JP2006158974A - Integral type physiologic signal evaluation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生理学的信号評価装置、特に、心電図信号(ECG信号)と、光電脈波(PPG(photoplethysmographic))信号とを同時計測するための一体型生理学的信号評価装置に関する。前記装置は、ECG信号、血圧パルス、パルス酸素飽和度等のような多数の有用な生理学的パラメータを簡便に入手するために、その後の信号解析および処理と協働する検知インターフェースを利用する。 The present invention relates to a physiological signal evaluation apparatus, and more particularly to an integrated physiological signal evaluation apparatus for simultaneously measuring an electrocardiogram signal (ECG signal) and a photoelectric pulse wave (PPG (photoplethysmographic)) signal. The device utilizes a sensing interface that cooperates with subsequent signal analysis and processing to conveniently obtain a number of useful physiological parameters such as ECG signals, blood pressure pulses, pulse oxygen saturation, and the like.
現代、人々はより繊細で美味な食べ物を楽しむが十分な運動の習慣がないため、心臓血管系疾患の要因は近年増大してきた。さらに、バイオテクノロジーおよび医学の進歩は寿命を延ばしたが、心臓血管系の機能は加齢とともに弱くなる。そこで、近年では関連する心臓血管系疾患が健康の大きな脅威となってきた。 In recent years, people have enjoyed more delicate and tasty foods but lacked adequate exercise habits, so the factors of cardiovascular disease have increased in recent years. In addition, advances in biotechnology and medicine have extended lifespan, but cardiovascular function weakens with age. In recent years, related cardiovascular diseases have become a major health threat.
医学機器の点からみると、心臓の診断は主に心電図の利用に基づく。心電図は、心筋がリズミカルに収縮するときに心筋が電気的に発信する過程を記録し、その結果を心電図として表現することができ、これにより、医師は心臓の機能が正常であるか否かを判断することができる。これに対し、オキシメータは、血液循環の機能と、血液中の酸素供給の状況とを推測することができ、脳組織に送られ代謝される酸素の量の重要な指標でもある、パルス酸素飽和度(SPO2)を評価するために最も一般的使われる設備である。さらに、血管の老化の程度および血管の弾性機能を推定するための血圧パルスの解析から得られる、2つの指標、すなわち、太い動脈(large artery)の硬化指数(SI)および脈管反射指数(RI)がある。前記血圧パルスをECG信号と適合させることにより、血管と血流との関係をさらに知るために、脈波伝播速度(PWV)を得ることができる。 In terms of medical equipment, heart diagnosis is mainly based on the use of electrocardiograms. An electrocardiogram records the process of myocardial electrical transmission when the myocardium contracts rhythmically, and the result can be expressed as an electrocardiogram, which allows doctors to determine whether the heart function is normal. Judgment can be made. On the other hand, oximeters can estimate the function of blood circulation and the state of oxygen supply in the blood, and are also an important indicator of the amount of oxygen sent to brain tissue and metabolized, pulse oxygen saturation It is the most commonly used equipment for evaluating the degree (SPO2). In addition, two indicators derived from the analysis of blood pressure pulses to estimate the degree of vascular aging and the elastic function of the blood vessels, namely the large arterial stiffness index (SI) and the vascular reflex index (RI). ) By adapting the blood pressure pulse with an ECG signal, the pulse wave velocity (PWV) can be obtained to further understand the relationship between blood vessels and blood flow.
臨床的には通常、医師は、より詳細な心電図信号発信データを得るべく、複数のリード線の測定を記録するために、少なくとも3本の電極を用いる心電図を使う。しかし、ECG信号測定原理から、2本の電極を使うと1個のベクトルECG信号を得ることができる。 Clinically, physicians typically use an electrocardiogram that uses at least three electrodes to record multiple lead measurements to obtain more detailed ECG signaling data. However, from the ECG signal measurement principle, one vector ECG signal can be obtained by using two electrodes.
血圧パルスについては、図1を参照して、指を例にしてパルスと血管との関係を例示すると、指のパルス波形は2つの部分に分けることができる。第1の部分は大動脈(aorta)に沿ってパルスが指に直接伝播することから生じるが、第2の部分は前記パルスが下半身に伝播して大動脈および鎖骨下動脈に沿って反射することから生じる。第1のピークと第2のピークとの時間的遅延は、鎖骨下動脈に沿って往復して伝播するパルスの伝導時間によって主に決定される。前記伝導時間は、被検者の身長に正比例し、血管弾性と相関する。血管の弾性が大きいほど、前記パルスを吸収する血管の能力は高いので、反射したパルスの伝導時間は長くなり、脈波伝播速度は遅くなる。したがって、血圧パルスから、血管の弾性状態を知ることができる。 With regard to the blood pressure pulse, referring to FIG. 1, when the relationship between the pulse and the blood vessel is illustrated by taking a finger as an example, the pulse waveform of the finger can be divided into two parts. The first part results from the pulse propagating directly to the finger along the aorta, while the second part results from the pulse propagating to the lower body and reflecting along the aorta and the subclavian artery . The time delay between the first peak and the second peak is mainly determined by the conduction time of the pulse propagating back and forth along the subclavian artery. The conduction time is directly proportional to the height of the subject and correlates with vascular elasticity. The greater the elasticity of the blood vessel, the higher the ability of the blood vessel to absorb the pulse, so the conduction time of the reflected pulse becomes longer and the pulse wave velocity becomes slower. Therefore, the elastic state of the blood vessel can be known from the blood pressure pulse.
