JP4581480B2 - 呼吸情報測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定した脈波を解析することで被験者の呼吸数や呼吸パターンといった呼吸情報を求める呼吸情報測定方法及びその装置に関する。

従来、健康管理や診断等の目的で脈拍数、血糖値、血中酸素飽和度、呼吸パターン等の生体情報（バイタルサイン）を測定するためには、それぞれの目的のために専用のセンサと測定装置が必要であった。例えば、血中酸素飽和度を測定するためには指先にセンサを固定する必要があり、呼吸パターンを測定するためには胸部にセンサを内蔵した伸縮ベルトを巻いたり、或いは胸部や鼻の近傍に気流センサや電極等を装着したりする必要があった。このため、測定に際して被験者を一定時間拘束する必要があり快適とは言い難く、健康上に明らかに問題があるなど臨床的見地からバイタルサインを測定する必要性がない限り、これらの測定装置が日常的に使用されることはなかった。

しかしながら、近年社会の構成人口が高齢化し、また生活習慣の近代化により生活習慣病の潜在的危険が増大し、その予防の重要性が叫ばれている中で、これらのバイタルサインを通常の生活の中でより高い頻度で快適に測定する手段が求められていた。

このような背景から、下記特許文献１には、バイタルサインの測定のみを目的とした従来の測定装置に代わり、被検者が通常の生活を営む中で非拘束、無意識のうちに、脈拍数や血糖値等のバイタルサインを測定する生体情報測定装置が提案されている。

この生体情報測定装置に用いられるセンサ素子の正面図を図９に、センサ素子を被験者に装着した状態を示す図を図１０にそれぞれ示す。図９に示すように、センサ素子１００は、イヤーレシーバ形状とされ、所定波長の光を被験者に投射する発光部１０１と、発光部１０１から投射された光のうち被験者を経由した光を検出する受光部１０２と、音楽等を再生するためのスピーカ１０３とが配されている。このセンサ素子１００は、図１０に示すように、一般のイヤーレシーバと同様に、被験者の耳甲介腔に固定して用いられ、これにより発光部１０１及び受光部１０２が外耳道の開口部の周縁に当接する。ここで、血流には脈があり、さらに血液の透過率は皮膚等の他の生体部分の透過率と比較して低いため、受光部１０２で検出される反射光の強度は脈拍に同期して変動する。したがって、この変動を連続して測定することにより、脈拍数を得ることができる。また、測定する血中成分（グルコースやコレステロールなど）に吸収されやすい波長の光を投射することにより、血糖値や血中コレステロール値を測定することができる。

特開平１１−１７８８０３号公報

ところで、上述した特許文献１記載の生体情報測定装置では、脈波を解析することにより脈拍数、血糖値、血中コレステロール値等のバイタルサインを測定することができるものの、呼吸数や呼吸パターンといった呼吸情報を測定することはできないため、呼吸情報を測定する場合には、上述のように胸部にセンサを内蔵した伸縮ベルトを巻いたり、或いは胸部や鼻の近傍に気流センサや電極等を装着したりする必要があった。その一方で、脈波を解析することにより呼吸情報を得ることができれば、被験者の負担を最小限に抑えた上で、さらに多くのバイタルサインを並行して測定することができ、被験者の健康管理上、非常に有益であると考えられる。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、測定した脈波を解析するのみで被験者の呼吸数や呼吸パターンといった呼吸情報を求める呼吸情報測定方法及びその装置を提供することを目的とする。

本件発明者らは、上述した目的を達成するために、様々な観点から鋭意研究を重ねてきた。その結果、脈波一拍の期間における最低電圧の推移である基線変動電圧の波形パターンが呼吸パターンと有意な相関を示すことを見出した。本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明に係る呼吸情報測定方法は、血液循環によって生じる脈波を検出する部位に対して発光部から光を投射し、該部位から得られる透過光又は反射光を受光部により検出することで該脈波を検出する脈波検出工程と、上記脈波検出工程にて検出された脈波の基線変動成分を抽出する基線変動成分抽出工程と、上記基線変動成分抽出工程にて抽出された基線変動成分の時間変動パターンに基づいて呼吸情報を演算する呼吸情報演算工程とを有し、上記発光部及び上記受光部は、柔軟な緩衝材からなり該発光部及び該受光部が被験者の外耳道の内面に当接して固定される形状を有する部材に埋め込まれており、上記脈波検出工程では、該部材が被験者の外耳道内に挿入された状態で上記脈波を検出する。

