JP2005152287A

JP2005152287A - 呼吸モニター装置

Info

Publication number: JP2005152287A
Application number: JP2003394981A
Authority: JP
Inventors: Tatsu Kobayakawa; 達小早川; Hideki Toda; 英樹戸田; Sachiko Saito; 幸子斉藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: JP3932365B2

Abstract

【課題】使用形態の制約を受けず、時間応答に優れ、またメンテナンスを簡単に行うことができ、さらに煩雑なキャリブレーションも不要で、装置の小型化も可能とする。
【解決手段】この発明の呼吸モニター装置１は、呼吸を観測する装置であり、矩形パルス波群を超音波生成信号Ｓ１とし、その超音波生成信号Ｓ１に応じて超音波を送信する超音波送信手段２と、超音波を、測定対象領域Ｒに供試される呼気および吸気中を通過させ、その通過後の超音波を電気信号に変換し超音波受信信号Ｓ２とする超音波受信手段３と、超音波生成信号Ｓ１の信号出力時点ｓｔを検出する一方、超音波受信信号Ｓ２に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、その包絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点ｓｄを求め、その閾値降下時点ｓｄと信号出力時点ｓｔとの差分を呼気および吸気による変化分として検出する呼気吸気計測手段４と、を備えることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、呼吸で発生する炭酸ガスの濃度変化を検出して呼吸を観測する呼吸モニター装置に関するものである。

病院などの医療現場やスポーツ等の医療・医用工学分野、実験動物の身体状態観測などでは、呼吸のモニターを行う必要がある。この呼吸のモニターを行う手法として、大別して以下の方法が提案されている。
（１）導電性のゴム（炭素粒子を含むことで導電性をもったゴム）を胸部、または腹部にまきつけ、ゴムの伸縮の様子を電気抵抗の変化によって検知し、その結果胸部、腹部のふくらみ具合の計測を行うことで、呼吸のモニターを行う方法。
（２）温度計（サーミスタ）を鼻の先端に設置し、呼気・吸気の温度変化によって呼吸のモニターを行う方法
（３）特定の分子（酸素や炭酸ガス）に注目して、化学センサーを用いてその分子濃度を測り、呼吸のモニターを行う方法。
（４）炭酸ガスを吸収することで、吸収前と後の気体流量の差から、呼気中の炭酸ガス含有率の計測を行う方法。
（５）炭酸ガスによる近赤外光の吸収率から、呼気中の炭酸ガス含有率の計測を行う方法。この方法は主に動物実験のモニターに用いられる。

上記５つの方法のうち、（１）の方法は、患者がベッド等に寝ている場合は、体とベッドの間に導電性のゴムが挟まり、それによって導電率の変化が起こったりするために、患者が寝ている状況では問題があり、使用形態の制約を受けていた。

また（２）の方法は、環境の温度が高温の場合、呼気と吸気の温度差が小さくなるため、例えば新生児の保育器の中の環境などでは、その出力が微少になる。またサーミスタの元来の応答時定数は数秒であるため、ミリ秒オーダーの呼吸特性の計測は不可能である。

また（３）の方法は、化学反応を利用する方法であるが、高い時間応答性を得ることは不可能である。また、化学応答を用いる方法に共通な難点として、メンテナンスの煩雑さがあげられる。

さらに（４）の方法は、炭酸ガスを吸収する化学物質を循環させる必要があり、装置が複雑化・大型化するという欠点をもつ。

また（５）の方法は、赤外光の微弱な吸収を行うために、装置の複雑化や実験前に必ずキャリブレーションが必要であり、簡便には使うことができない。

この発明は上記に鑑み提案されたもので、使用形態の制約を受けず、時間応答に優れ、またメンテナンスを簡単に行うことができ、さらに煩雑なキャリブレーションも不要で、装置の小型化が可能な呼吸モニター装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、呼吸を観測する呼吸モニター装置において、複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号とし、その超音波生成信号に応じて超音波を送信する超音波送信手段と、上記超音波を、測定対象領域に供試される呼気および吸気中を通過させ、その通過後の超音波を電気信号に変換し超音波受信信号とする超音波受信手段と、上記超音波生成信号の信号出力時点を検出する一方、上記超音波受信信号に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、その包絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点を求め、その閾値降下時点と上記信号出力時点との差分を呼気および吸気による変化分として検出する呼気吸気計測手段と、を備えることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記閾値降下時点と上記信号出力時点との差分は、呼気および吸気による平均分子量の変化にリニアに応答する、ことを特徴としている。

