JPS63281627A - 非接触式体表面変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、被検者に電極等を取付けることなく、体表面
変位を基に非接触式に呼吸数もしくは心拍数又はこれら
の双方を検出する非接触式体表面変位検出装置に関する
ものである。

（従来の技術と発明が解決しようとする問題点）臨床に
おいて手術に際し或はｃｃＵ等の装置で呼吸数もしくは
心拍数を長期間にわたりモニタすることは重要である。

また、未熟児に対しても現在呼吸・循環系の常時監視が
行われており、特に最近周産期死亡の最大の原因になり
つつある突然死症候群等のスクリーニングのためにもそ
れは重要である。

このための典型的な計測方法としては、被検者に電極又
はトランスデユーサを取付けてリード線を導出すること
により接触式で行っている。この場合、導出されたリー
ド線が看護の妨げになり、また被検者に対する負担も大
きい。

そこで、最近では非接触式の計測方法として、超音波を
体表面に照射し、マイクロフォンで検出した反射信号の
位相変化から体表面変位として呼吸波もしくは心拍波を
検出するのが周知である。

しかしながら、この方法では空気のゆらぎに起因する雑
音が発生し、また体表面の不均一な動きに起因する反射
波の干渉のために高精度の測定が難しいと云う問題があ
る。その外、マイクロ波を照射する方法も周知であるが
、同様に不均一な９ｊＪきによる反射波の干渉のために
誤差を生じ、装置も複雑になる。

よって、本発明は、光ビーム式で呼吸数もしくは拍動数
を高精度に計測する体表面変位検出装置を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、この目的を達成するために、第１図に示すよ
うに、２次元面を極座標の原点位置からＸ−Ｙ平面上及
び２輌との角度を変−化させて光ビームで走査する駆動
部１ａを備えた光源ｌと、被検者の体表面に取付けられ
た散乱板２による光ビームの散乱が集光レンズ３ａを通
して形成された光スポットの２次元位数を検出する第１
の光スポット位置センサ３と、同様に散乱板２による散
乱が集光レンズ３ａよりも長い焦点距離の集光レンズ４
ａを通して形成された光スポットの位置を検出し、かつ
入力する極座標信号に応動する駆動部４ｂを備えた第２
の光スポット位置センサ４と、第１の光スポット位置セ
ンサ３の検出信号が所定レベルを上廻ったときの光スポ
ットの２次元位との検出信号及び直交面に対する両走査
角度信号を基に、第２の光スポット位置センサ４を原点
として散乱板２の位置を規定する極座標信号を算出する
演算部５と、この演算部の出力信号に応動した第２の光
スポット位置センサ４の検出信号から体表面変位波形を
検出する体表面変位波形検出回路６と、所定時間に対す
る体表面変位波形検出回路の出力信号を計数する体表面
変位回数計数回路７とから構成した。

（作用） 体表面の散乱板２の位置Ｐ０がＰ、に変動したとすると
、その散乱光が生じなくなり、第１の光スポット位置セ
ンサ３への入射光量が減少して検出信号レベルが低下す
る。これにより、光源１は、駆動部１ａにより光学系を
走査運動させられることにより被検者部分を２次元状に
走査する。第１の光スポット位置センサ３へ光ビームが
入射してその光量が所定レベルを上廻った時点で、光ｓ
ｌは走査を停止する。そして、演算部５は、位置固定の
第１の光スポット位置センサ３の受光スポット位置ｘ、
ｙの検出信号及び駆動部１ａのＸ−Ｙ平面上の極座標角
度ψ及びＺ軸との極座標角度θを基に、散乱板２の極座
標位置ｒ、θ、ψを算出し、第２の光スポット位置セン
サ４が自動追尾するように、このセンサ位置を原点とし
て散乱板２の極座標位ｉｉｒ’、θ′、ψ°を算出する
。駆動部４ｂは、この極座標信号に対応して、第２の光
スポット位置センサ４を応動させ、十分な光量の散乱光
を入射させる。

その光スポットの光スポット位置センサ４への入射位置
は、呼吸又は心拍動による体表面変位に応じて反射位置
が変動することにより変位し、焦点距離の長い光学系に
より高感度に検出される。

体表面変位波形検出回路６は、このセンサの検出信号か
ら雑音を含まない所望の体表面変位波形を検出し、所定
時間についてその出力信号を体表面変位回数計数回路７
に計数させる。

