JP2004174147A - 脈波測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】測定対象である生体の動きもしくは光学的、磁気的、電気的な外乱によるＤＣもしくはＤＣ近傍のオフセットが、増幅後の脈波信号に重畳し、Ａ／Ｄ変換器の変換レンジを越え、脈波が測定不能となることを防止する。
【解決手段】脈波信号からオフセットを除去する直前（ｂ）３０および直後（ｂ）３１に、Ａ／Ｄ変換器の出力データ（ｂ）３０および２７を記憶、保持し、前記オフセット除去した後のＡ／Ｄ変換器出力データ２７と前記の記憶、保持されている直前データを加算、前記直後データを減算し、脈波データの連続性を維持するように信号処理し（ｂ）、脈波計測中のいずれのタイミングでもオフセット除去を行うことを可能とする。
【選択図】 図３
【解決手段】脈波信号からオフセットを除去する直前（ｂ）３０および直後（ｂ）３１に、Ａ／Ｄ変換器の出力データ（ｂ）３０および２７を記憶、保持し、前記オフセット除去した後のＡ／Ｄ変換器出力データ２７と前記の記憶、保持されている直前データを加算、前記直後データを減算し、脈波データの連続性を維持するように信号処理し（ｂ）、脈波計測中のいずれのタイミングでもオフセット除去を行うことを可能とする。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脈波測定装置に関するものであり、脈波を測定する際に測定対象である生体の動きもしくは光学的、磁気的、電気的な外乱によるＤＣもしくはＤＣ近傍のオフセットが、増幅後の脈波信号に重畳することにより、Ａ／Ｄ変換器の変換レンジを越え、脈波の測定不能となる現象をオフセット除去することにより防止すると共に、前記オフセット除去時に脈波のＡ／Ｄ変換データに発生する不連続点の発生を防止する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の脈波測定装置におけるＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットを除去する方法として、アナログフィルタもしくはディジタルフィルタによる線形性を有する方法で取り除く方法が公知である。
【０００３】
また、生体に投光する素子の非作動時増幅器の出力電圧がゼロになるように増幅器を予め調節することによって、装置毎あるいは測定毎にＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットを除去する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、脈波を増幅する増幅器に、実際の脈波信号を入力する代わりに、決まった入力、例えば脈波を導出する脈波センサの駆動電圧の１／２を増幅器に入力し、 この時にＡ／Ｄ変換器が出力するデータを基準値として記憶しておき、この基準値を脈波に対する信号処理演算の際の中点として扱う方法がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また、脈波上昇始点の値をオフセットとして、脈波信号に重畳しているＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットの影響を除去した、脈波の面積、ピーク値等を演算により正確に検出、算出する方法もある（例えば特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２４０２８号公報（第１−２頁、第３図）
【特許文献２】
特開平９−１１３３１１号公報（第２頁、第８頁、第１１頁、第６図）
【特許文献３】
特許第１７４０２１０号公報（目的、代表図面）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、公知のアナログフィルタ、ディジタルフィルタによるＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットを除去する方法では、除去する対象であるオフセットの周波数が非常に低く、そのための回路を、例えばコンデンサと抵抗でパッシブフィルタで構成すると、抵抗に１メガオーム、コンデンサに１マイクロファラッドを選択すればオフセットの遮断周波数を０．１６Ｈｚ程度に設定することが可能である。また、１マイクロファラッドのコンデンサで、しかもコンデンサ自体の容量変化に対する温度係数が原因となる、脈波のオフセットドリフトを避けるためには、フィルムコンデンサあるいはメタライズドフィルムコンデンサを使用することができる。
【０００８】
しかしながら、１マイクロファラッドのコンデンサは、その物理的大きさが非常に大きく（例えば１０ミリ×２０ミリ×５ミリ）、回路構造物を小さく出来ず、そのため、装置の小型化が不可能であり、多チャンネルのフィルタ回路を構成することも困難である。また、前記種類のフィルムコンデンサを使用したとしても、容量の大きなコンデンサには充電電荷が温度、熱雑音等によるドリフト現象がわずかながらであるが発生し、フィルタ構成に必要となる大きな抵抗を通して前記ドリフト現象が増幅され、フィルタ出力も前記ドリフトの影響を大きく受け、結果として脈波信号がドリフトを起こす。
【０００９】
また、公知のアナログフィルタ、ディジタルフィルタによるＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットを除去する方法では、大きな時定数（例えば１秒以上）を持つことになり、前記オフセットを除去した際に発生する基線変動が落ち着くまでに数秒を要する。
【００１０】
また、脈波の計測前に、投光する素子の非作動状態時のオフセットを記憶しておき、脈波計測時に、記憶されているオフセットで、従来の脈波を増幅する回路系を補正する方法や、生体からの実際の脈波信号の代わりに、値の判明している入力、例えば脈波センサの駆動電圧×１／２を脈波の増幅回路系に入力し、その際のＡ／Ｄ変換器出力値を駆動電圧×１／２入力時の仮想中間値として記憶し、この値をもとに、実際の脈波入力に対してＡ／Ｄ変換されたデータを補正する方法では、脈波の計測開始から数十秒程度でオフセットの再計測および再記憶する必要があるか、または、脈波信号への生体の体動、環境温度、環境照度等の変化による外乱重畳により、オフセットの再計測、再記憶する必要があり、その度に脈波の計測が中断される。
【００１１】
また、脈波上昇始点の値をオフセットとして扱う方法では、生体から導出した脈波をＡ／Ｄ変換可能な変換レンジ内で振れるように、増幅器で増幅する必要があるが、現在導出可能な方法によって導出された脈波自体にはＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数を含むオフセットがかならず重畳しており、Ａ／Ｄ変換レンジから脈波信号が飛び出してしまった場合、本方法では対応ができない。
【００１２】
前記いずれの場合でも、脈波を計測しつづけながらのオフセット除去は不可能であり、従って脈波の連続的計測、分析も不可能である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の脈波測定装置は、ハイパスフィルタを使用せず、脈波の信号に重畳するオフセットを除去すると共に、オフセット除去する直前および直後のＡ／Ｄ変換器の出力データを記憶、保持し、オフセット除去した後のＡ／Ｄ変換器出力データと前記の記憶、保持されているデータを滑らかに接続し連続性を維持するように信号処理し、脈波計測中のいずれのタイミングでもオフセット除去を行うことが出来るようにすることで、脈波を連続的に計測することが可能であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、ＤＣとＤＣ近傍の周波数を持つオフセットを含む脈波信号からオフセット分を減ずる増幅器もしくは変換レンジを前記オフセット分だけシフトするＡ／Ｄ変換器と、前記オフセットを除去する際に、前記オフセット除去直前および直後のＡ／Ｄ変換データを保持し、オフセット除去後のＡ／Ｄ変換データに前記保持されているオフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データを加え、前記保持されているオフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データを引くことによって、オフセット除去前後で滑らかにＡ／Ｄ変換データを連続させるオフセット補正手段を備えることを特徴とする脈波測定装置であり、
ハイパスフィルタを構成する物理的に大きなサイズの部品を不要とし、装置の小型化、物理的サイズの制約内で多チャンネル化を可能とし、またハイパスフィルタに内在する大きな時定数による基線ドリフトの発生を無くし、オフセット除去時に脈波計測を中断することなく、脈波を連続で計測、分析することを可能とする作用を有する。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、光源とフォトディテクタの対、もしくは磁極と磁界検出器の対、もしくは圧力検出器、もしくは超音波発信器と超音波検出器の対により生体から脈波を導出する脈波センサと、
