(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の或る一部位における容積脈波を検出する容積脈波検出部と、
上記容積脈波検出部で検出した上記一部位における容積脈波に含まれる駆出波成分を特定するための基準時間と上記容積脈波に含まれる反射波成分を特定するための基準時間とを検出する基準時間検出部と、
上記容積脈波検出部で検出した容積脈波に基づいて、上記基準時間検出部で検出した上記駆出波成分の基準時間に対応する上記駆出波成分による血管の容積の変化量と、上記基準時間検出部で検出した上記反射波成分の基準時間に対応する上記反射波成分による血管の容積の変化量を検出する容積変化量検出部と、
上記基準時間検出部で検出した上記駆出波成分の基準時間および上記反射波成分の基準時間と、脈波の伝搬距離と、上記容積変化量検出部で検出した上記駆出波成分による血管の容積の変化量および上記反射波成分による血管の容積の変化量とに基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を求める伝播速度検出部とを備えることを特徴とする脈波伝播速度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の脈波伝播速度測定装置において、
上記伝播速度検出部は、
上記容積変化量検出部で検出した上記容積脈波の極小点での値と上記駆出波成分の基準時間での上記容積脈波の値と上記反射波成分の基準時間での上記容積脈波の値とに基づいて、上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量との比率を求め、この比率と上記基準時間検出部で検出した上記駆出波成分の基準時間および上記反射波成分の基準時間に基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を求めることを特徴とする脈波伝播速度測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の脈波伝播速度測定装置において、
上記容積脈波検出部が検出する容積脈波は、生体の或る一部位における光電容積脈波であることを特徴とする脈波伝播速度測定装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の脈波伝播速度測定装置において、
上記伝播速度検出部は、
上記容積変化量検出部で検出した上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量との比率を求め、この比率と上記基準時間検出部で検出した上記駆出波成分の基準時間および上記反射波成分の基準時間に基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を求めることを特徴とする脈波伝播速度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、生体の脈波を測定することで、脈波の伝搬する速度を算出する脈波伝播速度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、脈波は生体の循環器系の状態を把握する上で様々な重要な情報を有していることが知られている。特に、生体の２箇所を脈波が伝播する速度および時間は動脈硬化状態などが把握できる可能性が指摘され、医療現場でも注目されている生体指標であり、それぞれ脈波伝播速度(ＰＷＶ:Ｐulse Ｗave Ｖelocity)、脈波伝播時間(ＰＴＴ:Ｐulse Ｔransit Ｔime)などと呼ばれている。
【０００３】
脈波伝播速度には、測定箇所に応じて複数の測定手法が提案されており、例えば、頚動脈と大腿動脈間の脈波伝播速度は、ｃｆＰＷＶ(carotid-ｆemoral ＰＷＶ)と呼ばれ、脈波伝播速度(ＰＷＶ)におけるゴールドスタンダードとして利用されている。
【０００４】
一般的に、上記脈波伝播速度(ＰＷＶ)を求めるには、２箇所の脈波測定点が必要である。
【０００５】
しかしながら、生体上のいずれの部位で測定された脈波であっても、心臓からの駆出波と生体内の様々な箇所から反射された反射波との合成波であることが知られている。そして、この駆出波と反射波とを分離することで、脈波の測定部位が１箇所であっても、脈波伝播速度あるいは脈波伝播時間を求めることができる可能性がある。
【０００６】
そこで、非特許文献１(Ｔakazawa Ｋ et al.”Ｕnderestimation of vasodilator effects of nitroglycerin by upper limb blood pressure”， Ｈypertension １９９５; ２６:５２０−３)では、駆出波と反射波を分離するための技術が開示されている。また、特許文献１(特許３４９５３４８号公報)や特許文献２(特開２００７−００７０７５号公報)では、駆出波と反射波を分離することによって、脈波の測定部位が１箇所であっても、脈波伝播速度あるいは脈波伝播時間を求めるための技術が開示されている。
【０００７】
