第一工業大学研究報告第32号（2020）pp.75-80

PVDF 圧電センサで得た人体の振動信号を利用する非拘束血圧脈波測定に関する一考察
上野
第一工業大学 東京上野キャンパス

仁〒 1 10 -0005 東 京 都 台 東 区 上 野 ７ － ７ － ４

h.ueno@ueno.daiichi-koudai.ac.jp

A Study on Blood Pressure Pulse Waveform
Monitoring with Piezoelectric Sensor
Hitoshi Ueno
To ky o-Uen o Campu s, Daiich i In stitu te of Techn ology, 7- 7-4, Ueno, Taito-ku , Toky o, 110- 0005

h.ueno@ueno.daiichi-koudai.ac.jp

Abstract: We are studying to collect biomedical signals using PVDF (Poly VinylideneDiFluoride) piezoelectric sensor. The method of calculating the heart rate and therespiration rate by the piezoelectric sensor has been proposed for some time, but there is
still no method of generating the blood pressure pulse waveform from theballistocardiographic waveform which is the signal collected by the piezoelectric sensor.
If this becomes possible, it means that some abnormalities of the cardiovascular system
can be detected by observing the blood pressure pulse waveform in a normal life without
restraint. Therefore, we developed a measurement system that can collect fingertip pulse
waves as reference data in parallel, and perform processing based on integral calculationon the ballistocardiographic waveforms obtained by this to obtain blood pressure pulse
waves. We are studying how to convert. The accuracy of this method was evaluated bycomparison with the fingertip pulse waveforms that were collected at the same time. In
the future, by increasing the number of subjects and improving the calculation method,
we will study a calculation method with high accuracy even for many subjects.
Keywords: Piezoelectric Sensors, Blood Pressure Pulse Waveform, Biological SignalProcessing, Ballistic Diagram, Ballistocardiographic Waveforms.
1.

はじめに報告者の研究室では圧電センサを用いることにより非拘束で心拍数や呼吸数を計測可能とし，これをより倒れたとしても，倒れた場所に設置された圧電センサから心拍，呼吸に関する信号が分かり，支援の必要性を判断できる．[1]

用いた一人暮らしの高齢者見守りシステムの実現に

上記システム研究ではセンサ１枚ごとの特性を理ついて研究をしている．使用する圧電センサは PVDF解し，特性に適した信号処理をすることにより種々（Poly Vinylidene DiFluoride）を用いており，１の生体信号を取得できる可能性がある．
したがって，Hz 以下から音の領域である数十キロ Hz まで広い周研究の一環として１枚の圧電センサにより得られる波数特性を持ち，高感度であることが特長である．

生体信号の分析方法についても詳しく研究している．

研究中の高齢者見守りシステムではこのセンサをこれまでの研究では単に心拍数や呼吸数が測定でき高齢者宅に敷き詰め，得られる信号をインターネッるだけでなく，そこにいるのは誰なのかが判定可能

ト経由で遠隔地にある地域の見守りセンタで監視しとなる個人識別情報を得られる可能性が高いことをたり遠隔地に住む家族から監視したりできるように指摘してきた．[2][3]する．これにより高齢者が宅内のどこで病気などに本論文ではさらに従来報告とは別種の生体信号が第一工業大学研究報告 第32号 （2020）

力変化に対しては図１（ｂ）のように，落下時の正電位は鋭く立ち上がるが放れたときの負電位は小さく長時間表れることが分かる．いずれの場合もオシロスコープのように入力インピーダンスが非常に高い環境で測定すると圧力変化を検出してから基準電位に戻るまでに数 10 ミリ秒を要している．
このような特性を持つ圧電センサにより生体信号を測定した例を図２に示す．横軸は時間でありこの図では 15 秒間の測定波形を表示している．この信号
図１ 圧電センサの性質取得できることを示す．すなわち，圧電センサにより得られる振動信号からリアルタイムの血圧変動波形である血圧脈波の信号波形を得られる可能性に関ものであり，直接的には血圧脈波に相当する振動信号を検出しているものと考えられるが，本研究に用いている圧電センサが微分型の動作をするために複雑な波形となっている．

して報告する．
2.

