(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体情報読取を行う生体情報読取装置であって、
生体からの生体信号を取得する生体信号取得部と、前記生体信号取得部が取得した生体信号に重畳する外乱成分を除去する外乱除去部と、前記外乱除去部が外乱を除去した前記生体信号に基づいて脈波波形または血圧を演算する生体情報演算部と、を具備し、
前記生体信号取得部は複数の多軸圧力センサを具備し、
前記生体信号取得部の前記多軸圧力センサは、血管直上に配置されて脈波を検出する脈波検出センサと、前記脈波検出センサとは異なる位置に配置されて体動の慣性力を検出する慣性力検出センサとを含み、
前記脈波検出センサと前記慣性力検出センサとは、相互の位置関係を固定せずに皮膚の弾性を失わないようにそれぞれ個別に皮膚上に固定され、
前記外乱除去部は、前記脈波検出センサが検出した脈波成分から各軸ごとに前記慣性力検出センサの検出する体動による慣性力の成分を除去する、
ことを特徴とする生体情報読取装置。
【請求項２】
請求項１に記載の生体情報読取装置であって、
前記多軸圧力センサは、ＭＥＭＳ式センサである
ことを特徴とする生体情報読取装置。
【請求項３】
請求項１に記載の生体情報読取装置であって、
前記多軸圧力センサは、静電容量式センサである
ことを特徴とする生体情報読取装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサで生体信号としての脈波を読み取る生体情報読取装置に関する。特に脈波波形によって血圧を測定する生体情報読取装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、血圧測定方法として、オシロメトリック法とトノメトリ法が知られている。オシロメトリック法は、上腕や手首にカフを巻いて、血管を圧迫し、一旦血液の流れを止めてから、カフの圧力をゆるめて減圧していく過程で、心臓の脈動に同調した血管壁の振動を反映したカフ圧をチェックして血圧値を測定するものである。このカフを用いるオシロメトリック法による血圧測定は、非観血かつ非侵襲であり近年では機械による自動測定も可能となっており、気軽に血圧測定を行うことができる。しかし、血圧測定用の装置は携行用途としては大きい上に測定に必要な時間も数十秒〜１分と長く、更に血圧測定の間は安静にしていなくてはならないため、血圧測定の頻度が日常生活に支障を来してしまう問題がある。
【０００３】
トノメトリ法は、動脈に偏平な接触圧をもつセンサを押し当てて、そのセンサに抗して脈動する動脈の内圧の変動を測定して血圧値を得る方法である。トノメトリ法での血圧測定の概念図を図１１に示す。人間の手首附近の断面模式図であり、撓骨の上に撓骨動脈があり、その直上の皮膚の上にセンサアレイが載置されている様子を意味する。センサアレイは一般に平面状であり、これを皮膚に押圧する際にはセンサ接触面と対向する皮膚も平面状に押し広げられる。
【０００４】
センサアレイには、複数のセンサがその名のとおりアレイ状に配置されており、撓骨動脈直上附近のセンサが動脈の脈波を最も広いダイナミックレンジで捉えることができる。よって、センサアレイがある程度以上の大きさであれば、血管の位置を大まかに把握してセンサアレイを装着し、各センサから得られた信号のうち最もダイナミックレンジの大きなものを採用すれば良い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２３９８４０号公報
【特許文献２】特開２００５−２５３８６５号公報
【特許文献３】特開２００７−００７０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１（特開２０１１−２３９８４０号公報）は、３軸圧力センサを利用して既存のトノメトリ法のセンサの押圧方向を補正する技術が開示されている。しかし、測定装置の装着自由度の向上や測定安定度の向上などについては示唆がなく、連続して安定した血圧測定を行う環境を産み出すものとなっていない。
【０００７】
また、特許文献２（特開２００５−２５３８６５号公報）には、生体情報取得センサとは別に加速度センサを設けて、体動を検知する技術が開示されている。しかしながら、体動が検知できたとしても体動時の脈波波形を無効と取扱うだけであれば、常時体を動かすような状況（スポーツなど）では利用できないこととなり、連続した血圧測定の要求に応えることができない。
【０００８】
