以下、本実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、機能が同じ構成要素及び処理には全図面を通して同じ符号を付与し、重複する説明を省略する。
<第1実施形態>
生体情報測定装置10は生体8に関する情報(生体情報)のうち、特に循環器系に関する生体情報を測定する装置である。循環器系とは、例えば血液のような体液を体内で循環させながら輸送するための器官群を総称するものである。
循環器系に関する生体情報には複数の指標が存在するが、血液を血管に送り出す心臓の状態を示す指標の1つとして、例えば心臓から拍出される血液量を表す心拍出量(CO:Cardiac Output)が挙げられる。
心拍出量は様々な心臓疾患の検査、又は投薬効果の確認に利用されている。
心拍出量の測定方法には、例えば肺動脈カテーテルを心拍出量の測定対象者である被測定者に挿入し、0℃近くに冷却された生理溶液を血管内に注入したり、心臓内に留置したサーマルフィラメントで血液を温めたりして、血液の温度を変化させてカテーテル先端部のサーミスタで血液の温度変化と時間の関係を読み取る方法が用いられる。
しかしながら、カテーテルを用いた心拍出量の測定方法では、被測定者の血管にカテーテルを挿入する必要があるため外科的処置が必要となり、他の測定方法に比べて被測定者における侵襲性が高くなる。
したがって、カテーテルを用いた心拍出量の測定方法よりも被測定者の負担が少なくなるように、被測定者の脈波から得られる酸素飽和度を用いて心拍出量を測定する方法が研究されている。脈波とは、心臓による血液の送り出しに伴う血管の拍動変化を示す指標である。
まず、図1を参照して、生体情報のうち、血中の酸素飽和度の測定方法について説明する。ここで血中の酸素飽和度とは、血中の酸素濃度を示す指標の一例であり、血液中のヘモグロビンがどの程度酸素と結合しているかを示す指標であり、血中の酸素飽和度が低下するにつれて、例えば貧血等の症状が発生しやすくなることを示すものである。
図1に示すように、血中の酸素飽和度は、被測定者の体(生体8)に向けて発光素子1から光を照射し、受光素子3で受光した、被測定者の体内に張り巡らされている動脈4、静脈5、及び毛細血管6等で反射又は透過した光の強さ、すなわち反射光又は透過光の受光量を用いて測定される。
図2は、例えば生体8に吸収される光量の変化量を示す概念図である。図2に示すように、生体8における吸光量は、時間の経過と共に変動する傾向が見られる。
更に、生体8における吸光量の変動に関する内訳について見てみると、主に動脈4によって吸光量が変動し、静脈5及び静止組織を含むその他の組織では、動脈4に比べて吸光量が変動しないとみなせる程度の変動量であることが知られている。これは、心臓から拍出された動脈血は脈波を伴って血管内を移動するため、動脈4が動脈4の断面方向に沿って経時的に伸縮し、動脈4の厚みが変化するためである。なお、図2において、矢印94で示される範囲が、動脈4の厚みの変化に対応した吸光量の変動量を示す。
図2において、時刻taにおける受光量をIa、時刻tbにおける受光量をIbとすれば、動脈4の厚みの変化による光の吸光量の変化量ΔAは、(1)式で表される。
(数1)
ΔA=ln(Ib/Ia)・・・(1)
これに対して、図3は、動脈4を流れる酸素と結合したヘモグロビン(酸化ヘモグロビン)及び酸素と結合していないヘモグロビン(還元ヘモグロビン)の各波長に対する光の吸光量の一例を示す図である。図3において、グラフ96が酸化ヘモグロビンにおける光の吸光量を表し、グラフ97が還元ヘモグロビンにおける光の吸光量を表す。
図3に示すように、酸化ヘモグロビンは還元ヘモグロビンと比較して、約850nm近辺の波長を有する赤外線(infrared:IR)領域99の光を吸収しやすく、還元ヘモグロビンは酸化ヘモグロビンと比較して、特に約660nm近辺の波長を有する赤色領域98の光を吸収しやすいことが知られている。
更に、酸素飽和度は、異なる波長における吸光量の変化量ΔAの比率と比例関係があることが知られている。
したがって、他の波長の組み合わせに比べて、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとで吸光量の差が現われやすい赤外光(IR光)と赤色光を用いて、IR光を生体8に照射した場合の吸光量の変化量ΔAIRと、赤色光を生体8に照射した場合の吸光量の変化量ΔARedとの比率をそれぞれ算出することで、(2)式によって酸素飽和度Sが算出される。なお、(2)においてkは比例定数である。
(数2)
S=k(ΔARed/ΔAIR)・・・(2)
すなわち、血中の酸素飽和度を算出する場合、それぞれ異なる波長の光を照射する複数の発光素子1からの光を生体8に照射する。具体的には、IR光を照射する発光素子1と赤色光を照射する発光素子1からの光を生体8に照射する。この場合、IR光を照射する発光素子1と赤色光を照射する発光素子1との発光期間は重複してもよいが、望ましくは発光期間が重複しないよう発光させる。そして、各々の発光素子1による反射光又は透過光を受光素子3で受光して、各受光時点における受光量から(1)式及び(2)式、又は、これらの式を変形して得られる公知の式を算出することで、酸素飽和度が測定される。
上記(1)式を変形して得られる公知の式として、例えば(1)式を展開して、光の吸光量の変化量ΔAを(3)式のように表してもよい。
(数3)
ΔA=lnIb-lnIa・・・(3)
また、(1)式は(4)式のように変形することができる。
(数4)
ΔA=ln(Ib/Ia)=ln(1+(Ib-Ia)/Ia) ・・・(4)
通常、(Ib-Ia)≪Iaであることから、ln(Ib/Ia)≒(Ib-Ia)/Iaが成り立つため、(1)式の代わりに、光の吸光量の変化量ΔAとして(5)式を用いてもよい。
