立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第31号) 2022

［ 研究助成 (A) ］

高精度カフレス血圧計測のための脈波測定条件の探求
Search for optimal photoplethysmographic measurement conditions forhigh- precision cuffless blood pressure estimation
2201015

研究代表者

石川工業高等専門学校
電子情報工学科

講 師

任

田崇

吾

共同研究者

富山大学 学術研究部医学系
公衆衛生学講座

講 師

松村

健太

[研究の内容，成果][研 究 の 目 的]
高血圧は心血管疾患の危険因子として，世界1．多波長および複数センサ間距離での光電脈的な問題となっており，日常的な血圧計測が大波センサの開発切となる。従来の血圧測定法として，カフ (腕光電脈波センサは，光源 (LED) と受光素帯) を用いて計測する手法がある。しかし，こ子 (フォトダイオード，PD) で構成される簡の手法では，カフの締め付けによる不快感など便なセンサである。心拍による血液量の変化を，といった問題がある。そこで，申請者は簡便な血管を通過した光の光量に変換した波形が光電脈波センサのみでカフを用いない高精度カフレ脈波である。センサの小型化が可能であること

ス血圧推定法の開発を目指している。本研究は，や，指先や手首など様々な部位から計測できるヘルスケア分野における貢献が期待される。例

ことなどから，スマートウォッチなどに搭載さえば，介護福祉現場において，簡便な脈波センれており，広く普及されている。しかし，光電サを取り付けるだけで血圧測定ができれば，現脈波は被験者の体動によるノイズである体動場の負担軽減につながるだけでなく，連続的なアーチファクトの影響を強く受けることが知ら血圧測定が可能になることから，病気の早期発れており，その影響を軽減することが大切とな見に大いに役立つことが期待でき，QOL 向上る。に貢献する。本研究では，脈波センサにおける我々は，センサの構成に着目し，最適条件を光源と受光素子のセンサ間距離に着目し，その調べている。センサの光源波長に関しては，先距離が体動アーチファクトに与える影響を明ら行研究より，緑>青>近赤外>赤の順で体動かにした。さらに，脈波センサの光源波長の違アーティファクトに強いことが分かっている

いによる光電脈波を用いたカフレス血圧推定精[1]。本研究では，光源と受光素子の距離であ度を検討した。

るセンサ間距離に着目し，最適条件を検討した。
さらに，光電脈波によって得られる情報から血圧を推定する手法において，光源波長が与える影響を調べた。これらの検討において，複数の光源距離，またはセンサ間距離の光電脈波を同時に計測できるセンサを開発する必要があった。
― 1 ―立石科学技術振興財団

光源波長に関しては 4 波長 (青：470 nm，緑：たものを Fig. 3 に示す。計測した脈波を FFT528 nm，赤：620 nm，近 赤 外：870 nm)，セによる周波数解析を行なった。1-2 Hz の脈派

ンサ間距離に関しては 4 種類 (4.5 mm, 7.8 nm,成分のピークから ±0.4 Hz を信号成分とし，11.1 nm, 14.4 nm) の光電脈波を得られるセン

5-10 Hz の体動ノイズ成分のピークから ±1.0

サを開発した。Fig. 1 に複数のセンサ間距離のHz をノイズ成分とし，それを基に，各センサ光電脈波が計測可能なセンサを，Fig. 2 に 4 波間距離の S/N 比を求めた。さらに，その S/N長同時計測可能なセンサを示す。

比からどのセンサ間距離が最も体動ノイズに強いかを調べた。

(a) 模式図，(b) 実際のセンサ写真

Fig. 1 開発した光電脈波センサ (複数センサ間距離)

Fig. 3 体動アーチファクトの影響の実験風景

各センサ間距離における S/N 比の平均値をTable 1 に示す。この表は，6 人の被験者で計2 回測定した安静時，体動時における S/N 比の平均値である。安静時では，差が見られな(a) 模式図，(b) 実際のセンサ写真

かった。これに対し，体動時は全体に差が生じFig. 2 開発した光電脈波センサ (多波長)ており，センサ間距離 7.8 mm の結果が，体動これらのセンサは，各 LED の照射タイミンノイズの影響が少ないことが統計的に示された。

グをマイコンで制御することで，同時計測を実

これは，センサ間距離の違いにより，通過する現した。

組織に違いが生じたためと考えられる。センサ間距離が長い場合は深部の柔らかい組織を通過

2．センサ間距離の違いによる体動アーチファした光を多く受光することになるが，柔らかいクトの影響組織は体動の影響を強く受けるため，S/N 比センサ間距離が体動アーチファクトに与えるが低下した。センサ間距離が近い場合は，表層影響を検討するために，Fig. 1 のセンサを用いの硬い組織を通過した光を受光するため，体動て，被験者による実験を行った。作成した脈波の影響は受けにくいが，表層に存在する変化のセンサを被験者 6 人の人差し指に取り付け，脈小さい毛細血管をとらえることになるため，

波計測を行なった。測定は，体動ノイズを加えS/N 比は低下する。以上のように，トレードるために，手を 5 Hz 以上の速さで振った状態オフの関係となり，センサ間距離 7.8 mm 付近(体動時) と手を動かさない状態 (安静時) をに最適な条件があったと考えられる。

