JP7170459B2

JP7170459B2 - 血行検出装置、方法、及びプログラム

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Publication number: JP7170459B2
Application number: JP2018151989A
Authority: JP
Inventors: 健川上
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2022-11-14
Anticipated expiration: 2038-08-10
Also published as: JP2020025733A; CN110811592A; CN110811592B; US20200046232A1

Description

本発明の実施形態は、血行検出装置及び血行検出方法に関する。

心拍数の変化に対応する動脈及び毛細血管の血液量の変化を測定することにより、心拍に伴う脈波を検出する光電式容積脈波計（ＰＰＧ：Photoplethysmogram）センサが知られている。ＰＰＧセンサを用いて脈拍ごとに組織を通過する血液量に基づいて心拍数を検出する手法は、容積脈波（ＢＶＰ：Blood Volume Pulse）測定と呼ばれている。

ＰＰＧセンサは、心拍数以外にも種々の生体情報を検出する目的に利用できる。生体情報の一つである血行は、血流の状態であり、一般に、血流計による血流速度や血流量によって評価される。心臓の拍動に伴う血流の変化の程度が小さい方が、一様に良く血液がめぐっているとされ、血行がよい状態とされる。

しかしながら、血流計は一般的なフィットネストラッカ等には組込まれていないため、血行の変化を手軽に、日常的に常時モニタリングする手段が存在しないのが実情である。

特開２００１－６１７９５号公報

本願発明が解決しようとする課題は、被検者の血行を簡易かつ精度よく検出可能な血行検出装置及び血行検出方法を提供することである。

本実施形態によれば、被検者に所定の周波数帯域の光信号を照射したときに被検者の体内で散乱されて受光された受光信号に基づいて、前記被検者の脈波を測定する測定部と、
前記受光信号の直流成分と、前記脈波の立ち上がり時刻から前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻までの前記脈波の容積変化量と、前記容積変化量を時間で１階微分した値と、に基づいて、前記被検者の血行を検出する血行検出部と、を備える、血行検出装置が提供される。

一実施形態による血行検出装置の概略構成を示すブロック図。腕時計型の生体測定装置の一例を示す図。脈波の波形の一例を示す図。（ａ）は受光部で受光される光信号の波形を示す図、（ｂ）は脈波生成部が生成する脈波の波形を示す図。血行と、平均血圧及び平均血流速度との関係を示すグラフ。脈波の評価を行う脈波評価装置の概略構成を示すブロック図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、血行検出装置内の特徴的な構成および動作を中心に説明するが、血行検出装置には以下の説明で省略した構成および動作が存在しうる。ただし、これらの省略した構成および動作も本実施形態の範囲に含まれるものである。

図１は一実施形態による血行検出装置１の概略構成を示すブロック図である。血行検出装置１は、測定部２と、血行検出部３とを備えている。血行検出装置１は、例えば図２に示すような腕時計型の生体測定装置４に組み込むことができる。

測定部２は、被検者の心拍数の変化に伴う動脈及び毛細血管の血液量の変化を測定することにより、心拍に伴う容積脈波の情報を取得する。以下では、容積脈波を単に脈波と呼ぶこともある。

測定部２は、発光部５と、受光部６と、脈波生成部７とを有する。発光部５は、例えば、特定の波長帯域（緑色や近赤外帯域など）の光信号を発光するＬＥＤ（Light Emitting Diode）を有する。受光部６は、発光部５からの光信号が被検者の体内で吸収又は反射・散乱された後の信号を受光する。脈波生成部７は、受光部６で受光された信号に基づいて脈波情報を含むＰＰＧ信号を心拍の１拍ごとに生成する。ＰＰＧ信号は、被検者の血管を含む組織で吸収されなかった散乱光成分の光強度の情報を含んでいる。

発光部５からの光信号の発光量が変動すると、受光部６での信号の受光量も変動する。このため、脈波生成部７は、受光された信号をＤＣ成分とＡＣ成分とに分離し、ＡＣ／ＤＣ比に基づいて脈波を生成する。このため、生成される脈波は、無次元のデータである。