この発明では、呼気および吸気中に超音波を通過させるので、室温や患者が寝ているかどうかといった使用形態の制約を受けることなく、呼吸のモニターを行うことができる。

また、超音波の変化をリアルタイムに検出するので、計測を高い時間分解能、優れた時間応答で行うことができる。

また、超音波の送受信は常時安定して行うことができ、メンテナンスも簡単なものとすることができる。

また、化学反応を用いないので大がかりな装置やキャリブレーションをする必要がなく、さらに超音波送受信部を素子で構成できるため小型化が可能であり、モニターをされる患者に対する負担を小さくすることができる。

以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１はこの発明の呼吸モニター装置のブロック図である。図において、この発明の呼吸モニター装置１は、呼吸を観測する装置であり、複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号Ｓ１とし、その超音波生成信号Ｓ１に応じて超音波を送信する超音波送信手段２と、上記超音波を、測定対象領域Ｒに供試される呼気および吸気中を通過させ、その通過後の超音波を電気信号に変換し超音波受信信号Ｓ２とする超音波受信手段３と、超音波生成信号Ｓ１の信号出力時点ｓｔを検出する一方、超音波受信信号Ｓ２に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、その包絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点ｓｄを求め、その閾値降下時点ｓｄと信号出力時点ｓｔとの差分を呼気および吸気による変化分として検出する呼気吸気計測手段４と、を備えることを特徴としている。

次に図２〜図７を用いてより具体的に説明する。

図２は測定対象領域周辺の要部構成例を示す図である。上記の超音波送信手段２および超音波受信手段３は、図２に示すように、例えば圧電素子からなる超音波送信素子２１および超音波受信素子３１をそれぞれ備え、超音波送信素子２１は、超音波生成信号Ｓ１に応じて、例えば４００ＫＨｚの超音波を送信する。この超音波は、呼気と吸気が流れる測定対象領域Ｒを通過後、超音波受信素子３１で受信されて電気信号に変換され超音波受信信号Ｓ２として出力される。

図３は呼吸モニター装置の超音波パルス発生部を示す回路図、図４は呼吸モニター装置の超音波パルス受信部を示す回路図、図５は呼吸モニター装置の時間差計測部を示す回路図、図６は呼吸モニター装置の所定の部位での信号波形を示す図である。

本発明の呼吸モニター装置１では、超音波を生成する際に、図６（ａ）に示すような、所定の周期を有する複数（例えば数個〜十個程度）の矩形パルス波からなる矩形パルス波群Ｓ１を用いる。この矩形パルス波群（超音波生成信号）Ｓ１は、図３に示す超音波パルス発生部２０で生成され、その最終段の超音波送信素子２１に入力され、この超音波送信素子２１の振動に応じて超音波が出力される。そして、超音波パルス発生部２０のタイマＩＣ（５５５）と分周器との間の信号線から分岐して取られた超音波生成信号Ｓ１は、図５の時間差計測部６に出力される。

一方、測定対象領域Ｒを通過し気体の影響を受けた超音波は、図４の超音波パルス受信部５の超音波受信素子３１で受信されて電気信号に変換され、図６（ｂ）に示すような、超音波受信信号Ｓ２となる。超音波パルス受信部５は、その後この超音波受信信号Ｓ２に対して、ローパス（low pass）フィルターを用いて包絡線抽出処理を施し、図６（ｃ）に示すような、包絡処理信号Ｓ３を生成する。また、この包絡処理信号Ｓ３と閾値電圧Ｅ０との比較をコンパレータを用いて行い、包絡処理信号Ｓ３が閾値電圧Ｅ０を越え、その後降下して閾値電圧Ｅ０を切った時点を閾値降下時点ｓｄとして検出し、その閾値降下時点ｓｄを時間差計測部６に出力する。

また、時間差計測部６は、上記の超音波生成信号Ｓ１が入力されると、その超音波生成信号Ｓ１の最初の出力時点あるいは所定個数の矩形パルス波の出力時点等を信号出力時点ｓｔとして求める。そして、上記の閾値降下時点ｓｄと信号出力時点ｓｔとの時間差分を求め、この時間差分を呼気および吸気による変化分として出力する。この呼気および吸気による変化分は、呼気および吸気による気体の平均分子量の変化分に対応しており、時間計測部６が計測する閾値降下時点ｓｄと信号出力時点ｓｔとの差分は、この平均分子量の変化にリニアに応答している。

なお、図１で示した各手段２，３，４のうち、超音波送信手段２は、超音波パルス発生部２０に相当し、超音波受信手段３は、超音波パルス受信部５の超音波受信素子３１に相当し、呼気吸気計測手段４は、超音波受信素子３１より後段側の超音波パルス発生部２０と時間差計測部６とが相当している。

