JP2013244286A - Specimen information processor and specimen information processing method - Google Patents
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- Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
Abstract
Description
本発明は、検体情報を検出して、この検体情報について処理を行う、検体情報処理装置及び検体情報処理方法に関する。 The present invention relates to a sample information processing apparatus and a sample information processing method for detecting sample information and processing the sample information.
比較的太い血管が中に通っている腕や、毛細血管が網のように張り巡らされた指先などに対して、それらが持つ脈動性の信号を検出するセンサにおいて、閉じた空間を持つ構造をもつもので、片側が腕の皮膚や指先の皮膚の部分に、血管の流れを妨げないごく弱いレベルで圧力をかけ、反対側にコンデンサマイクなどの圧力センサを配置し、血管を通じて伝わってくる心臓の脈動に起因する脈波を、閉じた空間内の圧力変化として良好なS/N比で検出することを特徴とする圧力センサ装置が知られている。
従来から、圧力センサ装置による血管の脈動性信号の検出感度を向上させるために、様々な手法が提案されている。
Sensors that detect pulsating signals of arms with relatively thick blood vessels in them or fingertips with capillaries stretched like a net have a structure with a closed space. The heart is transmitted through the blood vessel by applying pressure to the skin of the arm or fingertip at a very weak level that does not obstruct the flow of blood vessels, and placing a pressure sensor such as a condenser microphone on the other side. 2. Description of the Related Art There is known a pressure sensor device that detects a pulse wave caused by a pulsation of a current with a good S / N ratio as a pressure change in a closed space.
Conventionally, various methods have been proposed in order to improve the detection sensitivity of a blood vessel pulsation signal by a pressure sensor device.
特許文献1(特開昭63−0154153)では、被検出体への当接部分に当該検出体により形成される開口部を有する有限容積キャビティと、上記キャビティ内に設置された無指向性マイクロホンとから成り、被検出体の膨張変化あるいは収縮変化を上記キャビティ内の圧力変化として上記無指向性マイクロホンにて検出するセンサが開示されている。 In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 63-0154153), a finite volume cavity having an opening formed by the detection body at a contact portion with the detection body, an omnidirectional microphone installed in the cavity, and There is disclosed a sensor for detecting an expansion change or a contraction change of an object to be detected as a pressure change in the cavity with the omnidirectional microphone.
特許文献2(特開2010−115431)では、空洞を有する筐体を装着部材により皮膚表面に装着され、装着面の一部にある開口部が皮膚により密閉され、体内音による皮膚表面の振動が直接空洞内の空気に伝わり、これをマイクロホンにより取得できる体内音取得装置について開示されている。 In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-115431), a housing having a cavity is mounted on the skin surface by a mounting member, an opening in a part of the mounting surface is sealed by the skin, and vibration of the skin surface due to body sound is generated. A body sound acquisition device is disclosed that is directly transmitted to air in a cavity and can be acquired by a microphone.
特許文献3(特開平11−56799)では、生体の頸部に押圧される押圧面を有し、該押圧面における圧力を検出する複数の圧力センサを含み、該頸部に押圧されて該頸部の頸動脈内の圧波を検出する頸動脈圧波検出装置が記載されており、複数の圧力センサを用いて、圧力センサから出力される圧力信号を補正することにより、頸動脈圧波を簡便に検出できることが開示されている。 Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-56799) includes a pressure surface that is pressed against the neck of a living body, and includes a plurality of pressure sensors that detect pressure on the pressure surface. A carotid pressure wave detection device that detects the pressure wave in the carotid artery of the head is described, and the carotid pressure wave is easily detected by correcting the pressure signal output from the pressure sensor using a plurality of pressure sensors. It is disclosed that it can be done.
特許文献4(特開2004−321254)では、押圧面に複数の圧力検出素子をそなえ、該押圧面が生体の皮膚上から所定の動脈に向かって押圧させられて、該圧力検出素子により該動脈からの圧脈波を検出する圧脈波検出プローブを有する圧脈波検出装置が記載されており、アーティファクトの混入した圧脈波を除去することで、除去されていない残りの圧脈波のうちのいずれか一つを選択したり、残りの圧脈波を平均するなどして、アーティファクトの影響の少ない正確な形状の圧脈波を得ることが記載されている。 In Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-321254), a pressure surface is provided with a plurality of pressure detection elements, the pressure surfaces are pressed toward a predetermined artery from the skin of the living body, and the arteries are detected by the pressure detection element. A pressure pulse wave detection device having a pressure pulse wave detection probe for detecting a pressure pulse wave from the pressure pulse wave is described, and by removing the pressure pulse wave mixed with artifacts, of the remaining pressure pulse waves not removed It is described that a pressure pulse wave having an accurate shape with little influence of artifact is obtained by selecting any one of the above or averaging the remaining pressure pulse waves.
上記特許文献1の場合、圧力センサの開口部は指を挿入できる程度の大きさであり、検体の特定部位の血管の振動を、指向性よく検出することが困難であるという課題がある。
上記特許文献2の場合、体内音取得装置は開口部の穴の径が1mm又は3mmであり、細い血管の振動をその真上にマイクがなくても測定できるような工夫がなされていない。
In the case of
In the case of the above-mentioned
圧力センサに用いられるECM(エレクトレットコンデンサマイクロホン、以下ECMともいう)は風除け等の理由から低周波領域の信号の感度が低いように設計されているが、上記特許文献1,2のいずれもECMのこの特性については触れていない。 An ECM (electret condenser microphone, hereinafter also referred to as ECM) used for a pressure sensor is designed so that the sensitivity of a signal in a low frequency region is low for reasons such as windbreaking. This property is not mentioned.
また、圧力センサ装置による血管の脈動性信号の検出感度を向上させるためには、血管の位置情報、特に血管の深さ情報を推定することが重要となるが、上記いずれの特許文献にも、血管の深さ情報を推定することについては記載されていない。 Moreover, in order to improve the detection sensitivity of the pulsation signal of the blood vessel by the pressure sensor device, it is important to estimate the position information of the blood vessel, in particular, the depth information of the blood vessel. There is no description about estimating blood vessel depth information.
本発明は、このような課題に鑑みて創案されたものであり、センサと血管の位置関係の正確さを要求せず、かつセンシングに指向性を有し、血管の脈動性信号を検出することができ、さらに、この脈動性信号から血管の深さ情報を求めることができる検体情報処理装置及び検体情報処理方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and does not require the accuracy of the positional relationship between the sensor and the blood vessel, has directivity for sensing, and detects a pulsation signal of the blood vessel. It is another object of the present invention to provide a sample information processing apparatus and a sample information processing method capable of obtaining blood vessel depth information from this pulsating signal.
上記目的を達成するために、本発明の検体情報処理装置は、検体における血管の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、上記の検体における血管の脈動性信号を検出するセンサと、該センサの該圧力情報の取込み部に連通する空洞を有するとともに該検体に対向する部位に3mmから10mmの口径を有する開口部を有し該開口部を該検体に対向させて該検体に装着された状態で該空洞が閉鎖された空間構造を有するセンサ取付部とを有する脈動性信号検出ユニットを複数個そなえ、これらの脈動性信号検出ユニットが並列配置されて、脈動性信号検出ユニットアレイが構成され、該脈動性信号検出ユニットアレイの各センサからの脈動性信号出力について、所要の演算を施すことにより、該血管の深さ情報を求める血管情報検出部をそなえて構成されたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a sample information processing apparatus of the present invention receives pressure information resulting from a blood vessel pulsation signal in a sample, detects a blood vessel pulsation signal in the sample, and the sensor A state of having a cavity communicating with the pressure information capturing portion and having an opening having a diameter of 3 mm to 10 mm at a portion facing the sample, and mounted on the sample with the opening facing the sample A plurality of pulsating signal detection units having a sensor mounting portion having a spatial structure in which the cavity is closed, and these pulsating signal detection units are arranged in parallel to form a pulsating signal detection unit array, A blood vessel information detection unit for obtaining depth information of the blood vessel is obtained by performing a required calculation on the pulsation signal output from each sensor of the pulsation signal detection unit array. It is characterized in that it is configured Te.
ここで、本発明の検体情報処理装置は、該脈動性信号検出ユニットアレイの移動に伴って変化する上記複数のセンサのうちの少なくとも1つのセンサからの出力レベルを検出するレベル検出部をそなえてもよい。
また、本発明の検体情報処理装置は、該レベル検出部での検出結果に基づいて出力レベル変化情報を表示するレベル表示部とをそなえ、該レベル表示部が該脈動性信号検出ユニットアレイに設けられてもよい。
Here, the sample information processing apparatus of the present invention includes a level detection unit that detects an output level from at least one of the plurality of sensors that changes as the pulsation signal detection unit array moves. Also good.
The sample information processing apparatus of the present invention further includes a level display unit that displays output level change information based on a detection result of the level detection unit, and the level display unit is provided in the pulsation signal detection unit array. May be.
また、本発明の検体情報処理装置は、該脈動性信号検出ユニットアレイの該センサからの脈動性信号出力について、周波数補正処理を施すことにより、少なくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出す信号補正部をそなえて構成されてもよい。
また、本発明の検体情報処理装置は、該信号補正部が、該脈動性信号の有する周波数で少なくとも増幅動作、積分動作および微分動作のうちの1つの動作を行なうことにより、少なくとも上記の脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出すように構成されてもよい。
Further, the sample information processing apparatus of the present invention performs at least a pulsating volume signal, a pulsating velocity signal, and a pulsating property by performing a frequency correction process on the pulsating signal output from the sensor of the pulsating signal detection unit array. A signal correction unit that extracts one of the acceleration signals may be provided.
In the sample information processing apparatus of the present invention, the signal correction unit performs at least one of an amplification operation, an integration operation, and a differentiation operation at a frequency of the pulsation signal, so that at least the pulsation property described above is obtained. It may be configured to retrieve one of the volume signal, the pulsating velocity signal, and the pulsating acceleration signal.
また、本発明の検体情報処理装置は、該脈動性信号検出ユニットアレイの該センサからの脈動性信号出力について、周波数復調処理を施すことにより、該脈動性信号出力に含まれる呼吸信号を抽出する周波数復調部をそなえて構成されてもよい。 The sample information processing apparatus of the present invention extracts a respiratory signal included in the pulsation signal output by performing frequency demodulation processing on the pulsation signal output from the sensor of the pulsation signal detection unit array. A frequency demodulation unit may be provided.
また、本発明の検体情報処理装置は、該センサが、上記の検体における動脈血管の脈動性信号に起因する音圧情報を検出するコンデンサマイクとして構成されてもよい。
また、本発明の検体情報処理装置は、該コンデンサマイクが、MEMS型ECMで構成されてもよい。
また、本発明の検体情報処理装置は、該開口部の口径が動脈血管の直径の5倍以下であってもよい。
In the sample information processing apparatus of the present invention, the sensor may be configured as a condenser microphone that detects sound pressure information caused by a pulsating signal of an arterial blood vessel in the sample.
In the sample information processing apparatus of the present invention, the condenser microphone may be configured by a MEMS type ECM.
In the sample information processing apparatus of the present invention, the diameter of the opening may be not more than 5 times the diameter of the arterial blood vessel.
本発明の別の要旨は、それぞれ、検体における血管の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、上記の検体における血管の脈動性信号を検出するセンサと、該センサの該圧力情報の取り込み部に連通する空洞を有するとともに該検体に対向する部位に3mmから10mmの口径を有する開口部を有し該開口部を該検体に対向させて該検体に装着された状態で該空洞が閉鎖された空間構造を有するセンサ取付部とを有する、複数の脈動性信号検出ユニットを並列配置することにより構成された脈動性信号検出ユニットアレイを用意し、該脈動性信号検出ユニットアレイを該血管と交叉する方向に設置し、上記の脈動性信号検出ユニットアレイのうちの1つの脈動性信号検出ユニットが該血管と対向する位置となるように、該脈動性信号検出ユニットアレイを設置し、その後、該脈動性信号検出ユニットアレイの各センサからの出力を受けて所要の演算を施すことにより、該血管の深さ情報を求めることを特徴とする、検体情報処理方法に存する。 Another gist of the present invention is a sensor that receives pressure information resulting from a pulsation signal of a blood vessel in a specimen and detects a pulsation signal of a blood vessel in the specimen, and a portion that takes in the pressure information of the sensor. The cavity is closed in a state of having an opening having a diameter of 3 mm to 10 mm at a portion facing the specimen and having the opening facing the specimen, with the opening facing the specimen. A pulsating signal detection unit array having a sensor mounting portion having a spatial structure and configured by arranging a plurality of pulsating signal detection units in parallel is prepared, and the pulsating signal detection unit array is crossed with the blood vessel. The pulsation signal detection unit is installed in a direction so that one pulsation signal detection unit of the pulsation signal detection unit array faces the blood vessel. A sample information processing method characterized in that the blood vessel depth information is obtained by receiving an output from each sensor of the pulsation signal detection unit array and performing a required calculation. Exist.
ここで、本発明の検体情報処理方法は、該脈動性信号検出ユニットアレイの該血管と対向する位置の該脈動性信号検出ユニットのセンサからの脈動性信号出力の強さと、該脈動性信号検出ユニットアレイの他の脈動性信号検出ユニットのセンサからの脈動性信号出力の強さと、該脈動性信号検出ユニットアレイの該血管と対向する位置の該脈動性信号検出ユニットと他の脈動性信号検出ユニットとの距離から、該血管の深さ情報を求めてもよい。 Here, the specimen information processing method of the present invention includes the pulsation signal output intensity from the sensor of the pulsation signal detection unit at a position facing the blood vessel of the pulsation signal detection unit array, and the pulsation signal detection. The intensity of the pulsating signal output from the sensor of the other pulsating signal detection unit of the unit array, and the pulsating signal detection unit and the other pulsating signal detection at a position facing the blood vessel of the pulsating signal detection unit array The blood vessel depth information may be obtained from the distance to the unit.