今日、パルス波形を検出するには2つの主な方法がある。1つは圧力法で、もう一つは光学的手段によるものである。圧力による方法は血圧測定に似ている、すなわち、コーリンメディカルテクノロジー社に付与された特許文献1ないし3に開示されるとおり、被検者の試験部分の周りをカフを使って覆い、空気を前記カフ内にポンプで入れた後、圧力センサーによって前記パルスのばらつきを検出する。同社の製品VP−1000/2000も、圧力法を利用して、上腕の血圧に対する足首の血圧の比および脈波伝播速度を計測する。
光学法は、反射、吸収、伝導等のような光の性質を主に利用する。例えば赤外線を例にとると、酸素と結合した血液は酸素が脱離した血液よりも赤外線の吸光量が多い。心臓が収縮期にあるとき、移動速度がより速い酸素を含む血液の動脈中の量が増大するので、血液はより多くの赤外線を吸収する。心臓が拡張期にあるときには状況は逆になる。被検者の身体を照射するために光を用い、血管からの光学的信号を時間および組織のばらつきとともに受信し記録するこのタイプの光学的方法は、光電脈波(PPG)法とよばれる。PPG法は、血液中の酸素濃度に関係するだけでなく、パルスのばらつきにも応答し、SI、RI、PWVおよびSPO2を計算するためにも利用される。例えば特許文献4は、PPGを得るために光学プローブを利用することを開示する。
市場には、血管の機能についての関連パラメータを計算するために血圧パルス波形を検出するPPG関連設備がある。例えば、米国Micro Medical社は、血圧パルスを検出するために光学プローブを利用し、さらにSI値を提供する「Pulse TracePCA(PT2000)」装置と、被検者の心電図および血圧パルスを得てPWVを計算するために、3本の電極とドプラープローブとを同時に使用する「Pulse TracePWV(PT400)」装置とを発表した。 There are PPG-related facilities on the market that detect blood pressure pulse waveforms to calculate relevant parameters for vascular function. For example, Micro Medical in the United States uses an optical probe to detect a blood pressure pulse and further provides an SI value, a “Pulse Trace PCA (PT2000)” device, an electrocardiogram of the subject, a blood pressure pulse, and a PWV. In order to calculate, the "Pulse Trace PWV (PT400)" apparatus that uses three electrodes and a Doppler probe simultaneously was announced.
SI、RI、PWVおよびSPO2等のような、上述のパラメータは、被検者の心臓血管系の病状を推測するうえで非常に役立ち、しばしば臨床診断に利用される。それにもかかわらず、異なる測定原理に基づいて、従来の機器は、ECG信号、パルス酸素飽和度および血圧パルスを別々に得るために異なるセンサーエレメントを使用しなければならないので、心臓血管の指標およびパラメータの全てを得る必要がある場合には、複数のさまざまな測定機器を使用しなければならず、これは、時間がかかり、不便である。 The above mentioned parameters, such as SI, RI, PWV and SPO2, are very useful in inferring a subject's cardiovascular pathology and are often used for clinical diagnosis. Nevertheless, based on different measurement principles, conventional instruments must use different sensor elements to obtain ECG signals, pulse oxygen saturation and blood pressure pulses separately, so cardiovascular indicators and parameters If it is necessary to obtain all of the above, a plurality of different measuring instruments must be used, which is time consuming and inconvenient.
効率的かつ簡単に心臓血管のパラメータを得るという先行技術に存在する課題を解決するために、本発明は、光学的な測定原理と、電気的な測定原理とを一体化して、ECG信号およびPPG信号を同時取得し、さらに、血液中の酸素濃度を得て、前記信号を処理し解析するアルゴリズムを通じて、全ての心臓血管のパラメータを得ることを可能にするように、検知電極を光学プローブと組み合わせた検知インターフェースを有する一体型測定機器を設計する。 In order to solve the problems existing in the prior art of obtaining cardiovascular parameters efficiently and easily, the present invention integrates optical measurement principles and electrical measurement principles into ECG signals and PPGs. Combine sensing electrodes with an optical probe to allow simultaneous acquisition of signals and further obtain oxygen concentration in the blood and obtain all cardiovascular parameters through an algorithm that processes and analyzes the signals Design an integrated measuring instrument with a detection interface.
発明の概要
本発明の目的は、心電図、血圧パルス波形および酸素飽和度を得るためにECG信号およびPPG信号を同時に取得するべく、光学的および電気的な測定用の一体型検知インターフェースを有する、一体型生理学的信号評価装置を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to have an integrated sensing interface for optical and electrical measurements to simultaneously acquire ECG and PPG signals to obtain an electrocardiogram, blood pressure pulse waveform and oxygen saturation. It is to provide a body type physiological signal evaluation apparatus.