また、異なる例として特許文献３（特開２００７−００７０７５号公報）によって、脈波から血圧値を演算する技術が開示されている。しかしながら、脈波が安定して取得できることが前提での演算であり、日常生活を送る人間の脈波を取得するのが困難であるという事情を一切考慮しておらず、やはり連続した血圧測定の要求に応えることができない。
【０００９】
このように、従来の技術では、疾病の重要な予測要因であり且つ周囲環境や身体・精神状態により短期・突発的に生ずる血圧変動を精度よく捉えることができない。このため、体動があってもこれらの外乱を除去してさらなる高精度な測定が可能な方法が求められている。
【００１０】
本発明は、人体に装着して常時連続して生体情報である脈波信号を取得可能であり、かつ体動等による外乱の影響をできるだけ除去して高精度な測定が可能な生体情報読取装置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】
【００１１】
本発明の第一の側面は、生体情報読取を行う生体情報読取装置であって、生体からの生体信号を取得する生体信号取得部と、生体信号取得部が取得した生体信号に重畳する外乱成分を除去する外乱除去部と、外乱除去部が外乱を除去した生体信号に基づいて脈波波形または血圧を演算する生体情報演算部と、を具備し、生体信号取得部は複数の多軸圧力センサを具備し、生体信号取得部の多軸圧力センサは、血管直上に配置されて脈波を検出する脈波検出センサと、脈波検出センサとは異なる位置に配置されて体動の慣性力を検出する慣性力検出センサとを含み、脈波検出センサと慣性力検出センサとは、相互の位置関係を固定せずに皮膚の弾性を失わないようにそれぞれ個別に皮膚上に固定され、外乱除去部は、脈波検出センサが検出した脈波成分から各軸ごとに慣性力検出センサの検出する体動による慣性力の成分を除去する、ことを特徴とする。
【００１７】
また、前記多軸圧力センサは、ＭＥＭ式センサであり、あるいは静電容量式センサであることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、高精度で連続した脈波信号の測定が実現でき、結果として常時連続した生体情報取得が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態の脈波波形取得装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第一の実施形態の概念を示す図である。
【図３】本発明の第一の実施形態のセンサの配置を示す図である。
【図４】本発明の第一の実施形態の信号処理の概念を示す図である。
【図５】本発明の第二の実施形態のセンサの配置を示す図である。
【図６】本発明の第二の実施形態の脈波波形取得装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第二の実施形態の体動の影響によるセンサが検出する力を説明する図である。
【図８】本発明の第二の実施形態の信号処理を説明する図である。波形ａは、脈波検出センサの出力波形、波形ｂは、慣性力検出センサの出力波形、波形ｃは、較正後の出力波形を示す。
【図９】体位による血圧の変化を示す図である。
【図１０】脈波立ち上がり時間と血圧値の相関を示す図である。
【図１１】センサアレイを用いる従来技術を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
詳細な説明の前に、本明細書内で共通の事項について説明する。
本発明において、側脈波とは、血管の圧力で検出した脈波をいい、安定側脈波とは、センサの位置ズレ及び体動の影響が除去された側脈波を意味するものとする。
【００２２】
図１は、本発明の第一の実施形態の生体情報としての脈波取得装置の構成を示すものである。この脈波取得装置は、図１に示すように、人体の脈波を取得する検出部のセンサとして、直交するＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の圧力を検出する直交３軸圧力センサ１１を備えたものである。直交３軸圧力センサ（以下３軸圧力センサという）は、弾性体１２を介して装着体１３に取り付けられる。装着体１３は、３軸圧力センサ１１を測定すべき人体の手首の撓骨動脈の近傍の皮膚に密着するように押し当てるためのものである。図２は、装着体１３に３軸圧力センサ１１が取り付けられた状態を示すものである。装着体１３は、人体の手首の皮膚に３軸圧力センサ１１を接触させることができる湾曲した樹脂構造のものであり、その平坦な内面部分に３軸圧力センサ１１が取り付けられて、３軸圧力センサを手首に固定できる。３軸圧力センサ１１の装着体１３への取り付けは、３軸圧力センサ１１が皮膚に適切な圧力で押し当てられるように、弾性体１２を介して取り付けられている。
