JP2019058653A - 脈波伝播速度測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
振動波形センサから、時間軸に対する出力Yの変化である振動波形を取得し、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の最初の極大点の時点に基づいて、進行波の開始点を求め、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値、並びに単一の脈波の振動波形の1番目の極小点及び単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のうちいずれか早く到達する時点における単一の脈波の振動波形のY値に基づいて、反射波の開始点を求め、
進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分を求め、
入力された大動脈長の2倍の値を、進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分で除して、脈波伝播速度を求め、
求めた脈波伝播速度を、表示手段に表示することを含む、
コンピュータにより実行される脈波伝播速度測定方法。
振動波形センサから、時間軸に対する出力Yの変化である振動波形を取得し、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の最初の極大点の時点に基づいて、進行波の開始点を求め、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値、並びに単一の脈波の振動波形の1番目の極小点及び単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のうちいずれか早く到達する時点における単一の脈波の振動波形のY値に基づいて、反射波の開始点を求め、
進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分を求め、
入力された大動脈長の2倍の値を、進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分で除して、脈波伝播速度を求め、
求めた脈波伝播速度を、表示手段に表示させる
処理を、コンピュータに実行させるプログラム。
振動波形センサから、時間軸に対する出力Yの変化である振動波形を取得し、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の最初の極大点の時点に基づいて、進行波の開始点を求め、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値、並びに単一の脈波の振動波形の1番目の極小点及び単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のうちいずれか早く到達する時点における単一の脈波の振動波形のY値に基づいて、反射波の開始点を求め、
進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分を求め、
入力された大動脈長の2倍の値を、進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分で除して、脈波伝播速度を求める
ように構成される、処理装置。
図1は、本発明の脈波伝播速度測定装置1の基本構成を示す図面である。本発明の脈波伝播速度測定装置1は、生体内の動脈血管壁を伝播する単一の脈波から、脈波伝播速度を測定するための装置である。より具体的には、脈波伝播速度測定装置1は、プロセッサ2、振動波形センサ3、及び表示手段4を備え、必要に応じて、記憶手段5、入力手段6を備える。また、本発明においては、プロセッサ2及び振動波形センサ3に通信手段を設け、プロセッサ2と振動波形センサ3を無線通信により接続してもよい。
本発明において、振動波形センサ3は、回路基板31と、回路基板31に設けられ、回路基板31の振動を連続して測定し、振動波形を得る圧電素子33と、対象物に接触して、その振動を回路基板31に伝達する振動導入体32と、を有する。このような振動波形センサの具体例としては、国際公開第2016/167202号パンフレットに開示されたものを挙げることができる。以下、振動波形センサの非限定的な具体例について説明する。
ここで、回路基板31は、圧電素子33を固定支持するとともに、その電極の引出や信号増幅を行うためのもので、ガラスエポキシやセラミック等により形成される。回路基板31の主面には、中央付近に一対の電極ランド34が設けられており、その周囲にはグランド導体36が形成されている。電極ランド34は、回路基板31の裏面側にスルーホール35により引き出されている。電極ランド34には、圧電素子33の端子(図示せず)が導電性接着剤等で接合されている。このように、電極ランド34及びスルーホール35によって、回路基板31の裏面側に設けたアンプ(後述)等と圧電素子33が接続されている。圧電素子33としては、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)が使用される。また、電極ランド34を覆うように絶縁性の樹脂が設けられていてもよい。このとき、圧電素子33も樹脂で覆われていてもよい。
