JP2013192733A

JP2013192733A - 振動負荷装置

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Publication number: JP2013192733A
Application number: JP2012062848A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hirohata; 賢治廣畑; Junichiro Oga; 淳一郎大賀; Takuya Hongo; 卓也本郷; Yosuke Hisakuni; 陽介久國
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-30
Anticipated expiration: 2032-03-19
Also published as: US10617598B2; JP5711685B2; US20130245513A1

Abstract

【課題】
生体内の力学的な挙動を変化させることが可能な振動負荷装置を提供する。
【解決手段】
実施形態の振動負荷装置は、脈動または拍動する生体に対して、第１接触条件の接触状態で接触可能に設けられる接触部と、前記接触部を介して前記生体に対して自励振動を与える第１振動部と、前記脈動または拍動と前記自励振動とを同期させる第２接触条件を記憶する記憶部と、前記第１接触条件を前記第２接触条件に近づける方向に前記接触部の前記接触状態を制御する制御部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、振動負荷装置に関する。

生体内において、例えば血管の脈動変位が正常状態より大きくなり、近傍の神経を刺激することで発生する頭痛や、持続的な荷重により、血管の血流が阻害されることで発生する褥瘡（じょくそう）や肺動脈血栓塞栓症（エコノミークラス症候群）等のように、生体内の組織の力学的な挙動が、生体機能を低下させる要因となることがある。

このような生体内の組織の力学的な挙動が要因となって引き起こされる生体機能の低下を防ぐための技術が望まれている。

特許第４６２７３７９号公報

生体内の力学的な挙動を変化させることが可能な振動負荷装置を提供する。

実施形態の振動負荷装置は、脈動または拍動する生体に対して、第１接触条件の接触状態で接触可能に設けられる接触部と、前記接触部を介して前記生体に対して自励振動を与える第１振動部と、前記脈動または拍動と前記自励振動とを同期させる第２接触条件を記憶する記憶部と、前記第１接触条件を前記第２接触条件に近づける方向に前記接触部の前記接触状態を制御する制御部とを備える。

引き込み現象の説明図。第一の実施形態に係る振動負荷装置の構成図。第一の実施形態に係る振動負荷装置の概略図。第一の実施形態に係る振動負荷装置の動作を説明するフローチャート。第二の実施形態に係る振動負荷装置の構成図。変形例に係る振動負荷装置の説明図。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。

以下に説明する実施形態の振動負荷装置は、生体内において脈動する動脈管、静脈管、毛細血管（以下、まとめて血管）、リンパ管を含む循環器系や、心臓等の拍動する内臓に対して自励振動を与えることで生じる引き込み現象を利用して、これら脈動や拍動を調整する。

なお、以下では、血管の脈動を調整する例に基づいて説明する。

（引き込み現象）
自然系および非自然系における非線形現象、すなわち、相互作用を有する複数の自励振動子集団の挙動や、強制振動系の自励振動（リミットサイクル振動）等において、条件が整えば、振動の周波数や位相が同期する現象が生じる。このように、異なったリズムを示す非線形振動子が、別の安定なリズムに引きずられて同期する現象を引き込み現象と呼ぶ。

引き込み現象には、周波数が同期する周波数の引き込み現象（周波数ロッキング）と周波数に加え位相も同期する位相の引き込み現象（位相ロッキング）が存在する。周期的な強制外力の周波数をω、自励振動の周波数をΩとしたとき、周波数の引き込み現象が発現する場合には次式を満たす。

また、強制外力の位相をφ1、自励振動の位相をφ2としたとき、位相の引き込み現象が発現する場合には次式を満たす。ここで、定数は例えばπ/4であり、次式の範囲内で位相ロッキングする。

なお、上記（式１）および（式２）におけるn、mは予め任意に定めることのできる１以上の整数である。以下では上記の整数をn=1、m=1として、強制外力と自励振動とが、位相差が0（同位相）またはπ（逆位相）である場合に周波数ロッキングする例について説明する。

