WO2007125728A1

WO2007125728A1 - 脈波測定装置

Info

Publication number: WO2007125728A1
Application number: PCT/JP2007/057380
Authority: WO
Inventors: Kazuhisa Tanabe
Original assignee: Omron Healthcare Co., Ltd.
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2007-11-08
Also published as: CN101426421B; DE602007010759D1; JP2007289501A; CN101426421A; JP4325638B2; EP2014227A1; EP2014227B1; TW200803790A; US20090209870A1; EP2014227A4

Abstract

　脈波測定装置は、動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサ（ＣＸ）と、反転入力端子が圧力検出用コンデンサ（ＣＸ）の一端に結合され、非反転入力端子が基準電圧に結合される演算増幅器（Ｇ１）と、一端が演算増幅器（Ｇ１）の反転入力端子に結合され、他端が演算増幅器（Ｇ１）の出力に結合される電荷転送用コンデンサＣＦと、一端が演算増幅器（Ｇ１）の反転入力端子に結合されるスイッチ（ＳＷ１）と、一端がスイッチ（ＳＷ１）の他端に結合され、他端が演算増幅器（Ｇ１）の出力に結合され、スイッチ（ＳＷ１）の他端および演算増幅器（Ｇ１）の出力を結合するか、あるいはスイッチ（ＳＷ１）の他端および演算増幅器（Ｇ１）の出力を非結合としてスイッチ（ＳＷ１）の他端に所定電圧を印加する電圧設定部（５４）とを備える。

Description

明細書

脈波測定装置

技術分野

[0001] 本発明は、脈波測定装置に関し、特に、静電容量素子を用いて動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置に関する。

背景技術

[0002] 非観血式で簡便に動脈内の圧力波形を得る圧脈波測定法として、 G丄. Pressman, P.M.Newgard, A Transducer for the continuous External Measurement of Arterial Blood Pressure", IEEE TRANSACTIONS ON BIO-MEDICAL ELECT RONICS, 1963, pp.74-81 (非特許文献 1)に記載されるトノメトリ法が知られている。トノメトリ法では、生体の表面に固形平板を押し当て、この固形平板によって動脈に平坦部が形成される程度に生体の表面を圧迫する。そして、動脈の表面に生じる張力の影響が除外された圧平衡状態を保つことにより、動脈内の圧力変化のみを精度よく安定して測定する。

[0003] 近年、トノメトリ法によって測定した動脈内の圧力波形力特徴量を算出することにより、生体内の状態を測定する試みがなされている。その試みの一つとして、動脈の硬化度合、を判断する指標である AI (Augmentation Index)値にっ、ての研究が鋭意行なわれている。

[0004] トノメトリ法を用いて動脈内の圧力波形を測定する条件としては、動脈に平坦部が形成される程度に生体の表面を圧迫することの他に、動脈に形成された平坦部の直上にセンサ素子が配置されることが必要になる。また、精度よく動脈内の圧力波形の測定を行なうためには、動脈に形成された平坦部の幅よりもセンサ素子の幅を小さく構成することが必要であり、そのためにはセンサ素子が動脈径よりも十分に小さいことが必要である。以上を考慮した場合、単一のセンサ素子を動脈に形成された平坦部の直上に位置決めして配置することは非常に困難であるため、微小加ェされた複数のセンサ素子が配置された圧力センサを動脈の延在方向と略直交するように配置して圧脈波を測定することが現実的である。 [0005] 一般に、圧力を測定するセンシング方式としては、歪み抵抗素子を利用したセンシング方式および静電容量素子を利用したセンシング方式が知られて、る。静電容量素子を利用したセンシング方式では、センサ素子の構造が歪み抵抗素子に比べて簡素であるため、多額の製造コストを要する半導体製造プロセスを利用することなく安価に製作できるというメリットがある。

[0006] たとえば、 Y.E.Park and K.D.Wise, "AN MOS SWITCHED- CAPACITOR RE ADOUT AMPLIFIER FOR CAPACITIVE PRESSURE SENSORS", Proc.IEEE Custom Circuit Conf" May 1983, pp.380- 384 (非特許文献 2)には、増幅器、コンデンサおよびスィッチ等で構成される電荷電圧変換方式のセンサ装置が開示されている。

[0007] ここで、前述のように複数のセンサ素子が配置された圧力センサを用いる場合、複数のセンサ素子からの出力を選択するマルチプレクサが必要となる。マルチプレクサは、通常 MOS (Metal Oxide Semiconductor)プロセスを使用して製造する必要がある。非特許文献 2記載のセンサ装置では、 MOSプロセスを使用していることから、マルチプレクサが必要となる場合でも製造プロセスの共通化を図ることができ、センサ装置の小型化を図ることができる。

[0008] 非特許文献 2記載のセンサ装置は、このように小型化を図ることができ、かつ MOS プロセスを使用して、るために消費電力が小さ!/、ことから、 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）圧力センサおよび MEMS加速度センサに採用されている。

非特干文献 1 : G丄. Pressman, P.M.Newgard, A Transducer for the Continuous

External Measurement of Arterial Blood Pressure", IEEE TRANSACTIONS ON BIO-MEDICAL ELECTRONICS, 1963, pp.74- 81

非特許文献 2 : Y.E.Park and K.D.Wise, "AN MOS SWITCHED- CAPACITOR R EADOUT AMPLIFIER FOR CAPACITIVE PRESSURE SENSORS", Proc.IEEE Custom Circuit Conf., May 1983, pp.380— 384

発明の開示

発明が解決しょうとする課題 [0009] ところで、非特許文献 2記載のセンサ装置では、並列に配置されたコンデンサおよびスィッチを介して増幅器の出力および入力が接続されることにより、帰還回路が形成されている。このスィッチを切り替えることにより、静電容量素子に蓄えられた電荷に対応する電圧、すなわち静電容量素子の静電容量に対応する電圧がセンサ出力として増幅器から出力される。ここで、帰還回路を構成するスィッチとしては、たとえば MOSアナログスィッチが用いられる。

