JP2009505710A - 脈波速度の測定 - Google Patents

Abstract

被験者の心臓血管系における経路に沿って、脈波速度ＰＷＶを測定する装置であって、プロセッサに結合される第１センサと、前記プロセッサに結合される第２センサとを有し、前記プロセッサが前記センサの測定及び計算される値からＰＷＶを計算するように構成される装置が記載される。少なくとも１つのセンサは、ある周波数において電磁信号を放出するとともに、心臓血管系のそれぞれの位置において生じる脈拍運動を表すドップラシフトされた反射電磁信号を検出するように構成されるトランスデューサである。該トランスデューサは、皮膚に直接取り付けられ得るか、又は皮膚をカバーする衣服に取り付けられ得、エコーゲルを使用せずに脈波速度ＰＷＶの計算を可能にする。

Description

本発明は、被験者の心臓血管系の経路に沿って脈波速度ＰＷＶを測定する装置であって、前記被験者の心臓血管系の経路における第１位置からの第１信号を検出するため、被験者の表面に配置する第１センサであって、前記信号は第１時間に検出され、前記第１センサがプロセッサに結合される、第１センサと、前記被験者の心臓血管系の経路における第２位置からの第２信号を検出するため、前記被験者の表面に配置する第２センサであって、前記第２信号が第２時間に検出され、前記第２センサは前記プロセッサに結合される、第２センサとを有し、前記第１位置と前記第２位置とが、前記経路に沿ってある距離だけ離れて位置され、前記プロセッサが、前記第１位置、前記第２位置、前記第１時間、及び前記第２時間の値から前記ＰＷＶを計算するように構成される、装置に関する。

個人の動脈拍動の脈波速度ＰＷＶは、個人の健康に依存し、それゆえ、動脈の病変を診断するのに使用され得ることが知られている。

Craig J. HartleyらによるNoninvasive Assessment of Vascular Mechanics in Mice， Proceedings of the Second Joint EMBS/BMES Conference，October 23-36，2002は、脈波速度を決定するための、ドップラ超音波を利用した速度脈拍の到着時間の測定を開示する。既知の距離により隔てられる２つの場所において、速度の同時測定がなされる。２つの得られた信号は、表示され、脈拍到着時間の差は、脈波速度ＰＷＶを計算するために抽出される。

国際特許出願公開ＷＯ０１７６４７３は、いくつかの既知の離れた距離において、体の外部表面に沿って位置される機械又は圧力センサを使用する解剖学的フロー導管（anatomical flow conduit）に沿う流れの測定を開示する。センサは、手足の周りを巻くように設計される剛性なサポート手段に取り付けられ、これによりセンサは、身体表面と信頼性のある接触をすることができる。センサは、身体表面における触知可能な圧力又は機械信号を検出する。電気的開始信号、例えばＥＣＧ測定に対する第２信号の検出の時間を計るためのオプションも含まれる。しかしながら、サポート手段は、極めて制限的であり、位置することが困難である。更に、身体の表面において圧力又は機械信号を測定することにより、装置は、動脈拍動間の時間差を直接測定するのではなく、第２信号を測定し、それからＰＷＶが計算される。

David S. Charles及びMartin D. Fox， IEEEによるPulse Wave Velocity for Cardiovascular Characterizationは、動脈経路に沿う既知の距離にドップラ超音波プローブを位置させ、各々のプローブにおいてドップラ信号を検出し、ＰＷＶを計算するために各々の信号の検出の間の時間差を使用することによる、人体におけるＰＷＶの測定を開示する。第１ドップラ超音波プローブの代わりにＥＣＧを使用するオプションが提供される。後者の場合において、ＥＣＧは、心臓において生成される初期の脈拍の第２プローブに到着する時間を計るための開始信号を提供する。当該文献に記載されるように、ドップラ超音波プローブは、該プローブが皮膚の表面に正確に注意深く角度付けされる場合のみ、必要とされる信号を供給することができる。これには、熟練された人が必要とされ、それゆえ、この測定装置の使用を、このような熟練されたスタッフが利用可能である状況に制限する。更に、ドップラ超音波の使用は、良好な音響マッチングを提供するために、プローブと皮膚との間にエコーゲルを必要とする。このゲルは、粘着性であり、触れると湿り気があり、接触すると容易に転移し、除去するのを困難にする。また被験者は、当該ゲルと接触する感覚をしばしば嫌う。

