JP4229919B2

JP4229919B2 - 脈波検出装置及びその方法

Info

Publication number: JP4229919B2
Application number: JP2005100131A
Authority: JP
Inventors: 彰久森屋; 琢治鈴木; 一成大内
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: US7470235B2; JP2006271896A; US20060224054A1

Description

本発明は、自律神経系状態計測、睡眠状態計測、健康管理などを目的とした脈波計測装置及びその方法に関する。

人間の様々な状態を表す心拍は、健康管理、睡眠状態、医用目的など様々な分野で有用な指標として使われている。心拍の計測は主に、心臓を挟む二点間の電極と基準電極から得られる心電図と、心拍と同期している抹消血管などの血流に起因した脈波を捕らえるという２通りがある。

心電図による方法は、一般の健康な方が日常生活で利用するのが困難である。

脈波計測方法には、主に反射型と透過型が存在する。どちらも、血液内物質の光の吸収特性の違いを利用したものである。反射型は、発光素子と受光素子を生体表面に並べて配置し、抹消血管に光を当てて反射してくる光の量を受光素子にて捕らえるものである（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。透過型は発光素子と受光素子が生体を挟むようにして配置され、光が血管内を通過してくる際の光の量を受光素子にて捕らえるものである。
特開２０００−１０７１４７号公報特開２００２−３６０５３０号公報

上記のように、自律神経計測、生活習慣病予防、睡眠状態計測など様々な目的で脈波の計測が行われている。脈波は簡便に計測できる利点がある。しかし、計測部位が指先、耳朶、手首等であり、動きの影響を強く受け易く、日常生活の動きなど外乱による影響を受けやすい。

そこで、本発明では、センサモジュールの位置ずれや、動脈の位置変化にリアルタイムに対応し、外乱にロバストな脈波計測装置及びその方法を提供する。

本発明は、被験者の血管に生体表面から発光素子で光をあて、その反射光を受光素子で受光して、前記血管の血流変化を脈波信号として検出する脈波計測装置において、前記発光素子と前記受光素子とをそれぞれ複数有し、かつ、前記生体表面に装着されるセンサモジュールと、前記複数の発光素子を順番に発光させる発光手段と、前記複数の受光素子から出力される各脈波信号がそれぞれ入力する入力手段と、前記発光した発光素子と前記受光した受光素子との各組み合わせに対応した各脈波信号の自己相関値をそれぞれ算出する自己相関値算出手段と、前記各自己相関値の中で最も自己相関値が高い脈波信号を出力した発光素子と受光素子との組み合わせを最適な組み合わせとして選択する最適位置識別手段と、を具備することを特徴とする脈波計測装置である。

本発明によれば、被験者の生体表面上に配置された複数の受光素子と複数の発光素子の組み合わせをリアルタイムに選択し、常に安定したロバストな脈波を計測できる。

本発明の各実施形態の脈波計測装置１０について図面に基づいて説明する。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態の脈波計測装置１０について図１から図７に基づいて説明する。

（１）脈波計測装置１０の構成
図１に脈波計測装置１０の構成を示し、複数の発光素子Ｌと複数の受光素子Ｐからなるセンサモジュール１１の配置例を図２、図３、図４に示す。

図１に示すように、脈波計測装置１０は、センサモジュール１１から得られる脈波信号をアンプ１２〜１４で増幅した後に、Ａ／Ｄコンバータ１５によってデジタル信号に変換する。その後に、ＣＰＵ１５によって処理して、その処理結果をディスプレイ１７に表示する。脈波計測装置１０の電力はバッテリー１８から供給される。また、センサモジュール１１の発光素子Ｌには赤外線ＬＥＤを使用し、受光素子Ｐにはフォトダイオードを使用している。なお、下記で説明する脈波の計測の処理方法を実現するプログラムが記憶され、ＣＰＵ１５によって処理される。

センサモジュール１１の構成について説明する。センサモジュール１１のアレイ基板９上には、複数の発光素子Ｌと複数の受光素子Ｐが設けられ、これら発光素子Ｌと受光素子Ｐが手首などに装着される。

図２は、アレイ基板９における発光素子Ｌと受光素子Ｐの第１の配置例であり、センサモジュール１１における発光素子Ｌと受光素子Ｐの標準的な配置である。発光素子Ｌ１、・・・・Ｌ５まで順番に横方向に一列に並び、受光素子Ｐ１、・・・Ｐ５も発光素子Ｌ１〜Ｌ５と平行に一列に横方向に順番に並ぶ。そして、発光素子Ｌ１と受光素子Ｐ１とが一対一の関係にある。他の発光素子Ｌ２〜Ｌ５と受光素子Ｐ２〜Ｐ５も同様である。このセンサモジュール１１を手首１９に装着するときは、手首１９の周囲に沿って複数の複数の発光素子Ｌと複数の受光素子Ｐが巻かれるようにする。

