JP2011072645A

JP2011072645A - 脈波測定器及び脈波測定装置

Info

Publication number: JP2011072645A
Application number: JP2009228464A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ebara; 和博江原; Takaaki Asada; 隆昭浅田; Mio Furuya; 未央古谷
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14
Also published as: US20110077537A1

Abstract

【課題】圧迫力等を加えることによる測定ばらつきが少なく、脈波の測定精度の優れた脈波測定器及び脈波測定装置を構成する。
【解決手段】脈波測定器１００は、脈波による皮膚表面の変位を伝達する振動膜１と、振動膜１の外周部を固定する枠部３と、振動膜１の中央部を複数の区画に仕切る仕切り部４と、振動膜１上の複数の区画内に配置され、振動膜１の振動を電気信号に変換する複数のセンサ素子２と、を備えている。仕切り部４は振動膜１に接合されている。振動膜１は枠部３に接合されている。そのため、仕切り部４で仕切られた振動膜の各区画は個別に振動し、他の区画の振動膜と殆ど干渉しない。
【選択図】図２

Description

本願発明は、脈波による皮膚表面の変位を検出するセンサ素子を備えた脈波測定器及び脈波測定装置に関するものである。

現代社会は生活習慣の変化や高齢化に伴い、動脈硬化症に起因する循環器疾患が増加している。しかし、これらに対する早期発見のための医療システムは必ずしも整っていない。動脈硬化症に対しては血管壁の柔軟さの評価が大変重要であり、現在の診断装置としては、ＭＲＩ，Ｘ線ＣＴによる画像診断や脈波伝播速度法による装置が一般的である。

ところが、ＭＲＩやＸ線ＣＴは、その検査費用が高く、日々のモニタリングには不向きである。脈波伝播速度法と呼ばれる手法は、血管壁の硬軟に応じて脈波の伝播速度が変化することを利用するものであり、検査が簡便に行えるため、医療現場では日常的に用いられている手法であるが、年齢と脈波伝播速度の関係が不明瞭であり、特に予防という観点や個人差を考慮すると、その診断精度は高いとは言えない。

特許文献１には、トノメトリ方式を利用した脈波測定装置が開示されている。
図１は、特許文献に示されているトノメトリ方式の脈波測定装置の構成を示す図である。この脈波測定装置は、図１に示されているように、体表面から平板で動脈を押圧して、動脈を平坦に変形させる。そのとき、平坦につぶれた動脈直上は、図１において点線矢印で示される血管張力が左右でつりあうため、血管内圧への血管張力の影響が最も小さい。そこで、平坦につぶれた動脈直上で平坦につぶれた部分に比べてサイズの小さなセンサエレメントで計測した圧力は動脈内圧に一致する。このようにして体表面から動脈内波形を測定しようとするものである。

特開２００４−３２１４７３号公報

前記トノメトリ方式の脈波測定装置は、圧迫力を加えて動脈を平坦に変形させて、動脈内圧を測定する。このような方法の脈波測定装置では、皮下脂肪などは個人差があるため、その圧迫力の制御なども難しく、測定時の外的環境により圧迫力のばらつきが生じやすく、個体差を識別するための手法として不十分である。

また、振動膜に複数のセンサ素子を配置した場合、振動膜への圧力や応力が隣のセンサ素子にも影響するクロストークが発生し、脈波測定精度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、圧迫力等を加えることによる測定ばらつきが少なく、脈波の測定精度の優れた脈波測定器及び脈波測定装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明の脈波測定器は、脈波による皮膚表面の変位を伝達する振動膜と、前記振動膜の外周部を固定する枠部と、前記振動膜の中央部を複数の区画に仕切る仕切り部と、前記複数の区画内に位置する前記振動膜上に配置され、前記振動膜の振動を電気信号に変換する複数のセンサ素子と、を備える。

前記仕切り部、及び、前記枠部は一体化されていてもよい。
例えば、前記仕切り部は金属板の彫り込みエッチングにより桟状に残った部分（壁部）であり、前記枠部は前記金属板の彫り込みエッチングにより残った外周部である。