【００２３】
装着体１３は、従来の一方が開口して、手首に嵌めて３軸圧力センサ１１を手首の皮膚に押し当てて固定するために、手首にはめたときに固定するためのバンドを備えている。この手首への固定構造は、脈波を取得するために手首に嵌める従来のカフと機能としては変わらない。また、装着体１３はカフと同様に柔軟な素材のたとえば布製のものでもよく、３軸圧力センサ１１を適切な圧力で皮膚に接することができる構造であればよい。
【００２４】
図１は、本実施の形態の脈波読取装置のブロック構成を示すものである。本実施形態の脈波読取装置は、装着体１３に取り付けられた３軸圧力センサ１１の検出出力が入力され、検出した３軸の圧力情報から外乱を除去して脈波波形や血圧を演算する信号処理部２１、信号処理部２１で血圧を演算するためのパラメータや演算式等の情報、演算結果の波形データや３軸圧力センサ１１からのデータ等を記憶する記憶部２２、取得した脈波波形や脈波から推定演算した血圧情報を表示し、あるいは操作指示等の操作情報を表示する表示部２３、検出開始や終了等の操作情報を入力する操作部２４を備える。
３軸圧力センサは、請求項でいう生体信号取得部に相当し、信号処理部２１、記憶部２２は、請求項でいう外乱除去部および生体情報を演算する生体情報演算部に相当し、脈波読取装置は生体情報読取装置に相当する。
ここで、表示部２３、操作部２４は一体化してもよい。たとえば操作入力をタッチパネル方式の入力方式とすれば、表示と操作入力とを一体化できる。
【００２５】
信号処理部２１、記憶部２２、表示部２３、操作部２４は、装着体１３とは別の筐体に収納することができるが、小型化した場合には、装着体１３に設けてもよい。また、筐体には、図示しないが、脈波取得装置を動作させる電源を有する。電源は、電池を用いてもよいし、商用電源から取得してもよい。
【００２６】
この脈波読取装置は、図示しない外部インタフェースを備えており、信号処理部２１の出力は、図示しない外部インタフェースを介して、外部の装置に出力することができる。外部インタフェースは、脈波読取装置を患者のモニタ装置として用いる場合、あるいは運動時の脈波波形を取得する等、外部装置で脈波波形を収集する場合に使用することができる。
【００２７】
図２は、本実施形態の脈波読取装置で取得する脈波の測定原理を説明する図である。手首の撓骨動脈の近傍の皮膚表面に３軸圧力センサ１１を置き、ＸＹＺの３軸方向の圧力を検出する。Ｚ軸方向が手首の皮膚表面の上方向、すなわち、動脈圧が皮膚方向に押す方向であり、Ｘ軸方向は、手首の横方向、Ｙ軸方向は手首の縦方向になる。
【００２８】
外乱の除去について図３と図４を用いて説明する。
上述のようにセンサとして３軸圧力センサを１つ用い、外乱として体動によって取得する脈波波形が乱れるものを想定している。
図３にある通り、３軸圧力センサ１１が撓骨動脈の直上に配置されている。このとき、Ｘ軸方向に体動が発生したものとする。３軸圧力センサ１１の脈波波形信号として、Ｚ軸センサ信号とＸ軸センサ信号とに着目する。Ｚ軸センサ信号は脈波波形取得に適しており、Ｘ軸センサ信号はＸ方向の体動成分取得に適している。
【００２９】
そこで、図４に示すように、３軸圧力センサの出力信号のうち、Ｚ軸センサの出力とＸ軸センサの出力を演算増幅器２１１に入力して、Ｘ軸方向で生じた体動成分を除去する。これにより、図４に示すように演算増幅器２１１の出力信号から体動成分を除去することができる。
【００３０】
脈波は血流の増減によって発生するので血管断面を基準に見ると径方向へ伸縮する態様となり、血管の中心から外側へ略等方向の圧力波が発生することになる。よって、血管至近の皮膚上においては３軸圧力センサのうちのＺ軸成分に強く脈波が圧力波として捉えられることとなるが、絶対値は相対的に小さくなるもののＸ軸センサやＹ軸センサにも脈波成分が含まれることになる。
【００３１】
なお、上述の説明では、説明を簡略にするためＹ軸については省いたが、当然Ｙ軸センサの信号も加味すればより良いものとなる。
また、図４の説明では、Ｚ軸センサ信号からＸ軸センサ信号の成分除去をアナログ回路の演算増幅器で実現する例で説明したが、信号処理部２１内での外乱除去、脈波波形から血圧値を演算する等の信号処理を、ディジタル演算回路で実現できることはいうまでもない。
【００３２】
