JP4487639B2 - 脈波検出装置および脈波検出方法 - Google Patents

Description

この発明は、脈波検出装置および脈波検出方法に関し、特に、複数の圧力センサを有するセンサアレイから脈波検出のための圧力センサを選択することで脈波の検出を行なう脈波検出装置および脈波検出方法に関する。

脈波は、生体の動脈上の表面に押し当てた圧力センサから得られる電圧信号である圧力情報に基づいて検出される。脈波を精度よく検出するために、複数の圧力センサを利用して、動脈の中心部に位置する最適な圧力センサからの圧力情報をもとに脈波を計測する。

従来より、複数の圧力センサから得られる圧力情報を、マルチプレクサを用いて信号線に多重化して検出する圧脈波検出装置がある（特許文献１参照）。このようにマルチプレクサを用いることにより、圧力センサとＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換器との間の配線数が削減され、Ａ／Ｄ変換器の数を削減することができる。
特許第３００２５９８号公報

しかしながら、従来の脈波検出装置は、最適センサを選択するために、マルチプレクサを用いて複数の圧力センサから得られる圧力情報を切り替えながら取得するので、最適センサが選択された後脈波を計測するときに、波形の特徴を把握するために十分なノイズの削減ができなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、精度良く脈波を検出することができる、脈波検出装置および脈波検出方法を提供することを目的とする。

この発明のある局面に従う脈波検出装置は、測定面に配置された複数の圧力センサを有するセンサアレイと、センサアレイを生体の動脈上に交差させて押圧するための押圧手段と、複数の圧力センサからの圧力信号のうち、指定された圧力センサからの圧力信号を選択するためのセンサ信号選択手段と、指示に応じて遮断周波数の値を変更することが可能なフィルタ手段と、フィルタ手段を通過して出力されるアナログ信号を、デジタル信号に変換するためのアナログ・デジタル変換手段と、複数の圧力センサのうち脈波検出のための圧力センサを特定するための圧力センサ特定手段と、アナログ・デジタル変換手段により変換された、圧力センサ特定手段により特定された圧力センサからの圧力信号に対応するデジタル信号に基づいて、動脈から発生する脈波を検出するための脈波検出手段と、
フィルタ手段における遮断周波数の値を変更させる指示を与えるためのフィルタ制御手段とを備える。

上述のフィルタ手段は、遮断周波数に応じてセンサ信号選択手段により選択された圧力信号に含まれる所定値以上の周波数の信号成分を遮断する。

また、フィルタ制御手段は、脈波検出のための圧力センサを特定するために、センサ信号選択手段によって複数の圧力センサそれぞれより得られる複数の圧力信号が順次切り替えられて出力される第１の場合と、脈波検出手段によって脈波が検出される第２の場合とにおいて、遮断周波数の値を切り替える。

好ましくは、フィルタ制御手段は、フィルタ手段における遮断周波数の値を、第１の場合に複数の圧力信号の切替周波数以上とする指示を与え、第２の場合にエイリアシングノイズの除去が可能な値とする指示を与える。

エイリアシングノイズの除去が可能な値とは、好ましくは、複数の圧力信号のうちの一つの圧力信号についてのサンプリング周波数の１／２以下の値である。

好ましくは、フィルタ手段は、異なる周波数特性を有する複数のフィルタと、複数のフィルタを切り替えるためのフィルタ切替回路とを含む。

上述の複数のフィルタは、遮断周波数の値が複数の圧力信号の切替周波数以上の値である第１のフィルタと、遮断周波数の値がエイリアシングノイズの除去が可能な値である第２のフィルタとを有し、フィルタ制御手段は、第１の場合に第１のフィルタを選択するための信号を、第２の場合に第２のフィルタを選択するための信号を、フィルタ切替回路に送信する。

また、好ましくは、フィルタ手段は、外部から加えられる電圧に応じて、容量が変化する可変容量素子を含み、フィルタ制御手段は、可変容量素子に対して電圧を加えることにより、遮断周波数の値を変更させる。

上述の脈波検出装置は、好ましくは、センサ信号選択手段の動作を制御するためのセンサ信号選択制御手段をさらに備える。センサ信号選択制御手段は、複数の圧力センサそれぞれより得られる複数の圧力信号を順次切り替えて出力させる第１の動作と、指定された圧力信号を選択して出力させる第２の動作とを切り替える。

好ましくは、フィルタ制御手段は、フィルタ手段における遮断周波数の値を、脈波検出のための圧力センサの選択中は、複数の圧力信号の切替周波数以上とする指示を与え、特定された圧力センサから出力される圧力信号に基づいて脈波の検出が行なわれるときには、エイリアシングノイズの除去が可能な値とする指示を与える。

好ましくは、押圧手段による押圧レベルの調整と、脈波検出のための圧力センサの選択とを、並行する。

この発明の他の局面に従うと、脈波検出方法は、測定面に配置された複数の圧力センサそれぞれより得られる複数の圧力信号を順次切り替えながら選択するセンサ信号選択ステップと、センサ信号選択ステップによって選択されて出力される圧力信号の信号成分に対して、第１の遮断周波数でフィルタ処理を行なう第１のステップと、第１のステップによってフィルタ処理された信号に基づいて、複数の圧力センサのうち脈波検出のための圧力センサを特定するセンサ特定ステップと、複数の圧力信号のうち、圧力センサ特定ステップによって特定された圧力センサからの圧力信号を選択する特定センサ信号選択ステップと、特定センサ信号選択ステップによって選択された圧力信号の信号成分に対して、第１の遮断周波数よりも低い第２の遮断周波数で、特定された圧力センサからの圧力信号の信号成分に対してフィルタ処理を行なう第２のステップと、第２のステップによってフィルタ処理された信号から脈波を検出する脈波検出ステップとを備える。

