JP2007282903A - 脈波測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】脈波検出性能の劣化を防ぎ、かつ小型化を図ることが可能な脈波測定装置を提供する。
【解決手段】脈波測定装置１００は、生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定し、動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサＣＸと、圧力検出用コンデンサＣＸに第１の充電電圧を印加して第１の電荷を蓄え、かつ圧力検出用コンデンサＣＸに第１の充電電圧と異なる第２の充電電圧を印加して第２の電荷を蓄える充電部５１と、第１の電荷に基づいて第１の変換電圧を生成し、かつ第２の電荷に基づいて第２の変換電圧を生成する電圧変換部５２と、第１の変換電圧および第２の変換電圧に基づいて圧力検出用コンデンサＣＸの静電容量を表わす電圧を出力する演算部５４とを備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、脈波測定装置に関し、特に、静電容量素子を用いて動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置に関する。

非観血式で簡便に動脈内の圧力波形を得る圧脈波測定法として、非特許文献１に記載されるトノメトリ法が知られている。トノメトリ法では、生体の表面に固形平板を押し当て、この固形平板によって動脈に平坦部が形成される程度に生体の表面を圧迫する。そして、動脈の表面に生じる張力の影響が除外された圧平衡状態を保つことにより、動脈内の圧力変化のみを精度よく安定して測定する。

近年、トノメトリ法によって測定した動脈内の圧力波形から特徴量を算出することにより、生体内の状態を測定する試みがなされている。その試みの一つとして、動脈の硬化度合いを判断する指標であるＡＩ（Augmentation Index）値についての研究が鋭意行なわれている。

トノメトリ法を用いて動脈内の圧力波形を測定する条件としては、動脈に平坦部が形成される程度に生体の表面を圧迫することの他に、動脈に形成された平坦部の直上にセンサ素子が配置されることが必要になる。また、精度よく動脈内の圧力波形の測定を行なうためには、動脈に形成された平坦部の幅よりもセンサ素子の幅を小さく構成することが必要であり、そのためにはセンサ素子が動脈径よりも十分に小さいことが必要である。以上を考慮した場合、単一のセンサ素子を動脈に形成された平坦部の直上に位置決めして配置することは非常に困難であるため、微小加工された複数のセンサ素子が配置された圧力センサを動脈の延在方向と略直交するように配置して圧脈波を測定することが現実的である。

一般に、圧力を測定するセンシング方式としては、歪み抵抗素子を利用したセンシング方式および静電容量素子を利用したセンシング方式が知られている。静電容量素子を利
用したセンシング方式では、センサ素子の構造が歪み抵抗素子に比べて簡素であるため、多額の製造コストを要する半導体製造プロセスを利用することなく安価に製作できるというメリットがある。

動脈内の圧力波形を得るためのものではないが、測定面に静電容量素子がアレイ状に配置された圧力センサとして、特許文献１には、増幅器および静電容量素子等でフィードバックループが構成されるインピーダンスブリッジ方式のセンサ装置が開示されている。

しかしながら、特許文献１記載のセンサ装置では、精度を高めるためにフィードバックループにおける信号の位相制御および位相測定を行なう構成が必要であり、回路規模が増大してしまう。

このような問題点を解決するために、非特許文献２には、増幅器、コンデンサおよびスイッチ等で構成される電荷電圧変換方式のセンサ装置が開示されている。電荷電圧変換方式は、インピーダンスブリッジ方式において必要となる位相制御および位相測定が不要であり、センサ装置の小型化を図ることができる。

ここで、前述のように複数のセンサ素子が配置された圧力センサを用いる場合、複数のセンサ素子からの出力を選択するマルチプレクサが必要となる。マルチプレクサは、通常ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）プロセスを使用して製造する必要がある。非特許文献２記載のセンサ装置では、ＭＯＳプロセスを使用していることから、マルチプレクサが必要となる場合でも製造プロセスの共通化を図ることができ、センサ装置の小型化を図ることができる。

非特許文献２記載のセンサ装置は、このように小型化を図ることができ、かつＭＯＳプロセスを使用しているために消費電力が小さいことから、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）圧力センサおよびＭＥＭＳ加速度センサに採用されている。
特表２００５−５０７０８３号公報 G.L.Pressman, P.M.Newgard, "A Transducer for the Continuous External Measurement of Arterial Blood Pressure", IEEE TRANSACTIONS ON BIO-MEDICAL ELECTRONICS, 1963, pp.74-81 Y.E.Park and K.D.Wise, "AN MOS SWITCHED-CAPACITOR READOUT AMPLIFIER FOR CAPACITIVE PRESSURE SENSORS", Proc.IEEE Custom Circuit Conf. ,May 1983, pp.380-384

ところで、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置では、脈波の周波数成分のうち、少なくとも０ＨｚすなわちＤＣ成分から約３０Ｈｚまでの周波数成分を検出して圧力波形を再現する必要がある。したがって、０Ｈｚから約３０Ｈｚまでの周波数成分の振幅および位相に影響を与えるフィルタ処理等を行なうことは望ましくない。

ここで、非特許文献２記載のセンサ装置の誤差要因として、増幅器で発生する低周波ノイズがある。非特許文献２記載のセンサ装置では、ＭＯＳプロセスを使用しているためにバイポーラプロセスと比べて発生する低周波ノイズの電力が大きくなる。これらの低周波ノイズのうち、たとえば、増幅器で発生する１／ｆノイズおよび熱雑音は、脈波測定装置で検出すべき０Ｈｚから約３０Ｈｚまでの周波数成分の全部または一部と一致する。しかしながら、前述のように０Ｈｚから約３０Ｈｚまでの周波数成分の振幅および位相に影響を与えるフィルタ処理等を行なうことは望ましくない。したがって、非特許文献２記載のセンサ装置では、増幅器の１／ｆノイズおよび熱雑音等をアナログフィルタおよびデジタルフィルタ等を使用して除去することができず、検出性能が劣化してしまうという問題点があった。

それゆえに、本発明の目的は、脈波検出性能の劣化を防ぎ、かつ小型化を図ることが可能な脈波測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる脈波測定装置は、生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置であって、動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサと、圧力検出用コンデンサに第１の充電電圧を印加して第１の電荷を蓄え、かつ圧力検出用コンデンサに第１の充電電圧と異なる第２の充電電圧を印加して第２の電荷を蓄える充電部と、第１の電荷に基づいて第１の変換電圧を生成し、かつ第２の電荷に基づいて第２の変換電圧を生成する電圧変換部と、第１の変換電圧および第２の変換電圧に基づいて圧力検出用コンデンサの静電容量を表わす電圧を出力する演算部とを備える。

好ましくは、演算部は、第１の変換電圧および第２の変換電圧の差に基づいて圧力検出用コンデンサの静電容量を表わす電圧を出力する。

好ましくは、脈波測定装置は、さらに、第１の変換電圧を保持する電圧保持部を備え、充電部は、電圧保持部が第１の変換電圧を保持した後、第２の充電電圧に基づいて圧力検出用コンデンサに第２の電荷を蓄え、電圧変換部は、電圧保持部が第１の変換電圧を保持した後、圧力検出用コンデンサに蓄えられた第２の電荷に基づいて第２の変換電圧を生成し、演算部は、第２の変換電圧および保持された第１の変換電圧に基づいて圧力検出用コンデンサの静電容量を表わす電圧を出力する。

またこの発明のさらに別の局面に係わる脈波測定装置は、生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置であって、動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサと、反転入力端子が圧力検出用コンデンサの一端に接続され、非反転入力端子が第１の基準電圧に接続される演算増幅器と、一端が演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される電荷転送用コンデンサと、一端が演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される第１のスイッチと、一端が演算増幅器の出力に接続される電荷保持用コンデンサと、一端が電荷保持用コンデンサの他端に接続され、他端が第２の基準電圧に接続される第２のスイッチとを備える。

