JP3716326B2

JP3716326B2 - 脈圧測定装置

Info

Publication number: JP3716326B2
Application number: JP2003313406A
Authority: JP
Inventors: 勝高橋
Original assignee: 株式会社創成電子
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: JP2005080722A

Description

本発明は脈圧測定装置に係り、特に、圧力センサを用いて動脈の脈圧を測定する脈圧測定装置に関する。

血圧を非侵襲で測定する方法として、カフにより測定部位を加圧し、その後次第に減圧してゆく過程で動脈の脈圧変動に伴って生ずるコロトコフ音を聴診して最高血圧や最低血圧を測定することが医療の現場等で広く用いられている。この方法は、聴診を用いること、圧力を水銀柱または水柱の高さで測定すること、測定部位を固定して行うため被測定者が自分で測定するには不便であること等から、圧力センサを用いて利便性を向上させる電子血圧計がさまざまな形で提案されている。例えば、特許文献１には、カフ内の圧力及び脈波を圧力センサで検出し、圧力センサの出力データを演算して血圧測定をすることが開示されている。

特開２００１−１９８０９３号公報

圧力センサにより動脈の脈圧成分を取り出すには、例えば３Ｖレンジの信号変化の中で数１０−１００ｍＶ程度の脈動成分を拾い出す必要がある。すなわち、圧力センサの出力から小さな動脈の脈圧成分を取り出すには、信号のバックグランド成分を除去する必要がある。ところが、圧力センサを測定部位に取り付けて脈圧を検出しようとする際に、身体を動かすとバックグランド成分が大きくシフトしてしまう。その例を図１に示す。ここでは、圧力センサを手首撓骨動脈の近傍に適当な取り付け方法で固定し、圧力センサの検出信号の時間変化について、横軸に時間、縦軸に検出電圧を取って示した。図１に示されるように、圧力センサの検出信号には動脈の脈圧を示す小さな脈動成分１０が含まれている。ここで僅かに手首を動かすとき１２に検出信号波形全体が大きく変動し、測定レンジを振り切ってしまう。そして手首の動きが止むとともに、検出信号波形の変動は元に戻ろうとするが、完全に元には戻らず、またその戻り方も再現性がない。すなわち破線で示すバックグランド成分１４が、手首を動かす度に再現性なく変化することになる。

圧力センサの検出信号からバックグランド成分を除去するには、例えばハイパスフィルタを設け、あるいは最小二乗法等の演算によりバックグランド成分曲線を求めてこれを減算処理する等が考えられるが、上記のように、僅かな動きでもバックグランド成分が大きく変化し、また、変化の仕方に再現性がないので、複雑な電子回路の構成となり、あるいは複雑な演算処理を要する。

本発明の目的は、かかる従来技術の課題を解決し、圧力センサの出力信号におけるバックグランド成分の変動を抑制できる脈圧測定装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る脈圧測定装置は、血圧を測定する部位へ押し当てて脈圧を検出する脈圧測定装置であって、測定部位に押し当てる面に弾性板を有し内部に所定の与圧を有する空気を含む筐体と、筐体の内部を弾性板側の測定圧空気室と背圧空気室とに仕切る可撓性薄膜と、測定部位からの脈圧に応じて変化する測定圧空気室の内圧と背圧空気室の内圧との圧力差を可撓性薄膜の変形により検出する圧力センサと、測定圧空気室と背圧空気室とを連通し脈圧の周期より長い緩和時間で測定圧空気室と背圧空気室との間の内圧差を緩和する細長い連通路と、を備えることを特徴とする。

また、連通路は径が５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。また、連通路は長さが０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることが好ましい。また、所定の与圧は、９０ミリバール以上１５０ミリバールであることが好ましい。また弾性板は、金属製のスクリーンメッシュ薄板と、プラスチック製の薄板とを重ねて構成されることが好ましい。

