(57)【要約】【課題】血流信号を利用しない場合と比較して、非侵襲で精度良く拍出量を測定することができる生体情報測定装置、及び生体情報測定プログラムを提供する。【解決手段】生体情報測定装置１０Ａは、生体の末梢部位における血液量及び血流速度の少なくとも一方を示す血流信号を取得する取得部３０と、生体の血流信号と生体の拍出量との予め定められた関係に基づいて、取得部３０により取得された血流信号から生体の拍出量を特定する特定部３２と、を備える。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の末梢部位における血液量及び血流速度の少なくとも一方を示す血流信号を取得する取得部と、
前記生体の血流信号と前記生体の拍出量との予め定められた関係に基づいて、前記取得部により取得された血流信号から前記生体の拍出量を特定する特定部と、
を備えた生体情報測定装置。
【請求項２】
前記生体の拍出量は、心拍出量であり、
前記予め定められた関係は、生体の心拍出量をＣＯ、定数パラメータをａ０，ａ１、及び生体の血流信号により示される値をＢＳとした場合に、
ＣＯ＝ａ０＋ａ１×ＢＳ
により表される関係である請求項１に記載の生体情報測定装置。
【請求項３】
生体の拍出量及び生体の血流信号により示される値を予め対応付けて記憶する記憶部を更に備え、
前記予め定められた関係は、前記予め対応付けて記憶した関係である請求項１に記載の生体情報測定装置。
【請求項４】
前記生体の拍出量は、心拍出量、１回拍出量、及び心係数のいずれかにより示される量である請求項３に記載の生体情報測定装置。
【請求項５】
前記取得部は、前記生体に取り込まれた酸素が前記末梢部位に到達するまでの時間を表す酸素循環時間を更に取得し、
前記特定部は、前記生体の血流信号、前記生体の酸素循環時間、及び前記生体の拍出量の予め定められた第２の関係に基づいて、前記取得部により取得された血流信号及び酸素循環時間から前記生体の拍出量を特定する請求項１に記載の生体情報測定装置。
【請求項６】
前記生体の拍出量は、心拍出量であり、
前記予め定められた第２の関係は、生体の心拍出量をＣＯ、生体の酸素循環時間をＬＦＣＴ、定数パラメータをａ０，ａ１，ａ２、生体の血流信号により示される値をＢＳとした場合に、
ＣＯ＝ａ０＋ａ１×１／ＬＦＣＴ＋ａ２×ＢＳ
により表される関係である請求項５に記載の生体情報測定装置。
【請求項７】
生体の拍出量、生体の血流信号により示される値、及び生体の酸素循環時間を予め対応付けて記憶する記憶部を更に備え、
前記予め定められた第２の関係は、前記予め対応付けて記憶した関係である請求項５に記載の生体情報測定装置。
【請求項８】
前記取得部は、前記血流信号により示される値を、前記生体の末梢部位に照射された光の反射光又は透過光に応じて得られる信号から取得する請求項１〜７のいずれか１項に記載の生体情報測定装置。
【請求項９】
コンピュータを、請求項１〜８のいずれか１項に記載の生体情報測定装置が備える各部として機能させるための生体情報測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体情報測定装置、及び生体情報測定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、心拍出量の特定に必要とされる酸素循環時間を測定する循環時間測定装置が記載されている。この循環時間測定装置は、呼吸の気流の時間変化を示す気流信号、及び、酸素飽和度の時間変化を示す酸素飽和度信号を取得する信号取得部と、気流信号における所定の第一時刻と、第一時刻での呼吸再開に対応した酸素飽和度の上昇を示す酸素飽和度信号における第二時刻との時間差に基づいて血液の酸素循環時間を測定する循環時間算出部と、を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１９０４１３号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記心拍出量に代表される拍出量は、心機能の状態を示す指標の一つである。この拍出量を測定する代表的な方法として、血管内に挿入したカテーテルから冷水を注入することで測定を行う熱希釈法がある。しかし、この熱希釈法では、生体に対する侵襲性が高く、生体の負担が大きい。
【０００５】
また、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）や超音波装置を用いた測定方法や、バイオインピーダンス法等の測定方法もあるが、上記熱希釈法と比較して、比較的侵襲性は低いものの、測定には専門的な知識が必要とされ、簡易な測定方法とは言えない。
【０００６】
また、酸素循環時間を利用する測定方法では、生体の末梢部位における血液量や血流速度等を示す血流信号を測定する場合がある。生体の末梢部位から得られる血流信号は、拍出量と高い相関があると考えられるため、血流信号を利用することで、非侵襲で精度良く拍出量を測定できる可能性がある。しかしながら、酸素循環時間を利用する測定方法では、血流信号を利用して拍出量を測定することについて考慮されていない。
【０００７】
本発明は、血流信号を利用しない場合と比較して、非侵襲で精度良く拍出量を測定することができる生体情報測定装置、及び生体情報測定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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の生体情報測定装置は、生体の末梢部位における血液量及び血流速度の少なくとも一方を示す血流信号を取得する取得部と、前記生体の血流信号と前記生体の拍出量との予め定められた関係に基づいて、前記取得部により取得された血流信号から前記生体の拍出量を特定する特定部と、を備えている。
【０００９】
また、請求項２に記載の生体情報測定装置は、請求項１に記載の発明において、前記生体の拍出量が、心拍出量であり、前記予め定められた関係が、生体の心拍出量をＣＯ、定数パラメータをａ０，ａ１、及び生体の血流信号により示される値をＢＳとした場合に、
ＣＯ＝ａ０＋ａ１×ＢＳ
により表される関係であるとされている。
【００１０】
