特許第6626408号(P6626408)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6626408
(24)【登録日】2019年12月6日
(45)【発行日】2019年12月25日
(54)【発明の名称】血流量測定装置および血流量測定方法
(51)【国際特許分類】
   A61B 5/0295 20060101AFI20191216BHJP
   A61B 5/026 20060101ALI20191216BHJP
【FI】
   A61B5/0295
   A61B5/026 120
【請求項の数】8
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2016-108252(P2016-108252)
(22)【出願日】2016年5月31日
(65)【公開番号】特開2017-213123(P2017-213123A)
(43)【公開日】2017年12月7日
【審査請求日】2018年6月25日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100153006
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 勇三
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(72)【発明者】
【氏名】小泉 弘
(72)【発明者】
【氏名】田島 卓郎
(72)【発明者】
【氏名】瀬山 倫子
【審査官】 亀澤 智博
(56)【参考文献】
【文献】 特開2000−041959(JP,A)
【文献】 国際公開第2012/160856(WO,A1)
【文献】 国際公開第2014/157605(WO,A1)
【文献】 特開2003−135434(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2006/0009700(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
A61B 5/02 − 5/03
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
生体の末梢動脈波を光学的に検出し、電気的な脈波信号を生成する脈波信号生成部と、
前記脈波信号から交流成分を分離し、増幅して出力する増幅部と、
前記脈波信号の前記交流成分を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記脈波信号の前記交流成分のサンプリング値の積算値に基づいて、前記生体の血流量を算出する演算部と、を有し、
前記増幅部は、更に、前記脈波信号から直流成分を分離し、増幅して出力し、
前記A/D変換部は、前記脈波信号の前記直流成分を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換し、
前記演算部は、
前記交流成分のサンプリング値と前記直流成分のサンプリング値とを夫々積算する積算部と、
前記交流成分の積算値を前記直流成分の積算値で除算した値の積算値に基づいて前記血流量を算出する血流量算出部とを有する
ことを特徴とする血流量測定装置。
【請求項2】
生体の末梢動脈波を光学的に検出し、電気的な脈波信号を生成する脈波信号生成部と、
前記脈波信号から交流成分を分離し、増幅して出力する増幅部と、
前記脈波信号の前記交流成分を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記脈波信号の前記交流成分のサンプリング値の積算値に基づいて、前記生体の血流量を算出する演算部と、を有し、
前記増幅部は、更に、前記脈波信号から直流成分を分離し、増幅して出力し、
前記A/D変換部は、前記脈波信号の前記直流成分を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換し、
前記演算部は、
前記交流成分のサンプリング値を前記直流成分のサンプリング値で除算した値を積算する積算部と、
前記交流成分のサンプリング値を前記直流成分のサンプリング値で除算した値の積算値に基づいて、前記血流量を算出する血流量算出部とを有する
ことを特徴とする血流量測定装置。
【請求項3】
請求項またはに記載の血流量測定装置において、
前記生体の脈拍数を検出する脈拍検出部を更に有し、
前記積算部は、前記脈拍検出部によって検出した脈拍数が所定値に達するまで、積算を行う
ことを特徴とする血流量測定装置。
【請求項4】
請求項乃至の何れか一項に記載の血流量測定装置において、
前記積算部は、前記脈波信号の1周期以上の期間積算を行う
ことを特徴とする血流量測定装置。
【請求項5】
請求項1乃至の何れか一項に記載の血流量測定装置において、
前記演算部は、所定期間毎に算出した前記血流量の時系列データ基づいて、前記血流量の平均値を算出する
ことを特徴とする血流量測定装置。
【請求項6】
請求項1乃至の何れか一項に記載の血流量測定装置において、
前記A/D変換部は、前記脈波信号を40Hz以上のサンプリング周波数でサンプリングする
ことを特徴とする血流量測定装置。
【請求項7】
生体情報計測装置による生体の血流量測定方法であって、