血行検出部３は、受光された信号の直流成分と、脈波の立ち上がり時刻から脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻までの脈波の容積変化量と、容積変化量を時間で１階微分した値と、に基づいて、被検者の血行を検出する。

血管の血液の流れをHagen-Poiseuille flowで仮定した場合の最高流速ｖmaxは、以下の（１）式で表される。

ここで、ｚは血液の流れる方向、ｄｐ／ｄｚは水平な流れの方向に対する圧力勾配、ｒは血管に対応する円筒管の半径、ｅは粘性定数である。

血管の半径ｒは、体積ひずみに反比例して変動する。このため、（１）式のｒ²／４ｅと体積ひずみは、以下の（２）式で表すことができる。

図３は、１拍分の正常な脈波の波形の一例である。（２）式において、ａは定数、ｘは図３に示す脈波の立ち上がりの時点（ｔ0）から最大の微分係数を与える時点（ｔ1）の容積脈波の値である。ｘ'はｘの時間微分（時間で１階微分した値）である。（１）式と（２）式から、ｘ＝１のときの流速を基準流速ｖcriterionとすると、以下の（３）式が成り立つ。

（３）式の右辺の括弧内は、以下の（４）式に示す血行ＰＣＩを表す指標である。

一般に、容積脈波の測定値は、発光部５からの光信号の影響を受けるため、ＡＣ成分とＤＣ成分の比を用いる必要がある。ベア・ランバートの法則を利用した容積脈波による血管容積変化の表現方法（ｍＮＰＶ：the modified Normalized Pulse Volume）によれば、血管容積変化（容積脈波）ｘは、以下の（５）式で表現される。

Ｉdcは受光信号のＤＣ成分、ΔＩacはＡＣ成分である。（５）式を用いると、（４）式は以下の（６）式のように表現できる。

図４（ａ）は受光部６での受光信号の波形を示す図、図４（ｂ）は脈波生成部７が生成する脈波の波形を示す図である。図４の横軸は時間、縦軸は電流又は電圧である。（６）式のΔＩacは、受光信号の立ち上がりｔ0から最大の微分係数を与えるｔ1までの容積変化量である。また、(ΔＩac)'は、ΔＩacの時間に対する微分値である。

本実施形態では、（６）式に基づいて血行ＰＣＩを求めるものである。なお、（６）式を簡略化した以下の（７）式に基づいて血行ＰＣＩを求めてもよい。（７）式のａは任意の数値である。

図５は、（６）式で計算した血行ＰＣＴ1と、平均血圧ＭＢＰ(mmHg)及び平均血流速度ＭＢＦ(cm/s)との関係を示すグラフである。このグラフは、被検者が浴槽に９０分間浸かり、その後、排水して休憩したときの血行、平均血圧及び平均血流速度の変化を表している。また、被検者が浴槽に浸かっている間に、お湯の温度を３６℃から４０℃まで上昇させた後に、３４°まで下げた例を示している。

図５によれば、血行ＰＣＩは、平均血圧と正の相関を持っており、平均血流速度だけに依存するわけではないことがわかる。

血行検出装置１は、測定された脈波を用いて血行を検出しているが、被検者の活動状態や精神状態によって、脈波の波形は大きく変動することが知られている。そこで、脈波が乱れているか否かを事前に評価して、乱れていない脈波を用いて、血行を検出してもよい。

図６は脈波の評価を行う脈波評価装置１０の概略構成を示すブロック図である。脈波評価装置１０は、測定部２と、時刻検出部１１と、比率検出部１２と、評価部１３とを備えている。脈波評価装置１０も、例えば図３に示すような腕時計型の生体測定装置４に組み込むことができる。図６の測定部２は、図１の測定部２と共通で構わない。

時刻検出部１１は、脈波の１拍ごとに、脈波の立ち上がり時刻と、脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、脈波の振幅が最大ピークになる時刻とを検出する。図３に示す正常な脈波は、振幅がボトムの位置（ｔ0）で開始し、振幅がほぼ単調に増加して最大ピークに達し（ｔ2）、その後、振幅が単調に減少して二番目のボトムの位置に達すると（ｔ３）、再び単調増加に変化し、振幅が二番目のピークに達すると（ｔ４）、単調減少してボトム値に達して終了する（ｔ５）。

