JP2005329148A - 生体情報測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 音響信号や画像信号等の外的刺激が脈波、脈拍数、血圧、呼吸数等のバイタルサインに与える影響を測定する。
【解決手段】 生体情報測定装置１において、プリアンプ部４０は、受光部２４から伝送された電気信号のノイズを除去して増幅し、プロセッサ４２は、波形や周波数成分等を解析することにより、脈波、脈拍数、血圧、呼吸数など、所望のバイタルサインデータを取得する。バイタルサインの取得と並行して、プロセッサ４２は、文字、画像等の情報をデータ格納部４３から読み出し、表示部３１を介して被験者に提示する。また、音響信号切換・重畳部４７は、供給された音響信号を適当な比率で合成し、或いは供給された音響信号の何れかに切り換え、スピーカ２１を介して出力する。そして、これらの外的刺激によるバイタルサインの変動を測定する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、音響信号や画像信号等の外的刺激が脈波、脈拍数、血圧、呼吸数等の生体情報に与える影響を非侵襲的に測定する生体情報測定装置及びその方法に関する。

従来、健康管理や診断等の目的で脈波、脈拍数、血圧、呼吸数等の生体情報（バイタルサイン）を測定するためには、それぞれの目的のために専用のセンサと測定装置が必要であった。例えば、血圧を測定するためには上腕等にカフ（圧迫帯）を巻く必要があり、呼吸数を測定するためには胸部にセンサを内蔵した伸縮ベルトを巻いたり、或いは胸部や鼻の近傍に気流センサや電極等を装着したりする必要があった。このため、測定に際して被験者を一定時間拘束する必要があり快適とは言い難く、健康上に明らかに問題があるなど臨床的見地からバイタルサインを測定する必要性がない限り、これらの測定装置が日常的に使用されることはなかった。

このような背景から、下記特許文献１には、バイタルサインの測定のみを目的とした従来の測定装置に代わり、被検者が通常の生活を営む中で非拘束、無意識のうちに、脈拍数等のバイタルサインを測定する生体情報測定装置が提案されている。

しかしながら、この特許文献１記載の生体情報測定装置を含む従来の測定装置は、バイタルサインを単に測定して記録するのみであったため、その静的なデータをもって正常と判断された被験者の中に、外的刺激を受けた場合にのみ自律神経系の乱れ等の理由により異常なバイタルサインを示す症例を持つ者がいないとは言えなかった。

ここで、外的刺激を積極的に与えた際のバイタルサインを測定する技術として、下記特許文献２には、較正機能及び聴力反応検査機能を有する埋込み型補聴器システムが提案されている。また、下記特許文献３には、測定されたバイタルサインに応じて外的刺激を変化させる技術として、使用者の脈拍数や瞬目を検出可能なディスプレイ装置が提案されている。

特開平１１−１７８８０３号公報 特表２００１−５１１６７３号公報 特開平１０−１２７７６９号公報

しかしながら、上記特許文献２記載の埋込み型補聴器システムは、患者に麻酔をかけて中耳又は内耳に部品を埋め込むに当たり、患者がどの程度聞こえているかを医師に伝えることができないことに鑑み、中耳又は内耳に直接刺激を与え、バイタルサインとしての電気聴力反応信号を検出するようにしたものであり、外的刺激がバイタルサインに与える影響を測定するものではなかった。

また、上記特許文献３記載のディスプレイ装置は、使用者の脈拍や瞬目を検出し、映像を映し出す状態や音声を発する状態等を変更させたり外部機器を連動制御させたりすることによって使用者をリラックス・リフレッシュさせるようにしたものであり、同じく外的刺激がバイタルサインに与える影響を測定するものではなかった。