一般的に、脈波は生体内の各所において反射が発生している。この脈波の反射は、血管のインピーダンス不整合が主因であり、例えば、血管の分岐や血管の弾性力の変化などが在る箇所において反射が発生する。
【０００８】
ここで、特許文献１でも述べられているように、駆出波と反射波を分離する際には、主たる反射点が腸骨動脈あるいは腹部大動脈周辺にあると仮定すると、生体各部で測定された脈波に対して、駆出波と反射波の分離がうまく行く。
【０００９】
また、脈波伝播速度あるいは脈波伝播時間は血圧と相関があり、特許文献２には、１箇所の測定部位から得られた脈波から脈波伝播速度あるいは脈波伝播時間を算出し、血圧を同定するための技術が開示されている。また、非特許文献２(ＭcＣombie，Ｄevin “Ｄevelopment of a wearable blood pressure monitor using adaptive calibration of peripheral pulse transit time measurements”，Ｐh.Ｄ. Ｔhesis， Ｍassachusetts Ｉnstitute of Ｔechnology，Ｄept. of Ｍechanical Ｅngineering，２００８.)には、２箇所の測定部位から得られた脈波から脈波伝播速度あるいは脈波伝播時間を算出し、血圧を同定するための技術が開示されている。
【００１０】
ところで、上述の特許文献１および２のいずれにおいても、１箇所の測定部位の脈波から脈波伝播速度あるいは脈波伝播時間を求めることができるとされているが、その前提として駆出波と反射波それぞれの脈波伝播速度が同じであることを前提にしている。この前提にしたがって、(1)１つの脈波を駆出波と反射波に分離して両者の基準時間差を求め、(2)脈波の駆出波と反射波のそれぞれが伝播する距離の差を求めている。この基準時間差と距離の差とから、脈波伝播速度あるいは脈波伝播時間を求めている。
【００１１】
しかしながら、実際には、駆出波の脈波伝播速度と反射波の脈波伝播速度は一致しない。何故ならば、駆出波の振幅と反射波の振幅は異なっているからである。前述の特許文献２に記載されている通り、脈波伝播速度は血圧と相関があるが、血圧は脈波の振幅に関係している。つまり、脈波伝播速度は脈波の振幅に関係しているのである。
【００１２】
上述の通り、反射波は反射点を腹部大動脈分岐周辺と想定することで脈波の波形形状をうまく説明できる。脈波の反射が起こる理由は、大動脈と腹部大動脈分岐におけるインピーダンス不整合があるためである。反射波は進行波が反射した波であるので、進行波の大きさと反射波の大きさは違う。したがって、駆出波と反射波の脈波伝播速度は異なるのである。
【００１３】
ところで、Ｂramwell-Ｈillの式によると脈波伝搬速度ＰＷＶは、次式(１０１)のように、血管の体積弾性率と血液の密度で求められることが知られている(非特許文献３(Nichols WW and O’Rourke MF , "McDonald’s blood flow in arteries. Theoretical, experimental and clinical principles." ４th edition,  Arnold, London, １９９８.)参照)。
ＰＷＶ＝(ｋ/ρ)１／２＝{(Ｖ×ｄＰ)／(ρ×ｄＶ)}１／２    … (１０１)
【００１４】
上式(１０１)において、ｋは血管の容積弾性率、ρは血液の密度、Ｖは血管の容積、ｄＰは拍動により血管に加わる圧力変化、ｄＶはｄＰの圧力変化に対する血管容積の変化量を表している。
【００１５】
よって、駆出波および反射波それぞれにおける血管容積の変化量を同定することができれば、駆出波と反射波の速度が異なることを考慮することが可能となり、より精度良く脈波伝搬速度を算出することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００３−１０１３９号公報
【特許文献２】特開２００７−７０７５号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Takazawa K et al., ”Underestimation of vasodilator effects of nitroglycerin by upper limb blood pressure”, Hypertension １９９５; ２６:５２０-３
【非特許文献２】McCombie, Devin, “Development of a wearable blood pressure monitor using adaptive calibration of peripheral pulse transit time measurements”,Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering,２００８.
【非特許文献３】Nichols WW and O’Rourke MF , "McDonald’s blood flow in arteries. Theoretical, experimental and clinical principles." ４th edition,  Arnold, London, １９９８.
