JP3927997B2

JP3927997B2 - 脈波計測装置

Info

Publication number: JP3927997B2
Application number: JP2002101630A
Authority: JP
Inventors: 加州男沖野
Original assignee: 株式会社ユメディカ
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: JP2003290162A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脈波計測装置及びノイズ成分除去方法に関し、特に、指先容積脈波計測装置、並びに脈波センサを用いて脈波情報を計測する際に、商用電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分及びその他のノイズ成分を除去する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光電式脈波計においては、被験者の指先がフォトダイオードからなる電極、特にアノードに接近して置かれることから、また、フォトダイオードの光電流を検出するための電流アンプの入力インピーダンスが非常に高低抗であることから、電流アンプの出力には被験者の指先からの誘導ノイズが大変乗りやすい。しかも、室内の測定においては商用電源ラインからの誘導ノイズが大変大きいため(図１に示すノイズの乗った波形例を参照)、有用な脈波計測装置を提供するためには、商用電源周波数５０Ｈｚと６０Ｈｚとの両方に由来する誘導ノイズを除去する必要がある。
【０００３】
脈波において有効な周波数領域の２０Ｈｚ程度を遮断周波数とすれば、５０Ｈｚでの減衰率を−６０ｄＢ(１／１,０００：１０ビットの分解能で無視できる減衰率)以下とすることができるアナログローパスフィルター(Low Pass Filter)は１０次以上となるので、高価なものとなる。この際、遮断周波数特性を急峻なものにすると、階段状波形入力で発生するリンギング状の波形変形が無視できなくなる。
【０００４】
また、加速度脈波(ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ波)を利用して脈波情報を得ようとする場合、この加速度脈波は元の指先容積脈波を２回微分して求めるので、微分処理に伴う問題点に十分注意する必要がある。一般的に、微分フィルターでは、高周波成分の振幅が周波数に比例して大きく出るため、高周波成分の信号を強調して見ることができるという利点はある。しかし、この際に高周波のノイズも大きく強調されて見えるため、不要なノイズを有効な信号から明確に区別して適切に除去する手段を設けることが必要となる。従って、この加速度脈波を求めるための、精度の良いアナログフィルター回路は複雑で高価なものとなる。
【０００５】
このため、従来から、誘導ノイズ除去にデジタルフィルターを用いることが提案されている。この場合、従来の脈波計で用いられているサンプリング周波数１００〜２００Samples/sec(Ｈｚ)を用いると、サンプリング周波数付近の商用電源周波数高調波(１２０Ｈｚ、１５０Ｈｚ、１８０Ｈｚ等)を除去することができないという問題がある。また、デジタルフィルターの次数(係数の数)が大きく、遮断周波数特性の急峻なフィルターを設計する必要があるが、上記したように、遮断周波数特性を急峻にすると波形のリンギングが発生することになる。
【０００６】
そこで、以上の問題を解決するために、従来提案されている光電式脈波計測装置においては、遮断周波数１０Ｈｚ程度のアナログフィルターが用いられているのが実情である。この脈波計測装置では、通常、遮断周波数１０Ｈｚ程度の高域カットフィルターと、加速度脈波を得るための微分処理を行うアナログ回路によるアナログフィルターとで構成される。微分フィルターは、そのままでは、周波数特性が周波数に比例するため、高周波数由来のノイズに弱い。また、この場合、急峻な立ちあがりのエッジや、心室弁閉止後に現れることがある１０Ｈｚ以上の揺らぎ等は計測できない。
【０００７】
従って、加速度脈波を得るために二次微分処理を行う際、高次の高精度高域カットフィルターを構成する必要があり、従来の脈波計測装置では高価で規模の大きな回路構成となってしまう。このため、上記したように、アナログフィルターの代わりにデジタルフィルターで処理する技術が開発され、例えば、一般に広く使用されている光電式指尖容積脈波計では、次のような処理をすることにより、その解決を図ろうとしている。
【０００８】
