JP4415466B2 - Biological signal detection device and non-invasive blood pressure monitor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体情報から外乱を含まない生体信号を検出できる生体信号検出装置、及び血圧変動のみを計測する原理・方式の非観血血圧計に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、カフを用いて連続的に血圧測定を行える血圧計が知られているが、この血圧計では、測定間隔を短くすると、カフによる締め付けが頻繁に繰り返されることから、被験者に大きな負担を与え、時にはカフを巻いた部分で内出血を起こすこともある。
これに対し、血圧の絶対値を直接測定するのではなく、血圧変動のみを計測する原理・方式の血圧計がある。例えば、脈波が動脈中を進行する速度(脈波伝播速度)や脈波波形の特徴量等を捉えてパラメータ化し、その変化量を血圧の変化量に換算して表示する血圧計がある。この種の血圧計は、カフによる締め付けを繰り返す必要がないため、被験者に大きな負担を与えず、原理的に1拍の心電や脈波信号によって血圧を算出できることから、連続的な血圧測定を無侵襲で行うことが可能である。
【0003】
しかし、上記の血圧計(血圧変動のみを計測する血圧計)は、脈波の変化量を元に血圧を算出するため、体動(体の動き)等により脈波波形に外乱が載ると、正確な血圧測定ができないという問題がある。
この対策として、以下の従来技術が知られている。
▲1▼体動ノイズの発生を判断する判断手段を有し、この判断手段により体動ノイズの発生が判断された場合は、センサ信号の読み込みを所定時間待機させることで、体動ノイズの読み込みによる血圧測定の精度低下を防止する(特許番号第2664983号参照)。
【0004】
▲2▼複数の脈波の周期を用いて現在の脈波の基本周期を算出し、この基本周期から算出される脈波周期のばらつきに応じて異常脈波の振幅を補正する方法(特開平5−184547号参照)。
▲3▼人体の生体情報から体動による外乱を除去する方法。つまり、体動を含む一般のアーチファクト(artifact)の影響を脈波や心電図から取り除くもので、脈波の観測時点から64拍分の過去の脈波を見て、脈波振幅の分散が大きい部分を除去し、それ以外の信号部分を解析に使用する(異なる測定部位の脈波伝播時間と血圧の関係の比較、第38回日本ME学会大会論文集 Sendai,21-23 April,1999 pp.373)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記▲1▼の方法では、頻繁に体動ノイズが載る自由行動下での血圧測定には適さない。
▲2▼の方法では、単発的な異常脈波には対応できるが、頻繁に脈波が乱れる自由行動下では、脈波の基本周波数自体を求めることが困難であり、▲1▼の方法と同様に、自由行動下での血圧測定には適さない。
▲3▼の方法では、体動などの外乱が入った部分を使用しないため、解析に使用可能な生体信号が限られてしまう。また、生体信号の時間的な連続性も失われてしまう。更に、体動などの外乱が長時間にわたって加わると、生体信号の解析が不可能となる。
以上の結果、血圧変動のみを計測する原理・方式の非観血血圧計では、自由行動下で頻繁に発生する体動により脈波波形が大きく乱れた場合に、十分な血圧推定精度を確保できない。
【0006】
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その第1の目的は、生体情報から外乱を含まない生体信号を検出でき、且つその生体信号の時間的な連続性を維持できる生体信号検出装置を提供すること。また、第2の目的は、血圧変動のみを計測する原理・方式の非観血血圧計において、心拍に同期する脈動成分から体動によるノイズを分離して、自由行動下でも正確に且つ連続的に血圧測定を可能にすることである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の生体信号検出装置は、上記の課題を解決する技術的手段として以下の構成を有している。
請求項1では、生体情報を検出する2つ以上のセンサから生体情報をアナログ信号として入力し、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、センサで検出された生体情報に体動による外乱が含まれており、その外乱を含んだ生体情報がセンサで検出されるまでに振幅のみ変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合に、外乱を含んでいない生体情報と外乱との統計的独立性を利用して、外乱を含んだ生体情報から外乱を分離するための1つの分離マトリクスを計算する分離マトリクス計算手段と、A/D変換手段で変換されたデジタル信号に分離マトリクスを作用させて、デジタル信号を外乱を含まない生体信号と外乱を示す体動信号とに分離する信号分離計算手段とを備える。
【0008】
請求項2では、生体情報を検出する2つ以上のセンサから生体情報をアナログ信号として入力し、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、センサで検出された生体情報に体動による外乱が含まれており、その外乱を含んだ生体情報がセンサで検出されるまでに周波数と位相が線形的に変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合に、外乱を含んでいない生体情報と外乱との統計的独立性を利用して、外乱を含んだ生体情報から外乱を分離するための2つ以上の分離マトリクスを計算する分離マトリクス計算手段と、A/D変換手段で変換されたデジタル信号に2つ以上の分離マトリクスを作用させて、デジタル信号を外乱を含まない生体信号と外乱を示す体動信号とに分離する信号分離計算手段とを備える。
【0009】
請求項3では、生体情報を検出する2つ以上のセンサから生体情報をアナログ信号として入力し、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、センサから体動による外乱を含んでいない生体情報を入力し、その生体情報の確率密度関数を推定する確率密度関数推定手段と、センサで検出された生体情報に体動による外乱が含まれており、その外乱を含んだ生体情報がセンサで検出されるまでに振幅のみ変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合に、確率密度関数を用い、外乱を含んでいない生体情報と外乱との統計的独立性を利用して、外乱を含んだ生体情報から外乱を分離するための1つの分離マトリクスを計算する分離マトリクス計算手段と、A/D変換手段で変換されたデジタル信号に分離マトリクスを作用させて、デジタル信号を外乱を含まない生体信号と外乱を示す体動信号とに分離する信号分離計算手段とを備える。
【0010】
