JP2003339650A - 生体情報計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 脈波の重畳するカフ圧を適切な応答速度で制
御して脈波情報などを歪ませることが無いものとする。 【解決手段】 カフを加圧する加圧手段と、カフを減圧
する減圧手段と、カフ圧を検出するカフ圧力検出手段
と、加圧手段あるいは減圧手段を制御する制御手段と、
カフより被測定部位の生体信号をカフ圧力の変化に基づ
き検出する手段を備える。制御手段は、所定の時間間隔
でカフの変化量を計測する変化量計測手段と、前記変化
量計測手段より得られた結果と所定の制御目標値との差
及び所定のフィードバックゲインから必要な補正量を算
出する補正電算出手段と、この補正量に基づいて制御値
を決定する制御値決定手段と、制御値を切替える制御値
切替え手段とを有する。所定の時間間隔Ｈは、測定対象
とする最長脈拍周期ｆに対し、Ｈ＞０．５ｆとなるよう
に設定し、且つ、前記補正量算出手段により算出される
補正量に制限を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、血圧、脈波などの
生体情報を計測するための生体情報計測装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】血圧測定装置などの生体情報計測装置で
は、一般にカフ圧迫法を用いて生体情報計測を行うが、
この場合、動脈が完全に閉塞するまでカフを加圧し、そ
の後、徐々に減圧してカフ圧に重畳した動脈の脈波信号
を捉え、その振幅変化などを基に最高、最低血圧を判定
したり、あるいは所定の速度範囲内で加圧しながら脈波
信号などを抽出する。

【０００３】この時、加圧過程において血圧値を決定す
る血圧測定装置で血圧判定精度を確保するには、少なく
とも血圧判定に必要な区間を所定の速度範囲内で加圧す
る必要があり、このような加圧特性を実現するために、
測定中の加圧速度などを計測してカフ加圧用のポンプ駆
動のフィードバック制御を一般的に行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、カフ圧
には生体から発せられる圧脈波が重畳しており、この脈
動成分は速度などを計測するうえにおいて外乱として作
用するため、加圧速度をフィードバック制御するのに必
要となる現時点での加圧速度や圧力値はその計測が困難
であり、脈動成分に応答して加圧手段（ポンプ）が制御
されてしまった場合、制御系が発振状態に陥って適切な
加圧制御ができなくなる問題や、血圧判定などに必要な
脈波情報を歪ませたり、生体情報の圧力軸上の検出の分
解能が変動してしまうといった問題（周期的変動による
影響）が生じていた。また、脈動や体動といった急激な
圧力変化に、制御系が過敏に反応してしまうことが発生
した。

【０００５】従って、カフ圧に重畳する圧脈波の影響を
回避するために、ローパスフィルタでカフ圧信号から脈
動成分を分離したうえで制御を行ったり、脈波が発生し
ない比較的低圧でのみ制御を行い、あとは所定値でポン
プを駆動する方式などが採用されているのが実情であ
る。

【０００６】しかし、ローパスフィルタを用いる場合に
は制御系が複雑になったり、時間遅れが発生する。ま
た、脈波が発生しない比較的低圧でのみ制御を行い、あ
とは所定値でポンプを駆動する場合は、加圧速度の安定
性（直線性）が悪くなる。

【０００７】本発明は上記に鑑みなされたものであり、
脈波の重畳するカフ圧を適切な応答速度で制御して脈波
情報などを歪ませることが無く、血圧値などを的確に測
定することができる生体情報計測装置の提供を目的とし
ている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の生体情報計測装置は、被験者に装着される
カフと、カフを加圧する加圧手段と、カフを減圧する減
圧手段と、カフ圧を検出するカフ圧力検出手段と、加圧
手段あるいは減圧手段を制御する制御手段と、カフより
被測定部位の生体信号をカフ圧力の変化に基づき検出す
る手段を備える生体情報計測装置において、 前記制御
手段は、所定の時間間隔でカフの変化量を計測する変化
量計測手段と、前記変化量計測手段より得られた結果と
所定の制御目標値との差及び所定のフィードバックゲイ
ンから必要な補正量を算出する補正電算出手段と、この
補正量に基づいて制御値を決定する制御値決定手段と、
制御値を切替える制御値切替え手段とを有し、前記所定
の時間間隔Ｈは、測定対象とする最長脈拍周期ｆに対
し、Ｈ＞０．５ｆとなるように設定し、且つ、前記補正
量算出手段により算出される補正量に制限を設けたこと
を特徴とする。

