CN101426421A - 脉搏波测定装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种脉搏波测定装置，其具有根据动脉内压力改变静电容量的压力检测用电容器(CX)；反相输入端子与压力检测用电容器(CX)的一端连接，非反相输入端子与基准电压连接的运算放大器(G1)；一端与运算放大器(G1)的反相输入端子连接，另一端与运算放大器(G1)的输出端连接的电荷传输用电容器CF；一端与运算放大器(G1)的反相输入端子连接的开关(SW1)；一端与开关(SW1)的另一端连接，另一端与运算放大器(G1)的输出端连接的电压设定部(54)，将开关(SW1)的另一端与运算放大器(G1)的输出端连接，或将开关(SW1)的另一端与运算放大器(G1)的输出断开，对开关(SW1)的另一端施加规定电压。

Description

脉搏波测定装置
技术领域
本发明涉及脉搏波测定装置，特别涉及使用静电容量元件(capacitancedevice)来测定动脉内压力波形的脉搏波测定装置。
背景技术
以非观血式(bloodless manner)简便地获得动脉内压力波形的压力脉搏波测定法例如G.L.Pressman，P.M.Newgard，″A Transducer for the ContinuousExternal Measurement of Arterial Blood Pressure″，IEEE TRANSACTIONS ONBIO-MEDICAL ELECTRONICS，1963，pp.74-81(非专利文献1)中所记载的张力测定法(tonometry method)。使用张力测定法，将固体平板按压在生物体表面上，通过该固体平板以在动脉上形成平坦部的程度压迫生物体表面。并且，保持已除掉了产生在动脉表面上的张力的影响的压力平衡状态，从而以较高精度稳定地仅对动脉内压力变化进行测定。
近年，尝试根据利用张力测定法测定得到的动脉内压力波形来计算特征量，从而测定生物体内状态。作为这种尝试之一，也有对于判断动脉硬化程度的指标的AI(Augmentation Index：增强指数)值的研究。
作为使用张力测定法来测定动脉内压力波形的条件，除了以在动脉上形成平坦部的程度压迫生物体表面以外，还需要在动脉上形成的平坦部的正上方配置传感器元件。另外，为了高精度地对动脉内压力波形进行测定，需要使传感器元件的宽度比在动脉上形成的平坦部的宽度小，因此传感器元件需要比动脉直径足够小。考虑到上述情况，将单一的传感器元件定位并配置到在动脉上形成的平坦部的正上方是非常困难的，因此现有技术主要是将配置有多个实施了微小加工的传感器元件的压力传感器以与动脉延伸方向大致垂直的方式进行配置，从而对压力脉搏波(pressure pulse waves)进行测定。
通常用于测定压力的检测方法(sensing methods)例如有采用应变电阻元件(distortion resistance device)的检测方法以及采用静电容量元件(capacitance device)的检测方法。在采用静电容量元件的检测方法中，由于传感器元件的结构比应变电阻元件简单，因此不需要成本高昂的半导体制造工艺，能够降低制造成本。
例如在Y.E.Park and K.D.Wise，″AN MOS SWITCHED-CAPACITORREADOUT AMPLIFIER FOR CAPACITIVE PRES SURESENSORS″，Proc.IEEE Custom Circuit Conf.，May1983，pp.380-384(非专利文献2)中，公开了由放大器、电容器以及开关等构成的电荷电压变换(electric-charge-to-voltage conversion)式的传感器装置。
这里，在如前所述压力传感器配置有多个传感器元件的情况下，需要用于对多个传感器元件的输出进行选择的多路复用器(multiplexer)。多路复用器通常需要使用MOS(Metal Oxide Semiconductor：金属氧化物半导体)工艺进行制造。非专利文献2中记载的传感器装置使用了MOS工艺，因此即使在需要多路复用器的情况下也能够实现制造工艺的通用性，能够实现传感器装置的小型化。
非专利文献2记载的传感器装置，能够以这样的方式来实现小型化，并且由于采用MOS工艺而能够降低功耗，因此被应用于MEMS(Micro ElectroMechanical Systems：微机电系统)压力传感器以及MEMS加速度传感器中。
非专利文献1：G.L.Pressman，P.M.Newgard，″A Transducer for theContinuous External Measurement of Arterial Blood Pressure″，IEEETRANSACTIONS ON BIO-MEDICAL ELECTRONICS，1963，pp.74-81
