JP5896832B2 - 検体情報処理装置及び検体情報処理方法 - Google Patents
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Description
従来から、圧力センサ装置による血管の脈動性信号の検出感度を向上させるために、様々な手法が提案されている。
上記特許文献2の場合、体内音取得装置は開口部の穴の径が1mm又は3mmであり、細い血管の振動をその真上にマイクがなくても測定できるような工夫がなされていない。
また、本発明の検体情報処理装置は、該レベル検出部での検出結果に基づいて出力レベル変化情報を表示するレベル表示部とをそなえ、該レベル表示部が該脈動性信号検出ユニットアレイに設けられてもよい。
また、本発明の検体情報処理装置は、該信号補正部が、該脈動性信号の有する周波数で少なくとも増幅動作、積分動作および微分動作のうちの1つの動作を行なうことにより、少なくとも上記の脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出すように構成されてもよい。
また、本発明の検体情報処理装置は、該コンデンサマイクが、MEMS型ECMで構成されてもよい。
また、本発明の検体情報処理装置は、該開口部の口径が動脈血管の直径の5倍以下であってもよい。
[1.検体情報処理装置及び検体情報処理方法]
[1−1.検体情報処理装置の構成例]
<検体情報処理装置の構成>
本発明の検体情報処理装置1(以下、本検体情報処理装置ともいう)は、図1に示すように、複数の脈動性信号検出ユニット11a、11b、11cと信号処理部41とをそなえて構成されている。なお、複数の脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cを特に区別しない場合には、「脈動性検出ユニット11」として同じ符合を付して説明し、各脈動性検出ユニットに共通する部分についても同じ符号を付して説明する場合がある。
ここで、血管の深さ情報とは、検体91の皮膚92の表面から血管93までの深さ(距離)である。
本検体情報処理装置1を適用する検体91としては、検体91における動脈血管93の脈動を測ることができるものであれば特に制限されず、人または人以外の動物に用いることができる。センサ取付部21の開口部22を検体91に対向させて密着させることにより、空洞23がクローズドキャビティを形成するためには、検体情報処理装置1を検体91の皮膚92に装着することが好ましい。
図7はセンサ取付部21において、開口部22の口径を変えながら、指先の毛細血管の脈動性信号を測定した場合の信号の強さを表わす図である。
クロ−ズドキャビティを形成する材料としてここではゴム製のO−リング24を挙げたが、検体91における脈動性信号を閉じ込める空洞23を形成できる物体であれば、樹脂製や金属製の素材からなるものであっても用いることができる。空洞23のクローズドキャビティの形成のためには剛性の高いものが望ましいが、皮膚92に当たる側には、人体の皮膚の特性(柔軟性)を考慮するとゴムやシリコン製などの皮膚92との親和性が高い素材を用いることが好ましい。
センサ31としては、血管93の脈動性信号を検出するものであれば、特に限定されないが、血管93の脈動に起因する検体の皮膚92の振動によって生じる空気の振動(音圧情報)を電気的に検出するマイクロホンを好適に用いることができる。マイクロホンの中でも、指向性、S/N比、感度の点からコンデンサマイクが好ましく、ECM(electret condenser microphone;エレクトレットコンデンサーマイクロホン、以下、単に「ECM」ともいう)を好適に用いることができる。また、MEMS(microelectromechanical system)技術を用いて作製したECMである、MEMS型ECM(以下、「MEMS−ECM」ともいう)を好適に用いることができる。
図1では、脈動性信号検出ユニット11を3個配置することで脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成している構成を挙げたが、脈動性信号検出ユニット11の数は2個以上(複数個)であれば限定されない。血管の深さ情報を求める精度を向上させるためには、少なくとも3個の脈動性信号検出ユニット11を配置することが好ましい。脈動性信号検出ユニット11の数が多すぎると、脈動性信号検出ユニットアレイ12の取り回しが悪くなり、脈動性信号検出ユニット11を設けるためのコストが問題となるおそれがある。また、複数の脈動性信号検出ユニット11の全ての空洞23がクローズドキャビティを形成できなくなるおそれがある。
<検体情報処理装置の機能構成>
検体情報処理装置1を機能的に表わすとき、検体情報処理装置1は、図2、図3に示すように、脈動性信号検出ユニットアレイ12及び信号処理部41を備えている。ここでは、検体情報処理装置1が脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cを3つそなえており、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cにより脈動性信号検出ユニットアレイ12が構成されている。信号処置部41は、信号補正部51、周波数復調部61、及び血管情報検出部71を有している。