【非特許文献４】Segers P, Rietzschel ER, et al. , “Noninvasive (input) impedance, pulse wave velocity, and wave reflection in healthy middle−aged men and women.”, Hypertension. ２００７;４９:１２４８-５５.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
そこで、この発明の課題は、脈波の駆出波の速度と反射波の速度とが異なることを考慮に入れて、脈波の駆出波の伝播速度を精度良く求めることが可能な脈波伝播速度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、この発明の脈波伝播速度測定装置は、生体の或る一部位における容積脈波を検出する容積脈波検出部と、
上記容積脈波検出部で検出した上記一部位における容積脈波に含まれる駆出波成分を特定するための基準時間と上記容積脈波に含まれる反射波成分を特定するための基準時間とを検出する基準時間検出部と、
上記容積脈波検出部で検出した容積脈波に基づいて、上記基準時間検出部で検出した上記駆出波成分の基準時間に対応する上記駆出波成分による血管の容積の変化量と、上記基準時間検出部で検出した上記反射波成分の基準時間に対応する上記反射波成分による血管の容積の変化量を検出する容積変化量検出部と、
上記基準時間検出部で検出した上記駆出波成分の基準時間および上記反射波成分の基準時間と、脈波の伝搬距離と、上記容積変化量検出部で検出した上記駆出波成分による血管の容積の変化量および上記反射波成分による血管の容積の変化量とに基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を求める伝播速度検出部とを備えることを特徴としている。
【００２０】
この発明の脈波伝播速度測定装置によれば、上記容積脈波検出部で生体の或る一部位における容積脈波を検出し、上記基準時間検出部で上記検出した容積脈波の駆出波成分の基準時間と反射波成分の基準時間とを検出し、さらに、上記容積変化量検出部で上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量とを求める。そして、上記伝播速度検出部は、上記容積脈波の駆出波成分の基準時間と反射波成分の基準時間と、脈波の伝搬距離と、上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量とに基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を求める。これにより、容積脈波の駆出波の脈波伝播速度と反射波の脈波伝播速度との違いを考慮した上でのより精度の高い駆出波の伝播速度を求めることができる。
【００２１】
また、一実施形態の脈波伝播速度測定装置では、上記伝播速度検出部は、
上記容積変化量検出部で検出した上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量との比率を求め、この比率と上記基準時間検出部で検出した上記駆出波成分の基準時間および上記反射波成分の基準時間に基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を求める。
【００２２】
この実施形態によれば、上記伝播速度検出部は、上記容積変化量検出部で求めた上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量との比率と上記基準時間検出部で検出した上記駆出波成分の基準時間および上記反射波成分の基準時間に基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を求める。これにより、容積脈波の駆出波の脈波伝播速度と反射波の脈波伝播速度との違いを考慮した上でのより精度の高い駆出波の伝播速度を求めることができる。
【００２３】
また、一実施形態の脈波伝播速度測定装置では、上記容積脈波検出部が検出する容積脈波は、生体の或る一部位における光電容積脈波である。
【００２４】
この実施形態によれば、上記容積脈波検出部が検出する光電容積脈波に基づき、駆出波の伝播速度を高い精度で求めることができる。
【００２５】
また、一実施形態の脈波伝播速度測定装置では、上記伝播速度検出部は、
