JP2000342584A

JP2000342584A - 脈波検出装置

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Publication number: JP2000342584A
Application number: JP11157289A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Odagiri; 博之小田切; Keisuke Tsubata; 佳介津端; Chiaki Nakamura; 千秋中村; Kazusane Sakumoto; 和実佐久本; Masataka Araogi; 正隆新荻; Takashi Kamimoto; 隆志紙本
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2000-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電力を抑えることが可能な脈波検出装置
を提供することを目的とする。【解決手段】超音波発振手段１１から周波数１０ＭＨ
ｚの超音波ｆ０を体表面から動脈２に向けて発信し、反
射対象物（測定対象）である血流のドップラー効果で周
波数変調された反射波ｆ１を超音波受信手段２１で受信
する。この受信した反射波ｆ１をＦＭ検波（周波数検
波）することで脈波を抽出し、さらに脈拍を計数して
（脈波情報取得手段）、脈波波形や脈拍数を表示する
（出力手段）。一方、超音波受信手段２１で受信した反
射波ｆ１から検出される脈流による変化量に応じた値を
出力パワー制御手段１３に取り込み、超音波発信手段１
１から発信される超音波の出力パワーを最適値に自動的
に設定する。最適な出力パワーで超音波を発信すること
で、無駄な電力消費を抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、脈波検出装置に係
り、詳細には、動脈に対する超音波の送受信により脈波
を検出する脈波検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】動脈を流れる血流による脈波を検出する
ことは、医療現場や健康管理を行う際に広く行われてい
る。この脈波検出は、触診により所定時間の脈拍数とし
て検出する場合の他、脈波検出装置を使用して電子的に
脈拍数等を自動検出することも広く行われている。電子
的に脈波を検出して脈拍数を得る装置として、ピエゾ型
の圧電素子をセンサとして動脈上に配置し、動脈内部の
圧力変化に伴う表皮の圧力変化（圧力による表皮の変
位）から脈拍数を検出するものや、超音波を利用して脈
拍数を検出するものが存在する。超音波を利用する脈波
検出装置としては、血流によるドップラ効果を利用した
ものがあり、例えば、特開平１−２１４３３５号公報
や、ＵＳＰ４０８６９１６で提案されている。

【０００３】図７は、このようなドップラ効果による超
音波の周波数変化の様子を表したものである。いま、図
７（ａ）に示されるような周波数ｆ０の超音波を体表面
から動脈に向けて発信すると、発信した超音波は動脈を
流れる血液で反射される。この反射波を受信素子で受信
すると、反射波の周波数の変化を検出することができ
る。すなわち、受信波の周波数をｆ１とすると、図７
（ｂ）に示すように、心臓の収縮期は動脈を流れる血流
の速度が速いので、反射波の周波数はドップラ効果によ
り高くなり（Ａ部分）、逆に心臓が弛緩している間の血
流速は低いためＡ部分よりも周波数が低くなる（Ｂ部
分）。このように、心臓の拍動に従って流速が変化する
動脈内の血流に超音波を照射して、周波数の変化を検出
することで脈波を検出し、更に脈拍数を検出したり、血
流速を検出したりすることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように超音波を利
用して脈波を検出する従来の脈波検出装置では、出力す
る超音波の出力パワーが一定値に設定されている。この
出力パワーが低いと、超音波の発信部と受信部の体表面
における位置が体動等によってずれた場合に、受信信号
が弱すぎて測定できなくなる場合がある。そこで従来の
脈波検出装置では、出力パワーを高めに設定しているた
め、消費電力が高くなっていた。このように消費電力が
高くなると、バッテリ容量に制限がある携帯用の脈波検
出装置には適さず、特に腕時計に脈波検出装置を組み込
んで長時間使用測定することはできなかった。

【０００５】そこで本発明は、消費電力を抑えることが
可能な脈波検出装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の脈波検出装置で
は、動脈に向けて超音波を発信する発信手段と、この発
信手段から発信され前記動脈を流れる血液で反射された
超音波を受信する受信手段と、前記発信手段から発信さ
れる超音波の出力パワーを最適値に制御する出力パワー
制御手段と、前記受信手段で受信された超音波から脈波
に関する脈波情報を取得する脈波情報取得手段と、この
脈波情報取得手段により取得された脈波情報を出力する
出力手段とを具備する。例えば、出力パワー制御手段
は、超音波受信手段２１で受信した反射波ｆ１から検出
される脈流による変化量に応じた値をフィードバックし
て、超音波発信手段から発信される超音波の出力パワー
を最適値に制御する。最適な出力パワーで超音波を発信
することで、無駄な電力消費を抑えることができる。ま
た、出力パワーを常時最適値に制御することで、体動等
によって受信手段で受信する超音波（受信波）の信号レ
ベル（受信波のパワー）が低くなったとしても、発信手
段による出力パワーを自動的に高くするように制御され
るので、受信する超音波のパワーは所定の値に維持され
る。これにより、体動等によって発信手段と受信手段の
動脈に対する位置関係が変化したとしても、安定的に脈
波の検出を行うことができる。そして、受信波の信号レ
ベルの低下に応じて発信手段で発信する超音波の出力パ
ワーを高くするが、この出力パワーが所定以上になった
場合、そのまま高出力パワーでの超音波出力を継続させ
ると、消費電力が増加するので、これを抑えるために、
出力パワー制御手段は超音波を間欠的に出力することで
平均消費電力を低く抑えるように制御する。