前記センサから導出された脈波をＡ／Ｄ変換器の入力信号とするために増幅された信号電圧もしくは電流を出力する増幅器と、
前記増幅器からの出力信号のオフセットを増減するためのオフセット信号発生器と、
前記オフセット信号発生器の出力を前記増幅器に加え、オフセット除去するためのオフセット演算器と、
前記オフセット除去直前および直後の前記Ａ／Ｄ変換器の出力データを保持する保持メモリと、
前記オフセット除去後の前記Ａ／Ｄ変換器の出力データに、ディジタルオフセットを加算するディジタルオフセット加算器とにより、
前記オフセット除去直前および直後のＡ／Ｄ変換データを保持し、オフセット除去後のＡ／Ｄ変換データに前記保持されているオフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データを加え、前記保持されているオフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データを引くことにより、オフセット除去前後で滑らかにＡ／Ｄ変換データを連続させるオフセット補正手段を備えることを特徴とする脈波測定装置としたものであり、
ハイパスフィルタを構成する物理的に大きなサイズの部品を不要とし、装置の小型化、物理的サイズの制約内で多チャンネル化を可能とし、またハイパスフィルタに内在する大きな時定数による基線ドリフトの発生を無くし、オフセット除去時に脈波計測を中断することなく、脈波を連続で計測、分析することを可能とする作用を有する。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２のオフセット信号発生器の出力を前記オフセット演算器に加算する仕組みの代わりに、請求項２のＡ／Ｄ変換器の変換レンジを変更するレンジ切り替え器と、前記レンジ切り替え器のレンジを決定するレンジ信号発生器とにより、請求項２のＡ／Ｄ変換器の変換レンジ全体を上下させることにより、請求項２のオフセット信号発生器、オフセット演算器の機能の代わりにオフセット除去し、前記オフセット除去直前および直後のＡ／Ｄ変換データを保持し、オフセット除去後のＡ／Ｄ変換データに前記保持されているオフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データを加え、前記保持されているオフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データを引くことにより、オフセット除去前後で滑らかにＡ／Ｄ変換データを連続させるオフセット補正手段を備えることを特徴とする脈波測定装置としたものであり、
ハイパスフィルタを構成する物理的に大きなサイズの部品を不要とし、装置の小型化、物理的サイズの制約内で多チャンネル化を可能とし、またハイパスフィルタに内在する大きな時定数による基線ドリフトの発生を無くし、オフセット除去時に脈波計測を中断することなく、脈波を連続で計測、分析することを可能とする作用を有する。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２および３の脈波測定装置の外部からのトリガ入力もしくは脈波のポジティブあるいはネガティブピークから一定時間遅らせたタイミングでオフセット調整することを特徴とする請求項１、２、３の脈波測定装置としたものであり、
脈波の計測、分析に影響のない脈波信号の周波数の低い部分、すなわち、信号の変化があまりない部分でオフセット除去することを可能とする作用を有する。
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１について、図１、図２、図３を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は請求項１および請求項２の脈波測定装置の光電式指尖容積脈波測定装置への適用例を示し、図１において脈波を導出する脈波センサ２は、光源３と受光器４で構成されている。生体の指先１に対して、光源３は指先１のつめの部分に「生体の光に対する生体窓」と呼ばれる透過率の高い波長である赤外光（波長９００ｎｍ付近の波長）を照射する作用を行うもので、本例では赤外ＬＥＤで構成されている。受光器４は、前記光源３から照射された赤外光が指先１を透過した光５を光電変換により電圧の変化１０に変換する作用を行うもので、本例ではフォトトランジスタのエミッタ接地形式で構成されている。前記赤外ＬＥＤおよび前記フォトトランジスタは定電源６により駆動される。
【００２１】
増幅器７は前記電圧の変化１０を一定電圧まで増幅した脈波信号１１を生成する作用を有する。前記増幅器７には、オフセット信号発生器８で生成されるオフセット電圧９が加えられ、前記脈波信号１１のＤＣオフセットを除去することが可能となっている。オフセット信号発生器８で生成するオフセット電圧９は、後述するＣＰＵからのオフセットデータ１２とオフセット信号調整信号１３によって、例えば定電源６の８ビット２５６分解能で調整することが可能となっている。
【００２２】
また、請求項１のオフセットを減ずる機能は、図１の例では増幅器７に、公知であるオペレーショナルアンプを用いることにより、その機能を持たせてある。
【００２３】
前記指先１から、前記脈波センサ２で導出され、ＤＣオフセット電圧９が加算され、前記増幅器７で増幅された脈波信号１１は、Ａ／Ｄ変換器１５で量子化される。本例では８ビット２５６分解能を持つＡ／Ｄ変換器を適用している。Ａ／Ｄ変換器１５で量子化された脈波データは、保持メモリ１６（Ａ）に記憶されていた、前回のオフセット電圧９を調整する直前の脈波データとディジタルオフセット加算器１７で加算され、さらに、オフセット電圧９を調整した直後の脈波データとして保持メモリ１６（Ｂ）に記憶されている脈波データがディジタルオフセット加算器１７で減算され、前記オフセット電圧の調整によるオフセット除去後の、Ａ／Ｄ変換後の脈波データ上の不連続点を補正した脈波データとしてバッファメモリ１８に保持される。
【００２４】
図８を用いて、前記不連続点を補正する様子を説明する。図８（ａ）はオフセットの増加によるドリフトを伴って右肩上がりでＡ／Ｄ変換されていく脈波データを実線波形で示している。オフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データ４９が、図１の保持メモリ１６（Ａ）に記憶される。続いて、オフセット除去がなされ、Ａ／Ｄ変換レンジ０〜２５５の範囲のほぼ中央にＡ／Ｄ変換された脈波データが表れる様子を図８（ｂ）に実線波形で示している。オフセット除去後の脈波データは図８（ｂ）の５０で示した値から脈波データが表れる。この５０で示した値は図１の保持メモリ１６（Ｂ）に記憶される。図８（ｃ）に示すように、オフセット除去の影響なく連続した脈波データとするには、図８（ｃ）の５１で示した値からオフセット除去後の脈波データが続けばよい。前記５１で示した値は、前記図１の保持メモリ１６（Ａ）に記憶されており、前記５１の値とオフセット除去後の脈波データの開始値は前記図１の保持メモリ１６（Ｂ）に記憶されている値である。従って、オフセット除去後の脈波データが図１の保持メモリ１６（Ａ）＋Ａ／Ｄ変換値−保持メモリ１６（Ｂ）なる計算を施せば、例えば、オフセット除去直後のＡ／Ｄ変換値＝図１の保持メモリ１６（Ｂ）の値に前記計算を施せば、図１の保持メモリ１６（Ａ）＋（Ａ／Ｄ変換値＝保持メモリ１６（Ｂ））−保持メモリ１６（Ｂ）＝保持メモリ１６（Ａ）となり、図８（ｃ）の５１の値そのものになる。続いてＡ／Ｄ変換された脈波データにも同様に前記計算を施せば、図８（ｃ）の５１の値を開始点として、脈波データが描かれていくことになる。
【００２５】
以下再び図１を用いて説明を続ける。バッファメモリ１８に保持されたオフセット除去後の連続化された脈波データは、必要に応じてＣＰＵコア１９に読み込まれ、脈波データから脈波の面積、ピークの位置、大きさの計測および分析、脈波データを微分して速度脈波化、さらに微分して加速度脈波化の演算等が行われる。前記オフセット信号発生器８に設定するオフセット電圧設定値１２の書き込みと、前記オフセット電圧設定値１２のオフセット電圧９への反映タイミング、前記オフセット電圧９への反映タイミング直前および直後の前記脈波データを保持メモリ１６（Ａ）、１６（Ｂ）へ保持させるタイミングは、ＣＰＵコア１９により任意にコントロールすることができる。
【００２６】