また、本発明の検体情報処理方法は、該脈動性信号検出ユニットアレイの移動に伴って変化する上記複数のセンサのうちの少なくとも1つのセンサからの出力レベルを検出し、該出力レベルの変化に基づいて該血管の位置情報を得てもよい。 Further, the specimen information processing method of the present invention detects an output level from at least one of the plurality of sensors that changes with the movement of the pulsation signal detection unit array, and changes the output level. Based on this, position information of the blood vessel may be obtained.
また、本発明の検体情報処理方法は、該脈動性信号検出ユニットアレイの該センサからの脈動性信号出力について、周波数補正処理を施すことにより、少なくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出してもよい。 Further, the sample information processing method of the present invention performs at least a pulsating volume signal, a pulsating velocity signal, and a pulsating property by performing frequency correction processing on the pulsating signal output from the sensor of the pulsating signal detection unit array. One of the acceleration signals may be extracted.
また、本発明の検体情報処理方法は、該脈動性信号検出ユニットアレイの該センサからの脈動性信号出力について、周波数復調処理を施すことにより、該脈動性信号出力に含まれる呼吸信号を抽出してもよい。 The sample information processing method of the present invention extracts a respiratory signal included in the pulsation signal output by performing frequency demodulation processing on the pulsation signal output from the sensor of the pulsation signal detection unit array. May be.
本発明によれば、血管の脈動性信号出力から、血管の深さ情報を求めることができる。また、本発明によれば、センサと血管の位置関係の正確さを要求しない仕組みを持ち、血管の脈動性信号の検出を行う検体情報処理装置及び検体情報処理方法を提供することができる。また、本発明の脈動性信号検出ユニットは、圧力センサとしてのセンシング範囲が狭く限定されており、高い指向性(あるいは空間分解能)を持つことができる。また、本発明では、脈動性信号検出ユニットの指向性を利用して、血管から近い位置で脈動性信号を検出することにより、脈動性信号のS/N比及び感度を向上させることができる。 According to the present invention, blood vessel depth information can be obtained from blood vessel pulsation signal output. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a sample information processing apparatus and a sample information processing method that have a mechanism that does not require the accuracy of the positional relationship between a sensor and a blood vessel and that detect a pulsating signal of the blood vessel. Further, the pulsation signal detection unit of the present invention has a narrow sensing range as a pressure sensor and can have high directivity (or spatial resolution). In the present invention, the S / N ratio and sensitivity of the pulsation signal can be improved by detecting the pulsation signal at a position close to the blood vessel using the directivity of the pulsation signal detection unit.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
[1.検体情報処理装置及び検体情報処理方法]
[1−1.検体情報処理装置の構成例]
<検体情報処理装置の構成>
本発明の検体情報処理装置1(以下、本検体情報処理装置ともいう)は、図1に示すように、複数の脈動性信号検出ユニット11a、11b、11cと信号処理部41とをそなえて構成されている。なお、複数の脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cを特に区別しない場合には、「脈動性検出ユニット11」として同じ符合を付して説明し、各脈動性検出ユニットに共通する部分についても同じ符号を付して説明する場合がある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[1. Sample Information Processing Apparatus and Sample Information Processing Method]
[1-1. Sample configuration of sample information processing apparatus]
<Configuration of specimen information processing apparatus>
The sample information processing apparatus 1 (hereinafter also referred to as the present sample information processing apparatus) of the present invention includes a plurality of pulsating
脈動性信号検出ユニット11a、11b、11cは、脈動性信号を検出して、信号処理部41に脈動性信号を出力するものであって、センサ31a,31b,31cとセンサ取付部21とを有する。脈動性信号検出ユニット11は検体91の皮膚92上に並列配置されて、脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成している。なお、センサ31a,31b,31cを特に区別しない場合には、「センサ31」として同じ符合を付して説明する場合がある。
The pulsation
本実施形態では脈動性信号検出ユニット11が3個配置されて脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成している場合について説明する。なお、図1においては、脈動性信号検出ユニット11の相互間に隙間が形成されているが、これらの脈動性信号検出ユニット11は相互に連結されて一体に構成されている。
In the present embodiment, a case where three pulsation signal detection units 11 are arranged to constitute a pulsation signal
センサ31は、検体91における動脈血管93の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、上記の検体91における動脈血管93の脈動性信号を検出するものである。センサ31の筐体35は、圧力情報の取込部32を有しており、筐体35の内部の空間である空気室34にセンサ素子33が設けられている。
The sensor 31 receives pressure information resulting from the pulsation signal of the
図1では、動脈血管93はその断面方向から見るようにして示しており、脈動性信号検出ユニット11が並列配置された脈動性信号検出ユニットアレイ12は、動脈血管93の流れる方向に対して交叉するように、好ましくは直交するように配置されている。以下、動脈血管を単に血管と言うことがある。
In FIG. 1, the
センサ取付部21は、検体情報処理装置1を検体91に装着する際に検体91の皮膚92と接触する部分であって、センサ31の圧力情報の取込部32を有する面に付設して設けられ、ゴム製のO−リング24によって形成されセンサ31の圧力情報の取込部32に連通する空洞(Cabity;キャビティ)23を有するとともに、検体91に対向する部位に開口部22を有しており、開口部22を検体91の皮膚92に装着された状態で空洞23が閉鎖された空間構造を有する。このように空洞23が形成する閉鎖された空間構造を、「Closed Cavity;クローズドキャビティ」ということもある。
The
信号処理部41は、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの脈動性信号出力について、信号処理を施すもので、信号補正部51と、周波数復調部61と、血管情報検出部71を有している。
The
信号補正部51は、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの脈動性信号出力について周波数補正処理を施すことにより、少なくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出すものである。
The
周波数復調部61は、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの脈動性信号出力、または信号補正部51によって周波数補正処理が施された信号について周波数復調処理を施すことにより、脈動性信号出力または信号補正部51によって周波数補正処理が施された信号に含まれる呼吸信号を抽出するものである。
The
血管情報検出部71は、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの脈動性信号出力を受けて、後述する所要の演算を施すことにより、血管の深さ情報を求めるものである。
ここで、血管の深さ情報とは、検体91の皮膚92の表面から血管93までの深さ(距離)である。
The blood vessel
Here, the depth information of the blood vessel is a depth (distance) from the surface of the
検体情報処理装置1は、外部のコンピュータ81、及び波形表示器82に有線又は無線の回線を介して接続されている。
The sample
コンピュータ81は、信号処理部41によって処理された信号が入力されて、信号の処理又は保存を行うものである。コンピュータ81は、信号補正部51によって取り出された脈動性容積信号、脈動性速度信号又は脈動性加速度信号を利用して、各信号の波形から検体91の健康状態の診断を行うことが出来る。また、コンピュータ81は、周波数復調部61によって抽出された呼吸信号を利用して、検体91の呼吸状態の検査や、検体91の睡眠又は覚醒状態の判断を行うことも出来る。また、コンピュータ81は、血管情報検出部71によって求められた血管の深さ情報と後述する位置情報を利用して、血管93の分布状況の確認や、血管穿刺の際の情報として用いることができる。
The
波形表示器82は、信号処理部41から出力された信号が入力されて、信号波形の表示を行うものである。信号処理部41の信号補正部51から脈動性容積信号、脈動性速度信号、又は脈動性加速度信号が波形表示器82に出力されることで、波形表示器82は脈動性容積信号、脈動性速度信号、又は脈動性加速度信号の波形を表示する。信号処理部41の周波数復調部61から呼吸信号が波形表示器82に出力されることで、波形表示器82は呼吸信号の波形を表示する。また、センサ31からの脈動性信号について、信号処理部41の信号補正部51によって増幅動作を行った脈動性信号の波形を表示する。波形表示器82としては、例えば、液晶ディスプレイ、CRT、プリンタ、又はペンレコーダを用いることができる。
The
本検体情報処理装置(以下、本装置ともいう)1は、上述のように構成されており、検体91に各々の脈動性信号検出ユニット11の開口部22を密着させることで、各々の脈動性信号検出ユニット11ごとに空洞23が閉鎖された空間構造(クローズドキャビティ)を形成して、検体91における検体情報処理装置1の装着部位付近に存在する血管93の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成する各々の脈動性信号検出ユニット11のセンサ31が検体91における血管93の脈動性信号を検出し、この脈動性信号出力から、血管の深さ情報を求めるものである。また、脈動性信号出力から、少なくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出すことも可能である。また、脈動性信号出力に含まれる呼吸信号を抽出することも可能である。
The sample information processing apparatus (hereinafter also referred to as the present apparatus) 1 is configured as described above, and each pulsation property is obtained by bringing the opening
<検体>
本検体情報処理装置1を適用する検体91としては、検体91における動脈血管93の脈動を測ることができるものであれば特に制限されず、人または人以外の動物に用いることができる。センサ取付部21の開口部22を検体91に対向させて密着させることにより、空洞23がクローズドキャビティを形成するためには、検体情報処理装置1を検体91の皮膚92に装着することが好ましい。
<Sample>
The
本検体情報処理装置1の装着箇所としては、人の場合は、装着のし易さ、測定のし易さ、体表近くに動脈血管が存在して感度良く測定できる点から、前腕部が好ましい。人以外の動物についても、その装着箇所は、装着のしやすさ、測定のし易さを考慮した部位が好ましい。
As the wearing position of the sample
本検体情報処理装置1を用いて人の脈動性信号を検出する場合において、測定の対象となる血管93の例としては、前腕に存在する橈骨動脈または尺骨動脈が挙げられる。
In the case of detecting a human pulsation signal using the sample
<開口部の口径>
図7はセンサ取付部21において、開口部22の口径を変えながら、指先の毛細血管の脈動性信号を測定した場合の信号の強さを表わす図である。
<Aperture diameter>
FIG. 7 is a diagram showing the signal strength when the
図7から明らかなように、開口部22の口径が1〜3mmでは信号が測定できてはいるものの、十分なゲインが得られていない。開口部22の口径が3mm以上ではゲインが上昇し、開口部22の口径が5mm〜6mmにおいて、高いゲインで脈動性信号の測定を行うことができることが分かる。これは、開口部22の口径が2mmよりも小さい場合には、血管93からの信号を捉えるための面積が狭くなるため、検出される信号が弱くなることが影響しているのだと考えられる。
As is clear from FIG. 7, a signal can be measured when the diameter of the
開口部22の口径が大きすぎる(例えば口径が10mmよりも大きい)と、検体情報処理装置1を検体91に装着した場合に、検体91の表面の組織(皮膚、体毛等)が盛り上がって空洞23に入り込むことで、組織によって圧力情報の取込部32が塞がれたり、組織がセンサ素子33と干渉したりするおそれがある。また、開口部22の口径が大きすぎると、検体情報処理装置1を検体91の立体的な形状に沿って密着するように装着する場合に、空洞23がクローズドキャビティを形成することが困難になる場合がある。また、検体91の面積が狭い箇所に検体情報処理装置1を装着する場合にも、検体情報処理装置1を装着する際に空洞23のクローズドキャビティの形成が困難になる場合がある。また、空洞23の高さを一定にした場合、空洞23の開口部22の口径が大きくなるにつれて空洞23の体積が大きくなり、脈動性信号の強さが一定の場合には、空洞23の体積が大きくなることで血管93の脈動性信号に起因する振動が減衰するため、センサ31により検出される信号の強度が低下するおそれがある。また、開口部22の口径が広すぎると、血管93の真上に検体情報処理装置1が存在しない場合であっても血管93の脈動性信号が検出可能となるため、センサ31の指向性が低下するおそれがある。
If the diameter of the
このため、開口部22の口径は、通常3mm以上、好ましくは6mm以上であり、通常10mm以下、好ましくは8mm以下である。開口部22の口径の下限が上記の範囲の値より大きいことで、検出される脈動性信号が強くなり、検体91に装着した際に血管93からの振動を検出できる位置に開口部22を密着させることが容易になるため好ましい。開口部22の口径の上限が上記範囲の値より小さいことで、開口部22に入り込む検体91の影響を抑え、感度を保ち、センサ31の指向性を持たせることができるため好ましい。
For this reason, the
また、人の成人の手首における動脈血管(橈骨動脈及び尺骨動脈)の直径がおよそ2mm程度であることから、検体情報処理装置1の開口部22を人の手首にに装着した場合には、動脈血管93からの脈動性信号をセンサ31により感度良く検出する観点から、開口部22の口径は動脈血管93の直径の2倍以上、4〜5倍以下であることが好ましい。開口部22の口径の下限が上記範囲の値より大きいことで、検出される脈動性信号が強くなり、検体91に装着した際に血管93からの振動を検出できる位置に開口部22を密着させることが容易になるため好ましい。開口部22の口径の上限が上記範囲の値より小さいことで、開口部22に入り込む検体91の影響を抑え、空洞23の体積の増大に伴う感度の低下を防ぎ、センサ31の指向性を持たせることができるため好ましい。
In addition, since the diameter of arterial blood vessels (radial artery and ulnar artery) at the wrist of a human adult is about 2 mm, when the
<クロ−ズドキャビティを形成する材料>
クロ−ズドキャビティを形成する材料としてここではゴム製のO−リング24を挙げたが、検体91における脈動性信号を閉じ込める空洞23を形成できる物体であれば、樹脂製や金属製の素材からなるものであっても用いることができる。空洞23のクローズドキャビティの形成のためには剛性の高いものが望ましいが、皮膚92に当たる側には、人体の皮膚の特性(柔軟性)を考慮するとゴムやシリコン製などの皮膚92との親和性が高い素材を用いることが好ましい。
<Material for forming the closed cavity>
Here, the O-
また、複数の脈動性信号検出ユニット11が並列配置されており、各脈動性信号検出ユニット11の開口部22が検体91の皮膚92に接する場合に、検体91上に起伏や凹凸があっても複数の脈動性信号検出ユニット11の全ての空洞23がクローズドキャビティを形成できるようにする点からも、クロ−ズドキャビティを形成する材料は、ゴムやシリコン製などの柔軟性、または弾力性に富む素材が好ましい。
Further, when the plurality of pulsation signal detection units 11 are arranged in parallel and the
<センサ>
センサ31としては、血管93の脈動性信号を検出するものであれば、特に限定されないが、血管93の脈動に起因する検体の皮膚92の振動によって生じる空気の振動(音圧情報)を電気的に検出するマイクロホンを好適に用いることができる。マイクロホンの中でも、指向性、S/N比、感度の点からコンデンサマイクが好ましく、ECM(electret condenser microphone;エレクトレットコンデンサーマイクロホン、以下、単に「ECM」ともいう)を好適に用いることができる。また、MEMS(microelectromechanical system)技術を用いて作製したECMである、MEMS型ECM(以下、「MEMS−ECM」ともいう)を好適に用いることができる。
<Sensor>
The sensor 31 is not particularly limited as long as it detects a pulsation signal of the
ここでは、各脈動性信号検出ユニット11に、センサ31を1つ設けた構成を記載しているが、検出される脈動性信号の強さを向上させ、S/N比を上げる観点からは、一つの脈動性信号検出ユニット11にセンサ31を2つ以上設けて各センサ31の信号を加算したものを一つの各脈動性信号検出ユニット11における脈動性信号とすることが好ましい。脈動性信号検出ユニット11に複数のセンサ31を設ける場合、MEMS−ECMはサイズが小さいために実装が容易であり、開口部22の口径が大きくなりすぎるのを防ぐことができるために好ましい。また、MEMS−ECMは品質が安定しているため、並列に多数接続して、各センサ31の信号を加算した際であっても安定した信号を得ることができるために好ましい。