【０００７】この本発明の脈波検出装置において、前記
脈波情報取得手段は、前記脈波情報を記憶する記憶手段
を備え、前記出力手段は、この記憶手段に格納された脈
波情報を出力する、ようにしてもよい。すなわち、所定
時間分の脈拍情報や検波情報を記憶手段に格納してお
き、例えば、医療診断装置等の外部装置に対して出力す
ることで、総合的な医療診断に利用することができる。
また本発明の脈波検出装置において、前記脈波情報取得
手段は、前記検波信号から脈拍数を脈波情報として取得
し、前記出力手段は、前記脈波情報取得手段により取得
された脈拍数を出力するようにしてもよい。これによ
り、最も一般的な脈拍を日常的に確認することができ
る。また本発明の脈波検出装置では、さらに表示手段を
備え、前記脈波情報取得手段は、前記検波信号から脈波
に関する情報として脈拍数又は脈波波形を取得し、前記
出力手段は、前記脈波情報取得手段により取得された脈
拍数又は脈波波形を前記表示手段に出力する、ようにし
てもよい。これにより、脈拍数又は脈波波形を表示する
ことで、日常生活のなかでも容易に脈拍数や脈波波形を
確認することができる。また、本発明の脈波検出装置で
は、発信系を間欠的に駆動するのに同期させて、受信系
も間欠的に駆動するようにしてもよい。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の脈波検出装置にお
ける好適な実施の形態について、図１から図６を参照し
て詳細に説明する。（１）本実施形態の概要本実施形態の脈波検出装置では、超音波発信手段１１か
ら周波数１０ＭＨｚの超音波ｆ０を体表面から動脈２に
向けて発信し、反射対象物（測定対象）である血流のド
ップラ効果で周波数変調された反射波ｆ１を超音波受信
手段２１で受信する。この受信した反射波ｆ１をＦＭ検
波（周波数検波）することで脈波を抽出し、さらに脈拍
を計数して（脈波情報取得手段）、脈波波形や脈拍数を
表示する（出力手段）。一方、超音波受信手段２１で受
信した反射波ｆ１から検出される脈流による変化量に応
じた値を出力パワー制御手段１３に取り込み、超音波発
信手段１１から発信される超音波の出力パワーを最適値
に自動的に設定する。最適な出力パワーで超音波を発信
することで、無駄な電力消費を抑えることができる。

【０００９】（２）本実施形態の詳細図１は、第１の実施形態における脈波検出装置の回路構
成を表したものである。この図１に示すように、脈波検
出装置は、超音波を発信する発信系として、超音波発信
手段１１と出力パワー制御手段１３を備えており、また
動脈２を流れる血液で反射された超音波（反射波）を受
信して脈波の処理を行う超音波受信系として、超音波受
信手段２１と、検波回路２２と、増幅回路２３と、波形
整形回路２４と、脈拍数演算回路３０と、表示装置４０
とを備えている。

【００１０】超音波発信系における、超音波発信手段１
１は、圧電素子からなる発信子を備えており、この発信
子に印加される電圧に応じた出力パワーの超音波を発信
する。この超音波発信手段１１からは、１０ＭＨｚの超
音波が、体表面から動脈２に向けて発信されるようにな
っている。

【００１１】超音波発信手段１１から発信された１０Ｍ
Ｈｚの超音波は、動脈２を流れる血液で反射されて超音
波受信手段２１で受信される。この反射波は、血流速の
ドップラ効果によって周波数変調され、この周波数の変
化から脈波を検出することが可能になる。すなわち、動
脈２を流れる血液は、心臓の収縮期（脈拍）と弛緩期に
よって、血流速度が変化する。このため発信した超音波
の周波数は、血流で反射される際のドップラ効果によっ
て変化する。この場合の反射波の周波数ｆ１は、超音波
の周波数をｆ０、血流速をｖ、体内での音速をｃ、血流
速に対する超音波の入射角をθとした場合、次の式
（１）から求まる。ｆ１＝ｆ０（１＋２ｖ×ｃｏｓθ／ｃ） …（１）そして、超音波の周波数は、反射によってｆ０からｆ１
の範囲で変化し、その偏位ｄｆは、次の式（２）とな
る。ｄｆ＝ｆ１−ｆ０＝ｆ０×２ｖ×ｃｏｓθ／ｃ …（２）従って、例えば各値を、ｃ＝１５５ｍ／ｓ、ｖ＝０．３
ｍ／ｓ、ｆ０＝９．５とすると、周波数偏位ｄｆは３．
８ＫＨｚとなる。式（２）において、血流速ｖは脈拍に
よって変動するため、周波数偏位ｄｆは約２ＫＨｚ〜４
ＨＨｚの範囲で変化することになる。