請求項4では、生体情報を検出する2つ以上のセンサから生体情報をアナログ信号として入力し、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、センサから体動による外乱を含んでいない生体情報を入力し、その生体情報の確率密度関数を推定する確率密度関数推定手段と、センサで検出された生体情報に体動による外乱が含まれており、その外乱を含んだ生体情報がセンサで検出されるまでに周波数と位相が線形的に変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合に、確率密度関数を用い、外乱を含んでいない生体情報と外乱との統計的独立性を利用して、外乱を含んだ生体情報から外乱を分離するための2つ以上の分離マトリクスを計算する分離マトリクス計算手段と、A/D変換手段で変換されたデジタル信号に2つ以上の分離マトリクスを作用させて、デジタル信号を外乱を含まない生体信号と外乱を示す体動信号とに分離する信号分離計算手段とを備える。
【0011】
請求項5では、請求項1〜4に記載した何れかの生体信号検出装置において、
信号分離計算手段で分離された生体信号を外部に出力する信号出力手段を具備している。
【0012】
請求項6では、請求項1〜5に記載した何れかの生体信号検出装置において、
センサから入力した生体情報に体動による外乱が含まれているか否かを判定する体動判定手段と、この体動判定手段で体動による外乱が含まれていないと判定された場合に、A/D変換手段で変換されたデジタル信号を分離マトリクス計算手段及び信号分離計算手段を経ずに出力する信号バイパス手段とを備えている。
【0013】
請求項7では、請求項3〜5に記載した何れかの生体信号検出装置において、
センサから入力した生体情報に体動による外乱が含まれているか否かを判定する体動判定手段を備え、確率密度関数推定手段は、体動判定手段で体動による外乱が含まれていないと判定された場合に、センサから入力した生体情報の確率密度関数を推定する。
【0014】
請求項8では、請求項7に記載した生体信号検出装置において、
体動判定手段で体動による外乱が含まれていないと判定された場合に、A/D変換手段で変換されたデジタル信号を分離マトリクス計算手段及び信号分離計算手段を経ずに出力する信号バイパス手段を備えている。
【0015】
請求項9では、請求項1〜8に記載した生体信号検出装置は、被験者の脈波(生体情報)から外乱を含まない生体信号を検出するものである。
【0016】
また、本発明の非観血血圧計は、上記の課題を解決する技術的手段として以下の構成を有している。
請求項10では、被験者の身体表面に保持され、心拍に同期して得られる脈動成分を検出してアナログ信号として出力する少なくとも2つ以上のセンサと、センサからアナログ信号を入力し、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、センサで検出された脈動成分に体動による外乱が含まれており、その外乱を含んだ脈動成分がセンサで検出されるまでに周波数と位相が線形的に変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない心拍に同期した脈動成分とが混ざっていると見做される場合に、外乱を含んでいない脈動成分と外乱との統計的独立性を利用して、外乱を含んだ脈動成分から外乱を分離するための複数の分離マトリクスを計算する分離マトリクス計算手段と、A/D変換手段で変換されたデジタル信号に複数の分離マトリクスを作用させて、デジタル信号を、外乱を含まない心拍に同期した脈動成分と外乱を示す体動成分とに分離する信号分離計算手段と、この信号分離計算手段から取り込まれる外乱を含まない心拍に同期した脈動成分を元に、連続的に血圧値を計算する血圧値計算手段とを有している。
【0017】
請求項11では、請求項10に記載した非観血血圧計において、
別途測定された被験者の血圧値を基準血圧として入力及び記憶する入力・記憶手段と、信号分離計算手段によって得られた外乱を含まない心拍に同期した脈動成分と基準血圧とを対応させるための係数を求める係数計算手段とを有し、血圧値計算手段は、信号分離計算手段から取り込まれる外乱を含まない心拍に同期した脈動成分と係数計算手段によって算出された係数とから連続的に血圧値を計算することを特徴とする。
【0018】
請求項12では、請求項10に記載した非観血血圧計において、
別途測定された被験者の血圧値及び外乱を含まない心拍に同期した脈動成分の伝播時間をそれぞれ基準血圧及び基準脈波伝播時間として入力及び記憶する入力・記憶手段と、基準血圧と基準脈波伝播時間とを対応させるための係数を求める係数計算手段と、信号分離計算手段によって得られた外乱を含まない心拍に同期した脈動成分の伝播時間を算出する脈波伝播時間計算手段と、血圧値計算手段は、脈波伝播時間計算手段から取り込まれる脈動成分の伝播時間と係数計算手段によって算出された係数とから連続的に血圧値を計算することを特徴とする。
【0019】
請求項13では、請求項10〜12に記載した非観血血圧計において、
被験者の身体に装着されるカフを有し、このカフによりセンサを被験者の拡張期圧以下の圧力で保持することを特徴とする。
【0020】
請求項14では、請求項10〜13に記載した非観血血圧計において、
2つ以上のセンサは、心拍に同期して得られる脈動成分を同一血管系上から検出できる位置に配置されることを特徴とする。
【0021】
請求項15では、請求項14に記載した非観血血圧計において、
2つ以上のセンサは、同一血管系上に沿って直線的に配置されることを特徴とする。
【0022】
請求項16では、請求項14に記載した非観血血圧計において、
2つ以上のセンサは、同一血管系と直交する周回方向に配置されることを特徴とする。
【0023】
【作用】
センサで検出された生体情報に体動による外乱が含まれている場合は、その外乱を含んだ生体情報がセンサで検出されるまでに振幅のみが変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合と、線形システムを通ることにより周波数と位相とが変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合が考えられる。
【0024】
このような統計的に独立な複数の信号が振幅のみの変化で加法的に混合した場合、及び線形システムを通って加法的に混合した場合は、逆マトリクスを推定するアルゴリズムからセンサで検出された生体情報の逆マトリクスを推定し、この逆マトリクスを生体情報に作用させることで、元の信号を回復することが原理的に可能である(アルゴリズムの詳細は、例えば“ An information-maximization approach to blind separation and blind deconvolution,”Anthony J.Bell and Terrence J.Sejnowsky,Technical Report no.INC-9501,February 1995,Institute for Neural Computation,UCSD,San Diego,CA 92093-0523を参照)。
【0025】
そこで、センサを2つとした場合に、体動が加わっていない生体情報(生体信号)をs1(n)、体動による外乱(体動信号)をs2(n)とし、センサ信号をx1(n)、x2(n)とすると(n:デジタル信号のインデックス、n=0,1,2,3 …)、振幅のみが変化して加わった場合は、