また、本発明に係る脈圧測定装置において、圧力センサの出力を無線送信する送信部を備えることが好ましい。

上記構成により、筐体の内部を、弾性板側の測定圧空気室と、背圧空気室とに可撓性薄膜で仕切り、測定圧空気室と背圧空気室との間を、細長い連通路で連通する。ここで可撓性薄膜は、その変形により薄膜両側の圧力差を検出できる圧力センサとなる。脈圧成分の周波数帯域に比べバックグランド成分の周波数成分はより低周波側にある。測定圧空気室と背圧空気室との間の細長い連通路は、可撓性薄膜の両側の圧力差に対し、バイパス的なフィルタの役割を果たす。したがって、連通路の径によってバイパス的フィルタの周波数帯域を調整でき、それにより圧力センサの出力信号におけるバックグランド成分の変動を抑制できる。細長い連通路の寸法は、測定圧空気室と背圧空気室とを連通し脈圧の周期より長い緩和時間で測定圧空気室と背圧空気室との間の内圧差を緩和するように設定される。径が５μｍ以上５０μｍ以下という条件は、バックグランド成分の変動を抑制できる範囲として実験的に求められた値である。この場合、小型の可撓性薄膜型圧力センサを用い、連通路の長さを０．５−１．５ｍｍ程度とした。

また、所定の与圧は、血圧の値に近い値の９０ミリバール以上１５０ミリバールに設定される。このように、測定圧空気室の与圧と脈圧とをほぼバランスさせることで、弾性板が脈圧変動を測定圧空気室に伝達しやすくなる。また、弾性板を金属製のスクリーンメッシュ薄板とプラスチック製の薄板を重ねた構成とする。金属製のスクリーンメッシュ薄板は弾性範囲でしか伸縮せず、その周囲は筐体に保持されているので、脈圧変動に応じてその表面形状が全体として凹凸の変化を行い、脈圧変動を測定圧空気室に一様に伝達することができる。なお、プラスチック製薄膜は、スクリーンメッシュ薄膜のメッシュ部分から空気が漏れるのを防ぐ役割を果たす。

また、圧力センサの出力を無線送信することができるので、脈圧測定装置から外部への信号線をなくし、取り扱いが便利となる。

以上のように、本発明に係る脈圧測定装置によれば、圧力センサの出力信号におけるバックグランド成分の変動を抑制することができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図２は本発明に係る実施の形態の脈圧測定装置２０を測定部位１８に押し当て又は取り付ける様子を示す図である。動脈の脈圧を検出しやすい場所としては、手首内側の手首撓骨動脈付近の測定部位１８を用いることができる。脈圧測定装置２０は、片手の数本の指で保持できる大きさのもので、内部に脈圧を検出する圧力センサを備え、その出力信号を外部に取り出す外部信号線を備えている。外部信号線は適当な波形モニタや血圧算出器に接続される。脈圧を検出するには、脈圧測定装置２０を片手で保持して測定部位１８に押し当て、あるいは適当な接着テープ等の固定具を用いて脈圧測定装置２０を測定部位１８に取り付ける。そして波形モニタ上に圧力センサの出力波形を表示させて脈圧の変動等を観察でき、あるいは血圧算出器を用いて脈圧に基づいた血圧値を算出することができる。

図３は、脈圧測定装置２０から外部信号線を除いた脈圧測定装置本体２２の断面図である。脈圧測定装置本体２２は、測定部位に接触するやや外形の大きい接触部３０と、接触部３０よりやや小ぶりで内部に圧力センサ５４が配置されるセンサ部５０とが重ねあわされた形状を有している。その大きさは、一例として接触部３０の外径を約１５−２０ｍｍ、センサ部５０の外径を約１０−１５ｍｍ、全体の高さを約２−３ｍｍ程度のものとすることができる。

接触部３０は、広口の開口を有する下部筐体３２と、下部筐体の広口開口に取り付けられた弾性板３４と、下部筐体３２と弾性板３４とで囲まれた内部空間の測定圧空気室３８とから構成される。

下部筐体３２は、広口開口部における弾性板３４の部分を除き測定圧空気室３８の変形を防止する機能を有する平型カップ状の部材で、その周壁及び天井壁は剛性のある材料、例えば硬質プラスチックで構成される。下部筐体３２は、図３に示すように、硬質プラスチック製の環状周壁部材と天井円板とを気密に組立てて得ることもでき、あるいは一体成形により得ることもできる。剛性のある材料としてセラミックあるいは必要なところを絶縁処理した金属等を用いてもよい。下部筐体の天井壁には、共通穴４０ａと連通穴６０ａとが設けられるが、その詳細は後述する。

弾性板３４は、測定部位の脈圧変動に応じて全体が凹凸型に変形する機能を有し、全体の厚みが例えば約４０−５０μｍ前後の薄板部材である。具体的には、ごくわずかな弾性範囲を除いて伸び縮みしない金属製のスクリーンメッシュ３５と、大きな範囲で伸び縮み可能なプラスチックゴム３６の２重構造で構成することができる。あるいは、一枚のポリイミド薄板で構成してもよい。