前記生体情報計測装置が、前記生体の末梢動脈波を光学的に検出し、電気的な脈波信号を生成する第1ステップと、
前記生体情報計測装置が、前記第1ステップで生成した前記脈波信号を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換する第2ステップと、
前記生体情報計測装置が、前記第2ステップで変換した前記デジタル信号に基づいて、前記脈波信号の交流成分の複数回分のサンプリング値の積算値を算出する第3ステップと、
前記生体情報計測装置が、前記第2ステップで変換した前記デジタル信号に基づいて、前記脈波信号の直流成分の複数回分のサンプリング値の積算値を算出する第4ステップと、
前記生体情報計測装置が、前記第3ステップで算出した前記交流成分サンプリング値の積算値を、前記第4ステップで算出した前記直流成分のサンプリング値の積算値で除算することより、前記生体の血流量を算出する第5ステップとを含む
ことを特徴とする血流量測定方法。
【請求項8】
生体情報計測装置による生体の血流量測定方法であって、
前記生体情報計測装置が、前記生体の末梢動脈波を光学的に検出し、電気的な脈波信号を生成する第1ステップと、
前記生体情報計測装置が、前記第1ステップで生成した前記脈波信号を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換する第2ステップと、
前記生体情報計測装置が、前記第2ステップで変換した前記デジタル信号に基づいて、前記脈波信号の交流成分の複数回分のサンプリング値を前記直流成分の複数回分のサンプリング値でそれぞれ除算した値を積算する第3ステップと、
前記生体情報計測装置が、前記第2ステップで変換した前記デジタル信号に基づいて、前記脈波信号の直流成分の複数回分のサンプリング値の積算値を算出する第4ステップと、
前記生体情報計測装置が、前記第3ステップで算出した、前記交流成分のサンプリング値を前記直流成分のサンプリング値で除算した値の積算値を、前記第4ステップで算出した前記直流成分のサンプリング値の積算値で除算することより、前記生体の血流量を算出する第5ステップとを含む
ことを特徴とする血流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、非侵襲な生体情報計測技術に関し、例えば、光電脈波計測によって生体の血流量を測定する血流量測定装置および血流量測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
生体の末梢動脈波を光学的に検出する光電脈波計測、またはフォトプレスチモグラフィ(PPG : photoplethysmography)と呼ばれる生体情報計測技術は、非侵襲、かつ装置の小型化が容易であることから、主に脈拍数(心拍数とほぼ同義)の計測に用いられ、特に耳朶や指先など体躯の末梢部での末梢動脈動態の把握に用いられている。ここでの「末梢」とは、四肢の末端だけでなく、体表など体躯外縁部一帯を指す。
【0003】
図13,14は、従来の一般的なPPG計測の原理を説明するための図である。
一般的なPPGでは、発光側の光源として発光ダイオード(LED)が用いられる。一方、受光側は、透過型の計測の場合には、フォトトランジスタ(PT)またはフォトダイオード(PD)が用いられ、反射型の計測の場合には、フォトリフレクタが用いられる。PTやPDから得られた電気信号は、直流(DC)成分がハイパスフィルタでカットされ、増幅される。この際、DC成分も同時に計測する場合もある。
【0004】
一般に、LEDなどの光源90から生体の皮膚81に侵入した光は、生体内で様々な散乱や吸収を受けるが、とりわけ血液に吸収されやすい波長帯を光源に選択すれば、動脈80が拡張しているときは吸収が大きくなり、逆に収縮しているときは吸収が小さくなる。
【0005】
例えば、図13,14に示すように、光源から生体に光を照射したときの反射光は、動脈拡張期には減り、動脈収縮期には増える一方、光源から生体に光を照射したときの透過光は、動脈拡張期には減り、動脈収縮期には増えることになる。
【0006】
したがって、光源から生体に光を照射したときの反射光または透過光の光量の変化をフォトトランジスタ等の受光器91,92で検出することにより、脈拍の拍動を抽出することができる。一般的なPPGでは、受光器91,92で検出した脈波の交流成分(AC成分)を反転増幅することにより、動脈拡張期に信号レベルが大きくなり、動脈収縮期には信号レベルが小さくなるような信号処理を行っている。
【0007】
このように、PPGでは、動脈の拍動を血管容積の変化としてとらえるため、PPGで計測された動脈波は「容積脈波」と呼ばれている。この容積脈波に基づいて、血流量を計測する手法が従来から知られている。
【0008】
例えば、非特許文献1には、開示生体の末梢部で検出された脈波のAC成分をPGac、DC成分をPGdcと定義したとき、式(1)で表される規準化脈波容積(NPV:normalized pulse volume)を末梢動脈における拡張収縮度合とすることが開示されている。
【0009】
【数1】
【0010】
上記式(1)で表される指標は、動脈が充分拡張して拍動している場合は血液量が多く、動脈が収縮してあまり拍動していない場合は血液量が少なくなる、ということを反映していると言える。すなわち、規準化脈波容積(NPV)を算出することにより、末梢部の血流量(末梢血流量)を把握することが可能となる。