このように、外的刺激がバイタルサインに与える影響を測定する技術は、今までのところ提案されていないのが現状であった。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、音響信号や画像信号等の外的刺激が脈波、脈拍数、血圧、呼吸数等のバイタルサインに与える影響を測定する生体情報測定装置及びその方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る生体情報測定装置は、血液循環によって生じる脈波を検出する脈波検出手段と、上記脈波検出手段によって検出された脈波を解析することで被験者の生体情報を取得する生体情報取得手段と、上記被験者に対して聴覚及び／又は視覚を介した外的刺激を与える外的刺激付与手段と、上記外的刺激による上記生体情報の変動を測定する生体情報測定手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係る生体情報測定方法は、血液循環によって生じる脈波を検出する脈波検出工程と、上記脈波検出工程にて検出された脈波を解析することで被験者の生体情報を取得する生体情報取得工程と、上記被験者に対して聴覚及び／又は視覚を介した外的刺激を与える外的刺激付与工程と、上記外的刺激による上記生体情報の変動を測定する生体情報測定工程とを有することを特徴とするものである。

このような生体情報測定装置及びその方法では、検出した脈波を解析することで被験者の生体情報を取得し、それと並行して被験者に対して外的刺激を与え、外的刺激による生体情報の変動を測定する。

本発明に係る生体情報測定装置及びその方法によれば、被験者に対して積極的に外的刺激を与え、その刺激が被験者の生体情報に与える影響を測定することで、例えば自律神経の疾患等に見られる外的刺激に対する生体の恒常性の応答の異常を簡便に検出することが可能となる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、音響信号や画像信号等の外的刺激が脈波、脈拍数、血圧、呼吸数等の生体情報（バイタルサイン）に与える影響を測定する生体情報測定装置及びその方法に適用したものである。以下では、先ず被験者のバイタルサインを測定する生体情報測定装置について説明し、次いで、この生体情報測定装置の概略構成の一例について説明し、最後に、この生体情報測定装置を用いて外的刺激がバイタルサインに与える影響を測定する方法について説明する。

先ず、本実施の形態における生体情報測定装置の概略を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態における生体情報測定装置１は、バイタルサインを測定するためのインナーイヤー型イヤーレシーバ形状のセンサ素子１０と、後述のように音楽や質問音声等を再生すると共にセンサ素子１０からの信号を解析してバイタルサインを得るための信号解析部３０とが、配線５０を介して接続されてなる。信号解析部３０には表示部３１が設けられており、この表示部３１を介して文字、画像等の情報が被験者に提示される。また、この表示部３１には信号解析部３０で解析されたバイタルサインデータも表示される。

この生体情報測定装置１のうちセンサ素子１０を拡大して図２に示す。図２に示すように、センサ素子１０は、信号解析部３０で再生された音楽や質問音声等を出力するためのスピーカ２１を有する本体部２０と、シリコンゴムや低反発ウレタン等の柔軟な緩衝材からなるイヤーピース２２とからなり、バイタルサインを測定する際には、図３に示すように、一般のインナーイヤー型イヤーレシーバと同様に、イヤーピース２２が外耳道の内部に挿入され、本体部２０が被験者の耳甲介腔に固定されるように用いられる。

イヤーピース２２の側断面図の一例を図４（Ａ）、（Ｂ）に示す。イヤーピース２２の中央には貫通孔が設けられており、スピーカ２１から出力された音波は、この貫通孔を通して外耳道に送り込まれ、鼓膜に到達する。また、イヤーピース２２には、バイタルサインを測定するための発光部２３及び受光部２４が埋め込まれており、この発光部２３及び受光部２４は、図５に示すように、センサ素子１０を被験者に装着した際に外耳道内部の皮膚に当接し、且つ発光部２３から投射した投射光及びその反射光の光軸が外耳道と直角又は直角に近い角度になるように配置されている。なお、図４では受光部２４を１つしか設けていないが、複数設けることで異なる経路を経由した反射光を受光することができ、より高精度にバイタルサインを測定することが可能となる。

イヤーピース２２において、発光部２３には小型のＬＥＤ（Light Emission Diode）素子等の発光素子を用いることができる。また、受光部２４には例えばＳｉ、ＩｎＧａＡｓ、Ｇｅ等を用いたフォトダイオードや焦電型のマイクロセンサからなる光検出器を用いることができる。発光部２３は、イヤーピース２２の外側、すなわち外耳道の皮膚に接している面に向けて赤色光及び近赤外光を投射する。投射された光は被験者を経由し、一部分が反射、拡散されて戻ってくる。受光部２４は、この反射光を受光して電気信号に変換し、信号解析部３０に配線５０を介して伝送する。