好ましくは、第１の遮断周波数は、複数の圧力信号の切替周波数以上の値であり、第２の遮断周波数は、複数の圧力信号のうちの一つの圧力信号についてのサンプリング周波数の１／２以下の値である。

本発明によると、遮断周波数の値を変更することのできるアナログフィルタを設けたことにより、ノイズの低減が可能となる。また、ノイズ低減により、１拍毎の脈波解析の精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。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返さない。

［実施の形態１］
＜本発明の実施の形態１における脈波検出装置の外観および構成＞
図１にはセンサユニットと固定台との接続関係が示される。図２には、脈波検出装置を生体に装着した状態が示される。

図１および図２を参照して、脈波検出装置は手首の動脈における脈波を検出するために手首表面に装着されるセンサユニット１、脈波検出のために手首を固定するための固定台２および脈波検出に関する各種情報を入出力するための表示ユニット３（図示せず）を備える。図１ではセンサユニット１は筐体内に収容されており、図２ではスライド溝９（図１参照）を介して筐体内から外部にスライド移動されて、手首上に位置している状態が示される。

固定台２は固定台ユニット７を内蔵しており、固定台ユニット７と表示ユニット３とはＵＳＢ（Universal Serial Bus）ケーブル４を介して通信可能に接続される。また、固定台ユニット７とセンサユニット１とは通信ケーブル５とエア管６とを介して接続される。

脈波検出時には、図２に示すように、ユーザは手首を固定台２の所定位置に載置した状態で、センサユニット１をスライド移動により手首の動脈側の表面に位置させてセンサユニット１の筐体と固定台２とをベルト８を介して締めて、手首上のセンサユニット１がずれないように止める。

図３（Ａ）〜（Ｅ）にはセンサユニット１の構成が示される。

図３（Ａ）のセンサユニット１の、手首装着時の手首を横断する方向の断面構造が図３（Ｂ）に示される。図３（Ｃ）には図３（Ｂ）の破線の枠内の一部が拡大して示される。図３（Ｂ）の押圧カフ１８は、加圧ポンプ１５および負圧ポンプ１６によりカフ圧が調整されると、セラミックないしは樹脂により成型されたブロックを介して取付けられた半導体圧力センサ１９は該カフ圧レベルに応じた量だけ自在に上下移動する。半導体圧力センサ１９は、下方向に移動されることにより、筐体の予め設けられた開口部から突出して手首表面に押圧される。

図３（Ｄ）と図３（Ｅ）に示すように、半導体圧力センサ１９の複数個のセンサエレメント２８の配列方向は、センサユニット１を手首に装着した時には動脈と略直交（交差）する方向に対応し、配列長は少なくとも動脈の径より長い。センサエレメント２８それぞれは押圧カフ１８のカフ圧により押圧されると、動脈から発生して生体表面に伝達される圧力振動波である圧力情報を電圧信号として出力する（以下、「圧力信号」という）。本実施の形態において、センサエレメント２８は所定の大きさ（５．５ｍｍ×８．８ｍｍ）の測定面４０において、たとえば４０個配列される。

図３（Ｃ）を参照して、センサエレメント２８からの圧力信号は、フレキシブル配線２７を介してＰＣＢ（Printed Circuit Board）２６内のマルチプレクサ２０、アンプ２１へと順次送られる。

図４には、本発明の実施の形態１に係る脈波検出装置の機能構成が示される。図４を参照して、表示ユニット３は、外部から操作可能に設けられて脈波検出に関する各種情報を入力するために操作される操作部２４、および動脈位置検出結果や脈波測定結果などの各種情報を外部に出力するためのＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などからなる表示部２５を含む。

固定台ユニット７は、脈波検出装置を制御するためのデータやプログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）１２やＲＡＭ（Random Access Memory）１３、当該脈波検出装置を集中的に制御するために演算を含む各種処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）１１、加圧ポンプ１５、負圧ポンプ１６、切換弁１７、ＣＰＵ１１からの信号を受け取り加圧ポンプ１５，負圧ポンプ１６，切換弁１７に送信するための制御回路１４、少なくとも二つの値に変更可能である特性可変フィルタ２２、Ａ／Ｄ変換部２３を備える。

ＣＰＵ１１はＲＯＭ１２にアクセスしてプログラムを読出してＲＡＭ１３上に展開して実行し、当該脈波検出装置全体の制御を行なう。そして、ＣＰＵ１１は、操作部２４よりユーザからの操作信号を受取り、その操作信号に基づいて脈波検出装置全体の制御処理を行なう。すなわち、ＣＰＵ１１は、操作部２４から入力された操作信号に基づいて、制御信号を送出する。また、ＣＰＵ１１は、脈波測定結果などを表示部２５に表示する。