x1(n)=a11×s1(n)+a12×s2(n)…………………………(1)
x2(n)=a21×s1(n)+a22×s2(n)…………………………(2)
と記述できる。
【0026】
また、線形システムを通って変形して加わった場合は、
x1(n)=a0,11×s1(n)+a0,12×s2(n)
+a1,11×s1(n-1)+a1,12×s2(n-1)+…
+aL,11×s1(n-L)+aL,12×s2(n-L)……………(3)
x2(n)=a0,21×s1(n)+a0,22×s2(n)
+a1,21×s1(n-1)+a1,22×s2(n-1)+…
+aL,21×s1(n-L)+aL,22×s2(n-L)……………(4)
と記述できる。但し、L は1以上の正の整数である。
【0027】
上記の(1) 及び(2) の場合は、マトリクスA(A11=a11、A12=a12、A21=a21、A22=a22)の逆マトリクスを、{x1(n)、x2(n)}t (t :転置)に作用させれば、体動のない生体信号と体動信号とが得られる。
また、(3) 及び(4) の場合は、マトリクスA0(A011=a1,11、A012=a0,12、A021=a0,21、A022=a0,22) 、A1(A111=a1,11、A112=a1,12、A121=a1,21、A122=a1,22) 、……、AL ( AL11=aL,11、AL12=aL,12、AL21=aL,21、AL22=aL,22) で決まるフィルタマトリクスの逆フィルタマトリクスを作用させれば良い。逆フィルタマトリクスは、2つ以上のマトリクスから成る。
【0028】
なお、逆マトリクスを推定する際に、g(x)=1/{1+exp(-x) }等の非線形関数を使用するが、この非線形関数を微分した関数は、求めたい生体信号の確率密度関数に一致するものが信号の分離の観点から見て最も望ましい。
しかし、g(x)=1/{1+exp(-x) }等の非線形関数でも信号の分離は達成される。
【0029】
上記の作用により、体動による外乱成分を含まない心拍に同期した脈波信号が得られれば、脈波の特徴変化から、例えば下記の方法により連続的に血圧を推定することができる。
a)被測定部における脈波の波形自体が心臓の拍動に基づく血圧値に依存することを利用して、脈波の波形変化から血圧を計算する方法。
b)末梢血管側では、脈波の伝播時刻は心臓の拍動に比べて遅れが生じる(脈波伝播時間)。一定距離の脈波伝播時間に対する脈波伝播速度は、血管の容積弾性率の関数として表され、血圧が上がると血管の容積弾性率は増加し、血管壁が硬くなって伝播速度が速くなる。従って、体動による外乱成分を含まない心拍に同期した脈波信号が得られれば、脈波伝播時間から血圧変動を求めることができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の生体信号検出装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施例)
図1は生体信号検出装置の構成を示すブロック図である。
この生体信号検出装置1は、2つのセンサ2で検出される生体情報から体動による外乱を分離して、外乱を含まない生体信号を出力する装置で、以下に詳述するA/D変換器3、分離マトリクス計算手段4、信号分離計算手段5、及び外部出力手段6より構成される。
【0031】
センサ2は、生体情報として人体の脈波を計測するもので、例えば発光素子と受光素子を備える周知の光学式脈波センサである。このセンサ2は、例えば人体の指等に装着され、発光素子から指に向かって光が照射されると、光の一部が指の内部を通る毛細動脈に当たって毛細動脈を流れる血液中のヘモグロビンに吸収され、残りの光が毛細動脈で反射して散乱し、一部が受光素子に入射する。この時、血液の脈動により、ヘモグロビンの量が波動的に変化するので、ヘモグロビンに吸収される光の量も波動的に変化する。その結果、毛細動脈で反射して受光素子で検出される受光量が変化し、その受光量の変化を脈波情報(例えば電圧信号)としてA/D変換器3に出力している。
【0032】
A/D変換器3は、2つのセンサ2から信号を入力し、例えば100Hzのサンプリング周波数でアナログ信号をデジタル信号x1(n)、x2(n)、(n=0,1,2,,,,) に変換して分離マトリクス計算手段4へ送る。
分離マトリクス計算手段4は、CPUとメモリを有し、A/D変換器3から送られる現在時点のデジタル信号x1(n)、x2(n)を用いてメモリにある現在時点の2×2分離マトリクスW(n) をΔW(n) だけ修正し、W(n+1)=W(n) +ΔW(n) としてメモリの値を更新する。なお、本装置が起動した時点で、メモリのW(0) は2×2の単位マトリクスにセットされる。
2×2分離マトリクスの修正分ΔW(n) は、以下の式で計算される。
ΔW(n) =[ W(n) t ]-1+[I−2×g{W(n) ×x(n) }]×x(n) t
g(x)=1/{1+exp(-x) }
但し、x(n) ={x1(n)、x2(n)}t 、(t :転置)
また、Iは1を成分とする二次元のベクトルである。I={1、1}t
【0033】
マトリクスW(n) t の逆マトリクスは、例えばLU分解法(「数値計算法」長嶋秀世著:槙書店を参照)などの標準的な数値計算法により求める。また、関数gの値も数値計算法により求める。このようにして修正されたある時点の分離マトリクスW(n+1)が、一瞬前の分離マトリクスW(n) の代わりにメモリに貯えられると共に、元の分離マトリクスW(n) とA/D変換器3で変換されたデジタル信号x(n) が信号分離計算手段5へ送られる。
信号分離計算手段5は、CPUとメモリを有しており、分離マトリクス計算手段4から送られた分離マトリクスW(n) とデジタル信号x(n) との積を過去に逆上って加えることで、体動と分離された生体信号と体動による外乱を示す体動信号とから成るベクトルy(n) ={y1(n), y2(n)}t を求め、外部出力手段6へ送る。
【0034】
外部出力手段6は、サンプリング周波数100Hzに同期して、体動による外乱が分離された生体信号と体動信号を外部へ出力するモニタ装置である。
以上により、センサ2で検出される生体情報に体動による外乱が加わっている場合でも、その外乱を含んだ生体情報がセンサ2で検出されるまでに振幅のみ変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合は、分離マトリクス計算手段4で計算された1つの分離マトリクスを用いることで生体情報から外乱を分離することができる。
なお、外乱を含んだ生体情報がセンサ2で検出されるまでに周波数と位相が線形的に変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合には、分離マトリクス計算手段4で2つ以上の分離マトリクスを計算し、この2つ以上の分離マトリクスを用いて生体情報から外乱を分離することができる。
【0035】
(第2実施例)
図2は生体信号検出装置1の構成を示すブロック図である。