ここで、血流には脈があり、さらに血液の透過率は皮膚等の他の生体部分の透過率と比較して低いため、受光部２４で検出される反射光の強度は脈拍に同期して変動する。したがって、この変動を連続して測定することにより、被験者の脈波（容積脈波）及び脈拍数を得ることができる。

さらに、容積脈波を解析することで被験者の血圧及び呼吸数が得られることが本件発明者らにより見出されている。以下、簡単に説明する。

検出された容積脈波の一般的な波形を図６（Ａ）に示す。また、この容積脈波を１回微分したいわゆる速度脈波と、容積脈波を２回微分したいわゆる加速度脈波とをそれぞれ図６（Ｂ）、（Ｃ）に示す。なお、図６（Ｃ）に示す加速度脈波の各成分にはそれぞれ慣例として名前が付けられている。すなわち、最大の振幅を示す最初の極大点を有する陽性波はａ波（収縮初期陽性波）と称され、ａ波に続く陰性波はｂ波（収縮初期陰性波）と称され、以下、ｃ波（収縮中期再上昇波）、ｄ波（収縮後期再下降波）、ｅ波（拡張初期陽性波）と称される。

この図６（Ｃ）に示す加速度脈波のうち、ａ波の極大点からｅ波の極大点までの時間間隔ｔが血圧と有意な相関を示すことが本件発明者らにより見出されている。具体的には、血圧が高い場合にはａ−ｅ間の時間間隔ｔが短くなり、血圧が低い場合にはａ−ｅ間の時間間隔ｔが長くなる。したがって、このａ−ｅ間の時間間隔ｔを求めることにより、被験者の血圧を得ることができる。

また、脈波一拍の期間における最低電圧の推移（基線変動）を表す基線変動電圧波形（図中実線）を、別の方法で確認した呼吸パターン（図中破線）と重畳させて図７に示す。図７において、呼吸パターンのグラフの上部は吸気した状態を示し、グラフの下部は排気した状態を示す。この図７から、基線変動電圧波形の変動パターンが呼吸パターンと同期していることが確認できる。したがって、基線変動電圧波形が所定の閾値を超える回数を計数することにより、被験者の呼吸数を得ることができる。

このように、本実施の形態における生体情報測定装置１では、発光部２３及び受光部２４により被験者の脈波及び脈拍数を得ることができ、さらにこの脈波（容積脈波）を解析することにより被験者の血圧及び呼吸数を得ることができる。

また、生体情報測定装置１では、このような発光部２３及び受光部２４が柔軟な緩衝材からなるイヤーピース２２に埋め込まれているため、発光部２３及び受光部２４は、緩衝材の反発力によって適度な圧力で外耳道内面の皮膚に当接されることになる。これにより、被験者自身の動きや重力の影響によって発光部２３及び受光部２４から皮膚までの距離が変動することを有効に抑制することができ、安定した測定が可能となる。また、イヤーピース２２は、外耳道内に挿入されており体外に露出していないため、測定に際して外来光の影響を受けにくいという利点がある。また、外耳道内部は腕や指などの随意的に動かせる筋肉から遠いため、被験者自身の動きによる影響が少なく、測定の際に被検者を拘束する必要がないという利点がある。

さらに、生体情報測定装置１では、センサ素子１０がインナーイヤー型イヤーレシーバ形状とされおり、測定に際して被験者を一定時間拘束する必要がないため、長時間の装着が可能であり、バイタルサインの推移、変動等の傾向を観察することも可能である。特に、イヤーピース２２に埋め込まれる発光部２３及び受光部２４は小型であるため、音響性能の低下を最小限に抑えることができ、また、イヤーレシーバとしてのデザイン性を損ねることもない。また、生体情報測定装置１では、スピーカ２１を有する本体部２０と発光部２３及び受光部２４を有するイヤーピース２２とが分離されているため、音楽等を再生しながらバイタルサインを測定した場合であっても、音響振動の影響を受けることは殆どない。