本発明の目的は、エコーゲルの使用を必要とせずに、ＰＷＶを直接測定する代替の装置を提供することである。

このことは、少なくとも１つのセンサが、ある周波数において電磁信号を放出するとともに、心臓血管系におけるそれぞれの位置において生じる脈拍運動を表すドップラシフトされた反射電磁信号を検出するように構成されるトランスデューサである、本発明にしたがって達成される。

電磁信号は、異なる誘電定数をもつ材料間のいかなる境界からも反射する。電磁信号を放出するとともに、ドップラシフトされた帰還信号を検出するように構成されるトランスデューサを使用するフィーチャは、異なる誘電定数をもつ２つの組織タイプの間のいかなる境界からも反射され得、電磁信号の伝播の向きに沿う成分を有する、これらの境界のいかなる運動も符号化することができる信号を、体に放出することを可能にする。それゆえ、これらの信号は、体内の心臓血管経路に沿う脈拍の通過を検出するために使用され得、それゆえ脈拍通過時間を測定するために使用され得る。当業者に知られるように、脈拍通過時間の測定は、通過する脈拍を測定するセンサ間の測定又は計算された距離と連結され、脈波速度又はＰＷＶを計算するために組み合わせることができる。知られるように、脈波速度は、動脈の生理学的状態の表示、及び被験者の血行動態の状態の表示として使用され得る。

心臓は、体中に血液を送り出す機関として、４つの空間、心臓に入る血液を受け取る２つの心房と、心臓の外に血液を送り出す２つのより大きな心室に細分される。体から戻る非酸素化血液は、右心房に入り、右心室を通って肺に送り出される。肺から戻る酸素化血液は、心臓の左心房に入り、心臓の最も大きな空間である左心室を介して、体の残りの部分に血管系を介して送り出される。心臓及び血管の全体の系は、心臓血管系として知られる。血管は、動脈、毛細血管、及び静脈に分化される。動脈は、筋肉性であり、心臓から放出される血液の脈動する流れに耐えることができる、原則管状の血管である。心臓のポンピング動作は、一連の強いバーストにおいて、血液を動脈系に入らせ、動脈壁は、血液が送り出されると血液の各々のボーラス（bolus）の通過により生じる周期的な膨張及び収縮に耐えるように発達される。動脈系は、心臓から離れて、毛細血管ネットワークに血液を配分し、該ネットワークにおいて、赤血球により担持される酸素は、周辺の組織に移動し、老廃物は、前記赤血球に移動する。そこから、今では元々非酸素化されるとともに、老廃物を含有する血液は、静脈系、又は静脈の系に入り、ここで血液は、心臓に戻される。

心臓から出て動脈系に沿って血液が送り出されると、血液の各々のボーラスの通過は、動脈に沿って移動するために、動脈壁の脈動的な膨張を起こす。トランスデューサにより検出されるとともに、トランスデューサがＰＷＶの計算のために使用されることを可能にするのは、この通過する脈動的な運動である。

トランスデューサにより検出される脈拍の通過は、動脈拍動が動脈経路に沿って通過されるときに生じる。血液の脈拍の通過、及び周辺の動脈の組織の関連する脈動的な膨張は、反射されたレーダのドップラシフトを生じさせ、脈拍が静的なトランスデューサの下を通ることを示す信号が検出されることを可能にする。この信号の検出は、脈拍の通過の時間が計られることを可能にし、これにより、動脈経路又は進路に沿う距離に沿った脈拍の通過時間の測定を可能にする。

