JP4257260B2 - シャント音を利用した脈拍測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、血液透析、血液濾過、血液濾過透析、血液浄化などの血液浄化療法を含む体外血液処理時のシャント音を利用した脈拍測定装置に関する。

従来、体外血液処理、例えば透析治療を行う患者は、手首付近の静脈と動脈を吻合したシャント（ブラッドアクセスとも称する）を作成して、透析に必要な２００［ｍｌ／ｍｉｎ］程度の体外循環血流量を得ている。

シャントを作成することにより、動脈側血流が静脈側へと呼び込まれる。これは血管の流路径や流路形状を急激に変化させる要因となり、吻合部にて血流音と血管の振動による振動音とが発生する。この血流量と振動音とをシャント音として、従来は聴診器や心音センサ等を利用して取得していた。

シャント部では血液凝固などにより狭窄することが多く、透析患者または医療スタッフは普段からシャント音を聴診して、音の大きさや周波数を評価することでシャント状態を把握し、常に良好な脱血が得られるよう管理している。シャント音を採取してシャント状態を把握する技術は、特許第３０８３３７８号公報（特許文献１）及び特開平１０−５２４９０号公報（特許文献２）において実現されている。

特許文献１に記載の装置は、血液透析ないしは濾過療法において、人工臓器へ血液を導く体外循環のための生体からの血液の取り出し手段となる、シャント部における血流を、継続して自動的に監視し得るようにして、患者が聴診によって毎日何度も血流状態を確認しなければならない手間を軽減すると共に、血流状態の悪化を早期に発見できるようにするものである。

このため、血流に対応したシャント音を継続して検知するためにマイクロフォンを、動脈と静脈の結合手段に近接して、絆創膏にて固定する一方、流通状態の悪化によるシャント音の低下に従って変化するマイクロフォンにおける検出値が入力されて、予め設定されたシャント音量の下限値と比較する判断回路と、検出値が下限値を下回った場合に信号を発する制御回路と、該制御回路の発した信号に基づいて作動せしめられる警報発生手段とを含んで構成される警報装置を、手首にベルトにて装着している。

また、特許文献２に記載の装置は、シャント部における血流により生じる振動を検出し血流量を取得することにより、患者の周囲の雑音を誤検診することなく正確に血流量を検出し、血液量が基準値を下回った場合に患者にすぐに報知することのできるシャントにおける血流状態のモニター装置を提供するものである。

このため、シャントの振動を検出するための振動検出手段と、該振動検出手段により検出された信号を増幅するための増幅手段と、該増幅手段の信号の中から振動成分の周波数を選択する周波数選択手段と、該周波数選択手段の交流電圧に比例した直流電圧に変換する平滑化手段と、正常時の血流量に比例した電圧を記憶しておくための初期値記憶手段と、該初期値記憶手段に記憶されている初期値よりも現在の血流量が低下した際に警報を患者に出力する判定手段とから構成されている。

これらの技術は患者のシャント部である腕に振動検出手段を設置し、振動を取得している。この場合、血圧、脈拍の管理のために患者は装置を腕に装着し続けなければならず、不便を生じる。

そこで、透析装置、或いはディスポーザブルの体外回路中にチューブ変形測定手段を設け、患者に連続装着の不快感を与えることなく、血圧、脈拍の管理を可能にして医療スタッフの負荷をも軽減する装置が特開２００２−１８６５９０号公報（特許文献３）及び特開２００２−１８６６６５号公報（特許文献４）に開示されている。

特許文献３に記載の装置は、透析回路中における患者の脈拍を連続的に測定するシステムが記載されている。

即ち、監視処理用コンピュータは、ダイアライザへ血液を送るチューブの途中におけるチューブの変形量を測定して得られた変形信号から単位取得時間当たりの波数を計算し、計算した波数から患者の脈拍を得るようにしている。

また、特許文献４に記載の装置は、血液汚染を防止しつつ透析患者の最高血圧を連続的に監視するシステムが記載されている。

即ち、監視用処理コンピュータには患者に予め定められた最高血圧の許容変動範囲を設定する。監視用処理コンピュータは、ダイアライザへ血液を送るチューブの途中におけるチューブの変形量を取得して得られた変形信号から最高血圧を算出し、最高血圧値が前記許容変動範囲か否かを監視し、透析中最高血圧値が許容変動範囲外となったことを条件に警告信号を出力している。

