JP2010207274A - 脈波測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動脈と光電素子の最適相対位置でより最適な容積脈波出力を得ることができるようにする。
【解決手段】脈波測定装置１０は、所定間隔で配設されたＬＥＤ素子１０２及びＰＤ素子１０３を有し、ＰＤ素子１０３から出力される電気信号に基づいて脈波を測定する。脈波測定装置１０は、超音波を送受信し、受信した超音波を電気信号に変換して出力する超音波送受信子１１４と、超音波送受信子１１４から出力された電気信号を出力する出力装置１１６（スピーカ）とを有している。ＬＥＤ素子１０２とＰＤ素子１０３を人間の動脈に対して最適な位置に設定するために、超音波送受信子１１４により超音波を送受信するための送受信口を、ＬＥＤ素子１０２とＰＤ素子１０３とを結ぶ第１軸の中間位置を通り該第１軸に直交する第２軸上に配置する。使用者は、スピーカからの音声出力をモニターしながら最適な測定位置を知ることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、脈波測定装置、より詳細には、発光素子で発光され受光素子で受光された光を変換した電気信号に基づいて脈波を測定する脈波測定装置に関する。

例えば、特許文献１には、被験者の片腕に装着して、日常生活中、常時血圧を測定するための携帯型血圧計が開示されている。特許文献１の携帯型血圧計は、心電波と容積脈波を測定して容積脈波の伝達時間を求め血圧の最高値、最低値を算出するもので、生体表面に接する一つの電極を有する心電波検出手段と、生体表面に接する光電センサを有する容積脈波検出手段とを備えている。そして心電波検出手段は、一つの電極に誘導される心電位を心電波検出手段のグラウンドに対する電位として心電波を検出し、また、容積脈波検出手段は、生体の表面に接する光電センサで脈波を測定して、心電波Ｒ波と脈波ピークの時間差から脈波伝達時間を求め、あらかじめ決められた脈波伝達時間と血圧の相関テーブルに基づき血圧を算出する。

また、特許文献２では、超音波を用いて最高血圧を測定するための超音波血流計が開示されている。この超音波血流計は、超音波を血管に照射して血流を血流信号に変換する超音波プローブと、変換された血流信号をオーディオ信号として出力したり血流速として表示する処理機能をもった血流計本体と、血流計本体に接続されるカフとを有している。そして、血流計本体にはカフに対する加減圧用ポンプと、カフ圧を計測する圧力センサがそれぞれ内蔵され、カフ圧の減圧直後における血流信号を計測して得た最高血圧をＬＣＤ上に表示する。

さらに特許文献３では、カフを用いずに血圧を測定する血圧測定装置及び方法が開示されている。この血圧測定装置は、生体の血流速度を測定する測定部と、容積脈波を測定する測定部とを有している。そして、血流速度測定部と容積脈波測定部から得られた情報から血流量及び血管抵抗を算出し、血圧を測定する。

特開２００４−８１２８５号公報 特開平６−１２５９０３号公報 特開２００４−１５２４３１号公報

例えばＬＥＤ（light emitting diode）素子とＰＤ（photodiode）素子とによる光電素子を使用して脈波を測定する脈波測定装置では、ＬＥＤ素子で発光した光を人間の動脈に照射し、その反射光をＰＤ素子で受光して電気信号に変換し、その電気信号に基づいて心拍数はもとより血管年齢、動脈硬化、酸素飽和度、血圧などを測定することができる。
しかしながら、例えばいわゆる血管年齢が推測できるような精緻でノイズの少ないきれいな電気信号の波形を得るためには、人間の動脈位置を考慮した最適位置に光電素子を装着する必要がある。

これに対して特許文献１の血圧計は、動脈に対して１ｃｍから２ｃｍ程度光電素子位置ずれを生じても拍動成分は検出できる。しかしながら、精緻でノイズの少ないきれいな波形を得るために最適位置に光電素子を位置させることは難しく、よしんば装着時に最適位置が得られたとしても、時計バンドのような装着方法では装着時にずれたり、また、装着位置をずらすことなく片手操作で装着することは非常に困難である。一方、精緻でノイズの少ないきれいな波形を得るための最適な測定圧を得るにも手動であるため制御が困難である。