は体内の動脈の振動を体表面の振動として測定した

PVDF 圧電センサを用いた心弾動波形の測定
本研究に用いる圧電センサは圧力の変化を検出す

る微分型のセンサであり，一定の圧力が加わっている時間帯にはセンサの電圧は生じない．図１に圧電センサの信号を直接オシロスコープに入力し，圧力を加えた場合の電位の変化を示す．横軸は１メモリごとに 0.1 秒を表し，縦軸は電圧を表す．
ゴム状の物質を押し付けてすぐに離す動作を行った場合の電位の変化は図１（ａ）のようになり，押し付けたときに正電位が生じ，放すときに負電位が生じ，微分回路的な動作になっていることが分かる．
硬いプラスチック棒を落下させるような瞬間的な圧圧力の変化により得られる心臓の鼓動の波形のことを，心電図の波形と区別するため心弾動波形と呼んでいる．
3.

心弾動波形から血圧脈波波形を求める
前記の心弾動波形から呼吸周期や心拍周期を求める方法については従来から多くの研究がなされているが，血圧脈波の波形にまで戻す方法に関する研究は知られていない．そこで本研究では心弾動波形から血圧脈波波形を求める計算方法を見つけることを目的とする．
血圧脈波とはリアルタイムの血圧の変化を表しており，波形を観測することにより心血管系の病気を診断できる可能性がある．[4]一方，血圧脈波を測定するためには頸動脈など，動脈近くの体の部位に圧力センサを密着させる必要があり，手間がかかる割には得られる情報量が少図２ 心拍と呼吸を含む信号波形の例ない．
近年では超音波画像診断装置（エコー）やＭＲＩなど，画像診断装置が発達したことにより血圧脈波を元に病気を診断することはほとんどなくなっている状況と言われている．
しかし，非拘束で血圧脈波を測定することができるなら，情報量が少ない

図３ 血圧脈波形状異常と疾病との関連例（文献[4]p.47 より一部抜粋）とは言え日常環境の中で常時計測できるので高い有用性が期待できる．生活上野：PVDF圧電センサで得た人体の振動信号を利用する非拘束血圧脈波測定に関する一考察の中で常時血圧脈波をモニタし，心血管系の異常がある恐れを検出した場合には医療機関で受診するように警告する健康管理機能を実現できるのである．
例えば図３のような血圧脈波が観測された場合，関連する病名が疑われるため受診を推奨するといった健康管理機能を実現できる．
4.

図４ 計測システム構成

計測システム
圧電センサで血圧脈波を常時測定可能とするためには，心弾動波形から血圧脈波を信号処理により求り十分でないため 16 ビットの解像度を持つ外部チップを使用した．
圧電センサから得られる信号レベルは，体のどのめる手法を開発する必要がある．
圧電センサより取得した心弾動波形から正しい血部分がセンサ上に載るか，誰が載るかの違いによっ圧脈波を得られたか否かを判定するためには，参照て大きく異なる．レベルの低い信号に合わせて増幅データとして正しい血圧脈波を同時に取得する必要

すると強い信号が来た時にオーバースケールし，レがある．そこで血圧脈波相当の波形と心弾動波形をベルの高い信号に合わせて増幅率を下げると低いレ同時に測定する計測システムを作成した．
（図４）

ベルの信号が来た場合に量子化誤差により波形計算

血圧脈波波形を採取するセンサとして光電脈波セの精度が確保できない．したがって，両者に対応すンサを採用し圧電センサと同じタイミングでサンプるためにできるだけ高精度なＡＤコンバータを使う

リング周波数 100Hz で信号を取得とする．光電脈波必要がある．

センサは赤色光を指の動脈に当て，反射する光の量5.

を測定することにより血圧の変化を検出する．動脈軸は時間を示し 10 秒間のグラフを表示し，縦軸は信血管内のヘモグロビンが反射する赤色光量の変化に号の電圧を示す．
（上）の波形は光電脈波センサによより血圧の変化を検出する方式である．

り測定された血圧脈波波形であり，（下）の波形は圧測定結果ある被験者の測定例を図５に示す．横センサアンプボックスの回路図を付録１に示す．光電脈波センサと PVDF 圧電センサの信号はオペアンプ（NJU7044）で構成したローパスフィルタを介してそれぞれ計装アンプ（INA126）で増幅する．
増幅後の信号を再度ローパスフィルタに通し 16 ビットＡＤコンバータ（ADS1115）でディジタル信号にし，Ｉ２Ｃインタフェースを介してマイコン（ESP- WROOM-32）

