JP2011200262A - Vascular pulse wave measuring system and physical property characteristic measuring system using light - Google Patents

Vascular pulse wave measuring system and physical property characteristic measuring system using light Download PDF

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  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vascular pulse wave measuring apparatus capable of more accurate measurement.SOLUTION: The vascular pulse wave measuring system 10 includes: an optical probe 12 attached to a region of a blood vessel 8 suitable for acquiring the pulse wave of a subject 6; a pulsation waveform output part 30 connected to the optical probe 12 via an optical probe circuit 20 for outputting the pulsation waveform as temporal variation of frequency by using a phase shift method; and an arithmetic operation processing part 50. A floating median setting module 56 of the arithmetic operation part 50 has a function of amplifying the maximum amplitude so that the maximum amplitude of periodical frequency data is a predetermined ratio to the range of arithmetic operation, and setting the median of the maximum amplitude in a floating manner at the median of the range of arithmetic operation regardless of the absolute value.

Description

本発明は、血管脈波測定システム及び光を用いる物性特性測定システムに係り、特に発光素子と受光素子とを用いて血管の脈動波形を取得して血管脈波測定を行う血管脈波測定システムと、発光素子と受光素子とを用いて対象物の物性を測定するための光を用いる物性特性測定システムに関する。   The present invention relates to a vascular pulse wave measurement system and a physical property measurement system using light, and in particular, a vascular pulse wave measurement system that acquires a pulsation waveform of a blood vessel using a light emitting element and a light receiving element and performs vascular pulse wave measurement. The present invention relates to a physical property measurement system using light for measuring physical properties of an object using a light emitting element and a light receiving element.

物質の特性を評価する技術として振動を用いる方法が知られている。特許文献1には、物質特性の相違は振動の周波数の変化よりも位相の変化が大きいが、位相測定技術の精度が必ずしも高くないことを考慮し、位相変化を周波数変化に変換する仕組みが開示されている。   As a technique for evaluating the characteristics of a substance, a method using vibration is known. Patent Document 1 discloses a mechanism that converts a phase change into a frequency change in consideration of the fact that the phase change is larger than the change in the frequency of vibration, but the accuracy of the phase measurement technique is not necessarily high, although the difference in material properties is. Has been.

この技術は、物質に振動として超音波を入射する振動子と物質からの反射波を検出する振動検出センサと、振動検出センサの信号出力端に入力端が接続された増幅器と、増幅器の出力端と振動子の信号入力端との間に設けられ、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形との間に位相差が生じるときは、周波数を変化させて前記位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、位相差をゼロにシフトさせるための周波数変化量を検出する周波数変化量検出手段とを含む構成である。   This technology includes a vibrator that injects ultrasonic waves into a substance, a vibration detection sensor that detects a reflected wave from the substance, an amplifier having an input terminal connected to a signal output terminal of the vibration detection sensor, and an output terminal of the amplifier. When the phase difference occurs between the input waveform to the transducer and the output waveform from the vibration detection sensor, change the frequency to zero the phase difference. The phase shift circuit includes a phase shift circuit that shifts, and a frequency change amount detection unit that detects a frequency change amount for shifting the phase difference to zero.

ここでは、周波数変化量検出手段において、硬さの相違による位相差をゼロにシフトさせてこれを周波数変化量に変換している。この変換は、周波数に対する反射波の振幅ゲインと位相の関係を示す基準伝達関数を予め求めておいてこれを用いている。   Here, in the frequency change amount detection means, the phase difference due to the difference in hardness is shifted to zero and converted into a frequency change amount. In this conversion, a reference transfer function indicating the relationship between the amplitude gain and phase of the reflected wave with respect to the frequency is obtained in advance and used.

上記では振動として超音波振動を用いているが、これを電気回路における電気信号の振動とすることができる。例えば、発光素子を駆動信号で駆動して光を放射し、その光を受光素子で検出し検出信号を発光素子の駆動信号として帰還することで帰還ループを形成できるが、この帰還ループを流れる電気信号の振動を用いることができる。   In the above description, ultrasonic vibration is used as vibration, but this can be vibration of an electric signal in an electric circuit. For example, a light-emitting element is driven by a driving signal to emit light, the light is detected by a light-receiving element, and a detection signal is fed back as a driving signal for the light-emitting element. Signal vibration can be used.

すなわち、発光素子の駆動信号と放射される光信号との間には、発光素子の構造に起因する信号の遅れがあり、同様に受光素子に入射する光信号と受光素子が出力する検出信号との間にも受光素子の構造に起因する信号の遅れがある。したがって、発光素子と受光素子とを組み合わせて帰還ループを形成すると、これらの遅れである位相差をゼロにするようにして自励発振が生じる。この帰還ループに特許文献1で開示されている位相シフト回路を設けることで、位相差を周波数差に変換することができる。   That is, there is a signal delay due to the structure of the light emitting element between the drive signal of the light emitting element and the emitted optical signal. Similarly, the optical signal incident on the light receiving element and the detection signal output by the light receiving element There is also a signal delay due to the structure of the light receiving element. Therefore, when a feedback loop is formed by combining a light emitting element and a light receiving element, self-excited oscillation occurs so that the phase difference that is a delay between them is made zero. By providing the feedback loop with the phase shift circuit disclosed in Patent Document 1, the phase difference can be converted into a frequency difference.

そして、発光素子から放射した光を評価対象の物質に当て、その物質から反射した光を受光素子で受けて、上記の帰還ループを形成すると、自励発振回路の周波数は、受光素子と発光素子の構造に起因する遅れと、評価対象の物質の特性に起因する遅れに依存することになる。したがって、この帰還ループに位相シフト回路を設け、位相差を周波数差に変換して、周波数差を観察することで、非接触的に、あるいは非侵襲的に、物質特性を測定することができる。   When the light emitted from the light emitting element is applied to the substance to be evaluated, the light reflected from the substance is received by the light receiving element, and the above feedback loop is formed, the frequency of the self-excited oscillation circuit is determined by the light receiving element and the light emitting element. It depends on the delay caused by the structure of the substance and the delay caused by the characteristics of the substance to be evaluated. Therefore, by providing a phase shift circuit in this feedback loop, converting the phase difference into a frequency difference, and observing the frequency difference, the material characteristics can be measured in a non-contact or non-invasive manner.

例えば特許文献2には、血圧測定装置として、赤外光を体内に送波し体内における反射波を受波するセンサユニットと、受波した反射波に基づく電気信号を送波部に帰還して自励発振する自励発振回路とを備え、自励発振回路には周波数の変化に対しゲインを変化させ、入力位相と出力位相との間の位相差をゼロに調整して帰還発振を促進するゲイン変化補正回路を含み、このようにして得られる自励発振回路の発振周波数に基づいて血圧を算出することが述べられている。   For example, in Patent Document 2, as a blood pressure measurement device, a sensor unit that transmits infrared light into the body and receives a reflected wave in the body, and an electric signal based on the received reflected wave is fed back to the transmitting unit. A self-oscillation circuit that self-oscillates. The self-oscillation circuit changes the gain in response to a change in frequency and adjusts the phase difference between the input phase and the output phase to zero to promote feedback oscillation. It is described that the blood pressure is calculated based on the oscillation frequency of the self-excited oscillation circuit obtained in this way, including a gain change correction circuit.

特開平9−145691号公報JP-A-9-145691 特開2001−187032号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-187032

このように、位相シフト法の技術によれば、発光素子と受光素子とを用いて血管の脈動波形を精度よく求めることができる。ところが、血管の脈動を測定する対象の生体、例えば被測定者は必ずしも測定中に安定した状態を維持していない。発光素子と受光素子とが取り付けられた腕を動かす等のように姿勢を変化させることがあり、また、発光素子と受光素子の取り付け状態が不完全であると、測定中に取り付け状態が変化することがある。   As described above, according to the technique of the phase shift method, the pulsation waveform of the blood vessel can be accurately obtained using the light emitting element and the light receiving element. However, a living body that measures the pulsation of a blood vessel, for example, a measurement subject, does not always maintain a stable state during measurement. The posture may change, such as moving the arm to which the light emitting element and the light receiving element are attached, and if the mounting state of the light emitting element and the light receiving element is incomplete, the mounting state changes during measurement. Sometimes.

したがって、測定中に脈動波形が次第に変化し、例えば測定範囲、演算範囲を外れてしまうことが生じ得る。このように脈動波形が測定範囲に対しずれてゆくと正確な血管脈波測定を行うことができない。また、発光素子と受光素子とを用いて血管の脈動波形を精度よく求めることは、光を用いる物性特性測定に相当するが、精度よく脈動波形を検出するには、発光素子と受光素子とを用いて対象物の物性特性を測定するための光を用いる物性特性システムを精度よく構築する必要がある。   Therefore, the pulsation waveform gradually changes during the measurement, and it may occur that, for example, the measurement range or the calculation range is out of range. If the pulsation waveform deviates from the measurement range in this way, accurate blood vessel pulse wave measurement cannot be performed. In addition, obtaining a blood vessel pulsation waveform with high accuracy using a light emitting element and a light receiving element is equivalent to measuring physical properties using light. To detect a pulsation waveform with high accuracy, a light emitting element and a light receiving element are used. It is necessary to construct a physical property system using light for measuring the physical property of an object with high accuracy.

本発明の目的は、より正確な測定を可能とする血管脈波測定装置を提供することである。他の目的は、精度よく対象物の物性を特性することができる光を用いる物性特性測定システムを提供することである。   An object of the present invention is to provide a blood vessel pulse wave measuring apparatus that enables more accurate measurement. Another object is to provide a physical property measurement system using light that can accurately characterize physical properties of an object.

本発明に係る血管脈波測定システムは、皮膚を通して血管に光を照射する発光素子と、血管からの反射光を皮膚を通して受光する受光素子とを有する光探触子と、光探触子に増幅器と共に直列に接続され、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形の間に位相差が生じるときに、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する位相シフト回路と、位相シフト回路によって位相差がゼロに補償された周波数の周期的な時間変化データを脈動波形データとして出力する出力部と、出力部からの脈動波形データに基づいて、予め定めた演算上限値と演算下限値の間の演算範囲で血管脈波測定に関する演算を行う演算手段と、出力部から出力される脈動波形データを予め定めた周期分取得し、取得した周期分のデータの中央値と最大振幅値とを求める周期分データ取得処理を実行する手段と、取得した最大振幅値が演算範囲に対し予め定めた比率となるように最大振幅値を増幅し、取得した中央値をその絶対値に関わらず浮動的に演算範囲の中央値に設定し、取得される脈動波形データを演算手段の演算範囲に収まるように変換する浮動中央値設定処理を実行する浮動中央値設定手段と、出力部からの脈動波形データが時間と共に変動して、脈動波形データを構成する周波数データが演算上限値あるいは演算下限値となるごとに、再び周期分データ取得処理を実行し、その結果に基づいて再び浮動中央値設定処理を実行する手段と、を備えることを特徴とする。   A blood vessel pulse wave measurement system according to the present invention includes an optical probe having a light emitting element that irradiates light to a blood vessel through the skin, a light receiving element that receives reflected light from the blood vessel through the skin, and an amplifier for the optical probe. And a phase shift circuit that changes the frequency to compensate for the phase difference to zero when a phase difference occurs between the input waveform to the light emitting element and the output waveform from the light receiving element. Based on the pulsation waveform data from the output unit that outputs the periodic time change data of the frequency with the phase difference compensated to zero by pulsation waveform data, the predetermined calculation upper limit value and the calculation lower limit value The calculation means for performing calculation related to blood vessel pulse wave measurement in the calculation range between, the pulsation waveform data output from the output unit is acquired for a predetermined period, the median value and the maximum amplitude value of the acquired period data Means to execute the data acquisition process for the required period and amplify the maximum amplitude value so that the acquired maximum amplitude value has a predetermined ratio to the calculation range, and the acquired median value is floating regardless of its absolute value Floating median value setting means for executing a floating median value setting process for converting the acquired pulsation waveform data to fit within the calculation range of the computing means, and pulsation waveform data from the output unit Fluctuates with time, every time the frequency data constituting the pulsation waveform data reaches the calculation upper limit value or the calculation lower limit value, the period data acquisition process is executed again, and based on the result, the floating median value setting process is executed again. Means for executing.

また、本発明に係る血管脈波測定システムにおいて、出力部から出力される周波数データに対しローパスフィルタ演算処理を行って演算手段に供給するフィルタ処理手段と、出力部から出力する周波数データをサンプリングタイミングごとに取得して、取得したデータを移動平均法により順次処理して滑らかな脈動波形としてリアルタイム表示する表示手段と、を備えることが好ましい。   In the vascular pulse wave measurement system according to the present invention, the filter processing means for performing low-pass filter arithmetic processing on the frequency data output from the output section and supplying it to the arithmetic means, and the frequency data output from the output section at the sampling timing It is preferable to include a display unit that acquires the data every time and sequentially processes the acquired data by a moving average method to display in real time as a smooth pulsation waveform.

また、本発明に係る血管脈波測定システムにおいて、出力部から出力する周波数データを電圧データに変換し、電圧データをディジタルデータとして演算手段に供給するFV変換手段を備えることが好ましい。   The vascular pulse wave measurement system according to the present invention preferably includes FV conversion means for converting frequency data output from the output section into voltage data and supplying the voltage data to the calculation means as digital data.

また、本発明に係る血管脈波測定システムにおいて、浮動中央値設定手段は、FV変換手段によって供給された所定の周期分のディジタルデータについてその最大値と最小値との差であるデータ幅を、演算手段の演算範囲の2/3から1/3の間のデータ幅となるようにデータビット拡大を行うことが好ましい。   Further, in the vascular pulse wave measurement system according to the present invention, the floating median value setting means sets a data width which is a difference between the maximum value and the minimum value of the digital data for a predetermined period supplied by the FV conversion means, It is preferable to perform data bit expansion so that the data width is between 2/3 and 1/3 of the calculation range of the calculation means.

また、本発明に係る血管脈波測定システムにおいて、演算手段は、脈動波形と血圧について予め求めた関係に基づいて、血圧を算出することが好ましい。   In the vascular pulse wave measurement system according to the present invention, it is preferable that the calculation means calculates the blood pressure based on a relationship obtained in advance for the pulsation waveform and the blood pressure.

また、本発明に係る光を用いる物性特性測定システムは、対象物に入射光を照射する発光素子について、予め定めた駆動条件の下で駆動する発光駆動回路と、入射光に対応した対象物からの光を受光する受光素子について、予め定めた出力条件の下で出力電気信号を出力する受光出力回路と、受光素子の出力端子と発光素子の入力端子との間に増幅器とともに直列に接続され、発光素子のデバイス特性で予め定まる発光素子駆動電気信号と照射光信号との間の発光素子遅延時間と、受光素子のデバイス特性で予め定まる受光光信号と受光素子出力電気信号との間の受光素子遅延時間と、対象物の物性特性によって生じる照射光信号と受光光信号との間の対象物遅延時間とによって定まる電気信号位相差について、周波数を変化させてその電気信号位相差をゼロにシフトさせる位相シフト回路と、発光素子と受光素子の間に対象物を配置しないときに、位相シフト回路によって位相差がゼロに補償された周波数を初期発振状態周波数とし、発光素子と受光素子との間に対象物を配置したときに、位相シフト回路によって位相差がゼロに補償された周波数を対象物発振状態周波数として、初期発振状態周波数と対象物発振状態周波数との間の周波数変化に基いて対象物の物性特性値を求める物性特性値出力手段と、を備え、発光駆動回路は、受光出力回路の初期発振状態周波数の下での出力電気信号と対象物発振状態周波数の下での出力電気信号との間で信号飽和状態が生じない照射光信号となるように駆動条件が設定され、位相シフト回路は、初期発振状態周波数から予め定めた所定の周波数幅を隔てる周波数をゲインが最大となる動作中心周波数とすることを特徴とする。   In addition, a physical property measurement system using light according to the present invention includes a light emission driving circuit that drives under a predetermined driving condition for a light emitting element that irradiates an object with incident light, and an object corresponding to the incident light. A light receiving element that receives the light of the light receiving output circuit that outputs an output electric signal under a predetermined output condition, and is connected in series with an amplifier between the output terminal of the light receiving element and the input terminal of the light emitting element, Light receiving element delay time between light emitting element driving electric signal and irradiation light signal determined in advance by device characteristics of light emitting element, and light receiving element between light receiving light signal and light receiving element output electric signal predetermined by device characteristic of light receiving element The electrical signal phase difference determined by the delay time and the object delay time between the irradiated light signal and the received light signal caused by the physical property of the object is changed by changing the frequency. A phase shift circuit that shifts the phase difference to zero, and when no object is placed between the light emitting element and the light receiving element, the frequency at which the phase difference is compensated to zero by the phase shift circuit is set as the initial oscillation state frequency, and light emission When an object is placed between the element and the light receiving element, the frequency at which the phase difference is compensated to be zero by the phase shift circuit is defined as the object oscillation state frequency, and between the initial oscillation state frequency and the object oscillation state frequency. A physical property value output means for obtaining a physical property value of the object based on a change in frequency of the light, and the light emission drive circuit outputs an output electrical signal and an object oscillation state frequency under an initial oscillation state frequency of the light receiving output circuit. The driving conditions are set so that the irradiation light signal does not cause a signal saturation state with the output electric signal under the phase of the phase shift circuit, and the phase shift circuit has a predetermined frequency determined from the initial oscillation state frequency. Frequency separating the frequency width gain is characterized in that the operating center frequency becomes maximum.

また、本発明に係る光を用いる物性特性測定システムにおいて、位相シフト回路は、対象物の物性特性が光学的反射率特性または光学的透過率特性である場合の所定の周波数幅よりも、照射光のスペクトル特性が対象物によって変調を受けるスペクトル変調特性の場合の所定の周波数幅を狭く設定することが好ましい。   Further, in the physical property measurement system using light according to the present invention, the phase shift circuit may irradiate the irradiated light more than a predetermined frequency width when the physical property of the object is an optical reflectance property or an optical transmittance property. Preferably, the predetermined frequency width is set to be narrow in the case where the spectral characteristic is a spectral modulation characteristic modulated by an object.