【００１２】本実施形態では、この周波数偏位ｄｆの変
化を、周波数変調波の復調方式によって検出すること
で、脈波を検出するようにしている。すなわち、図１に
おける超音波受信手段２１で受信した反射波は検波回路
に供給される。検波回路２２では、脈によって変化する
受信周波数の変化を電圧の変化として取り出して、増幅
回路２３に供給する。増幅回路２３では、供給される電
圧の変化を増幅し、波形整形回路２４及び出力パワー制
御手段１３のＡ／Ｄ変換部１３４に供給する。波形整形
回路２４では、脈によって変化する増幅後の電圧波形を
パルス波に整形して脈拍数演算回路３０に供給する。

【００１３】脈拍数演算回路３０では、例えば、比較回
路により比較値を超えた場合にパルス波を発生させ、こ
のパルス波の時間間隔を所定回数（例えば、３回、５
回、７回、１０回等）測定し、各回の測定時間の平均時
間Ｔから１分間の脈拍数Ｎを次の数式（３）に従って求
めるようになっている。Ｎ＝６０／Ｔ … （３）なお、脈拍間の平均時間Ｔから脈拍数を求める場合に限
られず、例えば、所定時間ｔ（例えば、１０秒）内に発
生するパルス数ｗを検出し、次の数式（４）により１分
間の脈拍数Ｎを求めるようにしてもよい。Ｎ＝ｗ×（６０／ｔ） … （２）脈拍数演算部３０は、この求めた脈拍数Ｎと、各脈拍に
対応して発生するパルス信号とを表示装置４０に供給す
る。

【００１４】表示装置４０では、供給された脈拍数Ｎを
液晶表示画面にデジタル表示すると共に、供給されるパ
ルス信号に応じて緑色の点滅表示を行うことで脈拍の存
在を示す。この緑色の点滅を見ることで、ユーザは自分
の脈波を視覚的に認識することができる。なお、供給さ
れるパルス信号に応じてパルス音を出力することで脈拍
の存在を聴覚により認識できるようにしてもよい。

【００１５】一方、出力パワー制御手段１３は、発信用
の高周波電圧を超音波発信手段１１に供給することで超
音波を発信させると共に、超音波受信手段２１で受信さ
れる受信波の最大値に応じて、超音波発信手段１１に供
給する高周波電圧の電圧値を変化させることで、超音波
の出力パワーが最適値となるように制御する。この出力
パワー制御手段１３は、高周波信号を発振する発振回路
１３２と、この高周波を所定周波数に分周してＡ／Ｄ変
換部１３４に動作クロック信号を供給する分周回路１３
３と、Ａ／Ｄ変換部１３４と、デジタルコンパレータ１
３５と電圧発生部１３８と、比較器１３６と、電圧制御
用トランジスタ１３７を備えている。

【００１６】Ａ／Ｄ変換部１３４には、増幅回路２３で
増幅された脈波に応じて変化する電圧が、超音波受信手
段２１で受信した反射波ｆ１から検出される脈流による
変化量に応じた値として入力される。Ａ／Ｄ変換部１３
４では、入力される電圧（脈波波形）の最大値を０〜１
５の１６レベルで表し、４ビットのデジタル信号（００
００〜１１１１）に変換してデジタルコンパレータ１３
５に供給するようになっている。

【００１７】デジタルコンパレータ１３５は、供給され
る４ビットのデジタル信号の値に応じて３種類の信号
ａ、ｂ、ｃのうちのいずれか１の信号を出力する。すな
わちデジタルコンパレータ１３５は、Ａ／Ｄ変換部１３
５から供給される４ビットのデジタル信号の値が０（０
０００）から７（０１１１）までの値である場合に信号
ｃを出力し、８（１０００）の場合に信号ｂを出力し、
９（１００１）から１５（１１１１）の場合に信号ａを
出力するようになっている。