本発明の別の目的は、ECG信号およびPPG信号を解析および計算することによって心臓血管機能についてのパラメータを評価することができるデザインを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a design that can evaluate parameters for cardiovascular function by analyzing and calculating ECG and PPG signals.
本発明の別の目的は、ECG信号検知技術と光学的検知原理とを一体化して、ECG信号、圧力パルス波形およびパルス酸素飽和度のような複数の生理学的な志ガイドワイヤ得る検知インターフェースを提供することである。 Another object of the present invention provides a sensing interface that integrates ECG signal sensing technology and optical sensing principles to obtain multiple physiological guidewires such as ECG signal, pressure pulse waveform and pulse oxygen saturation. It is to be.
本発明の別の目的は、心臓血管のパラメータを測定し解析するための検知インターフェースを備える装置を提供することである。前記装置はECG信号を得るだけでなく、血圧パルスおよびパルス酸素飽和度を同時に記録することができ、さらに計算および解析を通じて、心拍速度、STセグメント、QRS間隔、パルス酸素飽和度、硬化指数、反射指数、脈波伝播速度等のような心臓血管のパラメータを得る。 Another object of the present invention is to provide an apparatus with a sensing interface for measuring and analyzing cardiovascular parameters. In addition to obtaining ECG signals, the device can simultaneously record blood pressure pulses and pulse oxygen saturation, and through calculations and analysis, heart rate, ST segment, QRS interval, pulse oxygen saturation, stiffness index, reflection Obtain cardiovascular parameters such as index, pulse wave velocity, etc.
かかる目的を達成するため、本発明は、双電極ECG信号測定技術を利用して、光学的な生理学的信号測定と組み合わせて、ECG信号及びPPG信号を同時に取得するための検知インターフェースを設計して、心臓血管のパラメータを計算および解析するための基礎として役立て、これによって、従来の機器または設備を簡易化し、ユーザが自分自身の心臓血管の病状を監視しやすくする。 To achieve this goal, the present invention utilizes a bi-electrode ECG signal measurement technique to design a sensing interface for simultaneous acquisition of ECG and PPG signals in combination with optical physiological signal measurement. It serves as a basis for calculating and analyzing cardiovascular parameters, thereby simplifying conventional equipment or equipment and making it easier for users to monitor their own cardiovascular conditions.
本発明の他の目的、利点および新規な特徴は、添付する図面とともに以下の詳細な説明からより明かになるであろう。 Other objects, advantages and novel features of the invention will become more apparent from the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings.
好ましい実施態様の詳細な説明
本発明に従って組み立てられた、一体型生理学的信号評価装置は、電気的な信号検知原理と光学的な信号検知原理とを主に利用し、ECG信号、血圧パルスおよびパルス酸素飽和度指数を取得するために異なる検知エレメントを組み合わせる検知インターフェースを設計する。
Detailed Description of Preferred Embodiments An integrated physiological signal evaluation device, constructed in accordance with the present invention, primarily utilizes electrical and optical signal sensing principles to provide ECG signals, blood pressure pulses and pulses. Design a sensing interface that combines different sensing elements to obtain the oxygen saturation index.
圧力パルスの光学的な信号検知原理に関して、Beer−Lambertの法則が言及されなければならない。前記法則は、ある波長の光が溶媒に溶解した物質によって吸収される場合には、透過光の量(I)は、溶解した物質の濃度と、前記溶媒中の透過距離との積の指数関数で減少し、その式は以下のとおりである。 Regarding the optical signal detection principle of pressure pulses, the Beer-Lambert law must be mentioned. The law states that when light of a certain wavelength is absorbed by a substance dissolved in a solvent, the amount of transmitted light (I) is an exponential function of the product of the concentration of the dissolved substance and the transmission distance in the solvent. The formula is as follows.
上記の式において、εは吸光係数である。 In the above formula, ε is an extinction coefficient.
同じく、光が被検者の組織を透過するとき、皮膚、筋肉、骨および血液が、ある量の光を吸収する。前記皮膚、筋肉および骨が吸収する光の量は一定だが、血液中の酸素濃度に伴って変動する。循環器系の影響のため、すなわち、酸素を含まない血液が肺で空気交換して酸素を含む血液になって、全身に運搬されるため、PPG法は血液中の酸素濃度の変動を記録することができる。さらに、血液中の酸素濃度は血圧パルスに伴って変動するするため、血圧パルス波形を前記酸素濃度の変動から推定することができる。 Similarly, when light passes through a subject's tissue, skin, muscle, bone and blood absorb a certain amount of light. The amount of light absorbed by the skin, muscles and bones is constant but varies with the oxygen concentration in the blood. Because of the effects of the circulatory system, that is, oxygen-free blood is air-exchanged in the lungs into oxygen-containing blood that is transported throughout the body, the PPG method records fluctuations in oxygen concentration in the blood be able to. Furthermore, since the oxygen concentration in the blood varies with the blood pressure pulse, the blood pressure pulse waveform can be estimated from the variation in the oxygen concentration.