上記構成の少なくとも1つにより、血管脈波測定システムは、位相シフト法の技術により、発光素子と受光素子とを用いて血管の脈動波形データを得て、血管脈波測定に関する演算を行う。この際に、脈動波形データを予め定めた周期分取得し、取得した周期分のデータの中央値と最大振幅値とを求め、最大振幅値が血管脈波測定演算の演算範囲に対し予め定めた比率となるように最大振幅値を増幅し、中央値をその絶対値に関わらず浮動的に演算範囲の中央値に設定する。   With at least one of the above-described configurations, the vascular pulse wave measurement system obtains pulsation waveform data of the blood vessel using the light emitting element and the light receiving element by the technique of the phase shift method, and performs calculations related to the vascular pulse wave measurement. At this time, the pulsation waveform data is acquired for a predetermined period, the median value and the maximum amplitude value of the acquired period data are obtained, and the maximum amplitude value is predetermined for the calculation range of the vascular pulse wave measurement calculation. The maximum amplitude value is amplified so as to be a ratio, and the median value is floatingly set to the median value of the calculation range regardless of the absolute value.

そして、脈動波形データが時間と共に変動して、脈動波形データを構成する周波数データが演算上限値あるいは演算下限値となるごとに、再び周期分データを取得し、そのデータに基づいて再び最大振幅値が血管脈波測定演算の演算範囲に対し予め定めた比率となるように最大振幅値を増幅し、中央値をその絶対値に関わらず浮動的に演算範囲の中央値に設定する。これによって、脈動波形データが時間と共に変動しても、自動的に演算範囲の中に脈動波形データを収めることができるので、より正確な血管脈波測定が可能となる。   Then, every time the pulsation waveform data fluctuates with time and the frequency data constituting the pulsation waveform data reaches the calculation upper limit value or the calculation lower limit value, data for the period is obtained again, and the maximum amplitude value is again obtained based on the data. The maximum amplitude value is amplified so as to have a predetermined ratio with respect to the calculation range of the blood vessel pulse wave measurement calculation, and the median value is floatingly set to the median value of the calculation range regardless of the absolute value. As a result, even if the pulsation waveform data fluctuates with time, the pulsation waveform data can be automatically stored in the calculation range, so that more accurate vascular pulse wave measurement can be performed.

また、血管脈波測定システムにおいて、出力部から出力される周波数データに対しローパスフィルタ演算処理を行って演算手段に供給し、また、出力部から出力する周波数データをサンプリングタイミングごとに取得して、取得したデータを移動平均法により順次処理して滑らかな脈動波形としてリアルタイム表示する。ローパスフィルタ処理演算は時間がかかるが、これに対し移動平均演算は演算時間が短い。そこで、精度を要する血管脈波測定にはローパスフィルタ処理後のデータを用い、リアルタイム表示には移動平均法による結果を用いることで、リアルタイムで脈動波形を視認しながら血圧等の測定結果を得ることができる。   Further, in the vascular pulse wave measurement system, the low-pass filter arithmetic processing is performed on the frequency data output from the output unit and supplied to the calculation means, and the frequency data output from the output unit is acquired at each sampling timing, The acquired data is sequentially processed by the moving average method and displayed in real time as a smooth pulsation waveform. The low-pass filter processing calculation takes time, whereas the moving average calculation has a short calculation time. Therefore, by using the data after low-pass filter processing for blood vessel pulse wave measurement that requires accuracy, and using the results of the moving average method for real-time display, measurement results such as blood pressure can be obtained while viewing the pulsation waveform in real time. Can do.

また、血管脈波測定システムにおいて、出力部から出力する周波数データを電圧データに変換し、電圧データをディジタルデータとして演算手段に供給する。周波数と電圧との間の変換はFV変換と呼ばれ、市販のアナログIC等を用いることで、実績のあるハードウェアを利用できる。また、このアナログデータをディジタルに変換することで、以後の演算にディジタル処理が可能となり、高速で精度のよい演算処理を行うことができる。   In the vascular pulse wave measurement system, the frequency data output from the output unit is converted into voltage data, and the voltage data is supplied as digital data to the calculation means. The conversion between frequency and voltage is called FV conversion, and by using a commercially available analog IC or the like, proven hardware can be used. Further, by converting the analog data into digital, digital processing can be performed for the subsequent calculation, and high-speed and high-precision arithmetic processing can be performed.

また、血管脈波測定システムにおいて、FV変換手段によって供給された所定の周期分のディジタルデータについてその最大値と最小値との差であるデータ幅を、演算手段の演算範囲の2/3から1/3の間のデータ幅となるようにデータビット拡大を行う。好ましくは1/2のデータ幅とすることがよい。このようにすることで、データの時間的変動があっても演算範囲の中に収まるように余裕度を持たせながら、できるだけ演算範囲を有効に用いてデータ処理を実行することができる。   In the vascular pulse wave measurement system, the data width, which is the difference between the maximum value and the minimum value of the digital data for a predetermined period supplied by the FV conversion means, is changed from 2/3 to 1 of the calculation range of the calculation means. Data bit expansion is performed so that the data width is between / 3. The data width is preferably ½. By doing so, it is possible to execute data processing using the calculation range as effectively as possible while providing a margin so as to be within the calculation range even if there is a temporal variation of data.

また、血管脈波測定システムにおいて、脈動波形と血圧について予め求めた関係に基づいて、血圧を算出する。血圧測定は、一般的に圧迫カフを用いてコロトコフ音を測定することが行われるが、発光素子と受光素子とを用いる方法によれば、圧迫カフを要しないので、検査負荷が軽減され、しかも、発光素子と受光素子を用いて得られる脈動波形が例えば圧迫カフを用いて取得した血圧と関連付けられているので、測定結果の信頼性が確保される。   In the vascular pulse wave measurement system, the blood pressure is calculated based on the relationship obtained in advance for the pulsation waveform and the blood pressure. Blood pressure measurement is generally performed by measuring the Korotkoff sound using a compression cuff. However, according to the method using a light emitting element and a light receiving element, a compression cuff is not required, and the examination load is reduced. Since the pulsation waveform obtained by using the light emitting element and the light receiving element is associated with the blood pressure obtained by using, for example, the compression cuff, the reliability of the measurement result is ensured.

また、上記構成の少なくとも1つにより、物性特性測定システムは、発光素子のデバイス特性で予め定まる発光素子駆動電気信号と照射光信号との間の発光素子遅延時間と、受光素子のデバイス特性で予め定まる受光光信号と受光素子出力電気信号との間の受光素子遅延時間と、対象物の物性特性によって生じる照射光信号と受光光信号との間の対象物遅延時間とによって定まる電気信号位相差について周波数を変化させてその電気信号位相差をゼロにシフトさせる位相シフト回路を用いる。そして、発光素子と受光素子の間に対象物を配置しないときと、発光素子と受光素子との間に対象物を配置したてときとの周波数変化の差に基いて、対象物の物性を測定する。その際に、受光出力回路の出力電気信号が信号飽和状態にならないように発光駆動回路の駆動条件を設定する。これによって、出力電気信号の位相の変化を精度よく取得することができる。   In addition, by at least one of the above-described configurations, the physical property measurement system can determine in advance the light-emitting element delay time between the light-emitting element driving electrical signal and the irradiation light signal determined in advance by the device characteristic of the light-emitting element and the device characteristic of the light-receiving element. About the phase difference of the electric signal determined by the light receiving element delay time between the light receiving light signal and the light receiving element output electric signal, and the object delay time between the irradiation light signal and the light receiving light signal generated by the physical property of the object A phase shift circuit that shifts the electric signal phase difference to zero by changing the frequency is used. Then, the physical properties of the object are measured based on the difference in frequency change between when the object is not disposed between the light emitting element and the light receiving element and when the object is disposed between the light emitting element and the light receiving element. To do. At that time, the drive condition of the light emission drive circuit is set so that the output electric signal of the light receiving output circuit does not become a signal saturation state. Thereby, the change in the phase of the output electric signal can be obtained with high accuracy.

また、物性特性測定システムにおいて、位相シフト回路は、対象物の物性特性が光学的反射率特性または光学的透過率特性である場合の所定の周波数幅よりも、照射光のスペクトル特性が対象物によって変調を受けるスペクトル変調特性の場合の所定の周波数幅を狭く設定する。光を用いる物性特性測定は、対象物の物性特性によって生じる照射光信号と受光光信号との間の対象物遅延時間とによって定まる電気信号位相差に基くものであるので、反射率または透過率の変化が位相差に直接的に反映されるが、スペクトル変調特性はこれが反射率あるいは透過率の変化として検出されるので、位相差の変化が小さいことが多い。そこで、位相シフト回路の動作中心周波数を、初期発振状態周波数に近づけて、位相シフト回路のゲインを上げる。これによって、スペクトル変調特性を精度よく測定することができる。   In addition, in the physical property measurement system, the phase shift circuit has a spectral characteristic of the irradiation light that depends on the object rather than a predetermined frequency width when the physical property of the object is an optical reflectance characteristic or an optical transmittance characteristic. A predetermined frequency width in the case of a spectrum modulation characteristic subjected to modulation is set narrow. The measurement of physical property using light is based on the phase difference of the electric signal determined by the object delay time between the irradiated light signal and the received light signal caused by the physical property of the object. Although the change is directly reflected in the phase difference, the change in the phase difference is often small because the spectrum modulation characteristic is detected as a change in reflectance or transmittance. Therefore, the operation center frequency of the phase shift circuit is brought close to the initial oscillation state frequency to increase the gain of the phase shift circuit. Thereby, the spectrum modulation characteristic can be measured with high accuracy.

本発明に係る実施の形態における血管脈波測定システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the vascular pulse wave measurement system in embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態における光探触子の構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the optical probe in embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態において、光探触子回路と脈動波形出力部の構成を説明する図である。In the embodiment according to the present invention, it is a diagram for explaining the configuration of the optical probe circuit and a pulsation waveform output unit. 本発明に係る実施の形態において、光を用いた物質特性の測定原理を説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining the measurement principle of the substance characteristic using light. 位相シフト回路の作用を説明する図である。It is a figure explaining the effect | action of a phase shift circuit. 本発明に係る実施の形態において、血管脈波測定の手順を説明するフローチャートである。5 is a flowchart illustrating a procedure for measuring a blood vessel pulse wave in the embodiment according to the present invention. 本発明に係る実施の形態において、浮動中央値設定の様子を説明する図である。In an embodiment concerning the present invention, it is a figure explaining a situation of floating median value setting. 本発明に係る実施の形態において、光を用いて得られる脈動波形と、観血法による圧力波形とを比較して示す図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which compares and shows the pulsation waveform obtained using light, and the pressure waveform by an open blood method. 本発明に係る実施の形態において、光を用いて得られる周波数データと血圧の関係の例を示す図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows the example of the relationship between the frequency data obtained using light, and blood pressure. 本発明に係る実施の形態において、光を用いて得られる脈動波形を血圧波形に換算して示す図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which converts into a blood pressure waveform and shows the pulsation waveform obtained using light. 本発明に係る実施の形態において、脈動波形が時間と共に変化し、演算範囲を超える様子を示す図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows a mode that a pulsation waveform changes with time and exceeds a calculation range. 本発明に係る実施の形態において、浮動中央値設定処理を行った後の脈動波形の様子を示す図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows the mode of the pulsation waveform after performing a floating median value setting process. 本発明に係る実施の形態において、移動平均法により脈動波形を処理する様子を説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining a mode that a pulsation waveform is processed by the moving average method. 本発明に係る実施の形態において、光を用いる物性特性測定システムの構成を説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining the structure of the physical-property characteristic measurement system which uses light. 本発明に係る実施の形態において、光を用いる物性特性測定システムの構築手順を説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining the construction | assembly procedure of the physical-property characteristic measurement system which uses light. 本発明に係る実施の形態において、発光素子と受光素子の波長選択の様子を説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining the mode of the wavelength selection of a light emitting element and a light receiving element. 本発明に係る実施の形態において、初期発振状態の配置方法を光反射型物性特性測定について説明する図である。In an embodiment concerning the present invention, it is a figure explaining light reflection type physical property measurement as an arrangement method of an initial oscillation state. 本発明に係る実施の形態において、初期発振状態の配置方法を光透過型物性特性測定について説明する図である。In the embodiment according to the present invention, the arrangement method in the initial oscillation state is a diagram for explaining the measurement of light transmission physical properties. 本発明に係る実施の形態において、発光駆動回路と受光出力回路の条件設定方法を説明する図である。In an embodiment concerning the present invention, it is a figure explaining a condition setting method of a light emission drive circuit and a light reception output circuit. 本発明に係る実施の形態において、発光照度が適切で位相差検出が精度よく測定できる例を説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining the example which light emission illumination intensity is appropriate and can detect a phase difference detection accurately. 本発明に係る実施の形態において、発光照度が不適切で位相差検出が精度よく測定できない例を説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining the example which light emission illumination intensity is inappropriate and a phase difference detection cannot be measured accurately. 本発明に係る実施の形態において、位相シフト回路の動作中心周波数の設定の様子を説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining the mode of the setting of the operation center frequency of a phase shift circuit. 本発明に係る実施の形態において、照射光のスペクトルが対象物によって変調を受ける説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining the spectrum of irradiated light being modulated by the target object.

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、測定対象として人間の血管の脈波を説明するが、生体の血管の脈波であればよく、人間以外の動物等を対象とすることができる。また、以下では、血管脈波測定として、脈拍、最大血圧、最小血圧の測定を説明するが、これ以外に、血管の脈動波形を用いて測定するものであればよい。例えば、脈動波形の積分値から血流量に対応する量の測定を行い、脈動波形の微分値から血管の柔軟性を評価する測定を行うものであってもよい。以下で説明する材料、形状、寸法は例示であって、使用目的に応じ、これらの内容を適宜変更できる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the pulse wave of a human blood vessel will be described as a measurement target. However, any pulse wave of a blood vessel of a living body may be used, and a non-human animal or the like can be targeted. In the following, measurement of pulse, maximum blood pressure, and minimum blood pressure will be described as blood vessel pulse wave measurement. However, any other measurement may be used as long as measurement is performed using a blood vessel pulsation waveform. For example, an amount corresponding to the blood flow amount may be measured from the integrated value of the pulsating waveform, and a measurement for evaluating the flexibility of the blood vessel may be performed from the differential value of the pulsating waveform. The materials, shapes, and dimensions described below are merely examples, and these contents can be changed as appropriate according to the purpose of use.

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。   Below, the same code | symbol is attached | subjected to the same element in all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted. In the description in the text, the symbols described before are used as necessary.

図1は、血管脈波測定システム10の構成を説明する図である。血管脈波測定システム10の構成要素ではないが、血圧等を測定する対象の被測定者6と、実際に血圧を測定する血管8が図1に示されている。   FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a vascular pulse wave measurement system 10. Although not a component of the blood vessel pulse wave measurement system 10, a measurement subject 6 who measures blood pressure and a blood vessel 8 that actually measures blood pressure are shown in FIG.

血管脈波測定システム10は、従来用いられているコロトコフ音を測定する圧迫カフ法、あるいは、動脈内に圧力センサを挿入侵襲させて血管内の圧力を直接測定する観血法に代えて、発光素子と受光素子とを有する光探触子12を用いて血管8の脈動波形を取得して脈波測定を行う機能を有するシステムである。   The vascular pulse wave measurement system 10 emits light instead of a conventional compression cuff method for measuring Korotkoff sounds or a blood pressure method in which a pressure sensor is inserted into an artery to directly measure the pressure in the blood vessel. This is a system having a function of acquiring a pulsation waveform of a blood vessel 8 by using an optical probe 12 having an element and a light receiving element and measuring a pulse wave.

血管脈波測定システム10は、被測定者6の血管8の脈動取得に適した部位に取り付けられる光探触子12と、この光探触子12を構成する発光素子を駆動して光を放射させ受光素子によって反射光を検出するための光探触子回路20と、光探触子回路に接続され位相シフト法を用いることで周波数の時間変化として脈動波形を出力する脈動波形出力部30と、周波数データを電圧データに変換するFV変換部40と、FV変換部40のアナログデータをディジタルデータに変換するA/D変換部42と、ディジタルデータを処理して血管脈波データを出力する演算処理部50と、演算処理部50の出力を表示する表示部60を含んで構成される。   The blood vessel pulse wave measurement system 10 emits light by driving an optical probe 12 attached to a site suitable for acquiring the pulsation of the blood vessel 8 of the subject 6 and a light emitting element constituting the optical probe 12. An optical probe circuit 20 for detecting reflected light by the light receiving element, a pulsation waveform output unit 30 connected to the optical probe circuit and outputting a pulsation waveform as a time change of the frequency by using a phase shift method; An FV converter 40 for converting frequency data into voltage data, an A / D converter 42 for converting analog data of the FV converter 40 into digital data, and an operation for processing the digital data and outputting vascular pulse wave data The processing unit 50 and a display unit 60 that displays the output of the arithmetic processing unit 50 are included.

図2は、光探触子12の構成を説明する図である。光探触子12は、適当な保持部13に発光素子14と受光素子16とが回路基板18に取り付けられて配置されたものである。保持部13は、回路基板18を内蔵し、発光素子14の光放射部と、受光素子16の光検出部とを表面に突き出して配置する部材で、例えば適当なプラスチック材料を成形したものを用いることができる。   FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the optical probe 12. The optical probe 12 has a light-emitting element 14 and a light-receiving element 16 attached to a circuit board 18 in an appropriate holding part 13. The holding unit 13 includes a circuit board 18 and is a member that protrudes and arranges the light emitting unit of the light emitting element 14 and the light detecting unit of the light receiving element 16 on the surface. For example, the holding unit 13 is formed by molding an appropriate plastic material. be able to.

