JP4393568B2

JP4393568B2 - 脈波測定器

Info

Publication number: JP4393568B2
Application number: JP2008247159A
Authority: JP
Inventors: 真司美野; 公久相原; 尚一林田; 弘小泉; 尚愛多々良; 泰介小口; 純一嶋田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: JP2008302260A

Description

本発明は、人体の耳介等の生体の一部で生体情報を検出する脈波測定器に関するものである。

高齢化が進み、成人の生活習慣病への対応が社会的に大きな課題となっている。特に高血圧に関連する疾患の場合、長期の血圧データの収集が非常に重要である点が認識されている。このような観点から、血圧をはじめとした各種の生体情報の計測装置が開発されている。

従来、外耳部で生体情報を計測する装置については、外耳道又は外耳中の他の部位に、挿入され、常時装着する患者モニタ装置がある（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、動脈の脈波や血流を検出する方法として、発光素子により生体へ照射した照射光が生体の動脈あるいは動脈内の血球により散乱した散乱光を、受光素子により受光し、散乱光から脈波や血流を検出する方法が開示されている。ここで脈拍、脈波、心電、体温、動脈血酸素飽和度、及び血圧などを生体内へ放射した赤外光、可視光の散乱光の受光量から計算できるとしている。

また、外耳道又は耳朶に装着する装置としては、無線通信手段を有し、動脈血酸素飽和濃度センサ、体温センサ、心電センサ、脈波センサを備えている緊急情報装置がある（例えば、特許文献２参照。）。

一方、血圧の測定に関しては、血管の脈動波形による血圧測定装置は、他の方式であるカフ振動法や容積補償法などによる血圧測定装置（例えば、非特許文献１参照。）と並んで有力な血圧の測定方法として認められている。

なお、本願では、耳介の名称は非特許文献２に、耳介の軟骨の名称は非特許文献３による。
特開平９−１２２０８３特開平１１−１２８１７４山越憲一、戸川達男著、「生体センサと計測装置」、日本エム・イー学会編／ＭＥ教科書シリーズＡ−１、３９頁〜５２頁Ｓｏｂｏｔｔａ図説人体解剖学第１巻（監訳者：岡本道雄）、ｐ．１２６、（株）医学書院、１９９６年１０月１日発行Ｓｏｂｏｔｔａ図説人体解剖学第１巻（監訳者：岡本道雄）、ｐ．１２７、（株）医学書院、１９９６年１０月１日発行

しかし、上記の発光素子と受光素子による脈波や血流の検出方法は開発途上であり、実験結果が散見されるのみで、ノイズが多く含まれる。本発明者らは、ヒトの真皮の透過スペクトルを測定し、波長−透過率の関係を調べたところ、透過しやすい波長帯と透過しにくい波長帯があることを見出した。光が生体の表面付近からより深く進入しなければ、生体の表面付近での散乱光を検出することとなり、その検出から得られる生体情報は皮膚表面付近の圧脈による振動等によるノイズを多く含むこととなる。また、耳介、特に耳珠の先端付近の表面では血管の密度が低い。このような、表面における血管の密度が低い場所では、脈波情報よりもノイズが多くなりやすい。

そこで本発明は、生体情報を検出するための脈波測定器において、生体の真皮を透過しやすい波長帯の光を検出光として利用することで、皮膚表面付近の圧脈による振動等によるノイズを低減し、例えば耳珠の先端付近であっても脈波測定が可能な脈波測定器を提供することを目的とする。ここで本発明では、生体での散乱光を生体情報として検出するタイプの脈波測定器と、ドップラー効果により生体情報を検出するタイプの脈波測定器の両方を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る脈波測定器は、０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下の光又はレーザ光線を照射することとした。

具体的には、第１発明に係る脈波測定器は、生体に向けて発振波長が０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下の光を照射するレーザ素子と、該レーザ素子から照射されたレーザ光線が前記生体で反射した反射光と前記レーザ光線との周波数差を検出する周波数差検出素子と、を備え、前記レーザ素子及び前記周波数差検出素子が、耳珠を挟むアームに取り付けられていることを特徴とする。

