JP3857518B2 - 脈検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を検出素子として用いた脈検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体の脈には病気の診断に適用できる重要な情報が含まれている。そこで、近年、患者の腕に携帯型脈検出装置を装着させて、この携帯型脈検出装置から送信された患者の脈検出データを病院が受信し、患者の状態を把握するシステムが病院等の医療施設において検討されている。脈検出装置の小型化・軽量化のために圧電素子を用いることは有効であり、上述したシステムに適用することもふまえて、圧電素子を使用した脈検出装置の開発が進められている。
【０００３】
圧電素子を使用した従来の脈検出装置１００を図６に示す。図示するように、脈検出装置１００は、２つの圧電素子１１０，１２０を樹脂（またはゲル）１３０の中に埋め込み固定したものである。ここで、各圧電素子１１０，１２０の厚み方向の両面には、金属性の電極が形成される（図示省略）。また、圧電素子１１０の両電極には、駆動電圧印加用のプローブ（端子、引き出し線等）が接続され、圧電素子１２０の両面の電極には電圧信号出力用のプローブ（端子、引き出し線等）が接続される（図示省略）。
【０００４】
そして、病院の診察時に、この脈検出装置１００を使用して患者の脈を検出している。詳細には、圧電素子１１０の両電極に駆動用の電圧を印加すると、圧電素子１１０が励振して超音波を発生し、超音波は樹脂１３０を介して生体内に送信される。生体内に送信された超音波は生体の血流によって反射し、反射した超音波が樹脂１３０を介して圧電素子１２０によって受信される。この時、圧電素子１１０が送信した超音波と、圧電素子１２０が受信した超音波には、血流のドップラ効果によって周波数変化が生じる。また、血流の速度は脈と同期して変化するため、この超音波の周波数変化によって生体の脈が検出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電素子を利用した前述の脈検出装置においては、送信用の圧電素子、受信用の圧電素子が基板表面に対して平行に取り付けられているので、生体内の血管を流れる血流に対して垂直に近い角度で超音波が入射され、大きなドップラ現象を大きく引き起こすことが困難である。また、受信用の圧電素子に向かって反射して戻ってくる反射波についても、受信用圧電素子が生体表面に対して角度を持っていないため、受信感度も弱いものとなってしまう。
【０００６】
ただし、送受信用の圧電素子を取りつけた基板を生体表面に対して角度を持って取り付けると、圧電素子と生体表面までの間に、厚い樹脂層が必要となり、この樹脂層により超音波の減衰量が増え、結果として感度が小さくなってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、超音波送信用の圧電素子と超音波受信用の圧電素子とを傾斜させて配置するとともに、脈の検出感度を向上させ、品質のばらつきが生じにくい脈検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明による脈検出装置は、送信用の圧電素子と受信用の圧電素子が送受信基板の一面上に傾斜層によって傾斜させられて固定載置され、この送受信基板を支えるとともに送信用圧電素子及び受信用圧電素子に接しない支持部を備えている。このような構成によれば、送信用圧電素子及び受信用圧電素子の双方は、送受信基板上に載置固定されるため、これら圧電素子を精度良く設計通りに配置することができる。また、送信用圧電素子が発生した超音波は、送受信基板を介して生体内に送信され、また、生体の血流による反射波も、送受信基板を介して生体から受信用圧電素子に伝達するので、機能上問題は生じない。
【０００９】
また、送信用の圧電素子の振動は、樹脂中の場合全ての方向に振動してしまうが、送信用の圧電素子の裏面側は傾斜層により空隙が存在するため、無駄なく基板側のみに振動が伝わる。したがって、本発明の構成によれば、品質にばらつきが生じにくい脈検出装置を提供することができ、また、脈の検出感度を向上させることができる。
【００１０】
しかも、送信用の圧電素子は傾斜層により斜めに取り付けられているので、超音波が生体内の血管に対して大きな角度を持って照射される。従って、生体の血流のドップラ効果が大きくなり、送信用圧電素子で発生する超音波と、受信用圧電素子で受信される反射波との周波数変化が大きくなる。つまり、脈検出装置における脈の検出強度が向上する。