上記容積変化量検出部で検出した上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量との比率を求め、この比率と上記基準時間検出部で検出した上記駆出波成分の基準時間および上記反射波成分の基準時間に基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を求める。
【００２６】
この実施形態によれば、上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量との比率と、上記駆出波成分の基準時間および上記反射波成分の基準時間に基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を高精度で求めることができる。
【００２７】
また、一実施形態の脈波伝播速度測定装置では、上記伝播速度検出部は、
上記容積変化量検出部で検出した上記光電容積脈波の極小点で値と上記駆出波成分の基準時間での上記光電容積脈波の値と上記反射波成分の基準時間での上記光電容積脈波の値とに基づいて、上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量との比率を求め、この比率と上記基準時間検出部で検出した上記駆出波成分の基準時間および上記反射波成分の基準時間に基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を求める。
【００２８】
この実施形態によれば、上記伝播速度検出部は、上記光電容積脈波の極小点で値と上記光電容積脈波の上記駆出波成分の基準時間での値と上記光電容積脈波の上記反射波成分の基準時間での値とに基づいて、上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量との比率をより正確に求めることができる。よって、上記伝播速度検出部は、上記比率と上記駆出波成分の基準時間および上記反射波成分の基準時間に基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度をより正確に求めることができる。
【発明の効果】
【００２９】
この発明の脈波伝播速度測定装置発によれば、伝播速度検出部は、容積脈波の駆出波成分の基準時間と反射波成分の基準時間および上記駆出波成分による血管の容積の変化量と上記反射波成分による血管の容積の変化量とに基づいて、上記容積脈波の駆出波の伝播速度を求めるので、容積脈波の駆出波の脈波伝播速度と反射波の脈波伝播速度との違いを考慮した上でのより精度の高い駆出波の伝播速度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態としての脈波伝播速度測定装置のブロック図である。
【図２Ａ】上記実施形態の脈波検出部で検出した容積脈波の波形を(Ａ)欄に示し、上記容積脈波の加速度波形を(Ｂ)欄に示す波形図である。
【図２Ｂ】上記脈波検出部で検出した脈波の３回微分波形を(Ａ)欄に示し、上記脈波の４回微分波形を(Ｂ)欄に示す波形図である。
【図３】上記脈波の波形および上記脈波の基準点Ｑ１,Ｑ２での脈波の振幅Ｗ１,Ｗ２を示す波形図である。
【図４】上記脈波の波形および上記脈波の駆出波成分Ｓ１と反射波成分Ｓ２を示す波形図である。
【図５】上記脈波の駆出波が伝播する距離と上記脈波の反射波が伝播する距離との距離差を説明する模式図である。
【図６】上記脈波の駆出波と反射波の速度差を説明する模式図である。
【図７】ランベルト・ベール(Ｌambert-ｂeer)の法則を説明する模式図である。
【図８Ａ】光電容積脈波形の極小点,駆出点,反射点を示す波形図である。
【図８Ｂ】上記光電容積脈波形の極小点における血管径光の透過光量Ｉｍをモデル化した模式図である。
【図８Ｃ】上記光電容積脈波形の駆出波成分の極大点における血管径と光の透過光量Ｉｆをモデル化した模式図である。
【図８Ｄ】上記光電容積脈波形の反射波成分の極大点における血管径と光の透過光量Ｉｒをモデル化した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３２】
図１は、本発明の実施形態としての脈波伝播速度測定装置１００のブロック図である。
【００３３】
この脈波伝播速度測定装置１００の主な構成要素は、容積脈波検出部１１０と、駆出波・反射波情報抽出部１２０と、脈波伝播速度検出部１３０である。
【００３４】
上記容積脈波検出部１１０は、生体の所定部位における容積脈波を検出する。この容積脈波検出部１１０による容積脈波の検出方法には、種々様々な方法がある。例えば、カフを生体組織に巻いて生体組織内の血液容積変化を測定するカフ容積脈波法や、発光素子から出力される赤外光が血管内の血液量に応じて反射あるいは吸収される度合いを受光素子で測定する光電容積脈波法などがある。また、上記容積脈波検出部１１０によって脈波を測定する生体部位は、特に大きな制限事項があるわけではないが、でき得るなら、非侵襲,非拘束であることが望ましく、例えば、指尖,手首,上腕,耳朶などが好ましい。