図５ 指尖脈波（上）と心弾動図（下）に入力する．マイコンでは 100Hzサンプリングで取得したデータを１秒ごとにブロック化しBluetooth インタフェースによりＰＣに転送する．このマイコンにはＡＤコンバータ機能が内蔵されているが，解像度が 12 ビットであ

図６ 心弾動図の積分波形

第一工業大学研究報告 第32号 （2020）

図７ 指尖脈波形（青）と心弾動積分波形（赤）の比較

図８ 指尖脈波と心弾動積分波形の相互相関

電センサによって測定された心弾動波形である．の時間幅を示し，縦軸は相関係数 1.0～-1.0 を示す．

指尖脈波は血圧変化の波形として妥当なきれいな

このデータで相関が最大となるポイントは 0.08 秒

山形をしているが心弾動図の波形は細かな振動があひとつの波形を移動した点でありその相関係数はり血圧変化を表しているようには見えない．報告者

0.57469 となることが分かる．

はその原因について，PVDF 圧電センサは振動そのも心弾動積分波形の形状が指尖脈波形状に近づけばのではなく，振動の微分波形を検出するためである

近づくほど相関係数は 1.0 に近づくはずなので，こと推定した．の指標により類似度が評価可能である．
したがって，

そこで，ＣＲによる積分回路の時定数(式１の定数

圧電センサの信号波形から血圧脈波の波形をより正c)に相当する遅れを持たせた信号に対する積分計算

確に求めるために，心弾動波形から指尖脈波波形ををした結果を示す．
（図６）求める計算方法について，この相関係数をできるだ౪ିౙVሺtሻ ൌ V ൈ e（式１）心弾動図の積分波形が指尖脈波の形状とどの程度け向上させるように改良していく必要がある．
6.

考察一致しているか比較したものを図７に示す．青色の

本報告では，PVDF 圧電センサにより心弾動波形を線が指尖脈波であり赤色の線が心弾動図の積分波形取得し，同時に指尖脈波を取得可能とするセンサシである．ピーク点の時間間隔は両者でほぼ一致してステムを作成し１名の被験者に関するデータでシスいるが，山型を構成する形状はそれほど一致していテムの有効性を検討した．
指尖脈波と心弾動波形は正常に取得できているこないようにも感じられる．
二つの波形の類似度を数値で評価する指標として相互相関を採用した結果を図８に示す．相互相関ととは，心拍の時間間隔が両者で一致していることから明らかである．

は指尖脈波と心弾動波を移動しながら相関係数を計

一方，心弾動積分波形と指尖脈波の形状比較に相算した値で，完全に一致するときは 1.0 となり一致互相関を用いることの有効性については今後の多くしなければ 0 に近づく．図７に示した二つの波形ののデータを評価する中で検討していく必要がある．

相互相関を採ったところ図８のようになった．

7.

この横軸は二つの信号を時間方向に移動したときおわりに報告者はＰＶＤＦによる圧電センサを使用する高上野：PVDF圧電センサで得た人体の振動信号を利用する非拘束血圧脈波測定に関する一考察

齢者見守りシステムの開発に取り組んでいる．本報

参考文献

告は圧電センサから得た信号を血圧脈波の波形に変1) 上野仁,鐘ヶ江正巳,"ウェアフリーセンサによる高齢者見守換することにより，心血管系の疾病を発見する情報り支援システムの提案と部分試作," 信学技報,MICT2015-39にできる可能性がある．

(2016)

報告者が提案する高齢者見守りシステムでは，通2) Hitoshi Ueno, "An Analysis for Characteristics of

常の生活の中で常時心弾動波形を取得できるので，Bio-signal Abstracted from Piezoelectric Sensor,"

見守られる高齢者はなんら意識する必要なく体調のProceedings of IEEE TENCON 2018 (Jeju, Korea, 28-31

見守りができることになる．

Oct. 2018) pp.436-440

本報告はこの研究の第一歩であり，今後は多数の

3) Hitoshi Ueno, "A Piezoelectric Sensor Signal Analysis

被験者のデータを収集し，多くの被験者で妥当な結Method for Identifying Persons Groups," Sensors 2019, 19,果が得られるように，心弾増波形から血圧脈波波形733.

への計算方法をより高度にしていく必要がある．

4) 村松準,澤田海彦編,"内科学エッセンス２ 循環系／血液,"朝倉書店（2006）

第一工業大学研究報告 第32号 （2020）

付録１
センサアンプボックス回路図