また、請求項３に記載の生体情報測定装置は、請求項１に記載の発明において、生体の拍出量及び生体の血流信号により示される値を予め対応付けて記憶した記憶部を更に備え、前記予め定められた関係が、前記予め対応付けて記憶した関係であるとされている。
【００１１】
また、請求項４に記載の生体情報測定装置は、請求項３に記載の発明において、前記生体の拍出量が、心拍出量、１回拍出量、及び心係数のいずれかにより示される量であるとされている。
【００１２】
また、請求項５に記載の生体情報測定装置は、請求項１に記載の発明において、前記取得部が、前記生体に取り込まれた酸素が前記末梢部位に到達するまでの時間を表す酸素循環時間を更に取得し、前記特定部が、前記生体の血流信号、前記生体の酸素循環時間、及び前記生体の拍出量の予め定められた第２の関係に基づいて、前記取得部により取得された血流信号及び酸素循環時間から前記生体の拍出量を特定する。
【００１３】
また、請求項６に記載の生体情報測定装置は、請求項５に記載の発明において、前記生体の拍出量が、心拍出量であり、前記予め定められた第２の関係が、生体の心拍出量をＣＯ、生体の酸素循環時間をＬＦＣＴ、定数パラメータをａ０，ａ１，ａ２、生体の血流信号により示される値をＢＳとした場合に、
ＣＯ＝ａ０＋ａ１×１／ＬＦＣＴ＋ａ２×ＢＳ
により表される関係であるとされている。
【００１４】
また、請求項７に記載の生体情報測定装置は、請求項５に記載の発明において、生体の拍出量、生体の血流信号により示される値、及び生体の酸素循環時間を予め対応付けて記憶した記憶部を更に備え、前記予め定められた第２の関係が、前記予め対応付けて記憶した関係であるとされている。
【００１５】
また、請求項８に記載の生体情報測定装置は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、前記取得部が、前記血流信号により示される値を、前記生体の末梢部位に照射された光の反射光又は透過光に応じて得られる信号から取得する。
【００１６】
更に、上記目的を達成するために、請求項９に記載の生体情報測定プログラムは、コンピュータを、請求項１〜８のいずれか１項に記載の生体情報測定装置が備える各部として機能させる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１及び請求項９に係る発明によれば、血流信号を利用しない場合と比較して、非侵襲で精度良く拍出量を測定することができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、血流信号を利用する場合に、簡単な演算で心拍出量を測定することができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、血流信号を利用する場合に、拍出量に関する演算処理の負荷を軽減することができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、拍出量として、心拍出量、１回拍出量、及び心係数のいずれかを測定することができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、血流信号及び酸素循環時間を利用しない場合と比較して、非侵襲でより精度良く拍出量を測定することができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、血流信号及び酸素循環時間を利用する場合に、簡単な演算で心拍出量を測定することができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明によれば、血流信号及び酸素循環時間を利用する場合に、拍出量に関する演算処理の負荷を軽減することができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明によれば、生体の末梢部位に照射された光の反射光又は透過光を用いない場合と比較して、血流信号により示される値を容易に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態に係る血流情報及び血中の酸素飽和度の測定例を示す模式図である。
【図２】実施形態に係る生体からの反射光による受光量の変化の一例を示すグラフである。
【図３】実施形態に係る血管にレーザ光を照射した場合に生じるドップラーシフトの説明に供する模式図である。
【図４】実施形態に係る血管にレーザ光を照射した場合に生じるスペックルの説明に供する模式図である。
【図５】実施形態に係る単位時間における周波数毎のスペクトル分布の一例を示すグラフである。
【図６】実施形態に係る単位時間あたりの血流量の変化の一例を示すグラフである。
【図７】実施形態に係る生体に吸収される光の吸光量の変化の一例を示すグラフである。
【図８】実施形態に係るヘモグロビンによる吸光度特性の一例を示すグラフである。
【図９】実施形態に係るＬＦＣＴの測定原理の説明に供する模式図である。
【図１０】実施形態に係るＬＦＣＴの測定方法の一例を説明するためのグラフである。
【図１１】第１の実施形態に係る生体情報測定装置の電気的な構成の一例を示すブロック図である。
【図１２】実施形態に係る生体情報測定装置における発光素子及び受光素子の配置の一例を示す図である。
【図１３】実施形態に係る生体情報測定装置における発光素子及び受光素子の配置の別の例を示す図である。
【図１４】第１の実施形態に係る生体情報測定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。
【図１５】実施形態に係る心拍出量と各パラメータとの相関の一例を示す図である。
【図１６】第１の実施形態に係る回帰分析に用いられる散布図である。
【図１７】第１の実施形態に係るルックアップテーブルの一例を示す図である。
【図１８】第１の実施形態に係る生体情報測定プログラムの処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１９】第２の実施形態に係る生体情報測定装置の電気的な構成の一例を示すブロック図である。
【図２０】第２の実施形態に係る生体情報測定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。
【図２１】第２の実施形態に係る回帰分析に用いられる散布図である。