またこの発明のさらに別の局面に係わる脈波測定装置は、生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置であって、動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサと、反転入力端子が圧力検出用コンデンサの一端に接続され、非反転入力端子が第１の基準電圧に接続される演算増幅器と、一端が演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される電荷転送用コンデンサと、一端が演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される第１のスイッチと、一端が演算増幅器の出力に接続される第２のスイッチと、一端が第２のスイッチの他端に接続され、他端が第２の基準電圧に接続される第１の電荷保持用コンデンサと、第１の入力端子が第２のスイッチの他端に接続され、第２の入力端子が演算増幅器の出力に接続される差動増幅器とを備える。

好ましくは、脈波測定装置は、さらに、一端が演算増幅器の出力に接続される第３のスイッチと、一端が第３のスイッチの他端に接続され、他端が第３の基準電圧に接続される第２の電荷保持用コンデンサとを備え、差動増幅器は、第１の入力端子が第２のスイッチの他端に接続され、第２の入力端子が第３のスイッチの他端に接続される。

好ましくは、脈波測定装置は、さらに、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、制御部とを備え、制御部は、充電部、第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御して、圧力検出用コンデンサの他端に第１の充電電圧を印加し、第１のスイッチをオン状態とし、その後、第１のスイッチをオフ状態とし、その後、第２のスイッチをオン状態とし、かつ第１の充電電圧の印加を停止し、その後、第２のスイッチをオフ状態とし、その後、圧力検出用コンデンサの他端に第２の充電電圧を印加し、第１のスイッチをオン状態とし、その後、第１のスイッチをオフ状態とし、その後、第２の充電電圧の印加を停止する。

より好ましくは、制御部は、第１の充電電圧の印加を停止するとき、および第２の充電電圧の印加を停止するとき、圧力検出用コンデンサの他端に第１の基準電圧を印加する。

より好ましくは、第１の充電電圧および第２の充電電圧は、絶対値が等しく、かつ印加方向が逆である。

好ましくは、脈波測定装置は、さらに、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、制御部とを備え、制御部は、充電部、第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御して、圧力検出用コンデンサの他端に第１の基準電圧を印加し、第１のスイッチをオン状態とし、その後、第１のスイッチをオフ状態とし、その後、第２のスイッチをオン状態とし、その後、第２のスイッチをオフ状態とし、その後、圧力検出用コンデンサの他端に第１の基準電圧と異なる充電電圧を印加し、第１のスイッチをオン状態とし、その後、第１のスイッチをオフ状態とし、その後、充電電圧の印加を停止する。

好ましくは、脈波測定装置は、さらに、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、制御部とを備え、制御部は、充電部、第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御して、圧力検出用コンデンサの他端に第１の基準電圧と異なる充電電圧を印加し、第１のスイッチをオン状態とし、その後、第１のスイッチをオフ状態とし、その後、第２のスイッチをオン状態とし、かつ充電電圧の印加を停止し、その後、第２のスイッチをオフ状態とし、その後、圧力検出用コンデンサの他端に第１の基準電圧を印加し、第１のスイッチをオン状態とし、その後、第１のスイッチをオフ状態とする。

本発明によれば、脈波検出性能の劣化を防ぎ、かつ小型化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第１の実施の形態＞
［脈波測定装置の構成および基本動作］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置の外観図である。なお、図１は、センサアレイを手首に押圧した測定状態を示している。図２は、図１に示す測定状態における手首および脈波測定装置の模式断面図である。

図１および図２を参照して、脈波測定装置１００は、被験者の手首において動脈内の圧力波形を測定するためのものである。脈波測定装置１００は、載置台１１０と、センサユニット１と、締付けベルト１３０とを備える。センサユニット１は、ケーシング１２２と、押圧カフ１８と、センサアレイ１９とを含む。

載置台１１０は、被験者の一方の腕２００の手首および前腕を載置するための載置部１１２を含む。締付けベルト１３０は、載置台１１０に載置された腕２００の手首部分を固定する。センサユニット１は、締付けベルト１３０に取付けられ、センサアレイ１９を内蔵する。

図１を参照して、載置台１１０に手首が固定された状態においては、動脈２１０が腕２００の延在方向と平行な方向に位置する。図２を参照して、センサユニット１のケーシング１２２内に内蔵された押圧カフ１８が膨張することにより、センサアレイ１９が下降し、手首の表面に向かってセンサアレイ１９のセンサ面が押し当てられる。押圧カフ１８は、後述する加圧ポンプ１５および負圧ポンプ１６により内圧が調整される。センサアレイ１９は、センサ面に設けられた後述する下部電極３１が動脈２１０の延在方向と略直交する方向に延在するように配置される。

押圧時においては、動脈２１０が橈骨２２０とセンサアレイ１９のセンサ面とによって上下方向から挟み込まれれた状態となり、動脈２１０に平坦部が形成される。そして、動脈２１０に形成された平坦部の直上に少なくとも１個のセンサエレメント２８が位置することになる。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるセンサアレイ１９、マルチプレクサ２０およびＣ−Ｖ変換部２１の構成を示す図である。図４は、センサアレイ１９の外観斜視図である。

図３を参照して、センサアレイ１９は、マルチプレクサ２０と、Ｃ−Ｖ変換部２１と組み合わされて使用される。Ｃ−Ｖ変換部２１は、充電部５１を含む。

図４を参照して、センサアレイ１９は、下部電極３１と、上部電極３２と、スペーサ部材３０とを含む。下部電極３１は、互いに並走するように行状に設けられた実質的に直線状に延びる複数の帯状銅箔電極からなる。上部電極３２は、下部電極３１と直交する方向に互いに並走するように列状に設けられた実質的に直線状に延びる複数の帯状銅箔電極からなる。下部電極３１および上部電極３２の間には、シリコンラバーからなるスペーサ部材３０が配置される。

行列状に配置された下部電極３１および上部電極３２の交差部においては、スペーサ部材３０によって所定の距離だけ離れて下部電極３１と上部電極３２とが対向配置される。これにより、下部電極３１および上部電極３２の交差部においてセンサエレメント２８が形成される。すなわち、センサアレイ１９は、行列状に配置された複数個のセンサエレメント２８を含む。

センサエレメント２８は、上部電極３２または下部電極３１に加わる圧力によって互いに接近する方向に歪むことにより、静電容量が変化する。

再び図３を参照して、下部電極３１および上部電極３２の一方の電極にマルチプレクサ２０を介してＣ−Ｖ変換部２１が接続される。マルチプレクサ２０は、特定の下部電極３１および上部電極３２を選択する。このような構成により、行列状に配置された複数個のセンサエレメント２８のうちのいずれか１個の静電容量をＣ−Ｖ変換部２１の出力電圧として得ることが可能になる。たとえば、マルチプレクサ２０が、上から２行目の下部電極３１と左から３列目の上部電極３２とを選択した場合には、センサエレメント２８ＡがＣ−Ｖ変換部２１に接続される。したがって、センサアレイ１９の任意の位置における圧力波形を測定することが可能になる。なお、図３では上部電極３２がマルチプレクサ２０を介して充電部５１に接続されているが、下部電極３１および上部電極３２の接続関係を逆にして下部電極３１がマルチプレクサ２０を介して充電部５１に接続される構成であってもよい。

図５は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置の機能ブロック図である。
図５を参照して、脈波測定装置１００は、センサユニット１と、表示ユニット３と、載置台１１０とを備える。表示ユニット３は、操作部２４と、表示部２５とを含む。センサユニット１は、押圧カフ１８と、センサアレイ１９とを含む。載置台１１０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１３と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）（制御部）１１と、駆動回路１４と、加圧ポンプ１５と、負圧ポンプ１６と、切り替え弁１７と、マルチプレクサ２０と、Ｃ−Ｖ変換部２１と、ローパスフィルタ２２と、Ａ／Ｄ変換部２３とを含む。

