WO2018194093A1

WO2018194093A1 - 生体情報の推定装置

Info

Publication number: WO2018194093A1
Application number: PCT/JP2018/016009
Authority: WO
Inventors: 鈴木　哲
Original assignee: 学校法人関西大学; テルモ株式会社
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2018-10-25
Also published as: JP2021003567A; JP6764022B2; CN110573069B; JPWO2018194093A1; JP7079452B2; EP3613341A1; EP3613341A4; CN110573069A; US20200129084A1

Abstract

心臓に向けて電波を照射する送信部１２及び送信アンテナ１３と、心臓を透過した電波、又は心臓で反射した電波を受信する受信アンテナ１４及び受信部１５と、受信部１５で受信された電波の振幅又は位相、及び心臓の比吸収率に基づいて、心臓に含まれる血液の容量やその変化量を推定する推定部１１と、を備える。

Description

生体情報の推定装置

　本発明は、非接触かつ非拘束で、臓器や手足など、生体組織に関する情報を推定することができる生体情報の推定装置に関する。

　従来、心不全の診断、予後における治療効果又は投薬効果を確認するために、一回拍出量及び心拍出量を計測することが行われている。具体的な計測方法としては、Ｆｉｃｋ法、色素希釈法、スワンガンツカテーテルによる熱希釈法などに代表される観血式が挙げられる。非観血式の計測方法は、キュビチェクの四電極法や超音波エコーによる診断が提案されている。しかし、これらの計測方法は、測定対象者を拘束する必要があったり、十分な精度がでないなどの問題があり、現在では使用されていない。

　一方、本発明者は、心臓を透過したマイクロ波は、心臓の収縮、拡張の動きに応じて振幅や位相が変化することを発見し、このような発見に基づいて、心臓を透過したマイクロ波を解析することで心拍を得ることができる心拍検知装置を提案した（特許文献１参照）。また、本発明者は、非接触かつ非拘束で測定対象者の心容積及び心拍出量の時系列変化を検出することができる心容積及び心拍出量の推定装置を提案した（特許文献２参照）。

　特許文献２では、心容積の推定にあたり、心臓が球形であることを仮定していた。このため、心臓以外の臓器等に適用することが難しかった。例えば、血管の容積を計測し、それに基づいて血流の状態を推定することができなかった。

　また、心拍出量等に限らず、浮腫によって手足に溜まる水分の量、肺うっ血によって肺に溜まる水分の量、膀胱の容積や膀胱内の尿の変化量を計測する技術が種々提案されている（特許文献３～５参照）。しかしながら、これらの計測方法についても、測定対象者に何らかの装置を装着し、又は測定対象者を拘束する必要があるなどの問題がある。このように、従来技術では、測定対象者（生体）の組織（心臓、血管、肺、膀胱、手足など）に含まれる血液等の液体の容量やその変化量（以下、生体の組織中の液体の容量及びその変化量を生体情報という）を非接触かつ非拘束で推定することができなかった。

特開２０１３－１５３７８３号公報特開２０１６－２０２５１６号公報特開平５－２３７１１９号公報特表２０１０－５３２２０８号公報特開２００５－０８７５４３号公報

　本発明は、このような事情に鑑み、非接触又は非拘束で組織に含まれる液体の容量やその変化量を推定することができる生体情報の推定装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するための第１の態様は、生体の組織に向けて電波を照射する電波送信手段と、組織を透過した電波、又は組織で反射した電波を受信する電波受信手段と、前記電波受信手段で受信した電波の振幅又は位相、及び組織の比吸収率に基づいて組織に含まれる液体の容量を推定する推定手段と、を備えることを特徴とする生体情報の推定装置にある。

　第１の態様では、組織の比吸収率及び上記電波の振幅又は位相に基づいて、心臓を含む多種多様な臓器に含まれる液体の容量を推定することができる。

　本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の生体情報の推定装置において、前記推定手段は、組織に含まれる液体の容量を次式により演算することを特徴とする生体情報の推定装置にある。

　Ｖ：組織に含まれる液体の容量、Ｍ：組織の質量、σ：組織の導電率、Ｅ：前記電波受信手段により受信された電波の振幅、ＳＡＲ：組織の比吸収率

　第２の態様では、組織が球形であるなどの仮定を行わない上記推定式を用いる。これにより、組織の形状に依存せずに多種多様な組織に含まれる液体の容量を推定することができる。

　本発明の第３の態様は、第１の態様に記載の生体情報の推定装置において、前記推定手段は、前記電波受信手段で受信した電波の振幅又は位相の変化量、及び前記比吸収率に基づいて組織に含まれる液体の容量の変化量を推定することを特徴とする生体情報の推定装置にある。

　第３の態様では、組織の比吸収率及び上記電波の振幅又は位相の変化量に基づいて、組織に含まれる液体の容量の変化量を推定することができる。

　本発明の第４の態様は、第３の態様に記載の生体情報の推定装置において、前記推定手段は、組織に含まれる液体の容量の変化量を次式により演算することを特徴とする生体情報の推定装置にある。