例えば、脈波アンプを、高域遮断周波数２８Ｈｚの二次ローパスフィルターを通してから、１０．６Ｈｚの一次ローパスフィルターを通すように構成している。Ａ／Ｄ変換器では、サンプリング周波数２５０Samples/secとし、デジタルフィルターとしては、微分フィルターとして、差分フィルターとローパスフィルター(１７次のFinite Impulse Response Filter：以下、「ＦＩＲ」フィルターと称す。)とで構成したものを使用している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において提案された脈波アンプの場合、サンプリング周波数２５０Samples/secのＦＩＲフィルターでローパスフィルターを構成すると、商用電源周波数５０Ｈｚの場合は、誘導ノイズの減衰率６０ｄＢ以上を達成することが可能である。しかし、周波数特性にリンギングが発生するため、西日本地域における商用電源周波数６０Ｈｚでの誘導ノイズの減衰率は５０ｄＢ程度にしかならないという問題がある。
【００１０】
二次ないし三次のローパスフィルターでは、電源ラインからの誘導ノイズの振幅が、電源環境によっては容積脈波の振幅に達する。従って、商用電源周波数６０Ｈｚ由来のノイズ成分を加速度脈波の振幅に対して１００分の１以下とするためには、約１万倍の８０ｄＢ以上の減衰率を達成する必要がある。
微分フィルターを差分フィルターで構成した場合には、サンプリング周波数の四分の一の周波数(サンプリング周波数２５０Samples/secの場合、６２．５Ｈｚ)までが、周波数とともに感度が増大する微分特性を示し、サンプリング周波数の二分の一の周波数(サンプリング周波数２５０Samples/secの場合、１２５Ｈｚ)で感度がゼロとなる特性を示す。電源周波数６０Ｈｚは、加速度脈波の主要な周波数である５〜７Ｈｚに対して、約１０倍の周波数帯である。従って、微分フィルターの周波数特性から、加速度脈波においては、６０Ｈｚ帯域のノイズは、加速度脈波に対して約１００倍に増幅されてしまうことになる。
【００１１】
また、デジタルフィルターを用いる場合、上記従来技術におけるように、微分フィルターとして、差分フィルターとローパスフィルターとで構成したものを用い、振幅の小さい波形で増幅度を上げると、商用電源周波数のノイズを完全には除去できず、二次微分波形に商用電源周波数のノイズ成分が見られるのが実情である(図１参照)。
さらに、デジタルフィルターの特性として、サンプリング周波数付近のノイズは０Ｈｚ付近に折り返されて出現する。従って、例えば、商用電源周波数６０Ｈｚの４次の高調波２４０Ｈｚのノイズは１０Ｈｚのノイズとして出現する。
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ成分、及びその他のノイズ成分を除去可能な脈波計測装置、及びこれらのノイズ成分を有効に除去する方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、脈波により被験者の循環器系の状態変化や、その変化をもたらす体調の変化を推定することができることより、脈波を再現性よく測定し、かつ、測定の際の誘導ノイズを除くべく鋭意研究開発を行ってきた。その結果、特定の構成を有する脈波センサとデジタルフィルターとを用いることにより、誘導ノイズが出現することなく、再現性よく正確に脈波を測定できることに気がつき、本発明を完成させるに至った。
【００１３】
本発明の脈波計測装置は、脈波を検出して脈波信号を出力する脈波センサと、該脈波信号を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する手段とからなる脈波計測装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデシタル微分フィルターとで構成されており、初段のデジタルローパスフィルターにおいて、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成すると共に、後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近となるように構成することを特徴とする。このように構成することにより、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ成分、及びその他のノイズ成分が有効に除去され得る。
【００１４】
上記脈波計測装置の構成において１次、２次のアナログローパスフィルターの遮断周波数を２０〜３０Ｈｚとすれば、所望の減衰率を達成でき、また、急峻な入力波形に対する応答にリンギング状の波形変形は発生しない。また、初段のデジタルローパスフィルター及び後段の広域カットデジタル微分フィルターにおける遮断周波数が、１５Ｈｚ未満であると従来の場合と同等程度の性能しか得られず、また、遮断周波数が４０Ｈｚを超えると急峻な変化のある入力波形に対する応答にリンギング(振動波形)が生じる。
【００１５】