【0011】
この規準化脈波容積(NPV)を用いることにより、緊張や精神集中など心理的ストレスの印加による末梢血管の収縮を検出することができるので、精神状態の変化やその状態の継続時間等を把握することができると言われている。
【0012】
また、非侵襲的な末梢血流量の計測技術としては、レーザードップラー技術を用いた手法も知られている。この手法は、血液の流れによって生じるドップラーシフト(周波数の変化)を皮膚など静止している生体成分からの反射光と動脈や血液など動いている生体成分からの反射光とによる干渉波(うねり)の周波数で計測し、血液の流速と流量の合成値を把握する方法である(非特許文献2参照)。
【0013】
レーザードップラー技術では、動脈の拍動による血液の流速の変化、つまり血液の流れの遅速を拍動としてとらえる。したがって、レーザードップラー技術によって計測した脈波は、血管容積の変化による容積脈波ではなく、血液の流速変化による「流量脈波」と言える。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0014】
【非特許文献1】「指尖光電容積脈波の血行力学 −規準化脈波容積を中心とした検討−」 澤田幸展、加藤有一、生理心理学と精神生理学、2015年4月3日早期公開
【非特許文献2】「スマホで視る血液の流れ −超小型ウェアラブル血流センサ」、桑原啓、樋口雄一、小泉弘、笠原亮一、NTT技術ジャーナル、2014年11月号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
図15に示すように、PPGによって検出した末梢動脈の信号は、末梢血管抵抗の影響を強く受けるため、その信号波形には駆出波に引き続き特徴的な反射波が重畳する場合が多い。血流量を算出する際に、この反射波のピークを動脈拡張期のピークと誤検出すると、算出した血流量に誤差が生じてしまう。駆出波を反射波と区別して検出するためには、複雑なアルゴリズムが必要となり、開発コストが増加するおそれがある。
【0016】
また、従来の指標である規準化脈波容積(NPV)は、脈動の最大振幅とそのときの血液量レベルから算出するため、刹那的な瞬間血流量を表していると言える。そのため、従来の規準化脈波容積(NPV)に基づく血流量計測技術では、比較的長期間の平均的な血流量等を知ることはできず、血流量の計測の自由度が高いとは言えない。
【0017】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡単且つ計測の自由度の高い血流量計測技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明に係る血流量測定装置(100)は、生体の末梢動脈波を光学的に検出し、電気的な脈波信号を生成する脈波信号生成部(4,5)と、脈波信号から交流成分を分離し、増幅して出力する増幅部(5)と、脈波信号の前記交流成分を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換するA/D変換部(6)と、脈波信号の前記交流成分のサンプリング値(PVac)の積算値(iPVac)に基づいて、前記生体の血流量(IPV)を算出する演算部(1)とを有し、増幅部は、更に、脈波信号から直流成分を分離し、増幅して出力し、A/D変換部は、脈波信号の直流成分を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換し、演算部は、交流成分のサンプリング値(PVac)と直流成分のサンプリング値(PVdc)とを夫々積算する積算部(11)と、交流成分の積算値(iPVac)を直流成分の積算値(iPVdc)で除算した値に基づいて血流量(IPV)を算出する血流量算出部(13)とを有することを特徴とする。
【0020】
また、本発明に係る血流量測定装置(100)は、生体の末梢動脈波を光学的に検出し、電気的な脈波信号を生成する脈波信号生成部(4,5)と、脈波信号から交流成分を分離し、増幅して出力する増幅部(5)と、脈波信号の前記交流成分を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換するA/D変換部(6)と、脈波信号の前記交流成分のサンプリング値(PVac)の積算値(iPVac)に基づいて、前記生体の血流量(IPV)を算出する演算部(1)とを有し、増幅部は、更に、脈波信号から直流成分を分離し、増幅して出力し、A/D変換部は、脈波信号の直流成分を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換し、演算部は、交流成分のサンプリング値を直流成分のサンプリング値で減算または除算した値を積算する積算部(11)と、交流成分のサンプリング値を直流成分のサンプリング値で除算した値に基づいて、血流量を算出する血流量算出部(13)とを有していてもよい。
【0021】
上記血流量測定装置において、生体の脈拍を検出する脈拍検出部(15)を更に有し、演算部(1A)は、脈拍数検出部によって検出した脈拍数が所定値に達するまで、積算を行ってもよい。
【0022】
上記血流量測定装置において、積算部は、脈波信号の1周期以上の期間積算を行ってもよい。
【0023】