次に、上述した生体情報測定装置１の概略構成の一例を図８に示す。この生体情報測定装置１は、上述のように被験者のバイタルサインを測定する機能と被験者に外的刺激を与える機能とを有する。

被験者のバイタルサインを測定する機能として、プリアンプ部４０は、イヤーピース２２の受光部２４から伝送された電気信号のうち概ね２０Ｈｚより高周波の成分をローパスフィルタにより除去することで、電源周波数から電気磁気的に誘導されるノイズや、照明器具からの光により誘起されるノイズを取り除く。さらに、プリアンプ部４０は、このノイズを除去した電気信号を増幅する。増幅された電気信号は、Ａ／Ｄ（Analogue/Digital）コンバータ４１により量子化され、プロセッサ４２によって波形や周波数成分等を解析することにより、脈波、脈拍数、血圧、呼吸数など、所望のバイタルサインデータに変換される。プロセッサ４２は、取得したバイタルサインデータをデータ格納部４３に記録し、また比較参照のためにバイタルサインデータをデータ格納部４３から読み出す。また、プロセッサ４２は、取得したバイタルサインデータを表示部３１を介して被験者に提供する。

一方、被験者に外的刺激を与える機能として、プロセッサ４２は、文字、画像等の情報をデータ格納部４３から読み出し、表示部３１を介して被験者に提示する。また、受信部４４は、電波信号を音響信号に変換するラジオチューナ等で構成され、変換後の音響信号を音響信号切換・重畳部４７に供給する。また、音響信号復号部４６は、カセットテープ、ミニディスク（Mini Disc；登録商標）、コンパクトディスク、ハードディスク等で構成される音響信号格納部４５から読み出した音響信号を復号し、復号後の音響信号を音響信号切換・重畳部４７に供給する。音響信号切換・重畳部４７は、供給された音響信号を適当な比率で合成し、或いは供給された音響信号の何れかに切り換える。信号増幅部４８は、音響信号切換・重畳部４７から供給された音響信号を増幅し、本体部２０のスピーカ２１を介して出力する。

続いて、この生体情報測定装置１を用いて外的刺激がバイタルサインに与える影響を測定する方法について説明する。

例えば聴覚刺激や視覚刺激がバイタルサインに与える影響を測定する場合には、脈波、脈拍数、血圧、呼吸数等のバイタルサインを連続的に取得、記録している状態で、予め検査目的のために構成された音楽、或いは大音量、不愉快な雑音など心理的な動揺を惹起させることが知られている音響信号をスピーカ２１を介して被験者に聴覚刺激として与え、それと同時又は別個に、表示部３１を介して映像や光、色などによる視覚刺激を与える。そして、これらの外的刺激に対する反応時間と、反応の大きさとを測定する。

具体的には、図９に示すように、刺激を与えた時点ｔ１から、刺激を与えた後初めてバイタルサインに顕著な変動が観察される時点ｔ２、変動が最大に達する時点ｔ３、変動したバイタルサインが身体恒常性による復元能力により刺激を与える前の状態に戻る時点ｔ４等の各時点までの時間間隔、及びｔ２，ｔ３，ｔ４の各時点におけるバイタルサインの変動量を測定する。これにより、身体恒常性に基づく自律神経の応答時間及び復元能力を数値的に把握することができ、自律神経の状態を客観的に診断することが可能となる。また、特定の外的刺激に対する感受性の傾向を推定することができ、その変化を解析することにより、被験者の個性や精神状態を推定することができる。

また、文字情報による刺激がバイタルサインに与える影響を測定する場合には、文字で構成された一連の質問を被験者に読ませ、或いはその質問を音声化して耳から聞かせることにより、文字情報が大脳に与える刺激の影響を測定することができる。上述した聴覚刺激や視覚刺激は感覚器への直接刺激であり、その応答は自律神経が支配的であるが、ここでは、文字或いは言葉の情報として一旦被験者の大脳で認識され、その認識された情報の意味が持つ精神的な刺激によって誘起されたバイタルサインの変動を測定することを目的とする。測定の方法は上記と同様であり、刺激を与えた時点ｔ１からｔ２，ｔ３，ｔ４の各時点までの時間間隔、及びｔ２，ｔ３，ｔ４の各時点におけるバイタルサインの変動量を測定する。