また、前記振動膜も、前記仕切り部及び前記枠体と一体化されていてもよい。

例えば、前記振動膜は金属板の彫り込みエッチングにより形成された薄肉部であり、前記仕切り部は金属板の彫り込みエッチングにより桟状に残った部分（壁部）であり、前記枠部は前記金属板の彫り込みエッチングにより残った外周部である。

この発明の脈波測定装置は、前記脈波測定器を備え、その複数のセンサ素子の出力を電圧信号に変換する電圧変換回路と、この電圧変換回路による複数のセンサ素子の出力信号を基に一つの脈波信号を生成する信号処理手段とを設ける。

例えば、前記信号処理手段は、位置が隣接するセンサ素子の電圧信号を参照して、重畳されているノイズ成分を検出するとともに、そのノイズ成分を除去する。

また、例えば、前記信号処理手段は、前記複数のセンサ素子による電圧信号のうち、信号レベルの最も高い電圧信号を選択する。

この発明によれば、振動膜が外周だけでなく中央部も仕切り部で固定されるため、振動膜の応力が隣のセンサ素子へ及ぶことが防止され、各センサ素子は各センサ素子位置の圧力又は変位を個別に検出できる。

また、個々のセンサ素子が、振動膜により覆われているため、センサ素子へ異物等が付着せず、異物に対する信頼性が高い。

特許文献に示されているトノメトリ方式の脈波測定装置の構成を示す図である。図２（Ａ）は第１の実施形態に係る脈波測定器１００の平面図、図２（Ｂ）はその正面図である。脈波測定器１００を備えた脈波測定装置２００の構成を示すブロック図である。仕切り部４の効果、及び信号処理ブロック１１の信号処理の効果について示す波形図である。第３の実施形態に係る脈波測定装置の構造を示す図である。

《第１の実施形態》
図２（Ａ）は第１の実施形態に係る脈波測定器１００の平面図、図２（Ｂ）はその正面図である。
図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示す脈波測定器１００は、脈波による皮膚表面の変位を伝達する振動膜１と、振動膜１の外周部を固定する枠部３と、振動膜１の中央部を複数の区画に仕切る仕切り部４と、振動膜１上の複数の区画内に配置され、振動膜１の振動を電気信号に変換する複数のセンサ素子２と、を備えている。

仕切り部４は振動膜１に接合されている。振動膜１は枠部３に接合されている。そのため、仕切り部４で仕切られた振動膜の各区画は個別に振動し、他の区画の振動膜と殆ど干渉しない。仕切り部４が、振動膜１に押しつけられることにより、各区画の仕切り部４の周縁の剛性が高まる。その結果、１つの区画の振動が他の区画への伝播することをより防ぐことができる。特に、仕切り部４と枠部３とが一体で構成されている場合、仕切り部４の剛性がより高まる。これにより、例えば振動膜４が樹脂フィルム等の比較的剛性の低い材質のものであっても、相互の区画の干渉を防ぐことができる。なお、振動膜３としては、例えば、樹脂、金属及び紙等からなる箔やフィルム等を用いることができる。仕切り部４としては、例えば、樹脂や金属等を用いることができる。

各センサ素子２は、圧電セラミック素子のような感圧素子や、圧力により抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子、圧力により静電容量変化を検出するＭＥＭＳ素子など、応力や変位を検出する素子である。複数のセンサ素子２が振動膜１の各区画内に貼り付けられている。

各センサ素子２には、外部の回路に接続するためのリード線５がそれぞれ引き出されている。
前記センサ素子が圧電セラミック素子のような感圧素子である場合、振動膜１を例えば厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍのアルミニウム板で構成し、そのアルミニウム板を片方の電極として利用すればよい。また、前記センサ素子がＭＥＭＳ素子である場合には、各センサ素子から２本のリードが個別に引き出されることになるので振動膜は絶縁体でもよい。

脈波測定器１００は、その振動膜１の外面（図２（Ｂ）における下面）を人体など所定部位の皮膚に押し当てて使用する。この状態で、脈波により振動膜１を介してセンサ素子が応力や変位を受けて、その量が電気信号に変換される。