本実施例は、第1実施例の構成に加えて、下述の設定モードに応じてA/D変換器3の出力を切り替えるモード制御手段7と、体動による外乱を含んでいない生体情報の確率密度関数(ヒストグラム)を推定する信号確率密度関数推定手段8を有している。
設定モードは、例えば外部のボタン操作によって選択できる訓練モードと分離モードがあり、何方か一方のモードを選択すると、そのモードに対応したモード制御信号(訓練モード信号と分離モード信号)が出力される。但し、訓練モードは、被験者が静止した状態(体動が無い状態)で実施される。
【0036】
モード制御手段7は、本発明の体動判定手段でもあり、訓練モード信号を受け取ると、A/D変換器3の出力を信号確率密度関数推定手段8へ送り、分離モード信号を受け取ると、A/D変換器3の出力を分離マトリクス計算手段4へ送る。
信号確率密度関数推定手段8は、CPUとメモリを有し、訓練モード時にA/D変換器3から順次送られてくるデジタル信号、例えばx1(n)の振幅のヒストグラムを作成する。ヒストグラムの作成は、x1(n)の可能な最大振幅Mと可能な最小振幅mとの間を例えば100分割し、x1(n)の振幅がある分割区間に入る時に、その分割区間のカウンタを「1」増やすことで行う。このヒストグラムの作成は、モード制御信号が分離モード信号に変わるまで行われる。また、訓練モードから分離モードに変わると、推定したヒストグラム(折れ線近似した関数)を分離マトリクス計算手段4へ送る。
【0037】
分離マトリクス計算手段4では、第1実施例における関数gとして、信号確率密度関数推定手段8より送られたヒストグラム(折れ線近似した関数)を積分した関数を使用する。
その他の動作は、第1実施例と同じである。
本実施例では、被験者が静止した状態で検出される生体情報からヒストグラムを作成し、このヒストグラムを使用して分離マトリクスを計算するので、体動による外乱を精度良く分離できる。
なお、この実施例は、外乱を含んだ生体情報がセンサ2で検出されるまでに振幅のみ変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合、及び外乱を含んだ生体情報がセンサ2で検出されるまでに周波数と位相が線形的に変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合のどちらにも適用できることは言うまでもない。
【0038】
(第3実施例)
図3は生体信号検出装置1の構成を示すブロック図である。
本実施例は、上記の第2実施例で説明した構成において、訓練モードが選択されている時(モード制御手段7に訓練モード信号が入力される時)は、被験者が静止状態であるため、基本的に体動による外乱が加わることがない。そこで、訓練モード時には、図3に示すように、A/D変換器3の出力をモード制御手段7から直接外部出力手段6へ送るバイパス信号回路9を設けても良い。
【0039】
(第4実施例)
図4は生体信号検出装置1の構成を示すブロック図である。
本実施例は、図1に示した第1実施例の構成に加えて、センサ2で検出された生体情報に体動による外乱が含まれているか否かを判定する体動判定手段10を設け、この体動判定手段10で体動による外乱が含まれていないと判定された場合は、A/D変換器3の出力を体動判定手段10から直接外部出力手段6へ送るバイパス信号回路9を設けても良い。
この場合、体動判定手段10として、例えば体動の有無を検出できる加速度センサを使用することができる。あるいは、第2実施例で説明したように、被験者が静止状態の時に出力される信号(第2実施例では訓練モード信号)を検出できる信号検出手段を設けても良い。
【0040】
次に、本発明の非観血血圧計の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施例)
図5は非観血血圧計の構成を示すブロック図である。
(非観血血圧計の構成)
本実施例の非観血血圧計11は、図5に示す様に、被験者の脈波を検出する2つのセンサ2、一定圧で2つのセンサ2を保持するカフ12、センサ信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するA/D変換器3、体動による外乱を分離する外乱分離装置13(後述する)、別途測定した被験者の血圧値を基準血圧として入力・記憶する入力・記憶手段14、外乱を含まない心拍に同期した脈波信号と基準血圧とを対応させるための係数を求める係数計算手段15、算出された係数と外乱を含まない心拍に同期した脈波信号から連続的に血圧値を算出する血圧値計算手段16、算出された連続血圧を記録する記録装置17、算出された連続血圧を外部へ出力する出力装置18から成る。
【0041】
センサ2は、例えば、上記の生体信号検出装置1で説明した光学式脈波センサであり、カフ12によって被験者の腕等に密着して保持される。なお、センサ出力は、増幅器によって増幅されても良く、センサ2及び増幅器とも良好な線形性を有しているものとする。また、センサ出力は、互いに統一要件を有していることが、外乱分離処理を行う上で望ましい。即ち、複数のセンサ2の位置を離し過ぎると、異なる外乱要因が一部のセンサ出力にのみ支配的に現れ、血圧算出精度が低下する。極端な例としては、2つのセンサ2をそれぞれ右腕先と左腕先に配置して、右腕のみを軽く振った場合、右腕に付けたセンサ2には体動の影響が大きく現れるが、左腕に付けたセンサ2には体動の影響は現れにくい。従って、同一外乱要因が信号に重畳し易い同一血管系での脈波測定が可能となるように個々のセンサ2を配置することが望ましい。
【0042】
例えば、2つのセンサ2を腕の長さ方向に互いの中心を3cm離して配置し、軽く腕を振った場合、互いの位相にずれが生じるが、体動による外乱もきれいに一致した波形が得られる。即ち、波形形状に関して、統一性を得ることができる。また、2つのセンサ2を腕の周方向に互いの中心を3cm離して配置し、軽く腕を振った場合、互いの位相はきれいに一致するが、わずかとは言え外乱の振幅が異なる。この場合、互いの位相に関して、統一性を得るとができる。
カフ12は、2つのセンサ2を被験者の拡張期圧より低い一定圧(例えば20mmHg)で保持することができる。
【0043】
A/D変換器3は、2つのセンサ2から信号を入力し、例えば100Hzのサンプリング周波数でアナログ信号をデジタル信号x1(n)、x2(n)、(n=0,1,2,,,,) に変換して外乱分離装置13へ送る。
外乱分離装置13は、A/D変換器3でデジタル変換された信号x1(n)、x2(n)から体動による外乱y2(n){≒s2(n)}を分離して、外乱を含まない心臓の拍動に基づく脈波信号y1(n){≒s1(n)}を回復する装置で、図6に示す様に、分離マトリクス計算手段4と信号分離計算手段5より構成される。この分離マトリクス計算手段4と信号分離計算手段5の機能及び作用は、上述した生体信号検出装置1の実施例と同じであり、その説明は省略する。
【0044】
(非観血血圧計11の作用)
外乱分離装置13により回復された心臓の拍動に基づく脈波信号y1(n)を基に、以下の経緯で連続血圧値が算出される。
まず、係数計算手段15により、分離後の脈波信号y1(n)の例えば10拍分をサンプリングして加算平均し、基準脈波Aを合成する。この基準脈波Aからピーク値Apeak、ボトム値Abtm 、直流成分を平均して平均値Ameanを求める(図7参照)。