なお、聴覚刺激や視覚刺激と文字情報による刺激とを交互に、或いは組み合わせて行うことにより、感覚器への直接刺激に対する反応と大脳での認知プロセスを経由した刺激に対する反応との違いを総合的に判断することも可能である。

さらに、取得した脈波、脈拍数、血圧、呼吸数等のバイタルサインを元に、与える外的刺激の量や質をリアルタイムに変化させ、それによりバイタルサインにどのような変化が現れるかを測定することも可能である。

例えば、音楽や周期的な繰り返しリズムからなる音響信号を出力し、そのテンポ（速度）を脈拍数や呼吸数などに応じて増減させ、或いはその音楽又は音響信号を構成する要素をバイタルサインに基づいて制御することができる。後者の場合、予め記録された音楽が弦楽器、管楽器、打楽器の３つのパートで構成されていたとすると、例えば呼吸数が増加した場合には弦楽器の音を強くすると共に他のパートの音を小さくし、脈拍数が増加した場合には打楽器の音を強くすると共に他のパートの音を小さくする、といった混合比率の制御を行う。このように、バイタルサインによる変調制御を行うことにより、被験者は自身のバイタルサインの変化を音楽の質の変化として明示的に知ることができる。また、一般にこのようなバイタルサインに基づくフィードバック制御を行った場合と行わなかった場合とではバイタルサインの変化に違いが現れるため、この違いを定量的に把握することで、被験者の身体的、精神的状態を推定することができる。

以上説明したように、本実施の形態における生体情報測定装置１によれば、被験者に対して能動的に外的刺激を与え、その刺激がバイタルサインに与える影響を測定することで、例えば自律神経の疾患等に見られる外的刺激に対する生体の恒常性の応答の異常を簡便に検出することが可能となる。また、バイタルサインの応答は心理的影響を多分に受けるため、肉体的疾患のみならず、精神的疾患の定量的診断の１つとして利用することができる。

また、本実施の形態における生体情報測定装置１によれば、発光部及び受光部を介して脈波、脈拍数、血圧、呼吸数等のバイタルサインを取得することができるため、これらのバイタルサインを測定するために複数のセンサを使用する必要がなく簡便である。さらに、センサ素子をインナーイヤー型イヤーレシーバ形状とすることで、測定に際して被験者を一定時間拘束する必要もなくなり、長時間の測定が可能とされる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

例えば、上述した実施の形態では、バイタルサインの一例として脈波、脈拍数、血圧、呼吸数を測定するものとして説明したが、これらに限定されず、血糖値、血中コレステロール値、血中酸素飽和度等の他のバイタルサインを併せて測定するようにしても構わない。具体的には、測定する血中成分（グルコースやコレステロールなど）に吸収されやすい波長の光を発光部２３から投射することにより、血糖値や血中コレステロール値を測定することができる。また、酸素を結合したヘモグロビンと酸素を結合していないヘモグロビンとの光吸収率の違いを利用することで、血中酸素飽和度を測定することができる。

また、上述した実施の形態では、図１に示すようなインナーイヤー型イヤーレシーバ形状のセンサ素子を生体情報測定装置に用いるものとして説明したが、この形状に限定されるものではなく、指先や耳朶、手首などの人体の末梢組織を挟むような形状であっても構わない。この場合においても、その末梢組織に対して発光部から光を投射し、その透過光又は反射光を受光部で検出することにより脈波、脈拍数を測定することができ、その脈波を解析することで血圧、呼吸数等のバイタルサインを求めることができる。