また、本発明に係る呼吸情報測定装置は、血液循環によって生じる脈波を検出する部位に対して光を照射する発光部と、該部位から得られる透過光又は反射光を検出することで該脈波を検出する受光部と、柔軟な緩衝材からなり該発光部及び該受光部が被験者の外耳道の内面に当接して固定される形状を有する部材とを有し、該発光部及び該受光部が該部材に埋め込まれている脈波検出手段と、上記脈波検出手段によって検出された脈波の基線変動成分を抽出する基線変動成分抽出手段と、上記基線変動成分抽出手段によって抽出された基線変動成分の時間変動パターンに基づいて呼吸情報を演算する呼吸情報演算手段とを備える。

ここで、脈波を検出する際には、脈波を検出する部位に対して発光部から光を投射し、この部位から得られる透過光又は反射光を受光部により検出する。

本発明に係る呼吸情報測定方法及びその装置では、血液循環によって生じる脈波の一拍の期間における最低電圧の推移である基線変動電圧波形の変動パターンに基づいて被験者の呼吸情報を求めるため、脈波を測定するのみで簡便に呼吸情報を得ることができる。

以下、本発明を適用した具体的な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。この実施の形態は、本発明を、脈波を解析することで被験者の呼吸数や呼吸パターンといった呼吸情報を求める呼吸情報測定方法及びその装置に適用したものである。以下では、先ず脈波から呼吸情報を求める方法について説明し、次いで、脈波を測定し、これを解析して呼吸情報を求める処理を行う呼吸情報測定装置の一例について説明する。

皮膚血管（末梢血管）の膨張・収縮を皮膚表面から電気的・機械的にとらえたものを容積脈波という。検出された容積脈波のうち概ね２０Ｈｚより高周波の成分をローパスフィルタにより除去し、増幅した後の波形を図１（Ａ）に示す。この図１（Ａ）に示すグラフの全幅は概ね２秒程度である。また、図中ｔは、脈波一拍に相当する時間間隔を示したものである。また、脈波一拍の期間における最低電圧の推移（基線変動）を表す基線変動電圧波形を図１（Ｂ）に太線で示す。この図１に示すグラフの全幅は概ね３０秒程度である。また、図中Ｔは、この基線変動電圧波形の一周期に相当する時間間隔を示したものである。図１（Ａ）、（Ｂ）のｔとＴとを比較して分かるように、基線変動電圧波形は、脈波よりも長い周期の時間変動を伴っている。

図２は、この基線変動電圧波形（図中実線）を、別の方法で確認した呼吸パターン（図中破線）と重畳させて示したものである。図２において、呼吸パターンのグラフの上部は吸気した状態を示し、グラフの下部は排気した状態を示す。この図２から、基線変動電圧波形の変動パターンが呼吸パターンと同期していることが確認できる。そして、被験者自身の体の動き等の外乱がない限り、この基線変動電圧波形の変動パターンは、呼吸により誘起されたものと推定される。なお、この現象は、胸腔内にある心臓及び大動脈が呼吸による胸腔内の圧力変化の影響を受け、心臓の血液駆出圧力にそれらの要素が加味されたものが末梢で検出されているためと説明できる。