【００３５】
上記駆出波・反射波特徴情報抽出部１２０は、基準時間検出部１２１と容積変化量検出部としての脈波振幅検出部１２２とからなる。
【００３６】
上記基準時間検出部１２１は、容積脈波検出部１１０で検出した上記脈波に含まれる駆出波成分を特定するための基準時間と上記脈波に含まれる反射波成分を特定するための基準時間とを検出する。
【００３７】
この基準時間検出部１２１が上記基準時間を求める過程の一例を以下に説明する。まず、図２の(Ａ)欄に、上記容積脈波検出部１１０で検出した脈波の波形の一例を示す。図２の(Ａ)欄における縦軸は脈波の振幅(ｍｍＨｇ)に対応する測定電圧値(Ｖ)である。
【００３８】
上記基準時間検出部１２１は、例えば、上記脈波が、Ｍｕｒｇｏらによる血圧波形分類のＴｙｐｅＣの場合は、図２Ａの(Ａ)欄に示される脈波の波形における収縮期の極大点Ｑ１の時間Ｔ１を駆出波成分の基準時間Ｔ１として検出する。図２Ａの(Ｂ)欄には、上記脈波の加速度波を示し、図２Ｂの(Ａ)欄には、上記脈波の３回微分波を示している。そして、上記基準時間検出部１２１は、例えば、上記脈波が、Ｍurgoらによる血圧波形分類のＴｙｐｅＣの場合は、図２Ｂの(Ｂ)欄に示される脈波の４次微分波の下向き第３ゼロクロスポイントＱ２を反射波成分の基準時間Ｔ２として検出する。なお、この第３ゼロクロスポイントＱ２は、図２Ａの(Ａ)欄に示す脈波が極小値になった以降に、図２Ｂの(Ｂ)欄に示す４回微分波形が３回目に下向きにゼロクロスするポイントを意味する。
【００３９】
なお、上述の説明では、上記検出した脈波が上記血圧波形分類のＴｙｐｅＣである場合について説明したが、上記検出した脈波が上記血圧波形分類のＴｙｐｅＣ以外の波形形状である場合には、より好適に脈波の駆出波成分の基準時間と反射波成分の基準時間を特定できる手法があればそれを採用してもよい。例えば、脈波は、大きな血圧変動がなければ、基本的にそれほど大きな波形変化を示すわけではないので、測定した複数の脈波を重ね合わせる(加算平均)ことで、脈波検出精度の改善を図ることが可能になる。
【００４０】
また、脈波は、ノイズレベル、年齢,性別,疾病の有無,体調などに応じて、様々な波形形状を示すことから、より好適に脈波の駆出波成分の基準時間と反射波成分の基準時間を特定できる手法があればそれを採用してもよい。例えば、検出した脈波を、その時点の被測定者の状態と合わせて履歴として残すことで、脈波の駆出波成分の基準時間と反射波成分の基準時間を特定する精度の改善を図れる。
【００４１】
また、上記駆出波・反射波情報抽出部１２０は、容積変化量検出部としての脈波振幅検出部１２２を有する。この脈波振幅検出部１２２は、図３の脈波波形図に例示するように、上記基準時間検出部１２１で検出した上記駆出波成分の基準時間Ｔ１に対応する上記脈波Ｓの振幅Ｗ１を検出すると共に上記基準時間検出部２で検出した上記反射波成分の基準時間Ｔ２に対応する上記脈波Ｓの振幅Ｗ２を検出する。なお、容積脈波において脈波振幅情報としての上記脈波Ｓの振幅Ｗ１,Ｗ２は、容積変化量の情報を表している。
【００４２】
さらに、上記駆出波・反射波情報抽出部１２０は、駆出波成分除去部１２３を有する。この駆出波成分除去部１２３は、図４に示すように、上記反射波成分Ｓ２の基準時間Ｔ２に対応する上記脈波Ｓの振幅Ｗ２から上記脈波Ｓの振幅Ｗ２に含まれている駆出波成分Ｓ１を除去して、上記反射波成分Ｓ２の基準時間Ｔ２に対応する上記反射波成分Ｓ２の振幅Ｗ３を求める。この反射波成分Ｓ２の基準時間Ｔ２に対応する上記反射波成分Ｓ２の振幅Ｗ３を求める手法としては、例えば、Ｗｉｎｄｋｅｓｓｅｌモデル等を用いて、脈波における駆出波の減少度合いをモデル化し、反射波成分Ｓ２の基準時間Ｔ２の周辺で測定された脈波振幅から駆出波Ｓ１の残存成分を減算する方法等が考えられる。当然ながら、より正確に駆出波Ｓ１の残存成分を特定できる手法があれば採用してもよい。
【００４３】
ところで、駆出波の伝播速度ＰＷＶｆと反射波の伝播速度ＰＷＶｒを、Ｂramwell-Ｈillの式によって、定式化すると次式(１),(２)のようになる。
ＰＷＶｆ＝{(Ｖ×ΔＰｆ)／(ρ×ΔＶｆ)}１／２        … (１)
ＰＷＶｒ＝{(Ｖ×ΔＰｒ)／(ρ×ΔＶｒ)}１／２        … (２)
【００４４】