図2に示すとおり、被検者の指のPPGの血圧パルス波形を例にとると、第1のピークと第2のピークとの間の時間的遅延は、鎖骨下動脈に沿って前記被検者の下半身に伝播して前記鎖骨下動脈を戻って反射する、前記パルスの伝播時間に依存する。パルス伝播距離が被検者の身長に正比例し、大動脈から太い動脈までのパルス伝播時間が血管の弾性に相関すると仮定すると、太い動脈の硬化指数は、以下の式で推定できる。 As shown in FIG. 2, taking as an example the blood pressure pulse waveform of the PPG of the subject's finger, the time delay between the first peak and the second peak is the subject along the subclavian artery. Depending on the propagation time of the pulses that propagate to the lower body of the person and reflect back through the subclavian artery. Assuming that the pulse propagation distance is directly proportional to the height of the subject and that the pulse propagation time from the aorta to the thick artery correlates with the elasticity of the blood vessel, the stiffness index of the thick artery can be estimated by the following equation.
上記の式において、
SIは血管の硬化指数、
ΔTDVPは1つのパルス波形における2つのピークの間の遅延時間、
DVPはデジタル体積パルスである。
In the above formula,
SI is the vascular stiffness index,
ΔT DVP is the delay time between two peaks in one pulse waveform,
DVP is a digital volume pulse.
さらに、前記2つのピークの高さの差は、以下の式のとおり計算される動脈中を戻って伝播する反射の強度、すなわち、RIを推定するために用いられる。 Furthermore, the difference between the heights of the two peaks is used to estimate the intensity of the reflection propagating back through the artery calculated as:
上記の式において、
aは第2のピークの高さ、
bは第1のピークの高さである。
In the above formula,
a is the height of the second peak,
b is the height of the first peak.
式(2)および(3)のそれぞれSIおよびRIの値は、血圧パルス波形によって得られる。しかし、PWVを得たい場合には、ECG信号が協力する必要がある。PWVは、心臓によって生じ血管を通って伝わり手足に伝播される、パルスの速度を推定するために用いられるため、PWVが速いほど血管は硬い。したがって、PWVはSIと有意に相関する。図3を参照して、血管が陶器のように硬くなる場合には、パルスは血管によって容易に吸収されないので、パルス速度は速くなる。反対に、血管にゴムのような弾性がある場合には、パルスは遅くなる。研究報告は、PWVが心臓血管疾患と大きく相関することを指摘し、pWVの値が大きいことが被検者が冠状動脈疾患である可能性が高いことにつながることを示す。 The SI and RI values in equations (2) and (3), respectively, are obtained from the blood pressure pulse waveform. However, ECG signals need to cooperate when it is desired to obtain PWV. Since PWV is used to estimate the speed of the pulses generated by the heart and transmitted through the blood vessels and propagated to the limbs, the faster the PWV, the harder the blood vessels. Therefore, PWV is significantly correlated with SI. Referring to FIG. 3, if the blood vessel is hardened like a pottery, the pulse rate is increased because the pulse is not easily absorbed by the blood vessel. On the other hand, if the blood vessel has elasticity like rubber, the pulse becomes slow. Research reports point out that PWV is highly correlated with cardiovascular disease, and that a high pWV value leads to a high probability that the subject has coronary artery disease.
図4を参照して、PWVの計算は以下のとおりである。 Referring to FIG. 4, the calculation of PWV is as follows.
上記の式において、
Dはパルス伝播距離で、
PTTはパルス伝播時間である。
In the above formula,
D is the pulse propagation distance,
PTT is the pulse propagation time.
図4に示すとおり、PWVを計算するためには、血液の心臓からの運搬が始まる場所を知るために、ECG信号と組み合わせる必要がある。ECG信号では、「R」波は容易に検出されるので、R波信号が時間的な始点の印として用いられるのが一般的である。 As shown in FIG. 4, in order to calculate the PWV, it is necessary to combine with the ECG signal to know where the transport of blood from the heart begins. In the ECG signal, the “R” wave is easily detected, and therefore, the R wave signal is generally used as a mark of the starting point in time.