本実施の形態における呼吸情報測定方法は、このような基線変動電圧波形の変動パターンに基づいて呼吸情報を求めるものである。すなわち、基線変動電圧波形の変動パターンを測定することで被験者の呼吸パターンを得ることができ、また、基線変動電圧波形が所定の閾値を超える回数を計数することで、被験者の呼吸数を得ることができる。さらに、呼吸数の時間変動を観察することにより、呼吸を支配している運動量やストレスの推定、或いは睡眠時無呼吸症候群などのスクリーニングにも応用できる。特に、この呼吸情報測定方法では、基線変動電圧波形の変動パターンのみから呼吸情報を求めることができるため、被験者の何れかの生体部分で一系統の脈波データを測定するのみでよく、非常に簡便である。

次に、脈波を測定し、これを上述したように解析して呼吸情報を求める処理を行う呼吸情報測定装置の一例について説明する。

本実施の形態における呼吸情報測定装置の概略を図３に示す。図３に示すように、本実施の形態における呼吸情報測定装置１は、脈波を測定するためのインナーイヤー型イヤーレシーバ形状のセンサ素子１０と、音楽等を再生すると共にセンサ素子１０で測定された脈波を解析して呼吸情報を得るための信号解析部３０とが、配線５０を介して接続されてなる。信号解析部３０には表示部３１が設けられており、信号解析部３０で解析された呼吸情報はこの表示部３１を介して被験者に提供される。

この呼吸情報測定装置１のうちセンサ素子１０を拡大して図４に示す。図４に示すように、センサ素子１０は、信号解析部３０で再生された音楽等を出力するためのスピーカ２１を有する本体部２０と、シリコンゴムや低反発ウレタン等の柔軟な緩衝材からなるイヤーピース２２とからなり、血圧を測定する際には、図５に示すように、一般のインナーイヤー型イヤーレシーバと同様に、イヤーピース２２が外耳道の内部に挿入され、本体部２０が被験者の耳甲介腔に固定されるように用いられる。

イヤーピース２２の側断面図の一例を図６（Ａ）、（Ｂ）に示す。イヤーピース２２の中央には貫通孔が設けられており、スピーカ２１から出力された音波は、この貫通孔を通して外耳道に送り込まれ、鼓膜に到達する。また、イヤーピース２２には、脈波を測定するための発光部２３及び受光部２４が埋め込まれており、この発光部２３及び受光部２４は、図７に示すように、センサ素子１０を被験者に装着した際に外耳道内部の皮膚に当接し、且つ発光部２３から投射した投射光及びその反射光の光軸が外耳道と直角又は直角に近い角度になるように配置されている。なお、図６では受光部２４を１つしか設けていないが、複数設けることで異なる経路を経由した反射光を受光することができ、より高精度に脈波を測定することが可能となる。

イヤーピース２２において、発光部２３には小型のＬＥＤ（Light Emission Diode）素子等の発光素子を用いることができる。また、受光部２４には例えばＳｉ、ＩｎＧａＡｓ、Ｇｅ等を用いたフォトダイオードや焦電型のマイクロセンサからなる光検出器を用いることができる。発光部２３は、イヤーピース２２の外側、すなわち外耳道の皮膚に接している面に向けて赤色光及び近赤外光を投射する。投射された光は被験者を経由し、一部分が反射、拡散されて戻ってくる。受光部２４は、この反射光を受光して電気信号に変換し、信号解析部３０に配線５０を介して伝送する。ここで、血流には脈があり、さらに血液の透過率は皮膚等の他の生体部分の透過率と比較して低いため、受光部２４で検出される反射光の強度は脈拍に同期して変動する。したがって、この変動を連続して測定することにより、脈波を得ることができる。

本実施の形態における呼吸情報測定装置１では、このような発光部２３及び受光部２４が柔軟な緩衝材からなるイヤーピース２２に埋め込まれているため、発光部２３及び受光部２４は、緩衝材の反発力によって適度な圧力で外耳道内面の皮膚に当接されることになる。これにより、被験者自身の動きや重力の影響によって発光部２３及び受光部２４から皮膚までの距離が変動することを有効に抑制することができ、安定した測定が可能となる。また、イヤーピース２２は、外耳道内に挿入されており体外に露出していないため、測定に際して外来光の影響を受けにくいという利点がある。また、外耳道内部は腕や指などの随意的に動かせる筋肉から遠いため、被験者自身の動きによる影響が少なく、測定の際に被検者を拘束する必要がないという利点がある。