上記初段のデジタルローパスフィルターにおいて、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰率の極大値が８０ｄＢ(１／１０００)以上となるように構成すると共に、上記後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰率の極大値が４０ｄＢ(１／１００)以上となるように構成することが好ましい。初段のデジタルローパスフィルターにおいて、減衰率の極大値が８０ｄＢ未満となるように構成すると、商用電源周波数由来のノイズ成分を加速度脈波の振幅に対して１００分の１以下とすることができず、誘導ノイズを有効に除去できない。また、後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、減衰率が４０ｄＢ未満となるように構成すると、同様に誘導ノイズを有効に除去できない。
【００１６】
上記脈波センサは、発光部と受光部とにより人体の指の脈波を測定する反射型の脈波センサであって、該発光部を、該受光部より指の動脈血流の下流側に、その上面が該受光部の上面よりも突出し、かつ所定の距離だけ指の腹部を載置する床面よりも高くなるように配置し、そして指の先端を該発光部よりも指動脈血流のさらに下流側に装着するための空間が該床面の先端部分に設けられていることを特徴とする。この脈波センサを組み込んだ脈波計測装置は、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ成分、及びその他のノイズ成分の除去された有用な脈波情報を得ることができる。
【００１７】
上記したように、発光部を、その上面が受光部の上面よりも高くなるように配置し、指の先端が照射光の経路よりも指動脈血流のさらに下流側に装着され得る構造をとることにより、指の発光部に対する密着性が良好になると共に、指動脈血流の下流側が圧迫されても、上流側が圧迫されるのに比べて脈波への影響は少なく、その結果、再現性よく脈波情報を得ることができる。また、発光部が床面から突出しているため、指との接触面積は発光部の上面の面積と等しくなる。これに対し、発光部が床面から突出していない場合は、指と床面との接触面積が増えるため、床面から突出している場合と同一の単位面積あたりの接触圧を得るには、指にかかる全圧力は突出している場合よりも大きな圧力となる。この結果、波形の変化も大きなものとなる。
【００１８】
また、受光部を発光部よりも指の動脈血流の下流側に配置すると、以下述べるような押圧材を設けた場合、押圧部と押圧部よりも指動脈血流の下流側ではうっ血が発生するので、この部分の近くに受光部を設けると抹消動脈血流の循環の悪い波形が得られ、適切な評価ができない。
【００１９】
上記脈波センサにおいて、該発光部は、その上面が指の腹部を載置する床面より通常０．２〜２．０ｍｍ程度、好ましくは０．３〜１．５ｍｍ程度、さらに好ましくは０．４〜１．０ｍｍ程度高くなるように配置されることが好ましい。発光部をこのような範囲内に配置すると、指腹部の皮膚面が発光部上面から下に被さるので、測定データに対する外乱光や漏洩光や反射光の影響を小さくすることができると共に、被験者が指を装着する際に、その突出部に触れることによりセンサー位置を認識して、指を所定の位置に載置し易いという利点がある。しかし、０．２ｍｍ未満であると、センサー位置を確認し難いので、指先を所定位置に載置し難いと共に、測定データに対する反射光の影響が大きくなる。また、２．０ｍｍを超えると、指皮膚面が床面から浮くため、不安定な装着状態になると共に、指を載置した時の指に対する圧力により波形の変形が生じて再現性が悪くなり、測定される脈波データにバラツキが生じて、正確な脈波情報を得ることが難しくなる。
【００２０】
上記受光部は、その上面が指の腹部を載置する床面と同じレベルになるように配置されているか、又は所定の距離だけ該床面より低くなるように配置されていることが好ましい。発光部に対する指の密着性がより良好になる。なお、受光部が指を押圧するような構造とすると、その部分でうっ血が発生し、動脈血流の循環が悪くなり、波形変化が生じ、適切な評価ができない。
上記指の先端を装着する空間の床面と対向する面に押圧材を設け、該押圧材で発光部よりも指動脈血流のさらに下流側の指先先端部を押さえるようにする。被験者は、脈波測定中に意識的・無意識的に指先に力を入れる場合がある。この場合に、力を抜くように指導すると、被験者の指の形状によっては、センサーへの密着性が悪くなることがある。力を入れる場合も、力を抜く場合も、指の小さな動きによるノイズが発生する。本発明のように押圧材を設けることにより、ノイズが減少し、測定データの再現性が増し、正確な脈波情報を得ることができる。
【００２１】
上記したように、指の押圧部を発光部上面の小面積に限るように構成してあるので、受光部は押圧部の上流側の指動脈血流部分の脈波を正確に測定することができる。指が発光部上面以外をも押圧する場合には、押圧部位が指動脈血流の下流側にあったとしても、受光部の測定部位が押圧の影響を受けるため、測定の再現性が低下する。
