JP2007021106A

JP2007021106A - 生体情報計測装置

Info

Publication number: JP2007021106A
Application number: JP2005211768A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ide; 和宏井出
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】的確に且つ簡便に生体情報を計測する。
【解決手段】人体の外耳道に挿入される外耳道挿入部１１と、該外耳道挿入部１１に配されているとともに人体鼓膜に向けて光を照射し且つ鼓膜からの反射光を受光する受発光部１２，１３と、上記反射光から得られる信号を基に生体情報を算出する生体情報算出部とを備える。動脈が存在している鼓膜からの反射光を基に生体情報を計測するために、外耳道を圧迫することなく低侵襲で生体情報を得ることができ、また通気性の点で問題を招く虞も少なく、長時間にわたる連続測定などにも対応することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体情報、殊に血圧や心拍、脈波等の循環機能系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。

血圧や心拍、脈波等の循環機能系の生体情報を計測するものとして、各種のものが提供されている。血圧測定は上腕式血圧計を用いるのが一般的であるが、これは装置的に大きく、また取り扱いも面倒であるために、より簡便に生体情報を計測することができるものが求められている。

一方、生体情報を得るために、人体の耳を利用することもなされている。この種のものとしては、耳垂をクリップで挟んで脈拍を検出するものが知られているが、これは体動の影響を受けやすく、また外気にさらされているために脈波信号のレベルが周囲温度の影響を受けるという問題がある。

一方、人体の外耳道は外気の影響を受けにくいために、外耳道内において生体情報を検出することも提案されている。たとえば、鼓膜及びその近傍から直接放射される赤外線から体温を測定したり、外耳道の皮膚近傍に存在する脈波信号を測定するもの、外耳道と人体の手との間の心電波形を捉えるもの等が知られている。

しかし、外耳道の側部の動脈から脈波信号を得るには、外耳道内面に適切にセンサを押し付けなければ正確な脈波を得ることはできず、かといって大きさや形状に個人差がある外耳道にセンサを押し付けることが対応できるようにした場合、押し付け圧力の強さの点から使用者に不快感を与えることが多くなる。もちろん、押し付け圧力が弱すぎれば脈波信号を適切に得ることができないために、不正確な測定しか行えないことになる。特に連続して測定しようとすると、外耳道を長時間圧迫することになるために、通気性の悪さなども加わって外耳道に炎症を起こすことが考えられる。
特開平６−２３３７４６号公報特開２０００−２１７７９２号公報特開２００４−３２９９２８号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、的確に且つ簡便に生体情報を計測することができる生体情報計測装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る生体情報計測装置は、人体の外耳道に挿入される外耳道挿入部と、該外耳道挿入部に配されているとともに人体鼓膜に向けて光を照射し且つ鼓膜からの反射光を受光する受発光部と、上記反射光から得られる信号を基に生体情報を算出する生体情報算出部とを備えていることに特徴を有している。動脈が存在している鼓膜からの反射光を基に生体情報を計測するために、外耳道を圧迫することなく低侵襲で生体情報を得ることができ、また通気性の点で問題を招く虞も少なく、長時間にわたる連続測定などにも対応することができる。

特に、人体の耳介組織に接触する電極及び人体の外耳道に接触する電極とを備え、生体情報算出部は前記反射光及び上記電極から得られる信号を基に生体情報を算出するものであると、より有意で的確な生体情報を得ることができる。

この場合、生体情報算出部は反射光及び上記電極から得られる信号のピークまたはボトムの時間差を基に生体情報を算出するものを好適に用いることができる。

また、受発光部における発光部は少なくとも２つの異なる波長の光を照射するものであり、生体情報算出部は上記異なる波長の光の反射係数の比によって酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出部を備えていると、生体情報として酸素飽和度も求めることができる。

連続して算出した生体情報を蓄積する記憶部を備えているとともに生体情報の時間的変化を基に循環機能の診断を行う診断手段を備えていることも好ましい。睡眠時無呼吸症候群や、自律神経機能、夜間血圧変動パターンの変動などを知ることができる。

算出した生体情報を音声出力する音声出力部を上記外耳道挿入部を含む外耳装着部に備えたものとするのも好ましい。音声によって生体情報を本人のみに知らせることができる。

測定姿勢の計測用の角度センサを上記外耳道挿入部を含む外耳装着部に備えるとともに、該角度センサ出力と得られた生体情報とから自律神経機能を診断する診断部を備えたものとしてもよい。起立性低血圧の診断などを行うことができる。