非专利文献2：Y.E.Park and K.D.Wise，″AN MOSSWITCHED-CAPACITOR READOUT AMPLIFIER FOR CAPACITIVEPRESSURE SENSORS″，Proc.IEEE Custom Circuit Conf.，May 1983，pp.380-384
发明内容
发明要解决的课题
但是，在非专利文献2所记载的传感器装置中，将放大器的输出和输入经由并联配置的电容器和开关进行连接，从而形成反馈电路。通过切换上述开关，将与静电容量元件中蓄积的电荷相对应的电压，即与静电容量元件的静电容量相对应的电压，作为传感器输出而从放大器输出。这里，构成反馈电路的开关例如可以采用MOS模拟开关。
图14是表示MOS模拟开关的关断电容(off capacity)的偏压依存性(bias-voltage dependence)的一例的图。
如图14所示，MOS模拟开关即使在处于断开状态时仍具有一定pF的关断电容，并且关断电容依存于在开关两端上施加的偏压而变化。
图15表示在电荷电压变换式的传感器装置中使用具有图14所示的偏压依存性的MOS模拟开关时的线性误差。
如图15所示，在非专利文献2所记载的传感器装置等的电荷电压变换式的传感器装置中，由于MOS模拟开关等构成反馈电路的开关的关断电容的偏压依存性，导致放大器的输出电压即传感器装置的输出特性呈非线性变化。特别是在测定动脉内压力波形的脉搏波测定装置中，如前所述使用微小的传感器元件，因此为了确保良好的检测灵敏度，必须降低构成反馈电路的电容器的容量，而MOS模拟开关的关断电容则导致传感器输出的误差变大。
因此，本发明目的在于提供一种防止输出特性产生非线性变化，并且能够减小脉搏波检测误差的脉搏波测定装置。
用于解决课题的手段
本发明的脉搏波测定装置，其通过按压生物体表面来测定动脉内的压力波形，该脉搏波测定装置的特征在于，具有：压力检测用电容器，其静电容量根据动脉内的压力而改变，运算放大器，其反相输入端子与压力检测用电容器的一端连接，非反相输入端子接入基准电压，电荷传输用电容器，其一端与运算放大器的反相输入端子连接，另一端与运算放大器的输出端连接，第1开关，其一端与运算放大器的反相输入端子连接，电压设定部，其一端与第1开关的另一端连接，另一端与运算放大器的输出端连接；电压设定部将第1开关的另一端与运算放大器的输出端连接，或者使第1开关的另一端不与运算放大器的输出端连接，而对第1开关的另一端施加规定电压。
优选电压设定部包括：第2开关，其一端与第1开关的另一端连接，另一端与运算放大器的输出端连接；第3开关，其一端与第1开关的另一端连接，另一端接入规定电压。
优选电压设定部包括：第2开关，其一端与第1开关的另一端连接，另一端与运算放大器的输出端连接；电压设定用电容器，其一端与第1开关的另一端连接，另一端接入规定电压。
优选脉搏波测定装置还具有充电部和控制部，充电部向压力检测用电容器的另一端施加充电电压，控制部控制充电部、第1开关以及电压设定部，从而对压力检测用电容器的另一端施加充电电压，使第1开关成为接通状态，并且将第1开关的另一端与运算放大器的输出端连接，然后，使第1开关的另一端不与运算放大器的输出端连接，然后，对第1开关的另一端施加规定电压，并且停止施加充电电压。
优选脉搏波测定装置还具有第4开关，该第4开关的一端与压力检测用电容器的一端连接，另一端与运算放大器的反相输入端子连接。
进而优选，脉搏波测定装置还具有充电部和控制部，充电部向压力检测用电容器的另一端施加充电电压，控制部控制充电部、第1开关、第4开关以及电压设定部，从而向压力检测用电容器的另一端施加充电电压，使第1开关成为接通状态，使第4开关成为接通状态，并且将第1开关的另一端与运算放大器的输出端连接，然后，使第4开关成为断开状态，然后，使第1开关的另一端不与运算放大器的输出端连接，然后，对第1开关的另一端施加规定电压，并且停止施加充电电压，然后，使第4开关成为接通状态。
优选规定电压是基准电压。
发明效果
根据本发明，能够防止输出特性产生非线性变化，并且能够减小脉搏波检测的误差。
附图说明
图1是本发明第1实施方式的脉搏波测定装置的外观图。
图2是图1所示测定状态下的手腕以及脉搏波测定装置的示意性的剖面图。
图3是表示本发明第1实施方式的脉搏波测定装置中的传感器阵列19、多路复用器20以及C—V变换部21的结构图。
图4是传感器阵列19的立体外观图。
图5是本发明第1实施方式的脉搏波测定装置的功能框图。
图6是确定本发明第1实施方式的脉搏波测定装置进行脉搏波测定时的动作步骤的流程图。
图7是表示本发明第1实施方式的脉搏波测定装置中的C—V变换部21以及电容器CX的结构的功能框图。
图8是表示本发明第1实施方式的脉搏波测定装置中的C—V变换部21以及电容器CX的结构的电路图。
图9是表示本发明第1实施方式的脉搏波测定装置在进行脉搏波测定时的C—V变换部21的动作的时序图。