【０００９】上記補正量算出手段としては、上記変化量
計測手段より得られた結果と制御目標値との差が所定の
範囲を逸脱する場合に、所定範囲の上限値あるいは下限
値と制御目標値との差をもって補正量を算出するように
したものを好適に用いることができる。

【００１０】また、上記補正量算出手段は、前回の制御
値に対する所定の割合の範囲内で補正量を算出するよう
にしたものであってもよい。

【００１１】また、上記補正量算出手段は、上記変化量
計測手段より得られた結果と制御目標値との差が所定範
囲内である場合には、補正量をゼロとする制御不感帯を
設けたものであってもよい。

【００１２】また、上記補正量算出手段は、所定圧力に
おいてフィードバックゲインを切替えるものであっても
よい。

【００１３】また、上記制御値決定手段は、圧力によっ
て規定される所定の計算式で算出される下限値を下回ら
ない範囲で制御値を決定するものが好ましい。

【００１４】また、上記制御値決定手段は、所定電圧に
おいて、圧力によって規定される所定の計算式を切替え
るものであってもよい。

【００１５】また、上記制御値切替え手段により制御値
を切替える時間間隔は、上記変化量計測手段で変化量を
計測する時聞間隔と同じか、あるいはそれよりも短いこ
とが好ましい。

【００１６】さらに上記変化量計測手段は、速度あるい
は所定時間経過後の予想圧力値の一方または両方を用い
てカフの変化量を計測するものが好ましい。

【００１７】また、上記変化量計測手段は、カフの変化
量を計測する際に、カフ圧力検出手段から得られた出力
値の所定数の移動平均値を用いるものであってもよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下本発明を実施の形態の一例に
基づいて詳述すると、図１は本実施例の生体情報計測装
置の構成を示すブロック図であり、カフ１には、カフ１
に空気を送り込む加圧手段としてのポンプ２と、圧力セ
ンサ３と、急速排気弁４とが接続されている。圧力セン
サ３で検出されたカフ圧はマイクロコンピュータからな
る制御回路（以下、ＭＰＵ）５に取り込まれ、急速排気
弁４もＭＰＵ５によって開閉制御される。ポンプ２はＤ
Ｃモータで駆動されるもので、該ＤＣモータの回転数が
ＭＰＵ５によるパルス信号（デューティ比）によってＰ
ＷＭ制御されることで加圧制御がなされる。さらに、Ｍ
ＰＵ５には表示部６と測定開始ボタン７とが接続されて
いる。

【００１９】ＭＰＵ５は、ポンプ２と急速排気弁４とを
制御する機能や、圧力センサ３で検出されたカフ圧を取
り込む機能のほか、所定の時間間隔で加圧速度を計測す
る機能と、この加圧速度と所定の加圧制御目標値との速
度差、及び、所定のフィードバックゲインから必要な補
正量を算出する機能、この補正量に基づいてポンプ２の
回転数を制御するためのデューティ比を決定する機能、
デューティ比を切替えるデューティ比切替え機能、更に
は、カフ圧信号から脈波成分を抽出して血圧値及び脈拍
値を決定する機能等を有している。血圧値及び脈拍値は
測定終了後、表示部６に表示される。

【００２０】以下、本実施例の生体情報計測装置の動作
について説明する。カフ１を被験者の手首に巻付け、測
定開始ボタン７を押すと生体情報計測装置の電源が入り
加圧が開始される。カフ圧は最低血圧値の測定に影響を
与えない圧力値（例えば３０ｍｍＨｇ）まで急速に加圧
した後、血圧測定のために微速加圧（例えば４±１ｍｍ
Ｈｇ／ｓｅｃ）に切り替わる。ＭＰＵ５は、圧力センサ
３で検出されたカフ圧をもとに所定の時間間隔Ｈあたり
の加圧速度を順次計測する。時間間隔Ｈは測定対象とす
る最長脈拍周期ｆに対し、Ｈ＞０．５ｆとなるように設
定され、本実施例では、最長脈拍周期を２．０ｓｅｃ
（３０拍／分）、時間間隔Ｈを１．２ｓｅｃとしてい
る。