　ΔＶ：組織に含まれる液体の容量の変化量、Ｍ：組織の質量、σ：組織の導電率、Ｅｍａｘ、Ｅｍｉｎ：前記電波受信手段により受信された電波の振幅の最大値、最小値、ＳＡＲ：組織の比吸収率

　第４の態様では、組織が球形であるなどの仮定を行わない上記推定式を用いる。これにより、組織の形状に依存せずに多種多様な組織に含まれる液体の容量の変化量を推定することができる。

　本発明の第５の態様は、第３の態様に記載の生体情報の推定装置において、前記推定手段は、前記電波受信手段で受信した電波の振幅に含まれるドリフト成分の増加又は減少に基づいて組織に含まれる液体の容量の変化量を推定し、前記振幅からドリフト成分を除いた直流成分に基づいて組織に含まれる液体の容量を推定することを特徴とする生体情報の推定装置にある。

　第５の態様では、組織にそもそも含まれている水の容量、組織に含まれる水の長期的な変化量を得ることができ、それらの水の容量や変化量を対象者の診断に利用することができる。

　本発明の第６の態様は、第１から第５の何れか一つの態様に記載の生体情報の推定装置において、前記組織は心臓又は血管であり、前記組織に含まれる液体は血液であることを特徴とする生体情報の推定装置にある。

　第６の態様では、心臓に含まれる血液の容量やその変化量（一回拍出量）、さらには心容積を推定することができる。

　本発明の第７の態様は、第１から第５の何れか一つの態様に記載の生体情報の推定装置において、前記組織は肺であり、前記組織に含まれる液体は水であることを特徴とする生体情報の推定装置にある。

　第７の態様では、肺内部の水分の変化量を推定することができる。

　本発明の第８の態様は、第１から第５の何れか一つの態様に記載の生体情報の推定装置において、前記組織は膀胱であり、前記組織に含まれる液体は尿であることを特徴とする生体情報の推定装置にある。

　第８の態様では、膀胱内部の尿の変化量を推定することができる。

　本発明の第９の態様は、第１から第５の何れか一つの態様に記載の生体情報の推定装置において、前記組織は手又は足であり、前記組織に含まれる液体は水であることを特徴とする生体情報の推定装置にある。

　第９の態様では、浮腫により手足に溜まる水分の変化量を推定することができる。

　本発明によれば、非接触又は非拘束で組織に含まれる液体の容量やその変化量を推定することができる生体情報の推定装置が提供される。

実施形態１に係る生体情報の推定装置の概略構成図である。心臓に対するアンテナの配置を示す概略図である。サンプリング部が出力した電界強度を示す図である。サンプリング部が出力した電界強度を示す図である。血管を流通する血液量を推定する機序を説明するための概略図である。血管を流通する血液量を推定する機序を説明するための概略図である。血管を流通する血液量を推定する機序を説明するための概略図である。肺に対するアンテナの配置を示す概略図である。サンプリング部が出力した電界強度を示す図である。パルス波形のマイクロ波を用いた場合において、サンプリング部が出力した電界強度を示す図である。

　〈実施形態１〉
　本発明の生体情報の推定装置（以下、単に推定装置と称する）は、生体の組織を対象とし、非接触かつ非拘束で生体情報を推定する装置である。生体情報とは、生体の組織に含まれる液体の容量、又は当該容量の変化量をいう。生体の組織としては、心臓、血管、肺、手足、膀胱などが挙げられるがこれらに限定されず、比吸収率が既知の組織であれば本発明を適用できる。また、組織に含まれる液体としては、心臓及び血管の場合は血液であり、肺や手足の場合は水であり、膀胱の場合は尿である。

　本実施形態では、生体の組織として人体の心臓を対象とし、心臓に含まれる血液の容量を計測する推定装置について説明する。図１は、本実施形態に係る生体情報の推定装置の概略構成図であり、図２は、心臓に対するアンテナの配置を示す概略図である。図２の符号１１０は収縮期の心臓を表し、符号１２０は拡張期の心臓を表している。

　図１に示すように、推定装置１０は、推定手段として推定部１１と、電波送信手段として送信部１２及び送信アンテナ１３と、電波受信手段として受信部１５及び受信アンテナ１４と、検波部１６と、サンプリング部１７と、記憶部１８とを備えている。

　送信部１２は、高周波、好ましくはマイクロ波を人体に対して送信するための装置である。マイクロ波は、人体の心臓を透過し、又は心臓で反射することができれば、どのような周波数帯が用いられてもよい。本実施形態では、例えば、サブギガ帯を含む１ＧＨｚ前後の周波数を用いている。送信出力は、受信側にて十分な電力が検出できる程度でよい。本実施形態では、数ｍＷ～数十ｍＷとした。また、マイクロ波は、連続波、パルス波、又は位相変調若しくは周波数変調を施した電磁波でもよい。送信部１２は、図示しないマイクロ波発振器によって生成された高周波信号を送信アンテナ１３へ供給する。

