JP6085099B2 - 検体情報処理装置 - Google Patents
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Description
上記特許文献2の場合、体内音取得装置は開口部の穴の径が1mm又は3mmであり、細い血管の振動をその真上にマイクがなくても測定できるような工夫がなされていない。
上記特許文献3の場合、脈波信号から検出信号の包絡線を求めることで呼吸信号を生成しており、この方法で得られる呼吸信号のS/N比では、脈波を変調している呼吸信号を正確に反映したものが得られなかった。
また、本発明の検体情報処理装置は、該周波数復調処理が、位相同期回路を利用する周波数復調処理であってもよい。
また、本発明の検体情報処理装置は、該コンデンサマイクが、MEMS−ECMで構成されてもよい。
また、本発明の検体情報処理装置は、該開口部の口径が動脈血管の直径の5倍以下であってもよい。
[1.検体情報処理装置]
[1−1.検体情報処理装置の構成例]
<検体情報処理装置の構成>
本発明の検体情報処理装置1(以下、本検体情報処理装置ともいう)は、図1に示すように、脈動性信号検出ユニット11と信号処理部41とをそなえて構成されている。
脈動性信号検出ユニット11は、脈動性信号を検出して、信号処理部41に脈動性信号を出力するものであって、センサ31とセンサ取付部21とを有する。
コンピュータ81は、信号処理部41によって処理された信号が入力されて、信号の処理又は保存を行うものである。コンピュータ81は、信号補正部51によって取り出された脈動性容積信号、脈動性速度信号又は脈動性加速度信号を利用して、各信号の波形から検体71の健康状態の診断を行うことが出来る。また、コンピュータ81は、周波数復調部61によって抽出された呼吸信号を利用して、検体71の呼吸状態の検査や、検体71の睡眠又は覚醒状態の判断を行うことも出来る。
本検体情報処理装置1を適用する検体71としては、検体71における動脈血管73の脈動を測ることができるものであれば特に制限されず、人または人以外の動物に用いることができる。センサ取付部21の開口部22を検体71に対向させて密着させることにより、空洞23がクローズドキャビティを形成するためには、検体情報処理装置1を検体71の皮膚72に装着することが好ましい。
図7はセンサ取付部21において、開口部22の口径を変えながら、指先の毛細血管の脈動性信号を測定した場合の信号の強さを表わす図である。
クロ−ズドキャビティを形成する材料としてここではゴム製のO−リング24を挙げたが、検体71における脈動性信号を閉じ込める空洞23を形成できる物体であれば、樹脂製や金属製の素材からなるものであっても用いることができる。空洞23のクローズドキャビティの形成のためには剛性の高いものが望ましいが、皮膚72に当たる側には、人体の皮膚72の特性(柔軟性)を考慮するとゴムやシリコン製などの皮膚72との親和性が高い素材を用いることが好ましい。
センサ31としては、血管73の脈動性信号を検出するものであれば、特に限定されないが、血管73の脈動に起因する検体71の皮膚72の振動によって生じる空気の振動(音圧情報)を電気的に検出するマイクロホンを好適に用いることができる。マイクロホンの中でも、指向性、S/N比、感度の点からコンデンサマイクが好ましく、ECM(electret condenser microphone;エレクトレットコンデンサーマイクロホン、以下、単に「ECM」ともいう)を好適に用いることができる。また、MEMS(microelectromechanical system)技術を用いて作製したECMである、MEMS型ECM(以下、「MEMS−ECM」ともいう)を好適に用いることができる。
<検体情報処理装置の機能構成>
検体情報処理装置1を機能的に表わすとき、検体情報処理装置1は、図2、図3に示すように、脈動性信号検出ユニット11及び信号処理部41を備え、信号処理部41は、信号補正部51及び周波数復調部61を有している。
周波数復調部61を機能的に表わすとき、周波数復調部61は、図8に示すように、位相比較器151、ローパスフィルタ152、VCO(voltage controlled oscillator;電圧制御発振器)153、分周器154を備えている。
すなわち、検体71の呼吸成分が変調された脈動性信号について、復調処理を施すことにより、呼吸成分を脈動性信号から抽出できるのである。
図4、図5に示すフローチャートに従って、検体情報処理装置1の動作を説明する。
図2に示す機能構成を有する検体情報処理装置1では、図4に示すように、まず、脈動性信号検出ユニット11のセンサ31によって脈動性信号を検出する(ステップS11)。