图10是确定本发明第1实施方式的脉搏波测定装置在进行脉搏波测定时的C—V变换部21的动作步骤的流程图。
图11是表示本发明第2实施方式的脉搏波测定装置中的C—V变换部21以及电容器CX的结构的电路图。
图12是表示本发明第2实施方式的脉搏波测定装置在进行脉搏波测定时的C—V变换部21的动作的时序图。
图13是确定本发明第2实施方式的脉搏波测定装置在进行脉搏波测定时的C—V变换部21的动作步骤的流程图。
图14是表示MOS模拟开关的关断电容的偏压依存性的一例的图。
图15是表示在电荷电压变换式的传感器装置中，使用具有图14所示的偏压依存性的MOS模拟开关时的线性误差的图。
附图标记的说明
1：传感器单元；3：显示单元；11：CPU(控制部)；12：ROM；13：RAM；14：驱动电路；15：加压泵；16：负压泵；17：切换阀；18：按压袖带(pressing cuff)；19：传感器阵列；20：多路复用器；21：C—V变换部；22：低通滤波器；23：A/D变换部；24：操作部；25：显示部；26：PCB；27：柔性布线；28、28A：传感器部件(sensor element)；30：间隔构件；31：下部电极；32：上部电极；51：充电部；52：电压变换部；53：电压保持部；54：电压设定部；55：差动放大器；100：脉搏波测定装置；110：载置台；120：传感器单元；122：外壳；130：束带；200：手臂；210：动脉；220：桡骨；CX：电容器(压力检测用电容器)；CC、CH1：电容器；CF：电荷传输用电容器；CS：电容器(电压设定用电容器)；SW1～SW4：开关(第1～第4开关)，SW5、SW51～SW54：开关；G1、G2：运算放大器；V1、V2：电源
具体实施方式
以下参照附图对本发明实施方式进行说明。另外，对于图中相同或相当的部分标记相同附图标记而省略重复说明。
<第1实施方式>
[脉搏波测定装置的结构以及基本动作]
图1是本发明第1实施方式的脉搏波测定装置的外观图。另外，图1表示将传感器阵列按压在手腕上的测定状态。图2是图1所示测定状态下的手腕以及脉搏波测定装置的示意性的剖面图。
参照图1和图2，脉搏波测定装置100用于测定在被检者的手腕上的动脉内压力波形。脉搏波测定装置100具有载置台110、传感器单元1、束带130。传感器单元1包括外壳122、按压袖带18、传感器阵列19。
载置台110包括载置部112，该载置部112载置被检者的一只手臂200的手腕以及前臂。束带130对载置台110上载置的手臂200的手腕部分进行固定。传感器单元1安装在束带130上，内置有传感器阵列19。
参照图1，在载置台110上固定了手腕的状态下，动脉210处在与手臂200的延伸方向平行的位置。如图2所示，传感器单元1的外壳122所内置的按压袖带18膨胀，从而传感器阵列19下降，传感器阵列19的传感器面按压在手腕表面上。按压袖带18能够通过后述的加压泵15以及负压泵16来调节内压。传感器阵列19配置为使设置在传感器面上的后述的下部电极31在与动脉210的延伸方向大致垂直的方向上延伸。
在进行按压时，动脉210处于被桡骨220和传感器阵列19的传感器面上下夹持的状态，在动脉210上形成了平坦部。并且，至少一个传感器部件28位于形成在动脉210上的平坦部的正上方。
图3是表示本发明第1实施方式的脉搏波测定装置中的传感器阵列19、多路复用器20以及C—V变换部21的结构图。图4是传感器阵列19的立体外观图。
参照图3，传感器阵列19和多路复用器20以及C—V变换部21进行组合使用。C—V变换部21包括充电部51。
参照图4，传感器阵列19包括下部电极31、上部电极32、间隔构件30。下部电极31由多个带状铜箔电极构成，该多个带状铜箔电极彼此平行地设置，并且实质上呈直线状延伸。上部电极32由多个带状铜箔电极构成，该多个带状铜箔电极在与下部电极31垂直的方向上彼此平行地设置，并且实质上呈直线状延伸。在下部电极31和上部电极32之间，配置有硅橡胶构成的间隔构件30。
在配置为矩阵状的下部电极31以及上部电极32的交叉部，通过间隔构件30使下部电极31和上部电极32间隔规定距离对向配置。由此，在下部电极31以及上部电极32的交叉部形成传感器部件28。即，传感器阵列19包括配置为矩阵状的多个传感器部件28。
通过施加在上部电极32或下部电极31上的压力使上部电极32或下部电极31向彼此接近的方向变形，从而改变传感器部件28的静电容量。
另外，如图3所示，下部电极31或上部电极32经由多路复用器20连接有C—V变换部21。多路复用器20对特定的下部电极31以及上部电极32进行选择。通过这种结构，能够获得在矩阵状配置的多个传感器部件28中的任意一个的静电容量，并将其作为C—V变换部21的输出电压。例如，在多路复用器20选择了从上数第二行的下部电极31和从左数第三列的上部电极32的情况下，传感器部件28A与C—V变换部21连接。因此，能够对传感器阵列19的任意位置的压力波形进行测定。另外，在图3中，上部电极32经由多路复用器20与充电部51连接，但是也可以使下部电极31以及上部电极32连接关系相反，使下部电极31经由多路复用器20与充电部51连接。
