JP3092369B2

JP3092369B2 - 脈波解析装置

Info

Publication number: JP3092369B2
Application number: JP05001431A
Authority: JP
Inventors: 和彦天野; 宏笠原; 仁石山; 和夫児玉
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1993-01-07
Filing date: 1993-01-07
Publication date: 2000-09-25
Anticipated expiration: 2015-09-25
Also published as: JPH06205747A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は人体の循環器系の診断
に使用される脈波解析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】循環器系の状態を診断する場合、最も一
般的に測定されるのが血圧や心拍数である。しかし、さ
らに詳しい診断を行うためには血管の粘性抵抗やコンプ
ライアンス（粘弾性）といった循環動態パラメータを測
定することが必要となる。従来、このような循環動態パ
ラメータを測定するためには、大動脈起始部と切痕部の
圧力波形及び血流量を測定する必要があり、その測定法
としては、動脈にカテーテルを挿入し直接測定する方法
または超音波等で間接的に測定する方法があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の測定方法のうち前者の方法は侵襲的な大がかり
な装置を必要とするという問題があった。一方、後者の
方法によれば、血管内の血流を非侵襲的に観測すること
ができが、この方法は熟練を要するものであり、また、
測定のための装置も大掛かりなものとなってしまうとい
う問題があった。

【０００４】この発明は上述した事情に鑑みてなされた
ものであり、安価な構成であり、かつ、非侵襲的に循環
動態パラメータの評価をすることができる脈波解析装置
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
動脈波を検出する脈波検出手段と、人体の動脈系の中枢
部から末梢部に至る系を模した電気回路の各素子の値を
算出する手段であって、大動脈起始部の圧力波に対応し
た電気信号を与えたときに該電気回路から得られる出力
信号波形が前記動脈波に対応した波形となるように該電
気回路の各素子の値を算定する評価手段と、前記評価手
段による前記電気回路の各素子の算定結果を記録する記
録手段と、を具備し、前記脈波検出手段が前記動脈波を
繰り返し検出すると共に前記評価手段が前記脈波検出手
段により検出される動脈波に基づき前記電気回路の各素
子の値を繰り返し算定することを特徴とする脈波解析装
置を要旨とする。請求項２に係る発明は、患者の動脈波
を検出する脈波検出手段と、前記患者の１回拍出量を検
出する１回拍出量検出手段と、人体の動脈中枢部から末
梢部に至る系を模したモデルとして、前記動脈系中枢部
での血液粘性による血管抵抗に対応した第１の抵抗、前
記動脈系中枢部での血液の慣性に対応したインダクタン
ス、前記動脈中枢部での血管の粘弾性に対応した静電容
量、および前記末梢部での血管抵抗に対応した第２の抵
抗とを有し、１対の入力端子間に前記第１の抵抗および
インダクタンスからなる直列回路と前記静電容量および
第２の抵抗からなる並列回路とが順次直列に介挿されて
なる四要素集中定数モデルを想定し、前記入力端子間に
大動脈起始部の圧力波に対応した電気信号を与えたとき
に前記静電容量および第２の抵抗の両端から前記動脈波
に対応した電気信号が得られるように前記四要素集中定
数モデルの各定数を特定する手段であり、前記１回拍出
量に基づいて前記インダクタンスの値を算出し、該イン
ダクタンスの値、前記動脈波形の角周波数および減衰率
に基づいて前記第１の抵抗、インダクタンス、静電容量
および第２の抵抗の各値を算出し、これらの算出結果を
循環動態パラメータとして出力するパラメータ評価手段
と、を具備し、前記大動脈起始部の圧力波に対応した電
気信号として脈波の１拍の長さに対応した周期ｔPを有
する周期波形ｅ（ｔ）を使用することを特徴とする脈波
解析装置を要旨とする。請求項３に係る発明は、患者の
動脈波を検出する脈波検出手段と、前記患者の血流量を
検出する血流量検出手段と、人体の動脈中枢部から末梢
部に至る系を模したモデルとして、前記動脈系中枢部で
の血液粘性による血管抵抗に対応した第１の抵抗、前記
動脈系中枢部での血液の慣性に対応したインダクタン
ス、前記動脈中枢部での血管の粘弾性に対応した静電容
量、および前記末梢部での血管抵抗に対応した第２の抵
抗とを有し、１対の入力端子間に前記第１の抵抗および
インダクタンスからなる直列回路と前記静電容量および
第２の抵抗からなる並列回路とが順次直列に介挿されて
なる四要素集中定数モデルを想定し、前記入力端子間に
大動脈起始部の圧力波に対応した電気信号を与えたとき
に前記静電容量および第２の抵抗の両端から前記動脈波
に対応した電気信号が得られるように前記四要素集中定
数モデルの各定数を特定する手段であり、前記血流量に
基づいて前記インダクタンスの値を算出し、該インダク
タンスの値、前記動脈波形の角周波数および減衰率に基
づいて前記第１の抵抗、インダクタンス、静電容量およ
び第２の抵抗の各値を算出し、これらの算出結果を循環
動態パラメータとして出力するパラメータ評価手段と、
を具備し、前記大動脈起始部の圧力波に対応した電気信
号として脈波の１拍の長さに対応した周期ｔPを有する
周期波形ｅ（ｔ）を使用することを特徴とする脈波解析
装置。請求項４に係る発明は、前記周期波形ｅ（ｔ）
は、ｔp1＜ｔpを満足するｔp1、最低血圧に対応した電
圧値Ｅ0および最高血圧と最低血圧との血圧差に対応し
た電圧値Ｅmを用いることにより、０≦ｔ＜ｔp1の期間
は、ｅ（ｔ）＝Ｅ0＋Ｅm（１−（ｔ／ｔp1））ｔp1≦ｔ
＜ｔpの期間は、ｅ（ｔ）＝Ｅ0 と表されるものである
ことを特徴とする請求項２または３に記載の脈波解析装
置を要旨とする。請求項５に係る発明は、前記周期波形
ｅ（ｔ）は、周期ｔpの台形波形であることを特徴とす
る請求項２または３に記載の脈波解析装置を要旨とす
る。請求項６に係る発明は、前記パラメータ評価手段に
より出力される循環動態パラメータを記録する記録手段
を具備し、前記脈波検出手段が前記動脈波を繰り返し検
出すると共に前記パラメータ評価手段が前記脈波検出手
段により検出される動脈波に基づき前記循環動態パラメ
ータを繰り返し算定することを特徴とする請求項２また
は３に記載の脈波解析装置を要旨とする。請求項７に係
る発明は、前記脈波検出手段が非侵襲的に人体の脈波を
検出するセンサであることを特徴とする請求項１〜６の
いずれか１の請求項に記載の脈波解析装置を要旨とす
る。請求項８に係る発明は、前記脈波検出手段は、前記
動脈波として、患者の橈骨動脈波を検出することを特徴
とする請求項１〜７のいずれか１の請求項に記載の脈波
解析装置を要旨とする。