本検体情報処理装置1によれば、検体情報処理装置1の開口部22が血管73の上に位置して装着されることで、センサ31の圧力情報の取込部32が血管73の直上になくとも、血管73の脈動性信号の検出と呼吸信号の抽出を行うことができる。すなわちセンサ31と血管73の位置関係の正確さを要求しない仕組みを持ち、血管73の脈動性信号の検出と呼吸信号の抽出を行う検体情報処理装置1を提供することができる。
本検体情報処理装置1のセンサ31に用いられるセンサに関して、まずはマイクロホンのクローズドキャビティと周波数応答との関係についてについて説明し、次に、ECM及びMEMS−ECM、並びにこれらを用いた脈動性信号の検出、周波数特性、及び周波数補正処理について説明する。
本検体情報処理装置1は、血管73の脈動性信号の振動をセンサ31によって開放状態(開放系)で測定を行うのではなく、センサ31と振動源との関係において、センサ31の空気室34と連通する空洞23が閉鎖された空間構造(クロ−ズドキャビティ)を形成するようにして測定した場合、すなわちセンサ31と振動源とをクローズの状態にして測定する。
このことを説明するために、センサ(マイクロホン)の開放状態とクローズの状態での周波数応答の相違について説明する。
上述したような閉じた空間(空洞)の圧力変化として、微少振動を検出するときに最も身近なものはマイクロホンである。その中でも、ECM(electret condenser microphone、エレクトレットコンデンサーマイクロホン)は、この用途には特に適したものである。ECMは携帯電話等への応用が進み、小型化、安定化は言うまでも無く、大量生産による入手しやすさが魅力である。
ECMはエレクトレット膜をコンデンサーマイクロホンの振動膜あるいは固定電極に融着させ、高感度・低電圧駆動を実現させた小型マイクロホンである。
C∝S/d (1)
(上記式(1)において、∝は比例を意味する。)
Q=C×V (2)
上記式(2)の関係が成り立つので、これらの式から、ECM201から検出される電圧(V)は、下記式(3)で表わされる。
V∝Q×d/S (3)
ここではダイヤフラムとしてエレクレット膜を用いている構成を説明したが、ダイヤフラムに外部から直流電圧をかける方式のECMも本発明に用いることができる。
近年、ECMは小型化の要求からダイヤフラムに半導体プロセスによるシリコン性のダイヤフラムを用いることが多くなっている。このようなECMをMEMS(microelectromechanical system)−ECMという。
これらのECMあるいはMEMS−ECM(シリコンマイクということもある)を用いて、心臓に起因する血管73の振動(脈動性信号)を捕らえようとするとき、これらのマイクを図10のような周波数特性で、空洞が形成する閉じた空間(クローズドキャビティ)の圧力変化として検出することが望ましい。そのためには、例えばこれらを直接人体の皮膚に押し付けてしまえばよい。この場合、空気穴とダイヤフラムの間で空間が閉じられるために図10のような周波数特性で信号が検出できるとも考えられる。
現在の普通のECMやMEMS−ECM等に共通の特性として、風除けの対策が施されていることが挙げられる。携帯電話等のマイクでは、風が強いときの風音、あるいは、使用者が咳き込んだとき(吹かれ)などの急な圧力変化に反応しないように、ダイヤフラムに小さな穴(数十μm)の穴が開けられている。これにより、周波数特性的には低周波分の減衰を招くことになる。遅い空気の流れはこの小さなダイヤフラムの穴を抜けることを考えれば理解しやすい。
そこで、MEMS−ECMを用いた周波数特性の検証について説明する。
駆動している低周波信号発生器の信号(入力1)と、入力2との振幅と位相特性について、0.125〜100Hzの範囲において掃引した各周波数において(入力2/入力1)の値を128回加算し、これを平均化することで、各周波数におけるMEMS−ECMの低周波特性の測定と検証を行った。
上述の周波数特性の測定法により、横軸に周波数(Hz)、縦軸に振幅(dB)をとることで、低周波の周波数特性の検証結果は図16のように表わされる。
また、よく血管の状況を判断するのに用いられる加速度脈波はこの速度脈波をさらに時間微分したものである。
<周波数補正処理>
次に、脈動性信号出力についての周波数補正処理について説明する。
周波数補正処理とは、検体情報処理装置1のセンサ31からの脈動性信号出力について、すくなくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出す補正処理をいう。
MEMS−ECMの出力から脈波、そして加速度脈波を得るには図17に示すような周波数応答をする電気回路を通過させる周波数補正処理を適用すればよい。
図19に示すこれらの加速度脈波、速度脈波、容積脈波は、周波数が高くなるにつれて40dB/dec、20dB/dec、0dB/decでゲインが上昇している。脈波の周波数付近ではそれぞれ、加速度脈波、速度脈波、そして脈波を発生する周波数特性となっている。