图5是本发明第1实施方式的脉搏波测定装置的功能框图。
如图5所示，脉搏波测定装置100具有传感器单元1、显示单元3、载置台110。显示单元3包括操作部24、显示部25。传感器单元1包括按压袖带18、传感器阵列19。载置台110包括ROM(Read Only Memory：只读存储器)12、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)13、CPU(CentralProcessing Unit：中央处理器)(控制部)11、驱动电路14、加压泵15、负压泵16、切换阀17、多路复用器20、C—V变换部21、低通滤波器22、A/D变换部23。
操作部24检测来自外部的操作，将检测结果作为操作信号向CPU11等输出。用户对操作部24进行操作，将与脉搏波测定有关的各种信息输入脉搏波测定装置100。
显示部25包括用于将动脉位置检测结果以及脉搏波测定结果等各种信息向外部输出的LED(Light Emitting Diode：发光二极管)、LCD(LiquidCrystal、Display：液晶显示器)。
ROM12和RAM13例如存储用于控制脉搏波测定装置100的数据以及程序。
驱动电路14根据来自CPU11的控制信号来驱动加压泵15、负压泵16以及切换阀17。
CPU11访问ROM12而读出程序，并且将读出的程序在RAM13中展开并执行，对脉搏波测定装置100中各部分进行控制以及运算处理。另外，CPU11根据从操作部24接收的用户的操作信号，对脉搏波测定装置100中各部分进行控制处理。即，CPU11根据从操作部24接收的操作信号，向各部分输出控制信号。另外，CPU11在显示部25上显示脉搏波测定结果等。
加压泵15用于对按压袖带18的内压实施加压，而负压泵16则用于对按压袖带18内压进行减压。切换阀17选择性地将加压泵15或者负压泵16与通气管6连接。
按压袖带18包括气囊，为了将传感器阵列19按压在手腕上而对该气囊进行加压调节。
按压袖带18的压力将传感器阵列19按压在被检者的手腕等的测定部位上。传感器阵列19在被按压的状态下，通过桡骨动脉对被检者的脉搏波即动脉内压力波形进行检测。
多路复用器20根据从CPU11接收的控制信号，从传感器阵列19的多个传感器部件28中选择某一个。C—V变换部21将多路复用器20所选择的传感器部件28的静电容量值变换为电压，也就是将表示动脉内压力波形的从动脉传递到生物体表面的压力振动波作为电压信号输出(以下也称为压力信号)。
低通滤波器22使从C—V变换部21接收的压力信号中规定的频率成分衰减。
A/D变换部23将通过低通滤波器22的模拟信号即压力信号转换为数字信号向CPU11输出。
另外，载置台110也可以包括显示单元3。另外，虽然载置台110具有CPU11、ROM12以及RAM13，但是显示单元3也可以包括CPU11、ROM12以及RAM13。另外，CPU11也可以与PC(Personal Computer：个人计算机)连接来进行各种控制。
[脉搏波测定装置的动作]
图6是对本发明第1实施方式的脉搏波测定装置在进行脉搏波测定时的动作步骤进行规定的流程图。图6中流程图所示的处理是通过CPU11访问ROM22从而读出程序，并且将读出的程序在RAM23中执行来实现的。
如图6所示，首先使脉搏波测定装置100接通电源，CPU11对驱动电路14发出指令来驱动负压泵16。驱动电路14根据来自CPU11的指令将切换阀17切换到负压泵16一侧，从而驱动负压泵16(S101)。被驱动的负压泵16经由切换阀17使按压袖带18的内压减压至比大气压足够低的程度。通过这种结构，能够避免由于传感器阵列19非故意突出而引起的误动作以及故障等。
CPU11检测出传感器阵列19移动到测定部位(S102)，则开始进行脉搏波测定。这里，传感器单元1具有未图示的用于检测传感器阵列19的移动的微型开关(micro switch)等，CPU11根据微型开关的检测信号来识别传感器阵列19的位置。另外，也可以构成为，当CPU11检测出操作部24所含的测定开始开关(未图示)被按压时，开始进行脉搏波测定。
当传感器阵列19移动到测定部位时(S102：“是”)，CPU11对驱动电路14发出指令来驱动加压泵15。驱动电路14根据来自CPU11的指令将切换阀17切换到加压泵15一侧，从而驱动加压泵15(S103)。被驱动的加压泵15经由切换阀17对按压袖带18的内压进行加压，将传感器阵列19按压到被检者的测定部位的表面上。
当传感器阵列19按压到测定部位上时，多路复用器20基于CPU11的控制，对与C—V变换部21连接的传感器部件28进行分时切换。C—V变换部21将多路复用器20所选择的传感器部件28的静电容量值变换为电压。低通滤波器22使来自C—V变换部21的压力信号中规定的频率成分衰减。A/D变换部23将通过低通滤波器22的压力信号变换为数字信息，向CPU11输出。
