同様に、一次・二次微分部１００，１１０の機能は、図９に示す二次微分部１１０と同じである。なお、一次・二次微分部１００，１１０のいずれか一方を、アナログ微分回路とすることも可能である。
【００５５】
図１３に示す低域遮断部７０は、図１４に示すように、量子化データをフーリエ変換するフーリエ変換部７２と、低域遮断周波数未満の周波数スペクトルを除去するデジタルフィルタ７４と、前記デジタルフィルタの出力を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換部７６とを有する。フーリエ変換により得られた周波数スペクトルのうち、所定遮断周波数未満の周波数スペクトルをデジタルフィルタで除去することで、低域周波数成分を除去できる。
【００５６】
この他、低域遮断部７０までをアナログ信号処理とし、低域遮断部７０と一次微分回路１００との間に量子化部１３０を設け、一次・二次微分部１００，１１０をデジタル微分回路として構成しても良い。
【００５７】
（脈波検出部位の変形例）
上述した実施形態では、脈波検出部位を指に設定したが、他の部位例えば手首あるいは耳の橈骨動脈などであっても良い。
【００５８】
図１６に示す脈波検出装置２００は、図１（Ａ）と同様に腕時計状の構造を有する装置本体２１０と、装置本体２１０を被験者の手首に装着するためのリストバンド２１２とを有する。図１６には、図３に示す脈波検出部６０は図示されていないが、リストバンド２１２の内側に配置されている。そして、このリストバンド２１２を脈波検出部６０の装着保持部材として兼用している。このため、リストバンド２１２は導電性部材にて形成され、図３の２つのアース電極６３，６３と接続される。これにより、図１６のリストバンド２１２は図１（Ｂ）のセンサ固定バンド６２と同様に機能させることができる。
【００５９】
なお、装置本体２１０は電池（図示せず）を内蔵している。この電池の基準電位線は、装置本体２１０の筐体に接続することができる。また、この筐体はリストバンド２１２と電気的に接続されることで、アース電極と同電位に設定することができる。
【００６０】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明を生体電位検出装置に適用した実施形態について説明する。この生体電位検出装置の一例として、心電図（Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ）測定装置を挙げることができる。この心電図測定装置は、心臓活動電流を心電計によって図形記録するために、心電位を検出するための電極が必要である。
【００６１】
図１７は、本実施形態に係る心電図測定装置の信号電位検出部３００を示している。この信号電位検出部３００は、被験者の検出部位３０２に接触して配置される生体電位検出電極３１０と、生体電位検出電極３１０に接続される信号電位取出ケーブル３２０と、信号電位取出ケーブルの周囲に電気的に絶縁されて配置されるシールドケーブル３３０と、シールドケーブル３３０の端部に電気的に接続されて、検出部位３０２と非接触となるように配置され、生体電位検出電極３１０を覆うシールド用筒部３４０とを有する。生体電位検出電極３１０は、被験者の検出部位３０２に接触して配置される電極部３１２と、その電極部３１２に接続された端子３１４とを含む。信号電位取出ケーブル３２０は、生体電位検出電極３１０の端子３１２と着脱可能に接続され例えば嵌合する嵌合部３２２を有する。
【００６２】
生体電位検出電極３１０を検出部位３０２に設置するには、信号電位取出ケーブル３２０、シールドケーブル３３０及びシールド用筒部３４０を生体電位検出電極３１０とは切り離す。よって、生体電位検出電極３１０単体で検出部位３０２に設置できる。生体電位検出電極３１０は、電極部３１２を検出部位３０２に固定するために、絶縁性粘着層３１６を有する絶縁テープ３１８を用いることができる。
【００６３】
この構成によれば、生体電位検出電極３１０を覆ったシールド用筒部３４０により、外乱ノイズが生体電位検出電極３１０に入ることを低減できる。また、信号取出ケーブル３２０はシールドケーブル３３０により覆われているので、信号取出ケーブル３３０にも外乱ノイズが入ることを防止でき、Ｓ／Ｎが向上する。
【００６４】
なお、図１７に示す電極は一つの活用電極を用いるモノポール法に用いられるものであるが、二つの活用電極を用いるバイポーラ法に用いる電極にも適用できる。
【００６５】
また、この生体電位検出装置としては、心電図を測定するものに限らず、筋電図（Ｅｌｅｃｒｏｍｙｏｇｒａｍ）を測定する筋電図測定装置にも同様に適用できる。筋電図測定装置は、筋が収縮、緊張する際に発生する活動電位を記録したもので、心電図測定装置と同様な表面電極（皮膚電極）が用いられるからである。筋電図測定装置にもモノポール法とバイポーラ法があるが、本発明はさその双方に適用することができる。
【００６６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、装着保持部材である図１（Ｂ）のセンサ固定バンド６２や図１６のリストバンド２１２などは、長時間装着しても検出部位が蒸れないように、通気性を確保してもよく、例えばメッシュ形状としても良い。装着保持部材により脈波検出部６０の遮光を行う場合には、通気部の位置を工夫して、発光・受光素子に外光が入らないようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る脈波検出装置の外観図である。
【図２】図１に示す脈波検出部の回路構成の一例を示す回路図である。