(数5)
ΔA≒(Ib-Ia)/Ia ・・・(5)
以降では、IR光を照射する発光素子1と赤色光を照射する発光素子1とを区別して説明する必要がある場合、IR光を照射する発光素子1を「発光素子1A」といい、赤色光を照射する発光素子1を「発光素子1B」ということにする。
こうした方法によれば、発光素子1及び受光素子3を被測定者の体表に近づけることで血中の酸素飽和度が測定されるため、血管にカテーテルを挿入して血中の酸素飽和度を測定するよりも被測定者の負担が少なくなる。
そして、測定された被測定者の酸素飽和度を用いて、生体情報測定装置10は後述する方法により心拍出量を算出する。
図4は、生体情報測定装置10の構成例を示す図である。図4に示すように、生体情報測定装置10は光電センサ11、脈波処理部12、呼吸波形抽出部13、酸素飽和度測定部14、酸素循環時間測定部17、及び心拍出量測定部18を含む。
生体情報測定装置10は、呼吸を直接検出することなく被測定者の呼吸状態が変化したことを検出する。ここで、「呼吸状態が変化」とは、通常の呼吸状態における吸気や呼気の周期的な変化を意味するものではなく、通常の呼吸状態から呼吸を停止した場合や呼吸を停止した状態から呼吸を再開した場合等、単位時間当たりの酸素摂取量が明確に変化するような呼吸状態の変化を意味する。換言すれば、通常の呼吸状態における吸気ごとの酸素摂取量のバラつきを超えるような呼吸状態の変化を意味する。
光電センサ11は、約850nmの波長を中心波長とするIR光を照射する発光素子1A、約660nmの波長を中心波長とする赤色光を照射する発光素子1B、及びIR光及び赤色光を受光する受光素子3を備える。
図5に光電センサ11における発光素子1A、発光素子1B、及び受光素子3の配置例を示す。図5に示すように、発光素子1A、発光素子1B、及び受光素子3は、生体8の一方の面に向かって並べて配置される。この場合、受光素子3は、生体8の毛細血管6等で反射されたIR光及び赤色光を受光する。
しかしながら、発光素子1A、発光素子1B、及び受光素子3の配置は、図5の配置例に限定されない。例えば、図6に示すように、発光素子1A及び発光素子1Bと、受光素子3とをそれぞれ生体8を挟んで対向する位置に配置するようにしてもよい。この場合、受光素子3は、生体8を透過したIR光及び赤色光を受光する。
ここでは一例として、発光素子1A及び発光素子1Bは、例えばVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)のような面発光レーザ素子として説明するが、これに限らず、端面発光レーザ素子であってもよい。また、発光素子1A及び発光素子1BはLED(Light Emitting Diode)であってもよい。また、発光素子1A及び発光素子1Bはレーザ素子とLEDの組み合わせであってもよい。
光電センサ11には、被測定者の体の部位に光電センサ11を取り付けるための図示しないクリップが備えられており、測定環境にある照明光などの周囲の光が光電センサ11に入らないように、光電センサ11は図示しないクリップによって被測定者の体表に接触するように取り付けられる。被測定者の生体8で反射又は透過したIR光及び赤色光を受光素子3でできるだけ正確に受光するためには、光電センサ11を被測定者の体表に接触するように配置することが好ましいが、被測定者の生体8で反射したIR光及び赤色光、又は被測定者の生体8を透過したIR光及び赤色光が受光素子3で受光される範囲内で、光電センサ11を体表から離した位置に取り付けてもよい。
光電センサ11は、受光素子3で受光したIR光及び赤色光のそれぞれの受光量を例えば電圧値に変換して脈波処理部12に出力する。
発光素子1A及び発光素子1Bからは予め定めた光量が照射されているため、光電センサ11で受光したIR光及び赤色光のそれぞれの受光量から、生体8におけるIR光及び赤色光の吸光量が得られる。
したがって、脈波処理部12は、光電センサ11から受け付けたIR光及び赤色光のそれぞれの受光量を用いて、IR光から得られた被測定者の脈波を表す脈波信号と、赤色光から得られた被測定者の脈波を表す脈波信号をそれぞれ生成する。脈波処理部12は、受け付けたIR光及び赤色光のそれぞれの受光量に対応する電圧値が、脈波信号の生成に適した予め定めた範囲に含まれるように電圧値を増幅する。そして、脈波処理部12は、公知のフィルタ等を用いてノイズ成分を除去したそれぞれの脈波信号を生成する。
脈波処理部12は、生成したそれぞれの脈波信号を、呼吸波形抽出部13及び酸素飽和度測定部14に出力する。
呼吸波形抽出部13は、脈波処理部12から出力された脈波信号から被測定者の呼吸状態を表す呼吸波形を抽出する。
図7に示すように、呼吸波形抽出部13は、生成部50、特定部52、及び検出部54を備える。なお、生成部50は、平滑化部及び周波数フィルタの一例である。
生成部50は、脈波処理部12から出力された脈波信号を取得する。図8には脈波信号の一例として脈波信号S1を示した。図8に示すように、脈波信号S1は、周期的に変曲点が現れる生体信号である。ここで、変曲点とは、脈波信号の値が上昇から下降に転じる点、すなわちピーク側の点、及び、脈波信号の値が下降から上昇に転じる点、すなわちボトム側の点の少なくとも一方をいう。
ところで、脈波信号S1には、体動などの生体のノイズや心臓疾患等の影響により、検出対象である脈の変曲点とは関係のない変曲点が現れる場合がある。
そこで、生成部50は、脈波信号S1から、検出対象である変曲点以外の変曲点の情報を少なくとも一部除去した中間信号を生成する。すなわち、生成部50は、検出対象である脈動の変曲点とは関係のない変曲点の少なくとも一部を除去した中間信号を生成する。
