JP4490727B2 - 脈波伝搬時間測定装置およびその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体中の脈波伝搬時間を測定する脈波伝搬時間測定装置およびその使用方法に関する。

従来より、動脈硬化の指標の１つとして脈波伝搬速度（Ｐｌｕｓｅ Ｗａｖｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ（ＰＷＶ））が用いられている。このＰＷＶは、心臓が動脈に血液を送り出す際の血管壁圧の伝搬速度をいい、硬化した血管ほど高速に伝搬することを利用してこのＰＷＶを動脈硬化の指標とするものである。

この脈波伝搬速度（ＰＷＶ）を計測するには、動脈に沿った２点間の脈波伝搬時間が測定され、その脈波伝搬時間をその２点間の動脈の長さで割り算するという手法が用いられ、したがってＰＷＶを計測するには、脈波伝搬時間を正確に測定することが必要となる。

脈波伝搬時間を測定するには、心臓近傍に心音マイクを当てがうとともに、例えば足首にカフを巻き付けて加圧し、心音マイクで心音を捉えるとともに例えば足首に巻き付けたカフの圧力の変化を捉えることによりその足首の脈波を捉える。こうして、心音の発生から足首の脈波の立ち上がりまでの時間を測定することにより脈波伝搬時間が測定される（例えば特許文献１参照。）。

心音にはＩ音と呼ばれる音とＩＩと呼ばれる音が存在し、脈波伝搬時間を測定するにはＩ音中の大動脈弁の開放のタイミングからの時間を測定するのが本来であるが、Ｉ音は僧帽弁の閉鎖音とその僧帽弁の閉鎖音に続く大動脈弁の開放音とで構成されており、大動脈弁の開放音を僧帽弁の閉鎖音と区別して正確に識別することが困難であり、やむを得ず、脈波伝搬時間測定の始点としてＩＩ音が採用されている（特許文献１参照。）
特開２００３−２９０１６０号公報

本発明は、上記事情に鑑み、大動脈弁の開放のタイミングを正確に捉えることにより脈波伝搬時間を高精度に測定することのできる脈波伝搬時間測定装置およびその使用方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の脈波伝搬時間測定装置は、
２つの心音マイクと、
１つ以上の脈波センサと、
上記２つの心音マイクでピックアップされた２つの心音の相対的な振幅および位相を操作に応じて調整する心音調整部と、
心音調整部で相対的な振幅および位相が調整された２つの心音の差分を求める差分演算部と、
差分演算部で求められた差分と脈波センサでピックアップされた脈波とに基づいて脈波伝搬時間を求める時間演算部とを備えたことを特徴とする。

ここで、本発明の脈波伝搬時間測定装置において、上記心音調整部は、上記２つの心音マイクでピックアップされた２つの心音のうちＩ音の立ち上がり部分の振幅および位相が相互に一致するように、それら２つの心音の相対的な振幅および位相を調整するものであることが好ましい。

また、本発明の脈波伝搬時間測定装置の使用方法は、
２つの心音マイクと、
１つ以上の脈波センサと、
上記２つの心音マイクでピックアップされた２つの心音の相対的な振幅および位相を操作に応じて調整する心音調整部と、
心音調整部で相対的な振幅および位相が調整された２つの心音の差分を求める差分演算部と、
差分演算部で求められた差分と脈波センサでピックアップされた脈波とに基づいて脈波伝搬時間を求める時間演算部とを備えた脈波伝搬時間測定装置の使用方法であって、
上記２つの心音マイクでピックアップされた２つの心音中の僧帽弁の閉鎖音の振幅および位相が相互に一致するようにそれら２つの心音の振幅および位相を調整することを特徴とする。