上記発光部の側面は、該発光部から指内に照射される光が外部に漏れるのを阻止しかつ指の腹部表面からの反射光を阻止するために、筒状の遮光壁で囲まれていることが好ましい。
【００２２】
上記受光部は、その上面が指の腹部を載置する床面と同じレベルに配置されているか、又は所定の距離だけ該床面より低くなるように配置されており、該指の先端を装着する空間の床面と対向する面にクッション部材を設け、該クッション部材で指先を押さえるように構成し、該発光部の側面は、該発光部から指内に照射される光が外部に漏れるのを阻止しかつ指の腹部表面からの反射光を阻止するために、筒状の遮光壁で囲まれている。
上記発光部の側面は、該発光部から指内に照射される光が外部に漏れるのを阻止しかつ指の腹部表面からの反射光を阻止するために、筒状の遮光壁で囲まれていることが好ましい。
【００２３】
上記発光部は、内面が照射光に対する反射特性を有する筒型の遮光壁内部に配置され、該遮光壁の上端が、指の腹部を載置する床面から通常０．２〜２．０ｍｍ程度、好ましくは０．３〜１．５ｍｍ程度、さらに好ましくは０．４〜１．０ｍｍ程度突出するように構成され、指の腹部がこの上端に載置されて遮光壁上端全面を覆うようにすることが好ましい。
【００２４】
遮光壁の上端をこのような範囲内になるように突出させると、指腹部の皮膚面が発光部上面から下に被さるので、測定データに対する外乱光や漏洩光や反射光の影響を小さくすることができると共に、被験者が指を装着する際に、遮光壁の突出位置に触れることによりセンサ位置を認識して、指を所定の位置に載置し易いという利点がある。しかし、０．２ｍｍ未満であると、遮光壁位置を確認し難いので、指先を所定位置に載置し難いと共に、発光部からの照射光や指腹部表面からの反射光が漏れ易くなり、測定データに対する反射光の影響が大きくなる。また、２．０ｍｍを超えると、指皮膚面が床面から浮くため、不安定な装着状態になると共に、指を載置した時の指に対する圧力により波形の変形が生じて再現性が悪くなり、測定される脈波データにバラツキが生じて、正確な脈波情報を得ることが難しくなる。
【００２５】
また、本発明のノイズ成分除去方法は、脈波センサで脈波を検出して脈波信号を出力し、フィルターで該脈波信号を濾波して出力し、該濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する際に、該脈波センサから出力された脈波信号を、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターを通して濾波し、この濾波された脈波信号を、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターであって、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成されたフィルターを通して容積脈波の濾波を行い、次いで遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデシタル微分フィルターであって、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近となるように構成されたフィルターを通してさらに加速度脈波の濾波を行い、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおいて速度脈波及び加速度脈波に乗る電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分を除去することを特徴とする。
【００２６】
該初段のデジタルローパスフィルターとして、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰率の極大値が８０ｄＢ以上となるように構成されたフィルターを用いて濾波を行い、また、該後段の高域カットデジタル微分フィルターとして、該商用電源周波数の一方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰率の極大値が４０ｄＢ以上となるように構成されたフィルターを用いて濾波を行うことが好ましい。
【００２７】
上記ノイズ成分除去方法において、ＡＤ変換のサンプリング周波数は、特に臨界的なものではなく、高い程よい。例えば、制御用マイクロコンピュータに安価なものを用いて、連続繰返しＡＤ変換の最大周波数が例えば３５ｋＨｚ程度の変換速度が遅いものを用いた場合でも、制御処理等のプログラムを考慮すれば、有効な脈波情報を得るためのサンプリング周波数として５００Samples/sec(Ｈｚ)程度以上を得ることができる。サンプリング周波数を５００Samples/sec未満とすると、有効な脈波情報を得るためには、４次以上のアンチエイリアシングフィルターを設けなければならず、装置構成が複雑になる。また、ＡＤ変換の際のサンプリング周波数が高い程、ＡＤコンバーターが高価になると共に、フィルターの演算量が増えデジタル処理に時間がかかる。そのため、サンプリング周波数の上限は、適正な装置価格や処理時間等を考慮して適宜設定すればよい。