【００２１】時間間隔Ｈを上記のように設定しているの
は次の理由による。図２は脈拍周期は２．０ｓｅｃの被
験者におけるカフ圧信号の一部を示しているが、カフ圧
信号には脈波成分が重畳するため、脈波の山と谷に同期
するタイミング（１ｓｅｃ間隔）で加圧速度が計測され
た場合には、実際の加圧速度に対して過大・過小評価が
繰り返されることになり、結果として制御系は発振状態
に陥り、適切な加圧制御ができなくなるおそれがある。
このような事態を回避するために、加圧速度を計測する
時間間隔Ｈは測定対象とする最長脈拍周期ｆに対してＨ
＞０．５ｆとすることで、脈波の周期的な変動による影
響を受けにくくしている。上述した関係式によれば、時
間間隔Ｈを長くするほど脈波の周期的な変動の影響を受
けにくくなり、実際の加圧速度に近い値を計測すること
が可能になることは明らかである。

【００２２】ＭＰＵ５は、加圧速度をフィードバック
し、所定の加圧制御目標値α（例えば４ｍｍＨｇ／ｓｅ
ｃ）との速度差及び所定のフィードバックゲインに基づ
いて必要な制御補正量を算出する。このとき、計測され
た加圧速度が予め設定された速度範囲（例えば４±２ｍ
ｍＨｇ／ｓｅｃ）を逸脱している場合には、体動や脈動
などの急激な圧力変動の影響を受けているとみなし、計
測された加圧速度の代わりに前記速度範囲の上限値又は
下限値を用いて補正量を算出する。具体的には、計測さ
れた加圧速度が７ｍｍＨｇ／ｓｅｃの場合には、速度範
囲の上限値である６ｍｍＨｇ／ｓｅｃと加圧制御目標値
４ｍｍＨｇ／ｓｅｃとの速度差及び前記フィードバック
ゲインに基づいて必要な補正量を算出する。

【００２３】また、計測された加圧速度が２ｍｍＨｇ／
ｓｅｃ未満である場合には、速度範囲の下限値である２
ｍｍＨｇ／ｓｅｃと加圧制御目標値４ｍｍＨｇ／ｓｅｃ
との速度差及び前記フィードバックゲインに基づいて必
要な補正量を算出する。このように、本実施例では、体
動や脈動などの急激な圧力変動に制御系が過敏に反応
し、その結果、血圧判定に必要な脈波情報を歪ませてし
まうといったことが無いように、算出される補正量に制
限を設けている。

【００２４】補正量が算出された後、ＭＰＵ５は、この
補正量に基づいてポンプ２の回転数を制御するためのデ
ューティ比を決定し、加圧速度を計測するのと同じタイ
ミングで切替えを行う（図３参照）。図中のＴはデュー
ティ比の切替え間隔を示している。なお、デューティ比
の切替えは、図４のように、加圧速度を計測する時間間
隔より短くても良く、この場合には脈波の周期的な変動
の影響を受けにくくする効果を保ったまま、制御系の応
答速度を速くすることが可能となる。

【００２５】ＭＰＵ５は更にカフ圧信号より脈波信号を
抽出し、脈波信号から脈波値を抽出し、例えば血圧を測
定する。血圧値決定後、ＭＰＵ５はポンプ２を停止させ
るとともに、急速排気弁４を開放にして排気し、最高血
圧値、最低血圧値、脈拍値等を表示部６に表示して測定
を終了する。なお、血圧値の決定方法はオシロメトリッ
ク法に限定されるものでは無く、コロトコフ法を用いる
ものであっても良い。

【００２６】以上述べたように、本例によれば、加圧速
度を計測する時間間隔Ｈを、測定対象とする最長脈拍周
期ｆに対し、Ｈ＞０．５ｆとなるように設定するととも
に補正量に制限を設けることによって、脈動による周期
的な変動の影響や、体動・脈動などによる急激な圧力変
動の影響を受けることなく、簡単な構成で、脈波の重畳
するカフ圧を適切な応答速度で制御することが可能とな
る。

【００２７】なお、上記の例では、計測された加圧速度
が所定の速度範囲を逸脱した場合、速度範囲の上限値又
は下限値に基づいて補正量を算出しているため、補正量
の制限は現在カフ圧やデューティ比に関わらず制御圧力
範囲で一律に設けられることになるが、前回の制御値に
対する所定の割合をもって補正量に制限を設けるように
してもよい。この場合、所定の割合を例えば５％とする
と、前回の制御値であるデューティ比に対する５％の範
囲内で補正量を算出する。ポンプ２の吐出流量は手首の
太さやカフの巻き方、さらには圧力によって変化し、補
正量が同じ値であっても対象や状況が違えば制御を行う
上での重みが異なるため、デューティ比の変化に応じて
補正量の制限を変化させることで、より適切な加圧制御
が可能になる。