また、特許文献２の超音波血流計は、血流信号を得る手段として、超音波を利用して血流信号に変換するプローブと加減圧ポンプを用いた空気袋を備えているが、血流信号の停止あるいは血流再開を検知し、空気袋圧波形から血圧を得るにとどまっている。
さらに特許文献３の血圧測定装置及び方法は、超音波で血流信号を測定するとともに光電素子で容積脈波を計測するものであり、超音波は血圧測定の一助として血流速度測定のために使用されており、固体差があり、かつ生体内に位置する動脈からの情報を光電素子と2元化することで血圧測定アルゴリズムの高精度化が困難と推測される。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、動脈と光電素子の最適相対位置で、より最適な容積脈波出力を得ることができるようにした脈波測定装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、所定間隔で配設された発光素子及び受光素子を有し、発光素子で発光され受光素子で受光された光を変換した電気信号に基づいて脈波を測定する脈波測定装置において、超音波を送受信し、受信した超音波を電気信号に変換して出力する超音波送受信子と、超音波送受信子から出力された電気信号を出力する出力手段とを有し、超音波送受信子により超音波を送受信するための送受信口を、発光素子と前記受光素子とを結ぶ第１軸の中間位置を通り該第１軸に直交する第２軸上に配置したことを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、出力手段が、超音波送受信子から出力された電気信号を音声出力する音声出力手段であることを特徴としたものである。

本発明によれば、動脈と光電素子の最適相対位置で最適測定加圧を容易に行なうことが可能となり、より最適な容積脈波出力を得ることができる。

本発明による脈波測定装置の一実施形態の外観斜視図である。 図１に示す脈波測定装置の内部の構成を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る脈波測定装置を人間の手首に装着した状態を示す図である。 脈波測定装置の位置に応じたＰＤ出力の一例を示す図である。 ＬＥＤ素子とＰＤ素子との中央位置に動脈がある場合の測定圧とＰＤ出力値との関係を示す図である。 本発明に係る脈波測定装置の構成例を説明するためのブロック図である。

図１は、本発明による脈波測定装置の一実施形態の外観斜視図である。本実施形態の脈波測定装置１０の本体１は、超音波送受信機構作動スイッチ２、空気袋加圧機構起動スイッチ３、スピーカ４、空気袋５、面ファスナー帯６ａ，６ｂ、及び排気弁７が備えられている。超音波送受信機構作動スイッチ２は、人間の手首の動脈位置に対する本体１の位置を最適化するめに用いる超音波の送受信子を動作させるために使用する。また、空気袋加圧機構起動スイッチ３は、脈波測定装置１０の本体１を人間の手首に適正圧で装着するための空気袋５に空気を導入するための機構を動作させるために使用する。また、スピーカ４は、人間の生体内で反射して脈波測定装置１０で受信された超音波を音声出力するためのものである。

面ファスナー帯６ａ，６ｂは、脈波測定装置１０を人間の手首に装着するためのものである。面ファスナー帯６ａには、本体１を手首に適正圧で装着するための空気袋５が備えられている。また、排気弁７は、空気袋５に充填されたエアを本体１の外部に排気するために用いる。これにより、空気袋５が手首を押しつける力が弱まり、脈波測定装置１０を手首から外すことができる。

図２は、図１に示す脈波測定装置の内部の構成を説明するための図で、脈波測定装置の上部の外壁を部分的に取り除いて内部を視認できるようにした状態を示すものである。
脈波測定装置１０の本体１は、脈波測定装置１０を人間の手首に装着したときに、人間の手首に接触する内側壁部１ａを具備している。図２では、内側壁部１ａの下側の面が人間の手首に接触することになる。この内側壁部１ａには、ＰＤ素子孔９と、ＬＥＤ素子孔１１が所定のピッチで穿たれていて、貫通孔を形成している。