【００２８】
以上のようなサンプリング周波数を採用し、ローパスフィルターの零点(減衰率の極大点)を商用電源周波数の５０Ｈｚ又は６０Ｈｚとし、微分フィルターとして高周波数で減衰を効かせてローパスフィルターの零点の周波数とは異なる商用電源周波数を零点となるように構成したものを用いることにより、上記のようなプロセスを経て、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ、及びその他のノイズ成分を有効に除去することが可能となる。
本発明のノイズ成分除去方法で用いる脈波センサ、フィルターは、上記した通りである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を従来例と比較して説明する。
アナログフィルターの設計と回路例によれば、１次ローパスフィルター(ＬＰＦ)と２次ＬＰＦとは、オペアンプ１個に数本の抵抗とコンデンサーを設けるだけでよいので、安価に構成することができる。図２にＶＣＶＳ(電圧制御電圧源)型の２次ＬＰＦの一例を示す。
ＬＰＦの遮断周波数を３０Ｈｚとすると、−５０ｄＢ(約１／３００)減衰する周波数は１次ＬＰＦでは約１０ｋＨｚ、２次ＬＰＦでは約５００Ｈｚとなる。従って、アナログＬＰＦを１次ＬＰＦとすると、必要なＡ／Ｄ変換のサンプリング周波数は２０ｋＨｚ程度となり、また、２次ＬＰＦとすると必要なＡ／Ｄ変換のサンプリング周波数は１,０００Samples/sec(１ｋＨｚ)程度となる。
【００３０】
日本国内における商用電源周波数が５０Ｈｚ及び６０Ｈｚであることから、有用な脈波計測装置を提供するには、デジタルフィルターで５０Ｈｚと６０Ｈｚとがともに大きく減衰する構成を考える必要がある。一つのＬＰＦで、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚでの応答が共に零点近くになるように構成することは可能であるが、デジタルフィルター構成の性質上、急峻な遮断特性となり、リンギングの発生を無視することができない。
また、デジタルフィルターの場合は丁度零点となるように構成することは困難であるので、実用上は、例えば減衰率が８０ｄＢ以上となるように構成する。
【００３１】
そこで、図３(ａ)に示すように、初段のデジタルＬＰＦにおいて、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方(例えば、６０Ｈｚ)での応答が零点付近になるよう構成すると共に、図３(ｂ)に示すように、高域カットデジタル微分フィルターにおいて、他方の周波数（例えば、５０Ｈｚ）での応答が零点付近となるように構成する。このとき、デジタルＬＰＦにおいて零点に設定しなかった方の商用電源周波数(例えば、５０Ｈｚ)における減衰率は４０ｄＢ以上となるように構成することが望ましい。この構成により、５０Ｈｚ、６０Ｈｚの両地域において、共に速度、加速度脈波から商用電源周波数等由来のノイズを除去することができる。また、デジタルＬＰＦにおいて零点に設定しなかった方の商用電源周波数地域(例えば、５０Ｈｚ)においては、脈波信号に乗る商用電源周波数のノイズは実用上無視できるレベルになる。
【００３２】
上記のように商用電源周波数(６０Ｈｚ、５０Ｈｚ)での応答を零点付近とするフィルター係数の算出法は、以下の通りである。
ＦＩＲ(Finite Impulse Response)デジタルフィルターのフィルター係数をＣ(ｋ)とすると、出力(ｙ)と入力(ｘ)との関係は次式(１)で示される。
【数１】

【００３３】
また、周波数特性を表す伝達関数Ｈ(ｆ)は、次式(２)で示される。
【数２】

（ただし、式(２)中、サンプリング周波数ｆ_ｓを１とする。）
【００３４】
時間的に対称なＦＩＲフィルターは、Ｃ(ｋ) ＝Ｃ(−ｋ)である。
【数３】

【００３５】
ｆ_ｃを遮断周波数とする理想フィルターのフィルター係数をｈ(ｋ)とすると、このフィルター係数は次式(４)で示される。
【数４】

理想フィルターではリンギングによる波形歪みが発生するので、ＦＩＲデジタルフィルターのフィルター係数は、窓関数ｗ(ｋ)を用いて次式(５)で示される。
【００３６】
【数５】

この窓関数ｗ(ｋ)は、例えば、ハニング窓ｗ_ｈ(ｋ)であれば、次式(６)で示される。
【数６】

【００３７】
上式(５)のフィルター係数を式(３)に代入すると、周波数特性Ｈ(ｆ)が求まる。例えば、商用電源周波数６０Ｈｚでの応答を零とするには、次式(７)：
【数７】

とし、この式から、ｆ_ｓ、ｆ_ｃ、Ｎを求める。一般には、正確な解は求まらず、目的にあった適当な近似解を採用する。
【００３８】