加圧ポンプ１５は、後述の押圧カフ（空気袋）１８の内圧（以下、「カフ圧」という）を加圧するためのポンプであり、負圧ポンプ１６は、カフ圧を減圧するためのポンプである。切換弁１７は、これらの加圧ポンプ１５と負圧ポンプ１６とのいずれかを選択的にエア管６に切換接続する。そして、制御回路１４は、これらを制御する。

センサユニット１は、複数のセンサエレメント２８を含む半導体圧力センサ１９、複数のセンサエレメントそれぞれが出力する圧力信号を選択的に導出するマルチプレクサ２０、マルチプレクサ２０から出力される圧力信号を増幅するためのアンプ２１、および半導体圧力センサ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押圧カフ１８を備える。

半導体圧力センサ１９は、単結晶シリコンなどからなる半導体チップに一方向に所定間隔に配列された複数のセンサエレメントを含んで構成され（図３（Ｅ）参照）、押圧カフ１８の圧力によって測定中の被験者の手首などの測定部位に押圧される。その状態で、半導体圧力センサ１９は撓骨動脈を介して被験者の脈波を検出する。半導体圧力センサ１９は、脈波を検出することで出力する圧力信号を各センサエレメント２８のチャネルごとにマルチプレクサ２０に入力する。

マルチプレクサ２０は、各センサエレメント２８が出力する圧力信号を選択的に出力する。マルチプレクサ２０から送出される圧力信号は、アンプ２１において増幅し、特性可変フィルタ２２を介して選択的にＡ／Ｄ変換部２３に出力する。本実施の形態において、マルチプレクサ２０は、ＣＰＵ１１により動的に制御される。

特性可変フィルタ２２は、所定値以上の信号成分を遮断するための低域通過フィルタであり、遮断周波数を変更することができる。特性可変フィルタ２２についても、後に詳述する。

Ａ／Ｄ変換部２３は、半導体圧力センサ１９から導出されたアナログ信号である圧力信号をデジタル情報に変換して、ＣＰＵ１１に与える。ＣＰＵ１１は、半導体圧力センサ１９に含まれる各センサエレメント２８が出力する圧力信号を、時間軸に沿ってマルチプレクサ２０を介して同時に取得する。

本実施の形態において、ＣＰＵ１１，ＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３を固定台ユニット７に備えることとしたので、表示ユニット３の小型化を図ることができる。

なお、固定台２の固定台ユニット７と表示ユニット３とは別個に設けたが、両機能を固定台２に内蔵する構成であってもよい。また、固定台ユニット７にＣＰＵ１１，ＲＯＭ１２，ＲＡＭ１３を備える構成にしたが、これらを表示ユニット３に設ける構成としてもよい。また、ＰＣ（Personal Computer）と接続されて、各種制御を行なうこととしてもよい。

＜脈波検出装置におけるセンサ選択処理（特性可変フィルタなしの場合）＞
本発明の実施の形態１における脈波検出装置では、特性可変フィルタ２２が設けられるが、特性可変フィルタ２２が存在しなくても動作できる。

まず、以下では、図４に示した脈波検出装置の動作および構成を説明する前提として、特性可変フィルタ２２が存在しない場合の動作について説明する。

脈波検出装置は、まず、マルチプレクサ２０を用いて、複数のセンサエレメント２８の中から脈波検出のための最適なセンサエレメント２８の選択を行なう。次に、最適なセンサエレメント２８が特定されると、その特定されたセンサエレメント２８から得られる圧力信号により、脈波の検出が行なわれる。

図１２に示す波形データ６１は、このような、特性可変フィルタ２２を適用しない脈波検出装置において、一つのチャネルより得られる圧力信号に基づいて得られた、Ａ／Ｄ変換直後の任意の１拍分の脈波データである。この波形データ６１においては、電圧の変化が少ない箇所（たとえば４５．０〜４５．２秒付近および４５．８付近）に細かい振幅のノイズが見られる。

図１２における波形データ６１に現れたノイズは、エイリアシングノイズであることが考えられる。図１３を参照して、エイリアシングノイズとは、サンプリング定理により、アナログ信号をデジタル信号に変換する場合、サンプリング周波数の１／２以上の周波数成分を持つノイズが、折り返し現象により、サンプリング周波数の１／２以下の領域に出現してしまうものである。したがって、Ａ／Ｄ変換後にデジタルフィルタ処理を行なっても、エイリアシングノイズは、必要な信号に含まれてしまうため除去することができない。

脈波解析においては、特に、微分等を行なうため、微小なノイズであっても解析失敗につながってしまう。したがって、脈波検出において、精度を確保する必要があり、そのためにはノイズの除去は非常に重要である。

そこで、Ａ／Ｄ変換前に、図１４に示すように、サンプリング周波数の１／２以上の信号成分を遮断する低域通過フィルタ（以下「アンチエイリアシングフィルタ」という）を挿入することが考えられる。

図１５（ａ）を参照して、マルチプレクサ２０が、たとえば圧力信号Ａ，Ｂ，Ｃを時分割して一つのＡ／Ｄ変換器２３へ転送しているとき、マルチプレクサ２０による切り替えとＡ／Ｄ変換部２３におけるＡ／Ｄ変換とが同じクロックでされているとすると、図１５（ｂ）に示すように、複数の圧力信号Ａ，Ｂ，Ｃの切替周波数ｆｘと、切り替え時のサンプリング周波数である切替サンプリング周波数ｆｓｘとは同一となる。