操作部２４は、外部からの操作を検出し、検出結果を操作信号としてＣＰＵ１１等に出力する。ユーザは、操作部２４を操作して脈波測定に関する各種情報を脈波測定装置１００に入力する。

表示部２５は、動脈位置検出結果および脈波測定結果等の各種情報を外部に出力するためのＬＥＤ（Light Emitting Diode）と、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）とを含む。

ＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３は、たとえば、脈波測定装置１００を制御するためのデータおよびプログラムを記憶する。

駆動回路１４は、ＣＰＵ１１からの制御信号に基づいて加圧ポンプ１５、負圧ポンプ１６および切り替え弁１７を駆動する。

ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムをＲＡＭ１３上に展開して実行し、脈波測定装置１００における各ブロックの制御および演算処理を行なう。また、ＣＰＵ１１は、操作部２４から受けたユーザの操作信号に基づいて脈波測定装置１００における各ブロックの制御処理を行なう。すなわち、ＣＰＵ１１は、操作部２４から受けた操作信号に基づいて制御信号を各ブロックに出力する。また、ＣＰＵ１１は、脈波測定結果等を表示部２５に表示する。

加圧ポンプ１５は、押圧カフ１８の内圧を加圧するためのポンプであり、また、負圧ポンプ１６は、押圧カフ１８の内圧を減圧するためのポンプである。切り替え弁１７は、加圧ポンプ１５および負圧ポンプ１６のいずれかを選択的にエア管６に接続する。

押圧カフ１８は、センサアレイ１９を手首上に押圧させるために加圧調整される空気袋を含む。

センサアレイ１９は、押圧カフ１８の圧力によって被験者の手首等の測定部位に押圧される。センサアレイ１９は、押圧された状態で、撓骨動脈を介して被験者の脈波すなわち動脈内の圧力波形を検出する。

マルチプレクサ２０は、ＣＰＵ１１から受けた制御信号に基づいて、センサアレイ１９における複数個のセンサエレメント２８のうちのいずれか１個を選択する。Ｃ−Ｖ変換部２１は、マルチプレクサ２０が選択したセンサエレメント２８の静電容量値を電圧に変換する、すなわち動脈内の圧力波形を表わす、動脈から生体表面に伝達される圧力振動波を電圧信号として出力する（以下、圧力信号とも称する）。

ローパスフィルタ２２は、Ｃ−Ｖ変換部２１から受けた圧力信号のうち、所定の周波数成分を減衰させる。

Ａ／Ｄ変換部２３は、ローパスフィルタ２２を通過したアナログ信号である圧力信号をデジタル信号に変換してＣＰＵ１１に出力する。

なお、載置台１１０が表示ユニット３を含む構成であってもよい。また、載置台１１０がＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３を備える構成としたが、これらを表示ユニット３が含む構成としてもよい。また、ＣＰＵ１１がＰＣ（Personal Computer）と接続されて、各種制御を行なう構成であってもよい。

［脈波測定装置の動作］
図６は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の動作手順を定めたフローチャートである。図６のフローチャートに示される処理は、ＣＰＵ１１が、ＲＯＭ２２にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムをＲＡＭ２３上に展開して実行することによって実現される。

図６を参照して、まず、脈波測定装置１００に電源が投入されると、ＣＰＵ１１は、駆動回路１４に対して負圧ポンプ１６を駆動するように指示する。駆動回路１４は、ＣＰＵ１１からの指示に基づいて切り替え弁１７を負圧ポンプ１６側に切り替え、負圧ポンプ１６を駆動する（Ｓ１０１）。駆動された負圧ポンプ１６は、切り替え弁１７を介して押圧カフ１８の内圧が大気圧よりも十分に低くなるように減圧する。このような構成により、センサアレイ１９が不用意に突出して誤動作および故障が生じることを回避できる。

ＣＰＵ１１は、センサアレイ１９が測定部位に移動したことを検知すると（Ｓ１０２）、脈波測定を開始する。ここで、センサユニット１は、センサアレイ１９の移動を検知するための図示しないマイクロスイッチ等を備え、ＣＰＵ１１は、マイクロスイッチの検出信号に基づいてセンサアレイ１９の位置を認識する。なお、ＣＰＵ１１は、操作部２４に含まれる測定開始スイッチ（図示せず）が押されたことを検知すると、脈波測定を開始する構成であってもよい。

ＣＰＵ１１は、センサアレイ１９が測定部位に移動すると（Ｓ１０２でＹＥＳ）、駆動回路１４に対し、加圧ポンプ１５を駆動するように指示する。駆動回路１４は、ＣＰＵ１１からの指示に基づいて切り替え弁１７を加圧ポンプ１５側に切り替え、加圧ポンプ１５を駆動する（Ｓ１０３）。駆動された加圧ポンプ１５は、切り替え弁１７を介して押圧カフ１８の内圧を加圧し、センサアレイ１９を被験者の測定部位の表面に押圧する。

センサアレイ１９が測定部位に押圧されると、マルチプレクサ２０は、ＣＰＵ１１の制御に基づいて、Ｃ−Ｖ変換部２１に接続するセンサエレメント２８を時分割で切り替える。Ｃ−Ｖ変換部２１は、マルチプレクサ２０が選択したセンサエレメント２８の静電容量値を電圧に変換する。ローパスフィルタ２２は、Ｃ−Ｖ変換部２１から受けた圧力信号のうち、所定の周波数成分を減衰させる。Ａ／Ｄ変換部２３は、ローパスフィルタ２２を通過した圧力信号をデジタル情報に変換し、ＣＰＵ１１に出力する。

ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換部２３から受けたデジタル情報に基づいてセンサエレメント２８の位置と圧力信号との関係を表わすトノグラムを作成し、表示部２５に表示する（Ｓ１０４）。

ＣＰＵ１１は、作成したトノグラムに基づいて、動脈上に位置するセンサエレメント２８を検出して選択する（Ｓ１０５）。なお、センサエレメント２８を検出する処理については、本願出願人がすでに出願して公開されている特開２００４−２２２８４７号公報に記載の技術等を用いることができる。

また、ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換部２３から受けたデジタル情報に基づいて、Ｃ−Ｖ変換部２１から出力される圧力信号の直流成分を抽出する（Ｓ１０６）。圧力信号の直流成分は、所定期間の圧力信号の平均値、圧力信号のうちの所定周波数以下の成分すなわち脈波成分を除去した圧力信号、および脈波立上り点すなわち脈波成分が混入する直前の圧力信号レベル等で表わされる。

より具体的には、圧力信号の出力変化を所定期間ごとのウィンドウ（区間）に分割し、各ウィンドウ内の平均を算出することで、直流成分を抽出することができる。あるいは、各ウィンドウ内の最大値と最小値との中間値を算出する等を行なっても、同様に直流成分を抽出することができる。なお、上述の所定期間は、被験者の脈拍に拠らない予め脈波測定装置１００に設定されている期間であり、一般的な脈拍の間隔以上である１．５秒程度であることが好ましい。

次に、ＣＰＵ１１は、駆動回路１４を制御して最適圧力調整を行なう、すなわち圧力信号の直流成分が安定するように押圧カフ１８の内圧を調整する（Ｓ１０７）。

次に、ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換部２３から受けたデジタル情報が表わす、現在選択しているＣ−Ｖ変換部２１からの圧力信号に基づいて、波形データを取得し、取得した波形データに基づいて脈波を測定する（Ｓ１０８）。

そして、ＣＰＵ１１は、脈波測定の終了条件が成立した場合には（Ｓ１０９でＹＥＳ）、駆動回路１４を制御して負圧ポンプ１６を駆動し、測定部位に対するセンサアレイ１９の押圧状態を解除する（Ｓ１１０）。ここで、脈波測定の終了条件は、予め設定された所定時間（たとえば３０秒）の経過であってもよいし、ユーザからの測定終了の指示および測定中断の指示等であってもよい。

