JP2002301037A

JP2002301037A - 脈検出装置

Info

Publication number: JP2002301037A
Application number: JP2001110372A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Nakamura; 敬彦中村; Masataka Araogi; 正隆新荻; Fumio Kimura; 文雄木村; Koji Toda; 耕司戸田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2002-10-15
Anticipated expiration: 2021-04-09
Also published as: JP4738621B2

Abstract

(57)【要約】【課題】生体内でフォーカスする超音波を送信し、少
ない入力電圧でより多くの出力を得られる脈検出装置及
びその製造方法を提供する。また、個人差や測定場所に
よって、生体表面からの血管位置は変化するが、変化に
対応可能な脈検出装置を提供する。【解決手段】本発明で提供する脈検出装置の測定部
は、送信用圧電基板と受信用圧電基板からなり、送信用
圧電基板の表面に同心円状のすだれ状電極を配置する。
すだれ状電極には高周波の電気信号を入力することで、
送信用圧電基板に漏洩ラム波を励振する。励振されたラ
ム波は、樹脂層を介して、生体内に超音波を放出する。
この時、同心円状のすだれ電極により、超音波は生体内
でフォーカスされる。生体内に放出された超音波は、生
体内の血管に反射し、受信用圧電基板に到達する。この
時、生体内の血管は心拍と同期して拍動するので、超音
波が送信されてから受信するまでの時間が変化する。こ
の変化を捉えることで、脈検出ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を利用し
た脈検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体の脈には、病気の診断において重要
な情報が含まれており、近年、病院等の医療施設におい
て、患者の腕に携帯型脈検出装置を装着させて、この携
帯型脈検出装置から送信された患者の脈検出データを病
院側で受信し、患者の状態を把握するシステムが検討さ
れている。圧電素子は、脈検出装置の小型化・軽量化に
有効であり、上述したシステムに適用することもふま
え、圧電素子を使用した脈検出装置の開発が進められて
いる。

【０００３】図１１に、従来における圧電素子を使用し
た脈検出装置１００を示す。図１１に示すように、脈検
出装置１００は、２つの圧電素子１１０，１２０を樹脂
１３０（またはゲル）の中に埋め込み固定したものであ
る。ここで、各圧電素子１１０，１２０の厚み方向の両
面には、金属性の電極が形成される（図示省略）。ま
た、圧電素子１１０の両電極には、駆動電圧印加用のプ
ローブ（端子、引き出し線等）が接続され、圧電素子１
２０の上下電極には、電圧信号出力用のプローブ（図示
省略）が接続される。

【０００４】そして、病院の診察時に、この脈検出装置
１００を使用して、患者の脈を検出している。詳細に
は、圧電素子１１０の両電極に駆動用の電圧を印加する
と、圧電素子１１０は励振して超音波を発生し、該超音
波は樹脂１３０を介して生体内に送信される。生体内に
送信された超音波は、生体の血流によって反射し、この
反射した超音波は、樹脂１３０を介して圧電素子１２０
によって受信される。

【０００５】この時、圧電素子１１０が送信した超音波
と、圧電素子１２０が受信した超音波には、血流のドッ
プラ効果によって周波数変化が生じる。また、血流の速
度は、脈と同期して変化するため、この超音波の周波数
変化によって、生体の脈が検出される。

【０００６】ドップラ効果による周波数変化は式１で示
される。式１からドップラ効果を有効に取り出す即ち周
波数変化分を大きくするために、生体表面及び血流に対
し圧電素子１１０，１２０は傾けてある。

【０００７】f1=２×v(t)×cosθ×f0／c …（１）（f0：元の周波数、v(t)：血流速、ｃ：生体中の音速、
f1：ドップラ変化後の周波数、θ：血流と圧電素子のな
す角）