具体的には、生成部50は、脈波信号S1を平滑化することにより中間信号を生成する。より具体的には、生成部50は、周波数フィルタ、例えばバンドパスフィルタを用いて脈波信号S1を平滑化処理することにより中間信号を生成する。すなわち、脈波信号S1から、脈動に対応した周波数成分以外の少なくとも一部の周波成分を除去することにより中間信号を生成する。具体的には、例えば脈波信号S1をフーリエ変換し、脈動に対応する最大周波数を含む予め定めた範囲の周波数以外の周波数成分が除去されるように遮断周波数を設定することで中間信号を生成する。換言すれば、脈波信号S1の脈動に対応した変曲点の間隔、すなわち脈拍数に基づいて遮断周波数を設定するといえる。図9には、脈波信号S1から生成した中間信号S2の一例を示した。
特定部52は、検出対象の変曲点、すなわち脈波信号S1の変曲点に対応する中間信号の変曲点の位置を特定する。脈波信号S1を平滑化処理して中間信号S2を生成すると、図9に示すように、脈波信号S1の変曲点P1の後に、変曲点P1に対応する中間信号S2の変曲点P2が出現する。このため、特定部52は、脈波信号S1の変曲点P1の次に出現する中間信号の変曲点の位置を、脈波信号S1の変曲点P1に対応する中間信号S2の変曲点P2の位置として特定する。なお、図9の例では、ピーク側の脈波信号S1の変曲点P1を特定する場合を示しているが、ボトム側の脈波信号S1の変曲点についても同様に特定する。
検出部54は、中間信号S2の変曲点P2の位置に基づいて、脈波信号S1の変曲点のうち検出対象である脈動に対応する変曲点の位置を検出する。なお、変曲点の位置とは、時間的な位置、すなわち図9の横軸方向の位置である。
具体的には、検出部54は、中間信号S2の変曲点の位置を含む検出範囲内に存在する脈波信号S1の変曲点のうち、絶対値が最も大きいピークを有する変曲点を、検出対象である脈動に対応する変曲点として検出する。例えば図9に示すように、中間信号S2の変曲点P2を中心Cとする予め定めた範囲を検出範囲H1として設定している。なお、検出範囲の長さは、例えば脈波信号S1の1周期t1より短い期間とすることが好ましい。例えば、検出範囲は脈波信号のS1の1周期の半分の期間t1/2に設定してもよいが、これに限られるものではない。検出範囲が広いと、脈波信号S1に突発的なノイズ等が乗っている場合、それを変曲点として検出してしまう虞があるが、検出対象の変曲点が含まれると考えられる範囲でできるだけ狭い検出範囲を設定することにより、突発的なノイズ等が乗っていても検出範囲から除外されやすくなる。このため、変曲点の誤検知が低減される。
また、脈波信号S1を周波数フィルタにより平滑化した場合、脈波信号S1の変曲点に対応する中間信号S2の変曲点は、脈波信号S1の変曲点に遅れて出現する。
そこで、中間信号S2の変曲点P2を中心とする範囲を検出範囲H1として設定するのではなく、図9に示すように、中間信号の変曲点P2の位置から予め定めた時間t2だけ遡った位置C2を例えば中心として含む範囲を検出範囲H2として設定してもよい。この場合、図9に示すように、中間信号S2の変曲点P2を中心とする検出範囲H1よりも短い範囲を検出範囲H2として設定してもよい。なお、時間t2は、検出範囲H2が変曲点P1を含むような時間に設定され、実験等により予め設定されてもよいし、過去に検出した変曲点P1の位置と変曲点P2の位置に基づいて設定してもよい。
また、検出部54は、過去に検出された脈波信号S1の変曲点の間隔又は過去に特定した中間信号S2の変曲点の間隔に基づいて検出範囲を設定するようにしてもよい。例えば変曲点の間隔が長くなるに従って検出範囲を長くし、変曲点の間隔が短くなるに従って検出範囲を短くするようにしてもよい。なお、検出範囲の設定は、変曲点を検出する毎に毎回実行してもよいし、変曲点の間隔が予め定めた閾値以上変化した場合に実行するようにしてもよい。
なお、例えば過去に検出された脈波信号S1のピーク側又はボトム側の変曲点の間隔に基づいて検出範囲を設定してもよいし、過去に検出された脈波信号S1のピーク側又はボトム側の変曲点と、次に出現するボトム側又はピーク側の変曲点との間隔と、に基づいて検出範囲を設定してもよい。また、過去に特定した中間信号S2のピーク側又はボトム側の変曲点の間隔に基づいて検出範囲を設定するようにしてもよいし、過去に特定した中間信号S2のピーク側又はボトム側の変曲点と、次に出現するボトム側又はピーク側の変曲点と、の間隔に基づいて検出範囲を設定するようにしてもよい。
ここで、過去に検出された脈波信号S1の変曲点の間隔又は過去に特定した中間信号S2の変曲点の間隔とは、直前に検出された脈波信号S1の変曲点の間隔又は直前に特定した中間信号S2の変曲点の間隔でもよいし、過去に複数回検出された脈波信号S1の変曲点の間隔の平均値又は過去に複数回特定した中間信号S2の変曲点の間隔の平均値でもよい。
また、検出部54は、過去に検出された脈波信号S1の変曲点の位置と中間信号S2の変曲点の位置との差分に基づいて検出範囲を設定してもよい。例えば差分が長くなるに従って検出範囲を長くし、差分が短くなるに従って検出範囲を短くするようにしてもよい。なお、過去に検出された脈波信号S1のピーク側の変曲点の位置と、次に出現する中間信号S2のピーク側の変曲点の位置との差分に基づいて検出範囲を設定してもよいし、過去に検出された脈波信号S1のボトム側の変曲点の位置と、次に出現する中間信号S2のボトム側の変曲点の位置との差分に基づいて検出範囲を設定してもよい。
図10には、検出部54により検出されたピーク側の第1の変曲点同士を繋げた第1の包絡線S3-1、及び、ボトム側の第2の変曲点同士を繋げた第2の包絡線S3-2を示した。第1の包絡線又は第2の包絡線は、呼吸波形として呼吸停止時期特定部40及び呼吸再開時期特定部41に出力される。