上記のように、生体を透過しやすい波長帯である０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下のレーザ光線を照射することで、皮膚表面付近の圧脈による振動等によるノイズを低減し、例えば耳珠の先端付近であっても脈波測定が可能である。ここで、レーザ光線と反射光との周波数差を検出するため、ドップラー効果により、脈波情報の他、血流速度情報も得ることができる。

本発明の脈波測定器によれば、生体を透過しやすい波長帯である０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下の光を検出に用いることで、皮膚表面付近の圧脈による振動等によるノイズを低減し、例えば耳珠の先端付近であっても脈波測定が可能である。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
（散乱光の検出による脈波測定器）

最初に、図１を参照しながら、第１実施形態に係る脈波測定器の基本的な構成を説明する。図１は第１実施形態に係る脈波測定器の概略断面図である。第１実施形態に係る脈波測定器１００は、一の面３が透光性を有する筺体２と、筺体２の内部に配置され、一の面３を通して筺体２の外部の生体１に向けて照射光７を発光する発光素子６と、筐体２の内部に配置され、照射光７が筺体２の生体１で散乱された散乱光４を、一の面３を通して受光する受光素子５と、を備える。

なお、図１及び以下に説明する図においては、発光素子６の駆動回路、受光素子５の信号を増幅する増幅器など通常の技術により実現できる部分は表示していない。

筺体２は、発光素子６と受光素子５の収容容器の役目を為すと同時に外部光の入射を遮蔽するものである。そして、筺体２の一の面３が透光性を有するように形成されて、一の面３のみから光の入出射が許容される。例えば、一の面３を開口し、該開口を透光性のガラスやプラスチックシートで覆うことにより、一の面３が透光性を有するように形成される。

発光素子６は、中心波長が０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下の光を照射する、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ素子等の半導体発光素子、ＥＬ素子、電球などの発光体であればいずれも使用することができるが、本実施形態では光量、消費電力等の特性から半導体発光素子を使用することが好ましい。例えば、０．６５〜１．００umの波長帯では、ＣＤピックアップ素子に組み込まれている半導体レーザ素子、具体的には、０．６５ｕｍ付近のＡｌＧａＩｎＰ系や、０．７８ｎｍ付近のＧａＡｌＡｓ系の半導体レーザを用いることができる。あるいは、レーザダイオード素子で波長０．６５ｕｍ付近のＧａＡｓＰ系のもの、０．７ｕｍ付近のＧａＰ（Ｚｎ，Ｏ）系のもの、０．７５ｕｍ付近のＡｌＧａＡｓ系のもの、０．９ｕｍ付近のＧａＡｓ系のもの等を用いることができる。１．００〜１．７０ｕｍ付近の波長帯では、光通信器に組み込まれている半導体レーザ、具体的には、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体レーザ等を用いることができる。発光ダイオード素子は、上記半導体レーザ素子と同様の成分系のものが使用できる。

ここで、図２に厚さ２００μｍのヒトの真皮の波長−透過率の関係のグラフを示す。図２のグラフから、ヒトの真皮の透過率は、紫外線波長から波長１．３μｍへ波長が大きくなるにしたがって大きくなる。そして、約１．４５μｍを中心波長とする吸収帯と、約１．９２μｍを中心波長とする吸収帯がある。これらの吸収は水によるものと考えられ、これらの吸収帯域での光の透過率は低い。本実施形態では、発光素子６の照射する光の中心波長は、０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下とする。０．６５μｍ未満の波長の光を照射した場合には、厚さ２００μｍのヒトの真皮であれば透過率が４０％未満になり、生体表面付近から深く進入しない。一方、１．８５μｍを超える波長の光を照射した場合には、約１．９２μｍを中心波長とする強い吸収帯があり、生体表面付近から深く進入しない。本実施形態では、発光素子６の照射する光の中心波長は、０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下（１．４０〜１．５０μｍを除く）とすることが好ましく、０．９０μｍ以上１．４μｍ以下とすることがより好ましい。この波長域の光を照射することで、真皮深くにて散乱が起こり、真皮深くの生体情報を取り出すことができる。例えば、図１における動脈８の脈波情報等の生体情報を検出することができる。また、耳珠の先端付近などの表面における血管の密度が低い箇所での脈波測定が可能となる。

