JP2019111293A - 血圧測定方法、血圧測定器、半導体装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】歪みが抑制された脈波信号に基づいて血圧測定を行うことができる。【解決手段】まず、脈波による変動を含む圧力を示す圧力信号を微分して微分波形を生成する。微分波形のピークのそれぞれについて、微分波形の値の符号が変化したことを検出して微分波形の積分を開始し、微分波形の値の符号が再度変化したことを検出して微分波形の積分を終了することで積分波形を生成する。積分波形の値が増加して第１の値となる時刻Ｔ１と、時刻Ｔ１の後に積分波形の値が減少して第２の値となる時刻Ｔ２と、を検出する。時刻Ｔ１における圧力信号の強度に対応する圧力を第１の血圧として算出し、時刻Ｔ２における圧力信号の強度に対応する圧力を第２の血圧として算出する。【選択図】図４

Description

本発明は、血圧測定方法、血圧測定器、半導体装置及びプログラムに関する。

人体の血圧測定を行う血圧測定器が広く用いられている。血圧測定では、腕や手首などに巻きつけたカフで加圧及び減圧を行い、その間に脈波の信号を検出することで、最高血圧及び最低血圧を求めている（例えば、特許文献１）。カフに加えられている空気圧は圧力センサで電気信号に変換され、ハムノイズや加圧モータで生じるノイズが除去され、その後加圧及び減圧による圧力変動が取り除かれることで、脈波信号が得られる。一般に、比較的高周波の成分からなるノイズはローパスフィルタで除去され、緩やかに変動する加圧及び減圧による圧力変動はハイパスフィルタで除去される。

特開２００１−２０４６９５号公報

ところが、ハイパスフィルタは群遅延特性を有する。このため、ハイパスフィルタによるフィルタリング後の脈波信号には群遅延特性に起因する波形のオーバーシュートやアンダーシュートがなどの歪みが生じてしまい、測定結果の劣化を引き起こす。また、この歪みはハイパスフィルタに入力される信号の周波数分布により異なるので、測定の都度または被測定者の相違によって測定誤差が生じてしまう。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態にかかる血圧測定プログラムは、圧力信号を微分して微分波形を生成する処理と、前記微分波形のピークのそれぞれについて、前記微分波形の値の符号が変化したことを検出して前記微分波形の積分を開始し、前記微分波形の値の符号が再度変化したことを検出して前記微分波形の積分を終了することで積分波形を生成する処理と、前記積分波形の値が増加して第１の値となる第１の時刻と、前記第１の時刻の後に前記積分波形の値が減少して第２の値となる第２の時刻と、を検出する処理と、前記第１の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第１の血圧として算出し、前記第２の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第２の血圧として算出する処理と、をコンピュータに実行させる、ものである。

一実施の形態にかかる血圧測定方法は、圧力信号を微分して微分波形を生成し、前記微分波形のピークのそれぞれについて、前記微分波形の値の符号が変化したことを検出して前記微分波形の積分を開始し、前記微分波形の値の符号が再度変化したことを検出して前記微分波形の積分を終了することで積分波形を生成し、前記積分波形の値が増加して第１の値となる第１の時刻と、前記第１の時刻の後に前記積分波形の値が減少して第２の値となる第２の時刻と、を検出し、前記第１の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第１の血圧として算出し、前記第２の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第２の血圧として算出する、ものである。

一実施の形態にかかる血圧測定器は、圧力信号を微分した微分波形を生成する微分演算部と、前記微分波形のピークのそれぞれについて、前記微分波形の値の符号が変化したことを検出して前記微分波形の積分を開始し、前記微分波形の値の符号が再度変化したことを検出して前記微分波形の積分を終了することで積分波形を生成する積分演算部と、前記積分波形の値が増加して第１の値となる第１の時刻と、前記第１の時刻の後に前記積分波形の値が減少してとなる第２の時刻と、を検出する時刻検出部と、前記第１の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第１の血圧として算出し、前記第２の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第２の血圧として算出する血圧算出部と、を有する、ものである。