【０００６】

【作用】請求項１またはその従属項に係る各発明によれ
ば、患者の循環動態パラメータを長時間に渡って連続的
に採取することができる。請求項２、３またはそれらの
従属項に係る各発明によれば、動脈系の電気的モデルと
して構成の簡単な四要素集中定数モデルを使用してお
り、また、１回拍出量または血流量の測定結果により該
モデルのインダクタンスの値を算出するので、循環動態
パラメータを簡単な演算処理により算定することができ
る。また、大動脈起始部の圧力波を所定の周期波形によ
ってモデリングしているので、さらに簡単な演算処理に
より循環動態パラメータを算定することができる。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照し、本発明の実施例を説明
する。＜実施例の構成＞図１はこの発明の一実施例による脈波解析装置の構成を
示すブロック図である。この装置は、非侵襲的なセンサ
により人体から得られた情報に基づき、人体の動脈系の
循環動態パラメータを評価する。なお、本実施例におい
て取扱う循環動態パラメータの具体的内容については後
述する。図１において、１は脈波検出装置、２は１回拍
出量測定器である。これらのうち、脈波検出装置１は、
図２に示すように患者の手首に装着された圧力センサＳ
２を介して橈骨動脈波形を検出すると共に患者の上腕部
に装着されたカフ帯Ｓ１を介して患者の血圧を検出す
る。そして、橈骨動脈波形を血圧によって校正し、その
結果得られる校正された橈骨動脈波形を電気信号（アナ
ログ信号）として出力する。脈波検出装置１が出力する
アナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器３に入力され、所定のサ
ンプリング周期毎にデジタル信号に変換される。また、
１回拍出量測定器２は、図２に示すようにカフ帯Ｓ１に
接続されており、このカフ帯Ｓ１を介して心臓から１回
の拍により流出される血液の量である１回拍出量を測定
し、その測定結果を１回拍出量データ（デジタル信号）
として出力する。この種の１回拍出量測定器２として
は、いわゆる収縮期面積法により測定を行う装置を使用
することができる。

【０００８】マイクロコンピュータ４は、キーボード５
から入力されるコマンドに従い、以下列挙する各処理を
行う。Ａ／Ｄ変換器３を介して得られる橈骨動脈波形の時系
列デジタル信号を内蔵の波形メモリに取り込む脈波読取
処理上記波形メモリに取り込んだ橈骨動脈波形を拍毎に平
均化し１拍に対応した橈骨動脈波形を求める平均化処理１回拍出量データを取り込む処理上記１拍に対応した橈骨動脈波形を表す数式を求め、
この数式に基づき患者の動脈系に対応した電気的モデル
の各パラメータを算出するパラメータ算出処理パラメータ演算処理により得られたパラメータを循環
動態パラメータとして図示しない出力装置（例えばプリ
ンタ、ディスプレイ装置等）を介して出力する出力処理なお、これらの処理の詳細については本実施例の動作説
明の際に詳述する。

【０００９】＜本実施例において採用した電気的モデル
について＞Ａ．四要素集中定数モデル本実施例では、動脈系の電気的モデルとして四要素集中
定数モデルを採用する。この四要素集中定数モデルは、
人体の循環系の挙動を決定する要因のうち、動脈系中枢
部での血液による慣性、中枢部での血液粘性による血管
抵抗（粘性抵抗）、中枢部での血管のコンプライアンス
（粘弾性）及び末梢部での血管抵抗（粘性抵抗）の４つ
のパラメータに着目し、これらを電気回路としてモデリ
ングしたものである。図４に四要素集中定数モデルの回
路図を示す。以下、この四要素集中定数モデルを構成す
る各素子と上記各パラメータとの対応関係を示す。インダクタンスＬ：動脈系中枢部での血液の慣性〔dy
n・s²/cm⁵〕静電容量Ｃ：動脈系中枢部での血管のコンプライアンス
（粘弾性）〔cm⁵/dyn〕なお、コンプライアンスとは血管の軟度を表わす量であ
り、粘弾性のことである。電気抵抗Ｒ_c：動脈系中枢部での血液粘性による血管抵
抗〔dyn・s/cm⁵〕電気抵抗Ｒ_p：動脈系末梢部での血液粘性による血管抵
抗〔dyn・s/cm⁵〕また、この電気回路内の各部を流れる電流ｉ，ｉ_P，ｉ_c
は、各々対応する各部を流れる血流〔cm³/ｓ〕に相当す
る。また、この電気回路に印加される入力電圧ｅは大動
脈起始部の圧力〔dyn/cm²〕に相当する。そして、静電
容量Ｃの端子電圧ｖ_P は、橈骨動脈部での圧力〔dyn/cm
²〕に相当するものである。