発光素子６より一の面３を通して筐体２の外部に出射された照射光７は、生体１を照射し、生体１の内部で散乱する。その散乱光４は、一の面３を通して筐体２の内部に入り、受光素子５によって計測される。

受光素子５は、フォトトランジスタ、フォトダイオード、光導電素子等の受光素子であればいずれも使用することができるが、本実施形態ではフォトトランジスタを使用している。

図１に示した第１実施形態に係る脈波測定器１００では、発光素子を１個、受光素子を１個として配列する形態を示したが、本発明はこの配置に限定されない。例えば、発光素子を複数も受けても良く、受光素子を複数設けても良い。

また、発光素子６の発光面や受光素子５の受光面に集束レンズ及び／又はフィルタを設けても良い。また、筐体２の内部で発光素子６と受光素子５との間に、遮光性材料で形成された分離壁８を設けても良い。

脈波測定器１００において、発光素子６及び受光素子５は、同一平面上に配置したが、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように発光素子及び受光素子を同一放物面上、同一球面上若しくは同一双曲面上に配置しても良い。図３は、発光素子と受光素子の配置例を示す概略断面図であり、（ａ）は同一放物面上に配置した場合、（ｂ）は同一球面上に配置した場合、（ｃ）は同一双曲面上に配置した場合を示す。同一放物面上、同一球面上若しくは同一双曲面上に発光素子及び受光素子を配置することで、図３に示すように、発光素子の発光面の法線と受光素子の受光面の法線とを交差させることができ、散乱光の検知効率を上げることができる。これによって、受光素子が受光する光のうち生体での散乱光の割合を高めることができる。

図４は、脈波測定器１００の具体的な固定方法の一例を示す概略図である。図４に示した脈波測定器１００は、Ｕ字型アーム１７の一端側に固定されている。Ｕ字型アーム１７の他端側には、脈波測定器１００の一の面３と対向関係を有するようにカフ１６が固定されている。耳珠１５は、カフ１６と一の面３とによって挟まれている。このとき、脈波測定器１００とカフ１６とは分離しながらもカフの膨張により耳珠１５を締め付けできる。すなわち、不図示の空気供給器よりカフ１６の内部に空気が供給されて、カフ１６が膨張すると、耳珠１５は一の面３に押圧される。これにより、耳珠１５の脈波の測定を行なうことが可能となる。

本実施形態に係る脈波測定器において、第２実施形態として、脈波測定器とカフとを一体としても良い。図５は、脈波測定器２００の具体的な固定方法の一例を示す概略図である。図５に示した脈波測定器２００は、Ｕ字型アーム１７の一端側に固定されている。脈波測定器２００は、一の面を密閉するように覆って、一の面を押圧面１９とする、透光性を有する伸縮部材２０と、筺体２の内部へ加圧空気を供給する空気供給パイプ１８を備えている。透光性を有する伸縮部材２０は、剛性の低いプラスチック樹脂シートにより形成されていることが好ましい。また空気供給パイプ１８は不図示の空気圧縮機につながっている。筐体２に伸縮部材２０と空気供給パイプとを組み込むことで、脈波測定器２００はカフとしても機能することができる。耳珠１５は、脈波測定器２００とＵ字型アーム１７の他端側とによって挟まれている。このとき、脈波測定器２００はカフと一体となっており、伸縮部材２０の膨張により耳珠１５を締め付けできる。すなわち、筐体２の内部に空気供給パイプ１８から空気が供給されて、伸縮部材２０が膨張すると、耳珠１５は押圧面１９で押圧される。これにより、耳珠１５の脈波の測定を行なうことが可能となる。