センサ部５０は、底部に共通穴４０ｂが貫通するくぼみを有するセンサ筐体５２と、共通穴４０ｂを覆ってセンサ筐体５２のくぼみに取り付けられる圧力センサ５４と、センサ筐体５２のくぼみを覆う蓋５６と、センサ筐体５２と圧力センサ５４と蓋５６とで囲まれた内部空間である背圧空気室５８とから構成される。

センサ筐体５２は、概略円筒状の形状をなし、外周部から中心部に向かって掘り下げるように数段の段差を有してくぼみが形成され、そのくぼみの中心に共通穴４０ｂが貫通して設けられる部材である。数段の段差は、少なくとも２段あり、共通穴４０ｂに最も近く、最も掘り下げられた第１段差は、圧力センサ５４の周囲を保持する。第１段差より外周側で、掘り下げ量が第１段差より少ない第２段差には電極パターンが設けられ、この電極パターンと圧力センサ５４上の電極パッドとの間が金属ワイヤで接続される。電極パターンは、脈圧測定装置本体２２の外部に引き出される外部信号線と接続される。第２段差の掘り下げ量は、金属ワイヤのループが蓋５６に接触しないように十分な深さに設定される。図３に示すように、背圧空気室５８の容積を確保するために、金属ワイヤが接続される第２段差のさらに外周側に掘り下げ量の少ない第３段差を設けてもよい。また、圧力センサの形状等にあわせ、図３に示す以外の形状を取ることもできる。かかるセンサ筐体５２は、例えばセラミック又は硬質プラスチックを所定の形状に成形し、必要な個所に電極パターン等を厚膜印刷等の技術で配線して得ることができる。なお、センサ筐体５２には、底部から背圧空気室に向かって連通穴６０ｂが設けられるが、その詳細は後述する。

蓋５６は、センサ筐体５２の外径と同じ外径を有する円板状の部材で、センサ筐体５２のくぼみを覆って、背圧空気室５８を外部から隔離する機能を有する。具体的には、蓋５６の周辺部が、センサ筐体５２におけるくぼみの最上部の縁に気密に固定される。かかる蓋５６は、センサ筐体５２に用いられた材質と同じもので形成してもよく、異なる材料であってもよい。センサ筐体５２との固定は、接着あるいはハーメチックシール等を用いることができる。

圧力センサ５４は、可撓性薄膜部分を有する素子で、例えば、所定の面方位を有するシリコンを選択エッチングにより、共通穴４０ｂより広い面積で局所的にエッチングし、その部分を可撓性薄膜部分とし、エッチングされない肉厚の厚い周辺部分をセンサ筐体５２に取り付ける取り付け部分とすることができる。この可撓性薄膜部分に半導体素子形成技術を用いて、抵抗素子を作りこむことで圧力センサとすることができる。すなわち、可撓性薄膜部分の一方側の面は共通穴４０ｂに面し、他方側の面は背圧空気室５８に面するので、共通穴４０ｂ側の空気圧と背圧空気室５８の空気圧の差である差圧に応じ、可撓性薄膜部分が上凸または下凸にたわむ。可撓性薄膜部分のたわみに応じて抵抗素子は応力を受け、ひずみを生ずるので抵抗値が変化する。したがって、抵抗値の変化により、差圧の大きさを検出できる。

図４は、圧力検出の回路部８０を示す図である。抵抗ブリッジ８２は、圧力センサ５４の可撓性薄膜部分に設けられる４個の抵抗についてブリッジ回路を形成するように結線したものである。このように抵抗ブリッジ回路を用いることで、抵抗値の変化を電圧値とし、また１つの抵抗素子を用いるのに比べ、その変化量を拡大して検出でき、その出力を安定させることができる。増幅器８４は、抵抗ブリッジ８２における検出信号を増幅する機能を有する回路である。出力Ｉ／Ｆ８６は、増幅後の信号を、外部信号線を介して出力するためのレベル調整等の変換回路である。出力Ｉ／Ｆ８６からは、バックグランド成分に動脈の脈動成分を含む脈圧検出信号が出力される。脈圧検出信号の一例としては、３Ｖレンジで数１０−１００ｍＶ程度の脈動成分を含んで出力することができる。

