JP3932698B2

JP3932698B2 - 光電脈波検出装置

Info

Publication number: JP3932698B2
Application number: JP28104998A
Authority: JP
Inventors: 敬三川口; 享岡; 英克犬飼
Original assignee: Omron Healthcare Co Ltd
Current assignee: Omron Healthcare Co Ltd
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2018-10-02
Also published as: JP2000107147A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、生体内の血液容積の周期的変化に同期して脈動する光電脈波を逐次検出して出力する光電脈波検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
生体の皮膚内に光を入射させるとともに、その入射光が皮膚下の毛細管内に存在する血球により散乱を受けた散乱光を検出して光電脈波として出力する光電脈波検出装置が知られている。このような光電脈波検出装置は、上記血球の増減に応じて周期的に脈動するものであるから、皮膚下の血液容積の周期的変化に対応して脈動する容積脈波検出装置、或いはプレシスモグラフ（Plethysmograph）としても知られている。
【０００３】
ところで、従来の光電脈波検出装置では、通常、生体の一部である指の一面たとえば上（背）面に密着させてそれに光を照射させるための発光素子と、その発光素子に対応する状態でその指の一面とは反対側の面たとえば下（腹）面に密着させてその指内の散乱光を検出する受光素子とを備えてその指を把持する形式の光電脈波検出プローブが用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような光電脈波検出プローブを用いる場合には、生体の体動たとえば手術中の患者の無意識な体動或いは指の曲げなどが発生すると、光電脈波検出プローブに把持されている指とその上面および下面に当てられた発光素子および受光素子とが相対的に移動して光電脈波の検出条件が変化する結果、光電脈波が乱れて検出精度が低下する場合があるという不都合があった。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであって、その目的とするところは、被測定者の体動に起因する検出精度の低下のない光電脈波検出装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、被測定者の体動或いは指の曲げなどが発生すると、生体の皮膚と受光素子との間に隙間が発生し、その隙間を通して受光素子へ伝播する間に光が大きく減衰して光電脈波が影響を受けることが原因であり、一方向に配列された受光素子に検出される光強度の分布は、血液容積の変化では均等に影響を受けるが、被測定者の体動或いは指の曲げなどが発生すると、不均一に影響を受けて分布波形が乱れることを見い出した。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。
【０００７】
すなわち、本発明の要旨とするところは、生体内の血液容積の周期的変化に同期して脈動する光電脈波を逐次検出して出力する光電脈波検出装置であって、(a) 前記生体の一部に光を照射するために配置された発光素子と、 (b)その発光素子に略対向し且つその発光素子との間で前記生体の一部を挟んで一方向に複数個配列され、その発光素子から生体の一部に入射し且つそれを透過した透過光を受光する複数個の受光素子と、(c) 前記受光素子からそれぞれ出力される受光信号に基づいて前記一方向におけるその受光素子の受光レベルの分布を示す分布波形の特性値を算出する分布波形特性値算出手段と、(d) その分布波形特性値算出手段により算出された分布波形の特定値に基づいて、前記生体の体動を判定する体動判定手段とを、含むことにある。