なお、このようにＺ軸センサ以外にＸ軸やＹ軸のセンサにも脈波成分が重畳するので、これら各軸のセンサ信号を合成またはハードウェア・ソフトウェア演算することにより３軸圧力センサが必ずしも血管の直上に位置しなくても安定側脈波を取得することが可能であり、センサアレイ方式と同様の配置自由度を享受できる。また、Ｘ軸およびＹ軸のセンサ波形より３軸圧力センサの適正な配置位置が判るので、センサの波形を見ながら適正な位置を探し出すことも可能となる。
センサ適正位置探索には、音量・音波長や光量・光波長の変化によりガイドする方法が好適である。
【００３３】
３軸圧力センサとしては、具体的にはマイクロマシンと称されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いたものや静電容量方式のものなどが適用可能である。
【００３４】
本実施形態の説明は、センサ出力のような微小出力信号の増幅と同相ノイズ除去性能に優れる演算増幅器を用いた回路を一例としたが、反転・非反転増幅回路やトランジスタを用いた増幅回路や、さらにはフィルタ回路を追加した場合であっても実現可能である。
【００３５】
上述の第一の実施の形態の説明は、ひとつの３軸圧力センサを用いた場合について説明してきたが、これ以外の方式も可能であることを図５から図８を参照しながら説明する。
【００３６】
図５は図３と略同じであるが、第二の実施の形態として、センサとして３軸圧力センサを２つ用い、ひとつは、脈波検出用のセンサとして撓骨動脈直上に配置し、もうひとつは、体動があったときの慣性力検出用のセンサとして、血管の近傍に配置される。
【００３７】
図６は、ふたつのセンサを用いた第二の実施の形態の脈波波形読取装置の構成を示すブロック図である。センサとして、脈波検出センサ１１２と、体動を検出する体動検出用の慣性力検出センサ１１３とを用いる。他の構成は第一の実施の形態と同じであるので説明は省略する。
【００３８】
図７は、脈波検出センサ１１２と慣性力検出センサ１１３に働く力をベクトル表示したものである。脈波検出センサ１１２は、撓骨動脈の血圧と、体動によって脈波検出センサ１１２に働く慣性力とが合成された力を検出する。慣性力検出センサ１１３は、撓骨動脈の血圧は働かず、慣性力のみを検出する。このため、下記の式で表すように、脈波検出センサ１１２の出力から慣性力検出センサ１１３で検出した出力を引くことで、脈波検出センサ１１２が出力する脈波波形に加わる体動によって生ずる慣性力による外乱（ノイズ）を除去することができる。
血圧脈波＝脈波検出センサ（血圧脈波＋慣性力）−慣性力検出センサ（慣性力）
【００３９】
図８は、体動として、手首をＸ軸方向（左右に水平）に動かしたときの、脈波検出センサ１１２のＺ軸成分波形と、慣性力検出センサ１１３のＺ軸成分波形と、慣性力について較正した波形を示すものである。図８の波形ａは、脈波検出センサ１１２の出力波形、図８の波形ｂは、慣性力検出センサ１１３の出力波形、図８の波形ｃは、較正後の波形を示している。
このように、脈波検出センサの近傍に慣性力検出センサを配置して、脈波検出センサの出力から慣性力検出センサからの出力を引く処理を行うことで、体動によってセンサに働く慣性力による脈波波形のばらつきを低減できる。
【００４０】
上述の第二の実施形態は、第一の実施形態の例と同じくＺ軸方向に加わる場合を示すものであった。
脈波検出センサ１１２は血管直上に配置され、慣性力検出センサ１１３は脈波検出センサ１１２と異なる位置に配置するが、慣性力検出センサ１１３と脈波検出センサ１１２との相互の位置関係は直接的に規定されないようにする。具体的には、装着用具などで２つのセンサの相互位置を固定せず、各センサ個別に絆創膏状のもので装着するなどする。要するに、皮膚の弾性を失わないように取扱うということである。
また、上述の脈波検出センサ１１２、慣性力検出センサ１１３として、３軸圧力センサを用い、Ｚ軸方向の圧力のみを用いて脈波波形取得と体動による除去を行ってもよい。また、３軸圧力センサをふたつ用い、各センサの各軸成分を利用して、各軸ごとに体動除去を行うとさらによい。
また、慣性力検出センサ１１３として、単軸圧力センサを用い、脈波検出センサ１１２の３軸成分と、慣性力検出センサ１１３の単軸成分とを利用することで、脈波波形の取得と体動成分の除去とを行うことも可能である。
この場合、慣性力検出センサ１１３の検出方向を特定の利用状況に特化して設計することにより、体動成分の除去に好適である。たとえば、テニスラケットでボールを打つ状況下では、腕における体動はＺ軸方向になるので、単軸圧力センサの検出方向をＺ軸と平行にするとよい。ランニング状況下では、腕における体動はＸ軸方向になるので、単軸圧力センサの検出方向をＸ軸と平行にするとよい。ボクシングでジャブを繰り出す状況下では、腕における体動はＹ軸方向になるので、単軸圧力センサの検出方向をＹ軸と平行とするとよい。