[0010] 図 14は、 MOSアナログスィッチのオフ容量のバイアス電圧依存性の一例を示す図である。

[0011] 図 14を参照して、 MOSアナログスィッチはオフ状態においても数 pFのオフ容量を有しており、かつスィッチの両端に印加されるバイアス電圧に依存してオフ容量が変化する。

[0012] 図 15は、電荷電圧変換方式のセンサ装置において、図 14に示すバイアス電圧依存性を有する MOSアナログスィッチを使用した場合の直線性誤差を示す図である。

[0013] 図 15を参照して、非特許文献 2記載のセンサ装置等、電荷電圧変換方式のセンサ装置では、 MOSアナログスィッチ等、帰還回路を構成するスィッチのオフ容量のバイァス電圧依存性に起因して、増幅器の出力電圧すなわちセンサ装置の出力特性が非線形になってしまう。特に、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置においては、前述のように微小なセンサ素子を使用するため、良好なセンシング感度を確保するためには、帰還回路を構成するコンデンサの容量を小さくせざるを得ず、 MOST ナログスィッチのオフ容量に起因するセンサ出力の誤差が大きくなる。

[0014] それゆえに、本発明の目的は、出力特性が非線形になることを防ぎ、脈波検出の誤差を小さくすることが可能な脈波測定装置を提供することである。

課題を解決するための手段

[0015] この発明のある局面に係わる脈波測定装置は、生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置であって、動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサと、反転入力端子が圧力検出用コンデンサの一端に接続され、非反転入力端子が基準電圧に接続される演算増幅器と、一端が演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される電荷転送用コンデンサと、一端が演算増幅器の反転入力端子に接続される第 1のスィッチと、一端が第 1のスィッチの他端に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される電圧設定部とを備え、電圧設定部は、第 1のスィッチの他端および演算増幅器の出力を接続するか、あるいは第 1のスィッチの他端および演算増幅器の出力を非接続として第 1のスィッチの他端に所定電圧を印加する。

[0016] 好ましくは、電圧設定部は、一端が第 1のスィッチの他端に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される第 2のスィッチと、一端が第 1のスィッチの他端に接続され、他端が所定電圧に接続される第 3のスィッチとを含む。

[0017] 好ましくは、電圧設定部は、一端が第 1のスィッチの他端に接続され、他端が演算増幅器の出力に接続される第 2のスィッチと、一端が第 1のスィッチの他端に接続され、他端が所定電圧に接続される電圧設定用コンデンサとを含む。

[0018] 好ましくは、脈波測定装置は、さらに、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、制御部とを備え、制御部は、充電部、第 1のスィッチおよび電圧設定部を制御することにより、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加し、第 1のスィッチをオン状態とし、かつ第 1のスィッチの他端および演算増幅器の出力を接続し、その後、第 1のスィッチの他端および演算増幅器の出力を非接続とし、その後、第 1のスィッチの他端に所定電圧を印加し、かつ充電電圧の印加を停止する。

[0019] 好ましくは、脈波測定装置は、さらに、一端が圧力検出用コンデンサの一端に接続され、他端が演算増幅器の反転入力端子に接続される第 4のスィッチを備える。

[0020] より好ましくは、脈波測定装置は、さらに、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加する充電部と、制御部とを備え、制御部は、充電部、第 1のスィッチ、第 4のスィッチおよび電圧設定部を制御することにより、圧力検出用コンデンサの他端に充電電圧を印加し、第 1のスィッチをオン状態とし、第 4のスィッチをオン状態とし、かつ第 1のスィッチの他端および演算増幅器の出力を接続し、その後、第 4のスィッチをオフ状態とし、その後、第 1のスィッチの他端および演算増幅器の出力を非接続とし、その後、第 1のスィッチの他端に所定電圧を印加し、かつ充電電圧の印加を停止し、その後、第 4のスィッチをオン状態とする。

[0021] 好ましくは、所定電圧は基準電圧である。発明の効果

[0022] 本発明によれば、出力特性が非線形になることを防ぎ、脈波検出の誤差を小さくすることを防ぐことができる。

図面の簡単な説明

[0023] [図 1]本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置の外観図である。

[図 2]図 1に示す測定状態における手首および脈波測定装置の模式断面図である。

[図 3]本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置におけるセンサアレイ 19、マルチプレクサ 20および C—V変換部 21の構成を示す図である。

[図 4]センサアレイ 19の外観斜視図である。

[図 5]本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置の機能ブロック図である。

[図 6]本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の動作手順を定めたフローチャートである。

[図 7]本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置における C V変換部 21およびコンデンサ CXの構成を示す機能ブロック図である。

[図 8]本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置における C V変換部 21およびコンデンサ CXの構成を示す回路図である。

[図 9]本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の C V変換部 21の動作を示すタイムチャートである。

[図 10]本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の C V変換部 21の動作手順を定めたフローチャートである。

[図 11]本発明の第 2の実施の形態に係る脈波測定装置における C—V変換部 21およびコンデンサ CXの構成を示す回路図である。

[図 12]本発明の第 2の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の C V変換部 21の動作を示すタイムチャートである。

[図 13]本発明の第 2の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の C V変換部 21の動作手順を定めたフローチャートである。

[図 14]MOSアナログスィッチのオフ容量のバイアス電圧依存性の一例を示す図である。 [図 15]電荷電圧変換方式のセンサ装置において、図 14に示すバイアス電圧依存性を有する MOSアナログスィッチを使用した場合の直線性誤差を示す図である。符号の説明

