JP4325638B2 - 脈波測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、脈波測定装置に関し、特に、静電容量素子を用いて動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置に関する。

非観血式で簡便に動脈内の圧力波形を得る圧脈波測定法として、非特許文献１に記載されるトノメトリ法が知られている。トノメトリ法では、生体の表面に固形平板を押し当て、この固形平板によって動脈に平坦部が形成される程度に生体の表面を圧迫する。そして、動脈の表面に生じる張力の影響が除外された圧平衡状態を保つことにより、動脈内の圧力変化のみを精度よく安定して測定する。

近年、トノメトリ法によって測定した動脈内の圧力波形から特徴量を算出することにより、生体内の状態を測定する試みがなされている。その試みの一つとして、動脈の硬化度合いを判断する指標であるＡＩ（Augmentation Index）値についての研究が鋭意行なわれている。

トノメトリ法を用いて動脈内の圧力波形を測定する条件としては、動脈に平坦部が形成される程度に生体の表面を圧迫することの他に、動脈に形成された平坦部の直上にセンサ素子が配置されることが必要になる。また、精度よく動脈内の圧力波形の測定を行なうためには、動脈に形成された平坦部の幅よりもセンサ素子の幅を小さく構成することが必要であり、そのためにはセンサ素子が動脈径よりも十分に小さいことが必要である。以上を考慮した場合、単一のセンサ素子を動脈に形成された平坦部の直上に位置決めして配置することは非常に困難であるため、微小加工された複数のセンサ素子が配置された圧力センサを動脈の延在方向と略直交するように配置して圧脈波を測定することが現実的である。

一般に、圧力を測定するセンシング方式としては、歪み抵抗素子を利用したセンシング方式および静電容量素子を利用したセンシング方式が知られている。静電容量素子を利用したセンシング方式では、センサ素子の構造が歪み抵抗素子に比べて簡素であるため、多額の製造コストを要する半導体製造プロセスを利用することなく安価に製作できるというメリットがある。

たとえば、非特許文献２には、増幅器、コンデンサおよびスイッチ等で構成される電荷電圧変換方式のセンサ装置が開示されている。

ここで、前述のように複数のセンサ素子が配置された圧力センサを用いる場合、複数のセンサ素子からの出力を選択するマルチプレクサが必要となる。マルチプレクサは、通常ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）プロセスを使用して製造する必要がある。非特許文献２記載のセンサ装置では、ＭＯＳプロセスを使用していることから、マルチプレクサが必要となる場合でも製造プロセスの共通化を図ることができ、センサ装置の小型化を図ることができる。

非特許文献２記載のセンサ装置は、このように小型化を図ることができ、かつＭＯＳプロセスを使用しているために消費電力が小さいことから、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）圧力センサおよびＭＥＭＳ加速度センサに採用されている。
G.L.Pressman, P.M.Newgard, "A Transducer for the Continuous External Measurement of Arterial Blood Pressure", IEEE TRANSACTIONS ON BIO-MEDICAL ELECTRONICS, 1963, pp.74-81 Y.E.Park and K.D.Wise, "AN MOS SWITCHED CAPACITOR READOUT AMPLIFIER FOR CAPACITIVE PRESSURE SENSORS", Proc.IEEE Custom Circuit Conf. ,May 1983, pp.380-384

ところで、非特許文献２記載のセンサ装置では、並列に配置されたコンデンサおよびスイッチを介して増幅器の出力および入力が接続されることにより、帰還回路が形成されている。このスイッチを切り替えることにより、静電容量素子に蓄えられた電荷に対応する電圧、すなわち静電容量素子の静電容量に対応する電圧がセンサ出力として増幅器から出力される。ここで、帰還回路を構成するスイッチとしては、たとえばＭＯＳアナログスイッチが用いられる。

図１４は、ＭＯＳアナログスイッチのオフ容量のバイアス電圧依存性の一例を示す図である。

図１４を参照して、ＭＯＳアナログスイッチはオフ状態においても数ｐＦのオフ容量を有しており、かつスイッチの両端に印加されるバイアス電圧に依存してオフ容量が変化する。

図１５は、電荷電圧変換方式のセンサ装置において、図１４に示すバイアス電圧依存性を有するＭＯＳアナログスイッチを使用した場合の直線性誤差を示す図である。

図１５を参照して、非特許文献２記載のセンサ装置等、電荷電圧変換方式のセンサ装置では、ＭＯＳアナログスイッチ等、帰還回路を構成するスイッチのオフ容量のバイアス電圧依存性に起因して、増幅器の出力電圧すなわちセンサ装置の出力特性が非線形になってしまう。特に、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置においては、前述のように微小なセンサ素子を使用するため、良好なセンシング感度を確保するためには、帰還回路を構成するコンデンサの容量を小さくせざるを得ず、ＭＯＳアナログスイッチのオフ容量に起因するセンサ出力の誤差が大きくなる。

それゆえに、本発明の目的は、出力特性が非線形になることを防ぎ、脈波検出の誤差を小さくすることが可能な脈波測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる脈波測定装置は、生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置であって、動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサと、反転入力端子が圧力検出用コンデンサの一端に接続され、非反転入力端子が基準電圧に接続される演算増幅器と、一端が演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される電荷転送用コンデンサと、一端が演算増幅器の反転入力端子に接続される第１のスイッチと、一端が第１のスイッチの他端に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される電圧設定部とを備え、電圧設定部は、第１のスイッチの他端および演算増幅器の出力を接続するか、あるいは第１のスイッチの他端および演算増幅器の出力を非接続として第１のスイッチの他端に所定電圧を印加する。

