特開 2024-72895 心拍出量計測センサ、および制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024072895

(43)【公開日】2024-05-29

(54)【発明の名称】心拍出量計測センサ、および制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/029 20060101AFI20240522BHJP

   A61B 5/0507 20210101ALI20240522BHJP

【ＦＩ】

A61B5/029

A61B5/0507

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021054907

(22)【出願日】2021-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000109543

【氏名又は名称】テルモ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000671

【氏名又は名称】ＩＢＣ一番町弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】矢部 滝太郎

(72)【発明者】

【氏名】本田 圭

(72)【発明者】

【氏名】須田 信一郎

(72)【発明者】

【氏名】曽根 淳

【テーマコード（参考）】

4C017

4C127

【Ｆターム（参考）】

4C017AA03

4C017AB04

4C017AC40

4C017BC11

4C017DD14

4C017EE01

4C017FF05

4C127AA10

4C127EE03

(57)【要約】

【課題】複数のアンテナ素子それぞれの波形データを取得し、ひいては、心臓から拍出される血液量を比較的高い精度で推定する。
【解決手段】心拍出量計測センサ１０００は、送信アンテナ１１と、受信アンテナ１２と、受信アンテナ１２で受信した生体９０を透過した電磁波を用いて、心臓９１から拍出される血液量を推定する心拍出量推定部２１４と、を備え、送信アンテナ１１および受信アンテナ１２の少なくとも一方は、複数のアンテナ素子ｒ、および該アンテナ素子ｒそれぞれのＯＮ／ＯＦＦを、所定の周期で順次切り替え毎にる高速切替部１２２を含み、
さらに、高速切替部１２２によりＯＮとなった複数のアンテナ素子ｒそれぞれに関する計測値を、各アンテナ素子ｒと紐付けて点データとして記録する点データ記録部２１１と、点データ記録部２１１が記録した点データを並べ、複数のアンテナ素子ｒ毎に計測値の経時的変化を表す波形データを生成する波形データ生成部２１２と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電磁波を生体に向けて送信する送信アンテナと、
前記送信アンテナに対して、前記生体の心臓を挟んで対向するように配置された受信アンテナと、
前記受信アンテナで受信した、前記生体を透過した電磁波を用いて、心臓から拍出される血液量を推定する心拍出量推定部と、を備え、
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの少なくとも一方は、複数のアンテナ素子、および該アンテナ素子それぞれのＯＮ／ＯＦＦを、所定の周期で順次切り替える高速切替部を含み、
さらに、前記高速切替部によりＯＮとなった前記複数のアンテナ素子それぞれに関する計測値を、各アンテナ素子と紐付けて点データとして記録する点データ記録部と、
前記点データ記録部が記録した点データを並べ、前記複数のアンテナ素子毎に前記計測値の経時的変化を表す波形データを生成する波形データ生成部と、を備える、心拍出量計測センサ。

【請求項2】

前記所定の周期は、複数の前記アンテナ素子へのＯＮが一巡する１サイクル時間が、心周期よりも十分に短くなるような周期に設定されている、請求項１に記載の心拍出量計測センサ。

【請求項3】

前記所定の周期は、１ｍｓｅｃ以下である、請求項２に記載の心拍出量計測センサ。

【請求項4】

前記高速切替部は、複数の前記アンテナ素子のうち、１つのアンテナ素子のみをＯＮにし、他のアンテナ素子をＯＦＦにするように制御する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の心拍出量計測センサ。

【請求項5】

前記高速切替部は、ＯＦＦ状態の前記アンテナ素子の終端条件を制御する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の心拍出量計測センサ。

【請求項6】

複数の前記アンテナ素子は、同一平面上に格子状に配置されたアンテナアレイである、請求項１から請求項５のいずれかに記載の心拍出量計測センサ。

【請求項7】

前記アンテナアレイの全体の大きさは、身体の背面側から視たときの心臓のサイズよりも大きいサイズに設定されている、請求項６に記載の心拍出量計測センサ。

【請求項8】

前記アンテナアレイは、アンテナ素子の総個数が、４０個以上１００個以下である、請求項７に記載の心拍出量計測センサ。

【請求項9】

前記高速切替部は、複数の前記アンテナ素子の全部を一巡させる全巡回モードと、一部の前記アンテナ素子のみを間引いて一巡させる一部巡回モードとの切り替え、および／または、前記所定の周期、もしくは複数の前記アンテナ素子へのＯＮが一巡する１サイクル時間の変更が可能である、請求項１から請求項８のいずれかに記載の心拍出量計測センサ。

【請求項10】

前記受信アンテナが、複数の前記アンテナ素子、および前記高速切替部を備える、請求項１から請求項９のいずれかに記載の心拍出量計測センサ。

【請求項11】

前記電磁波がマイクロ波であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の心拍出量計測センサ。

【請求項12】

前記波形データ生成部が生成した波形データに基づいて、前記複数のアンテナ素子から前記心臓から拍出される血液量の推定の際に用いるアンテナ素子を決定する素子決定部をさらに備え、前記心拍出量推定部は、前記素子決定部により決定された前記アンテナ素子を用いて得られた計測値の経時的変化を表す波形データに基づいて、心臓から拍出される血液量を推定する、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の心拍出量計測センサ。