上記血流量測定装置において、演算部(1B)は、所定期間毎に算出した血流量の時系列データ基づいて、血流量の平均値を算出してもよい。
【0024】
上記血流量測定装置において、A/D変換部は、脈波信号を40Hz以上のサンプリング周波数でサンプリングしてもよい。
【0025】
本発明に係る、血流量測定装置による生体の血流量測定方法は、血流量測定装置が、生体の末梢動脈波を光学的に検出し、電気的な脈波信号を生成する第1ステップと、血流量測定装置が、第1ステップで生成した脈波信号を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換する第2ステップと、血流量測定装置が、第2ステップで変換したデジタル信号に基づいて、脈波信号の交流成分の複数回分のサンプリング値の積算値を算出する第3ステップと、血流量測定装置が、第2ステップで変換したデジタル信号に基づいて、脈波信号の直流成分の複数回分のサンプリング値の積算値を算出する第4ステップと、血流量測定装置が、第3ステップで算出した交流成分サンプリング値の積算値を、第4ステップで算出した直流成分のサンプリング値の積算値で除算することより、生体の血流量を算出する第5ステップとを含むことを特徴とする。
また、発明に係る、生体情報計測装置による生体の血流量測定方法は、前記生体情報計測装置が、前記生体の末梢動脈波を光学的に検出し、電気的な脈波信号を生成する第1ステップと、前記生体情報計測装置が、前記第1ステップで生成した前記脈波信号を所定の時間間隔でサンプリングし、デジタル信号に変換する第2ステップと、前記生体情報計測装置が、前記第2ステップで変換した前記デジタル信号に基づいて、前記脈波信号の交流成分の複数回分のサンプリング値を前記直流成分の複数回分のサンプリング値でそれぞれ除算した値を積算する第3ステップと、前記生体情報計測装置が、前記第2ステップで変換した前記デジタル信号に基づいて、前記脈波信号の直流成分の複数回分のサンプリング値の積算値を算出する第4ステップと、前記生体情報計測装置が、前記第3ステップで算出した、前記交流成分のサンプリング値を前記直流成分のサンプリング値で除算した値の積算値を、前記第4ステップで算出した前記直流成分のサンプリング値の積算値で除算することより、前記生体の血流量を算出する第5ステップとを含むことを特徴とする。
【0026】
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号および図番によって表している。
【発明の効果】
【0027】
本発明によれば、簡単且つ計測の自由度の高い血流量計測技術を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
図1】実施の形態1に係る血流量測定装置の構成を示す図である。
図2】実施の形態1に係る血流量測定装置による血流量計測の基本概念を説明するための図である。
図3】実施の形態1に係る血流量測定装置における脈波アンプの構成を示す図である。
図4】実施の形態1に係る血流量測定装置における演算部の構成を示す図である。
図5】実施の形態1に係る演算部による脈波信号に含まれる交流成分の積算の概念を示す図である。
図6】実施の形態1に係る演算部による脈波信号に含まれる直流成分の積算の概念を示す図である。
図7】実施の形態2に係る血流量測定装置における演算部の構成を示す図である。
図8】脈拍検出部による脈拍の検出手法の一例を示す図である。
図9】実施の形態2に係る演算部による脈波信号に含まれる交流成分の積算の概念を示す図である。
図10】実施の形態2に係る演算部による脈波信号に含まれる直流成分の積算の概念を示す図である。
図11】実施の形態3に係る血流量測定装置における演算部の構成を示す図である。
図12】実施の形態3に係る血流量測定装置による血流量の平均値の算出手法の一例を示す図である。
図13】従来の一般的なPPG計測の原理(拡張期)を説明するための図である。
図14】従来の一般的なPPG計測の原理(収縮期)を説明するための図である。
図15】末梢動脈における拡張収縮度合を算出するために必要な脈波のAC成分とDC成分の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
【0030】
≪実施の形態1≫
図1は、実施の形態1に係る血流量測定装置の構成を示す図である。
同図に示される血流量測定装置100は、生体の末梢動脈波を光学的に計測する光電脈波計測(PPG)が可能な生体情報計測装置であり、例えば生体の末梢部に装着し、その末梢部で検出した脈波から上記生体の血流量を計測する。
【0031】
先ず、実施の形態1に係る血流量測定装置100の概要について説明する。
上述したように、PPGによる信号強度は、観測部位の血液の多寡に応じて時々刻々と変化する。すなわち、血液が多いときには反射もしくは透過する光量が少なくなり、逆に血液が少ないときは多くなる。したがって、PPGの出力レベルを単純に積分すれば、その値は血液量を反映していると言えそうである。しかし、単純に積分するだけでは、PPG本来の目的である脈拍抽出が難しくなる。
【0032】
そこで、実施の形態1に係る血流量測定装置100では、PPGによって検出した脈波に含まれるAC成分と交流成分のサンプリング値を夫々積算し、それらの積算値に基づいて血流量を算出する。