好ましくは、電圧設定部は、一端が第１のスイッチの他端に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される第２のスイッチと、一端が第１のスイッチの他端に接続され、他端が所定電圧に接続される第３のスイッチとを含む。

好ましくは、電圧設定部は、一端が第１のスイッチの他端に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される第２のスイッチと、一端が第１のスイッチの他端に接続され、他端が所定電圧に接続される電圧設定用コンデンサとを含む。

好ましくは、脈波測定装置は、さらに、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、制御部とを備え、制御部は、充電部、第１のスイッチおよび電圧設定部を制御して、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加し、第１のスイッチをオン状態とし、かつ第１のスイッチの他端および演算増幅器の出力を接続し、その後、第１のスイッチの他端および演算増幅器の出力を非接続とし、その後、第１のスイッチの他端に所定電圧を印加し、かつ充電電圧の印加を停止する。

好ましくは、脈波測定装置は、さらに、一端が圧力検出用コンデンサの一端に接続され、他端が演算増幅器の反転入力端子に接続される第４のスイッチを備える。

より好ましくは、脈波測定装置は、さらに、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、制御部とを備え、制御部は、充電部、第１のスイッチ、第４のスイッチおよび電圧設定部を制御して、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加し、第１のスイッチをオン状態とし、第４のスイッチをオン状態とし、かつ第１のスイッチの他端および演算増幅器の出力を接続し、その後、第４のスイッチをオフ状態とし、その後、第１のスイッチの他端および演算増幅器の出力を非接続とし、その後、第１のスイッチの他端に所定電圧を印加し、かつ充電電圧の印加を停止し、その後、第４のスイッチをオン状態とする。

好ましくは、所定電圧は基準電圧である。

本発明によれば、出力特性が非線形になることを防ぎ、脈波検出の誤差を小さくすることを防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第１の実施の形態＞
［脈波測定装置の構成および基本動作］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置の外観図である。なお、図１は、センサアレイを手首に押圧した測定状態を示している。図２は、図１に示す測定状態における手首および脈波測定装置の模式断面図である。

図１および図２を参照して、脈波測定装置１００は、被験者の手首において動脈内の圧力波形を測定するためのものである。脈波測定装置１００は、載置台１１０と、センサユニット１と、締付けベルト１３０とを備える。センサユニット１は、ケーシング１２２と、押圧カフ１８と、センサアレイ１９とを含む。

載置台１１０は、被験者の一方の腕２００の手首および前腕を載置するための載置部１１２を含む。締付けベルト１３０は、載置台１１０に載置された腕２００の手首部分を固定する。センサユニット１は、締付けベルト１３０に取付けられ、センサアレイ１９を内蔵する。

図１を参照して、載置台１１０に手首が固定された状態においては、動脈２１０が腕２００の延在方向と平行な方向に位置する。図２を参照して、センサユニット１のケーシング１２２内に内蔵された押圧カフ１８が膨張することにより、センサアレイ１９が下降し、手首の表面に向かってセンサアレイ１９のセンサ面が押し当てられる。押圧カフ１８は、後述する加圧ポンプ１５および負圧ポンプ１６により内圧が調整される。センサアレイ１９は、センサ面に設けられた後述する下部電極３１が動脈２１０の延在方向と略直交する方向に延在するように配置される。

押圧時においては、動脈２１０が橈骨２２０とセンサアレイ１９のセンサ面とによって上下方向から挟み込まれれた状態となり、動脈２１０に平坦部が形成される。そして、動脈２１０に形成された平坦部の直上に少なくとも１個のセンサエレメント２８が位置することになる。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるセンサアレイ１９、マルチプレクサ２０およびＣ−Ｖ変換部２１の構成を示す図である。図４は、センサアレイ１９の外観斜視図である。

図３を参照して、センサアレイ１９は、マルチプレクサ２０と、Ｃ−Ｖ変換部２１と組み合わされて使用される。Ｃ−Ｖ変換部２１は、充電部５１を含む。

図４を参照して、センサアレイ１９は、下部電極３１と、上部電極３２と、スペーサ部材３０とを含む。下部電極３１は、互いに並走するように行状に設けられた実質的に直線状に延びる複数の帯状銅箔電極からなる。上部電極３２は、下部電極３１と直交する方向に互いに並走するように列状に設けられた実質的に直線状に延びる複数の帯状銅箔電極からなる。下部電極３１および上部電極３２の間には、シリコンラバーからなるスペーサ部材３０が配置される。

行列状に配置された下部電極３１および上部電極３２の交差部においては、スペーサ部材３０によって所定の距離だけ離れて下部電極３１と上部電極３２とが対向配置される。これにより、下部電極３１および上部電極３２の交差部においてセンサエレメント２８が形成される。すなわち、センサアレイ１９は、行列状に配置された複数個のセンサエレメント２８を含む。