本発明の脈波伝搬時間測定装置は、心音マイクを２つ備え、さらにそれら２つの心音マイクでピックアップされた２つの心音の相対的な振幅および位相を調整できる構成を備えているため、Ｉ音の立ち上がり部分の振幅および位相、すなわち２つの僧帽弁の閉鎖音の振幅および位相が相互に同一となるように調整することにより、大動脈弁の開放のタイミングを表わす波形を抽出することができ、したがってその大動脈弁の開放のタイミングを時間測定の基準として、脈波センサで脈波がピックアップされるまでの時間、すなわち脈波伝搬時間を高精度に求めることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の脈波伝搬時間測定装置の一実施形態を含む生体計測装置の一実施形態を示すブロック構成図である。

この生体計測装置１０は、２つの心音マイク１１１，１１２と２つのカフ１１３，１１４と２つの心電センサ１１５，１１６を備えている。

２つの心音マイク１１１，１１２は、いずれも被検者２０の心臓２１の音（心音）をピックアップすべく、その心臓の近傍に貼着されている。また、２つのカフ１１３，１１４のうちの一方のカフ１１３は左上腕に巻回され、もう一方のカフ１１４は左足首に巻回されている。それらのカフ１１３，１１４では、それぞれ左上腕、左足首の脈波がピックアップされる。さらに、２つの心電センサ１１５，１１６ではそれぞれ右手首、左手首の心電波形がピックアップされる。

また、この生体計測装置１０は、さらにアナログ処理部１２、Ａ／Ｄ変換部１３、およびデジタル処理部１４を備えている。

２つの心電センサ１１５，１１６でピックアップされた心電波形は、心電増幅器１２１入力されて増幅されＡ／Ｄ変換部１３でデジタル信号に変換されてデジタル処理部１４に伝えられる。

また、２つの心音マイク１１１，１１２でピックアップされた２つの心音は、心音増幅器１２２，１２３でそれぞれ増幅される。その後、それら２つの心音のうちの一方である、心音増幅器１２２から出力された心音が、振幅調整器１２４、および位相調整器１２５による振幅調整および位相調整を受けて差動増幅器１２６に入力される。また、２つの心音増幅器１２２，１２３でそれぞれ増幅され２つの心音のうちのもう一方である、心音増幅器１２３から出力された心音は、そのまま差動増幅器１２６に入力される。差動増幅器１２６に入力された２つの心音は、その差動増幅器１２６で差動増幅され、それら２つの心音の差分信号が求められる。この差分信号は、Ａ／Ｄ変換部１３によりデジタル信号に変換されてデジタル処理部１４に伝えられる。ここで、振幅調整器１２４および位相調整器１２５は、本実施形態ではデジタル処理部１４からの指示に応じて振幅調整および位相調整を行なうものである。

また、２つのカフ１１３，１１４には、空気ポンプ１３１，１３２のそれぞれにより、各所定のカフ圧となるように空気が送り込まれ、それぞれの圧センサ１３３，１３４でカフ圧の微小変化が捉えられることにより左上腕および左足首の脈波がピックアップされる。圧センサ１３３，１３４でピックアップされた脈波は増幅器１３５，１３６でそれぞれ増幅されてＡ／Ｄ変換部１３に入力され、デジタル信号に変換される。

デジタル処理部１４には、ＣＰＵ１４１，メモリ１４２、表示装置１４３、記録装置１４４、および操作装置１４５が備えられており、それら相互間とさらにＡ／Ｄ変換部１３との間はバス１４６で相互に接続されている。

ＣＰＵ１４１では各種のプログラムが実行され、これにより、ＣＰＵ１４１は、生体計測装置１０の各部の制御を担う。またメモリ１４２は、ＣＰＵ１４１で実行される各種プログラムやＡ／Ｄ変換部１３から伝送されてきた各種データを格納する役割りを担っている。また、表示装置１４３は、表示画面上に心電図や脈波等の各種波形やデータを表示し、記録装置１４４は、それらの各種波形やデータをプリント出力する。さらに操作装置１４５は、オペレータの操作によりこの生体計測装置１０に各種指示を入力するためのものである。

図２は、心臓の縦断面図と心音マイクとの位置関係を示す図である。

ここには、心臓２１の、左心室２１１と、右心室２１２と、左心房２１３とが示されている。左心室２１１と左心房２１３との間には僧帽弁２１４を有し、左心室２１１と大動脈２１６との間には大動脈弁２１５を有する。