【００１８】電圧発生部１３８は、３種類の電圧Ｖａ、
Ｖｂ、Ｖｃ（Ｖａ＞Ｖｂ＞Ｖｃ）を発生するようになっ
ている。電圧発生部１３８は、直列に接続された抵抗ｒ
１とｒ２とＮチャネル、エンハンスメント型のＦＥＴ１
３８ａを備えている。抵抗ｒ１の一端は電源電圧ＶＤＤ
に接続され、抵抗ｒ１の他端は比較機１３６の非反転入
力端子と抵抗ｒ２の一端に接続され、抵抗ｒ２の他端は
ＦＥＴ１３８ａのドレイン端子に接続され、ＦＥＴ１３
８ａのソース端子は基準電圧ＶＳＳに接続されている。
そして、デジタルコンパレータ１３５から出力される信
号ａは、ＦＥＴ１３８ａのゲート端子に供給されるよう
になっており、信号ａの供給によってＦＥＴ１３８ａが
オン状態になり、抵抗ｒ１と抵抗ｒ２によって分圧され
た電圧Ｖａが電圧発生部１３８から出力されるようにな
っている。同様に、電圧発生部１３８は、直列に接続さ
れた抵抗ｒ３、抵抗ｒ４、ＦＥＴ１３８ｂと、直列に接
続された抵抗ｒ５、抵抗ｒ６、ＦＥＴ１３８ｃを備えて
おり、ＦＥＴ１３８ｂのゲートにデジタルコンパレータ
１３５から信号ｂが供給されることで抵抗ｒ３と抵抗ｒ
４によって分圧された電圧Ｖｂが電圧発生部１３８から
出力され、ＦＥＴ１３８ｃのゲートに信号ｃが供給され
ることで抵抗ｒ５と抵抗ｒ６によって分圧された電圧Ｖ
ｃが電圧発生部１３８から出力される。

【００１９】比較器１３６は、非反転入力端子が電圧変
換部１３５の出力端子に接続され、反転入力端子が電圧
制御用トランジスタ１３７のドレイン端子に接続され、
出力端子が電圧制御用トランジスタ１３７のゲート端子
に接続されている。電圧制御用トランジスタ１３７は、
ソース端子がＶＤＤに接続され、ドレイン端子が超音波
発信手段１１に接続されており、比較器１３６から供給
される電圧が大きくなるとオン抵抗が大きくなる方向に
変化するようになっている。

【００２０】このように構成された脈波検出装置におけ
る超音波発信手段から発信される超音波の出力パワーを
最適値に自動調整する動作について次に説明する。脈波
検出装置の起動当初において、出力パワー制御手段１３
のデジタルコンパレータ１３５から信号ａが出力され、
ＦＥＴ１３８ａがオン状態となる。これにより、電圧発
生部１３８からは最も大きな電圧Ｖａが出力され、この
電圧Ｖａが比較器１３６に供給されることで、超音波発
信手段１１に加わる電圧が小さくなる。これにより、起
動当初において脈波検出装置の超音波発信手段１１から
は、図２（ａ）に示されるように、最も小さいパワーに
よる１０ＭＨｚの超音波ｆ０が動脈に向けて発信され
る。この発信される超音波ｆ０が、動脈を流れる血液で
反射されて超音波受信手段２１で受信され、検波回路２
２で受信した反射波の周波数変化を電圧の変化に変換さ
れ、更に増幅回路２３で増幅された後、出力パワー制御
手段１３のＡ／Ｄ変換部１３４に供給される。

【００２１】このように超音波受信手段２１で受信した
反射波の周波数変化状態が出力パワー制御手段１３に供
給されることで、周波数変化量が小さく場合には超音波
発信手段１１で発信する超音波の出力パワーを上げし、
周波数変化量が大きい場合には超音波の出力パワーを下
げるように制御が行われる。すなわち、増幅回路２３の
出力振幅が小さい（レベルが０〜７）場合、デジタルコ
ンパレータ１３５から信号ｃが出力され、電圧発生部１
３８から最も低い電圧Ｖｃが出力されることで、超音波
発信手段１１には大きな電圧が印加されることで、図２
（ｂ）に示されるように最大パワーの超音波ｆｎが出力
される。一方、増幅回路２３の出力振幅が大きい（レベ
ル９〜１５）場合、必要以上のパワーで超音波が発信さ
れており電力消費が大きくなるため、デジタルコンパレ
ータ１３５から信号ａが選択され、電圧発生部１３８か
ら最も高い電圧Ｖａが出力されることで、超音波発信手
段１１には小さな電圧が印加され、最小パワーの超音波
ｆ０が出力される。なお、最適なパワーでの超音波が発
信されている（レベル８）場合には、デジタルコンパレ
ータ１３５から信号ｂが選択され、中間レベルのパワー
で超音波が発信される。

【００２２】このように、本実施形態によれば、超音波
受信手段により受信する反射波の周波数変化の程度に応
じて、適切なパワーの超音波を発信するようにしたの
で、消費電力を抑えることが可能になる。なお、説明し
た実施形態では、電圧発生部１３８で発生可能な電圧を
Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃの３種類とし、これに対応してデジタ
ルコンパレータ１３５から出力される信号をａ、ｂ、ｃ
の３種類としたが、電圧発生部１３８における発生電圧
とデジタルコンパレータ１３５の出力信号を４種類以上
としてもよい。このように、４種類以上とすることで、
増幅回路２３での出力振幅に応じてより細かな超音波の
パワー制御を行うことができる。