発光素子14と受光素子16とは、近接して配置されることが好ましいが、発光素子14からの光が受光素子16に直接入らないように、間に遮光壁を設ける等の構造的工夫をすることが好ましい。あるいは、レンズを発光素子14と受光素子16に設け、指向性を高めることもよい。図2に例では、発光素子14と受光素子16が1つずつ設けられているが、複数の発光素子、複数の受光素子を設けるものとしてもよい。また、受光素子の周りを複数の発光素子で囲むように配置してもよい。   The light emitting element 14 and the light receiving element 16 are preferably arranged close to each other, but a structural device such as a light shielding wall is provided so that light from the light emitting element 14 does not directly enter the light receiving element 16. It is preferable to do. Alternatively, lenses may be provided on the light emitting element 14 and the light receiving element 16 to enhance directivity. In the example of FIG. 2, one light emitting element 14 and one light receiving element 16 are provided, but a plurality of light emitting elements and a plurality of light receiving elements may be provided. Further, the light receiving element may be arranged so as to be surrounded by a plurality of light emitting elements.

光探触子12は、図示されていない適当なバンド、テープ等で被測定者6の血管8の脈動の検出に適した部位に取り付けられる。図1では、光探触子12が手首の撓骨動脈部に取り付けられる様子が示されているが、これ以外に、腕の肘部の内側に対応する上腕動脈部、指先、心臓の近傍等の部位に光探触子12を取り付けるものとできる。   The optical probe 12 is attached to a site suitable for detecting the pulsation of the blood vessel 8 of the measurement subject 6 with an appropriate band, tape, or the like not shown. Although FIG. 1 shows a state in which the optical probe 12 is attached to the radial artery portion of the wrist, other than this, the brachial artery portion corresponding to the inside of the elbow portion of the arm, the fingertip, the vicinity of the heart, etc. The optical probe 12 can be attached to this part.

発光素子14としては、発光ダイオード(Light Emission Diode:LED)を用いることができる。ここでは、東芝製の型式TLN103Aの赤外LEDが用いられる。この赤外LEDは、GaAsを基板とするLEDであり、逆バイアス電圧を0V、周波数を1MHzとして30pFの容量値を有する。また、順方向電流が10mAのときの順方向電圧が1.00Vから1.30Vである。そして、順方向電流を20mAとしたときに、放射パワーとして2.5mW、放射光強度として1mW/cm2として、ピーク放射波長が940nmの光を放射する標準的特性を有する。受光素子と組み合わせるときの受光素子までの最大距離は、DC作動の場合5mm程度、パルス駆動の場合30mm程度である。   As the light emitting element 14, a light emission diode (LED) can be used. Here, an infrared LED of type TLN103A manufactured by Toshiba is used. This infrared LED is an LED using GaAs as a substrate, and has a capacitance value of 30 pF with a reverse bias voltage of 0 V and a frequency of 1 MHz. The forward voltage when the forward current is 10 mA is 1.00 V to 1.30 V. When the forward current is 20 mA, the radiation power is 2.5 mW, the emitted light intensity is 1 mW / cm 2, and the light has a standard characteristic of emitting light having a peak emission wavelength of 940 nm. The maximum distance to the light receiving element when combined with the light receiving element is about 5 mm for DC operation and about 30 mm for pulse driving.

受光素子16としては、フォトダイオードまたはフォトトランジスタを用いることができる。ここでは、東芝製の型式TPS603Aの2端子型フォトトランジスタが用いられる。このフォトトランジスタは、コレクタ・エミッタ間電圧が3Vのとき、ベースに0.1mW/cm2の光が照射されることで、ピーク検出波長を720nmとして、20μAの光電流を出力する標準的特性を有する。また、負荷抵抗を1kΩ、Vcc電圧を10V、コレクタ電流を1mAとして、立上りスイッチング時間が9μs、立下りスイッチング時間が10μsの特性を有する。   As the light receiving element 16, a photodiode or a phototransistor can be used. Here, a TPS603A two-terminal phototransistor manufactured by Toshiba is used. This phototransistor has a standard characteristic of outputting a photocurrent of 20 μA with a peak detection wavelength of 720 nm by irradiating the base with light of 0.1 mW / cm 2 when the collector-emitter voltage is 3V. . The load resistance is 1 kΩ, the Vcc voltage is 10 V, the collector current is 1 mA, and the rising switching time is 9 μs and the falling switching time is 10 μs.

図3は、光探触子回路20と脈動波形出力部30の構成を説明する図である。光探触子回路20は、発光素子14に対する駆動回路と、受光素子16に対する検出回路とで構成される。脈動波形出力部30は、受光素子16の出力信号を発光素子14の入力信号として帰還する帰還回路である。   FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the optical probe circuit 20 and the pulsation waveform output unit 30. The optical probe circuit 20 includes a drive circuit for the light emitting element 14 and a detection circuit for the light receiving element 16. The pulsation waveform output unit 30 is a feedback circuit that feeds back an output signal of the light receiving element 16 as an input signal of the light emitting element 14.

発光素子14に対する駆動回路としては、Vccと接地の間に発光素子14と駆動トランジスタ24とを直列に接続し、駆動トランジスタ24の制御端子であるベースを所定のバイアス条件とする構成が用いられる。この構成において、駆動トランジスタ24のベースへの入力信号がHighとなると、駆動トランジスタ24がONして、発光素子14に駆動電流が流れる。これによって発光素子14が発光し、その光が皮膚を通して血管8に向けて放射される。   As a driving circuit for the light emitting element 14, a configuration in which the light emitting element 14 and the driving transistor 24 are connected in series between Vcc and the ground, and a base that is a control terminal of the driving transistor 24 is used as a predetermined bias condition is used. In this configuration, when the input signal to the base of the drive transistor 24 becomes High, the drive transistor 24 is turned on and a drive current flows through the light emitting element 14. As a result, the light emitting element 14 emits light, and the light is emitted toward the blood vessel 8 through the skin.

受光素子16に対する検出回路としては、Vccと−Vccとの間に負荷抵抗22とダイオードと受光素子16とが直列に接続される構成が用いられる。この構成において、発光素子14の光によって照射された血管からの反射光を皮膚を通して受光素子16が受光することで、受光素子16に標準的な光電流が発生する。その光電流の大きさは、負荷抵抗22に流れる電流の大きさに対応する電圧として出力される。   As a detection circuit for the light receiving element 16, a configuration in which a load resistor 22, a diode, and the light receiving element 16 are connected in series between Vcc and -Vcc is used. In this configuration, a standard photocurrent is generated in the light receiving element 16 when the light receiving element 16 receives the reflected light from the blood vessel irradiated by the light of the light emitting element 14 through the skin. The magnitude of the photocurrent is output as a voltage corresponding to the magnitude of the current flowing through the load resistor 22.

脈動波形出力部30は、受光素子16の検出回路から出力される電圧信号を受け取る入力端子と、発光素子14の駆動回路に入力される電圧信号を出力する出力端子との間に設けられる帰還回路であり、その帰還回路における周波数の時間変化を脈動波形データとしてF/V変換部40に出力する機能を有する。   The pulsation waveform output unit 30 is a feedback circuit provided between an input terminal that receives a voltage signal output from the detection circuit of the light receiving element 16 and an output terminal that outputs a voltage signal input to the drive circuit of the light emitting element 14. And has a function of outputting the time variation of the frequency in the feedback circuit to the F / V converter 40 as pulsation waveform data.

脈動波形出力部30は、入力端子と出力端子との間に増幅器32と位相シフト回路34が直列に配置される。すなわち、受光素子16側である入力端子にDCカットコンデンサを介して増幅器32の入力側が接続され、増幅器32の出力側に位相シフト回路34の入力側が接続され、位相シフト回路34の出力側が、発光素子14側である出力端子に接続される。   In the pulsation waveform output unit 30, an amplifier 32 and a phase shift circuit 34 are arranged in series between an input terminal and an output terminal. That is, the input side of the amplifier 32 is connected to the input terminal on the light receiving element 16 side via a DC cut capacitor, the input side of the phase shift circuit 34 is connected to the output side of the amplifier 32, and the output side of the phase shift circuit 34 emits light. It is connected to the output terminal on the element 14 side.

位相シフト回路34は、発光素子14への入力波形と受光素子16からの出力波形との間に位相差が生じるときに、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する機能を有する回路である。   The phase shift circuit 34 is a circuit having a function of changing the frequency and compensating for the phase difference to zero when a phase difference occurs between the input waveform to the light emitting element 14 and the output waveform from the light receiving element 16. is there.

図4は、光を用いるときの位相シフト回路34の作用を説明する図である。特許文献1における位相シフト回路は超音波振動を用いる場合であり、そのときには超音波振動の周波数を変化させて、超音波振動子への入力波形と超音波振動検出素子からの出力波形との間の位相差をゼロにする。これに対し、光を用いる場合には、光の波長を変化させるのではなく、受光素子16から出力される電圧信号を帰還して発光素子14に入力される電圧信号として帰還ループを形成するときに、その帰還ループにおける電圧信号の振動の周波数を変化させる。   FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the phase shift circuit 34 when light is used. The phase shift circuit in Patent Document 1 is a case where ultrasonic vibration is used. At that time, the frequency of the ultrasonic vibration is changed and the waveform between the input waveform to the ultrasonic transducer and the output waveform from the ultrasonic vibration detection element is changed. Set the phase difference of to zero. On the other hand, when light is used, when the wavelength of light is not changed, the voltage signal output from the light receiving element 16 is fed back to form a feedback loop as the voltage signal input to the light emitting element 14. In addition, the frequency of oscillation of the voltage signal in the feedback loop is changed.

図4において、発光素子14に電圧信号が入力されると、光が放射されるが、その光信号は、入力された電圧信号よりも時間的に遅れる。この遅れは、発光素子14の構造としての容量成分等に起因するものである。つまり、発光素子14において、入力信号としての電圧信号に対し、出力信号としての放射光信号は時間的に遅れ、その意味で位相差が生じている。図4では、時間遅れΔtd1でその遅れが示されている。   In FIG. 4, when a voltage signal is input to the light emitting element 14, light is emitted, but the optical signal is delayed in time from the input voltage signal. This delay is caused by a capacitive component or the like as the structure of the light emitting element 14. That is, in the light emitting element 14, the emitted light signal as the output signal is delayed with respect to the voltage signal as the input signal, and a phase difference is generated in that sense. In FIG. 4, the delay is indicated by a time delay Δtd1.

発光素子14と受光素子16とを密着して配置する場合には、発光素子14から放射された光はそのまま受光素子16によって受け取られる。上記で述べた発光素子14の仕様の場合、発光素子14と受光素子16との間の距離は最大で30mmまでは使用できるが、その距離が離れるほど受光素子16が受け取る光の量が減少する。いずれにせよ、適切な距離で発光素子14と受光素子16が配置されるときは、受光素子16は発光素子14からの光を受け取ることができる。   When the light emitting element 14 and the light receiving element 16 are disposed in close contact, the light emitted from the light emitting element 14 is received by the light receiving element 16 as it is. In the case of the specification of the light emitting element 14 described above, the distance between the light emitting element 14 and the light receiving element 16 can be up to 30 mm, but the amount of light received by the light receiving element 16 decreases as the distance increases. . In any case, when the light emitting element 14 and the light receiving element 16 are disposed at an appropriate distance, the light receiving element 16 can receive light from the light emitting element 14.

受光素子16が光を受け取ると、その光の強度に応じて電圧信号が発生する。その電圧信号は、受け取った光信号よりも時間的に遅れる。この遅れは受光素子16の構造としての容量成分等に起因するもので、上記の仕様では、立上りスイッチング速度、立下りスイッチング速度として示されている。つまり、受光素子16において、入力信号としての光信号に対し、出力信号としての電圧信号は時間的に遅れ、その意味で位相差が生じている。図4では、時間遅れΔtd2でその遅れが示されている。   When the light receiving element 16 receives light, a voltage signal is generated according to the intensity of the light. The voltage signal is delayed in time from the received optical signal. This delay is caused by a capacitance component or the like as the structure of the light receiving element 16, and is indicated as a rising switching speed and a falling switching speed in the above specifications. That is, in the light receiving element 16, the voltage signal as the output signal is delayed with respect to the optical signal as the input signal, and a phase difference is generated in that sense. In FIG. 4, the delay is indicated by a time delay Δtd2.

したがって、発光素子14と受光素子16とを組み合わせると、発光素子14に電圧信号が入力され、これから位相差を有して光が放射され、その光を受光素子16が受け取って、これから位相差を有して電圧信号が出力されることになる。このように、発光素子14の駆動電圧信号と、受光素子の検出電圧信号との間には、時間遅れが生じ、その意味で位相差が生じている。図4の例では、Δtd1+Δtd2の時間遅れが生じる。   Therefore, when the light emitting element 14 and the light receiving element 16 are combined, a voltage signal is input to the light emitting element 14, and light is emitted from there with a phase difference. The light receiving element 16 receives the light, and the phase difference is obtained therefrom. Therefore, a voltage signal is output. Thus, there is a time delay between the drive voltage signal of the light emitting element 14 and the detection voltage signal of the light receiving element, and a phase difference is caused in that sense. In the example of FIG. 4, a time delay of Δtd1 + Δtd2 occurs.

ここで、受光素子16の検出電圧信号を発光素子14に駆動電圧信号として適当な増幅器32を用いて帰還することを考える。この場合、発光素子14における遅れ時間と、受光素子16における遅れ時間の和が、位相差でちょうど180度となる周波数で、帰還ループにおいて電圧信号が発振する。例えば、遅れ時間の和であるΔtd1+Δtd2が2.5μsであるとすると、1周期が5μsである周波数200kHzで、帰還ループにおいて自励発振が生じる。   Here, it is considered that the detection voltage signal of the light receiving element 16 is fed back to the light emitting element 14 as a drive voltage signal using an appropriate amplifier 32. In this case, a voltage signal oscillates in the feedback loop at a frequency at which the sum of the delay time in the light emitting element 14 and the delay time in the light receiving element 16 is exactly 180 degrees in phase difference. For example, if Δtd1 + Δtd2 that is the sum of delay times is 2.5 μs, self-oscillation occurs in the feedback loop at a frequency of 200 kHz with one period of 5 μs.

上記の例は、発光素子14と受光素子16の間に空間のみがある場合であるが、発光素子14からの光が測定対象物に放射され、その測定対象物からの反射光を受光素子16が受け取る場合には、入射光と反射光との間に、測定対象物の物質特性に基づく時間遅れが生じる。その意味では、入射光と反射光との間に位相差が生じる。図4では、測定対象物として血管8が示され、血管8に放射された光と反射された光との間の時間遅れΔTdとして、その遅れが示されている。   The above example is a case where there is only a space between the light emitting element 14 and the light receiving element 16, but light from the light emitting element 14 is radiated to the measurement object, and reflected light from the measurement object is received as the light receiving element 16. Is received, a time delay is generated between the incident light and the reflected light based on the material property of the measurement object. In that sense, a phase difference occurs between the incident light and the reflected light. In FIG. 4, the blood vessel 8 is shown as the measurement object, and the delay is shown as the time delay ΔTd between the light emitted to the blood vessel 8 and the reflected light.

このように、発光素子14から光が血管8に放射され、血管8からの反射光を受光素子16が受け取る場合には、発光素子14から受光素子16に直接入射する光の影響がないものとして、帰還ループにおける自励発振は、血管8の物質特性を反映したものとなる。   In this way, when light is emitted from the light emitting element 14 to the blood vessel 8 and the light receiving element 16 receives reflected light from the blood vessel 8, it is assumed that there is no influence of light directly incident on the light receiving element 16 from the light emitting element 14. The self-excited oscillation in the feedback loop reflects the material characteristics of the blood vessel 8.

すなわち、図4の例で、発光素子14における遅れ時間Δtd1と、受光素子16における遅れ時間Δtd2と、さらにΔTdとの和が、位相差でちょうど180度となる周波数で、帰還ループにおいて電圧信号が発振する。上記の例で、例えば、遅れ時間の和であるΔtd1+Δtd2+ΔTdが2.55μsであるとすると、1周期が5.1μsである周波数196kHzで、帰還ループにおいて自励発振が生じる。血管8がないときは、周波数200kHzで発振していたので、この発振周波数の差で血管8の物質特性を判断することが可能である。   That is, in the example of FIG. 4, the voltage signal is output in the feedback loop at a frequency at which the sum of the delay time Δtd1 in the light emitting element 14, the delay time Δtd2 in the light receiving element 16, and ΔTd is exactly 180 degrees in phase difference. Oscillates. In the above example, if Δtd1 + Δtd2 + ΔTd, which is the sum of delay times, is 2.55 μs, for example, self-oscillation occurs in the feedback loop at a frequency of 196 kHz with a period of 5.1 μs. When there is no blood vessel 8, since it oscillated at a frequency of 200 kHz, the material characteristic of the blood vessel 8 can be determined from the difference in oscillation frequency.

このように、増幅器32を帰還ループに設けるだけでも、自励発振が生じ、また、血管8を帰還ループの中に含ませることで変化する自励発振周波数の変化から、血管8の物質特性を判断することが可能となる。   In this way, even if the amplifier 32 is provided in the feedback loop, self-oscillation occurs, and the material characteristics of the blood vessel 8 can be determined from the change in the self-oscillation frequency that changes by including the blood vessel 8 in the feedback loop. It becomes possible to judge.

発光素子14、受光素子16の特性等にも関係するが、血管8を帰還ループの中に含ませたときの自励発振周波数の変化は非常に小さいことが多い。これに対し、位相の変化は比較的大きいので、位相の変化である位相差を検出することが好ましいが、位相差の精密な測定は、周波数の精密な測定に比して困難である。   Although related to the characteristics of the light-emitting element 14 and the light-receiving element 16, the change in the self-oscillation frequency when the blood vessel 8 is included in the feedback loop is often very small. On the other hand, since the change in phase is relatively large, it is preferable to detect a phase difference that is a change in phase. However, precise measurement of the phase difference is more difficult than precise measurement of the frequency.