（引き込み現象）
引き込み現象には、図１に示すように同相での引き込み現象、逆相での引き込み現象の２種類が存在する。図１（a）は、同相の引き込み現象の様子、図１（b）は逆相の引き込み現象の様子をそれぞれ示している。

図１（a）に示すように、同相の引き込み現象の場合には、自励振動と強制外力が引き込みを起こし、時間とともに位相が揃って、かつ周波数が一致していく。このとき、強制外力の振幅は大きくなっている。

一方、図１（b）に示すように、逆相の引き込み現象の場合には、自励振動と強制外力が引き込みを起こし、時間とともに位相がπずれて、かつ周波数が一致していく。このとき、強制外力の振幅は小さくなっている。

（自励振動）
自励振動を起こす自励振動負荷機構の構成例について説明する。

自励振動負荷機構の一構成例として、例えば流動が可能な媒体物質が正方角柱周りで流動している場合があげられる。角柱はバネとダッシュポットで動きを制限されており、媒体物質の流れと直角の方向に動くものとする。

このような自励振動負荷機構において、生体組織へ負荷を与える角柱の力学的挙動は以下の方程式により記述できる。

ここで、yは角柱の変位、ｍは角柱の質量、rは角柱の力学的挙動におけるダンピングを表現する粘性係数、kは角柱の力学的挙動における弾性係数を表している。また、右辺のFは角柱に自励振動を誘起させるための駆動力を表している。

角柱の速度をV₁、媒体物質の流動速度をV₂とすると、角柱に対する媒体物質の相対速度は、(V₁ ²＋V₂ ²)^1/2で表現できる。この相対速度が流体力として角柱に対して垂直方向の力を与える。流体力は、媒体物質の流動方向と相対速度のなす角度の関数として表わされる。

このとき、駆動力は、以下の関数形で近似できる。ここで、ρは媒体物質の密度、Ｖは媒体物質の流動速度、aは角柱の正面（媒体物質の流動方向に対して）の面積、Cは流体力を表している。

角柱の形状、媒体物質の密度を適切に選ぶと、A₃=0，A₄=0となる。このように、上記の一例では、自励振動する機構について、駆動力はC₁(構造物の速度)−C₂(構造物の速度)³の形で表現することができる。すなわち、（式３）は、次式のように書き換えることができる。

（式５）の両辺を時間で微分して、構造物の速度を新たな変数yと置くと、yに関する方程式は次式のようなVan Der Pol方程式で表される。なお、αは自励振動負荷機構の振動に関わるパラメータである。

ここで、自励振動に対して与えられる強制外力が、例えば周期関数εsin(ωt)で表される場合、自励振動と強制外力との相互作用は次式のように表される。なお、εは強制外力と自励振動との相互作用の大きさを表す相互作用パラメータである。

次に、引き込み現象の誘起に影響を与える負荷パラメータおよび相互作用パラメータについて説明する。

負荷パラメータαとは、自励振動負荷機構の振動に関わるパラメータであり、例えば、自励振動負荷機構に対して振動を誘起する振動発生源（例えばピエゾアクチュエータ）の振幅や振動数等が挙げられる。

また、相互作用パラメータεとは、自励振動負荷機構と生体の組織との間に介在する材料（生体の皮膚等も含む）の特性や、生体に対する接触条件等を表すパラメータであり、例えば、材料が有する荷重‐変形特性や、材料の厚さ、自励振動負荷機構を生体に固定するときの自励振動負荷機構の生体に対する接触圧等が挙げられる。

上記（式７）の方程式の解を y=A(t) sin(ωt+φ(t))と記述した場合、引き込み現象を発生させるには、自励振動子の周波数と強制外力の周波数の差△ωが、以下の条件を満たす必要がある。

上記の条件を満たすように、負荷パラメータαや、強制外力の強さを調整する相互作用パラメータεを調整することで、引き込み現象を誘起させることができる。

このとき、相互作用パラメータε＞0のときには、自励振動と強制外力とは逆相（位相がπずれる）に同期する。また、相互作用パラメータε＜0のときには、εの絶対値が自励振動の振幅の大きさに比べて十分小さいときには同相に、自励振動の振幅の大きさに比べて十分大きいときには逆相に同期する。