【００２３】図３は、このような脈波検出装置を時計に
組み込んで脈波を検出する状態を表したものである。こ
の図３に示されるように脈波検出装置（時計）６０は、
時計本体６１と、ベルト６２を備えており、ベルト６２
の内側にはセンサ１９が取り付けられている。時計６０
は、一般の時計と同様に、時計本体６１を手の甲側にし
て左（又は右）手首２ａに取り付けるようになってい
る。その際、センサ１９の位置は、図３（ｂ）に示され
るように、とう骨動脈上に位置するようにセンサ１９を
ベルト６２の長さ方向に移動して位置調整できるように
なっている。センサ１９には、超音波発信手段１１と超
音波受信手段２１とが、図３（ｃ）に示されるように、
とう骨動脈２に沿ってベルト６２の長さ方向と直交する
方向に並べられ、手先側に超音波発信手段１１が肩側に
超音波受信手段２１が配置されている。なお、超音波発
信手段１１と超音波受信手段２１の配置位置は、この逆
であってもよい。

【００２４】時計本体６１には、時計のムーブメント等
の駆動部の他、出力パワー制御手段１３、検波回路２
２、増幅回路２３、波形整形回路２４、脈拍数演算回路
３０、及び表示装置４０が配置されている。なお、出力
パワー制御手段１３における発信回路１３２として、時
計機能で使用される駆動回路を兼用にしてもよい。セン
サ１９と、時計本体６１に配置された出力パワー制御手
段１３、検波回路２２とは、ベルト６２内に組み込まれ
た図示しない配線によって接続されている。時計本体６
１の表示面（文字盤）は、時計としての時刻（や日、曜
日等）が表示される時計表示部６３と、表示装置４０と
を備えている。表示装置４０は、脈拍数Ｎが表示される
脈拍数表示部６４と、各脈拍に応じて緑色点滅する脈拍
表示部６５を有している。なお、脈拍表示部６５の点滅
色を脈拍数に応じて変えるようにしてもよい。例えば、
６９以下を黄色点滅、脈拍数が７０〜９０の間は青色点
滅、９１〜１１０の間を緑色点滅、１１１〜１３０の間
を橙色点滅、１３１以上を赤色点滅とする。このよう
に、脈拍数に応じて脈拍表示部６５の点滅色が変化する
ので、現在の脈拍の状態を容易に区別することができ
る。

【００２５】以上説明した実施形態によれば、超音波発
信手段１１から発信される超音波の出力パワーが最適値
に自動設定されるので、無駄な電力消費が抑えられる。

【００２６】次に本発明の第２実施形態について説明す
る。第１の実施形態では、出力パワーを最適値に自動設
定し、設定した出力パワーの超音波を超音波発信手段１
１から継続的に出力するようにしたのに対して、第２の
実施形態では、自動設定した最適な出力パワーが所定値
を超えた場合に、超音波を間欠的に発信するようにした
ものである。このように、間欠的に超音波を発信するこ
とで、最適な出力パワーの値が所定値を超えた場合であ
っても消費電力が大きくなることが防止される。出力パ
ワー制御手段１３は、超音波を超音波発信手段１１から
間欠的に発信するように制御する。

【００２７】図４は、本実施形態で各状態における波形
を表したものである。図４（ａ）は、出力パワー制御手
段で設定された最適出力パワーＰが所定のしきい値Ｐｓ
以下である場合に、超音波発信手段１１から発信される
超音波波形ｆ０を表したものである。この発信される超
音波ｆ０の周波数は１０ＭＨｚである。そして、最適出
力パワーＰがしきい値Ｐｓよりも大きくなると、出力パ
ワー制御手段１３では、間欠駆動するための低周波の間
欠駆動信号Ｆ０を発生させる。本実施形態においてこの
間欠駆動信号Ｆ０の周波数は６４Ｈｚである。出力パワ
ー制御手段１３では、図４（ａ）の周波数１０ＭＨｚの
超音波と、（ｂ）の間欠駆動信号Ｆ０とを合成すること
で、図４（ｃ）に示されるように、超音波発信手段１１
から間欠的に超音波を発信させる。これにより、超音波
発信手段１１は、間欠的に駆動されるため、出力パワー
の平均は１／２になり、消費電力の増加を抑えることが
できる。このように、出力パワーの平均値を下げること
で消費電力を下げているが、出力される超音波の出力パ
ワーは最適値に維持されているので、受信系で受信され
る反射波の信号レベルも最適値に維持することができ、
検出精度の低下を抑えることができる。