周波数復調部61を機能的に表わすとき、周波数復調部61は、図8に示すように、位相比較器151、ローパスフィルタ152、VCO(voltage controlled oscillator;電圧制御発振器)153、分周器154を備えている。
すなわち、検体の呼吸成分が変調された脈動性信号について、復調処理を施すことにより、呼吸成分を脈動性信号から抽出できるのである。
<呼吸信号の抽出>
図4、図5に示すフローチャートに従って、検体情報処理装置1の動作を説明する。
本発明の検体情報処理装置1を用いた血管の位置情報の取得について、図を用いて説明する。
ここで、血管の位置情報とは、検体91の皮膚92上における血管93の位置を表す情報のことである(図26参照)。言い換えれば、検体91の皮膚92中に存在する血管の位置を、皮膚92における検体91の外部の表面に対応する位置に表した情報である。
本発明の検体情報処理装置1を用いた血管の深さ情報の算出について、図を用いて説明する。
図24,25は、血管の深さ情報を求めるための、脈動性信号検出ユニットアレイ12と、血管93との位置関係を示す図である。ここでは脈動性信号検出ユニットアレイ12が、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cで構成されている場合について説明する。図24では図面手前側の図面上下方向に血管93が存在し、図面奥側に脈動性信号検出ユニットアレイ12がセンサ取付部21及び開口部22を図面の手前側に向けるようにして示してある。つまり、図24では、検体91の内部から外部に向けて皮膚92に対して平行に見た場合の、血管93と脈動性信号検出ユニットアレイ12の位置関係を表している。図25では、血管93伸長方向の断面方向から見た場合の、血管93と脈動性信号検出ユニットアレイ12の位置関係を表している。
上述の血管の位置情報の取得にて説明したように、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する、複数のセンサ31のうちの少なくとも1つのセンサ31からの出力レベルを検出し、その出力レベルの変化に基づいて血管93の皮膚92上における位置(血管の位置情報)を得ることができる。図26に示す点2〜5は、そのようにして血管の位置情報を決定し、血管93を追跡することにより得られた血管の位置情報を示す点を表す図である。点2〜5のように並んだ血管の位置情報から、各点を結んだ線上に血管93が存在していることが分かる。
図24,25に示すように、複数の脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cが略一直線上に位置するように設置されており、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置に位置しており、血管93と、中央の脈動性信号検出ユニット11bと、左右の脈動性信号検出ユニット11a又は11cのいずれかとのなす角が略90度の位置にあり、中央の脈血管93と、左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cとの間を結ぶ線を長さが等しい二辺とする二等辺三角形の位置にあり、中央の動性信号検出ユニット11bから、左右それぞれの動性信号検出ユニット11a,11cまでの距離が等しい状態について、血管93と、各脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cとの関係を模式化すると、図28のようにして表すことができる。図28において、aは中央の脈動性信号検出ユニット11bから左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cまでの距離を表し、xは中央の脈動性信号検出ユニット11bから血管93までの距離(すなわち、皮膚92の表面から血管93までの深さ)を表し、yは左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cから血管93までの距離を表す。
y=SQRT(a2+x2) (1)
ここで、血管93における脈動Vは、時間tを変数として下記式(2)で表すことができる。
V=Asin(ωt) (2)
(上記式(2)において、Aは血管93の脈動の振幅Aを表し、ωは血管93の脈動の角振動数を表す。)
M=Bsin(ωt+p) (3)
S=Csin(ωt+q) (4)
(上記式(3)において、Bは中央の脈動性信号検出ユニット11bにおいて検出される脈動の振幅を表し、ωは中央の脈動性信号検出ユニット11bにおいて検出される脈動の角振動数を表し、pは中央の脈動性信号検出ユニット11bにおいて検出される脈動の血管93の脈動からの時間遅れを表す。上記式(4)において、Cは左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cにおいて検出される脈動の振幅を表し、ωは左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cにおいて検出される脈動の角振動数を表し、qは左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cにおいて検出される脈動の血管93の脈動からの時間遅れを表す。)
x=a×β/SQRT(1−β2) (5)