次に、圧電素子33には、それを囲むように、リング状の振動導入体32が設けられており、振動導入体32はグランド導体36と電気的に接続されている。また、グランド導体36は、スルーホール35によって回路基板31の裏面側に引き出されている。振動導入体32は、例えば、ステンレスによって形成されて導電性を有しており、接触する人体の皮膚との間でグランド電位を共通するとともに、皮膚の振動を導入して、更に回路基板31に伝達する。皮膚の振動は、振動導入体32に伝達されるとともに、振動導入体32から回路基板31に伝達される。回路基板31は、振動体としても機能し、振動導入体32から伝達された振動は、圧電素子33に伝達されるようになっている。このリング状の振動導入体32により、キャビティ37が形成されている。
図2は、本発明で使用する振動波形センサ3の(A)断面図、(B)分解斜視図、(C)平面図を示す図面であり、図3は、本発明の振動波形センサ3の作動状態を示す図面である。この振動波形センサ3は、人体の心臓の拍動に伴って身体組織のある部分への血液の流入によって生じる血管の容積変化を体表面から波形としてとらえたものである脈波から、振動波形を得るものである。脈波は、皮膚を介して振動導入体32に伝わり、振動導入体32の振動は、更に、回路基板31を振動させ、これが圧電素子33に伝達される。すると、圧電素子33が変位し、脈波の振動が電気信号に変換される。これが、回路基板31のアンプにより増幅されて出力される。なお、出力される波形信号は、主に圧電素子33の長辺方向の変位に基づくものである。
本発明においては、時間軸に対する振動波形センサ3の出力Yの変化を振動波形とするとき、脈波伝播速度測定装置1に備えられるプロセッサ2が、単一の脈波の振動波形について、以下に示す演算処理を行うことにより、脈波伝播速度を算出する。ここで、脈波伝播速度については、進行波の開始点と、反射波の開始点の時間差を求め、この時間差で、大動脈長の2倍の値を除算することにより求められる。よって、以下に示す第1工程から第4工程の演算処理は、進行波の開始点の時点を求めるステップ(第1工程)と、反射波の開始点の時点を求めるステップ(第2工程)と、進行波の開始点と、反射波の開始点の時間差を求めるステップ(第3工程)と、入力手段6により入力された、大動脈長の2倍の値を、第3工程で求めた時間差で除算するステップ(第4工程)と、から構成される。
第1工程においては、単一の脈波の振動波形の2回微分波形の最初の極大点の時点を求めて、進行波の開始点とする。なお、信号SNRによっては誤差を減らすため単一脈波の振動波形の最初の負から正に至るゼロ点、あるいは両者の平均値の時点を進行波の開始点としてもよい。
第2工程においては、単一の脈波の振動波形の2回微分波形の2番目の極大点の時点(図8中の丸1)、単一の脈波の振動波形の1回微分波形の2番目の極大点の時点(図8中の丸2)、単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値、単一の脈波の振動波形の1番目の極小点の時点におけるY値、単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点の時点におけるY値から、反射波の開始点を求める。特に、上記のY値については、単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値に加えて、単一の脈波の振動波形の1番目の極小点及び3番目の変曲点のうちいずれか早く到達する時点におけるY値を利用する。ここで、従来の技術においては脈波に対する圧力センサを使用するため、反射波のピークや開始点の時点等を求めるために、3回微分から4回微分といった演算処理が行われている。しかしながら、上述のとおり、微分の回数が多くなればなるほど、SN比が低下してしまい、高い精度で脈波伝播速度を得ることができないという問題がある。本発明においては、振動波形及び1回微分波形、最も微分回数が多い場合でも、2回微分波形までの情報しか使用しないので、結果として、高精度で、反射波の開始点の時点を特定でき、高精度で脈波伝播速度を算出することができる。なお、単一の脈波の振動波形の極大点の時点とは、単一の脈波の振動波形の1回微分波形の正から負に至るゼロ点の時点と同義であり、単一の脈波の振動波形の極小点の時点とは、単一の脈波の振動波形の1回微分波形の負から正に至るゼロ点の時点と同義であり、単一の脈波の振動波形の変曲点の時点とは、単一の脈波の振動波形の2回微分波形のゼロ点の時点と同義である。
この係数Cについては、(1)単一の脈波の振動波形の1番目の極小点が、単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点よりも早く到達する場合と、(2)単一の脈波の振動波形の1番目の極小点が、単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点よりも遅く到達する場合とで、それぞれ異なる方式により計算される。
C={(単一の脈波の振動波形の1番目の極小点のY値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値)−C2}×C1 (式1)
C={(単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のY値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値)−C2}×C1 (式2)
なお、C1は、1以上3以下の補正係数であり、C2は、−0.3以上0.3以下の補正係数である。
第3工程においては、第1工程で求めた進行波の開始点の時点と、第2工程で求めた反射波の開始点の時点の差分を算出する。
第4工程においては、入力手段6により入力された大動脈長を2倍し、第3工程で得られた差分で除して、脈波伝播速度を算出する。なお、反射波は反射点で折り返し大動脈を往復して伝播し、その伝播時間が進行波の開始点と反射波の開始点の差分として測定されると考えられるから、大動脈長を2倍とする操作が必要となる。