図３は、第２の配置例であり、１つの受光素子Ｐに対して２つの発光素子Ｌに対応させた配置である。発光素子Ｌ１、・・・・Ｌ５まで横方向に一列に順番に並び、受光素子Ｐ１、・・・Ｐ５も横方向に一列に順番に並び、受光素子Ｐに対して発光素子Ｌが横方向にずれた状態となっている。図３の配置にすることにより装着時の位置検出に優れている。

図４は、第３の配置例であり、図３を更に拡張させたものであり、縦方向にも受光素子Ｐと発光素子Ｌを配置し、更なる検出精度の向上を目的としている。すなわち、発光素子Ｌと受光素子Ｐとを交互に横方向に一列に配置し、かつ、このように配置した横方向の列を縦方向に複数段配置している。

（２）脈波計測装置１０の処理方法
図２に示すセンサモジュール１１を用いて脈波計測装置１０の処理方法を図６のフローチャートに基づいて説明する。

まず、センサモジュール１１を図５に示すように被験者の手首１９にある動脈２０上に装着する。

ステップ１において、全ての発光素子Ｌと受光素子Ｐとの組み合わせについて処理を行うように設定する。

ステップ２において、まず、発光素子Ｌ１を発光させる。

ステップ３において、発光素子Ｌ１の光の反射強度を受光素子Ｐ１〜Ｐ５で受光して、信号強度の最も強い受光素子の脈波信号を記憶する。例えば、受光素子Ｐ３の脈波信号Ｙ（ｔ）とする。

ステップ４において、脈波信号Ｙ（ｔ）を一定期間計測した際に得られる１回の心拍分の脈波波形を切り出す。前記一定期間としては、１．０秒〜１．５秒である。

ステップ５において、切り出した１回の心拍分の脈波波形Ｈと、連続して入力する脈波信号Ｙ（ｔ）とを比較して自己相関Ｓ（ｔ）をとる。例えば、−１＝＜Ｓ（ｔ）＝＜１であり、Ｓ（ｔ）＝１のときに最も自己相関が高い。

ステップ６において、所定時間（例えば、５秒間）における自己相関Ｓ（ｔ）の平均した値である自己相関値Ｓ０を算出する。すなわち、一定時間内で自己相関Ｓ（ｔ）の値が一定であれば自己相関値Ｓ０も高く（例えば、Ｓ０＞０．８）、その受光素子からの脈波信号の信号強度が安定して強く脈波と判定でき、不安定であればノイズと識別できる。

ステップ７において、算出した自己相関値Ｓ０が、一回目に計測した自己相関値であればステップ８に進み、２回目以降に算出した自己相関値Ｓ０であればステップ９に進む。すなわち、発光素子Ｌ１と受光素子Ｐ１〜Ｐ５との組み合わせを最初に処理した場合は、この中で最も強い自己相関値Ｓ０を一回目の自己相関値Ｓ０とする。

ステップ８において、算出した一回目の自己相関値Ｓ０を初期値として保存する。

ステップ９において、算出した自己相関値Ｓ０が、予めステップ８で保存した初期値、または、前回のステップ９の処理で更新した自己相関値Ｓ０とを比較して、算出した自己相関値Ｓ０が高い値であれば、その算出した自己相関値Ｓ０に更新して保存し、低い場合は更新を行わない。

ステップ１０において、全ての発光素子Ｌと受光素子Ｐの組み合わせが終了するまでステップ１に戻って上記処理を行い、終了すればステップ１１に進む。

ステップ１１において、最も高い自己相関値を有する発光素子Ｌと受光素子Ｐとの組み合わせを決定する。例えば、その組み合わせを発光素子Ｌ４と受光素子Ｐ１とすると、それを図示したのが図７である。

以上により、本実施形態の脈波計測装置１０は複数の発光素子Ｌと複数の受光素子Ｐを有しているにもかかわらず最適な位置を識別でき、センサモジュール１１の位置ずれや、動脈２０の位置変化にリアルタイムに対応し、外乱にロバストなものを実現できる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について、図８から図１１に基づいて説明する。

本実施形態では、脈波計測装置１０の血管（動脈）２０の位置が変化した際に起こる発光素子Ｌと受光素子Ｐの最適な組み合わせを選択する方法を説明する。

図８、図１０は、センサモジュール１１と手首１９の動脈２０の位置を示した断面図であり、図９、図１１はそれを生体表面からみた模式図であって、動脈位置の変化前と変化後のセンサモジュールと動脈の位置を示している。