本発明の検体情報処理方法(以下、本検体情報処理方法ともいう)は、それぞれ、検体91における血管93の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、上記の検体91における血管93の脈動性信号を検出するセンサ21と、センサ21の圧力情報の取り込み部に連通する空洞23を有するとともに検体91に対向する部位に3mmから10mmの口径を有する開口部22を有し開口部22を検体91に対向させて検体91に装着された状態で空洞23が閉鎖された空間構造を有するセンサ取付部31とを有する、複数の脈動性信号検出ユニット11を並列配置することにより構成された脈動性信号検出ユニットアレイ12を用意し、脈動性信号検出ユニットアレイ12を血管93と交叉する方向に設置し、上記の脈動性信号検出ユニットアレイ12のうちの1つの脈動性信号検出ユニット11が血管93と対向する位置となるように、脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置し、その後、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの出力を受けて所要の演算を施すことにより、血管93の深さ情報を求めるものである。
本発明の検体情報処理装置1、及び本発明の検体情報処理方法によれば、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの脈動性信号出力について、所要の演算を施すことによって、血管の深さ情報を求めることができる。
また、検体情報処理装置1及び本検体情報処理方法によれば、周波数復調処理を施すことによって脈動性信号出力に含まれる呼吸信号を抽出することができる。
本検体情報処理装置1のセンサ31に用いられるセンサに関して、まずはマイクロホンのクローズドキャビティと周波数応答との関係についてについて説明し、次に、ECM及びMEMS−ECM、並びにこれらを用いた脈動性信号の検出、周波数特性、及び周波数補正処理について説明する。
本検体情報処理装置1は、血管93の脈動性信号の振動をセンサ31によって開放状態(開放系)で測定を行うのではなく、センサ31と振動源との関係において、センサ31の空気室34と連通する空洞23が閉鎖された空間構造(クロ−ズドキャビティ)を形成するようにして測定した状態、すなわちセンサ31と振動源とをクローズの状態にして測定する。
このことを説明するために、センサ(マイクロホン)の開放状態とクローズの状態での周波数応答の相違について説明する。
上述したような閉じた空間(空洞)の圧力変化として、微少振動を検出するときに最も身近なものはマイクロホンである。その中でも、ECM(electret condenser microphone、エレクトレットコンデンサーマイクロホン)は、この用途には特に適したものである。ECMは携帯電話等への応用が進み、小型化、安定化は言うまでも無く、大量生産による入手しやすさが魅力である。
ECMはエレクトレット膜をコンデンサーマイクロホンの振動膜あるいは固定電極に融着させ、高感度・低電圧駆動を実現させた小型マイクロホンである。
C∝S/d (6)
(上記(6)式において、∝は比例を意味する。)
上記式(7)の関係が成り立つので、これらの式から、ECM201から検出される電圧(V)は、下記式(8)で表わされる。
V∝Q×d/S (8)
近年、ECMは小型化の要求からダイヤフラムに半導体プロセスによるシリコン性のダイヤフラムを用いることが多くなっている。このようなECMをMEMS(microelectromechanical system)−ECMという。
これらのECMあるいはMEMS−ECM(シリコンマイクということもある)を用いて、心臓に起因する血管93の振動(脈動性信号)を捕らえようとするとき、これらのマイクを図10のような周波数特性で、空洞が形成する閉じた空間(クローズドキャビティ)の圧力変化として検出することが望ましい。そのためには、例えばこれらを直接人体の皮膚に押し付けてしまえばよい。この場合、空気穴とダイヤフラムの間で空間が閉じられるために図10のような周波数特性で信号が検出できるとも考えられる。
現在の普通のECMやMEMS−ECM等に共通の特性として、風除けの対策が施されていることが挙げられる。携帯電話等のマイクでは、風が強いときの風音、あるいは、使用者が咳き込んだとき(吹かれ)などの急な圧力変化に反応しないように、ダイヤフラムに小さな穴(数十μm)の穴が開けられている。これにより、周波数特性的には低周波分の減衰を招くことになる。遅い空気の流れはこの小さなダイヤフラムの穴を抜けることを考えれば理解しやすい。
そこで、MEMS−ECMを用いた周波数特性の検証について説明する。
上述の周波数特性の測定法により、横軸に周波数(Hz)、縦軸に振幅(dB)をとることで、低周波の周波数特性の検証結果は図16のように表わされる。
また、よく血管の状況を判断するのに用いられる加速度脈波はこの速度脈波をさらに時間微分したものである。
<周波数補正処理>
次に、脈動性信号出力についての周波数補正処理について説明する。
周波数補正処理とは、検体情報処理装置1のセンサ31からの脈動性信号出力について、すくなくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出す補正処理をいう。
MEMS−ECMの出力から脈波、そして加速度脈波を得るには図17に示すような周波数応答をする電気回路を通過させる周波数補正処理を適用すればよい。