以上の構成により、振動膜１が仕切り部４でセンサ素子毎の区画に区切られて、それぞれのセンサ素子に伝わる応力や変位が分離・独立した状態となる。そのため、各センサ素子は他のセンサ素子の振動の影響を受けず、また影響を与えない。これにより、各センサ素子は脈波以外の要因による信号成分を発生することなく、脈波の測定精度が高まる。また、複数のセンサ素子が二次元に広がっているため、脈波を検出するポイントがピンポイントであっても、複数のセンサ素子のうちの何れかのセンサ素子で脈波を的確にピックアップできる。

枠部３、仕切り部４は元々一体化されていてもよい。例えば、枠部３の厚みを有する金属板をエッチングすることにより、桟状に残った部分（壁部）を仕切り部４とする。このように枠部３及び仕切り部４が一体化され、枠部３が仕切り部４に固定されるので、枠部３と仕切り部４とが別体で構成される場合に比べて枠部３の剛性がより高まる。これにより、１つの区画の振動が他の区画へ伝播することをより防ぐことができる。さらに、振動膜１が、前記枠部３及び仕切り部４と一体化されていてもよい。この場合、振動膜１は枠部３の厚みを有する金属板をエッチングし、仕切り部４となる桟状に残す壁部に対して薄肉部を残すことにより形成される。

なお、仕切り部４で仕切られた各区画内には何も充填する必要は無いが、振動膜１及びセンサ素子２に加わる応力や変位を阻害しないのであれば、センサ素子を保護する目的で何らかの充填物があってもよい。

《第２の実施形態》
図３は、第１の実施形態で示した脈波測定器１００を備えた脈波測定装置２００の構成を示すブロック図である。
図３に示されているように、各センサ素子２による信号は電圧変換回路１０で電圧信号に変換され、信号処理ブロック１１で所定の信号処理がなされ、脈波判定システム３０で動脈硬化度の評価等が行われる。

前記電圧変換回路１０は、センサ素子２が受ける応力や変位にほぼ比例した電圧波形信号を発生する。この電圧変換回路１０は、センサ素子２が圧電セラミック素子の場合には、チャージアンプや電流−電圧変換回路で構成される。またセンサ素子２が静電容量変化を検出するＭＥＭＳ素子であればＣ−Ｖ変換回路などで構成される。

なお、センサ素子２の各出力をマルチプレクサに繋ぎ、このマルチプレクサで各センサ素子２の出力を選択的に電圧変換回路に出力するように構成してもよい。このことにより、チャージアンプなどの電圧変換回路の必要個数が一つで済むので低コスト化が図れる。

前記信号処理ブロック１１は、電圧変換回路１０による複数のセンサ素子２の出力信号を基にして一つの脈波信号を生成する。この信号処理ブロック１１での信号処理は、位置的に隣接するセンサ素子２同士の電圧信号を参照して、重畳されているノイズ成分を検出するとともに、そのノイズ成分を除去する処理（ノイズ低減信号処理）を行う。または、複数のセンサ素子２による電圧信号のうち、信号レベルの最も高い電圧信号を選択して出力する。

図４は、前記仕切り部４の効果、及び図３に示した信号処理ブロック１１の信号処理の効果について示す波形図である。
図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）において、波形Ｅ１は図２に示した１６個のセンサ素子のうち中央部に配置された一つのセンサ素子（第１のセンサ素子）によって得られた電圧信号の波形である。波形Ｅ２，Ｅ３は第１のセンサ素子に隣接する第２のセンサ素子及び第３のセンサ素子によって得られた電圧信号の波形である。

図４（Ａ）は、仕切り部４が無く、前記ノイズ低減信号処理を行わなかった例、図４（Ｂ）は、仕切り部４が有り、前記ノイズ低減信号処理を行わなかった例、図４（Ｃ）は、仕切り部４が有り、前記ノイズ低減信号処理を行った例である。

図４（Ａ）に表れているように、仕切り部４が無いと、隣接するセンサ素子が貼付された区画の振動膜の干渉によって、第１のセンサ素子、第２のセンサ素子、第３のセンサ素子による電圧信号のいずれも低周波のノイズが重畳された波形となる。このノイズは、例えば身体の運動により振動膜１全体が振動することに起因して生じるもので、脈波の周波数より低周波の成分である。すなわち、各センサ素子は、脈波と共に振動膜１全体の振動も検出してしまう。