【図２２】第２の実施形態に係るルックアップテーブルの一例を示す図である。
【図２３】第２の実施形態に係る生体情報測定プログラムの処理の流れの一例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】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。
【００２７】
［第１の実施形態］
まず、図１を参照して、生体情報のうち、特に血液に関する生体情報の一例である血流情報及び血中の酸素飽和度の測定方法について説明する。
【００２８】
図１は、本実施形態に係る血流情報及び血中の酸素飽和度の測定例を示す模式図である。
図１に示すように、血流情報及び血中の酸素飽和度とは、被験者の体（生体８）に向けて発光素子１から光を照射し、受光素子３で受光した、生体８の体内に張り巡らされている動脈４、静脈５、及び毛細血管６等の反射又は透過した光の強さ、すなわち、反射光又は透過光の受光量を用いて測定される。
【００２９】
（血流情報の測定）
図２は、本実施形態に係る生体８からの反射光による受光量の変化の一例を示すグラフである。
なお、図２において、グラフ８０の横軸は時間の経過を表し、縦軸は受光素子３の受光量を表す。
【００３０】
図２に示すように、受光素子３の受光量は時間の経過に伴って変化するが、これは血管を含む生体８への光の照射に対して現われる３つの光学現象の影響を受けるためであると考えられる。
【００３１】
１つ目の光学現象として、脈動によって、測定している血管内に存在する血液量が変化することによる光の吸収の変化が考えられる。血液には、例えば赤血球等の血球細胞が含まれ、毛細血管６等の血管内を移動するため、血液量が変化することによって血管内を移動する血球細胞の数も変化し、受光素子３での受光量に影響を与えることがある。
【００３２】
２つ目の光学現象として、ドップラーシフトによる影響が考えられる。
【００３３】
図３は、本実施形態に係る血管にレーザ光を照射した場合に生じるドップラーシフトの説明に供する模式図である。
【００３４】
図３に示すように、例えばレーザ光のような周波数ω0のコヒーレント光４０を発光素子１から血管の一例である毛細血管６を含む領域に照射した場合、毛細血管６を移動する血球細胞で散乱した散乱光４２は、血球細胞の移動速度により決まる差周波Δω0を有するドップラーシフトを生じることになる。一方、血球細胞等の移動体を含まない皮膚等の組織（静止組織）で散乱した散乱光４２の周波数は、照射したレーザ光の周波数と同じ周波数ω0を維持する。したがって、毛細血管６等の血管で散乱したレーザ光の周波数ω0＋Δω0と、静止組織で散乱したレーザ光の周波数ω0とが互いに干渉し、差周波Δω0を有するビート信号が受光素子３で観測され、受光素子３の受光量が時間の経過に伴って変化する。なお、受光素子３で観測されるビート信号の差周波Δω0は血球細胞の移動速度に依存するが、約数十ｋＨｚを上限とした範囲に含まれる。
【００３５】
また、３つ目の光学現象として、スペックルによる影響が考えられる。
【００３６】
図４は、本実施形態に係る血管にレーザ光を照射した場合に生じるスペックルの説明に供する模式図である。
【００３７】
図４に示すように、レーザ光のようなコヒーレント光４０を、発光素子１から血管中を矢印４４の方向に移動する赤血球等の血球細胞７に照射した場合、血球細胞７にぶつかったレーザ光は様々な方向に散乱する。散乱光は位相が異なるためにランダムに干渉し合う。これによりランダムな斑点模様の光強度分布を生じる。このようにして形成される光強度の分布パターンは「スペックルパターン」と呼ばれる。
【００３８】
既に説明したように、血球細胞７は血管中を移動するため、血球細胞７における光の散乱状態が変化し、スペックルパターンが時間の経過と共に変動する。したがって、受光素子３の受光量が時間の経過に伴って変化する。
【００３９】
次に、血流情報の求め方の一例について説明する。図２に示す時間経過に伴う受光素子３の受光量が得られた場合、予め定めた単位時間Ｔ0の範囲に含まれるデータを切り出し、当該データに対して、例えば高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform: FFT）を実行することで、周波数ω毎のスペクトル分布が得られる。
【００４０】
図５は、本実施形態に係る単位時間Ｔ0における周波数ω毎のスペクトル分布の一例を示すグラフである。
なお、図５において、グラフ８２の横軸は周波数ωを表し、縦軸はスペクトル強度を表す。
【００４１】
ここで、血液量はグラフ８２の横軸と縦軸とで囲まれた斜線領域８４で表されるパワースペクトルの面積を全光量で規格化した値に比例する。また、血流速度はグラフ８２で表されるパワースペクトルの周波数平均値に比例するため、周波数ωと周波数ωにおけるパワースペクトルの積を周波数ωについて積分した値を斜線領域８４の面積で除算した値に比例する。
【００４２】
なお、血流量は血液量と血流速度の積で表わされるため、上記血液量と血流速度の算出式より求めることが可能である。血流量、血流速度、血液量は血流情報の一例であり、血流情報はこれに限定されない。
【００４３】
図６は、本実施形態に係る単位時間Ｔ0あたりの血流量の変化の一例を示すグラフである。
なお、図６において、グラフ８６の横軸は時間を表し、縦軸は血流量を表す。
【００４４】
図６に示すように、血流量は時間と共に変動するが、その変動の傾向は２つの種類に分類される。例えば図６の区間Ｔ１における血流量の変動幅８８に比べて、区間Ｔ２における血流量の変動幅９０は大きい。これは、区間Ｔ１における血流量の変化が、主に脈の動きに伴う血流量の変化であるのに対して、区間Ｔ２における血流量の変化は、例えばうっ血等の原因に伴う血流量の変化を示しているためであると考えられる。
【００４５】
（酸素飽和度の測定）
次に、血中の酸素飽和度の測定について説明する。血中の酸素飽和度とは、血中酸素濃度の一例であり、血液中のヘモグロビンがどの程度酸素と結合しているかを示す指標であり、血中の酸素飽和度が低下するにつれ、貧血等の症状が発生しやすくなる。
【００４６】
図７は、本実施形態に係る生体８に吸収される光の吸光量の変化の一例を示すグラフである。
なお、図７において、グラフ９２の横軸は時間を表し、縦軸は吸光量を表す。
【００４７】