本発明の脈波伝播速度測定装置1は、基本的には、人体の上半身の任意の場所で得られる脈波から、振動波形を得ることにより、脈波伝播速度を測定することができるものではあるが、好ましくは、橈骨手根骨関節近傍、上腕の1地点、又は頚動脈の1地点において測定される単一の脈波から、脈波伝播速度を測定することが好ましい。
以下で説明する他の実施形態は、上述した実施形態における(式1)及び(式2)が、以下の(式3)及び(式4)でそれぞれ置換された点が異なる。
C={(単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のY値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値)−C2−(1−PW50/C3)}×C1 (式4)
式3及び式4において、PW50は、心臓収縮特性を表す指標であり、単一脈波の振動波形の50%振幅位置での時間幅に対応する。なお、単一脈波の振動波形の50%振幅位置での時間幅とは、単一の脈波の振動波形における0とピーク間を振幅としたとき、振動波形における振幅がピーク値の50%を超える時間幅である。C3は補正係数(単位:msec)であり、例えば50〜70である。PW50は、被験者ごとにリアルタイムに取得可能な測定値を用いることができる。
C={(単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のY値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値)+PW50/C3+C4}×C1 (式4’)
ここで、C4は、補正係数であり、C4=−C2−1である。なお、C3及びC4は、多様な年齢に係る複数の被験者の測定結果に適合するように同定されてもよい。例えば、これまでに報告されているPWV測定における年齢対脈波伝搬速度の定性的な関連性が保持されるように同定される。
ここで、図5及び図6を参照して、PW50等について更に説明する。図5は、PW50の説明図である。図5には、横軸に時間を取り、縦軸に相対信号振幅(%)を取り、単一脈波の振動波形501と、その積分波形502が示されている。図6は、PW50と年齢との相関性を示す図である。図6では、横軸に年齢を取り、縦軸にPW50(単位:msec)を取り、PW50と年齢との相関性を示す直線600が示される。図6には、健康な20歳〜73歳の男性(18名)、及び女性(17名)の計35名の測定結果がプロットされている。
国際公開第2016/167202号パンフレットに記載された内容に従って、振動波形センサを作製した。この振動波形センサと、タブレット端末とを、無線通信で接続するとともに、タブレット端末に、以下の演算処理を実行させるようプログラムした。
第1工程
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の最初の極大点の時点を求めて、進行波の開始点とする。
以下の式に基づいて、反射波の開始点とした。
ここで、係数Cについては、以下のように決定した。
C={(単一の脈波の振動波形の1番目の極小点のY値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値)−C2}×C1
C={(単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のY値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値)−C2}×C1
例えば、C1は、2.0又は2.2であり、C2は、0である。
進行波の開始点、及び前記反射波の開始点の差分を求める。
入力された大動脈長の2倍の値を、進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分で除して、脈波伝播速度を求める。
Alyssa A.Torjesen,et.al.,“Forward and Backward Wave Morphology and Central Pressure Augmentation in Men and Women in the Framingham Heart Study”,Hypertension(64),2014,259−265の図1に開示された中年被験者の脈波(Low AI)と、老年被験者の脈波(High AI)を図4に示す。なお、図4において、上側が圧脈波、下側が、抽出された反射波を示す。この2つの脈波から、それぞれ、振動波形、1回微分波形、2回微分波形を算出した(図8及び図9)。なお、図8は、Low AIに関し、図9は、High AIに関する。
High AI:C={(単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のY2値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY1値)−C2}×C1
ここで、C1は2.0であり、C2は0である。
図10に示すように、実施例1の脈波伝播速度測定装置を使用して、63歳男性被験者の脈波を実測した。得られた脈波の1回積分波形を、波形Measured waveで示す。この63歳男性被験者の脈波から、反射波を推定分離した。得られた反射波を、波形Reflected waveで示す。なお、この63歳男性被験者の脈波について、測定された進行波(Forward wave)の開始点と反射波の開始点の差は、120msecであった。この63歳男性被験者よりもより若年の者の脈波のサンプルとして、反射波を+40msec移動させ振幅を0.7倍した脈波を合成した。また、この63歳男性被験者よりもより高齢な者の脈波のサンプルとして、反射波を−40msec移動させ振幅を1.1倍した脈波を合成した。若年者の反射波をReflected+40、高齢者の反射波をReflected−40として、これを進行波Fと合成し、若年者の脈波の1回積分波形Estimated+40と、高齢者の脈波の1回積分波形Estimated−40を合成した(図10)。