そして、本体１に内蔵されている回路基板（図示せず）に配設されたＰＤ素子とＬＥＤ素子（いずれも図示せず）が、本体１の内側から外部に向かってそれぞれＰＤ素子孔９とＬＥＤ素子孔１１に挿通され、人間の手首の動脈脈波の容積変化を感知するようになっている。

また、超音波の送受信口８は、図示しない超音波送受信子から出力される超音波を本体１の外部向けて送信し、反射波を超音波送受信子で受信するための開口である。
ＰＤ素子孔９とＬＥＤ素子孔１１とを結ぶ軸をＹ軸（第１軸）とするとき、ＰＤ素子孔９とＬＥＤ素子孔１１間の中間位置を通りＹ軸に直交する軸をＸ軸（第２軸）とするとき、超音波の送受信口８は、Ｘ軸上でＰＤ素子孔９とＬＥＤ素子孔１１の近傍に設けられている。つまり超音波の送受信口８は、ＬＥＤ素子とＰＤ素子とに対して等距離となる位置に配置される。上記のＹ軸は、ＰＤ素子孔９の中心とＬＥＤ素子孔１１の中心とを結ぶ軸であるとして定義してもよい。このような位置関係をとることにより、人間の動脈と、光電素子（ＬＥＤ素子、ＰＤ素子）の最適相対位置で最適測定加圧を容易に行なうことが可能となり、より最適な容積脈波出力を得ることができる。この作用の詳細については後述する。

図３は、本発明の実施形態に係る脈波測定装置を人間の手首に装着した状態を示す図である。本実施形態の脈波測定装置１０を人間の手首に装着する場合、脈波測定装置１０の本体１を人間の手首２０にあてがったあと、面ファスナー帯６ａ，６ｂを互いに重ね合わせ、脈波測定装置１０の本体１を手首２０の周方向及び長さ方向に動かすことができるように仮装着する。この後、超音波送受信子を起動し、後述する手法で最適な測定位置に本体１を位置させて、空気袋にエアを送り込んで脈波の測定を開始する。

図４は、脈波測定装置の位置に応じたＰＤ素子の出力（ＰＤ出力）の一例を示す図で、脈波測定装置１０を人間の手首２０に装着したとき、人間の手首の動脈の位置と、脈波測定装置１０のＰＤ素子及びＬＥＤ素子の位置との関係に応じたＰＤ出力の値が示されている。この例では、ＰＤ素子とＬＥＤ素子との間の配設ピッチが７ｍｍの場合と、９ｍｍの場合とで、動脈位置に応じたＰＤ出力が測定された。
図４に示すように、脈波測定装置１０で検出されるＰＤ出力の値は、ＰＤ素子とＬＥＤ素子の配設ピッチが７ｍｍ，９ｍｍもいずれにおいても、ＬＥＤ素子とＰＤ素子との中央位置に動脈が位置している場合に最も大きい値を示す。

図５は、ＬＥＤ素子とＰＤ素子との中央位置に動脈がある場合の測定圧とＰＤ出力値との関係を示す図である。測定圧は、脈波測定装置１０の空気袋内の圧力として示すことができる。ここでは、ＬＥＤ電流が４ｍＡ，６ｍＡ，８ｍＡの場合でＰＤ出力の値を測定したが、いずれの場合にも測定圧が高いほど、脈波測定装置１０のＰＤ出力の値が大きくなる。ＰＤ出力の値が十分に大きければ最適な脈波を得ることができるが、手動で高い測定圧を得ようとすると脈波測定装置１０の装着ずれを生じる可能性が高く、一方、装着時ずれを防ぐために緩く装着してしまうと適正なＰＤ出力の値を得られないという結果となる。