脈波測定器１００，２００は、同一の筐体２内に発光素子６と受光素子５とが収容される形態を示したが、本実施形態に係る脈波測定器において、第３実施形態として、発光素子６と受光素子５とを別々の筐体２ａ，２ｂに収容し、発光素子６の照射光７が生体（ここでは耳珠１５）を透過した透過光９を受光素子５が受光することとしても良い。図６は、第３実施形態に係る脈波測定器３００の具体的な固定方法の一例を示す概略図である。すなわち、第３実施形態に係る脈波測定器は、生体に向けて中心波長が０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下の光を照射する発光素子６と、発光素子６の照射光７が生体（図では耳珠１５）を透過した透過光９を受光する受光素子５と、を備える。

筐体２ａはＵ字型アーム１７の一端側に取り付けられており、筐体２ｂはＵ字型アーム１７の他端側に取り付けられている。筐体２ａ側に伸縮部材と空気供給パイプを設けてカフの機能を付与しても良いし、筐体２ｂ側に伸縮部材と空気供給パイプを設けてカフの機能を付与しても良いし、或いは、筐体２ａ側と筐体２ｂ側のいずれにも伸縮部材と空気供給パイプを設けてカフの機能を付与しても良い。

第３実施形態に係る脈波測定器３００では、生体を透過しやすい波長域の光を検出に使用するため、耳珠１５などから光を透過させて生体情報、例えば動脈８の脈波情報を得ることが可能となる。
（ドップラー効果の検出による脈波測定器）

図７を参照しながら、第４実施形態に係る脈波測定器の基本的な構成を説明する。図７は第４実施形態に係る脈波測定器の概略断面図である。第４実施形態に係る脈波測定器４００は、一の面３が透光性を有する筺体２と、筺体２の内部に配置され、一の面３を通して筺体２の外部の生体１に向けてレーザ光線１２を照射するレーザ素子１３と、筐体２の内部に配置され、生体１で反射されたレーザ光線１２の反射光１０を一の面３を通して受光して、反射光１０とレーザ光線１２との周波数差を検出する周波数差検出素子１１と、を備える。

なお、図７及び以下に説明する図においては、レーザ素子１３や周波数差検出素子１１の駆動回路など通常の技術により実現できる部分は表示していない。

筺体２は、第１実施形態で説明した筐体と同様である。

レーザ素子１３としては、発振波長が０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下の光を照射するもので、ガスレーザ、結晶中のイオン発振型のレーザなどのレーザ発振装置があるが、発振強度及びコストを考慮すると半導体レーザ素子が好ましい。例えば、０．６５〜１．００umの波長帯では、ＣＤピックアップ素子に組み込まれている半導体レーザ素子、具体的には、０．６５ｕｍ付近のＡｌＧａＩｎＰ系や、０．７８ｎｍ付近のＧａＡｌＡｓ系の半導体レーザを用いることができる。あるいは、レーザダイオード素子で波長０．６５ｕｍ付近のＧａＡｓＰ系のもの、０．７ｕｍ付近のＧａＰ（Ｚｎ，Ｏ）系のもの、０．７５ｕｍ付近のＡｌＧａＡｓ系のもの、０．９ｕｍ付近のＧａＡｓ系のもの等を用いることができる。１．００〜１．７０ｕｍ付近の波長帯では、光通信器に組み込まれている半導体レーザ、具体的には、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体レーザ等を用いることができる。ここで、レーザ素子１３の発振波長を０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下とした理由は、第１実施形態で説明した理由と同じで図２のグラフを根拠とする。第４実施形態では、レーザ素子１３の発振波長は、０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下（１．４０〜１．５０μｍを除く）とすることが好ましく、０．９０μｍ以上１．４μｍ以下とすることがより好ましい。この波長域の光を照射することで、真皮深くにて反射が起こり、真皮深くの生体情報を取り出すことができる。例えば、図７における動脈８の脈波情報等の生体情報を検出することができる。また、耳珠の先端付近などの表面における血管の密度が低い箇所での脈波測定や血流速度測定が可能となる。