（第一の実施形態）
以下、第一の実施形態の振動負荷装置１００の構成について説明する。本実施形態では、振動負荷装置１００は、生体の首や四肢や胴体に巻くことが可能なカフ等のヘルスケア装置として用いられる。

図２は、第一の実施形態に係る振動負荷装置１００の構成図である。図２の振動負荷装置１００は、生体における脈動のリズム（振幅、周期を含む）を測定する第１測定部（生体リズム測定部）１０と、生体に対して自励振動を与える第１振動部（自励振動負荷部）２０と、自励振動の振幅および周期を測定する第２測定部（自励振動測定部）３０と、生体と自励振動負荷部２０との接触状態を調整する接触部４０と、引き込み現象を制御する制御部５０と、負荷条件及び接触条件の初期値を記憶する記憶部６０とを備える。自励振動測定部３０、制御部５０には、ＣＰＵやＭＰＵ等の演算装置を用いる。また、記憶部６０には、メモリやＨＤＤ等の記憶装置を用いる。図３は、振動負荷装置１００をカフに適用した際の概略図である。

生体リズム測定部１０は、血管が脈動する際の脈動波形（例えば脈波の振幅）および振動数（または周期）をサンプリング周期ごとに測定する。これには、例えば血圧計や脈拍センサを用いることができる。血圧計は、生体の首や四肢や胴体に巻くことが可能なカフに設けられる。また、脈動センサは、生体の動脈直上の皮膚表面に貼りつけることが可能な、参照光発生源と、参照光の受光部とから構成される。なお、本実施形態では生体リズム測定部１０は、血圧計を例に説明する。

ここで、血圧計により得られる血圧波形と、脈動波形とには近似的にはほぼ同位相の関係がある。なお、ここでは簡単化のために、血圧波形および脈動波形は、正弦波（または余弦波）と見なす。したがって、生体リズム測定部１０は、血圧波形の振幅および周期を測定することで、間接的に脈動波形の振幅および周期を測定する。この際、振幅および周期は記憶部６０に格納することができる。

自励振動負荷部２０は、後述の接触部４０を介して生体に対して自励振動を負荷するアクチュエータである。自励振動としては、例えばVan Der Pol型の自励振動を用いることができる。自励振動負荷部２０は、後述の制御部５０が算出する指令電圧が印加されることで自励振動する。ここでは、自励振動負荷部２０は、カフに設けられており、このカフを生体の腕に巻くことで生体に対して自励振動を負荷する。

具体的な構成としては、一端が支持部材に固定されて、その他端が自由端となる梁がカフの内部に複数配置されている。この梁の片面にはピエゾ素子が形成されており、電圧が印加されるとピエゾ素子が収縮および伸張することで梁に撓みが生じる。この梁の支持部材から先端までの距離r=lとする。以下では、距離r=lにおける梁の撓みを変位と呼ぶ。

自励振動測定部３０は、自励振動負荷部２０の距離r=lの位置における振動の振幅および周期を測定する。例えば自励振動測定部３０は、自励振動負荷部２０のピエゾ素子に対する印加電圧と変位との関係から振幅を得ることができる。また、自励振動測定部３０は、後述の制御部５０の電圧印加の周期から振動の周期を得ることができる。

接触部４０は、自励振動負荷部２０と生体の間に設けられ、相互作用パラメータに影響する接触状態を調整するための部材である。本実施形態では、接触部４０は、例えば空気を取り込むことで体積を増やして、生体に対する接触圧（圧力）を調整する。この際、接触部４０の接触状態は、後述の制御部５０により制御される。

制御部５０は、自励振動負荷部２０への入力電圧Vｃを算出する。

Van Der Pol型の自励振動では、自励振動負荷部２０に対する変位加振の効果が、片持ち梁の変位に加速度入力として作用すること、および積分型ピエゾ素子の縮小および伸張に伴う変位が印加電圧にほぼ比例するという特性がある。そこで、制御部５０は、梁の変位の積分値および、梁の変位の3乗の積分値の線形結合をフィードバックして、次式のように自励振動負荷部２０に対する入力電圧Vｃを算出する。なお、初期条件としては記憶部６０に予め格納しておく所定の電圧を用いることができる。