単一波長の光を用いることは血圧パルスの変動を知るためのPPGを得ることを可能にするが、循環器の機能の重要なパラメータであるパルス酸素飽和度(SPO2)を得るための2つのピークを得るためには、少なくとも2つの異なる波長を有する光源を用いる必要がある。人が呼吸をするとき、被検者の体外の酸素は気管支に入り、そこから、肺胞に運搬されて血液中に交換され、それから、組織に供給されるために全身に運搬される。SPO2は、酸素と結合したヘモグロビン濃度を推定するために主に用いられる。体内の血液は、酸素と結合した血液と酸素が脱離した血液という2つのタイプからなるため、前記酸素と結合したヘモグロビンの濃度と、酸素が脱離したヘモグロビンの濃度とを別々に測定するためには異なる波長を有する2つのタイプの光源を使い、その後、以下の式のとおりに酸素と結合したヘモグロビンの百分率を評価する必要がある。 Using a single wavelength of light makes it possible to obtain a PPG for knowing blood pressure pulse fluctuations, but two to obtain pulse oxygen saturation (SPO2), an important parameter of cardiovascular function. In order to obtain the peak, it is necessary to use a light source having at least two different wavelengths. When a person breathes, the subject's extracorporeal oxygen enters the bronchus, from where it is transported to the alveoli and exchanged into the blood, and then transported throughout the body for delivery to the tissue. SPO2 is mainly used to estimate the concentration of hemoglobin bound to oxygen. Since the blood in the body consists of two types, blood combined with oxygen and blood desorbed from oxygen, the concentration of hemoglobin combined with oxygen and the concentration of hemoglobin desorbed from oxygen are measured separately. It is necessary to use two types of light sources with different wavelengths and then evaluate the percentage of hemoglobin bound to oxygen as follows:
上記の式において、
HbO2は酸素と結合したヘモグロビンの濃度で、
Hbは酸素が脱離したヘモグロビンの濃度である。
In the above formula,
HbO 2 is the concentration of hemoglobin bound to oxygen,
Hb is the concentration of hemoglobin from which oxygen has been released.
酸素と結合したヘモグロビンおよび酸素が脱離したヘモグロビンの濃度を計算するためには式(1)が用いられなければならない。便宜的な計算には、本願明細書で定義された変動可能なODがあり、式(1)は以下のとおり書き換えられる。 Equation (1) must be used to calculate the concentration of hemoglobin bound to oxygen and hemoglobin desorbed from oxygen. For expedient calculations, there is a variable OD defined herein, and equation (1) can be rewritten as follows:
特に、約660nmおよび940nmのそれぞれ赤色光および赤外光が、SPO2を計算するために用いられるのが普通であるから、式(6)は以下のとおり表記できる。 In particular, since red light and infrared light of about 660 nm and 940 nm, respectively, are commonly used to calculate SPO2, equation (6) can be written as:
したがって、 Therefore,
上記の式において In the above formula
式(2)ないし(8)は、それぞれ、SI、RI、PWVおよびSPO2を計算するためのものであり、先行技術を用いる場合には、これらの異なるパラメータは、さまざまなデザインの検知エレメントを有する異なる装置によって計測されなければならない。本発明の一体型生理学的信号評価装置は、ECG信号、血圧パルスおよびSPO2を取得するために、ECG信号の2重電極検知原理を光学的検知プローブと一体化したので、医療機器を単純化し、家庭で適用できる。 Equations (2) through (8) are for calculating SI, RI, PWV and SPO2, respectively, and when using the prior art, these different parameters have sensing elements of various designs. Must be measured by different devices. The integrated physiological signal evaluation apparatus of the present invention integrates the double electrode detection principle of an ECG signal with an optical detection probe to acquire an ECG signal, a blood pressure pulse, and SPO2, thereby simplifying a medical device, Applicable at home.