このとき、信号Ａに着目すると、信号Ａのサンプリング周波数ｆｓａは、ｆｓａ＝ｆｓｘ／３となる。したがって、信号Ａに必要なアンチエイリアシングフィルタの遮断周波数ｆｃａは、ｆｃａ＝ｆｓａ／２、すなわち、ｆｃａ＝ｆｓｘ／６が適切ということになる。

このようなアンチエイリアシングフィルタを適用したときの波形は、理想的には波形データ６２のような滑らかな曲線となるはずである。

しかしながら、図１６を参照して、マルチプレクサ２０による複数の信号の切り替えがされているときに、遮断周波数ｆｃａ＝ｆｓ／６とするアナログフィルタを適用すると、ｆｓｘ／６以上の周波数成分を遮断させてしまうためなまりが生じてしまう。そうすると、元波形への復元が困難となり、最適なセンサエレメント２８の選択ができなくなる。したがって、最適なセンサエレメント２８が選択されるまでは、マルチプレクサ２０を用いて、信号Ａ，Ｂ，Ｃを切り替えながらサンプリングするので、単純にこのようなアンチエイリアシングフィルタを挿入することができない。

このことから、マルチプレクサ２０を用いて複数の圧力信号の切り替えを行なって脈波検出のためのセンサエレメント２８の選択を行なう脈波検出装置では、固定的にアンチエイリアシングフィルタを適用することができない。したがって、特性可変フィルタ２２を備えない脈波検出装置では、図１２の波形データ６１に見られるノイズを削減することができず、精度の高い脈波解析を行なうことが困難となる。

＜本発明の実施の形態１における脈波検出装置の動作および構成＞
ここで、上記の本発明の実施の形態１において、特性可変フィルタ２２を設けた脈波検出装置の動作について説明する。

図５は、実施の形態１における脈波測定処理を示すフローチャートである。図５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出してＲＡＭ２３上に展開して実行することによって実現される。

図５を参照して、始めに、電源スイッチ（図示せず）がＯＮされると、ＣＰＵ１１は、制御回路１４に対して負圧ポンプ１６を駆動するように指示し、制御回路１４はこの指示に基づいて切換弁１７を負圧ポンプ１６側に切換えて、負圧ポンプ１６を駆動する（Ｓ１０１）。負圧ポンプ１６が駆動されることで、切換弁１７を介してカフ圧が大気圧よりも十分に低くするように作用され、半導体圧力センサ１９を含むセンサ部分が不用意に突出して誤動作や故障するのを回避できる。

その後、センサ部分が測定部位に移動される、あるいは操作部２４に含まれる測定開始スイッチ（図示せず）が押される、などを検知して、測定の開始を判断する（Ｓ１０３）。前者の場合、センサ部分はその移動を検知するための図示されないマイクロスイッチなどを備え、ＣＰＵ１１は該マイクロスイッチの検出信号に基づいてセンサ部分が移動したか否かを判定する。

測定の開始を判断すると（Ｓ１０３でＹＥＳ）、ＣＰＵ１１は、各センサエレメント２８からの圧力信号を得るために、マルチプレクサ２０を動作させてチャネルスキャンを開始する（Ｓ１０５）。そして、このとき、ＣＰＵ１１は、特性可変フィルタ２２の遮断周波数の特性を特性Ａとする。実施の形態１においては、図６に示すように、特性可変フィルタ２２を構成する切替回路に対して、フィルタＡ２２ａを選択するように制御信号を送信する（Ｓ１０７）。

次に、ＣＰＵ１１は制御回路１４に対し、加圧ポンプ１５を駆動させるよう制御信号を送出する。制御回路１４は、この制御信号に基づいて切換弁１７を加圧ポンプ１５側に切換えて、加圧ポンプ１５を駆動する（Ｓ１０９）。これにより、カフ圧が上昇して、半導体圧力センサ１９を含むセンサ部分が被験者の測定部位の表面に押圧される。

センサ部分が測定部位に押圧されると、半導体圧力センサ１９に含まれる各センサエレメント２８から圧力信号がマルチプレクサ２０において時分割され、アンプ２１において増幅される。その後、増幅された圧力信号はフィルタＡ２２ａに入力される。そして、フィルタＡにおいてフィルタ処理された圧力信号は、Ａ／Ｄ変換部２３に送出される。そして、Ａ／Ｄ変換部２３でデジタル情報に変換されて、ＣＰＵ１１に入力される。ＣＰＵ１１は、これらのデジタル情報を用いてトノグラムを作成し、表示部２５に表示する（Ｓ１１１）。

次に、ＣＰＵ１１は、ステップＳ１１１で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、該センサエレメント２８を最適チャネルとして選択するための処理を実行する（Ｓ１１３）。なお、最適チャネルを選択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願２００３−１２３１３号公報に記載の技術などを用いることができる。

本実施の形態において、最適チャネルとして、一つのセンサエレメント２８が採用されることとする。

同時に、ＣＰＵ１１は、各センサエレメント２８から入力される圧力信号から、その直流成分を抽出する（Ｓ１１５）。直流成分は、圧力信号の一定時間の平均値、または圧力信号の低域通過フィルタを通過した成分（脈波除去した成分）、または脈波立上り点（脈波成分が混入する直前）の圧力信号レベルにより求められる。