図２は図１の脈波測定装置で実際に測定した際の、図１増幅器７の出力である脈波信号（図１の１１）の挙動を示している。脈波信号２１、生体の体動等によるドリフト２２、図１のオフセット信号発生器のオフセット除去タイミング位置２３をプロットしたもので、図１のオフセット電圧９の調整タイミングで、脈波信号２１に、オフセットを除去するために図１の７で示した増幅器のＤＣオフセットを前記オフセット電圧９を調整することにより変更したため、大きな不連続点２３が発生していることを示したものである。この脈波信号２１が図１における脈波信号１１に対応し、本発明による前記不連続点２３の発生を抑える処理を適用しなければ、前記不連続点２３で脈波の測定、分析を連続して行うことは不可能である。
【００２７】
図３は、図２の脈波信号２１（図１では脈波信号１１）が図１のバッファメモリ１８に保持され、図１のオフセット電圧９の調整により不連続点を有しても、図１のＣＰＵコア１９で計測、分析に使用される脈波データとして前記不連続点のないデータを使用できる様子を示したものである。
【００２８】
図３に示した例では、図１のＡ／Ｄ変換器１５で変換された脈波データが、図１のＡ／Ｄ変換レンジの２０％以下もしくは８０％以上（本例では８ビット２５６分解能の５１以下もしくは２０４以上と同意）の状態が、例えば平均の脈波の間隔＝平均脈拍間隔期間の５０％であるＴ３５以上続いた場合に（図３（ｂ））、オフセット除去のタイミングを決定する図１のオフセット電圧調整信号１３を図３（ａ）の２４で示すようにＯＮし、図１のオフセット電圧９を図３（ｂ）、（ｃ）の２８で示す状態から図３（ｂ）、（ｃ）の２９の状態に調整し、脈波信号２７（図３（ｂ））が図１のＡ／Ｄ変換器１５の変換レンジ２５（図３（ｂ））を超えて変換不能とならないように補正する様子を示している。
【００２９】
また、オフセット電圧９を調整すると、前期オフセット電圧９調整前後で、脈波信号２６と２７で示すように、Ａ／Ｄ変換器入力である脈波信号には不連続点が発生し、前記不連続点がＡ／Ｄ変換データ３０と３１に示すように不連続点として発生する。前記不連続点をＡ／Ｄ変換後の脈波データ３２と３３で示したように、オフセット除去前後の点３４、３５で滑らかに接続させるために、オフセット除去直前の図１Ａ／Ｄ変換器１５の出力である脈波データ３０を、保持させるタイミング２４の立ち上がりエッジで、図１の保持メモリ１６（Ａ）に保持させ、オフセット除去が完了した時点の脈波データ３１もタイミング２４の立下りにより図１の保持メモリ１６（Ｂ）に記憶させる。
【００３０】
次に、前記オフセット調整後のＡ／Ｄ変換器出力である脈波データ２７と、前記保持メモリ１６（Ａ）の脈波データを加算し、前記保持メモリ１６（Ｂ）の脈波データを減算すれば、図３（ｂ）３４と３５の不連続点は滑らかに接続され、図３（ｄ）３２と３３の脈波データに示すように、オフセット除去前後で、脈波データは滑らかに接続され、あたかもオフセット除去とオフセット除去に伴う不連続点が存在しないのかのように、脈波計測、分析をオフセット除去に関係なく連続して続けることが可能となるように構成されている。この際、図３（ｄ）で示した前記不連続点を除去した波形３２と３３が、前記Ａ／Ｄ変換レンジ０〜２５５を超えているが、例えばＣＰＵ（図１の１４）が前記脈波データとして０〜２５５以上の値、例えば−３２７６７〜＋３２７６８のように１６ビット長以上のデータを扱えるようにする、一般に公知の技術を使用することで脈波データを０〜２５５を超える範囲で扱うことができる。
【００３１】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２について、図４、図５を参照しながら説明する。
【００３２】
図４は請求項３の脈波測定装置を示し、実施の形態１を説明した図１と対比するために、図番号を同一の機能には同一の番号を使用している。請求項１と２の実施の形態１を説明した図１では、増幅器７のオフセット電圧９を調整することによって、前記増幅器７の出力である増幅された脈波信号１１のオフセット除去を行っていたが、本実施の形態２では、図４に示したＡ／Ｄ変換器１５の変換レンジをリファレンス電圧９（Ａ）および９（Ｂ）間の電圧を分割する方式とし、前記リファレンス電圧９（Ａ）および９（Ｂ）を本実施の形態２の特徴であるレンジ切り替え器８（Ａ）によって調整することにより、増幅器７のオフセットを調整することと同様の効果を得る。Ａ／Ｄ変換器１５以降の処理は実施の形態１と同様である。
【００３３】
図５は図４の脈波測定装置で図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）の調整によっても、図４のバッファメモリ１８に保持される脈波データに不連続点が現れない様子を示したものである。
【００３４】
図５（ｃ）の２８と２９のラインは、図４で示したレンジ切り替え器８（Ａ）で生成したリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）を示している。前記実施の形態１と同様に、図４の増幅器７の出力である脈波信号１１の波形を示している脈波信号２６が、Ａ／Ｄ変換レンジの２０％以下もしくは８０％以上（本例では８ビット２５６分解能の５１以下もしくは２０４以上と同意）の状態が例えば平均の脈波の間隔＝平均脈拍間隔期間の５０％であるＴ３５以上続いた場合に、Ａ／Ｄ変換レンジの変更タイミングを決定する信号１３を図５の２４で示すようにＯＮし、図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）を図５（ｃ）の２８で示す状態から図５の２９に示すように、Ａ／Ｄ変換レンジ全体の電圧を上げ、脈波信号のＡ／Ｄ変換レンジである電圧範囲を高い領域側を含むように設定することによって、脈波信号２７が図４のＡ／Ｄ変換器１５の変換レンジ２５（図５（ｃ））を超えて変換不能とならないように補正する様子を示している。
【００３５】
また、図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）を調整すると、前期リファレンス電圧の調整前後で、図５（ｂ）の脈波信号２６と２７で示すように、Ａ／Ｄ変換器入力である脈波信号には、不連続点図５（ｂ）３０と３１が発生する。
【００３６】
図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）の調整直前のＡ／Ｄ変換器１５の出力である脈波データ３０（図５（ｂ））を、保持させるタイミング２４の立ち上がりエッジで、図４の保持メモリ１６（Ａ）に保持させ、図５のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）の調整が完了した時点の脈波データ３１（図５（ｂ））もタイミング２４の立下りエッジで図４の保持メモリ１６（Ｂ）に記憶させる。
【００３７】
次に、前記リファレンス電圧調整後のＡ／Ｄ変換器出力である脈波データ２７（図５（ｂ））と、前記保持メモリ１６（Ａ）の脈波データを加算し、前記保持メモリ１６（Ｂ）の脈波データを減算すれば、図５（ｄ）３４と３５の不連続点は滑らかに接続され、図５（ｄ）３２と３３の脈波データに示すように、図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）の調整前後で、脈波データは滑らかに接続される。図５（ｄ）で示した前記不連続点を除去した波形３２と３３が、前記Ａ／Ｄ変換レンジ０〜２５５を超えているが、例えばＣＰＵ（図１の１４）が前記脈波データとして０〜２５５以上の値、例えば−３２７６７〜＋３２７６８のように１６ビット長以上のデータを扱えるようにする、一般に公知の技術を使用すれば問題は発生せず、あたかも図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）を変更しＡ／Ｄ変換レンジの変更による、前記オフセット除去がなされず、Ａ／Ｄ変換データである脈波データに不連続点が発生していないかのように、脈波計測および分析をオフセット除去に関係なく連続して続けることが可能となるように構成されている。
【００３８】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３について、図６、図７を参照しながら説明する。図６は請求項４の脈波測定装置を示し、脈波の任意の位置で前記オフセット調整を行う作用を行うもので、本例では脈波測定装置外部からのトリガ入力である心電図信号３６と脈波のポジティブピークから一定遅れ時間（レイテンシー）をおいて、オフセット調整タイミング信号１３を生成する脈波ピーク検出器オフセット調整タイミング生成器１９（Ａ）で構成されている。
【００３９】
図７は請求項４の脈波測定装置によるオフセット調整タイミングの取り方を示し、図６の脈波測定装置で生成するオフセット調整タイミング１３を示している。
【００４０】