これらの文献では、血液回路中に血圧を取得する可動ロットを設け、測定された血圧波形を元に波数を計算して異常を検出している。
特許第３０８３３７８号公報 特開平１０−５２４９０号公報 特開２００２−１８６５９０号公報 特開２００２−１８６６６５号公報

しかしながら、特許文献１または２に記載された血流状態をモニターする装置では、シャント音を取得し、周波数フィルタを利用してシャント音以外の周波数を環境音等のノイズを検出した後に異常を検出している。このため、シャント音と同周波数帯域に存在する音についてはノイズとして除去することができず、装置の誤作動等が発生する可能性がある。

さらには上述したように、シャント音管理のために装置を腕に装着し続ける必要が生じ、不便である。

一方、特許文献３または４に記載されたチューブの変形量を取得して脈拍を得るシステムでは、血液回路における血圧を主に取得することでその異常を検出している。この場合には、チューブに体動や折れ曲がり等の圧力が加わった場合、それをも検出してしまうこととなり誤検出の原因になる場合がある。また、これを極力避けるために、動脈側血液回路のみに脈拍・血圧取得手段を設置している。

そこで本発明の目的は、上記問題点に鑑み、血液回路中にシャント音を取得するシャント音取得手段を備え、変換された電気信号をフーリエ変換して音圧和を導出することでより正確な脈拍を取得するシャント音を利用した脈拍測定装置を提供することにある。

本発明はシャント音を利用した脈拍測定装置に関し、本発明の上記目的は、シャント音を取得するために体外循環血液回路に装着されたシャント音取得手段と、前記シャント音に起因する前記体外循環血液回路の振動を電気信号として受信するシャント音受信手段と、前記電気信号をフーリエ変換する周波数解析手段と、前記フーリエ変換された周波数成分を通過させる周波数フィルタと、前記周波数フィルタを通過した周波数帯域の音圧和を算出する音圧和計算手段と、前記周波数帯域の音圧和が設定値を越えたときに１脈拍として脈拍を検出する脈拍検出手段とを設けることにより達成され、前記シャント音の取得開始時から所定時間に取得された前記シャント音から基本脈拍数を測定して記憶する記憶手段と、その後測定された脈拍との差を求める差検出手段と、前記差を所定値と比較し、前記差が前記所定値以上になったときに脈拍異常を報知する異常手段とを更に設けることにより、より効果的に達成される。

本発明に係るシャント音取得方法、該シャント音を利用した脈拍測定方法及びその装置によれば、患者にとって治療中に脈拍を非侵襲的に連続取得できるため、装置を装着する煩わしさから解放される利点がある。

さらには静脈側血液回路のみにおけるシャント音の取得によっても脈拍を検出することが可能である。

装置はセンサと取得装置以外には特殊な装置を必要としないため、これらは安価に従来の装置に付加することが可能である。また、血液回路自体には一切の変更を行う必要がない。

また、１種類の取得方法で正常な脈拍が検出できない程のノイズ周波数が入った場合でも、その他種類の取得方法によってシャントの状態を把握するため、従来に比べ柔軟性に富んだ方法及び装置が提供できる。

本発明は、血液回路中にシャント音を取得するシャント音取得手段を備え、変換された電気信号の検出値から音圧和を導出することで、より正確な脈拍を取得するシャント音を利用した脈拍測定方法及び装置を提供する。このため、体外血液処理装置の血液回路においてシャント音を取得して電気信号に変換し、この電気信号のノイズ周波数を除去すると共に、一定時間毎に音圧和を導出して比較し、設定値を超える音圧和を１パルスとして脈拍を検出する。

以下、本実施例では体外血液処理を一例である血液透析として図示し、本発明を説明する。

図１は、血液透析時に作成されるシャント及び挿入されたカニューレの一例である。

血液透析時に、透析患者は２００［ｍｌ／ｍｉｎ］の体外循環血液量を得るため、通常手首の静脈と動脈を吻合して約５００〜７００[ｍｌ／ｍｉｎ]の血液流量を確保するシャントを作成している。シャントでは、２つの流れの合流で生じる乱流により、シャント音（振動）が生じることが公知であり、日常のシャント管理の一環として聴診や触診を行っている。