また、別途、被験者の収縮期圧SYS、拡張期圧DIA、及び平均動脈圧MEANPを測定し、校正用の基準値(基準血圧値)として入力・記憶する。
【0045】
次に、ピーク値Apeakとボトム値Abtm との差と、収縮期圧SYSと拡張期圧DIAとの差を対応づける係数Cを求める。
以降、血圧値計算手段16によって、時々刻々得られる体動の分離された現在時点の脈波のデジタル値y1(t)から、以下の式を用いて連続血圧値BPを算出することができる。
BP={y1(t)−Amean}×C+MEANP
算出された連続血圧値BPは、記録装置17に記録され、必要に応じて出力装置18から外部へ出力される。
【0046】
(第2実施例)
図8は非観血血圧計11の構成を示すブロック図である。
(非観血血圧計11の構成)
本実施例の非観血血圧計11は、図8に示す様に、被験者の脈波を検出する2つのセンサ2、一定圧で2つのセンサ2を保持するカフ12、センサ信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するA/D変換器3、体動による外乱を分離する外乱分離装置13、別途測定した被験者の血圧値(収縮期圧及び拡張期圧)と脈波伝播時間(外乱を含まない心拍に同期した脈動成分の伝播時間)とを校正用の基準値として入力・記憶する入力・記憶手段19、その基準値(血圧値と脈波伝播時間)から両者を対応させる係数を算出する係数計算手段20、外乱が分離された心臓の拍動に基づく脈波信号から脈波伝播時間を求める脈波伝播時間計算手段21、算出された脈波伝播時間と前記係数とから連続的に血圧値を算出する血圧値計算手段22、算出された連続血圧を記録する記録装置17、算出された連続血圧を外部へ出力する出力装置18から成る。
【0047】
(非観血血圧計11の作用)
外乱分離装置13までの作用は、第1実施例と同じである。外乱分離装置13により回復された心臓の拍動に基づく脈波信号y1(n)を基に、以下の経緯で連続血圧値が算出される。
まず、別途、例えば安静時と運動負荷時に、それぞれにおける脈波伝播時間と収縮期圧及び拡張期圧を測定し、これらの測定値を校正用の基準値として入力・記憶手段19に入力する。
【0048】
次に、係数計算手段20により、脈波伝播時間から血圧値を算出するために必要な係数を求める。即ち、それぞの基準値を測定した時の血圧値と脈波伝播時間をそれぞれP1 、P2 、T1 、T2 、被験者によって異なる固有の定数をα、βとすれば、次式が成立する。
P1 =α×T1 +β
P2 =α×T2 +β
【0049】
与式からα、βを求めてしまえば、以降、時々刻々得られる体動の分離された脈波波形から、脈波伝播時間計算手段21により脈波伝播時間Tを求め、血圧値計算手段22により連続血圧値BPを算出することができる。
BP=α×T+β
算出された連続血圧値BPは、記録装置17に記録され、必要に応じて出力装置18から外部へ出力される。
なお、脈波伝播時間を求めるには、例えば心電電極で計測される心電波形のR波を基に脈波の特異点の遅れ時間を求めれば良い(図9参照)。
【0050】
(実施例の効果)
第1実施例及び第2実施例に記載した非観血血圧計11では、センサ2で検出された脈波情報から体動による外乱を分離して心拍に同期した脈動成分を取り出すことができるので、頻繁に体動が発生する自由行動下でも連続的に血圧測定を行うことができる。また、カフ12による締め付けを繰り返す必要がないため、被験者に大きな負担を与えず、連続的な血圧測定を無侵襲で行うことができる。
更に、カフ圧を制御するために必要なコンプレッサ等の機械装置や、これを駆動するための大容量バッテリー等の大きく重い部品を必要としないため、小型軽量化が容易であり、携帯可能な血圧計として汲み上げることもできる。
【0051】
校正用の基準値として被験者の血圧値を別途測定する時は、センサ2を保持しているカフ12を使用して測定できることは言うまでもない。
但し、上記の実施例では、カフ12によってセンサ2を保持する例を示しているが、必ずしもカフ12を使用する必要はなく、被験者の拡張期圧以下の一定圧でセンサ2を保持できるものであれば、例えばゴム製のバンドや保持力を調節できるベルト等を使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】生体信号検出装置の構成を示すブロック図である(第1実施例)。
【図2】生体信号検出装置の構成を示すブロック図である(第2実施例)。
【図3】生体信号検出装置の構成を示すブロック図である(第3実施例)。
【図4】生体信号検出装置の構成を示すブロック図である(第4実施例)。
【図5】非観血血圧計の構成を示すブロック図である(第1実施例)。
【図6】外乱分離装置の構成を示すブロック図である。
【図7】第1実施例における血圧測定の方法を示す説明図である。
【図8】非観血血圧計の構成を示すブロック図である(第2実施例)。
【図9】心電波形と脈波波形との相関を表すグラフである。
【符号の説明】
1 生体信号検出装置
2 センサ
3 A/D変換器(A/D変換手段)
4 分離マトリクス計算手段
5 信号分離計算手段
6 外部出力手段(信号出力手段)
7 モード制御手段(体動判定手段)
8 信号確率密度関数推定手段(確率密度関数推定手段)
9 バイパス信号回路(信号バイパス手段)
10 体動判定手段
11 非観血血圧計
12 カフ
14 入力・記憶手段(第1実施例)
15 係数計算手段(第1実施例)
16 血圧値計算手段(第1実施例)
19 入力・記憶手段(第2実施例)
20 係数計算手段(第2実施例)
21 脈波伝播時間計算手段(第2実施例)
22 血圧値計算手段(第2実施例)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a biological signal detection device capable of detecting a biological signal that does not include disturbance from biological information, and a principle / system non-invasive blood pressure monitor that measures only blood pressure fluctuations.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a sphygmomanometer that can continuously measure blood pressure using a cuff is known. However, with this sphygmomanometer, if the measurement interval is shortened, tightening with the cuff is frequently repeated, which places a heavy burden on the subject. Giving and sometimes bleeding inside the cuff.