[0024] 1 センサユニット、 3 表示ユニット、 11 CPU (制御部）、 12 ROM, 13 RAM, 14 駆動回路、 15 加圧ポンプ、 16 負圧ポンプ、 17 切り替え弁、 18 押圧カフ、 19 センサアレイ、 20 マルチプレクサ、 21 C— V変換部、 22 ローパスフィルタ、 2 3 AZD変換部、 24 操作部、 25 表示部、 26 PCB、 27 フレキシブル配線、 28 , 28A センサエレメント、 30 スぺーサ部材、 31 下部電極、 32 上部電極、 51 充電部、 52 電圧変換部、 53 電圧保持部、 54 電圧設定部、 55 差動増幅器、 1 00 脈波測定装置、 110 載置台、 120 センサユニット、 122 ケーシング、 130 締付けベルト、 200 腕、 210 動脈、 220 橈骨、 CX コンデンサ (圧力検出用コンデンサ）、 CC, CH1 コンデンサ、 CF 電荷転送用コンデンサ、 CS コンデンサ（電圧設定用コンデンサ）、 SW1〜SW4 スィッチ（第 1〜第 4のスィッチ）、 SW5, SW5 1〜SW54 スィッチ、 G1〜G2 演算増幅器、 VI, V2 電源。

発明を実施するための最良の形態

[0025] 以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

[0026] <第 1の実施の形態 >

[脈波測定装置の構成および基本動作]

図 1は、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置の外観図である。なお、図 1は、センサアレイを手首に押圧した測定状態を示している。図 2は、図 1に示す測定状態における手首および脈波測定装置の模式断面図である。

[0027] 図 1および図 2を参照して、脈波測定装置 100は、被験者の手首において動脈内の圧力波形を測定するためのものである。脈波測定装置 100は、載置台 110と、センサユニット 1と、締付けベルト 130とを備える。センサユニット 1は、ケーシング 122と、押圧カフ 18と、センサアレイ 19とを含む。

[0028] 載置台 110は、被験者の一方の腕 200の手首および前腕を載置するための載置部 112を含む。締付けベルト 130は、載置台 110に載置された腕 200の手首部分を固定する。センサユニット 1は、締付けベルト 130に取付けられ、センサアレイ 19を内蔵する。

[0029] 図 1を参照して、載置台 110に手首が固定された状態においては、動脈 210が腕 2 00の延在方向と平行な方向に位置する。図 2を参照して、センサユニット 1のケーシング 122内に内蔵された押圧カフ 18が膨張することにより、センサアレイ 19が下降し、手首の表面に向力つてセンサアレイ 19のセンサ面が押し当てられる。押圧カフ 18 は、後述する加圧ポンプ 15および負圧ポンプ 16により内圧が調整される。センサァレイ 19は、センサ面に設けられた後述する下部電極 31が動脈 210の延在方向と略直交する方向に延在するように配置される。

[0030] 押圧時においては、動脈 210が橈骨 220とセンサアレイ 19のセンサ面とによって上下方向から挟み込まれれた状態となり、動脈 210に平坦部が形成される。そして、動脈 210に形成された平坦部の直上に少なくとも 1個のセンサエレメント 28が位置することになる。

[0031] 図 3は、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置におけるセンサアレイ 19、マルチプレクサ 20および C—V変換部 21の構成を示す図である。図 4は、センサァレィ 19の外観斜視図である。

[0032] 図 3を参照して、センサアレイ 19は、マルチプレクサ 20と、 C— V変換部 21と組み合わされて使用される。 C— V変換部 21は、充電部 51を含む。

[0033] 図 4を参照して、センサアレイ 19は、下部電極 31と、上部電極 32と、スぺーサ部材 30とを含む。下部電極 31は、互いに並走するように行状に設けられた実質的に直線状に延びる複数の帯状銅箔電極からなる。上部電極 32は、下部電極 31と直交する方向に互、に並走するように列状に設けられた実質的に直線状に延びる複数の帯状銅箔電極からなる。下部電極 31および上部電極 32の間には、シリコンラバーからなるスぺーサ部材 30が配置される。

[0034] 行列状に配置された下部電極 31および上部電極 32の交差部においては、スぺーサ部材 30によって所定の距離だけ離れて下部電極 31と上部電極 32とが対向配置される。これにより、下部電極 31および上部電極 32の交差部においてセンサエレメント 28が形成される。すなわち、センサアレイ 19は、行列状に配置された複数個のセンサエレメント 28を含む。

[0035] センサエレメント 28は、上部電極 32または下部電極 31に加わる圧力によって互いに接近する方向に歪むことにより、静電容量が変化する。

[0036] 再び図 3を参照して、下部電極 31および上部電極 32の一方の電極にマルチプレクサ 20を介して C—V変換部 21が接続される。マルチプレクサ 20は、特定の下部電極 31および上部電極 32を選択する。このような構成により、行列状に配置された複数個のセンサエレメント 28のうちのいずれ力 1個の静電容量を C—V変換部 21の出力電圧として得ることが可能になる。たとえば、マルチプレクサ 20が、上から 2行目の下部電極 31と左から 3列目の上部電極 32とを選択した場合には、センサエレメント 2 8Aが C— V変換部 21に接続される。したがって、センサアレイ 19の任意の位置における圧力波形を測定することが可能になる。なお、図 3では上部電極 32がマルチプレクサ 20を介して充電部 51に接続されている力下部電極 31および上部電極 32の接続関係を逆にして下部電極 31がマルチプレクサ 20を介して充電部 51に接続される構成であってもよい。

[0037] 図 5は、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置の機能ブロック図である。

図 5を参照して、脈波測定装置 100は、センサユニット 1と、表示ユニット 3と、載置台 110とを備える。表示ユニット 3は、操作部 24と、表示部 25とを含む。センサュ-ット 1は、押圧カフ 18と、センサアレイ 19とを含む。載置台 110は、 ROM (Read Only Memory) 12と、 RAM (Random Access Memory) 13と、 CPU (Central Processing Unit) (制御部） 11と、駆動回路 14と、加圧ポンプ 15と、負圧ポンプ 16と、切り替え弁 17と、マルチプレクサ 20と、 C—V変換部 21と、ローパスフィルタ 22と、 AZD変換部 23とを含む。

[0038] 操作部 24は、外部からの操作を検出し、検出結果を操作信号として CPU11等に出力する。ユーザは、操作部 24を操作して脈波測定に関する各種情報を脈波測定装置 100に入力する。