一方、ＣＰＵ１１は、所定条件が成立しない場合には（Ｓ１０９でＮＯ）、波形データの転送処理を繰り返し行ない、脈波測定を継続する（Ｓ１０８）。

［Ｃ−Ｖ変換部およびセンサエレメントの構成および基本動作］
図７は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す機能ブロック図である。

図７を参照して、Ｃ−Ｖ変換部２１は、充電部５１と、電圧変換部５２と、電圧保持部５３と、演算部５４とを含む。コンデンサＣＸは、センサエレメント２８に対応する。なお、図７では説明を簡単にするためにマルチプレクサ２０を図示せず、また、マルチプレクサ２０が選択したコンデンサＣＸのみを示している。

コンデンサＣＸは、脈波測定装置１００のセンサアレイ１９が生体の表面に押し当てられた状態において、生体の動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する。

充電部５１は、コンデンサＣＸに第１の充電電圧を印加して第１の電荷を蓄える。電圧変換部５２は、コンデンサＣＸに蓄えられた第１の電荷に基づいて第１の変換電圧を生成し、電圧保持部５３に出力する。電圧保持部５３は、電圧変換部５２から受けた第１の変換電圧を保持する。

そして、充電部５１は、コンデンサＣＸに第２の充電電圧を印加して第２の電荷を蓄える。電圧変換部５２は、コンデンサＣＸに蓄えられた第２の電荷に基づいて第２の変換電圧を生成し、演算部５４に出力する。

演算部５４は、電圧保持部５３が保持している第１の変換電圧および電圧変換部５２から受けた第２の変換電圧に基づいてコンデンサＣＸの静電容量を表わす電圧を出力する。

なお、Ｃ−Ｖ変換部２１は、電圧保持部５３を含まない構成であってもよい。たとえば、脈波測定装置１００の外部における図示しないＣＰＵがＲＡＭ等に第１の変換電圧を保存する。そして、充電部５１は、コンデンサＣＸに第２の充電電圧を印加して第２の電荷を蓄え、電圧変換部５２は、コンデンサＣＸに蓄えられた第２の電荷に基づいて第２の変換電圧を生成し、演算部５４に出力する。そして、演算部５４が、図示しないＣＰＵ経由でＲＡＭから取得した第１の変換電圧および電圧変換部５２から受けた第２の変換電圧に基づいてコンデンサＣＸの静電容量を表わす電圧を出力する構成であってもよい。

図８は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す回路図である。

図８を参照して、Ｃ−Ｖ変換部２１は、センサエレメント２８に対応するコンデンサ（圧力検出用コンデンサ）ＣＸと組み合わせて使用される。Ｃ−Ｖ変換部２１は、コンデンサＣＣと、電荷転送用コンデンサＣＦと、コンデンサ（電荷保持用コンデンサ）ＣＮと、コンデンサＣＨ１と、スイッチ（第１のスイッチ）ＳＷ１と、スイッチ（第２のスイッチ）ＳＷ２と、スイッチＳＷ３と、演算増幅器Ｇ１〜Ｇ３と、充電部５１とを備える。充電部５１は、スイッチＳＷ５１〜ＳＷ５４と、電源Ｖ１およびＶ２とを含む。スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、たとえばアナログスイッチである。なお、図８では説明を簡単にするためにマルチプレクサ２０を図示せず、また、マルチプレクサ２０が選択したコンデンサＣＸのみを示している。

ここで、演算増幅器Ｇ１と、スイッチＳＷ１と、コンデンサＣＦとが、図７に示す電圧変換部５２に対応する。また、スイッチＳＷ２と、コンデンサＣＮとが、図７に示す電圧保持部５３に対応する。また、スイッチＳＷ２と、コンデンサＣＮと、演算増幅器Ｇ１とが、図７に示す演算部５４に対応する。

演算増幅器Ｇ１は、反転入力端子がコンデンサＣＸの一端およびコンデンサＣＣの一端に接続され、非反転入力端子が接地電圧（第１の基準電圧）に接続される。コンデンサＣＦは、一端が演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器Ｇ１の出力に接続される。スイッチＳＷ１は、一端が演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器Ｇ１の出力に接続される。コンデンサＣＮは、一端が演算増幅器Ｇ１の出力に接続される。スイッチＳＷ２は、一端がコンデンサＣＮの他端に接続され、他端が接地電圧（第２の基準電圧）に接続される。

演算増幅器Ｇ２は、非反転入力端子がスイッチＳＷ２の一端に接続され、反転入力端子が演算増幅器Ｇ２の出力に接続される。スイッチＳＷ３は、一端が演算増幅器Ｇ２の出力に接続され、他端がコンデンサＣＨ１の一端および演算増幅器Ｇ３の非反転入力端子に接続される。コンデンサＣＨ１の他端が接地電圧に接続される。演算増幅器Ｇ３の反転入力端子が演算増幅器Ｇ３の出力に接続される。

充電部５１において、スイッチＳＷ５１の一端が電源Ｖ１の正電極に接続され、他端がスイッチＳＷ５２の一端およびコンデンサＣＸの他端に接続される。スイッチＳＷ５４の一端が電源Ｖ２の負電極に接続され、他端がスイッチＳＷ５３の一端およびコンデンサＣＣの他端に接続される。スイッチＳＷ５２の他端と、スイッチＳＷ５３の他端と、電源Ｖ１の負電極と、電源Ｖ２の正電極とが接地電圧に接続される。また、電源Ｖ１およびＶ２の出力電圧値はＶＣＣである。

コンデンサＣＣは、カウンタ容量と呼ばれ、コンデンサＣＸの静電容量のオフセットを調整する目的で配置される。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、ＣＰＵ１１から受けた制御信号ＳＣ１〜ＳＣ３に基づいてオン状態およびオフ状態を切り替える。スイッチＳＷ５１〜ＳＷ５４は、ＣＰＵ１１から受けた図示しない制御信号に基づいてオン状態およびオフ状態を切り替える。

［Ｃ−Ｖ変換部の動作］
図９は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作を示すタイムチャートである。ＶＰはコンデンサＣＸの他端に印加される電圧であり、ＶＮはコンデンサＣＣの他端に印加される電圧であり、ＶＧ１は演算増幅器Ｇ１の出力電圧であり、ＶＧ２は演算増幅器Ｇ２の出力電圧であり、ＶＯＵＴは演算増幅器Ｇ３の出力電圧である。制御信号ＳＣ１〜ＳＣ３がハイレベルの場合はそれぞれ対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ３がオン状態となり、ローレベルの場合はオフ状態となる。

図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作手順を定めたフローチャートである。図１０のフローチャートに示される処理は、ＣＰＵ１１が、ＲＯＭ２２にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムをＲＡＭ２３上に展開して実行することによって実現される。

図９および図１０を参照して、まず、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオン状態とし、かつスイッチＳＷ２およびＳＷ３をオフ状態とする。また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５２およびＳＷ５３をオン状態とし、かつスイッチＳＷ５１およびＳＷ５４をオフ状態とすることにより、コンデンサＣＸの他端およびコンデンサＣＣの他端に接地電圧（第１の充電電圧）を印加する。

ここで、理想的には、演算増幅器Ｇ１の非反転入力端子に印加されている接地電圧が演算増幅器Ｇ１の出力から演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に帰還される。しかしながら、演算増幅器Ｇ１で発生する熱雑音および１／ｆノイズならびにアナログスイッチのチャージインジェクション等に起因して演算増幅器Ｇ１の反転入力端子の電位は接地電位とならない場合がある。この場合、コンデンサＣＸおよびコンデンサＣＣの両端に電位差が生じ、コンデンサＣＸおよびコンデンサＣＣにノイズ成分に相当する電荷が蓄えられる（ステップＳ１）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオフ状態とする。そうすると、コンデンサＣＸおよびコンデンサＣＣに蓄えられた電荷がコンデンサＣＦに移動する。そして、演算増幅器Ｇ１からは、コンデンサＣＦに蓄えられた電荷に対応する電圧（第１の変換電圧）が出力電圧ＶＧ１として出力される、すなわち前述のノイズ成分に相当する電荷が電圧に変換される（ステップＳ２）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ２をオン状態とする。そうすると、演算増幅器Ｇ１から出力される第１の変換電圧に基づいてコンデンサＣＮが充電される（ステップＳ３）。なお、スイッチＳＷ２は、ステップＳ１およびＳ２においてオン状態であってもよい。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ２をオフ状態とする（ステップＳ４）。
次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオン状態とする。また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５２およびＳＷ５３をオフ状態とし、かつスイッチＳＷ５１およびＳＷ５４をオン状態とすることにより、コンデンサＣＸの他端に充電電圧ＶＣＣ（第２の充電電圧）を印加し、かつコンデンサＣＣの他端に充電電圧−ＶＣＣすなわち充電電圧ＶＣＣと絶対値が等しくかつ印加方向が逆の電圧を印加する。