なお、呼吸波形抽出部13では、IR光から得られた脈波信号を用いて呼吸波形を抽出する。これは、図3に示したように、IR光は赤色光に比べて酸化ヘモグロビンに吸収されやすいため、動脈4内の血液量の変化に対する脈波信号の振幅が赤色光から得られた脈波信号の振幅より大きくなる傾向が見られる。したがって、IR光から得られた脈波信号から抽出した呼吸波形は、赤色光から得られた脈波信号から抽出した呼吸波形よりも波形の変動が明確になり、精度の高い呼吸波形が得られるためである。
酸素飽和度測定部14は、脈波処理部12から出力された脈波信号から被測定者の酸素飽和度を測定する。具体的には、酸素飽和度測定部14は脈波信号を用いて、動脈4内の血液量の変化によるIR光の吸光量の変化量ΔAIRと、赤色光の吸光量の変化量ΔARedとをそれぞれ(1)式に従って算出する。そして、酸素飽和度測定部14は、算出した変化量ΔAIRと変化量ΔARedを用いて、例えば(2)式から被測定者の酸素飽和度を測定し、測定した酸素飽和度を酸素循環時間測定部17に出力する。
以降では一例として、酸素飽和度測定部14が被測定者の酸素飽和度を測定する例について説明するが、酸素飽和度測定部14は、被測定者の酸素飽和度の時間変化を示す値であればどのような値を測定してもよい。例えば、酸素飽和度測定部14は、酸素飽和度の逆数、又は変化量ΔARedと変化量ΔAIRの比率といった、酸素飽和度の時間変化と相関関係を有する値を測定してもよい。
図11のグラフは、被測定者の特定の部位における血中の酸素飽和度の変化例を示しており、横軸は時間を表し、縦軸は酸素飽和度の逆数を表している。
被測定者が時刻t0で呼吸を停止すると、被測定者における血中の酸素飽和度が減少し始める。被測定者が呼吸を停止する期間として予め定めた規定時間の経過後(時刻t1)に被測定者が呼吸を再開しても、呼吸の再開により血中に取り込まれた酸素が肺から特定の部位まで到達するのには時間がかかるため、時刻t1の後も被測定者における血中の酸素飽和度は減少する。そのうち、呼吸の再開により血中に取り込まれた酸素が肺から特定の部位まで到達するため、被測定者における血中の酸素飽和度は増加に転じる。血中の酸素飽和度が減少から増加に転じる箇所を「酸素飽和度変曲点」といい、酸素飽和度変曲点が現れた時刻を時刻t2とすれば、酸素循環時間は時刻t1と時刻t2の差分によって表される。
すなわち、酸素循環時間とは、肺から特定の部位まで酸素が運搬されるのに要する時間を表し、「酸素運搬時間」とも呼ばれる。
酸素飽和度から測定される酸素循環時間は、呼吸の停止期間のばらつきによって測定精度もばらつく傾向があるため、呼吸の停止期間を規定した規定時間が設けられている。
規定時間は、生体情報測定装置10における酸素循環時間の測定精度が高くなるように、生体情報測定装置10の実機による実験や生体情報測定装置10の設計仕様に基づくコンピュータシミュレーション等により予め求められている値である。
酸素循環時間測定部17は、図4に示すように、検出部30、酸素飽和度回復時期特定部31、及び酸素循環時間算出部32を含む。検出部30は、呼吸停止時期特定部40及び呼吸再開時期特定部41を含む。
呼吸停止時期特定部40は、呼吸波形抽出部13から出力された呼吸波形に基づき、呼吸が停止した呼吸停止時期を特定する。具体的には、呼吸波形の第1の変曲点と第2の変曲点との差分に相当する値の変動幅が第1の変動幅から第1の変動幅よりも小さい第2の変動幅に変化したことを検出した場合に、検出した時期を呼吸停止時期として特定する。この場合、第1の変動幅とは、呼吸している状態における第1の変曲点と第2の変曲点との差分の変動幅であり、第2の変動幅とは、呼吸を停止している状態における第1の変曲点と第2の変曲点との差分の変動幅である。
例えば図12に示すような脈波信号から求めた呼吸波形S7-1について呼吸停止時期を特定する場合について説明する。なお、図12には、参考までに、鼻息の温度から求めた呼吸波形S7-2を示した。図12に示すように、時間順(t1、t2、t3、・・・)に第1の変曲点Pt1、第2の変曲点Bt2、第1の変曲点Pt3、第2の変曲点Bt4・・・とした場合に、振幅Anを次式により算出する。
(数6)
An=Ptn-Btn+1 ・・・(6)
上記(6)式においてnは奇数である。そして、振幅Anと一つ前の振幅An-1とを比較し、振幅Anが振幅An-1よりも予め定めた閾値以上小さくなっていた場合、すなわち、呼吸している状態から呼吸が停止した状態に変化した場合のように振幅が大きく減少した場合は、第1の変曲点Ptnの位置(時間)を呼吸停止時期として特定する。図12の例の場合、振幅A7は振幅A5と比較すると予め定めた閾値以上小さくなっているため、t7の時点が呼吸停止時期として特定される。
なお、呼吸している期間が長い場合は、振幅Anの一つ前の振幅An-1との比較ではなく、振幅Anより前の複数の振幅An-1、An-2、・・・の平均値と比較してもよい。
呼吸再開時期特定部41は、呼吸波形抽出部13から出力された呼吸波形に基づき、呼吸を停止してから呼吸を再開した呼吸再開時期を特定する。具体的には、呼吸波形の第1の変曲点と第2の変曲点との差分に相当する値の変動幅が第1の変動幅から第1の変動幅よりも大きい第2の変動幅に変化したことを検出した場合に、検出した時期を呼吸再開時期として特定する。この場合、第1の変動幅とは、呼吸を停止している状態における第1の変曲点と第2の変曲点との差分の変動幅であり、第2の変動幅とは、呼吸している状態における第1の変曲点と第2の変曲点との差分の変動幅である。
例えば図13に示すような呼吸波形S8-1について呼吸再開時期を特定する場合について説明する。なお、図13には、参考までに、鼻息の温度から求めた呼吸波形S8-2を示した。図13に示すように、呼吸停止時期の特定の場合と同様に、時間順に第1の変曲点Pt1、第2の変曲点Bt2、第1の変曲点Pt3、第2の変曲点Bt4・・・とした場合に、振幅Anを上記(6)式により算出する。