血圧降下剤などの服用のない健康な男性12名、及び女性3名について、実施例1の脈波伝播速度測定装置を用いて、脈波伝播速度を測定した。測定部位は左橈骨とし、サンプリング周波数400Hz、量子化ビット数12bit、遮断周波数33HzのDigital low pass filter ONの条件で約40秒間に得られた30から40の脈波を計算に用いた。
実施例5として、上述した式3及び式4を用いてAoPWV(大動脈脈波伝播速度)値を推定した。
具体的には、血圧降下剤などの服用のない健康な20歳〜73歳の男性18名、及び女性17名の計35名について、実施例1の脈波伝播速度測定装置を用いて、脈波伝播速度を測定した。測定部位は左橈骨とし、サンプリング周波数400Hz、量子化ビット数12bit、遮断周波数33HzのDigital low pass filter ONの条件で約50秒間に得られた45から75の脈波を計算に用いた。
なお、実施例4よりも相関係数がやや低下したのは測定被験者数が増加したためであり、特に60歳以上の中高年女性の増加によるものと考えられる。一般的に、加齢とともに動脈硬化の進展度合いは個人による差が広がる傾向にあるためである。
2 プロセッサ
3 振動波形センサ
31 回路基板
32 振動導入体
33 圧電素子
34 電極ランド
35 スルーホール
36 グランド導体
37 キャビティ
4 表示手段
5 記憶手段
6 入力手段
Claims (12)
- 生体内を伝播する単一の脈波から、脈波伝播速度を測定するための脈波伝播速度測定装置であって、
プロセッサ、振動波形センサ、及び表示手段を備え、
振動波形センサが、
回路基板と、
前記回路基板に設けられ、前記回路基板の振動を連続して測定し、振動波形を得る圧電素子と、
対象物に接触して、その振動を前記回路基板に伝達する振動導入体と、を有し、
時間軸に対する振動波形センサの出力Yの変化を振動波形とするとき、
プロセッサが、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の最初の極大点の時点を求めて、進行波の開始点とする第1工程と、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値、並びに単一の脈波の振動波形の1番目の極小点及び単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のうちいずれか早く到達する時点における単一の脈波の振動波形のY値から、反射波の開始点を求める第2工程と、
進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分を求める第3工程と、
入力された大動脈長の2倍の値を、進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分で除して、脈波伝播速度を求める第4工程と、を実行し、
プロセッサにより計算された脈波伝播速度を、表示手段に表示する、脈波伝播速度測定装置。 - 第2工程において、下記式で計算される時点を、反射波の開始点とする、請求項1に記載の脈波伝播速度測定装置。
反射波の開始点=(単一の脈波の振動波形の2回微分波形の2番目の極大点の時点)−{(単一の脈波の振動波形の1回微分波形の2番目の極大点の時点)−(単一の脈波の振動波形の2回微分波形の2番目の極大点の時点)}×C
(ここで、Cは、単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値、並びに単一の脈波の振動波形の1番目の極小点及び単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のうちいずれか早く到達する時点におけるY値から定められる値である。) - 単一の脈波の振動波形の1番目の極小点が、単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点よりも早く到達する場合、Cの値が、以下の式により求められる、請求項2に記載の脈波伝播速度測定装置。
C={(単一の脈波の振動波形の1番目の極小点のY値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値)−C2}×C1
(ここで、C1は、1以上3以下の補正係数であり、C2は、−0.3以上0.3以下の補正係数である。) - 単一の脈波の振動波形の1番目の極小点が、単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点よりも早く到達する場合、Cの値が、以下の式により求められる、請求項2に記載の脈波伝播速度測定装置。
C={(単一の脈波の振動波形の1番目の極小点のY値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値)+PW50/C3+C4}×C1
(ここで、C1は、1以上3以下の補正係数であり、PW50は、前記対象物の心臓の収縮能力に相関するパラメータであり、C3及びC4は、係数である。) - 単一の脈波の振動波形の1番目の極小点が、単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点よりも遅く到達する場合、Cの値が、以下の式により求められる、請求項2に記載の脈波伝播速度測定装置。