より具体的には、ステップＳ１１５において、圧力信号の出力変化を一定時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、低域通過フィルタを用いて所定の周波数以下の値を抽出する、などを行なっても、同様に直流成分を抽出することができる。なお、上述の一定時間は、被験者の脈拍に拠らない予め脈波検出装置に設定されている時間間隔であって、一般的な一脈拍時間が含まれる１．５秒程度であることが好ましい。

次に、ＣＰＵ１１は、各センサエレメント２８から入力される圧力信号よりステップＳ１１５において抽出した直流成分が、安定している箇所を検出する（Ｓ１１７）。直流成分が安定している箇所が検出されない場合には（Ｓ１１７でＮＯ）、加圧ポンプ１５による押圧カフ１８に対する加圧を継続しながら、直流成分が安定している箇所が検出されるまで、上述のステップＳ１１１〜Ｓ１１７の処理を繰り返す。

このように、最適チャネルの選択処理と直流成分を検出して行なう最適圧力調整処理とが並行されることにより、脈波測定開始までの時間を短縮することができる。

なお、最適チャネルの選択が行なわれた後に、最適圧力調整をすることとしてもよい。

そして、ＣＰＵ１１は、最適チャネルの選択が完了し、直流成分が安定している箇所を検出すると（Ｓ１１７でＹＥＳ）、マルチプレクサ２０に対し最適チャネルとして決定したセンサエレメント２８からの圧力信号を選択して送出させるようにチャネルを固定する（Ｓ１１９）。同時に、ＣＰＵ１１は、特性可変フィルタ２２の遮断周波数の特性を特性Ｂに切り替える（Ｓ１２１）。実施の形態１においては、特性可変フィルタ２２の切替回路に対して、図６に示すフィルタＢ２２ｂへと切り替える制御信号を送信する。

そして、Ｓ１１７において検出された直流成分が安定している箇所を押圧カフ１８の最適押圧力として決定し、押圧カフ１８の圧力を調整するよう、制御回路１４に対し制御信号を送出する（Ｓ１２３）。

さらに、ステップＳ１２３で押圧カフ１８の押圧力を最適押圧力として決定した後、ＣＰＵ１１は、押圧カフ１８の押圧力が最適押圧に保たれた状態で最適チャネルとして選択されたセンサエレメント２８から出力された圧力信号、すなわち波形データの立上がり点の先鋭度（ＭＳＰ）が適切であるか否か（Ｓ１２５）、さらに、波形歪みがあるか否か（Ｓ１２７）を判定する。

波形データの立上がり点の先鋭度（ＭＳＰ）が不適切である場合（Ｓ１２５でＮＯ）、あるいは波形歪みが検出される場合（Ｓ１２７でＮＯ）には、波形データの立上がり点の先鋭度が適切になるまで、あるいは波形歪みが検出されなくなるまで、ステップＳ１２３の押圧力の調整を繰り返す。

そして、波形データの立上がり点の先鋭度（ＭＳＰ）が適切であり（Ｓ１２５でＹＥＳ）、かつ波形歪みが検出されない場合（Ｓ１２７でＹＥＳ）には、ＣＰＵ１１は、マルチプレクサ２０、アンプ２１、フィルタＢ２２ｂおよびＡ／Ｄ変換部２３を介して、その時点の波形データを取得する（Ｓ１２９）。

このとき、マルチプレクサ２０は、Ｓ１１９においてチャネルが固定されているため、単一チャネルからの圧力信号のみがアンプ２１を介してフィルタＢ２２ｂに送出される。そして、フィルタＢ２２ｂにおいてフィルタ処理された圧力信号は、Ａ／Ｄ変換部２３においてデジタル信号に変換される。

そして、ＣＰＵ１１は、取得した波形データより脈波を検出し、脈波検出終了の所定条件の成立を判定する（Ｓ１３１）。ステップＳ１３１で脈波検出を終了するための条件は、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、ユーザからの終了（あるいは中断）指示などであってもよい。すなわち、所定条件が成立するまで、上述のステップＳ１２９の脈波データの転送処理が繰り返される。

そして、脈波検出終了の所定条件が成立したときは（Ｓ１３１でＹＥＳ）、ＣＰＵ１１は切換弁１７を介して負圧ポンプ１６を駆動するよう、制御回路１４に対し制御信号を送出する（Ｓ１３３）。これにより、測定部位に対するセンサ部分の押圧状態は解かれて、一連の脈波測定処理は終了する。

このように、実施の形態１において、ＣＰＵ１１は、マルチプレクサ２０に対して、Ｓ１０５においてチャネルスキャンする動作と、Ｓ１１９においてチャネル固定する動作とを切り替え制御する。本実施の形態における脈波検出装置においては、脈波測定時間が３０秒〜２分程度と短かいことから脈波測定中に体動によりずれる可能性が少ないため、このようにチャネルを固定することができる。

次に、図６〜８を用いて、本発明の実施の形態における特性可変フィルタ２２について説明する。

図６は、実施の形態１における特性可変フィルタ２２を構成するフィルタ切替回路について説明するための図である。図６を参照して、特性可変フィルタ２２は、異なる周波数特性を有するフィルタＡ２２ａとフィルタＢ２２ｂとを含み、これらのフィルタを切り替えるための切替回路により構成される。また、図７は、図６に示したフィルタＡ２２ａおよびフィルタＢ２２ｂの周波数特性を示す図である。