　送信アンテナ１３は、送信部１２によって送信されたマイクロ波を人体１００の心臓へ向けて照射する機器である。受信アンテナ１４は、送信アンテナ１３から放射されたマイクロ波を受信するための機器である。

　図２（ａ）に示すように、送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４は、人体１００の心臓１１０をマイクロ波が透過するように対向して設置されている。偏波については水平偏波、垂直偏波のどちらを使用してもよい。または、図２（ｂ）に示すように、送信アンテナ１３は、心臓１１０へ向けてマイクロ波を出力するように配置し、受信アンテナ１４は、心臓１１０で反射したマイクロ波を受信するように配置してもよい。マイクロ波が人体を透過又は人体の様々な場所で反射することで、マイクロ波の振幅や位相が変化して受信アンテナ１４に受信される。

　なお、図２（ａ）の例では、送信アンテナ１３は人体１００の前面、受信アンテナ１４は人体１００の背面に設置したが逆でもよいし、人体１００の側面にそれぞれ配置するなどしてもよい。いずれにしても、マイクロ波が人体１００を透過し、そのマイクロ波を受信できる配置であればよい。図２（ｂ）の例では、送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４は、人体１００の前面側に配置されているが、特に配置に限定はない。また、送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４はダイポールアンテナを用いたが、アンテナの形式は特に限定はない。偏波については水平偏波、垂直偏波のどちらを使用してもよい。

　図１に示すように、受信部１５は、受信アンテナ１４によって送信されたマイクロ波を受信した信号を、検波部１６が必要とする信号へ変換する手段である。検波部１６は、受信部１５によって受信したマイクロ波の検波を行う手段である。検波部１６は、包絡線検波（振幅検波）もしくは位相検波によってマイクロ波の復調を行う。また、検波部１６は、周波数解析によって特定の周波数成分を取り出してマイクロ波の復調を行ってもよい。

　サンプリング部１７は、検波信号を既定の周波数によってサンプリングし、電界強度をデジタル信号に変換する手段である。具体的には、公知のＡ／Ｄ変換器やソフトウェアによる処理によりサンプリングが行われる。

　記憶部１８は、推定部１１で行われる各種演算に必要な記憶領域として機能するメモリやハードディスクなどの装置である。記憶部１８には、後述する推定式や心臓の比吸収率、導電率、質量など各種パラメータが記憶されている。

　推定部１１は、送信部１２に対してマイクロ波の出力を指示したのち、サンプリング部１７から受信したデジタル信号として表された電波の振幅や位相を解析し、心臓に含まれる血液の容量を演算するための手段である。このようにして演算された血液の容量を、人体１００の心臓に含まれる血液の容量として推定する。

　なお、本実施形態では、推定部１１は、一般的なパーソナルコンピュータなどの情報処理装置により実行されるプログラムの機能として実装されている。また、送信部１２、受信部１５、検波部１６及びサンプリング部１７は電子回路（ハードウェア）として実装され、推定部１１により制御が可能となっている。もちろん、推定部１１、送信部１２、受信部１５、検波部１６及びサンプリング部１７のそれぞれはプログラムで実装されてもよいし、電子回路で実装されていてもよい。

　図３は、サンプリング部１７が出力した電波を示す図である。図３の横軸は時間を表し、縦軸は電界強度（振幅）を示している。

　図中の符号Ｅ０は、送信アンテナ１３により放射されるマイクロ波の電界強度を示しており、一定である。符号Ｅは、受信アンテナ１４より受信し、検波部１６で検波され、サンプリング部１７でデジタル化された電界強度Ｅを示している。また、心臓が収縮期にあるときの時刻をｔ１、心臓が拡張期にあるときの時刻をｔ２とする。電界強度Ｅのうち、時刻ｔ１における電界強度をＥｍａｘ、時刻ｔ２における電界強度をＥｍｉｎとする。

　心臓を透過又は反射したマイクロ波の電界強度Ｅは、主として心臓内の血液量により強度が変化（減衰）する。例えば、血液量が少ないとき、すなわち心臓の収縮期（時刻ｔ１）においては電界強度の減衰量Δ１は相対的に小さい。一方、血液量が多いとき、すなわち心臓の拡張期（時刻ｔ２）においては電界強度の減衰量Δ２は相対的に大きい。

　このように、電界強度Ｅは、心臓の収縮・拡張に合わせて振幅が変化したものとなる。電界強度Ｅの変化は、心臓の収縮・拡張に密接に関連した情報であると考えられる。したがって、この電界強度を解析することで、心臓に含まれる血液の容量を推定することができる。ここでいう心臓に含まれる血液とは、心室・心房中の血液をいう。心室・心房中の血液の容量は、心房・心室の容積（心容積）と略等しいので、心臓に含まれる血液の容量を推定するということは、心容積の推定と同義である。