センサエレメント２８は、上部電極３２または下部電極３１に加わる圧力によって互いに接近する方向に歪むことにより、静電容量が変化する。

再び図３を参照して、下部電極３１および上部電極３２の一方の電極にマルチプレクサ２０を介してＣ−Ｖ変換部２１が接続される。マルチプレクサ２０は、特定の下部電極３１および上部電極３２を選択する。このような構成により、行列状に配置された複数個のセンサエレメント２８のうちのいずれか１個の静電容量をＣ−Ｖ変換部２１の出力電圧として得ることが可能になる。たとえば、マルチプレクサ２０が、上から２行目の下部電極３１と左から３列目の上部電極３２とを選択した場合には、センサエレメント２８ＡがＣ−Ｖ変換部２１に接続される。したがって、センサアレイ１９の任意の位置における圧力波形を測定することが可能になる。なお、図３では上部電極３２がマルチプレクサ２０を介して充電部５１に接続されているが、下部電極３１および上部電極３２の接続関係を逆にして下部電極３１がマルチプレクサ２０を介して充電部５１に接続される構成であってもよい。

図５は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置の機能ブロック図である。
図５を参照して、脈波測定装置１００は、センサユニット１と、表示ユニット３と、載置台１１０とを備える。表示ユニット３は、操作部２４と、表示部２５とを含む。センサユニット１は、押圧カフ１８と、センサアレイ１９とを含む。載置台１１０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１３と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）（制御部）１１と、駆動回路１４と、加圧ポンプ１５と、負圧ポンプ１６と、切り替え弁１７と、マルチプレクサ２０と、Ｃ−Ｖ変換部２１と、ローパスフィルタ２２と、Ａ／Ｄ変換部２３とを含む。

操作部２４は、外部からの操作を検出し、検出結果を操作信号としてＣＰＵ１１等に出力する。ユーザは、操作部２４を操作して脈波測定に関する各種情報を脈波測定装置１００に入力する。

表示部２５は、動脈位置検出結果および脈波測定結果等の各種情報を外部に出力するためのＬＥＤ（Light Emitting Diode）と、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）とを含む。

ＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３は、たとえば、脈波測定装置１００を制御するためのデータおよびプログラムを記憶する。

駆動回路１４は、ＣＰＵ１１からの制御信号に基づいて加圧ポンプ１５、負圧ポンプ１６および切り替え弁１７を駆動する。

ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムをＲＡＭ１３上に展開して実行し、脈波測定装置１００における各ブロックの制御および演算処理を行なう。また、ＣＰＵ１１は、操作部２４から受けたユーザの操作信号に基づいて脈波測定装置１００における各ブロックの制御処理を行なう。すなわち、ＣＰＵ１１は、操作部２４から受けた操作信号に基づいて制御信号を各ブロックに出力する。また、ＣＰＵ１１は、脈波測定結果等を表示部２５に表示する。

加圧ポンプ１５は、押圧カフ１８の内圧を加圧するためのポンプであり、また、負圧ポンプ１６は、押圧カフ１８の内圧を減圧するためのポンプである。切り替え弁１７は、加圧ポンプ１５および負圧ポンプ１６のいずれかを選択的にエア管６に接続する。

押圧カフ１８は、センサアレイ１９を手首上に押圧させるために加圧調整される空気袋を含む。

センサアレイ１９は、押圧カフ１８の圧力によって被験者の手首等の測定部位に押圧される。センサアレイ１９は、押圧された状態で、撓骨動脈を介して被験者の脈波すなわち動脈内の圧力波形を検出する。

マルチプレクサ２０は、ＣＰＵ１１から受けた制御信号に基づいて、センサアレイ１９における複数個のセンサエレメント２８のうちのいずれか１個を選択する。Ｃ−Ｖ変換部２１は、マルチプレクサ２０が選択したセンサエレメント２８の静電容量値を電圧に変換する、すなわち動脈内の圧力波形を表わす、動脈から生体表面に伝達される圧力振動波を電圧信号として出力する（以下、圧力信号とも称する）。

ローパスフィルタ２２は、Ｃ−Ｖ変換部２１から受けた圧力信号のうち、所定の周波数成分を減衰させる。

Ａ／Ｄ変換部２３は、ローパスフィルタ２２を通過したアナログ信号である圧力信号をデジタル信号に変換してＣＰＵ１１に出力する。

なお、載置台１１０が表示ユニット３を含む構成であってもよい。また、載置台１１０がＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３を備える構成としたが、これらを表示ユニット３が含む構成としてもよい。また、ＣＰＵ１１がＰＣ（Personal Computer）と接続されて、各種制御を行なう構成であってもよい。

［脈波測定装置の動作］
図６は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の動作手順を定めたフローチャートである。図６のフローチャートに示される処理は、ＣＰＵ１１が、ＲＯＭ２２にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムをＲＡＭ２３上に展開して実行することによって実現される。

図６を参照して、まず、脈波測定装置１００に電源が投入されると、ＣＰＵ１１は、駆動回路１４に対して負圧ポンプ１６を駆動するように指示する。駆動回路１４は、ＣＰＵ１１からの指示に基づいて切り替え弁１７を負圧ポンプ１６側に切り替え、負圧ポンプ１６を駆動する（Ｓ１０１）。駆動された負圧ポンプ１６は、切り替え弁１７を介して押圧カフ１８の内圧が大気圧よりも十分に低くなるように減圧する。このような構成により、センサアレイ１９が不用意に突出して誤動作および故障が生じることを回避できる。