図19に示すこれらの加速度脈波、速度脈波、容積脈波は、周波数が高くなるにつれて40dB/dec、20dB/dec、0dB/decでゲインが上昇している。脈波の周波数付近ではそれぞれ、加速度脈波、速度脈波、そして脈波を発生する周波数特性となっている。
このような周波数補正を施す回路をアナログ回路で表すと、図18のように構成することができる。
図18において、符号Aで示す部分は増幅動作回路部分であり、符号Bで示す部分は積分動作回路部分であり、符号Cで示す部分は微分動作回路部分である。
手首橈骨に、開口部22の口径を拡げて空洞23がクロ−ズドキャビティを形成するようにMEMS−ECMを当てて観測したの脈波の波形が図20である。測定により得られた速度脈波(測定データ)の波形は図20(b)のように表わされる。この速度脈波を上述した積分回路での補償により得られる容積脈波は、図20(a)のように表わされる。速度脈波を上述した微分回路での補償により得られる加速度脈波は、図20(c)のように表わされる。
上述したように、本検体情報処理装置1を用いることで、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する、複数のセンサ31のうちの少なくとも1つのセンサ31からの出力レベルを検出し、その出力レベルの変化に基づいて検体91の皮膚92の表面において動脈血管93の位置を追跡し、血管の位置情報を決定することができる。
次に、本検体情報処理装置1の、この特性を利用して、本検体情報処理装置1による脈動性信号の検出の際に血管の位置情報を通知し、適正な検出位置で本装置の装着と測定を行うことを可能にする装置について説明する
(脈動性検出ユニットアレイと脈動性検出ユニットについて)
上記の実施形態では、3つの脈動性信号検出ユニット11によって脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成している例を挙げて説明したが、脈動性信号検出ユニットアレイ12は、2つまたは4つ以上の脈動性信号検出ユニット11から構成されていてもよい。
上述の説明においては、図24,25に示すように、脈動性信号検出ユニットアレイ12が、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cで構成されている場合であって、中央の脈動性信号検出ユニット11bから左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cまでの距離が等しい場合に、脈動性信号検出ユニットアレイ12の中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあるかどうかを確かめる方法として、波形表示器82により表示される左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a,31cからの脈動性信号の波形を確認することで、脈動性信号検出ユニットアレイ12の位置の変化に伴う脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31の出力レベルを検出し、左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a,31cからの脈動性信号の出力レベルが同程度になる点において、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあると判断できることについて説明したが、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a、31cからの脈動性信号からの出力レベルを検出するレベル検出部と、このレベル検出部での検出結果に基づいて出力レベル変化情報を表示するレベル表示部とをそなえ、レベル表示部が脈動性信号検出ユニットアレイ12に設けられていることにより、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあることを通知するように構成してもよい。
上記の説明においては、脈動性信号の処理を検体情報処理装置1が備えるアナログ回路による処理について説明したが、検体情報処理装置1がデジタル回路、例えばデジタルシグナルプロセッサ(以下、「DSP」ともいう)を含む回路を備え、このデジタル回路により信号をデジタル処理する構成としても良い。また、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31により検出された脈動性信号を、検体情報処理装置1の外部のA/Dコンバータを介してコンピュータ81に出力し、CPUで信号を処理する構成としても良い。
11,11a,11b,11c 脈動性信号検出ユニット
12 脈動性信号検出ユニットアレイ
21 センサ取付部
22 開口部
23 空洞(Cavity)
24 O−リング
31,31a,31b,31c センサ
32 圧力情報の取込部
33 センサ素子
34 空気室
35 筐体
41 信号処理部
51 信号補正部
61 周波数復調部
71 血管情報検出部
81 コンピュータ
91 検体
92 皮膚
93 血管
Claims (14)
- 検体における血管の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、上記の検体における血管の脈動性信号を検出するセンサと、該センサの該圧力情報の取込み部に連通する空洞を有するとともに該検体に対向する部位に3mmから10mmの口径を有する開口部を有し該開口部を該検体に対向させて該検体に装着された状態で該空洞が閉鎖された空間構造を有するセンサ取付部とを有する脈動性信号検出ユニットを複数個そなえ、