本実施の形態において、たとえば、４０個のセンサエレメント２８からの圧力信号の切替周波数ｆｘを２０ｋＨｚとする。そうすると、４０個のうち１個のセンサエレメント２８からの圧力信号のサンプリング周波数ｆｓは、５００Ｈｚとなる。

なお、以下、実施の形態１において、サンプリング周波数ｆｓとは、単一の圧力信号のサンプリング周波数のことをいう。

図７（ａ）を参照して、フィルタＡ２２ａの遮断周波数ｆｃ_Ａは、切替周波数ｆｘ（２０ｋＨｚ）以上の値とし、たとえば２５０ｋＨｚに設定する。一方、図７（ｂ）を参照して、フィルタＢ２２ｂの遮断周波数ｆｃ_Ｂは、サンプリング周波数ｆｓの１／２の周波数ｆｓ／２（２５０Ｈｚ）よりも低い値とし、たとえば１００Ｈｚに設定にする。なお、上記条件下においては、フィルタＢ２２ｂの遮断周波数ｆｃ_Ｂは、３０Ｈｚ＜ｆｃ_Ｂ＜２５０Ｈｚ（＝ｆｓ／２）とすることが好ましい。

図８は、実施の形態１における特性可変フィルタ２２の遷移例を示す図である。

図８を参照して、ＣＰＵ１１は、マルチプレクサ２０によって複数のセンサエレメント２８からの圧力信号を順次切り替えながら最適チャネルの選択を開始すると、特性可変フィルタ２２を多チャネルスキャンモードとする。そして、最適チャネル選択後は、単一チャネル詳細モードに変更する。実施の形態１において、多チャネルスキャンモードとするには、ＣＰＵ１１は、図６に示すフィルタＡ２２ａを選択する。また、単一チャネル詳細モードとするには、ＣＰＵ１１は、図６に示すフィルタＢ２２ｂに切り替える。

上述のように、最適チャネル選択中は、マルチプレクサ２０を動作させて圧力信号の切り替えを行なうので、フィルタＡ２２ａが適用される。フィルタＡ２２ａの遮断周波数ｆｃ_Ａは、２５０ｋＨｚと、切替周波数ｆｘ（２０ｋＨｚ）よりも十分に高い値としているため、波形の復元に際してなまりが生じない。

そして、最適チャネル選択後は、フィルタＢ２２ｂを適用する。最適チャネル選択後は、ＣＰＵ１１がマルチプレクサ２０を制御して単一のチャネルに固定するので、アンチエイリアシングフィルタとして機能するフィルタＢ２２を適用することができる。

図９は、実施の形態１の脈波検出装置における、センサエレメント２８から得られる圧力信号（センサ信号）の解析処理について説明する。図９のフローチャートに示される処理もまた、固定台ユニット７内のＣＰＵ１１が、ＲＯＭ１２にアクセスしてプログラムを読出してＲＡＭ１３上に展開して実行することによって実現される。

図９を参照して、始めに、複数のセンサエレメント２８を有する半導体圧力センサ１９において圧力信号を検出すると（Ｓ２０１）、半導体圧力センサ１９はマルチプレクサ２０を介してアンプ２１に圧力信号を入力する。そして、アンプ２１において半導体圧力センサ１９で検出された圧力信号は所定の周波数まで増幅され（Ｓ２０３）、特性可変フィルタ２２を構成するフィルタＡ２２ａまたはフィルタＢ２２ｂを経ることによりアナログフィルタ処理がなされる（Ｓ２０５）。

上記図５に示したＳ１１９においてチャネル固定されるまでの間は、ＣＰＵ１１によってフィルタＡ２２ａが適用され、Ｓ１１９においてチャネル固定された後は、フィルタＢ２２ｂが適用される。

特性可変フィルタ２２を通過した圧力信号は、Ａ／Ｄ変換部２３においてデジタル化され（Ｓ２０７）、ノイズ除去などを目的として所定範囲の周波数を抽出するためのデジタルフィルタ処理がなされる（Ｓ２０９）。そして、Ａ／Ｄ変換部２３は、デジタル化した圧力信号を、ＣＰＵ１１に転送する。

なお、上述のＳ１１９においてチャネル固定されるまでの間は、ここでセンサ信号解析処理を終了する。

Ｓ１１９においてチャネル固定がされた後は、次に、ＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄ変換部２３から圧力信号を受信し、ＲＯＭ１２に格納されているプログラムを実行することで圧力信号から得る脈波波形をＮ次微分する（Ｓ２１１）。そして、その微分結果に基づいて脈波波形を区切って１拍の脈波波形を抽出し（Ｓ２１３）、脈波波形を分類する（Ｓ２１５）。そして、分類された脈波波形から所定の特徴点を抽出し（Ｓ２１７）、ＡＩ（Augmentation Index）値を算出する（Ｓ２１９）。以上でセンサ信号解析処理を終了する。

図１０（ａ）は、本実施の形態において、特性可変フィルタ２２の周波数特性を特性Ａとした場合の１拍の脈波の表示例を示した図である。この場合、多チャネルスキャンモードであり、フィルタＡ２２ａが適用されている。一方、図１０（ｂ）は、特性可変フィルタ２２の周波数特性を特性Ｂとした場合の１拍の脈波の表示例を示した図である。この場合は、単一チャネル詳細モードであり、フィルタＢ２２ｂが適用されている。