（発明の実施例） 第２図乃至第５図は本発明の一実施例を示す。

ｌＯは光源であり、１ｍＷの光ビームを集束レンズ１２
を通して発射するレーザ発振器１１と、中心位置でその
光ビームを反射するミラー１３と、このミラーを被検者
の移動する可箋性のある範囲に向けて光ビームを走査さ
せる駆動部１４とから構成されている。この駆動部は、
駆動回路１４１で駆動されてＸ−Ｙ軸面の所定の角度範
囲にわたりギヤを介して基台１４２をミラー１３の中心
位置を軸として旋回させるロータリエンコーダ１４４付
のモータ１４３及びミラー１３をＹ−Ｚ軸面の所定の角
度範囲にわたり同様にミラー１３の中心位置を軸として
旋回させるロータリエンコーダ１４６付のモータ１４５
とから構成されている。この光源は、例えば直径１０■
■程度の散乱板９に対して５０〜１００ｃｍ離間させて
配置する。散乱板９は、モニタ確度を高めるために、場
合によっては胸、腹又は背部等の２個所以上に取付ける
。

２０は第１の光スポット位置センサであり、散乱板９の
移動範囲内からの散乱光を確実に集光できるように広角
の集光レンズ２２を通して受光する半導体装置検出素子
（ＰＳＤ）２１と、Ｉ／Ｖ変換回Ｍ２３１、補正回路２
３２及び光量検出回路２３３よりなる付属回路２３とか
ら構成されている。この半導体装置検出素子は、その中
心位置からのＸ及びＹ軸方向の変位に応じた光電流をそ
れぞれ出力する２対の電極を備えたそれ自体周知の素子
である。　Ｉ／Ｖ変換回路はそれぞれの光電流を電圧信
号に変換し、補正回路は双方の電極対の電圧信号を原点
に対する光スポットの２次元変位ｄｘ、　ｄｙの電圧信
号に変換し、光量検出回路２３３はＰＳＤ２１に光ビー
ムが正規の光量で入射したのを検知する。

３０は第２の光スポット位置センサであり、入射範囲は
狭くなるが、移動しない被検者の体動を高分解能で検出
できる程度に集光レンズ２２に較べて長い焦点距離の集
光レンズ３２を通して受光するＰＳＤ３１と、Ｉ／Ｖ変
換回路３４１、Ｙ軸方向の変位信号を出力する補正回路
３４２及び光量検出回路３４３よりなる付属回路３４と
、入力する極座標信号ｒ′、θ°、ψを基に集光レンズ
３２の中心位置を０９、ψに応動させ、集光レンズ３２
に対するＰＳＤ３１の位置をｒｏに応動させる駆動部３
５から構成されている。この駆動部は、極座標信号「”
、θ゛、ψに応答する駆動回路３５１で駆動されて、ギ
ヤを介して基台３５２を集光レンズ３２の中心位置を軸
として旋回させるロータリエンコーダ３５４付のモータ
３５３、基台３５２に直交方向にヒンジされた副基台３
５７を同様に集光レンズ３２の中心位置を軸として旋回
させるロータリエンコーダ３５６付のモータ３５５及び
集光レンズ３２に対するＰＳＤ３１の距離を副基台３５
７上でラックを介して変位させるロータリエンコーダ３
５９付のモータ３５８とから構成されている。ロータリ
エンコーダ３５４　、３５６　、３５９は、駆動回路３
５１へ負帰還信号を供給する。

演算部３６は光量検出回路２３３の出力信号が発生した
時点で、ｄｘ、　ｄｙ＠号及び極座標信号θ、ψを基に
、第３図に示す光学追尾経路の幾何学関係から次の関係
式より　１、θ′を演算する。ψはミラー１３、集光レ
ンズ２２及び集光レンズ３２の中心位置が極座標系のＺ
軸上の１直線上に在ることにより、そのまま出力する。