ここで、演算増幅器Ｇ１の非反転入力端子に印加されている電圧すなわち接地電圧が演算増幅器Ｇ１の出力から演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に帰還される。したがって、コンデンサＣＸに充電電圧ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられ、また、コンデンサＣＣに充電電圧−ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられる（ステップＳ５）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオフ状態とする（ステップＳ６）。
次に、ＣＰＵ１１は、充電電圧ＶＣＣおよび−ＶＣＣの印加を停止し、コンデンサＣＸの他端およびコンデンサＣＣの他端に接地電圧（第１の基準電圧）を印加する。そうすると、コンデンサＣＸに蓄えられた電荷量およびコンデンサＣＣに蓄えられた電荷量の差に対応する電荷がコンデンサＣＦに移動する。そして、演算増幅器Ｇ１からは、コンデンサＣＦに蓄えられた電荷に対応する電圧（第２の変換電圧）が出力電圧Ｇ１として出力される（ステップＳ７）。より詳細には、コンデンサＣＸの静電容量をＣＸとし、コンデンサＣＣの静電容量をＣＣとし、充電電圧ＶＣＣの電圧値をＶＣＣとすると、コンデンサＣＦに移動する電荷は、（ＣＸ−ＣＣ）×ＶＣＣで表わされる。コンデンサＣＦに移動した電荷は、コンデンサＣＦの静電容量をＣＦとすると、演算増幅器Ｇ１によって（（ＣＸ−ＣＣ）／ＣＦ）×ＶＣＣで表わされる電圧（第２の変換電圧）に変換される。

ここで、コンデンサＣＦに蓄えられる電荷には、コンデンサＣＸの静電容量に対応する電荷以外に、前述のように演算増幅器Ｇ１で発生する熱雑音および１／ｆノイズならびにアナログスイッチのチャージインジェクション等の低周波ノイズに対応する電荷が含まれる。

したがって、第２の変換電圧には、前述のノイズ成分に対応するノイズ電圧と、コンデンサＣＸの静電容量に対応するセンサ電圧とが含まれる。

ところで、コンデンサＣＮには第１の変換電圧に対応する電荷が蓄えられており、コンデンサＣＮに蓄えられている電荷とコンデンサＣＦに蓄えられている電荷とは、演算増幅器Ｇ２の非反転入力端子からみると極性が逆である。

したがって、第１の変換電圧の電圧値をＶＮ１とし、第２の変換電圧のうちのノイズ電圧の電圧値をＶＮ２とし、第２の変換電圧のうちのコンデンサＣＸの静電容量に対応する電圧値をＶＳとすると、演算増幅器Ｇ２の非反転入力端子の入力電圧は、（ＶＳ＋ＶＮ２）−ＶＮ１となる。

ここで、ステップＳ１〜Ｓ４の動作と、ステップＳ５〜Ｓ７の動作との時間間隔が前述のノイズ成分の変化速度に対して十分短い間隔である場合には、ＶＮ１およびＶＮ２はほぼ等しくなり、演算増幅器Ｇ２の非反転入力端子の入力電圧は、（ＶＳ＋ＶＮ２）−ＶＮ１≒ＶＳとなる。したがって、演算増幅器Ｇ２の非反転入力端子には、ノイズ成分が除去されて、コンデンサＣＸの静電容量すなわち生体の動脈内の圧力に対応する電圧が入力される。そして、演算増幅器Ｇ２からは、動脈内の圧力に対応する電圧が出力電圧ＶＧ２として出力される。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ３をオン状態とする。これにより、演算増幅器Ｇ２の出力電圧に基づいてコンデンサＣＨ１が充電される（ステップＳ８）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ３をオフ状態とする。これにより、演算増幅器Ｇ３の非反転入力端子に入力される電圧が固定される。そして、演算増幅器Ｇ３からは、コンデンサＣＨ１に蓄えられている電荷に対応する電圧すなわち生体の動脈内の圧力に対応する電圧が出力電圧ＶＯＵＴとしてローパスフィルタ２２に出力される（ステップＳ９）。

ＣＰＵ１１は、ステップＳ１〜Ｓ９の処理を繰り返すことにより、Ｃ−Ｖ変換部２１から出力される圧力信号を更新する。これにより、動脈内の圧力波形が測定される。

ところで、特許文献１記載のセンサ装置では、精度を高めるためにフィードバックループにおける信号の位相制御および位相測定を行なう構成が必要であり、回路規模が増大してしまうという問題点があった。

しかしながら、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置では、電荷電圧変換方式を採用する。すなわち、電圧変換部５２は、生体の動脈内の圧力に応じて静電容量が変化するコンデンサＣＸに蓄えられた電荷に基づいて変換電圧を生成する。このような構成により、インピーダンスブリッジ方式において必要となる位相制御および位相測定が不要となり、脈波測定装置の小型化を図ることができる。

また、非特許文献２記載のセンサ装置では、増幅器の１／ｆノイズおよび熱雑音等をアナログフィルタおよびデジタルフィルタ等を使用して除去することができず、検出性能が劣化してしまうという問題点があった。しかしながら、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置では、充電部５１は、コンデンサＣＸに第１の充電電圧を印加して第１の電荷を蓄え、かつコンデンサＣＸに第２の充電電圧を印加して第２の電荷を蓄える。電圧変換部５２は、コンデンサＣＸに蓄えられた第１の電荷に基づいて第１の変換電圧を生成し、かつコンデンサＣＸに蓄えられた第２の電荷に基づいて第２の変換電圧を生成する。そして、演算部５４は、第１の変換電圧および第２の変換電圧に基づいてコンデンサＣＸの静電容量を表わす電圧を出力する。このような構成により、演算増幅器Ｇ１で発生する熱雑音および１／ｆノイズ等の低周波ノイズに対応する電圧を圧力信号から排除することができる。

したがって、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置では、脈波検出性能の劣化を防ぎ、かつ小型化を図ることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置では、第２の充電電圧の印加を停止するとき、コンデンサＣＸの他端に第１の基準電圧を印加する。より詳細には、ＣＰＵ１１は、コンデンサＣＸの他端への充電電圧ＶＣＣの印加を停止するとき、コンデンサＣＸの他端に演算増幅器Ｇ１の非反転入力端子に印加されている電圧である接地電圧を印加する。このような構成により、演算増幅器Ｇ１の電圧動作範囲を大きくすることができる。

なお、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置では、コンデンサＣＸの他端に接地電圧（第１の充電電圧）を印加することによって第１の変換電圧を生成し、また、コンデンサＣＸの他端に充電電圧ＶＣＣ（第２の充電電圧）を印加することによって第２の変換電圧を生成する構成であるとしたが、これに限定するものではない。第１の充電電圧および第２の充電電圧が異なる電圧値であれば、演算増幅器Ｇ１で発生する熱雑音および１／ｆノイズ等の低周波ノイズに対応する電圧を圧力信号から排除することができる。たとえば、後述する本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置と同様に、第１の充電電圧および第２の充電電圧を、絶対値が等しく、かつ印加方向が逆の関係の電圧とすることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置では、コンデンサＣＸの他端に接地電圧を印加することによって第１の変換電圧を生成し、その後、コンデンサＣＸの他端に充電電圧ＶＣＣを印加することによって第２の変換電圧を生成する構成であるとしたが、これに限定するものではない。コンデンサＣＸの他端に充電電圧ＶＣＣを印加することによって第１の変換電圧を生成し、その後、コンデンサＣＸの他端に接地電圧を印加することによって第２の変換電圧を生成する構成であってもよい。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、Ｃ−Ｖ変換部２１の構成を変更した脈波測定装置に関する。