位相シフト回路34は、上記のように、発光素子14への入力波形と受光素子16からの出力波形との間に位相差が生じるときに、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する機能を有する回路である。見方を変えれば、位相の変化を周波数の変化に変換する機能を有する回路であり、特徴的なことは、位相差を周波数差に変換するときの変換率を任意に設定できることである。   As described above, when a phase difference occurs between the input waveform to the light emitting element 14 and the output waveform from the light receiving element 16, the phase shift circuit 34 changes the frequency to compensate the phase difference to zero. This is a circuit having a function. In other words, the circuit has a function of converting a change in phase into a change in frequency. What is characteristic is that a conversion rate for converting a phase difference into a frequency difference can be arbitrarily set.

図5は、横軸に周波数、縦軸にゲインと位相をとった伝達特性曲線図である。図5において、特性線Gfは、位相シフト回路34のゲイン−周波数特性線であり、特性線θfは、位相シフト回路34の位相−周波数特性線である。また、特性線G1,G2は、位相シフト回路34を含まない自励発振回路のゲイン−周波数特性線である。   FIG. 5 is a transfer characteristic curve diagram in which the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents gain and phase. In FIG. 5, the characteristic line Gf is a gain-frequency characteristic line of the phase shift circuit 34, and the characteristic line θf is a phase-frequency characteristic line of the phase shift circuit 34. Characteristic lines G1 and G2 are gain-frequency characteristic lines of a self-excited oscillation circuit that does not include the phase shift circuit 34.

このように、位相シフト回路34の伝達特性曲線図は、一種のバンドパスフィルタ特性を示している。かかる伝達特性を有する位相シフト回路34は、複数の抵抗素子と複数の容量素子とを組み合わせて構成することができる。また、ディジタル演算として、複数の積分演算要素と複数の微分演算要素等を組み合わせて構成することもできる。   As described above, the transfer characteristic curve diagram of the phase shift circuit 34 shows a kind of band-pass filter characteristic. The phase shift circuit 34 having such transfer characteristics can be configured by combining a plurality of resistance elements and a plurality of capacitance elements. Further, as the digital calculation, a plurality of integral calculation elements and a plurality of differential calculation elements can be combined.

図5を用いて位相シフト回路34の作用を説明する。血管8の状態変化に対応して、発光素子14の入力波形と受光素子16の出力波形との間にΔθの位相差が発生しているとすると、位相シフト回路34は、その特性線θf上で、動作点がΔθだけ移動して、その位相差をゼロにする。そのとき、位相シフト回路34を含まない自励発振回路のゲイン−周波数特性線は、G1からG2に変化する。この変化は、位相シフト回路34の特性線Gf上で、周波数の変化Δfとなる。   The operation of the phase shift circuit 34 will be described with reference to FIG. Assuming that a phase difference of Δθ is generated between the input waveform of the light emitting element 14 and the output waveform of the light receiving element 16 corresponding to the change in the state of the blood vessel 8, the phase shift circuit 34 is on the characteristic line θf. Thus, the operating point is moved by Δθ and the phase difference is made zero. At that time, the gain-frequency characteristic line of the self-excited oscillation circuit not including the phase shift circuit 34 changes from G1 to G2. This change becomes a frequency change Δf on the characteristic line Gf of the phase shift circuit 34.

このように、発光素子14への入力波形と受光素子16からの出力波形との間に位相差Δθが生じるときに、周波数をΔfだけ変化させてその位相差をゼロに補償する機能を位相シフト回路34は有する。このΔθの変化に対応するΔfの大きさは、特性線θfと特性線Gfの設定で定まる。つまり、位相シフト回路34の伝達特性の設計によって、適当にこの大きさを設定できる。これによって、位相の変化を、適当な大きさの周波数の変化に変換することができる。   Thus, when a phase difference Δθ occurs between the input waveform to the light emitting element 14 and the output waveform from the light receiving element 16, the function of changing the frequency by Δf and compensating for the phase difference to zero is a phase shift. The circuit 34 has. The magnitude of Δf corresponding to the change in Δθ is determined by the setting of the characteristic line θf and the characteristic line Gf. That is, this size can be set appropriately by designing the transfer characteristics of the phase shift circuit 34. As a result, the phase change can be converted into a frequency change of an appropriate magnitude.

この周波数の変化は、血管8の物質特性を反映しており、血管8が脈動すると、その脈動の変化に応じて、周波数が変化することになる。したがって、周波数の周期的な変化を、血管8の脈動波形データとして用いることができる。   This change in frequency reflects the material characteristics of the blood vessel 8. When the blood vessel 8 pulsates, the frequency changes according to the change in the pulsation. Therefore, a periodic change in frequency can be used as the pulsation waveform data of the blood vessel 8.

再び図1に戻り、脈動波形出力部30は、上記のように、位相シフト回路34によって位相差がゼロに補償された周波数の周期的な時間変化データを血管8の脈動データとして出力し、FV変換部40に供給する。   Returning to FIG. 1 again, the pulsation waveform output unit 30 outputs the periodic time change data of the frequency whose phase difference is compensated to zero by the phase shift circuit 34 as described above, as pulsation data of the blood vessel 8, and FV This is supplied to the conversion unit 40.

FV変換部40は、脈動波形出力部30から出力された周波数データを電圧データに変換する機能を有する回路である。かかるFV変換部40は、適当なFV変換機能を有する市販のICを用いることができる。例えば、上記の例で、自励発振周波数が100kHzから200kHzである場合には、周波数レンジが1kHzから500kHz程度、電圧レンジが0Vから5V程度の仕様を有するFV変換ICを用いることができる。   The FV conversion unit 40 is a circuit having a function of converting frequency data output from the pulsation waveform output unit 30 into voltage data. As the FV conversion unit 40, a commercially available IC having an appropriate FV conversion function can be used. For example, in the above example, when the self-oscillation frequency is 100 kHz to 200 kHz, an FV conversion IC having a specification in which the frequency range is about 1 kHz to 500 kHz and the voltage range is about 0 V to 5 V can be used.

上記の仕様のFV変換ICを用いて、例えば、周波数変化が110kHzから120kHzとすると、FV変換特性が直線特性として、この周波数変化は、およそ10mV程度の電圧変化として変換されることになる。   For example, when the frequency change is 110 kHz to 120 kHz using the FV conversion IC having the above specifications, the FV conversion characteristic is a linear characteristic, and this frequency change is converted as a voltage change of about 10 mV.

A/D変換部42は、FV変換部40のアナログ出力をディジタルデータに変換する機能を有する回路である。かかるA/D変換部42は、演算処理部50における演算範囲に適した適当なディジタルビット数に変換できる市販のA/D変換IC等を用いることができる。演算範囲である適当な変換されたディジタルデータは、演算処理部50に供給される。   The A / D converter 42 is a circuit having a function of converting the analog output of the FV converter 40 into digital data. As the A / D conversion unit 42, a commercially available A / D conversion IC or the like that can convert the number of digital bits suitable for the calculation range in the calculation processing unit 50 can be used. Appropriate converted digital data that is in the calculation range is supplied to the calculation processing unit 50.

演算処理部50は、ディジタルデータとして供給された周波数変化データを処理して、血管脈波測定データとして出力する機能を有する演算処理装置である。かかる演算処理部50は、演算処理に適したコンピュータで構成することができる。   The arithmetic processing unit 50 is an arithmetic processing device having a function of processing frequency change data supplied as digital data and outputting it as vascular pulse wave measurement data. The arithmetic processing unit 50 can be configured by a computer suitable for arithmetic processing.

演算処理部50は、血管脈波測定演算のためにいくつかの機能を有する。血管脈波測定演算モジュール52は、脈動波形データに基づいて、予め定めた演算上限値と演算下限値の間の演算範囲で血管脈波測定に関する演算を行う機能を有する。血管脈波測定演算には、脈拍数の算出、最高血圧の算出、最低血圧の算出が含まれる。   The arithmetic processing unit 50 has several functions for blood vessel pulse wave measurement calculation. The vascular pulse wave measurement calculation module 52 has a function of performing calculation related to vascular pulse wave measurement within a calculation range between a predetermined calculation upper limit value and a calculation lower limit value based on the pulsation waveform data. The blood vessel pulse wave measurement calculation includes calculation of the pulse rate, calculation of the maximum blood pressure, and calculation of the minimum blood pressure.

また、周波数データ取得モジュール54は、脈動波形データを取得し、必要な場合、予め定めた周期分取得し、取得した周期分のデータの中央値と最大振幅値とを求める周期分データ取得処理を実行する機能を有する。また、浮動中央値設定処理モジュール56は、取得した最大振幅値が演算範囲に対し予め定めた比率となるように最大振幅値を増幅し、取得した中央値をその絶対値に関わらず浮動的に演算範囲の中央値に設定し、取得される脈動波形データを演算手段の演算範囲に収まるように変換する機能を有する。また、ノイズ除去処理モジュール58は、周波数データに対しローパスフィルタ演算処理を行って演算手段に供給し、また、周波数データをサンプリングタイミングごとに取得して、取得したデータを移動平均法により順次処理して滑らかな脈動波形とする機能を有する。   Further, the frequency data acquisition module 54 acquires pulsation waveform data, and if necessary, acquires data for a predetermined period, and performs period data acquisition processing for obtaining the median value and maximum amplitude value of the acquired data for the period. Has the function to execute. Further, the floating median value setting processing module 56 amplifies the maximum amplitude value so that the acquired maximum amplitude value becomes a predetermined ratio with respect to the calculation range, and the acquired median value is floated regardless of its absolute value. It has a function of setting the median value of the calculation range and converting the acquired pulsation waveform data so as to be within the calculation range of the calculation means. Further, the noise removal processing module 58 performs low-pass filter arithmetic processing on the frequency data and supplies it to the arithmetic means, acquires frequency data at every sampling timing, and sequentially processes the acquired data by the moving average method. And has a function to make a smooth pulsating waveform.

かかる機能はソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、血管脈波測定プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。   Such a function can be realized by executing software, and specifically, can be realized by executing a blood vessel pulse wave measurement program. Some of these functions may be realized by hardware.

図1に示される表示部60は、演算処理部50の演算結果を表示する装置である。図1では、ローパスフィルタ処理後の脈動波形表示62、移動平均法の処理後の脈動波形表示64、血管脈波測定値表示66としての脈拍数、最高血圧Pmax、最低血圧Pminの表示が示されている。かかる表示部60としては、適当なディスプレイ、プリンタ等を用いることができる。   The display unit 60 shown in FIG. 1 is a device that displays the calculation result of the calculation processing unit 50. In FIG. 1, the pulsation waveform display 62 after the low-pass filter processing, the pulsation waveform display 64 after the moving average method processing, and the display of the pulse rate, the maximum blood pressure Pmax, and the minimum blood pressure Pmin as the vascular pulse wave measurement value display 66 are shown. ing. An appropriate display, printer, or the like can be used as the display unit 60.

かかる構成の血管脈波測定システム10の作用について、特に演算処理部50の各機能について、図6のフローチャートと、図7から図13の各図を用いて説明する。   The operation of the vascular pulse wave measurement system 10 having such a configuration will be described with reference to the flowchart of FIG. 6 and the diagrams of FIGS.

図6は、血管脈波測定の手順を示すフローチャートである。各手順は、血管脈波測定プログラムの各処理手順にそれぞれ対応する。血管脈波測定を行うには、光探触子12を被測定者6の血管8に対応する適当な部位に取り付け、光探触子回路20から表示部60までの各電気回路の電源をONとして初期化を実行する。そして、演算処理部50において、血管脈波測定プログラムを立ち上げる。   FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of blood vessel pulse wave measurement. Each procedure corresponds to each processing procedure of the blood vessel pulse wave measurement program. In order to perform blood vessel pulse wave measurement, the optical probe 12 is attached to an appropriate part corresponding to the blood vessel 8 of the person 6 to be measured, and the power of each electric circuit from the optical probe circuit 20 to the display unit 60 is turned on. Perform initialization as Then, in the arithmetic processing unit 50, a blood vessel pulse wave measurement program is launched.

そして、脈動波形データを5周期分取得する(S10)。この工程は、演算処理部50の周波数データ取得モジュール54の機能によって実行される。具体的には、脈動波形出力部30から出力される周期的な周波数データを、5周期分取得する。脈動波形は、血管8の脈動の周期である脈拍周期に応じて周期性を有するので、5周期分とは、脈拍で5拍分である。なお、5周期は、例示的なものであって、5周期以外であってもよく、場合によっては、1周期でもよい。   Then, pulsation waveform data is acquired for five cycles (S10). This step is executed by the function of the frequency data acquisition module 54 of the arithmetic processing unit 50. Specifically, the periodic frequency data output from the pulsation waveform output unit 30 is acquired for five periods. Since the pulsation waveform has periodicity according to the pulse period which is the period of pulsation of the blood vessel 8, the period corresponding to five periods is five pulses. Note that the five periods are exemplary, and may be other than five periods, or in some cases, one period.

例えば、上記のように、血管8の脈動による周波数変化が110kHzから120kHzとすると、FV変換後において、電圧変化の最大振幅値は、5周期分においても、およそ10mV程度である。FV変換部の電圧レンジは5Vであるので、この電圧変化の最大振幅値は、電圧レンジの10/5000に過ぎない。   For example, as described above, when the frequency change due to the pulsation of the blood vessel 8 is 110 kHz to 120 kHz, the maximum amplitude value of the voltage change after FV conversion is about 10 mV even for five cycles. Since the voltage range of the FV converter is 5V, the maximum amplitude value of this voltage change is only 10/5000 of the voltage range.

FV変換部40のデータはA/D変換部42によってディジタル変換されて演算処理部50に供給されるので、演算処理部50は、FV変換部40の電圧レンジの幅を演算範囲として想定し、設定される。上記の例で、FV変換部40の電圧レンジが0Vから5Vであるとき、演算処理部50が16ビットのデータで演算処理するものとすれば、16ビットが5Vに対応するように、A/D変換部42においてデータ変換が行われる。   Since the data of the FV conversion unit 40 is digitally converted by the A / D conversion unit 42 and supplied to the calculation processing unit 50, the calculation processing unit 50 assumes the width of the voltage range of the FV conversion unit 40 as the calculation range, Is set. In the above example, when the voltage range of the FV conversion unit 40 is 0V to 5V, if the arithmetic processing unit 50 performs arithmetic processing with 16-bit data, A / Data conversion is performed in the D converter 42.

したがって、上記の例のように、血管8の脈動による周波数変化を電圧変化に変換したところ、最大振幅値がおよそ10mVであると、演算範囲の1/500しか演算に利用されないことになる。そこで、この10mVを演算範囲の中に収まる程度に増幅する処理が行われる。   Therefore, when the frequency change due to the pulsation of the blood vessel 8 is converted into a voltage change as in the above example, if the maximum amplitude value is approximately 10 mV, only 1/500 of the calculation range is used for the calculation. Therefore, a process of amplifying the 10 mV so as to be within the calculation range is performed.

すなわち、取得された5周期分の脈動波形データを用いて、その中央値と最大振幅値とを算出する(S12)。上記の例では、中央値が5mV、最大振幅値が10mVである。実際には、ディジタル変換されているので、中央値も最大振幅値も16ビットデータで表されるものであるが、説明にはアナログデータの方が分かりやすいので、以下では、アナログデータを用いて説明する。   That is, the median value and the maximum amplitude value are calculated using the acquired pulsation waveform data for five cycles (S12). In the above example, the median value is 5 mV, and the maximum amplitude value is 10 mV. Actually, since digital conversion is performed, both the median value and the maximum amplitude value are represented by 16-bit data. However, since analog data is easier to understand in the explanation, in the following, analog data will be used. explain.

次に、最大振幅値を演算範囲の1/2に設定する(S14)。上記の例では、10mVを、5V/2に拡大する。つまり、10mVのデータを2500mVに拡大する。   Next, the maximum amplitude value is set to ½ of the calculation range (S14). In the above example, 10 mV is expanded to 5 V / 2. That is, the 10 mV data is expanded to 2500 mV.

そして、中央値を、その絶対値に関わらず、浮動的に、演算範囲中央値に設定する(S16)。上記の例で、5mVが2.5Vに設定される。S12,S14,S16の工程は、演算処理部50の浮動中央値設定処理モジュール56の機能によって実行される。   Then, the median is floatingly set to the median of the calculation range regardless of the absolute value (S16). In the above example, 5 mV is set to 2.5V. Steps S12, S14, and S16 are executed by the function of the floating median value setting processing module 56 of the arithmetic processing unit 50.

その様子を図7に模式的に示す。図7は、横軸に時間、縦軸に電圧をとった2つの図が示されている。左側の図は、FV変換後の5周期分の脈動波形が示されている。上記の例では、この最大振幅値は10mV、中央値は5mVであるが、模式的に中央値についてはバイアスをかけてほぼ2V程度とし、最大振幅値も誇張して図示されている。右側の図は、浮動中央値設定処理後の脈動波形が示されている。左右の図とも、縦軸はフルレンジが5Vで、この範囲が演算範囲である。   This is schematically shown in FIG. FIG. 7 shows two diagrams with time on the horizontal axis and voltage on the vertical axis. The figure on the left shows the pulsation waveform for five cycles after FV conversion. In the above example, the maximum amplitude value is 10 mV and the median value is 5 mV. However, the median value is schematically biased to approximately 2 V, and the maximum amplitude value is also exaggerated. The right figure shows the pulsation waveform after the floating median value setting process. In both the left and right figures, the vertical axis is the full range of 5 V, and this range is the calculation range.

図7の左右の図を比較しやすいように、最大振幅値の拡大と、中央値の移動とが矢印で示されている。このように、浮動中央値設定処理は、脈動波形の中央値を、実際の値に関わらず、常に演算範囲の中央値である2.5Vに移動する。そして、最大振幅値も、実際の値に関わらず、演算範囲である5Vの1/2である2.5Vに拡大される。このようにして、以後の演算においては、演算範囲が有効に用いられる。   In order to make it easier to compare the left and right diagrams in FIG. 7, the enlargement of the maximum amplitude value and the movement of the median value are indicated by arrows. Thus, in the floating median value setting process, the median value of the pulsation waveform is always moved to 2.5 V, which is the median value of the calculation range, regardless of the actual value. The maximum amplitude value is also expanded to 2.5 V, which is 1/2 of 5 V that is the calculation range, regardless of the actual value. In this way, the calculation range is used effectively in the subsequent calculations.