Here, the configuration in which one sensor 31 is provided in each pulsation signal detection unit 11 is described, but from the viewpoint of improving the strength of the detected pulsation signal and increasing the S / N ratio, A pulsation signal in each pulsation signal detection unit 11 is preferably obtained by providing two or more sensors 31 in one pulsation signal detection unit 11 and adding the signals of the sensors 31. When the plurality of sensors 31 are provided in the pulsation signal detection unit 11, the MEMS-ECM is preferable because it is easy to mount because the size is small, and the diameter of the
<脈動性信号検出ユニットの配置>
図1では、脈動性信号検出ユニット11を3個配置することで脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成している構成を挙げたが、脈動性信号検出ユニット11の数は2個以上(複数個)であれば限定されない。血管の深さ情報を求める精度を向上させるためには、少なくとも3個の脈動性信号検出ユニット11を配置することが好ましい。脈動性信号検出ユニット11の数が多すぎると、脈動性信号検出ユニットアレイ12の取り回しが悪くなり、脈動性信号検出ユニット11を設けるためのコストが問題となるおそれがある。また、複数の脈動性信号検出ユニット11の全ての空洞23がクローズドキャビティを形成できなくなるおそれがある。
<Arrangement of pulsation signal detection unit>
In FIG. 1, the configuration in which the pulsation signal
脈動性信号検出ユニット11は、各々の脈動性信号検出ユニット11のセンサ31によって検出される脈動性信号を受けて、血管の深さ情報を求めるための演算を施すために、複数の脈動性信号検出ユニット11が並列配置されていることが好ましい。言い換えれば、脈動性信号検出ユニット11の開口部22の中央を垂直に貫く脈動性信号検出ユニット11の中心軸が、複数の脈動性信号検出ユニット11間で平行になっていることが好ましく、また複数の脈動性信号検出ユニット11の開口部22が同一方向を向いており、複数の脈動性信号検出ユニット11の開口部22の高さが略同一であることが好ましい。
The pulsation signal detection unit 11 receives a pulsation signal detected by the sensor 31 of each pulsation signal detection unit 11 and performs a calculation to obtain blood vessel depth information. The detection units 11 are preferably arranged in parallel. In other words, it is preferable that the central axis of the pulsation signal detection unit 11 passing through the center of the
複数の脈動性信号検出ユニット11は略一直線上に位置するように配置されていることが好ましい。また、複数の脈動性信号検出ユニット11は接近して配置されていることが好ましく、脈動性信号検出ユニット11同士を連結し密着させて配置することがより好ましい。 The plurality of pulsating signal detection units 11 are preferably arranged so as to be positioned on a substantially straight line. Further, the plurality of pulsation signal detection units 11 are preferably arranged close to each other, and more preferably, the pulsation signal detection units 11 are connected and brought into close contact with each other.
脈動性信号検出ユニット11が3個以上配置される場合には、一つの脈動性信号検出ユニット11を中央の脈動性信号検出ユニットとして、二つ以上の脈動性信号ユニットが中央の脈動性信号ユニットから等距離に配置されることが好ましい。 When three or more pulsation signal detection units 11 are arranged, one pulsation signal detection unit 11 is a central pulsation signal detection unit, and two or more pulsation signal units are central pulsation signal units. It is preferable that they are arranged equidistant from each other.
複数の脈動性信号検出ユニット11は開口部22が略同一の高さとなるように配置されることが好ましいが、各脈動性信号検出ユニット11の開口部22が検体91の皮膚92に接する場合に、検体91上に起伏や凹凸があっても各脈動性信号検出ユニット11の空洞23がクローズドキャビティを形成できるよう、個々の脈動性信号検出ユニット11同士の相対的な高さ関係が検体91上に起伏や凹凸に応じて変動するように構成されていてもよい。
The plurality of pulsating signal detection units 11 are preferably arranged so that the
[1−2.検体情報処理装置の機能構成]
<検体情報処理装置の機能構成>
検体情報処理装置1を機能的に表わすとき、検体情報処理装置1は、図2、図3に示すように、脈動性信号検出ユニットアレイ12及び信号処理部41を備えている。ここでは、検体情報処理装置1が脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cを3つそなえており、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cにより脈動性信号検出ユニットアレイ12が構成されている。信号処置部41は、信号補正部51、周波数復調部61、及び血管情報検出部71を有している。
[1-2. Functional configuration of sample information processing apparatus]
<Functional configuration of sample information processing apparatus>
When the sample
脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cは、前述のごとく、センサ31により検体91における血管93の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、検体91における血管93の脈動性信号を検出し、この脈動性信号を出力するものである。
As described above, the pulsation
信号補正部51は、前述のごとく、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31a,31b,31cからの脈動性信号出力について周波数補正処理を行うことで、脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちの一つの信号を取り出すものである。信号補正部51により脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちの一つの信号を取り出す処理を、補正処理ともいう。
As described above, the
また、信号補正部51は、脈動性信号の有する周波数で少なくとも増幅動作、積分動作および微分動作のうちの1つの動作を行なうことにより、少なくとも上記の脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出すものである。
The
信号補正部51は、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの脈動性信号について、一つの脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号について補正処理を行ってもよく、複数の脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号について補正処理を行ってもよい。
The
一つの脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号について補正処理を行う場合には、各脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号の強さを比較し、最も信号が強い脈動性信号を補正処理に供することが好ましい。脈動性信号検出ユニット11が血管93に近いほど脈動性信号が強くなり、また信号が強いほど脈動性信号のS/N比が優れるため、信号が強い脈動性信号を補正処理に供することで、補正処理により得られる脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちの一つの信号の精度を向上させることができる。
When correction processing is performed on the pulsation signal from the sensor 31 of one pulsation signal detection unit 11, the intensity of the pulsation signal from the sensor 31 of each pulsation signal detection unit 11 is compared, and the signal is the most. It is preferable to use a strong pulsation signal for the correction process. The closer the pulsation signal detection unit 11 is to the
複数の脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号について補正処理を行う場合には、各脈動性信号検出ユニット11からの脈動性信号の強さを加算し、加算した脈動性信号を補正処理に供することが好ましい。複数の脈動性信号検出ユニット11からの脈動性信号を加算することで、脈動性信号のS/N比が高めることができ、補正処理により得られる脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちの一つの信号の精度を向上させることができる。 When correction processing is performed on the pulsation signals from the sensors 31 of the plurality of pulsation signal detection units 11, the strength of the pulsation signals from the pulsation signal detection units 11 is added, and the added pulsation signals are obtained. It is preferable to use for correction processing. By adding the pulsation signals from the plurality of pulsation signal detection units 11, the S / N ratio of the pulsation signal can be increased, and the pulsation volume signal, the pulsation velocity signal, and the pulsation obtained by the correction processing The accuracy of one of the sexual acceleration signals can be improved.
周波数復調部61は、例えば位相同期回路(Phase−locked loop、以下、「PLL」ともいう)を利用する周波数復調処理により脈動性信号に変調成分として含まれる呼吸信号を抽出するものである。周波数復調部61により呼吸信号を抽出する処理を、抽出処理ともいう。
The
周波数復調部61は、複数の脈動性信号検出ユニット11からの脈動性信号について、一つの脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号について抽出処理を行ってもよく、複数の脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号について抽出処理を行ってもよい。
The
一つの脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号について抽出処理を行う場合には、各脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号の強さを比較し、最も信号が強い脈動性信号を抽出処理に供することが好ましい。脈動性信号検出ユニット11が血管93に近いほど脈動性信号が強くなり、また信号が強いほど脈動性信号のS/N比が優れる。このため、信号が強い脈動性信号を抽出処理に供することで、抽出処理により得られる呼吸信号の精度を向上させることができる。
When extracting the pulsation signal from the sensor 31 of one pulsation signal detection unit 11, the strength of the pulsation signal from the sensor 31 of each pulsation signal detection unit 11 is compared, and the signal is the most. It is preferable to use a strong pulsating signal for the extraction process. The closer the pulsation signal detection unit 11 is to the
複数の脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号について抽出処理を行う場合には、各脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号の強さを加算し、加算した脈動性信号を抽出処理に供することが好ましい。複数の脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの脈動性信号を加算することで、脈動性信号のS/N比が高めることができ、抽出処理により得られる呼吸信号の精度を向上させることができる。 When performing extraction processing on the pulsation signals from the sensors 31 of the plurality of pulsation signal detection units 11, the strengths of the pulsation signals from the sensors 31 of the pulsation signal detection units 11 are added, and the added pulsation The sex signal is preferably subjected to an extraction process. By adding the pulsation signals from the sensors 31 of the plurality of pulsation signal detection units 11, the S / N ratio of the pulsation signal can be increased, and the accuracy of the respiratory signal obtained by the extraction process can be improved. it can.
検体情報処理装置1における呼吸信号の抽出は、図2に示すように、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの脈動性信号出力を、信号補正部51を介さずに、そのまま周波数復調部61において周波数復調処理を行っても良い。
As shown in FIG. 2, the extraction of the respiratory signal in the sample
または、検体情報処理装置1における呼吸信号の抽出は、図3に示すように、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの脈動性信号出力を、信号補正部51において周波数補正処理を行った後に、補正処理後の脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちのいずれかの信号について、周波数復調部61において周波数復調処理を行うように構成してもよい。
Alternatively, in the extraction of the respiratory signal in the sample
血管情報検出部71は、前述のごとく、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの脈動性信号出力を受けて、所要の演算を施すことにより、血管の深さ情報を求めるものである。
As described above, the blood vessel
<周波数復調部の機能構成>
周波数復調部61を機能的に表わすとき、周波数復調部61は、図8に示すように、位相比較器151、ローパスフィルタ152、VCO(voltage controlled oscillator;電圧制御発振器)153、分周器154を備えている。
<Functional configuration of frequency demodulator>
When the
周波数復調処理とは、PLLによって位相を同期させた二つの信号を比較することで、脈動性信号に含まれる呼吸信号を抽出する処理である。一例として、図8に示すように、周波数復調部61において、位相比較器151に脈動性信号を入力し、位相比較器151からの出力をローパスフィルタ152に入力してその出力でVCO153の発振周波数を調整し、分周器154によって分周し、位相比較器151に戻してこれらの二つの信号を同期させることで、ローパスフィルタ152の出力波形を呼吸成分として得ることができる。
すなわち、検体の呼吸成分が変調された脈動性信号について、復調処理を施すことにより、呼吸成分を脈動性信号から抽出できるのである。
The frequency demodulation process is a process of extracting a respiratory signal included in the pulsation signal by comparing two signals whose phases are synchronized by a PLL. As an example, as shown in FIG. 8, in the
That is, the respiratory component can be extracted from the pulsating signal by performing demodulation processing on the pulsating signal in which the respiratory component of the specimen is modulated.
[1−3.検体情報処理装置の動作]
<呼吸信号の抽出>
図4、図5に示すフローチャートに従って、検体情報処理装置1の動作を説明する。
[1-3. Operation of specimen information processing apparatus]
<Extraction of respiratory signal>
The operation of the sample
図2に示す機能構成を有する検体情報処理装置1では、図4に示すように、まず、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31によって脈動性信号を検出する(ステップS11)。
In the sample
次に、周波数復調部61は、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31によって検出された脈動性信号出力について、周波数復調処理を施し(ステップS12)、脈動性信号出力に含まれる呼吸信号を抽出する(ステップS13)。
Next, the
このとき、ステップS11とステップS12との間に、複数の脈動性信号信号検出ユニット11の各センサ31から得られた脈動性信号出力の強さを比較するステップを有し、最も信号が強い脈動性信号出力について、ステップS12で周波数復調処理を施すようにしてもよい。 At this time, there is a step of comparing the strength of the pulsating signal output obtained from each sensor 31 of the plurality of pulsating signal signal detection units 11 between step S11 and step S12, and the pulsation with the strongest signal. For the output of the sex signal, the frequency demodulation processing may be performed in step S12.