[0039] 表示部 25は、動脈位置検出結果および脈波測定結果等の各種情報を外部に出力するための LED (Light Emitting Diode)と、 LCD (Liquid Crystal Display)とを含む。 [0040] ROM 12および RAM 13は、たとえば、脈波測定装置 100を制御するためのデータおよびプログラムを記憶する。

[0041] 駆動回路 14は、 CPU11からの制御信号に基づいて加圧ポンプ 15、負圧ポンプ 1 6および切り替え弁 17を駆動する。

[0042] CPU11は、 ROM12にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムを RAM13上に展開して実行し、脈波測定装置 100における各ブロックの制御および演算処理を行なう。また、 CPU11は、操作部 24から受けたユーザの操作信号に基づいて脈波測定装置 100における各ブロックの制御処理を行なう。すなわち、 CPU1 1は、操作部 24から受けた操作信号に基づいて制御信号を各ブロックに出力する。また、 CPU11は、脈波測定結果等を表示部 25に表示する。

[0043] 加圧ポンプ 15は、押圧カフ 18の内圧を加圧するためのポンプであり、また、負圧ポンプ 16は、押圧カフ 18の内圧を減圧するためのポンプである。切り替え弁 17は、カロ圧ポンプ 15および負圧ポンプ 16のいずれかを選択的にエア管 6に接続する。

[0044] 押圧カフ 18は、センサアレイ 19を手首上に押圧させるために加圧調整される空気袋を含む。

[0045] センサアレイ 19は、押圧カフ 18の圧力によって被験者の手首等の測定部位に押圧される。センサアレイ 19は、押圧された状態で、橈骨動脈を介して被験者の脈波すなわち動脈内の圧力波形を検出する。

[0046] マルチプレクサ 20は、 CPU11から受けた制御信号に基づいて、センサアレイ 19における複数個のセンサエレメント 28のうちのいずれ力 1個を選択する。 C— V変換部 2 1は、マルチプレクサ 20が選択したセンサエレメント 28の静電容量値を電圧に変換する、すなわち動脈内の圧力波形を表わす、動脈から生体表面に伝達される圧力振動波を電圧信号として出力する (以下、圧力信号とも称する)。

[0047] ローパスフィルタ 22は、 C—V変換部 21から受けた圧力信号のうち、所定の周波数成分を減衰させる。

[0048] AZD変換部 23は、ローノスフィルタ 22を通過したアナログ信号である圧力信号をデジタル信号に変換して CPU11に出力する。

[0049] なお、載置台 110が表示ユニット 3を含む構成であってもよい。また、載置台 110が CPU11、 ROM 12および RAM 13を備える構成とした力これらを表示ユニット 3が含む構成としてもよい。また、 CPU 11が PC (Personal Computer)と接続されて、各種制御を行なう構成であってもよヽ。

[0050] [脈波測定装置の動作]

図 6は、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の動作手順を定めたフローチャートである。図 6のフローチャートに示される処理は、 C PU11が、 ROM22にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムを R AM23上に展開して実行することによって実現される。

[0051] 図 6を参照して、まず、脈波測定装置 100に電源が投入されると、 CPU11は、駆動回路 14に対して負圧ポンプ 16を駆動するように指示する。駆動回路 14は、 CPU 11 力もの指示に基づいて切り替え弁 17を負圧ポンプ 16側に切り替え、負圧ポンプ 16 を駆動する（S101)。駆動された負圧ポンプ 16は、切り替え弁 17を介して押圧カフ 1 8の内圧が大気圧よりも十分に低くなるように減圧する。このような構成により、センサアレイ 19が不用意に突出して誤動作および故障が生じることを回避できる。

[0052] CPU11は、センサアレイ 19が測定部位に移動したことを検知すると（S102)、脈波測定を開始する。ここで、センサユニット 1は、センサアレイ 19の移動を検知するための図示しないマイクロスィッチ等を備え、 CPU11は、マイクロスイッチの検出信号に基づいてセンサアレイ 19の位置を認識する。なお、 CPU11は、操作部 24に含まれる測定開始スィッチ（図示せず)が押されたことを検知すると、脈波測定を開始する構成であってもよい。

[0053] CPU11は、センサアレイ 19が測定部位に移動すると（S102で YES)、駆動回路 1 4に対し、加圧ポンプ 15を駆動するように指示する。駆動回路 14は、 CPU11からの指示に基づいて切り替え弁 17を加圧ポンプ 15側に切り替え、加圧ポンプ 15を駆動する（S103)。駆動された加圧ポンプ 15は、切り替え弁 17を介して押圧カフ 18の内圧を加圧し、センサアレイ 19を被験者の測定部位の表面に押圧する。

[0054] センサアレイ 19が測定部位に押圧されると、マルチプレクサ 20は、 CPU11の制御に基づいて、 C—V変換部 21に接続するセンサエレメント 28を時分割で切り替える。 C V変換部 21は、マルチプレクサ 20が選択したセンサエレメント 28の静電容量値を電圧に変換する。ローパスフィルタ 22は、 C—V変換部 21から受けた圧力信号のうち、所定の周波数成分を減衰させる。 AZD変換部 23は、ローパスフィルタ 22を通過した圧力信号をデジタル情報に変換し、 CPU 11に出力する。

[0055] CPU11は、 AZD変換部 23から受けたデジタル情報に基づいてセンサエレメント 2 8の位置と圧力信号との関係を表わすトノグラムを作成し、表示部 25に表示する（S1 04)。

[0056] CPU11は、作成したトノグラムに基づいて、動脈上に位置するセンサエレメント 28 を検出して選択する（S105)。なお、センサエレメント 28を検出する処理については、本願出願人がすでに出願して公開されている特開 2004— 222847号公報に記載の技術等を用いることができる。