【００１１】
さらに、受信用の圧電素子も傾斜層により斜めにとりつけられているので、反射してくる超音波の入射角度も垂直に近くなり、受信強度が大きくなるとともに、受信用圧電素子の裏側には空隙が存在するので、裏側からノイズとして進入してくる直接波を減少させることとなり、受信感度が向上しする。つまり、脈検出装置における脈の検出感度が向上する。
【００１２】
さらに、圧電素子そのものが送受信基板に傾斜させて取りつけられているので、圧電素子が平らに取り付けられている場合と比較しても、生体表面との間に存在する樹脂層の厚みに差がほとんど無く、樹脂層の中を進行する時の超音波の減衰量が最小に抑えられる。
【００１３】
また、検出部によって検出された脈を表示する表示部を備える構成としてもよい。また、手首に当該脈検出装置を装着するためのベルトを備える構成とすることによって、生体が脈検出装置を容易に携帯することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明による脈検出装置は、入力された駆動信号に応じて生体内に超音波を送信する送信用の圧電素子と、超音波が生体の血流によって反射した反射波を受信する受信用の圧電素子と、前記圧電素子のうち少なくとも一方が一つの表面に設けられるとともに、前記圧電素子を傾斜させて設置するための傾斜層を備え、前期基板を支持するために、前記基板が生体に接する面の裏面側に設けられた支持部を備えた構成である。このような構成の脈検出装置によれば、超音波の血管への挿入角度を大きくでき、また、反射波の受信角度も大きくできる。その結果、本発明の構成によれば、脈の検出感度を向上させることができる。
【００１５】
さらに、前記基板表面の一部と前記基板表面に備えた前記傾斜層の一部との間に前記圧電素子が架橋して設置されており、これにより存在する前記圧電素子と前記基板との間に空隙を作るため、受信用の圧電素子に対して裏側から漏洩する発進波の量を軽減することができる。
【００１６】
詳細は以下の実施例において述べる。
【００１７】
【実施例】
以下に、図面を参照して本発明による脈検出装置の実施例について詳細に説明する。
【００１８】
本発明による脈検出装置１の外観上の構成を示す側面図を図２に示す。また、図２に示した脈検出装置１を生体２（腕）に装着した状態を図３に示す。
【００１９】
図２に示すように、脈検出装置１は、処理部３、測定部４、バンド５、及び止め金具６によって概略構成されている。図３に示すように、脈検出装置１は生体２に装着することにより常時携帯可能である。処理部３及び測定部４はバンド５に取り付けられており、バンド５及び止め金具６によって生体２（図２中の破線部）に装着される。この時、測定部４は生体２の橈骨（とうこつ）動脈あるいは尺骨動脈付近（図示省略）に当接される。また、図示しないが、処理部３と測定部４は導線により接続されており、この導線を介して処理部３から駆動用電圧信号が測定部４に入力され、測定部４で測定された電圧信号が処理部３に入力される。
【００２０】
脈検出装置１の処理部３の内部構成と、処理部３と測定部４の接続状態を示すブロック図を図４に示す。図示するように、処理部３は、処理演算部３１、駆動回路３２、及び表示部３３によって概略構成されている。
【００２１】
処理演算部３１は、内部に備えた記憶領域（図示省略）に記憶されている処理プログラムを実行することによって、脈の検出に関する各種処理を実行し、その処理結果を表示部３３に表示する。また、処理演算部３１は、脈測定時に駆動回路３２から測定部４の送信用圧電素子４１（詳細は後述）に特定の駆動用電圧信号を出力させる。また、処理演算部３１は、送信用圧電素子４１から発せられた超音波の周波数と、受信用圧電素子４２で受信され血流のドップラ効果により変化した超音波の周波数を比較して脈を検出する。
【００２２】
駆動回路３２は、処理演算部３１の指示に従って、特定の駆動用電圧信号を測定部４の送信用圧電素子４１に出力する。
【００２３】
表示部３３は、液晶表示画面等によって構成されており、処理演算部３１から入力される脈検出結果等を表示する。
【００２４】
次に、脈検出装置１の測定部４の断面図を図１に示す。送信用基板４４の上に傾斜層４３が存在し、前記傾斜層４３と前記送信用基板４４に架橋するように送信用圧電素子４１が存在している。そして、受信用基板４５の上に傾斜層４３が存在し、前記傾斜層４３と前記送信用基板４５に架橋するように送信用圧電素子４２が存在している。送受信基板４４、４５は支持部４６によって保持されている。
【００２５】