図18において、符号Aで示す部分は増幅動作回路部分であり、符号Bで示す部分は積分動作回路部分であり、符号Cで示す部分は微分動作回路部分である。
手首橈骨に、開口部22の口径を拡げて空洞23がクロ−ズドキャビティを形成するようにMEMS−ECMを当てて観測した脈波の波形が図20である。測定により得られた速度脈波(測定データ)の波形は図20(b)のように表わされる。この速度脈波を上述した積分回路での補償により得られる容積脈波は、図20(a)のように表わされる。速度脈波を上述した微分回路での補償により得られる加速度脈波は、図20(c)のように表わされる。
<血管位置の検出>
脈動性信号検出ユニット11を検体71に対向させて設置して、検体情報処理装置1の検体71上の位置を変えながら皮膚72の表面で脈動性信号の検出を行なう。このとき、波形表示器82により表示される脈動性信号の波形を確認することで、脈動性信号検出ユニット11の位置の変化に伴う脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの出力レベルを検出することができる。さらに、脈動性信号検出ユニット11のセンサ31からの心拍(脈動性信号)が強く検出された位置(出力レベルとしての脈波波形の振幅が大きく検出された位置)をプロットすることを繰り返すことで、血管73の位置を追跡することができる。図6は、左手の手のひらに検体情報処理装置1の脈動性信号検出ユニット11を当てて、脈波の速度成分が少しでも検出できる位置を探し、その近辺で脈動性信号検出ユニット11を少しずつずらしていき、速度脈波の振幅(脈動性信号の出力レベル)が一番大きくなるところをプロットしたものである。
上述したように、本検体情報処理装置1を用いることで、検体情報処理装置1の指向性を利用して、脈動性信号検出ユニット11の移動に伴って変化する、センサ31の出力レベルを検出し、その出力レベルの変化に基づいて検体71の皮膚72の表面において動脈血管の位置を追跡することができる。
次に、本検体情報処理装置1の、この特性を利用して、本検体情報処理装置1による脈動性信号の検出の際に血管位置を通知し、適正な検出位置で本装置の装着と測定を行うことを可能にする装置について説明する
レベル検出部は、脈動性信号検出ユニット11の移動に伴って変化するセンサ31からの出力レベルを検出するものである。
レベル表示部は、レベル検出部での検出結果に基づいて出力レベル変化情報を表示するものである。レベル表示部は本検体情報処理装置1における視認しやすい箇所、例えば本装置1を検体71に装着したときに、本装置の上面となる部位に設けることが好ましい。
LED449、451は、本装置における視認しやすい箇所に設けられているので、動脈血管73の位置に近い、適正な検出位置に対応する部位に本装置が装着されたことを容易に知ることができる。
[4.MEMS−ECMを用いた検体情報処理装置]
次に、本発明の第一実施形態である、センサとしてMEMS−ECMを用いた検体情報処理装置について説明する。
本実施形態は、一部の構成を除いて上述の検体情報処理装置1と同様に構成されており、上述の検体情報処理装置1と同様のものについては説明を省略し、同符号を用いて説明する
MEMS−ECMを用いた検体情報処理装置は、図1に示すように、脈動性信号検出ユニット11と信号処理部41とをそなえて構成されており、MEMS−ECMを用いた検体情報処理装置1では、図1に示す脈動性信号検出ユニット11のセンサ31として、MEMS−ECMを用いる。
MEMS−ECMを用いた検体情報処理装置を機能的に表わすとき、図2、図3に示すように、MEMS−ECMを用いた検体情報処理装置1は、脈動性信号検出ユニット11及び信号処理部41とを備え、信号処理部41は、信号補正部51及び周波数復調部61を有している。
周波数復調部61では、図8に示すように、PLLを利用する周波数復調処理により脈動性信号から呼吸信号を抽出する。
MEMS−ECMを用いた検体情報処理装置は、図4、図5に示すフローチャートのようにして、脈動性信号から呼吸信号を抽出する。
図27、図28から明らかなように、本発明のクロ−ズドキャビティの形成とMEMS−ECMを組み合わせた検体情報処理装置1とを用いることで、従来よりも低周波領域における脈動性信号のS/N比が大きく改善される。このため、従来の検出装置では見られなかった、脈波の呼吸による周波数変調を確認することができる。
[5.ECMを用いた検体情報処理装置]
本発明の第二実施形態である、ECMを用いた検体情報処理装置について説明する。
図30は、センサとしてECMを用いた脈動性信号検出ユニットの構成例を模式的に表わす図である。