出力Ｉ／Ｆ８６は外部信号線を介して適当な波形モニタや血圧算出器に接続される。また、外部信号線を用いずに、無線信号により脈圧検出信号を外部の波形モニタや血圧算出器に送信するものとしてもよい。この場合には、増幅器８４により増幅された後、出力Ｉ／Ｆ８６において、送信信号への変換が行われる。増幅器８４及び出力Ｉ／Ｆ８６は、独立の回路部品等で構成することもでき、圧力センサ５４の肉厚の厚い部分のシリコンに半導体集積回路技術を用いて作りこむこともできる。

接触部３０とセンサ部５０とは、接触部３０の下部筐体３２における天井壁と、センサ部５０のセンサ筐体５２における底部とが位置決めされて固定され、全体として脈圧測定装置本体２２となる。位置決めは、下部筐体３２の天井壁に設けられた共通穴４０ａ及び連通穴６０ａの位置と、センサ筐体５２の底部に設けられた共通穴４０ｂ及び連通穴６０ｂの位置とをそれぞれ合わせて行われる。位置決めを容易にするため、一方側の穴径を他方側の穴径より大きくしてもよい。位置決めがされた後の固定は、接着あるいは小型ビス等の固定手段を用いることができる。

このようにして組み立てられた脈圧測定装置本体２２は、図３に示されるように、下部筐体３２とセンサ筐体５２と蓋５６とで全体の筐体の機能を有する。また、共通穴４０ａ，４０ｂが位置決めされることで、圧力センサ５４は、弾性板側の測定圧空気室３８と背圧空気室５８とを仕切る機能を有する。そして、位置決めされた連通穴６０ａ，６０ｂは、測定圧空気室３８と背圧空気室５８とを細い連通路７０で連通する機能を有する。

測定圧空気室３８と背圧空気室５８とは、下部筐体３２とセンサ筐体５２と蓋５６と弾性板３４によって外部から遮断されており、細い連通路７０により連通されている。この連通している測定圧空気室３８と背圧空気室５８には、血圧に近い圧力の与圧を有する空気が予め封入される。封入は、脈圧測定装置本体２２の組み立てにおいて最後の工程を弾性板３４の取り付け又は蓋５６の取り付けとし、その際に行うことができる。あるいは下部筐体３２等の適当なところに別途空気送り込み穴を設け、その穴から空気を内部に供給し、所定の与圧になったところでその穴をふさぐ等により空気の出入りを止めることでもよい。与圧は、例えば９０ミリバール以上１５０ミリバールとすることができる。好ましくは１２０ミリバール前後とすることがよい。なお、封入される空気は、一般大気を用いることができるが、好ましくは封入時の温度及び湿度を所定の範囲に管理することが好ましい。また、空気に代えて、乾燥窒素ガス等を封入してもよい。空気と成分がかなり異なる気体を封入することもできるが、その場合は、与圧を血圧に近くなるよう、標準空気に換算して用いることが必要である。

細長い連通路７０は、測定圧空気室３８と背圧空気室５８との間の内圧差があるときに、その内圧差を緩和する機能を有し、その緩和時間が、脈圧の周期、すなわち脈拍周期より十分長くなるように連通路７０の寸法が設定される。例えば、脈拍周期の数−１０倍程度の緩和時間となるように連通路７０の径と長さを設定する。具体的には、測定圧空気室３８と背圧空気室５８の大きさ及び圧力センサ５４の性能等に基づいて連通路７０の径と長さを設定することができる。一例として、上記のように、接触部３０の外径を約１５−２０ｍｍ、センサ部５０の外径を約１０−１５ｍｍ、全体の高さを約２−３ｍｍ、測定圧空気室３８及び背圧空気室５８の容積をそれぞれ約０．１−０．６ｍｌ程度のものとし、脈圧検出信号を３Ｖレンジで数１０−１００ｍＶ程度とすると、連通路７０の長さがおよそ０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下程度にとることができる。連通路７０の長さをこの範囲として、連通路の直径を５μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。好ましくは８−１０μｍ程度とすることがよい。連通路７０の断面は円形でなくてもよい。その場合には、断面積を等しくするようにして上記直径の条件を任意断面に換算すればよい。