本実施形態に係るセンサモジュール１１で使用する発光素子Ｌの特徴として、生体内に光が入射しその光が反射して生体外に戻ってくる際、発光素子Ｌと受光素子Ｐの距離と、生体内に入射した光の深さは比例関係にあり、発光素子Ｌと受光素子Ｐの離が遠くなるほど、生体内の奥深くに入射した光の反射を受光素子Ｐで検出している。

動脈２０が生体表面に近い場合を図８、図９に示す。動脈２０が生体表面に近いことにより発光素子Ｌと受光素子Ｐの間隔は狭い方が良く図９に示すように受光素子Ｐ２と発光素子Ｌ４の組み合わせが適切である。

また、動脈２０が生体表面から遠い場合を図１０、図１１に示す。動脈２０が生体表面から遠いことにより発光素子Ｌと受光素子Ｐの間隔は広い方が良く図１１に示すように受光素子Ｐ１と発光素子Ｌ５の組み合わせが適切である。

［第３の実施形態］
第３の実施形態について、図１２に基づいて説明する。

本実施形態では、既に最適な一対の発光素子Ｌと受光素子Ｐの組み合わせが第１の実施形態で説明した方法により取得できているものとして、以後に再度最適な組み合わせを選択する際に選択的に発光させる受光素子Ｐの方法を説明する。

現在選択している一対の発光素子Ｌと受光素子Ｐの組み合わせが図２に示される場合に、動きの影響によりその組み合わせでは脈波信号の強度が弱くなると再度最適な組み合わせを検索しようとする。

この検索のときに発光素子Ｌ１から順次発光させるのではなく、図１２のフローチャートのステップ２０〜２２に示しように、現在選択していた発光素子Ｌの近傍の発光素子Ｌから順に発光させ、なるべく少ない発光回数で最適な組み合わせを選択できるようにする。その際に、ステップ２１に示すように、脈波信号が脈波として使用できるある閾値以上の信号強度があるならば、その時点で最適な組み合わせ検索を中止する。なお、ステップ２３〜３２は、ステップ２〜１１の処理と同様である。

［第４の実施形態］
第４の実施形態について、図１３に基づいて説明する。

自己相関により算出された自己相関値の高い発光素子Ｌと受光素子Ｐの組み合わせとは別に、脈波信号の信号強度が所定の閾値以下になる場合がある。

本実施形態では、図１３に示すように、脈波信号Ｙ（ｔ）の振幅が所定の閾値より下になった場合に、閾値以上の信号強度の強い脈波信号Ｙ（ｔ）を有する発光素子Ｌと受光素子Ｐの組み合わせを再度検出する。

これによりよりロバストな脈波計測を実現することができる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態について、図１４に基づいて説明する。

第１の実施形態では、手首１９の橈骨動脈や尺骨動脈付近に装着した。しかし、本実施形態では、図１４に示すように、首２１の頚動脈にセンサモジュール１１を装着することにより同様の効果が得られる。

［第６の実施形態］
第６の実施形態について、図１５、図１６に基づいて説明する。

本実施形態では、第１の実施形態や第６の実施形態と異なり、図１５に示すように足首２２付近の足底動脈へ装着するものである。

しかし、足首２２付近の皮膚面の形状は踝の影響により凹凸が激しいため、図１６に示すようにセンサモジュール１１を湾曲させ皮膚に密着させることにより脈波を検出する。

［変更例］
本発明は上記各実施形態に限らず、その主旨を逸脱しない限り種々に変更することができる。

本発明は、自律神経計測、生活習慣病予防、睡眠状態計測など様々な目的で脈波の計測に好適である。

本発明の第１の実施形態に係る脈波計測装置のブロック図である。脈波計測装置のセンサモジュールの第１の配置例である。同じくセンサモジュールの第２の配置例である。同じくセンサモジュールの第３の配置例である。脈波計測装置の最適装着部位を示した斜視図である。脈波計測装置のフローチャートである。脈波計測装置での最適な組み合わせの図である。第２の実施形態での動脈位置の変化前のセンサモジュールと動脈の位置を示した断面図である。第２の実施形態での動脈位置の変化前のセンサモジュールと動脈の位置を生体表面から見た図である。第２の実施形態での動脈位置の変化後のセンサモジュールと動脈の位置を示した断面図である。第２の実施形態での動脈位置の変化後のセンサモジュールと動脈位置の位置を生体表面から見た図である。第３の実施形態に係る脈波計測装置のフローチャートである。第４の実施形態での脈波振幅の変化の違いを示した図である。第５の実施形態でのセンサモジュールの装着位置の図である。第６の実施形態でのセンサモジュールの装着位置の図である。第６の実施形態でのセンサモジュールの形状を示した図である。