【請求項13】

電磁波を生体に向けて送信する送信アンテナと、
前記送信アンテナに対して、前記生体の心臓を挟んで対向するように配置された受信アンテナと、
前記受信アンテナで受信した、前記生体を透過した電磁波を用いて、心臓から拍出される血液量を推定する心拍出量推定部と、を備え、
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの少なくとも一方は、複数のアンテナ素子、および該アンテナ素子それぞれのＯＮ／ＯＦＦを、所定の周期で順次切り替える高速切替部を含む、心拍出量計測センサを制御するコンピューターで実行される制御プログラムであって、
前記高速切替部によりＯＮとなった前記複数のアンテナ素子それぞれに関する計測値を、各アンテナ素子と紐付けて点データとして記録するステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）で記録した点データを並べ、前記複数のアンテナ素子毎に前記計測値の経時的変化を表す波形データを生成するステップ（ｂ）と、を含む処理を、前記コンピューターに実行させるための制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、心拍出量計測センサ、および制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

心拍出量の検出に関する従来技術として、特許文献１には、送信アンテナと、受信アンテナと、推定部と、を備えた装置が開示されている。この装置では、送信アンテナは患者の胸部にマイクロ波等の電波を送信し、受信アンテナは送信アンテナから送信された電波を受信し、推定部は、受信アンテナが受信した電波の位相又は振幅強度に基づいて、測定対象者の心拍出量を検出する（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１８／１９４０９３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、電波を送受信する１対の送受信アンテナの生体に対する位置、特に心臓に対する送受信アンテナの位置関係によっては、受信アンテナが得る受信波が心拍出量の測定に適さない場合も考えられる。心臓に対して送受信アンテナの位置がずれている等で、心拍出量の測定に適さない状態で用いられた場合、得られる心拍出量の計測精度が低下する。

【0005】

また、計測毎の心拍出量の変化を診療に用いる際、送受信アンテナの位置を、測定に適した場所に配置させる技術がなければ、得られた心拍出量の変化がアンテナの設置位置が変化したためなのか、患者状態の変化によるものなのか判断できない。

【0006】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数のアンテナ素子それぞれの波形データを取得でき、ひいては、心臓から拍出される血液量を比較的高い精度で推定可能な心拍出量計測センサ、および制御プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため本発明の心拍出量計測センサは、
電磁波を生体に向けて送信する送信アンテナと、
前記送信アンテナに対して、生体の心臓を挟んで対向するように配置された受信アンテナと、
前記受信アンテナで受信した、前記生体を透過した電磁波を用いて、心臓から拍出される血液量を推定する心拍出量推定部と、を備え、
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの少なくとも一方は、複数のアンテナ素子、および該アンテナ素子それぞれのＯＮ／ＯＦＦを、所定の周期で順次切り替える高速切替部を含み、
さらに、前記高速切替部によりＯＮとなった前記複数のアンテナ素子それぞれに関する計測値を、各アンテナ素子と紐付けて点データとして記録する点データ記録部と、
前記点データ記録部が記録した点データを並べ、前記複数のアンテナ素子毎に前記計測値の経時的変化を表す波形データを生成する波形データ生成部と、を備える。

【0008】

また、上記目的を達成するため本発明の制御プログラムは、
電磁波を生体に向けて送信する送信アンテナと、
前記送信アンテナに対して、生体の心臓を挟んで対向するように配置された受信アンテナと、
前記受信アンテナで受信した、前記生体を透過した電磁波を用いて、心臓から拍出される血液量を推定する心拍出量推定部と、を備え、
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナの少なくとも一方は、複数のアンテナ素子、および該アンテナ素子それぞれのＯＮ／ＯＦＦを、所定の周期で順次切り替える高速切替部を含む、心拍出量計測センサを制御するコンピューターで実行される制御プログラムであって、
前記高速切替部によりＯＮとなった前記複数のアンテナ素子それぞれに関する計測値を、各アンテナ素子と紐付けて点データとして記録するステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）で記録した点データを並べ、前記複数のアンテナ素子毎に、前記計測値の経時的変化を表す波形データを生成するステップ（ｂ）と、を含む処理を、前記コンピューターに実行させる。

【発明の効果】

【0009】

本発明に係る心拍出量計測センサおよび制御プログラムによれば、複数のアンテナ素子それぞれの波形データを取得でき、ひいては、心臓から拍出される血液量を比較的高い精度で推定できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態における心拍出量計測センサ全体を示す概略斜視図である。

【図2】第１の実施形態に係る心拍出量計測センサの構成を示すブロック図である。

【図3】第１の実施形態における送受信アンテナの構成例を示す図である。

【図4A】変形例における送受信アンテナの構成例を示す図である。

【図4B】別の変形例における送受信アンテナの構成例を示す図である。

【図5A】素子走査処理における各アンテナ素子の高速切り替え処理を示す模式図である。

【図5B】図５Ａの処理で得られた点データを示す模式図である。

【図5C】図５Ｂの点データにより生成した波形データを示す模式図である。

【図6】波形データ生成処理および心拍出量測定処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。本発明の技術的範囲は、以下に説明する実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々形態を変更して実施することができる。なお、心拍出量とは、通常は１分間に心臓から拍出される血液量のことをいうが、本明細書においては、心臓から拍出される血液量のことを心拍出量ということがある。

【0012】

図１は、本発明の第１の実施形態に係る心拍出量計測センサ１０００全体を示す概略図である。図２は、第１の実施形態に係る心拍出量計測センサ１０００の構成を示すブロック図であり、図３は、第１の実施形態における送受信アンテナの構成例を示す図である。

