JP2006181348A - 循環動態測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】呼吸、不整脈、体動等の影響を受けることなく、正確に所定の測定（動脈の物理的特性や血圧の測定）ができるようにする。
【解決手段】カフ１と、カフ内の圧力を変化させる加圧ポンプ２及び減圧制御弁３と、カ
フ内の圧力を検出する圧力センサ４と、調整したカフ圧に測定対象の生体の脈拍よりも高
い周波数であり且つ生体の脈拍よりも小さい振幅の圧力振動を重畳させる加振器５と、カ
フを装着した部位の動脈の容積変動を光学的に検出する容積変動検出手段６Ａ、６Ｂと、
容積変動検出手段の出力信号から圧力振動に対応した容積振動を抽出する容積振動抽出手
段と、圧力検出手段及び容積振動抽出手段の出力に基づいて、血管内外圧差と容積振動の
振幅（またはそれに対応づけされた値）との関係を検出する特性検出手段と、を備え、特
性検出手段の検出する関係から循環動態（動脈の物理的特性や血圧）を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体に装着したカフにより生体の動脈を加圧し、その加圧量を加減しながら
検出される血管情報から、動脈の物理的特性（主に血管の弾性特性）または血圧を非観血
に測定する循環動態測定装置に関する。

人体の動脈硬化度などの動脈の物埋的性質を測定する非観血な方法として、例えば、特
許文献１に示されている方法がある。この方法は、オシロメトリック法による血圧測定時
の、血管内外圧差の変化に応じ、脈圧に対する血管容積変化率が移行して行く様子から、
間接的に動脈の硬化度等を推定するというものである。

また、特許文献２には、拡張期にカフ圧に加振による振動成分を加えることで、最低血
圧点を測定する方法が示されている。

特許第３４７０１２１号公報 特開昭６２−２７０１３３号公報

しかし、特許文献１に記載の技術は、呼吸の影響、不整脈の影響、体動の影響などを受
けやすいという問題があった。また、圧力対容積特性を見るための圧力として、脈圧（すなわち最高血圧−最低血圧）という人体内で発生する値を用いるしかないので、その点からも、分解能が低くなるという問題があった。

また、特許文献２に記載の技術では、拡張期にのみ加振する関係から、予め脈拍の周期
を求めておいて、特定のタイミングで振動成分を載せるという操作が必要であった。例えば、手順としては、数拍分の脈波発生の周期を測定し、その平均から一脈波周期の時間Ｔを決定する。次に脈波の谷点すなわち最低血圧部分を特定するが、それはおそらく脈波の立ち上がり点を検出し、その直前が最低血圧点であるとみなすことになる。脈波の立ち上がり点からスタートし、一脈波周期よりわずか少ない時間、例えば０．９×Ｔが経過した点から加振を始め、１．０×Ｔが経過した後に加振を終了する、という操作を行うことになる。この方法の大きな問題は、脈の周期が安定していない場合は、誤差を生ずる点である。例えば、脈の周期が０．９×Ｔより短かった場合、拡張期では無い部分、極端には脈の立ち上がった収縮期で加振を行うことになり、不整脈がある場合は測定が困難になる。

本発明は、上記事情を考慮し、呼吸、不整脈、体動等の影響を受けることなく、正確に
所定の測定（動脈の物理的特性や血圧の測定）ができる循環動態測定装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、測定対象の生体の動脈を外部から圧迫するカフと、該カフ内の圧力
変化させる圧力制御手段と、前記カフ内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力制御
手段により調整したカフ内の圧力に、測定対象の生体の脈拍よりも高い周波数であり且つ
生体の脈拍よりも小さい振幅の圧力振動を重畳させる加振手段と、前記カフを装着した部
位の動脈の容積変動を光学的に検出する容積変動検出手段と、該容積変動検出手段の出力
信号から、前記加振手段による圧力振動に対応した容積振動を抽出する容積振動抽出手段
と、前記圧力検出手段及び容積振動抽出手段の出力に基づいて、血管内外圧差と前記容積
振動の振幅との関係、あるいは、血管内外圧差と前記容積振動の振幅に対応づけされた値
との関係を検出する特性検出手段と、を備え、前記特性検出手段の検出する関係から循環
動態を測定することを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１において、前記特性検出手段は、「血管内外圧差」と「（
容積振動の振幅）／（圧力振動の振幅）」との関係を検出して表現するものであり、更に
、その関係から血管の物理的特性を判定する手段を備えることを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１において、前記特性検出手段は、「血管内外圧差」と「（
容積振動の振幅）／（圧力振動の振幅）」との関係を検出して表現するものであり、更に
、その関係から血圧を検出する手段を備えることを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項３において、前記特性検出手段は、前記「血管内外圧差」と
「（容積振動の振幅）／（圧力振動の振幅）」との関係を表す特性曲線を表現し、前記血
圧を検出する手段は、前記特性曲線上にて「（容積振動の振幅）／（圧力振動の振幅）」
の値がカフ内の圧力の高い側において略ゼロとなる点Ａと、前記「（容積振動の振幅）／
（圧力振動の振幅）」の値が最大となる点Ｂと、該点Ｂよりカフ内の圧力の低い側におい
て前記特性曲線が特徴的に屈曲する点Ｃとを求め、前記Ａ点を基準に最高血圧を割り出し
、前記Ｃ点を基準に最低血圧を割り出すことを特徴としている。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記加振器により重畳させる圧
力振動の振幅が一定になるように監視し制御する振幅監視手段を備えたことを特徴として
いる。