【００２８】図５はＭＰＵ５が補正量を算出する際の他
例を説明したもので、ここでは補正量の制限に加え、計
測された加圧速度と加圧制御目標値αとの速度差が所定
の速度範囲内である場合には、補正量をゼロとする制御
不感帯Ｂを設けている。図中のＡが制御対象領域であ
る。ＭＰＵ５は測定中の加圧速度を計測した後、所定の
加圧制御目標値α（例えば４．０ｍｍＨｇ／ｓｅｃ）と
の速度差から必要な制御補正量を算出するが、この速度
差が所定の速度範囲内（例えば±０．５ｍｍＨｇ／ｓｅ
ｃ）の場合には補正量をゼロとし、ＭＰＵ５は前回値の
デューティ比を継続して出力する。このように制御不感
帯Ｂを設けることで、血圧判定精度に影響を及ぼさない
微小な速度変化やカフ圧のゆらぎ等に対し、制御系が過
敏に反応することがなくなるために制御安定性を更に高
めることができる。

【００２９】本例において、補正量を算出するためのフ
ィードバックゲインは、制御圧力範囲で一定値を設ける
ほか、所定圧力においてフィードバックゲインを切替え
るようにしてもよい。このような切り替えを行えば、制
御圧力範囲で一律に補正量の制限を設けた場合であって
も、低圧では過敏な制御を行わず、しかも高圧ではゲイ
ン不足による制御能力の低下で加圧速度が低下してしま
うといったことを無くすことができ、圧力に応じた適切
な制御が可能となる。

【００３０】また、上記の例においてポンプ２の回転数
を制御するデューティ比を決定する際、ポンプ２のコン
トロールできるデューティ比下限値との比較を行うよう
にすれば、さらに安定した測定を行うことができる。

【００３１】ポンプのコントロール可能な流量範囲が、
手首の太さやカフ巻き方等のばらつきを吸収するのに必
要な流量範囲をカバーできない場合、例えば、被測定部
位が細く、かつ被測定部位にカフを強く巻いた条件で必
要な流量がポンプのコントロールできる最少流量を下回
る場合には、加圧速度が速くなるためにＭＰＵ５はデュ
ーティ比を下げ続け、最低駆動電力以下でポンプを動作
させることになり、測定中にポンプが停止するといった
問題が生じる可能性がある。

【００３２】このような事態を回避するために、ＭＰＵ
５はポンプ２の回転数を制御するためのデューティ比Ａ
ｎを仮決定した後、さらに圧力で規定される所定の計算
式より現在カフ圧に基づいてデューティ比下限値Ａｐｉ
を算出し、デューティ比Ａｎがデューティ比下限値Ａｐ
ｉを超えているか否かを判定する。この判定がＹＥＳの
場合には、そのままデューティ比Ａｎを出力して前回値
との切替えを行う。一方、判定がＮＯの場合には、デュ
ーティ比下限値Ａｐｉを出力して前回値との切替えを行
う。このように、ポンプ２の回転数を制御するデューテ
ィ比を決定する際、デューティ比下限値との比較を行う
ことによって、ポンプが停止するといった問題を生じさ
せること無く測定を行うことが可能になる。

【００３３】なお、デューティ比下限値を求めるための
前記所定の計算式は、電池電圧の使用範囲で一つの式を
使用するものであっても良いが、所定の電池電圧におい
て計算式を切替えるものであっても良い。デューティ比
下限値はポンプに印加される電圧によって変化し、また
その変化度合いは圧力によっても異なるため、全ての測
定条件に適用できる計算式を設けることは困難であり、
また複雑になった場合にはＭＰＵに対する負荷も増大す
る。従って、計算式を複数設け、所定の電池電圧におい
て計算式を切替えるようにすれば、電池電圧や圧力など
が変化しても適切にデューティ比下限値を求めることが
可能になる。