レーザ素子１３より一の面３を通して筐体２の外部に照射されたレーザ光線１２は、生体１を照射し、生体１の内部で反射される。その反射光１０は、一の面３を通して筐体２の内部に入り、周波数差検出素子１１によって、反射光１０とレーザ光線１２との周波数差が計測される。

周波数差検出素子１１は、生体１、特に動脈８からの反射波１０のドップラー効果により血流の速度を測定する。また、血流速度の変化分により、脈波を測定する。すなわち、図７に示す脈波測定器４００において、レーザ発光素子１３はレーザ光線１２を生体１の動脈８に照射し、動脈８の中の血球により反射するレーザ光線（反射波１０）は血球の流れる速度によりドップラー効果を受けて波長が変化して周波数差検出素子１１により測定され、前記ドップラー効果による前記レーザ光線の波長の変化量から、動脈８の中を流れる血球の速度が測定される。上記のように第４実施形態に係る脈波測定器４００により測定される血流速度により、生体１の移動などによる雑音の影響を受けることなく、動脈８の脈波を検出できる。

第４実施形態に係る脈波測定器４００では、筐体２の内部でレーザ素子１３と周波数差検出素子１１との間に、遮光性材料で形成された分離壁８を設けても良い。また、レーザ素子１３及び周波数差検出素子１１の配置について、図３で示した発光素子６と受光素子５の配置と同様に、同一放物面上、同一球面上若しくは同一双曲面上に配置しても良い。

図８は、脈波測定器４００の具体的な固定方法の一例を示す概略図である。図８に示した固定方法は、図４に示した場合と同様で、脈波測定器４００とカフ１６とは分離しながらもカフの膨張により耳珠１５を締め付けできる。図９は、第５実施形態に係る脈波測定器５００の具体的な固定方法の一例を示す概略図である。図９に示した固定方法は、図５に示した場合と同様で、脈波測定器５００とカフと一体となっており、伸縮部材２０の膨張により耳珠１５を締め付けできる。

本発明に係る脈波測定器は、健康や美容のための血圧測定、脈波測定、血流測定に利用することができる。また、細動脈の拍動を検出するのに適しており、透過式を用いることができない場所にも適用できる。

第１実施形態に係る脈波測定器１００の概略断面図である。図２に厚さ２００μｍのヒトの真皮の波長−透過率の関係のグラフを示す。本実施形態に係る脈波測定器における発光素子と受光素子の配置例を示す概略断面図であり、（ａ）は同一放物面上に配置した場合、（ｂ）は同一球面上に配置した場合、（ｃ）は同一双曲面上に配置した場合を示す。第１実施形態に係る脈波測定器１００の具体的な固定方法の一例を示す概略図である。第２実施形態に係る脈波測定器２００の具体的な固定方法の一例を示す概略図である。第３実施形態に係る脈波測定器３００の具体的な固定方法の一例を示す概略図である。第４実施形態に係る脈波測定器４００の概略断面図である。第４実施形態に係る脈波測定器４００の具体的な固定方法の一例を示す概略図である。第５実施形態に係る脈波測定器５００の具体的な固定方法の一例を示す概略図である。

符号の説明

１，生体
２，２ａ，２ｂ筺体
３，３ａ，３ｂ，一の面
４，散乱光
５，受光素子
６，発光素子
７，照射光
８，動脈
９，透過光
１０，反射光
１１，周波数差検出素子
１２，レーザ光線
１３，レーザ素子
１５，耳珠
１６，カフ
１７，Ｕ字型アーム
１８，空気供給パイプ
１９，押圧面
２０，伸縮部材
１００，２００，３００，４００，５００，脈波測定器

Claims

生体に向けて発振波長が０．６５μｍ以上１．８５μｍ以下の光を照射するレーザ素子と、
該レーザ素子から照射されたレーザ光線が前記生体で反射した反射光と前記レーザ光線との周波数差を検出する周波数差検出素子と、
を備え、前記レーザ素子及び前記周波数差検出素子が、耳珠を挟むアームに取り付けられていることを特徴とする脈波測定器。