体動検出用の加速度センサを上記外耳道挿入部を含む外耳装着部に備えるとともに、生体情報算出部は上該加速度センサ出力を基に体動の影響を除いた生体情報を算出するものであってもよい。体動の影響をより確実に除去することができる。

外耳道挿入部は受発光部に各一端を対向させた光ファイバーを内蔵してその他端を外耳道挿入部の先端面に位置させているものであると、外耳道挿入部として柔らかくて外耳道にフィットするとともに位置ずれしにくいものを得ることが容易となる。

外耳道挿入部はその外周面に膨張収縮自在であり且つ膨張時に外耳道内面に接する圧迫体を備えたものであってもよく、この場合、測定中の位置ずれを確実に防ぐことができる。

また膨張させた上記圧迫体を減圧収縮させる際の圧迫体の振動成分より血圧値を算出する血圧測定部を備えたものとするのも好ましい。

外耳道挿入部に設けた電極は外耳道挿入部の周方向において複数に分割もしくは外周面に凹凸が設けられたものであることが望ましい。通気性の確保が容易となる。

本発明は、動脈が存在している鼓膜からの反射光を基に生体情報を計測するものであり、外耳道を圧迫する必要がなく、このために低侵襲で安定した生体情報を得ることができ、また圧迫の点に加えて通気性の点で問題を招く虞も少ないことから、長時間にわたる連続測定などにも対応することができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、この生体情報計測装置は人体の外耳道に挿入される外耳道挿入部１１を備えたイヤーピース１と、このイヤーピース１にケーブル２０で接続された本体２とからなるもので、上記イヤーピース１は図１及び図２に示すように、基部１０とこの基部１０から突出する外耳道挿入部１１とからなるもので、シリコンゴムやウレタンゴム等の柔らかい材料で形成されて先端が根元よりも細くなっている外耳道挿入部１１の先端部には２つの孔のあいたゴム片１６が取り付けられて、該ゴム片１６の各孔内に発光素子１２と受光素子１３とが配設されている。また、基部１０における外耳道挿入部１１の根元側部分には電極１４を設けており、外耳道挿入部１１の外周部にも電極１５を設けてある。ただし、電極１５は外耳道挿入部１５の外周面から少し外方に突出するものとしているとともに、外耳道挿入部１１の周方向において複数に分割したものとし、電極１５，１５間に隙間をあけている。そして基部１０内には脈波検出部３と心電検出部４とを配置している。

上記イヤーピース１にケーブル２０で接続された本体２は、液晶ディスプレー等からなる表示部２１と電源スイッチ２２とを外面に備えるともに、図３に示す演算部２３や電源（図示せず）を備えたものである。

また、図３に示すように、上記脈波検出部３は脈波測定モジュール３０と脈波信号処理部３５とからなり、脈波測定モジュール３０は上記発光素子１２とこれを駆動する駆動回路３１並びに上記受光素子１４で構成され、脈波信号処理部３５は増幅器３６とノイズ除去フィルタ３７とピーク検出器３８で構成されており、前記心電検出部４は上記２つの電極１４，１５からなる心電測定モジュール４０と、上記２つの電極１４，１５間の電位差を増幅する増幅器４６とノイズ除去フィルター４７とピーク検出器４８とからなる心電波形信号処理部４５とで構成されている。そして上記演算部２３は、脈波伝搬時間算出部２４と関数テーブル２５と血圧算出部２６で構成されている。

人体の外耳５は図４に示すように耳介５０と外耳道５１、その入り口側にある耳珠５２、入り口下部にある耳甲介腔５３で構成され、外耳道５１はほぼ２．５ｃｍの長さでＳ字状に湾曲するとともに外側１／３ほどの軟骨組織部５４と残る２／３ほどの骨組織部５５で形成されている。そして外耳道５１の奥に位置する鼓膜５６は図５に示すように直径約１ｃｍ、厚さ０．１ｍｍの半透明膜で、細い動脈５７が周囲から中心に向かって伸びている。