上記した構成において、例えば２０ＨｚをデジタルＬＰＦの遮断周波数とした場合に、アナログＬＰＦ、デジタルＬＰＦとも、リンギング発生の極めて少ないなだらかな周波数特性となるように構成してあるので、高域カットデジタル微分フィルターの遮断周波数をより高周波側に設定すれば、２０Ｈｚよりも高周波の加速度脈波信号成分も評価可能になる。
また、サンプリング周波数を５００Samples/sec程度以上、好ましくは５００〜２０,０００Samples/sec程度、さらに好ましくは１,０００〜５,０００Samples/sec程度とし、初段のデジタルＬＰＦの零点(減衰率の極大点)を商用電源周波数の５０Ｈｚ又は６０Ｈｚとし、デジタル微分フィルターとして、高周波数で減衰を効かせてデジタルＬＰＦの零点の周波数とは異なる商用電源周波数を零点となるように構成したものを用いることにより、上記のようなプロセスを経て、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ、及びその他のノイズ成分を有効に除去し、有効な脈波情報を得ることができる。
【００３９】
本発明の脈波計測装置で用いる反射型脈波センサについて、以下、図面を参照して説明する。
図４は、反射型脈波センサの構造の一例を示す断面図であり、(ａ)は脈波センサの要部である指装着部の模式的構造を示す断面図であり、(ｂ)は発光部及び受光部の近傍の拡大断面図であり、指を装着した状態で示す。
【００４０】
この反射型脈波センサは、指先端部を装着することができる形状を有するものであって、蓋部を構成する開閉自在の合成樹脂製の上方部分と、指腹部を載置することができるように構成された合成樹脂製の床部分とを有してなる。上方部分はその内面が指の外形に沿った形状をしていてもよく、また、床部分はその床面が平坦であっても又は外乱光を遮断するために指の付け根側がやや高く又は低くなるように傾斜した形状になっていてもよい。以下述べるように、上方部分の先端部には押圧材が設けられ、床面に載置した指の動脈血流の発光部よりもさらに下流側の指先先端部分を押さえて固定できるようになっており、また、床部分には発光部及び受光部が所定の位置に配置されている。この押圧材は、指の先端部分を押さえて固定できるものであればよく、例えば、クッション材や、バネ材のような板材等でよい。また、このセンサには、反射光の電流／電圧変換回路、増幅器が設けられており、このセンサをパーソナルコンピュータ等に接続すれば、センサからの出力に基いて正確な脈波情報を得ることができる本発明の脈波計測装置となる。
【００４１】
この脈波センサの場合、指装着部に指を差し込み、指の先端部分の腹部に赤外線等の光を当てると、毛細血管中のヘモグロビン(赤血球)が光の一部を吸収し、光の反射量が変化する(血液量が多い部分は光の反射量が少なくなる)。この微妙な光の反射量の変化を検出し、検出された反射光を電流から電圧へ変換し、増幅器に送信し、増幅された信号電圧をパーソナルコンピュータを利用してＡＤ変換して出力し、脈波情報として活用する。
【００４２】
脈波センサの要部を構成する指装着部には、図４(ａ)及び(ｂ)に示すように、発光ダイオード(ＬＥＤ)等の半導体発光素子からなる発光部１が、フォトダイオード(ＰＤ)等の半導体受光素子からなる受光部２よりも人体の指３の動脈血流の下流側に配置される。指内の発光部１からの照射光１ａの経路を見ると、発光部分の光束は、指内を進むにつれて拡散して拡がる。このため、発光部１からの入射光変化による受光部２の光量変化は大きく、受光部２の位置変化による受光する拡散光の光量変化は小さい。従って、発光部１を指に密着するようにすることが必要となる。しかし、密着性を良くすることは、指に余分の圧力を加えることにつながる。そこで、この脈波センサでは、発光部１を受光部２より指動脈血流の下流側に配置し、指に余分の圧力が加わらないようにする。
【００４３】
また、発光部１は、その上面が受光部２の上面より所定の距離だけ高くなるように配置される。すなわち、発光部１の高さＨ_１が受光部２の高さＨ_２より所定の距離だけ高くなるように構成する。指装着部の先端部分には、赤外ＬＥＤ等からなる発光部１から照射される光１ａの経路よりも指動脈血流のさらに下流側に空間４が設けられ、指３の先端部がこの空間内に載置され得るように構成される。
【００４４】
指装着部の指腹部を載置する面は、指載置床面５として構成される。床面５には発光部１及び受光部２が所定の位置に設けられ、床面の先端部分は傾斜して立ち上がり、指の先端が適切に納まるように構成される。この指装着部において、発光部１の配置された位置より動脈血流の下流側であって、床面と対向する面に押圧材６が設けられる。この押圧材により、装着された指の先端部分(爪部)を軽く押さえ、装着された指が動かないようにする。このように構成することにより、被験者の意識的・無意識的な指の小さな動きが少なくなって、ノイズ発生が減少し、その結果、測定波形の変化も少なくなる。なお、押圧材により動脈血流の下流側を圧迫しても、脈波への影響は小さい。
【００４５】