【００１０】Ｂ．四要素集中定数モデルおよびその応答
特性の近似式次に図４に示す四要素集中定数モデルの挙動についての
理論的説明を行う。まず、図４に示す四要素集中定数モ
デルにおいては、下記微分方程式が成立する。ｅ＝Ｒ_cｉ＋Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）＋ｖ_p ．．．．（１）ここで、電流ｉは、ｉ＝ｉ_c＋ｉ_p ＝Ｃ（ｄｖ_p／ｄｔ）＋（ｖ_p／Ｒ_p）．．．．（２）と表すことができるから、上記式（１）は下記式（３）
のように表すことができる。ｅ＝ＬＣ（ｄ²ｖ_p／ｄｔ²）＋｛Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p）｝（ｄｖ_p／ｄｔ）＋（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p））ｖ_p ．．．．（３）周知の通り、上記式（３）によって示されるような２次
の定係数常微分方程式の一般解は、上記式（３）を満足
する特殊解（定常解）と、下記微分方程式を満足する過
渡解との和によって与えられる。０＝ＬＣ（ｄ²ｖ_p／ｄｔ²）＋｛Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p）｝（ｄｖ_p／ｄｔ）＋（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p））ｖ_p ．．．．（４）

【００１１】ここで、微分方程式（４）の解は次のよう
にして得られる。まず、微分方程式（４）の解として下
記式（５）によって表される減衰振動波形を仮定する。ｖ_p＝Ａｅｘｐ（ｓｔ）．．．．（５）この式（５）を式（４）に代入すると、式（４）は次の
ように表されることとなる。｛ＬＣｓ²＋（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））ｓ＋（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p））｝ｖ_p＝０．．．．（６）そして、上記式（６）をｓについて解くと、ｓ＝｛−（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p）） ±√（（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））²−４ＬＣ（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p）））｝／２ＬＣ．．．．（７）となる。式（７）において（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））²＜４ＬＣ（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p））．．．．（８）である場合には第２項の根号√の中が負となり、この場
合、ｓは以下のように表される。ｓ＝｛−（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p）） ±ｊ√（４ＬＣ（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p））−（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））²）｝／２ＬＣ＝−α±ｊω ．．．．（９） α＝（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））／２ＬＣ＝（Ｌ＋Ｒ_pＲ_cＣ）／２ＬＣＲ_p ．．．．（１０） ω＝｛√(４ＬＣ(１＋(Ｒ_c／Ｒ_p)）−（Ｒ_cＣ＋(Ｌ／Ｒ_p)）²）｝／２ＬＣ．．．．（１１）ここで、Ａ₁＝ＬＣ．．．．（１２）Ａ₂＝（Ｌ＋Ｒ_CＲ_PＣ）／Ｒ_p ．．．．（１３）Ａ₃＝（Ｒ_C＋Ｒ_P）／Ｒ_p ．．．．（１４）とおくと、上記式（１０）および（１１）は以下のよう
に表すことができる。 α＝Ａ₂／２Ａ₁ ．．．．（１５） ω＝√｛（Ａ₃／Ａ₁）−α²｝・・・・（１６）このようにしてｓの値が確定し、上記微分方程式（４）
を満足する解が得られる。以上の知見に基づき、本実施
例においては、四要素集中定数モデルの応答波形に含ま
れる減衰振動成分を近似する式として上記式（５）を用
いることとした。

【００１２】次に大動脈起始部の圧力波形のモデリング
を行う。一般に大動脈起始部の圧力波形は図４のような
波形である。そこで、この圧力波形を図５に示す三角波
で近似することにする。図５において近似波形の振幅と
時間をＥ_o、Ｅ_m、ｔ_P、ｔ_P1とすると、任意の時間ｔに
おける大動脈圧ｅは次式で表わされる。Ｅ_oは最低血圧
（拡張期血圧）、Ｅ_o＋Ｅ_mは最高血圧（収縮期血圧）で
あり、ｔ_Pは一拍の時間、ｔ_P1は大動脈圧の立ち上がり
からその圧力が最低血圧値になるまでの時間である。０≦ｔ＜ｔ_P1の区間：ｅ＝Ｅ_o＋Ｅ_m（１−（ｔ／ｔ_P1））・・・・（１７）ｔ_P1≦ｔ＜ｔ_Pの区間：ｅ＝Ｅ_o ・・・・（１８）そして、上記（１７）式および（１８）式によって表さ
れる電気信号ｅを図４の等価回路に入力した時の応答波
形ｖ_p（橈骨動脈波に対応）を本実施例においては以下
のように近似する。０≦ｔ＜ｔ_P1の区間：ｖ_P＝Ｅ_min＋Ｂ（１−ｔ／ｔ_b）＋Ｄ_m1ｅｘｐ（−αｔ）ｓｉｎ（ωｔ＋θ₁）・・・・（１９）ｔ_P1≦ｔ＜ｔ_Pの区間：ｖ_P＝Ｅ_min ＋Ｄ_m2・ｅｘｐ｛−α（ｔ−ｔ_P1）｝・ｓｉｎ｛ω（ｔ−ｔ_P1）＋θ₂｝・・・・（２０）上記式（１９）における右辺第３項および上記式（２
０）における右辺第２項が既に説明した減衰振動部分
（上記式（５）に対応するもの）であり、これらの項に
おけるαおよびωは上記式（１５）および（１６）によ
り与えられる。