図2は、実施の形態1に係る血流量測定装置による血流量計測の基本概念を説明するための図である。
図2に示すように、実施の形態1に係る血流量測定装置100では、先ず、従来技術のようにPPG信号から拍動成分であるAC成分とベースのDC成分とを夫々増幅して抽出するとともに、任意のサンプリング周期でAC成分とベースのDC成分を夫々サンプリングし、これらの信号成分をデジタル信号に変換する。次に、血流量測定装置100は、サンプリングされた各信号成分の出力レベルを夫々一定のサンプリング数だけ積算することによってAC成分の積算値とDC成分の積算値とを算出する。次に、AC成分の積算値(およびDC成分の積算値)に基づいて、所定の演算(例えば除算等)を行うことにより、積算化脈波容積(IPV)を算出し、それを血流量の計測値とする。
【0033】
以下、実施の形態1に係る血流量測定装置100の構成および動作について詳細に説明する。
【0034】
図1に示すように、血流量測定装置100は、演算部1、デジタル/アナログ変換器(ADC)2、LED駆動回路3、光検出部4、脈波アンプ5、アナログ/デジタル変換器(DAC)6、表示部7、記憶部8、および通信部9を含む。
【0035】
光検出部4は、生体の末梢動脈波を光学的に検出し、電気的な脈波信号を生成する機能部である。具体的に光検出部4は、生体に光を照射し、その反射光または透過光の光量に応じた電気信号を生成する。本実施の形態では、血流量測定装置100が反射式のPPGであって光検出部4がフォトリフレクタである場合を一例として説明する。なお、例えば耳朶など比較的に挟持しやすい人体部位で血流量を計測する場合には、必ずしも反射式のPPGではなく、発光素子と受光素子が対向した透過式PPGを用いてもよい。
【0036】
光検出部4としてのフォトリフレクタの光源は、発光ダイオード(LED)41である。LED駆動回路3が、演算部1からDAC2を介して出力された制御信号に従ってLED41を連続、もしくは間欠駆動することにより、LEDが発光する。一方、フォトリフレクタの受光素子であるフォトトランジスタ(PT)42は、発光ダイオード41から生体の皮膚に照射した光の反射光を受光し、受光量に応じた電気信号(脈波)を出力する。なお、フォトトランジスタ42の代わりにフォトダイオード(PD)を用いることも可能であるが、PDに比べて通常数百倍の電流を取り出すことができるPTの方が、生体信号のように低速な信号計測には好適である。
【0037】
脈波アンプ5は、フォトトランジスタ42から出力された電気信号から交流成分と直流成分とを分離し、増幅して出力する増幅回路である。
【0038】
図3は、脈波アンプ5の内部構成を示す図である。
脈波アンプ5は、例えば、ハイパスフィルタ(HPF)51、ローパスフィルタ(LPF)53、55、増幅器52、54、56から構成されている。脈波アンプ5において、フォトトランジスタ42から出力された電気信号はハイパスフィルタ51を介して増幅器52によって増幅され、ローパスフィルタ53を介して、更に増幅器54によって増幅される。この信号は、脈波のAC成分を含むAC信号PVacとして出力される。
【0039】
また、脈波アンプ5において、フォトトランジスタ42から出力された電気信号は、ローパスフィルタ55を介して増幅器52によって増幅される。この信号は、脈波のDC成分を含むDC信号PVdcとして出力される。
【0040】
脈波アンプ5の後段に設けられたADC6は、脈波アンプ5から出力されたアナログ信号であるAC信号PVacおよびDC信号PVdcを夫々、所定のサンプリング周期でサンプリングし、デジタル信号に変換する。
【0041】
ここで、ADC6のサンプリングのサンプリングレート(サンプリング周波数)は、可能な限り高速である方が好ましい。具体的には、人間の最大脈拍数をおおむね毎分220拍とすると、脈波に含まれる高調波成分を考慮すると、約40Hz以上の周波数でサンプリングすれば、脈波の基本周波数の約10倍でデータ採取できることになり、最低限の脈波再現が可能である。なお、通常は100Hz〜200Hz、医療現場では1kHz〜2kHzで運用されることが多い。
【0042】
演算部1は、脈波信号のサンプリング値を積算し、血流量を算出する機能部である。演算部1は、例えば、DSP(Digital Signal Processer)やCPU等のプログラム処理装置等によって実現することができる。演算部1の詳細については後述する。
【0043】
記憶部8は、演算部1と図示されないバスを介して接続され、演算部1による演算に必要な各種のパラメータや演算結果等を記憶するフラッシュメモリ等の不揮発性の記憶装置やRAM等の揮発性の記憶装置等から構成されている。表示部7は、演算部1による演算結果等の情報を画面に表示するLCD等の表示装置から構成されている。通信部9は、血流量測定装置100が外部機器との間で無線または有線によって通信を行うための送信回路や受信回路等から構成されている。
【0044】
次に、演算部1について詳細に説明する。
図4は、演算部1の内部構成を示す図である。
図4に示すように、演算部1は、積算部11、タイマ・カウンタ12、および血流量算出部13を含む。
【0045】