［Ｃ−Ｖ変換部およびセンサエレメントの構成］
図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す回路図である。

図１１を参照して、Ｃ−Ｖ変換部２１は、センサエレメント２８に対応するコンデンサ（圧力検出用コンデンサ）ＣＸと組み合わせて使用される。Ｃ−Ｖ変換部２１は、コンデンサＣＣと、電荷転送用コンデンサＣＦと、コンデンサ（第１の電荷保持用コンデンサ）ＣＨ１１と、コンデンサ（第２の電荷保持用コンデンサ）ＣＨ１２と、コンデンサＣＨ１３と、抵抗Ｒ１およびＲ９と、スイッチ（第１のスイッチ）ＳＷ１と、スイッチ（第２のスイッチ）ＳＷ１２と、スイッチ（第３のスイッチ）ＳＷ１３と、スイッチＳＷ１４と、演算増幅器Ｇ１およびＧ１５と、充電部５１と、差動増幅器５５とを備える。差動増幅器５５は、演算増幅器Ｇ１２〜Ｇ１４と、抵抗Ｒ２〜Ｒ８とを含む。充電部５１は、スイッチＳＷ５１〜ＳＷ５４と、電源Ｖ１およびＶ２とを含む。スイッチＳＷ１およびＳＷ１２〜ＳＷ１４は、たとえばアナログスイッチである。

ここで、演算増幅器Ｇ１と、スイッチＳＷ１と、コンデンサＣＦとが、図７に示す電圧変換部５２に対応する。また、スイッチＳＷ１２と、コンデンサＣＨ１１とが、図７に示す電圧保持部５３に対応する。また、スイッチＳＷ１３と、コンデンサＣＨ１２とが、図７に示す電圧保持部５３に対応する。また、差動増幅器５５が、図７に示す演算部５４に対応する。

抵抗Ｒ１は、一端が演算増幅器Ｇ１の出力に接続される。スイッチＳＷ１２は、一端が抵抗Ｒ１の他端に接続され、他端がコンデンサＣＨ１１の一端および演算増幅器Ｇ１２の非反転入力端子に接続される。スイッチＳＷ１３は、一端が抵抗Ｒ１の他端に接続され、他端がコンデンサＣＨ１２の一端および演算増幅器Ｇ１３の非反転入力端子に接続される。コンデンサＣＨ１１〜ＣＨ１２の他端が接地電圧（第２の基準電圧）に接続される。

演算増幅器Ｇ１２は、出力が抵抗Ｒ２の一端および抵抗Ｒ５の一端に接続され、反転入力端子が抵抗Ｒ２の他端および抵抗Ｒ３の一端に接続される。演算増幅器Ｇ１３は、出力が抵抗Ｒ４の一端および抵抗Ｒ６の一端に接続され、反転入力端子が抵抗Ｒ４の他端および抵抗Ｒ３の他端に接続される。

演算増幅器Ｇ１４は、反転入力端子が抵抗Ｒ５の他端および抵抗Ｒ７の一端に接続され、非反転入力端子が抵抗Ｒ６の他端及び抵抗Ｒ８の一端に接続され、出力が抵抗Ｒ７の他端および抵抗Ｒ９の一端に接続される。

スイッチＳＷ１４は、一端が抵抗Ｒ９の他端に接続され、他端がコンデンサＣＨ１３の一端および演算増幅器Ｇ１５の非反転入力端子に接続される。演算増幅器Ｇ１５は、反転入力端子に出力が接続される。コンデンサＣＨ１３の他端および抵抗Ｒ８の他端が接地電圧に接続される。

充電部５１において、スイッチＳＷ５５の一端が電源Ｖ１の正電極に接続され、他端がコンデンサＣＣの他端に接続される。スイッチＳＷ５６の一端が電源Ｖ２の負電極に接続され、他端がコンデンサＣＸの他端に接続される。

スイッチＳＷ１２〜ＳＷ１４は、ＣＰＵ１１から受けた制御信号ＳＣ１２〜ＳＣ１４に基づいてオン状態およびオフ状態を切り替える。

［Ｃ−Ｖ変換部の動作］
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作を示すタイムチャートである。ＶＰはコンデンサＣＸの他端に印加される電圧であり、ＶＮはコンデンサＣＣの他端に印加される電圧であり、制御信号ＳＣ１およびＳＣ１２〜ＳＣ１４がハイレベルの場合はそれぞれ対応するスイッチＳＷ１およびＳＷ１２〜ＳＷ１４がオン状態となり、ローレベルの場合はオフ状態となる。

図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作手順を定めたフローチャートである。図１３のフローチャートに示される処理は、ＣＰＵ１１が、ＲＯＭ２２にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムをＲＡＭ２３上に展開して実行することによって実現される。

図１２および図１３を参照して、まず、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオン状態とし、かつスイッチＳＷ１２〜ＳＷ１４をオフ状態とする。また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５１およびＳＷ５４をオン状態とし、かつスイッチＳＷ５２、ＳＷ５３、ＳＷ５５およびＳＷ５６をオフ状態とすることにより、コンデンサＣＸの他端に充電電圧ＶＣＣ（第１の充電電圧）を印加し、かつコンデンサＣＣの他端に充電電圧−ＶＣＣを印加する。

ここで、演算増幅器Ｇ１の非反転入力端子に印加されている電圧すなわち接地電圧が演算増幅器Ｇ１の出力から演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に帰還される。したがって、コンデンサＣＸに充電電圧ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられ、また、コンデンサＣＣに充電電圧−ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられる（ステップＳ１１）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオフ状態とする（ステップＳ１２）。
次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５２およびＳＷ５３をオン状態とし、かつスイッチＳＷ５１、ＳＷ５４〜ＳＷ５６をオフ状態とすることにより、充電電圧ＶＣＣおよび−ＶＣＣの印加を停止し、コンデンサＣＸの他端およびコンデンサＣＣの他端に接地電圧（第１の基準電圧）を印加する。そうすると、コンデンサＣＸに蓄えられた電荷量およびコンデンサＣＣに蓄えられた電荷量の差に対応する電荷がコンデンサＣＦに移動する。そして、演算増幅器Ｇ１からは、コンデンサＣＦに蓄えられた電荷に対応する電圧（第１の変換電圧）が出力電圧Ｇ１として出力される（ステップＳ１３）。より詳細には、コンデンサＣＸの静電容量をＣＸとし、コンデンサＣＣの静電容量をＣＣとすると、コンデンサＣＦに移動する電荷は、（ＣＸ−ＣＣ）×ＶＣＣで表わされる。コンデンサＣＦに移動した電荷は、コンデンサＣＦの静電容量をＣＦとすると、演算増幅器Ｇ１によって（（ＣＸ−ＣＣ）／ＣＦ）×ＶＣＣで表わされる電圧（第１の変換電圧）に変換される。

また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１２をオン状態とする。そうすると、演算増幅器Ｇ１から出力される第１の変換電圧に基づいてコンデンサＣＨ１１が充電される（ステップＳ１３）。このとき、演算増幅器Ｇ１２の非反転入力端子には、コンデンサＣＨ１１に蓄えられている電荷に対応する電圧が入力される。演算増幅器Ｇ１２は、非反転入力端子に入力される電圧に対応する電圧を演算増幅器Ｇ１４の反転入力端子に出力する。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１２をオフ状態とする（ステップＳ１４）。これにより、演算増幅器Ｇ１２の非反転入力端子に入力される電圧が固定される。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオン状態とする。また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５５およびＳＷ５６をオン状態とし、かつスイッチＳＷ５１〜ＳＷ５４をオフ状態とすることにより、コンデンサＣＸの他端に充電電圧−ＶＣＣ（第２の充電電圧）を印加し、かつコンデンサＣＣの他端に充電電圧ＶＣＣを印加する。