CPU11根据来自A/D变换部23的数字信息，生成表示传感器部件28的位置与压力信号的关系的压力图，并在显示部25上进行显示(S104)。
CPU11根据生成的压力图，检测并选择位于动脉上的传感器部件28(S105)。另外，检测传感器部件28的处理可以采用本申请人提出的JP特开2004—222847号公报所记载的技术等。
另外，CPU11根据从A/D变换部23接收的数字信息，提取从C—V变换部21输出的压力信号的直流成分(S106)。压力信号的直流成分表现为，规定期间的压力信号的平均值、压力信号中的除去规定频率以下的成分即除去脉搏波成分以外的压力信号，以及在脉搏波上升点之前即混入脉搏波成分之前的压力信号电平等。
具体而言，将压力信号的输出变化按规定期间的窗口(区间)进行分割，算出各窗口内平均值，从而能够提取直流成分。或者，通过计算各窗口内的最大值与最小值的中间值等，也同样能够提取直流成分。另外，上述规定期间是与被检者的脉搏无关的预先在脉搏波测定装置100中设定的期间，优选为通常的脉搏间隔以上即1.5秒左右。
接着，CPU11控制驱动电路14进行最适压力调节(optimum pressureadjustment)，即调节按压袖带18的内压，以使压力信号的直流成分稳定(S107)。
接着，CPU11基于从A/D变换部23接收的数字信息所表示的压力信号，取得波形数据，根据取得的波形数据来测定脉搏波(S108)，所述压力信号是当前所选择的来自C—V变换部21的信号。
然后，在脉搏波测定的结束条件成立的情况下(S109：“是”)，CPU11控制驱动电路14驱动负压泵16，解除传感器阵列19对测定部位的按压状态(S110)。这里，脉搏波测定的结束条件可以是经过了预先设定的规定时间(例如30秒)，也可以是用户发出的测定结束指令以及测定中断指令等。
另一方面，在规定条件不成立的情况下(S109中“否”)，CPU11重复进行波形数据的传输处理，并持续进行脉搏波测定(S108)。
[C—V变换部和传感器部件的结构以及基本动作]
图7是表示本发明第1实施方式的脉搏波测定装置中的C—V变换部21以及电容器CX的结构的功能框图。
如图7所示，C—V变换部21包括充电部51、电压变换部52、电压保持部53。电容器(压力检测用电容器)CX与传感器部件28相对应。另外，图7为求简化说明而没有图示多路复用器20，仅表示了多路复用器20所选择的电容器CX。
在脉搏波测定装置100的传感器阵列19被按压在生物体表面的状态下，电容器CX根据生物体的动脉内压力而改变静电容量。
充电部51对电容器CX施加充电电压而使其蓄积电荷。电压变换部52根据电容器CX中蓄积的电荷生成表示电容器CX的静电容量的变换电压，并将其输出至电压保持部53。电压保持部53保持从电压变换部52接收的变换电压，并且将其输出至低通滤波器22。
图8是表示本发明第1实施方式的脉搏波测定装置中的C—V变换部21以及电容器CX的结构电路图。
参照图8，C—V变换部21与传感器部件28所对应的电容器(压力检测用电容器)CX组合使用。C—V变换部21具有电容器CC、电荷传输用电容器CF、电容器CH1、开关(第1开关)SW1、开关(第4开关)SW4、开关SW5、运算放大器G1以及G2、充电部51、电压设定部54。充电部51包括开关SW51～SW54、电源V1以及V2。电压设定部54包括开关(第2开关和第3开关)SW2和SW3。开关SW1～SW5例如是MOS模拟开关。另外，图8中为求简化说明而没有图示多路复用器20，仅表示了多路复用器20所选择的电容器CX
这里，运算放大器G1、开关SW1、电容器CF、电压设定部54对应于图7所示电压变换部52。另外，开关SW5和电容器CH1对应于图7所示电压保持部53。
运算放大器G1的反相输入端子与电容器CX的一端以及电容器CC的一端连接，非反相输入端子接入接地电压(基准电压)。电容器CF的一端与运算放大器G1的反相输入端子连接，另一端则与运算放大器G1的输出端连接。开关SW1的一端与运算放大器G1的反相输入端子连接，另一端则与电压设定部54的一端连接。电压设定部54的另一端与运算放大器G1的输出端连接。
在电压设定部54中，开关SW2的一端与开关SW1的另一端连接，另一端则与运算放大器G1的输出端连接。开关SW3的一端与开关SW1的另一端连接，另一端接入接地电压(基准电压)。
开关SW5的一端与运算放大器G1的输出端连接，另一端则与电容器CH1的一端以及运算放大器G2的非反相输入端子连接。电容器CH1的另一端接入接地电压。运算放大器G2的反相输入端子与运算放大器G2的输出端连接。