本発明は、電磁信号が空気を伝わることが可能であるので、皮膚の表面とトランスデューサの表面との間に、気密又は他の結合接点を必要としない。それゆえ、装置の使用には、いかなるゲルの使用も必要としない。それゆえ特に本発明は、エコーゲルの使用をせずに、ＰＷＶの計算の目的を達成するということがわかるであろう。

本発明は、素肌に対して直接位置する必要なく、衣服に対して位置され得るという更なる利点も有する。

本発明は、ドップラトランスデューサを皮膚表面に取り付けるために硬質な構造を必要とせず、単に手動で位置するとともに支えられればよいという更なる利点も有する。

いくつかの有利な実施例がここで開示される。最初に２つのトランスデューサが、利用され、動脈の経路に沿って距離を隔てて位置される。トランスデューサの位置に対する特に有利な場所は、腕の内側又は中間の表面に沿う。両方のトランスデューサからの信号は、トランスデューサの下の動脈拍動の通過を識別し、更に脈拍間の最小時間を識別し、それゆえ、上部のトランスデューサの下の脈拍の通過と、下部のトランスデューサの脈拍の到着との間の時間差を識別するために、検出及び処理され得る。この時間差は、従来技術で知られるように、ＰＷＶを計算するために、トランスデューサが離れて位置される距離の知識とともに使用され得る。

第２の実施例において、ＥＣＧ装置が動脈拍動の生成を識別するために使用され、トランスデューサは、動脈樹に更に沿ういくつかの地点における脈拍の通過を識別するために使用され得る。ＥＣＧ信号の測定と、トランスデューサからの信号の検出との間の時間差は、計算され、従来技術から知られるように、ＰＷＶを計算するためにドップラトランスデューサの位置の知識とともに使用され得る。

第３の実施例において、第１センサのためにトランスデューサが使用され、第２センサは光電脈波（photoplethysmography）センサである。

更なる可能性は、心音を拾うために胸部に位置される、オーディオマイクロフォン、又はいくつかの他の音受容センサを使用することを含む。

本発明の装置は、４００ＭＨｚと５ＧＨｚとの間の範囲内の周波数の電磁信号を生成するように構成されるトランスデューサとともに使用され得る。この範囲は、通過する脈拍の運動から反射信号を生成する。しかしながら、周波数が８００ＭＨｚと４ＧＨｚとの間の範囲内にある場合に、前記装置は特に有利な態様で動作する。

しばしば運動の遠視野検出、例えばトラフィック速度のレーダ測定の目的で、ドップラシフト信号検出用のトランスデューサが商業的に利用可能である。本発明によると、このようなトランスデューサは、近視野測定にも使用することができ、心臓血管系の脈拍の通過の検出に驚くほど適していることがわかる。

一般にこのようなドップラトランスデューサにおいて、従来技術で知られるように、アンテナは、電磁波を放出し、該電磁波が、作用する電磁波に対して横方向ではない速度成分をもって運動する物体の表面から反射される場合、反射されてアンテナに戻る電磁波の周波数シフトを生成する。この周波数シフトは、ドップラシフトと呼ばれる。このドップラシフト反射波は、それからトランスデューサにおけるアンテナにより検出され、このトランスデューサは、前記放出するトランスデューサであるか、又は放出するトランスデューサでなくても良い。反射する物体の運動の相対速度は、検出された反射波の周波数シフトにおいて符号化され、この値が、既知の技術を使用して抽出され得る。

有利に記載されるトランスデューサは、連続モードで動作する２．４５ＧＨｚの発振器を含む。電磁放射は、２乃至１０ＧＨｚの周波数の辺りにおいて人間の組織に強く吸収されることが知られるが、本発明の非常に有利な実施例によると、２．４５ＧＨｚにおいて動作するアンテナから生成される放射は、組織の層によりある程度吸収及び散乱されるが、検出可能な信号を生成することがわかる。