【００２８】なお、この第２実施形態において、間欠駆
動信号Ｆ０の周波数をＦ０＝６４Ｈｚとしたが、想定さ
れる最大脈拍数の倍以上の周波数で間欠駆動すればよ
い。例えば、想定最大脈拍数を２４０拍／分として、間
欠駆動信号の周波数をＦ０＝８Ｈｚ、又はそれ以上の周
波数としてもよい。また、間欠駆動信号を周波数Ｆ０＝
１２８Ｈｚとしてもよい。このように、間欠駆動信号
を、商用電力の周波数の倍以上の周波数とすることで、
商用周波数によるノイズの影響を受けにくくすることが
できる。

【００２９】次に第３の実施形態について説明する。第
１及び第２の実施形態では、超音波発信手段１１から発
信する超音波の周波数を１０ＭＨｚとすることで、血流
速に応じて反射波の周波数が変化することに着目して周
波数変化から脈波を検出するようにしたものである。こ
れに対して、第３実施形態では、動脈を流れる血流量に
よる超音波の減衰を利用して脈波を取得するようにした
ものである。

【００３０】先ず、本実施形態による脈波検出の原理及
び概要について図５を参照して説明する。動脈は、脈波
により血流量が変化すると、超音波が伝搬する場合の伝
達係数が変化する。これは、脈波によって動脈の血流量
及び血液密度が変化し、超音波の減衰率が変化するため
であると考えられる。本実施形態では、以上の原理に基
づいて、超音波発信手段１１から動脈に向けて、図５
（ａ）に示す超音波を発信する。この場合の超音波の周
波数ｆ３は、血流による周波数変調を目的とした超音波
の周波数ｆ０＝１０ＭＨｚよりも小さい値であるｆ３＝
３２ＫＨｚとすることで、動脈２中を伝搬しながら超音
波受信手段２１に伝わる。この超音波が動脈２中の脈流
によって減衰しながら伝搬され、図５（ｂ）に示すよう
に、脈拍に対応して減衰（矢印Ｇ部分）した超音波（伝
搬波）が超音波受信手段２１で受信され、受信した超音
波の振幅検波を行うことで図５（ｃ）に示す脈波波形
（脈波情報）Ｈが得られるものである。

【００３１】本実施形態では、このような原理に基づい
て、超音波発信手段１１から発信される超音波の減衰量
の変化を検出することで脈波を検出する。そして、超音
波発信手段１１で発信する超音波の出力パワーを出力パ
ワー制御手段１３により最適値に制御し、また、第２実
施形態と同様に６４Ｈｚで間欠駆動することで平均出力
パワーを下げる。発信周波数１０ＭＨｚに対してドップ
ラ効果による周波数変化が２〜４ＫＨｚと小さい値（数
％の範囲）であるのに対して、減衰率の変化量は出力パ
ワーの１０％以上であることから、本実施形態では脈波
による減衰率の変化をより正確に検出することが可能に
なる。

【００３２】次に第４の実施形態について説明する。こ
の第４の実施形態では、所定期間内に増幅回路２３から
出力されるピーク電圧を検出し、そのピーク電圧に逆比
例するパワーの超音波を出力するようにしたものであ
る。図６は第４の実施形態における脈波検出装置の回路
構成を表したものである。なお、図１に示した第１実施
形態における脈波検出装置の回路構成と同一の部分には
同一の符号を付して適宜その説明を省略する。図６に示
すように第４実施形態における出力パワー制御手段１４
は、発信回路１３２、分周回路１３３、ピーク検出器１
４１、ＦＥＴ１４２、スイッチ１４３、入力電圧を保持
するためのコンデンサ１４４、比較器１３６、及び電圧
制御用トランジスタ１３７を備えている。

【００３３】ピーク検出器１４１は、比較器１４１ａと
ダイオード１４１ｂとコンデンサ１４１ｃを備えてい
る。この比較器１４１ａは、非反転入力端子（＋）には
増幅回路２３からの出力電圧が供給されると共に、出力
端子は保護用のダイオード１４１ｂを介して反転入力端
子（−）に接続されることでボルテージホロワ回路を構
成している。そして、ダイオード１４１ｂのカソード端
子は、コンデンサ１４１ｃを介して基準電位ＶＳＳに接
続されると共に、ピーク検出器１４１の出力として、Ｆ
ＥＴ１４２及びスイッチ１４３の入力端子に接続されて
いる。この比較器１４１ａによれば、増幅回路２３の所
定期間における最大（ピーク）電圧が記憶されることに
なる。