また、ステップS11とステップS12との間に、複数の脈動性信号信号検出ユニット11の各センサ31から得られた脈動性信号出力を加算するステップを有し、加算した脈動性信号出力について、ステップS12で周波数復調処理を施すようにしてもよい。 Moreover, it has the step which adds the pulsation signal output obtained from each sensor 31 of the several pulsation signal signal detection unit 11 between step S11 and step S12, and is a step about the added pulsation signal output. You may make it perform a frequency demodulation process by S12.
また、図3に示す機能構成を有する検体情報処理装置1では、図5に示すように、まず脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31によって脈動性信号を検出する(ステップS21)。次に、信号処理部41の信号補正部51は、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31によって検出された脈動性信号出力について、周波数補正処理を施し(ステップS22)、脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちの一つの信号を取り出す(ステップS23)。これら脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちの一つの信号について、信号処理部41の周波数復調部61は、周波数復調処理を施し(ステップS24)、脈動性信号に含まれる呼吸信号を抽出する(ステップS25)。
Further, in the sample
このとき、ステップS21とステップS22との間に、複数の脈動性信号信号検出ユニット11の各センサ31から得られた脈動性信号出力の強さを比較するステップを有し、最も信号が強い脈動性信号出力について、ステップS32で周波数補正処理を施すようにしてもよい。 At this time, there is a step of comparing the strength of the pulsating signal output obtained from each sensor 31 of the plurality of pulsating signal signal detection units 11 between step S21 and step S22, and the pulsation with the strongest signal. For the sex signal output, a frequency correction process may be performed in step S32.
また、ステップS21とステップS22との間に、複数の脈動性信号信号検出ユニット11の各センサ31から得られた脈動性信号出力を加算するステップを有し、加算した脈動性信号出力について、ステップS22で周波数補正処理を施すようにしてもよい。 Moreover, it has the step which adds the pulsation signal output obtained from each sensor 31 of the some pulsation signal signal detection unit 11 between step S21 and step S22, and about the added pulsation signal output, step You may make it perform a frequency correction process by S22.
<血管の位置情報の取得>
本発明の検体情報処理装置1を用いた血管の位置情報の取得について、図を用いて説明する。
ここで、血管の位置情報とは、検体91の皮膚92上における血管93の位置を表す情報のことである(図26参照)。言い換えれば、検体91の皮膚92中に存在する血管の位置を、皮膚92における検体91の外部の表面に対応する位置に表した情報である。
<Acquisition of blood vessel position information>
Acquisition of blood vessel position information using the sample
Here, the blood vessel position information is information indicating the position of the
脈動性信号検出ユニットアレイ12を検体91に対向させて設置して、検体情報処理装置1の検体91上の位置を変えながら皮膚92の表面で脈動性信号の検出を行なう。このとき、波形表示器82により表示される脈動性信号の波形を確認することで、脈動性信号検出ユニットアレイ12の位置の変化に伴う脈動性信号検出ユニットアレイ12のセンサ31からの出力レベルを検出することができる。さらに、少なくとも一つの脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの心拍(脈動性信号)が強く検出された位置(出力レベルとしての脈波波形の振幅が大きく検出された位置)をプロットすることを繰り返すことで、血管93の位置を追跡することができる。図6は、左手の手のひらに検体情報処理装置1の脈動性信号検出ユニットアレイ12を当てて、脈波の速度成分が少しでも検出できる位置を探し、その近辺で脈動性信号検出ユニットアレイ12を少しずつずらしていき、速度脈波の振幅(脈動性信号の出力レベル)が一番大きくなるところをプロットしたものである。
The pulsation signal
左手の手のひらにおいて動脈が存在することが知られており、動脈の分布についての知見が得られている。この動脈の分布と図6のプロットの分布とを比較すると、図6のプロットは動脈の分布と一致しており、図6のプロットにより動脈血管が追跡できていることが分かる。図6に示すプロットでは、断続的にプロットが得られており動脈血管を完全にはトレースしきれていないものの、本検体情報処理装置1により、血管分布のような2次元マップを作成することができる。
It is known that an artery exists in the palm of the left hand, and knowledge about the distribution of the artery is obtained. Comparing the distribution of this artery with the distribution of the plot of FIG. 6, it can be seen that the plot of FIG. 6 matches the distribution of the artery, and that the arterial blood vessel can be traced by the plot of FIG. In the plot shown in FIG. 6, although the plot is intermittently obtained and the arterial blood vessel is not completely traced, the sample
すなわち、上述のように、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する、複数のセンサ31のうちの少なくとも1つのセンサ31からの出力レベルを検出することで、その出力レベルの変化に基づいて血管93の皮膚92上における位置(血管の位置情報)を得ることが可能である。センサ31からの出力レベルが高いほど、信号のS/N比が向上し、血管の位置情報の取得が容易になるため、複数のセンサ31の複数のセンサ31のうち、最も出力レベルが高いセンサからの出力レベルの変化に基づいて、血管の位置情報を得ることが好ましい。
That is, as described above, by detecting the output level from at least one of the plurality of sensors 31 that changes as the pulsation signal
なお、センサ31からの出力レベルとしては、上述のように、波形表示器82により表示される脈動性信号の脈波波形の振幅を用いることができる。脈動性信号としては、容積脈波、速度脈波、または加速度脈波のいずれを用いてもよい。または、コンピュータ81において、信号処理部41から入力された脈動性信号を処理して、脈動性信号の強さを検体情報処理装置1の位置の変化に伴う経時的な値として数値化することで脈動性信号の出力レベルとして比較するようにしてもよい。
As the output level from the sensor 31, the amplitude of the pulse wave waveform of the pulsating signal displayed by the
<血管の深さ情報の算出>
本発明の検体情報処理装置1を用いた血管の深さ情報の算出について、図を用いて説明する。
<Calculation of blood vessel depth information>
Calculation of blood vessel depth information using the sample
(脈動性信号検出ユニットアレイと血管との位置関係)
図24,25は、血管の深さ情報を求めるための、脈動性信号検出ユニットアレイ12と、血管93との位置関係を示す図である。ここでは脈動性信号検出ユニットアレイ12が、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cで構成されている場合について説明する。図24では図面手前側の図面上下方向に血管93が存在し、図面奥側に脈動性信号検出ユニットアレイ12がセンサ取付部21及び開口部22を図面の手前側に向けるようにして示してある。つまり、図24では、検体91の内部から外部に向けて皮膚92に対して平行に見た場合の、血管93と脈動性信号検出ユニットアレイ12の位置関係を表している。図25では、血管93伸長方向の断面方向から見た場合の、血管93と脈動性信号検出ユニットアレイ12の位置関係を表している。
(Positional relationship between pulsation signal detection unit array and blood vessels)
24 and 25 are diagrams showing the positional relationship between the pulsation signal
図24に示すように、血管の深さ情報を求めるためには、複数の脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cが一直線上に位置するように配置されて脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成していることが好ましい。また、脈動性信号検出ユニットアレイ12が血管93と交叉するように脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置することが好ましく、脈動性信号検出ユニットアレイ12が血管93と直交するように脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置(セット)することがより好ましい。
As shown in FIG. 24, in order to obtain blood vessel depth information, a plurality of pulsation
図25に示すように、複数の脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cの開口部22の高さが略同一であることが好ましい。また、脈動性信号検出ユニットアレイ12のうちの一つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cが血管93と対向する位置となる位置に脈動性信号検出ユニットアレイ12を検体91に設置することが好ましい。言い換えれば、脈動性信号検出ユニットアレイ12のうちの一つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cが血管93の直上に位置するように脈動性信号検出ユニットアレイ12を検体91に設置することが好ましい。また、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cのうち、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置となる、言い換えれば、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cのうち、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93の直上に位置するように脈動性信号検出ユニットアレイ12を検体91に設置することが好ましい。また、左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cから中央の脈動性信号検出ユニット11bまでの距離が等しく、左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cから血管93までの距離が等しくなる位置に脈動性信号検出ユニットアレイ12を検体91に設置することが好ましい。また、血管93と、中央の脈動性信号検出ユニット11bと、左右の脈動性信号検出ユニット11a又は11cいずれかとのなす角が略90度の位置関係となるように脈動性信号検出ユニット11a,11b,11c及び脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置することが好ましく、さらに、血管93と、左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cとの間を結ぶ線を長さが等しい二辺とする二等辺三角形の位置関係となるように脈動性信号検出ユニット11a,11b,11c及び脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置することが好ましい。
As shown in FIG. 25, it is preferable that the heights of the
左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cから中央の脈動性信号検出ユニット11bまでの距離といった場合、左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cの各々の開口部22の中央から、中央の脈動性信号検出ユニット11bの開口部22の中央までの距離とみなすことができる。
In the case of the distance from the left and right pulsation
血管93の脈動性信号に起因する振動は検体91の皮膚92を伝播して皮膚92の表面に到達し、皮膚92の表皮を振動させる。皮膚92の表皮の表面に生じる振動は、脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cの、開口部22付近の空気を振動させて、空洞23内部の空気に振動が伝播する。空洞23内部の空気の振動は、圧力情報の取込部32を通じてセンサ31内部の空気室34を振動させ、空気室34の振動をセンサ素子33が検知することにより、センサ31は血管の脈動性信号に起因する圧力情報を検出することができる。ここで、血管93の脈動性信号に起因する振動は、検体91の皮膚92を伝播する際に血管93からの距離に応じて減衰するのに対して、皮膚92の表皮の表面に生じる振動は、空洞23がクローズドキャビティを形成するため、空洞23内及び空気室34内における減衰が小さいと考えられる。従って、センサ31は皮膚92の表皮の表面に生じる振動と同等の振動を検出しうる。このため、血管93から、脈動性信号検出ユニット13〜15までの距離といった場合、血管93から開口部22の中央までの距離、または血管93から空洞23内部における皮膚92の表皮の表面までの距離とみなすことができる。
The vibration caused by the pulsation signal of the
(脈動性信号検出ユニットアレイの設置位置の決定)
上述の血管の位置情報の取得にて説明したように、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する、複数のセンサ31のうちの少なくとも1つのセンサ31からの出力レベルを検出し、その出力レベルの変化に基づいて血管93の皮膚92上における位置(血管の位置情報)を得ることができる。図26に示す点2〜5は、そのようにして血管の位置情報を決定し、血管93を追跡することにより得られた血管の位置情報を示す点を表す図である。点2〜5のように並んだ血管の位置情報から、各点を結んだ線上に血管93が存在していることが分かる。
(Determination of installation position of pulsation signal detection unit array)
As described in the above-described acquisition of the blood vessel position information, the output level from at least one of the plurality of sensors 31 that changes with the movement of the pulsation signal
ここで、図26に示すように、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cを有する脈動性信号検出ユニットアレイ12について、中央の脈動性信号検出ユニット11bが、点2〜4を結んだ線の上である点Mに位置するように脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置し、左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cが、左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cから点2〜4を結んだ線までの距離が等しくなる点L,点Nに位置するように脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置することで、図24,25に示すような血管93と脈動性信号検出ユニットアレイ12及び脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cの位置関係となるように脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置することができる。
Here, as shown in FIG. 26, in the pulsating signal
なお、脈動性信号検出ユニットアレイ12の中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあるかどうかを確かめるには、波形表示器82により表示される脈動性信号の波形を確認することで、脈動性信号検出ユニットアレイ12の位置の変化に伴う脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31の出力レベルを検出すればよい。
In order to confirm whether or not the central pulsation
中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあるかどうかを確かめる一つの方法としては、中央の脈動性信号検出ユニット11bのセンサ31bからの脈動性信号の脈波波形を確認しながら図26の点2〜5を結ぶ線を横切るようにして脈動性信号検出ユニットアレイ12を移動させて、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する脈動性信号の出力レベル(振幅)を図27(b)に示すように検出して、脈動性信号の振幅が最大となる点において、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあると判断することができる。
One method for confirming whether or not the central pulsation
中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあるかどうかを確かめる別の方法としては、中央の脈動性信号検出ユニット11から左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cまでの距離が等しい場合には、左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a,31cからの脈動性信号の脈波波形を確認しながら図26の点2〜5を結ぶ線を横切るようにして脈動性信号検出ユニットアレイ12を移動させて、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する脈動性信号の出力レベル(振幅)を検出して、図27(a),(c)に示すように、左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a,31cからの脈動性信号の脈波波形の振幅、すなわち脈動性信号の強さ(出力レベル)が同程度になる点において、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあると判断できる。
As another method for confirming whether or not the central pulsation
なお、センサ31からの出力レベルとしては、上述のように、波形表示器82により表示される脈動性信号の脈波波形の振幅を用いることができる。脈動性信号としては、容積脈波、速度脈波、または加速度脈波のいずれを用いてもよい。または、コンピュータ81において、信号処理部41から入力された脈動性信号を処理して、脈動性信号の強さを検体情報処理装置1の位置の変化に伴う経時的な値として数値化することで脈動性信号の出力レベルとして比較するようにしてもよい。