20 秒間行い，これを 1 セットとし，2 回繰り返して光電脈波を計測した。測定の様子を撮影し― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundationに基づいて，各波長で得られた HR と mNPV

Table 1 センサ間距離の違いによる S/N 比の比較
センサ間距離静止状態
体動状態

4.5 mm

7.8 mm11.1 mm

14.4 mm

4.16 dB
4.76 dB
4.74 dB
4.48 dB−4.18 dB −3.80 dB −4.51 dB −6.71 dBを 説 明 変 数，血 圧 計 で 測 定 し た 最 高 血 圧(SBP)，最 低 血 圧 (DBP)，平 均 血 圧 (MAP)
を目的変数として重回帰分析を行い，最適波長を検討した。得られた結果から，重回帰分析を3．光源波長が光電脈波によるカフレス血圧推行い，重相関係数 (R) を求めた。その結果をTable 2 に示す。

定法に与える影響
血圧 (BP) は心臓から 1 分間に排出される血液量である心拍出量 (CO) と，動脈中の血液の流れにくさである全末梢血管抵抗 (TPR)の 積 で 表 さ れ る。ま た，CO は 心 拍 数 (HR)と，TPR は修正基準化容積脈波 (mNPV) と関連していることが知られている。HR は脈波のピーク間隔から，mNPV は脈波の AC/DC比から求めることができる生理学的パラメータである。したがって，以下の式が得られる。

(左手：光電脈波センサ，右手：カフ式血圧計)

ln  BP =Aln  HR +Bln  mNPV +CFig. 4 光電脈波センサによる血圧推定実験の様子(1)
係数 A, B, C は重回帰分析により得ることができれば，単一の光電脈波から血圧を推定する

Table 2 光電脈波による血圧推定における重回帰分析の相関係数の比較
光源波長青470 nm

緑528 nm

赤620 nm

近赤外870 nm

SBP
DBP
MAP

0.607
0.532
0.619

0.565
0.485
0.603

0.619
0.535
0.616

0.644
0.5240.611

ことが可能となる。
本手法において，高精度で測定できることは先行研究で明らかになっているが，光源波長の影響は検討されていない。光は，その波長にTable 2 より，SBP では近赤外が，DBP とよって，生体組織への到達深度が異なり，波長MAP では青と赤を光源に用いた脈波による血が長いほど，到達深度が深くなるとされている。

圧推定法の相関係数が高いという結果になり，この違いが，血圧の推定精度に影響を与えるの求める血圧の種類によって，最適波長が異なるではないかと考えられる。という結果になった。これは，光源波長の違い

本研究では，提案手法における波長の影響をにより，生体への到達深度が異なるため，捉え検討するために，被験者 12 名に対し，4 種類る血管が異なったことが原因だと考える。SBPの波長の光源波長による光電脈波を 180 秒間測は HR が，DBP は mNPV の影響が強いとされ定し，同時にカフ式血圧計による血圧計測をている。HR の検出には，ピーク検出が容易と行った。血圧測定は脈波測定開始時から 0 秒となる，変化の大きな深部血管の脈波をとらえる90 秒のタイミングで 2 回行った。計測は安静ことができる近赤外光が適しているため，SBP状態とストレス状態の 2 回実施した。ストレスの 血 圧 推 定 に は 近 赤 外 光 が 最 適 と な っ た。

状態での測定では，暗算課題を行うことで血圧DBP に関しては，TPR に依存するため，毛細の上昇を促した。測定の様子を撮影したものを血管を捉えている青色光が最適となった。以上

Fig. 4 に示す。血圧測定開始から 10 秒間の脈の結果より，光電脈波を用いた血圧推定法にお波波形から HR と mNPV を算出した。式 (1)いて，光源波長の影響は非常に大きく，適切な― 3 ―立石科学技術振興財団

波長を用いることで高精度な血圧推定が可能と年齢層の違いが光電脈波に与える影響を考えるなることを明らかにした。と，今後はより幅広い年齢層に協力してもらい，検討結果を深める必要がある。
これらの検討を繰り返すことで，カフを用い[今後の研究の方向，課題]ない高精度な血圧測定が実現でき，日常の健康本研究を通して，光電脈波計測におけるセンサ間距離が体動アーチファクトに与える影響を観察がより容易になり，QOL 向上につながることが期待できる。

明らかにした。その結果，センサ間距離には最適距離が存在し，適切な距離を設定することで体動アーチファクトによる影響を低減すること[参考文献][1]ができる。

Matsumura, Kenta, Sogo Toda, and Yuji Kato.

“RGB and near-infrared light reflectance/transmittance photoplethysmography for measuring

さらに，様々な光源波長による脈波を用いた

heart rate during motion.” IEEE Access 8 (2020):

カフレス血圧推定法の検討を通して，血圧の種80233-80242.

類によって，最適波長が異なることを発見した。
この知見は，カフレス血圧推定法の精度向上につながることが期待できる。
しかし，本研究において，制約が存在する。

[成果の発表，論文等]
1)

任田崇吾，田町臣悟，松村健太，“光電脈波計測におけるセンサ間距離が体動アーチファクトに与えそれは，被験者の年齢層である。本実験は 20る 影 響．
”第 60 回 日 本 生 体 工 学 会 大 会，2021/6，

代の健康な被験者に協力してもらった。しかし，

O3-9-2-4．

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