次式(１),(２)において、駆出波伝播速度ＰＷＶｆは駆出波のみの脈波伝搬速度、Ｖは血管容積、ρは血液密度、ΔＰｆは駆出波による圧力変化量、ΔＶｆは駆出波による容積変化量である。また、反射波伝播速度ＰＷＶｒは反射波のみの脈波伝搬速度、ΔＰｒは反射波による圧力変化量、ΔＶｒは反射波による容積変化量を表している。
【００４５】
この２つの式(１),式(２)をそれぞれ２乗して除算することにより、次式(３)が得られる。
(ＰＷＶｒ)２/(ＰＷＶｆ)２＝(ΔＰｒ×ΔＶｆ)/(ΔＰｆ×ΔＶｒ) … (３)
【００４６】
この式(３)における、ΔＰｒ/ΔＰｆとは、駆出波と反射波の血圧値の比を表している。反射波は、駆出波が腹部・腸骨大動脈のインピーダンス不整合部で反射した波である。このため、上記ΔＰｒ/ΔＰｆは、腹部・腸骨大動脈のインピーダンス不整合部での反射率を表している。非特許文献４(Segers P, Rietzschel ER, et al. , ”Noninvasive (input) impedance, pulse wave velocity, and wave reflection in healthy middle-aged men and women.”, Hypertension.２００７;４９:１２４８-５５.)によると、腹部・腸骨大動脈インピーダンス不整合部での反射率の個人差,年齢差,性差はほとんど無く、反射率は０.４ぐらいということが実験によって確かめられている。
【００４７】
したがって、上式(３)において、(ΔＰｒ/ΔＰｆ)＝ｒ≒０.４とすると、次式(３)’が得られる。
(ＰＷＶｒ)２/(ＰＷＶｆ)２＝ｒ×(ΔＶｆ/ΔＶｒ)          … (３)’
≒０.４×(ΔＶｆ/ΔＶｒ)        … (３)”
【００４８】
上述したように、上式(３)’において、ΔＶｆは駆出波による容積変化量であり、ΔＶｒは反射波による容積変化量である。そして、この駆出波による容積変化量ΔＶｆは、上記駆出波成分の基準時間Ｔ１に対応する上記脈波Ｓの駆出波成分Ｓ１の振幅Ｗ１に相当し、上記反射波による容積変化量ΔＶｒは上記反射波成分の基準時間Ｔ２に対応する上記脈波Ｓの反射波成分Ｓ２の振幅Ｗ３に相当している。
【００４９】
したがって、上記脈波伝播速度検出部１３０は、上記脈波振幅検出部１２２から得られる上記駆出波成分Ｓ１の時間基準Ｔ１に対応する駆出波成分Ｓ１の振幅Ｗ１を反射波成分Ｓ２の時間基準Ｔ２に対応する反射波成分Ｓ２の振幅Ｗ３を除算することで、上式(３)’の(ΔＶｆ/ΔＶｒ)を算出できる。これにより、上記脈波伝播速度検出部１３０は、上式(３)’から、駆出波伝播速度ＰＷＶｆと反射波伝搬速度ＰＷＶｒとの比率ＰＷＶｒ/ＰＷＶｆを算出できる。
【００５０】
次に、上記脈波伝播速度検出部１３０が、上述のように算出した駆出波伝播速度ＰＷＶｆと反射波伝搬速度ＰＷＶｒとの比率(ＰＷＶｒ/ＰＷＶｆ)から、駆出波伝播速度ＰＷＶｆを算出する過程を説明する。
【００５１】
先ず、前述の如く、容積脈波検出部１１０は、生体の一箇所における測定部位の脈波を検出する。この検出した脈波を基に脈波伝搬速度を同定するために、上記基準時間検出部１２１は、脈波Ｓの駆出波成分Ｓ１の基準時間Ｔ１と脈波Ｓの反射波成分Ｓ２の基準時間Ｔ２とを求める。また、上記脈波振幅検出部１２２は、上記時間基準Ｔ１に対応する駆出波成分Ｓ１の振幅Ｗ１と時間基準Ｔ２に対応する反射波成分Ｓ２の振幅Ｗ３を求める。
【００５２】
次に、図５に示すように、人体の心臓５１０から腹部大動脈分岐部５２０までの距離をｈ(ｍ)とし、駆出波成分Ｓ１の基準時間Ｔ１と反射波成分Ｓ２の基準時間Ｔ２との時間差(Ｔ２−Ｔ１)をＰＴＴ(秒)とすると、脈波は、２ｈ(ｍ)の距離をＰＴＴ(秒)掛かって伝搬していることになる。よって、脈波伝搬速度ＰＷＶｐは次式(４)によって求めることができる。
ＰＷＶｐ ＝２ｈ/(Ｔ２−Ｔ１)
＝２ｈ/ＰＴＴ                 … (４)
【００５３】
しかし、上式(４)で算出される脈波伝搬速度ＰＷＶｐは、図６に示す駆出波６１０の駆出波伝播速度ＰＷＶｆと反射波６２０の反射波伝搬速度ＰＷＶｒとの速度差が考慮されていない。そこで、脈波伝搬速度ＰＷＶｐは駆出波６１０の駆出波伝播速度ＰＷＶｆと反射波６２０の反射波伝搬速度ＰＷＶｒとを平均した速度と考えると、次式(５)が得られる。
(ＰＷＶｆ＋ＰＷＶｒ)/２＝ＰＷＶｐ               … (５)
【００５４】
一方、前述のようにして得た駆出波伝播速度ＰＷＶｆと反射波伝搬速度ＰＷＶｒとの比率(ＰＷＶｒ/ＰＷＶｆ)を求める式(３)’から、次式(３)'''が得られる。
ＰＷＶｒ＝(ｒ・(ΔＶｆ/ΔＶｒ))１／２・ＰＷＶｆ      … (３)'''