【００１３】Ｃ．四要素集中モデルの各パラメータと橈
骨動脈波形との関係以下、上記式（１９）および（２０）における各定数の
うち既に確定したαおよびω以外のものについて検討す
る。まず、上記式（１７）および（１９）を上記微分方
程式（３）に代入すると、下記の式（２１）が得られ
る。Ｅ₀＋Ｅ_m（１−（ｔ／ｔ_p1））＝（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p））（Ｅ_min＋Ｂ） −（Ｂ／ｔ_b）（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））ｔ＋｛ＬＣ（α²−ω²）Ｄ_m1−αＤ_m1（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））＋Ｄ_m1（１＋（Ｒ_c ／Ｒ_p））｝ｅｘｐ（−αｔ）ｓｉｎ（ωｔ＋θ₁）＋｛ωＤ_m1（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））−２ＬＣαωＤ_m1｝ｅｘｐ（−αｔ）ｃｏｓ（ωｔ＋θ₁）．．．．（２１）この式（２１）が成立するためには以下の条件が必要で
ある。Ｅ₀＋Ｅ_m＝（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p））（Ｅ_min＋Ｂ）＝Ｅ₀＋Ａ₃Ｂ−（Ｂ／ｔ_b）Ａ₂ ．．．．（２２）Ｅ_m／ｔ_p1＝（Ｂ／ｔ_b）（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p））＝Ｂ／（ｔ_bＡ₃）．．．．（２３）ＬＣ（α²−ω²）−α（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））＋（１＋Ｒ_c／Ｒ_p）＝０．．．．（２４）Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒp）＝２ＬＣα ．．．．（２５）なお、上記式のうち式（２４）および（２５）はαおよ
びωを拘束するものであるが、既に式（１５）および
（１６）により得られたαおよびωは当然のことながら
これらの式を満足する。

【００１４】一方、上記式（１８）および（２０）を上
記微分方程式（３）に代入すると、下記の式（２６）が
得られる。Ｅ₀ ＝（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p））Ｅmin ＋｛ＬＣ（α²−ω²）Ｄ_m2−α（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））Ｄ_m2＋（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p ））Ｄ_m2｝ｅｘｐ（−α（ｔ−ｔ_p1））ｓｉｎ（ω（ｔ−ｔ_p1）＋θ₂）＋｛ω（Ｒ_cＣ＋（Ｌ／Ｒ_p））Ｄ_m2−２ＬＣαωＤ_m2｝ｅｘｐ（−α（ｔ−ｔ_p1 ））ｃｏｓ（ω（ｔ−ｔ_p1）＋θ₂）．．．．（２６）この式（２６）が成立するためには上記式（２３）、
（２４）が成立することに加え、下記式（２７）が成立
することが必要である。Ｅ₀＝（１＋（Ｒ_c／Ｒ_p））Ｅ_min ＝Ａ₃Ｅ_min ．．．．（２７）

【００１５】以上のようにして得られた微分方程式
（３）が成立するための条件式（２２）〜（２５）、
（２７）に基づき、式（１９）および（２０）における
各定数を算定する。まず、Ｅ_minは上記式（２７）よ
り、Ｅ_min ＝Ｅ_O／Ａ₃ ・・・・（２８）次に式（２３）よりＢは、Ｂ＝（ｔ_bＥ_m）／（ｔ_P1Ａ₃）・・・・（２９）となる。次に上記式（２２）に上記式（２９）を代入し
ｔ_bについて解くと、ｔ_b＝（ｔ_P1Ａ₃＋Ａ₂）／Ａ₃ ．．．．（３０）となる。

【００１６】そして、残った定数Ｄ_1m、Ｄ_2m、θ₁およ
びθ₂は、橈骨動脈波形ｖ_pがｔ＝０，ｔ_p1，ｔ_pにおい
て連続性を維持し得るような値、すなわち、下記条件ａ
〜ｄを満足する値が選ばれる。ａ．式（１９）のｖ_p（ｔ_p1）と式（２０）のｖ
_p（ｔ_p1）とが一致することｂ．式（２０）のｖ_p（ｔ_p）と式（１９）のｖ_p（０）
とが一致することｃ．式（１９）および式（２０）のｔ＝ｔ_p1における微
分係数が一致することｄ．式（１９）のｔ＝０での微分係数および式（２０）
のｔ＝ｔ_pにおける微分係数が一致することすなわち、Ｄ_1mおよびθ₁は、Ｄ_1m＝√｛（Ｄ₁₁ ²＋Ｄ₁₂ ²）｝／ω ・・・・（３１） θ ₁ ＝ｔａｎ ^-1 （Ｄ ₁₁ ／Ｄ ₁₂ ）・・・・（３２）なる値が選ばれる。ただし、上記各式において、Ｄ ₁₁ ＝（ｖ ₀₁ −Ｂ−Ｅ _min ）ω ・・・・（３３）Ｄ ₁₂ ＝（ｖ ₀₁ −Ｂ−Ｅ _min ）α＋（Ｂ／ｔ _b ）＋（ｉ ₀₁ ／Ｃ）・・・（３４）であり、ｖ₀₁とｉ₀₁はｔ＝０におけるｖ_Pとｉ _cの初期値
である。また、Ｄ_2mおよびθ₂は、Ｄ_2m＝√（Ｄ₂₁ ²＋Ｄ₂₂ ²）／ω ・・・・（３５） θ ₂ ＝ｔａｎ ^-1 （Ｄ ₂₁ ／Ｄ ₂₂ ）・・・・（３６）なる値が選ばれる。ただし、上記各式においてＤ ₂₁ ＝（ｖ ₀₂ −Ｅ _min ）ω ・・・・（３７）Ｄ ₂₂ ＝（ｖ ₀₂ −Ｅ _min ）α＋（ｉ ₀₂ ／Ｃ）・・・・（３８）であり、ｖ₀₂とｉ ₀₂はｔ＝ｔ_P1でのｖ_Pとｉ _cの初期値で
ある。このようにして式（１９）および（２０）の各定
数が得られた。