上記の生体情報計測装置は、外耳道挿入部１１を外耳道５１に挿入した時、脈波と心電とを計測してこれらを基に血圧を算出するものである。すなわち、外耳道５１に挿入された外耳道挿入部１１の先端面に位置する発光素子１２からの光で鼓膜５６を照射するとともに鼓膜５６からの反射光を受光素子１３で受光する。この時、発光素子１２としては、血液中のヘモグロビンに対する選択制の強い波長領域、たとえば９４０ｎｍの波長の光を鼓膜５６に照射するものを用いるものであり、鼓膜５６の動脈にあたった光の一部はヘモグロビンで吸収されて残りが反射する。脈波の拍動に伴って上記反射光の強度が変化することから、上記反射光をフォトトランジスタ等の受光素子１３で受光するとともに受光素子１３の出力信号を処理することで、脈波波形（図７中のイ）を取り出すことができる。

また、外耳道挿入部１１を外耳道５１に挿入した時、電極１４は耳甲介腔５３に接触し、外耳道挿入部１１に位置している電極１５は軟骨組織部５４と接触する。なお、電極１５を複数に分割しているのは、外耳道５１奥部への通気性の確保と、外耳道５１の圧迫を抑えるためであり、この意味では電極１５として外面に凹凸のあるものを用いるのも好ましい。

そして上記両電極１４，１５で測定される電位差を処理することで心電波形（図７中のロ）を得るものであり、本体２の演算部２３ではその脈波伝搬時間算出部２４において、心電波形のピークＲと脈波波形のピークＴとの時間差から脈波伝搬時間ＰＴＴを算出する。この脈波伝搬時間ＰＴＴは図８に示すように血圧と相関関係があることが知られている。このために、予め上腕でカフなどを用いた血圧測定を併用することで最高血圧及び最低血圧と脈波伝播時間ＰＴＴとの間の関数テーブル２５を作成しておけば、この関数テーブル２５を参照することで脈波伝搬時間ＰＴＴから対応する血圧を算出することができるものであり、得られた血圧は表示部２１に表示する。

図９に示したものは、発光素子１２として、中心波長が動脈中ヘモグロビンの赤色光の吸光度を測定するための６３０ｎｍのものと、中心波長が動脈中ヘモグロビンの赤外光の吸光度を測定するための９４０ｎｍのものの２つを用いたものを示している。波長の異なる光を用いることにより、酸素飽和度の算出も行うことができる。図１０はこの場合のブロック図を示しており、脈波測定モジュール３０では上記赤色光Rと赤外光IRとを交互に照射し、受光素子１３にて検出された信号を脈波信号処理部３５において脈動によるＡＣ成分と非脈動によるＤＣ成分（図１１参照）に分け、夫々の波長のＡＣ成分とＤＣ成分の比から次式のｒを算出する。
ｒ＝（ＡＣ_R／ＤＣ_R）／（ＡＣ_IR／ＤＣ_IR））
そして酸素飽和度算出部２７において上記ｒの値から予め求めておいた関数により酸素飽和度を算出する。

図１２に別の例を示す。これは血圧算出部２６で求めた血圧値を時間情報とともにに蓄積する記憶装置２８と、記憶装置２８に蓄積した血圧値の変化を基に循環機能診断を行う循環機能新段部２９を演算部２３に設けて、たとえば夜間の睡眠中の一定時間毎の血圧変動と、予めデータベースとして蓄積されている心疾患と血圧変動の関係に基づいて循環機能診断を行うのである。

上記記憶装置２８に代えて、図１３に示すようにネットワーク７０を介して接続された管理サーバー７１を用いて、該管理サーバー７１に血圧値の変化を蓄積するようにしてもよく、この時、医療機関７２も上記管理サーバー７１にアクセスすることができるようにしておくことで、担当医師が適切な診断を行うこともできるものとなる。また、ここでは血圧変動から循環機能を診断するようにしているが、心拍変動や酸素飽和度の変動を用いて自律神経機能や睡眠時無呼吸症候群を診断することも可能である。

図１４及び図１５に示したものは、算出した血圧値を音声に変換する変換部６０１とスピーカ６０２とからなる音声出力部６０を設けるとともに、少なくともスピーカ６０２をイヤーピース１側に配したものを示している。測定した血圧値を音声で知らせることができるものであり、表示部２１を見なくても使用者は血圧値を知ることができる。この時、切換釦６１の操作で表示部２１側への表示を止めることができるようにして、音声のみで知らせることができるようにしておくと、血圧測定結果や血圧測定中であることを他人に知られることがないものとなる。