一実施の形態によれば、歪みが抑制された脈波信号に基づいて血圧測定を行うことができる。

実施の形態１にかかる血圧測定器の構成を模式的に示す図である。 圧力測定部の構成を模式的に示す図である。 制御部の構成を模式的に示す図である。 実施の形態１にかかる血圧測定を示す図である。 実施の形態１にかかる血圧測定における演算を示す図である。 圧力信号の波形を示す図である。 圧力信号の微分波形を示す図である。 減圧期間における微分波形の拡大図である。 圧力信号の波形の拡大図である。 圧力信号の減圧期間における微分波形の条件積分結果の波形を示す図である。 実施の形態２にかかる血圧測定を示す図である。 実施の形態２にかかる血圧測定における演算を示す図である。 加圧期間における圧力信号の拡大図である。 加圧期間における微分波形を反転させた波形の拡大図である。 実施の形態２にかかる血圧測定における演算の変形例を示す図である。 実施の形態３にかかる演算装置の構成を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

実施の形態１
実施の形態１にかかる血圧測定器について説明する。図１に、実施の形態１にかかる血圧測定器１００の構成を模式的に示す。血圧測定器１００は、計測器１０、カフ帯２０及びチューブ２１で構成される。計測器１０とカフ帯２０とは、チューブ２１により連結されている。計測器１０は、チューブ２１を介して、被測定者の腕に巻かれたカフ帯２０内の圧力を制御可能であり、カフ帯２０内の圧力変動を検出することで血圧値を測定する。

計測器１０について説明する。計測器１０は、加減圧部１１、圧力測定部１２、制御部１３、表示部１４及び操作部１５を有する。

加減圧部１１は、例えば加圧ポンプ及び減圧弁などで構成され、チューブ２１を介してカフ帯２０と接続される。加減圧部１１は、制御部１３から与えられる制御信号ＣＯＮ１に応じて、カフ帯２０の加圧及び減圧を行う。具体的には、加減圧部１１は、まずカフ帯２０を加圧し、カフ帯２０内が収縮期血圧値を越える圧力に到達したら加圧を停止し、その後一定の速度でカフ帯２０を減圧する。

圧力測定部１２は、チューブ２１と接続され、制御部１３から与えられる制御信号ＣＯＮ２に応じてチューブ２１内の圧力、すなわちカフ帯２０内の圧力を測定する。図２に、圧力測定部１２の構成を模式的に示す。圧力測定部１２は、圧力センサ１、増幅器２、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ：Analog to Digital Converter）３、ローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）４を有する。圧力センサ１は、カフ帯２０内の圧力の検出結果を示すアナログ信号Ｓ１を出力する。増幅器２は、アナログ信号Ｓ１を増幅し、増幅されたアナログ信号Ｓ２を出力する。ＡＤＣ３は、アナログ信号Ｓ２をデジタル信号Ｓ３に変換し、出力する。ＬＰＦ４は、デジタル信号Ｓ３からノイズに起因する高周波成分をフィルタリングして除去し、フィルタリング後のデジタル信号を圧力信号ＳＰとして出力する。

制御部１３は、上述したように、加減圧部１１及び圧力測定部１２の動作を制御する。また、制御部１３は、信号ＳＤを用いて、表示部１４に測定結果等を表示させる。また、制御部１３は、操作部１５を介したユーザからの入力ＩＮに応じて、例えば血圧測定を開始するために、加減圧部１１、圧力測定部１２及び表示部１４を適宜制御可能である。更に、制御部１３は、圧力測定部１２から出力された圧力信号ＳＰを受け取り、圧力信号ＳＰを信号処理することで、血圧値を算出する演算装置又は演算機能を有する。

制御部１３は、例えば、マイクロコンピュータなどのハードウェア資源を用いて構成可能であり、演算を実行するプログラムを実行することで血圧値を算出することが可能に構成される。