動脈側カニューレ１及び静脈側カニューレ７は、図１に示されたように血管に挿入され、血液採取が行われる。

図２は、本発明に係る血液透析装置の構成図である。

血液透析装置は、体外循環血流を得る動脈側カニューレ１と、動脈側血流を確保する動脈側血液チューブ２と、血液透析中に体外循環血液を血液透析装置に得るために動作する血液ポンプ３と、血液透析を行うダイアライザ（透析器）４、静脈側ドリップチャンバ５、ダイアライザ４で浄化された血液が流れる静脈側血液チューブ６、体外循環血流を体内に還流する静脈側カニューレ７、患者のシャント音を取得するシャント音取得手段８、患者から取得したシャント音を解析するシャント音解析装置９、解析されたシャント音から異常が検出された時に警報を出力する警報装置１０とから構成されている。

血液は、動脈側カニューレ１から動脈側血液チューブ２を通ってダイアライザ４に導かれる。動脈側血液チューブ２には血液ポンプ３が設置されており、動脈側カニューレ１から取り出された血液を体外回路に循環させる。ダイアライザ４では拡散と限外濾過の原理で不要物と水分とを除去して血液を浄化し、浄化された血液は静脈側血液チューブ６を通って静脈側カニューレ７から患者の体内に戻される。静脈側血液チューブ６には気泡除去のための静脈側ドリップチャンバ５が設置されている。

なお、本実施例で述べる動脈側血液回路とは、動脈側カニューレ１からダイアライザ４の血液導入部までの血液循環路を指し、静脈側血液回路とは、ダイアライザ４の血液導出部から静脈側カニューレ７までの血液循環路を指す。

シャント音取得手段８は、これを体に装着する不便を回避するため、本図に示されているように動脈側血液チューブ２および／または静脈側血液チューブ６に設けられている。通常は、動脈側血液チューブ２と静脈側血液チューブ６の両方に設置するのが望ましい。

より正確なシャント音取得を行うためには、動脈側シャント音取得手段８ａは動脈側カニューレ１から血液ポンプ３までの間、静脈側シャント音取得手段８ｂは静脈側ドリップチャンバ５から静脈側カニューレ７の間に設置するのが望ましい。

また、このシャント音取得手段８は、例として音、血液回路の振動、血液の圧力のうち少なくとも１種類を電気信号に変換する。最も好適な例としては、３種類全てを取得して電気信号に変換するのが望ましい。

なお、静脈側血液チューブ６に設けられたシャント音取得手段８は、シャントに穿刺された静脈側カニューレ７から伝わるシャント音を取得する。上述したように、シャント音とは吻合部における血流音並びに血流による血管の振動音である。血液透析を受ける場合には、動脈側カニューレ１、静脈側カニューレ７は同一のシャント血管に穿刺するため、各カニューレを通じて同じ音を聞くことができる。静脈側カニューレ７は吻合部から離れるため取得できるシャント音の大きさは減衰する（図１参照）が、動脈側シャント音取得手段８ａ及び静脈側シャント音取得手段８ｂとは同じシャント音を取得することとなる。

図３はシャント音解析装置の構成図である。

取得されたシャント音は電気信号としてシャント音解析装置９に入力される。

シャント音解析装置９は、この電気信号の入力を受付けるシャント音受信手段９１と、一定時間毎に周波数解析を行いこの電気信号を周波数−音圧系に変換する周波数解析手段９２と、シャント音が有する周波数成分の存在する周波数帯域のみを抽出する周波数フィルタ９３と、周波数−音圧系に変換された電気信号における特定周波数範囲の積分値を取得する音圧和計算手段９４と、時系列処理された電気信号から所定の設定値以上の積分値を１パルスの脈拍として検出する脈拍検出手段９５と、検出された脈拍数が正常値か否かを判断し、警報を発する警報装置に接続された脈拍異常検出手段９６と、基本脈拍数を手動で設定するための基本脈拍数設定手段９７、脈拍数等をシャント音解析装置９にて表示する表示装置９９とから構成されている。

なお、２種類以上の取得方法によりシャント音が取得された場合には、取得された電気信号毎に解析を行うのが望ましい。すなわち９２〜９６の手段を利用した解析及び脈拍検出を取得された各信号独立で行う。これについては後述する。