請求項６の発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記加振器の圧力振動として、
前記圧力制御手段の構成要素である加圧ポンプの吐出圧の脈動を利用することを特徴とし
ている。

本発明では、「血管内外圧差の変化」に応じた「血管容積の変化」を見るための血管内
外圧差変化を、体外から人工的に加える圧力振動により作り出しており、体内から発生す
る脈拍を敢えて利用しないことにしている。この場合、脈に代わって人工的に加える圧力
変化は、脈の場合と違って、かなり小さく設定することができる。従って、圧力／容積変化率分解能を飛躍的に高めることができ、きめ細かな測定が可能となる。また、人工的な圧力振動は単一周波数で与えることになるので、狭い周波数帯域での選択検出の設定が可能となり、ノイズに強くなる。

また、血管内外圧差と容積振動の振幅（あるいは振幅に対応づけされた値）との関係か
ら循環動態を測定するので、オシロメトリック法と違って圧脈動の要素を排除することができる。従って、呼吸の影響、不整脈の影響、体動の影響を受けることなく、測定を行うことができる。

従って、請求項２、３の発明のように、前記特性検出手段の検出する関係から血管の物
理的特性や血圧を判定することができる。

血圧測定に利用する場合は、例えば、請求項４の発明のようにすることで、従来のオシ
ロメトリック法とよく一致する結果を得ることができる。

また、何らかの理由（例えばカフ圧の大きさ等）で、印加する圧力振動の振幅が変化す
るおそれがあるような場合は、請求項５の発明を利用することで、圧力振動の振幅を一定
に管理することができる。例えば、カフの圧力検出値に基づいて、圧力振動を印加する際
の振幅可変要素にフィードバックをかけてやれば、振幅一定を維持することができ、信頼
性を高めることができる。

また、請求項６の発明のように、加圧ポンプの回転による吐出圧の脈動を圧力振動とし
て利用することも可能であり、そうすることで、別途用意する加振器を省略できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の構成を示し、（ａ）は全体概略図、（ｂ）は腕に巻いたカフ部分の横断
面図である。図１（ａ）中の腕Ｍは上腕を縦断面で示している。

本実施形態の循環動態測定装置は、測定対象である人体（生体）の腕Ｍに巻かれて、空
気圧の導入により腕Ｍの中の動脈（血管）Ｎを外部から圧迫するカフ（ブラダーとも言う
）１と、カフ１内を加圧する加圧ポンプ２及び減圧する減圧制御弁３（これらが主として
圧力制御手段に相当）と、カフ１内の圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）４と、
圧力調整したカフ１内の圧力に、測定対象の人体の脈拍よりも高い周波数であり且つ人体
の脈拍よりも小さい振幅の圧力振動を重畳させる圧力加振器（加振手段）５と、カフ１を
装着した腕Ｍの動脈Ｎの容積変動を光学的に検出する発光素子６Ａ及び受光素子６Ｂ（こ
れらが主に容積変動検出手段に相当）と、制御計測のための制御計測部７と、表示部８と
、を具備している。カフ１は、加圧ホンプ２、圧カセンサ４、減圧制脚弁３、圧力加振器
５に、空気通路を介して連通している。

発光素子６Ａと受光素子６Ｂは、カフ１が腕Ｍに接触する面に設置されている。発光素
子６Ａと受光素子６Ｂは、図１（ｂ）に示すように、腕Ｍにある動脈Ｎを挾むような位置
に配置されている。制御計測部７は、加圧ホンプ２の制御、圧カセンサ４によるカフ１の
内圧の検出、減圧制御弁３の制御、圧力加振器５の駆動、発光素子６Ａの発光、受光素子
６Ｂからの受光信号の検出等の全般の制御を行う。制御計測部７は、検出した信号から動
脈物理特性などを計測し、その結果を表示器８に表示させる。