上記構成の作用につき説明する。測定圧空気室３８と背圧空気室５８に所定の与圧が封入された脈圧測定装置２０を測定部位に押し付けあるいは取り付けると、測定部位の動脈の脈圧変動を弾性板３４が受け止め、測定圧空気室３８の内圧を変化させる。連通路７０は細長くその緩和時間は脈圧周期より十分長いので、脈圧による内圧変化はすぐには背圧空気室５８には伝わらない。したがって、圧力センサ５４における可撓性薄膜の両側の圧力差である差圧に応じて出力Ｉ／Ｆ８４から脈圧検出信号が出力されるが、このときバックグランド成分には殆ど変化が生じない。以上が通常の場合における脈圧測定装置２０の作用である。

ここで、身体を動かすと、脈圧測定装置２０が測定部位に対し押し付けあるいは取り付けられている状態が微妙に変化し、測定圧空気室３８の内圧が大きく変化し、動脈の脈動成分による内圧変化におけるバックグランド成分を大きく変化させてしまう。この内圧の大きな変化は、連通路７０の緩和時間によってゆっくり背圧空気室５８に伝えられる。緩和時間は、連通路７０の寸法等で予め設定できるので、測定圧空気室３８と背圧空気室５８との間の圧力差のバックグランド成分は、この緩和時間の特性に従って一定の変化となる。すなわち、身体を動かしたときの脈圧検出信号に現れるバックグランド成分は、一定の緩和時間特性に従って変化し、再現性をもたせることができる。

図５は、その様子を圧力センサ５４の検出信号の変化で示した図である。図１に示す従来例の場合と横軸及び縦軸を同じにとってある。図５に示すように、手首を動かすとき１２に検出信号波形全体が大きく変動し、測定レンジを振り切ってしまうが、その後、連通路７０の緩和時間特性に従って、緩やかに元に戻る。その戻り方は、手首を動かすとき１２を繰り返しても、同じ緩和時間特性に従う、すなわち、破線で示すバックグランド成分１１４は、再現性よく同じ特性で変化する。したがって、圧力センサ５４の検出信号からバックグランド成分の変動を再現よく抑制でき、バックグランド成分の除去が容易になる。

圧力センサを用いた脈圧測定装置に用いることができる。また、電子血圧計における脈圧測定部として用いることができる。

従来技術において、身体を動かしたときにおける圧力センサの検出信号の大きな変化を説明する図である。本発明に係る実施の形態の脈圧測定装置を測定部位に押し当て又は取り付ける様子を示す図である。本発明に係る実施の形態における脈圧測定装置本体の断面図である。本発明に係る実施の形態における圧力検出の回路部を示す図である。本発明に係る実施の形態における脈圧測定装置を用い、身体を動かしたときにおける圧力センサの検出信号の変化を説明する図である。

符号の説明

１０脈動成分、１４，１１４バックグランド成分、１８測定部位、２０脈圧測定装置、２２脈圧測定装置本体、３０接触部、３２下部筐体、３４弾性板、３５スクリーンメッシュ、３６プラスチックゴム、３８測定圧空気室、５０センサ部、５２センサ筐体、５４圧力センサ、５８背圧空気室、７０連通路。

Claims

血圧を測定する部位へ押し当てて脈圧を検出する脈圧測定装置であって、測定部位に押し当てる面に弾性板を有し内部に所定の与圧を有する空気を含む筐体と、筐体の内部を弾性板側の測定圧空気室と背圧空気室とに仕切る可撓性薄膜と、測定部位からの脈圧に応じて変化する測定圧空気室の内圧と背圧空気室の内圧との圧力差を可撓性薄膜の変形により検出する圧力センサと、測定圧空気室と背圧空気室とを連通し脈圧の周期より長い緩和時間で測定圧空気室と背圧空気室との間の内圧差を緩和する細長い連通路と、を備えることを特徴とする脈圧測定装置。
請求項１に記載の脈圧測定装置において、連通路は径が、５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする脈圧測定装置。
請求項１に記載の脈圧測定装置において、連通路は長さが０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする脈圧測定装置。
請求項１に記載の脈圧測定装置において、所定の与圧は、９０ミリバール以上１５０ミリバールであることを特徴とする脈圧測定装置。
請求項１に記載の脈圧測定装置において、弾性板は、金属製のスクリーンメッシュ薄板と、プラスチック製の薄板とを重ねて構成されることを特徴とする脈圧測定装置。
請求項１に記載の脈圧測定装置において、圧力センサの出力を無線送信する送信部を備えることを特徴とする脈圧測定装置。