ＣＰＵ１１は、センサアレイ１９が測定部位に移動したことを検知すると（Ｓ１０２）、脈波測定を開始する。ここで、センサユニット１は、センサアレイ１９の移動を検知するための図示しないマイクロスイッチ等を備え、ＣＰＵ１１は、マイクロスイッチの検出信号に基づいてセンサアレイ１９の位置を認識する。なお、ＣＰＵ１１は、操作部２４に含まれる測定開始スイッチ（図示せず）が押されたことを検知すると、脈波測定を開始する構成であってもよい。

ＣＰＵ１１は、センサアレイ１９が測定部位に移動すると（Ｓ１０２でＹＥＳ）、駆動回路１４に対し、加圧ポンプ１５を駆動するように指示する。駆動回路１４は、ＣＰＵ１１からの指示に基づいて切り替え弁１７を加圧ポンプ１５側に切り替え、加圧ポンプ１５を駆動する（Ｓ１０３）。駆動された加圧ポンプ１５は、切り替え弁１７を介して押圧カフ１８の内圧を加圧し、センサアレイ１９を被験者の測定部位の表面に押圧する。

センサアレイ１９が測定部位に押圧されると、マルチプレクサ２０は、ＣＰＵ１１の制御に基づいて、Ｃ−Ｖ変換部２１に接続するセンサエレメント２８を時分割で切り替える。Ｃ−Ｖ変換部２１は、マルチプレクサ２０が選択したセンサエレメント２８の静電容量値を電圧に変換する。ローパスフィルタ２２は、Ｃ−Ｖ変換部２１から受けた圧力信号のうち、所定の周波数成分を減衰させる。Ａ／Ｄ変換部２３は、ローパスフィルタ２２を通過した圧力信号をデジタル情報に変換し、ＣＰＵ１１に出力する。

ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換部２３から受けたデジタル情報に基づいてセンサエレメント２８の位置と圧力信号との関係を表わすトノグラムを作成し、表示部２５に表示する（Ｓ１０４）。

ＣＰＵ１１は、作成したトノグラムに基づいて、動脈上に位置するセンサエレメント２８を検出して選択する（Ｓ１０５）。なお、センサエレメント２８を検出する処理については、本願出願人がすでに出願して公開されている特開２００４−２２２８４７号公報に記載の技術等を用いることができる。

また、ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換部２３から受けたデジタル情報に基づいて、Ｃ−Ｖ変換部２１から出力される圧力信号の直流成分を抽出する（Ｓ１０６）。圧力信号の直流成分は、所定期間の圧力信号の平均値、圧力信号のうちの所定周波数以下の成分すなわち脈波成分を除去した圧力信号、および脈波立上り点すなわち脈波成分が混入する直前の圧力信号レベル等で表わされる。

より具体的には、圧力信号の出力変化を所定期間ごとのウィンドウ（区間）に分割し、各ウィンドウ内の平均を算出することで、直流成分を抽出することができる。あるいは、各ウィンドウ内の最大値と最小値との中間値を算出する等を行なっても、同様に直流成分を抽出することができる。なお、上述の所定期間は、被験者の脈拍に拠らない予め脈波測定装置１００に設定されている期間であり、一般的な脈拍の間隔以上である１．５秒程度であることが好ましい。

次に、ＣＰＵ１１は、駆動回路１４を制御して最適圧力調整を行なう、すなわち圧力信号の直流成分が安定するように押圧カフ１８の内圧を調整する（Ｓ１０７）。

次に、ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換部２３から受けたデジタル情報が表わす、現在選択しているＣ−Ｖ変換部２１からの圧力信号に基づいて、波形データを取得し、取得した波形データに基づいて脈波を測定する（Ｓ１０８）。

そして、ＣＰＵ１１は、脈波測定の終了条件が成立した場合には（Ｓ１０９でＹＥＳ）、駆動回路１４を制御して負圧ポンプ１６を駆動し、測定部位に対するセンサアレイ１９の押圧状態を解除する（Ｓ１１０）。ここで、脈波測定の終了条件は、予め設定された所定時間（たとえば３０秒）の経過であってもよいし、ユーザからの測定終了の指示および測定中断の指示等であってもよい。

一方、ＣＰＵ１１は、所定条件が成立しない場合には（Ｓ１０９でＮＯ）、波形データの転送処理を繰り返し行ない、脈波測定を継続する（Ｓ１０８）。

［Ｃ−Ｖ変換部およびセンサエレメントの構成および基本動作］
図７は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す機能ブロック図である。

図７を参照して、Ｃ−Ｖ変換部２１は、充電部５１と、電圧変換部５２と、電圧保持部５３とを含む。コンデンサ（圧力検出用コンデンサ）ＣＸは、センサエレメント２８に対応する。なお、図７では説明を簡単にするためにマルチプレクサ２０を図示せず、また、マルチプレクサ２０が選択したコンデンサＣＸのみを示している。

コンデンサＣＸは、脈波測定装置１００のセンサアレイ１９が生体の表面に押し当てられた状態において、生体の動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する。

充電部５１は、コンデンサＣＸに充電電圧を印加して電荷を蓄える。電圧変換部５２は、コンデンサＣＸに蓄えられた電荷に基づいてコンデンサＣＸの静電容量を表わす変換電圧を生成し、電圧保持部５３に出力する。電圧保持部５３は、電圧変換部５２から受けた変換電圧を保持するとともにローパスフィルタ２２へ出力する。