そして、振幅Anと一つ前の振幅An-1とを比較し、振幅Anが振幅An-1よりも予め定めた閾値以上大きくなった場合、すなわち、呼吸が停止している状態から呼吸が再開した状態に変化した場合のように振幅が大きく増加した場合は、第1の変曲点Ptnの位置(時間)を呼吸再開時期として特定する。なお、呼吸停止期間が長い場合は、振幅Anの一つ前の振幅An-1との比較ではなく、振幅Anより前の複数の振幅An-1、An-2、・・・の平均値と比較してもよい。
なお、変動幅が第1の変動幅から第2の変動幅に変化した回数を検出するようにしてもよい。これにより、呼吸状態が変化した回数がカウントされる。
酸素飽和度回復時期特定部31は、酸素飽和度測定部14が測定した酸素飽和度に基づいて、酸素飽和度が回復に向かう酸素飽和度回復時期を特定する。すなわち、前述したように、酸素飽和度が減少から増加に転じる酸素飽和度変曲点を酸素飽和度回復時期として特定する。
酸素循環時間算出部32は、呼吸再開時期特定部41が特定した呼吸再開時期と酸素飽和度回復時期特定部31が特定した酸素飽和度回復時期とに基づいて、被測定者の体内に取り込まれた酸素が被測定者の測定部位に到達するまでの時間を表す酸素循環時間を算出する。
具体的には、呼吸再開時期特定部41により特定された呼吸再開時期をt1、酸素飽和度回復時期特定部31により特定された酸素飽和度回復時期をt2とし、t1とt2の差分で表される時間を酸素循環時間として測定する。
そして、酸素循環時間測定部17は、測定した酸素循環時間を心拍出量測定部18に出力する。
なお、酸素循環時間の測定部位は、被測定者における光電センサ11の取り付け位置によって決定されるが、本実施の形態では光電センサ11を被測定者の指先に装着し、肺から指先まで酸素が運搬される場合の酸素循環時間を測定する。これは、他の部位に比べて肺からの距離が長くとれることにより酸素循環時間が長くなることから、他の部位に光電センサ11を取り付けた場合と比較して、精度の高い酸素循環時間が得られるためである。
したがって、肺から指先までの酸素循環時間を、特にLFCT(Lung to Finger Circulation Time)ということがある。本実施の形態においても、光電センサ11を被測定者の指先に取り付け、酸素循環時間測定部17でLFCTを測定する例について説明するが、光電センサ11の取り付け部位は指先に限られない。得られる酸素循環時間の測定誤差が予め定めた範囲内に含まれるような部位であればよい。そのような部位としては、例えば、被測定者の首、肩、または股関節よりも抹消側の部位(抹消部位)があげられる。具体的には、耳たぶ、手首、足首、肘や膝の内側等、被測定者の何れの部位に光電センサ11を取り付けてもよい。なお、「指先」とは被測定者の手の指先を指すが、足の指先に光電センサ11を取り付けてもよい。
心拍出量測定部18は酸素循環時間算出部32が算出した酸素循環時間に基づいて、被測定者の心拍出量を算出する。
心拍出量COは、例えば(7)式に示す公知の演算式を用いてLFCTから得られる。
(数7)
CO=(a0×S)/LFCT ・・・(7)
ここで、a0は定数であり、例えばa0=50が用いられる。また、Sは被測定者の体表面積(m2)であり、LFCTの単位は秒である。
なお、心拍出量測定部18は心拍出量の他に、心拍出量に関する情報を測定してもよい。「心拍出量に関する情報」とは、心拍出量と相関関係が認められる情報であり、例えば心係数及び1回拍出量等が含まれる。
「心係数」とは、被測定者の体格差による心拍出量の違いを補正するため、被測定者の心拍出量を被測定者の体表面積で割った値である。また、「1回拍出量」とは、心臓が1回の収縮によって動脈4へ拍出する血液の量を示す値であり、心拍出量を被測定者の1分間の心拍数で割ることで求められる。
上述した生体情報測定装置10は、例えばコンピュータを用いて構成される。図14は、コンピュータ20を用いて構成された生体情報測定装置10における電気系統の要部構成例を示す図である。
コンピュータ20は、CPU(Central Processing Unit)21、ROM(Read Only Memory)22、RAM(Random Access Memory)23、不揮発性メモリ24、及び入出力インターフェース(I/O)25を備える。そして、CPU21、ROM22、RAM23、不揮発性メモリ24、及びI/O25がバス26を介して各々接続されている。なお、CPU21は、脈波処理部12、呼吸波形抽出部13、酸素飽和度測定部14、酸素循環時間測定部17、及び心拍出量測定部18として機能する。
不揮発性メモリ24は、不揮発性メモリ24に供給される電力が遮断されても記憶した情報を維持する記憶装置の一例であり、例えば半導体メモリが用いられるがハードディスクであってもよい。
I/O25には、例えば光電センサ11、入力ユニット27、表示ユニット28、及び通信ユニット29が接続される。
光電センサ11はI/O25と有線又は無線によって接続される。なお、生体情報測定装置10と光電センサ11とが分離されるように、それぞれを別体として構成してもよく、生体情報測定装置10と光電センサ11とが一体化されるように、それぞれを同じ筺体に収容する構成としてもよい。
入力ユニット27は、例えば生体情報測定装置10のユーザの指示を受け付けてCPU21に通知するユニットである。入力ユニット27には、例えばボタン、タッチパネル、キーボード、及びマウス等が含まれる。ここで生体情報測定装置10のユーザとは、例えば被測定者及び生体情報測定装置10を操作する例えば医療従事者等の操作者が含まれる。