心電図信号（ＥＣＧ）３７（図７（ａ））は本発明外の公知の心電図モニタ、ポリグラフ等から供給され、図６の脈波ピーク検出器オフセット調整タイミング生成器１９（Ａ）に供給される。前記脈波ピーク検出器オフセット調整タイミング生成器１９は、前記心電図信号３７から、例えば心電図波形のピークの呼称として一般的なＲ波を検出し、Ｒ−Ｒインターバル時間ＴＲ−Ｒ４４（図７（ｅ））を求めると共に、例えば本発明で計測する対象である脈波３８（図７（ｂ））のポジティブピーク位置、脈波３８を一階微分した速度脈波３９（図７ｃ））のポジティブピーク位置、速度脈波３９をさらに一階微分した加速度脈波４０（図７（ｄ））の最大のポジティブピーク位置を検出し、例えば脈波３８のポジティブピークから前記ＴＲ−Ｒ４４の７０％の時間４５（図７（ｅ））経過した時点を脈波３８のオフセット調整タイミング４１（図７（ｂ））、速度脈波３９のポジティブピークから前記ＴＲ−Ｒ４４の７０％の時間４７（図７（ｅ））経過した時点を速度脈波３９のオフセット調整タイミング４２（図７（ｃ））、加速度脈波４０の最大のポジティブピークから前記ＴＲ−Ｒ４４（図７（ｅ））の６０％の時間４６（図７（ｅ））経過した時点を加速度脈波４０（図７（ｄ））のオフセット調整タイミング４３（図７（ｄ））とすることにより、それぞれの脈波信号に対する計測、分析処理を阻害することなくオフセットを調整することができるようになる。
【００４１】
なお、以上の説明では、脈波センサを赤外光の光源、受光器のフォトトランジスタで構成した例で説明したが、多の脈波センサ、例えば圧電素子による皮膚下の血管圧変化を捉える方法、血圧測定用のカフからの圧変化、血圧等により距離の変化する部分に装着した磁極と磁気検出器間の距離の変化を捕らえる方法等の多の脈波導出器についても、ＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数を持つオフセットが存在するため、本発明を同様に適用し、前記オフセットを除去するよう実施可能である。
【００４２】
また、以上の説明では、増幅器、オフセット電圧発生器、レンジ切り替え器をディスクリートの機器で説明したが、本発明の脈波測定装置の他の機器に含めても同様に実施可能である。
【００４３】
また、以上の説明では、ＣＰＵによりオフセット除去演算を行うことを想定して説明したが、専用のＡＳＩＣあるいはＤＳＰ等によっても同様に実施可能である。
【００４４】
また、オフセット除去を開始する条件として脈拍間隔の５０％をＴ３５として説明したが、Ｔ３５には定数を時間として適用しても同様に実施可能である。
【００４５】
また、図３では、Ａ／Ｄ変換レンジの２０％以下もしくは８０％以上に脈波データが位置した場合の時間を対象として説明したが、他の数値を適用しても同様に実施可能である。
【００４６】
また、以上の説明では、本発明の脈波測定装置に供給する外部トリガ信号に心電図信号（ＥＣＧ）で説明したが、その他の血圧信号、本発明の脈波測定装置が測定している部位とは異なる部位からの脈波信号、本発名の脈波測定装置自身で扱う脈波信号等の、脈波に時間的に同期する信号源であれば、同様に外部トリガ信号として実施可能である。
【００４７】
また、図７でＴＲ−Ｒに対する０．７ＴＲ−Ｒ、０．６ＴＲ−Ｒとして説明したが、それぞれ０．７、０．６の値に、０から１．０までの任意の値もしくはその整数倍の値を使用しても同様に実施可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の脈波測定装置によれば、生体からさまざまな脈波センサによって導出される脈波信号に重畳するＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットを、構成部品として物理的に大きなサイズの部品を必要とするハイパスフィルタを使用せず、そのため装置の小型化、物理的サイズの制約内で多チャンネル化を可能とし、またハイパスフィルタを使用しないことにより、配パスフィルタに内在する大きな時定数による基線ドリフトの発生を無くすと共に、オフセット除去時に発生する脈波信号の不連続点を取り除き、脈波計測をオフセット除去時に中断する必要のない、脈波を連続で計測、分析することができる脈波測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による脈波測定装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１によって実測された脈波信号の増幅器出力で、オフセット調整時に脈波信号に不連続点が発生することを示すチャート
【図３】本発明の実施の形態１によるよる脈波測定装置により、増幅器の出力をＡ／Ｄ変換器以降の処理で、オフセット調整時に脈波信号に発生している不連続点を滑らかに接続していることを説明するチャート
【図４】本発明の実施の形態２による脈波測定装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態２による脈波測定装置により、増幅器の出力をＡ／Ｄ変換器以降の処理で、オフセット調整時に脈波信号に発生している不連続点を滑らかに接続していることを説明するチャート
【図６】本発明の実施の形態３による脈波測定装置の構成を示すブロック図
【図７】本発明の実施の形態３による脈波測定装置により、増幅器の出力をＡ／Ｄ変換器以降の処理で、外部トリガ信号と本発明の脈波測定装置で測定された脈波からオフセット調整のタイミングを決定していることを説明するチャート
【図８】本発明によってオフセット除去時のＡ／Ｄ変換データ上に発生する不連続点を除去する方法を説明したチャート
【符号の説明】
１ 生体の指
２ 脈波センサ
３ 赤外ＬＥＤ
４ フォトトランジスタ
５ 投光された赤外光
６ 定電源
７ 増幅器（差動増幅器）
８ オフセット信号発生器
８Ａ レンジ切り替え器
９ オフセット電圧
９Ａ リファレンス電圧（＋）
９Ｂ リファレンス電圧（−）
１０ 脈波センサからの信号を光電変換した電圧の変化
１１ 脈波信号
１２ オフセットデータ
１３ オフセット信号調整信号
１４ ＣＰＵ
１５ Ａ／Ｄ変換器
１６（Ａ）オフセット除去直前Ａ／Ｄ変換データ保持メモリ
１６（Ｂ）オフセット除去直後Ａ／Ｄ変換データ保持メモリ
１７ ディジタルオフセット加算器
１８ バッファメモリ
１９ ＣＰＵコア
２０ メモリ書きこみ信号
２１ 実測脈波信号
２２ 実測オフセット変動
２３ オフセット除去タイミング
２４ オフセット電圧調整信号
２５ Ａ／Ｄ変換レンジ
２６ オフセット除去前の脈波信号
２７ オフセット除去後の脈波信号
２８ オフセット除去前のオフセット
２９ オフセット除去後のオフセット
３０ オフセット除去直前のＡ／Ｄ変換値
３１ オフセット除去直後のＡ／Ｄ変換値
３２ オフセット除去前の脈波信号
【滑らかに接続される脈波】
３３ オフセット除去後の脈波信号（滑らかに接続された脈波）
３４ オフセット除去直前に保持されたＡ／Ｄ変換データ
３５ オフセット除去直後に保持されたＡ／Ｄ変換データ
３６ ＥＣＧ（心電図）信号
３７ ＥＣＧ（心電図）信号波形
３８ ＰＧ（脈波波形）
３９ ＶＰＧ（速度脈波波形）
４０ ＡＰＧ（加速度脈波波形）
４１ 脈波オフセット除去タイミング
４２ 速度脈波オフセット除去タイミング
４３ 加速度脈波オフセット除去タイミング
４４ Ｒ−Ｒインターバル（心電図のＲ波からＲ波までの時間）
４５ Ｒ−Ｒインターバルの７０％の時間
４６ Ｒ−Ｒインターバルの６０％の時間
４７ Ｒ−Ｒインターバルの７０％の時間
４８ オフセット除去タイミング
４９ オフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データ
５０ オフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データ
５１ オフセット除去前後の脈波データの接続レベル値
【発明の属する技術分野】
本発明は、脈波測定装置に関するものであり、脈波を測定する際に測定対象である生体の動きもしくは光学的、磁気的、電気的な外乱によるＤＣもしくはＤＣ近傍のオフセットが、増幅後の脈波信号に重畳することにより、Ａ／Ｄ変換器の変換レンジを越え、脈波の測定不能となる現象をオフセット除去することにより防止すると共に、前記オフセット除去時に脈波のＡ／Ｄ変換データに発生する不連続点の発生を防止する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の脈波測定装置におけるＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットを除去する方法として、アナログフィルタもしくはディジタルフィルタによる線形性を有する方法で取り除く方法が公知である。
【０００３】