【００１７】さて、式（１６）の角周波数ωから逆算す
ることにより中枢部での血管抵抗Ｒ_cは、Ｒ _c ＝｛Ｌ−２Ｒ _P √（ＬＣ（１−ω ² ＬＣ））｝／ＣＲ _P ・・・（３９）となる。ここで、Ｒ_cが実数でかつ正となる条件は、４Ｒ _P ² Ｃ／｛１＋（２ωＲ _P Ｃ） ² ｝≦Ｌ≦１／ω ² Ｃ・・・・（４０）である。一般にＲ_Pのオーダは１０³（dyn・s/cm⁵）程
度、Ｃは１０^-4（cm⁵/dyn）程度であり、また、ωは脈
波に重畳している振動成分の角周波数であるから１０
（rad/s）以上であるとみてよい。このため、式（４
０）の下限はほぼ１／ω²Ｃとみなせる。そこで、Ｌを
簡略化のため近似的に、Ｌ＝１／（ω²Ｃ）・・・・（４１）とおくと、Ｒ_cは、Ｒ_c＝Ｌ／（ＣＲ_P）・・・・（４２）となる。また、式（４１）および（４２）の関係より式
（１５）の減衰定数αは、 α＝１／（ＣＲ_P）・・・・（４３）となる。（４１）式〜（４３）式の関係を用いて、αと
ω及び四定数のいずれか１つ、例えば血液の慣性Ｌを用
いて残りのパラメータを表わすと、Ｒ_c＝αＬ・・・・（４４）Ｒ_P＝ω²Ｌ／α ・・・・（４５）Ｃ＝１／（ω²Ｌ）・・・・（４６）となる。上式（４４）〜（４６）より、モデルのパラメ
ータはα、ωおよびＬが得られることにより確定するこ
とは明らかである。

【００１８】ここで、αとωは橈骨動脈波の実測波形か
ら得ることができる。一方、Ｌは１回拍出量ＳＶに基づ
いて算出することができる。以下、１回拍出量ＳＶに基
づくＬの算出手順について説明する。まず、大動脈起始
部の圧力波の平均値Ｅ₀₁は以下の式（４７）により与え
られる。Ｅ₀₁＝｛Ｅ₀ｔ_p＋（ｔ_p1Ｅ_m／２）｝／ｔ_p ．．．．（４７）一方、Ｒc、Ｒp、α、ωおよびＬ間には下記式（４８）
が成立する。Ｒ_c＋Ｒ_p＝αＬ＋（ω²Ｌ／α）＝（α²＋ω²）Ｌ／α ．．．．（４８）そして、四要素集中定数モデルを流れる平均電流、すな
わち、上記Ｅ₀₁をＲ_c＋Ｒ_pによって除算したものは、拍
動により動脈を流れる血流の平均値（ＳＶ／ｔ_p）に相
当するから下記式（４９）が成立する。ＳＶ／ｔ_p ＝1333.22（１／ｔ_p）｛Ｅ₀ｔ_p＋（ｔ_p1Ｅ_m／２）｝（α²＋ω²）／（αＬ）．．．．（４９）なお、上記式（４９）における1333.22は圧力値の単位
をmmHgからdyn/cm²に換算するための比例定数である。
このようにして得られた式（４９）をＬについて解くこ
とにより、１回拍出量ＳＶからＬを求めるための式（５
０）が以下の通り得られる。Ｌ＝1333.22｛Ｅ₀ｔ_p＋（ｔ_p1Ｅ_m／２）｝（α²＋ω²）／（α・ＳＶ）．．．．（５０）なお、血流量を測定することにより上記式（４９）中の
平均電流（１／ｔ_p）｛Ｅ₀ｔ_p＋（ｔ_p1Ｅ_m／２）｝に相
当する値を求め、この結果に基づきインダクタンスＬを
算出してもよい。血流量を測定する装置としては、イン
ピーダンス法によるもの、ドップラー法によるもの等が
知られている。また、ドップラー法による血流量測定装
置には、超音波を利用したもの、レーザを利用したもの
等がある。

【００１９】以上、橈骨動脈波および１回拍出量と四要
素集中定数モデルの各素子の値との関係について説明し
た。本実施例におけるマイクロコンピュータ４は以上説
明した関係に基づき四要素集中定数モデルの各素子の値
の演算を行う。

【００２０】＜実施例の動作＞図６〜１０はこの脈波解析装置の動作を示すフローチャ
ートである。また、図１１は平均化処理により得られた
橈骨動脈波形を示す波形図、図１２はパラメータ算出処
理により得られた橈骨動脈波形Ｗ２と平均化処理により
得られた橈骨動脈波形Ｗ１とを対比した波形図である。
以下、これらの図を参照し本実施例の動作を説明をす
る。