表示ユニット28は、例えばCPU21で処理された情報を視覚的に生体情報測定装置10のユーザに表示するユニットである。表示ユニット28には、例えば液晶ディスプレイ、有機EL(Electro Luminescence)、及びプロジェクタ等の表示装置が用いられる。
なお、表示ユニット28は必ずしも生体情報測定装置10に必要なユニットではなく、例えば呼吸の再開指示等を生体情報測定装置10のユーザに報知するものであれば、どのような種類のユニットがI/O25に接続されてもよい。
例えば、生体情報測定装置10から通知される情報を生体情報測定装置10のユーザに音声で通知する場合、表示ユニット28の代わりに例えばスピーカーユニットを接続してもよい。また、生体情報測定装置10から通知される情報を生体情報測定装置10のユーザに体感を通して通知する場合、表示ユニット28の代わりに例えば振動ユニットを接続してもよい。更には、例えば表示ユニット28及びスピーカーユニットのように複数のユニットを用いて、生体情報測定装置10から通知される情報を生体情報測定装置10のユーザに通知してもよい。
通信ユニット29は、例えばインターネット等の通信回線と生体情報測定装置10を接続する通信プロトコルを備え、通信回線に接続される他の外部装置と生体情報測定装置10との間でデータ通信を行う。通信ユニット29における通信回線への接続形態は有線であっても無線であってもよい。生体情報測定装置10が通信回線に接続される他の外部装置とデータ通信を行う必要がなければ、必ずしもI/O25に通信ユニット29を接続する必要はない。
なお、I/O25に接続されるユニットは上述した例に限られず、例えば印字ユニット等、他のユニットをI/O25に接続してもよい。
次に、図15を用いて、生体情報測定装置10の動作について説明する。
図15は、被測定者の指先に光電センサ11が取り付けられた状態で、生体情報測定装置10のユーザから入力ユニット27を介して心拍出量の測定指示を受け付けた場合に、CPU21によって実行される生体情報測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。生体情報測定装置10は心拍出量の測定指示を受け付けると、少なくとも心拍出量の測定が終了するまで被測定者の呼吸波形を抽出し続けると共に、酸素飽和度を測定し続けるものとする。
生体情報測定処理を規定する生体情報測定プログラムは、例えば生体情報測定装置10のROM22に予め記憶されている。生体情報測定装置10のCPU21は、ROM22に記憶される生体情報測定プログラムを読み込み、生体情報測定処理を実行する。
ステップS100では、脈波信号を生成する。すなわち、光電センサ11から受け付けたIR光及び赤色光のそれぞれの受光量を用いて、IR光から得られた被測定者の脈波を表す脈波信号と、赤外光から得られた被測定者の脈波を表す脈波信号をそれぞれ生成する。なお、脈波信号の生成は、少なくとも後述するステップS118において酸素飽和度回復時期が検出されるまでは繰り返し実行される。
ステップS102では、図16に示す呼吸波形の抽出処理を実行する。呼吸波形の抽出処理は、少なくとも後述するステップS114において呼吸の再開が検知されるまでは繰り返し実行される。
図16に示すように、呼吸波形の抽出処理では、まずステップS200において、ステップS100で生成された脈波信号を取得する。
ステップS202では、ステップS200で取得した脈波信号に対して、周波数フィルタを用いて平滑化処理を実行することにより中間信号を生成する。すなわち、脈波信号から脈動に対応した変曲点以外の変曲点を除去する。
ステップS204では、脈動に対応した変曲点の位置に対応する中間信号の変曲点の位置を特定する。
ステップS206では、中間信号の変曲点の位置に基づいて、脈波信号の変曲点のうち脈動に対応する変曲点の位置を検出する。
図15のステップS104では、酸素飽和度を測定する。すなわち、ステップS100で生成した脈波信号からIR光の吸光量の変化量及び赤色光の吸光量の変化量を算出し、算出した双方の変化量を用いて酸素飽和度を測定する。
ステップS106では、被測定者に呼吸を停止するよう指示する。具体的には、息を吸って吐いた状態で呼吸を停止するよう促すメッセージを表示ユニット28に表示する。また、生体情報測定装置10にスピーカーユニットが接続されている場合、CPU21は、例えば呼吸を停止するよう促す音声をスピーカーユニットから出力する。
ステップS108では、呼吸波形を参照し、被測定者が呼吸を停止したか否かを判定する。すなわち、呼吸波形の第1の変曲点と第2の変曲点との差分に相当する値の変動幅が第1の変動幅から第1の変動幅よりも小さい第2の変動幅に変化したか否かを判定する。
そして、被測定者が呼吸を停止していない、すなわち呼吸が継続されていると判定された場合はステップS108の処理を繰り返し実行して、被測定者の呼吸波形を監視する。一方、被測定者が呼吸を停止したと判定された場合はステップS110に移行する。
ステップS110では、呼吸の停止期間が規定時間に達したか否かを判定する。呼吸の停止期間が規定時間に達していない場合にはステップS110の処理を繰り返し実行して、被測定者における呼吸の停止期間を監視する。一方、呼吸の停止期間が規定時間に達した場合にはステップS112に移行する。
ステップS112では、被測定者に呼吸を再開するよう指示する。具体的には、呼吸を再開するよう促すメッセージを表示ユニット28に表示する。また、生体情報測定装置10にスピーカーユニットが接続されている場合、CPU21は、例えば呼吸を再開するよう促す音声をスピーカーユニットから出力する。