特に有利な実施例は、Micro Systems Engineering GmbHによりつくられる、商業的に利用可能なＫＭＹ２４ユニットを利用する。これは、同じハウジング内に２．４５ＧＨｚ発振器及び受信機を含み、連続波モードで動作する。モジュールは、高調波の放出を最小化するために、トリプレートフィルタ構造をもち、ＳＭＤコンポーネントを有する４層のエポキシ多層ボードを有する。ビームの大きさは、他のものの中で、アンテナの大きさに依存し、この場合においてユニットは、最小のサイズ、幅３．５ｃｍの最適化されたパッチアンテナを含み、近視野半径２ｃｍのビームを生成する。

受信機は、放出された電磁ビームを通る脈拍の通過により反射される信号を処理するのに十分高感度である。

ＰＷＶの出力を供給するために記録されたデータの処理を実行されるべき技術的ステップは、既知のデータ処理技術を使用して当業者により着手され得る。

本発明は、被験体の心臓血管系における経路に沿って、脈波速度ＰＷＶを計算する方法にも関し、第１脈拍からの第１信号が第１センサにより検出される第１時間が計算され、第１脈拍は、被験体の心臓血管系における経路の第１位置から発生し、第２脈拍からの第２信号が第２センサにより検出される第２時間が計算され、第２脈拍は、被験体の心臓血管系における経路の第２位置から発生し、第１位置と第２位置とは、前記経路に沿うある距離だけ隔てられ、ＰＷＶが第１位置、第２位置、第１時間、及び第２時間の値から計算され、少なくとも１つのセンサが、ある周波数で電磁信号を放出するとともに、心臓血管系のそれぞれの位置において生じる脈拍運動を表すドップラシフトされた反射電磁信号を検出するように構成されるトランスデューサである。この方法は、本発明を実行する装置とともに使用されるという利点を有する。

本発明は、以下の図面を使用して記載される実施例により、更に明らかにされる。

図１は、本発明の装置において有利に使用されるトランスデューサのフィーチャの高度なブロック図を示す。処理電子装置１０１は、デュプレクサ１０２に対して、アンテナ１０３により放出される周波数ｆ_ｓの電磁信号を送信するように指示する。周波数ｆ_ｒにドップラシフトされた反射電磁信号は、アンテナ１０３により受信され、デュプレクサ１０２に戻され、処理電子装置１０４に送信され、該処理電子装置１０４は、信号を受信するとともに、従来技術で知られるように放出電磁信号と受信電磁信号との間の周波数シフトｆ_Ｄを計算する。単一のアンテナ１０３がここで示されるが、別体のアンテナが電磁信号を送信するとともに受信するために使用されてもよい。周波数シフトｆ_Ｄは、同期及び分析を実行するプロセッサ１０５に伝えられる。

図２は、本発明の第１の実施例の装置を示す。この実施例において、２つのトランスデューサが、被験者の腕に適用され、血液の流れにより生じる腕に沿った脈拍運動から信号が戻る時間を測定する。第１トランスデューサ２０１は、腕の上腕動脈上に位置される。第２トランスデューサ２０２は、クリアな信号を供給する橈骨動脈上に不定的に位置される。第２トランスデューサ２０３は、電磁信号のビームが尺骨動脈に沿う脈拍の流れからドップラシフトされるようにも位置され得る。熟練した人は、２つのトランスデューサの正確な位置が、関心のある動脈経路に沿うＰＷＶを測定するために選択され、トランスデューサは、最もよい信号を供給するように調整されなければならないことを理解するであろう。

実際には、トランスデューサは、運動アーチファクトが低減され、受信されるどんな信号も検出されることを可能にするように、皮膚又は衣服に対して、数秒間動かずに固定されなければならないことがわかる。電磁信号のビームにおいて脈拍の流れが生じない範囲にトランスデューサを置き誤まる場合、信号が受信されないことは明らかである。