On the other hand, there is a sphygmomanometer of the principle / method that measures only the blood pressure fluctuation, not directly measuring the absolute value of the blood pressure. For example, there is a sphygmomanometer that captures a parameter by capturing a speed at which a pulse wave travels through an artery (pulse wave propagation speed), a characteristic amount of the pulse wave waveform, and the like, and converts the change into a change in blood pressure. Since this type of sphygmomanometer does not require repeated cuff tightening, it does not place a heavy burden on the subject, and in principle, blood pressure can be calculated from a single heartbeat electrocardiogram or pulse wave signal. It can be performed non-invasively.
[0003]
However, since the above sphygmomanometer (a sphygmomanometer that measures only blood pressure fluctuations) calculates blood pressure based on the amount of change in the pulse wave, if a disturbance is placed on the pulse wave waveform due to body movement (body movement) or the like, There is a problem that accurate blood pressure measurement is not possible.
The following conventional techniques are known as countermeasures.
(1) It has a judgment means for judging the occurrence of body movement noise. When the judgment means judges the occurrence of body movement noise, the reading of the body movement noise is made by waiting for the reading of the sensor signal for a predetermined time. Prevents the blood pressure measurement accuracy from being reduced (see Patent No. 2666983).
[0004]
(2) A method of calculating a basic period of a current pulse wave using a plurality of pulse wave periods and correcting an amplitude of an abnormal pulse wave according to variations in the pulse wave period calculated from the basic period No. 5-184547).
(3) A method for removing disturbance caused by body movement from the biological information of the human body. In other words, the influence of general artifacts including body motion is removed from the pulse wave and the electrocardiogram, and the past pulse wave of 64 beats from the observation time of the pulse wave is seen, and the part where the dispersion of the pulse wave amplitude is large And other signal parts are used for analysis (comparison of the relationship between pulse wave propagation time and blood pressure at different measurement sites, 38th Annual Meeting of the ME Society of Japan Sendai, 21-23 April, 1999 pp.373 ).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method (1) is not suitable for blood pressure measurement under free action in which body motion noise frequently appears.
Although the method (2) can deal with a single abnormal pulse wave, it is difficult to obtain the fundamental frequency of the pulse wave under free action in which the pulse wave is frequently disturbed. Similarly, it is not suitable for blood pressure measurement under free action.
In the method {circle around (3)}, a portion containing a disturbance such as body movement is not used, so that biological signals that can be used for analysis are limited. In addition, the temporal continuity of the biological signal is lost. Furthermore, if a disturbance such as body movement is applied for a long time, analysis of the biological signal becomes impossible.
As a result of the above, a non-invasive sphygmomanometer that measures only blood pressure fluctuations cannot ensure sufficient blood pressure estimation accuracy when the pulse wave waveform is greatly disturbed by body movement that frequently occurs under free action .
[0006]
The present invention has been made based on the above circumstances, and its first object is to detect a biological signal that does not include disturbance from biological information and maintain the temporal continuity of the biological signal. Providing a detection device. In addition, the second purpose is to separate noise caused by body movement from a pulsating component synchronized with a heartbeat in a non-invasive sphygmomanometer of the principle and method for measuring only blood pressure fluctuations, and accurately and continuously even under free action. It is to enable blood pressure measurement.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The biological signal detection apparatus of the present invention has the following configuration as technical means for solving the above-described problems.