図４（Ｂ）に表れているように、仕切り部４が有ると、振動膜全体の剛性が高まるので、振動膜全体の振動成分が抑えられる。そのため、第１のセンサ素子、第２のセンサ素子、第３のセンサ素子による電圧信号に重畳されるノイズ成分は図４（Ａ）に場合に比べて小さくなる。

図４（Ｃ）に表れているように、仕切り部４が有り、且つ前記ノイズ低減信号処理が行われると、ノイズ成分が殆ど除去されて、脈波のみに起因した電圧信号が得られる。

ここで、ノイズ低減信号処理の方法としては、種々の方法があるが、例えば隣接するセンサ素子から得られた電圧信号のうち、最大振幅が得られるセンサ素子をピックアップし、最大振幅が得られたセンサ素子と隣り合うセンサ素子の電圧信号との差分をとり、残った信号を評価することでノイズ成分を低減することができる。振動膜１全体の振動は検出素子全てにおいて観測されてしまうノイズ波形であるため、本来得るべき脈波信号に重畳されてしまっている。上記のように、差分を読み取ることにより、同相ノイズは打ち消されるため、センサ素子が配置された個所の信号のみを取り出して観測することができる。

図３に示した信号処理ブロック１１は、複数のセンサ素子による電圧信号について前記ノイズ低減信号処理を行い、さらに、得られた電圧信号のうち、信号レベルの最も高い電圧信号を選択して出力する。図４（Ｃ）に示した例では波形Ｅ１を後段の処理部へ渡す。

《第３の実施形態》
図５は、第３の実施形態に係る脈波測定装置の構造を示す図である。振動膜１、センサ素子２、枠部３等による脈波測定器１００は図２に示したものと同じである。この脈波測定器１００の上部に回路基板２１が取り付けられている。回路基板２１の上面には電子部品２２が搭載されている。また、回路基板２１の上部はカバー２３で覆われている。脈波測定器１００には腕時計のバンドと同様のバンド２４が取り付けられている。

回路基板２１及び電子部品２２によって、図３に示した電圧変換回路１０及び信号処理ブロック１１が構成されている。また、信号処理ブロック１１により得られた信号（電圧波形）を無線送信する送信回路が構成されている。さらには、必要に応じて時計の回路が組み込まれている。前記送信回路から送信された電波を受信する受信機側には、脈波判定システム３０が設けられている。
なお、カバー２３部分には時刻表示部やアクセサリーが設けられていてもよい。
図５に示した脈波測定装置を腕に装着すれば、脈波による電圧波形が測定され、動脈硬化度の評価等が自動的になされる。

１…振動膜
２…センサ素子
３…枠部
４…仕切り部
５…リード線
１０…電圧変換回路
１１…信号処理ブロック
２１…回路基板
２２…電子部品
２３…カバー
２４…バンド
３０…脈波判定システム
１００…脈波測定器
２００…脈波測定装置

Claims

脈波による皮膚表面の変位を伝達する振動膜と、前記振動膜の外周部を固定する枠部と、前記振動膜の中央部を複数の区画に仕切る仕切り部と、前記複数の区画内に位置する前記振動膜上に配置され、前記振動膜の振動を電気信号に変換する複数のセンサ素子と、を備えた脈波測定器。
前記仕切り部及び前記枠部は一体化されている、請求項１に記載の脈波測定器。
前記仕切り部は金属板の彫り込みエッチングにより桟状に残った部分であり、前記枠部は前記金属板の彫り込みエッチングにより残った外周部である、請求項１又は２に記載の脈波測定器。
前記振動膜は、前記仕切り部及び前記枠部に一体化されている、請求項１乃至３の何れかに記載の脈波測定器。
請求項１乃至４の何れかに記載の脈波測定器を備え、前記複数のセンサ素子の出力を電圧信号に変換する電圧変換回路と、前記電圧変換回路による前記複数のセンサ素子の出力信号を基に一つの脈波信号を生成する信号処理手段とを設けた脈波測定装置。
前記信号処理手段は、位置が隣接するセンサ素子の電圧信号を参照して、重畳されているノイズ成分を検出するとともに、そのノイズ成分を除去するものである、請求項５に記載の脈波測定装置。
前記信号処理手段は、前記複数のセンサ素子による電圧信号のうち、信号レベルの最も高い電圧信号を選択するものである、請求項５又は６に記載の脈波測定装置。