図３は、図２に示されるような第１の実施例の装置から受信されるドップラシフト信号のプロットを示し、２つの波形３０１及び３０２を示し、トランスデューサそれぞれが時間に対してプロットされる。時間的に第１に生じる信号３０１は、腕の上部に位置される第１の実施例のトランスデューサからのものである。信号は、同期して記録される。各々のトランスデューサを通過する脈拍の時間差は、明確に見ることができ、この場合では５０ｍｓである。当業者により知られる標準的なアルゴリズムは、ピークトゥピーク時間を自動的に抽出するように使用され、これらは、従来技術から知られる、ＰＷＶを計算するために、センサ間の既知の距離とともに使用される。トランスデューサを、体の他の部分、例えば、脚の動脈によりとられる経路に沿って位置することも可能である。正確に位置される場合、大動脈上に１つ又は両方のトランスデューサを位置するとともに、大動脈、又は大動脈からの経路、例えば上腕動脈に沿う動脈拍動のＰＷＶを測定することが可能である。

典型的に、１２ｍ／ｓと同程度になり得るＰＷＶは、１ｍ／ｓよりも遅い血液の流速よりも速い。

図４は、被験者に適用される本発明の装置の更なる実施例を示す。この第２の実施例において、第２センサは、トランスデューサ４０１であり、ＥＣＧ電極の配置４０２，４０３，４０４及び処理装置４０５が第１信号を得るために使用される。この場合において前記信号は、心臓自身からのＥＣＧ信号である。従来技術から知られるように、心電図ＥＣＧからの測定は、心臓が周期的な態様でポンピングするとともに、心臓の電気的なシーケンスにおける、ある位相の識別を可能にすることを示す。

図５は、ＥＣＧ測定からの典型的な出力波形を示す。典型的な曲線に示される特徴的なスパイクは、Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓ及びＴとラベル付けされる。Ｐスパイク、又はＰ波は、心房の脱分極又は励起を表す。ＱＲＳスパイク（一般にＱＲＳコンプレックスとして知られる）は、心室の励起を現す。ＱＲＳコンプレックスは、心房の再分極からのあらゆる信号をマスキングする。Ｔスパイク、又はＴ波は、心室の再分極を表す。

図６は、トランスデューサが上腕に適用され、それゆえ上腕動脈の運動からの帰還信号を検出する第２の実施例のトランスデューサ６０１及びＥＣＧ装置６０２からの出力信号を示す。再び、従来技術において知られる標準的なアルゴリズムが、示されるように、Ｒピークと、ドップラレーダ信号の特徴的な点との間の時間差を抽出するために使用することができ、これらは、従来技術において知られるように、ＰＷＶを計算するために使用される。

図７は、この場合、トランスデューサが手首に適用され、それゆえ橈骨動脈の運動から帰還信号を検出する第２の実施例のトランスデューサ７０１及びＥＣＧ装置７０２からの類似した出力を示す。再び、従来技術において知られる標準的なアルゴリズムが、示されるように、Ｒピークと、ドップラレーダ信号の特徴的な点との間の時間差を抽出するために使用することができ、これらは、従来技術から知られるように、ＰＷＶを計算するために使用される。

第３の実施例において、光電脈波センサが、第２センサとして使用される。この実施例は、光電脈波センサが、麻酔の間血液の酸素化を監視するために指先にあるような手術の際に特に役立つ。この実施例において、ドップラトランスデューサは、手術の手順の制約下でアクセスすることが可能であり、適切な信号が見つけられる、腕に沿ったどこかに適用され得る。血液の体積の小さな変化を検出するように設計される光電脈波センサは、指先における脈動的な血液の流れの到着を検出するために使用される。この実施例を使用して計算されるＰＷＶは、治療の間、上腕の動脈の生理学的状態についての情報を供給するために使用され得る。

更なる実施例において、マイクロフォンが第１センサとして使用され得る。これは、血液の機械的な運動に基づいて、ＥＣＧが心臓の電気的な励起を表すので、第１センサを介してＥＣＧを検出する実施例と比較される、通常知られていない放出前時間を排除するのに特に役立つ。この実施例において、ドップラトランスデューサは、腕又は脚に沿うどこかに適用され得る。マイクロフォンは、胸部から心音（例えば心臓弁の開け閉め）を検出し、これは、よく理解されるとともに、血液ボーラスの開始点及び終了点のよく規定された時間の計算を可能にする。