[0057] また、 CPU11は、 AZD変換部 23から受けたデジタル情報に基づいて、 C— V変換部 21から出力される圧力信号の直流成分を抽出する（S106)。圧力信号の直流成分は、所定期間の圧力信号の平均値、圧力信号のうちの所定周波数以下の成分すなわち脈波成分を除去した圧力信号、および脈波立上り点すなわち脈波成分が混入する直前の圧力信号レベル等で表わされる。

[0058] より具体的には、圧力信号の出力変化を所定期間ごとのウィンドウ（区間）に分割し、各ウィンドウ内の平均を算出することで、直流成分を抽出することができる。あるいは、各ウィンドウ内の最大値と最小値との中間値を算出する等を行なっても、同様に直流成分を抽出することができる。なお、上述の所定期間は、被験者の脈拍に拠らない予め脈波測定装置 100に設定されている期間であり、一般的な脈拍の間隔以上である 1. 5秒程度であることが好ましい。

[0059] 次に、 CPU11は、駆動回路 14を制御して最適圧力調整を行なう、すなわち圧力信号の直流成分が安定するように押圧カフ 18の内圧を調整する（S107)。

[0060] 次に、 CPU11は、 AZD変換部 23から受けたデジタル情報が表わす、現在選択している C—V変換部 21からの圧力信号に基づいて、波形データを取得し、取得した波形データに基づ、て脈波を測定する（S 108)。

[0061] そして、 CPU11は、脈波測定の終了条件が成立した場合には（S109で YES)、駆動回路 14を制御して負圧ポンプ 16を駆動し、測定部位に対するセンサアレイ 19の押圧状態を解除する (S110)。ここで、脈波測定の終了条件は、予め設定された所定時間（たとえば 30秒）の経過であってもよいし、ユーザからの測定終了の指示および測定中断の指示等であってもよい。

[0062] 一方、 CPU11は、所定条件が成立しない場合には（S 109で NO)、波形データの転送処理を繰り返し行ない、脈波測定を継続する（S108)。

[0063] [C V変換部およびセンサエレメントの構成および基本動作]

図 7は、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置における C—V変換部 21 およびコンデンサ CXの構成を示す機能ブロック図である。

[0064] 図 7を参照して、 C— V変換部 21は、充電部 51と、電圧変換部 52と、電圧保持部 5 3とを含む。コンデンサ (圧力検出用コンデンサ） CXは、センサエレメント 28に対応する。なお、図 7では説明を簡単にするためにマルチプレクサ 20を図示せず、また、マルチプレクサ 20が選択したコンデンサ CXのみを示している。

[0065] コンデンサ CXは、脈波測定装置 100のセンサアレイ 19が生体の表面に押し当てられた状態において、生体の動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する。

[0066] 充電部 51は、コンデンサ CXに充電電圧を印加して電荷を蓄える。電圧変換部 52 は、コンデンサ CXに蓄えられた電荷に基づ!/、てコンデンサ CXの静電容量を表わす変換電圧を生成し、電圧保持部 53に出力する。電圧保持部 53は、電圧変換部 52 力も受けた変換電圧を保持するとともにローパスフィルタ 22へ出力する。

[0067] 図 8は、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置における C—V変換部 21 およびコンデンサ CXの構成を示す回路図である。

[0068] 図 8を参照して、 C— V変換部 21は、センサエレメント 28に対応するコンデンサ（圧力検出用コンデンサ） CXと組み合わせて使用される。 C— V変換部 21は、コンデンサじじと、電荷転送用コンデンサ CFと、コンデンサ CH1と、スィッチ（第 1のスィッチ） SW1と、スィッチ（第 4のスィッチ） SW4と、スィッチ SW5と、演算増幅器 G1および G 2と、充電部 51と、電圧設定部 54とを備える。充電部 51は、スィッチ SW51〜SW54 と、電源 VIおよび V2とを含む。電圧設定部 54は、スィッチ (第 2のスィッチおよび第 3のスィッチ） SW2および SW3を含む。スィッチ SW1〜SW5は、たとえば MOSアナログスィッチである。なお、図 8では説明を簡単にするためにマルチプレクサ 20を図示せず、また、マルチプレクサ 20が選択したコンデンサ CXのみを示している。

[0069] ここで、演算増幅器 G1と、スィッチ SW1と、コンデンサ CFと、電圧設定部 54とが、図 7に示す電圧変換部 52に対応する。また、スィッチ SW5と、コンデンサ CH1とが、図 7に示す電圧保持部 53に対応する。

[0070] 演算増幅器 G1は、反転入力端子がコンデンサ CXの一端およびコンデンサじじの一端に接続され、非反転入力端子が接地電圧 (基準電圧）に接続される。コンデンサ CFは、一端が演算増幅器 G1の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器 G1 の出力に接続される。スィッチ SW1は、一端が演算増幅器 G1の反転入力端子に接続され、他端が電圧設定部 54の一端に接続される。電圧設定部 54は、他端が演算増幅器 G1の出力に接続される。

[0071] 電圧設定部 54にお、て、スィッチ SW2は、一端がスィッチ SW1の他端に接続され、他端が演算増幅器 G1の出力に接続される。スィッチ SW3は、一端がスィッチ SW1 の他端に接続され、他端が接地電圧 (基準電圧）に接続される。

[0072] スィッチ SW5は、一端が演算増幅器 G1の出力に接続され、他端がコンデンサ CH 1の一端および演算増幅器 G2の非反転入力端子に接続される。コンデンサ CH1の他端が接地電圧に接続される。演算増幅器 G2の反転入力端子が演算増幅器 G2の出力に接続される。

[0073] 充電部 51において、スィッチ SW51の一端が電源 VIの正電極に接続され、他端がスィッチ SW52の一端およびコンデンサ CXの他端に接続される。スィッチ SW54 の一端が電源 V2の負電極に接続され、他端がスィッチ SW53の一端およびコンデンサ CCの他端に接続される。スィッチ SW52の他端と、スィッチ SW53の他端と、電源 VIの負電極と、電源 V2の正電極とが接地電圧に接続される。また、電源 VIおよび V2の出力電圧値は VCCである。