なお、Klin、Knonはそれぞれ線形フィードバックゲインと非線形フィードバックゲインである。本実施形態では、フィードバックゲインKlin、Knonが、前述の負荷パラメータに影響する値であり、フィードバックゲインKlin、Knonの初期値が予め記憶部６０に記憶されている。また、δ|r=lは、自励振動負荷部２０のr=lにおける変位であり、自励振動測定部３０が得る振幅を用いることができる。

なお、生体リズムと自励振動負荷部２０の自励振動との同期を誘発しやすくするために、フィードバックゲインKlin、Knomは、自励振動の振動数が生体リズムの振動数に近い値（例えば、±１０％以内）をとるように設定しておくことが好ましい。

制御部５０は、生体リズム測定部１０が測定する生体リズムの周期、自励振動測定部３０が測定する自励振動の周期を得て、それぞれ振動数に換算する。そして、例えば生体リズムの振動数に対する自励振動の振動数のずれの割合（以下誤差）が±１０％の範囲に納まっていない場合には、自励振動の振動数を生体リズムの振動数に近づける方向にフィードバックゲインKlin、Knomを変化させる。

なお、生体リズムの計測に測定誤差が存在する場合には、例えば振動数のばらつき分布を計測し、この振動数分布の平均値に近づける方向にフィードバックゲインKlin、Knomを変化させることもできる。

また、制御部５０は、生体リズムと自励振動負荷部２０の自励振動とが同期する方向に接触部４０の動作を制御することで生体に対する接触状態を変化させる。

生体リズムと自励振動負荷部２０の自励振動とが同相で同期する場合には、図１（a）で示すように生体リズム（強制外力）の振幅は時間と共に大きくなっていく。また、逆相で同期する場合には、図１（b）で示すように時間と共に小さくなっていく。

そこで、制御部５０は、生体リズム測定部１０が測定する脈動波形（血圧波形）の振幅を用いて、サンプリング周期ごとに脈動波形の振幅の変化量を算出する。

そして、例えばユーザが同相で同期させることを図示しないコントローラ等で選択した場合には、制御部５０は、脈動波形の振幅が増加する方向に接触部４０を制御して、生体に対する圧力を変化させる。また、ユーザが逆相で同期させることを選択した場合には、制御部５０は、脈動波形の振幅が減少する方向に接触部４０を制御して、生体に対する圧力を変化させる。または、自励振動負荷部２０の負荷条件を変化させる。

制御部５０は、予め記憶部６０に格納している閾値と振幅の変化量を比較して、例えば振幅が閾値以下になったときに、生体リズムと自励振動負荷部２０の自励振動とが同期したものと判定し、その後は接触部４０の圧力を一定に制御する。

記憶部６０は、負荷条件および接触条件の初期値を記憶している。これら初期値としては、事前にシミュレーションや実験等により、生体リズムと自励振動とが同期する値を調べておき、記憶部６０に格納することができる。

ここでは、例えば事前に用意しておく生体の皮下組織と血管壁の材料変形特性（応力、ひずみ、変形）に関する事前分布を用いて、生体の皮膚表面からの応答（変位，圧力）および血流波形、血圧波形等の観測変数と、中間変数（潜在変数）である負荷パラメータ（残留応力、無応力状態、外力等）α、相互作用パラメータε（圧力等）を、例えば階層ベイズモデル＆マルコフ連鎖モンテカルロ、パーティクルフィルタ等の統計的手法により同定する。

また、引き込み現象を誘起させるために、負荷パラメータα、相互作用パラメータεが満たすべき条件を（式５）乃至（式８）から得る。そして、本実施形態では、（式５）乃至（式８）を満たす際の負荷パラメータα、相互作用パラメータεと、カフ圧との関係を事前の実験等により調べておき、記憶部６０にはこのカフ圧の値を格納する。