図８は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す回路図である。

図８を参照して、Ｃ−Ｖ変換部２１は、センサエレメント２８に対応するコンデンサ（圧力検出用コンデンサ）ＣＸと組み合わせて使用される。Ｃ−Ｖ変換部２１は、コンデンサＣＣと、電荷転送用コンデンサＣＦと、コンデンサＣＨ１と、スイッチ（第１のスイッチ）ＳＷ１と、スイッチ（第４のスイッチ）ＳＷ４と、スイッチＳＷ５と、演算増幅器Ｇ１およびＧ２と、充電部５１と、電圧設定部５４とを備える。充電部５１は、スイッチＳＷ５１〜ＳＷ５４と、電源Ｖ１およびＶ２とを含む。電圧設定部５４は、スイッチ（第２のスイッチおよび第３のスイッチ）ＳＷ２およびＳＷ３を含む。スイッチＳＷ１〜ＳＷ５は、たとえばＭＯＳアナログスイッチである。なお、図８では説明を簡単にするためにマルチプレクサ２０を図示せず、また、マルチプレクサ２０が選択したコンデンサＣＸのみを示している。

ここで、演算増幅器Ｇ１と、スイッチＳＷ１と、コンデンサＣＦと、電圧設定部５４とが、図７に示す電圧変換部５２に対応する。また、スイッチＳＷ５と、コンデンサＣＨ１とが、図７に示す電圧保持部５３に対応する。

演算増幅器Ｇ１は、反転入力端子がコンデンサＣＸの一端およびコンデンサＣＣの一端に接続され、非反転入力端子が接地電圧（基準電圧）に接続される。コンデンサＣＦは、一端が演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器Ｇ１の出力に接続される。スイッチＳＷ１は、一端が演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に接続され、他端が電圧設定部５４の一端に接続される。電圧設定部５４は、他端が演算増幅器Ｇ１の出力に接続される。

電圧設定部５４において、スイッチＳＷ２は、一端がスイッチＳＷ１の他端に接続され、他端が演算増幅器Ｇ１の出力に接続される。スイッチＳＷ３は、一端がスイッチＳＷ１の他端に接続され、他端が接地電圧（基準電圧）に接続される。

スイッチＳＷ５は、一端が演算増幅器Ｇ１の出力に接続され、他端がコンデンサＣＨ１の一端および演算増幅器Ｇ２の非反転入力端子に接続される。コンデンサＣＨ１の他端が接地電圧に接続される。演算増幅器Ｇ２の反転入力端子が演算増幅器Ｇ２の出力に接続される。

充電部５１において、スイッチＳＷ５１の一端が電源Ｖ１の正電極に接続され、他端がスイッチＳＷ５２の一端およびコンデンサＣＸの他端に接続される。スイッチＳＷ５４の一端が電源Ｖ２の負電極に接続され、他端がスイッチＳＷ５３の一端およびコンデンサＣＣの他端に接続される。スイッチＳＷ５２の他端と、スイッチＳＷ５３の他端と、電源Ｖ１の負電極と、電源Ｖ２の正電極とが接地電圧に接続される。また、電源Ｖ１およびＶ２の出力電圧値はＶＣＣである。

コンデンサＣＣは、カウンタ容量と呼ばれ、コンデンサＣＸの静電容量のオフセットを調整する目的で配置される。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ５は、それぞれＣＰＵ１１から受けた制御信号ＳＣ１〜ＳＣ５に基づいてオン状態およびオフ状態を切り替える。スイッチＳＷ５１〜ＳＷ５４は、ＣＰＵ１１から受けた図示しない制御信号に基づいてオン状態およびオフ状態を切り替える。

電圧設定部５４は、スイッチＳＷ１の他端および演算増幅器Ｇ１の出力を接続するか、あるいはスイッチＳＷ１の他端および演算増幅器Ｇ１の出力を非接続としてスイッチＳＷ１の他端に接地電圧を印加する。

［Ｃ−Ｖ変換部の動作］
図９は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作を示すタイムチャートである。ＶＰはコンデンサＣＸの他端に印加される電圧であり、ＶＮはコンデンサＣＣの他端に印加される電圧であり、ＶＧ１は演算増幅器Ｇ１の出力電圧であり、ＶＯＵＴは演算増幅器Ｇ２の出力電圧である。制御信号ＳＣ１〜ＳＣ５がハイレベルの場合はそれぞれ対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ５がオン状態となり、ローレベルの場合はオフ状態となる。

図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作手順を定めたフローチャートである。図１０のフローチャートに示される処理は、ＣＰＵ１１が、ＲＯＭ２２にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムをＲＡＭ２３上に展開して実行することによって実現される。

図９および図１０を参照して、まず、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ４をオン状態とし、かつスイッチＳＷ３およびＳＷ５をオフ状態とする。また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５２およびＳＷ５３をオフ状態とし、かつスイッチＳＷ５１およびＳＷ５４をオン状態とすることにより、コンデンサＣＸの他端に充電電圧ＶＣＣを印加し、かつコンデンサＣＣの他端に充電電圧−ＶＣＣすなわち充電電圧ＶＣＣと絶対値が等しくかつ印加方向が逆の電圧を印加する（ステップＳ１）。