As the output level from the sensor 31, the amplitude of the pulse wave waveform of the pulsating signal displayed by the
(血管の深さ情報の算出)
図24,25に示すように、複数の脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cが略一直線上に位置するように設置されており、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置に位置しており、血管93と、中央の脈動性信号検出ユニット11bと、左右の脈動性信号検出ユニット11a又は11cのいずれかとのなす角が略90度の位置にあり、中央の脈血管93と、左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cとの間を結ぶ線を長さが等しい二辺とする二等辺三角形の位置にあり、中央の動性信号検出ユニット11bから、左右それぞれの動性信号検出ユニット11a,11cまでの距離が等しい状態について、血管93と、各脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cとの関係を模式化すると、図28のようにして表すことができる。図28において、aは中央の脈動性信号検出ユニット11bから左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cまでの距離を表し、xは中央の脈動性信号検出ユニット11bから血管93までの距離(すなわち、皮膚92の表面から血管93までの深さ)を表し、yは左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cから血管93までの距離を表す。
(Calculation of blood vessel depth information)
24 and 25, a plurality of pulsation
血管93と、中央の脈動性信号検出ユニット11bと、左右の脈動性信号検出ユニット11a又は11cのいずれかとのなす角が略90度の位置にある場合、ピタゴラスの定理から、左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cから血管93までの距離yは下記式(1)で表すことができる。
y=SQRT(a2+x2) (1)
ここで、血管93における脈動Vは、時間tを変数として下記式(2)で表すことができる。
V=Asin(ωt) (2)
(上記式(2)において、Aは血管93の脈動の振幅Aを表し、ωは血管93の脈動の角振動数を表す。)
When the angle formed by the
y = SQRT (a 2 + x 2 ) (1)
Here, the pulsation V in the
V = Asin (ωt) (2)
(In the above formula (2), A represents the amplitude A of the pulsation of the
このときに、中央の脈動性信号検出ユニット11bにおいて検出される脈動Mが下記式(3)、左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cにおいて検出される脈動Sが下記式(4)で表されるとする。
M=Bsin(ωt+p) (3)
S=Csin(ωt+q) (4)
(上記式(3)において、Bは中央の脈動性信号検出ユニット11bにおいて検出される脈動の振幅を表し、ωは中央の脈動性信号検出ユニット11bにおいて検出される脈動の角振動数を表し、pは中央の脈動性信号検出ユニット11bにおいて検出される脈動の血管93の脈動からの時間遅れを表す。上記式(4)において、Cは左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cにおいて検出される脈動の振幅を表し、ωは左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cにおいて検出される脈動の角振動数を表し、qは左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cにおいて検出される脈動の血管93の脈動からの時間遅れを表す。)
At this time, the pulsation M detected by the central pulsation
M = Bsin (ωt + p) (3)
S = Csin (ωt + q) (4)
(In the above equation (3), B represents the amplitude of the pulsation detected in the central pulsation
血管93からの距離に応じて脈動の振幅は反比例するとみなし、さらに、C/B=βとおくことで、式(1)〜(4)から、下記式(5)が導き出される。
x=a×β/SQRT(1−β2) (5)
It is considered that the amplitude of pulsation is inversely proportional to the distance from the
x = a × β / SQRT (1-β 2 ) (5)
上記の手順で導き出された式(5)から、中央の脈動性信号検出ユニット11bから血管93までの距離xは、中央の脈動性信号検出ユニット11bから左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cまでの距離aと、中央の脈動性信号検出ユニット11bのセンサ31bによって検出される脈動の振幅Bと、左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a,31cによって検出される脈動の振幅Cとから算出することができることが分かる。このため、血管情報検出部71において、式(5)を用いて演算を行うことにより、血管の深さ情報を求めることができる。
From the equation (5) derived by the above procedure, the distance x from the central pulsation
ここで、中央の脈動性信号検出ユニット11bから左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cまでの距離aは、予め脈動性信号検出ユニット11aから脈動性信号検出ユニット11b間の距離及び脈動性信号検出ユニット11aから脈動性信号検出ユニット11b間の距離を一定にして脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成することにより、定数とみなすことができる。このため、中央の脈動性信号検出ユニット11bから血管93までの距離(血管の深さ情報)xは、中央の脈動性信号検出ユニット11bのセンサ31bによって検出される脈動の振幅Bと、左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a,31cによって検出される脈動の振幅Cを、式(5)に代入することで、演算することができる。
Here, the distance a from the central pulsation
[1−4.検体情報処理方法]
本発明の検体情報処理方法(以下、本検体情報処理方法ともいう)は、それぞれ、検体91における血管93の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、上記の検体91における血管93の脈動性信号を検出するセンサ21と、センサ21の圧力情報の取り込み部に連通する空洞23を有するとともに検体91に対向する部位に3mmから10mmの口径を有する開口部22を有し開口部22を検体91に対向させて検体91に装着された状態で空洞23が閉鎖された空間構造を有するセンサ取付部31とを有する、複数の脈動性信号検出ユニット11を並列配置することにより構成された脈動性信号検出ユニットアレイ12を用意し、脈動性信号検出ユニットアレイ12を血管93と交叉する方向に設置し、上記の脈動性信号検出ユニットアレイ12のうちの1つの脈動性信号検出ユニット11が血管93と対向する位置となるように、脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置し、その後、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの出力を受けて所要の演算を施すことにより、血管93の深さ情報を求めるものである。
[1-4. Specimen information processing method]
The sample information processing method of the present invention (hereinafter also referred to as the present sample information processing method) receives pressure information resulting from the pulsation signal of the
また、本検体情報処理方法は、例えば脈動性信号検出ユニットアレイ12が、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cで構成されている場合について図25、25に示すように、脈動性信号検出ユニットアレイ12の血管93と対向する位置の脈動性信号検出ユニット11bのセンサ31bからの脈動性信号出力の強さと、脈動性信号検出ユニットアレイ11の他の脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a,31cからの脈動性信号出力の強さと、脈動性信号検出ユニットアレイ12の血管93と対向する位置の脈動性信号検出ユニット11bと他の脈動性信号検出ユニット11a,11cとの距離から、血管93の深さ情報を求めるものである。
Further, in this specimen information processing method, for example, when the pulsation signal
また、本発明の検体情報処理方法は、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する上記複数のセンサ31のうちの少なくとも1つのセンサ31からの出力レベルを検出し、出力レベルの変化に基づいて血管93の位置情報を得るものである。
In addition, the sample information processing method of the present invention detects an output level from at least one of the plurality of sensors 31 that changes as the pulsation signal
[1−5.効果]
本発明の検体情報処理装置1、及び本発明の検体情報処理方法によれば、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31からの脈動性信号出力について、所要の演算を施すことによって、血管の深さ情報を求めることができる。
[1-5. effect]
According to the sample
また、本検体情報処理装置1及び本検体情報処理方法によれば、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する、脈動性信号検出ユニットアレイ12の複数のセンサ31のうちの少なくとも1つのセンサ31からの出力レベルの変化に基づいて血管の位置情報を得ることができる。
Further, according to the sample
また、本検体情報処理装置1及び本検体情報処理方法によれば、検体情報処理装置1の開口部22が血管93の上に位置して装着されることで、センサ31の圧力情報の取込部32が血管93の直上になくとも、血管93の脈動性信号の検出を行うことができる。すなわちセンサ31と血管93の位置関係の正確さを要求しない仕組みを持つ検体情報処理装置1及び検体情報処理方法を提供することができ、血管の位置情報の取得と、血管の深さ情報の算出を簡便且つ迅速に行うことができる。
Further, according to the sample
また、本検体情報処理装置1及び本検体情報処理方法は、脈動性信号の検出に際して、開口部22を検体91に対向させることで、センサ31と検体91の皮膚92との間に空洞23がクローズドキャビティを形成する。本発明の脈動性信号検出ユニット11では、開口部22の口径を所定の大きさにを限定しているため、開口部22が受けとる圧力情報の範囲が限定され、センサ31の圧力センサとしてのセンシング範囲が狭く限定される。これにより、圧電素子やマイクロホン等の他のセンサを用いて開放系でセンシングする場合に比して高い指向性(あるいは空間分解能)を持つ検体情報処理装置1及び検体情報処理方法を提供することができ、血管の位置情報の取得と、血管の深さ情報の算出の精度を向上させることができる。
Further, in the sample
また、本検体情報処理装置1及び本検体情報処理方法では、本発明の脈動性信号検出ユニット11の指向性を利用して、血管93から近い位置で脈動性信号を検出することにより、脈動性信号のS/N比及び感度を向上させることができ、脈動性信号から抽出される呼吸信号のS/N比及び感度をも向上させ、血管の位置情報の取得と、血管の深さ情報の算出の精度を向上させることができる。
In the sample
また、本検体情報処理装置1及び本検体情報処理方法によれば、脈動性信号について周波数補正処理を施すことにより、少なくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出すことができる。
また、検体情報処理装置1及び本検体情報処理方法によれば、周波数復調処理を施すことによって脈動性信号出力に含まれる呼吸信号を抽出することができる。
Further, according to the sample
Moreover, according to the sample
[2.ECM及びMEMS−ECMについて]
本検体情報処理装置1のセンサ31に用いられるセンサに関して、まずはマイクロホンのクローズドキャビティと周波数応答との関係についてについて説明し、次に、ECM及びMEMS−ECM、並びにこれらを用いた脈動性信号の検出、周波数特性、及び周波数補正処理について説明する。
[2. About ECM and MEMS-ECM]
Regarding the sensor used in the sensor 31 of the sample
[2−1.クローズドキャビティと周波数応答]
本検体情報処理装置1は、血管93の脈動性信号の振動をセンサ31によって開放状態(開放系)で測定を行うのではなく、センサ31と振動源との関係において、センサ31の空気室34と連通する空洞23が閉鎖された空間構造(クロ−ズドキャビティ)を形成するようにして測定した状態、すなわちセンサ31と振動源とをクローズの状態にして測定する。
このことを説明するために、センサ(マイクロホン)の開放状態とクローズの状態での周波数応答の相違について説明する。
[2-1. Closed cavity and frequency response]
The sample
In order to explain this, the difference in frequency response between the open state and the closed state of the sensor (microphone) will be described.
検体91における血管93の脈動性信号を検出するにあたって、検体91のどこからでも、心臓の動きに端を発する振動を捉えることはできる。しかし、その動きの振幅はきわめて小さく、単にマイクロホン等の圧力を感知できるものを人体の近くに配置しても、心臓の動きに端を発する振動を検出することは困難である。それはセンサを開放状態にした場合では、音の放射の原理でいったん空間に放射された振動は、図9に示すように、その素子の固有周波数f0においてレスポンスがピークとなり、固有周波数f0よりも高周波数領域では定出力となるが、低周波数領域に向けていわゆる−40dB/decのカーブをたどり、心臓の動きの基本周波数のところではきわめて微少な信号になっている周波数応答を示すためである。小型の音響機器では固有周波数は数kHzであるとされており、心臓の動き等の1Hz付近では高い周波数に対する振幅に対して−120dB以下に信号が減衰することになり、レスポンスが低く十分な感度で測定を行うことが困難である。図9で何本ものトレースがあるのはいわゆるダンピングファクターの差であり、横軸のfoの位置が固有周波数を意味する。
In detecting the pulsation signal of the
一方で、この振動を感知する素子(センサ)の先端に閉じた空間を作り上げてクローズの状態にすることで、周波数特性は一変し図10のようになる。図10における複数のトレースの存在は先に説明したとおり、いわゆるダンピングファクターの差である。図10からは、クロ−ズドキャビティ形成時には、低周波領域の信号を感度よく測定可能であることが分かる。これは図9の開放状態の周波数応答と比較すると、1Hz付近の心臓の振動であっても、固有周波数f0付近の振動と同ゲインで正しい振幅で検出できることを意味している。このことは振動を音響エネルギーとして空気中に放出するのではなく、閉じた空間の圧力変化に変換しているためであると考えられる。 On the other hand, by creating a closed space at the tip of an element (sensor) that senses this vibration and bringing it into a closed state, the frequency characteristics are changed completely as shown in FIG. The presence of a plurality of traces in FIG. 10 is a difference in so-called damping factor as described above. From FIG. 10, it can be seen that the signal in the low frequency region can be measured with high sensitivity when the closed cavity is formed. This means that even the vibration of the heart near 1 Hz can be detected with the same amplitude and the same amplitude as the vibration near the natural frequency f 0 as compared with the frequency response in the open state of FIG. This is considered to be because vibration is not emitted into the air as acoustic energy but is converted into a pressure change in a closed space.
上述のとおり、センサ(ECM)をクロ−ズドキャビティを形成するようにして、クローズの状態にして測定することで、低周波数領域の周波数応答を向上させることができる。 As described above, the frequency response in the low frequency region can be improved by measuring the sensor (ECM) in a closed state so as to form a closed cavity.
すなわち、本装置では、従来測定が困難であった、1Hz付近の検体91における血管93の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、検体91における血管93の脈動性信号を感度良く検出することができ、さらには1Hz付近の脈動性信号から検体91の呼吸信号を抽出することができるものである。
That is, in this apparatus, pressure information resulting from the pulsation signal of the
[2−2.ECMについて]
上述したような閉じた空間(空洞)の圧力変化として、微少振動を検出するときに最も身近なものはマイクロホンである。その中でも、ECM(electret condenser microphone、エレクトレットコンデンサーマイクロホン)は、この用途には特に適したものである。ECMは携帯電話等への応用が進み、小型化、安定化は言うまでも無く、大量生産による入手しやすさが魅力である。
ECMはエレクトレット膜をコンデンサーマイクロホンの振動膜あるいは固定電極に融着させ、高感度・低電圧駆動を実現させた小型マイクロホンである。
[2-2. About ECM]
As a pressure change in a closed space (cavity) as described above, a microphone is the most familiar when detecting minute vibrations. Among them, ECM (electret condenser microphone) is particularly suitable for this application. ECM is increasingly applied to mobile phones and the like, not to mention miniaturization and stabilization, but is easy to obtain by mass production.
The ECM is a small microphone that realizes high sensitivity and low voltage drive by fusing an electret film to the diaphragm or fixed electrode of a condenser microphone.