図７に示すように、生体８における吸光量は、時間の経過と共に変動する傾向が見られる。
【００４８】
更に、生体８における吸光の変動に関する内訳について見てみると、主に動脈４によって吸光量が変動し、静脈５及び静止組織を含むその他の組織では、動脈４に比べて吸光量が変動しないとみなせる程度の変動量であることが知られている。これは、心臓から拍出された動脈血は脈波を伴って血管内を移動するため、動脈４が動脈４の断面方向に沿って経時的に伸縮し、動脈４の厚みが変化するためである。なお、図７において、矢印９４で示される範囲が、動脈４の厚みの変化に対応した吸光量の変動量を示す。
【００４９】
図７において、時刻ｔaにおける受光量をＩa、時刻ｔbにおける受光量をＩbとすれば、動脈４の厚みの変化による光の吸光量の変化量ΔＡは、（１）式で表される。
【００５０】
（数１）
ΔＡ＝ｌｎ(Ｉb／Ｉa)・・・（１）
【００５１】
図８は、本実施形態に係るヘモグロビンによる吸光度特性の一例を示すグラフである。
なお、図８において、縦軸は吸光度を表し、横軸は波長を表す。
【００５２】
図８に示すように、動脈４を流れる酸素と結合したヘモグロビン（酸化ヘモグロビン）は、特に約８８０ｎｍ近辺の波長を有する赤外線（infrared: IR）領域の光を吸収しやすく、酸素と結合していないヘモグロビン（還元ヘモグロビン）は、特に約６６５ｎｍ近辺の波長を有する赤色領域の光を吸収しやすいことが知られている。更に、酸素飽和度は、異なる波長における吸光量の変化量ΔＡの比率と比例関係があることが知られている。
【００５３】
したがって、他の波長の組み合わせに比べて、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとで吸光量の差が現われやすい赤外光(ＩＲ光)と赤色光を用いて、ＩＲ光を生体８に照射した場合の吸光量の変化量ΔＡＩＲと、赤色光を生体８に照射した場合の吸光量の変化量ΔＡＲｅｄとの比率をそれぞれ算出することで、（２）式によって酸素飽和度Ｓが算出される。なお、（２）式においてｋは比例定数である。
【００５４】
（数２）
Ｓ＝ｋ(ΔＡＲｅｄ／ΔＡＩＲ)・・・（２）
【００５５】
すなわち、血中の酸素飽和度を算出する場合、それぞれ異なる波長の光を照射する複数の発光素子１、具体的には、ＩＲ光を照射する発光素子１と赤色光を照射する発光素子１とを一部の発光期間が重複しても良いが、望ましくは発光期間が重複しないよう発光させる。そして、各々の発光素子１による反射光又は透過光を受光素子３で受光して、各受光時点における受光量から（１）式及び（２）式、又は、これらの式を変形して得られる公知の式を算出することで、酸素飽和度が測定される。
【００５６】
上記（１）式を変形して得られる公知の式として、例えば（１）式を展開して、光の吸光量の変化量ΔＡを（３）式のように表してもよい。
【００５７】
（数３）
ΔＡ＝ｌｎＩb−ｌｎＩa・・・（３）
【００５８】
また、（１）式は（４）式のように変形することができる。
【００５９】
（数４）
ΔＡ＝ｌｎ(Ｉb／Ｉa)＝ｌｎ(１＋(Ｉb-Ｉa)／Ｉa)  ・・・（４）
【００６０】
通常、（Ｉb-Ｉa）≪Ｉaであることから、ｌｎ(Ｉb／Ｉa)≒(Ｉb-Ｉa)／Ｉaが成り立つため、（１）式の代わりに、光の吸光量の変化量ΔＡとして（５）式を用いてもよい。
【００６１】
（数５）
ΔＡ≒(Ｉb-Ｉa)／Ｉa  ・・・（５）
【００６２】
なお、ＩＲ光を照射する発光素子１と赤色光を照射する発光素子１とを区別して説明する必要がある場合、以降では、ＩＲ光を照射する発光素子１を「発光素子ＬＤ１」といい、赤色光を照射する発光素子１を「発光素子ＬＤ２」というようにする。また、一例として、発光素子ＬＤ１を血流量の算出で使用する発光素子１とし、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２を、血中の酸素飽和度の算出で利用する発光素子１とする。
【００６３】
また、血中の酸素飽和度を測定する場合、受光量の測定周波数は約３０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度で十分であることが知られているため、発光素子ＬＤ２の１秒あたりの点滅回数を表す発光周波数も約３０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度で十分である。したがって、発光素子ＬＤ２における消費電力等の観点からは、発光素子ＬＤ２の発光周波数を発光素子ＬＤ１の発光周波数より低くすることが好ましいが、発光素子ＬＤ２の発光周波数を発光素子ＬＤ１の発光周波数に合わせ、発光素子ＬＤ１と発光素子ＬＤ２を交互に発光させるようにしてもよい。
【００６４】
次に、図９を参照して、心臓からの血液の拍出量と相関がある指標の一例であるＬＦＣＴ（Lung to Finger Circulation Time）を測定する原理について説明する。ここでいう拍出量には、上述の心拍出量に限らず、１回拍出量、心係数等も含まれる。なお、心拍出量とは、心臓の単位時間（例えば１分）当たりの収縮によって動脈へ拍出される血液量と定義される。１回拍出量とは、心臓の１回の収縮によって動脈へ拍出される血液量と定義される。心係数とは、心拍出量を被験者の体表面積で除して得られる係数と定義される。また、ＬＦＣＴとは、呼吸で取り込まれた酸素が肺及び心臓を通り指先に到達するまでの時間と定義される。すなわち、ＬＦＣＴは、生体８に取り込まれた酸素が末梢部位に到達するまでの時間を表す酸素循環時間の一例である。ここでいう末梢部位とは、被験者の首、肩、股関節よりも末梢側の部位をいい、一例としては、手の指先や、足の指先、手首、足首、耳朶、肘や膝の内側の部位等が挙げられる。
【００６５】
図９は、本実施形態に係るＬＦＣＴの測定原理の説明に供する模式図である。
図９に示すように、上記拍出量とＬＦＣＴとは相関がある。例えば、拍出量の一例である心拍出量をＣＯとした場合、心拍出量ＣＯは、以下に示す（６）式により算出される。但し、ａ０及びａ１は定数パラメータである。
【００６６】
（数６）
ＣＯ＝ａ０＋ａ１／ＬＦＣＴ・・・（６）
【００６７】
図１０は、本実施形態に係るＬＦＣＴの測定方法の一例を説明するためのグラフである。
なお、図１０において、縦軸は酸素飽和度の逆数を表し、横軸は時間を表す。