【０００８】
【発明の効果】
このようにすれば、発光素子から生体の一部に入射し且つそれを透過した透過光を受光する複数個の受光素子がその発光素子に略対向し且つその発光素子との間で前記生体の一部を挟んで一方向に複数個配列されるとともに、分布波形特性値算出手段により、受光素子からそれぞれ出力される受光信号に基づいて前記一方向におけるその受光素子の受光レベルの分布を示す分布波形の特性値が算出され、体動判定手段により、その分布波形特性値算出手段により算出された分布波形の特性値に基づいて、前記生体の体動が判定される。したがって、体動が判定されたときは、その体動の影響を受けて歪んだ光電脈波の出力を阻止するなどして、逐次出力される光電脈波の波形精度および信頼性を高めることができ、精度の低い光電脈波に基づく波形解析などが防止される。
【０００９】
【発明の他の態様】
ここで、好適には、前記体動判定手段により前記生体の体動が判定された場合には、前記光電脈波の出力を阻止する出力阻止手段がさらに含まれる。このようにすれば、体動が判定されたときは、その体動の影響を受けて歪んだ光電脈波の出力が上記出力阻止手段により自動的に阻止されるので、逐次出力される光電脈波の波形精度および信頼性を高めることができる。
【００１０】
また、好適には、前記体動判定手段は、前記分布波形特性値算出手段により算出された分布波形の非対称性を示す特性値の変化に基づいて前記生体の体動を判定するものである。通常、被測定者の体動のないときの分布波形は、受光素子が生体表面に好適に密着している状態であるために比較的滑らかな対称性のある形状を示すことから、その被測定者の体動のないときの分布波形と比較して実際の分布波形の対称性が変化した場合に体動判定が行われる利点がある。
【００１１】
また、好適には、前記体動判定手段は、前記分布波形特性値算出手段により算出された分布波形自身の非対称性を示す特性値に基づいて前記生体の体動を判定するものである。上記のように被測定者の体動のないときの分布波形は、受光素子が生体表面に好適に密着している状態であるために比較的滑らかな対称性のある形状を示すことから、実際の分布波形の対称性が低下した場合に体動判定が行われる利点がある。
【００１２】
また、好適には、前記体動判定手段は、前記分布波形特性値算出手段により算出された分布波形の非対称性を示す特性値の変化とその分布波形自身の非対称性を示す特性値とに基づいて前記生体の体動を判定するものである。このようにすれば、体動判定の信頼性が一層高められる。
【００１３】
【発明の好適な実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例の光電脈波検出装置１０の構成の要部を説明する図である。本実施例の光電脈波検出装置１０は、光電脈波を採取するために生体の一部に装着される光電脈波検出プローブ１２と、光電脈波検出プローブ１２からの信号を処理して信頼性のある光電脈波を出力する演算制御装置１４と、波形モニタ或いは波形解析などを目的として演算制御装置１４から出力された光電脈波を表示する表示装置１６とを備えている。
【００１５】
上記光電脈波検出プローブ１２は、生体の指２０の先端を挟むためにピン２２まわりに相対回動可能に連結された長手状を成す１対の押圧部材２４、２６と、それら１対の押圧部材２４、２６の先端部にそれぞれ固設され、押圧部材２４、２６の長手方向に沿った長手状の凹溝２８、３０をそれぞれ備えるように成形された中空の１対の弾性シート部材３２、３４と、一方の弾性シート部材３２の凹溝２８内であってその長手方向の中間位置に設けられた発光素子３６と、他方の弾性シート部材３４の凹溝３０内であってその長手方向に配列された複数個（本実施例では９個）の受光素子３８と、生体の指２０を上記押圧部材２４、２６の先端部で所定の押圧力で挟持させるためにその押圧部材２４、２６の基端部を互いに離隔する方向に付勢するスプリング４０とを備えている。これにより、指２０は、１対の弾性シート部材３２、３４の長手状の凹溝２８、３０内に収容され且つそれらの内壁面によりその背面および腹面が遮光された状態で光電脈波検出プローブ１２により挟持される。