【００５５】
そして、この式(３)'''による反射波伝搬速度ＰＷＶｒを、上式(５)に代入することにより、駆出波の伝播速度ＰＷＶｆを表す次式(６)が得られる。
ＰＷＶｆ＝{１＋(ｒ・(ΔＶｆ/ΔＶｒ))１／２}−１・２ＰＷＶｐ    … (６)
【００５６】
この式(６)において、ｒは、個人差が殆どなく略一定(例えば、０.４)とみなすことが可能である。また、ΔＶｆは容積脈波における駆出波成分Ｓ１の基準時間Ｔ１での振幅Ｗ１に相当し、ΔＶｒは容積脈波における反射波成分Ｓ２の基準時間Ｔ２での振幅Ｗ３に相当する。また、上記伝播速度ＰＷＶｐは、上述の式(４)から、ＰＷＶｐ＝２ｈ/(Ｔ２−Ｔ１)で算出できる。
【００５７】
このように、上記脈波伝播速度検出部１３０は、駆出波成分Ｓ１の基準時間Ｔ１と反射波成分Ｓ２の基準時間Ｔ２と基準時間Ｔ１に対応する駆出波成分Ｓ１の振幅Ｗ１と基準時間Ｔ２に対応する反射波成分Ｓ２の振幅Ｗ３とに基づいて、駆出波の伝播速度ＰＷＶｆを求めることが可能になる。
【００５８】
ところで、光電脈波形において、上述の如く、光電脈波の駆出波,反射波のそれぞれの基準時間Ｔ１,Ｔ２における振幅Ｗ１,Ｗ３の比率Ｗ１/Ｗ３で容積変化の比率ΔＶｆ/ΔＶｒを代表させた場合、光電脈波形においては、容積変化の比率ΔＶｆ/ΔＶｒを十分正確に同定できない場合もある。
【００５９】
そこで、以下では、光電脈波形において、駆出波,反射波それぞれの血管容積変化ΔＶｆ,ΔＶｒの比率ΔＶｆ/ΔＶｒをより正確に導出する方法について説明する。光電容積脈波法は、拍動による血管容積の変化を光の吸収の変化として検出するものである。
【００６０】
一般に或る物質に対して光を入射させた時の光の透過量はランベルト・ベール(Ｌambert-ｂeer)の法則により次式(７)で表すことができる。
log(Ｉｄ/Ｉ０)＝α・ｄ                    … (７)
【００６１】
上式(７)において、Ｉ０は入射光量、Ｉｄは透過光量、ｄは物質の厚み、αは吸光係数である(図７を参照)。
【００６２】
生体組織において、７００ｎｍ〜９００ｎｍの波長の光は「生体の窓」とも呼ばれており、生体中の吸光成分は血液中の酸素化ヘモグロビン、および還元ヘモグロビンの２つだけと仮定することができる。また、酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの比率である酸素飽和度は動脈と静脈で異なる。健常時での動脈の酸素飽和度は約９９％であり、静脈の酸素飽和度は約７５％である。
【００６３】
したがって、生体組織におけるこの波長域での光の吸光量を定式化すると、次式(８)のようになる。
log(Ｉ/Ｉo)＝αＨｂＯ・ｄａ・Ｓａ＋αＨｂ・ｄａ・(１−Ｓａ)
＋αＨｂＯ・ｄｖ・Ｓｖ＋αＨｂ・ｄｖ・(１−Ｓｖ)   … (８)
【００６４】
上式(８)において、Ｉoは光の入射光量、Ｉは光の透過光量、αＨｂＯは酸素化ヘモグロビンの吸光係数、ｄａは動脈の血管径、Ｓａは動脈における酸素飽和度、αＨｂは還元ヘモグロビンの吸光係数、ｄｖは静脈の血管径、Ｓｖは静脈における酸素飽和度を表している。
【００６５】
次に、図８Ａに、脈波形８００の極小点８１０,駆出点８２０,反射点８３０を示す。また、図８Ｂ〜図８Ｄに、駆出波,反射波による生体中の血管径の変化と各血管径での透過光量の変化を模式的に示す。図８Ａにおいて、符号８００で示される脈波形は、或る測定部位で測定された光電脈波波形を表している。図８Ａには、光電脈波形８００の極小点８１０、光電脈波形８００の駆出波成分の極大点８２０と、光電脈波形８００の反射波成分の極大点８３０を示している。
【００６６】
また、図８Ｂは、図８Ａの光電脈波形８００の極小点８１０の時点における動脈の血管径ｄａ,静脈の血管径ｄｖと光の透過光量Ｉｍをモデル化した模式図である。また、図８Ｃは、図８Ａの光電脈波形８００の駆出波成分の極大点８２０の時点における血管径(ｄａ＋Δｄｆ),ｄｖと光の透過光量Ｉｆをモデル化した模式図である。また、図８Ｄは、図８Ａの光電脈波形８００の反射波成分の極大点８３０の時点における血管径(ｄａ＋Δｄｒ),ｄｖと光の透過光量Ｉｒをモデル化した模式図である。なお、脈波一拍の期間では、動脈の酸素飽和度Ｓａ、静脈の容積および酸素飽和度量Ｓｖが変化しないと仮定する。
【００６７】
次に、図８Ｂ,図８Ｃ,図８Ｄの模式図を基に、ランバート・ベールの式により、光の透過量を定式化する。
【００６８】
図８Ａに示す光電脈波８００の極小点８１０では、心臓が収縮し始めた時の血管における光の透過量を測定している(図８Ｂ参照)。その時点での光の吸光量を定式化すると、上式(８)を用いて、次式(９)となる。