また、生体に投光する素子の非作動時増幅器の出力電圧がゼロになるように増幅器を予め調節することによって、装置毎あるいは測定毎にＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットを除去する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、脈波を増幅する増幅器に、実際の脈波信号を入力する代わりに、決まった入力、例えば脈波を導出する脈波センサの駆動電圧の１／２を増幅器に入力し、 この時にＡ／Ｄ変換器が出力するデータを基準値として記憶しておき、この基準値を脈波に対する信号処理演算の際の中点として扱う方法がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また、脈波上昇始点の値をオフセットとして、脈波信号に重畳しているＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットの影響を除去した、脈波の面積、ピーク値等を演算により正確に検出、算出する方法もある（例えば特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２４０２８号公報（第１−２頁、第３図）
【特許文献２】
特開平９−１１３３１１号公報（第２頁、第８頁、第１１頁、第６図）
【特許文献３】
特許第１７４０２１０号公報（目的、代表図面）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、公知のアナログフィルタ、ディジタルフィルタによるＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットを除去する方法では、除去する対象であるオフセットの周波数が非常に低く、そのための回路を、例えばコンデンサと抵抗でパッシブフィルタで構成すると、抵抗に１メガオーム、コンデンサに１マイクロファラッドを選択すればオフセットの遮断周波数を０．１６Ｈｚ程度に設定することが可能である。また、１マイクロファラッドのコンデンサで、しかもコンデンサ自体の容量変化に対する温度係数が原因となる、脈波のオフセットドリフトを避けるためには、フィルムコンデンサあるいはメタライズドフィルムコンデンサを使用することができる。
【０００８】
しかしながら、１マイクロファラッドのコンデンサは、その物理的大きさが非常に大きく（例えば１０ミリ×２０ミリ×５ミリ）、回路構造物を小さく出来ず、そのため、装置の小型化が不可能であり、多チャンネルのフィルタ回路を構成することも困難である。また、前記種類のフィルムコンデンサを使用したとしても、容量の大きなコンデンサには充電電荷が温度、熱雑音等によるドリフト現象がわずかながらであるが発生し、フィルタ構成に必要となる大きな抵抗を通して前記ドリフト現象が増幅され、フィルタ出力も前記ドリフトの影響を大きく受け、結果として脈波信号がドリフトを起こす。
【０００９】
また、公知のアナログフィルタ、ディジタルフィルタによるＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットを除去する方法では、大きな時定数（例えば１秒以上）を持つことになり、前記オフセットを除去した際に発生する基線変動が落ち着くまでに数秒を要する。
【００１０】
また、脈波の計測前に、投光する素子の非作動状態時のオフセットを記憶しておき、脈波計測時に、記憶されているオフセットで、従来の脈波を増幅する回路系を補正する方法や、生体からの実際の脈波信号の代わりに、値の判明している入力、例えば脈波センサの駆動電圧×１／２を脈波の増幅回路系に入力し、その際のＡ／Ｄ変換器出力値を駆動電圧×１／２入力時の仮想中間値として記憶し、この値をもとに、実際の脈波入力に対してＡ／Ｄ変換されたデータを補正する方法では、脈波の計測開始から数十秒程度でオフセットの再計測および再記憶する必要があるか、または、脈波信号への生体の体動、環境温度、環境照度等の変化による外乱重畳により、オフセットの再計測、再記憶する必要があり、その度に脈波の計測が中断される。
【００１１】
また、脈波上昇始点の値をオフセットとして扱う方法では、生体から導出した脈波をＡ／Ｄ変換可能な変換レンジ内で振れるように、増幅器で増幅する必要があるが、現在導出可能な方法によって導出された脈波自体にはＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数を含むオフセットがかならず重畳しており、Ａ／Ｄ変換レンジから脈波信号が飛び出してしまった場合、本方法では対応ができない。
【００１２】
前記いずれの場合でも、脈波を計測しつづけながらのオフセット除去は不可能であり、従って脈波の連続的計測、分析も不可能である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の脈波測定装置は、ハイパスフィルタを使用せず、脈波の信号に重畳するオフセットを除去すると共に、オフセット除去する直前および直後のＡ／Ｄ変換器の出力データを記憶、保持し、オフセット除去した後のＡ／Ｄ変換器出力データと前記の記憶、保持されているデータを滑らかに接続し連続性を維持するように信号処理し、脈波計測中のいずれのタイミングでもオフセット除去を行うことが出来るようにすることで、脈波を連続的に計測することが可能であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、ＤＣとＤＣ近傍の周波数を持つオフセットを含む脈波信号からオフセット分を減ずる増幅器もしくは変換レンジを前記オフセット分だけシフトするＡ／Ｄ変換器と、前記オフセットを除去する際に、前記オフセット除去直前および直後のＡ／Ｄ変換データを保持し、オフセット除去後のＡ／Ｄ変換データに前記保持されているオフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データを加え、前記保持されているオフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データを引くことによって、オフセット除去前後で滑らかにＡ／Ｄ変換データを連続させるオフセット補正手段を備えることを特徴とする脈波測定装置であり、
ハイパスフィルタを構成する物理的に大きなサイズの部品を不要とし、装置の小型化、物理的サイズの制約内で多チャンネル化を可能とし、またハイパスフィルタに内在する大きな時定数による基線ドリフトの発生を無くし、オフセット除去時に脈波計測を中断することなく、脈波を連続で計測、分析することを可能とする作用を有する。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、光源とフォトディテクタの対、もしくは磁極と磁界検出器の対、もしくは圧力検出器、もしくは超音波発信器と超音波検出器の対により生体から脈波を導出する脈波センサと、
前記センサから導出された脈波をＡ／Ｄ変換器の入力信号とするために増幅された信号電圧もしくは電流を出力する増幅器と、
前記増幅器からの出力信号のオフセットを増減するためのオフセット信号発生器と、
前記オフセット信号発生器の出力を前記増幅器に加え、オフセット除去するためのオフセット演算器と、
前記オフセット除去直前および直後の前記Ａ／Ｄ変換器の出力データを保持する保持メモリと、
前記オフセット除去後の前記Ａ／Ｄ変換器の出力データに、ディジタルオフセットを加算するディジタルオフセット加算器とにより、
前記オフセット除去直前および直後のＡ／Ｄ変換データを保持し、オフセット除去後のＡ／Ｄ変換データに前記保持されているオフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データを加え、前記保持されているオフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データを引くことにより、オフセット除去前後で滑らかにＡ／Ｄ変換データを連続させるオフセット補正手段を備えることを特徴とする脈波測定装置としたものであり、
ハイパスフィルタを構成する物理的に大きなサイズの部品を不要とし、装置の小型化、物理的サイズの制約内で多チャンネル化を可能とし、またハイパスフィルタに内在する大きな時定数による基線ドリフトの発生を無くし、オフセット除去時に脈波計測を中断することなく、脈波を連続で計測、分析することを可能とする作用を有する。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２のオフセット信号発生器の出力を前記オフセット演算器に加算する仕組みの代わりに、請求項２のＡ／Ｄ変換器の変換レンジを変更するレンジ切り替え器と、前記レンジ切り替え器のレンジを決定するレンジ信号発生器とにより、請求項２のＡ／Ｄ変換器の変換レンジ全体を上下させることにより、請求項２のオフセット信号発生器、オフセット演算器の機能の代わりにオフセット除去し、前記オフセット除去直前および直後のＡ／Ｄ変換データを保持し、オフセット除去後のＡ／Ｄ変換データに前記保持されているオフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データを加え、前記保持されているオフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データを引くことにより、オフセット除去前後で滑らかにＡ／Ｄ変換データを連続させるオフセット補正手段を備えることを特徴とする脈波測定装置としたものであり、