最大振幅値を演算範囲の1/2としたのは、後述するように、脈動波形が時間経過と共に変動することがあるためである。図7の例では、脈動波形の上限値が1.25V高くなるまで、あるいは脈動波形の下限値が1.25V低くなるまで、データは演算範囲の0Vから5Vの範囲にあるので、演算を継続することができる。   The reason why the maximum amplitude value is set to ½ of the calculation range is that the pulsation waveform may fluctuate with time as will be described later. In the example of FIG. 7, since the data is in the range of 0V to 5V of the calculation range until the upper limit value of the pulsation waveform is increased by 1.25V or the lower limit value of the pulsation waveform is decreased by 1.25V, the calculation is continued. can do.

このように、最大振幅値を演算範囲の1/2としたのは、データの時間的変動があっても演算範囲の中に収まるように余裕度を持たせながら、できるだけ演算範囲を有効に用いてデータ処理を実行するためであるので、1/2以外の設定であってもよい。例えば、1/3から2/3の範囲で、適当な値を用いることができる。   Thus, the reason why the maximum amplitude value is set to 1/2 of the calculation range is to use the calculation range as effectively as possible while providing a margin so that it can be within the calculation range even if there are temporal fluctuations in the data. Therefore, the setting may be other than 1/2. For example, an appropriate value can be used in the range of 1/3 to 2/3.

再び図6に戻り、このようにして、実際の周波数データの中心値と最大振幅幅を調整して以後の演算において演算範囲を有効に使えるようにする設定がおわると、脈波測定演算のためのデータ収集が行われる。すなわち、脈動波形データのサンプリング取得が行われる(S18)。サンプリングは、脈動波形の変化に対し十分な細かさで行うことが好ましい。例えば、5msごとに周波数データを取得するものとできる。   Returning to FIG. 6 again, once the center value and the maximum amplitude width of the actual frequency data are adjusted so that the calculation range can be used effectively in the subsequent calculation, the pulse wave measurement calculation is completed. Data collection. That is, sampling acquisition of pulsation waveform data is performed (S18). Sampling is preferably performed with sufficient fineness against changes in the pulsation waveform. For example, frequency data can be acquired every 5 ms.

図8は、脈動波形のサンプリングデータと、観血法による血管内の圧力変動のデータとを比較して示す図である。図8の横軸は時間で、上段の図は、発光素子14と受光素子16を用いて図1の構成によって得られる周波数データを電圧データに変換したもので、縦軸は電圧である。下段の図は、別途、圧力センサを血管8の内部に挿入して実際に血管内の圧力の時間変化を求めたデータで、縦軸が圧力である。   FIG. 8 is a diagram showing a comparison between sampling data of a pulsation waveform and data of pressure fluctuations in a blood vessel by an open blood method. The horizontal axis of FIG. 8 is time, and the upper diagram is obtained by converting the frequency data obtained by the configuration of FIG. 1 into voltage data using the light emitting element 14 and the light receiving element 16, and the vertical axis is voltage. The lower diagram is data obtained by separately inserting a pressure sensor into the blood vessel 8 and actually obtaining the temporal change of the pressure in the blood vessel, and the vertical axis is the pressure.

図8に示されるように、図1の構成によって得られるデータは、実際の血管内の圧力とよい一致を見る。したがって、図1の構成で得られる周期的脈動波形データと、観血法等で得られる血圧データとの間の相関関係を予め求めておけば、図1の構成で得られる周期的脈動波形データから血圧を求めることができる。   As shown in FIG. 8, the data obtained by the configuration of FIG. 1 looks in good agreement with the actual intravascular pressure. Therefore, if the correlation between the periodic pulsation waveform data obtained by the configuration of FIG. 1 and the blood pressure data obtained by the open blood method or the like is obtained in advance, the periodic pulsation waveform data obtained by the configuration of FIG. Blood pressure can be obtained from

図9は、脈動波形データと、血圧との間の相関関係を示す1例である。ここでは、図1の構成で得られる周波数データを横軸にとり、観血法で求めた血圧値を縦軸にとってある。Q1,Q2として示される直線は、2人の被測定者についてのそれぞれの相関関係を示す線である。このように被測定者が異なれば、脈動波形データと血圧値との間の相関関係が異なるので、予め被測定者ごとに相関関係を求めておく必要がある。また、同じ被測定者であっても、安静状態と運動状態等で、脈動波形と血圧値との間の相関関係が異なることがあるので、予め測定状態を設定してそれぞれの相関関係を求めておく必要がある。   FIG. 9 is an example showing a correlation between pulsation waveform data and blood pressure. Here, the horizontal axis represents frequency data obtained with the configuration of FIG. 1, and the vertical axis represents the blood pressure value obtained by the open blood method. The straight lines indicated as Q1 and Q2 are lines indicating the correlations between the two subjects. Since the correlation between the pulsation waveform data and the blood pressure value is different for each person to be measured in this way, it is necessary to obtain the correlation for each person to be measured in advance. In addition, even if the subject is the same, the correlation between the pulsation waveform and blood pressure value may differ between the resting state and the exercise state. It is necessary to keep.

図1で得られる脈動波形と血圧値との間の相関関係は、被測定者ごと、測定条件ごとに関連付けられて適当な記憶装置に記憶させておくことができる。図10は、そのようにして記憶された相関関係を用いて、図1の脈動波形データを血圧データに換算した例を示す図である。ここでは横軸に時間をとり、縦軸に換算後の血圧値がとられている。このようにして血圧データの換算が行われると、これに基づいて、脈拍数、最高血圧Pmax、最低血圧Pmin等の血管脈波測定を行うことができる。   The correlation between the pulsation waveform and the blood pressure value obtained in FIG. 1 can be stored in an appropriate storage device in association with each measurement subject and each measurement condition. FIG. 10 is a diagram illustrating an example in which the pulsation waveform data of FIG. 1 is converted into blood pressure data using the correlation stored in such a manner. Here, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the converted blood pressure value. When blood pressure data is converted in this way, vascular pulse wave measurements such as the pulse rate, the maximum blood pressure Pmax, and the minimum blood pressure Pmin can be performed based on the conversion.

脈動波形データサンプリング取得が行われると上記のように周波数データと血圧値との相関関係を用いて血管脈波測定の演算に進むことができるが、脈動波形データが時間と共に変動することがある。図11はそのような場合を示す図である。ここでは横軸に時間をとり、縦軸がFV変換後の電圧値である。縦軸のフルスケールは、図7で説明したのと同様に5Vである。このように、時間経過と共に、データの振幅値がほぼ同じであるにもかかわらず、データの中心点が次第に変化し、ついには、縦軸のフルスケールを超えることが生じる。   When the pulsation waveform data sampling is performed, the calculation of the vascular pulse wave measurement can be performed using the correlation between the frequency data and the blood pressure value as described above, but the pulsation waveform data may vary with time. FIG. 11 is a diagram showing such a case. Here, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the voltage value after FV conversion. The full scale of the vertical axis is 5 V as described in FIG. In this way, with the passage of time, although the data amplitude values are substantially the same, the data center point gradually changes and eventually exceeds the full scale of the vertical axis.

このように脈動波形が時間と共に変動する原因の1つは、光探触子12の取り付けが不十分で、光探触子12と血管8との相対位置関係が時間と共に変化することである。したがって、光探触子12を被測定者6の測定部位からずれないようにしっかりと固定することが好ましい。他の原因としては、被測定者の姿勢状態等が時間と共に変化することがある。いずれにせよ、脈動波形を精度よく収集するには演算範囲を有効に使うために、脈動波形を適当に増幅する必要があるので、脈動波形の中心点の移動があれば、演算範囲から外れることが生じえる。   As described above, one of the causes that the pulsation waveform varies with time is that the optical probe 12 is not sufficiently attached, and the relative positional relationship between the optical probe 12 and the blood vessel 8 changes with time. Therefore, it is preferable that the optical probe 12 is firmly fixed so as not to be displaced from the measurement site of the person to be measured 6. As another cause, the posture state of the measurement subject may change with time. In any case, in order to collect the pulsation waveform accurately, it is necessary to amplify the pulsation waveform appropriately in order to use the calculation range effectively, so if the center point of the pulsation waveform moves, it will be out of the calculation range. Can occur.

そこで、再び図6に戻り、脈動波形データのサンプリング取得において、データが演算範囲以内であるか否かが判断される(S20)。具体的には、FV変換後の電圧データが演算範囲に対応する0Vから5Vの範囲にあるか否かが判断される。判断が否定であれば、再びS10に戻り、脈動波形の最大振幅値の設定、中心値の設定を元に戻し、FV変換後の生データに基づいて、5周期分の脈動波形データを取得する。そしてS12,S14,S16の処理、すなわち、浮動中心値設定処理をやり直す。   Therefore, returning to FIG. 6 again, it is determined whether or not the data is within the calculation range in the sampling acquisition of the pulsation waveform data (S20). Specifically, it is determined whether or not the voltage data after FV conversion is in the range of 0V to 5V corresponding to the calculation range. If the determination is negative, the process returns to S10 again, the setting of the maximum amplitude value of the pulsation waveform and the setting of the center value are restored, and pulsation waveform data for five cycles is acquired based on the raw data after the FV conversion. . Then, the processes of S12, S14, and S16, that is, the floating center value setting process is performed again.

このように、取得された脈動波形データが演算範囲以内か否かを判断して、演算範囲を超えるときには、再度、浮動中心値設定処理を行って、脈動波形の中心値を演算範囲の中心値に戻す。最大振幅値はほとんど変化がないことが多いが、必要に応じ、最大振幅値を演算範囲の1/2に設定し直す。図12は、このようにして、演算範囲に脈動波形データが収まるように浮動中心値設定処理を行ったときの脈動波形の様子を示す図である。横軸は時間で、縦軸はFV変換後の電圧である。   In this way, it is determined whether or not the acquired pulsation waveform data is within the calculation range, and when it exceeds the calculation range, the floating center value setting process is performed again, and the center value of the pulsation waveform is set to the center value of the calculation range. Return to. In many cases, the maximum amplitude value hardly changes, but if necessary, the maximum amplitude value is reset to ½ of the calculation range. FIG. 12 is a diagram showing a state of the pulsation waveform when the floating center value setting process is performed so that the pulsation waveform data is within the calculation range in this way. The horizontal axis is time, and the vertical axis is the voltage after FV conversion.

再び図6に戻り、S20において判断が肯定されると、取得された脈動波形データを用いて血管脈波測定演算に進むが、その前に脈動波形データについてノイズ除去処理が行われる。ノイズ除去処理としては、高周波ノイズを除去するためのローパスフィルタ処理が行われる(S22)。   Returning to FIG. 6 again, if the determination in step S20 is affirmative, the flow proceeds to the blood vessel pulse wave measurement calculation using the acquired pulsation waveform data, but before that, noise removal processing is performed on the pulsation waveform data. As the noise removal processing, low-pass filter processing for removing high-frequency noise is performed (S22).

ローパスフィルタの通過周波数帯域としては、脈動波形出力部30における周波数帯域とすることが好ましい。上記の例では、200kHz以下の帯域を通過周波数帯域とし、それ以上の周波数データをノイズとして除去することが好ましい。フィルタ処理が行われた脈動波形データについて、図9で説明した相関関係を記憶装置から読み出してこれを適用し、血圧測定(S24)等の血管脈波測定が行われる。   The pass frequency band of the low pass filter is preferably the frequency band in the pulsation waveform output unit 30. In the above example, it is preferable to set a band of 200 kHz or less as a pass frequency band and to remove frequency data higher than that as noise. For the pulsation waveform data subjected to the filter processing, the correlation described in FIG. 9 is read from the storage device and applied, and vascular pulse wave measurement such as blood pressure measurement (S24) is performed.

フィルタ処理は演算時間がかかる場合があり、脈動波形のサンプリング時間を超えることがあるので、リアルタイムで脈動波形を観察するのに適していない。一方で、FV変換後の脈動波形ではノイズが重畳し観察に適していないことが多い。   The filtering process may take a calculation time and may exceed the sampling time of the pulsation waveform, and is not suitable for observing the pulsation waveform in real time. On the other hand, in the pulsation waveform after FV conversion, noise is often superimposed and is not suitable for observation.

そこで、リアルタイムで脈動波形を観察できるように、脈動波形データについて移動平均処理が行われる(S26)。この処理は、S22のフィルタ処理と平行して行われる。移動平均法とは、ある時刻でサンプリングデータが取得されると、それ以前の数個のサンプリングデータについての平均を求め、その平均値をその時刻のデータとし、各サンプリングタイムごとに平均すべきサンプリングデータを移動してゆくものである。この方法によれば、突発的異常データを丸めることができ、一種のノイズ除去作用がある。   Therefore, moving average processing is performed on the pulsation waveform data so that the pulsation waveform can be observed in real time (S26). This process is performed in parallel with the filter process of S22. In moving average method, when sampling data is acquired at a certain time, the average of several previous sampling data is obtained, the average value is used as the data at that time, and the sampling should be averaged at each sampling time. It moves data. According to this method, sudden abnormal data can be rounded, and there is a kind of noise removal effect.

図13は、FV変換後の生データから移動平均法を用いて滑らかな脈動波形を生成する様子を示す図である。上段の図は、横軸が時間で、縦軸はFV変換後の電圧値aであり、各サンプリングタイムにおける電圧データの変化の様子が示されている。   FIG. 13 is a diagram illustrating a state in which a smooth pulsation waveform is generated from the raw data after the FV conversion by using the moving average method. In the upper diagram, the horizontal axis represents time, the vertical axis represents the voltage value a after FV conversion, and changes in voltage data at each sampling time are shown.

下段の図は、横軸が時間で、その原点位置等は上段の図と揃えてある。縦軸は、上段の各サンプリングタイムにおけるデータの移動平均値bである。移動平均値は、5つのデータについて行うものとした。この場合、サンプリングタイムiのときの生データをaiとすると、サンプリングタイムiのときの移動平均値biは、b=(ai−4+ai−3+ai−2+ai−1+ai)で計算できる。すなわち、サンプリングデータaiが取得されると直ちに移動平均値biが算出できるのでリアルタイム処理が可能である。なお、移動平均に用いるデータの数は5つでなくてもよい。   In the lower diagram, the horizontal axis is time, and the origin position is aligned with the upper diagram. The vertical axis represents the moving average value b of data at each sampling time in the upper stage. The moving average value was assumed for five data. In this case, if the raw data at the sampling time i is ai, the moving average value bi at the sampling time i can be calculated by b = (ai−4 + ai−3 + ai−2 + ai−1 + ai). That is, since the moving average value bi can be calculated as soon as the sampling data ai is acquired, real-time processing is possible. Note that the number of data used for the moving average need not be five.

移動平均法によって滑らかな脈動波形が得られると、表示部60にリアルタイムでその脈動波形が表示される(S28)。このように、図1で示されるように、表示部60には、リアルタイムで移動平均法による脈動波形が表示され、これよりやや遅れて、演算サイクルごとにフィルタ演算を介した脈動波形についての血管脈波測定結果としての脈拍、最高血圧、最低血圧が表示される。一連の測定が終了するまで、上記の手順が繰り返される(S30)。   When a smooth pulsation waveform is obtained by the moving average method, the pulsation waveform is displayed on the display unit 60 in real time (S28). Thus, as shown in FIG. 1, the display unit 60 displays the pulsation waveform by the moving average method in real time, and the blood vessel about the pulsation waveform through the filter operation for each calculation cycle is slightly delayed. The pulse, maximum blood pressure, and minimum blood pressure are displayed as the pulse wave measurement results. The above procedure is repeated until a series of measurements is completed (S30).

上記においては、光を用いて血管の脈動波形を求めている。このように、発光素子と受光素子とを用いて血管の脈動波形を精度よく求めることは、光を用いる物性特性測定に相当するが、精度よく脈動波形を検出するには、発光素子と受光素子とを用いて対象物の物性特性を測定するための光を用いる物性特性システムを精度よく構築する必要がある。以下では、対象物の物性を精度よく測定するための光を用いる物性特性システムの構成を説明する。以下の説明は、また、光の物質特性測定システムの構築方法となるものである。   In the above, the pulsation waveform of the blood vessel is obtained using light. Thus, obtaining a pulsation waveform of a blood vessel accurately using a light emitting element and a light receiving element is equivalent to measuring physical property using light, but in order to detect a pulsating waveform with high precision, a light emitting element and a light receiving element are used. Therefore, it is necessary to accurately construct a physical property system using light for measuring the physical property of an object. Below, the structure of the physical property system which uses the light for measuring the physical property of a target object accurately is demonstrated. The following description is also a method for constructing a material property measurement system for light.

図14は、光を用いる物質特性測定システム100の構成を説明する図である。なお、以下では、光を用いる物質特性測定システムのことを、特に断らない限り、単に、物質特性測定システムと呼ぶことにする。物質特性測定システム100は、発光素子14と、受光素子16と、増幅器32と、位相シフト回路34とをループ状に接続したものである。ここで、発光素子14と受光素子16との間に測定対象物を配置し、発光素子14から対象物に光を照射し、対象物からの反射光を受光素子で受け止める。この内容は図4と同じものであって、光を用いて物質の特性を測定する場合には、光の波長の変化を検出するのではなく、受光素子16から出力される電圧信号を帰還して発光素子14に入力される電圧信号として帰還ループを形成するときに、その帰還ループにおける電圧信号の振動の周波数の変化を検出する。   FIG. 14 is a diagram illustrating the configuration of a material property measurement system 100 that uses light. In the following description, a material property measurement system using light is simply referred to as a material property measurement system unless otherwise specified. In the material property measurement system 100, a light emitting element 14, a light receiving element 16, an amplifier 32, and a phase shift circuit 34 are connected in a loop. Here, an object to be measured is disposed between the light emitting element 14 and the light receiving element 16, light is irradiated from the light emitting element 14 to the object, and reflected light from the object is received by the light receiving element. This content is the same as in FIG. 4, and when measuring the characteristics of a substance using light, the voltage signal output from the light receiving element 16 is fed back instead of detecting the change in the wavelength of the light. Thus, when a feedback loop is formed as a voltage signal input to the light emitting element 14, a change in the frequency of vibration of the voltage signal in the feedback loop is detected.