【００３４】ピーク検出器１４１の出力（ダイオード１
４１ｂのカソード）は、ソース（Ｓ）が基準電位ＶＳＳ
に接続されたＦＥＴ１４２のドレイン（Ｄ）に接続され
ている。このＦＥＴ１４２は、定期的にピーク電圧をモ
ニタするためにコンデンサ１４１ｃを放電させるための
スイッチとして機能する。本実施形態における分周回路
１３３は、図１に示した１の出力端子の他に、第２の出
力端子を備えており、所定時間（本実施形態では１秒
毎）にパルス信号を出力するようになっている。この第
２出力端子がＦＥＴ１４２のゲートに接続されており、
パルス信号の供給によりＦＥＴ１４２がオン状態にな
り、ピーク検出器１４１のコンデンサ１４１ｃが放電さ
れるようになっている。

【００３５】スイッチ１４３は、ＰチャネルとＮチャネ
ルの２つのＭＯＳＦＥＴと、インバータを備えており、
これらによりトランスミッションゲートを構成してい
る。すなわち、両ＦＥＴのチャネルが並列に接続される
と共に、ＰチャネルＦＥＴの基板（Ｂ）が電源電圧ＶＤ
Ｄに接続され、ＮチャネルＦＥＴの基板（Ｂ）が基準電
圧ＶＳＳに接続されている。そして、分周回路１３３の
第２出力端子が、ＰチャネルＦＥＴのゲートに接続さ
れ、更にインバータを介してＮチャンネルＦＥＴのゲー
トに接続されている。このスイッチ１４３は、通常オン
状態にあり、分周回路１３３の第２出力端子から出力さ
れるパルス信号によりオフ状態になる。すなわち、ＦＥ
Ｔ１４２のオン、オフと逆の状態をとるようになってい
る。

【００３６】一方、スイッチ１４３の他方の端子（チャ
ネル）は、比較器１３６の反転入力端子（＋）に接続さ
れると共に、コンデンサ１４４を介して基準電位ＶＳＳ
に接続されている。このコンデンサ１４４は、ピーク検
出器１４１のコンデンサ１４１ｃを放電する際にスイッ
チ１４３によってピーク検出器１４１と比較器１３６と
の接続が切り離されるので、その際の比較器１３６への
入力電位を保持するためのコンデンサである。このコン
デンサ１４４の静電容量は、蓄積されている電荷を、ス
イッチ１４３がオン状態に戻った際にコンデンサ１４１
ｃに対して放電可能とするために、コンデンサ１４１ｃ
の静電容量よりも小さい値が選択される。

【００３７】このように構成された第４実施形態におけ
る動作について説明する。なお、出力パワー制御手段１
４の動作以外の動作については、他の実施形態と同様な
ので、出力パワーの制御動作を中心に説明する。超音波
受信手段２１で受信した反射波の周波数変化に応じて変
化する電圧が増幅回路２３から出力され、この電圧がピ
ーク検出器１４１に連続的に入力される。そして、ＦＥ
Ｔ１４２がオフ状態で、スイッチ１４３がオン状態にあ
る通常状態において、増幅回路２３から供給される電圧
のピーク電圧がコンデンサ１４１ｃとコンデンサ１４４
に供給され、このピーク電圧が大きいと比較器１３６に
入力される電圧も大きくなり、超音波発信手段１１に加
わる電圧が小さく抑えられて発信される超音波のパワー
も小さくおさえられ、一方、ピーク電圧が小さと超音波
発信手段１１に加わる電圧が大きくなり発信される超音
波のパワーも大きくなる。

【００３８】そして、分周回路１３３の第２出力端子か
らパルス信号が出力されると、ＦＥＴ１４２がオフする
と共に、スイッチ１４３がオフする。これによりコンデ
ンサ１４１ｃはＦＥＴ１４２を介して放電する。この
間、比較器１３６には、コンデンサ１４４の電圧が入力
される。パルス信号の出力が終了し、ＦＥＴ１４２とス
イッチ１４３が再度通常状態に復帰すると、コンデンサ
１４４は、その電位が放電済みのコンデンサ１４１ｃの
電位よりも高いため、増幅回路２３から供給される電圧
と等しくなるまで、スイッチ１４３を介してコンデンサ
１４１ｃにむけて放電をおこなう。コンデンサ１４１
ｃ、コンデンサ１４４、増幅回路２３の電圧が等しくな
った後は、増幅回路２３のピーク電圧が両コンデンサ１
４１ｃ、１４４に保持される。

【００３９】以上本発明の好適な実施形態について説明
したが、本発明はかかる実施形態の構成に限定されるも
のではなく、本発明の範囲において他の実施形態を採用
し、また、変形することが可能である。例えば、説明し
た実施形態では、脈拍数演算回路３０をデジタル的に信
号処理及び記憶処理を行う脈拍演算制御部により構成す
るようにしてもよい。この場合、波形整形回路２４から
出力されるパルス波が脈拍演算制御部に供給されると共
に、増幅回路２３で増幅後の電圧波形がデジタル変換し
て脈拍演算制御部に供給される。そして、脈拍演算制御
部には、表示装置４０に加えて、パーソナルコンピュー
タや医療用の診断装置等の各種外部装置が接続可能にな
っている。