また図１６に示すように、イヤーピース１にマイクロフォン６３を内蔵させてこのマイクロフォン６３で拾った音声を増幅してスピーカ６０２に出力する補聴器機能を付加することも好ましい。なお、図１４及び図１６における図中の６２はボリュームである。

図１７に別の例を示す。これは角度センサ６５１と角度信号処理部６５２とからなる角度検出部６５を設けるとともに、少なくとも角度センサ６５１をイヤーピース１に内蔵させ、更に本体２側には角度検出部６５の出力信号から測定姿勢を判別する測定姿勢判別部６６を設けたものである。使用者が寝ているか起きているかを角度検出部６５の出力信号を基に判別することで、たとえば起立性低血圧であるかどうかを診断することができるものとなる。すなわち、使用者が仰臥位にある時（角度ゼロ）の血圧値と、上半身を起こした状態（角度９０°）での血圧値との差が所定値以上であれば、起立性低血圧であると診断することができる。

図１８は加速度センサ６７１と加速度信号処理部６７２とからなる体動検出部６７を設けるとともに、少なくとも加速度センサ６７１をイヤーピース１側に配し、本体２側には体動レベル判別部６８を設けたものを示している。加速度センサ６７の出力は加速度信号処理部６７２において増幅・フィルタリングされた後、体動レベル判別部６８において所定の閾値を越えたかどうかの判定がなされ、上記閾値を超える場合には脈波検出部３及び心電検出部４からの信号を除去し、上記閾値以下であれば前述の血圧値算出を行う。体動による影響を受けることなく血圧測定を行うことができる。

体動検出部６７と脈波検出部３と心電検出部４の各出力信号をフーリエ変換により周波数成分別に分け、脈波信号及び心電信号の周波数成分から体動検出信号の周波数成分を除去した後、フーリエ変換により周波数成分に分け、脈波信号と心電信号の周波数成分から体動信号の周波数成分を除去した後、該フーリエ変換で体動成分のない脈波信号及び心電信号に戻して、ここから血圧値を算出することもでき、この場合、歩行時や食事中などの体動がある状態においても血圧を測定することができる。

上記の各例ではイヤーピース１と本体２とをケーブル２０で接続したものを示したが、図１９に示すように、上記両者１，２間を無線通信機能で接続するようにしてもよく、この場合、近距離無線通信方式の１つであるBluetoothを好適に用いることができる。図中７５は無線送信部、７６は無線受信部である。ケーブル２０が無いために、イヤーピース１の装着感を向上させることができるとともにイヤーピース１の位置ずれが起こりにくくなる。なお、本体２はネットワーク７０を介して管理サーバー７１に接続される携帯電話のような移動通信端末であってもよく、在宅で使用している患者の緊急時において医療機関７２による迅速な対応が可能となる。

図２０はイヤーピース１における外耳道挿入部１１をシリコン樹脂などの柔らかく且つ弾性変形可能な材料でＳ字状に形成したものを示している。この場合、発光素子１２及び受光素子１３は基部１０側に配置し、これらに一端を対向させた光ファイバー１２０，１３０の各他端を外耳道挿入部１１の先端面に位置させることが好ましい。外耳道挿入部１１を外耳道５１にフィットした形状とすることができるために、イヤーピース１の位置ずれが起こりにくくなり、高い信号レベルでの測定を行うことができる。

図２１に示すように、外耳道挿入部１１の外周面に圧迫体７７を配置するとともに、基部１０側にマイクロポンプ７８及びマイクロ圧力計７９を配したもので、たとえば厚さ０．１ｍｍ程度のウレタンやシリコンなどで形成された圧迫体７７は、マイクロポンプ７８から供給される空気圧で膨らんで外耳道５１内面に密着することで、測定中のイヤーピース１の位置ずれを防いで、より正確な脈波情報や心電情報の取得を補助する。なお、圧迫体７７の膨張は血圧測定時のみとし、非測定時には収縮するようにしておくことで、外耳道５１の側部にある動脈がうっ血してしまったり、長時間の過剰な圧迫で炎症が生じてしまったりすることを防ぐことができる。