また、基本脈拍数設定手段９７において設定される脈拍数は、例として通常人間の１分間の脈拍数である６０回／分等が設定される。

このような構成において本装置の動作を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。

血液透析が行われる際に、シャント音取得手段８は、取得したシャント音を電気信号に変換して分析装置９に送信を行う（ステップＳ１０１）。このシャント音の取得は、マイクロフォン、血液回路の血圧を取得する血圧取得装置、血液回路の振動を取得する振動取得装置等が挙げられる。得られた波形の一例を図５に示す。

また、シャント音や脈拍は患者毎に個人差があるので、一定時間をサンプリング時間としてシャント音を取得し、ここから導き出せる脈拍をこの患者の基本脈拍数として比較するのが望ましい。これについては脈拍異常検出手段９６の動作についての説明時に説明する。

取得されたシャント音の電気信号（以下、単に電気信号とする）は、分析装置９に送られ、シャント音受信手段９１が受信を行う（ステップＳ１０２）。取得された電気信号は、脈拍検出を行うために周波数解析手段９２へと送信される。

なお、前述したように、マイクロフォン、血圧取得装置、振動取得装置の３種類をシャント音取得手段８として取得に同時に利用していれば（その他取得装置があれば、それについても含む）、各装置によって取得された電気信号毎に周波数解析を行う周波数解析手段を用意するのが望ましい。ここでは簡便のためにマイクロフォンによって取得されたシャント音についてのみを説明するが、他の種類の電気信号の処理についても同様である。

周波数解析手段９２では、入力された電気信号について所定時間範囲の周波数解析をおこなう。周波数解析を行う時間区間はオーバーラップが存在していても構わない。この周波数解析を連続して行い、その結果が図６の周波数−音圧系で示される（ステップＳ１０３）。図５では、この所定時間範囲をT1、T2、T3…で表し、周波数解析を行った結果を図６におけるT1、T2、T3で表す。このT1、T2、T3…の時間はそれぞれ任意で構わないが、あまりにも大きく取ってしまうと次の脈拍まで含んでしまうため１回の脈拍を数分割して周波数解析できるような長さであるのが好ましい。

なお、この周波数解析はフーリエ変換、最大エントロピー（ＭＥＭ）法等の周波数―音圧和系に変換可能な解析であれば、どのような解析法を利用しても構わない。

シャント音は通常、１００Ｈｚ〜５００Ｈｚの周波数帯域を有する。このため、それ以外の周波数帯域はノイズ周波数として処理することができる。このノイズ周波数を除去するために、周波数フィルタを利用し、ノイズ周波数を除去する（ステップＳ１０４）。なお、１００Ｈｚ〜５００Ｈｚは通常の値であり個人差があるため、より柔軟に対応するためには５０Ｈｚ〜１０００Ｈｚとして遊びを有するのが好ましい。または、前述した基本脈拍数抽出時に取得したシャント音を利用して設定することもできる。

次に、周波数フィルタを通した後の周波数帯域に存在する音圧和を音圧和計算手段９４において算出する（ステップＳ１０５）。この音圧和は、それぞれの所定時間範囲を周波数解析することによって得られたデシベル曲線を積分することによって算出される。得られた音圧和は時系列として並置される。

また、心臓がポンプの役割をしているため、脈をうつと同時に血流は最大になり、シャント音として聞こえる音も最大音圧を有する。この特性を利用して予め設定値を設定し、この設定値を越える音圧和を有する部分を１パルス、すなわち１回の脈として脈拍検出手段９５が検出する（ステップＳ１０６）。設定値は個人差があり、前述した基本脈拍数を抽出したシャント音を利用して設定するのが望ましい。図７に設定値を越えた音圧和を残した結果を示す。

さらに好適な実施例としては、１回の脈の後、シャント音の音圧が小さくなるのは周知であり、この特性を利用して周波数解析を行う区間を連続的に観測し、設定値を越えるピークを検出したときに１パルスとして検出すると、より正確な脈拍を得ることができる。