　心臓に含まれる血液の容量は、上述のようにして得られた電界強度Ｅと、心臓の比吸収率と、推定式を用いて演算する。比吸収率（ＳＡＲ）とは、式１に示すように、人体の単位質量の組織に単位時間に吸収されるエネルギー量のことをいい、単位は［Ｗ／ｋｇ］である。

　σは心臓の導電率［Ｓ／ｍ］であり、ρは心臓の密度［ｋｇ／ｍ^３］である。比吸収率は式１のように求められるが、心臓の比吸収率は公知となっており、これを予め記憶部１８に記憶させておく。

　式１の密度ρは、式２のように定義される。Ｖは心臓の体積［ｍ^３］であり、Ｍは心臓の質量［ｋｇ］である。

　式１に式２を代入し、Ｖについて変形することで式３が得られる。この式３が上述した推定式である。

　心臓の質量Ｍ、導電率σ、比吸収率ＳＡＲは、公知のものを用い、予め記憶部１８に記憶させておく。推定部１１は、質量Ｍ、導電率σ及び比吸収率ＳＡＲを記憶部１８から読みだし、サンプリング部１７から得られた電界強度Ｅを上記式３の推定式に代入して得られたＶを心臓に含まれる血液の容量、すなわち心容積とみなす。

　以上に説明したように、推定装置１０によれば、人体を透過又は反射したマイクロ波を用いるので、人体に対して非接触であり、かつ人体を非拘束で、心臓中の血液の容量及び心容積を推定することができる。また、推定装置１０は、心臓の導電率及び比吸収率を用いるが、心臓の形状について仮定を行わない。このため、例えば心臓の形状が球形であるといった仮定を行う場合よりも精度よく、心臓に含まれる血液の容量及び心容積を推定することができる。また、心臓が球形であるといった形状の仮定を行わないので、心臓以外の組織に対しても、組織に含まれる液体の容量を推定することができる。

　〈実施形態２〉
　実施形態１の推定装置１０は、心臓に含まれる血液の容量及び心容積を推定したが、これに限定されない。例えば、血液の容量及び心容積の変化量を推定してもよい。本実施形態では、当該変化量を推定する推定装置１０について説明する。なお、本実施形態の推定装置１０は、実施形態１の推定装置１０と構成は同様であるので図示は省略する。

　図３で示したように、電界強度Ｅは、心臓の収縮・拡張によって変化している。したがって、任意の２つのタイミングにおける電界強度の差は、心臓中の血液の容量の差に相関する量であると推定することができる。２つのタイミングとして、心臓の収縮期と拡張期を選択する。これにより、収縮期と拡張期のそれぞれにおける血液の容量の変化量を推定することができる。この血液の容量の変化量は、一回拍出量に該当すると考えられる。一回拍出量とは、心室が１回で拍出する血液量のことである。

　このような機序に基づき、本実施形態の推定部１１は、心臓内における血液の容量の変化量を、電界強度Ｅの振幅の変化及び比吸収率から演算する。具体的には、推定部１１は、収縮期の電界強度Ｅｍａｘと拡張期の電界強度Ｅｍｉｎのそれぞれを特定する。例えば、心臓の一回の拍出に掛る周期内において、最大の電界強度を検出し、これを収縮期の電界強度Ｅｍａｘとする。同様に、最小の電界強度を検出し、これを拡張期の電界強度Ｅｍｉｎとする。

　これらの電界強度Ｅｍａｘ、Ｅｍｉｎを上記推定式（式３）に適用し、収縮期の心臓に含まれる血液の容量（心容積）Ｖ_ｓ及び拡張期の心臓に含まれる血液の容量（心容積）Ｖ_ｄを求める。そして、式４に示すように、心容積Ｖ_ｓと心容積Ｖ_ｄの差分を演算する。

　心容積Ｖ_ｓと心容積Ｖ_ｄの差分である心容積の変化量ΔＶは、心臓が一回の拍出によって動脈へ拍出する血液の量［ｍＬ］である一回拍出量を表す。このように、電界強度Ｅの変化量、及び心臓の比吸収率を推定式に適用することで、心容積の変化量ΔＶ、及び心臓に含まれる血液の変化量である一回拍出量を得ることができる。

　図３に示した例では、受信した電界強度の差、つまり振幅の差に基づいて心容積の変化量を求めたが、このような態様に限定されず、位相の差に基づいて心容積の変化量を求めてもよい。

　図４は、サンプリング部が出力した電界強度を示す図である。図４の横軸は時間を表し、縦軸は電界強度（振幅）を示している。パルス波形のマイクロ波を人体に反射させ、その反射波をサンプリング部１７で検出したものが図示されている。マイクロ波は、パルス波の位相がずれて観測される。図示するように、例えば、時刻ｔ１と時刻ｔ２との時間差だけ位相がずれた位相差が観測される。このような電波の位相差は、心臓の収縮・拡張によって生じていると考えられる。