【００６８】
図１０に示すように、本実施形態に係るＬＦＣＴは、上述した血中の酸素飽和度から測定される。すなわち、ＬＦＣＴは、一定期間呼吸を停止した後に呼吸を再開した時点から、酸素飽和度が回復したことを示す変曲点までの時間を測定することで得られる。
【００６９】
次に、上述の血流情報を利用して、非侵襲で精度良く拍出量を測定する生体情報測定装置について説明する。
【００７０】
図１１は、第１の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａの電気的な構成の一例を示すブロック図である。
【００７１】
図１１に示すように、本実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａは、発光制御部１２、駆動回路１４、増幅回路１６、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換回路１８、制御部２０、表示部２２、発光素子ＬＤ１、及び受光素子３を備えている。なお、発光素子ＬＤ１、受光素子３、及び増幅回路１６は、センサ部を構成している。また、発光制御部１２、駆動回路１４、増幅回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１８、制御部２０、及び表示部２２は、本体部を構成している。本実施形態では、これらのセンサ部と本体部とは別体で構成され、有線又は無線を介して通信可能とされている。なお、センサ部と本体部とが一体的に構成されていてもよい。また、センサ部は、外部光が入力しないように生体８に密着するように取り付けられる。本実施形態に係るセンサ部は、一例として、生体８の指先に取り付けられるが、耳朶等の他の末梢部位にも取り付け可能とされている。
【００７２】
発光制御部１２は、発光素子ＬＤ１に駆動電力を供給する電力供給回路を含む駆動回路１４に、発光素子ＬＤ１の発光周期及び発光期間を制御する制御信号を出力する。なお、発光制御部１２は、制御部２０の一部として実現してもよい。
【００７３】
駆動回路１４は、発光制御部１２からの制御信号を受け付けると、制御信号で指示された発光周期及び発光期間に従って、発光素子ＬＤ１に駆動電力を供給し、発光素子ＬＤ１を駆動する。
【００７４】
受光素子３は、発光素子ＬＤ１から第１の波長の光を受光し、受光した第１の波長の光に対応する第１の受光信号を出力する。なお、本実施形態では、第１の波長として赤外領域に対応する波長の範囲が適用される。また、第１の受光信号にはＩＲ光信号が適用される。
【００７５】
増幅回路１６は、受光素子３で受光した光の強さに応じた電圧を、Ａ／Ｄ変換回路１８の入力電圧範囲として規定される電圧レベルまで増幅する。なお、ここでは一例として、受光素子３は受光した光の強さに応じた電圧を出力する素子とするが、受光素子３は受光した光の強さに応じた電流を出力してもよく、この場合、増幅回路１６は、Ａ／Ｄ変換回路１８の入力電流範囲として規定される電流レベルまで、受光素子３が出力する電流を増幅する。
【００７６】
Ａ／Ｄ変換回路１８は、増幅回路１６で増幅した電圧を入力として、当該電圧の大きさで表される受光素子３の受光量を数値化して出力する。
【００７７】
制御部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０Ｂ、及びＲＡＭ（Random Access Memory）２０Ｃを備えている。ＲＯＭ２０Ｂには、生体情報測定プログラムが記憶される。この生体情報測定プログラムは、例えば、生体情報測定装置１０Ａに予めインストールされていてもよい。生体情報測定プログラムは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又はネットワークを介して配布して、生体情報測定装置１０Ａに適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、光磁気ディスク、ＨＤＤ、ＤＶＤ-ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、フラッシュメモリ、メモリカード等が想定される。
【００７８】
表示部２２は、生体情報の測定結果を通知する通知部の一例である。表示部２２には、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ:Liquid Crystal Display）や有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等が用いられる。表示部２２は、タッチパネルを一体的に有している。
【００７９】
図１２は、本実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａにおける発光素子ＬＤ１及び受光素子３の配置の一例を示す図である。また、図１３は、本実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａにおける発光素子ＬＤ１及び受光素子３の配置の別の例を示す図である。
【００８０】
図１２に示すように、発光素子ＬＤ１及び受光素子３は、生体８の一方の面に向かって並べて配置される。この場合、受光素子３は、生体８で反射された発光素子ＬＤ１の光を受光する。
【００８１】
なお、発光素子ＬＤ１及び受光素子３の配置は、図１２の配置例に限定されない。例えば、図１３に示すように、発光素子ＬＤ１と、受光素子３とを、生体８を挟んで対向する位置に配置するようにしてもよい。この場合、受光素子３は、生体８を透過した発光素子ＬＤ１の光を受光する。
【００８２】
なお、ここでは一例として、発光素子ＬＤ１は、面発光レーザ素子であるものとして説明するが、これに限らず、端面発光レーザ素子であってもよい。また、発光素子ＬＤ１から照射される光はレーザ光でなくてもよい。この場合、発光素子ＬＤ１には、発光ダイオード（Light-Emitting Diode: LED）又は有機発光ダイオード（Organic Light-Emitting Diode: OLED）を用いてもよい。
【００８３】
本実施形態に係る生体情報測定装置１０ＡのＣＰＵ２０Ａは、ＲＯＭ２０Ｂに記憶されている生体情報測定プログラムをＲＡＭ２０Ｃに書き込んで実行することにより、図１４に示す各部として機能する。