【0013】

図１では、ベッド９５上に患者９０（生体または被検者ともいう）が横たわっている状態（仰臥位）を示している。心拍出量計測センサ１０００により患者９０の心拍出量等の心臓から拍出される血液量を測定（推定）する。例えば、心拍出量計測センサ１０００は、心不全の検査、心臓手術後の経過観察、心臓病の投薬効果・副作用等の検証、等で用いられる。

【0014】

測定時には、看護師、医師等のユーザーにより、送信アンテナ１１と受信アンテナ１２の中心を結ぶ線が、心臓９１に対応するように、両アンテナユニット（以下、単に「送受信アンテナ」ともいう）は、心臓９１を挟んで互いに対向するように配置される。なお、外部電波による影響を減少させるために、測定中は、布製の電波シールドで、患者９０の胸部および送受信アンテナ全体を覆うようにしてもよい。例えば、受信アンテナ１２は、患者９０の下に配置され、送信アンテナ１１は、患者９０の上方に配置される。具体的には、受信アンテナ１２はベッド９５の上に配置され、その上に患者９０が仰向けに寝る。上方の送信アンテナ１１は、側面視でコの字型の移動式の固定台（図示せず）に取り付けられる。この固定台は、手動で送信アンテナ１１の高さを調整可能である。送信アンテナ１１は、固定台により、患者９０からわずかに離間した状態で、患者９０の上方に配置される。離間させるのは、患者９０の呼吸動作を妨げないことと、患者９０との接触による、意図しない送信アンテナ１１の移動を防止するためである。なお、送受信アンテナの配置は、図１等の配置に限定されない。例えば、上下を逆にし、送信アンテナ１１を患者９０の下方（背面側）に配置し、受信アンテナ１２を患者９０の上方側（前面側）に配置してもよい。

【0015】

図２に示すように、心拍出量計測センサ１０００は、送信アンテナ１１、受信アンテナ１２、および装置本体２０を含む。装置本体２０は、移動式の架台（図示せず）に載せられてベッド９５の脇に配置される。装置本体２０は、内蔵バッテリまたは、商用電源から供給された電力により動作する。また、両アンテナユニットは、信号ケーブル１３を通じて、装置本体２０と接続されており、この信号ケーブル１３を通じて、データ信号の送受信および電力供給が行われる。送受信アンテナに関しては、後述する。

【0016】

（装置本体２０）
装置本体２０は、送受信コントローラー１４、制御部２１、記憶部２２、入出力Ｉ／Ｆ（インターフェース）２３、および通信Ｉ／Ｆ２４を備える。

【0017】

（送受信コントローラー１４）
送受信コントローラー１４は、信号ケーブル１３を介して、送信アンテナ１１および受信アンテナ１２と電気的に接続される。制御部２１の制御の下で、送受信コントローラー１４は、両アンテナユニット間の送受信のタイミングを制御したり、受信アンテナ１２からの計測値（受信信号）を取得したりする。

【0018】

（制御部２１）
制御部２１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、等を含みＲＯＭまたは記憶部２２に記憶されたプログラムにしたがって、装置内の各部の制御を行う。制御部２１は、プログラムを実行することにより、点データ記録部２１１、波形データ生成部２１２、素子決定部２１３、および心拍出量推定部２１４として機能する。点データ記録部２１１は計測値をアンテナ素子と紐付けて記録した点データを生成する。波形データ生成部２１２は波形データを生成する。素子決定部２１３は、波形データの特徴量に基づいて、心拍出量の推定の際に用いるアンテナ素子を決定する。心拍出量推定部２１４は、患者９０の心拍出量、すなわち心臓９１から拍出される血液量を推定（算出）する。これらの機能については後述する（後述の図５Ａ～図５Ｃ、および図６）。

【0019】

（記憶部２２）
記憶部２２は、予め各種プログラムや各種データを格納しておく半導体メモリや、ハードディスク等の磁気メモリから構成される。また記憶部２２には、点データ、および波形データ等が記憶される。

【0020】

（入出力Ｉ／Ｆ２３）
入出力Ｉ／Ｆ２３は、入出力部として機能し、ＵＳＢ、ＤＶＩの規格等に準拠した入出力端子を備え、キーボード、マウス、マイク等の入力装置およびディスプレイ、スピーカ、プリンタ等の出力装置と接続するインターフェースである。図１、図３に示す例では、入出力Ｉ／Ｆ２３には、タッチパネル５１が接続されている。タッチパネル５１は、液晶パネルおよびこれに重畳させたタッチパッドで構成され、これを介して、ユーザーからアンテナ素子決定処理、および心拍出量測定の開始指示を受け付ける。なお、タッチパネル５１等の入出力装置を、装置本体２０の構成に含めてもよい。

【0021】

（通信Ｉ／Ｆ２４）
通信Ｉ／Ｆ２４は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、タブレット端末、等の外部の端末装置とネットワーク経由、またはピアツーピアで、有線または無線通信によるデータの送受信を行うインターフェースである。有線通信では、イーサネット（登録商標）、ＳＡＴＡ、ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ、ＩＥＥＥ１３９４、等の規格によるネットワークインターフェースを用いてもよく、無線通信では、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＩＥＥＥ８０２．１１、４Ｇなどの無線通信インターフェースを用いてもよい。図１、図３に示す例では、通信Ｉ／Ｆ２４には、ＰＣ６１が接続されている。

【0022】

（送信アンテナ１１）
図２、図３に示すように送信アンテナ１１は、基板１１０、送信波形生成部１１１、およびアンテナ素子ｔ１で構成される。図３に示す第１の実施形態では、後述の変形例（図４Ａ等）とは異なり、送信アンテナ１１は、単一のアンテナ素子ｔ１を備え、受信側は複数のアンテナ素子を備える（１対多の構成）。