在充电部51中，开关SW51的一端与电源V1的正电极连接，另一端则与开关SW52的一端以及电容器CX的另一端连接。开关SW54的一端与电源V2的负电极连接，另一端则与开关SW53的一端以及电容器CC的另一端连接。开关SW52的另一端、开关SW53的另一端、电源V1的负电极、电源V2的正电极都接入接地电压。另外，电源V1以及V2的输出电压值为VCC。
电容器CC称为补偿电容(counter capacity)，是为了调节电容器CX的静电容量的补偿(offset)而配置的。
开关SW1～SW5分别根据来自CPU11的控制信号SC1～SC5而在接通状态以及断开状态之间切换。开关SW51～SW54根据来自CPU11的未图示的控制信号而在接通状态以及断开状态之间切换。
电压设定部54将开关SW1的另一端与运算放大器G1的输出端连接，或者使开关SW1的另一端不与运算放大器G1的输出端连接，而对开关SW1的另一端施加接地电压。
[C—V变换部的动作]
图9是表示本发明第1实施方式的脉搏波测定装置在进行脉搏波测定时的C—V变换部21的动作的时序图。VP是在电容器CX的另一端上所施加的电压，VN是电容器CC的另一端上所施加的电压，VG1是运算放大器G1的输出电压，VOUT是运算放大器G2的输出电压。在控制信号SC1～SC5为高电平的情况下，各自对应的开关SW1～SW5成为接通状态，低电平时则为断开状态。
图10是确定本发明第1实施方式的脉搏波测定装置在进行脉搏波测定时的C—V变换部21的动作步骤的流程图。图10中流程图所示的处理是通过CPU11访问ROM22并读出程序，并且将读出的程序在RAM23中展开并执行而实现的。
参照图9和图10，首先CPU11使开关SW1、SW2以及SW4为接通状态，并且开关SW3和SW5为断开状态。另外，CPU11使开关SW52和SW53为断开状态，并且开关SW51和SW54为接通状态，对电容器CX的另一端施加充电电压VCC，并且对电容器CC的另一端施加充电电压—VCC，即与充电电压VCC绝对值相等但施加方向相反的电压(步骤S1)。
这里，在运算放大器G1的非反相输入端子上施加的电压即接地电压从运算放大器G1的输出端反馈到运算放大器G1的反相输入端子。因此，电容器CX中蓄积与充电电压VCC相对应的电荷，而电容器CC中蓄积与充电电压—VCC相对应的电荷。
接着，CPU11使开关SW4为断开状态(步骤S2)。
然后，CPU11使开关SW1和SW2为断开状态，从而使开关SW1的另一端不与运算放大器G1的输出端连接(步骤S3)。
接着，CPU11使开关SW3为接通状态，对开关SW1的另一端施加接地电压(基准电压)。另外，CPU11使开关SW52和SW53为接通状态，并且开关SW51和SW54为断开状态，停止施加充电电压VCC以及—VCC，而对电容器CX的另一端和电容器CC的另一端施加接地电压(基准电压)(步骤S4)。
接着，CPU11使开关SW4为接通状态。即，与电容器CX中蓄积的电荷量以及电容器CC中蓄积电荷量的差相对应的电荷向电容器CF移动。然后，将与电容器CF中蓄积的电荷相对应的电压作为输出电压G1从运算放大器G1输出(步骤S5)。具体而言，如果电容器CX的静电容量为CX，电容器CC的静电容量为CC，充电电压VCC的电压值为VCC，则向电容器CF移动的电荷可用(CX—CC)×VCC来表示。如果向电容器CF移动的电荷使电容器CF的静电容量为CF，则通过运算放大器G1变换为((CX—CC)/CF)×VCC所表示的电压。
然后，CPU11使开关SW5为接通状态。由此，根据运算放大器G1的输出电压使电容器CH1充电(步骤S6)。
接着，CPU11使开关SW5为断开状态。由此，使运算放大器G2的非反相输入端子上所输入的电压固定。然后，将与电容器CH1中蓄积的电荷相对应的电压，即与生物体的动脉内压力相对应的电压作为输出电压VOUT，从运算放大器G2向低通滤波器22输出(步骤S7)。
CPU11通过重复执行步骤S1～S7的处理，对从C—V变换部21输出的压力信号进行更新。由此，对动脉内压力波形进行测定。
另外，非专利文献2记载的传感器装置等的采用电荷电压变换式的传感器装置，由于MOS模拟开关等的构成反馈电路的开关的关断电容的偏压依存性，因此会导致放大器的输出电压即传感器装置的输出特性产生非线性变化。但是，在本发明第1实施方式的脉搏波测定装置中，CPU11使开关SW1和SW2为断开状态，使开关SW1的另一端不与运算放大器G1的输出端连接。然后，CPU11使开关SW3为接通状态，对开关SW1的另一端施加规定的电压，例如施加接地电压。这里，在使开关SW3为接通状态时，接地电压从运算放大器G1的输出端反馈到运算放大器G1的反相输入端子，开关SW1的一端被施加接地电压。通过这种结构，在进行电荷传输操作(步骤S5)时，能够使开关SW1的两端上所施加的偏压为一定值，从而防止传感器的输出特性产生非线性变化，并且能够减小脉搏波检测误差。
另外，在本发明第1实施方式的脉搏波测定装置中，CPU11对开关SW1的另一端施加在运算放大器G1的非反相输入端子上所施加的电压，即接地电压，因此能够通过对开关SW1的两端施加相同的电压而使开关SW1的关断电容大致为0，减小传感器的输出特性的误差。