【００２１】Ａ．通常の測定処理脈波読取処理循環動態パラメータの評価を行うに際し、診断者は図２
に示すように圧力センサＳ１およびカフ帯Ｓ２を患者に
装着し、測定指示をキーボード５から入力する。マイク
ロコンピュータ４はこのコマンドに応答し、まず、測定
指示を脈波検出装置１へ送る。この結果、脈波検出装置
１により橈骨動脈波が検出され、この橈骨動脈波を表す
時系列デジタル信号がＡ／Ｄ変換器３から出力され、一
定時間（約１分間）に亙ってマイクロコンピュータ４に
取り込まれる。このようにしてマイクロコンピュータ４
に複数拍分の橈骨動脈波形の時系列デジタル信号が取り
込まれる。

【００２２】平均化処理次にマイクロコンピュータ４はこのようにして取り込ん
だ複数拍に対応した橈骨動脈波形を１拍毎ごとに重ね合
わせて１分間での１拍当たりの平均波形を求め、この平
均波形を橈骨動脈波形の代表波形として内蔵のメモリに
格納する（以上、ステップＳ１）。図８にこのようにし
てメモリに格納された橈骨動脈波形の代表波形Ｗ１を例
示する。

【００２３】１回拍出量データ取込処理上記平均化処理が終了すると、マイクロコンピュータ４
は１回拍出量測定器２へ測定指示を送る。この結果、１
回拍出量測定器２により患者の１回拍出量が測定され、
その結果を示す１回拍出量データがマイクロコンピュー
タ４に取り込まれる（ステップＳ２）。

【００２４】パラメータ算出処理次にマイクロコンピュータ４の処理はステップＳ３に進
み、図７および図８にフローを示すパラメータ算出処理
ルーチンが実行される。また、このルーチンの実行に伴
い、図９にフローを示すα，ω算出ルーチンが実行され
（ステップＳ１０９、Ｓ１１７）、このα，ω算出ルー
チンの実行に伴い、図１０にフローを示すω算出ルーチ
ンが実行される（ステップＳ２０３）。以下、これらの
ルーチンの処理内容について説明する。

【００２５】まず、マイクロコンピュータ４は、メモリ
に取り込んだ１拍分の橈骨動脈波形について、血圧が最
大となる第１ポイントＰ１に対応した時間ｔ₁および血
圧値ｙ₁と、第１ポイントの後、血圧が一旦落込む第２
ポイントに対応した時間ｔ₂および血圧値ｙ₂と、２番目
のピーク点である第３ポイントＰ３に対応した時間ｔ₃
および血圧値ｙ₃を求める。また、メモリに取り込んだ
橈骨動脈波形について１拍の時間ｔ_P、最低血圧値Ｅmin
（（３）式と（４）式の第１項目に相当）を求める（ス
テップＳ１０１）。以上の処理により、パラメータ演算
処理に必要な各データとして以下例示するものが得られ
る。第１ポイント：ｔ₁＝０．１０４（s）、ｙ₁＝１２３．４（mmＨg）第２ポイント：ｔ₂＝０．２６４（s）、ｙ₂＝９３．８（mmＨg）第３ポイント：ｔ₃＝０．３８．（s）、ｙ₃＝１０３．１（mmＨg）１拍の時間：ｔ_P＝０．７８４（s）最低血圧：Ｅ_min＝８７．７（mmＨg）１回拍出量データ：ＳＶ＝１０３．１９（cc/beat）なお、第２ポイントＰ２と第３ポイントＰ３を区別する
ことが困難ななだらかな脈波の場合には、第２と第３ポ
イントの時間をｔ₂＝２ｔ₁、ｔ₃＝３ｔ₁としてその点の
血圧値を決定する。

【００２６】そして、計算の簡略化のため、図１３に示
すＡ点の血圧値ｙ₀を用いてｙ₁〜ｙ3の正規化処理を行
い（ステップＳ１０２、Ｓ１０３）、Ｂの値を（ｙ₀／
２）−０．１に初期設定する（ステップＳ１０４）。

【００２７】そして、次の手順でＢ、ｔ_b、α、ωの最
適値を求める。ａ．まず、Ｂをｙ₀／２〜ｙ₀の範囲で変化させると同時
にｔ_bをｔ_p／２〜ｔ_pの範囲で変化させ（＋０．１間
隔）、各Ｂおよびｔ_bについてｖ_p（ｔ₁）−ｙ₁，ｖp
（ｔ₂）−ｙ₂，ｖ_p（ｔ₃）−ｙ₃が最小となるα、ωを
求める。ｂ．ａにおいて求めたＢ、ｔ_b、α、ωの中でｖ
_p（ｔ₁）−ｙ₁，ｖ_p（ｔ₂）−ｙ2，ｖ_p（ｔ₃）−ｙ₃が
最小となるＢ、ｔ_b、α、ωを求める。ｃ．ｂにおいて求めたＢ、ｔ_bを基準にして、Ｂ±０．
０５、ｔ_b±０．０５の範囲で上記ａ、ｂを再び実行す
る。ｄ．上記ａ〜ｃの処理の際、αは３〜１０の範囲を０．
１間隔で変化させ、各αについて最適なωを算出する。
ωは、各αにおいて、ｄｖ_p（ｔ₂）／ｄｔ＝０となる点
を二分法を用いて求めた（図１０参照）。なお、上記各
処理においてｖ_pの値を演算するに際し式（３３）の初
期値ｖ_o1は零とする。このような処理により以下例示するように各データが決
定される。 α＝４．２（s^-1）、ω＝２４．３２５（rad/s）Ｂ＝２７．２（mmＨg）、ｔ_b＝０．６０２（s）