図14において、発光素子14に電圧信号が入力されると、光が放射されるが、その光信号は、入力された電圧信号よりも時間的に遅れる。この遅れは、発光素子14の構造としての容量成分等に起因するものである。つまり、発光素子14において、入力信号としての電圧信号に対し、出力信号としての放射光信号は時間的に遅れ、その意味で位相差が生じている。図4では、時間遅れΔtd1でその遅れが示されている。   In FIG. 14, when a voltage signal is input to the light emitting element 14, light is emitted, but the optical signal is delayed in time from the input voltage signal. This delay is caused by a capacitive component or the like as the structure of the light emitting element 14. That is, in the light emitting element 14, the emitted light signal as the output signal is delayed with respect to the voltage signal as the input signal, and a phase difference is generated in that sense. In FIG. 4, the delay is indicated by a time delay Δtd1.

発光素子14と受光素子16とを密着して配置する場合には、発光素子14から放射された光はそのまま受光素子16によって受け取られる。上記で述べた発光素子14の仕様の場合、発光素子14と受光素子16との間の距離は最大で30mmまでは使用できるが、その距離が離れるほど受光素子16が受け取る光の量が減少する。いずれにせよ、適切な距離で発光素子14と受光素子16が配置されるときは、受光素子16は発光素子14からの光を受け取ることができる。   When the light emitting element 14 and the light receiving element 16 are disposed in close contact, the light emitted from the light emitting element 14 is received by the light receiving element 16 as it is. In the case of the specification of the light emitting element 14 described above, the distance between the light emitting element 14 and the light receiving element 16 can be up to 30 mm, but the amount of light received by the light receiving element 16 decreases as the distance increases. . In any case, when the light emitting element 14 and the light receiving element 16 are disposed at an appropriate distance, the light receiving element 16 can receive light from the light emitting element 14.

受光素子16が光を受け取ると、その光の強度に応じて電圧信号が発生する。その電圧信号は、受け取った光信号よりも時間的に遅れる。この遅れは受光素子16の構造としての容量成分等に起因するもので、上記の仕様では、立上りスイッチング速度、立下りスイッチング速度として示されている。つまり、受光素子16において、入力信号としての光信号に対し、出力信号としての電圧信号は時間的に遅れ、その意味で位相差が生じている。図4では、時間遅れΔtd2でその遅れが示されている。   When the light receiving element 16 receives light, a voltage signal is generated according to the intensity of the light. The voltage signal is delayed in time from the received optical signal. This delay is caused by a capacitance component or the like as the structure of the light receiving element 16, and is indicated as a rising switching speed and a falling switching speed in the above specifications. That is, in the light receiving element 16, the voltage signal as the output signal is delayed with respect to the optical signal as the input signal, and a phase difference is generated in that sense. In FIG. 4, the delay is indicated by a time delay Δtd2.

したがって、発光素子14と受光素子16とを組み合わせると、発光素子14に電圧信号が入力され、これから位相差を有して光が放射され、その光を受光素子16が受け取って、これから位相差を有して電圧信号が出力されることになる。このように、発光素子14の駆動電圧信号と、受光素子の検出電圧信号との間には、時間遅れが生じ、その意味で位相差が生じている。図4の例では、Δtd1+Δtd2の時間遅れが生じる。   Therefore, when the light emitting element 14 and the light receiving element 16 are combined, a voltage signal is input to the light emitting element 14, and light is emitted from there with a phase difference. The light receiving element 16 receives the light, and the phase difference is obtained therefrom. Therefore, a voltage signal is output. Thus, there is a time delay between the drive voltage signal of the light emitting element 14 and the detection voltage signal of the light receiving element, and a phase difference is caused in that sense. In the example of FIG. 4, a time delay of Δtd1 + Δtd2 occurs.

ここで、受光素子16の検出電圧信号を発光素子14に駆動電圧信号として適当な増幅器32を用いて帰還することを考える。この場合、発光素子14における遅れ時間と、受光素子16における遅れ時間の和が、位相差でちょうど180度となる周波数で、帰還ループにおいて電圧信号が発振する。例えば、遅れ時間の和であるΔtd1+Δtd2が2.5μsであるとすると、1周期が5μsである周波数200kHzで、帰還ループにおいて自励発振が生じる。   Here, it is considered that the detection voltage signal of the light receiving element 16 is fed back to the light emitting element 14 as a drive voltage signal using an appropriate amplifier 32. In this case, a voltage signal oscillates in the feedback loop at a frequency at which the sum of the delay time in the light emitting element 14 and the delay time in the light receiving element 16 is exactly 180 degrees in phase difference. For example, if Δtd1 + Δtd2 that is the sum of delay times is 2.5 μs, self-oscillation occurs in the feedback loop at a frequency of 200 kHz with one period of 5 μs.

上記の例は、発光素子14と受光素子16の間に空間のみがある場合であるが、発光素子14からの光が測定対象物に放射され、その測定対象物からの反射光を受光素子16が受け取る場合には、入射光と反射光との間に、測定対象物の物質特性に基づく時間遅れが生じる。その意味では、入射光と反射光との間に位相差が生じる。図14では、測定対象物として血管8が示され、血管8に放射された光と反射された光との間の時間遅れΔTdとして、その遅れが示されている。   The above example is a case where there is only a space between the light emitting element 14 and the light receiving element 16, but light from the light emitting element 14 is radiated to the measurement object, and reflected light from the measurement object is received as the light receiving element 16. Is received, a time delay is generated between the incident light and the reflected light based on the material property of the measurement object. In that sense, a phase difference occurs between the incident light and the reflected light. In FIG. 14, the blood vessel 8 is shown as the measurement object, and the delay is shown as the time delay ΔTd between the light emitted to the blood vessel 8 and the reflected light.

いま、測定対象物を血管8とすると、発光素子14から血管8に放射され、血管8からの反射光を受光素子16が受け取る場合には、発光素子14から受光素子16に直接入射する光の影響がないものとして、帰還ループにおける自励発振は、血管8の物質特性を反映したものとなる。   Now, assuming that the measurement object is a blood vessel 8, when the light receiving element 16 receives the reflected light from the light emitting element 14 from the light emitting element 14, the light directly incident on the light receiving element 16 from the light emitting element 14 is received. As no influence, the self-excited oscillation in the feedback loop reflects the material characteristics of the blood vessel 8.

すなわち、図14の例で、発光素子14における遅れ時間Δtd1と、受光素子16における遅れ時間Δtd2と、さらにΔTdとの和が、位相差でちょうど180度となる周波数で、帰還ループにおいて電圧信号が発振する。上記の例で、例えば、遅れ時間の和であるΔtd1+Δtd2+ΔTdが2.55μsであるとすると、1周期が5.1μsである周波数196kHzで、帰還ループにおいて自励発振が生じる。血管8がないときは、周波数200kHzで発振していたので、この発振周波数の差で血管8の物質特性を判断することが可能である。   That is, in the example of FIG. 14, the voltage signal is output in the feedback loop at a frequency at which the sum of the delay time Δtd1 in the light emitting element 14, the delay time Δtd2 in the light receiving element 16, and ΔTd is exactly 180 degrees in phase difference. Oscillates. In the above example, if Δtd1 + Δtd2 + ΔTd, which is the sum of delay times, is 2.55 μs, for example, self-oscillation occurs in the feedback loop at a frequency of 196 kHz with a period of 5.1 μs. When there is no blood vessel 8, since it oscillated at a frequency of 200 kHz, the material characteristic of the blood vessel 8 can be determined from the difference in oscillation frequency.

上記のように、測定対象物に光が入射して、対象物から光が反射すると、測定対象物の物性に応じて、入射光信号と反射光信号との間に遅れ時間ΔTdが生じる。この遅れ時間ΔTdは、対象物に当って光信号自体が遅れるというよりは、光信号の振幅が異なることによって生じることが多い。すなわち、対象物によって反射光の立上り特性、立下り特性にはほとんど有意差がなく、したがって、反射光信号の振幅が小さいときの光信号のパルス幅は、反射光信号の振幅が大きいときの光信号のパルス幅よりも短くなる。この光信号のパルス幅の相違が、遅れ時間、あるいは位相差として観察されるからである。   As described above, when light enters the measurement object and the light is reflected from the object, a delay time ΔTd occurs between the incident light signal and the reflected light signal according to the physical properties of the measurement object. This delay time ΔTd is often caused by the difference in the amplitude of the optical signal rather than the optical signal itself being delayed by hitting the object. That is, there is almost no significant difference between the rising and falling characteristics of the reflected light depending on the object, and therefore the pulse width of the optical signal when the amplitude of the reflected light signal is small is the light when the amplitude of the reflected light signal is large. It becomes shorter than the pulse width of the signal. This is because the difference in the pulse width of the optical signal is observed as a delay time or a phase difference.

このことから、物質の反射率が大きいものと小さいものとを比較すると、前者の光信号のパルス幅の方が長く、したがってΔTdは小さい。また、物質の透過率が大きいものと小さいものとを比較すると、前者の光信号のパルス幅の方が長く、したがってΔTdは小さい。   For this reason, when the reflectance of the material is large and small, the pulse width of the former optical signal is longer and therefore ΔTd is smaller. Further, comparing the material having a large transmittance with a material having a small transmittance, the pulse width of the former optical signal is longer, and therefore ΔTd is smaller.

このように、対象物物質の光学的反射率特性、光学的透過率特性に応じて遅れ時間ΔTdが相違してくるが、このほかに、対象物に照射光を当てると、照射光の波長−振幅特性であるスペクトル特性が変調し、結果として、反射光の大きさが変化することがある。つまり、入射光が変調を受けるため、受光素子で受光する光量が変化し、これによって光信号のパルス幅が変化し、時間遅れΔTdが変化する。   As described above, the delay time ΔTd differs depending on the optical reflectance characteristics and the optical transmittance characteristics of the target substance. In addition to this, when the irradiation light is applied to the target object, the wavelength − The spectral characteristic which is the amplitude characteristic is modulated, and as a result, the magnitude of the reflected light may change. That is, since the incident light is modulated, the amount of light received by the light receiving element changes, thereby changing the pulse width of the optical signal and changing the time delay ΔTd.

したがって、光を用いて対象物の物質特性を測定する場合、対象物の光学的反射率あるいは光学的透過率の相違に基くものと、対象物に当てる照射光のスペクトル変調特性に基くものとがあることになる。後者も結局は受光量の変化で検出することになるので、全体的にいえば、対象物の物性に応じて変化する受光量の変化を時間遅れΔTdとして、それに対応する位相差の大きさを位相シフト回路によって周波数偏差に換算して、物質特性として測定することになる。   Therefore, when measuring the material properties of an object using light, there are two types based on the difference in optical reflectance or optical transmittance of the object and on the basis of the spectral modulation characteristics of the irradiation light applied to the object. There will be. Since the latter will eventually be detected by the change in the amount of received light, generally speaking, the change in the amount of received light that changes according to the physical properties of the object is defined as the time delay ΔTd, and the magnitude of the corresponding phase difference is set. It is converted into a frequency deviation by a phase shift circuit and measured as a material property.

このように、光を用いて対象物の物質特性を測定する原理は、対象物の物性によって変化する受光量の変化を測定するものである。位相シフト回路を用いるのは、受光量の変化に起因する遅れ時間ΔTdを位相差として、その位相差を周波数変化に変換でき、これによって測定精度を格段に向上させることができるからである。   Thus, the principle of measuring the material property of an object using light is to measure the change in the amount of received light that changes depending on the physical properties of the object. The reason why the phase shift circuit is used is that the delay time ΔTd caused by the change in the amount of received light can be used as a phase difference, and the phase difference can be converted into a frequency change, which can greatly improve the measurement accuracy.

上記のように、受光量の変化の成分としては、対象物の光学的反射率あるいは光学的透過率の相違に基くものと、対象物に当てる照射光のスペクトル変調特性に基くものとがあり、実際の対象物の物性としては双方の成分が重畳していることが多い。そして、一般的には、対象物の光学的反射率あるいは光学的透過率の相違に基くもの方が受光量の変化に大きく影響を与えるのに対し、対象物に当てる照射光のスペクトル変調特性に基くものは受光量の変化に与える影響が少ない。以下では、まず、対象物の光学的反射率あるいは光学的透過率の相違を精度よく測定できる物質特性測定システムの構成について述べ、次にスペクトル変調特性の相違を精度よく測定できる物質特性測定システムの構成について述べる。   As described above, the components of the change in the amount of received light include those based on the difference in optical reflectance or optical transmittance of the object and those based on the spectral modulation characteristics of the irradiation light applied to the object. As actual physical properties of the object, both components are often superimposed. In general, the difference in optical reflectance or optical transmittance of an object greatly affects the change in the amount of received light, whereas the spectral modulation characteristics of irradiated light hitting the object The base thing has little influence on the change of the amount of received light. In the following, first, a configuration of a material property measurement system capable of accurately measuring a difference in optical reflectance or optical transmittance of an object will be described, and then a material property measurement system capable of accurately measuring a difference in spectrum modulation property will be described. The configuration will be described.

図15は、物性特性測定システム100の構築手順を説明する図である。最初に、対象物の測定に適するように、発光素子14の波長と受光素子16の波長を選択する(S100)。たとえば、それぞれの波長を対象物の色に合せるものとできる。1例として、血管の脈動波形のように血液の色に関係する場合には、発光素子14のピーク放射波長を940nm、受光素子16のピーク検出波長を720nmとすることができる。また、血糖値のように、グルコースの分光特性に関係する場合には、発光素子14の波長としてピーク放射波長を1300nm、受光素子16のピーク検出波長を1550nmとすることができる。   FIG. 15 is a diagram for explaining the construction procedure of the physical property measurement system 100. First, the wavelength of the light emitting element 14 and the wavelength of the light receiving element 16 are selected so as to be suitable for measurement of an object (S100). For example, each wavelength can be matched to the color of the object. As an example, when the blood color is related to the pulsation waveform of the blood vessel, the peak emission wavelength of the light emitting element 14 can be set to 940 nm, and the peak detection wavelength of the light receiving element 16 can be set to 720 nm. Moreover, when it is related to the spectral characteristics of glucose, such as a blood glucose level, the peak emission wavelength can be 1300 nm and the peak detection wavelength of the light receiving element 16 can be 1550 nm.

図16は、発光素子14の発光特性と受光素子16の受光特性によって、受光素子16の実際の受光量がどのようになるかを説明する図である。ここでは、横軸に波長、縦軸に光強度をとり、ピーク放射波長λ1の発光素子14の波長−発光強度特性102、ピーク検出波長λ2の受光素子16の波長−受光強度特性104がそれぞれ示されている。この波長−発光強度特性102と波長−受光強度特性104とが重なるところが受光量領域106である。この受光量領域106の面積が大きいほど、受光素子16が受け止める光量が大きい。 FIG. 16 is a diagram for explaining how the actual amount of light received by the light receiving element 16 depends on the light emitting characteristics of the light emitting element 14 and the light receiving characteristics of the light receiving element 16. Here, the horizontal axis indicates the wavelength, the vertical axis indicates the light intensity, and the wavelength-light intensity characteristic 102 of the light emitting element 14 having the peak emission wavelength λ 1 and the wavelength-light intensity characteristic 104 of the light receiving element 16 having the peak detection wavelength λ 2 are obtained. Each is shown. The light reception amount region 106 is where the wavelength-light emission intensity characteristic 102 and the wavelength-light reception intensity characteristic 104 overlap. The larger the area of the received light amount region 106, the larger the amount of light received by the light receiving element 16.

なお、ここでは、発光素子14から照射された光は、対象物に当っても、その振幅が変化するだけで、周波数は変化しないものと考えているので、対象物を考えずに、発光素子14の波長−発光強度特性102と受光素子16の波長−受光強度特性104のみを検討している。実際に対象物に発光素子14からの光が照射されると、発光素子14の波長−発光強度特性102の振幅が低下する。したがって、図16の発光素子14の波長−発光強度特性102を、波長−反射強度特性に置き換えることで、さらに正確に、受光量領域106の検討をすることができる。   Here, it is assumed that the light emitted from the light emitting element 14 only changes its amplitude and does not change the frequency even if it hits the object, so the light emitting element is considered without considering the object. Only the 14 wavelength-light emission intensity characteristics 102 and the wavelength-light reception intensity characteristic 104 of the light receiving element 16 are examined. When the object is actually irradiated with light from the light emitting element 14, the amplitude of the wavelength-light emission intensity characteristic 102 of the light emitting element 14 decreases. Therefore, by replacing the wavelength-light emission intensity characteristic 102 of the light-emitting element 14 in FIG. 16 with the wavelength-reflection intensity characteristic, the received light amount region 106 can be examined more accurately.

上記のように、発光素子14の波長と受光素子16の波長の選択は、上記のように、対象物の色、分光特性等から行うほかに、受光量領域106の面積が適当に広くなるように、それぞれの波長−光強度特性を重ね合わせて決定することがよい。検出波長幅を広く取りたいときは、発光素子14の波長λ1と受光素子16の波長λ2との差を小さくし、逆に、狭い検出波長幅としたいときは、発光素子14の波長λ1と受光素子16の波長λ2との差を大きくすることがよい。 As described above, the wavelength of the light emitting element 14 and the wavelength of the light receiving element 16 are selected based on the color, spectral characteristics, etc. of the object as described above, so that the area of the received light amount region 106 is appropriately widened. In addition, it is preferable to superimpose the respective wavelength-light intensity characteristics. When you want to take wide detection wavelength width is to reduce the difference between the wavelength lambda 1 of the light emitting element 14 and the wavelength lambda 2 of the light-receiving element 16, on the contrary, when it is desired to narrow the detection wavelength width is the wavelength of the light emitting element 14 lambda It is preferable to increase the difference between 1 and the wavelength λ 2 of the light receiving element 16.