另外，本发明第1实施方式的脉搏波测定装置具有开关SW4，其一端与电容器CX的一端连接，另一端则与运算放大器G1的反相输入端子连接。并且，CPU11在电容器CX中蓄积了与充电电压VCC相对应的电荷之后，使开关SW4为断开状态。然后，使开关SW1的另一端不与运算放大器G1的输出连接，而对开关SW1的另一端施加接地电压。然后，CPU11使开关SW4为接通状态，使蓄积在电容器CX中的电荷向电容器CF移动。这样，使开关SW1的两端上所施加的偏压为定值，并且关断电容大致为0，从而当与电容器CX中蓄积的电荷量以及电容器CC中蓄积的电荷量的差相对应的电荷向电容器CF移动时，能够防止电荷向开关SW1的关断电容移动，而使电荷移动仅限于电容器CF，因此传感器输出的线性特性变得良好。
另外，在本发明第1实施方式的脉搏波测定装置中，开关SW3例如可以使用MOS模拟开关。在这种结构中，C—V变换部21可以采用与制造集成电路时相同的工艺来制造开关SW3，从而能够实现C—V变换部的小型化。
另外，在本发明第1实施方式的脉搏波测定装置中，当停止施加充电电压时，对电容器CX的另一端施加基准电压。具体而言，CPU11在停止对电容器CX的另一端施加充电电压VCC时，对电容器CX的另一端施加在运算放大器G1的非反相输入端子上所施加的电压，即接地电压。通过这种结构，能够在运算放大器G1的线性特性良好的范围内对其进行操作。
接着，参照附图对本发明其他实施方式进行说明。并且，对于图中相同或相当的部分标记相同附图标记并省略该说明。
<第2实施方式>
本实施方式涉及对C—V变换部21的结构进行了变更的脉搏波测定装置。
[C—V变换部的结构]
图11是表示本发明第2实施方式的脉搏波测定装置中的C—V变换部21以及电容器CX的结构的电路图。
如图11所示，本发明第2实施方式的电压设定部54取代开关SW4而包括电容器(电压设定用电容器)CS。
电容器CS的一端与开关SW1的另一端以及开关SW2的一端连接，另一端接入规定的电压、例如负电压VEE。
[C—V变换部的动作]
图12是表示本发明第2实施方式的脉搏波测定装置在进行脉搏波测定时的C—V变换部21的动作的时序图。VP是电容器CX的另一端上所施加的电压，VN是电容器CC的另一端上所施加的电压，VG1是运算放大器G1的输出电压，VOUT是运算放大器G2的输出电压。当控制信号SC1～SC5为高电平时，各自对应的开关SW1～SW5为接通状态，而低电平时则为断开状态。
图13是确定本发明第2实施方式的脉搏波测定装置在进行脉搏波测定时的C—V变换部21的动作顺序的流程图。如图13流程图所示的处理是通过CPU11访问ROM22并读出程序，并且将读出的程序在RAM23中展开并执行来实现的。
参照图12和图13，首先CPU11使开关SW1、SW2以及SW4为接通状态，而开关SW5为断开状态。并且，CPU11使开关SW52和SW53为断开状态，而开关SW51和SW54为接通状态，由此，对电容器CX的另一端施加充电电压VCC，并且对电容器CC的另一端施加充电电压—VCC，即与充电电压VCC绝对值相等但施加方向相反的电压(步骤S11)。
这里，运算放大器G1的非反相输入端子上所施加的电压即接地电压从运算放大器G1输出到反馈运算放大器G1的反相输入端子。因此，电容器CX蓄积与充电电压VCC相对应的电荷，另外，电容器CC中蓄积与充电电压—VCC相对应的电荷。
接着，CPU11使开关SW4为断开状态(步骤S12)。另外，在步骤S11和S12中，由于开关SW1和SW2为接通状态，因此电容器CS也蓄积电荷。
然后，CPU11使开关SW1和SW2为断开状态，从而使开关SW1的另一端不与运算放大器G1的输出端连接(步骤S13)。这里，电容器CS中蓄积的电荷使开关SW1的另一端保持为接地电压(基准电压)。
接着，CPU11使开关SW52和SW53为接通状态，并且开关SW51和SW54为断开状态，从而停止施加充电电压VCC和—VCC，而对电容器CX的另一端和电容器CC的另一端施加接地电压(基准电压)(步骤S14)。
接着，CPU11使开关SW4为接通状态。这样，与电容器CX中蓄积的电荷量以及电容器CC中蓄积的电荷量的差相对应的电荷向电容器CF移动。然后，将与电容器CF中蓄积的电荷相对应的电压作为输出电压G1从运算放大器G1输出(步骤S15)。具体而言，如果电容器CX的静电容量为CX，电容器CC的静电容量为CC，充电电压VCC的电压值为VCC，则向电容器CF移动的电荷表示为(CX—CC)×VCC。如果电容器CF的静电容量为CF，则移动到电容器CF的电荷通过运算放大器G1被变换为((CX—CC)/CF)×VCC所表示的电压。
然后，CPU11使开关SW5为接通状态。由此，基于运算放大器G1的输出电压使电容器CH1充电(步骤S16)。