【図３】図１（Ｂ）に示す脈波検出プローブと２つの生体アース電極とを示す平面図である。
【図４】本発明の実施形態の基本機能ブロック図である。
【図５】脈波検出部にて検出された脈波の１拍分の波形図である。
【図６】図３の基本機能ブロックに一次・二次微分部を付加した機能ブロック図である。
【図７】図７（Ａ）は検出された脈波の原波形、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の一次微分波形、図７（Ｃ）は図７（Ａ）の二次微分波形をそれぞれ示す波形図である。
【図８】二次微分波形の特徴を説明するための概略説明図である。
【図９】低域遮断回路以降の回路の具体的構成１を示すブロック図である。
【図１０】図９中のアナログ微分回路の回路図である。
【図１１】図１１（Ａ）は量子化波形を示し、図１１（Ｂ）はその微分波形を示す波形図である。
【図１２】図９に示す二次微分部の構成例を示すブロック図である。
【図１３】低域遮断回路以降の回路の具体的構成２を示すブロック図である。
【図１４】図１３中の低域遮断部の回路図である。
【図１５】指標（−ｂ／ａ）と被験者の年齢との相関を示す特性図である。
【図１６】脈波検出部位を手首とした脈波検出装置の外観図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る生体電位検出装置の信号検出部の概略断面図である。
【符号の説明】
１０ 脈波検出装置
６０ 脈波検出部
６１ 脈波検出プローブ
６２ センサ固定用バンド（装着保持部材）
６３ 生体アース電極
６４ 発光素子
６５ 受光素子
７０ 低域遮断部
７２ フーリエ変換部
７４ デジタルフィルタ
７６ 逆フーリエ変換部
８０ 指標抽出部
９０ 告知部
１００ 一次微分部
１１０ 二次微分部
１１２ スイッチ
１１４，１１６ 第１，第２の記憶部
１１８ デジタル減算器
１２０ アナログ微分回路（低域遮断部＋一次微分回路＋高域遮断部）
１２２ オペアンプ
１３０ 量子化部
２００ 脈波検出装置
２１０ 装置本体
２１２ リストバンド（装着保持部材）
３００ 信号電位検出部
３０２ 検出部位
３１０ 信号電位検出電極
３１２ 電極部
３１４ 端子
３１６ 粘着層
３１８ 絶縁テープ
３２０ 信号取出ケーブル
３２２ 嵌合部
３３０ シールドケーブル
３４０ シールド筒部
ＰＴＧ 原波形
ＦＤＰＴＧ 一次微分波形
ＳＤＰＴＧ 二次微分波形
Claims (12)
- 非侵襲的に末梢における脈波を検出する脈波検出装置において、
被験者の脈波検出部位に接触されて被験者の脈波を検出する脈波検出プローブと、
被験者の前記脈波検出部位と隣接する部位に接触されて生体アースをとる少なくとも一つの生体アース電極と、
前記脈波検出プローブ及び前記生体アース電極を覆って配置され、前記脈波検出プローブ及び前記生体アース電極を被験者に装着させる装着保持部材と、
を有し、
前記装着保持部材は、導電性部材にて形成され、かつ、前記生体アース電極に接続されている脈波検出装置。 - 請求項１において、
前記脈波検出プローブは、発光素子と受光素子とを含み、
前記生体アース電極は、前記発光素子及び受光素子を挟んだ両側にそれぞれ配置されている脈波検出装置。 - 請求項１において、
前記脈波検出プローブは、発光素子と受光素子とを含み、
前記生体アース電極は、前記発光素子及び受光素子を囲んで配置されている脈波検出装置。 - 請求項１乃至３のいずりれかにおいて、
前記脈波検出部位は、指の橈骨動脈と対応する部位であり、
前記装着保持部材は、指に挿入される筒型の指サック形状に形成されている脈波検出装置。 - 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記脈波検出部位は、手首の橈骨動脈と対応する部位であり、
前記装着保持部材は、手首に巻回して保持されるリストバンドの形状に形成されている脈波検出装置。 - 請求項５において、
前記リストバンドに電池を内蔵する筐体が設けられ、前記電池の基準電位線と前記筐体とが接続され、かつ、前記筐体がリストバンドに接続されている脈波検出装置。 - 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記装着保持部材は、導電体のメッシュにて形成されている脈波検出装置。 - 被験者の検出部位に接触して配置される生体電位検出電極と、
前記生体電位検出電極に接続される信号電位取出ケーブルと、
前記信号電位取出ケーブルの周囲に電気的に絶縁されて配置されるシールドケーブルと、
前記シールドケーブルの端部に電気的に接続されて、前記検出部位と非接触となるように配置され、前記生体電位検出電極を覆うシールド用筒部と、
を有する生体電位検出装置。 - 請求項８において、
前記生体電位検出電極は、被験者の検出部位に接触して配置される電極部と、前記電極部に接続された端子とを含み、
前記信号電位取出ケーブルは、前記生体電位検出電極の前記端子と着脱可能に接続される生体電位検出装置。 - 請求項８または９において、
取り出される生体電位信号が不活性な部位に接触される生体アース電極をさらに有し、
前記シールドケーブルは前記生体アース電極に接続されている生体電位検出装置。 - 請求項８乃至１０のいずれかにおいて、
前記信号電位取出ケーブルは、心電位を取り出すものである生体電位検出装置。 - 請求項８乃至１０のいずれかにおいて、
前記信号電位取出ケーブルは、筋電位を取り出すものである生体電位検出装置。
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