【0023】

送信アンテナ１１は、生体を透過する電磁波乃至電波を送信する。基板１１０は、各辺が数十ｍｍ～二百数十ｍｍの全体が矩形板状の部材であり、この基板１１０上に送信波形生成部１１１、およびアンテナ素子ｔ１が配置される。アンテナ素子ｔ１として、一辺または直径が数十ｍｍ～百数十ｍｍのパッチアンテナ、ダイポール形式の線状アンテナ、またはループアンテナを適用できる。例えば、アンテナ素子ｔ１は、パッチアンテナである。

【0024】

送信波形生成部１１１は、電波生成器を含む。生成する電磁波の周波数は、生体の心臓９１を電離作用なく透過することができれば特に限定されない。例えば、周波数３００ＭＨｚ～３０ＧＨｚのマイクロ波が好ましく、より好ましくは４００Ｍ～１．０ＧＨｚのマイクロ波である。マイクロ波は、生体透過性と、心臓９１の収縮／拡張における損失変化による感度（電界強度の変化率）が高いため、心拍出量の測定に好適である。生成する電波の電力は、受信アンテナ１２において十分な電力が検出できれば特に限定されないが、例えば、数ｍＷ～数十ｍＷとしてもよい。また、生成する電波は、連続波、パルス波、または位相変調若しくは周波数変調を施した電波のいずれでもよい。

【0025】

（受信アンテナ１２）
図２、図３に示すように受信アンテナ１２は、基板１２０、アンテナアレイ１２１、高速切替部１２２、およびサンプリング部１２３を含む。アンテナアレイ１２１、高速切替部１２２、およびサンプリング部１２３は、各辺が数十ｍｍ～二百数十ｍｍの全体が矩形板状の基板１２０上に形成される。

【0026】

アンテナアレイ１２１は、複数のアンテナ素子ｒ１～ｒｘ（以下、これらを総称して、「アンテナ素子ｒ」ともいう（アンテナ素子ｔも同じ））で構成され、これらは平面状の基板１２０の表面に、同一平面上で格子状に配置される。送信側を単一のアンテナ素子ｔ、受信側を複数のアンテナ素子ｒで構成することで、電界を作る送信アンテナの位置が一定となり、電磁波による電界が安定する。

【0027】

図３に示す第１の実施形態においては、各アンテナ素子ｒとして、ダイポール形式の線状アンテナ、または微小ループアンテナを適用できる。アンテナ素子ｒは、例えばそれぞれが、一辺または直径が数ｍｍ～十数ｍｍのループアンテナである。隣接するアンテナ素子ｒ同士は、密着することなく配置している。アンテナアレイ１２１全体のサイズとしては、生体の背面側から視たときの心臓９１のサイズよりも大きいサイズに設定している。例えば、１辺が１００～１５０ｍｍの矩形形状である。

【0028】

また、アンテナ素子ｒの総個数は、好ましくは４０個以上１００個以下である。後述の使用するアンテナ素子ｒを決定する際の位置精度（位置解像度）の観点から、４０個以上とすることが好ましい。上限個数は、周期ｔｓと総個数を乗じることで算出される１サイクル時間ｔｃ（サンプリングレート）の観点や、コストの観点から１００個以下が好ましい。例えば図３に示す例では、アンテナ素子ｒそれぞれは１２ｍｍの略矩形のループアンテナであり、アンテナアレイ１２１は、縦横７個ずつの総数４９個のアンテナ素子ｒ１～ｒ４９で構成される。そして、隣接するアンテナ素子ｒ同士の間隔は２ｍｍ程度で配置され、アンテナアレイ１２１全体のサイズは約１００ｍｍ角である。

【0029】

高速切替部１２２は、各アンテナ素子ｒ１～ｒｘに対応した複数のスイッチング素子ｓ１～ｓｘ（以下、これらを総称して、「スイッチング素子ｓ」ともいう）で構成される。高速切替部１２２では、いずれか１個のスイッチング素子ｓ（例えば素子ｓ１（図２参照））のみをＯＮ状態にし、その他のスイッチング素子ｓ（例えば素子ｓ２～ｓｘ）は全てＯＦＦにする。複数のアンテナ素子を同時にＯＮ状態で動作させた場合、アンテナ同士が結合し、１つのアンテナとして動作してしまい、所望の計測値が得られない虞がある。このような現象を避けるため、高速切替部１２２では、１つのアンテナ素子ｒ（および図４Ａ等の例では送信アンテナ素子ｔ）のみをＯＮ状態にする。

【0030】

また、高速切替部１２２は、ＯＦＦ状態のアンテナ素子ｒの終端条件を制御する、すなわち、ＯＦＦ状態のアンテナ素子ｒを、高周波的に接地する。このようにすることで、ＯＦＦ状態のアンテナ素子による誘導障害等の影響を減らせる。

【0031】

サンプリング部１２３は、サンプリング回路と、ＡＤ変換回路、バッファー回路を含む。サンプリング部１２３は、ＯＮ状態のアンテナ素子ｒ（例えば素子ｒ１）が受信した電波信号をサンプリングし、電界強度をデジタル信号（計測値）に変換する。各アンテナ素子ｒに対応したデジタル化した計測値は、逐次、または所定単位（例えば、１サイクル時間ｔｃ毎の４９個のデータ）でまとめて、装置本体２０の送受信コントローラー１４に送られる。