２つの心音マイク１１１，１１２は、心臓近傍の皮膚表面に貼着され、それら２つの心音マイク１１１，１１２より、胸壁２１７を介して、その奥にある心臓２１の動きに起因する心音がピックアップされる。

僧帽弁２１４から２つの心音マイク１１１，１１２までの距離は互いに異なり、また大動脈弁２１５から２つの心音マイク１１１，１１２までの距離も互いに異なる。したがって、これらの２つの心音マイク１１１，１１２でピックアップされる僧帽弁２１４および大動脈弁２１５の開閉音の振幅や位相は互いに異なることになる。

ここでは、これらの振幅や位相の相違を利用してＩ音中の僧帽弁２１４の閉鎖音をキャンセルし、同じＩ音中の大動脈弁の開放のタイミングを表わす信号が抽出する。

図３は、図１に示す生体計測装置１０の各部の波形を示す図である。

この図３中、図３（Ｈ），（Ｉ）には、それぞれ僧帽弁、大動脈弁の開閉タイミングが示されている。

図３（Ａ）は心電図であり、本実施形態では、この心電波形を参考にして、心音のうちのＩ音のタイミングを決定している。ただし、必ずしも心電波形を参考にする必要はなく、心音そのものからＩ音のタイミングを決定してもよい。

図３（Ｂ）は、図１に示す２つの心音マイク１１１，１１２のうちの、振幅調整および位相調整が行なわれる側の心音マイク１１１でピックアップされた心音を示す波形図、図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）の心音波形について振幅調整および位相調整を行なった後の心音波形図である。また、図３（Ｄ）は、図１に示す２つの心音マイク１１１，１１２のうちの、もう一方の心音マイク１１２でピックアップされた心音波形図である。

ここでは、図３（Ｂ）に示す、心音マイク１１１でピックアップされた心音波形の立ち上り部（すなわち僧帽弁２１４の閉鎖に起因した音）の振幅と位相が、図３（Ｄ）に示す、もう一方の心音マイク１１２でピックアップされた心音波形の立ち上り部と比べ同じ振幅と同じ位相になるように、図１に示す振幅調整器１２４および位相調整器１２５が調整される。本実施形態では、ＣＰＵ１４１により図３（Ａ）に示す心電波形がモニタされるとともに差動増幅器１２６により心音のうちのＩ音の立ち上がり部分が相互にキャンセルされたかどうかがモニタされ、そのＩ音の立ち上がり部分が相互にキャンセルされるように、ＣＰＵ１４１により、振幅調整器１２４による振幅調整量および位相調整器１２５による位相調整量が制御される。

図３（Ｅ）は、図３（Ｂ）の心音波形におけるＩ音の立ち上がり部分の振幅および位相が図３（Ｄ）の心音波形のＩ音の立ち上がり部分の振幅および位相と同一になるように調整されたときの、差動増幅器１２６の出力である差分信号の波形図である。この差分信号では、僧帽弁２１４（図２参照）の閉鎖音はキャンセルされる。大動脈弁２１５からの心音のみが抽出されている。

図３（Ｆ），（Ｇ）は、それぞれ、左上腕、左足首に巻かれたカフ１１３，１１４と圧センサ１３３，１３４とによりピックアップされた腕の脈波波形、足首の脈波波形である。

心臓２１で発生した脈波が足首に伝搬するまでの脈波伝搬時間を求めるにあたっては、図３（Ｅ）に示す差分信号波形から特定される大動脈弁２１５の開放のタイミング（差分信号波形の立ち上がり）から、脈波が足首に伝達したタイミング（脈波波形の立ち上がり）までの時間Ｔが求められる。

さらに、この時間Ｔ（脈波伝搬時間）を、心臓２１から足首に至るまでの大動脈の長さで徐することにより、脈波伝搬速度が求められる。ここでは足首までの脈波伝搬時間を取り上げて説明したが上腕までの脈波伝搬時間を求める場合や、その他の部位までの脈波伝搬時間を求める場合も同様である。