[0074] コンデンサ CCは、カウンタ容量と呼ばれ、コンデンサ CXの静電容量のオフセットを調整する目的で配置される。

[0075] スィッチ SW1〜SW5は、それぞれ CPU11から受けた制御信号 SC1〜SC5に基づいてオン状態およびオフ状態を切り替える。スィッチ SW51〜SW54は、 CPU 11 力も受けた図示しな、制御信号に基づ、てオン状態およびオフ状態を切り替える。 [0076] 電圧設定部 54は、スィッチ SW1の他端および演算増幅器 G1の出力を接続するか、あるいはスィッチ SW1の他端および演算増幅器 G 1の出力を非接続としてスィッチ SW1の他端に接地電圧を印加する。

[0077] [C V変換部の動作]

図 9は、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の C—V変換部 21の動作を示すタイムチャートである。 VPはコンデンサ CXの他端に印加される電圧であり、 VNはコンデンサ CCの他端に印加される電圧であり、 VG1は演算増幅器 G1の出力電圧であり、 VOUTは演算増幅器 G2の出力電圧である。制御信号 SC1〜SC5がハイレベルの場合はそれぞれ対応するスィッチ SW1〜SW5がオン状態となり、ローレベルの場合はオフ状態となる。

[0078] 図 10は、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の C—V変換部 21の動作手順を定めたフローチャートである。図 10のフローチャートに示される処理は、 CPU11が、 ROM22にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムを RAM23上に展開して実行することによって実現される。

[0079] 図 9および図 10を参照して、まず、 CPU11は、スィッチ SW1、 SW2および SW4をオン状態とし、かつスィッチ SW3および SW5をオフ状態とする。また、 CPU11は、スイッチ SW52および SW53をオフ状態とし、かつスィッチ SW51および SW54をオン状態とすることにより、コンデンサ CXの他端に充電電圧 VCCを印加し、かつコンデンサ CCの他端に充電電圧 VCCすなわち充電電圧 VCCと絶対値が等しくかつ印加方向が逆の電圧を印加する (ステップ Sl)。

[0080] ここで、演算増幅器 G1の非反転入力端子に印加されている電圧すなわち接地電圧が演算増幅器 G1の出力から演算増幅器 G1の反転入力端子に帰還される。したがって、コンデンサ CXに充電電圧 VCCに対応する電荷が蓄えられ、また、コンデンサ CCに充電電圧—VCCに対応する電荷が蓄えられる。

[0081] 次に、 CPU11は、スィッチ SW4をオフ状態とする（ステップ S2)。

次に、 CPU11は、スィッチ SW1および SW2をオフ状態とすることにより、スィッチ S W1の他端および演算増幅器 G1の出力を非接続とする (ステップ S3)。

[0082] 次に、 CPU11は、スィッチ SW3をオン状態とすることにより、スィッチ SW1の他端に接地電圧（基準電圧）を印加する。また、 CPU11は、スィッチ SW52および SW53 をオン状態とし、かつスィッチ SW51および SW54をオフ状態とすることにより、充電電圧 VCCおよび—VCCの印加を停止し、コンデンサ CXの他端およびコンデンサ C Cの他端に接地電圧 (基準電圧)を印加する (ステップ S4)。

[0083] 次に、 CPU11は、スィッチ SW4をオン状態とする。そうすると、コンデンサ CXに蓄えられた電荷量およびコンデンサ CCに蓄えられた電荷量の差に対応する電荷がコンデンサ CFに移動する。そして、演算増幅器 G1からは、コンデンサ CFに蓄えられた電荷に対応する電圧が出力電圧 G1として出力される (ステップ S5)。より詳細には、コンデンサ CXの静電容量を CXとし、コンデンサ CCの静電容量を CCとし、充電電圧 VCCの電圧値を VCCとすると、コンデンサ CFに移動する電荷は、 (CX-CC) X VCCで表わされる。コンデンサ CFに移動した電荷は、コンデンサ CFの静電容量を CFとすると、演算増幅器 G1によって（（CX— CC) ZCF) XVCCで表わされる電圧に変換される。

[0084] 次に、 CPU11は、スィッチ SW5をオン状態とする。これにより、演算増幅器 G1の出力電圧に基づいてコンデンサ CH1が充電される（ステップ S6)。

[0085] 次に、 CPU11は、スィッチ SW5をオフ状態とする。これにより、演算増幅器 G2の非反転入力端子に入力される電圧が固定される。そして、演算増幅器 G2からは、コンデンサ CH1に蓄えられて、る電荷に対応する電圧すなわち生体の動脈内の圧力に対応する電圧が出力電圧 VOUTとしてローパスフィルタ 22に出力される（ステップ S7)。

[0086] CPU11は、ステップ S1〜S7の処理を繰り返すことにより、 C— V変換部 21から出力される圧力信号を更新する。これにより、動脈内の圧力波形が測定される。

[0087] ところで、非特許文献 2記載のセンサ装置等、電荷電圧変換方式のセンサ装置では、 MOSアナログスィッチ等、帰還回路を構成するスィッチのオフ容量のバイアス電圧依存性に起因して、増幅器の出力電圧すなわちセンサ装置の出力特性が非線形になってしまうという問題点があった。しかしながら、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置では、 CPU11は、スィッチ SW1および SW2をオフ状態とすることにより、スィッチ SW1の他端および演算増幅器 G1の出力を非接続とする。そして、 CP Ul lは、スィッチ SW3をオン状態とすることにより、スィッチ SW1の他端に所定電圧たとえば接地電圧を印加する。ここで、スィッチ SW3をオン状態とするとき、演算増幅器 G1の反転入力端子には接地電圧が演算増幅器 G1の出力から帰還されており、スィッチ SW1の一端には接地電圧が印加されている。このような構成により、電荷転送動作 (ステップ S5)の際にスィッチ SW1の両端に印加されるバイアス電圧を一定値とすることができるため、センサの出力特性が非線形になることを防ぎ、脈波検出の誤差を小さくすることができる。