ここで、演算増幅器Ｇ１の非反転入力端子に印加されている電圧すなわち接地電圧が演算増幅器Ｇ１の出力から演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に帰還される。したがって、コンデンサＣＸに充電電圧ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられ、また、コンデンサＣＣに充電電圧−ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられる。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ４をオフ状態とする（ステップＳ２）。
次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１およびＳＷ２をオフ状態とすることにより、スイッチＳＷ１の他端および演算増幅器Ｇ１の出力を非接続とする（ステップＳ３）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ３をオン状態とすることにより、スイッチＳＷ１の他端に接地電圧（基準電圧）を印加する。また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５２およびＳＷ５３をオン状態とし、かつスイッチＳＷ５１およびＳＷ５４をオフ状態とすることにより、充電電圧ＶＣＣおよび−ＶＣＣの印加を停止し、コンデンサＣＸの他端およびコンデンサＣＣの他端に接地電圧（基準電圧）を印加する（ステップＳ４）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ４をオン状態とする。そうすると、コンデンサＣＸに蓄えられた電荷量およびコンデンサＣＣに蓄えられた電荷量の差に対応する電荷がコンデンサＣＦに移動する。そして、演算増幅器Ｇ１からは、コンデンサＣＦに蓄えられた電荷に対応する電圧が出力電圧Ｇ１として出力される（ステップＳ５）。より詳細には、コンデンサＣＸの静電容量をＣＸとし、コンデンサＣＣの静電容量をＣＣとし、充電電圧ＶＣＣの電圧値をＶＣＣとすると、コンデンサＣＦに移動する電荷は、（ＣＸ−ＣＣ）×ＶＣＣで表わされる。コンデンサＣＦに移動した電荷は、コンデンサＣＦの静電容量をＣＦとすると、演算増幅器Ｇ１によって（（ＣＸ−ＣＣ）／ＣＦ）×ＶＣＣで表わされる電圧に変換される。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５をオン状態とする。これにより、演算増幅器Ｇ１の出力電圧に基づいてコンデンサＣＨ１が充電される（ステップＳ６）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５をオフ状態とする。これにより、演算増幅器Ｇ２の非反転入力端子に入力される電圧が固定される。そして、演算増幅器Ｇ２からは、コンデンサＣＨ１に蓄えられている電荷に対応する電圧すなわち生体の動脈内の圧力に対応する電圧が出力電圧ＶＯＵＴとしてローパスフィルタ２２に出力される（ステップＳ７）。

ＣＰＵ１１は、ステップＳ１〜Ｓ７の処理を繰り返すことにより、Ｃ−Ｖ変換部２１から出力される圧力信号を更新する。これにより、動脈内の圧力波形が測定される。

ところで、非特許文献２記載のセンサ装置等、電荷電圧変換方式のセンサ装置では、ＭＯＳアナログスイッチ等、帰還回路を構成するスイッチのオフ容量のバイアス電圧依存性に起因して、増幅器の出力電圧すなわちセンサ装置の出力特性が非線形になってしまうという問題点があった。しかしながら、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置では、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１およびＳＷ２をオフ状態とすることにより、スイッチＳＷ１の他端および演算増幅器Ｇ１の出力を非接続とする。そして、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ３をオン状態とすることにより、スイッチＳＷ１の他端に所定電圧たとえば接地電圧を印加する。ここで、スイッチＳＷ３をオン状態とするとき、演算増幅器Ｇ１の反転入力端子には接地電圧が演算増幅器Ｇ１の出力から帰還されており、スイッチＳＷ１の一端には接地電圧が印加されている。このような構成により、電荷転送動作（ステップＳ５）の際にスイッチＳＷ１の両端に印加されるバイアス電圧を一定値とすることができるため、センサの出力特性が非線形になることを防ぎ、脈波検出の誤差を小さくすることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置では、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１の他端に演算増幅器Ｇ１の非反転入力端子に印加されている電圧である接地電圧を印加する構成により、スイッチＳＷ１の両端に同じ電圧を印加することでスイッチＳＷ１のオフ容量をほぼ０とすることができ、センサの出力特性の誤差をさらに小さくすることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置は、一端がコンデンサＣＸの一端に接続され、他端が演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に接続されるスイッチＳＷ４を備える。そして、ＣＰＵ１１は、コンデンサＣＸに充電電圧ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられた後、スイッチＳＷ４をオフ状態とする。そして、スイッチＳＷ１の他端および演算増幅器Ｇ１の出力を非接続とし、かつ、スイッチＳＷ１の他端に接地電圧を印加する。その後、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ４をオン状態として、コンデンサＣＸに蓄えられた電荷をコンデンサＣＦに移動する。このように、スイッチＳＷ１の両端に印加されるバイアス電圧を一定値とし、かつオフ容量をほぼ０とすることで、コンデンサＣＸに蓄えられた電荷量およびコンデンサＣＣに蓄えられた電荷量の差に対応する電荷をコンデンサＣＦに移動する際にスイッチＳＷ１のオフ容量にも電荷が移動することを防ぐことができ、電荷移動がコンデンサＣＦのみに限定されるため、センサ出力の直線性が良好となる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置では、スイッチＳＷ３としてたとえばＭＯＳアナログスイッチを使用する。このような構成では、Ｃ−Ｖ変換部２１を集積回路で構成した場合に同じプロセスでスイッチＳＷ３を構成することができ、Ｃ−Ｖ変換部の小型化を図ることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置では、充電電圧の印加を停止するとき、コンデンサＣＸの他端に基準電圧を印加する。より詳細には、ＣＰＵ１１は、コンデンサＣＸの他端への充電電圧ＶＣＣの印加を停止するとき、コンデンサＣＸの他端に演算増幅器Ｇ１の非反転入力端子に印加されている電圧である接地電圧を印加する。このような構成により、演算増幅器Ｇ１を直線性の良い範囲で動作させることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、Ｃ−Ｖ変換部２１の構成を変更した脈波測定装置に関する。