また、単軸圧力センサの検出方向は必ずしもＸ・Ｙ・Ｚ軸のいずれかと平行とする必要はなく、任意の利用状況に応じて適宜設定可能なようにしてもよい。
【００４１】
また、第一の実施の形態と同じく、波形処理方法として、アナログ回路の演算増幅器を用い、この演算増幅器に、脈波検出センサ１１２と慣性力検出用センサ１１３の出力を入力して脈波検出センサの検出波形から慣性力検出センサの検出波形との差分をとる波形処理を行うことで、体動による外乱の影響を低減することが可能である。
【００４２】
なお、脈波検出センサ１１２と慣性力検出センサ１１３の相互位置関係を規定するものは皮膚の状態が支配要因となる。センサアレイ方式ではセンサの存在する部分は皮膚表面に一定の圧力で押圧されるので皮膚の弾性が失われてしまい、血管直上の脈波由来の圧力波も減衰してしまう。よってセンサアレイ方式では押圧する圧力が一定になるよう厳密に管理する必要があるが、Ｚ軸方向の体動があるとセンサを一定の圧力で押圧できなくなってしまい、その間は脈波波形を取得できない。特にセンサアレイ方式のセンサは通常の圧力センサと比較して質量が大きいので体動に伴う振動も過大になり、結果として安定した脈波取得が困難となる。
その点、本発明の方式だと軽量小型の圧力センサを複数（２つ以上）使用することで効果的に体動信号を除去できる。
【００４３】
ここまで外乱として体動の除去について説明してきたが、改めて体動の影響度の大きさについて説明する。
図９は体位によって手首の血圧がどのように変化するかを測定した結果についてである。同じ手首であっても姿勢により１３１ｍｍＨｇから９６ｍｍＨｇの違いがあった。これは、血圧は姿勢によって大きく変動しており、体動の無い安静な状態での血圧測定が実際の血圧変動を反映できていないということを意味する。
このことより、どのような姿勢であっても血圧をきちんと測定できることの重大性が判る。
【００４４】
さらに、脈波波形と血圧の関係について説明する。
脈波波形の特徴が血圧と相関があることは詳細に本明細書内で記載することはしないが、発明者自身の実験では一定の精度で図１０のような相関があることが分かっており、相関があること自体は一般論として事実である。
請求の範囲に記載の生体情報演算部はこのような脈波波形から血圧値を演算する作業を行うものである。
【００４５】
ここで、脈波波形の形状と、その波形解析について説明する。
圧力センサで検出された一拍の側脈波信号は、波形立ち上がり位置を「Starting Point」、第一のピークを「Percussion Wave」、第二のピークを「Tidal Wave」、第三のピークを「Dicrotic Wave」という。脈波波形の解析は、これらの特徴点を基点として相互の時間間隔および前後の側脈波信号中の特徴点との時間間隔を側脈波循環動態値として採用し、脈波波形のパラメータを抽出して、脈波波形解析を行っている。
さらに、この脈波波形解析では、取得した安定側脈波信号の一次微分を行うことで、速度側脈波を得て、その速度側脈波のゼロクロス点より、「Starting Point」、「Percussion Wave」、「Tidal Wave」、「Dicrotic Wave」情報を取得できる。
さらには、速度側脈波を微分することで、加速度側脈波を得て脈波波形解析を行うこともできる。
これらの取得した脈波信号により、血圧測定ができ、また、波形解析により血圧値だけでなく、血管の硬さの程度、心臓疾患の診断等ひとの健康状態の判断に資することが可能となっている。
【００４６】
以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
量産可能な圧力センサおよび汎用部品より構成されたアナログ回路、あるいはディジタル回路を用いて血圧測定を行うことができ、身体の異変の予兆の把握などの作業の効率を向上させるなどの効果を有している。
【符号の説明】
【００４８】
１１…３軸圧力センサ
１１２…脈波検出センサ
１１３…慣性力検出センサ
１２…弾性体
１３…装着体
２１…信号処理部
２１１…演算増幅器
２２…記憶部
２３…表示部
２４…操作部
【図１】
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【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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