後述するが、制御計測部７は、受光素子６Ｂの出力信号から、圧力加振器５による圧力
振動に対応した容積振動成分を抽出する容積振動抽出手段としての機能を備える。また、
圧力センサ４や受光素子６Ｂの出力に基づいて、血管内外圧差と容積振動の振幅との関係
、あるいは、血管内外圧差と前記容積振動の振幅に対応づけされた値との関係を検出する
特性検出手段としての機能も有する。

この場合、特性検出手段は、前記の関係として、「血管内外圧差」と「（容積振動の振
幅）／（圧力振動の振幅）」との関係を検出し表現する。そして、その関係から血管の物
理的特性を判定したり、血圧を検出する。

図２は圧力加振器５の構造を示している。
加振器５は、コイル５５に発生させる電磁力でダイアフラム５１を駆動し、ダイアフラ
ム５１の変位により、空気室５２、５３ａ、５３ｂの圧力を変調する。ダイアフラム５１
を挟む関係の空気室５２と空気室５３ａ、５３ｂとは、オリフィス５４を介して連通して
いる。コイル５５の周囲には磁極５６が配置され、コイル５５の中心部には、ヨーク５７
の凸部が挿入されている。なお、５８は磁極５７に磁気を与える磁石である。

オリフィス５４は次のように機能する。まず、加圧ポンプ２による加圧や減圧制御弁３
による減圧などの比較的ゆっくりした圧力変化に対しては、オリフィス５４の空気抵抗の
影響は少なく、空気室５２と空気室５３ａ、５３ｂは、わずかな遅れで連通し、加圧され
た圧力は、ダイアフラム５１にほとんどかからない。一方、加振器５が加振する周波数で
は、オリフィス５４の空気抵抗が有効に働き、空気室５２と空気室５３ａ、５３ｂの連通
の度合いはわずかとなり、各室の圧力は加振された周波数で変調される。かくして、空気
室５２と空気室５３ａ、５３ｂのオリフィス５４による連通は、加圧ポンプ２により加圧
される圧力に耐えるほど、ダイアフラム５１のばね力を強くする必要を減じ、加振時に感
度良く加振できるようダイアフラム５１を柔らかくできる。

次に動作を説明する。
図示しないスイッチを操作すると、図１に示すように腕Ｍに巻かれたカフ１は、加圧ホ
ンプ２により加圧される。カフ１内の圧力は、圧カセンサ４により検出され、設定加圧値
で加圧ポンプ２は停止する。

次に減圧制御弁３により徐々に減圧が行われる。通常は、減圧率が一定になるように制
御する。減圧過程において、カフ１の内圧には、脈に応じた圧力の脈動が現れる。脈動は
次第に大きくなり、やがては小さくなる。

その振幅の変化を表したものが、図３の下側の図である。また、図４には、その振幅の
変化が、呼吸の影響を受けない場合と受けた場含を示してある。呼吸は心臓を圧迫し、脈
圧を変化させるので、図４の下段のように、振幅の変化の傾向には、呼吸の影響による変
動が現れる。個々の脈動を拡大してみたものが図５である。

減圧の過程において、本装置では、圧力加振器５により、カフ１の内圧に対して低周波
の圧力振幅変調をする。例えば、３０Ｈｚ（１０〜４０Ｈｚの範囲が好ましい）で変調す
ると、図６のようになる。この加振周波数は、脈波の周波数成分よりも高く、且つ、脈波
の周波数成分と分別（後で選択検出するから）が可能な周波数が選ばれる。また、生体組
織による振動伝達の減衰が大きくなる周波数よりは低い周波数が選ばれる。
加振は脈の周期に同期させ間欠的に圧力振動を重畳させて行う。
脈の周期がｔ１であるとすると、脈波の急な立ち上がり点から例えば周期ｔ１の３０％の時間経過時点ｔ２で振動を加え始め、その状態を周期ｔ１の３０％の時間だけ継続した後、加振をやめる、というような制御を行うのがよい。
この位置で加振することにより、脈周期が変動しても、脈の立ち上がりで加振してしまう
ようなことは無い。

減圧過程においては、発光素子６Ａと受光素子６Ｂにより、動脈Ｎの容積変化を検出す
る。発光素子６Ａから発せられた近赤外光あるいは赤色光は、皮膚内に浸透し、動脈Ｎを
経て、受光素子６Ｂへ達する。動脈Ｎを通過する光は、血液中のヘモグロビンで吸収され
るので、血管容積変化に応じて吸収量が変化し、受光素子６Ｂには、容積変化信号が現れ
る。