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の検出方式では、
ドップラ効果を大きくするために圧電素子を傾けている
が、超音波の反射を考えると、図１２に示すように生体
内に送信された超音波は生体の血流によって反射される
が、反射する方向を考えると、図１２中の矢印のように
ほとんどが受信する圧電素子に向かわない。そのため、
ある一定以上の出力を得るためには、入力時に、より大
きな電力を必要とする。そこで、本発明では、生体内で
フォーカスする超音波を送信し、少ない入力電圧でより
多くの出力を得られる脈検出装置及びその製造方法を提
供する。また、個人差や測定場所によって、生体表面か
ら血管までの距離は変化するが、変化に対応可能な脈検
出装置を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明で提供する脈検出装置について説明する。

【００１０】本発明で提供する脈検出装置の測定部を、
血管上に配置する。測定部は、主に送信用圧電基板と受
信用圧電基板からなり、送信用圧電基板の表面に同心円
状のすだれ状電極を配置する。すだれ状電極には高周波
の電気信号を入力することで、送信用圧電基板に漏洩ラ
ム波を励振する。励振されたラム波は、樹脂層を介し
て、生体内に超音波を放出する。この時、同心円状のす
だれ電極により、超音波は生体内でフォーカスされる。
生体内に放出された超音波は、生体内の血管に反射し、
受信用圧電基板に到達する。この時、生体内の血管は心
拍と同期して拍動するので、超音波が送信されてから受
信するまでの時間が変化する。この変化を捉えること
で、脈検出ができる。血管内の血流にも超音波は反射す
るので、従来通り、ドップラー効果を利用することも可
能である。

【００１１】生体内にフォーカスする場所はすだれ状電
極の周期長及び入力信号の周波数によってコントロール
することが可能である。入力周波数を一定とするとき
に、すだれ状電極の周期長を変化させることで超音波の
フォーカス点が変化するので、複数の周期長を同一送信
用圧電基板上に形成することで複数のフォーカス点がで
きるようになる。これにより、個人差や頭部・腕部・足
部等の測定場所による生体表面から血管位置までの距離
の変化に対応できる。

【００１２】また、超音波を生体内に入射するために
は、圧電基板と生体で音響インピーダンスが違いすぎる
ため、そのままでは超音波が反射してしまうので、圧電
基板上に樹脂層を設けることにより、超音波が入射しや
すくなるようにする。さらに生体との密着性が高くなる
樹脂を形成し、測定部と生体間に超音波が減衰する空気
層を極力無くし、効率良く送受信できるようにする。

【００１３】さらに、本発明で提供する脈検出装置は測
定部、回路部、表示部及び記録部を体の一部分に装着で
きるバンドから構成されているので、携帯可能である。

【００１４】以上、本発明においては、送信用圧電基板
上の同心円状のすだれ状電極を形成し、反射波の到達時
間を測定することによって、脈検出を行う脈検出装置と
する。

【００１５】この構成によれば、超音波を血管上にフォ
ーカスして放出でき、従来の方法と比べ、少ない入力電
圧でより多くの出力を得られ、さらに、送信用圧電基板
上の同心円状のすだれ状電極が複数の周期長を有するこ
とで、生体内のフォーカス点も複数になり、生体表面か
ら血管までの距離が変化した場合にも対応できる脈検出
装置が提供できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図を用いて、本発明の脈検出装置
について詳細に説明する。

【００１７】本発明の脈検出装置の全体及び装着例を図
１に示す。図１において、脈検出装置１は表示・記録ユ
ニット３、測定ユニット４及びバンド５から構成され
る。表示・記録ユニット３と測定ユニット４はバンド５
内の銅線（図略）によって接続されている。脈検出装置
１は生体２にバンド５によって固定される。

【００１８】図２は装着時の断面図を示す。脈検出装置
１は生体内のとう骨動脈、尺骨動脈、頚動脈等の血管２
１上に測定ユニット４が来るように生体２に装着され、
測定ユニット４と表示・記録ユニット３はバンド５及び
止め金具６によって固定される。したがって、常時、脈
検出装置１を装着でき、連続的に測定できる。図１では
生体２に腕を例にしたが、血管２１上に測定ユニット４
を装着できる場所ならば、バンド５を交換し、調節する
だけで、生体２の場所は足、首や上腕など、場所を選ば
す装着可能である。