図11に示すように、ECM201の筐体208は、外部と連通し窓のような形状からなる空気穴202を有しており、筐体208の内部の内部の空間である空気室205に、空気穴202に面したダイヤフラム203とバックプレート204とが対向して設けられている。ここでは、ダイヤフラム203としてエレクトレット膜を用いている。ダイヤフラム203及びバックプレート204には図示するように電極206が取り付けてあり、バックプレート204が固定電極となり、ここから信号を電圧の変化として検出することができ、ダイヤフラム203とバックプレート204との間のキャパシタンス(静電容量)を測定することができるようになっている。また、低インピーダンスで信号を取り出すために、電界効果トランジスタやCMOS系のICがインピーダンス変換素子として用いられる。空気穴202の口径は空気的な周波数特性の調整に用いられるが、おおむね筐体208における空気穴を有する側の径の1/3程度である。例えば、一般的な6mm径のECMの場合、空気穴の口径は2mmほどである。また、この空気穴はひとつの穴でなく、さらに小さな空気穴を複数持つものも市販されている。
As shown in FIG. 11, the housing 208 of the
振動源から振動が発生した場合、空気穴202を通じて伝わる空気室205の空気の振動がダイヤフラム203を押す力となって働き、ダイヤフラム203とバックプレート204との距離が変化することによりキャパシタンス(静電容量)の変化が生じる。 When vibration is generated from the vibration source, the vibration of the air in the air chamber 205 transmitted through the air hole 202 acts as a force pushing the diaphragm 203, and the distance between the diaphragm 203 and the back plate 204 changes to change the capacitance (electrostatic capacity). (Capacity) changes.
ECM201ではダイヤフラム203とバックプレート204との間に一定の電荷(Q)を、動作時は常に付加し動作させる。さらにダイヤフラム203とバックプレート204との間の距離を(d)、これらの面積を同じとして(S)とすると、このECM201の静電容量(C)は次の式(6)で定義できる。
C∝S/d (6)
(上記(6)式において、∝は比例を意味する。)
The
C∝S / d (6)
(In the above equation (6), ∝ means proportionality.)
一方、電磁気学から Meanwhile, from electromagnetism
Q=C×V (7)
上記式(7)の関係が成り立つので、これらの式から、ECM201から検出される電圧(V)は、下記式(8)で表わされる。
V∝Q×d/S (8)
Q = C × V (7)
Since the relationship of the above equation (7) holds, the voltage (V) detected from the
V ∝ Q x d / S (8)
式(8)から明らかなように、電荷(Q)と面積(S)は空気圧で変化することは無い定数のため、電圧(V)はダイヤフラム203とバックプレート204の距離(d)に比例することになり、図11の空気穴202から入ってくる空気振動は電圧Vの形で検出できることになる。 As is clear from the equation (8), since the charge (Q) and the area (S) are constants that do not change with air pressure, the voltage (V) is proportional to the distance (d) between the diaphragm 203 and the back plate 204. In other words, the air vibration that enters from the air hole 202 in FIG. 11 can be detected in the form of the voltage V.
このようにして静電容量変化を電圧に変換することで、振動を測定することができる。検体91における血管93の脈動性信号に起因する圧力情報も、血管93の脈動性信号が検体91の皮膚92に伝わり、皮膚92の振動が空洞23内の空気を振動させることで、脈動性信号として検出することができる。
In this way, vibration can be measured by converting the capacitance change into voltage. The pressure information resulting from the pulsation signal of the
図11では、空気穴202にダイアフラム203が対向している構成を挙げたが、ダイヤフラム203とバックプレート204は空気穴202に対して逆向きに設けても良い。即ち、空気穴202に面したバックプレート204とダイヤフラム203とを対向して設けても良い。 In FIG. 11, the configuration in which the diaphragm 203 is opposed to the air hole 202 is described. However, the diaphragm 203 and the back plate 204 may be provided in the opposite direction to the air hole 202. That is, the back plate 204 facing the air hole 202 and the diaphragm 203 may be provided to face each other.
ここではダイヤフラムとしてエレクレット膜を用いている構成を説明したが、ダイヤフラムに外部から直流電圧をかける方式のECMも本発明に用いることができる。 Here, the configuration in which the electret film is used as the diaphragm has been described. However, an ECM in which a DC voltage is applied to the diaphragm from the outside can also be used in the present invention.
[2−3.MEMS−ECMについて]
近年、ECMは小型化の要求からダイヤフラムに半導体プロセスによるシリコン性のダイヤフラムを用いることが多くなっている。このようなECMをMEMS(microelectromechanical system)−ECMという。
[2-3. About MEMS-ECM]
In recent years, ECM is increasingly using a silicon-based diaphragm produced by a semiconductor process as a diaphragm due to a demand for miniaturization. Such an ECM is referred to as a MEMS (microelectromechanical system) -ECM.
MEMS−ECMは半導体プロセスによりサブμmオーダーの加工・成膜技術により立体的に微細加工を施した超小型のECMであり、一般に“シリコンマイクロホン”とも呼ばれる。MEMS−ECMは、原理的にはECMと同一であるが、ECMよりもサイズが小さく、空間を用いて周波数特性を調整するため、空気穴(音孔ともいう)のサイズは直径1mmに満たないのが普通である。MEMS−ECMは感度・S/N・周波数特性ともに、通常のECMと比して遜色はなく、品質のばらつきも小さいことが知られている。 The MEMS-ECM is an ultra-compact ECM that is three-dimensionally finely processed by sub-μm order processing / film formation technology by a semiconductor process, and is generally called a “silicon microphone”. MEMS-ECM is in principle the same as ECM, but is smaller than ECM and adjusts frequency characteristics using space, so the size of air holes (also called sound holes) is less than 1 mm in diameter. Is normal. It is known that MEMS-ECM is not inferior to ordinary ECM and has less variation in quality in terms of sensitivity, S / N, and frequency characteristics.
図12に示すように、MEMS−ECM211は、ダイヤフラムとバックプレートを備えるMEMSチップ212とCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor;相補型金属酸化膜半導体)チップ213が設けられ、ワイヤボンディング214で接続された構成となっている。
As shown in FIG. 12, the MEMS-
図13に示すように、MEMS−ECM211はMEMS−ECM内部の空間である空気室223に面したダイヤフラム221とバックプレート222が対向して設けられ、ダイヤフラム221とバックプレート222との間のキャパシタンス(静電容量)を測定することができるようになっている。ECMと同様に、振動源から振動が発生した場合、外部と連通する図示しない空気穴(音孔)を通じて伝わる空気室223の空気の振動がダイヤフラム221を振動させ、ダイヤフラム221とバックプレート222との距離が変化することによりキャパシタンス(容量)の変化が生じる。この容量変化を電圧に変換することで、振動を測定することができる。なお、ダイヤフラム221とバックプレート222は空気穴(音孔)に対してどちらが対向するように設けても構わない。即ち、空気穴(音孔)に面したダイヤフラム221にバックプレート222を対向して設けても良く、空気穴(音孔)に面したバックプレート222にダイヤフラム221を対向して設けても良い。
As shown in FIG. 13, the MEMS-
図14に示すように、MEMS−ECMは、MEMSチップ部231と、CMOSチップ部234とからなる。図14の等価回路にあるようにインピーダンス変換と増幅のためにCMOS構造のアンプを包含しているため、MEMSチップ部231のダイアフラム232とバックプレート233において生じた電圧の変化は、CMOSチップ部234のバッファ236を介し、更には増幅器235で増幅されて出力されるようになっている。 As shown in FIG. 14, the MEMS-ECM includes a MEMS chip portion 231 and a CMOS chip portion 234. Since the CMOS structure amplifier is included for impedance conversion and amplification as in the equivalent circuit of FIG. 14, a change in voltage generated in the diaphragm 232 and the back plate 233 of the MEMS chip portion 231 is caused by the CMOS chip portion 234. The signal is further amplified by the amplifier 235 and output through the buffer 236.
[2−4.クローズドキャビティの形成と脈動性信号の検出]
これらのECMあるいはMEMS−ECM(シリコンマイクということもある)を用いて、心臓に起因する血管93の振動(脈動性信号)を捕らえようとするとき、これらのマイクを図10のような周波数特性で、空洞が形成する閉じた空間(クローズドキャビティ)の圧力変化として検出することが望ましい。そのためには、例えばこれらを直接人体の皮膚に押し付けてしまえばよい。この場合、空気穴とダイヤフラムの間で空間が閉じられるために図10のような周波数特性で信号が検出できるとも考えられる。
[2-4. Closed cavity formation and pulsation signal detection]
When these ECMs or MEMS-ECMs (sometimes referred to as silicon microphones) are used to capture vibrations of the blood vessels 93 (pulsating signals) caused by the heart, these microphones have frequency characteristics as shown in FIG. Thus, it is desirable to detect the pressure change in a closed space (closed cavity) formed by the cavity. For this purpose, for example, they may be pressed directly against the skin of the human body. In this case, since the space is closed between the air hole and the diaphragm, it is considered that the signal can be detected with the frequency characteristics as shown in FIG.
しかしながら、実際には、ECMあるいはMEMS−ECMを直接検体91に押し付けても、所望の信号をなかなか得ることができない。最大の原因は、空気穴の径が小さすぎることにあると考えられる。例えば、空気穴の径が2mmのECMでは血管93の真上に空気穴が来たときにだけ信号が検出できた。一方で、MEMS−ECMでは空気穴(音孔)の径が血管93より細いためか、ほとんど信号の検出が出来なかった。これは、検体91とセンサ31との間に開口部22と空洞23を有するセンサ取付部21を設けない場合には、ECM又はMEMS−ECMの圧力情報の取込部(空気穴、音孔)32の直下にある血管93の脈動性信号を検出できるという特性が影響しているものと考えられる。また、検体91の皮膚組織の柔らかさなどにより圧力情報の取込部32から皮膚組織等が進入し、圧力情報の取込部32が塞がれることも影響しているものと考えられる。
However, actually, even if ECM or MEMS-ECM is directly pressed against the
そこで、本検体情報処理装置1では、O−リング24を用いて開口部22と空洞23を有するセンサ取付部21を設け、クローズドキャビティの形成を行ない、空洞23とセンサ31の圧力情報の取込部32と空気室34を連通させることで、開口部22の範囲内にある低周波の血管93の脈動性信号の検出を可能にしている。
Therefore, in the sample
[2−5.ECM及びMEMS−ECMの周波数特性について]
現在の普通のECMやMEMS−ECM等に共通の特性として、風除けの対策が施されていることが挙げられる。携帯電話等のマイクでは、風が強いときの風音、あるいは、使用者が咳き込んだとき(吹かれ)などの急な圧力変化に反応しないように、ダイヤフラムに小さな穴(数十μm)の穴が開けられている。これにより、周波数特性的には低周波分の減衰を招くことになる。遅い空気の流れはこの小さなダイヤフラムの穴を抜けることを考えれば理解しやすい。
[2-5. Frequency characteristics of ECM and MEMS-ECM]
A common characteristic of current ordinary ECM, MEMS-ECM, and the like is that measures against windbreaks are taken. Microphones such as mobile phones have small holes (several tens of μm) in the diaphragm so that they do not react to wind noise when the wind is strong or sudden pressure changes such as when the user coughs (blows). Is opened. As a result, attenuation in the low frequency is caused in terms of frequency characteristics. Slow air flow is easy to understand given that it passes through the hole in this small diaphragm.
なお、半導体プロセスによりダイヤフラムの穴が形成されるMEMS−ECMでは、穴の形成を安定して同品質で行うことが可能であり、ECMと比較するとMEMS−ECM毎の個体間において周波数応答が安定していることが知られている。 In addition, in MEMS-ECM in which diaphragm holes are formed by a semiconductor process, holes can be stably formed with the same quality, and the frequency response is more stable between individuals for each MEMS-ECM compared to ECM. It is known that
低周波領域の感度低下は、可聴音域(20Hz〜)を対象とする通常のマイクロホンの使い方においては風音や吹かれを防止する上で効果的である。しかしながら、本検体情報処理装置1において検出したい脈波の中心周波数は約1Hzであり、呼吸信号の周波数も数Hzオーダーの領域において顕著に現れるため、この低周波領域の感度低下は検出に影響することが考えられる。
そこで、MEMS−ECMを用いた周波数特性の検証について説明する。
The sensitivity reduction in the low frequency region is effective in preventing wind noise and blowing in the normal use of the microphone for the audible sound region (20 Hz to). However, since the center frequency of the pulse wave to be detected in the present sample
Therefore, verification of frequency characteristics using MEMS-ECM will be described.
上述の通り、本検体情報処理装置1では、脈動性信号の検出及び呼吸信号の抽出を目的とするため1Hzを含む低周波領域における周波数特性を検証する必要がある。周波数特性の検証は、図15に示す構成の機器を用いて行った。
As described above, in this sample
スピーカー403はダイナミック型スピーカーを用い、振動板を取り去り、スピーカーのボイスコイルを残して動く状態にしたままコーン紙を取り除き(Exciterともいう)、その部分にゴムシートを貼り付けてある。このスピーカー403のゴムシートに、Cavityの口径を拡大した周波数特性を検査される(被検)MEMS−ECM405とを向かい合うように圧着して、空気室結合404を形成した。
As the
この状態で、FFTアナライザ401(CF−7200、株式会社小野測器)を低周波信号発生器に用いて0.125〜100Hzの範囲の正弦波掃引によりにより各周波数の信号を出力し、信号をDCパワーアンプ402に入力して増幅を行った。この増幅後の信号を入力1としてFFTアナライザに入力している。
In this state, an FFT analyzer 401 (CF-7200, Ono Sokki Co., Ltd.) is used as a low frequency signal generator to output signals of each frequency by sine wave sweep in the range of 0.125 to 100 Hz. The signal was input to the
さらに、低周波信号発生器401から発生させた低周波信号でスピーカー403のボイスコイルを駆動することで、スピーカ403からの信号はゴムシートを信号どおりに上下することとなり、振動を感知した被検MEMS−ECM405により生じた信号を、必要に応じて周波数補償回路406に周波数補正を行った信号407(容積脈波信号、速度脈波信号、加速度脈波信号)を入力2としてFFTアナライザに入力した。なお、周波数補償回路406では、後述する周波数補正と同様の処理を行っている。すなわち、被検MEMS−ECM405により生じた信号を積分したものが容積脈波信号、被検MEMS−ECM405により生じた信号を増幅したものが速度脈波信号、被検MEMS−ECM405により生じた信号を微分したものが加速度脈波信号として得られる。
Furthermore, by driving the voice coil of the
駆動している低周波信号発生器の信号(入力1)と、入力2との振幅と位相特性について、0.125〜100Hzの範囲において掃引した各周波数において(入力2/入力1)の値を128回加算し、これを平均化することで、各周波数におけるMEMS−ECMの低周波特性をの測定と検証を行った。
上述の周波数特性の測定法により、横軸に周波数(Hz)、縦軸に振幅(dB)をとることで、低周波の周波数特性の検証結果は図16のように表わされる。
Regarding the amplitude and phase characteristics of the signal (input 1) and the
By taking the frequency (Hz) on the horizontal axis and the amplitude (dB) on the vertical axis by the frequency characteristic measurement method described above, the verification result of the low frequency frequency characteristic is expressed as shown in FIG.
