JP2021003478A - 生体センサ - Google Patents

Abstract

【課題】生体の静止組織ならびに、センサと生体における相対的な体動の影響を受けにくい高感度の血流量センサを提供する。【解決手段】発光素子からの可干渉性の光で生体を照射した際に発生する生体内部組織からの散乱光を検出することで生体情報を得る生体センサにおいて、血液からの反射あるいは透過散乱光と生体の静止組織からの散乱光の干渉光がピンホールを通して、受光素子で受光される出力をフーリエ変換により得られるパワースペクトルにおいて、体動によるスペクトルの乱れの部分をカットして一次モーメントを求めることによる脈波センサを特徴とする生体センサ。【選択図】 図２

Description

本発明は、振動の影響を受けにくい高感度の生体センサに関するものである。

臨床診断用、ヘルスケアモニタリング用の測定センサや、インプラント可能、携帯可能なセンサへの需要が飛躍的に高まっている。特に携帯可能なセンサにおいて、腕時計タイプの脈波センサは健康状態と密接な関係がある脈波数や心電信号の時間間隔（Ｒ−Ｒ距離）に代わる脈波ピーク間の時間間隔の測定が可能で、心電計の代わりに脈波信号のピーク間の時間間隔のゆらぎによってストレス等の自律神経の活動を検知できることが知られている。このような腕時計タイプの脈波センサに対しては、生体に装着して使用することから、日常における体動や運動中等の振動の影響を受けにくいことが強く要求される。

これまでの脈波センサは主に脈動時、光が透過する血管の厚さに変化が生じることにより吸光度が変化する原理に基づいている。そのため光源には必ずしも可干渉性のあるレーザの使用は必要なくＬＥＤ（Light Emitting Diode）が使用されている。

一方、静止組織と血管内を流れる血液からの散乱光との干渉光を、ピンホール（導光部）を通して受光素子で検出した信号出力を高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：FFT）し求めたパワースペクトルの一次モーメントにより血流量に比例した値を得ることができ、その値の脈波形状部分を抽出することにより、脈波センサとして使用することもできる。この方法は、血液の動きのみならず体動の影響がフーリエ変化後に得られるスペクトル分布に反映される。

特許文献１は発明者による先行技術であり、ピンホールを受光素子の受光面上に載置し、受光出力のスペクトル分布から血流量に比例するパワースペクトルの一次モーメントを算出し、脈波形状も含めた血流量を得ることができる。先行技術は、吸光度に基づく脈波センサよりも振動の影響を受けにくいという特徴を有していたものの、体動の影響を受け脈波形状に乱れが起こり、脈波ピーク間の時間間隔のゆらぎなどを求めることが困難なことが多々あった。

非特許文献１は、発明者らによる先行技術であり、血流量信号の脈波形状から、心電計のＲ−Ｒ距離に対応する脈波ピーク間の時間間隔を求めることにより、心電によるＲ−Ｒ距離測定結果と高い相関関係で同様の自律神経の活動を検出できることを示したものである。しかし、心電信号同様、血流量信号そのものは体動の影響を受け脈波形状に乱れが起こり、脈波ピーク間の時間間隔のゆらぎなどを求めることが困難なことが多々あった。

特許第４０６１４０９号（特願２００４−３２４９３７）

Akiyama Terukazu, Miyazaki Tatsuya, Ito Hiroki, Nogami Hirofumi, Higurashi Eiji, Ando Shin-ichi, Sawada Renshi, Comparable Accuracy of Micro-Electromechanical Blood Flowmetry Based Analysis versus Electrocardiography Based Analysis in Evaluating Heart Rate Variability, Circulation Journal, Vol.79, April, pp.794-801, 2015.

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、歩行中やジョッギング中、スポーツ中における体動の影響を受けにくい脈波センサを提供することを目的とする。

本発明は、従来の吸光度に基づく脈波検出に代わり、静止組織と血管内の血液からの散乱光の干渉光を、ピンホールを通して受光素子で検出した信号出力をフーリエ変換し求めたパワースペクトルから、体動等によりノイズとして追加される生体とデバイス間に生じるドップラーシフトの周波数をカットし、一次モーメントを算出しても脈波形状信号を得ることができることを見出し、体動の影響を受けにくい脈波センサを実現している。

本発明の脈波センサは、高感度でかつ体動の影響を受けにくい利点がある。

図１は本発明の実施例１に関する脈波センサとして使用する血流量センサの断面模式図である。 図２は本発明の実施例１に関する脈波センサとして使用する血流量センサの検出方法の説明図である。 図３は歩行中における腕時計タイプデバイスと装着部位との相対振動スペクトル（ドップラーシフト）の包絡線で表した分布である。 図４は本発明の実施例１に関する脈波センサとして使用する血流量センサと脈波センサとの振動の影響を比較検討するための実験系である。 図５は本発明の実施例１に関する脈波センサとして使用する血流量センサと脈波センサとの振動の影響を比較検討するために、血流量センサを人差し指に装着し、腕を２Hzの周期で往復振動させた状態で、カットオフ周波数を変化させたときのパワースペクトルの一次モーメントの算出結果である。 図６は本発明の実施例１に関する脈波センサとして使用する血流量センサと脈波センサとの振動の影響を比較検討した結果で、腕を２Hzの周期で往復振動させたときの中指に装着した従来の脈波センサの出力である。 図７は本発明の実施例１に関する脈波センサとして使用する血流量センサと脈波センサとの振動の影響を比較検討するために、腕を２Hzの周期で往復振動させたときの薬指に装着した加速度センサの出力である。