ハイパスフィルタを構成する物理的に大きなサイズの部品を不要とし、装置の小型化、物理的サイズの制約内で多チャンネル化を可能とし、またハイパスフィルタに内在する大きな時定数による基線ドリフトの発生を無くし、オフセット除去時に脈波計測を中断することなく、脈波を連続で計測、分析することを可能とする作用を有する。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２および３の脈波測定装置の外部からのトリガ入力もしくは脈波のポジティブあるいはネガティブピークから一定時間遅らせたタイミングでオフセット調整することを特徴とする請求項１、２、３の脈波測定装置としたものであり、
脈波の計測、分析に影響のない脈波信号の周波数の低い部分、すなわち、信号の変化があまりない部分でオフセット除去することを可能とする作用を有する。
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１について、図１、図２、図３を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は請求項１および請求項２の脈波測定装置の光電式指尖容積脈波測定装置への適用例を示し、図１において脈波を導出する脈波センサ２は、光源３と受光器４で構成されている。生体の指先１に対して、光源３は指先１のつめの部分に「生体の光に対する生体窓」と呼ばれる透過率の高い波長である赤外光（波長９００ｎｍ付近の波長）を照射する作用を行うもので、本例では赤外ＬＥＤで構成されている。受光器４は、前記光源３から照射された赤外光が指先１を透過した光５を光電変換により電圧の変化１０に変換する作用を行うもので、本例ではフォトトランジスタのエミッタ接地形式で構成されている。前記赤外ＬＥＤおよび前記フォトトランジスタは定電源６により駆動される。
【００２１】
増幅器７は前記電圧の変化１０を一定電圧まで増幅した脈波信号１１を生成する作用を有する。前記増幅器７には、オフセット信号発生器８で生成されるオフセット電圧９が加えられ、前記脈波信号１１のＤＣオフセットを除去することが可能となっている。オフセット信号発生器８で生成するオフセット電圧９は、後述するＣＰＵからのオフセットデータ１２とオフセット信号調整信号１３によって、例えば定電源６の８ビット２５６分解能で調整することが可能となっている。
【００２２】
また、請求項１のオフセットを減ずる機能は、図１の例では増幅器７に、公知であるオペレーショナルアンプを用いることにより、その機能を持たせてある。
【００２３】
前記指先１から、前記脈波センサ２で導出され、ＤＣオフセット電圧９が加算され、前記増幅器７で増幅された脈波信号１１は、Ａ／Ｄ変換器１５で量子化される。本例では８ビット２５６分解能を持つＡ／Ｄ変換器を適用している。Ａ／Ｄ変換器１５で量子化された脈波データは、保持メモリ１６（Ａ）に記憶されていた、前回のオフセット電圧９を調整する直前の脈波データとディジタルオフセット加算器１７で加算され、さらに、オフセット電圧９を調整した直後の脈波データとして保持メモリ１６（Ｂ）に記憶されている脈波データがディジタルオフセット加算器１７で減算され、前記オフセット電圧の調整によるオフセット除去後の、Ａ／Ｄ変換後の脈波データ上の不連続点を補正した脈波データとしてバッファメモリ１８に保持される。
【００２４】
図８を用いて、前記不連続点を補正する様子を説明する。図８（ａ）はオフセットの増加によるドリフトを伴って右肩上がりでＡ／Ｄ変換されていく脈波データを実線波形で示している。オフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データ４９が、図１の保持メモリ１６（Ａ）に記憶される。続いて、オフセット除去がなされ、Ａ／Ｄ変換レンジ０〜２５５の範囲のほぼ中央にＡ／Ｄ変換された脈波データが表れる様子を図８（ｂ）に実線波形で示している。オフセット除去後の脈波データは図８（ｂ）の５０で示した値から脈波データが表れる。この５０で示した値は図１の保持メモリ１６（Ｂ）に記憶される。図８（ｃ）に示すように、オフセット除去の影響なく連続した脈波データとするには、図８（ｃ）の５１で示した値からオフセット除去後の脈波データが続けばよい。前記５１で示した値は、前記図１の保持メモリ１６（Ａ）に記憶されており、前記５１の値とオフセット除去後の脈波データの開始値は前記図１の保持メモリ１６（Ｂ）に記憶されている値である。従って、オフセット除去後の脈波データが図１の保持メモリ１６（Ａ）＋Ａ／Ｄ変換値−保持メモリ１６（Ｂ）なる計算を施せば、例えば、オフセット除去直後のＡ／Ｄ変換値＝図１の保持メモリ１６（Ｂ）の値に前記計算を施せば、図１の保持メモリ１６（Ａ）＋（Ａ／Ｄ変換値＝保持メモリ１６（Ｂ））−保持メモリ１６（Ｂ）＝保持メモリ１６（Ａ）となり、図８（ｃ）の５１の値そのものになる。続いてＡ／Ｄ変換された脈波データにも同様に前記計算を施せば、図８（ｃ）の５１の値を開始点として、脈波データが描かれていくことになる。
【００２５】
以下再び図１を用いて説明を続ける。バッファメモリ１８に保持されたオフセット除去後の連続化された脈波データは、必要に応じてＣＰＵコア１９に読み込まれ、脈波データから脈波の面積、ピークの位置、大きさの計測および分析、脈波データを微分して速度脈波化、さらに微分して加速度脈波化の演算等が行われる。前記オフセット信号発生器８に設定するオフセット電圧設定値１２の書き込みと、前記オフセット電圧設定値１２のオフセット電圧９への反映タイミング、前記オフセット電圧９への反映タイミング直前および直後の前記脈波データを保持メモリ１６（Ａ）、１６（Ｂ）へ保持させるタイミングは、ＣＰＵコア１９により任意にコントロールすることができる。
【００２６】
図２は図１の脈波測定装置で実際に測定した際の、図１増幅器７の出力である脈波信号（図１の１１）の挙動を示している。脈波信号２１、生体の体動等によるドリフト２２、図１のオフセット信号発生器のオフセット除去タイミング位置２３をプロットしたもので、図１のオフセット電圧９の調整タイミングで、脈波信号２１に、オフセットを除去するために図１の７で示した増幅器のＤＣオフセットを前記オフセット電圧９を調整することにより変更したため、大きな不連続点２３が発生していることを示したものである。この脈波信号２１が図１における脈波信号１１に対応し、本発明による前記不連続点２３の発生を抑える処理を適用しなければ、前記不連続点２３で脈波の測定、分析を連続して行うことは不可能である。
【００２７】
図３は、図２の脈波信号２１（図１では脈波信号１１）が図１のバッファメモリ１８に保持され、図１のオフセット電圧９の調整により不連続点を有しても、図１のＣＰＵコア１９で計測、分析に使用される脈波データとして前記不連続点のないデータを使用できる様子を示したものである。
【００２８】
図３に示した例では、図１のＡ／Ｄ変換器１５で変換された脈波データが、図１のＡ／Ｄ変換レンジの２０％以下もしくは８０％以上（本例では８ビット２５６分解能の５１以下もしくは２０４以上と同意）の状態が、例えば平均の脈波の間隔＝平均脈拍間隔期間の５０％であるＴ３５以上続いた場合に（図３（ｂ））、オフセット除去のタイミングを決定する図１のオフセット電圧調整信号１３を図３（ａ）の２４で示すようにＯＮし、図１のオフセット電圧９を図３（ｂ）、（ｃ）の２８で示す状態から図３（ｂ）、（ｃ）の２９の状態に調整し、脈波信号２７（図３（ｂ））が図１のＡ／Ｄ変換器１５の変換レンジ２５（図３（ｂ））を超えて変換不能とならないように補正する様子を示している。
【００２９】
また、オフセット電圧９を調整すると、前期オフセット電圧９調整前後で、脈波信号２６と２７で示すように、Ａ／Ｄ変換器入力である脈波信号には不連続点が発生し、前記不連続点がＡ／Ｄ変換データ３０と３１に示すように不連続点として発生する。前記不連続点をＡ／Ｄ変換後の脈波データ３２と３３で示したように、オフセット除去前後の点３４、３５で滑らかに接続させるために、オフセット除去直前の図１Ａ／Ｄ変換器１５の出力である脈波データ３０を、保持させるタイミング２４の立ち上がりエッジで、図１の保持メモリ１６（Ａ）に保持させ、オフセット除去が完了した時点の脈波データ３１もタイミング２４の立下りにより図１の保持メモリ１６（Ｂ）に記憶させる。
【００３０】