発光部１からの照射光１ａが指の皮膚表面で反射して受光部２に入り込むと、この反射光がノイズとなり、受光部２に入る受光量が変動する。このために、正確な脈波を測定することができなくなる。また、照射光１ａが脈波センサの外部に漏れると、照射光の効率が下がり、かつ、受光部が受け取る反射光２ａの光量が減少して正確な脈波を測定することが困難になる。そのため、本発明では、余分な反射光や漏洩光を阻止するために、発光部１の側面を筒状の遮光壁７で囲んである。
【００４６】
この遮光壁７は、反射光や漏洩光をなくすような形状であれば、その形状は問わないが、例えば、発光部１の外周形状に沿った円筒状等の形状が好ましい。装着された指は、この遮光壁の上面に７ａの点で密着し、固定される。遮光壁７は、その受光部２側が黒色であってもよく、また、その内面が鏡面であってもよい。遮光壁の材料としては、赤外線を遮る性質を有する材料であれば特に制限はなく、例えば、赤外線を実質的に透過させないポリプロピレン系樹脂やＡＢＳ系樹脂等の熱可塑性樹脂等、又はこれらに黒色塗装等の表面処理を施したものをあげることができる。
【００４７】
上記脈波センサでは、発光部１の上面に赤外線透過性の絶縁体キャップ８を設け、発光部１と指３とが直接接触しないようにしてもよい。これは、発光部の通電部に影響を及ぼさないようにするためと、発光部表面の汚れを清拭しないで済むようにするためである。絶縁体キャップ８の外形は、例えば、発光体１の上方部分の形状に沿った円筒形状等の形状であればよい。絶縁体キャップ８の上面を凹レンズで構成すれば、射出光の指向性をさらに広げることができる。この絶縁体キャップの材料としては、赤外線に対して透光性が高い赤外線透過性材料であれば特に制限はなく、例えば、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂等をあげることができる。また、受光部２と指３とが直接接触して指に圧力がかからないように、受光部２と指３との間に隙間を設けるような構造とすることが好ましい。
【００４８】
発光部１の発光素子と受光部２の受光素子との指向性の影響について図５に示す。図５(ａ)に示すように、発光部１の発光素子と受光部２の受光素子との配置が従来の指向性が強い配置の場合、発光部１の発光ダイオードの光軸がずれると、有効な検出領域もずれる。しかし、図５(ｂ)に示すように、指向性の弱い発光部１の発光素子と受光部２の受光素子とを接近して配置すれば、発光ダイオードの光軸のずれに対する有効検出領域のずれは相対的に小さい。そのため、得られる脈波情報は正確となる。
上記脈波センサーにおいて、発光部１からの照射光の射出角(半値角)αを通常５０度以上、好ましくは５０〜８５度、より好ましくは５０〜８０度とすることにより、有効検出領域のずれは相対的に少なくなる。５０度未満であると、有効検出領域のずれが大きくなり、正確な脈波データを得ることが困難になる。
【００４９】
上記脈波センサーにおいて、発光部１と受光部２との距離が長くなる程、加速度脈波の波形であるａ波の振幅は小さくなって、ノイズ成分が発生し易くなり、測定波形の変形が大きくなる傾向がある。また、その距離が長い程、圧力の影響がある指部位の脈波を測定することになり、測定波形が変形し易い。そのため、発光部と受光部との距離を、所定の距離、例えば、通常８ｍｍ以内、好ましくは６ｍｍ以内に設定すれば、加速度脈波のａ波の振幅及びｂ波とａ波との比(ｂ/ａ)は適切な範囲内に納まる。この場合、光軸のずれも少なく、有効検出領域のずれも少なく、また、波形は変形し難い。なお、この距離が上記範囲を外れた動脈上流側の指部位では、動脈血管が膨らんで、ｂ/ａが小さい(絶対値が大きい)状態になり、また、下流側の指部位では、鬱血状態となって、ｂ/ａが大きい(絶対値が小さい)状態になる。また、発光部と受光部との距離の下限は、特に制限はなく、発光部と受光部との物理的な大きさや脈波センサーの大きさ等に依って設定できる最低距離であればよい。例えば、２〜３ｍｍ程度に設定してもよい。
【００５０】
また、絶縁体キャップが脱落しないようにして、脈波センサ本体の取り扱い性を向上させるため、図６に示すように、絶縁体キャップ１４の下方部分につば部１４ａを設けた構造としてもよい。図６において、１１は発光部、１１ａは発光部からの照射光、１２は受光部、１３は遮光壁を示す。発光部１１、受光部１２、遮光壁１３等の配置位置関係については、図４に示す場合と同様である。また、遮光壁１３及び絶縁体キャップ１４の材料としても、図４に示す遮光壁７及び絶縁体キャップ８の材料と同様である。さらに、絶縁体キャップ１４の上面を凹レンズで構成すれば、射出光の指向性をさらに広げることができる。
【００５１】
上記したように、受光部は、指に圧力がかからないように、その上面が指装着部の床面と同一高さ又はそれより下になるように配置される。これにより、受光部に入射する光の割合が最も多い受光部上部位置にあたる指部分が圧迫されないようになる。例えば、受光部を脈波センサの指載置床面より１ｍｍ程度低くなるように配置すればよい。