図16に示すように、検証に用いられたMEMS−ECMの周波数特性は、低周波に向かって、20dB/decの感度低下が認められた。心臓の動きに関するものであれば脈拍は普通1Hz(脈拍が一分間で60の場合)程度なので、これは本来の検出すべき信号の微分特性を示すものといえる。また、100Hz付近に1つの極を持つ微分回路と等価であるといえる。 As shown in FIG. 16, in the frequency characteristics of the MEMS-ECM used for verification, a sensitivity decrease of 20 dB / dec was recognized toward the low frequency. If it is related to the motion of the heart, the pulse is usually about 1 Hz (when the pulse is 60 per minute), so this can be said to indicate the differential characteristic of the signal to be detected originally. It can also be said to be equivalent to a differential circuit having one pole in the vicinity of 100 Hz.
この時、容積変化などの信号を検出すべき信号とすると、MEMS−ECMで脈波を計測する場合、対象とする周波数帯域(およそ0.5〜10Hz)において、単純な微分回路であって、その計測波形は通常の脈波の微分である速度成分を示すことになり、“速度脈波”であると考えることができる。
また、よく血管の状況を判断するのに用いられる加速度脈波はこの速度脈波をさらに時間微分したものである。
At this time, assuming that a signal such as volume change is to be detected, when measuring a pulse wave with MEMS-ECM, in a target frequency band (approximately 0.5 to 10 Hz), The measured waveform shows a velocity component that is a differential of a normal pulse wave, and can be considered as a “velocity pulse wave”.
The acceleration pulse wave that is often used to determine the state of the blood vessel is a time derivative of this velocity pulse wave.
[2−6.周波数補正処理について]
<周波数補正処理>
次に、脈動性信号出力についての周波数補正処理について説明する。
周波数補正処理とは、検体情報処理装置1のセンサ31からの脈動性信号出力について、すくなくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出す補正処理をいう。
[2-6. About frequency correction processing]
<Frequency correction processing>
Next, frequency correction processing for pulsation signal output will be described.
The frequency correction process is a correction process for extracting at least one of a pulsating volume signal, a pulsating velocity signal, and a pulsating acceleration signal with respect to the pulsating signal output from the sensor 31 of the sample
図16のような応答を示すMEMS−ECMの出力(測定データ)は、速度脈波として得られるため、周波数補正を行わない場合には、速度脈波を得ることができる。
MEMS−ECMの出力から脈波、そして加速度脈波を得るには図17に示すような周波数応答をする電気回路を通過させる周波数補正処理を適用すればよい。
Since the output (measurement data) of the MEMS-ECM showing a response as shown in FIG. 16 is obtained as a velocity pulse wave, the velocity pulse wave can be obtained when frequency correction is not performed.
In order to obtain a pulse wave and an acceleration pulse wave from the output of the MEMS-ECM, a frequency correction process for passing through an electric circuit having a frequency response as shown in FIG. 17 may be applied.
すなわち、MEMS−ECMの出力に対して超低周波域から100Hzまで−20dB/decでその後はフラットなカーブを通過させれば(容積)脈波が得られ、MEMS−ECMの出力に対して超低域から100Hzまで20dB/decで上昇し、その後フラットな電気回路を通せば加速度脈波が得られることになる。また、MEMS−ECMの出力に対して補正処理を行わない場合には、速度脈波が得られる。この様な回路を通過させた後のトータルな周波数特性は図19のようになった。 In other words, if the MEMS-ECM output passes through a flat curve at -20 dB / dec from an extremely low frequency range to 100 Hz, a (volume) pulse wave can be obtained, and the MEMS-ECM output exceeds the output of the MEMS-ECM. If it rises at 20 dB / dec from low frequency to 100 Hz and then passes through a flat electric circuit, an acceleration pulse wave can be obtained. Further, when the correction process is not performed on the output of the MEMS-ECM, a velocity pulse wave is obtained. The total frequency characteristic after passing through such a circuit is as shown in FIG.
図19において、Dは速度脈波の周波数特性を示し、Eは容積脈波の周波数特性を示し、Fは加速度脈波の周波数特性を示す。
図19に示すこれらの加速度脈波、速度脈波、容積脈波は、周波数が高くなるにつれて40dB/dec、20dB/dec、0dB/decでゲインが上昇している。脈波の周波数付近ではそれぞれ、加速度脈波、速度脈波、そして脈波を発生する周波数特性となっている。
In FIG. 19, D indicates the frequency characteristic of the velocity pulse wave, E indicates the frequency characteristic of the volume pulse wave, and F indicates the frequency characteristic of the acceleration pulse wave.
These acceleration pulse waves, velocity pulse waves, and volume pulse waves shown in FIG. 19 increase in gain at 40 dB / dec, 20 dB / dec, and 0 dB / dec as the frequency increases. In the vicinity of the frequency of the pulse wave, the acceleration pulse wave, the velocity pulse wave, and the frequency characteristics that generate the pulse wave are obtained.
この周波数補正処理は、速度脈波について、100Hz以下を微分回路で補償する(微分する)ことにより加速度脈波を得ることができ、また、速度脈波について、100Hz以下を積分回路で補償する(積分する)ことにより容積脈波を得ることができる処理と同等の処理を行うものである。また、周波数補正処理では、必要に応じて増幅動作を行っても良い。 In this frequency correction process, an acceleration pulse wave can be obtained by compensating (differentiating) 100 Hz or less for the velocity pulse wave with a differentiation circuit, and 100 Hz or less for the velocity pulse wave is compensated for by an integration circuit ( The processing equivalent to the processing capable of obtaining the volume pulse wave by performing integration) is performed. In the frequency correction process, an amplification operation may be performed as necessary.
また、周波数補正処理とは、脈波の周波数1Hzに対して、微分動作を行うことで加速度脈波を得て、積分動作を行うことで容積脈波を得て、増幅動作を行うことで速度脈波を得る処理であるということもできる。
このような周波数補正を施す回路をアナログ回路で表すと、図18のように構成することができる。
図18において、符号Aで示す部分は増幅動作回路部分であり、符号Bで示す部分は積分動作回路部分であり、符号Cで示す部分は微分動作回路部分である。
Further, the frequency correction processing is to obtain an acceleration pulse wave by performing a differentiation operation on a frequency of 1 Hz of a pulse wave, obtain a volume pulse wave by performing an integration operation, and perform an amplification operation to obtain a speed. It can also be said that it is a process for obtaining a pulse wave.
When a circuit for performing such frequency correction is represented by an analog circuit, it can be configured as shown in FIG.
In FIG. 18, the part indicated by reference sign A is an amplification operation circuit part, the part indicated by reference sign B is an integration operation circuit part, and the part indicated by reference sign C is a differential operation circuit part.
<周波数補正処理と脈波波形>
手首橈骨に、開口部22の口径を拡げて空洞23がクロ−ズドキャビティを形成するようにMEMS−ECMを当てて観測したの脈波の波形が図20である。測定により得られた速度脈波(測定データ)の波形は図20(b)のように表わされる。この速度脈波を上述した積分回路での補償により得られる容積脈波は、図20(a)のように表わされる。速度脈波を上述した微分回路での補償により得られる加速度脈波は、図20(c)のように表わされる。
<Frequency correction processing and pulse waveform>
FIG. 20 shows the waveform of a pulse wave observed by applying MEMS-ECM to the wrist rib so that the diameter of the
容積脈波、速度脈波、及び加速度脈波の波形は東洋医学を含むいろいろな分野でヘルスケアや疾病の診断に用いられている。一例として、圧電素子を用いて頚動脈の脈波を測定した容積脈波の波形は図21(a)のように表わされる。また速度脈波は図21(b)のように表わされる。また、加速度脈波は図21(c)のように表わされる。 The waveforms of volume pulse velocity, velocity pulse wave, and acceleration pulse wave are used for health care and diagnosis of diseases in various fields including Oriental medicine. As an example, the waveform of the volume pulse wave obtained by measuring the pulse wave of the carotid artery using a piezoelectric element is represented as shown in FIG. The velocity pulse wave is expressed as shown in FIG. The acceleration pulse wave is represented as shown in FIG.
図20(c)及び図21(c)のピークにa〜eの符号を付して示したように、加速度脈波を特徴付けるa〜eのピーク(a波〜e波)が得られる。これらのうちb波とd波の相対的な振幅は心臓血管系の疾患との関連性や年齢・血圧の推定などに用いられ、臨床的に重要視されるファクターである。このb−d波は心臓からの駆出波(Percussion Wave、以下、「PW」ともいう)および血管障壁等からの反射波(Tidal Wave、以下、「TW」ともいう)の合成の様態に由来し、ちょうど脈波においては図21(c)におけるPWとTWで示した箇所のくびれの形状により大きく異なる。 As shown in FIG. 20 (c) and FIG. 21 (c), the peaks of a to e (a wave to e wave) characterizing the acceleration pulse wave are obtained. Among these, the relative amplitudes of the b-wave and d-wave are used for estimation of the relationship with the cardiovascular disease, age and blood pressure, and the like, and are factors that are clinically important. This b-d wave is derived from the manner of synthesis of ejection waves from the heart (Percussion Wave, hereinafter also referred to as “PW”) and reflected waves from vascular barriers (Tidal Wave, hereinafter also referred to as “TW”). However, the pulse wave is greatly different depending on the shape of the constriction at the portion indicated by PW and TW in FIG.
図20と図21の波形の比較から、MEMS−ECMを用いて脈波の測定を行うことにより、観察された容積脈波(図20(a))は、S/N比が改善されることでPWとTWにより形成されるギャップが強調されており、また、加速度脈波(図20(c))においても顕著なピークを形成していることがわかる。 From the comparison of the waveforms of FIG. 20 and FIG. 21, the S / N ratio of the observed volume pulse wave (FIG. 20A) is improved by measuring the pulse wave using MEMS-ECM. It can be seen that the gap formed by PW and TW is emphasized, and that a significant peak is also formed in the acceleration pulse wave (FIG. 20C).