ステップS114では、呼吸波形を参照し、被測定者が呼吸を再開したか否かを判定する。すなわち、呼吸波形の第1の変曲点と第2の変曲点との差分に相当する値の変動幅が第1の変動幅から第1の変動幅よりも大きい第2の変動幅に変化したか否かを判定する。
そして、被測定者が呼吸を再開していない、すなわち呼吸停止が継続されていると判定された場合はステップS114の処理を繰り返し実行して、被測定者の呼吸波形を監視する。一方、被測定者が呼吸を再開したと判定された場合はステップS116に移行する。
なお、ステップS112では、呼吸の停止期間が規定時間に達するタイミングに合わせて呼吸の再開指示を被測定者に指示したが、呼吸の再開が突然指示されると、被測定者は呼吸の再開指示を受けてから実際に呼吸を再開するまでに遅れが生じることがある。したがって、呼吸の停止期間中に、あとどのくらい呼吸を停止していればよいかを被測定者に知らせるため、規定時間に達するまでの残り時間を表示ユニット28に逐次表示して、被測定者に呼吸の停止期間の終了時期を事前に通知してもよい。
ステップS116では、被測定者の呼吸の再開を検知した時点の時刻t1を例えばCPU21に内蔵された図示しないタイマから取得して、取得した時刻t1を呼吸再開時期としてRAM23に記憶する。
ステップS118では、酸素飽和度回復時期が特定できたか否かを判定する。すなわち、酸素飽和度変曲点を検知したか否か、換言すれば、酸素飽和度が減少から回復に転じたか否かを判定する。
そして、酸素飽和度が減少し続け、変曲点が検知されない場合にはステップS118の処理を繰り返し実行して、酸素飽和度の変化を監視する。一方、酸素飽和度変曲点が検知された場合にはステップS120に移行する。
ステップS120では、酸素飽和度変曲点を検知した時点の時刻t2を取得して、取得した時刻t2を酸素飽和度回復時期としてRAM23に記憶する。そして、時刻t2とステップS116でRAM23に記憶した時刻t1の差分をLFCTとして算出する。
ステップS122では、ステップS120で取得したLFCTを用いて、例えば(7)式から心拍出量を測定する。更に、測定した心拍出量を用いて心拍出量に関する情報を算出してもよい。
なお、LFCTが精度よく測定される呼吸の停止期間は、例えば被測定者の年齢、性別、及び体調等によって変化する。したがって、生体情報測定装置10のユーザが入力ユニット27を介して生体情報測定装置10に設定した被測定者の情報に基づいて、CPU21は、呼吸の停止期間を規定する規定時間を被測定者毎に調整してもよい。また、生体情報測定装置10のユーザが規定時間を調整してもよい。
規定時間は例えば1秒単位で設定してもよく、例えば15秒、20秒、及び25秒のように、予め用意した複数の時間から選択された時間を規定時間として設定してもよい。規定時間の設定単位に制限はなく、例えばミリ秒単位であっても5秒単位であってもよい。
設定した被測定者毎の規定時間は例えば不揮発性メモリ24に記憶され、心拍出量の測定指示に先立って、被測定者の名前又は患者番号といった被測定者を識別する情報が生体情報測定装置10に入力されると、CPU21は、被測定者に対応付けられた規定時間を図15のステップS110の判定に用いるようにする。
なお、本実施形態では、図15のステップS114において、被測定者の呼吸が再開されるのを待ってからLFCTの測定を開始する場合について説明したが、生体情報測定装置10から被測定者に呼吸の再開を指示してから被測定者の呼吸が再開されるまでの期間が遅れると、呼吸の停止期間が規定時間よりも長くなり、呼吸の停止期間を規定時間に合わせた場合と比較してLFCTの測定精度が低くなることがある。
したがって、呼吸の再開を指示してから被測定者の呼吸が再開されるまでの期間が、予め定めた期間である許容遅延期間以内の場合に、CPU21はLFCTを測定するようにしてもよい。換言すれば、CPU21は、呼吸の再開を指示してから被測定者の呼吸が再開されるまでの期間が許容遅延期間を超えた場合、図15のステップS116以降の処理の実行を中止して、LFCTを測定することなく図15に示す生体情報測定処理を終了してもよい。
このように第1実施形態に係る生体情報測定装置10によれば、脈波信号から呼吸波形を抽出する際に、脈波信号から直接呼吸波形を抽出するのではなく、脈波信号から中間信号を生成し、中間信号の変曲点の位置に基づいて脈波信号の変曲点のうち検出対象である脈動に対応する変曲点の位置を検出する。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同一部分については同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
第2実施形態では、生体情報測定装置10の構成は第1実施形態と同一であるので説明は省略する。
第2実施形態では、検出部54は、過去に検出された脈波信号S1の変曲点の間隔に基づいて脈波信号S1の変曲点の位置を予測する。例えば図17に示すように、過去に検出された脈波信号S1の変曲点P1の位置に、過去に検出された脈波信号S1の変曲点の間隔t1を加算した位置を、次に出現すべき変曲点P2の位置として予測する。
なお、図17に示したように、検出部54は、過去に検出された脈波信号S1の変曲点の間隔t1に基づいて中間信号S2の変曲点P3の位置を予測してもよい。例えば、過去に検出された中間信号S2の変曲点P3の位置に間隔t1を加算した位置を、次に出現すべき中間信号S2の変曲点P4の位置として予測する。そして、予測した中間信号S2の変曲点P4の位置を例えば中心Cとして含む検出範囲H1内で脈波信号S1の変曲点P2の位置を予測してもよい。
また、検出部54は、過去に検出された脈波信号S1の変曲点の間隔t1に基づいて中間信号S2の変曲点P4の位置を予測し、予測した中間信号S2の変曲点P4の位置から予め定めた時間t2だけ遡った位置C2を例えば中心として含む検出範囲H2内で脈波信号S1の変曲点P2の位置を予測してもよい。