再び図15に戻り、発光素子14と受光素子16の波長選択が行われた後に、初期発振状態配置の設定を行う(S102)。上記のように、発光素子14と、受光素子16と、増幅器32と、位相シフト回路34とをループ状に接続すると、発光素子14と受光素子16との間に測定対象物がなくても、発光素子14からの光が適当に受光素子16に入ることで、電気信号の発振が生じる。この対象物がまだない状態で生じる発振を初期発振状態と呼ぶことにすると、この初期発振状態は、上記のように、発光素子14における遅れ時間Δtd1と、受光素子16における遅れ時間Δtd2によるものである。しかし、発光素子14と受光素子16とを適切に配置しないと、発振が不安定となり、場合によっては発振が減衰し、ついには発振停止となる。   Returning to FIG. 15 again, after the wavelength selection of the light emitting element 14 and the light receiving element 16 is performed, the initial oscillation state arrangement is set (S102). As described above, when the light emitting element 14, the light receiving element 16, the amplifier 32, and the phase shift circuit 34 are connected in a loop shape, even if there is no measurement object between the light emitting element 14 and the light receiving element 16, When light from the light emitting element 14 enters the light receiving element 16 appropriately, an electric signal is oscillated. If the oscillation that occurs in the absence of the object is called an initial oscillation state, this initial oscillation state is due to the delay time Δtd1 in the light emitting element 14 and the delay time Δtd2 in the light receiving element 16 as described above. is there. However, if the light emitting element 14 and the light receiving element 16 are not properly disposed, the oscillation becomes unstable, depending on the case, the oscillation is attenuated, and finally the oscillation is stopped.

初期発振状態を適切に維持するには、発光素子14の光放射指向特性と受光素子16の光検出指向特性とを適切に重ね合わせることが必要である。発光素子14と受光素子16の配置関係は、例えば、対象物の光学的透過率特性を用いるときには、発光素子14と受光素子16とを一直線上に向かい合わせることが便利で、対象物の光学的反射率特性を用いるときには、発光素子14と受光素子16とを一枚の基板上に並べることが便利である。   In order to properly maintain the initial oscillation state, it is necessary to appropriately superimpose the light emission directivity characteristic of the light emitting element 14 and the light detection directivity characteristic of the light receiving element 16. The arrangement relationship between the light emitting element 14 and the light receiving element 16 is, for example, convenient when the light emitting element 14 and the light receiving element 16 face each other when the optical transmittance characteristic of the object is used. When using the reflectance characteristic, it is convenient to arrange the light emitting element 14 and the light receiving element 16 on a single substrate.

図17は、対象物の光学的透過率特性を用いるのに便利なように、発光素子14と受光素子16とを向かい合わせて配置する場合の例である。ここでは、発光素子14の発光中心軸である光軸と、受光素子16の受光中心軸である光軸を同軸の中心軸110として合せこむことがよい。このときに、発光素子14からの放射光について、図16で説明した受光量領域に対応する受光量として適切に受け止めることができる。発光素子14と受光素子16との間の距離L1は、これが長くなるにつれて発光指向特性における光源からの距離が長くなるので、発光素子14からの放射光を受光素子16が受け止める量が(L1-3にほぼ比例して少なくなる。したがって、L1は、その間に対象物が挿入できる程度に、狭くすることがよい。 FIG. 17 shows an example in which the light emitting element 14 and the light receiving element 16 are arranged facing each other so as to be convenient for using the optical transmittance characteristic of the object. Here, the optical axis that is the light emission center axis of the light emitting element 14 and the optical axis that is the light reception center axis of the light receiving element 16 are preferably aligned as the coaxial center axis 110. At this time, the emitted light from the light emitting element 14 can be appropriately received as the received light amount corresponding to the received light amount region described in FIG. As the distance L 1 between the light emitting element 14 and the light receiving element 16 becomes longer, the distance from the light source in the light emission directivity characteristic becomes longer. 1 ) Decreases in proportion to -3 . Therefore, L 1 should be narrowed to such an extent that an object can be inserted therebetween.

図18は、対象物の光学的透過率特性を用いるのに便利なように、発光素子14と受光素子16を1枚の基板上に配置する場合の例である。ここでは、発光素子14の発光指向特性114と受光素子16の受光指向特性116とが示されている。この2つの指向特性が重なる部分に対象物を配置することで、発光素子14からの照射光が対象物に当り、それによる反射光を受光素子16で受け止めることができる。その意味で、この2つの指向特性が重なる部分を受光可能領域118と呼ぶことができる。受光可能領域118の位置は、発光素子14の発光指向特性114と、受光素子16の受光指向特性116と、発光素子14と受光素子16との間の距離L2とで定まるので、その結果から、基板から対象物との間の距離L2が定まる。L2が長くなるにつれて発光指向特性における光源からの距離が長くなるので、発光素子14からの放射光を受光素子16が受け止める量が(L3-3にほぼ比例して少なくなる。したがって、L3は、対象物と発光素子14、受光素子16が接触するかしないか程度として、できるだけ小さくすることが好ましい。 FIG. 18 shows an example in which the light emitting element 14 and the light receiving element 16 are arranged on a single substrate so as to be convenient for using the optical transmittance characteristics of the object. Here, the light emission directivity characteristic 114 of the light emitting element 14 and the light reception directivity characteristic 116 of the light receiving element 16 are shown. By arranging the target object in a portion where these two directivity characteristics overlap, the light irradiated from the light emitting element 14 hits the target object, and the light reflected thereby can be received by the light receiving element 16. In that sense, a portion where these two directivity characteristics overlap can be referred to as a light receiving area 118. The position of the light receivable region 118 is determined by the light emission directivity characteristic 114 of the light emitting element 14, the light reception directivity characteristic 116 of the light receiving element 16, and the distance L 2 between the light emitting element 14 and the light receiving element 16. The distance L 2 between the substrate and the object is determined. As L 2 becomes longer, the distance from the light source in the light emission directional characteristic becomes longer, so the amount of light received by the light receiving element 16 from the light emitting element 14 decreases almost in proportion to (L 3 ) −3 . Therefore, L 3 is an object and the light emitting element 14, as the degree or not the light receiving element 16 are in contact, it is preferable as small as possible.

再び図15に戻り、初期発振状態を維持するのに適した配置が設定されると、次に発光駆動回路と受光出力回路の条件が設定される(S104)。上記のように、光を用いて対象物の物性を測定するのは、対象物の物性によって受光量が相違するのを、時間遅れΔTdの相違として利用するものである。したがって、初期発振状態のときの受光量と、対象物を発光素子14と受光素子16の間に配置したときの受光量に相違が生じることが必要である。換言すると、受光出力回路の出力電気信号が飽和しては困る。たとえば、発光素子の14の放射光が強すぎて、初期発振状態のときの受光量と、対象物を発光素子14と受光素子16の間に配置したときの受光量が同じとなっては困る。したがって、受光出力回路の初期発振状態の下での出力電気信号と、発光素子14と受光素子16の間に対象物が配置されたときの出力電気信号との間で信号飽和状態が生じない照射光信号となるように駆動条件が設定される。   Returning to FIG. 15 again, when an arrangement suitable for maintaining the initial oscillation state is set, the conditions of the light emission drive circuit and the light reception output circuit are set (S104). As described above, the physical property of an object is measured using light because the amount of received light varies depending on the physical property of the object as a difference in time delay ΔTd. Therefore, it is necessary to make a difference between the amount of received light in the initial oscillation state and the amount of received light when the object is disposed between the light emitting element 14 and the light receiving element 16. In other words, it is difficult for the output electric signal of the light receiving output circuit to be saturated. For example, if the light emitted from the light emitting element 14 is too strong and the amount of light received in the initial oscillation state is the same as the amount of light received when the object is placed between the light emitting element 14 and the light receiving element 16, it is difficult. . Therefore, irradiation in which no signal saturation occurs between the output electric signal under the initial oscillation state of the light receiving output circuit and the output electric signal when the object is disposed between the light emitting element 14 and the light receiving element 16. Driving conditions are set so as to be an optical signal.

図19は、発光駆動回路と受光出力回路の様子を示す図である。発光素子14に対する発光駆動回路としては、+Vccと接地との間に発光素子14と駆動トランジスタ24と抵抗素子27とを直列に接続し、駆動トランジスタ24の制御端子であるベースを、+Vccと接地との間に直列に接続した2つの抵抗素子25,26の接続点に接続する構成が用いられる。ここで、抵抗素子25,26,27の値の設定によって、発光素子14の照射光信号の大きさである発光強度が定まる。受光出力回路としては、+Vccと−Vccとの間に、負荷抵抗22とダイオード23と受光素子16とが直列に接続される構成が用いられる。負荷抵抗22は、受光素子16の電流を電圧に変換するためのものである。   FIG. 19 is a diagram illustrating a state of the light emission drive circuit and the light reception output circuit. As a light emission driving circuit for the light emitting element 14, a light emitting element 14, a driving transistor 24, and a resistance element 27 are connected in series between + Vcc and ground, and a base that is a control terminal of the driving transistor 24 is connected to + Vcc and ground. A configuration is used in which the connection is made between the connection points of two resistance elements 25 and 26 connected in series. Here, by setting the values of the resistance elements 25, 26, and 27, the light emission intensity that is the magnitude of the irradiation light signal of the light emitting element 14 is determined. As the light receiving output circuit, a configuration in which the load resistor 22, the diode 23, and the light receiving element 16 are connected in series between + Vcc and -Vcc is used. The load resistor 22 is for converting the current of the light receiving element 16 into a voltage.

発光素子14と受光素子16との特性はS100で設定されているので、受光出力回路の初期発振状態の下での出力電気信号と、発光素子14と受光素子16の間に対象物が配置されたときの出力電気信号との間で信号飽和状態が生じない照射光信号となるようにするには、受光出力回路の出力電気信号を見ながら、抵抗素子25,26,27の値を適当に変更することになる。   Since the characteristics of the light emitting element 14 and the light receiving element 16 are set in S100, an object is arranged between the output electric signal under the initial oscillation state of the light receiving output circuit and the light emitting element 14 and the light receiving element 16. In order to obtain an irradiation light signal that does not cause a signal saturation state with the output electric signal at that time, the values of the resistance elements 25, 26, and 27 are appropriately set while observing the output electric signal of the light receiving output circuit. Will change.

図20と図21は、照射光信号の振幅の大きさと受光信号の振幅の大きさと、受光信号のパルス幅の関係を模式的に説明する図である。図20は、照射光信号122の振幅の大きさである発光照度が適切な場合で、3つの異なる対象物に対するそれぞれの受光信号124について、それぞれの受光信号のパルス幅T1,T2,T3の相違が明確に区別できる。パルス幅T1,T2,T3の相違は時間遅れΔTdの相違に対応するので、図20の場合は、対象物の相違による時間遅れΔTdの相違、すなわち位相差が適切に区別して検出できる。 20 and 21 are diagrams schematically illustrating the relationship between the amplitude of the irradiation light signal, the amplitude of the light reception signal, and the pulse width of the light reception signal. FIG. 20 shows a case where the light emission illuminance, which is the magnitude of the amplitude of the irradiation light signal 122, is appropriate. With respect to the respective light reception signals 124 for three different objects, the pulse widths T 1 , T 2 , T of the respective light reception signals. Three differences can be clearly distinguished. Since the difference between the pulse widths T 1 , T 2 , T 3 corresponds to the difference in the time delay ΔTd, in the case of FIG. 20, the difference in the time delay ΔTd due to the difference in the object, that is, the phase difference can be appropriately distinguished and detected. .

これに対し、図21は、照射光信号122の振幅の大きさである発光照度が不適切に大きすぎる場合で、3つの異なる対象物に対するそれぞれの受光信号124の振幅が飽和に近く、それに対応して、それぞれの受光信号のパルス幅T4,T5,T6の相違がほとんど区別できない。パルス幅T4,T5,T6の相違は時間遅れΔTdの相違に対応するので、図21の場合は、対象物の相違による時間遅れΔTdの相違、すなわち位相差がほとんど区別でないことになる。図19で説明した発光駆動回路の駆動条件は、図20の例となるように、図21の例にならないように、抵抗素子25,26,27の値を実験的に変更しながら、適切に設定することが必要である。なお、受光出力回路の負荷抵抗22の調整も場合によっては有効である。 On the other hand, FIG. 21 shows a case where the light emission illuminance, which is the magnitude of the amplitude of the irradiation light signal 122, is inappropriately large, and the amplitudes of the respective light reception signals 124 for three different objects are close to saturation. Thus, the difference between the pulse widths T 4 , T 5 , and T 6 of the respective light receiving signals can hardly be distinguished. Since the difference between the pulse widths T 4 , T 5 , and T 6 corresponds to the difference in the time delay ΔTd, in the case of FIG. 21, the difference in the time delay ΔTd due to the difference in the object, that is, the phase difference is hardly distinguished. . The drive conditions of the light emission drive circuit described with reference to FIG. 19 are appropriately changed while experimentally changing the values of the resistance elements 25, 26, and 27 so as to be the example of FIG. It is necessary to set. Note that adjustment of the load resistor 22 of the light receiving output circuit is also effective in some cases.

再び図15に戻り、発光駆動回路と受光出力回路の条件設定が終わると、位相シフト回路34の動作中心周波数の設定を行う(S106)。上記のように、初期発振状態における発振周波数は上記のように発光素子14における遅れ時間Δtd1と、受光素子16における遅れ時間Δtd2とに基く。この周波数を初期発振常態周波数と呼ぶことができる。ここで、発光素子14と受光素子16との間に対象物を配置すると、対象物の物性による時間遅れΔTdと、上記のΔtd1と、Δtd2トに基いて発振する。このときの発振周波数を対象物発振状態周波数と呼ぶことができる。位相シフト回路34を用いる物性特性測定システム100では、初期発振状態周波数と、対象物発振状態周波数の差を用いる。   Returning to FIG. 15 again, when the condition setting of the light emission drive circuit and the light reception output circuit is completed, the operation center frequency of the phase shift circuit 34 is set (S106). As described above, the oscillation frequency in the initial oscillation state is based on the delay time Δtd1 in the light emitting element 14 and the delay time Δtd2 in the light receiving element 16 as described above. This frequency can be called the initial oscillation normal frequency. Here, when an object is disposed between the light emitting element 14 and the light receiving element 16, oscillation occurs based on the time delay ΔTd due to the physical properties of the object, the above Δtd1, and Δtd2. The oscillation frequency at this time can be called an object oscillation state frequency. In the physical property measurement system 100 using the phase shift circuit 34, the difference between the initial oscillation state frequency and the object oscillation state frequency is used.

したがって、位相シフト回路34の動作中心周波数の設定は、初期発振状態周波数または対象物発振状態周波数に基いて行うことができるが、対象物発振状態周波数ははじめからきめることができないので、初期発振状態周波数に基いて設定するものとすることが好ましい。そこで、ここでは、位相シフト回路34の動作中心周波数の設定を、初期発振状態周波数に基いて行うものとする。   Therefore, the operation center frequency of the phase shift circuit 34 can be set based on the initial oscillation state frequency or the object oscillation state frequency. However, since the object oscillation state frequency cannot be determined from the beginning, the initial oscillation state frequency is set. It is preferable to set based on the frequency. Therefore, here, the operation center frequency of the phase shift circuit 34 is set based on the initial oscillation state frequency.

図22は、位相シフト回路34の動作中心周波数の設定の様子を説明する図である。図22は、ゲイン・位相特性図130であり、その横軸は周波数で、縦軸はゲインおよび位相である。ここで位相シフト回路34の周波数に対するゲイン特性132は、ピークを有する対称形のいわばバンドパスフィルタ的特性である。位相シフト回路34の周波数に対する位相特性は、ゲイン特性のピークのところで位相反転する特性である。位相シフト回路34の動作中心周波数は、このゲイン特性がピークとなる周波数である。位相シフト回路34のゲイン特性、位相特性は、位相シフト回路34を構成する素子定数を変更することで様々に設定することができる。   FIG. 22 is a diagram for explaining how the operation center frequency of the phase shift circuit 34 is set. FIG. 22 is a gain / phase characteristic diagram 130 in which the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents gain and phase. Here, the gain characteristic 132 with respect to the frequency of the phase shift circuit 34 is a symmetrical so-called band-pass filter characteristic having a peak. The phase characteristic with respect to the frequency of the phase shift circuit 34 is a characteristic of phase inversion at the peak of the gain characteristic. The operation center frequency of the phase shift circuit 34 is a frequency at which this gain characteristic peaks. The gain characteristic and the phase characteristic of the phase shift circuit 34 can be variously set by changing the element constants constituting the phase shift circuit 34.

図22において、ゲイン特性136は、位相シフト回路34を除いて、発光素子14と、受光素子16と、増幅器32とをループ状に接続したときの特性である。すなわち、初期発振状態における発光素子14と、受光素子16と、増幅器32と、位相シフト回路34とをループ状に接続したときの全体のゲイン特性から位相シフト回路34のゲイン特性を除いたものである。したがって、初期発振状態における発光素子14と、受光素子16と、増幅器32と、位相シフト回路34とをループ状に接続したときのループ全体の発振状態は、このゲイン特性136と、位相シフト回路34のゲイン特性132の交わった動作点138で示される。つまり、動作点138における周波数が初期発振状態周波数となる。   In FIG. 22, the gain characteristic 136 is a characteristic when the light emitting element 14, the light receiving element 16, and the amplifier 32 are connected in a loop shape except for the phase shift circuit 34. That is, the gain characteristic of the phase shift circuit 34 is removed from the overall gain characteristic when the light emitting element 14, the light receiving element 16, the amplifier 32, and the phase shift circuit 34 in the initial oscillation state are connected in a loop. is there. Therefore, when the light emitting element 14, the light receiving element 16, the amplifier 32, and the phase shift circuit 34 in the initial oscillation state are connected in a loop, the oscillation state of the entire loop is the gain characteristic 136 and the phase shift circuit 34. This is indicated by an operating point 138 where the gain characteristics 132 intersect. That is, the frequency at the operating point 138 becomes the initial oscillation state frequency.