【0032】

（送受信アンテナの変形例）
図４Ａは、変形例（多対多）における送受信アンテナの構成例を示す図であり、図４Ｂは、別の変形例（多対１）における送受信アンテナの構成例を示す図である。

【0033】

上述した図３に示す第１の実施形態（１対多）では、受信アンテナ１２側に複数のアンテナ素子を配置した。すなわち、受信アンテナ１２がアンテナアレイ１２１、およびこれをスイッチング制御する高速切替部１２２を備えた。しかしながら、図４Ａに示す変形例のように、送信アンテナ１１ｂ側にも複数のアンテナ素子ｔ１～ｔｘを配置してもよい。すなわち、図４Ａに示すように、送信アンテナ１１ｂが、送信波形生成部１１１とともに、アンテナアレイ１１３、およびこれをスイッチング制御する高速切替部１１２を備えてもよい。なお、アンテナアレイ１１３および高速切替部１１２は、受信アンテナ１２のアンテナアレイ１２１および高速切替部１２２と同様の構成を備えるため、説明を省略する。

【0034】

また、図４Ｂに示す別の変形例（多対１）のように、受信アンテナ１２ｂ側を１つのアンテナ素子としてもよい。図４Ｂに示す受信アンテナ１２ｂは、１つの受信アンテナｒ１とこれに接続したサンプリング部１２３で構成される。なお、図３、図４Ａ、図４Ｂの実施形態でのアンテナアレイを構成する送受信アンテナ素子の数は、あくまでも例示であり、４９個よりも少なくともよく、多くてもよい。例えば、送信側アンテナアレイ１１３のアンテナ素子ｔの個数を数個にしてもよく、１００個以上にしてもよく、受信側アンテナアレイ１２１のアンテナ素子ｒの個数を数個にしてもよく、１００個以上にしてもよい。これらの数の下限はアンテナ素子の配置の位置精度に影響し、上限は、サンプリングレートに影響する。数を多くすると、１サイクル時間ｔｃが長くなり、サンプリングレートが低くなり、正しい波形データ（後述の図５Ｃ参照）が得られなくなる。

【0035】

図３の受信アンテナ側をアンテナアレイにする構成と図４Ｂの送信アンテナ側をアンテナアレイにする構成を比較すると、受信アンテナ側をアンテナアレイにする構成の方が、送信アンテナ側をアンテナアレイにする構成よりも、心拍出量の測定に好適なアンテナ素子をより正確に選定できることが発明者の検討により明らかになっている。

【0036】

（点データ記録部２１１、および波形データ生成部２１２）
次に、図５Ａから図５Ｃを参照し、点データ記録部２１１、および波形データ生成部２１２の機能について説明する。なお、以下の説明においては、送受信アンテナの構成は、図３に示した第１の実施形態のような構成例であるとして説明する（図６も同様）。この場合、以下に説明するように点データ記録部２１１は、高速切替部１２２によりＯＮとなったアンテナ素子ｒそれぞれに関して計測された計測値を、アンテナ素子ｒそれぞれと紐付けて点データとして記録する。

【0037】

なお、図４Ａに示した変形例（多対多）を適用する場合には、送信側のアンテナ素子ｔ、および受信側のアンテナ素子ｒを順次、高速切替部１１２、１２２により切り替える。すなわち、ある時刻では、同時に１系統のアンテナ素子ｔ、ｒの伝播経路のみが作動するように、両アンテナユニットを同期させながら高速で切り替える。この場合、点データ記録部２１１は、高速切替部１１２、１２２によりＯＮとなったアンテナ素子ｔ、ｒそれぞれに関する計測値を、アンテナ素子ｔ、ｒそれぞれと紐付けて点データとして記録する。例えば、ある時刻では、送信のアンテナ素子ｔｘと受信のアンテナ素子ｒｘの伝播経路で送受信された受信信号を、これらの送受信のアンテナｔｘ、ｒｘに紐付けて、点データとして記録される。図４Ｂに示した別の変形例（多対１）でも同様の処理により、それぞれのアンテナ素子ｔｘ（と１つのアンテナ素子ｒ１）に紐付けて、点データとして記録される。

【0038】

図５Ａは、素子走査処理における各アンテナ素子の高速切り替え処理を示す模式図である。送受信コントローラー１４は、素子走査処理時（後述の図６のステップＳ１０１～Ｓ１０７に対応）には、高速切替部１２２を制御する。図５Ａでは、巡回モードが「全巡回モード」で、所定の周期ｔｓが１００μｓｅｃに設定された例を示している。素子走査処理時においては、高速切替部１２２は巡回モードと周期の設定に応じて、アンテナ素子ｒ１～ｒ４９まで、それぞれのＯＮ／ＯＦＦを周期ｔｓで順次切り替える。なお、他の巡回モードとしては、「一部巡回モード」がある。この一部巡回モードでは、アンテナアレイ１２１のうち一部のアンテナ素子ｒのみを間引いて一巡させる。例えば、アンテナ素子ｒ１、ｒ３，ｒ５……ｒ４７、ｒ４９のように１つ置きのアンテナ素子ｒを使用したり、奇数列のアンテナ素子ｒのみを使用したりする。