本発明ではデバイスと装着部位との相対移動に基づくドップラーシフの影響を受けにくいデバイスを、光学系構成部品を特に加える事なく実現した。

以下、本発明のセンサを、その実施形態に基づいて説明する。以下においては、生体センサの一例として血流量センサに用いた場合について説明する。

図１は、本発明の第一実施形態に係わる脈波センサの概略構成を示す断面模式図である。脈波センサの光学系１は発光素子２から出射した可干渉性のレーザ光の一部の光３は生体内部４に拡散した後、生体内の血液５や静止組織６で反射し散乱する。その血液で反射した散乱光７と生体の静止組織６からの散乱光８の干渉光９がピンホール１０を通して、受光素子１１で受光される。受光出力をフーリエ変換した後、血流量に比例するパワースペクトルの一次モーメントを算出する。

振動等の影響を受けにくい脈波センサとして使用するには、受光出力をフーリエ変換した後、下記の式（１）でパワースペクトルの一次モーメントを算出することにより、振動の影響により大きく変化するスペクトルの部分を除去する。

ただし、Ａは脈波信号、ｋは比例定数、ωは周波数、Ｐ（ω）はパワースペクトルであり、ωcはカットオフ周波数、ωeはパワースペクトルの算出の積分時における上限の周波数で、ヒトの血流量の算出では、経験上２０ｋHz程度を用いている。

図２は図１のフォトダイオードにて受光した出力をフーリエ変換して得るパワースペクトル分布、ならびに血流量に比例する一次モーメントを算出する過程、ならびに振動の影響を受けにくい脈波センサとして使用するための振動のスペクトルを除去する信号検出法を示した説明図である。本発明の主体は受光出力の算出方法にあるので、電子、機構系の説明は省略する。

静止組織と血管内の血液からの散乱光の干渉光がピンホールを通過してフォトダイオードで受光して得られた出力を高速フーリエ変換し、周波数ωの関数のパワースぺクトルP(ω)を算出する。パワースペクトルP(ω)の一次モーメントが確率、統計的に血流量に比例する。この血流量信号には、脈波形状も同時に観察される。本発明では、この血流量信号における脈波形状のみを使用する。

図３は歩行中における腕時計タイプデバイスと装着部位との相対振動スぺクトル（ドップラーシフト）分布の包絡線を示す。体動によるドップラーシフトのスペクトル分布は主に５KHz付近にピークをもち広く分布しているが、そのスペクトルは８ｋHｚを超えると小さくなることが分かった。

図４に、本発明の生体センサ（血流量センサ）と、従来の脈波センサによる振動の影響を調べるための実験系を示す。人差し指に脈波センサとして使用する本発明の生体センサを装着するとともに、中指に従来の吸光度に基づく脈波センサを装着し、更に薬指に３軸の加速度センサを装着して実験を行った。腕を２Hzの周期で往復振動させたとき、本発明の生体センサ（血流量センサ）を脈波センサとして用い、式（１）で、ωe ＝２０ｋＨｚ、ωｃ＝０．１ｋＨｚ、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１２ｋＨｚ、１５ｋＨｚとして求めたパワースペクトルの一次モーメントの算出結果を図５に、従来の脈波センサの出力を図６、加速度センサの出力を図７に示す。従来の脈波センサの出力は、腕の往復振動の影響を大きく受けており、脈波の判別が困難となる。一方、本発明の脈波センサとして使用する生体センサ（血流量センサ）の出力は周波数カット値ωcを大きくするにつれて、パワースペクトルの一次モーメントの算出値は大きく変化するものの、脈波形状のピークは腕の往復振動の影響を受けにくい状態で保たれている。すなわち、本発明の生体センサ（血流量センサ）を用いれば、体動による１０ｋHｚまでの影響を除去することで精度の高い脈波形状のピーク値を得ることが可能であると言える。また、カットオフ周波数が１２ｋＨｚでも十分に脈波のピークを検出可能である。また、図３の歩行中におけるスペクトル分布のデータから、歩行中での体動の影響は、カットオフ周波数を８ｋＨｚ以上にすることにより除去できることが分かる。

実施例１で、発光素子と受光素子を同じ側に載置し血液からの反射散乱光を用いているが、、発光素子と受光素子で生体を挟むように載置し、血液を通過した透過散乱光を用いることによっても同様な効果を有する。

本発明の生体センサ（血流量センサ）を適用することにより、より高感度で、体動の影響を受けにくいことから、ヒトの運動時、携帯時における生体情報のみならず、動物の生体状態に関する情報の取得に使用する脈波センサとしての利用が有益となる。

１ センサの光学系
２ 可干渉性発光素子
３ 発光素子から出射した光
４ 生体
５ 血管内の血液
６ 生体内の静止組織
７ 血液で反射した散乱光
８ 静止組織で反射した散乱光
９ 血液で反射した散乱光と静止組織で反射した散乱光の干渉光
１０ ピンホール
１１ 受光素子（フォトダイオード）

Claims (2)

1. 発光素子からの可干渉性の光で生体を照射した際に発生する生体内部組織からの散乱光を検出することで生体情報を得る生体センサにおいて、血液からの反射あるいは透過散乱光と生体の静止組織からの散乱光の干渉光がピンホールを通して、受光素子で受光される出力をフーリエ変換した後、血流量に比例するパワースペクトルの一次モーメントを算出する際に、体動によるスペクトルの乱れの部分をカットする周波数を下限とする積分により求めたパワースペクトルの一次モーメントからなる値を信号とする脈波センサを特徴とする生体センサ。
2. 前記カット周波数を８ｋHｚ以上とし、そのカット周波数から２０ｋHｚ以上の周波数においてパワースペクトル分布の一次モーメントを求め脈波信号とすることを特徴とする請求項１に記載の生体センサ。