ここで、演算増幅器Ｇ１の非反転入力端子に印加されている電圧すなわち接地電圧が演算増幅器Ｇ１の出力から演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に帰還される。したがって、コンデンサＣＸに充電電圧−ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられ、また、コンデンサＣＣに充電電圧ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられる（ステップＳ１５）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１をオフ状態とする（ステップＳ１６）。
次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５２およびＳＷ５３をオン状態とし、かつスイッチＳＷ５１、ＳＷ５４〜ＳＷ５６をオフ状態とすることにより、充電電圧ＶＣＣおよび−ＶＣＣの印加を停止し、コンデンサＣＸの他端およびコンデンサＣＣの他端に接地電圧（第１の基準電圧）を印加する。そうすると、コンデンサＣＸに蓄えられた電荷量およびコンデンサＣＣに蓄えられた電荷量の差に対応する電荷がコンデンサＣＦに移動する。そして、演算増幅器Ｇ１からは、コンデンサＣＦに蓄えられた電荷に対応する電圧（第２の変換電圧）が出力電圧Ｇ１として出力される（ステップＳ１７）。より詳細には、コンデンサＣＸの静電容量をＣＸとし、コンデンサＣＣの静電容量をＣＣとすると、コンデンサＣＦに移動する電荷は、−（ＣＸ−ＣＣ）×ＶＣＣで表わされる。コンデンサＣＦに移動した電荷は、コンデンサＣＦの静電容量をＣＦとすると、演算増幅器Ｇ１によって（（ＣＣ−ＣＸ）／ＣＦ）×ＶＣＣで表わされる電圧（第２の変換電圧）に変換される。

また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１３をオン状態とする。そうすると、演算増幅器Ｇ１から出力される第２の変換電圧に基づいてコンデンサＣＨ１２が充電される（ステップＳ１７）。このとき、演算増幅器Ｇ１３の非反転入力端子には、コンデンサＣＨ１２に蓄えられている電荷に対応する電圧が入力される。演算増幅器Ｇ１３は、非反転入力端子に入力される電圧に対応する電圧を演算増幅器Ｇ１４の非反転入力端子に出力する。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１３をオフ状態とする（ステップＳ１８）。これにより、演算増幅器Ｇ１３の非反転入力端子に入力される電圧が固定される。

ここで、コンデンサＣＦに蓄えられる電荷には、コンデンサＣＸの静電容量に対応する電荷以外に、前述のように演算増幅器Ｇ１で発生する熱雑音および１／ｆノイズならびにアナログスイッチのチャージインジェクション等の低周波ノイズに対応する電荷が含まれる。

したがって、第１の変換電圧および第２の変換電圧には、前述のノイズ成分に対応するノイズ電圧と、コンデンサＣＸの静電容量に対応するセンサ電圧とが含まれる。

ここで、第１の変換電圧のうちのノイズ電圧の電圧値をＶＮ１とし、第１の変換電圧のうちのコンデンサＣＸの静電容量に対応する電圧値をＶＳ１とし、第２の変換電圧のうちのノイズ電圧の電圧値をＶＮ２とし、第２の変換電圧のうちのコンデンサＣＸの静電容量に対応する電圧値をＶＳ２とし、差動増幅器５５全体のゲインをＫとすると、差動増幅器５５の出力電圧ＶＤＩＦＦは、Ｋ×（（ＶＮ１＋ＶＳ１）−（ＶＮ２＋ＶＳ２））となる。

また、ＶＳ１は充電電圧ＶＣＣに対応する電圧値であり、ＶＳ２は−ＶＣＣに対応する電圧値であるから、ＶＳ１およびＶＳ２は絶対値が等しくかつ符号が異なる電圧値である。また、ステップＳ１１〜Ｓ１４の動作と、ステップＳ１５〜Ｓ１８の動作との時間間隔が前述のノイズ成分の変化速度に対して十分短い間隔である場合には、ＶＮ１およびＶＮ２はほぼ等しくなる。したがって、差動増幅器５５の出力電圧ＶＤＩＦＦは、Ｋ×（（ＶＮ１＋ＶＳ１）−（ＶＮ２＋ＶＳ２））≒２×Ｋ×ＶＮ１となる。すなわち、差動増幅器５５の出力電圧ＶＤＩＦＦは、ノイズ成分が除去されて、コンデンサＣＸの静電容量すなわち生体の動脈内の圧力に対応する電圧となる。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１４をオン状態とする。これにより、出力電圧ＶＤＩＦＦに基づいてコンデンサＣＨ１３が充電される（ステップＳ１９）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１４をオフ状態とする（ステップＳ２０）。これにより、演算増幅器Ｇ１２の非反転入力端子に入力される電圧が固定される。そして、演算増幅器Ｇ１５からは、コンデンサＣＨ１３に蓄えられている電荷に対応する電圧すなわち生体の動脈内の圧力に対応する電圧が出力電圧ＶＯＵＴとしてローパスフィルタ２２に出力される。

ＣＰＵ１１は、ステップＳ１１〜Ｓ２０の処理を繰り返すことにより、Ｃ−Ｖ変換部２１から出力される圧力信号を更新する。これにより、動脈内の圧力波形が測定される。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る脈波測定装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。

したがって、本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置では、第１の実施の形態に係る脈波測定装置と同様に、脈波検出性能の劣化を防ぎ、かつ小型化を図ることができる。

なお、本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置では、ＣＰＵ１１は、コンデンサＣＸの他端に充電電圧ＶＣＣ（第１の充電電圧）を印加することによって第１の変換電圧を生成し、また、コンデンサＣＸの他端に充電電圧−ＶＣＣ（第２の充電電圧）を印加することによって第２の変換電圧を生成する構成であるとしたが、これに限定するものではない。第１の充電電圧および第２の充電電圧が異なる電圧値であれば、演算増幅器Ｇ１で発生する熱雑音および１／ｆノイズ等の低周波ノイズに対応する電圧を圧力信号から排除することができる。たとえば、第１の実施の形態に係る脈波測定装置と同様に、コンデンサＣＸの他端に接地電圧を印加することによって第１の変換電圧を生成し、また、コンデンサＣＸの他端に充電電圧ＶＣＣを印加することによって第２の変換電圧を生成する構成であってもよい。

また、本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置では、Ｃ−Ｖ変換部２１は、電圧保持部５３として、スイッチＳＷ１２およびコンデンサＣＨ１１、ならびにスイッチＳＷ１３およびコンデンサＣＨ１２を含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。電圧保持部５３は少なくとも第１の変換電圧を保持する構成であればよいため、Ｃ−Ｖ変換部２１は、スイッチＳＷ１２およびコンデンサＣＨ１１を含まないか、あるいはスイッチＳＷ１３およびコンデンサＣＨ１２を含まない構成であってもよい。

さらに、本発明の第１の実施の形態および第２の実施の形態に係る脈波測定装置では、第１の基準電圧および第２の基準電圧の両方が接地電圧である構成としたが、これに限定するものではない。第１の基準電圧および第２の基準電圧が異なる電圧であり、かつ接地電圧と異なる電圧であっても、演算増幅器Ｇ１で発生する熱雑音および１／ｆノイズ等の低周波ノイズに対応する電圧を圧力信号から排除することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置の外観図である。 図１に示す測定状態における手首および脈波測定装置の模式断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるセンサアレイ１９、マルチプレクサ２０およびＣ−Ｖ変換部２１の構成を示す図である。 センサアレイ１９の外観斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置の機能ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の動作手順を定めたフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作を示すタイムチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作手順を定めたフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作手順を定めたフローチャートである。