尚、ここでは、２つの心音マイク１１１，１１２でピックアップされた２つの心音のうちの一方の心音のみ振幅調整および位相調整を行なっているが、振幅および位相は相対的に調整されればよく、２つの心音双方の振幅と位相を調整してもよい。

また上記の実施形態では、アナログ処理部１２に振幅調整器１２４と位相調整器１２５を備えて振幅と位相が調整されているが、２つの心音について振幅や位相の調整を行なわずにそれぞれをデジタル信号に変換してデジタル処理部１４に取り込み、その後、ＣＰＵ１４１による演算処理により立ち上がり部の振幅と位相を調整して差分演算を行なってもよい。このときには、デジタル処理部は２つの心音それぞれの生の波形を知ることができるため、心電波形を参考にすることなく、心音のＩ音の立ち上がり部を心音そのものから検出することもできる。

また、上記の実施形態では、２つの心音のＩ音の立ち上がり部の振幅と位相が相互に一致するように自動的に調整する例を示したが、それらの振幅や位相を、操作装置１４５の操作により手動で調整できるように装置を構成しておき、表示装置１４３に２つの心音波形を表示させ、オペレータがそれらの心音波形を見ながら操作装置１４５を操作して、その手動操作により、Ｉ音の中から僧帽弁の閉鎖音をキャンセルして大動脈弁の開放音を抽出してもよい。

本発明の脈波伝搬時間測定装置の一実施形態を含む生体計測装置の一例を示すブロック構成図である。 心臓の縦断面図と心音マイクの位置関係を示す図である。 図１に示す生体計測装置の各部の波形を示す図である。

符号の説明

１０ 生体計測装置
１２ アナログ処理部
１３ Ａ／Ｄ変換部
１４ デジタル処理部
２０ 被検者
２１ 心臓
１１１，１１２ 心音マイク
１１３，１１４ カフ
１１５，１１６ 心電センサ
１２１ 心電増幅器
１２２，１２３ 心音増幅器
１２４ 振幅調整器
１２５ 位相調整器
１２６ 差動増幅器
１３１，１３２ 空気ポンプ
１３３，１３４ 圧センサ
１３５，１３６ 増幅器
１４１ ＣＰＵ
１４２ メモリ
１４３ 表示装置
１４４ 記録装置
１４５ 操作装置
１４６ バス
２１４ 僧帽弁
２１５ 大動脈弁

Claims (3)

1. ２つの心音マイクと、
   １つ以上の脈波センサと、
   前記２つの心音マイクでピックアップされた２つの心音の相対的な振幅および位相を調整する心音調整部と、
   前記心音調整部で相対的な振幅および位相が調整された２つの心音の差分を求める差分演算部と、
   前記差分演算部で求められた差分と前記脈波センサでピックアップされた脈波とに基づいて脈波伝搬時間を求める時間演算部とを備えたことを特徴とする脈波伝搬時間測定装置。
2. 前記心音調整部は、前記２つの心音マイクでピックアップされた２つの心音のうちＩ音の立ち上がり部分の振幅および位相が相互に一致するように該２つの心音の相対的な振幅および位相を調整するものであることを特徴とする請求項１記載の脈波伝搬時間測定装置。
3. ２つの心音マイクと、
   １つ以上の脈波センサと、
   前記２つの心音マイクでピックアップされた２つの心音の相対的な振幅および位相を操作に応じて調整する心音調整部と、
   前記心音調整部で相対的な振幅および位相が調整された２つの心音の差分を求める差分演算部と、
   前記差分演算部で求められた差分と前記脈波センサでピックアップされた脈波とに基づいて脈波伝搬時間を求める時間演算部とを備えた脈波伝搬時間測定装置の使用方法であって、
   前記２つの心音マイクでピックアップされた２つの心音中の僧帽弁の閉鎖音の振幅および位相が相互に一致するように該２つの心音の振幅および位相を調整することを特徴とする脈波伝搬時間測定装置の使用方法。

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