制御部１３の構成例について説明する。図３に、制御部１３の構成を模式的に示す。制御部１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１３Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１３Ｂ及びＲＡＭ（Random Access Memory）１３Ｃを有する半導体装置として構成するこができる。ＣＰＵ１３Ａは、血圧測定器１００の制御及び血圧値算出を行う。ＲＯＭ１３Ｂは、ＣＰＵ１３Ａがバスを介してアクセス可能に構成され、ＣＰＵ１３Ａが演算を実行するためのプログラムやパラメータ等が格納される。ＲＡＭ１３Ｃは、ＣＰＵ１３Ａがバスを介してアクセス可能に構成され、例えば、受け取った圧力信号ＳＰを時系列データとして一時的に蓄積することができる。

表示部１４は、制御部１３からの制御に応じて、例えば、血圧測定の結果や他の情報を選択することができる。表示部１４は、一般的な液晶画面やタッチパネルなどを用いることができる。

操作部１５は、例えば、ボタン等で構成され、ユーザの操作に応じて制御部１３に指令やデータを入力することができる。操作部１５による入力結果は、適宜、表示部１４に表示されてもよい。また、表示部１４にタッチパネルが用いられる場合には、操作部１５による入力動作をタッチ動作に担わせることで、表示部１４及び操作部１５をタッチパネルに統合してもよい。

次いで、本実施の形態にかかる血圧測定について説明する。図４は、実施の形態１にかかる血圧測定を示す図である。図５は、実施の形態１にかかる血圧測定における演算を示す図である。

ステップＳ１１
まず、圧力信号ＳＰの時系列データを取得し、この時系列データに対して微分処理を行う。図６に、圧力信号ＳＰの波形を示す。図７に、圧力信号ＳＰの微分波形を示す。図６に示すように、圧力信号ＳＰは、加圧に伴って信号強度が増加し、その後減圧に転じることで徐々に信号強度が減少する。減圧期間中、脈拍に対応する圧力変動ＰＷが信号強度の上下動として現れる。なお、加圧期間においても脈拍に対応する圧力変動は信号強度の上下動として現れるが、図６では、縮尺の都合上、細かな上下動が生じている部分は太線として表示されている。

加圧期間では圧力が増加するので、微分係数は正の値を基準として上下動する波形となる。これに対し、減圧期間では圧力が減少するので、微分係数は負の値を基準として上下動する波形となる。

図８は、減圧期間における微分波形の拡大図である。図８に示すように、脈波による圧力上昇がない期間では微分値は負の値をとり、脈波による圧力上昇が生じると、微分値は負の値から上昇し、時刻ＴＡでゼロとなり、その後正の値となる。そして、微分値は、最大値に到達した後に減少に転じ、時刻ＴＢでゼロとなり、その後負の値となる。

図９に、圧力信号ＳＰの波形の拡大図を示す。図９に示すように、期間Ｔｓｉｇは、圧力信号ＳＰの波形が極小値から極大値まで立ち上がるまでの期間に相当する。つまり、減圧期間において、圧力信号ＳＰの微分値が正の値となってピークを形成する期間は、圧力信号ＳＰの立ち上がり、すなわち脈波の立ち上がりに相当することが理解できる。

ステップＳ１２
圧力信号ＳＰの減圧期間における微分波形の値が負の値からゼロを跨いで正の値になった場合、換言すれば、微分波形の値の符号が変化した場合（つまり、ゼロクロス検出）、微分波形の積分を開始する。そして、微分波形の値が正の値からゼロを跨いで負の値になった場合（つまり、ゼロクロス検出）、換言すれば、微分波形の値の符号が変化した場合、微分波形の積分を終了する。つまり、圧力信号ＳＰの減圧期間における微分波形は、時刻ＴＡから時刻ＴＢまでの期間Ｔｓｉｇについて、すなわち微分値が正の値となる区間について条件積分される。これにより、結果として、図９の期間Ｔｓｉｇにおける信号強度の差Ｖｓｉｇを正確に見積もることが可能となる。この条件積分は、微分波形の各ピークについて行われることになるので、条件積分結果の波形が得られることとなる。