以下、図４のフローチャートを参照して、振動負荷装置１００の動作を説明する。

制御部５０は、記憶部６０から負荷条件（フィードバックゲインKlin、Knon）の初期値、接触条件（接触部４０の圧力）の初期値を得る（S１０１）。

制御部５０は、（式９）に基づいて入力電圧Vcを算出し、自励振動負荷部２０に対して印加する。これにより、自励振動負荷部２０は自励振動を起こし、生体に対して自励振動を負荷する（S１０２）。

制御部５０は、記憶部６０から生体リズムの周期、自励振動の周期を得て、それぞれ振動数に換算する。そして、生体リズムの振動数と自励振動の振動数の誤差が±１０％以内であるかどうかを判定する（S１０３）。

振動数の誤差が±１０％以内でない場合には、制御部５０は、振動数の誤差が±１０％以内に納まる方向、すなわち自励振動の振動数が生体リズムの振動数に近づく方向に負荷条件を変化させる（S１０４）。なお、振動数の誤差が±１０％以内に納まった時点で、負荷条件を一定に保つ。

振動数の誤差が±１０％以内の場合には、制御部５０は、記憶部６０から生体リズムの振幅を逐次得て、振幅の変化量を算出する（S１０５）。そして、変化量が所定の閾値以下であるかどうかを判定する（S１０６）。

変化量が所定の閾値以下でない場合には、制御部５０は、生体リズムの振幅の変化量が減少する方向、すなわち生体リズムと自励振動が同期する方向に負荷条件または接触条件を変化させる（S１０７）。なお、変化量が所定の閾値以下である場合には、その時点で接触条件を一定に保つ。

本実施形態の振動負荷装置によれば、生体内の力学的な挙動を適正に近づけることができる。また、制御部５０が、生体リズムと自励振動負荷部２０の自励振動とが同期する方向に接触部４０を制御することで、生体差によらず引き込み現象を誘起することができる。

なお、図１に示すように、引き込み現象が誘起された場合には、自励振動と強制外力との位相差は一定に近づく。すなわち、位相差の変化量は減少することになる。

そこで、変形例に係る振動負荷装置の制御部５０は、脈動波形（血圧波形）の振幅および周期、自励振動の振幅および周期を用いて、サンプリング周期ごとに脈動波形と自励振動の位相差の変化量を算出する。

そして、例えばユーザが同相で同期させることを図示しないコントローラ等で選択した場合には、脈動波形の振幅が増加し、かつ位相差の変化量が減少する方向に接触部４０を制御して、生体に対する圧力を変化させる。また、ユーザが逆相で同期させることを選択した場合には、脈動波形の振幅が減少し、かつ位相差の変化量が減少する方向に接触部４０を制御して、生体に対する圧力を変化させる。

本変形例の振動負荷装置では、位相差の変化量および振幅の変化量を用いることで、さらに高精度に引き込み現象を誘起させることができる。

（第二の実施形態）
（確率共鳴現象）
ある最適なノイズ強度で引き込みが最も起こりやすくなる現象があり、確率共鳴あるいは確率同期と呼ばれている。これは、非線形系にノイズを加えるとある最適なノイズ強度で同期振動することや、わずかに振動周期や位相が異なった振動子群に適切なノイズ外力を加えると周期や位相が平均周期に引き込まれ同期する現象である。

図５の振動負荷装置２００は、第２振動部（微小振動負荷部）７０をさらに備えている点で図２の振動負荷装置１００とは異なる。

微小振動負荷部７０は、生体に対して微小振動（擾乱）を負荷するアクチュエータである。ここでは、微小振動負荷部７０は、カフに設けられており、このカフを生体の腕に巻くことで生体に対して微小振動を負荷する。

微小振動負荷部７０としては、例えば、振幅や荷重にランダムノイズを有するピエゾアクチュエータや超音波アクチュエータを用いることができる。本実施形態では、自励振動負荷部２０の自励振動の振幅の１/３以下の値を振幅とする振動を微小振動と定義する。なお、微小振動負荷部７０は、確率共鳴現象を誘起させるために自励振動負荷部２０の近傍に設けられることが好ましい。