更に、脈拍通過時間及び脈波速度が、ビートトゥビート血圧読取を可能にする個人の血圧に相関され得ることが、更に知られる。特に、脈波速度は、相対的動脈血圧の変化と絶対的動脈血圧の変化との両方を、ビートトゥビート血圧値を利用する、従来技術において知られる適切な較正技術を介して、測定するために使用することができる。

図１は、本発明の装置において有利に使用されるトランスデューサのフィーチャの高度なブロック図を示す。 図２は、人間の腕に適用される、本発明の装置の一実施例のアイテムを示す。 図３は、図２の装置からの出力信号を示す。 図４は、被験者に適用される、本発明の装置の更なる実施例を示す。 図５は、本発明の第２の実施例において使用される、典型的なＥＣＧの波形を示す。 図６は、図４に示される、トランスデューサが上腕に適用される場合の第２実施例のＥＣＧ装置及びトランスデューサからの出力信号を示す。 図７は、図４に示される、トランスデューサが手首に適用される場合の第２実施例のＥＣＧ装置及びトランスデューサからの出力信号を示す。

Claims (9)

1. 被験体の心臓血管系における経路に沿う脈波速度ＰＷＶを測定する装置であって、
   前記被験体の前記心臓血管系における経路上の第１位置からの、第１時間に検出される第１信号を検出するために、前記被験体の表面に配置する、プロセッサに結合された第１センサと、
   前記被験体の前記心臓血管系における経路上の第２位置からの、第２時間に検出される第２信号を検出するために、前記被験体の表面に配置する、前記プロセッサに結合された第２センサと
   を有し、
   前記第１位置と前記第２位置とが、前記経路に沿ってある距離だけ離して位置され、
   前記プロセッサが、前記第１位置、前記第２位置、前記第１時間、及び前記第２時間の値から前記ＰＷＶを計算するように構成され、
   少なくとも１つのセンサが、ある周波数における電磁信号を放出するとともに、前記心臓血管系におけるそれぞれの位置において生じる脈拍運動を表す、ドップラシフトされた反射電磁信号を検出するように構成されるトランスデューサであることを特徴とする装置。
2. 前記トランスデューサが定周波数連続波ドップラレーダトランスデューサであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１センサが、ＥＣＧ信号受信システムのセンサであり、前記第２センサが、前記トランスデューサであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. １つのセンサが、光電脈波センサであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記第１センサが前記トランスデューサであり、前記第２センサが前記光電脈波センサであることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記ドップラレーダのシステムが、４００ＭＨｚと５ＧＨｚとの間の範囲内の周波数において動作するように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
7. 前記ドップラレーダのシステムが、８００ＭＨｚと４ＧＨｚとの間の範囲内の周波数において動作するように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
8. 前記ドップラレーダのシステムが、２．４５ＭＨｚの周波数において動作するように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
9. 被験体の心臓血管系の経路に沿う脈波速度ＰＷＶを計算する方法であって、
   前記被験体の心臓血管系の経路上の第１位置から生じる第１脈拍からの第１信号が第１センサにより検出される第１時間を計算するステップと、
   前記被験体の心臓血管系の経路上の第２位置から生じる第２脈拍からの第２信号が、第２センサにより検出される第２時間を計算するステップであって、前記第１位置と前記第２位置とが、前記経路に沿うある距離により隔てられる、前記第２時間を計算するステップと、
   前記第１位置、前記第２位置、前記第１時間、及び前記第２時間の値からＰＷＶを計算するステップと
   を有し、
   少なくとも１つのセンサが、ある周波数における電磁信号を放出するとともに、前記心臓血管系におけるそれぞれの位置において生じる脈拍運動を表す、ドップラシフトされた反射電磁信号を検出するように構成されるトランスデューサであることを特徴とする、方法。