次に、前記オフセット調整後のＡ／Ｄ変換器出力である脈波データ２７と、前記保持メモリ１６（Ａ）の脈波データを加算し、前記保持メモリ１６（Ｂ）の脈波データを減算すれば、図３（ｂ）３４と３５の不連続点は滑らかに接続され、図３（ｄ）３２と３３の脈波データに示すように、オフセット除去前後で、脈波データは滑らかに接続され、あたかもオフセット除去とオフセット除去に伴う不連続点が存在しないのかのように、脈波計測、分析をオフセット除去に関係なく連続して続けることが可能となるように構成されている。この際、図３（ｄ）で示した前記不連続点を除去した波形３２と３３が、前記Ａ／Ｄ変換レンジ０〜２５５を超えているが、例えばＣＰＵ（図１の１４）が前記脈波データとして０〜２５５以上の値、例えば−３２７６７〜＋３２７６８のように１６ビット長以上のデータを扱えるようにする、一般に公知の技術を使用することで脈波データを０〜２５５を超える範囲で扱うことができる。
【００３１】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２について、図４、図５を参照しながら説明する。
【００３２】
図４は請求項３の脈波測定装置を示し、実施の形態１を説明した図１と対比するために、図番号を同一の機能には同一の番号を使用している。請求項１と２の実施の形態１を説明した図１では、増幅器７のオフセット電圧９を調整することによって、前記増幅器７の出力である増幅された脈波信号１１のオフセット除去を行っていたが、本実施の形態２では、図４に示したＡ／Ｄ変換器１５の変換レンジをリファレンス電圧９（Ａ）および９（Ｂ）間の電圧を分割する方式とし、前記リファレンス電圧９（Ａ）および９（Ｂ）を本実施の形態２の特徴であるレンジ切り替え器８（Ａ）によって調整することにより、増幅器７のオフセットを調整することと同様の効果を得る。Ａ／Ｄ変換器１５以降の処理は実施の形態１と同様である。
【００３３】
図５は図４の脈波測定装置で図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）の調整によっても、図４のバッファメモリ１８に保持される脈波データに不連続点が現れない様子を示したものである。
【００３４】
図５（ｃ）の２８と２９のラインは、図４で示したレンジ切り替え器８（Ａ）で生成したリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）を示している。前記実施の形態１と同様に、図４の増幅器７の出力である脈波信号１１の波形を示している脈波信号２６が、Ａ／Ｄ変換レンジの２０％以下もしくは８０％以上（本例では８ビット２５６分解能の５１以下もしくは２０４以上と同意）の状態が例えば平均の脈波の間隔＝平均脈拍間隔期間の５０％であるＴ３５以上続いた場合に、Ａ／Ｄ変換レンジの変更タイミングを決定する信号１３を図５の２４で示すようにＯＮし、図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）を図５（ｃ）の２８で示す状態から図５の２９に示すように、Ａ／Ｄ変換レンジ全体の電圧を上げ、脈波信号のＡ／Ｄ変換レンジである電圧範囲を高い領域側を含むように設定することによって、脈波信号２７が図４のＡ／Ｄ変換器１５の変換レンジ２５（図５（ｃ））を超えて変換不能とならないように補正する様子を示している。
【００３５】
また、図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）を調整すると、前期リファレンス電圧の調整前後で、図５（ｂ）の脈波信号２６と２７で示すように、Ａ／Ｄ変換器入力である脈波信号には、不連続点図５（ｂ）３０と３１が発生する。
【００３６】
図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）の調整直前のＡ／Ｄ変換器１５の出力である脈波データ３０（図５（ｂ））を、保持させるタイミング２４の立ち上がりエッジで、図４の保持メモリ１６（Ａ）に保持させ、図５のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）の調整が完了した時点の脈波データ３１（図５（ｂ））もタイミング２４の立下りエッジで図４の保持メモリ１６（Ｂ）に記憶させる。
【００３７】
次に、前記リファレンス電圧調整後のＡ／Ｄ変換器出力である脈波データ２７（図５（ｂ））と、前記保持メモリ１６（Ａ）の脈波データを加算し、前記保持メモリ１６（Ｂ）の脈波データを減算すれば、図５（ｄ）３４と３５の不連続点は滑らかに接続され、図５（ｄ）３２と３３の脈波データに示すように、図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）の調整前後で、脈波データは滑らかに接続される。図５（ｄ）で示した前記不連続点を除去した波形３２と３３が、前記Ａ／Ｄ変換レンジ０〜２５５を超えているが、例えばＣＰＵ（図１の１４）が前記脈波データとして０〜２５５以上の値、例えば−３２７６７〜＋３２７６８のように１６ビット長以上のデータを扱えるようにする、一般に公知の技術を使用すれば問題は発生せず、あたかも図４のリファレンス電圧９（Ａ）、９（Ｂ）を変更しＡ／Ｄ変換レンジの変更による、前記オフセット除去がなされず、Ａ／Ｄ変換データである脈波データに不連続点が発生していないかのように、脈波計測および分析をオフセット除去に関係なく連続して続けることが可能となるように構成されている。
【００３８】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３について、図６、図７を参照しながら説明する。図６は請求項４の脈波測定装置を示し、脈波の任意の位置で前記オフセット調整を行う作用を行うもので、本例では脈波測定装置外部からのトリガ入力である心電図信号３６と脈波のポジティブピークから一定遅れ時間（レイテンシー）をおいて、オフセット調整タイミング信号１３を生成する脈波ピーク検出器オフセット調整タイミング生成器１９（Ａ）で構成されている。
【００３９】
図７は請求項４の脈波測定装置によるオフセット調整タイミングの取り方を示し、図６の脈波測定装置で生成するオフセット調整タイミング１３を示している。
【００４０】
心電図信号（ＥＣＧ）３７（図７（ａ））は本発明外の公知の心電図モニタ、ポリグラフ等から供給され、図６の脈波ピーク検出器オフセット調整タイミング生成器１９（Ａ）に供給される。前記脈波ピーク検出器オフセット調整タイミング生成器１９は、前記心電図信号３７から、例えば心電図波形のピークの呼称として一般的なＲ波を検出し、Ｒ−Ｒインターバル時間ＴＲ−Ｒ４４（図７（ｅ））を求めると共に、例えば本発明で計測する対象である脈波３８（図７（ｂ））のポジティブピーク位置、脈波３８を一階微分した速度脈波３９（図７ｃ））のポジティブピーク位置、速度脈波３９をさらに一階微分した加速度脈波４０（図７（ｄ））の最大のポジティブピーク位置を検出し、例えば脈波３８のポジティブピークから前記ＴＲ−Ｒ４４の７０％の時間４５（図７（ｅ））経過した時点を脈波３８のオフセット調整タイミング４１（図７（ｂ））、速度脈波３９のポジティブピークから前記ＴＲ−Ｒ４４の７０％の時間４７（図７（ｅ））経過した時点を速度脈波３９のオフセット調整タイミング４２（図７（ｃ））、加速度脈波４０の最大のポジティブピークから前記ＴＲ−Ｒ４４（図７（ｅ））の６０％の時間４６（図７（ｅ））経過した時点を加速度脈波４０（図７（ｄ））のオフセット調整タイミング４３（図７（ｄ））とすることにより、それぞれの脈波信号に対する計測、分析処理を阻害することなくオフセットを調整することができるようになる。
【００４１】
なお、以上の説明では、脈波センサを赤外光の光源、受光器のフォトトランジスタで構成した例で説明したが、多の脈波センサ、例えば圧電素子による皮膚下の血管圧変化を捉える方法、血圧測定用のカフからの圧変化、血圧等により距離の変化する部分に装着した磁極と磁気検出器間の距離の変化を捕らえる方法等の多の脈波導出器についても、ＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数を持つオフセットが存在するため、本発明を同様に適用し、前記オフセットを除去するよう実施可能である。
【００４２】
また、以上の説明では、増幅器、オフセット電圧発生器、レンジ切り替え器をディスクリートの機器で説明したが、本発明の脈波測定装置の他の機器に含めても同様に実施可能である。
【００４３】
また、以上の説明では、ＣＰＵによりオフセット除去演算を行うことを想定して説明したが、専用のＡＳＩＣあるいはＤＳＰ等によっても同様に実施可能である。
【００４４】
また、オフセット除去を開始する条件として脈拍間隔の５０％をＴ３５として説明したが、Ｔ３５には定数を時間として適用しても同様に実施可能である。
【００４５】
また、図３では、Ａ／Ｄ変換レンジの２０％以下もしくは８０％以上に脈波データが位置した場合の時間を対象として説明したが、他の数値を適用しても同様に実施可能である。
【００４６】
また、以上の説明では、本発明の脈波測定装置に供給する外部トリガ信号に心電図信号（ＥＣＧ）で説明したが、その他の血圧信号、本発明の脈波測定装置が測定している部位とは異なる部位からの脈波信号、本発名の脈波測定装置自身で扱う脈波信号等の、脈波に時間的に同期する信号源であれば、同様に外部トリガ信号として実施可能である。