Ｏ：ミラー１３の中心位置 Ｐ：散乱板２の位と Ａ：集光レンズ２２の中心位置 Ｂ：集光レンズ３２の中心位置 ０、　：　ＰＳＤ２１の原点 Ｐ、　：　ＰＳＤ２１の光スポット位置Ｐｔ：　ＰＳＤ
３１の光スポット位置 ｄｘ：Ｐ、のＸ座標位置、　ｄｙ：Ｐ、のＹ座標位近文
：０及びＡ間の距離 文０：０及び８間の距離 ｒ、θ、ψ：！！Ｘ点０に対する位置Ｐの極座標パラメ
ータ ｒｏ、０”、ψ：中心位ＩＢに対する位置Ｐの極座標パ
ラメータ ＡＰ、、ｃｏｓψ＝　−ｄｘ　　−−−−−−−−−−
−−（２）ｒｃｏｓθ＋ｒｓｉｎθｔａｎ　ａ　＝＋　
ｌ　　…−…−（４）ｒｃｏｓθ−ｒ’　ｃｏｓ　θ’
　＝　ｘ　ｏ　−−−−−−−−−−−−（ｓ）ｒｓｉ
ｎθ＝　　ｒ’　ｓｉｎθ’　−−−−−−−−−−−
−（６）式（１）から ψ＝　ｊａｎ−’　（−ｂ／ｄｘ）・・・−−−（７）
式（２）から ＡＰ、＝−ｄｘｓｅｃψ＝　−ｄｘｓｅｃｔａｎ−”　
（−ｂ／ｄｘ）・＝　−（８）式（２）、　（３）から ａｙ ｔａｎ　　ａ　＝　−＝　ｃｏｓ　　ψ　　−＋＋＋　
＋＋＋　＋＋＋　（１０）ｄｘ 式（４）から 皇 又 ＝□・・・・・・・−（１１） ｃｏｓθ−（ｄｙ／ｄｘ）　ｓｉｎ　Ｏｃｏｓψ式（５
）、（ｌｉ）から 式（６）から 動作は次の通りである。

駆動回路１４１によりモーター４３．１４５が往復回転
させられることにより、ミラー１３によるレーザー発振
器１１の反射ビームが生体の移動する範囲の２次元面を
走査する。ある走査位置て光ビームが散乱板９により散
乱され、その散乱光か集光レンズ２２で集光されてＰＳ
Ｄ２１に光スポットとして入射し、光量検出回路２３３
が所定の光量を検出すると、駆動回路１４１に走査を中
断させると共に、演算部３６は補正回路２３２からのｄ
ｘ、ｄｙ信号及びエンコーダ１４４．１４６からのθ、
ψ信号を基に「°、θ′を演算してψはそのままで「°
、　゛、ψ信θ 号を駆動回路３５１へ送出する。

これにより、モータ３５３及び３５５でレンズ３２の中
心位置を原点とする直交面の角度をθ゛、ψに調整する
と共に、モータ３５８で距離ｒ゛に対応して変化する光
スポット位置にＰＳＤ３１を調整する。

これにより、光量検出回路３４３が所定の光量を検出す
ると、自動追尾動作を終了させる。もし、検出し゛なけ
れば、ミラー１３の走査及び演算動作を再度行なわせる
。

このような自動追尾動作により、補正回路３４２からは
生体が移動しても、絶えず胸壁の呼吸及び心拍動に応じ
てレベルの変化する体表面変位信号を呼吸波検出回路４
０及び心拍液検出回路４１に供給する。

呼吸波検出回路４０に入力した補正回路３４２の出力信
号は、バンドパスフィルター４０１において心拍成分等
を低減され、第４図に示す呼吸波検出回路本体４０２に
入力信号Ｖｌとして供給される。

同図において、ＡＩ、Ａ２は演算増幅器、Ａ３はコンパ
レータ、Ａ４はインバータである。コンパレータＡ３の
出力信号■５が”１”のときにオンになるアナログスイ
ッチＳＷＩ、ダイオードＤ１及びコンデンサＣＩでピー
クホールド回路を構成し、出力信号ｖ５がθ″のときに
オンになるアナログスイッチＳＷ２、ダイオードＤ２及
びコンデンサＣ１でボトムホールド回路を構成している
。動作は周知の通りであるが、期間Ａについて説明する
と、その直前に第５図に示すように、コンパレータＡ３
の出力信号ｖ５が”１”になっていてピーク検出が行わ
れていたとする。入力信号ｖ１を演算増幅器Ａｌて反転
させた反転信号ｖ２が、抵抗Ｒ３、Ｒ４で分圧されて演
算増幅器Ａ２に入力し、そのピーク値がコンパレータＡ
３の一人力信号ｖ４となる。コンパレータ＾３の十人力
信号ｖ３は、反転信号ｖ２と出力信号ｖ５とが抵抗Ｒ６
、Ｒ７で分圧されて入力するために、反転信号ｖ２の降
下によりコンパレータＡ３が反転して出力信号ｖ５は”
θ″′になる。これにより、アナログスイッチＳＷ２が
オンになってボトム検出が行われる。コンパレータＡ３
の十人力信号ｖ３は、反転信号ｖ２と出力信号ｖ５とが
抵抗Ｒ６、Ｒ７にて分圧され、ボトムレベルである一人
力信号を下剤る０反転上号ｖ２が上昇すると、コンパレ
ータＡ３が反転して出力信号ｖ５は再び１”になる、こ
れにより、コンパレータＡ３からは呼吸波周期に対応し
た論理信号である出力信号ｖ５が出力される。