【００１９】表示・記録ユニット３及び測定ユニット４
のブロック図を図３に示す。測定ユニット４は測定部４
０、回路部４８から、表示・記録ユニット３は表示部３
１及び記録部３２からなる。測定ユニット４内の回路部
４８によって測定部４０の送信用圧電基板４１を駆動す
る。生体内からの反射を受信する受信用圧電基板４２
は、超音波を電気信号に変換し、回路部４８に伝える。
回路部４８では、送受信にかかった時間から、生体表面
から血管までの距離を求める。また、送受信にかかった
時間のずれから、心拍に伴う拍動によって生じる血管の
動きを捕らえ、脈拍を求める。これらの情報を表示・記
録ユニット３は受信し、それぞれ表示部３１では測定結
果を表示し、記録部３２で記録する。表示部３１には記
録部３２に蓄積されたデータを呼び出すことによって、
蓄積データを表示部３１に表示可能である。また、回路
部４８にドップラ効果によって生じる周波数変化を復調
する回路構成にすることにより、周波数変化からも血流
及び脈を測定することが可能である。

【００２０】測定ユニット４と生体２の関係を図４に示
す。超音波の送受信について図５を用い、説明する。血
管２１上に設置された測定部４０の送信用圧電基板４１
から超音波が生体２内に放出され、血管２１で反射した
超音波は受信用圧電素子に到達する。

【００２１】送信用圧電基板４１の送信用圧電基板第１
面４１ａにはすだれ状電極４３が形成され、回路部４８
から高周波電気信号を入力する。このとき、分極方向は
送信用圧電基板第１面４１ａに垂直な方向である。ま
た、このとき送信用圧電基板の厚さをｄとし、ラム波の
波長をλとすると、ｄ＜λの条件を満たす場合、送信用
圧電基板第１面４１ａ及び送信用圧電基板第２面４２ｂ
が弾性振動をする。送信用圧電基板第２面４２ｂに発生
した弾性振動は、生体２内に超音波として送信される。
生体２に送信される放射角度φは式２で表される。

【００２２】sinφ=Vs/Vp …（２）（φ：放射角度、Vp：圧電素子中の音速、Vs：生体内の
音速）送信された超音波は生体２内の動脈血管２１に反射し、
受信用圧電基板第２面４２ｂに届く。このとき受信用圧
電基板の厚さをｄとし、ラム波の波長をλとすると、ｄ
＜λの条件を満たす場合、送信用圧電基板と同様に、受
信用圧電基板第２面４２ｂは超音波があたることによっ
て、弾性振動し、受信用圧電基板第１面４２ａのすだれ
状電極４３によって、電気信号になる。このとき、圧電
基板の分極方向は受信用圧電基板第１面４２ａに垂直な
方向である。電気信号は図３に示す回路部４８を経て、
上記したように表示・記録ユニット３で表示及び記録が
なされる。

【００２３】図６・図７に示す圧電素子上のすだれ状電
極のパターンについて説明する。図６は送信用圧電基板
４１の第１面４１ａ及び受信用圧電基板４２の第１面４
２ａに電極周期長を一定にしたパターンである。この時
は図４に示すように１ヶ所にフォーカスする超音波を生
体内に放出できる。図７は２つの電極周期長を入れたパ
ターンである。図７のようにした場合には、図８に示す
ように生体内でのフォーカス点は２ヶ所になる。フォー
カス位置は同心円状のすだれ状電極の半径ｒと周期長ｌ
及び入力信号の周波数ｆで設計できる。周期長ｌと入力
信号の周波数ｆからVp（Vp=l・f）が決まり、式２より放
射角度φが求められ、半径ｒから深さ方向のフォーカス
位置が決まるので、フォーカス位置の設計が可能であ
る。図７では周期長が２種類であるが、複数の周期長を
存在させることで、複数のフォーカス点ができる。した
がって、測定場所や個人差による体表面から血管までの
距離に影響されずに、超音波を血管にフォーカスでき
る。