このように、この発明の呼吸モニター装置１では、包絡処理信号Ｓ３の閾値降下時点ｓｄと超音波生成信号Ｓ１の最初の信号出力時点ｓｔとの時間差分を求めるようにした。この時間差分は、測定対象領域Ｒでの呼気および吸気の変化に応じた値となり、この時間差分を求めることで、呼気および吸気の状況変化を精度良く求めることができる。ところで、閾値降下時点ｓｄは、超音波受信信号Ｓ２が減衰し、安定している領域に位置しているので、測定結果も安定しており、このため従来、データの精度維持を図るために必要であった平均加算などの処理が不要となり、一度の超音波の送信・受信で呼気および吸気による変化の計測を行うことが可能となり、したがって、呼吸の状況をリアルタイムに観測することができるようなった。

また、この発明では、矩形パルス波を用いて超音波を生成するようにしたので、従来定常波を用いていたときに発生していた２次、３次の反射は発生せず、このため、超音波送信素子２１と超音波受信素子３１との距離を数ｍｍ程度まで短くしても、計測が可能となり、測定精度の向上および装置の小型化が可能となった。

ところで、本発明者は、超音波受信素子３１は、音波を受け始める前半部分は前述のように不安定であるが、後半（受信波（超音波受信信号Ｓ２）が減衰する部分）は非常に安定している（同一実験下ではぶれが起きにくい）ことを見出し、この安定した後半部分を計測に用いるようにした。このため、本発明では、ローパスフィルタを用い、先ず受信波の包絡線を抽出し、この包絡線の立ち上がりではなく、たち下がりの時点ｓｄの検出を行った。つまり閾値電圧Ｅ０を超えた時点を求めるのではなく、閾値電圧Ｅ０を下回った時点の算出を行った。この結果、平均加算などの処理を行わずに一度の超音波の送信・受信で気体中の濃度変化や流量変化の計測を行うことが可能となった。

次に実際の測定結果について、図７、図８を用いて説明する。

図７はこの発明の呼吸モニター装置による計測結果を示す図、図８はその一部の拡大図である。横軸は時間を、縦軸は計測結果としての出力電圧を示している。図７では３０秒間にわたって呼吸を早い周期で行ったり途中で意図的に停止した場合を計測した結果であり、図８では、図７の３秒目から７秒目までの４秒間を拡大して示している。

呼気および吸気は、炭酸ガスを始め、酸素、窒素、水分等から構成されているが、その中でも特に炭酸ガスが他の成分とは大きく分子量が異なり、またその量も呼気と吸気とで異なるため、検出結果に影響を及ぼしている。図７，８では、息を吐くプロセスでその変化が見られる。また炭酸ガスの濃度は吐くプロセスの最初だけに高く、それ以降は急激に下がっていることがわかる。

以上述べたように、この発明の呼吸モニター装置１は、素子間の数ミリ程度の空間に、呼気および吸気を供試し超音波を通過させるように構成にしたので、装置を鼻腔近傍に直接取り付けることができ、患者が寝ているかどうかといった使用形態の制約を受けるようなことなく、また環境温度の影響も受けることなく、呼吸のモニターを精度良く行うことができる。

この発明の呼吸モニター装置のブロック図である。測定対象領域周辺の要部構成例を示す図である。呼吸モニター装置の超音波パルス発生部を示す回路図である。呼吸モニター装置の超音波パルス受信部を示す回路図である。呼吸モニター装置の時間差計測部を示す回路図である。呼吸モニター装置の所定の部位での信号波形を示す図である。呼吸モニター装置による計測結果を示す図である。図７の一部の拡大図である。

符号の説明

１呼吸モニター装置
２超音波送信手段
３超音波受信手段
４気体濃度計測手段
５超音波パルス受信部
６時間差計測部
２０超音波パルス発生部
２１超音波送信素子
３１超音波受信素子
ｓｄ閾値降下時点
ｓｔ信号出力時点
Ｅ０閾値電圧
Ｒ測定対象領域
Ｓ１超音波生成信号（矩形パルス波群）
Ｓ２超音波受信信号
Ｓ３包絡処理信号

Claims

呼吸を観測する呼吸モニター装置において、
複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号とし、その超音波生成信号に応じて超音波を送信する超音波送信手段と、
上記超音波を、測定対象領域に供試される呼気および吸気中を通過させ、その通過後の超音波を電気信号に変換し超音波受信信号とする超音波受信手段と、
上記超音波生成信号の信号出力時点を検出する一方、上記超音波受信信号に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、その包絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点を求め、その閾値降下時点と上記信号出力時点との差分を呼気および吸気による変化分として検出する呼気吸気計測手段と、
を備えることを特徴とする呼吸モニター装置。
上記閾値降下時点と上記信号出力時点との差分は、呼気および吸気による平均分子量の変化にリニアに応答する、請求項１に記載の呼吸モニター装置。