また、圧迫体７７を所定値まで加圧し、その後、一定速度で減圧させることにより、外耳道５１の側部にある動脈の振動を検出し、得られた振動成分からオシロメトリック法により血圧を測定することもできる。この場合、血圧値と脈波伝搬時間との間で校正を行う際に上腕血圧計が不要となるために、操作が一層簡単なものとなる。

図２２に示すものは、イヤーピース１における基部１０に対して外耳道挿入部１１を着脱自在としたものであり、図中８１，８２は着脱自在な係合連結部を示している。なお、この着脱に際しては、電極１５や発光素子１２や受光素子などへの配線の途中に設けたコネクタ（図示せず）も着脱されるものとしている。外耳道挿入部１１が汚れた場合など、基部１０から取り外して洗浄したり他の新品の外耳道挿入部１１への交換などに応ずることができる。

本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)はブロック図、(b)は端面図である。同上のイヤーピースの正面図である。同上のブロック回路図である。人体の外耳の断面図である。人体の鼓膜の正面図である。他例のブロック図である。脈波伝搬時間についての説明図である。脈波伝搬時間と血圧との相関を示す説明図である。別の例の端面図である。同上のブロック回路図である。同上のＡＣ成分とＤＣ成分の説明図である。更に別の例のブロック回路図である。他の例のブロック図である。別の例のブロックである。同上のブロック回路図である。更に他の例のブロック図である。他の例のブロック回路図である。別の例のブロック回路図である。異なる例のイヤーピースの正面図である。更に異なる例のイヤーピースの正面図である。他の例のブロック図である。別の例を示すもので、(a)はイヤーピースの基部の正面図、(b)は基部の係合連結部の正面図、(c)は外耳道挿入部の正面図、(d)は外耳道挿入部の係合連結部の正面図である。

符号の説明

１イヤーピース
１０基部
１１外耳道挿入部
１２発光素子
１３受光素子
１４電極
１５電極

Claims

人体の外耳道に挿入される外耳道挿入部と、該外耳道挿入部に配されているとともに人体鼓膜に向けて光を照射し且つ鼓膜からの反射光を受光する受発光部と、上記反射光から得られる信号を基に生体情報を算出する生体情報算出部とを備えていることを特徴とする生体情報計測装置。
人体の耳介組織に接触する電極及び人体の外耳道に接触する電極とを備え、生体情報算出部は前記反射光及び上記電極から得られる信号を基に生体情報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。
生体情報算出部は反射光及び上記電極から得られる信号のピークまたはボトムの時間差を基に生体情報を算出するものであることを特徴とする請求項２記載の生体情報計測装置。
受発光部における発光部は少なくとも２つの異なる波長の光を照射するものであり、生体情報算出部は上記異なる波長の光の反射係数の比によって酸素飽和度を算出する酸素飽和度算出部を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の生体情報計測装置。
連続して算出した生体情報を蓄積する記憶部を備えているとともに生体情報の時間的変化を基に循環機能の診断を行う診断手段を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の生体情報計測装置。
算出した生体情報を音声出力する音声出力部を上記外耳道挿入部を含む外耳装着部に備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の生体情報計測装置。
測定姿勢の計測用の角度センサを上記外耳道挿入部を含む外耳装着部に備えるとともに、該角度センサ出力と得られた生体情報とから自律神経機能を診断する診断部を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の生体情報計測装置。
体動検出用の加速度センサを上記外耳道挿入部を含む外耳装着部に備えるとともに、生体情報算出部は上該加速度センサ出力を基に体動の影響を除いた生体情報を算出するものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の生体情報計測装置。
外耳道挿入部は受発光部に各一端を対向させた光ファイバーを内蔵してその他端を外耳道挿入部の先端面に位置させていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の生体情報計測装置。
外耳道挿入部はその外周面に膨張収縮自在であり且つ膨張時に外耳道内面に接する圧迫体を備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の生体情報計測装置。
膨張させた圧迫体を減圧収縮させる際の圧迫体の振動成分より血圧値を算出する血圧測定部を備えていることを特徴とする請求項１０記載の生体情報計測装置。
外耳道挿入部に設けられた電極は外耳道挿入部の周方向において複数に分割もしくは外周面に凹凸が設けられたものであることを特徴とする請求項２記載の生体情報計測装置。