図5は本発明の一体型生理学的信号評価装置のブロックダイアグラムである。前記装置は、検知インターフェースモデュール10と、アナログ信号処理モデュール20と、アナログからデジタルへの変換ユニット30と、デジタル信号処理モデュール40と、ディスプレイユニット50とを含む。検知インターフェースモデュール10は、2本の検知電極12、12’と、光学的プローブセット16とを含む。検知電極12、12’はECG信号を測定するために用いられ、検知電極12、12’のうちの少なくとも1本と組み合わされた光学的プローブセット16はPPG信号を測定するために用いられる。検知インターフェースモデュール10の詳細なデザインは以下に説明される。
FIG. 5 is a block diagram of the integrated physiological signal evaluation apparatus of the present invention. The apparatus includes a
アナログ信号処理モデュール20は検知インターフェースモデュール10と電気的に接続され、アナログ形式で被検者から測定されたECG信号およびPPG信号を処理して、これらの信号を増幅およびフィルター処理するのに用いられる。アナログからデジタルへの変換ユニット30は、アナログ信号処理モデュール20で処理済みのアナログのECG信号およびPPG信号をそれぞれデジタル信号に変換するために用いられる。次にこれらのデジタル信号は、心拍速度、STセグメント、QRS間隔等のようなECGパラメータと、SI、RI、PWV、SPO2等のような血管のパラメータとを得るために、さまざまな種類のアルゴリズムを実行するデジタル信号処理モデュール40によって処理される。かかるパラメータの情報は、液晶ディスプレイ、LED等のようなディスプレイユニット50で表示するために転送される場合がある。さらに前記装置は、上記の全ての電気式の構成要素に電力を供給するために、電池セットか、家庭用差込のような外部電源かのような電源システムを有する場合がある。
The analog
本発明では、検知インターフェースモデュール10は、ECG信号およびPPG信号という2つの異なるタイプの信号を同時に取得するための非常に発明として特徴あるデザインである。PPG信号を検出するためには、反射法および透過法という、2つの光学的方法があるので、検知インターフェースモデュール10の構造には異なるやり方で実施される。さらに、ECG信号を記録するには少なくとも2本の電極で可能であり、血圧パルスおよびSPO2を記録するには少なくとも1本の光学的プローブで可能であるため、前記装置は、検知電極12、12’のうちの1本に配設される1本の光学的プローブか、検知電極12、12’の両方に配設された2本以上の光学的プローブかのいずれかを含む場合がある。以下の実施態様では、検知電極12、12’のうちの1本に配設される1本の光学的プローブセット16だけがある。
In the present invention, the
図6Aに示すとおり、光学的反射法では、検知インターフェースモデュール10は、2本の検知電極12、12’と、該検知電極のうちの1本に配設された1本の光学的プローブセット16とを含む。検知電極12、12’のそれぞれは、被検者の体表と接触して、前記被検者の心筋がリズミカルに収縮するときECG信号を取得するために電流の変動を記録する、接触面14を有する。光学的プローブセット16は、少なくとも1個の発光器160と、少なくとも1個の受光器162とを含む。発光器160は、被検者の体表に光線を発するために用いられ、受光器162は、体表の組織からの反射光を受光して、PPG信号を作成するために用いられる。
As shown in FIG. 6A, in the optical reflection method, the
この方法では、検知インターフェースモデュール10は、被検者の体表に固定して接着されるか、被検者によって容易に接触されるように、平面状にデザインされる場合がある。図6Bを参照して、被検者の指を例にとると、指18は検知電極12、12’上に戴置されるとき(検知電極12’は図6Bには示されない)、検知電極12、12’は心臓から送られるECG信号を受信してこれを記録することができる。12本のリード線によるECG測定については、両手の指からの信号は第1のリード線のECG信号に属する。発光器160および受光器162は両方とも、検知電極12、12’のうちの1本と組み合わされるので、血圧パルスを知る必要がある場合には、発光器160は、光線、例えば、赤色光または赤外光を指に発光して、血液中の酸素濃度の変動に基づいてPPG信号を得るために、反射光を受光し、反射光の量を記録する必要がある。これらの得られたPPG信号を処理するための以下のモデュールによって、SIおよびRIは計算できる。さらに、ECG信号およびPPG信号を同時に測定し、一緒に組み合わせることによって、PWVも計算できる。血液中の酸素濃度を推定するために、発光器160は、異なる波長を有する2つのタイプの光源、一般的には、赤色光および赤外光を発光しなければならず、受光器162は、時間分割的な(clock−switching)やり方で、酸素と結合した血液と酸素が脱離した血液とにそれぞれ対応する、異なる波長を有する2つのタイプの反射光源を受光して、以下のモデュールがSPO2を計算するのに十分な情報を提供する。
In this method, the
透過型検知インターフェースモデュール10の横断模式図を示す別の実施態様である図7Aを参照して、検知インターフェースモデュール10は、指輪、フィンガー・シース(finger sheath)等のような、対応し、相対する2つの内面を有する固定具90を含む。検知電極12、12’のうち少なくとも1本はその内部に包まれ、接触面14が被検者の体表に面するように、固定具90の内面の1つに取り付けられる。発光器160および受光器162も固定具90に包まれ、それぞれ反対側の内面に配設される。この実施態様では、光学的プローブセット16と、検知電極12とが同じ固定具90に包まれる。受光器162は、固定具90の下側の内面にある検知電極12に配設され、発光器160は固定具90の反対側の内面に取り付けられる。勿論、発光器160および受光器162は互いに交換可能である。発光器160から発光された光線が被検者に送られて、被検者の組織を透過した後、受光器162は透過光を受光できる。このタイプの測定法を用いるとき、被検者は片手の指を検知電極12’(図7Bには示されない)の接触面14に戴置し、検知電極12の接触面14を触れるように固定具90内にもう一方の手の指を戴置する。このようにして、被検者のECG信号が検知電極12、12’によって取得でき、上述のとおり、PPG信号も単一波長の光か、時間分割的なやり方で2波長の光かを用いることによって取得でき、RI、SI、PWVおよびSPO2を計算するために以下のモデュールに提供する。
Referring to FIG. 7A, which is another embodiment showing a cross-sectional schematic view of a transmissive