次に、脈検出装置１の測定部の製造方法を説明する。電極をパターニングしたガラス基板を送受信用基板４４、４５として作製する。基板はガラスに限らず、ガラエポ基板であっても良い。そして、送受信用基板４４、４５上にレジストをスクリーン印刷法により塗布し、送受信基板４４、４５の所定の位置に傾斜層４３として形成する。そして、傾斜層４３が形成された送受信基板４４、４５の上に架橋するように圧電素子４１、４２を設置し、送受信基板４４、４５上の電極と圧電素子４１、４２を接着する。送信用圧電素子４１及び受信用圧電素子４２と送受信基板４４、４５の接合には、各種接着剤を用いる方法と拡散結合や共晶結合を利用した方法がある。拡散接合とは２つの金属が互いに接した状態で加圧加熱されることによって、金属原子の熱拡散を相互金属間で発生させて接合させる方法である。共晶結合とは、２つの金属が互いに接した状態で加圧加熱することによって、互いの金属を溶融し、その後冷却することによって、合金を相互金属間に生成することによって接合させる方法である。送受信基板４４、４５と、送信用圧電素子４１もしくは受信用圧電素子４２とを接合する際に拡散結合及び共晶結合を使用する利点は、接合界面に接着層が形成されず、接合界面における超音波の振動の減衰を低減させることができることである。また、これら圧電素子４１，４２の形状については任意であり、送信用と受信用に形状の異なる圧電素子を使用してもよい。今回は導電性の接着剤を用いた方法で接着を行った。そして、圧電素子４１、４２の上面にも配線を行う必要があるので、次に、送受信基板４４、４５上の配線と圧電素子４１、４２の上面を導線等を用いて接続する。接続方法は、ワイヤーボンディング法を用いても良いし、導電性接着剤によって、導線を接着しても良い。
【００２６】
そして、電気的な結線が終了した後、保護層として樹脂４８を形成する。これは高分子性接着剤、例えばエポキシ樹脂やシリコン樹脂を用いる。ここまで製造した圧電素子基板部を支持部４６に接着する。このときの接着剤は、機械的強度があれば、どの種類の接着剤でも構わないが、今回はエポキシ系の接着剤を用いた。
【００２７】
また、送信用圧電素子４１は、処理部３の駆動回路３２と導線によって電気的に接続されている。そして、送信用圧電素子４１に駆動回路３２から特定の駆動用電圧信号が印加されると、送信用圧電素子４１は励振して特定周波数の超音波を発生し、生体内に送信する。
【００２８】
受信用圧電素子４２は、処理部３の処理演算部３１と導線によって電気的に接続されている。受信用圧電素子４２は、生体から超音波を受信すると、この超音波を電圧信号に変換し、処理部３の処理演算部３１に出力する。
【００２９】
また、生体に接する面には樹脂層４８が形成されている。ここで、樹脂層４８はエポキシ系樹脂またはシリコン系樹脂からなり、これら使用する樹脂の種類によって、送受信基板４４、４５における生体との接触面の性質が異なる。
【００３０】
例えば、樹脂層４８にエポキシ系樹脂を使用した場合、エポキシ系樹脂の音響インピーダンスは、送受信基板４３の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの間の値であるため、生体と送受信基板４４、４５の界面で起こる超音波の反射を更に低減させることができる。したがって、生体と送受信基板４４、４５との間で効率良く超音波を伝搬させることができる。また、樹脂層４８にシリコン系樹脂を用いた場合には、シリコン系樹脂は軟質であるため、樹脂層４８によって送受信基板４４、４５と生体との密着性が向上する。したがって、生体と送受信基板４４、４５との間に存在する空気層を低減させることができ、この空気層による超音波の振動の減衰を抑えることができる。また、シリコン系樹脂は、生体との適合性がよく、皮膚に密着させても影響が少ない。
【００３１】
今回は樹脂層として、エポキシ系樹脂の上にシリコン系樹脂を重ねて、２層の樹脂層とした。これにより、超音波の反射、減衰を防ぐことができる。
【００３２】
次に、図４及び図５を参照して、脈検出装置１における処理部３及び測定部４の動作について説明する。
【００３３】
先ず、生体に脈検出装置１を装着すると、図５に示すように、測定部４が生体２（の橈骨（とうこつ）動脈あるいは尺骨動脈付近）に当接される。そして、脈の検出時に、図４に示す処理演算部３１は、駆動回路３２から送信用圧電素子４１に特定の駆動用電圧信号を出力させる。
【００３４】