接着，CPU11使开关SW5为断开状态。由此，输入到运算放大器G2的非反相输入端子的电压被固定。然后，将与电容器CH1中蓄积的电荷相对应的电压即与生物体的动脉内压力相对应的电压作为输出电压VOUT从运算放大器G2向低通滤波器22输出(步骤S17)。
CPU11通过重复进行步骤S11～S17的处理，对从C—V变换部21输出的压力信号进行更新。由此，对动脉内压力波形进行测定。
其他结构以及动作与第1实施方式的脉搏波测定装置相同，因而在这里省略了重复的说明。
因此，在本发明第2实施方式的脉搏波测定装置中，能够与第1实施方式的脉搏波测定装置同样地防止输出特性产生非线性变化并减小脉搏波检测误差。
不能认为这里公开的实施方式包括了所有的发明点，并仅以此来进行限定。本发明的范围并不是通过上述内容而是通过权利要求的内容来表示的，也包含在与申请范围等同的意思及范围内的各种变更。

Claims (7)

1.一种脉搏波测定装置(100)，其通过按压生物体表面来测定动脉内的压力波形，该脉搏波测定装置(100)的特征在于，
具有：
压力检测用电容器(CX)，其静电容量根据所述动脉内的压力而改变，
运算放大器(G1)，其反相输入端子与所述压力检测用电容器(CX)的一端连接，非反相输入端子接入基准电压，
电荷传输用电容器(CF)，其一端与所述运算放大器(G1)的反相输入端子连接，另一端与所述运算放大器(G1)的输出端连接，
第1开关(SW1)，其一端与所述运算放大器(G1)的反相输入端子连接，
电压设定部(54)，其一端与所述第1开关(SW1)的另一端连接，另一端与所述运算放大器(G1)的输出端连接；
所述电压设定部(54)将所述第1开关(SW1)的另一端与所述运算放大器(G1)的输出端连接，或者使所述第1开关(SW1)的另一端不与所述运算放大器(G1)的输出端连接，而对所述第1开关(SW1)的另一端施加规定电压。
2.如权利要求1所述的脉搏波测定装置，其特征在于，
所述电压设定部(54)包括：
第2开关(SW2)，其一端与所述第1开关(SW1)的另一端连接，另一端与所述运算放大器(G1)的输出端连接；
第3开关(SW3)，其一端与所述第1开关(SW1)的另一端连接，另一端接入所述规定电压。
3.如权利要求1所述的脉搏波测定装置，其特征在于，
所述电压设定部(54)包括：
第2开关(SW2)，其一端与所述第1开关(SW1)的另一端连接，另一端与所述运算放大器(G1)的输出端连接；
电压设定用电容器(CS)，其一端与所述第1开关(SW1)的另一端连接，另一端接入所述规定电压。
4.如权利要求1所述的脉搏波测定装置，其特征在于，
所述脉搏波测定装置(100)还具有充电部(51)和控制部(11)，
所述充电部(51)向所述压力检测用电容器(CX)的另一端施加充电电压，
所述控制部(11)控制所述充电部(51)、所述第1开关(SW1)以及所述电压设定部(54)，
从而对所述压力检测用电容器(CX)的另一端施加所述充电电压，使所述第1开关(SW1)成为接通状态，并且将所述第1开关(SW1)的另一端与所述运算放大器(G1)的输出端连接，然后，
使所述第1开关(SW1)的另一端不与所述运算放大器(G1)的输出端连接，然后，
对所述第1开关(SW1)的另一端施加所述规定电压，并且停止施加所述充电电压。
5.如权利要求1所述的脉搏波测定装置，其特征在于，
所述脉搏波测定装置(100)还具有第4开关(SW4)，该第4开关(SW4)的一端与所述压力检测用电容器(CX)的一端连接，另一端与所述运算放大器(G1)的反相输入端子连接。
6.如权利要求5所述的脉搏波测定装置，其特征在于，
所述脉搏波测定装置(100)还具有充电部(51)和控制部(11)，
所述充电部(51)向所述压力检测用电容器(CX)的另一端施加充电电压，
所述控制部(11)控制所述充电部(51)、所述第1开关(SW1)、所述第4开关(SW4)以及所述电压设定部(54)，
从而向所述压力检测用电容器(CX)的另一端施加所述充电电压，使所述第1开关(SW1)成为接通状态，使所述第4开关(SW4)成为接通状态，并且将所述第1开关(SW1)的另一端与所述运算放大器(G1)的输出端连接，然后，
使所述第4开关(SW4)成为断开状态，然后，
使所述第1开关(SW1)的另一端不与所述运算放大器(G1)的输出端连接，然后，
对所述第1开关(SW1)的另一端施加所述规定电压，并且停止施加所述充电电压，然后，
使所述第4开关(SW4)成为接通状态。
7.如权利要求1所述的脉搏波测定装置，其特征在于，
所述规定电压是所述基准电压。
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CN104579183A (zh) * 2015-01-07 2015-04-29 复旦大学 一种以电容无源放大器作为输入级的生物电信号采集模拟前端

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