上記した脈波センサをパーソナルコンピュータ等に接続して、このセンサからの出力脈波信号に基づいてノイズ成分のない脈波情報を計測し、提示することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のアナログローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデシタル微分フィルターとで構成されているフィルターを有し、初段のデジタルローパスフィルターにおいて、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成すると共に、後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、商用電源周波数の他方での応答が零点付近となるように構成してあるので、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ、及びその他のノイズ成分を除去することが可能な脈波計測装置を提供することができる。
【００５３】
また、本発明の装置において脈波を検出して脈波信号を出力する脈波センサは、発光部を、受光部より指の動脈血流の下流側に、その上面が受光部の上面よりも所定の距離突出し、かつ所定の距離だけ指の腹部を載置する床面よりも高くなるように配置し、そして指の先端が発光部からの照射光の経路よりも指動脈血流のさらに下流側に装着され得るように、床面の先端部分に空間を設けているので、指の発光部に対する密着性が良好になると共に、指動脈血流の下流側が圧迫されても、上流側が圧迫されるのに比べて脈波への影響は少なく、再現性よく正確な脈波信号を得ることができる。その結果として、本発明の脈波計測装置により、誘導ノイズが出現することなく、再現性のよい正確な脈波情報を提供することができる。
また、本発明のノイズ成分除去方法は、上記脈波計測装置を用いて実施されるので、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ、及びその他のノイズ成分を有効に除去することができると共に、再現性よく正確な脈波を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光電式指尖容積脈波計による出力波形図であり、ノイズの乗った脈波波形の一例を示す波形図。
【図２】ＶＣＶＳ(電圧制御電圧源)型の２次ローパスフィルターの回路例。
【図３】本発明で用いるフィルターの設計例を説明するための波形例であり、(ａ)は初段のデジタルローパスフィルターの設計例を示す波形図、(ｂ)は後段の高域カットデジタル微分フィルターの設計例を示す波形図。
【図４】本発明の脈波計測装置で用いる脈波センサの構造の一例を示す断面図であり、(ａ)は脈波センサの要部である指装着部の模式的構造を示す断面図、(ｂ)は発光部及び受光部の近傍の拡大断面図。
【図５】脈波センサにおける光の指向性を示す模式図であり、(ａ)は従来技術における発光素子と受光素子との指向性の影響について示す図、(ｂ)は本発明の装置でに用いる脈波センサーおける発光素子と受光素子との指向性の影響について示す図。
【図６】本発明の装置で用いる脈波センサーの構造の別の例を示す断面図。
【符号の説明】
１発光部２受光部
１ａ照射光２ａ反射光
Ｈ_１発光部の高さＨ_２受光部の高さ
３指４空間
５指載置床面６押圧材
７遮光壁７ａ指と遮光壁との密着点
８絶縁体キャップ１４絶縁体キャップ
１４ａつば部 α 照射光の射出角(半値角)

Claims

脈波を検出して脈波信号を出力する脈波センサと、該脈波信号を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する手段とからなる脈波計測装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデシタル微分フィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターにおいて、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成すると共に、該後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近となるように構成することを特徴とする脈波計測装置。
前記初段のデジタルローパスフィルターにおいて、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰率の極大値が８０ｄＢ以上となるように構成すると共に、前記後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰率の極大値が４０ｄＢ以上となるように構成することを特徴とする請求項１記載の脈波計測装置。