時刻検出部１１は、図３のｔ0を立ち上がり時刻として検出し、ｔ2を最大ピークになる時刻として検出する。また、時刻検出部１１は、ｔ0からｔ2までの間で、脈波を時間で１階微分した値が最大になるｔ1を検出する。

比率検出部１２は、立ち上がり時刻ｔ0から、脈波を１階微分した値が最大になる時刻ｔ１までの脈波の平均加速度と、時刻ｔ1から、最大振幅時刻ｔ2までの脈波の平均加速度と、の加速度比率を検出する。

評価部１３は、検出された加速度比率に基づいて脈波を評価する。脈波のｔ0～ｔ1間及びｔ1～ｔ2間の平均加速度を直接検出するのは容易ではないため、評価部１３は、ｔ2での脈波の振幅値ｘ(ｔ2)と、ｔ1での脈波の振幅値ｘ(ｔ1)との比率に基づいて、脈波を評価する。より具体的には、評価部１３は、比率のバラツキ具合によって、脈波が乱れているか否かを１拍ごとに判断する。

血行検出装置１は、脈波値検出部１４を備えていてもよい。脈波値検出部１４は、最大振幅時刻ｔ2での脈波の値と、１階微分した値が最大になる時刻ｔ1での脈波の値とを検出する。比率検出部１２は、脈波値検出部１４で検出された２つの値の脈波値比率に基づいて、加速度比率を検出することができる。

血行検出装置１は、脈波評価装置１０にて、乱れていないと判断された脈波を用いて血行を検出さればよい。

このように、本実施形態では、（６）式又は（７）式に基づいて被検者の血行を検出するため、血行を簡易かつ精度よく検出できる。また、乱れていない脈波を用いて血行を検出することで、より血行の検出精度を向上できる。

上述した血行検出装置１の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、血行検出装置１の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ－ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。

また、血行検出装置１の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１血行検出装置、２測定部、３血行検出部、４生体測定装置、５発光部、６受光部、７脈波生成部、１０脈波評価装置、１１時刻検出部、１２比率検出部、１３評価部、１４脈波検出部