【００４０】脈拍演算制御部は、主として、ＣＰＵ（中
央演算装置）、ＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）、
ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）、その他を計時
部等を供えたマイコンシステムで構成される。また脈拍
演算制御部には、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、
ハードディスク等の、データを磁気的、電気的、光学的
に記憶する各種記憶媒体が具備され、その記憶容量は任
意であるが、少なくとも１時間分〜１日分、好ましくは
１週間分、さらに好ましくは１ヶ月分の脈波情報（脈拍
数の時間変化、増幅回路２３からの脈拍波形等）の蓄積
が可能な記憶容量が採用される。このように、記憶媒体
に脈波報（脈拍波形）を所定期間分蓄積しておくこと
で、後日、外部装置を脈波検出装置に接続して、蓄積し
た脈波情報を出力し、医療診断等に使用することができ
る。このように、医療用の診断装置（外部装置）におい
て、長時間分の脈波情報が得られ、そのユーザの日常生
活での状態を医療的な観点からより正確に診断すること
ができる。例えば、脈拍の揺らぎを調べることでユーザ
の心理的緊張状態やリラックスした状態か否かを調べる
ことができる。また、脈波のリズム、脈拍の大きさ、脈
拍の立ち上がり速度（速いか遅いか）等を調べることも
可能である。

【００４１】また、第１実施形態及び第４実施形態で
は、出力パワー制御回路１３、１４に受信系の信号とし
て増幅回路２３の出力電圧を入力するようにしたが、本
発明では、増幅前の信号、すなわち、検波回路２２の出
力信号を供給するようにしてもよい。この場合、出力パ
ワー制御部１３、１４において、必要に応じて電圧増幅
した後にＡ／Ｄ変換部１３４（第１実施形態）、ピーク
検出器１４１（第４実施形態）入力供給するようにして
もよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明の脈波検出装置によれば、発信手
段から発信される超音波の出力パワーを最適値に制御す
るようにしたので、むだな消費電力を抑えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態における脈波検出装置の
構成図である。

【図２】同上、脈波検出装置の超音波発信手段から発信
される超音波の波形を表した説明図である。

【図３】同上、時計に組み込んだ脈波検出装置により脈
波を検出する状態を表した説明図である。

【図４】本発明の第２実施形態における脈波検出の原理
及び概要についての説明図である。

【図５】本発明の第３実施形態における脈波検出の原理
についての説明図である。

【図６】本発明の第４実施形態における脈波検出装置の
構成図である。

【図７】ドップラ効果による超音波の周波数変化の様子
を表した説明図である。

【符号の説明】

２動脈１１超音波発信手段１３、１４出力パワー制御手段１３２発振回路１３３分周回路１３４Ａ／Ｄ変換部１３５デジタルコンパレータ１３６比較器１３７電圧制御用トランジスタ１３８電圧発生部１４１ピーク検出器１４２ＦＥＴ１４３スイッチ１４４コンデンサ２１超音波受信手段２２検波回路２３増幅回路２４波形整形回路３０脈拍数演算回路４０表示装置６０時計６１時計本体６２ベルト６３時計表示部６４脈拍数表示部６５脈拍表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村千秋千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者佐久本和実千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者新荻正隆千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者紙本隆志千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番セイコーインスツルメンツ株式会社内Ｆターム(参考） 4C017 AA09 AC20 BC14 BC16 FF15 4C301 AA01 AA03 CC10 DD01 DD02 DD10 EE18 HH01 HH02 HH53 JB03 JB23 KK02 KK31 KK34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】動脈に向けて超音波を発信する発信手段
と、この発信手段から発信され前記動脈を流れる血液で反射
された超音波を受信する受信手段と、前記発信手段から発信される超音波の出力パワーを最適
値に制御する出力パワー制御手段と、前記受信手段で受信された超音波から脈波に関する脈波
情報を取得する脈波情報取得手段と、この脈波情報取得手段により取得された脈波情報を出力
する出力手段と、を具備することを特徴とする脈波検出
装置。
【請求項２】前記脈波情報取得手段は、前記受信手段
で受信された超音波の周波数変化を検出する周波数検波
手段又は振幅変化を検出する振幅検波手段を有し、前記
周波数検波手段又は振幅検波手段による検波信号から脈
波情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の脈
波検出装置。
【請求項３】前記出力パワー制御手段は、前記発信手
段から発信される超音波の出力パワーの最適値が所定値
を超える場合に、前記発信手段を間欠的に駆動すること
で、出力パワーの平均値を下げることを特徴とする請求
項１に記載の脈波検出装置。