　したがって、電波の位相差は、心臓中の血液の容量の差に相関する量であると推定することができる。したがって、推定部１１は、得られた電波の位相差を演算し、これに所定の演算をすることで、血液の容量の変化量を推定することができる。

　〈実施形態３〉
　本実施形態の推定装置１０は、組織に含まれる液体として、血管を流通する血液を対象とする。本実施形態の推定装置１０は、実施形態１の推定装置１０と構成は同様であるので図示は省略する。図５は、血管を流通する血液の流量（以下、血液量）を推定する機序を説明するための概略図である。

　皮膚１３０の内側には血管１４０があり、皮膚１３０の表面側に、マイクロ波の送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４が一体化されたものが配置されている。送信アンテナ１３は、所定の照射角度θで皮膚１３０に向けてマイクロ波を出力する。受信アンテナ１４は、血管１４０で反射したマイクロ波を受信する。

　このような血管１４０を対象とした場合、心臓と同様に、マイクロ波は血管１４０内を透過し、血液によって吸収されると考えられる。ここで、血管１４０は脈動して径が変動するので、血液量も変動する。したがって、血液量が変動すると、マイクロ波の吸収量も変動するので、受信アンテナ１４で受信した電界強度の変化を血液量の変化として捉えることができる。

　具体的な推定方法について説明する。推定対象の一本の血管１４０の所定範囲における長さをｌとすると、長さｌ［ｍ］は式５で定義される。

　ｘは皮膚１３０の表面から血管１４０までの距離であり、θはマイクロ波の照射角度である。次に、一本の血管１４０の血管径をｒとすると、血管径ｒは式６で定義される。

　ρは生体組織（血管）内の密度［ｋｇ／ｍ^３］、Ｅは受信アンテナ１４で得られた電界の実効値［Ｖ／ｍ］、ＳＡＲ_０は基準位置Ｐ０における血管の比吸収率、ＳＡＲは基準位置Ｐ０から生体内側へ向けて血管径ｒだけ進んだ位置における血管の比吸収率、ｆはマイクロ波の周波数［Ｈｚ］、μは血管の透磁率［Ｈ／ｍ］、σは血管の導電率［Ｓ／ｍ］、Ｖは受信アンテナ１４の誘起電圧［Ｖ］、Ｖ_０は送信アンテナ１３から出力される電圧［Ｖ］である。

　推定対象の一本の血管１４０の所定範囲における体積をＱとすると、体積Ｑは式７で定義される。なお、血管１４０の体積（容積）Ｑは、その内部を流通する血液の容量（血液量）と同義である。

　この式７の長さｌと血管径ｒのそれぞれに式５、式６を代入して、式８を得ることができる。

　記憶部１８には、血管の密度ρ、比吸収率ＳＡＲ_０、比吸収率ＳＡＲ、血管の透磁率μ、血管の導電率σを予め記憶させておく。そして、推定部１１は、記憶部１８から読み取った各値、受信アンテナ１４から得られた電波の誘起電圧Ｖ、送信アンテナ１３から出力した電圧Ｖ_０、マイクロ波の照射角θ及び周波数ｆを式６，式８に代入して体積Ｑを演算する。

　以上に説明したように、推定装置１０によれば、人体の血管を反射したマイクロ波を用いるので、人体に対して非拘束で、血管中の血液量を推定することができる。

　〈実施形態４〉
　実施形態３では、計測対象が一本の血管を想定したが、このような態様に限定されず、別のモデルであっても本発明を適用できる。本実施形態の推定装置１０は、実施形態３の推定装置１０と構成は同様であるので図示は省略する。図６は、血管を流通する血液量を推定する機序を説明するための概略図である。なお、本実施形態で再定義しない限り、実施形態３と同じ意味の変量については、同一の変数名を用いている。

　送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４の配置等については、実施形態３と同様である。送信アンテナ１３の指向性や送信電界強度を変化させることで、生体の電波の吸収状態が異なることが想定できる。そこで、本実施形態では、電波の放射範囲が円柱状であると仮定し、その円柱内にある組織全体での血液量を推定する。

　具体的な推定方法について説明する。計測対象の血管層の皮膚側の面に仮想的な円を想定する。この円の面積Ｓは式９のように定義される。ｒは、仮想的な円の半径である。

　円柱の高さをｌとする。この円柱の高さｌは、マイクロ波を照射して計測できる深さを表している。この高さｌは式１０のように定義される。なお、式１０は、式６と同様に導くことができる。

　推定対象の円柱状の体積を有する組織全体の体積をＱとすると、体積Ｑは式１１に式９、式１０を代入して導かれた式１２により定義される。なお、円柱状の体積（容積）Ｑは、その内部を流通する血液の容量（血液量）と同義である。