さらに、本実施の形態における呼吸情報測定装置１では、センサ素子１０がインナーイヤー型イヤーレシーバ形状とされており、本体部２０のスピーカ２１を介して音楽等を出力することができるため、被験者は、音楽等を鑑賞しながら非拘束、無意識のうちにリラックスした状態で呼吸情報を測定することが可能となる。このため、長時間の装着が可能であり、呼吸情報の推移、変動等の傾向を観察することも可能である。特に、イヤーピース２２に埋め込まれる発光部２３及び受光部２４は小型であるため、音響性能の低下を最小限に抑えることができ、また、イヤーレシーバとしてのデザイン性を損ねることもない。また、本実施の形態における呼吸情報測定装置１では、スピーカ２１を有する本体部２０と発光部２３及び受光部２４を有するイヤーピース２２とが分離されているため、音楽等を鑑賞しながら呼吸情報を測定した場合であっても、音響振動の影響を受けることは殆どない。

上述した呼吸情報測定装置１のうち、呼吸情報の測定に関連する部分の概略構成を図８に示す。イヤーピース２２の受光部２４から伝送された電気信号は、先ず信号解析部３０のプリアンプ部４０に入力される。プリアンプ部４０は、ローパスフィルタにより、入力された電気信号のうち概ね２０Ｈｚより高周波の成分を除去することにより、電源周波数から電気磁気的に誘導されるノイズや、照明器具からの光により誘起されるノイズを取り除く。さらに、プリアンプ部４０は、このノイズを除去した電気信号を増幅する。信号処理回路４１は、その電気信号から基線変動成分を分離する。

分離された基線変動成分は、フィードバック回路４２において５乃至１０秒程度の長い時定数で積分され、発光部駆動回路４３に供給される。発光部駆動回路４３は、受光部２４で検出される脈波の電圧が小さいときには発光部２３の発光量を多くしてより大きい変化を得るように、逆に受光部２４で検出される脈波の電圧が大きいときには発光部２３の発光量を減少させて受光部２４及びその後の信号処理の回路が飽和するのを抑制するように制御する。

また、分離された基線変動成分は、Ａ／Ｄ（Analogue/Digital）コンバータ４４により量子化され、数値データとしてプロセッサ４５に送られる。プロセッサ４５は、このデータを上述のように解析して被験者の呼吸情報を求め、その結果を記憶媒体４６に記録すると共に、表示部３１において文字その他の方法により表示する。

なお、上述した発光部２３及び受光部２４では、測定する血中成分（グルコースやコレステロールなど）に吸収されやすい波長の光を投射することにより、血糖値や血中コレステロール値を測定することもできる。また、酸素を結合したヘモグロビンと酸素を結合していないヘモグロビンとの光吸収率の違いを利用することで、血中酸素飽和度を測定することもできる。このように、本実施の形態における呼吸情報測定装置１によれば、血圧以外にも、脈拍数、血糖値、血中コレステロール値、血中酸素飽和度等の複数の生態情報を並行して測定することができるため、被験者の健康管理上、有益である。また、それぞれの生体情報の相関関係を解析するなど、より高次の解析も可能である。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

例えば、上述した実施の形態では、図３に示すようなインナーイヤー型イヤーレシーバ形状のセンサ素子を血圧測定装置に用いるものとして説明したが、この形状に限定されるものではなく、指先や耳朶、手首などの人体の末梢組織を挟むような形状であっても構わない。この場合においても、その末梢組織に対して発光部から光を投射し、その透過光又は反射光を受光部で検出することにより脈波を測定することができ、その脈波を解析することで呼吸情報を求めることができる。