送信用圧電素子４１は、入力された駆動用電圧信号に基づいて励振して超音波を発生し、樹脂層４８を介して生体２内に送信する。このとき、生体２とは逆方向に発生する超音波は、傾斜層４３によって形成された空隙４９によって遮断され、生体２側の方に効率良く超音波が送信される。生体２内に送信された超音波は、送信用圧電素子４１が傾斜層４３によって傾斜が付けられて設けられているので、血流２ａに対して角度を持って入射する。そして、超音波は血流２ａにより反射され、測定部４の受信用圧電素子４２により受信される。受信用圧電素子は傾斜層によって傾斜がつけられて設置されているので、反射してくる超音波を、より強く受信することができる。そして、受信用圧電素子４２は、受信した超音波を電圧信号に変換して、処理演算部３１に出力する。
【００３５】
次に、処理演算部３１は、送信用圧電素子４１から送信された超音波の周波数と、受信用圧電素子４２で受信され血流のドップラ効果により変化した超音波の周波数を比較して生体の脈を検出する。この周波数の比較を行うときに、送信用圧電素子４１から直接受信用圧電素子４２に漏れ伝わってくる漏洩超音波の量が多いと、この漏洩超音波がノイズとなり、脈の検出感度が落ちるが、送受信用圧電素子４１、４２の裏側に設けた空隙層４９により、この漏洩超音波を遮断しているため、生体の脈の検出感度は向上している。そして、処理演算部３１は、脈の検出結果を表示部３３に表示する。このようにして、脈検出装置１は、生体の脈を測定・表示する。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の脈検出装置によれば、送信用の圧電素子と受信用の圧電素子が送受信基板の一面上に傾斜層によって傾斜させられて固定載置され、この送受信基板を支えるとともに送信用圧電素子及び受信用圧電素子に接しない支持部を備えている構成のため、送受信基板上に制度良く配置することができ、送信用の圧電素子の裏面側に存在する空隙により、裏側に漏れる漏洩超音波が遮断され、効率良く送信方向に超音波が発射でき、脈の検出感度を向上させることができる。
【００３７】
また、送信用の圧電素子が傾斜しているため、超音波が生体内の血管に対して大きな角度を持って照射されることにより、生体の血流のドップラ効果が大きくなり、脈の検出強度を向上させることができる。
【００３８】
また、受信用の圧電素子も傾斜しているため、反射超音波の入射角度も垂直に近くなり、受信強度が大きくなるとともに、受信用圧電素子の裏側には空隙が存在するので、裏側からノイズとして進入してくる直接波を減少させ受信感度が向上し、脈の検出感度を向上させることができる。
【００３９】
また、圧電素子そのものが送受信基板に傾斜させて取りつけられているため、圧電素子が平らに取り付けられている場合と比較しても、生体表面との間に存在する樹脂層の厚みに差がほとんど無く、樹脂層の中を進行する時の超音波の減衰量が最小に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による脈検出装置の測定部の構成断面を示す図である。
【図２】本発明を適用した脈検出装置の構成を示す外観図である。
【図３】本発明の脈検出装置を生体（腕）に装着した状態を示す外観図である。
【図４】処理部の内部構成と、測定部との接続状態を示すブロック図である。
【図５】測定部が生体に当接された状態を示す図である。
【図６】従来例を示す図である。
【符号の説明】
１ 脈検出装置
２ 生体
３ 処理部
４ 測定部
４１ 送信用圧電素子
４２ 受信用圧電素子
４３ 傾斜層
４４ 送信用基板
４５ 受信用基板
４６ 支持部
４７ 空間
４８ 樹脂層
４９ 空隙

Claims (3)

1. 入力された駆動信号に応じて生体内に超音波を送信する送信用の圧電素子と、前記超音波が前記生体の血流によって反射した反射波を受信する受信用の圧電素子と、前記圧電素子のうち少なくとも一方が一つの表面に設けられた基板を備え、前記基板には前記圧電素子を傾斜させて設置するための傾斜層を備え、前記基板を支持するために、前記基板が生体に接する面の裏面側に設けられた支持部を備えたことを特徴とする脈検出装置。
2. 前記基板表面の一部と前記基板表面に備えた前記傾斜層の一部との間に前記圧電素子が架橋して設置されていることを特徴とする請求項１に記載の脈検出装置。
3. 前記基板表面の一部と前記基板表面に備えた前記傾斜層の一辺との間に前記圧電素子が架橋して設置されていることにより存在する前記圧電素子と前記基板との間が空隙を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の脈検出装置。

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