log(Ｉｍ/Ｉo)＝αＨｂＯ・ｄａ・Ｓａ＋αＨｂ・ｄａ・(１−Ｓａ)
＋αＨｂＯ・ｄｖ・Ｓｖ＋αＨｂ・ｄｖ・(１−Ｓｖ)  … (９)
【００６９】
上式(９)において、Ｉｍは、図８Ａに示す脈波の極小点８１０の時点における透過光量である。
【００７０】
次に、図８Ａに示す光電脈波８００の極大点８２０では駆出波のピーク時での血管における光の透過光量Ｉｆを測定している(図８Ｃ参照)。この極大点８２０において、図８Ｃに示すように、駆出波の圧力変化分だけ血管容積すなわち血管径が変化し、その変化量分Δｄｆだけ光電脈波の透過光量は変化する。すなわち、次式(１０)となる。
log(Ｉｆ/Ｉo)＝αＨｂＯ・(ｄａ＋Δｄｆ)・Ｓａ
＋αＨｂ・(ｄａ＋Δｄｆ)・(１−Ｓａ)
＋αＨｂＯ・ｄｖ・Ｓｖ
＋αＨｂ・ｄｖ・(１−Ｓｖ)              … (１０)
【００７１】
上式(１０)において、Ｉｆは、図８Ａに示す脈波波形８００の駆出波成分の極大点８２０で示す時点における透過光量であり、Δｄｆは駆出波の圧力変化による血管径の変化量である。
【００７２】
そして、図８Ａに示す光電脈波形の反射波成分の極大点８３０では、反射波のピーク時での血管容積における光の透過光量Ｉｒを測定している(図８Ｄ参照)。この反射波成分の極大点８３０付近では、図８Ｄに示すように、反射波の圧力変化分だけ血管容積すなわち血管径が変化し、この血管径の変化量分Δｄｒだけ光電脈波の透過光量は変化する。
log(Ｉｒ/Ｉo)＝αＨｂＯ・(ｄａ＋Δｄｒ)・Ｓａ
＋αＨｂ・(ｄａ＋Δｄｒ)・(１−Ｓａ)
＋αＨｂＯ・ｄｖ・Ｓｖ
＋αＨｂ・ｄｖ・(１−Ｓｖ)              … (１１)
【００７３】
この式(１１)において、Ｉｒは、図８Ａに示す脈波波形８００の反射波成分の極大点８３０の時点における透過光量であり、Δｄｒは反射波の圧力変化による血管径の変化量を示している。
【００７４】
上述の式(９)、式(１０)、式(１１)を基に、駆出波と反射波の容積変化の比ΔＶｆ/ΔＶｒを求めると以下の式(１２)〜式(１４)のようになる。すなわち、式(９)と式(１０)から次式(１２)が得られ、式(９)と式(１１)から次式(１３)が得られる。
log(Ｉｆ/Ｉo)−log(Ｉｍ/Ｉo)＝αＨｂＯ・Δｄｆ・Ｓａ
＋αＨｂ・Δｄｆ・(１−Ｓａ)  …(１２)
log(Ｉｒ/Ｉo)−log(Ｉｍ/Ｉo)＝αＨｂＯ・Δｄｒ・Ｓａ
＋αＨｂ・Δｄｒ・(１−Ｓａ)  … (１３)
【００７５】
そして、式(１２),式(１３)から次式(１４)が得られる。
ΔＶｆ/ΔＶｒ≒Δｄｆ/Δｄｒ＝log(Ｉｆ/Ｉｍ)/log(Ｉｒ/Ｉｍ)  … (１４)
【００７６】
したがって、上記脈波振幅検出部１２２により、収縮開始点(光電脈波８００の極小点８１０)での透過光量Ｉｍと、駆出波成分,反射波成分における基準時間Ｔ１,Ｔ２での透過光量Ｉｆ,Ｉｒを検出することによって、上記脈波伝播速度検出部１３０は、上記透過光量Ｉｍ,Ｉｆ,Ｉｒに基づいて上式(１４)から駆出波による容積変化量ΔＶｆと反射波による容積変化量ΔＶｒの比率ΔＶｆ/ΔＶｒを算出することができる。よって、上記脈波伝播速度検出部１３０は、上式(１４)により算出した比率ΔＶｆ/ΔＶｒを上式(６)に代入することにより、駆出波の速度ＰＷＶｆを算出することが可能となる。なお、上記脈波振幅検出部１２２は、上記容積脈波検出部１３０を構成する受光素子が出力する脈波検出信号により、収縮開始時点における透過光量Ｉｍ、駆出波成分,反射波成分における基準時間Ｔ１,Ｔ２における透過光量Ｉｆ,Ｉｒを検出できる。
【符号の説明】
【００７７】
１００  脈波伝播速度測定装置
１１０  容積脈波検出部
１２０  駆出波・反射波情報抽出部
１２１  基準時間検出部
１２２  脈波振幅検出部
１２３  駆出波成分除去部
１３０  脈波伝播速度検出部
５１  心臓
５３  腹部大動脈分岐部
ｈ  心臓から腹部大動脈分岐部までの距離
Ｑ１  収縮期の極大点
Ｑ２  ４次微分波の第３ゼロクロスポイント
Ｓ  脈波
Ｓ１  駆出波成分
Ｓ２  反射波成分
Ｔ１  駆出波成分の基準時間
Ｔ２  反射波成分の基準時間
Ｗ１  基準時間Ｔ１に対応する脈波Ｓ(駆出波成分Ｓ１)の振幅
Ｗ２  基準時間Ｔ２に対応する脈波Ｓの振幅
Ｗ３  基準時間Ｔ２に対応する反射波成分Ｓ２の振幅
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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