［Ｃ−Ｖ変換部の構成］
図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す回路図である。

図１１を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る電圧設定部５４は、スイッチＳＷ４の代わりにコンデンサ（電圧設定用コンデンサ）ＣＳを含む。

コンデンサＣＳは、一端がスイッチＳＷ１の他端およびスイッチＳＷ２の一端に接続され、他端が所定電圧たとえば負電圧ＶＥＥに接続されている。

［Ｃ−Ｖ変換部の動作］
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作を示すタイムチャートである。ＶＰはコンデンサＣＸの他端に印加される電圧であり、ＶＮはコンデンサＣＣの他端に印加される電圧であり、ＶＧ１は演算増幅器Ｇ１の出力電圧であり、ＶＯＵＴは演算増幅器Ｇ２の出力電圧である。制御信号ＳＣ１〜ＳＣ５がハイレベルの場合はそれぞれ対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ５がオン状態となり、ローレベルの場合はオフ状態となる。

図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作手順を定めたフローチャートである。図１３のフローチャートに示される処理は、ＣＰＵ１１が、ＲＯＭ２２にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムをＲＡＭ２３上に展開して実行することによって実現される。

図１２および図１３を参照して、まず、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ４をオン状態とし、かつスイッチＳＷ５をオフ状態とする。また、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５２およびＳＷ５３をオフ状態とし、かつスイッチＳＷ５１およびＳＷ５４をオン状態とすることにより、コンデンサＣＸの他端に充電電圧ＶＣＣを印加し、かつコンデンサＣＣの他端に充電電圧−ＶＣＣすなわち充電電圧ＶＣＣと絶対値が等しくかつ印加方向が逆の電圧を印加する（ステップＳ１１）。

ここで、演算増幅器Ｇ１の非反転入力端子に印加されている電圧すなわち接地電圧が演算増幅器Ｇ１の出力から演算増幅器Ｇ１の反転入力端子に帰還される。したがって、コンデンサＣＸに充電電圧ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられ、また、コンデンサＣＣに充電電圧−ＶＣＣに対応する電荷が蓄えられる。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ４をオフ状態とする（ステップＳ１２）。なお、ステップＳ１１およびＳ１２においては、スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオン状態であるため、コンデンサＣＳにも電荷が蓄えられる。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ１およびＳＷ２をオフ状態とすることにより、スイッチＳＷ１の他端および演算増幅器Ｇ１の出力を非接続とする（ステップＳ１３）。ここで、コンデンサＣＳに蓄えられた電荷によってスイッチＳＷ１の他端は接地電圧（基準電圧）に保たれる。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５２およびＳＷ５３をオン状態とし、かつスイッチＳＷ５１およびＳＷ５４をオフ状態とすることにより、充電電圧ＶＣＣおよび−ＶＣＣの印加を停止し、コンデンサＣＸの他端およびコンデンサＣＣの他端に接地電圧（基準電圧）を印加する（ステップＳ１４）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ４をオン状態とする。そうすると、コンデンサＣＸに蓄えられた電荷量およびコンデンサＣＣに蓄えられた電荷量の差に対応する電荷がコンデンサＣＦに移動する。そして、演算増幅器Ｇ１からは、コンデンサＣＦに蓄えられた電荷に対応する電圧が出力電圧Ｇ１として出力される（ステップＳ１５）。より詳細には、コンデンサＣＸの静電容量をＣＸとし、コンデンサＣＣの静電容量をＣＣとし、充電電圧ＶＣＣの電圧値をＶＣＣとすると、コンデンサＣＦに移動する電荷は、（ＣＸ−ＣＣ）×ＶＣＣで表わされる。コンデンサＣＦに移動した電荷は、コンデンサＣＦの静電容量をＣＦとすると、演算増幅器Ｇ１によって（（ＣＸ−ＣＣ）／ＣＦ）×ＶＣＣで表わされる電圧に変換される。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５をオン状態とする。これにより、演算増幅器Ｇ１の出力電圧に基づいてコンデンサＣＨ１が充電される（ステップＳ１６）。

次に、ＣＰＵ１１は、スイッチＳＷ５をオフ状態とする。これにより、演算増幅器Ｇ２の非反転入力端子に入力される電圧が固定される。そして、演算増幅器Ｇ２からは、コンデンサＣＨ１に蓄えられている電荷に対応する電圧すなわち生体の動脈内の圧力に対応する電圧が出力電圧ＶＯＵＴとしてローパスフィルタ２２に出力される（ステップＳ１７）。

ＣＰＵ１１は、ステップＳ１１〜Ｓ１７の処理を繰り返すことにより、Ｃ−Ｖ変換部２１から出力される圧力信号を更新する。これにより、動脈内の圧力波形が測定される。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る脈波測定装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。