本発明の検体情報処理装置1及び検体情報処理方法によれば、空洞23がクロ−ズドキャビティを形成することと、センサ31としてECM又はMEMS−ECMを用いることにより、従来よりも低周波領域における脈動性信号のS/N比が大きく改善され、より明瞭な脈波を得ることができる。このとき、脈動の振幅を式(5)に代入することで演算することができる血管の深さ情報の精度を向上させることが可能である。
According to the sample
[3.血管位置の通知について]
上述したように、本検体情報処理装置1を用いることで、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する、複数のセンサ31のうちの少なくとも1つのセンサ31からの出力レベルを検出し、その出力レベルの変化に基づいて検体91の皮膚92の表面において動脈血管93の位置を追跡し、血管の位置情報を決定することができる。
次に、本検体情報処理装置1の、この特性を利用して、本検体情報処理装置1による脈動性信号の検出の際に血管の位置情報を通知し、適正な検出位置で本装置の装着と測定を行うことを可能にする装置について説明する
[3. About notification of blood vessel position]
As described above, by using the sample
Next, using this characteristic of the sample
このような血管の位置情報の通知を行う検体情報処理装置1は、レベル検出部と、レベル表示部とをそなえ、レベル表示部が脈動性信号検出ユニットアレイ12に設けられていることにより構成することができる。
The sample
レベル検出部は、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する上記複数のセンサのうちの少なくとも一つのセンサ31からの出力レベルを検出するものである。
The level detection unit detects an output level from at least one of the plurality of sensors 31 that changes as the pulsation signal
レベル表示部は、レベル検出部での検出結果に基づいて出力レベル変化情報を表示するものである。レベル表示部は本検体情報処理装置1における視認しやすい箇所、例えば本装置を検体に装着したときに、本装置の上面となる部位に設けることが好ましい。
The level display unit displays output level change information based on the detection result of the level detection unit. The level display unit is preferably provided at a location that is easily visible in the sample
血管位置の通知を行う検体情報処理装置441を機能的に表わすとき、例えば、図23に示すように構成することができ、レベル検出部442は、PLL(Phase−locked loop)443、タイミング発生部444、サンプルホールド445、446を備えており、レベル表示部447はコンパレータ448、450、及びLED(Light Emitting Diode;発光ダイオード)449、451を備えている。
When functionally representing the sample information processing apparatus 441 that notifies the blood vessel position, it can be configured as shown in FIG. 23, for example. The level detection unit 442 includes a PLL (Phase-locked loop) 443, a timing generation unit, and the like. 444 and sample hold 445 and 446, and the level display unit 447 includes
検体情報処理装置1により脈波を測定する際に、脈動性信号検出ユニットアレイ12を検体に対向させて位置を変えながら脈動性信号の検出をすることで、図22に示すように、脈動性信号検出ユニットアレイ12の脈動性信号検出ユニット11と検体91の動脈血管93との位置関係に応じて、センサ31からの出力レベル(脈波の強さ(振幅))がピークt1〜t8のように順に変化する。ここではt1〜t4において、検体情報処理装置1が検体の動脈血管93に近づくにつれて脈波の振幅が増大し、t4においてピークとなる様子を表わしている。また、t5〜t8において、検体情報処理装置1が検体91の動脈血管93から離れるにつれて振幅が減少している様子を表わしている。
When the pulse information is measured by the sample
測定により得られた脈波は、まずレベル検出部442において、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化するセンサ31からの出力レベルを検出する。一例として、図23に示すように、PLL443、タイミング発生部444、サンプルホールド445、446を利用して、サンプルホールド445から出力されるピーク値と、サンプルホールド446から出力される1ピーク位置分遅延したピークとを、コンパレータ448、450に入力する。
For the pulse wave obtained by the measurement, first, the level detection unit 442 detects the output level from the sensor 31 that changes as the pulsation signal
次に、図23に示すように、レベル表示部において、レベル検出部442からの出力に応じて、出力レベル評価情報を表示する。ここでは、コンパレータ448、450の出力がLowのときに、LED449、451が点灯するように構成されている。このため、コンパレータ450は、サンプルホールド445及びサンプルホールド446からの出力を受けて、サンプルホールド445からの入力がサンプルホールド446からの入力よりも高ければ(図22のt1〜t4の場合)、LED451を点灯させる。コンパレータ448は、サンプルホールド445及びサンプルホールド446からの出力を受けて、サンプルホールド445からの入力がサンプルホールド446からの入力よりも低ければLED449を点灯させる。
Next, as shown in FIG. 23, the level display unit displays the output level evaluation information in accordance with the output from the level detection unit 442. Here, the
LED449、451は、本装置における視認しやすい箇所に設けられているので、動脈血管93の位置に近い、適正な検出位置に対応する部位に本装置1が装着されたことを容易に知ることができる。
Since the
本検体情報処理装置1は上述のように構成されているため、例えば検体として人の手首を周方向に一方向に移動させながら脈動性信号の検出をした場合、動脈血管93から離れた状態のt1のピークから、検体情報処理装置1が動脈血管93に近づくにつれて図22のt2〜t3のようにピークが増大し、動脈血管93に最も近づいたt4においてピークが最大となる。この間、レベル検出部442がセンサ31からの出力レベルを検出して、レベル表示部447はLED449を消灯させ、LED451を点灯させる。さらに、検体情報処理装置1を移動させながら脈動性信号の検出を行うと、検体情報処理装置1が動脈血管93から離れることで、t5〜t8において振幅が減少する。この間、レベル表示部447はLED449を点灯させ、LED451を消灯させる。
Since the present sample
LED449及び451を、脈動性信号検出ユニットアレイ12に設けておき、例えばLED449を赤色、LED451を青色を発するようにすることで、検体情報処理装置1を移動させながら脈動性信号の検出をする場合に、動脈血管93との位置関係をLEDの点灯状態(点灯色)の変化で使用者に通知することができる。これにより、使用者は検体情報処理装置1を操作しながら、検体情報処理装置1に設けられた手元のLEDを確認することで、簡便に動脈血管93に近い適正な位置に本装置を装着して測定を行なうことができる。また、動脈血管93に近い位置での測定が可能となり、強い脈動性信号を検出することができる。
When detecting the pulsation signal while moving the sample
もちろん、LED449が点灯すると、出力レベルの判定結果を示す表示板(例えば、LED449の点灯により「後」と表示される表示板)を照らし、LED451が点灯すると、LED449が照らす表示板とは別の表示板(例えば、LED451の点灯により「前」と表示される表示板)を照らすように構成することも可能である。このように構成することにより、本装置を使用する者は、表示板の表示に従って操作を行うことで容易に動脈血管93の位置を確認することができ、本装置の適正な装着位置を確認することが出来る。
Of course, when the
上述したように、検体情報処理装置1に、レベル検出部442とレベル表示部447とがそなえられ、レベル表示部447が脈動性信号検出ユニットアレイ12に設けられていることにより、簡便に血管の位置情報を取得することが可能となる。また、血管93と対向する位置に近い位置に本装置を装着して測定を行なうことができるため、血管の深さ情報の算出の精度を向上させることができる。また、血管93に近い適正な位置に本装置を装着して測定を行なうことができるため、信号が強くS/N比が高い脈動性信号を検出することができ、脈動の振幅を式(5)に代入することで演算することができる血管の深さ情報の精度を向上させることが可能である。また、周波数復調部61により脈動性信号から抽出される呼吸信号のS/N比及び感度も向上させることができる。
As described above, the sample
ここでは、一つのセンサからの出力レベルにレベル検出部及びレベル表示部を適用して、脈動性信号検出ユニットアレイの移動に伴って変化する一つのセンサ31からの出力レベルを検出して血管位置を通知する場合について説明したが、脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成する複数の脈動性信号検出ユニット11の全てのセンサ31からの出力レベルについて適用してもよく、いずれか一つの脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの出力レベルについて適用してもよい。
Here, the level detection unit and the level display unit are applied to the output level from one sensor, and the output level from one sensor 31 that changes with the movement of the pulsation signal detection unit array is detected. However, the present invention may be applied to the output levels from all the sensors 31 of the plurality of pulsation signal detection units 11 constituting the pulsation signal
複数の脈動性信号検出ユニット11のうち、一つの脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの出力レベルについて適用する場合には、血管93と対向する位置の脈動性信号検出ユニット11のセンサ31について出力レベルを検出して血管位置を通知するようにすることが好ましい。例えば、図24,25に示すように、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11bによって脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成する場合、中央の脈動性信号検出ユニット11bを血管93と対向させて、中央の脈動性信号検出ユニット11bのセンサ31bからの出力レベルに適用することが好ましい。この場合、中央の脈動性信号検出ユニット11bの両端の脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a,31cからの出力レベルが同程度になる点において、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあると判断できる情報をも利用できるためである。
In the case of applying the output level from the sensor 31 of one pulsation signal detection unit 11 among the plurality of pulsation signal detection units 11, the sensor 31 of the pulsation signal detection unit 11 at a position facing the
(その他)
(脈動性検出ユニットアレイと脈動性検出ユニットについて)
上記の実施形態では、3つの脈動性信号検出ユニット11によって脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成している例を挙げて説明したが、脈動性信号検出ユニットアレイ12は、2つまたは4つ以上の脈動性信号検出ユニット11から構成されていてもよい。
(Other)
(About pulsation detection unit array and pulsation detection unit)
In the above embodiment, the example in which the pulsation signal
2つの脈動性信号検出ユニット11によって脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成している場合、血管の位置情報の取得は、少なくとも1つのセンサ31からの出力レベルの変化に基づいて得られるため、3つの脈動性信号検出ユニット11によって脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成している場合と同様に行うことができる。血管の深さ情報の算出は、血管の位置情報を利用して一方の脈動性信号検出ユニット11が血管93に対向する位置になるよう脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置し、その位置においてそれぞれの脈動性信号検出ユニット11のセンサ31によって検出される脈動の振幅と、2つの脈動性信号検出ユニット11間の距離とから、式(5)により算出することができる。
When the pulsation signal
4つの脈動性信号検出ユニット11によって脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成している場合、血管位置情報の取得は、少なくとも1つのセンサ31からの出力レベルの変化に基づいて得られるため、3つの脈動性信号検出ユニット11によって脈動性信号検出ユニットアレイ12を構成している場合と同様に行うことができる。血管の深さ情報の算出は、血管位置情報を利用していずれかの脈動性信号検出ユニット11が血管93に対向する位置になるよう脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置し、その位置において血管93と対向する位置にある脈動性信号検出ユニット11のセンサ31によって検出される脈動の振幅と、他の脈動性信号検出ユニット11のセンサ31によって検出される脈動の振幅と、振幅を測定した2つの脈動性信号検出ユニット11間の距離とから、式(5)により算出することができる。なお、このとき、複数の脈動性信号検出ユニット11が等間隔に設置されている場合には、両端以外に存在する脈動性信号検出ユニット11のセンサ31を血管93に対向する位置になるよう脈動性信号検出ユニットアレイ12を設置することで、血管93に対向する位置にある脈動性信号検出ユニット11と隣接する両隣の脈動性信号検出ユニット11の出力レベルを利用して、脈動性信号検出ユニット11が血管93と対向する位置にあることを確認することができるために好ましい。
When the pulsation signal
(中央の脈動性検出ユニットの位置の通知について)
上述の説明においては、図24,25に示すように、脈動性信号検出ユニットアレイ12が、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cで構成されている場合であって、中央の脈動性信号検出ユニット11bから左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cまでの距離が等しい場合に、脈動性信号検出ユニットアレイ12の中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあるかどうかを確かめる方法として、波形表示器82により表示される左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a,31cからの脈動性信号の波形を確認することで、脈動性信号検出ユニットアレイ12の位置の変化に伴う脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31の出力レベルを検出し、左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a,31cからの脈動性信号の出力レベルが同程度になる点において、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあると判断できることについて説明したが、脈動性信号検出ユニットアレイ12の移動に伴って変化する左右の脈動性信号検出ユニット11a,11cのセンサ31a、31cからの脈動性信号からの出力レベルを検出するレベル検出部と、このレベル検出部での検出結果に基づいて出力レベル変化情報を表示するレベル表示部とをそなえ、レベル表示部が脈動性信号検出ユニットアレイ12に設けられていることにより、中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあることを通知するように構成してもよい。
(About notification of the position of the central pulsation detection unit)
In the above description, as shown in FIGS. 24 and 25, the pulsation signal
このような構成としては、例えば図24,25に示すように、脈動性信号検出ユニットアレイ12が、3つの脈動性信号検出ユニット11a,11b,11cで構成されている場合であって、中央の脈動性信号検出ユニット11bから左右それぞれの脈動性信号検出ユニット11a,11cまでの距離が等しい場合において、図26の点2〜5を結ぶ線を横切るようにして脈動性信号検出ユニットアレイ12を移動させた際に、レベル検出部がセンサ31a及び31cからの出力レベルを検出して、センサ31a及び31cからの出力レベルが同程度になる点において、レベル表示部がLEDを点灯させるように構成することで、LEDの点灯により中央の脈動性信号検出ユニット11bが血管93と対向する位置にあることを通知することができる。
As such a configuration, for example, as shown in FIGS. 24 and 25, the pulsation signal
(信号処理について)
上記の説明においては、脈動性信号の処理を検体情報処理装置1が備えるアナログ回路による処理について説明したが、検体情報処理装置1がデジタル回路、例えばデジタルシグナルプロセッサ(以下、「DSP」ともいう)を含む回路を備え、このデジタル回路により信号をデジタル処理する構成としても良い。また、脈動性信号検出ユニットアレイ12の各センサ31により検出された脈動性信号を、検体情報処理装置1の外部のA/Dコンバータを介してコンピュータ81に出力し、CPUで信号を処理する構成としても良い。
(About signal processing)
In the above description, the processing by the analog circuit included in the sample
1 検体情報処理装置
11,11a,11b,11c 脈動性信号検出ユニット
12 脈動性信号検出ユニットアレイ
21 センサ取付部
22 開口部
23 空洞(Cavity)
24 O−リング
31,31a,31b,31c センサ
32 圧力情報の取込部
33 センサ素子
34 空気室
35 筐体
41 信号処理部
51 信号補正部
61 周波数復調部
71 血管情報検出部
81 コンピュータ
91 検体
92 皮膚
93 血管
DESCRIPTION OF
24 O-
Claims (14)
これらの脈動性信号検出ユニットが並列配置されて、脈動性信号検出ユニットアレイが構成され、
該脈動性信号検出ユニットアレイの各センサからの脈動性信号出力について、所要の演算を施すことにより、該血管の深さ情報を求める血管情報検出部をそなえて構成されたことを特徴とする検体情報処理装置。 A sensor that receives pressure information resulting from a blood vessel pulsation signal in the specimen and detects the blood vessel pulsation signal in the specimen, and a cavity communicating with the pressure information capturing portion of the sensor, and the specimen A sensor mounting portion having a spatial structure in which an opening having a diameter of 3 mm to 10 mm is provided at an opposing portion, the opening is opposed to the sample, and the cavity is closed in a state of being attached to the sample. Provide multiple pulsation signal detection units,
These pulsation signal detection units are arranged in parallel to form a pulsation signal detection unit array,
A specimen characterized by comprising a blood vessel information detection unit that obtains the depth information of the blood vessel by performing a required calculation on the pulsation signal output from each sensor of the pulsation signal detection unit array Information processing device.
該レベル表示部が該脈動性信号検出ユニットアレイに設けられていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の検体情報処理装置。 A level display unit that displays output level change information based on the detection result of the level detection unit;
The sample information processing apparatus according to claim 1, wherein the level display unit is provided in the pulsation signal detection unit array.
該脈動性信号検出ユニットアレイを該血管と交叉する方向に設置し、上記の脈動性信号検出ユニットアレイのうちの1つの脈動性信号検出ユニットが該血管と対向する位置となるように、該脈動性信号検出ユニットアレイを設置し、
その後、該脈動性信号検出ユニットアレイの各センサからの出力を受けて所要の演算を施すことにより、該血管の深さ情報を求めることを特徴とする、検体情報処理方法。 Each of the sensors receives pressure information resulting from the pulsation signal of the blood vessel in the specimen, and has a sensor that detects the pulsation signal of the blood vessel in the specimen, and a cavity that communicates with the pressure information capturing unit of the sensor. A sensor mounting portion having a spatial structure in which an opening having a diameter of 3 mm to 10 mm is provided at a portion facing the sample and the cavity is closed in a state where the opening is mounted on the sample with the opening facing the sample; A pulsation signal detection unit array configured by arranging a plurality of pulsation signal detection units in parallel is prepared,
The pulsation signal detection unit array is installed in a direction crossing the blood vessel, and the pulsation signal detection unit of the pulsation signal detection unit array is positioned so as to face the blood vessel. The sex signal detection unit array is installed,
Thereafter, the specimen information processing method is characterized in that the depth information of the blood vessel is obtained by receiving the output from each sensor of the pulsation signal detection unit array and performing a required calculation.
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