本発明のより詳細なブロックダイアグラムである図8を参照して、被検者が本発明を用いるとき、検知インターフェースモデュール10の検知電極12、12’は被検者のECG信号を取得でき、光学的プローブセット16は被検者のPPG信号を同時に取得できる。その後、検知インターフェース10と電気的に接続されたアナログ信号処理モデュール20がECG信号およびPPG信号を別々に取り扱う。アナログ信号処理モデュール20には、ECG信号を増幅およびフィルター処理するECG信号処理モデュール22と、PPGの光学信号を電気信号に変換する光電信号変換ユニット24と、変換されたPPG信号を増幅およびフィルター処理する光電信号処理ユニット26とがある。その後、ECG信号およびPPG信号は、アナログからデジタルへの変換ユニットに電気的に転送されて、デジタル信号に変換される。それから、これらのECGおよびPPGデジタル信号は、デジタル信号処理モデュール40に転送されて、さまざまな生理学的なパラメータを計算するための処理を施される。デジタル信号処理モデュール40は、ECG信号およびPPG信号をさらに処理して心拍速度、STセグメントおよびQRS間隔のようなECGパラメータと、SI、RI、PWVおよびSPO2等のようなPPGパラメータとを得るためのCPU42を含む。詳細なアルゴリズム工程は図9に示され、図1ないし4が明解な理解のために参照される。
Referring to FIG. 8, which is a more detailed block diagram of the present invention, when the subject uses the present invention, the
デジタルECG信号がCPU42に転送されるとき、ECG信号処理手順が最初のステップ(S10)、すなわち、前記ECG信号からQRS波を検出するステップを入力する。通常、ECG信号は、P波と、QRS波と、T波とで構成される。しかし、QRS波は、心室収縮期の前の脱分極電流によってもたらされ、強度が強く容易に検出される。さらに、R波は心臓のリズムの基礎であるから、第1のステップはQRS波の位置を検出することである。それから、ECG信号全体の電圧を計算し、QRS信号を検出することによって、心拍速度、STセグメント、QRSセクション等のようなECGパラメータがステップ(S12)において計算される。
When the digital ECG signal is transferred to the
単一光源のPPG信号については、PPG信号がCPU42に転送されるとき、PPG信号処理手順が以下のステップを入力する。最初のステップは、パルスの到達位置を検出するステップである。現在のところ、前記到達位置を決定する均一な基準はないが、一般的に、(それぞれ図4の#1、#2および#3に示される、)上昇への変曲点か、傾斜が最も急上昇する点か、パルスのピークかがパルスの到達位置として採用される。本実施態様は傾斜が最も急上昇する点をパルスの到達位置として採用する。次のステップは、デジタルPPG信号をECG信号のQRS波と比較して、QRS波のピークからパルスの到達位置までのパルス伝播時間(PTT)を評価するステップ(S22)である。次のステップは、被検者の身長および被検者の検査部位を推定するとともに、式(4)を用いて、PWVを得るステップ(S24)である。その他に、PPG信号の第1および第2のピークを検出して、第1および第2のピークの振幅と、これら2つのピークの時間間隔とを計算するステップ(S30)もステップ(S20)に続く。次のステップ(S32)は、式(2)および(3)を計算して、SIおよびRIを得るステップである。PWV、SIおよびRIは、単一光源のPPG信号によって得ることができる。さらに、例えば赤色光源および赤外光源のように、2つの異なる光源がある場合には、CPU40は、ステップ(S30)に続けて、異なる光源に対する吸光量および反射光量を決定する別のステップ(S40)、すなわち、異なるタイプのPPG信号のピークおよび波の谷(wave trough)検出するステップを実行する場合がある。それから、次のステップは、式(5)ないし(8)を計算してSPO2を得るステップである。
For a single light source PPG signal, when the PPG signal is transferred to the
CPU42がECGパラメータおよび血管パラメータを計算した後、これらのパラメータは、LCD、LED等のようなディスプレイユニット50に転送され、被検者のために視覚的な情報を示す。デジタル信号処理モデュール40は、CPU42と電気的に接続されてデジタルECG信号、デジタルPPG信号、ECGパラメータおよび血管パラメータを保存するための保存ユニット44を含む。さらに、デジタル信号処理モデュール40のCPU42は、USBインターフェース、ブルーツースインターフェース、赤外線インターフェース、モデム等のような、データ転送モデュール70に接続されて、保存ユニット44に保存された信号およびパラメータを含むデータを、その後の診断および解析と、データ管理とを提供するために、パソコン、PDA、携帯電話、データベース等のような外部のデジタル情報機器72に転送する。
After the
前記一体型生理学的信号評価装置は、CPU42に電気的に接続されて、前記デジタル信号処理モデュールの動作を被検者が制御することを可能にする、作動ユニット80をさらに含む。作動ユニット80は、測定機能、保存ユニット44のデータの追加/削除/転送、被検者の個人情報の入力、日付設定等のような所望の動作を実行するために、ボタン、ノブ、タッチパネル等のようないずれかのやり方で提供される場合がある。測定装置全体に電力を提供する電源モデュール60によって、全てのモデュールおよびユニットは、複数の異なるタイプの信号を検出および解析するという効果を達成することに成功するように、作動することができる。
The integrated physiological signal evaluation apparatus further includes an
本発明の多数の特徴および利点と、本発明の構造および機能の詳細とが以上の説明で列挙されたが、この開示は例示的であるにすぎない。詳細における変更、特に、形状、サイズおよび部品の配置に係る事項についての変更は、特許請求の範囲に記載された最も一般的な用語の意味によって最も完全な内容が示される、本発明の原理の範囲内で行ってもかまわない。 Although numerous features and advantages of the invention and details of the structure and function of the invention have been listed in the foregoing description, the disclosure is illustrative only. Changes in detail, particularly in matters relating to shape, size and arrangement of parts, are those of the principles of the present invention that are best described by the meaning of the most common terms recited in the claims. You can go within the range.