　記憶部１８には、血管の密度ρ、比吸収率ＳＡＲ_０、比吸収率ＳＡＲ、血管の透磁率μ、血管の導電率σを予め記憶させておく。そして、推定部１１は、記憶部１８から読み取った各値、受信アンテナ１４から得られた電波の誘起電圧Ｖ、送信アンテナ１３から出力した電圧Ｖ_０、マイクロ波の照射角θ及び周波数ｆを式１２に代入して体積Ｑを演算する。この体積Ｑは、マイクロ波の放射範囲である円柱状の領域に流通する血液の容量を意味する。

　以上に説明したように、推定装置１０によれば、人体の血管を反射したマイクロ波を用いるので、人体に対して非拘束で、血管中の血液量を推定することができる。特に、実施形態３のように一本の血管を想定したモデルではなく、マイクロ波の放射範囲を円柱として捉えている。これにより、送信アンテナ１３の指向性によって計測範囲が拡散した場合に、特に精度良く血液量を推定することができる。

　〈実施形態５〉
　実施形態４では、計測対象が円柱状の範囲に血液が流通していることを想定したが、このような態様に限定されず、別のモデルであっても本発明を適用できる。本実施形態の推定装置１０は、実施形態３の推定装置１０と構成は同様であるので図示は省略する。図７は、血管を流通する血液量を推定する機序を説明するための概略図である。なお、本実施形態で再定義しない限り、実施形態４と同じ意味の変量については、同一の変数名を用いている。

　送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４の配置等については、実施形態４と同様である。送信アンテナ１３の指向性や送信電界強度を変化させることで、生体の電波の吸収状態が異なることが想定できる。本実施形態では、電波の放射範囲が円錐状であると仮定し、その円錐内にある組織全体での血流量を推定する。

　具体的な推定方法について説明する。送信アンテナ１３のマイクロ波を照射する部分を頂点とし、皮膚１３０の内側に広がる円錐を想定する。この円錐の底面の円の半径をｒ、高さ（皮膚１３０からの深さ）をｌとすると、円錐の底面の面積Ｓは、式１３のように定義される。ｒは、仮想的な円の半径である。

　この円錐の高さｌは式１４のように定義される。なお、式１４は、式６と同様に導くことができる。

　推定対象の円錐状の体積を有する組織全体の体積をＱとすると、体積Ｑは式１５に式１３、式１４を代入して導かれた式１６により定義される。なお、円錐状の体積（容積）Ｑは、その内部を流通する血液の容量（血液量）と同義である。

　記憶部１８には、血管の密度ρ、比吸収率ＳＡＲ_０、比吸収率ＳＡＲ、血管の透磁率μ、血管の導電率σを予め記憶させておく。そして、推定部１１は、記憶部１８から読み取った各値、受信アンテナ１４から得られた電波の誘起電圧Ｖ、送信アンテナ１３から出力した電圧Ｖ_０、マイクロ波の照射角θ及び周波数ｆを式１６に代入して体積Ｑを演算する。この体積Ｑは、マイクロ波の放射範囲である円錐状の領域に流通する血液の容量を意味する。

　以上に説明したように、推定装置１０によれば、人体の血管を反射したマイクロ波を用いるので、人体に対して非拘束で、血管中の血液量を推定することができる。特に、皮膚１３０の表面に十分近い位置にある血管層を対象とするので、皮膚１３０から血管層までの距離を無視できるような場合に、有用である。

　〈実施形態６〉
　実施形態１及び実施形態２で説明した推定装置１０は、心臓や血管を対象としたものであるが、これに限定されない。本発明は、液体により電界強度が減衰することを利用したものであるので、組織の形状変化によらず、組織内で液体の量そのものの容量が変化した場合に対しても適用できる。推定装置１０は、例えば、肺うっ血により肺に溜まった水分の変化量を計測することができる。本実施形態の推定装置１０は、実施形態１の推定装置１０と構成は同様であるので図示は省略する。

　図８は、肺に対するアンテナの配置を示す概略図である。図８（ａ）は肺内の水分Ｗが少ない状態を示し、図８（ｂ）は肺内の水分Ｗが多い状態を示している。同図に示すように、肺へ向けてマイクロ波を照射し、肺を透過したマイクロ波を受信するように送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４を配置する。なお、図示しないが、図２に示したように、マイクロ波を肺で反射させ、これを受信するように送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４を配置してもよい。

　図９はサンプリング部１７が出力した電界強度を示す図である。図９の横軸は時間を表し、縦軸は電界強度を示している。図中の符号Ｅ０は、送信アンテナ１３により放射されるマイクロ波の電界強度を示しており、一定である。符号Ｅは、受信アンテナ１４より受信し、検波部１６で検波され、サンプリング部１７でデジタル化された電界強度Ｅを示している。符号Ｅ１は、電界強度Ｅの最も高い電界強度を通り、Ｅ０と平行な直線である。図８（ａ）に示すような水が少ないときを時刻ｔ１とし、図８（ｂ）に示すような水が多い時を時刻ｔ２とする。