ここで加振する周波数は単一の周波数なので、受光信号の中から、加振した周波数に等
しい周波数成分のみを選択的に検出することが容易にできる。よって、ノイズを除去する
ことが可能である。

図７は本発明による「圧変化」対「容積変化」測定の概要を示している。
加振による圧変化は任意の値に設定できるので、例えば１０ｍｍＨｇに設定すれば、血
管の高伸展領域（５０ｍｍＨｇ程度と言われている）の測定に十分な分解能を発揮できる
。

図６に示したように、加振成分は脈波の上に重畳するが、ハイパスフィルタでフィルタ
リングすることにより、加振成分のみを抽出できる。この抽出したサンブリングデータ
は、時間の順に並べずに、圧力の順で並べることもできる。重畳成分のみを見るので脈の影響を除去することが可能である。これにより、呼吸変動を除去できる。また本来、血管の物理的特性を見るに当たり、時間要素は不要であり、従来法に比べて、不要な要素を含まないデータにより測定するので信頼性が高くなる。

図８の左図は、人工的に発生させた血管内外圧差の微小振動と血管容積微小変化の関係
を示している。図の縦軸は「血管内圧−カフ圧（血管内外圧差）」であり、縦軸の下側は
カフ圧が高い側、上側はカフ圧が低い側である。この図は、人工的に発生させた微小血管
内外圧差と検出した微小血管容積振動が、カフ圧の全体的な変化に対して、どのように変
化するかを表している。この図から分かるように、ここで求められる特性曲線Ｒ１（圧対
容積変化曲線）は、体内で自然に発生する脈動によるカフ内微小圧振動（オッシレーショ
ン）によく一致する。

また、図８の右図は、「血管内外圧差」と「（容積振動の振幅）／（圧力振動の振幅）
」との関係の特性曲線Ｒ２を示している。この特性曲線Ｒ２上の値は、特性曲線Ｒ１の勾
配の逆数に相当する。この値は、血管内外圧差が変化したときの血管のたわみやすさ、つ
まり、柔軟性や伸展性を表していると考えることができる。よって、この特性曲線Ｒ２の
パターンをみることによって、血管の弾性特性（物理的特性）つまり動脈硬化の度合いを
推定することが可能であることがわかる。

また、この特性曲線Ｒ２は血圧測定にも応用可能である。血圧測定は、例えば、次のよ
うに行うことができる。
まず、特性曲線Ｒ２上にて「（容積振動の振幅）／（圧力振動の振幅）」の値がカフ内
の圧力の高い側において略ゼロとなる点Ａと、「（容積振動の振幅）／（圧力振動の振幅
）」の値が最大となる点Ｂと、点Ｂよりカフ内の圧力の低い側において特性曲線Ｒ２が特
徴的に屈曲する点Ｃとを求める。そしてＡ点を基準に最高血圧を割り出し、Ｃ点を基準に
最低血圧を割り出す。こうして抽出した血圧推定値は、実測値によく合致することが、い
くつかの実験の結果、分かった。

このように物理的特性の判定と血圧測定とを行う場合、本装置では、脈圧を用いないので、呼吸、不整脈、体動による影響をなくすことができる。また、微小血管内外圧差は、脈圧より小さく設定できるため、分解
能を高くできる。このような呼吸等の変動の影響の除去と高分解能化は、測定精度の向上
に寄与し、また測定時間の短縮にも寄与することができる。

なお、測定部位は、上述の例のように上腕に限らず、手首、指、大腿、足首などにも適
用できる。また人体以外の動物の四肢や尾にも適用できる。

また、カフ圧の調整による血管内外圧差の変化のさせ方について、上記の例では、一定
速度でカフ圧を減圧する場合を示したが、加圧過程で圧力振動を重畳させ測定を行っても
よい。そすれば、減圧過程まで待たなくてよいため、より測定時間の短縮が可能である。
実際には、一定傾向で減圧または加圧させ、その過程において圧力振動を加えてデータを
サンプリングするのがよいが、原理的にはカフ圧の変化のさせ方は任意に設定できる。

また、何らかの理由（例えばカフ圧の大きさ等）で、印加する圧力振動の振幅が変化す
るおそれがあるような場合は、圧力振動の振幅を一定に管理するような制御を行うのがよ
い。具体的には、カフ１の圧力検出値に基づいて、圧力振動を印加する際の振幅可変要素
（コイルへの通電量）にフィードバックをかけてやれば、振幅一定を維持することができ
、信頼性を高めることができる。