したがって、本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置では、第１の実施の形態に係る脈波測定装置と同様に、出力特性が非線形になることを防ぎ、脈波検出の誤差を小さくすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置の外観図である。 図１に示す測定状態における手首および脈波測定装置の模式断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるセンサアレイ１９、マルチプレクサ２０およびＣ−Ｖ変換部２１の構成を示す図である。 センサアレイ１９の外観斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置の機能ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の動作手順を定めたフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作を示すタイムチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作手順を定めたフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置におけるＣ−Ｖ変換部２１およびコンデンサＣＸの構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際のＣ−Ｖ変換部２１の動作手順を定めたフローチャートである。 ＭＯＳアナログスイッチのオフ容量のバイアス電圧依存性の一例を示す図である。 電荷電圧変換方式のセンサ装置において、図１４に示すバイアス電圧依存性を有するＭＯＳアナログスイッチを使用した場合の直線性誤差を示す図である。

符号の説明

１ センサユニット、３ 表示ユニット、１１ ＣＰＵ（制御部）、１２ ＲＯＭ、１３ ＲＡＭ、１４ 駆動回路、１５ 加圧ポンプ、１６ 負圧ポンプ、１７ 切り替え弁、１８ 押圧カフ、１９ センサアレイ、２０ マルチプレクサ、２１ Ｃ−Ｖ変換部、２２ ローパスフィルタ、２３ Ａ／Ｄ変換部、２４ 操作部、２５ 表示部、２６ ＰＣＢ、２７ フレキシブル配線、２８，２８Ａ センサエレメント、３０ スペーサ部材、３１ 下部電極、３２ 上部電極、５１ 充電部、５２ 電圧変換部、５３ 電圧保持部、５４ 電圧設定部、５５ 差動増幅器、１００ 脈波測定装置、１１０ 載置台、１２０ センサユニット、１２２ ケーシング、１３０ 締付けベルト、２００ 腕、２１０ 動脈、２２０ 橈骨、ＣＸ コンデンサ（圧力検出用コンデンサ）、ＣＣ，ＣＨ１ コンデンサ、ＣＦ 電荷転送用コンデンサ、ＣＳ コンデンサ（電圧設定用コンデンサ）、ＳＷ１〜ＳＷ４ スイッチ（第１〜第４のスイッチ）、ＳＷ５，ＳＷ５１〜ＳＷ５４ スイッチ、Ｇ１〜Ｇ２ 演算増幅器、Ｖ１，Ｖ２ 電源。

Claims (7)

1. 生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置であって、
   前記動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサと、
   反転入力端子が前記圧力検出用コンデンサの一端に接続され、非反転入力端子が基準電圧に接続される演算増幅器と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が前記演算増幅器の出力に接続される電荷転送用コンデンサと、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続される第１のスイッチと、
   一端が前記第１のスイッチの他端に接続され、他端が前記演算増幅器の出力に接続される電圧設定部とを備え、
   前記電圧設定部は、前記第１のスイッチの他端および前記演算増幅器の出力を接続するか、あるいは前記第１のスイッチの他端および前記演算増幅器の出力を非接続として前記第１のスイッチの他端に所定電圧を印加する脈波測定装置。
2. 前記電圧設定部は、
   一端が前記第１のスイッチの他端に接続され、他端が前記演算増幅器の出力に接続される第２のスイッチと、
   一端が前記第１のスイッチの他端に接続され、他端が前記所定電圧に接続される第３のスイッチとを含む請求項１記載の脈波測定装置。
3. 前記電圧設定部は、
   一端が前記第１のスイッチの他端に接続され、他端が前記演算増幅器の出力に接続される第２のスイッチと、
   一端が前記第１のスイッチの他端に接続され、他端が前記所定電圧に接続される電圧設定用コンデンサとを含む請求項１記載の脈波測定装置。
4. 前記脈波測定装置は、さらに、
   前記圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、
   制御部とを備え、
   前記制御部は、前記充電部、前記第１のスイッチおよび前記電圧設定部を制御して、
   前記圧力検出用コンデンサの他端に前記充電電圧を印加し、前記第１のスイッチをオン状態とし、かつ前記第１のスイッチの他端および前記演算増幅器の出力を接続し、その後、
   前記第１のスイッチの他端および前記演算増幅器の出力を非接続とし、その後、
   前記第１のスイッチの他端に前記所定電圧を印加し、かつ前記充電電圧の印加を停止する請求項１記載の脈波測定装置。
5. 前記脈波測定装置は、さらに、
   一端が前記圧力検出用コンデンサの一端に接続され、他端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続される第４のスイッチを備える請求項１記載の脈波測定装置。
6. 前記脈波測定装置は、さらに、
   前記圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、
   制御部とを備え、
   前記制御部は、前記充電部、前記第１のスイッチ、前記第４のスイッチおよび前記電圧設定部を制御して、
   前記圧力検出用コンデンサの他端に前記充電電圧を印加し、前記第１のスイッチをオン状態とし、前記第４のスイッチをオン状態とし、かつ前記第１のスイッチの他端および前記演算増幅器の出力を接続し、その後、
   前記第４のスイッチをオフ状態とし、その後、
   前記第１のスイッチの他端および前記演算増幅器の出力を非接続とし、その後、
   前記第１のスイッチの他端に前記所定電圧を印加し、かつ前記充電電圧の印加を停止し、その後、
   前記第４のスイッチをオン状態とする請求項５記載の脈波測定装置。
7. 前記所定電圧は前記基準電圧である請求項１〜６のいずれかに記載の脈波測定装置。

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