【００１６】
上記のように光電脈波検出プローブ１２により指２０が挟持された状態では、上記複数個の受光素子３８は、上記発光素子３６に対して略対向し且つ指２０の長手方向に沿った一方向に等間隔で配列された状態で、その受光面が指２０に略密着するように弾性シート部材３４の凹溝３０内に配設されている。本実施例では、９個の受光素子３８_a〜３８_iのうち、配列方向の中央に位置する受光素子３８_eが、押圧部材２４、２６の長手方向において発光素子３６と一致するように配置されているので、指２０の挟持状態では、その受光素子３８_eと発光素子３６との間がその他の受光素子との間に比較して最短距離とされている。
【００１７】
また、上記弾性シート部材３２の凹溝２８内に配設された発光素子３６は、ヘモグロビンのような血球により好適に散乱を受ける波長範囲たとえば６６０〜９００nm程度の範囲の波長を出力する発光ダイオードが用いられるが、さらに好適には、ヘモグロビンの酸素飽和度の影響を受けない波長たとえば８００〜８４０nm程度の範囲の波長を出力する発光ダイオードが用いられる。また、上記複数個の受光素子３８には、ホトダイオード、ホトトランジスタなどが好適に用いられる。
【００１８】
前記演算制御装置１４は、ＣＰＵ４２、ＲＡＭ４４、ＲＯＭ４６、インターフェース４８から成る所謂マイクロコンピュータであり、ＣＰＵ４２は、ＲＡＭ４４の一時記憶機能を利用しつつ、予めＲＯＭ４６に記憶されたプログラムに従って、Ａ／Ｄ変換器５０によりアナログ信号からデジタル信号に変換されて入力された、複数個の受光素子３８_a〜３８_iから逐次出力された検出信号ＳＭ_a〜ＳＭ_iを処理し、通常は、最もゲインの高い受光素子３８_eによる検出信号ＳＭ_eを光電脈波ＳＭＫとして逐次出力するが、体動判定時にはその受光素子３８_eにより検出された検出信号ＳＭ_eの出力を阻止して、歪みのない光電脈波信号ＳＭＫを発生し、インターフェース４８から出力する。前記表示装置１６は、その光電脈波信号ＳＭＫを受けて、光電脈波の波形を表示する。
【００１９】
図２は、上記演算制御装置１４の制御機能の要部を説明する機能ブロック線図である。図において、分布波形特性値算出手段６０は、複数個の受光素子３８_a〜３８_iから逐次出力された検出信号ＳＭ_a〜ＳＭ_iに基づいて、それら受光素子３８_a〜３８_iの配列方向である指２０の長手方向、すなわち押圧部材２６或いはそれに取付られた弾性シート部材３４の凹溝３０の長手方向における各受光素子３８の受光レベルの分布を示す分布波形の非対称性を示す特性値を算出する。図３は、各受光素子３８が生体の皮膚すなわち指２０の腹に略密着させられる体動或いは指２０の曲げのない状態における、各検出信号ＳＭ_a〜ＳＭ_iの最大振幅レベル、平均振幅レベル、或いは実効値レベルの分布波形例を示し、図４は、体動或いは指２０の曲げによって各受光素子３８が指２０の腹に対して相対移動させられてそれらの間に不均一な隙間が発生させられた状態の図３と同様の分布波形例を示している。各受光素子３８のうち、指２０の腹に略密着させられているものは隙間による減衰を受けない散乱光を検出するので受光レベルが高いが、指２０の腹から離隔させられたものは隙間による減衰を受けた散乱光を検出するので受光レベルが低くなるので、体動発生時には、図４に示すように、分布波形が非対称となる現象が発生する。上記分布波形特性値算出手段６０は、たとえば、分布波形の中心から左右の面積Ｓ_L、Ｓ_Rの比である面積比Ｒ（＝Ｓ_L／Ｓ_R）を特性値として算出する。なお、便宜的には、上記分布波形の左側の面積Ｓ_Lとして、受光素子３８_a〜３８_dからの検出信号ＳＭ_a〜ＳＭ_dの加算値が用いられ、上記分布波形の右側の面積Ｓ_Rとして、受光素子３８_f〜３８_iからの検出信号ＳＭ_f〜ＳＭ_iの加算値が用いられる。
【００２０】