符号の説明

１ センサユニット、３ 表示ユニット、１１ ＣＰＵ（制御部）、１２ ＲＯＭ、１３ ＲＡＭ、１４ 駆動回路、１５ 加圧ポンプ、１６ 負圧ポンプ、１７ 切り替え弁、１８ 押圧カフ、１９ センサアレイ、２０ マルチプレクサ、２１ Ｃ−Ｖ変換部、２２ ローパスフィルタ、２３ Ａ／Ｄ変換部、２４ 操作部、２５ 表示部、２６ ＰＣＢ、２７ フレキシブル配線、２８，２８Ａ センサエレメント、３０ スペーサ部材、３１ 下部電極、３２ 上部電極、５１ 充電部、５２ 電圧変換部、５３ 電圧保持部、５４ 演算部、５５ 差動増幅器、１００ 脈波測定装置、１１０ 載置台、１２０ センサユニット、１２２ ケーシング、１３０ 締付けベルト、２００ 腕、２１０ 動脈、２２０ 橈骨、ＣＸ コンデンサ（圧力検出用コンデンサ）、ＣＣ コンデンサ、ＣＦ 電荷転送用コンデンサ、ＣＮ コンデンサ（電荷保持用コンデンサ）、ＣＨ１１ コンデンサ（第１の電荷保持用コンデンサ）、ＣＨ１２ コンデンサ（第２の電荷保持用コンデンサ）、ＳＷ１ スイッチ（第１のスイッチ）、ＳＷ２，ＳＷ１２ スイッチ（第２のスイッチ）、ＳＷ１３ スイッチ（第３のスイッチ）、ＳＷ３，ＳＷ１４，ＳＷ５１〜ＳＷ５４ スイッチ、Ｇ１〜Ｇ３，Ｇ１２〜Ｇ１５ 演算増幅器、Ｖ１，Ｖ２ 電源、Ｒ１〜Ｒ９ 抵抗。

Claims (11)

1. 生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置であって、
   前記動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサと、
   前記圧力検出用コンデンサに第１の充電電圧を印加して第１の電荷を蓄え、かつ前記圧力検出用コンデンサに前記第１の充電電圧と異なる第２の充電電圧を印加して第２の電荷を蓄える充電部と、
   前記第１の電荷に基づいて第１の変換電圧を生成し、かつ前記第２の電荷に基づいて第２の変換電圧を生成する電圧変換部と、
   前記第１の変換電圧および前記第２の変換電圧に基づいて前記圧力検出用コンデンサの静電容量を表わす電圧を出力する演算部とを備える脈波測定装置。
2. 前記演算部は、前記第１の変換電圧および前記第２の変換電圧の差に基づいて前記圧力検出用コンデンサの静電容量を表わす電圧を出力する請求項１記載の脈波測定装置。
3. 前記脈波測定装置は、さらに、
   前記第１の変換電圧を保持する電圧保持部を備え、
   前記充電部は、前記電圧保持部が前記第１の変換電圧を保持した後、前記第２の充電電圧に基づいて前記圧力検出用コンデンサに前記第２の電荷を蓄え、
   前記電圧変換部は、前記電圧保持部が前記第１の変換電圧を保持した後、前記圧力検出用コンデンサに蓄えられた前記第２の電荷に基づいて前記第２の変換電圧を生成し、
   前記演算部は、前記第２の変換電圧および前記保持された第１の変換電圧に基づいて前記圧力検出用コンデンサの静電容量を表わす電圧を出力する請求項１記載の脈波測定装置。
4. 生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置であって、
   前記動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサと、
   反転入力端子が前記圧力検出用コンデンサの一端に接続され、非反転入力端子が第１の基準電圧に接続される演算増幅器と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が前記演算増幅器の出力に接続される電荷転送用コンデンサと、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が前記演算増幅器の出力に接続される第１のスイッチと、
   一端が前記演算増幅器の出力に接続される電荷保持用コンデンサと、
   一端が前記電荷保持用コンデンサの他端に接続され、他端が第２の基準電圧に接続される第２のスイッチとを備える脈波測定装置。
5. 生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置であって、
   前記動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサと、
   反転入力端子が前記圧力検出用コンデンサの一端に接続され、非反転入力端子が第１の基準電圧に接続される演算増幅器と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が前記演算増幅器の出力に接続される電荷転送用コンデンサと、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が前記演算増幅器の出力に接続される第１のスイッチと、
   一端が前記演算増幅器の出力に接続される第２のスイッチと、
   一端が前記第２のスイッチの他端に接続され、他端が第２の基準電圧に接続される第１の電荷保持用コンデンサと、
   第１の入力端子が前記第２のスイッチの他端に接続され、第２の入力端子が前記演算増幅器の出力に接続される差動増幅器とを備える脈波測定装置。
6. 前記脈波測定装置は、さらに、
   一端が前記演算増幅器の出力に接続される第３のスイッチと、
   一端が前記第３のスイッチの他端に接続され、他端が第３の基準電圧に接続される第２の電荷保持用コンデンサとを備え、
   前記差動増幅器は、前記第１の入力端子が前記第２のスイッチの他端に接続され、前記第２の入力端子が前記第３のスイッチの他端に接続される請求項５記載の脈波測定装置。
7. 前記脈波測定装置は、さらに、
   前記圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、
   制御部とを備え、
   前記制御部は、前記充電部、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御して、
   前記圧力検出用コンデンサの他端に第１の充電電圧を印加し、前記第１のスイッチをオン状態とし、その後、
   前記第１のスイッチをオフ状態とし、その後、
   前記第２のスイッチをオン状態とし、かつ前記第１の充電電圧の印加を停止し、その後、
   前記第２のスイッチをオフ状態とし、その後、
   前記圧力検出用コンデンサの他端に第２の充電電圧を印加し、前記第１のスイッチをオン状態とし、その後、
   前記第１のスイッチをオフ状態とし、その後、
   前記第２の充電電圧の印加を停止する請求項４から６のいずれかに記載の脈波測定装置。
8. 前記制御部は、前記第１の充電電圧の印加を停止するとき、および前記第２の充電電圧の印加を停止するとき、前記圧力検出用コンデンサの他端に前記第１の基準電圧を印加する請求項７記載の脈波測定装置。
9. 前記第１の充電電圧および前記第２の充電電圧は、絶対値が等しく、かつ印加方向が逆である請求項７記載の脈波測定装置。
10. 前記脈波測定装置は、さらに、
    前記圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、
    制御部とを備え、
    前記制御部は、前記充電部、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御して、
    前記圧力検出用コンデンサの他端に前記第１の基準電圧を印加し、前記第１のスイッチをオン状態とし、その後、
    前記第１のスイッチをオフ状態とし、その後、
    前記第２のスイッチをオン状態とし、その後、
    前記第２のスイッチをオフ状態とし、その後、
    前記圧力検出用コンデンサの他端に前記第１の基準電圧と異なる充電電圧を印加し、前記第１のスイッチをオン状態とし、その後、
    前記第１のスイッチをオフ状態とし、その後、
    前記充電電圧の印加を停止する請求項４または５に記載の脈波測定装置。
11. 前記脈波測定装置は、さらに、
    前記圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、
    制御部とを備え、
    前記制御部は、前記充電部、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御して、
    前記圧力検出用コンデンサの他端に前記第１の基準電圧と異なる充電電圧を印加し、前記第１のスイッチをオン状態とし、その後、
    前記第１のスイッチをオフ状態とし、その後、
    前記第２のスイッチをオン状態とし、かつ前記充電電圧の印加を停止し、その後、
    前記第２のスイッチをオフ状態とし、その後、
    前記圧力検出用コンデンサの他端に前記第１の基準電圧を印加し、前記第１のスイッチをオン状態とし、その後、
    前記第１のスイッチをオフ状態とする請求項４または５に記載の脈波測定装置。

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