図１０（ａ）を参照すると、電圧の変化が少ない時間帯（たとえば４５．２秒付近および４５．８秒付近）の波形データには細かい振幅が見られ、ノイズが含まれていることが分かる。一方、図１０（ｂ）を参照すると、同じく電圧の変化の少ない時間帯の波形データにおいても（たとえば４５．２秒付近および４５．８秒付近）なめらかな曲線となっており、ノイズの削減が実現されていることが分かる。

したがって、図９のＳ２１３において抽出される１拍の脈波波形の精度が高いため、１拍分の脈波波形からＳ２１９において精度の高いＡＩ値を算出することができる。

なお、上述のＡＩは、公知の指標であって、主に中枢血管の動脈硬化に対応する脈波の反射強度（脈波の反射現象であって、送出し血流量の受入れやすさを表わしている）を反映する特徴量を指標化したものである。ＡＩは、特に循環器系疾患の早期発見のために有効な指標と言われており、血圧とは異なった挙動を示すことが知られている。

また、本実施の形態において、脈波の特徴量として公知の指標ΔＴｐなどを算出することとしてもよい。

＜実施の形態１における脈波検出装置の変形例＞
以下、上記実施の形態１において説明した脈波検出装置における特性可変フィルタ２２の構成の変形例について説明する。なお、他の構成については、上記実施の形態１において説明した構成と同様である。

図１１は、実施の形態１における特性可変フィルタ２２の構成の変形例を示す図である。

図１１を参照して、変形例においては、特性の異なるアナログフィルタを複数用いるのではなく、特性を変えることのできるフィルタＣ２２ｃを用いる。このフィルタＣ２２ｃは、可変容量ダイオードにより構成されている。ＣＰＵ１１は、フィルタＣ２２ｃに対して、図示しない制御回路より電圧を与える。そうすることにより、フィルタＣ２２ｃにおける遮断周波数を変更することができる。

本変形例においては、図５のＳ１０７に示すステップにおいて、ＣＰＵ１１は、フィルタＣ２２ｃにおける遮断周波数ｆｃ_Ｃを切替周波数ｆｘ以上の値となるように制御電圧を与える。この場合、遮断周波数ｆｃ_Ｃは、たとえば２５０ｋＨｚとする。

また、図５のＳ１２１に示すステップにおいては、ＣＰＵ１１は、フィルタＣ２２ｃがアンチエイリアシングフィルタとして機能するように、たとえば遮断周波数ｆｃ_Ｃを１００Ｈｚとなるように制御電圧を与えて変化させる。

この変形例のような構成とすることにより、特性の異なるアナログフィルタを複数設ける必要がないので、小型化を図ることができる。

なお、変形例において、遮断周波数成分を変更するために、可変容量ダイオードを用いることとしたが、遮断周波数成分を変更できるものであればこれに限定されない。

以上説明した本発明の実施の形態１およびその変形例によれば、マルチプレクサ２０と特性可変フィルタ２２とを動的に制御するため、適切にチャネル選択を行なうことができ、かつ、エイリアシングノイズの削減を図ることができる。したがって、精度の高い脈波データを得ることができる。

また、これにより、１拍分の脈波データを用いてさまざまな解析に利用することができる。たとえば、被検者が薬を飲んだ後の、１拍単位での心臓の動きの変化などをリアルタイムで検出することができる。

また、１拍ごとの脈波解析が可能となるため、脈波測定に要する時間の短縮を図ることができる。

なお、本実施の形態において、最適チャネルとして一つのセンサエレメント２８が採用されることとしたが、センサエレメント２８の数より少ない数であれば、二つ以上採用されることとしてもよい。

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特許請求の範囲によって示され、特許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。

本発明の実施の形態１におけるセンサユニットと固定台の接続態様を示す図である。 本発明の実施の形態１における脈波測定時の使用態様を示す図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は本発明の実施の形態１におけるセンサユニットの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における脈波検出装置の機能構成図である。 本発明の実施の形態１における脈波測定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における特性可変フィルタを構成するフィルタ切替回路について説明するための図である。 （ａ）はフィルタＡの周波数特性を示す図であり、（ｂ）はフィルタＢの周波数特性を示す図である。 本発明の実施の形態１における脈波検出装置の特性可変フィルタのモード遷移例を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるセンサ信号解析処理を示す図である。 （ａ）は特性可変フィルタの周波数特性を特性Ａとした場合の１拍の脈波の表示例であり、（ｂ）は特性可変フィルタの周波数特性を特性Ｂとした場合の１拍の脈波の表示例である。 本発明の実施の形態１における特性可変フィルタの変形例を示す図である。 アンチエイリアシングフィルタを適用しない脈波検出装置の問題点を説明するための図である。 エイリアシングノイズを説明するための図である。 エイリアシングノイズを除去するために必要な低域通過フィルタの周波数特性を示す図である。 マルチプレクサの切替周波数を説明するための図である。 マルチプレクサ動作中にアンチエイリアシングフィルタを適用した場合における問題点を説明するための図である。