体動判定手段６２は、上記分布波形算出手段６０により生成された分布波形の特性値に基づいて非測定者の体動を判定する。通常、被測定者の体動のないときの分布波形は、受光素子３８が指２０の腹に好適に密着している状態であるために図３に示すように比較的滑らかな対称性のある形状を示すことから、その被測定者の体動のないときの分布波形の特性値である面積比Ｒ_M（＝Ｓ_L／Ｓ_R）を予め記憶するとともに、実際の面積比Ｒ（＝Ｓ_L／Ｓ_R）を上記予め記憶された面積比Ｒ_Mと比較し、実際の分布波形の対称性が変化した場合すなわち実際の面積比Ｒが予め記憶された面積比Ｒ_Mから所定値以上たとえば２０％以上ずれた場合に体動判定を行う。
【００２１】
光電脈波選別手段６４は、通常は、最もゲインの高い受光素子３８_eによる検出信号ＳＭ_eを光電脈波ＳＭＫとして逐次出力させるが、上記体動判定手段６２により体動が判定された場合は、そのときに受光素子３８_eにより検出された検出信号ＳＭ_eの出力を阻止する。これにより、歪みのない光電脈波信号ＳＭＫだけを出力させる。
【００２２】
図５は、前記演算制御装置１４の制御作動の要部を説明するフローチャートである。図５において、ステップ（以下、ステップを省略する）ＳＡ１では、１脈波が発生したか否かが、たとえば検出信号ＳＭ_eの１周期が経過したか否かに基づいて判断される。このＳＡ１の判断が否定される場合は待機させられるが、肯定される場合は、ＳＡ２において、１周期分の各検出信号ＳＭ_a〜ＳＭ_iが読み込まれる。
【００２３】
次いで、前記分布波形特性値算出手段６０に対応するＳＡ３では、上記各検出信号ＳＭ_a〜ＳＭ_iにより形成される信号レベルの分布波形の対称性を示す特性値、たとえば分布波形の左右の面積比Ｒ（＝Ｓ_L／Ｓ_R）が算出される。続いて、前記体動判定手段６２に対応するＳＡ４では、体動のない状態で予め記憶された面積比Ｒ_M（＝Ｓ_L／Ｓ_R）に対して、新たに算出された実際の面積比Ｒが所定値以上、たとえば２０％以上変化したか否かが判断される。このＳＡ４の判断が否定される場合には、ＳＡ６において受光素子３８_eにより検出された検出信号ＳＭ_eが光電脈波ＳＭＫとして出力されるが、肯定される場合には、その検出信号ＳＭ_eの波形の歪みが考えられるので、ＳＡ５においてその光電脈波ＳＭＫの出力が阻止される。本実施例では、上記ＳＡ５およびＳＡ６が前記光電脈波選別手段６４に対応している。
【００２４】
上述のように、本実施例によれば、発光素子３６から指２０内に入射し且つそれを透過した透過光を受光する複数個の受光素子３０_a〜３０_iがその発光素子３６に略対向し且つその発光素子３６との間で指２０を挟んで一方向に複数個配列されるとともに、分布波形特性値算出手段６０（ＳＡ３）により、受光素子３０_a〜３０_iからそれぞれ出力される受光信号ＳＭ_a〜ＳＭ_iに基づいて上記一方向におけるその受光素子３０_a〜３０_iの受光レベルの分布を示す分布波形の特性値すなわち左右面積比Ｒが算出され、体動判定手段６２（ＳＡ４）により、上記分布波形特性値算出手段６０により算出された分布波形の左右面積比Ｒに基づいて、被測定者の体動が判定される。したがって、体動が判定されたときは、その体動の影響を受けて歪んだ光電脈波ＳＭＫの出力を阻止するなどして、逐次出力される光電脈波ＳＭＫの波形精度および信頼性を高めることができ、精度の低い光電脈波に基づく波形解析などが防止される。
【００２５】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００２６】
たとえば、前述の実施例の体動判定手段６２は、体動のない状態で予め記憶された面積比Ｒ_M（＝Ｓ_L／Ｓ_R）に対して新たに算出された実際の面積比Ｒが所定値以上、たとえば２０％以上変化したか否かに基づいて体動を判断するものであったが、逐次求められる新たな分布波形自身の非対称性に基づいて体動を判断するものであってもよい。すなわち、新たな分布波形の面積比Ｒ（＝Ｓ_L／Ｓ_R）が予め設定された判断基準範囲たとえば０．８〜１．２の範囲を越えた場合に体動と判定するものであってもよい。
【００２７】