積算部11は、入力された信号を積算する(総和を算出する)。具体的には、ADC6によってサンプリングされたAC信号PVacのサンプリング値(デジタル信号)と、DC信号PVdcのサンプリング値(デジタル信号)を夫々積算する。積算部11は、タイマ・カウンタ12からの通知に従って、AC信号PVacのサンプリング値およびDC信号PVdcのサンプリング値の積算を実行する。
【0046】
タイマ・カウンタ12は、入力された信号(イベント)の数をカウントし、設定されたカウント数(または時間)に到達したら通知を行う。例えば、タイマ・カウンタ12は、所定の周波数の基準クロック信号や、ADC6によるサンプリングの実行に同期して出力される信号を入力し、入力した信号のパルス数が所定値と一致したら、そのことを示す信号を積算部11に対して出力するとともに、それまでのカウント数をリセットし、カウント動作を再開する。
【0047】
血流量算出部13は、積算部11による積算結果に基づいて血流量を算出する。具体的には、積算部11によって算出されたAC信号PVacのサンプリング値の積算値iPVacとDC信号PVdcのサンプリング値の積算値iPVdcとに基づいて、血流量を算出する。
【0048】
以下、演算部1による血流量の算出処理について詳細に説明する。
先ず、演算部1がタイマ・カウンタ12に対して所定のカウント数を設定し、タイマ・カウンタ12のカウント動作を開始させる。また、ADC6が、AC信号PVacとDC信号PVdcとを所定のサンプリング周期でサンプリングし、記憶部8に逐次記憶する。
【0049】
次に、タイマ・カウンタ12のカウント数が上記所定のカウント数と一致したら、タイマ・カウンタ12がそのことを示す信号を出力し、その信号を受けた積算部11が、それまでのカウント期間に記憶部8に記憶されたサンプリングデータを積算する。例えば、図5,6に示すように、所定の積算期間TにおいてサンプリングされたAC信号PVacとDC信号PVdcを夫々積算することにより、積算期間TにおけるAC成分の積算値iPVacとDC成分の積算値iPVdcとを得ることができる。
【0050】
ここで、AC成分の積算値iPVacは、血管の拍動による動的な血液量の総和を表し、DC成分の積算値iPVdcは、平均的な血管径による平準化された血液量を表している。AC成分の積算値iPVacは、脈拍振幅が大きいほど大きくなり、DC成分の積算値iPVdcは、血液量が多いほど小さくなる。
【0051】
したがって、AC成分の積算値iPVacをDC成分の積算値iPVdcで除算した値は、一定期間の血流量を反映していると言える。本明細書では、この値を「積算化脈波容積IPV」と称する。積算化脈波容積IPVは、式(2)で表すことができる。
【0052】
【数2】
【0053】
血流量算出部13は、積算部11によって算出された、一定の積算期間TにおけるAC成分の積算値iPVacおよびDC成分の積算値iPVdcと、上記式(2)とに基づいて積算化脈波容積IPVを算出し、それを一定期間(積分期間T)における血流量として出力する。
【0054】
ここで、積分期間Tは、タイマ・カウンタ12に設定するカウント値(設定値)によって決定される。例えば、サンプリング回数によって積算期間Tを規定する場合、ADC6によるサンプリングの実行に同期して出力される信号をタイマ・カウンタ12がカウントし、そのカウント数が予め設定した値と一致したら、積算部11がそれまでにサンプリングされたサンプリングデータを積算すればよい。これによれば、所定回数のサンプリングが行われる毎に、積算化脈波容積IPVを算出することができる。
【0055】
一方、一定時間によって積分期間Tを規定する場合、所定の周波数の基準クロック信号のパルス数をタイマ・カウンタ12がカウントし、そのカウント数が予め設定した値と一致したら、積算部11が直前のカウント期間においてサンプリングされたサンプリングデータを積算すればよい。これによれば、一定時間毎に、積算化脈波容積IPVを算出することができる。
【0056】
ただし、積分期間Tの決定を上記のいずれの手法で行う場合であっても、拍動による脈波の変動を平均化する観点から、脈波信号の1周期以上の期間に設定することが好ましい。
【0057】
以上、実施の形態1に係る血流量測定装置100によれば、脈波アンプ5から出力された脈波信号のサンプリング値を一定期間にわたって積算し、その積算値に基づいて血流量iPVを算出するので、脈波の駆出波と反射波とを区別する必要がない。そのため、規準化脈波容積(NPV)から血流量を計測する手法に比べて、脈波の駆出波と反射波とを区別するための複雑なアルゴリズムが不要となるので、より簡単なアルゴリズムによる血流量計測が可能となる。これにより、演算手段(演算部1)におけるプログラムリソースの削減することができ、開発コストの低減も期待できる。
【0058】
更に、脈波のAC成分とDC成分を夫々積算する期間(積算期間T)を調整することにより、IPVが表す時間範囲を比較的自由に設定することができるので、短期間の刹那的な血流量動態から比較的長期間の平均的な血流量までの幅広い情報を把握することが可能となり、従来に比べて自由度の高い血流量計測が可能となる。
【0059】
≪実施の形態2≫
図7は、実施の形態2に係る血流量測定装置における演算部の構成を示す図である。
実施の形態2に係る血流量測定装置は、脈拍数に基づいて積算期間Tを決定する点において実施の形態1に係る血流量測定装置と相違し、その他の点においては、実施の形態1に係る血流量測定装置と同様である。