図１０に、圧力信号ＳＰの減圧期間における微分波形の条件積分結果の波形を示す。図１０に示すように、脈波が現れるタイミングで積分値にピークが生じることが理解できる。減圧期間では、脈波は、圧力信号ＳＰ中に現れてから増加して最大値に到達し、その後減少してゆく。積分値として取得した脈波についても当然に同様の増加傾向及び減少傾向を示す。

ステップＳ１３
減圧期間を開始してから積分値が増加して第１の所定値（第１の値）に到達した時刻Ｔ１（第１の時刻）と、積分値が最大値に到達後に第２の所定値（第２の値）まで減少した時刻Ｔ２（第２の時刻）と、を検出する。ここで、例えば、第１の所定値は積分波形の最大値の４０％、第２の所定値は積分波形の最大値の５０％としてもよい。

ステップＳ１４
そして、時刻Ｔ１での信号強度ＭＡＸに対応する血圧（第１の血圧）を最大血圧、時刻Ｔ２に対応する信号強度ＭＩＮに対応する血圧（第２の血圧）を最低血圧として算出する。

以上、本構成及び本方法によれば、ハイパスフィルタを用いることなく脈波を検出し、検出した脈波を用いて血圧を測定することができる。これにより、ハイパスフィルタの群遅延に起因する圧力信号ＳＰの波形のゆがみの影響を受けることなく、より高精度な血圧測定が可能となる。

実施の形態２
次いで、実施の形態２にかかる血圧測定器について説明する。実施の形態２にかかる血圧測定器の構成は、実施の形態１にかかる血圧測定器１００と同様であるので、説明を省略する。実施の形態１にかかる血圧測定器１００と比較して、実施の形態２にかかる血圧測定器は、血圧測定方法が異なる。以下、実施の形態２にかかる血圧測定器での血圧測定について説明する。

実施の形態１では減圧期間に血圧測定を行ったが、実施の形態２では加圧期間中に血圧測定を行う。図１１に、実施の形態２にかかる血圧測定を示す。図１２に、実施の形態２にかかる血圧測定における演算を示す。

ステップＳ２１
まず、図４のステップＳ１１と同様に、圧力信号ＳＰの時系列データを取得し、この時系列データに対して微分処理を行う。加圧期間では圧力が増加するので、微分係数は正の値を基準として上下動する波形となる。図１３は、加圧期間における圧力信号ＳＰの拡大図である。図１４は、加圧期間における微分波形を反転させた波形の拡大図である。

加圧期間では信号強度は上昇傾向を示すが、脈波が現れると、図１３に示すように、信号強度が増加した後に減少に転じる期間（図１３のＴｓｉｇ）が生じる。つまり、信号強度が減少する事象を捉えることで、脈波を検出することが可能である。信号強度が減少する期間は、図１４においては、信号強度の反転微分値は正の値となる。

ステップＳ２２
図４のステップＳ１２と同様に、圧力信号ＳＰの加圧期間における反転微分波形の値が負の値からゼロを跨いで正の値になった場合、換言すれば、反転微分波形の値の符号が変化した場合（つまり、ゼロクロス検出）、反転微分波形の積分を開始する。そして、反転微分波形の値が正の値からゼロを跨いで負の値になった場合、換言すれば、反転微分波形の値の符号が変化した場合（つまり、ゼロクロス検出）、反転微分波形の積分を終了する。つまり、圧力信号ＳＰの加圧期間における反転微分波形は、時刻ＴＡから時刻ＴＢまでの期間Ｔｓｉｇについて条件積分される。これにより、結果として、図１３の期間Ｔｓｉｇにおける信号強度の差Ｖｓｉｇを正確に見積もることが可能となる。この条件積分は、微分波形の各ピークについて行われることになるので、条件積分結果の波形が得られることとなる。