また、前述の体動判定手段６２は、分布波形の非対称性の変化とその分布波形自身の非対称性とに基づいて被測定者の体動を判定するものであってもよい。たとえば、体動のない状態で予め記憶された面積比Ｒ_M（＝Ｓ_L／Ｓ_R）に対して新たに算出された実際の面積比Ｒが所定値以上たとえば２０％以上変化し、且つ新たな分布波形の面積比Ｒ（＝Ｓ_L／Ｓ_R）が予め設定された判断基準範囲たとえば０．８〜１．２の範囲を越えた場合に、体動と判定するものであってもよい。
【００２８】
また、前述の実施例では、分布波形の特性値として、その分布波形の左右の面積比Ｒが用いられていたが、左右の領域に属する受光素子により検出された検出信号の振幅比、たとえば受光素子３８_cにより検出された検出信号ＳＭ_cの振幅と受光素子３８_gにより検出された検出信号ＳＭ_gの振幅との比が簡易的に用いられてもよい。
【００２９】
また、前述の実施例では、体動判定手段６２により体動が判定された場合には光電脈波選別手段６４によりそのときの光電脈波ＳＭＫの出力が阻止されていたが、直前の周期において出力された光電脈波ＳＭＫを代替えして出力するようにしても差し支えない。
【００３０】
また、前述の実施例では、歪みのない光電脈波ＳＭＫを出力させるものであったが、演算制御装置１４の内部で、波形解析、末梢循環状態の評価、末梢血圧の推定、脈波タイミング検出などの目的のために処理されるものであっても差し支えない。
【００３１】
また、前述の実施例の光電脈波検出プローブ１２は、光電脈波を検出するために生体の指２０を挟持した状態で装着されるものであったが、耳たぶなどの生体の他の部分に装着されるものであっても差し支えない。
【００３２】
また、前述の実施例の光電脈波検出プローブ１２は、指２０の上面すなわち背面から下面すなわち腹面へ向かう方向に発光素子３６から出力された光が伝播させられるものであったが、逆方向に伝播させられるものであってもよい。また、指２０の側面の一方から他方へ向かって発光素子３６から出力された光が伝播させられるものであってもよい。この場合には、発光素子３６および受光素子３８が指の両側面に密着させられた状態で光電脈波検出プローブ１２が装着されるので、指２０の曲げに対して影響が少なくなる利点がある。
【００３３】
その他、一々列挙はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が加えられ得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の光電脈波検出装置の構成の要部を説明する図である。
【図２】図１の実施例の演算制御装置の制御機能の要部を説明する機能ブロック線図である。
【図３】図１の実施例において各受光素子の検出信号のレベルの分布を示す図であって、体動の発生していない状態を示す図である。
【図４】図１の実施例において各受光素子の検出信号のレベルの分布を示す図であって、体動の発生している状態を示す図である。
【図５】図１の実施例の演算制御装置の制御作動の要部を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１０：光電脈波検出装置
１２：光電脈波検出プローブ
３６：発光素子
３８：複数個の受光素子
６０：分布波形特性値算出手段
６２：体動判定手段

Claims

生体内の血液容積の周期的変化に同期して脈動する光電脈波を逐次検出して出力する光電脈波検出装置であって、
前記生体の一部に光を照射するために配置された発光素子と、
該発光素子に略対向し且つ該発光素子との間で前記生体の一部を挟んで一方向に複数個配列され、該発光素子から該生体の一部に入射し且つそれを透過した透過光を受光する複数個の受光素子と、
前記受光素子からそれぞれ出力される受光信号に基づいて前記一方向における該受光素子の受光レベルの分布を示す分布波形の特性値を算出する分布波形特性値算出手段と、
該分布波形特性値算出手段により算出された分布波形の特性値に基づいて、前記生体の体動を判定する体動判定手段と、
を、含むことを特徴とする光電脈波検出装置。
前記体動判定手段により前記生体の体動が判定された場合には、前記光電脈波の出力を阻止する出力阻止手段をさらに含むものである請求項１の光電脈波検出装置。