【００８４】
図１４は、第１の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａの機能的な構成の一例を示すブロック図である。
図１４に示すように、本実施形態に係る生体情報測定装置１０ＡのＣＰＵ２０Ａは、取得部３０及び特定部３２として機能する。
【００８５】
本実施形態に係る取得部３０は、生体８の末梢部位における血液量及び血流速度の少なくとも一方を示す血流信号を取得する。具体的には、取得部３０は、血流信号により示される値を、生体８の末梢部位に照射された光の反射光又は透過光に応じて得られる信号から取得する。本実施形態に係る血流信号とは、上述の血流情報と同義であるため、以下では血流情報に統一して説明する。
【００８６】
本実施形態では、血流情報を測定するためのＩＲ光を照射する１つの発光素子ＬＤ１が用いられる。このため、受光素子３からはＩＲ光信号が出力される。取得部３０は、受光素子３から出力されたＩＲ光信号を受け付け、受け付けたＩＲ光信号から血流情報を算出して取得する。なお、この血流情報は、ＩＲ光信号に対して、一例として図５を参照して説明したように、ＦＦＴを実行して得られる周波数ω毎のスペクトル分布に基づいて算出される。
【００８７】
本実施形態に係る特定部３２は、生体８の血流情報と生体８の拍出量との予め定められた関係に基づいて、取得部３０により取得された血流情報から生体８の拍出量を特定する。本実施形態では、生体８の拍出量の一例として、心拍出量を適用した場合について説明するが、１回拍出量及び心係数のいずれを適用しても同様である。また、血流情報としては、血液量、血流速度、及び血流量（＝血流速度×血液量）のいずれについても同様に適用される。
【００８８】
図１５は、本実施形態に係る心拍出量と各パラメータとの相関の一例を示す図である。
図１５に示す例は、心拍出量との相関が有ると推定される３０個のパラメータの中から、心拍出量との相関係数が高い順に上位３個のパラメータを抽出して示したものである。これら３個のパラメータについて、「Ｍａｓｓ」は血液量を表し、「１／ＬＦＣＴ」はＬＦＣＴの逆数を表し、「ＢＦ」は血流量を表す。なお、被験者数を「１５」とする。また、「Ｍａｓｓ」及び「ＢＦ」については反射型センサを用いて指先を測定対象とした場合のデータであり、「１／ＬＦＣＴ」については透過型センサを用いて指先を測定対象とした場合のデータである。血流情報及びＬＦＣＴの両方を用いる場合については後述する。
【００８９】
ここで、本実施形態に係る「相関係数」には、一例として、ピアソンの相関係数等が用いられる。ピアソンの相関係数は、無次元量であり、−１以上１以下の値をとる。一例として、相関係数の絶対値が０．４以上であれば相関有り（例えば、０．４以上０．７未満で弱い相関有り、０．７以上１以下で強い相関有り）と判断される。また、「ｐ値」とは、相関関係を示す指標の一つであり、一般的な基準として、０．０５未満であれば相関有りと判断される。
【００９０】
具体的には、生体８の血流情報と生体８の心拍出量との予め定められた関係は、生体８の心拍出量をＣＯ、定数パラメータをａ０，ａ１、及び生体８の血流情報により示される値をＢＳとした場合に、以下に示す（７）式により表される。
【００９１】
（数７）
ＣＯ＝ａ０＋ａ１×ＢＳ・・・（７）
【００９２】
なお、定数パラメータａ０、ａ１は、図１６に示すような回帰分析を行い、相関係数の絶対値が０．４以上になるように決定される。
【００９３】
図１６は、第１の実施形態に係る回帰分析に用いられる散布図である。
図１６において、縦軸は心拍出量（ＣＯ）の推定値を表し、横軸は心拍出量（ＣＯ）の真値を表す。単位は［ｌ（リットル）／ｍｉｎ（分）］、被験者数は「１５」である。
【００９４】
なお、ここでいう回帰分析とは、１人の被験者に対して、２つの異なる方法で得られた測定値をＸ軸（横軸）、Ｙ軸（縦軸）上にプロットした散布図を描き、相関係数及び回帰直線の傾き、切片を算出する方法である。例えば、回帰直線を、ｆ（ｘ）＝αｘ＋β、と仮定した場合に、最小二乗法を適用し、散布図にプロットされているＹ座標（＝ｙ）と、回帰直線上のＹ座標（＝ｆ（ｘ））との差の二乗（＝（ｙ−ｆ（ｘ））２）の和が最小になるｆ（ｘ）を求める。
【００９５】
図１６に示す例では、ＣＯ真値として、一例として熱希釈法等を用いて測定した測定値を用い、ＣＯ推定値として、上記（７）式の定数パラメータａ０、ａ１をある値として導出した推定値を用いる。また、血流情報により示される値ＢＳとして、血液量Ｍａｓｓの４０秒間の平均値を用いる。
【００９６】
図１６に示す散布図から、回帰直線ｆ（ｘ）について、相関係数Ｒ及び回帰直線ｆ（ｘ）の傾きα、切片βが得られる。回帰分析自体は公知の手法であるため、ここでの具体的な導出過程の説明は省略する。本実施形態では、相関係数Ｒの絶対値が０．４以上である場合に、定数パラメータａ０、ａ１が決定される。一例として、相関係数Ｒは０．７６、定数パラメータａ０は１３．０３２、定数パラメータａ１は−１．６９８と決定される。なお、相関係数Ｒの絶対値が０．４未満の場合、上記（７）式の定数パラメータａ０、ａ１の値を変化させて散布図を作成し、同様の処理を繰り返す。
【００９７】
なお、上記（７）式に基づいて予め導出した結果を、図１７に示すようなルックアップテーブルとして予め記憶しておいてもよい。また、ルックアップテーブルは一例であり、血流情報により示される値ＢＳと心拍出量ＣＯとが予め対応付けて記憶されていればよく、他の方法であってもよい。
【００９８】
図１７は、第１の実施形態に係るルックアップテーブルの一例を示す図である。
図１７に示すように、本実施形態に係るルックアップテーブルには、生体８の血流情報により示される値ＢＳに対応付けて、生体８の拍出量の一例である心拍出量ＣＯが予め格納されている。なお、このルックアップテーブルは、記憶部の一例であるＲＯＭ２０Ｂに記憶されている。
【００９９】
この場合、生体８の血流情報と生体８の心拍出量との予め定められた関係は、ルックアップテーブルにより表される関係とされる。つまり、この場合、血流情報により示される値ＢＳに基づいて、図１７に示すルックアップテーブルを参照することで、心拍出量ＣＯが得られる。
【０１００】