【0060】
図7に示すように、実施の形態2に係る血流量測定装置における演算部1Aは、脈拍検出部15を有する。
脈拍検出部15は、生体の脈波波形から脈拍を検出するとともに、脈拍数をカウントし、その脈拍数が所定値となったら通知を行う機能部である。一般に、毎分の脈拍数は、拍動周期、または拍動間隔時間を60秒で除することで求めることができる。
【0061】
図8は、脈拍検出部15による脈拍の検出手法を説明するための図である。
脈拍検出部15は、脈波アンプ5から出力されたAC信号PVacの脈拍波形から脈拍を検出する。脈拍波形に基づく脈拍の検出手法としては、以下に示す種々の方法を例示することができる。
【0062】
例えば、図8に示すように、AC信号PVacの極小点(Pmin_1,Pmin_2,…Pmin_n)または極大点(Pmax_1,Pmax_2,…,Pmax_n)を検出し、その一回の検出を1拍と定義してもよい。ここで、nは1以上の整数であり、1拍のカウント数を表している。
【0063】
また、図8に示すように、脈拍時刻(t1,t2…tn)によって脈拍を検出してもよい。この場合、脈拍検出部15は、先ず、脈波(AC信号PVac)の極大点Pmax_nと極小点Pmin_nを夫々検出し、極大点Pmax_nと極小点Pmin_nの差分から脈波振幅Anを算出する。次に、脈拍検出部15は、脈波振幅Anに基づいて脈拍の判定レベルを算出する。例えば、予め脈波振幅AnのX(例えば、Xは1〜100までの整数)%を脈波の判定レベルと定義し、脈波がその判定レベルを通過した時刻を脈拍時刻tnとする。これによれば、図8に示すように、脈波(AC信号PVac)の振幅が変動した場合であっても(A1≠A2)、一定の条件で脈拍を検出することが可能である。また、上記判定レベルを、例えば脈波振幅Anの中間点(例えば、50%±5%の範囲)に設定すれば、脈波に重畳したノイズの影響を低減することができる。
【0064】
なお、脈拍検出部15による脈拍の検出手法は上記の例に限られず、“1拍”を検出するために脈波波形のどの点を検出するかは任意である。た、AC信号PVacに対して予め適切な閾値レベルを設定しておき、この閾値レベルをAC信号PVacが通過する時刻を脈拍時刻tnとすれば、脳波振幅Anを算出する必要がないので、より簡便に脈拍間隔時間や脈拍数を知ることができる。
【0065】
脈拍検出部15は、上記の手法によって脈拍を検出し、その脈拍数をカウントする。そして、そのカウント数が予め設定されたカウント値と一致したら、そのことを示す信号を出力するとともに、脈拍数のカウント数をリセットし、脈拍数のカウントを再開する。
【0066】
積算部11は、脈拍検出部15から信号を受け取ったら、実施の形態1に係る演算部1と同様に、それまでに蓄積したサンプリングデータを積算することにより、AC成分の積算値iPVacとDC成分の積算値iPVdcを算出する。例えば、図9図10に示すように、脈拍検出部15に設定するカウント値として“4拍”を設定した場合、積算部11は、4拍(=積算期間T)毎にAC成分の積算値iPVacとDC成分の積算値iPVdcを算出する。血流量算出部13は、実施の形態1に係る演算部1と同様に、積算期間T毎の血流量(iPV)を算出する。
【0067】
以上、実施の形態2に係る血流量測定装置によれば、脈拍数によって積算期間Tを決定するので、拍動の多寡による血流量計測への影響を低減することが可能となる。すなわち、同じ脈拍数で血流量を規格化することができるので、血流量の計測の自由度が更に増す。
【0068】
また、実施の形態2に係る血流量測定装置によれば、脈拍検出部によって脈拍を検出することができるので、隣り合う脈拍時刻t1〜tnの差分を算出することにより、脈拍間隔時間を求めることもできる。これにより、毎分の脈拍数を得ることもできる。また、脈拍数とともに積算化脈波容積IPVを記憶部に記憶させることにより、その相関を確認することも可能となる。
【0069】
なお、図9,10では、積算期間T=脈波信号の4周期分の期間(4拍分の期間)とした場合を例示したが、上述したように積算期間Tは脈波信号の1周期分以上の期間があればよく、“4拍”に限定されない。
【0070】
≪実施の形態3≫
図11は、実施の形態3に係る血流量測定装置における演算部の構成を示す図である。
実施の形態3に係る血流量測定装置は、積算化脈波容積IPVの時系列データに基づいて血流量の平均値を算出する点において、実施の形態1に係る血流量測定装置と相違し、その他の点においては、実施の形態1に係る血流量測定装置と同様である。以下詳細に説明する。
【0071】
上述の積算期間Tの設定パターンとしては、例えば3つのパターンが考えられる。すなわち、第1に、前後の積算期間Tに重なりがあるパターン、第2に、前後の積算期間Tに重なりがなく、時間的に連続しているパターン、第3に、積算時間Tの前後に積算しない時間帯があるパターンが考えられる。これらの積算期間において算出された積算化脈波容積IPVを時間軸方向に並べることにより、積算化脈波容積IPVのタコグラムを得ることができ、日常生活活動下における略血流量の変化を確認することが可能となる。
【0072】