また、検出部54は、過去に検出された脈波信号S1の変曲点の間隔t1又は過去に特定した中間信号の変曲点の間隔t3に基づいて検出範囲H1を設定してもよい。例えば間隔t1又はt3が長くなるに従って検出範囲を長くし、間隔t1又はt3が短くなるに従って検出範囲を短くするようにしてもよい。
また、検出部54は、過去に検出された脈波信号S1の変曲点P1の位置と中間信号S2の変曲点P3の位置との差分に基づいて検出範囲を設定してもよい。例えば差分が長くなるに従って検出範囲を長くし、差分が短くなるに従って検出範囲を短くするようにしてもよい。
このように、本実施形態では、過去に検出された脈波信号S1の変曲点の間隔に基づいて脈波信号S1の変曲点の位置を予測する。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同一部分については同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
第3実施形態では、生体情報測定装置10の構成は第1実施形態と同一であるので説明は省略する。
第3実施形態では、生成部50は、周波数フィルタの遮断周波数を、脈波信号S1の変曲点の間隔、換言すれば脈拍数に基づいて設定する。脈拍数が変化すると脈波信号S1の変曲点の間隔が変化するが、遮断周波数が固定のままだと脈波信号S1の変曲点が誤検出されてしまう場合があるからである。遮断周波数の設定は、定期的に実行してもよいし、脈波信号S1の変曲点の間隔が予め定めた閾値以上変化した場合に実行してもよい。
周波数フィルタの遮断周波数を第1の遮断周波数から第1の遮断周波数と異なる第2の遮断周波数に切り替える場合、切り替え直後に生成される中間信号の波形が乱れる場合がある。
そこで、生成部50は、周波数フィルタの遮断周波数を第1の遮断周波数から第2の遮断周波数に切り替える場合、第2の遮断周波数に切り替えた後の予め定めた切り替え期間は第1の遮断周波数による第1の中間信号の生成を継続する。例えば図18に示すように、t1の時点で第1の遮断周波数から第2の遮断周波数への切り替えタイミングが到来した場合、第2の遮断周波数による第2の中間信号の生成を開始する。また、t1の時点で直ぐに第1の遮断周波数による第1の中間信号の生成を停止するのではなく、t1からt2の時点までの予め定めた切り替え期間では、第1の遮断周波数による第1の中間信号の生成を継続する。そして、特定部52は、切り替え期間については第2の遮断周波数ではなく第1の遮断周波数による第1の中間信号を用いて変曲点の位置を特定する。そして、t2の時点から第2の遮断周波数による第2の中間信号を用いて変曲点の位置を特定する。同様に、t3の時点で第2の遮断周波数から第3の遮断周波数への切り替えタイミングが到来した場合、第3の遮断周波数による第1の中間信号の生成を開始する。また、t3の時点で直ぐに第3の遮断周波数による第1の中間信号の生成を停止するのではなく、t3からt4の時点までの予め定めた切り替え期間では、第2の遮断周波数による中間信号の生成を継続する。
このように、第3実施形態では、周波数フィルタの遮断周波数を切り替える場合、切り替え後の予め定めた切り替え期間は切り替え前の遮断周波数による中間信号の生成を継続するので、安定した波形の中間信号を用いて脈波信号S1の変曲点が検出される。
以上、各実施の形態を用いて本発明について説明したが、本発明は各実施の形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で各実施の形態に多様な変更又は改良を加えることができ、当該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上記各実施形態では、周波数フィルタを用いて中間信号を生成する場合について説明したが、多項式回帰又は多項式近似により中間信号を生成してもよい。例えば、多項式回帰及び多項式回帰近似の具体例としては、Savitzky-Golayフィルタが挙げられるが、これに限られるものではない。また、移動平均を用いて中間信号を生成してもよい。
また、上記各実施形態では、受光素子3で受光したIR光及び赤色光のそれぞれの受光量が脈波処理部12に入力される構成としたが、脈波処理部12を省略して、受光素子3で受光したIR光及び赤色光のそれぞれの受光量が直接呼吸波形抽出部13及び酸素飽和度測定部14に入力される構成としてもよい。
また、各実施の形態では、一例として生体情報測定処理をソフトウエアで実現する形態について説明したが、図15及び図16に示したフローチャートと同等の処理を、例えばASIC(Application Specific Integrated Circuit)に実装し、ハードウエアで処理させるようにしてもよい。この場合、検出処理の高速化が図られる。
また、上述した各実施の形態では、生体情報測定プログラムがROM12にインストールされている形態を説明したが、これに限定されるものではない。本発明に係る生体情報測定プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記録された形態で提供することも可能である。例えば、本発明に係る生体情報測定プログラムを、CD(Compact Disc)-ROM、又はDVD(Digital Versatile Disc)-ROM等の光ディスクに記録した形態で提供してもよい。また、本発明に係る生体情報測定プログラムを、USBメモリ及びフラッシュメモリ等の半導体メモリに記録した形態で提供してもよい。更に、生体情報測定装置10は通信ユニット29を介して、通信回線に接続された外部装置から本発明に係る生体情報測定プログラムを取得するようにしてもよい。