同様に、補正回路３４２の出力信号は心拍液検出回路４
１にも入力し、バンドパスフィルタ４１１において呼吸
波成分等の雑音を除去して心拍波のみを検出し、波形整
形回路４１２で心拍周期に対応したパルスに変換される
。

クロック発生回路４３３は１分ごとにクロックを発生し
、カウンタ４２１，４３１にその間の呼吸波信号及び心
拍波信号を計数させ、データ保持回路４２２．４３２に
１分ごとに更新される呼吸数及び心拍数データを保持さ
せる。表示部４５はその呼吸数及び心拍数を数値表示し
、記録部４４は記録紙にその連続記録を行う。

尚、前述の実施例において回路部分４０１．４０２．４
２１．４２２又は回路部分４１１，４１２．４］１．４
］２を廃止することにより、心拍数検出装置又は呼吸数
検出装置のみとして構成することもできる。光スポット
位置センサ２０．３０としては、ＣＣＤ型等のイメージ
センサを用い、その撮像面の読出し走査を行うことによ
り撮像面における光スポット位置の変位を検出しても良
い、光ビームの光源としてはＬＥＤを用いることも考え
られる。光ビームは尖頭値を増大させたパルス状とし、
光スポット位置センサ３０に各パルスに同期して光信号
を検出・保持する同期検波回路を付属させると、体表面
変位検出のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

（発明の効果） 以上、本発明により体表面変位に応動する反射光スポッ
トの変位を検出することにより、非接触式のあらゆる利
点を保持し得ると共に、光式であるためにスポット径を
容易に小さくすることができ、したがって超音波及びマ
イクロ波に比べて干渉が少なくなるために測定精度が向
上する。散乱板を使用することにより、確実に安定した
光反射が得られ、しかも被検者の移動又は寝返り等に応
じて受光センサが自動追尾するために、確実なモニタが
保証される。光を利用することから周辺機器へ妨害を与
える開通も一掃される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の非接触式体表面変位検出装置の光学系
及び付属回路の構成を示す図、第２図は本発明の一実施
例による非接触式体表面変位検出装置の光学系及び付属
回路の構成を示す図、第３図は同実施例の動作を説明す
る図、第４図は同実施例の呼吸波検出回路本体の回路構
成を例示する図及び第５図は第４図の各部の電圧関係を
示す図である。 ２．９・・・散乱板、　　１３−・・ミラー、１１−・
・レーザ発振器、　　２１．３ｌ−ＰＳＤ、２２．３２
・・・集光レンズ、 １４３．１４５．３５３．３５５．３５８・・・モータ
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被検者の移動する範囲の２次元面を光ビームで極座標系
   の原点からＸ−Ｙ平面上及びＺ軸からの角度（ψ、θ）
   を変化させて走査する駆動部を備えた光源と、前記光ビ
   ームが前記被検者の体表面に取付けられた散乱板で散乱
   されて、集光レンズで集光されることにより形成された
   光スポットの２次元位置を検出する第１の光スポット位
   置センサと、同様に前記散乱板による散乱が前記集光レ
   ンズよりも長い焦点距離の集光レンズで集光されること
   により形成された光スポットの位置を検出し、かつ入力
   する極座標信号に応動する駆動部を備えた第２の光スポ
   ット位置センサと、前記第１の光スポット位置センサの
   検出信号が所定レベルを上廻ったときの２次元位置の前
   記検出信号及び前記両軸面の前記走査角度信号を基に、
   前記第２の光スポット位置センサを原点とする前記散乱
   板の位置を規定する極座標信号を算出する演算部と、こ
   の演算部の出力信号に応動した前記第２の光スポット位
   置センサの検出信号から体表面変位波形を検出する体表
   面変位波形検出回路と、所定時間に対する前記体表面変
   位波形検出回路の出力信号を計数する体表面変位回数計
   数回路とを備えて成る非接触式体表面変位検出装置。