符号の説明

１ センサユニット、２ 固定台、３ 表示ユニット、４ ケーブル、５ 通信ケーブル、６ エア管、７ 固定台ユニット、８ ベルト、９ スライド溝、１４ 制御回路、１５ 加圧ポンプ、１６ 負圧ポンプ、１７ 切換弁、１８ 押圧カフ、１９ 半導体圧力センサ、２０ マルチプレクサ、２１ アンプ、２２ 特性可変フィルタ、２３ Ａ／Ｄ変換部、２４ 操作部、２５ 表示部、２７ フレキシブル配線、２８ センサエレメント、４０ 測定面。

Claims (10)

1. 測定面に配置された複数の圧力センサを有するセンサアレイと、
   前記センサアレイを生体の動脈上に交差させて押圧するための押圧手段と、
   前記複数の圧力センサからの圧力信号のうち、指定された圧力センサからの圧力信号を選択するためのセンサ信号選択手段と、
   指示に応じて遮断周波数の値を変更することが可能なフィルタ手段とを備え、
   前記フィルタ手段は、前記遮断周波数に応じて前記センサ信号選択手段により選択された圧力信号に含まれる所定値以上の周波数の信号成分を遮断し、
   前記フィルタ手段を通過して出力されるアナログ信号を、デジタル信号に変換するためのアナログ・デジタル変換手段と、
   前記複数の圧力センサのうち脈波検出のための圧力センサを特定するための圧力センサ特定手段と、
   前記アナログ・デジタル変換手段により変換された、前記圧力センサ特定手段により特定された圧力センサからの圧力信号に対応するデジタル信号に基づいて、前記動脈から発生する脈波を検出するための脈波検出手段と、
   前記フィルタ手段における前記遮断周波数の値を変更させる指示を与えるためのフィルタ制御手段とをさらに備え、
   前記フィルタ制御手段は、前記脈波検出のための圧力センサを特定するために前記センサ信号選択手段によって前記複数の圧力センサそれぞれより得られる複数の圧力信号が順次切り替えられて出力される第１の場合と、前記脈波検出手段によって脈波が検出される第２の場合とにおいて、前記遮断周波数の値を切り替える、脈波検出装置。
2. 前記フィルタ制御手段は、前記フィルタ手段における前記遮断周波数の値を、前記第１の場合に前記複数の圧力信号の切替周波数以上とする指示を与え、前記第２の場合にエイリアシングノイズの除去が可能な値とする指示を与える、請求項１に記載の脈波検出装置。
3. 前記エイリアシングノイズの除去が可能な値とは、前記複数の圧力信号のうちの一つの圧力信号についてのサンプリング周波数の１／２以下の値である、請求項２に記載の脈波検出装置。
4. 前記フィルタ手段は、
   異なる周波数特性を有する複数のフィルタと、
   前記複数のフィルタを切り替えるためのフィルタ切替回路とを含む、請求項１に記載の脈波検出装置。
5. 前記複数のフィルタは、
   前記遮断周波数の値が前記複数の圧力信号の切替周波数以上の値である第１のフィルタと、
   前記遮断周波数の値がエイリアシングノイズの除去が可能な値である第２のフィルタとを有し、
   前記フィルタ制御手段は、前記第１の場合に前記第１のフィルタを選択するための信号を、前記第２の場合に前記第２のフィルタを選択するための信号を、前記フィルタ切替回路に送信する、請求項４に記載の脈波検出装置。
6. 前記フィルタ手段は、
   外部から加えられる電圧に応じて、容量が変化する可変容量素子を含み、
   前記フィルタ制御手段は、前記可変容量素子に対して電圧を加えることにより、前記遮断周波数の値を変更させる、請求項１に記載の脈波検出装置。
7. 前記センサ信号選択手段の動作を制御するためのセンサ信号選択制御手段をさらに備え、
   前記センサ信号選択制御手段は、前記複数の圧力センサそれぞれより得られる複数の圧力信号を順次切り替えて出力させる第１の動作と、前記指定された圧力信号を選択して出力させる第２の動作とを切り替える、請求項１に記載の脈波検出装置。
8. 前記押圧手段による押圧レベルの調整と、前記脈波検出のための圧力センサの選択とを、並行する、請求項１に記載の脈波検出装置。
9. 測定面に配置された複数の圧力センサそれぞれより得られる複数の圧力信号を順次切り替えながら選択するセンサ信号選択ステップと、
   前記センサ信号選択ステップによって選択されて出力される圧力信号の信号成分に対して、第１の遮断周波数でフィルタ処理を行なう第１のステップと、
   前記第１のステップによってフィルタ処理された信号に基づいて、前記複数の圧力センサのうち脈波検出のための圧力センサを特定するセンサ特定ステップと、
   前記複数の圧力信号のうち、前記圧力センサ特定ステップによって特定された圧力センサからの圧力信号を選択する特定センサ信号選択ステップと、
   前記特定センサ信号選択ステップによって選択された圧力信号の信号成分に対して、前記第１の遮断周波数よりも低い第２の遮断周波数で、前記特定された圧力センサからの圧力信号の信号成分に対してフィルタ処理を行なう第２のステップと、
   前記第２のステップによってフィルタ処理された信号から脈波を検出する脈波検出ステップとを備えた、脈波検出方法。
10. 前記第１の遮断周波数は、前記複数の圧力信号の切替周波数以上の値であり、前記第２の遮断周波数は、前記複数の圧力信号のうちの一つの圧力信号についてのサンプリング周波数の１／２以下の値である、請求項９に記載の脈波検出方法。

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