容積脈波とその基線変動を説明する図であり、同図（Ａ）は、ノイズ除去及び増幅を行った後の容積脈波の波形を示し、同図（Ｂ）は、この容積脈波の基線変動電圧波形を示す。 基線変動電圧波形と呼吸パターンとを重畳させて示す図である。 本実施の形態における呼吸情報測定装置の一例を示す概略図である。 同呼吸情報測定装置に用いられるセンサ素子を拡大して示す斜視図である。 同センサ素子を被験者に装着した状態を示す図である。 同センサ素子のイヤーピースを示す側断面図である。 センサ素子の発光部及び受光部が被験者の外耳道内面の皮膚に当接されている状態を示す図である。 同呼吸情報測定装置のうち、呼吸情報の測定に関連する部分の概略構成を示す図である。 従来の生体情報測定装置に用いられるセンサ素子を拡大して示す斜視図である。 同センサ素子を被験者に装着した状態を示す図である。

符号の説明

１ 呼吸情報測定装置、１０ センサ素子、２０ 本体部、２１ スピーカ、２２ イヤーピース、２３ 発光部、２４ 受光部、３０ 信号解析部、３１ 表示部、４０ プリアンプ部、４１ 信号処理回路、４２ フィードバック回路、４３ 発光部駆動回路、４４ Ａ／Ｄコンバータ、４５ プロセッサ、４６ 記憶媒体

Claims (8)

1. 血液循環によって生じる脈波を検出する部位に対して発光部から光を投射し、該部位から得られる透過光又は反射光を受光部により検出することで該脈波を検出する脈波検出工程と、
   上記脈波検出工程にて検出された脈波の基線変動成分を抽出する基線変動成分抽出工程と、
   上記基線変動成分抽出工程にて抽出された基線変動成分の時間変動パターンに基づいて呼吸情報を演算する呼吸情報演算工程と
   を有し、
   上記発光部及び上記受光部は、柔軟な緩衝材からなり該発光部及び該受光部が被験者の外耳道の内面に当接して固定される形状を有する部材に埋め込まれており、
   上記脈波検出工程では、上記部材が被験者の外耳道内に挿入された状態で上記脈波を検出する呼吸情報測定方法。
2. 上記発光部と、上記受光部と、上記部材とを有する脈波検出手段は、再生部で再生された音楽を出力するスピーカを有する本体部をさらに備え、該本体部と上記部材とが分離されている請求項１記載の呼吸情報測定方法。
3. 上記呼吸情報演算工程では、所定期間中に基線変動成分が所定の閾値を超えた回数に基づいて呼吸数を演算する請求項１記載の呼吸情報測定方法。
4. 上記脈波検出工程にて検出された脈波の高周波ノイズを除去するノイズ除去工程をさらに有し、
   上記基線変動成分抽出工程では、上記ノイズ除去工程でノイズが除去された波形から基線変動成分を抽出する請求項１記載の呼吸情報測定方法。
5. 血液循環によって生じる脈波を検出する部位に対して光を照射する発光部と、該部位から得られる透過光又は反射光を検出することで該脈波を検出する受光部と、柔軟な緩衝材からなり該発光部及び該受光部が被験者の外耳道の内面に当接して固定される形状を有する部材とを有し、該発光部及び該受光部が該部材に埋め込まれている脈波検出手段と、
   上記脈波検出手段によって検出された脈波の基線変動成分を抽出する基線変動成分抽出手段と、
   上記基線変動成分抽出手段によって抽出された基線変動成分の時間変動パターンに基づいて呼吸情報を演算する呼吸情報演算手段と
   を備える呼吸情報測定装置。
6. 上記脈波検出手段は、再生部で再生された音楽を出力するスピーカを有する本体部をさらに備え、該本体部と上記部材とが分離されている請求項５記載の呼吸情報測定装置。
7. 上記呼吸情報演算手段は、所定期間中に基線変動成分が所定の閾値を超えた回数に基づいて呼吸数を演算する請求項５記載の呼吸情報測定装置。
8. 上記脈波検出手段によって検出された脈波の高周波ノイズを除去するノイズ除去手段をさらに備え、
   上記基線変動成分抽出手段は、上記ノイズ除去手段によってノイズが除去された波形から基線変動成分を抽出する請求項５記載の呼吸情報測定装置。

Images