この脈拍についての情報は、シャント音分析装置の表示手段９８に表示されることによってレポートされる。検出された脈拍は、後述の脈拍異常検出手段９６において基本脈拍数をとった時間と同じ時間の脈拍数がカウントされるが、表示手段９８ではこの脈拍数の表示や、それ以前の脈拍数、その他脈拍についての情報を随時表示させることもできる。

測定された脈拍は脈拍異常検出手段９６において基本脈拍数と比較され、その脈拍に異常があるか否かが検出される（ステップS１０７）。

複数の取得手段によって複数の電気信号が得られた場合には各信号独立で脈拍測定を行うことを前述したが、ここでは３種類の取得手段によって３種類の電気信号が得られたものとして説明する。

３つの各信号は、上述のフローチャートに従って脈拍が検出される。得られた脈拍の情報は図３のような時間−音圧和系の二次元グラフで、ピークが抽出された情報が脈拍検出手段９５から脈拍異常検出手段９６へと送信される。

脈拍異常検出手段９６では、上記３種類の信号が入力され、前述した基本脈拍数を抽出したシャント音及びこのシャント音によって解析された脈拍数と比較される。これによって異常が検出される。

この基本脈拍数を抽出したシャント音とは、血液採取を開始後一定時間をサンプルとして取得し、上述の解析を行って脈拍数や脈拍の間隔、音圧和の大きさ等の取得を行ったものである。これを正常時のシャント音として脈拍数と共に脈拍異常検出手段９６に記憶させておくことで、脈拍異常検出手段９６が脈拍異常を効果的に検出することとなる。

なお、ノイズの状況によっては、３種類の信号の１または２種類の信号が異常を検出し、残り１種類が異常を検出しない等の状況がある。この場合に脈拍異常として信号を導出するか否かは設定によって変更することができる。もっとも慎重を期する場合には１つでも異常を検出した場合には警報装置１０へ信号を送信し（ステップS１０８）、警報装置１０が作動することでレポートさせる。

一方、基本脈拍数を最初に検出せずに、基本脈拍数設定手段９７を利用して手動で基本脈拍数を設定することもでき、この脈拍数と検出された脈拍数とを比較して判定することも可能である。

その後、脈拍の取得を継続する場合にはシャント音の取得・解析を続け、継続しない場合には終了する（ステップＳ１０９）。

本発明に係る血液透析時に作成されるシャント及び挿入されたカニューレの一例である。 本発明に係る血液透析装置の一例を示す構成図である。 本発明に係るシャント音解析装置の内手段構成例を示すブロック図である。 本発明に係る動作を動作を示すフローチャートである。 本発明に係るシャント音の電気信号の一例を示す波形図である。 本発明に係る周波数−音圧系の一例を示す図である。 本発明に係る設定値を越えた音圧和を取り出した図である。

符号の説明

１ 動脈側カニューレ
２ 動脈側血液チューブ
３ 血液ポンプ
４ ダイヤライザ
５ 静脈側ドリップチャンバ
６ 静脈側血液チューブ
７ 静脈側カニューレ
８ シャント音取得手段
９ シャント音解析装置
１０ 警報装置
９１ シャント音受信手段
９２ 周波数解析手段
９３ 周波数フィルタ
９４ 音圧和計算手段
９５ 脈拍検出フィルタ
９６ 脈拍異常検出手段
９７ 基本脈拍数設定手段
９８ 表示手段

Claims (2)

1. シャント音を取得するために体外循環血液回路に装着されたシャント音取得手段と、前記シャント音に起因する前記体外循環血液回路の振動を電気信号として受信するシャント音受信手段と、前記電気信号をフーリエ変換する周波数解析手段と、前記フーリエ変換された周波数成分を通過させる周波数フィルタと、前記周波数フィルタを通過した周波数帯域の音圧和を算出する音圧和計算手段と、前記周波数帯域の音圧和が設定値を越えたときに１脈拍として脈拍を検出する脈拍検出手段とを具備したことを特徴とするシャント音を利用した脈拍測定装置。
2. 前記シャント音の取得開始時から所定時間に取得された前記シャント音から基本脈拍数を測定して記憶する記憶手段と、その後測定された脈拍との差を求める差検出手段と、前記差を所定値と比較し、前記差が前記所定値以上になったときに脈拍異常を報知する異常手段とを更に具備している請求項１に記載のシャント音を利用した脈拍測定装置。

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