[0088] また、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置では、 CPU11は、スィッチ SW1の他端に演算増幅器 G1の非反転入力端子に印加されている電圧である接地電圧を印加する構成により、スィッチ SW1の両端に同じ電圧を印加することでスイツチ SW1のオフ容量をほぼ 0とすることができ、センサの出力特性の誤差をさらに小さくすることがでさる。

[0089] また、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置は、一端がコンデンサ CXの一端に接続され、他端が演算増幅器 G1の反転入力端子に接続されるスィッチ SW4 を備える。そして、 CPU11は、コンデンサ CXに充電電圧 VCCに対応する電荷が蓄えられた後、スィッチ SW4をオフ状態とする。そして、スィッチ SW1の他端および演算増幅器 G1の出力を非接続とし、かつ、スィッチ SW1の他端に接地電圧を印加する。その後、 CPU 11は、スィッチ SW4をオン状態として、コンデンサ CXに蓄えられた電荷をコンデンサ CFに移動する。このように、スィッチ SW1の両端に印加されるバイァス電圧を一定値とし、かつオフ容量をほぼ 0とすることで、コンデンサ CXに蓄えられた電荷量およびコンデンサ CCに蓄えられた電荷量の差に対応する電荷をコンデンサ CFに移動する際にスィッチ SW1のオフ容量にも電荷が移動することを防ぐことができ、電荷移動がコンデンサ CFのみに限定されるため、センサ出力の直線性が良好となる。

[0090] また、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置では、スィッチ SW3としてたとえば MOSアナログスィッチを使用する。このような構成では、 C— V変換部 21を集積回路で構成した場合に同じプロセスでスィッチ SW3を構成することができ、 C—V 変換部の小型化を図ることができる。 [0091] また、本発明の第 1の実施の形態に係る脈波測定装置では、充電電圧の印加を停止するとき、コンデンサ CXの他端に基準電圧を印加する。より詳細には、 CPU11は、コンデンサ CXの他端への充電電圧 VCCの印加を停止するとき、コンデンサ CXの他端に演算増幅器 G1の非反転入力端子に印加されている電圧である接地電圧を印加する。このような構成により、演算増幅器 G1を直線性の良い範囲で動作させることがでさる。

[0092] 次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

[0093] <第 2の実施の形態 >

本実施の形態は、 C—V変換部 21の構成を変更した脈波測定装置に関する。

[0094] [C— V変換部の構成]

図 11は、本発明の第 2の実施の形態に係る脈波測定装置における C—V変換部 2 1およびコンデンサ CXの構成を示す回路図である。

[0095] 図 11を参照して、本発明の第 2の実施の形態に係る電圧設定部 54は、スィッチ S W4の代わりにコンデンサ（電圧設定用コンデンサ） CSを含む。

[0096] コンデンサ CSは、一端がスィッチ SW1の他端およびスィッチ SW2の一端に接続され、他端が所定電圧たとえば負電圧 VEEに接続されている。

[0097] [C V変換部の動作]

図 12は、本発明の第 2の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の C—V変換部 21の動作を示すタイムチャートである。 VPはコンデンサ CXの他端に印加される電圧であり、 VNはコンデンサ CCの他端に印加される電圧であり、 VG1は演算増幅器 G1の出力電圧であり、 VOUTは演算増幅器 G2の出力電圧である。制御信号 SC1〜SC5がハイレベルの場合はそれぞれ対応するスィッチ SW1〜SW5 がオン状態となり、ローレベルの場合はオフ状態となる。

[0098] 図 13は、本発明の第 2の実施の形態に係る脈波測定装置が脈波測定を行なう際の C—V変換部 21の動作手順を定めたフローチャートである。図 13のフローチャートに示される処理は、 CPU11が、 ROM22にアクセスしてプログラムを読み出し、読み出したプログラムを RAM23上に展開して実行することによって実現される。 [0099] 図 12および図 13を参照して、まず、 CPU11は、スィッチ SW1、 SW2および SW4 をオン状態とし、かつスィッチ SW5をオフ状態とする。また、 CPU 11は、スィッチ SW 52および SW53をオフ状態とし、かつスィッチ SW51および SW54をオン状態とすることにより、コンデンサ CXの他端に充電電圧 VCCを印加し、かつコンデンサ CCの他端に充電電圧 VCCすなわち充電電圧 VCCと絶対値が等しくかつ印加方向が逆の電圧を印加する (ステップ S 11)。

[0100] ここで、演算増幅器 G1の非反転入力端子に印加されている電圧すなわち接地電圧が演算増幅器 G1の出力から演算増幅器 G1の反転入力端子に帰還される。したがって、コンデンサ CXに充電電圧 VCCに対応する電荷が蓄えられ、また、コンデンサ CCに充電電圧—VCCに対応する電荷が蓄えられる。

[0101] 次に、 CPU11は、スィッチ SW4をオフ状態とする（ステップ S12)。なお、ステップ S 11および S12においては、スィッチ SW1および SW2がオン状態であるため、コンデンサ CSにも電荷が蓄えられる。

[0102] 次に、 CPU11は、スィッチ SW1および SW2をオフ状態とすることにより、スィッチ S W1の他端および演算増幅器 G1の出力を非接続とする (ステップ S13)。ここで、コンデンサ CSに蓄えられた電荷によってスィッチ SW1の他端は接地電圧 (基準電圧）に保たれる。

[0103] 次に、 CPU11は、スィッチ SW52および SW53をオン状態とし、かつスィッチ SW5 1および SW54をオフ状態とすることにより、充電電圧 VCCおよび VCCの印加を停止し、コンデンサ CXの他端およびコンデンサ CCの他端に接地電圧 (基準電圧）を印加する (ステップ S 14)。