【００２８】ｆ．そして、ｔ_P1、Ｅ_m、Ｅ_oを式（２８）
〜（３０）、（４４）〜（４６）に基づいて算出する
（ステップＳ１２３、Ｓ１２４）。この結果を以下例示
するものが得られる。ｔ_P1＝０．５８８（s）Ｅ _m ＝２７．４（mmＨg）Ｅ_o＝９０．３（mmＨg）ｇ．そして、式（５０）を用い、１回拍出量からＬの値
を算出し（ステップＳ１２５）、残りのパラメータ値を
式（４４）〜（４６）により求める（ステップＳ１２
６）。この結果、以下例示するパラメータが得られる。Ｌ＝７．０２１（dyn・s²/cm⁵）Ｃ＝２．４０７×１０^-4（cm⁵/dyn）Ｒ_c＝２９．５（dyn・s/cm⁵）Ｒ_P＝９５８．２（dyn・s/cm⁵）また、直流的な（平均的な）総末梢血管抵抗ＴＰＲを以
下のようにして算出する。ＴＰＲ＝Ｒ_c＋Ｒ_P＝１０１８．７（dyn・s/cm⁵）となる。

【００２９】出力処理以上説明したパラメータ算出処理が終了すると、マイク
ロコンピュータ４はＬ、Ｃ、Ｒ_CおよびＲ_Pを出力装置か
ら出力する（ステップＳ４）。

【００３０】確認のため、算出したパラメータで式（４
０）を計算すると、６．９６９≦Ｌ≦７．０２１となり、式（４１）の近似は妥当であるといえる。ま
た、図１２に示す通り、算出したパラメータを用いて計
算した橈骨動脈波形と実測波形（１分間の平均波形）と
は非常によく一致しているといえる。

【００３１】Ｂ．連続測定本実施例による装置は、タイマ（図示略）を備えてお
り、このタイマを使用することにより長時間に渡って連
続的に循環動態パラメータを測定することができる。こ
の連続測定を行う場合、診断者は連続測定の指示をキー
ボード５から入力する。この結果、図６におけるステッ
プＳ４（出力処理）が終了した後、タイマがセットさ
れ、タイマにより一定時間が計時された後、再び、ステ
ップＳ１から実行が開始され、循環動態パラメータが測
定され（ステップＳ３）、記録紙または記憶媒体等に記
録される（ステップＳ４）。このようにして一定時間間
隔で循環動態パラメータの連続的測定が行われる。

【００３２】＜変形例＞本発明は以上説明した態様の
他、以下列挙する態様にて実施することが可能である。（１）１回拍出量ＳＶの測定を行わず、Ｌは所定の値を
仮定し、橈骨動脈波形のみにより循環動態パラメータを
求める。演算精度が低下するのを補うため、図１２に示
すように演算により得られた橈骨動脈波形と測定により
得られた橈骨動脈波形を重ね表示するモニタを設けると
共に診断者がＬの値を設定し得るようにしてもよい。こ
のように構成した場合、診断者は試行錯誤により、実測
による橈骨動脈波形と演算による橈骨動脈波形とを一致
させるようにＬを最適値に設定することができる。（２）大動脈起始部の圧力波形のモデルとして、三角波
ではなく、図１４に示すような台形波を使用する。この
場合、三角波に比べて実際の圧力波形に近いので、より
正確に循環動態パラメータを求めることができる。（３）上記実施例においては、循環動態パラメータを数
式を用いた演算により求めたが、各循環動態パラメータ
を所定範囲内で変化させたときのモデルの各応答波形を
回路シミュレータ等によってシミュレーションし、実測
の橈骨動脈波形と最もよく一致する循環動態パラメータ
を選択して出力するようにしてもよい。この場合、動脈
系の電気的モデルおよび大動脈起始部の圧力波形のモデ
ルとしてより実際に近い複雑なものを使用することがで
き、測定精度がさらに向上する。（４）橈骨動脈波および１回拍出量の測定箇所は図２に
示す箇所に限定されるものではない。例えば手首におい
て橈骨動脈波形および１回拍出量の両方を測定してもよ
い。この場合、患者は腕をまくらなくても済むので患者
の負担が軽減される。また、手首において１回拍出量を
測定すると共に指において動脈波形を測定するようにし
てもよく、さらにその逆でもよい。また、１回拍出量お
よび動脈波形を共に指において測定してもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、安
価な構成であり、かつ、患者の身体を損傷することなく
循環動態パラメータを測定する脈波解析装置を実現する
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による脈波解析装置の構
成を示すブロック図である。

【図２】同実施例における脈波検出装置１および１回
拍出量測定器２を用いた測定態様を示す図である。

【図３】同実施例において人体の動脈系のモデルとし
て用いる四要素集中定数モデルを示す回路図である。

【図４】人体の大動脈起始部の血圧波形を示す図であ
る。

【図５】上記大動脈起始部の血圧波形をモデリングし
た波形を示す波形図である。

【図６】同実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図７】同実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図８】同実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図９】同実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図１０】同実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図１１】同実施例の平均化処理により得られた橈骨
動脈波形を例示する波形図である。

【図１２】同実施例の演算処理により得られた橈骨動
脈波形と平均化処理により得られた橈骨動脈波形とを重
ね表示した波形図である。

【図１３】同実施例の平均化処理により得られた橈骨
動脈波形を例示すると共に該波形に適用する処理の内容
を説明する図である。

【図１４】大動脈起始部の血圧波形の別のモデルを示
す波形図である。

【符号の説明】

１……脈波検出装置、２……１回拍出量測定器、４……
マイクロコンピュータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−108424（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−43927（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 5/02 - 5/0295