次に、図１８を参照して、第１の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａの作用を説明する。なお、図１８は、第１の実施形態に係る生体情報測定プログラムの処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【０１０１】
まず、被験者又は測定担当者の操作により生体情報測定装置１０Ａの電源がオンされると、生体情報測定プログラムが起動され、以下の各ステップを実行する。
【０１０２】
図１８のステップ１００では、取得部３０が、受光素子３からＩＲ光信号を取得する。
【０１０３】
ステップ１０２では、取得部３０が、上記ステップ１００で取得したＩＲ光信号から血流情報を算出して取得する。なお、この血流情報は、ＩＲ光信号に対して、一例として図５を参照して説明したように、ＦＦＴを実行して得られる周波数ω毎のスペクトル分布に基づいて算出される。
【０１０４】
ステップ１０４では、特定部３２が、生体８の血流情報と生体８の拍出量との予め定められた関係に基づいて、上記ステップ１０２で算出された血流情報から生体８の拍出量を特定する。例えば、上記（７）式を用いて、血流情報により示される値ＢＳから拍出量の一例である心拍出量ＣＯを特定する。
【０１０５】
このように、本実施形態によれば、生体の血流情報と生体の拍出量との予め定められた関係を利用することにより、非侵襲で精度良く拍出量が測定される。
また、酸素循環時間を利用しないため、息止め等を行う必要なく、被験者の負担が軽減される。
また、発光素子が１つで済むため、装置構成が簡易となる。
【０１０６】
［第２の実施形態］
上記第１の実施形態では、発光素子ＬＤ１のみを用いて血流情報を取得する場合について説明したが、本実施形態では、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の両方を用いて血流情報及び酸素循環時間を取得する場合について説明する。
【０１０７】
図１９は、第２の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ｂの電気的な構成の一例を示すブロック図である。
【０１０８】
図１９に示すように、本実施形態に係る生体情報測定装置１０Ｂは、発光制御部１２、駆動回路１４、増幅回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１８、制御部２０、表示部２２、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３を備えている。
【０１０９】
本実施形態に係る生体情報測定装置１０Ｂは、上記第１の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａに対して、発光素子ＬＤ２を備えている点で異なっている。なお、第１の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａと同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付し、ここでの繰り返しの説明は省略する。
【０１１０】
本実施形態の場合、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３は、生体８の一方の面に向かって並べて配置される。この場合、受光素子３は、生体８で反射された発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の各々の光を受光する。また、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２と、受光素子３とを、生体８を挟んで対向する位置に配置するようにしてもよい。この場合、受光素子３は、生体８を透過した発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の光を受光する。
【０１１１】
なお、ここでは一例として、発光素子ＬＤ２は、発光素子ＬＤ１と同様に、面発光レーザ素子であるものとして説明するが、これに限らず、端面発光レーザ素子であってもよい。また、発光素子ＬＤ２から照射される光はレーザ光でなくてもよい。この場合、発光素子ＬＤ２には、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を用いてもよい。
【０１１２】
本実施形態に係る生体情報測定装置１０ＢのＣＰＵ２０Ａは、ＲＯＭ２０Ｂに記憶されている生体情報測定プログラムをＲＡＭ２０Ｃに書き込んで実行することにより、図２０に示す各部として機能する。
【０１１３】
図２０は、第２の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ｂの機能的な構成の一例を示すブロック図である。
図２０に示すように、本実施形態に係る生体情報測定装置１０ＢのＣＰＵ２０Ａは、取得部３４及び特定部３６として機能する。
【０１１４】
本実施形態に係る取得部３４は、生体８の血流情報に加えて、生体８の酸素循環時間の一例であるＬＦＣＴを更に取得する。このＬＦＣＴは、上述したように血中の酸素飽和度に基づいて算出される。
【０１１５】
本実施形態では、発光素子ＬＤ１からＩＲ光が照射され、発光素子ＬＤ２から赤色光が照射される。このため、受光素子３からはＩＲ光信号及び赤色光信号が出力される。取得部３４は、受光素子３から出力されたＩＲ光信号及び赤色光信号を受け付け、受け付けたＩＲ光信号から血流情報を算出して取得する。更に、取得部３４は、受け付けたＩＲ光信号及び赤色光信号からＬＦＣＴを算出して取得する。
【０１１６】
本実施形態に係る特定部３６は、生体８の血流情報、生体８のＬＦＣＴ、及び生体８の拍出量との予め定められた第２の関係に基づいて、取得部３４により取得された血流情報及びＬＦＣＴから生体８の拍出量を特定する。本実施形態では、生体８の拍出量の一例として、上記第１の実施形態と同様に、心拍出量を適用した場合について説明する。
【０１１７】
具体的には、生体８の血流情報、生体８のＬＦＣＴ、及び生体８の心拍出量との予め定められた第２の関係は、生体８の心拍出量をＣＯ、生体８の酸素循環時間をＬＦＣＴ、定数パラメータをａ０，ａ１，ａ２、及び生体８の血流情報により示される値をＢＳとした場合に、以下に示す（８）式により表される。