Claims

被検者に所定の周波数帯域の光信号を照射したときに被検者の体内で散乱されて受光された受光信号に基づいて、前記被検者の脈波を測定する測定部と、
前記測定された脈波の第１拍において、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出する時刻検出部と、
前記立ち上がり時刻から、前記１階微分した値が最大になる時刻までの脈波の平均加速度と、前記１階微分した値が最大になる時刻から、前記最大振幅時刻までの脈波の平均加速度と、の加速度比率を検出する比率検出部と、
前記加速度比率に基づいて前記脈波を評価する評価部と、
評価された前記脈波に基づいて、前記受光信号のＤＣ成分と、前記受光信号の立ち上がり時刻から前記受光信号の１階微分値が最大になる時刻までの前記脈波の容量変化量とにより前記被検者の血行を検出する血行検出部と、を備える血行検出装置。
前記血行検出部は、前記受光信号のＤＣ成分と、前記受光信号の立ち上がり時刻から前記受光信号の１階微分値が最大になる時刻までの前記脈波の容量変化量との比率に基づいて、前記被検者の血行を検出する、請求項１に記載の血行検出装置。
前記評価部は、前記加速度比率に基づいて前記脈波が乱れているか否かを評価し、前記血行検出部は、乱れていないと評価された脈波に基づいて、前記被検者の血行を検出する、請求項１又は２に記載の血行検出装置。
被検者に所定の周波数帯域の光信号を照射したときに被検者の体内で散乱されて受光された受光信号に基づいて、前記被検者の脈波を測定する測定部と、
前記測定された脈波の第１拍において、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出する時刻検出部と、
前記１階微分した値が最大になる時刻における第１の脈波の値と、前記最大振幅時刻における第２の脈波の値と、を検出する脈波値検出部と、
前記第１の脈波の値と前記第２の脈波の値との比率に基づいて前記脈波を評価する評価部と、
評価された前記脈波に基づいて、前記受光信号のＤＣ成分と、前記受光信号の立ち上がり時刻から前記受光信号の１階微分値が最大になる時刻までの前記脈波の容量変化量とにより前記被検者の血行を検出する血行検出部と、を備える血行検出装置。
前記血行検出部は、前記受光信号のＤＣ成分と、前記受光信号の立ち上がり時刻から前記受光信号の１階微分値が最大になる時刻までの前記脈波の容量変化量との比率に基づいて、前記被検者の血行を検出する、請求項４に記載の血行検出装置。
前記評価部は、前記第１の脈波の値と前記第２の脈波の値の比率に基づいて前記脈波が乱れているか否かを評価し、
前記血行検出部は、乱れていないと評価された脈波に基づいて、前記被検者の血行を検出する、請求項４又は５に記載の血行検出装置。
前記時刻検出部は、前記測定された脈波の１拍ごとに、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の血行検出装置。
血行検出装置は、
被検者に所定の周波数帯域の光信号を照射したときに被検者の体内で散乱されて受光された受光信号に基づいて、前記被検者の脈波を測定し、
前記測定された脈波の第１拍において、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出し、
前記立ち上がり時刻から、前記１階微分した値が最大になる時刻までの脈波の平均加速度と、前記１階微分した値が最大になる時刻から、前記最大振幅時刻までの脈波の平均加速度と、の加速度比率を検出し、
前記加速度比率に基づいて前記脈波を評価し、
評価された前記脈波に基づいて、前記受光信号のＤＣ成分と、前記受光信号の立ち上がり時刻から前記受光信号の１階微分値が最大になる時刻までの前記脈波の容量変化量とにより前記被検者の血行を検出する、方法。
血行検出装置は、
被検者に所定の周波数帯域の光信号を照射したときに被検者の体内で散乱されて受光された受光信号に基づいて、前記被検者の脈波を測定し、
前記測定された脈波の第１拍において、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出し、
前記１階微分した値が最大になる時刻における第１の脈波の値と、前記最大振幅時刻における第２の脈波の値と、を検出し、
前記第１の脈波の値と前記第２の脈波の値の比率に基づいて前記脈波を評価し、評価された前記脈波に基づいて、前記受光信号のＤＣ成分と、前記受光信号の立ち上がり時刻から前記受光信号の１階微分値が最大になる時刻までの前記脈波の容量変化量とにより前記被検者の血行を検出する、方法。
コンピュータに、
被検者に所定の周波数帯域の光信号を照射したときに被検者の体内で散乱されて受光された受光信号に基づいて、前記被検者の脈波を測定させ、
前記測定された脈波の第１拍において、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出させ、
前記立ち上がり時刻から、前記１階微分した値が最大になる時刻までの脈波の平均加速度と、前記１階微分した値が最大になる時刻から、前記最大振幅時刻までの脈波の平均加速度と、の加速度比率を検出させ、
前記加速度比率に基づいて前記脈波を評価させ、
評価された前記脈波に基づいて、前記受光信号のＤＣ成分と、前記受光信号の立ち上がり時刻から前記受光信号の１階微分値が最大になる時刻までの前記脈波の容量変化量とにより前記被検者の血行を検出させる、プログラム。
コンピュータに、
被検者に所定の周波数帯域の光信号を照射したときに被検者の体内で散乱されて受光された受光信号に基づいて、前記被検者の脈波を測定させ、
前記測定された脈波の第１拍において、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出させ、
前記１階微分した値が最大になる時刻における第１の脈波の値と、前記最大振幅時刻における第２の脈波の値と、を検出させ、
前記第１の脈波の値と前記第２の脈波の値の比率に基づいて前記脈波を評価させ、評価された前記脈波に基づいて、前記受光信号のＤＣ成分と、前記受光信号の立ち上がり時刻から前記受光信号の１階微分値が最大になる時刻までの前記脈波の容量変化量とにより前記被検者の血行を検出させる、プログラム。