ステップＳ２３
図４のステップＳ１３と同様に、加圧期間開始後、積分値が増加して第１の所定値（第１の値）に到達した時刻Ｔ３と（第１の時刻）、積分値が最大値に到達した後に第２の所定値（第２の値）まで減少した時刻Ｔ４（第２の時刻）と、を検出する。ここで、例えば、ステップＳ１３と同様に、第１の所定値は積分波形の最大値の４０％、第２の所定値は積分波形の最大値の５０％としてもよい。

ステップＳ２４
時刻Ｔ４での信号強度ＭＡＸに対応する血圧（第２の血圧）を最大血圧、時刻Ｔ３に対応する信号強度ＭＩＮに対応する血圧（第１の血圧）を最低血圧として算出する。

以上、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、微分波形の値の符号の変化を検出して微分波形を条件積分している。これにより、実施の形態１と同様に、加圧期間においても脈波を検出できることが理解できる。

図１２に示した演算の変形例について説明する。図１５に、実施の形態２にかかる血圧測定における演算の変形例を示す。図１５に示すように、図５と同様の微分演算及び条件積分演算を行った後に、算出した値を反転させる。つまり、上述のステップＳ２１とは異なり、微分波形の反転は行われない。この場合、図１５に示すように、微分値が負の場合について条件積分を行うことで、図１２に示す演算と同様の計算結果を得ることができる。

なお、図１１、１２及び図１５に示す値の反転を行わずとも、積分値の負の値のピークを検出することで、上述と同様の血圧測定が可能であることはいうまでもない。

以上、本構成及び本方法によれば、減圧期間だけでなく、加圧期間おいても、ハイパスフィルタを用いることなく脈波を検出し、検出した脈波を用いて血圧を測定することができる。これにより、ハイパスフィルタの群遅延に起因する圧力信号ＳＰの波形のゆがみの影響を受けることなく、より高精度な血圧測定が可能となる。

実施の形態３
次いで、実施の形態３にかかる血圧測定器について説明する。実施の形態１で説明した血圧測定はＣＰＵ１３Ａでの演算で行われるが、実施の形態３では、演算装置３０で演算を行う。図１６に、実施の形態３にかかる演算装置３０の構成を模式的に示す。演算装置３０は、微分演算部３１、積分演算部３２、時刻検出部３３及び血圧算出部３４を有する。

微分演算部３１は、図４のステップＳ１１又は図１１のステップＳ２１に示すように、圧力信号ＳＰの微分波形を生成する。積分演算部３２は、図４のステップＳ１２又は図１１のステップＳ２２に示すように、微分波形を条件積分する。時刻検出部３３は、図４のステップＳ１３又は図１１のステップＳ２３に示すように、時刻Ｔ１及びＴ２又は時刻Ｔ３及びＴ４を検出する。血圧算出部３４は、図４のステップＳ１４又は図１１のステップＳ２４に示すように、時刻Ｔ１及びＴ２又は時刻Ｔ３及びＴ４に対応する最低血圧及び最高血圧を算出する。

以上、本構成によれば、ハイパスフィルタを用いることなく脈波を検出し、検出した脈波を用いて血圧を測定することができる。これにより、ハイパスフィルタの群遅延に起因する圧力信号ＳＰの波形のゆがみの影響を受けることなく、より高精度な血圧測定が可能となる。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態１では、減圧期間の圧力信号の微分波形が正の値となる期間で条件積分を行った。しかし、減圧期間の圧力信号の微分波形が第１の正の閾値よりも増加してから第２の正の閾値まで減少する期間で条件積分を行ってもよい。

実施の形態２では、加圧期間の圧力信号の反転微分波形が正の値となる期間、加圧期間の圧力信号の微分波形が負の値となる期間で条件積分を行った。しかし、加圧期間の圧力信号の反転微分波形が第１の正の閾値よりも増加してから第２の正の閾値まで減少する期間で条件積分を行ってもよい。また、加圧期間の圧力信号の微分波形が第１の負の閾値よりも減少してから第２の負の閾値まで増加する期間で条件積分を行ってもよい。