【０１１８】
（数８）
ＣＯ＝ａ０＋ａ１×１／ＬＦＣＴ＋ａ２×ＢＳ・・・（８）
【０１１９】
なお、定数パラメータａ０、ａ１、ａ２は、図２１に示すような回帰分析を行い、相関係数の絶対値が０．４以上になるように決定される。
【０１２０】
図２１は、第２の実施形態に係る回帰分析に用いられる散布図である。
図２１において、縦軸は心拍出量（ＣＯ）の推定値を表し、横軸は心拍出量（ＣＯ）の真値を表す。単位は［ｌ（リットル）／ｍｉｎ（分）］、被験者数は「１５」である。
【０１２１】
図２１に示す例では、ＣＯ真値として、一例として熱希釈法等を用いて測定した測定値を用い、ＣＯ推定値として、上記（８）式の定数パラメータａ０、ａ１、ａ２をある値として導出した推定値を用いる。また、血流情報により示される値ＢＳとして、血液量Ｍａｓｓの４０秒間の平均値を用いる。
【０１２２】
図２１に示す散布図から、上記第１の実施形態の場合と同様に、回帰直線ｆ（ｘ）について、相関係数Ｒ及び回帰直線ｆ（ｘ）の傾きα、切片βが得られる。本実施形態では、相関係数Ｒの絶対値が０．４以上である場合に、定数パラメータａ０、ａ１、ａ２が決定される。一例として、相関係数Ｒは０．８２、定数パラメータａ０は１０．４５８、定数パラメータａ１は２１．１８４、定数パラメータａ２は−１．３９５と決定される。この場合、上記第１の実施形態では、相関係数Ｒが０．７６であるのに対して、本実施形態では、相関係数Ｒが０．８２であり、より相関が高くなっていることが分かる。なお、相関係数Ｒの絶対値が０．４未満の場合、上記（８）式の定数パラメータａ０、ａ１、ａ２の値を変化させて散布図を作成し、同様の処理を繰り返す。
【０１２３】
なお、上記（８）式に基づいて予め導出した結果を、図２２に示すようなルックアップテーブルとして予め記憶しておいてもよい。また、ルックアップテーブルは一例であり、他の方法で記憶してもよい。
【０１２４】
図２２は、第２の実施形態に係るルックアップテーブルの一例を示す図である。
図２２に示すように、本実施形態に係るルックアップテーブルには、生体８の血流情報により示される値ＢＳ及び生体８のＬＦＣＴの各々に対応付けて、生体８の拍出量の一例である心拍出量ＣＯが予め格納されている。なお、このルックアップテーブルは、記憶部の一例であるＲＯＭ２０Ｂに記憶されている。
【０１２５】
この場合、生体８の血流情報、生体８のＬＦＣＴ、及び生体８の心拍出量の予め定められた第２の関係は、ルックアップテーブルにより表される関係とされる。つまり、この場合、血流情報により示される値ＢＳ及びＬＦＣＴに基づいて、図２２に示すルックアップテーブルを参照することで、心拍出量ＣＯが得られる。
【０１２６】
次に、図２３を参照して、第２の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ｂの作用を説明する。なお、図２３は、第２の実施形態に係る生体情報測定プログラムの処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【０１２７】
まず、被験者又は測定担当者の操作により生体情報測定装置１０Ｂの電源がオンされると、生体情報測定プログラムが起動され、以下の各ステップを実行する。
【０１２８】
図２３のステップ１１０では、取得部３４が、受光素子３からＩＲ光信号及び赤色光信号を取得する。
【０１２９】
ステップ１１２では、取得部３４が、上記ステップ１１０で取得したＩＲ光信号から血流情報を算出して取得し、かつ、取得したＩＲ光信号及び赤色光信号からＬＦＣＴを算出して取得する。なお、血流情報は、上述したように、ＩＲ光信号に対して、ＦＦＴを実行して得られる周波数ω毎のスペクトル分布に基づいて算出される。また、ＬＦＣＴは、上述したように、ＩＲ光信号及び赤色光信号から得られる酸素飽和度に基づいて算出される。
【０１３０】
ステップ１１４では、特定部３６が、生体８の血流情報、生体８のＬＦＣＴ、及び生体８の拍出量との予め定められた第２の関係に基づいて、上記ステップ１１２で算出された血流情報及びＬＦＣＴから生体８の拍出量を特定する。例えば、上記（８）式を用いて、血流情報により示される値ＢＳ及びＬＦＣＴから拍出量の一例である心拍出量ＣＯを特定する。
【０１３１】
このように、本実施形態によれば、生体の血流情報、生体の酸素循環時間、及び生体の拍出量の予め定められた第２の関係を利用することにより、非侵襲でより精度良く拍出量が測定される。
【０１３２】
以上、実施形態として生体情報測定装置を例示して説明した。実施形態は、生体情報測定装置が備える各部の機能をコンピュータに実行させるためのプログラムの形態としてもよい。実施形態は、このプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体の形態としてもよい。
【０１３３】
その他、上記実施形態で説明した生体情報測定装置の構成は、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更してもよい。
【０１３４】
また、上記実施形態で説明したプログラムの処理の流れも、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。
【０１３５】
また、上記実施形態では、プログラムを実行することにより、実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。
【符号の説明】
【０１３６】
１     発光素子
３     受光素子
４     動脈
５     静脈
６     毛細血管
７     血球細胞
８     生体
１０Ａ、１０Ｂ生体情報測定装置
１２   発光制御部
１４   駆動回路
１６   増幅回路
１８   Ａ／Ｄ変換回路
２０   制御部
２０Ａ ＣＰＵ
２０Ｂ ＲＯＭ
２０Ｃ ＲＡＭ
２２   表示部
３０、３４    取得部
３２、３６    特定部 
４０   コヒーレント光
４２   散乱光
４４   矢印
【図１】
2019166145.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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