図22に示されるように、位相シフト回路34の動作中心周波数は、初期発振状態周波数から予め定めた所定の周波数幅を隔てたところに設定される。図22の例では、動作点138の周波数が初期発振状態周波数であるが、ここから適当な周波数だけ高い周波数のところが、位相シフト回路34のゲイン特性132においてピーク最大となる動作中心周波数とされる。その動作中心周波数となるように、位相シフト回路34を構成する素子定数が設定される。位相シフト回路34の動作中心周波数の状態は位相シフト回路34の共振状態であるので、初期発振状態を安定的に維持するには、初期発振状態周波数と位相シフト回路34の動作中心周波数との差である周波数幅を大きくとることが望ましい。その分、動作点138におけるゲインが低くなるので、そのことの考慮も必要である。   As shown in FIG. 22, the operation center frequency of the phase shift circuit 34 is set at a predetermined frequency width separated from the initial oscillation state frequency. In the example of FIG. 22, the frequency of the operating point 138 is the initial oscillation state frequency, but a frequency higher than this by an appropriate frequency is the operating center frequency at which the peak is maximum in the gain characteristic 132 of the phase shift circuit 34. . The element constants constituting the phase shift circuit 34 are set so that the operation center frequency is obtained. Since the state of the operation center frequency of the phase shift circuit 34 is the resonance state of the phase shift circuit 34, in order to maintain the initial oscillation state stably, the difference between the initial oscillation state frequency and the operation center frequency of the phase shift circuit 34. It is desirable to take a large frequency width. Accordingly, the gain at the operating point 138 is lowered, and this must be taken into consideration.

再び図15に戻り、位相シフト回路34の動作中心周波数の設定が終わると、これで物性特性測定システム100についての動作条件設定が完了し(S108)、この条件の下で対象物の物性特性測定が行われる(S110)。具体的には、発光素子14と受光素子16との間に対象物が配置され、そのときの発振周波数である対象物発振状態周波数が検出され、初期発振状態周波数と比較されて、両者の間の周波数変化が求められる。そして別途実験等から求められている周波数変化−物性特性値の換算関係を用いて、対象物の物性特性値が求められる。   Returning to FIG. 15 again, when the setting of the operation center frequency of the phase shift circuit 34 is completed, the operation condition setting for the physical property measurement system 100 is completed (S108). Under this condition, the physical property measurement of the object is measured. Is performed (S110). Specifically, an object is arranged between the light emitting element 14 and the light receiving element 16, and the object oscillation state frequency, which is the oscillation frequency at that time, is detected, compared with the initial oscillation state frequency, and between them Frequency change is required. Then, the physical property value of the object is obtained using the conversion relationship of the frequency change-physical property value obtained separately from experiments or the like.

これまで、対象物の光学的反射率あるいは光学的透過率の相違を精度よく測定できる物質特性測定システム100の構成について述べてきたので、次にスペクトル変調特性の相違を精度よく測定できる構成について述べる。図23は、スペクトル変調特性が生じる対象物の場合を説明する図である。図23は、図16に対応する図であるが、ここでは、ピーク放射波長λ1の発光素子14の波長−発光強度特性102が、対象物に照射されることで、波長−反射光強度特性103に変調することが示されている。このように変化することで、受光量領域107が、図16の場合から変化する。この受光量領域の変化に基いて、対象物のスペクトル変調特性を測定することができる。 Up to now, the configuration of the material property measuring system 100 that can accurately measure the difference in optical reflectance or optical transmittance of the object has been described. Next, the configuration that can accurately measure the difference in spectral modulation property will be described. . FIG. 23 is a diagram illustrating the case of an object in which spectrum modulation characteristics occur. FIG. 23 is a diagram corresponding to FIG. 16, but here, the wavelength-luminescence intensity characteristic 102 of the light-emitting element 14 having the peak emission wavelength λ 1 is irradiated to the object, whereby the wavelength-reflection light intensity characteristic is obtained. 103 is shown to modulate. By changing in this way, the received light amount region 107 changes from the case of FIG. Based on the change in the received light amount region, the spectral modulation characteristic of the object can be measured.

図16の受光量領域106と、図23の受光量領域107の変化はあまり大きくないので、この変化による時間遅れΔTdはあまり大きくない。したがって、初期発振状態周波数と対象物発振状態周波数との間の周波数変化もあまり大きくない。そこで、この周波数変化を拡大して測定するために、位相シフト回路34の動作周波数の設定が、ゲインを高めるように行われる。すなわち、対象物の物性特性が光学的反射率特性または光学的透過率特性である場合の所定の周波数幅よりも、照射光のスペクトル特性が対象物によって変調を受けるスペクトル変調特性の場合の所定の周波数幅を狭く設定する。   Since the change in the light reception amount region 106 in FIG. 16 and the light reception amount region 107 in FIG. 23 is not so large, the time delay ΔTd due to this change is not so large. Therefore, the frequency change between the initial oscillation state frequency and the object oscillation state frequency is not so large. Therefore, in order to enlarge and measure this frequency change, the operation frequency of the phase shift circuit 34 is set so as to increase the gain. That is, the predetermined frequency width when the spectral characteristic of the irradiated light is modulated by the target is larger than the predetermined frequency width when the physical property of the target is the optical reflectance characteristic or the optical transmittance characteristic. Set the frequency width narrower.

図22を用いて説明すると、スペクトル変調特性の場合において、位相シフト回路34を除いて、発光素子14と、受光素子16と、増幅器32とをループ状に接続したときの特性をゲイン特性140とする。その動作点142を、位相シフト回路34のゲイン特性のゲイン/周波数の傾きが大きいところになるように、位相シフト回路34の動作中心周波数を設定する。具体的には、動作点142の周波数と、位相シフト回路34のゲインがピークとなる動作中心周波数との間の周波数幅は、動作点138の周波数と、位相シフト回路34の動作中心周波数との間の周波数幅よりも狭くなるように設定される。   Referring to FIG. 22, in the case of the spectrum modulation characteristic, the characteristic when the light emitting element 14, the light receiving element 16, and the amplifier 32 are connected in a loop shape, excluding the phase shift circuit 34, is the gain characteristic 140. To do. The operation center frequency of the phase shift circuit 34 is set so that the operating point 142 has a large gain / frequency gradient of the gain characteristic of the phase shift circuit 34. Specifically, the frequency width between the frequency of the operating point 142 and the operating center frequency at which the gain of the phase shift circuit 34 reaches a peak is the frequency of the operating point 138 and the operating center frequency of the phase shift circuit 34. It is set to be narrower than the frequency width in between.

本発明に係る血管脈波測定システムは、血管の脈動波形を用いて、血圧の測定等、血管を流れる血流の状態を測定することに利用できる。   The blood vessel pulse wave measurement system according to the present invention can be used to measure the state of blood flow flowing through a blood vessel, such as blood pressure measurement, using a blood vessel pulsation waveform.

6 被測定者、8 血管、10 血管脈波測定システム、12 光探触子、13 保持部、14 発光素子、16 受光素子、18 回路基板、20 光探触子回路、22 負荷抵抗、23 ダイオード、24 駆動トランジスタ、25,26,27 抵抗素子、30 脈動波形出力部、32 増幅器、34 位相シフト回路、40 FV変換部、42 A/D変換部、50 演算処理部、52 血管脈波測定演算モジュール、54 周波数データ取得モジュール、56 浮動中央値設定処理モジュール、58 ノイズ除去処理モジュール、60 表示部、62 ローパスフィルタ処理後の脈動波形表示、64 移動平均法の処理後の脈動波形表示、66 血管脈波測定値表示、100 物性特性測定システム、102 発光強度特性、103 反射光強度特性、104 受光強度特性、106,107 受光量領域、114 発光指向特性、116 受光指向特性、118 受光可能領域、122 照射光信号、124 受光信号、130 イン・位相特性図、132,136,140 ゲイン特性、138,142 動作点。   6 person to be measured, 8 blood vessel, 10 blood vessel pulse wave measurement system, 12 optical probe, 13 holding part, 14 light emitting element, 16 light receiving element, 18 circuit board, 20 optical probe circuit, 22 load resistance, 23 diode , 24 drive transistor, 25, 26, 27 resistance element, 30 pulsation waveform output unit, 32 amplifier, 34 phase shift circuit, 40 FV conversion unit, 42 A / D conversion unit, 50 arithmetic processing unit, 52 vascular pulse wave measurement calculation Module, 54 Frequency data acquisition module, 56 Floating median value setting processing module, 58 Noise removal processing module, 60 Display unit, 62 Pulsation waveform display after low-pass filter processing, 64 Pulsation waveform display after moving average method processing, 66 Blood vessel Pulse wave measurement value display, 100 physical property measurement system, 102 emission intensity characteristic, 103 reflected light intensity characteristic, 04 Light reception intensity characteristic, 106, 107 Light reception amount area, 114 Light emission directivity characteristic, 116 Light reception directivity characteristic, 118 Light reception possible area, 122 Irradiation light signal, 124 Light reception signal, 130 in / phase characteristic diagram, 132, 136, 140 Gain characteristic 138, 142 operating points.

Claims (7)

皮膚を通して血管に光を照射する発光素子と、血管からの反射光を皮膚を通して受光する受光素子とを有する光探触子と、
光探触子に増幅器と共に直列に接続され、発光素子への入力波形と受光素子からの出力波形の間に位相差が生じるときに、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する位相シフト回路と、
位相シフト回路によって位相差がゼロに補償された周波数の周期的な時間変化データを脈動波形データとして出力する出力部と、
出力部からの脈動波形データに基づいて、予め定めた演算上限値と演算下限値の間の演算範囲で血管脈波測定に関する演算を行う演算手段と、
出力部から出力される脈動波形データを予め定めた周期分取得し、取得した周期分のデータの中央値と最大振幅値とを求める周期分データ取得処理を実行する手段と、
取得した最大振幅値が演算範囲に対し予め定めた比率となるように最大振幅値を増幅し、取得した中央値をその絶対値に関わらず浮動的に演算範囲の中央値に設定し、取得される脈動波形データを演算手段の演算範囲に収まるように変換する浮動中央値設定処理を実行する浮動中央値設定手段と、
出力部からの脈動波形データが時間と共に変動して、脈動波形データを構成する周波数データが演算上限値あるいは演算下限値となるごとに、再び周期分データ取得処理を実行し、その結果に基づいて再び浮動中央値設定処理を実行する手段と、
を備えることを特徴とする血管脈波測定システム。
An optical probe having a light emitting element that emits light to the blood vessel through the skin, and a light receiving element that receives the reflected light from the blood vessel through the skin;
Phase shift that is connected in series with the amplifier to the optical probe and compensates for the phase difference by changing the frequency to zero when there is a phase difference between the input waveform to the light emitting element and the output waveform from the light receiving element. Circuit,
An output unit that outputs periodic time change data of a frequency whose phase difference is compensated to zero by a phase shift circuit as pulsation waveform data;
Based on the pulsation waveform data from the output unit, calculation means for performing calculation related to blood vessel pulse wave measurement in a calculation range between a predetermined calculation upper limit value and a calculation lower limit value;
Means for acquiring pulsation waveform data output from the output unit for a predetermined period, and executing a period data acquisition process for obtaining a median value and a maximum amplitude value of the acquired period data;
The maximum amplitude value is amplified so that the acquired maximum amplitude value becomes a predetermined ratio with respect to the calculation range, and the acquired median value is floatingly set to the median value of the calculation range regardless of its absolute value. Floating median value setting means for performing floating median value setting processing for converting the pulsation waveform data to be within the calculation range of the calculation means;
Every time the pulsation waveform data from the output unit fluctuates with time and the frequency data constituting the pulsation waveform data reaches the calculation upper limit value or the calculation lower limit value, the data acquisition process for the period is executed again, and based on the result Means for executing the floating median value setting process again;
A blood vessel pulse wave measurement system comprising:
1に記載の血管脈波測定システムにおいて、
出力部から出力される周波数データに対しローパスフィルタ演算処理を行って演算手段に供給するフィルタ処理手段と、
出力部から出力する周波数データをサンプリングタイミングごとに取得して、取得したデータを移動平均法により順次処理して滑らかな脈動波形としてリアルタイム表示する表示手段と、
を備えることを特徴とする血管脈波測定システム。
1. The blood vessel pulse wave measurement system according to 1,
Filter processing means for performing low-pass filter arithmetic processing on the frequency data output from the output unit and supplying the low-pass filter arithmetic processing;
Display means for acquiring frequency data output from the output unit at each sampling timing, sequentially processing the acquired data by a moving average method, and displaying in real time as a smooth pulsation waveform;
A blood vessel pulse wave measurement system comprising:
1に記載の血管脈波測定システムにおいて、
出力部から出力する周波数データを電圧データに変換し、電圧データをディジタルデータとして演算手段に供給するFV変換手段を備えることを特徴とする血管脈波測定システム。
1. The blood vessel pulse wave measurement system according to 1,
A blood vessel pulse wave measurement system comprising: FV conversion means for converting frequency data output from an output section into voltage data and supplying the voltage data as digital data to a calculation means.
3に記載の血管脈波測定システムにおいて、
浮動中央値設定手段は、FV変換手段によって供給された所定の周期分のディジタルデータについてその最大値と最小値との差であるデータ幅を、演算手段の演算範囲の2/3から1/3の間のデータ幅となるようにデータビット拡大を行うことを特徴とする血管脈波測定システム。
In the blood vessel pulse wave measurement system according to 3,
The floating median value setting means sets the data width, which is the difference between the maximum value and the minimum value of digital data for a predetermined period supplied by the FV conversion means, from 2/3 to 1/3 of the calculation range of the calculation means. A blood vessel pulse wave measurement system, wherein data bits are expanded so that the data width is between.
1に記載の血管脈波測定システムにおいて、
演算手段は、脈動波形と血圧について予め求めた関係に基づいて、血圧を算出することを特徴とする血管脈波測定システム。
1. The blood vessel pulse wave measurement system according to 1,
The blood vessel pulse wave measurement system, wherein the calculation means calculates the blood pressure based on a relationship obtained in advance for the pulsation waveform and the blood pressure.
対象物に入射光を照射する発光素子について、予め定めた駆動条件の下で駆動する発光駆動回路と、
入射光に対応した対象物からの光を受光する受光素子について、予め定めた出力条件の下で出力電気信号を出力する受光出力回路と、
受光素子の出力端子と発光素子の入力端子との間に増幅器とともに直列に接続され、発光素子のデバイス特性で予め定まる発光素子駆動電気信号と照射光信号との間の発光素子遅延時間と、受光素子のデバイス特性で予め定まる受光光信号と受光素子出力電気信号との間の受光素子遅延時間と、対象物の物性特性によって生じる照射光信号と受光光信号との間の対象物遅延時間とによって定まる電気信号位相差について、周波数を変化させてその電気信号位相差をゼロにシフトさせる位相シフト回路と、
発光素子と受光素子の間に対象物を配置しないときに、位相シフト回路によって位相差がゼロに補償された周波数を初期発振状態周波数とし、発光素子と受光素子との間に対象物を配置したときに、位相シフト回路によって位相差がゼロに補償された周波数を対象物発振状態周波数として、初期発振状態周波数と対象物発振状態周波数との間の周波数変化に基いて対象物の物性特性値を求める物性特性値出力手段と、
を備え、
発光駆動回路は、
受光出力回路の初期発振状態周波数の下での出力電気信号と対象物発振状態周波数の下での出力電気信号との間で信号飽和状態が生じない照射光信号となるように駆動条件が設定され、
位相シフト回路は、
初期発振状態周波数から予め定めた所定の周波数幅を隔てる周波数をゲインが最大となる動作中心周波数とすることを特徴とする光を用いる物性特性測定システム。
For a light emitting element that irradiates an object with incident light, a light emission driving circuit that is driven under a predetermined driving condition;
About a light receiving element that receives light from an object corresponding to incident light, a light receiving output circuit that outputs an output electric signal under a predetermined output condition;
A light emitting element delay time between the light emitting element driving electrical signal and the irradiation light signal, which is connected in series with the amplifier between the output terminal of the light receiving element and the input terminal of the light emitting element, and is determined in advance by the device characteristics of the light emitting element, The light receiving element delay time between the light receiving light signal and the light receiving element output electrical signal determined in advance by the device characteristics of the element, and the object delay time between the irradiation light signal and the light receiving light signal generated by the physical property of the object A phase shift circuit that shifts the electrical signal phase difference to zero by changing the frequency for the determined electrical signal phase difference,
When no object is placed between the light emitting element and the light receiving element, the frequency at which the phase difference is compensated to zero by the phase shift circuit is set as the initial oscillation state frequency, and the object is placed between the light emitting element and the light receiving element. Sometimes, the frequency at which the phase difference is compensated to zero by the phase shift circuit is the object oscillation state frequency, and the physical property value of the object is calculated based on the frequency change between the initial oscillation state frequency and the object oscillation state frequency. Desired physical property value output means;
With
The light emission drive circuit
The drive conditions are set so that the irradiation light signal does not cause signal saturation between the output electrical signal under the initial oscillation state frequency of the light receiving output circuit and the output electrical signal under the object oscillation state frequency. ,
The phase shift circuit
A physical property characteristic measuring system using light, characterized in that a frequency separating a predetermined predetermined frequency width from an initial oscillation state frequency is set as an operation center frequency at which a gain is maximized.
請求項6に記載の光を用いる物性特性測定システムにおいて、
位相シフト回路は、
対象物の物性特性が光学的反射率特性または光学的透過率特性である場合の所定の周波数幅よりも、照射光のスペクトル特性が対象物によって変調を受けるスペクトル変調特性の場合の所定の周波数幅を狭く設定することを特徴とする光を用いる物性特性測定システム。
In the physical property measurement system using light according to claim 6,
The phase shift circuit
Predetermined frequency width when the spectral characteristic of the irradiated light is modulated by the object rather than the predetermined frequency width when the physical property of the object is an optical reflectance characteristic or an optical transmittance characteristic A physical property measurement system using light, characterized in that the angle is set narrow.
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