ここで、脈動性信号検出ユニット11のセンサ31として、ECMを用いる。
なお、図30の符号516、517は電極を表わし、符合518はECM511の筐体を表わす。
ECMを用いた検体情報処理装置を機能的に表わすとき、図2、図3に示すように、ECMを用いた検体情報処理装置1は、脈動性信号検出ユニット11及び信号処理部41とを備え、信号処理部41は、信号補正部51及び周波数復調部61を有している。
周波数復調部61では、図8に示すように、PLLを利用する周波数復調処理により脈動性信号から呼吸信号を抽出する。
ECMを用いた検体情報処理装置は、図4、図5に示すフローチャートのようにして、脈動性信号から呼吸信号を抽出する。
クロ−ズドキャビティの形成とECMを組み合わせた検体情報処理装置1を用いることで、従来よりも低周波領域における脈動性信号のS/N比が大きく改善され、従来の検出装置では見られなかった、脈波の呼吸による周波数変調を確認することができる。
上記の説明においては、脈動性信号の処理を検体情報処理装置が備えるアナログ回路による処理について説明したが、検体情報処理装置がデジタル回路、例えばデジタルシグナルプロセッサ(以下、「DSP」ともいう)を含む回路を備え、このデジタル回路により信号をデジタル処理する構成としても良い。
11 脈動性信号検出ユニット
21 センサ取付部
22 開口部
23 空洞(Cavity)
24 O−リング
31 センサ
32 圧力情報の取込部
33 センサ素子
34 空気室
35 筐体
41 信号処理部
51 信号補正部
61 周波数復調部
71 検体
72 皮膚
73 血管
81 コンピュータ
201、511 ECM
202、312、362、512 空気穴(音孔)
203、313、363、513 ダイヤフラム
204、314、364、514 バックプレート
311、361 MEM−ECM
331、381、531 開口部
332、382、532 空洞(Cavity)
333、383、533 O−リング
341、391、541 検体
Claims (8)
- 検体における血管の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて上記の検体における血管の脈動性信号を検出するセンサと、該センサの該圧力情報の取込部に連通する空洞を有するとともに該検体に対向する部位に3mmから10mmの口径を有する開口部を有し該開口部を該検体に対向させて該検体に装着された状態で該空洞が閉鎖された空間構造を有するセンサ取付部とを有する脈動性信号検出ユニットと、
該脈動性信号検出ユニットの該センサからの脈動性信号出力について、周波数復調処理を施すことにより、該脈動性信号出力に含まれる呼吸信号を抽出する周波数復調部とをそなえて構成されたことを特徴とする、検体情報処理装置。 - 該周波数復調処理が、位相同期回路を利用する周波数復調処理である
ことを特徴とする請求項1記載の検体情報処理装置。 - 該検体情報処理装置の該センサからの脈動性信号出力について、周波数補正処理を施すことにより、少なくとも脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出す信号補正部をそなえて構成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の検体情報処理装置。
- 該信号補正部が、該脈動性信号の有する周波数で少なくとも増幅動作、積分動作および微分動作のうちの1つの動作を行なうことにより、少なくとも上記の脈動性容積信号、脈動性速度信号および脈動性加速度信号のうちの1つの信号を取り出すように構成されたことを特徴とする、請求項3記載の検体情報処理装置。
- 該センサが、上記の検体における動脈血管の脈動性信号に起因する音圧情報を検出するコンデンサマイクとして構成されたことを特徴とする、請求項1ないし請求項4に記載の検体情報処理装置。
- 該コンデンサマイクが、MEMS−ECMで構成されたことを特徴とする、請求項5記載の検体情報処理装置。
- 該開口部の口径が動脈血管の直径の5倍以下であることを特徴とする、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の検体情報処理装置。
- 該脈動性信号検出ユニットの移動に伴って変化する該センサからの出力レベルを検出するレベル検出部と、
該レベル検出部での検出結果に基づいて出力レベル変化情報を表示するレベル表示部とをそなえ、
該レベル表示部が該脈動性信号検出ユニットに設けられていることを特徴とする、請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の検体情報処理装置。
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