実施の形態１及び２は組み合わせて用いてもよい。つまり、加圧期間と減圧期間の両方で血圧測定を行ってもよい。この場合、１回の測定動作で２回の血圧測定が行えるので、より精密な血圧測定が可能である。例えば、２回の血圧測定の平均を測定結果としてもよいし、加圧期間で大まかな血圧測定を行い、減圧期間では１回目の測定で得られた血圧値近傍に特化した精密な血圧測定を行ってもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

Ｓ１ アナログ信号
Ｓ２ アナログ信号
Ｓ３ デジタル信号
ＳＰ 圧力信号
１ 圧力センサ
２ 増幅器
３ アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ：Analog to Digital Converter）
４ ローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）
１０ 計測器
１１ 加減圧部
１２ 圧力測定部
１３ 制御部
１４ 表示部
１５ 操作部
２０ カフ帯
２１ チューブ
３０ 演算装置
３１ 期間検出部
３２ 積分演算部
３３ 時刻検出部
３４ 血圧算出部
１００ 血圧測定器

Claims (6)

1. 脈波による変動を含む圧力を示す圧力信号を微分して微分波形を生成する処理と、
   前記微分波形のピークのそれぞれについて、前記微分波形の値の符号が変化したことを検出して前記微分波形の積分を開始し、前記微分波形の値の符号が再度変化したことを検出して前記微分波形の積分を終了することで積分波形を生成する処理と、
   前記積分波形の値が第１の値となる第１の時刻と、前記第１の時刻の後に前記積分波形の値が第２の値となる第２の時刻と、を検出する処理と、
   前記第１の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第１の血圧として算出し、前記第２の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第２の血圧として算出する処理と、をコンピュータに実行させる、
   血圧測定プログラム。
2. 血圧測定の開始後に加圧を行い、その後の減圧を行う間に、前記第１の血圧を最高血圧として検出し、前記第２の血圧を最低血圧として検出する、
   請求項１に記載の血圧測定プログラム。
3. 血圧測定の開始後に加圧を行う間に、前記第１の血圧を最低血圧として検出し、前記第２の血圧を最高血圧として検出する、
   請求項１に記載の血圧測定プログラム。
4. 請求項１に記載の前記血圧測定プログラムが格納された記憶部と、
   前記記憶部に格納された演算部と、を備える、
   半導体装置。
5. 脈波による変動を含む圧力を示す圧力信号を微分して微分波形を生成し、
   前記微分波形のピークのそれぞれについて、前記微分波形の値の符号が変化したことを検出して前記微分波形の積分を開始し、前記微分波形の値の符号が再度変化したことを検出して前記微分波形の積分を終了することで積分波形を生成し、
   前記積分波形の値が第１の値となる第１の時刻と、前記第１の時刻の後に前記積分波形の値が第２の値となる第２の時刻と、を検出し、
   前記第１の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第１の血圧として算出し、前記第２の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第２の血圧として算出する、
   血圧測定方法。
6. 脈波による変動を含む圧力を示す圧力信号を微分した微分波形を生成する微分演算部と、
   前記微分波形のピークのそれぞれについて、前記微分波形の値の符号が変化したことを検出して前記微分波形の積分を開始し、前記微分波形の値の符号が再度変化したことを検出して前記微分波形の積分を終了することで積分波形を生成する積分演算部と、
   前記積分波形の値が増加して第１の値となる第１の時刻と、前記第１の時刻の後に前記積分波形の値が減少して第２の値となる第２の時刻と、を検出する時刻検出部と、
   前記第１の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第１の血圧として算出し、前記第２の時刻における前記圧力信号の強度に対応する圧力を第２の血圧として算出する血圧算出部と、を備える、
   血圧測定器。

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