[0104] 次に、 CPU11は、スィッチ SW4をオン状態とする。そうすると、コンデンサ CXに蓄えられた電荷量およびコンデンサ CCに蓄えられた電荷量の差に対応する電荷がコンデンサ CFに移動する。そして、演算増幅器 G1からは、コンデンサ CFに蓄えられた電荷に対応する電圧が出力電圧 G 1として出力される (ステップ S 15)。より詳細には、コンデンサ CXの静電容量を CXとし、コンデンサ CCの静電容量を CCとし、充電電圧 VCCの電圧値を VCCとすると、コンデンサ CFに移動する電荷は、 (CX-CC) XVCCで表わされる。コンデンサ CFに移動した電荷は、コンデンサ CFの静電容量を CFとすると、演算増幅器 Glによって（（CX— CC) ZCF) XVCCで表わされる電圧に変換される。

[0105] 次に、 CPU11は、スィッチ SW5をオン状態とする。これにより、演算増幅器 G1の出力電圧に基づいてコンデンサ CH1が充電される（ステップ S16)。

[0106] 次に、 CPU11は、スィッチ SW5をオフ状態とする。これにより、演算増幅器 G2の非反転入力端子に入力される電圧が固定される。そして、演算増幅器 G2からは、コンデンサ CH1に蓄えられて、る電荷に対応する電圧すなわち生体の動脈内の圧力に対応する電圧が出力電圧 VOUTとしてローパスフィルタ 22に出力される（ステップ S17) ₀

[0107] CPU11は、ステップ S11〜S17の処理を繰り返すことにより、 C— V変換部 21から出力される圧力信号を更新する。これにより、動脈内の圧力波形が測定される。

[0108] その他の構成および動作は第 1の実施の形態に係る脈波測定装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。

[0109] したがって、本発明の第 2の実施の形態に係る脈波測定装置では、第 1の実施の形態に係る脈波測定装置と同様に、出力特性が非線形になることを防ぎ、脈波検出の誤差を小さくすることができる。

[0110] 今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims

請求の範囲

[1] 生体の表面に押し当てることにより、動脈内の圧力波形を測定する脈波測定装置（ 100)であって、

前記動脈内の圧力に応じて静電容量が変化する圧力検出用コンデンサ (CX)と、反転入力端子が前記圧力検出用コンデンサ (CX)の一端に結合され、非反転入力端子が基準電圧に結合される演算増幅器 (G1)と、

一端が前記演算増幅器 (G1)の反転入力端子に結合され、他端が前記演算増幅器 (G1)の出力に結合される電荷転送用コンデンサ（CF)と、

一端が前記演算増幅器 (G1)の反転入力端子に結合される第 1のスィッチ (SW1) と、

一端が前記第 1のスィッチ (SW1)の他端に結合され、他端が前記演算増幅器 (G1 )の出力に結合される電圧設定部（54)とを備え、

前記電圧設定部（54)は、前記第 1のスィッチ (SW1)の他端および前記演算増幅器 (G1)の出力を結合するか、あるいは前記第 1のスィッチ（SW1)の他端および前記演算増幅器 (G1)の出力を非結合として前記第 1のスィッチ (SW1)の他端に所定電圧を印加する脈波測定装置。

[2] 前記電圧設定部（54)は、

一端が前記第 1のスィッチ (SW1)の他端に結合され、他端が前記演算増幅器 (G1 )の出力に結合される第 2のスィッチ（SW2)と、

一端が前記第 1のスィッチ (SW1)の他端に結合され、他端が前記所定電圧に結合される第 3のスィッチ (SW3)とを含む請求の範囲第 1項記載の脈波測定装置。

[3] 前記電圧設定部（54)は、

一端が前記第 1のスィッチ (SW1)の他端に結合され、他端が前記所定電圧に結合される電圧設定用コンデンサ (CS)とを含む請求の範囲第 1項記載の脈波測定装置

[4] 前記脈波測定装置（100)は、さらに、前記圧力検出用コンデンサ (CX)の他端に充電電圧を印加する充電部（51)と、制御部（11)とを備え、

前記制御部（11)は、前記充電部（51)、前記第 1のスィッチ（SW1)および前記電圧設定部（54)を制御することにより、

前記圧力検出用コンデンサ (CX)の他端に前記充電電圧を印加し、前記第 1のスイッチ（SW1)をオン状態とし、かつ前記第 1のスィッチ（SW1)の他端および前記演算増幅器 (G1)の出力を結合し、その後、

前記第 1のスィッチ (SW1)の他端および前記演算増幅器 (G1)の出力を非結合とし、その後、

前記第 1のスィッチ（SW1)の他端に前記所定電圧を印加し、かつ前記充電電圧の印加を停止する請求の範囲第 1項記載の脈波測定装置。

[5] 前記脈波測定装置（100)は、さらに、

一端が前記圧力検出用コンデンサ (CX)の一端に結合され、他端が前記演算増幅器 (G1)の反転入力端子に結合される第 4のスィッチ（SW4)を備える請求の範囲第 1項記載の脈波測定装置。

[6] 前記脈波測定装置（100)は、さらに、

前記圧力検出用コンデンサ (CX)の他端に充電電圧を印加する充電部（51)と、制御部（11)とを備え、

前記制御部（11)は、前記充電部（51)、前記第 1のスィッチ（SW1)、前記第 4のスイッチ (SW4)および前記電圧設定部（54)を制御することにより、

前記圧力検出用コンデンサ (CX)の他端に前記充電電圧を印加し、前記第 1のスイッチ（SW1)をオン状態とし、前記第 4のスィッチ（SW4)をオン状態とし、かつ前記第 1のスィッチ (SW1)の他端および前記演算増幅器 (G1)の出力を結合し、その後前記第 4のスィッチ (SW4)をオフ状態とし、その後、

前記第 1のスィッチ（SW1)の他端に前記所定電圧を印加し、かつ前記充電電圧の印加を停止し、その後、

前記第 4のスィッチ (SW4)をオン状態とする請求の範囲第 5項記載の脈波測定装置。

[7] 前記所定電圧は前記基準電圧である請求の範囲第 1項記載の脈波測定装置。