【0039】

また周期ｔｓ、および／または１サイクル時間ｔｃも任意の値に設定できる。例えば周期ｔｓは、１０μｓｅｃ～１ｍｓｅｃの間で任意の値を設定できる。また、１サイクル時間ｔｃは、周期ｔｓの設定にともない１ｍｓｅｃ～１００ｍｓｅｃの間で任意の値に設定したり、周期ｔｓによらず、例えば周期ｔｓを固定（例えば１００μｓｅｃ固定）で、ウェイト時間を調整することで、１サイクル時間ｔｃを５～１００ｍｓｅｃの間で任意の設定にしたりしてもよい。この巡回モードと周期／１サイクル時間の設定は、ユーザーによりおこなわれてもよく、制御部２１側で自動におこなってもよい。

【0040】

サンプリング部１２３はＯＮ状態にあるアンテナ素子ｒが受信した電界強度に応じた受信信号を取得する。点データ記録部２１１は、送受信コントローラー１４を介して、この受信信号を取得し、各素子ｒと紐付けて、記憶部２２またはＲＡＭに一時的に記録する。

【0041】

図５Ｂは、図５Ａの処理で得られた点データを示す模式図である。隣接するアンテナ素子ｒでは、１つの周期ｔｓ（１００μｓｅｃ）分だけ、取得タイミングがずれる。例えば、素子ｒ２の点データｐ１２の取得時刻は、素子ｒ１の点データｐ１１の取得時刻よりも周期ｔｓ分だけ遅れた時刻になる。同様に最後のアンテナ素子ｒ４９の点データｐ１４９は、素子ｒ１の点データｐ１１よりも、４８の周期ｔｓ分（４．８ｍｓｅｃ）遅れることになる。また、１つの素子においては、隣接する点データは、１サイクル時間ｔｃ分の間隔となる。例えば、素子ｒ１の点データｐ１１よりも１サイクル時間ｔｃ後に点データｐ２１が取得されることになる。１サイクル時間ｔｃは、総個数（多対多の場合は組み合わせ数）に周期ｔｓを乗じることにより算出できる。例えば図５Ｂでは、１サイクル時間ｔｃは４．９ｍｓｅｃ（＝４９×１００μｓｅｃ）となる。なお、図５Ｂおよび以下においては、数値を丸めて４．９ｍｓｅｃを５ｍｓｅｃで表記する。

【0042】

図５Ｃは、図５Ｂの点データにより生成した波形データを示す模式図である。この波形データは、波形データ生成部２１２が、点データ記録部２１１が記録した点データを、素子ｒ毎に収集して、経時的に並べたものである。図５Ｃでは、素子ｒ１を用いた際の波形データを代表として示している。この波形データは、素子ｒ１に紐付けられた多数の点データｐ１１、ｐ２１、ｐ２３等で構成される。

【0043】

（所定の周期ｔｓの範囲）
周期ｔｓの上限は、複数のアンテナ素子ｒへのＯＮが一巡する１サイクル時間ｔｃが、心周期よりも十分に短くなるような周期である。例えば、心周期の５～８分の１、より好ましくは１０分の１である。具体的には、心拍数の最大値は、心疾患を考慮して最大１８０回／分、すなわち３Ｈｚとする。一般に、精度よく波形を生成するためのサンプリングレートは、その１０倍以上が好ましく３０Ｈｚ（３３ｍｓｅｃ）となる。これをアンテナ素子ｒの総個数の好ましい範囲４０～１００個の下限個数の４０で除すると０．８ｍｓｅｃとなる。周期ｔｓの上限としては、これよりも少し広めの１．０ｍｓｅｃ（サンプリングレートを８倍程度想定）とした。なお周期ｔｓの下限は、回路構成に依存するサンプリングの安定性により適宜決定される。例えば周期ｔｓの下限は数十μｓｅｃである。

【0044】

（波形データ生成および心拍出量測定処理）
図６は、波形データ生成処理および心拍出量測定処理を示すフローチャートである。

【0045】

（ステップＳ１０１）
制御部２１は、ユーザーの開始指示により送受信アンテナによる送受信を開始させる。具体的には、ユーザーは、送信アンテナ１１と受信アンテナ１２を互いに、心臓９１を挟んだ状態で対向させて配置する。その後、ユーザーは、タッチパネル５１やキーボード等により、測定開始の指示を入力する。この時に、ユーザーは、巡回モードと周期ｔｓの設定を行ってもよい。以下においては、図５Ａから図５Ｃと同様に、巡回モードは全巡回モードで、素子数は４９個で、周期ｔｓが１００μｓｅｃ、１サイクル時間ｔｃが５ｍｓｅｃとして説明する。

【0046】

（素子走査処理（Ｓ１０２から１０７））
このステップＳ１０２からＳ１０７の処理は素子走査処理である。この素子走査処理では、複数のアンテナ素子の中から心拍出量の測定に好適な、すなわち、心臓９１に対する配置位置が最もよいアンテナ素子ｒを決定するために、各アンテナ素子ｒを順に走査して、計測信号を収集する。なお、素子走査処理の実行中は、送信アンテナ１１では、マイクロ波を送信し続ける、または、受信側のアンテナ素子ｒの切り替えタイミングに合わせた、パルス波を送信する。

【0047】

（ステップＳ１０２）
ステップＳ１０２では、制御部２１は、ステップＳ１０６との間でループの処理を行う。このループでは、全巡回モードの設定に応じて、アンテナ素子ｒ１から最後のアンテナ素子ｒｘ（ｒ４９）まで１つずつ順々に対象のアンテナ素子ｒを切り替える。