【００４７】
また、図７でＴＲ−Ｒに対する０．７ＴＲ−Ｒ、０．６ＴＲ−Ｒとして説明したが、それぞれ０．７、０．６の値に、０から１．０までの任意の値もしくはその整数倍の値を使用しても同様に実施可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の脈波測定装置によれば、生体からさまざまな脈波センサによって導出される脈波信号に重畳するＤＣもしくはＤＣ近傍の周波数のオフセットを、構成部品として物理的に大きなサイズの部品を必要とするハイパスフィルタを使用せず、そのため装置の小型化、物理的サイズの制約内で多チャンネル化を可能とし、またハイパスフィルタを使用しないことにより、配パスフィルタに内在する大きな時定数による基線ドリフトの発生を無くすと共に、オフセット除去時に発生する脈波信号の不連続点を取り除き、脈波計測をオフセット除去時に中断する必要のない、脈波を連続で計測、分析することができる脈波測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による脈波測定装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１によって実測された脈波信号の増幅器出力で、オフセット調整時に脈波信号に不連続点が発生することを示すチャート
【図３】本発明の実施の形態１によるよる脈波測定装置により、増幅器の出力をＡ／Ｄ変換器以降の処理で、オフセット調整時に脈波信号に発生している不連続点を滑らかに接続していることを説明するチャート
【図４】本発明の実施の形態２による脈波測定装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態２による脈波測定装置により、増幅器の出力をＡ／Ｄ変換器以降の処理で、オフセット調整時に脈波信号に発生している不連続点を滑らかに接続していることを説明するチャート
【図６】本発明の実施の形態３による脈波測定装置の構成を示すブロック図
【図７】本発明の実施の形態３による脈波測定装置により、増幅器の出力をＡ／Ｄ変換器以降の処理で、外部トリガ信号と本発明の脈波測定装置で測定された脈波からオフセット調整のタイミングを決定していることを説明するチャート
【図８】本発明によってオフセット除去時のＡ／Ｄ変換データ上に発生する不連続点を除去する方法を説明したチャート
【符号の説明】
１ 生体の指
２ 脈波センサ
３ 赤外ＬＥＤ
４ フォトトランジスタ
５ 投光された赤外光
６ 定電源
７ 増幅器（差動増幅器）
８ オフセット信号発生器
８Ａ レンジ切り替え器
９ オフセット電圧
９Ａ リファレンス電圧（＋）
９Ｂ リファレンス電圧（−）
１０ 脈波センサからの信号を光電変換した電圧の変化
１１ 脈波信号
１２ オフセットデータ
１３ オフセット信号調整信号
１４ ＣＰＵ
１５ Ａ／Ｄ変換器
１６（Ａ）オフセット除去直前Ａ／Ｄ変換データ保持メモリ
１６（Ｂ）オフセット除去直後Ａ／Ｄ変換データ保持メモリ
１７ ディジタルオフセット加算器
１８ バッファメモリ
１９ ＣＰＵコア
２０ メモリ書きこみ信号
２１ 実測脈波信号
２２ 実測オフセット変動
２３ オフセット除去タイミング
２４ オフセット電圧調整信号
２５ Ａ／Ｄ変換レンジ
２６ オフセット除去前の脈波信号
２７ オフセット除去後の脈波信号
２８ オフセット除去前のオフセット
２９ オフセット除去後のオフセット
３０ オフセット除去直前のＡ／Ｄ変換値
３１ オフセット除去直後のＡ／Ｄ変換値
３２ オフセット除去前の脈波信号
【滑らかに接続される脈波】
３３ オフセット除去後の脈波信号（滑らかに接続された脈波）
３４ オフセット除去直前に保持されたＡ／Ｄ変換データ
３５ オフセット除去直後に保持されたＡ／Ｄ変換データ
３６ ＥＣＧ（心電図）信号
３７ ＥＣＧ（心電図）信号波形
３８ ＰＧ（脈波波形）
３９ ＶＰＧ（速度脈波波形）
４０ ＡＰＧ（加速度脈波波形）
４１ 脈波オフセット除去タイミング
４２ 速度脈波オフセット除去タイミング
４３ 加速度脈波オフセット除去タイミング
４４ Ｒ−Ｒインターバル（心電図のＲ波からＲ波までの時間）
４５ Ｒ−Ｒインターバルの７０％の時間
４６ Ｒ−Ｒインターバルの６０％の時間
４７ Ｒ−Ｒインターバルの７０％の時間
４８ オフセット除去タイミング
４９ オフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データ
５０ オフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データ
５１ オフセット除去前後の脈波データの接続レベル値
Claims (4)
- ＤＣとＤＣ近傍の周波数を持つオフセットを含む脈波信号からオフセット分を減ずる増幅器もしくは変換レンジを前記オフセット分だけシフトするＡ／Ｄ変換器と、前記オフセットを除去する際に、前記オフセット除去直前および直後のＡ／Ｄ変換データを保持し、オフセット除去後のＡ／Ｄ変換データに前記保持されているオフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データを加え、前記保持されているオフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データを引くことによって、オフセット除去前後で滑らかにＡ／Ｄ変換データを連続させるオフセット補正手段を備えることを特徴とする脈波測定装置。
- 光源とフォトディテクタの対、もしくは磁極と磁界検出器の対、もしくは圧力検出器、もしくは超音波発信器と超音波検出器の対により生体から脈波を導出する脈波センサと、
前記センサから導出された脈波をＡ／Ｄ変換器の入力信号とするために増幅された信号電圧もしくは電流を出力する増幅器と、
前記増幅器からの出力信号のオフセットを増減するためのオフセット信号発生器と、
前記オフセット信号発生器の出力を前記増幅器に加え、オフセット除去するためのオフセット演算器と、
前記オフセット除去直前および直後の前記Ａ／Ｄ変換器の出力データを保持する保持メモリと、
前記オフセット除去後の前記Ａ／Ｄ変換器の出力データに、ディジタルオフセットを加算するディジタルオフセット加算器とにより、
前記オフセット除去直前および直後のＡ／Ｄ変換データを保持し、オフセット除去後のＡ／Ｄ変換データに前記保持されているオフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データを加え、前記保持されているオフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データを引くことにより、オフセット除去前後で滑らかにＡ／Ｄ変換データを連続させるオフセット補正手段を備えることを特徴とする脈波測定装置。 - 請求項２に記載の脈派測定装置において、
オフセット信号発生器の出力を前記オフセット演算器に加算する仕組みの代わりに、Ａ／Ｄ変換器の変換レンジを変更するレンジ切り替え器と、前記レンジ切り替え器のレンジを決定するレンジ信号発生器とにより、Ａ／Ｄ変換器の変換レンジ全体を上下させることにより、オフセット除去するとともに、前記オフセット除去直前および直後のＡ／Ｄ変換データを保持し、オフセット除去後のＡ／Ｄ変換データに前記保持されているオフセット除去直前のＡ／Ｄ変換データを加え、前記保持されているオフセット除去直後のＡ／Ｄ変換データを引くことにより、オフセット除去前後で滑らかにＡ／Ｄ変換データを連続させるオフセット補正手段を備えることを特徴とする脈波測定装置。 - 請求項１から３のいずれかに記載の脈波測定装置において、外部からのトリガ入力もしくは脈波のポジティブあるいはネガティブピークから一定時間遅らせたタイミングでオフセット調整することを特徴とする脈波測定装置。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010020914A1 (en) * | 2008-08-19 | 2010-02-25 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Monitoring the blood pressure of a patient |
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| JP2019124516A (ja) * | 2018-01-15 | 2019-07-25 | 日本アビオニクス株式会社 | 赤外線撮影装置及び赤外線撮影装置におけるデータ補正方法 |
-
2002
- 2002-11-29 JP JP2002347169A patent/JP2004174147A/ja active Pending
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