In
[0008]
According to a second aspect of the present invention, biological information is input as an analog signal from two or more sensors that detect biological information, A / D conversion means for converting the analog signal into a digital signal, and body information detected by the sensor. Disturbances due to movement are included, and the biological information including the disturbances is linearly changed in frequency and phase until the biological information including the disturbances is detected by the sensor. Two or more separation matrices for separating disturbances from biological information including disturbances by using statistical independence between the biological information not including disturbances and disturbances when it is considered mixed And a separation matrix calculation means for calculating the digital signal, and two or more separation matrices are applied to the digital signal converted by the A / D conversion means to convert the digital signal into a biological signal not including disturbance and a body motion signal indicating disturbance. And a signal separation calculation means for releasing.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, the biological information is input as an analog signal from two or more sensors that detect the biological information, and the analog signal is converted into a digital signal. Non-biological information is input and probability density function estimating means for estimating the probability density function of the biological information, and the biological information detected by the sensor includes disturbance due to body movement, and the biological information including the disturbance is Uses a probability density function and does not include disturbances when it is assumed that only the amplitude changes until it is detected by the sensor, and disturbances associated with body movements and biological information that does not include disturbances are mixed. Utilizing statistical independence between biological information and disturbance, separation matrix calculation means for calculating one separation matrix for separating disturbance from biological information including disturbance, and conversion by A / D conversion means By the action of separation matrix into a digital signal, and a signal separation calculation means for separating the body motion signal indicating the biological signal and disturbance without the disturbance of the digital signal.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, the biological information is input as an analog signal from two or more sensors that detect the biological information, and the analog signal is converted into a digital signal. Non-biological information is input and probability density function estimating means for estimating the probability density function of the biological information, and the biological information detected by the sensor includes disturbance due to body movement, and the biological information including the disturbance is When the frequency and phase change linearly before being detected by the sensor, and it is considered that disturbances associated with body movement and biological information that does not include disturbances are mixed, use the probability density function, Separation matrix calculation means for calculating two or more separation matrices for separating disturbance from biological information including disturbance by using statistical independence between biological information not including disturbance and disturbance, A By the action of two or more separate matrix converted digital signal by the D converting means, and a signal separation calculation means for separating the body motion signal indicating the biological signal and disturbance without the disturbance of the digital signal.
[0011]
In
Signal output means for outputting the biological signal separated by the signal separation calculation means to the outside is provided.
[0012]
In
A body motion determining means for determining whether or not disturbance due to body motion is included in the biological information input from the sensor, and when it is determined by the body motion determining means that a disturbance due to body motion is not included, A And a signal bypass means for outputting the digital signal converted by the / D conversion means without passing through the separation matrix calculation means and the signal separation calculation means.
[0013]
In
When the biological information input from the sensor includes body motion determination means for determining whether or not disturbance due to body motion is included, the probability density function estimation means is configured so that the body motion determination means does not include disturbance due to body motion. When the determination is made, the probability density function of the biological information input from the sensor is estimated.
[0014]
In
Signal bypass for outputting the digital signal converted by the A / D conversion means without passing through the separation matrix calculation means and the signal separation calculation means when it is determined by the body movement determination means that no disturbance due to body movement is included. Means.
[0015]
In the ninth aspect, the biological signal detection apparatus according to any one of the first to eighth aspects detects a biological signal that does not include disturbance from the pulse wave (biological information) of the subject.
[0016]
Moreover, the noninvasive blood pressure monitor of this invention has the following structures as a technical means to solve said subject.
In
[0017]
In
Input / storage means for inputting and storing the blood pressure value of the subject measured separately as a reference blood pressure, and a coefficient for associating the pulsation component synchronized with the heartbeat without the disturbance obtained by the signal separation calculation means and the reference blood pressure The blood pressure value calculating means continuously calculates the blood pressure value from the pulsation component synchronized with the heartbeat that does not include a disturbance taken in from the signal separation calculating means and the coefficient calculated by the coefficient calculating means. It is characterized by calculating.
[0018]
In
Input / storage means for inputting and storing the blood pressure value of the subject measured separately and the propagation time of the pulsation component synchronized with the heartbeat not including disturbance as the reference blood pressure and the reference pulse wave propagation time, and the reference blood pressure and the reference pulse wave propagation Coefficient calculation means for obtaining a coefficient for matching the time, pulse wave propagation time calculation means for calculating the propagation time of the pulsation component synchronized with the heartbeat without disturbance obtained by the signal separation calculation means, and blood pressure value calculation The means is characterized in that the blood pressure value is continuously calculated from the propagation time of the pulsation component taken in from the pulse wave propagation time calculation means and the coefficient calculated by the coefficient calculation means.
[0019]
In
A cuff attached to the body of the subject is provided, and the sensor is held at a pressure lower than the diastolic pressure of the subject by the cuff.
[0020]
In
Two or more sensors are arranged at a position where a pulsation component obtained in synchronization with a heartbeat can be detected from the same vascular system.
[0021]
In
Two or more sensors are arranged linearly along the same vasculature.
[0022]
In
Two or more sensors are arranged in a circulation direction orthogonal to the same vascular system.
[0023]
[Action]
When the biological information detected by the sensor includes disturbance due to body movement, only the amplitude changes until the biological information including the disturbance is detected by the sensor, and the disturbance and disturbance caused by the body movement are reduced. It is assumed that biological information that does not contain is mixed, and the frequency and phase change by passing through a linear system, and the biological information that does not include disturbance due to body motion and disturbance It can be assumed that it is.
[0024]
When such statistically independent signals were additively mixed with only amplitude changes, and additively mixed through a linear system, they were detected by sensors from an algorithm that estimated the inverse matrix It is possible in principle to recover the original signal by estimating the inverse matrix of biological information and applying this inverse matrix to the biological information (for details of the algorithm, see, for example, “An information-maximization approach to blind separation and blind deconvolution, "Anthony J. Bell and Terrence J. Sejnowsky, Technical Report no. INC-9501, February 1995, Institute for Neural Computation, UCSD, San Diego, CA 92093-0523).
[0025]
Therefore, when there are two sensors, biological information (biological signal) without body motion is s1 (n), disturbance due to body motion (body motion signal) is s2 (n), and sensor signal is x1 (n ), X2 (n) (n: digital signal index, n = 0,1,2,3 ...), when only the amplitude is changed,
x1 (n) = a11× s1 (n) + a12× s2 (n) ………………………… (1)
x2 (n) = atwenty one× s1 (n) + atwenty two× s2 (n) ………………………… (2)
Can be described.
[0026]
Also, when deformed and added through a linear system,
x1 (n) = a0,11× s1 (n) + a0,12× s2 (n)
+ A1,11× s1 (n-1) + a1,12× s2 (n-1) + ...
+ AL, 11× s1 (n-L) + aL, 12× s2 (n-L) …………… (3)
x2 (n) = a0,21× s1 (n) + a0,22× s2 (n)
+ A1,21× s1 (n-1) + a1,22× s2 (n-1) + ...
+ AL, 21× s1 (n-L) + aL, 22× s2 (n-L) ………… (4)
Can be described. L is a positive integer of 1 or more.