10 検知インターフェースモデュール
12、12’ 検知電極
14 接触面
16 光学的プローブセット
18 指
20 アナログ信号処理モデュール
22 ECG信号処理モデュール
24 光電信号変換ユニット
26 光電信号処理ユニット
30 アナログからデジタルへの変換ユニット
40 デジタル信号処理モデュール
42 CPU
44 保存ユニット
50 ディスプレイユニット
70 データ転送モデュール
72 外部のデジタル情報機器
80 作動ユニット
90 固定具
160 発光器
162 受光器
DESCRIPTION OF
44
Claims (9)
前記検知インターフェースモデュールは、被検者のECG信号を得るための2本の検知電極と、前記ECG信号を得るときに被検者のPPG信号を同時に得るために前記検知電極のうちの1本と選択的に組み合わされる、少なくとも1本の光学的プローブセットとを含み、前記アナログ信号処理モデュールは、前記検知インターフェースモデュールによって検出されたECG信号およびPPG信号をアナログ的に処理するために前記検知インターフェースモデュールと電気的に接続され、前記アナログからデジタルへの変換ユニットは、アナログ形式のECG信号およびPPG信号をデジタル形式のWCG信号およびPPG信号に変換するために前記アナログ信号処理モデュールと電気的に接続され、前記デジタル信号処理モデュールは、少なくとも1つのECGパラメータと、少なくとも1つの血管パラメータとを得るために前記デジタル形式のECG信号およびPPG信号に対して別々にアルゴリズムを実行するために前記アナログからデジタルへの変換ユニットと電気的に接続され、前記ディスプレイユニットは、前記ECGパラメータおよび血管パラメータを表示するために前記デジタル信号処理モデュールと電気的に接続され、前記電源モデュールは上記の全ての構成要素に電力を提供する、一体型生理学的信号評価装置。 An integrated physiological signal evaluation device comprising a sensing interface module, an analog signal processing module, an analog to digital conversion unit, a digital signal processing module, a display unit, and a power supply module,
The detection interface module includes two detection electrodes for obtaining an ECG signal of the subject, and one of the detection electrodes for simultaneously obtaining the PPG signal of the subject when obtaining the ECG signal. At least one optical probe set, optionally combined, wherein the analog signal processing module is configured to analogly process the ECG signal and the PPG signal detected by the sensing interface module. The analog to digital conversion unit is electrically connected to the analog signal processing module for converting analog ECG and PPG signals into digital WCG and PPG signals. The digital signal processing module Electrically with the analog to digital conversion unit to perform an algorithm separately on the ECG and PPG signals in digital form to obtain at least one ECG parameter and at least one vascular parameter Integrated physiology, wherein the display unit is electrically connected to the digital signal processing module to display the ECG parameters and vascular parameters, and the power module provides power to all the above components Signal evaluation device.
前記ECG信号処理ユニットは前記被検者から検出されたECG信号を増幅およびフィルター処理し、前記光電信号変換ユニットは前記被検者から検出された光学的なPPG信号を電気的なPPG信号に変換し、前記光電信号処理ユニットは前記電気的なPPG信号を増幅およびフィルター処理する、一体型生理学的信号評価装置。 The integrated physiological signal evaluation apparatus according to claim 1, 2, 3, or 4, comprising an ECG signal processing unit, a photoelectric signal conversion unit, and a photoelectric signal processing unit.
The ECG signal processing unit amplifies and filters the ECG signal detected from the subject, and the photoelectric signal conversion unit converts the optical PPG signal detected from the subject into an electrical PPG signal. And the photoelectric signal processing unit amplifies and filters the electrical PPG signal.
前記保存ユニットは、前記デジタル形式のECG信号と、デジタル形式のPPG信号と、前記ECGパラメータと、血管パラメータとを保存するために前記CPUと電気的に接続され、前記データ転送モデュールは前記保存ユニットに保存された信号およびパラメータを外部のデジタル情報機器に転送するために前記CPUに接続される、一体型生理学的信号評価装置。 The integrated physiological signal evaluation device according to claim 1, 2, 3 or 4, comprising a storage unit and a data transfer module,
The storage unit is electrically connected to the CPU for storing the digital format ECG signal, the digital format PPG signal, the ECG parameter, and a blood vessel parameter, and the data transfer module is the storage unit. An integrated physiological signal evaluation apparatus connected to the CPU for transferring signals and parameters stored in the external CPU to an external digital information device.
被検者のECG信号を得るために該被検者の体表に接触する接触面をそれぞれ1つ有する、2本の検知電極と、前記ECG信号を得るときに同時に前記被検者のPPG信号を得るために前記検知電極のうちの1本と組み合わせられる、少なくとも1個の光学的プローブセットとを含む、検知インターフェースモデュール。 A sensing interface module for an integrated physiological signal evaluation device comprising:
In order to obtain the ECG signal of the subject, two detection electrodes each having one contact surface that contacts the body surface of the subject, and the PPG signal of the subject simultaneously when obtaining the ECG signal A sensing interface module comprising at least one optical probe set combined with one of said sensing electrodes to obtain
The detection interface module according to claim 7 or 8, wherein the light emitted from the light emitter is red light or infrared light.
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