脈波測定装置１０を使用して脈波測定を行う場合、脈波測定装置１０の使用者は、まず脈波測定装置１０の本体１を人間（例えば自身）の手首２０に仮装着する。仮装着は、上記図３で説明したように、脈波測定装置１０の本体１を人間の手首２０にあてがったあと、面ファスナー帯６ａ，６ｂを互いに重ね合わせ、脈波測定装置１０の本体１を手首２０の周方向及び長さ方向に動かすことができるように仮装着する。

そして使用者は、脈波測定装置１０の超音波送受信機構作動スイッチ２を操作して、本体１に内蔵されている超音波送受信機構を作動させる。超音波送受信機構の作動により超音波送受信子から超音波が出射して手首を照射し、その反射波が超音波受信子で受信される。脈波測定装置１０では、血管内血流からの超音波の反射波を電気信号に変換し、音声信号化してスピーカ４から音声出力させる。これにより、使用者は、スピーカ４からの音声出力を聴感モニタしながら血管位置を探索することができる。
この場合、使用者は、聴感上、音声出力がもっとも大きく聞こえる位置で本体１の移動を停止する。これにより、本体１に配設されているＬＥＤ素子とＰＤ素子との間の略中央に人間の動脈を位置させることができる。

使用者は、スピーカ４からの音声出力のモニタによって脈波測定装置１０を手首２０の最適位置に位置させた後、空気袋加圧機構起動スイッチ３を操作することで、本体１に内蔵されたエアポンプの駆動回路を起動させることができる。エアポンプの駆動回路を起動させることにより、エアポンプからのエアが本体１の面ファスナー帯６ｂに設けられた空気袋５に供給され、空気袋５が膨張する。これにより、本体１の内側壁部１ａのＰＤ素子孔９とＬＥＤ素子孔１１にそれぞれ挿通されたＰＤ素子及びＬＥＤ素子の表面と、手首２０とが適正な測定圧で密着する。このときに、人間の手首２０の動脈は、ＬＥＤ素子とＰＤ素子との間の中央に位置しているので、最適なＰＤ出力値を容積脈波形として得ることができる。

図６は、本発明に係る脈波測定装置の構成例を説明するためのブロック図である。脈波測定装置１０は、超音波送受信機構作動スイッチ（ＳＷ）２が操作されると、超音波送受信機構１１３が起動され、超音波送受信子１１４から超音波（例えば８MHz）が出力され、超音波の送受信口８（図３）から本体１の外部に向けて出射される。つまり本体１が手首２０に仮装着された状態で、上記の超音波送受信機構作動スイッチ２を操作することにより、本体１の送受信口８から手首２０の生体内に超音波が照射され続ける。

そして使用者は、手首２０の表面をなぞるように本体１を移動させる。このときに手首２０の生体内に照射された超音波は動脈で反射し、その際に動脈流によりドップラー変調され、超音波送受信子１１４に入射する。超音波送受信子１１４は入射した超音波に応じた信号を出力し、超音波送受信機構１１３から第２出力装置制御部１１５に送られる。そして第２出力装置制御部１１５の制御によって、第２出力装置１１６から信号が出力される。本実施形態においては、第２出力装置１１６として、図１に示すスピーカ４を使用している。従って、生体内で反射した超音波に応じた音声出力が行われる。また使用者は、超音波送受信機構作動スイッチ２を再度操作することにより、超音波を停止させることができる。あるいは所定時間経過後に超音波を自動停止させるためにタイマー等を使用してもよい。

使用者は、脈波測定装置１０の本体１を手首２０に仮装着した状態でスピーカ４から出力される血流音の音声出力を聴力モニタしながら、ＬＥＤ素子１０２とＰＤ素子１０３との間の略中央に動脈が位置するように本体１をセットする。つまり、血流音の音声出力が最も大きくなる位置に本体１をセットする。ここで使用者が、空気袋加圧機構起動スイッチ３を操作すると、脈波測定装置１０では、空気圧制御部１０６がエアポンプ１０８を起動させる。そして、本体１の内部のエア配管を経由して空気袋５（図１）にエアが充填される。