【００２４】次に測定部４０について図９を用いて詳細
に説明する。送信用圧電基板４１と受信用圧電基板４２
は接着樹脂４５によって接着され、接着樹脂４５上に導
電性樹脂４９が塗布されている。導電性樹脂４９は送信
用圧電基板４１上のすだれ状電極４３から受信用圧電基
板４２上のすだれ状電極４３へ空中を伝わっていく信号
をカットするために塗布する。また、接着樹脂４５は超
音波吸収材を接着剤に混入させたものを使用すると、送
信用圧電素子４１から接着樹脂４５を経て受信用圧電素
子４２への伝搬波がカットでき、回路部４８での受信信
号処理が簡易になる。また、送信用圧電基板４１と受信
用圧電基板４２は支持部４４に接着されている。支持部
４４には電気的ノイズを除去するために、真鍮やアルミ
等の金属がよい。また、金属製にすることで、測定部４
０の外部からの衝撃に対する強度を増す。

【００２５】送信用圧電基板第1面４１ａ上及び受信用
圧電基板第１面４２ａ上のすだれ状電極４３の材質には
電気抵抗の低い金属、たとえば純アルミを用いる他、耐
久性や腐食等を考慮し、クロムと金の２層構造にする。
ここで、クロムは金と圧電素子を強固に接着するために
用いている。クロムと金の金属化合物により、その後の
工程でワイヤーボンド等の作業性が著しく劣る場合に
は、クロムと金の間にニッケルを挟み、クロム・ニッケ
ル・金の３層としてもよい。

【００２６】送信用圧電基板第２面４１ｂ及び受信用圧
電基板第２面４２ｂには整合樹脂４６及び密着樹脂４７
を形成する。生体と各圧電基板４１，４２との間で効率
良く超音波を伝搬するためには、整合樹脂４６を設け、
整合樹脂４６の音響インピーダンスを、生体の音響イン
ピーダンスＺｌと圧電素子の音響インピーダンスＺｃと
の間の値にする必要がある。音響インピーダンスとは、
音波の伝搬のしやすさを示す値であり、その値はヤング
率や密度によって変化する。そして、図９に示す構成を
有する測定部４０において、整合樹脂４６の理想的な音
響インピーダンスＺｍは、Ｚｍ＝（Ｚｃ×Ｚｌ）^1/2 …（３）によって示すことができる。そして、式（３）に、公知
であるＺｌ＝１．５Ｍ（Ｎ・ｓｅｃ／ｍ³）、Ｚｃ（Ｐ
ＺＴを使用）＝３０Ｍ（Ｎ・ｓｅｃ／ｍ³）を代入する
と、Ｚｍ＝約６．７Ｍ（Ｎ・ｓｅｃ／ｍ³）となる。

【００２７】この計算値を基に、本実施例では、整合樹
脂４６に、音響インピーダンスが約５．６Ｍ（Ｎ・ｓｅ
ｃ／ｍ³）であるアクリル系樹脂を使用している。さら
に整合樹脂４６上にはシリコン系樹脂からなる密着樹脂
４７を形成する。これは、測定部と生体の密着性を向上
し、より超音波の伝搬を改善するためである。密着樹脂
４７にシリコン系樹脂を用いた場合、シリコン系樹脂は
軟質であるため、生体２との密着性が向上し、生体２と
測定部４０との間に存在する空気層を低減させることが
でき、この空気層による超音波の振動の減衰を抑えるこ
とができる。また、シリコン系樹脂は、生体との適合性
がよく、皮膚に密着させても影響が少ない。これによ
り、超音波の反射、減衰を防ぐことができる。

【００２８】次に、送信用圧電基板４１・受信用圧電基
板４２の形状及び接着樹脂４５について図１０を用いて
説明する。図１０に示す接着樹脂４５はすだれ状電極４
３に対して、斜めになるように送信用圧電素子４１受信
用圧電素子４２を切断して接着している。こうすること
で、送信用圧電基板第１面４１ａ上のすだれ電極４３ａ
から接着樹脂４５を介し受信用圧電基板第１面４２ａ上
のすだれ状電極４３ｂへの伝搬波が散乱し、回路部４８
での受信信号処理が簡易になる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明の脈検出装置によ
れば、送信用圧電基板から受信用圧電基板への空中伝搬
する信号及び伝搬波を除去し、超音波をフォーカスして
効率よく生体内に送信できるため、血管の検出感度を向
上させた脈検出装置を提供することができる。