本実施形態の振動負荷装置によれば、生体内の力学的な挙動を適正に近づけることができる。また、確率共鳴現象を用いることで、生体差によらず引き込み現象を誘起することができる。

（変形例）
以上の実施形態では、振動負荷装置をカフに適用する例を基に説明した。しかしながら、振動負荷装置はその他のヘルスケア装置に適用することが可能である。図６は変形例に係る振動負荷装置３００の説明図である。図６（a）は振動負荷装置３００をベッドに適用した例、図６（b）は振動負荷装置３００をソファに適用した例を示す。

図６（a）の振動負荷装置３００では、ベッドのマットレスに自励振動負荷部２０および接触部４０を設ける。なお、自励振動負荷部２０および接触部４０は、マットレスの面内で複数設けられてもよい。また、マットレスの面内を移動可能に設けられてもよい。移動機構については公知の技術を用いることとし、ここでの説明は省略する。

また、図６（b）の振動負荷装置３００では、ソファの座面、背もたれに自励振動負荷部２０および接触部４０を設ける。なお、自励振動負荷部２０および接触部４０は、座面、背もたれの面内で複数設けられてもよい。また、座面、背もたれの面内を移動可能に設けられてもよい。また、自励振動負荷部２０および接触部４０は、図示しない肘掛や足置きに設けることもできる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態の振動負荷装置によれば、生体内の力学的な挙動を変化させることができる。

これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０・・・生体リズム測定部
２０・・・自励振動負荷部
３０・・・自励振動測定部
４０・・・接触部
５０・・・制御部
６０・・・記憶部
７０・・・微小振動負荷部
１００、２００、３００・・・振動負荷装置

Claims

脈動または拍動する生体に対して、第１接触条件の接触状態で接触可能に設けられる接触部と、
前記接触部を介して前記生体に対して自励振動を与える第１振動部と、
前記脈動または拍動と前記自励振動とを同期させる第２接触条件を記憶する記憶部と、
前記第１接触条件を前記第２接触条件に近づける方向に前記接触部の前記接触状態を制御する制御部と、
を備える振動負荷装置。
前記第２接触条件は、前記脈動または拍動と前記自励振動とを同相で同期させる条件であり、
前記脈動または拍動の振幅を測定する第１測定部を備え、
前記制御部は、前記第１測定部が測定する前記振幅が増加する方向に前記接触部の前記接触状態を制御する請求項１に記載の振動負荷装置。
前記第２接触条件は、前記脈動または拍動と前記自励振動とを逆相で同期させる条件であり、
前記脈動または拍動の振幅を測定する第１測定部を備え、
前記制御部は、前記第１測定部が測定する前記振幅が減少する方向に前記接触部の前記接触状態を制御する請求項１に記載の振動負荷装置。
前記第１測定部は、さらに前記脈動または拍動の周期を測定し、
前記自励振動の周期を測定する第２測定部を備え、
前記制御部は、前記第１測定部が測定する前記脈動または拍動の周期および前記第２測定部が測定する前記自励振動の周期を用いて、前記自励振動と前記脈動または拍動の位相差の変化量を算出し、前記位相差の変化量が減少する方向に前記接触状態を制御する請求項１乃至３いずれか１項に記載の振動負荷装置。
前記接触部を介して前記生体に対して微小振動を与える第２振動部をさらに備える請求項１乃至４いずれか１項に記載の振動負荷装置。
脈動または拍動する生体に対して、第１接触条件の接触状態で接触可能に設けられる接触部と、
前記接触部を介して前記生体に対して第１負荷条件で自励振動を与える第１振動部と、
前記脈動または拍動と前記自励振動とを同期させる第２負荷条件または第２接触条件を記憶する記憶部と、
前記第１負荷条件を前記第２負荷条件に近づける方向に前記第１振動部を制御する、または前記第１接触条件を前記第２接触条件に近づける方向に前記接触状態を制御する制御部と、
を備える振動負荷装置。