　肺を透過又は反射したマイクロ波の電界強度Ｅは肺内の水分により減衰する。このマイクロ波の電界強度Ｅは、肺の拡張及び縮小に伴い、周期的に変化している。また、長期的に見ると、図８（ａ）に示したような水が少ないとき（時刻ｔ１）では、マイクロ波が水に吸収される量は少ないので、電界強度Ｅとしては相対的に高く観測される。一方、図８（ｂ）に示したような水が多いとき（時刻ｔ２）では、電界強度Ｅとしては相対的に低く観測される。

　マイクロ波は、電界強度Ｅ０から電界強度Ｅまで減衰しているが、この減衰量は、ドリフト成分Ａと直流成分Ｂとからなる。ドリフト成分Ａは、減衰量のうち電界強度Ｅと電界強度Ｅ１との差の部分であり、直流成分Ｂは、電界強度Ｅ０と電界強度Ｅ１との差の部分である。

　マイクロ波のドリフト成分Ａからは、長期的な水分の増加又は減少を推定することができる。例えば、電界強度Ｅｔ１及び電界強度Ｅｔ２が同位相となるように時刻ｔ１、時刻ｔ２を選び、その２つの電界強度Ｅｔ１、Ｅｔ２を結んだ直線Ｌは、ドリフト成分Ａの傾向を表している。

　このような直線Ｌの傾きが負である、すなわち、ドリフト成分Ａが経時的に減少していれば肺の水分は増加している。逆に直線Ｌの傾きが正である、すなわち、ドリフト成分Ａが経時的に増加していれば肺の水分は減少している。したがって、ドリフト成分Ａの増加又は減少に基づいて、肺に含まれる水の容量の長期的な変化量を推定することができる。

　一方、直流成分Ｂは、マイクロ波が肺に含まれる水のうち変化しない分によって減衰した分であると考えられる。換言すれば、マイクロ波は、肺にそもそも含まれている水によって減衰するが、その減衰量は直流成分Ｂに相当する。したがって、マイクロ波のうち直流成分に基づいて肺にそもそも含まれている水分の容量を推定することができる。

　このように、マイクロ波からは、直流成分Ｂに基づいて肺にそもそも含まれている水の容量、一周期のマイクロ波の振幅（又は位相）の変化量に基づいて肺に含まれる水の短期的な変化量、及び、ドリフト成分Ａの変化量に基づいて肺に含まれる水の長期的な変化量を得ることができる。

　なお、実施形態１で説明したように、任意の一周期におけるマイクロ波の強度Ｅｍａｘ、Ｅｍｉｎの差に基づいて、肺に含まれる水の短期的な変化量を推定することもできる。

　このような機序に基づき、推定装置１０は、次のようにして肺に含まれる水の容量、その変化量を推定する。記憶部１８には、予め、肺の質量Ｍ、導電率σ、比吸収率ＳＡＲを記憶させておく。そして、推定部１１では、サンプリング部１７から得た電界強度Ｅ、及び記憶部１８から読み出した質量Ｍ、導電率σ、及び比吸収率ＳＡＲを上記式３の推定式に代入することで、肺の容積Ｖを求めることができる。この肺の容積Ｖを肺内に含まれる水の量と推定する。

　推定部１１は、例えば、肺の呼吸の周期ごとに、電界強度Ｅの最小値であるＥｍｉｎ、最大値であるＥｍａｘを用いて式４から肺の容積の変化量ΔＶを算出する。この変化量ΔＶを肺内に含まれる水分の変化量ΔＶと推定する。

　また、推定部１１は、十分に時間を空けて任意の二つの時刻ｔ１、時刻ｔ２におけるドリフト成分Ａを求める。そして、ドリフト成分Ａが経時的に減少しているならば、肺に含まれる水分が増加していると推定し、ドリフト成分Ａが経時的に増加しているならば、肺に含まれる水分が減少していると推定する。

　さらに、推定部１１は、マイクロ波の直流成分Ｂを演算し、この直流成分Ｂに基づいて肺にそもそも含まれている水の容量を推定する。例えば、直流成分Ｂに所定の係数を乗じるなどして当該水の容量を推定する。

　上述した例では、肺内の水分の増加又は減少の速度は緩やかであるため、数時間に亘り長期的に計測する必要がある。このような場合では、連続的にマイクロ波を照射するよりも、パルス波形のマイクロ波を用いることが好ましい。

　図１０は、パルス波形のマイクロ波を用いた場合において、サンプリング部が出力したマイクロ波の電界強度を示す図である。

　具体的には、送信アンテナ１３は、任意の周期でパルス波形としてマイクロ波を生体の臓器等に照射する。受信アンテナ１４は、臓器を透過し、又は反射したマイクロ波を受信する。このようにして得られた電界強度Ｅは、パルス波形として得られる。