【0048】

（ステップＳ１０３）
高速切替部１２２により、対象となるアンテナ素子ｒをＯＮ状態に切り替える。例えば、アンテナ素子ｒ１をＯＦＦ状態からＯＮ状態に変更し、他のＯＮ状態のアンテナ素子ｒがあればこれをＯＦＦ状態に変更する。

【0049】

（ステップＳ１０４）
サンプリング部１２３は、ＯＮ状態のアンテナ素子ｒでの計測値を取得する。

【0050】

（ステップＳ１０５）
点データ記録部２１１は、ステップＳ１０４で取得した計測値を、対象のアンテナ素子ｒと紐付けて点データとして記録する。なお、このステップＳ１０５は所定単位（例えば１サイクル時間ｔｃの４９個分）でまとめて処理するようにしてもよい。例えば、サンプリング部１２３のバッファーで所定単位のデータを保持しておく。そして点データ記録部２１１では、この所定単位のデータをまとめて取得し、一括して処理する。

【0051】

（ステップＳ１０６）
最後のアンテナ素子ｒｘでなければ、所定周期ｔｓで、対象のアンテナ素子ｒを次に変更して、ステップＳ１０２以下のループ処理を繰り返す。最後のアンテナ素子ｒｘであればループを抜けて処理をステップＳ１０７に進める。

【0052】

（ステップＳ１０７）
制御部２１は、終了条件を満たしているか判定し、満たしていれば（ＹＥＳ）、処理をステップＳ１０８に進め、満たしていなければ（ＮＯ）、ステップＳ１０２以下のループ処理を繰り返す。終了条件としては、例えば１～数回の心拍相当の時間（例えば数秒）が経過した場合、または繰り返し回数（数百～千回）に到達した場合である。

【0053】

（ステップＳ１０８）
波形データ生成部２１２は、点データから素子ｒ１～素子ｒｘのそれぞれを用いた際の波形データを生成する。例えば図５Ｃのような波形データを素子ｒ毎に生成する。

【0054】

（ステップＳ１０９）
素子決定部２１３は、各素子ｒｘを用いて得られた各波形データの特徴量を算出し、特徴量に基づいて、最も特性がよいアンテナ素子ｒを決定する。決定するアンテナ素子ｒの個数は、１個でもよく、複数個（例えば４個）でもよい。これにより、適正に配置された送受信アンテナを利用でき、ひいては高い精度で心臓から拍出される血液量を推定可能となる。ここで特徴量としては、例えば、波形データの振幅、自己相関係数、１波形における波形面積（振幅の時間積分値）、等を用いることができる。以降は、心拍出量計測センサ１０００は、この決定したアンテナ素子ｒを用いて、再度受信信号を測定し、再度測定した受信信号の波形データに基づいて下記ステップＳ１１０の処理を行って心拍出量を推定し、患者９０の心臓９１の挙動をモニターする。なお、再度測定した受信信号のデータも、点データを並べ替えて繋いでいる点を除き、図５Ｃに示すような波形データとなる。

【0055】

（ステップＳ１１０）
心拍出量推定部２１４は、図５Ｃに示したような波形データにおいて、心臓が収縮期にあるときと、拡張期にあるときの信号強度の差分から、患者９０の心臓９１の心拍出量、または心臓から拍出される血液量を推定する。心臓９１は、収縮期に比べて拡張期においては、損失がより大きくなり、信号の減衰が大きくなる。すなわち収縮期に比べて拡張期では、受信信号の強度が小さくなる。この信号強度の変化は、心臓の大きさの変化、すなわち１拍出量に比例するので、信号強度の変化により心拍出量を推定（算出）できる。なお、心拍出量に加えて、１つの波形の強度の変化から算出される１回拍出量を表示させてもよい。また、心拍出量に加えて、さらに心拍動の周波数を、心拍数として表示してもよい。さらに、入力された被験者の身長や体重等の情報から体表面積を算出し、心拍出量を体表面積で割ることで、心係数として表示してもよい。

【0056】

以上説明したように、本実施形態に係る心拍出量計測センサ１０００は、送信アンテナ１１と、受信アンテナ１２と、受信アンテナ１２で受信した生体を透過したマイクロ波を用いて、心臓から拍出される血液量を推定する心拍出量推定部２１４と、を備え、送信アンテナ１１および受信アンテナ１２の少なくとも一方は、複数のアンテナ素子、および該アンテナ素子それぞれのＯＮ／ＯＦＦを、所定の周期で順次切り替える高速切替部１２２を含み、さらに、高速切替部１２２によりＯＮとなった複数のアンテナ素子ｒそれぞれに関する計測値を、各アンテナ素子ｒと紐付けて点データとして記録する点データ記録部２１１と、点データ記録部２１１が記録した点データを並べ、複数のアンテナ素子ｒ毎に計測値の経時的変化を表す波形データを生成する波形データ生成部２１２と、を備える。このように構成することで、複数のアンテナ素子それぞれの波形データを取得でき、これにより最適なアンテナ素子を用いて測定でき、ひいては、心臓から拍出される血液量を比較的高い精度で推定できる。

【0057】

また、所定の周期は、複数のアンテナ素子へのＯＮが一巡する１サイクル時間ｔｃが、心周期よりも十分に短くなるような周期、例えば１ｍｓｅｃ以下に設定されている。これにより十分なサンプリングレートを確保でき、波形を精度よく生成できる。