具体的には、連続した複数の積算化脈波容積IPVを一つのグループとして、これらを平準化すれば、ある期間の平均的なIPVが得られるし、それを時系列に並べれば、平準化した血流量を把握することができる。例えば、実施の形態1に係る血流量測定装置100において、積算期間T1=T2=…=Tn=5秒となるようにタイマ・カウンタ12のカウント数を設定した場合、5秒毎の積算化脈波容積IPVを得ることができる。換言すれば、積算化脈波容積IPVの値が5秒毎に更新される。
【0073】
実施の形態3に係る血流量測定装置では、これらの連続した積算期間毎の積算化脈波容積IPVに基づいて、血流量の平均値を算出することにより、日常生活活動下における略血流量の変化を把握できるようにする。
【0074】
図12は、実施の形態3に係る血流量測定装置による血流量の平均値の算出手法の一例を示す図である。
図12では、血流量の計測開始からn番目の積算期間をTnとし、その積算期間Tnに対応する積算化脈波容積IPVを“IPVn”としている。
図12に示すように、実施の形態3に係る血流量測定装置の演算部1Bにおける血流量算出部13Bは、連続的に踵を接した積算期間T1〜Tnに対応する積算化脈波容積IPV1〜IPVnを夫々算出するとともに、隣り合う積算化脈波容積IPV1〜IPVnの平均値IPVa1〜IPVanを夫々算出する。例えば、隣り合う2つの積算化脈波容積IPVnとIPVn+1の平均値IPVanを、IPVan=(IPVn+IPVn+1)/2として算出する。
【0075】
これによれば、移動平均化された積算化脈波容積IPVの時系列データを得ることができるので、異常値の影響を低減した血流量の情報を得ることが可能となる。
なお、移動平均化するサンプルの個数は、上述の“2個”に限られず、3個以上であってもよい。
【0076】
また、血流量算出部13Bが算出する血流量の平均値データとしては、上述した移動平均値に限られず、有限インパルス応答(FIR)によるフィルタリングにより、脈拍数等によって重み付けをして平均化した平均値であってもよい。
【0077】
以上、実施の形態3に係る血流量測定装置によれば、積算化脈波容積IPVのみならず、積算化脈波容積IPVの時系列データに基づいて血流量の平均値を算出するので、時々刻々と変化する血流量を把握することが可能となり、有益なバイタル情報の一つとして活用することができる。
【0078】
例えば、気温と湿度が高く、熱中症のリスクが高まった場合、生体(人)では、体温冷却のため末梢血流量が一時的に増え、その後脱水に伴う腎血流確保のため末梢血流が劇的に減少する生理機序が知られている。そこで、実施の形態3に係る血流量測定装置によって算出した積算化脈波容積IPVの時系列データに基づく血流量の平均値を参照することにより、積算化脈波容積IPVの時間的変化を把握することができ、熱中症等の疾病リスクの予防に役立てることが可能となる。
【0079】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【0080】
例えば、上記実施の形態では、脈波信号に含まれるAC信号PVacの積算値IPVacをDC信号PVdcの積算値iPVdcによって除算することにより、積算化脈波容積IPVを算出する場合を例示したが(式(2)参照)、これに限られない。例えば、AC信号PVacの積算値iPVacとDC信号PVdcの積算値iPVdcの差分を算出し、その差分を積算化脈波容積IPVとしてもよい。これによれば、演算部1による処理負荷を更に小さくすることができる。
【0081】
また、積算部11は、サンプリング毎に、AC信号PVacの積算値iPVacをDC信号PVdcの積算値iPVdcによって除算し、その除算値を積算することによって積算化脈波容積IPVを算出してもよい。あるいは、積算部11は、サンプリング毎に、AC信号PVacの積算値iPVacとDC信号PVdcの積算値iPVdcとの差分を算出し、その差分を積算することによって積算化脈波容積IPVを算出してもよい。
【0082】
また、一般に、脈波の振幅が大きい場合には、動脈の柔軟性が高く、豊富な血液が存在していると考えられるため、IPV≒iPVacとし、DC信号PVdcの積算値iPVdcを用いずに積算化脈波容積IPVを算出してもよい。これによれば、脈波アンプ5および演算部1の簡素化が期待できる。
【0083】
また、演算部1によって算出された積算化脈波容積IPVや積算化脈波容積IPVの平均値IPVa等のデータは、記憶部8に記憶し、外部機器から読出し可能としてもよいし、通信部9を介して、無線または有線によって外部機器に転送してもよい。
【符号の説明】
【0084】
100…血流量測定装置、1,1A,1B…演算部、2…デジタル/アナログ変換部、3…LED駆動回路、4…光検出部、41…LED、42…フォトトランジスタ、5…脈波アンプ、6…アナログ/デジタル変換部、7…表示部、8…記憶部、9…通信部、PVdc…DC信号、PVac…AC信号、51…ハイパスフィルタ、53,55…ローパスフィルタ、52,54,55…増幅器、11…積算部、12…タイマ・カウンタ、13,13B…血流量算出部、15…脈拍検出部、iPVac…AC成分の積算値、iPVbc…DC成分の積算値、IPV…積算化脈波容積、IPVa…積算化脈波容積IPVの平均値。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
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図15