これらの脈動性信号検出ユニットが並列配置されて、脈動性信号検出ユニットアレイが構成され、
該脈動性信号検出ユニットアレイの各センサからの脈動性信号出力について、所要の演算を施すことにより、該血管の深さ情報を求める血管情報検出部をそなえて構成されたことを特徴とする検体情報処理装置。 - 該脈動性信号検出ユニットアレイの移動に伴って変化する上記複数のセンサのうちの少なくとも1つのセンサからの出力レベルを検出するレベル検出部をそなえたことを特徴とする、請求項1記載の検体情報処理装置。
- 該レベル検出部での検出結果に基づいて出力レベル変化情報を表示するレベル表示部とをそなえ、
該レベル表示部が該脈動性信号検出ユニットアレイに設けられていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の検体情報処理装置。 - 該脈動性信号検出ユニットアレイの該センサからの脈動性信号出力について、周波数補正処理を施すことにより、少なくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出す信号補正部をそなえて構成されたことを特徴とする、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の検体情報処理装置。
- 該信号補正部が、該脈動性信号の有する周波数で少なくとも増幅動作、積分動作および微分動作のうちの1つの動作を行なうことにより、少なくとも上記の脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出すように構成されたことを特徴とする、請求項4記載の検体情報処理装置。
- 該脈動性信号検出ユニットアレイの該センサからの脈動性信号出力について、周波数復調処理を施すことにより、該脈動性信号出力に含まれる呼吸信号を抽出する周波数復調部をそなえて構成されたことを特徴とする、請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載検体情報処理装置。
- 該センサが、上記の検体における動脈血管の脈動性信号に起因する音圧情報を検出するコンデンサマイクとして構成されたことを特徴とする、請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の検体情報処理装置。
- 該コンデンサマイクが、MEMS型ECMで構成されたことを特徴とする、請求項7記載の検体情報処理装置。
- 該開口部の口径が動脈血管の直径の5倍以下であることを特徴とする、請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の検体情報処理装置。
- それぞれ、検体における血管の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、上記の検体における血管の脈動性信号を検出するセンサと、該センサの該圧力情報の取り込み部に連通する空洞を有するとともに該検体に対向する部位に3mmから10mmの口径を有する開口部を有し該開口部を該検体に対向させて該検体に装着された状態で該空洞が閉鎖された空間構造を有するセンサ取付部とを有する、複数の脈動性信号検出ユニットを並列配置することにより構成された脈動性信号検出ユニットアレイを用意し、
該脈動性信号検出ユニットアレイを該血管と交叉する方向に設置し、上記の脈動性信号検出ユニットアレイのうちの1つの脈動性信号検出ユニットが該血管と対向する位置となるように、該脈動性信号検出ユニットアレイを設置し、
その後、該脈動性信号検出ユニットアレイの各センサからの出力を受けて所要の演算を施すことにより、該血管の深さ情報を求めることを特徴とする、検体情報処理方法。 - 該脈動性信号検出ユニットアレイの該血管と対向する位置の該脈動性信号検出ユニットのセンサからの脈動性信号出力の強さと、該脈動性信号検出ユニットアレイの他の脈動性信号検出ユニットのセンサからの脈動性信号出力の強さと、該脈動性信号検出ユニットアレイの該血管と対向する位置の該脈動性信号検出ユニットと他の脈動性信号検出ユニットとの距離から、該血管の深さ情報を求めることを特徴とする、請求項10記載の検体情報処理方法。
- 該脈動性信号検出ユニットアレイの移動に伴って変化する上記複数のセンサのうちの少なくとも1つのセンサからの出力レベルを検出し、該出力レベルの変化に基づいて該血管の位置情報を得ることを特徴とする、請求項10または請求項11記載の検体情報処理方法。
- 該脈動性信号検出ユニットアレイの該センサからの脈動性信号出力について、周波数補正処理を施すことにより、少なくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出すことを特徴とする、請求項10ないし請求項12のいずれか1項に記載の検体情報処理方法。
- 該脈動性信号検出ユニットアレイの該センサからの脈動性信号出力について、周波数復調処理を施すことにより、該脈動性信号出力に含まれる呼吸信号を抽出することを特徴とする、請求項8または請求項10ないし請求項13のいずれか1項に記載の検体情報処理方法。
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