空気袋５に対するエアの充填が行われると、本体１の内側壁部１ａのＰＤ素子孔９及びＬＥＤ素子孔１１にそれぞれ挿通されたＰＤ素子１０３、ＬＥＤ素子１０２の表面と、手首２０とが適正な測定圧で密着する。

脈波測定装置１０の本体１には、圧力センサ１０７が内蔵されている。空気圧制御部１０６では、圧力センサ１０７による測定結果に基づいて、所定空気圧になるとエアポンプ１０８を停止させる制御を行う。これにより手首２０に対する適正な測定圧を実現させることができる。

ＬＥＤドライバ制御部１０９は、ＬＥＤドライバ１０１によるＬＥＤ素子１０２の点灯を制御する。たとえば、点灯デューティやＬＥＤ電流などによって点灯制御を行うことができる。ＬＥＤ素子１０２の点灯のタイミングとして、圧力センサ１０７による測定結果が所定値になったときに点灯するようにしてもよい。
ＰＤ素子１０３は、手首内動脈で反射したＬＥＤ素子１０２からの照射光を受け、電圧出力する。ＬＥＤ素子１０２からの照射光には、たとえば赤外光が用いられる。動脈は心臓の拍動に合せて容積を変化させ、ＰＤ素子１０３から出力される電圧波形はこの拍動に応じたものとなる。そしてＰＤ素子１０３から出力された電圧波形をアンプ１０４で増幅し、フィルタ１０５にて所定のフィルタ処理を行った後、脈波演算部１１０で一次微分や二次微分することにより、例えば年齢や血管の硬さ等によりそれぞれ特徴付けられたデータを得ることができる。

第１出力装置制御部１１１は、脈波演算部１１０で演算したそれぞれのデータを第１出力装置１１２に出力する。第１出力装置としては、例えば本体１に内蔵されているカード式記憶媒体（図示せず）に対してデータを格納する装置や、データを表示させるディスプレイ（図示せず）などを用いることができる。
脈波測定装置１０を手首２０から外す場合には、使用者は、図１に示す排気弁７を操作して、空気袋５に充填されたエアを本体１の外部に排気する。これにより、空気袋が手首を押しつける力が弱まり、脈波測定装置１０を手首から外すことができる。

本発明を利用することより、心拍数はもとより血管年齢、動脈硬化、酸素飽和度、血圧を測定可能な家庭用および医療用脈波観測計測機器の提供が可能となる。

１…本体、１ａ…内側壁部、２…超音波送受信機構作動スイッチ、３…空気袋加圧機構起動スイッチ、４…スピーカ、５…空気袋、６ａ，６ｂ…面ファスナー帯、７…排気弁、８…送受信口、９…ＰＤ素子孔、１０…脈波測定装置、１１…ＬＥＤ素子孔、２０…手首、１０１…ＬＥＤドライバ、１０２…ＬＥＤ素子、１０３…ＰＤ素子、１０４…アンプ、１０５…フィルタ、１０６…空気圧制御部、１０７…圧力センサ、１０８…エアポンプ、１０９…ＬＥＤドライバ制御部、１１０…脈波演算部、１１１…第１出力装置制御部、１１２…第１出力装置、１１３…超音波送受信機構、１１４…超音波送受信子、１１５…第２出力装置制御部、１１６…第２出力装置。

Claims (2)

1. 所定間隔で配設された発光素子及び受光素子を有し、該発光素子で発光され受光素子で受光された光を変換した電気信号に基づいて脈波を測定する脈波測定装置において、
   超音波を送受信し、受信した超音波を電気信号に変換して出力する超音波送受信子と、該超音波送受信子から出力された電気信号を出力する出力手段とを有し、
   前記超音波送受信子により超音波を送受信するための送受信口を、前記発光素子と前記受光素子とを結ぶ第１軸の中間位置を通り該第１軸に直交する第２軸上に配置したことを特徴とする脈波測定装置。
2. 請求項１に記載の脈波測定装置において、前記出力手段は、前記超音波送受信子から出力された電気信号を音声出力する音声出力手段であることを特徴とする脈波測定装置。

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