本実施の形態における生体情報測定装置を示す概略図である。 同生体情報測定装置に用いられるセンサ素子を拡大して示す斜視図である。 同センサ素子を被験者に装着した状態を示す図である。 同センサ素子のイヤーピースを示す側断面図である。 センサ素子の発光部及び受光部が被験者の外耳道内面の皮膚に当接されている状態を示す図である。 脈波を解析して血圧を求める方法を説明するための図であり、同図（Ａ）は、容積脈波の一般的な波形を示し、同図（Ｂ）は、この容積脈波を１回微分した速度脈波を示し、同図（Ｃ）は、容積脈波を２回微分した加速度脈波を示す。 基線変動電圧波形と呼吸パターンとを重畳させて示す図である。 同生体情報測定装置の概略構成の一例を示す図である。 外的刺激がバイタルサインに与える影響を測定する方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 生体情報測定装置、１０ センサ素子、２０ 本体部、２１ スピーカ、２２ イヤーピース、２３ 発光部、２４ 受光部、３０ 信号解析部、３１ 表示部、４０ プリアンプ部、４１ Ａ／Ｄコンバータ、４２ プロセッサ、４３ データ格納部、４４ 受信部、４５ 音響信号格納部、４６ 音響信号復号部、４７ 音響信号切換・重畳部、４８ 信号増幅部

Claims (14)

1. 血液循環によって生じる脈波を検出する脈波検出手段と、
   上記脈波検出手段によって検出された脈波を解析することで被験者の生体情報を取得する生体情報取得手段と、
   上記被験者に対して聴覚及び／又は視覚を介した外的刺激を与える外的刺激付与手段と、
   上記外的刺激による上記生体情報の変動を測定する生体情報測定手段と
   を備えることを特徴とする生体情報測定装置。
2. 上記生体情報は、脈拍数、血圧及び呼吸数の何れかを少なくとも含むことを特徴とする請求項１記載の生体情報測定装置。
3. 上記脈波検出手段は、脈波を検出する部位に対して光を照射する発光部と、上記部位から得られる透過光又は反射光を検出する受光部とを有することを特徴とする請求項１記載の生体情報測定装置。
4. 上記脈波検出手段は、上記発光部及び上記受光部が上記被験者の外耳道の内面に当接して固定される形状を有することを特徴とする請求項３記載の生体情報測定装置。
5. 上記外的刺激は、音響信号及び／又は画像信号であることを特徴とする請求項１記載の生体情報測定装置。
6. 上記外的刺激は、所定の文字情報が表示部に表示され、又は音声により再生されたものであることを特徴とする請求項１記載の生体情報測定装置。
7. 上記外的刺激付与手段は、上記生体情報取得手段によって取得された生体情報に応じて上記被験者に与える外的刺激を変化させることを特徴とする請求項１記載の生体情報測定装置。
8. 血液循環によって生じる脈波を検出する脈波検出工程と、
   上記脈波検出工程にて検出された脈波を解析することで被験者の生体情報を取得する生体情報取得工程と、
   上記被験者に対して聴覚及び／又は視覚を介した外的刺激を与える外的刺激付与工程と、
   上記外的刺激による上記生体情報の変動を測定する生体情報測定工程と
   を有することを特徴とする生体情報測定方法。
9. 上記生体情報は、脈拍数、血圧及び呼吸数の何れかを少なくとも含むことを特徴とする請求項８記載の生体情報測定方法。
10. 上記脈波検出工程では、脈波を検出する部位に対して発光部から光を投射し、上記部位から得られる透過光又は反射光を受光部により検出することで脈波を検出することを特徴とする請求項８記載の生体情報測定方法。
11. 上記発光部及び上記受光部は、上記被験者の外耳道の内面に当接して固定されることを特徴とする請求項１０記載の生体情報測定方法。
12. 上記外的刺激は、音響信号及び／又は画像信号であることを特徴とする請求項８記載の生体情報測定方法。
13. 上記外的刺激は、所定の文字情報が表示部に表示され、又は音声により再生されたものであることを特徴とする請求項８記載の生体情報測定方法。
14. 上記外的刺激付与工程では、上記生体情報取得工程にて取得された生体情報に応じて上記被験者に与える外的刺激を変化させることを特徴とする請求項８記載の生体情報測定方法。
    

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