また、上記実施形態の装置では、圧力加振器５を加圧ポンプ２とは別に設けているが、
加圧ポンプ２の作動時に、不可避的に吐出圧に脈動が生じる場合には、その脈動の周波数
や振幅を予め検出しておくことで、加圧ポンプ２の脈動を加圧振動として利用することも
可能である。例えば、血圧測定装置において、加圧ポンプの脈動を低減させるため、空気
の流通路に空気室を設けることがあるが、この空気室に側路を設け、加振時は空気室を経
由せず、空気圧は側路を通るように切り替えることにより加振を行うことができる。

（ａ）は本発明の実施形態の全体概略構成図、（ｂ）はカフ部分の断面図である。 同装置における圧力加振器の構成を示す断面図である。 上の図はカフ圧の減圧過程においてカフ圧力検出値に脈波が重畳している様子を示す図、下の図は脈波振幅の時間変化を示している。 脈波振幅の例を示す図で、上の図は呼吸変動がない場合、下の図は呼吸変動がある場合を示す。 脈波の拡大図である。 脈波に加圧振動を重畳させた場合の波形の例を示す図である。 血管内外圧差（血管内圧−カフ圧）と血管容積の関係及び圧力振動と容積振動の関係を示す図である。 左の図は、人工的に発生させた血管内外圧差の微小振動と血管容積微小変化の関係を示す図であり、右の図は「血管内外圧差」と「（容積振動の振幅）／（圧力振動の振幅）」の関係を示す図である。

符号の説明

１ カフ
２ 加圧ポンプ（圧力制御手段）
３ 減圧制御弁（圧力制御手段）
４ 圧力センサ（圧力検出手段）
５ 圧力加振器（加振手段）
６Ａ 発光素子（容積変動検出手段）
６Ｂ 受光素子（容積変動検出手段）
７ 制御計測部
Ｒ１ 特性曲線
Ｒ２ 特性曲線

Claims (6)

1. 測定対象の生体の動脈を外部から圧迫するカフと、
   該カフ内の圧力を変化させる圧力制御手段と、
   前記カフ内の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力制御手段により調整したカフ内の圧力に、測定対象の生体の脈拍よりも高い周
   波数であり且つ生体の脈拍よりも小さい振幅の圧力振動を重畳させる加振手段と、
   前記カフを装着した部位の動脈の容積変動を光学的に検出する容積変動検出手段と、
   該容積変動検出手段の出力信号から、前記加振手段による圧力振動に対応した容積振動
   を抽出する容積振動抽出手段と、
   前記圧力検出手段及び容積振動抽出手段の出力に基づいて、血管内外圧差と前記容積振
   動の振幅との関係、あるいは、血管内外圧差と前記容積振動の振幅に対応づけされた値と
   の関係を検出する特性検出手段と、
   を備え、前記特性検出手段の検出する関係から循環動態を測定することを特徴とする循
   環動態測定装置。
2. 前記特性検出手段は、「血管内外圧差」と「（容積振動の振幅）／（圧力振動の振幅）
   」との関係を検出して表現するものであり、更に、その関係から血管の物理的特性を判定
   する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の循環動態測定装置。
3. 前記特性検出手段は、「血管内外圧差」と「（容積振動の振幅）／（圧力振動の振幅）
   」との関係を検出して表現するものであり、更に、その関係から血圧を検出する手段を備
   えることを特徴とする請求項１に記載の循環動態測定装置。
4. 前記特性検出手段は、前記「血管内外圧差」と「（容積振動の振幅）／（圧力振動の振
   幅）」との関係を表す特性曲線を表現し、
   前記血圧を検出する手段は、前記特性曲線上にて「（容積振動の振幅）／（圧力振動の
   振幅）」の値がカフ内の圧力の高い側において略ゼロとなる点Ａと、前記「（容積振動の
   振幅）／（圧力振動の振幅）」の値が最大となる点Ｂと、該点Ｂよりカフ内の圧力の低い
   側において前記特性曲線が特徴的に屈曲する点Ｃとを求め、前記Ａ点を基準に最高血圧を
   割り出し、前記Ｃ点を基準に最低血圧を割り出すことを特徴とする請求項３に記載の循環
   動態測定装置。
5. 前記加振器により重畳させる圧力振動の振幅が一定になるように監視し制御する振幅監
   視手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の循環動態測定装置。
6. 前記加振器の圧力振動として、前記圧力制御手段の構成要素である加圧ポンプの吐出圧
   の脈動を利用することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の循環動態測定装置。

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