【００３０】また、音響インピーダンス及び生体との密
着性を考慮した構造にすることにより、超音波の減衰を
抑え、効率よく超音波を伝搬できる。さらに、送受信基
板を支持する金属製支持部を設けることにより、外部か
らの衝撃に対する強度が向上する。

【００３１】また、脈検出装置を装着するためのベルト
を備えることによって、脈検出装置を容易に携帯するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の脈検出装置を生体に装着した状態図を
示す外観図の１例である。

【図２】本発明による脈検出装置の構成断面を示す図で
ある。

【図３】表示・記録ユニット及び測定ユニットの内部構
成と接続状態を示すブロック図である。

【図４】本発明による脈検出装置の構成断面を示す図で
ある。

【図５】送信用圧電基板及び受信用圧電基板の状態を示
す図である。

【図６】圧電基板、すだれ状電極及び接着部を示す１例
である。

【図７】圧電基板、すだれ状電極及び接着部を示す１例
である。

【図８】送信用圧電基板及び受信用圧電基板の状態を示
す図である。

【図９】測定部の断面図を示す図である。

【図１０】圧電基板、すだれ状電極及び接着部を示す１
例である。

【図１１】従来例を示す図である。

【図１２】従来の構成断面を示す図である。

【符号の説明】

１脈検出装置２生体２１血管３表示・記録ユニット３１表示部３２記録部４測定ユニット４０測定部４１送信用圧電基板４１ａ送信用圧電基板第１面４１ｂ送信用圧電基板第２面４２受信用圧電基板４２ａ受信用圧電基板第１面４２ｂ受信用圧電基板第２面４３すだれ状電極４４支持部４５接着樹脂４６整合樹脂４７密着樹脂４８回路部４９導電性樹脂５バンド６止め金具１００従来の脈検出装置１１０圧電素子１２０圧電素子１３０樹脂

フロントページの続き (72)発明者新荻正隆千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者木村文雄千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地株式会社エスアイアイ・アールディセンター内 (72)発明者戸田耕司神奈川県横須賀市二葉１丁目49番18号Ｆターム(参考） 4C017 AA09 AB02 AC03 AC20 4C301 AA03 DD02 DD06 DD10 EE06 EE12 GA03 GB15 GB33 GB34 HH22 5J083 AA02 AB17 AC28 AD08 AE10 CA20 CA35 CB20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定部及び測定部を駆動する回路部及び
測定結果を表示する表示部及び測定結果を記録する記録
部から構成される脈検出装置において、前記測定部が分
極軸に対し垂直方向に平面を持つ送信用圧電基板と分極
軸に対し垂直方向に平面を持つ受信用圧電基板からな
り、前記送信用圧電基板及び前記受信用圧電基板の各々
が、互いに平行な第１および第２の平面を有し、前記各
々の第１の平面にラム波励振用のすだれ状電極が少なく
とも2種類の周期長で形成されていることを特徴とする
脈検出装置。
【請求項２】請求項１において、前記送信用圧電基板
と前記受信用圧電基板を前記各々の第2の平面を同一面
内に配置し、前記第2の平面側を生体にすることを特徴
とする脈波検出装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２において、前記送
信用圧電基板と前記受信用圧電基板を接着する材料に導
電性樹脂を塗布し、かつ、前記圧電素子の第１の平面側
から塗布することを特徴とする脈波検出装置。
【請求項４】請求項１から請求項３において、前記送
信用圧電基板及び前記受信用圧電基板の前記第２の平面
に樹脂層を備えることを特徴とする脈検出装置。
【請求項５】請求項１から請求項４において、前記測
定部及び前記回路部及び前記表示部及び記録部が、体の
一部分に装着できるバンドに取り付けられていることを
特徴とする脈検出装置。