【0058】

例えば、本実施形態とは異なり、高速切替部１２２を適用しない比較例の構成の場合、次のような問題がある。例えば、比較例では、アンテナ素子ｒ１について１０秒間、１ｍｓｅｃ間隔で波形を取得し、その次はアンテナ素子ｒ２について１０秒間、１ｍｓｅｃ間隔で波形を取得する、というように１つのアンテナ素子について１０秒間ずつ順番に波形を取得する方式となる。この比較例では、アンテナ素子ｒ１とアンテナ素子ｒ４９との波形取得時刻に４８０秒の差が生じることになる。この場合、各アンテナ素子が取得した波形が、呼吸に伴う臓器位置の変動等の影響を受け、同等の条件で各アンテナ素子の波形を比較することができなくなり、心拍出量の測定に適したアンテナ素子を正しく選択できなくなるおそれがある。

【0059】

これに対して、本実施形態では、１サイクル時間ｔｃが１ｍｓｅｃ以内に設定されており、全てのアンテナ素子について同一の時間帯（略同時）で波形を取得できる。このため、呼吸に伴う臓器位置の変動等の影響を受けることなく同等の条件でアンテナ素子の波形を比較することができ、心拍出量の測定に好適なアンテナ素子を選択できる。

【0060】

また、本実施形態では、高速切替部は、複数のアンテナ素子のうち、１つの１つのアンテナ素子のみをＯＮにし、他のアンテナ素子をＯＦＦにするように制御する、また、ＯＦＦ状態のアンテナ素子の終端条件を、高周波的に接地するように構成する。このようにすることで、アンテナ同士が結合し、１つのアンテナとして動作してしまうことを防止し、またＯＦＦ状態の他のアンテナからの影響を減少でき、高精度で計測できる。

【0061】

またアンテナアレイ１１１または１１２の全体の大きさは、身体の背面側から視たときの心臓のサイズよりも大きいサイズに設定されている。またアンテナ素子の総個数が、４０個以上１００個以下である。これにより、アンテナ素子を決定する際に、十分な位置精度で最適な位置のアンテナ素子を選択できる。

【0062】

また巡回モードと周期を変更可能とすることで、電磁波の送受信条件を最適な条件に設定できる。

【0063】

また本実施形態では、受信アンテナ１２側に、複数のアンテナ素子ｒおよび高速切替部１２２を備えた構成とすることが可能である。これにより、電磁波による電界が安定する。

【0064】

また、本実施形態では電磁波としてマイクロ波を用いる。マイクロ波は、人体を透過する際の減衰が他の周波数よりも少なく、また損失が比較的高い心臓の拡張／収縮の動きに応じた損失変化にともなう信号の変化の感度（信号強度の増減率）が他の周波数よりも大きく、心拍出量の測定に好適である。

【0065】

以上に説明した、心拍出量計測センサ１０００の構成は、上述の実施形態の特徴を説明するにあたって主要構成を説明したのであって、上述の構成に限られず、特許請求の範囲内において、種種改変することができる。

【0066】

例えば、上記の実施形態では、ステップＳ１０９において、素子決定部２１３が決定したアンテナ素子ｒを用いて波形データを再度測定し、再度測定した波形データに基づいて心拍出量を推定する例を記載したが、ステップＳ１０８で生成したアンテナ素子ｒ毎の波形データから、素子決定部２１３が決定したアンテナ素子ｒを用いて得られた波形データを抽出し、抽出した波形データに基づいて心拍出量を推定してもよい。

【0067】

また、ステップＳ１０９において、心拍出量の推定の際に用いるアンテナ素子ｒとして複数のアンテナ素子ｒを素子決定部２１３により決定し、それらのアンテナ素子ｒを用いて得られた波形データに基づいて心拍出量を推定してもよい。具体的には、例えば、隣接する４つのアンテナ素子ｒのステップＳ１０９で算出された特徴量が非常に近い場合、この４つのアンテナ素子ｒを心拍出量の推定の際に用いるアンテナ素子ｒとして決定し、各アンテナ素子ｒを用いて得られた波形データに基づいて算出された心拍出量の平均値から心拍出量を推定してもよい。

【0068】

また、上述した心拍出量計測センサ１０００における各種処理を行う手段および方法は、専用のハードウェア回路、またはプログラムされたコンピューターのいずれによっても実現することが可能である。上記プログラムは、例えば、ＵＳＢメモリやＤＶＤ－ＲＯＭ等のコンピューター読み取り可能な記録媒体によって提供されてもよいし、インターネット等のネットワークを介してオンラインで提供されてもよい。この場合、コンピューター読み取り可能な記録媒体に記録されたプログラムは、通常、ハードディスク等の記憶部に転送され記憶される。また、上記プログラムは、単独のアプリケーションソフトとして提供されてもよいし、一機能として装置のソフトウエアに組み込まれてもよい。

【符号の説明】

【0069】

１０００ 心拍出量計測センサ
１１、１１ｂ 送信アンテナユニット
１１０ 基板
１１１ 送信波形生成部
１１２ 高速切替部
１１３ アンテナアレイ（送信側）
ｔ１～ｔｘ アンテナ素子（送信側）
１２、１２ｂ 受信アンテナユニット
１２０ 基板
１２１ アンテナアレイ（受信側）
１２２ 高速切替部
１２３ サンプリング部
１３ 信号ケーブル
１４ 送受信コントローラー
２０ 装置本体
２１ 制御部
２１１ 点データ記録部
２１２ 波形データ生成部
２１３ 素子決定部
２１４ 心拍出量推定部
２２ 記憶部
２３ 入出力Ｉ／Ｆ
２４ 通信Ｉ／Ｆ
５１ タッチパネル
６１ ＰＣ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】