【００３４】また、上記実施例では、所定の時間間隔で
計測される加圧速度を用いて制御補正量を算出する例を
示しているが・別の実施例として所定時間後の予想圧力
値を制御目標値とし、この目標値を時間とともに変化さ
せて実圧力値との圧力差から制御補正量を算出するもの
であっても良く、更には両方を用いるものであっても良
い。また、カフ圧の変化量（カフ圧そのもの、あるいは
加圧速度）を計測する際には、圧力センサ３で検出され
たカフ圧信号の所定数（例えば３〜５）の移動平均値を
用いるものであっても良く、この場合には平滑化によっ
てポンプリップル等のノイズに影響されにくくなる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明においては、脈動の
周期的な変動による影響について、所定の時間間隔Ｈを
脈動と同期しないように測定対象とする最長脈拍周期ｆ
に対し、Ｈ＞Ｏ．５ｆとなるように設定し、且つ、体
動、脈動などによる急激な圧力変動による影響について
は、前記補正量算出手段により算出される補正量に制限
を設けていることから、脈動との同期や急激な圧力変化
による影響を避けることができるものであり、従って脈
波の重畳するカフ圧を適切な応答速度で制御することが
できると同時に血圧測定などに必要な脈波情報などを歪
ませることが無く、血圧値などを的確に測定することが
できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の動作説明図であ
る。

【図２】同上のブロック図である。

【図３】同上の他例の動作説明図である。

【図４】同上の更に他例の動作説明図である。

【図５】同上の別の例の動作説明図である。

【符号の説明】

１ カフ ２ ポンプ ３ 圧力センサ ４ 急速排気弁 ５ 制御回路（ＭＰＵ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 倉田 陽介 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 岩井 伸夫 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 井出 和宏 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 森川 大輔 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 Ｆターム(参考） 4C017 AA08 AA09 AC01 DD11 FF05

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被験者に装着されるカフと、カフを加圧
   する加圧手段と、カフを減圧する減圧手段と、カフ圧を
   検出するカフ圧力検出手段と、加圧手段あるいは減圧手
   段を制御する制御手段と、カフより被測定部位の生体信
   号をカフ圧力の変化に基づき検出する手段を備える生体
   情報計測装置において、 前記制御手段は、所定の時間
   間隔でカフの変化量を計測する変化量計測手段と、前記
   変化量計測手段より得られた結果と所定の制御目標値と
   の差及び所定のフィードバックゲインから必要な補正量
   を算出する補正電算出手段と、この補正量に基づいて制
   御値を決定する制御値決定手段と、制御値を切替える制
   御値切替え手段とを有し、前記所定の時間間隔Ｈは、測
   定対象とする最長脈拍周期ｆに対し、Ｈ＞０．５ｆとな
   るように設定し、且つ、前記補正量算出手段により算出
   される補正量に制限を設けたことを特徴とする生体情報
   計測装置。
2. 【請求項２】 上記補正量算出手段は、上記変化量計測
   手段より得られた結果と制御目標値との差が所定の範囲
   を逸脱する場合には、所定範囲の上限値あるいは下限値
   と制御目標値との差をもって補正量を算出するものであ
   ることを特徴とする請求項１記載の生体情報計測装置。
3. 【請求項３】 上記補正量算出手段は、前回の制御値に
   対する所定の割合の範囲内で補正量を算出するものであ
   ることを特徴とする請求項１記載の生体情報計測装置。
4. 【請求項４】 上記補正量算出手段は、上記変化量計測
   手段より得られた結果と制御目標値との差が所定範囲内
   である場合には、補正量をゼロとする制御不感帯を設け
   たものであることを特徴とする請求項１記載の生体情報
   計測装置。
5. 【請求項５】 上記補正量算出手段は、所定圧力におい
   てフィードバックゲインを切替えるものであることを特
   徴とする請求項１記載の生体情報計測装置。
6. 【請求項６】 上記制御値決定手段は、圧力によって規
   定される所定の計算式で算出される下限値を下回らない
   範囲で制御値を決定するものであることを特徴とする請
   求項１記載の生体情報計測装置。
7. 【請求項７】 上記制御値決定手段は、所定電圧におい
   て、圧力によって規定される所定の計算式を切替えるも
   のであることを特徴とする請求項１記載の生体情報計測
   装置。
8. 【請求項８】 上記制御値切替え手段により制御値を切
   替える時間間隔は、上記変化量計測手段で変化量を計測
   する時聞間隔と同じか、あるいはそれよりも短いことを
   特徴とする請求項１記載の生体情報計測装置。
9. 【請求項９】 上記変化量計測手段は、速度あるいは所
   定時間経過後の予想圧力値の一方または両方を用いてカ
   フの変化量を計測するものであることを特徴とする請求
   項１記載の生体情報計測装置。
10. 【請求項１０】 上記変化量計測手段は、カフの変化量
    を計測する際に、カフ圧力検出手段から得られた出力値
    の所定数の移動平均値を用いるものであることを特徴と
    する請求項１記載の生体情報計測装置。