符号の説明

Ｐ受光素子
Ｌ発光素子
１１センサモジュール１１
１２アンプ
１３アンプ
１４アンプ
１５ＡＤコンバータ
１６ＣＰＵ
１７ディスプレイ
１８バッテリー

Claims

被験者の血管に生体表面から発光素子で光をあて、その反射光を受光素子で受光して、前記血管の血流の変化を示す脈波信号として検出する脈波計測装置において、
前記発光素子と前記受光素子とをそれぞれ複数有し、かつ、前記生体表面に装着されるセンサモジュールと、
前記複数の発光素子を順番に発光させる発光手段と、
前記発光した発光素子と前記受光した受光素子との各組み合わせに対応した各脈波信号の自己相関値をそれぞれ算出する自己相関値算出手段と、
前記各自己相関値の中で最も自己相関値が高い脈波信号を出力した発光素子と受光素子との組み合わせを最適な組み合わせとして選択する最適位置識別手段と、
を具備することを特徴とする脈波計測装置。
前記自己相関値算出手段は、
前記各脈波信号から任意の期間における脈波信号の波形をそれぞれ切り出し、前記切り出した波形と前記脈波信号との自己相関を求めることにより前記各脈波信号の自己相関値を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の脈波計測装置。
前記任意の期間が少なくとも一拍分の脈波を含む
ことを特徴とする請求項２記載の脈波計測装置。
前記自己相関値算出手段は、
前記発光手段によって一の発光素子を発光させ、その発光に基づく反射光を前記複数の受光素子で受光し、
前記複数の受光素子からの脈波信号の中で最も信号強度の大きい受光素子を前記一の発光素子に対応する最適な組み合わせの受光素子として第１の選択を行い、
前記第１の選択により組み合わされた前記発光素子と前記受光素子の各脈波信号の自己相関値をそれぞれ算出する
ことを特徴とする請求項１記載の脈波計測装置。
前記最適位置識別手段は、
前記各自己相関値の中で所定の閾値以上の自己相関値を有する脈波信号を抽出し、その抽出した自己相関値の中から最も高い自己相関値を有する脈波信号を選択する
ことを特徴とする請求項１記載の脈波計測装置。
前記最適位置識別手段によって最適な発光素子と受光素子の組み合わせが決定した後に、最適な組み合わせを再度選択する場合に、
前記発光手段は、前記最適として選択された発光素子の近傍にある発光素子を発光させる
ことを特徴とする請求項１記載の脈波計測装置。
前記センサモジュールの生体表面装着側に前記複数の発光素子と前記複数の受光素子が設けられ、
前記複数の発光素子が一列に配置され、
前記複数の受光素子が一列に、かつ、前記複数の発光素子と平行に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の脈波計測装置。
前記センサモジュールの生体表面装着側に前記複数の発光素子と前記複数の受光素子が設けられ、
前記複数の発光素子が横方向に一列に配置され、
前記複数の受光素子が横方向に一列に、かつ、前記複数の発光素子と平行に、かつ、前記各発光素子とは横方向にずれた状態で配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の脈波計測装置。
前記センサモジュールの生体表面装着側に前記複数の発光素子と前記複数の受光素子が設けられ、
前記複数の発光素子と前記複数の受光素子が交互に横方向に一列に配置され、かつ、前記横方向の列が縦方向に複数段配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の脈波計測装置。
前記センサモジュールが、前記被験者の手首、または、首に装着される
ことを特徴とする請求項１記載の脈波計測装置。
前記センサモジュールが、前記被験者の足首に装着されるものであり、
前記センサモジュールが前記足首の形状に合わせて湾曲している
ことを特徴とする請求項１記載の脈波計測装置。
被験者の血管に生体表面からセンサモジュールに設けられた発光素子で光をあて、その反射光を前記センサモジュールに設けられた受光素子で受光して、前記血管の血流の変化を示す脈波信号として検出する脈波計測方法をコンピュータによって実現するプログラムにおいて、
前記センサモジュールに設けられた複数の発光素子を順番に発光させる発光機能と、
前記センサモジュールに設けられた複数の受光素子から出力される各脈波信号がそれぞれ入力する入力機能と、
前記発光した発光素子と前記受光した受光素子との各組み合わせに対応した各脈波信号の自己相関値をそれぞれ算出する自己相関値算出機能と、
前記各自己相関値の中で最も自己相関値が高い脈波信号を出力した発光素子と受光素子との組み合わせを最適な組み合わせとして選択する最適位置識別機能と、
を実現することを特徴とする脈波計測方法のプログラム。