C={(単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のY値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値)−C2}×C1
(ここで、C1は、1以上3以下の補正係数であり、C2は、−0.3以上0.3以下の補正係数である。) - 単一の脈波の振動波形の1番目の極小点が、単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点よりも遅く到達する場合、Cの値が、以下の式により求められる、請求項2に記載の脈波伝播速度測定装置。
C={(単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のY値)/(単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値)+PW50/C3+C4}×C1
(ここで、C1は、1以上3以下の補正係数であり、PW50は、前記対象物の心臓の収縮能力に相関するパラメータであり、C3及びC4は、係数である。) - 前記PW50は、単一の脈波の振動波形における振幅がピーク値の50%を超える時間幅に対応する、請求項4又は6に記載の脈波伝播速度測定装置。
- 振動波形を得る前、又は振動波形を得た後において、表示手段に、鎖骨中心−臍間の距離及び/又は身長を、大動脈中の実効反射サイトの位置を推定する基準値として入力することを促す表示を表示する、請求項1から7の何れかに記載の脈波伝播速度測定装置。
- 橈骨手根骨関節近傍の1地点、上腕の1地点、又は頚動脈の1地点において測定される単一の脈波から、脈波伝播速度を測定する、請求項1から8の何れかに記載の脈波伝播速度測定装置。
- 生体内を伝播する単一の脈波から、脈波伝播速度を測定するための脈波伝播速度測定方法であって、
振動波形センサから、時間軸に対する出力Yの変化である振動波形を取得し、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の最初の極大点の時点に基づいて、進行波の開始点を求め、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値、並びに単一の脈波の振動波形の1番目の極小点及び単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のうちいずれか早く到達する時点における単一の脈波の振動波形のY値に基づいて、反射波の開始点を求め、
進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分を求め、
入力された大動脈長の2倍の値を、進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分で除して、脈波伝播速度を求め、
求めた脈波伝播速度を、表示手段に表示することを含む、
コンピュータにより実行される脈波伝播速度測定方法。 - 生体内を伝播する単一の脈波から、脈波伝播速度を測定するための脈波伝播速度測定用プログラムであって、
振動波形センサから、時間軸に対する出力Yの変化である振動波形を取得し、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の最初の極大点の時点に基づいて、進行波の開始点を求め、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値、並びに単一の脈波の振動波形の1番目の極小点及び単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のうちいずれか早く到達する時点における単一の脈波の振動波形のY値に基づいて、反射波の開始点を求め、
進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分を求め、
入力された大動脈長の2倍の値を、進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分で除して、脈波伝播速度を求め、
求めた脈波伝播速度を、表示手段に表示させる
処理を、コンピュータに実行させるプログラム。 - 生体内を伝播する単一の脈波から、脈波伝播速度を測定するための処理装置であって、
振動波形センサから、時間軸に対する出力Yの変化である振動波形を取得し、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の最初の極大点の時点に基づいて、進行波の開始点を求め、
単一の脈波の振動波形の2回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1回微分波形の2番目の極大点の時点、単一の脈波の振動波形の1番目の極大点のY値、並びに単一の脈波の振動波形の1番目の極小点及び単一の脈波の振動波形の3番目の変曲点のうちいずれか早く到達する時点における単一の脈波の振動波形のY値に基づいて、反射波の開始点を求め、
進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分を求め、
入力された大動脈長の2倍の値を、進行波の開始点、及び反射波の開始点の差分で除して、脈波伝播速度を求める
ように構成される、処理装置。
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