　図８（ａ）に示したような水が少ないとき（時刻ｔ１）では、マイクロ波が水に吸収される量は少ないので、電界強度Ｅｔ１としては相対的に高く観測される。一方、図８（ｂ）に示したような水が多いとき（時刻ｔ２）では、電界強度Ｅｔ２としては相対的に低く観測される。つまり、肺内の水が次第に増加する場合では、電界強度が長期的には下がる傾向にある。特に図示しないが、肺内の水が次第に減少する場合では、電界強度が長期的には上がる傾向にある。

　このように、パルス波形を用いた場合であっても、肺の容積Ｖやその変化量ΔＶを求めることができる。また、生体に対してマイクロ波を常時照射する必要がないので、生体に与えるマイクロ波の影響を抑制することができるとともに、消費電力を低減することができる。

　なお、本実施形態の推定装置１０は、肺うっ血による肺内の水分の変化量を推定したがこれに限定されない。例えば、膀胱内に溜まる尿量の変化量についても同様に推定することができる。つまり、膀胱に対して照射して得られたマイクロ波の振幅の変化量が、図９と同様に減少傾向にあるならば、膀胱に溜まる尿が増加していると推定することができる。

　さらには、浮腫によって手足に溜まる水分の容量の変化量についても、本実施形態と同様に推定することができる。つまり、手足に対して照射して得られたマイクロ波の振幅の変化量が、図９と同様に減少傾向にあるならば、手足に溜まる水分が増加していると推定することができる。なお、このようなパルス波形のマイクロ波は、肺を対象とした場合に限らず、心臓や血管、膀胱、手足などその他の組織についても適用することができる。

　以上に説明したように、本実施形態に係る推定装置１０は、肺、膀胱、手足などの各組織について、マイクロ波を照射し、その反射波又は透過波を受信して各組織に含まれる水の容量又はその変化量を推定することができる。具体的には、組織にそもそも含まれている水の容量、組織に含まれる水の長期的及び短期的な変化量を得ることができ、それらの水の容量や変化量を対象者の診断に利用することができる。

１０   生体情報の推定装置
１１   推定部（推定手段）
１２   送信部（電波送信手段）
１３   送信アンテナ（電波送信手段）
１４   受信アンテナ（電波受信手段）
１５   受信部（電波受信手段）
１６   検波部
１７   サンプリング部
１８   記憶部（記憶手段）

Claims

　生体の組織に向けて電波を照射する電波送信手段と、
　組織を透過した電波、又は組織で反射した電波を受信する電波受信手段と、
　前記電波受信手段で受信した電波の振幅又は位相、及び組織の比吸収率に基づいて組織に含まれる液体の容量を推定する推定手段と、を備える
　ことを特徴とする生体情報の推定装置。
　請求項１に記載の生体情報の推定装置において、
　前記推定手段は、組織に含まれる液体の容量を次式により演算する
　ことを特徴とする生体情報の推定装置。

　Ｖ：組織に含まれる液体の容量、Ｍ：組織の質量、σ：組織の導電率、Ｅ：前記電波受信手段により受信された電波の振幅、ＳＡＲ：組織の比吸収率
　請求項１に記載の生体情報の推定装置において、
　前記推定手段は、前記電波受信手段で受信した電波の振幅又は位相の変化量、及び前記比吸収率に基づいて組織に含まれる液体の容量の変化量を推定する
　ことを特徴とする生体情報の推定装置。
　請求項３に記載の生体情報の推定装置において、
　前記推定手段は、組織に含まれる液体の容量の変化量を次式により演算する
　ことを特徴とする生体情報の推定装置。

　ΔＶ：組織に含まれる液体の容量の変化量、Ｍ：組織の質量、σ：組織の導電率、Ｅｍａｘ、Ｅｍｉｎ：前記電波受信手段により受信された電波の振幅の最大値、最小値、ＳＡＲ：組織の比吸収率
　請求項３に記載の生体情報の推定装置において、
　前記推定手段は、前記電波受信手段で受信した電波の振幅に含まれるドリフト成分の増加又は減少に基づいて組織に含まれる液体の容量の変化量を推定し、前記振幅からドリフト成分を除いた直流成分に基づいて組織に含まれる液体の容量を推定する
　ことを特徴とする生体情報の推定装置。
　請求項１から請求項５の何れか一項に記載の生体情報の推定装置において、
　前記組織は心臓又は血管であり、前記組織に含まれる液体は血液である
　ことを特徴とする生体情報の推定装置。
　請求項１から請求項５の何れか一項に記載の生体情報の推定装置において、
　前記組織は肺であり、前記組織に含まれる液体は水である
　ことを特徴とする生体情報の推定装置。
　請求項１から請求項５の何れか一項に記載の生体情報の推定装置において、
　前記組織は膀胱であり、前記組織に含まれる液体は尿である
　ことを特徴とする生体情報の推定装置。
　請求項１から請求項５の何れか一項に記載の生体情報の推定装置において、
　前記組織は手又は足であり、前記組織に含まれる液体は水である
　ことを特徴とする生体情報の推定装置。