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】動脈波を検出する脈波検出手段と、人体の動脈系の中枢部から末梢部に至る系を模した電気
回路の各素子の値を算出する手段であって、大動脈起始
部の圧力波に対応した電気信号を与えたときに該電気回
路から得られる出力信号波形が前記動脈波に対応した波
形となるように該電気回路の各素子の値を算定する評価
手段と、前記評価手段による前記電気回路の各素子の算定結果を
記録する記録手段と、を具備し、前記脈波検出手段が前記動脈波を繰り返し検出すると共
に前記評価手段が前記脈波検出手段により検出される動
脈波に基づき前記電気回路の各素子の値を繰り返し算定
することを特徴とする脈波解析装置。
【請求項２】患者の動脈波を検出する脈波検出手段
と、前記患者の１回拍出量を検出する１回拍出量検出手段
と、人体の動脈中枢部から末梢部に至る系を模したモデルと
して、前記動脈系中枢部での血液粘性による血管抵抗に
対応した第１の抵抗、前記動脈系中枢部での血液の慣性
に対応したインダクタンス、前記動脈中枢部での血管の
粘弾性に対応した静電容量、および前記末梢部での血管
抵抗に対応した第２の抵抗とを有し、１対の入力端子間
に前記第１の抵抗およびインダクタンスからなる直列回
路と前記静電容量および第２の抵抗からなる並列回路と
が順次直列に介挿されてなる四要素集中定数モデルを想
定し、前記入力端子間に大動脈起始部の圧力波に対応し
た電気信号を与えたときに前記静電容量および第２の抵
抗の両端から前記動脈波に対応した電気信号が得られる
ように前記四要素集中定数モデルの各定数を特定する手
段であり、前記１回拍出量に基づいて前記インダクタン
スの値を算出し、該インダクタンスの値、前記動脈波形
の角周波数および減衰率に基づいて前記第１の抵抗、イ
ンダクタンス、静電容量および第２の抵抗の各値を算出
し、これらの算出結果を循環動態パラメータとして出力
するパラメータ評価手段と、を具備し、前記大動脈起始部の圧力波に対応した電気信号として脈
波の１拍の長さに対応した周期ｔPを有する周期波形ｅ
（ｔ）を使用することを特徴とする脈波解析装置。
【請求項３】患者の動脈波を検出する脈波検出手段
と、前記患者の血流量を検出する血流量検出手段と、人体の動脈中枢部から末梢部に至る系を模したモデルと
して、前記動脈系中枢部での血液粘性による血管抵抗に
対応した第１の抵抗、前記動脈系中枢部での血液の慣性
に対応したインダクタンス、前記動脈中枢部での血管の
粘弾性に対応した静電容量、および前記末梢部での血管
抵抗に対応した第２の抵抗とを有し、１対の入力端子間
に前記第１の抵抗およびインダクタンスからなる直列回
路と前記静電容量および第２の抵抗からなる並列回路と
が順次直列に介挿されてなる四要素集中定数モデルを想
定し、前記入力端子間に大動脈起始部の圧力波に対応し
た電気信号を与えたときに前記静電容量および第２の抵
抗の両端から前記動脈波に対応した電気信号が得られる
ように前記四要素集中定数モデルの各定数を特定する手
段であり、前記血流量に基づいて前記インダクタンスの
値を算出し、該インダクタンスの値、前記動脈波形の角
周波数および減衰率に基づいて前記第１の抵抗、インダ
クタンス、静電容量および第２の抵抗の各値を算出し、
これらの算出結果を循環動態パラメータとして出力する
パラメータ評価手段と、を具備し、前記大動脈起始部の圧力波に対応した電気信号として脈
波の１拍の長さに対応した周期ｔPを有する周期波形ｅ
（ｔ）を使用することを特徴とする脈波解析装置。
【請求項４】前記周期波形ｅ（ｔ）は、ｔp1＜ｔpを
満足するｔp1、最低血圧に対応した電圧値Ｅ0および最
高血圧と最低血圧との血圧差に対応した電圧値Ｅmを用
いることにより、０≦ｔ＜ｔp1の期間は、ｅ（ｔ）＝Ｅ
0＋Ｅm（１−（ｔ／ｔp1））ｔp1≦ｔ＜ｔpの期間は、
ｅ（ｔ）＝Ｅ0 と表されるものであることを特徴とする
請求項２または３に記載の脈波解析装置。
【請求項５】前記周期波形ｅ（ｔ）は、周期ｔpの台
形波形であることを特徴とする請求項２または３に記載
の脈波解析装置。
【請求項６】前記パラメータ評価手段により出力され
る循環動態パラメータを記録する記録手段を具備し、前記脈波検出手段が前記動脈波を繰り返し検出すると共
に前記パラメータ評価手段が前記脈波検出手段により検
出される動脈波に基づき前記循環動態パラメータを繰り
返し算定することを特徴とする請求項２または３に記載
の脈波解析装置。
【請求項７】前記脈波検出手段が非侵襲的に人体の脈
波を検出するセンサであることを特徴とする請求項１〜
６のいずれか１の請求項に記載の脈波解析装置。
【請求項８】前記脈波検出手段は、前記動脈波とし
て、患者の橈骨動脈波を検出することを特徴とする請求
項１〜７のいずれか１の請求項に記載の脈波解析装置。