[0027]
In the case of (1) and (2) above, matrix A (A11= A11, A12= A12, Atwenty one= Atwenty one, Atwenty two= Atwenty two) Is the inverse matrix of {x1 (n), x2 (n)}tWhen acting on (t: transposition), a biological signal and a body motion signal without body motion can be obtained.
In the case of (3) and (4), matrix A0(A011= a1,11, A012= a0,12, A021= a0,21, A022= a0,22), A1(A111= a1,11, A112= a1,12, A121= a1,21, A122= a1,22), ..., AL(AL11= aL, 11, AL12= aL, 12, AL21= aL, 21, AL22= aL, 22The inverse filter matrix of the filter matrix determined by The inverse filter matrix consists of two or more matrices.
[0028]
When estimating the inverse matrix, a nonlinear function such as g (x) = 1 / {1 + exp (−x)} is used. The function obtained by differentiating the nonlinear function is a probability density function of a biological signal to be obtained. Is most desirable from the viewpoint of signal separation.
However, signal separation can also be achieved with nonlinear functions such as g (x) = 1 / {1 + exp (−x)}.
[0029]
If a pulse wave signal synchronized with a heartbeat that does not include a disturbance component due to body motion is obtained by the above action, the blood pressure can be continuously estimated from the characteristic change of the pulse wave by, for example, the following method.
a) A method of calculating the blood pressure from the change in the waveform of the pulse wave by utilizing the fact that the waveform of the pulse wave in the measured part itself depends on the blood pressure value based on the heartbeat.
b) On the peripheral blood vessel side, the propagation time of the pulse wave is delayed compared to the pulsation of the heart (pulse wave propagation time). The pulse wave velocity with respect to the pulse wave propagation time of a certain distance is expressed as a function of the volume elasticity of the blood vessel. As the blood pressure increases, the volume elasticity of the blood vessel increases, the blood vessel wall becomes harder, and the propagation speed becomes faster. Therefore, if a pulse wave signal synchronized with a heartbeat that does not include a disturbance component due to body motion is obtained, blood pressure fluctuation can be obtained from the pulse wave propagation time.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the biological signal detection apparatus of the present invention will be described based on the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the biological signal detection apparatus.
This biological
[0031]
The
[0032]
The A /
The separation matrix calculation means 4 has a CPU and a memory, and uses a digital signal x1 (n), x2 (n) at the present time sent from the A /
The correction amount ΔW (n) of the 2 × 2 separation matrix is calculated by the following equation.
ΔW (n) = [W (n)t ]-1+ [I-2 × g {W (n) × x (n)}] × x (n)t
g (x) = 1 / {1 + exp (-x)}
However, x (n) = {x1 (n), x2 (n)}t, (T: transpose)
I is a two-dimensional vector having 1 as a component. I = {1, 1}t
[0033]
Matrix W (n)tIs obtained by a standard numerical calculation method such as the LU decomposition method ("Numerical calculation method" by Hideyo Nagashima: see Tsubaki Shoten). The value of the function g is also obtained by a numerical calculation method. The separation matrix W (n + 1) at a certain time corrected in this way is stored in the memory instead of the separation matrix W (n) immediately before, and the original separation matrix W (n) and the A / D converter are stored. The digital signal x (n) converted at 3 is sent to the signal separation calculation means 5.
The signal separation calculation means 5 has a CPU and a memory, and adds the product of the separation matrix W (n) and the digital signal x (n) sent from the separation matrix calculation means 4 backward in the past. Thus, a vector y (n) = {y1 (n), y2 (n)} consisting of a biological signal separated from the body motion and a body motion signal indicating disturbance due to the body motiontIs sent to the external output means 6.
[0034]
The external output means 6 is a monitor device that outputs a biological signal and a body motion signal from which disturbance due to body motion is separated in synchronization with a sampling frequency of 100 Hz.
As described above, even when a disturbance due to body movement is added to the biological information detected by the
It should be noted that the frequency and phase change linearly until the biological information including disturbance is detected by the
[0035]
(Second embodiment)
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the biological
In the present embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment, mode control means 7 for switching the output of the A /
The setting mode includes, for example, a training mode and a separation mode that can be selected by operating an external button. When one of the modes is selected, a mode control signal (a training mode signal and a separation mode signal) corresponding to that mode is output. . However, the training mode is performed in a state where the subject is stationary (no body movement).
[0036]
The mode control means 7 is also a body movement determination means of the present invention. When receiving the training mode signal, the mode control means 7 sends the output of the A /
The signal probability density function estimating means 8 has a CPU and a memory, and creates a histogram of the amplitudes of digital signals, for example, x1 (n) sequentially sent from the A /
[0037]
In the separation matrix calculation means 4, a function obtained by integrating the histogram (function approximated by a broken line) sent from the signal probability density function estimation means 8 is used as the function g in the first embodiment.
Other operations are the same as those in the first embodiment.
In this embodiment, a histogram is created from biological information detected when the subject is stationary, and a separation matrix is calculated using this histogram. Therefore, disturbance due to body movement can be accurately separated.
In this embodiment, only the amplitude changes until the biological information including the disturbance is detected by the
[0038]
(Third embodiment)
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the biological
In this embodiment, in the configuration described in the second embodiment, when the training mode is selected (when the training mode signal is input to the mode control means 7), the subject is in a stationary state. There is basically no disturbance due to body movement. Therefore, in the training mode, as shown in FIG. 3, a
[0039]
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of the biological
In this embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, body movement determination means 10 is provided for determining whether or not the biological information detected by the
In this case, for example, an acceleration sensor that can detect the presence or absence of body movement can be used as the body movement determination means 10. Alternatively, as described in the second embodiment, a signal detection unit that can detect a signal (a training mode signal in the second embodiment) output when the subject is in a stationary state may be provided.
[0040]
Next, an embodiment of the noninvasive blood pressure monitor of the present invention will be described based on the drawings.
(First embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the noninvasive blood pressure monitor.
(Configuration of non-invasive blood pressure monitor)
As shown in FIG. 5, the non-invasive blood pressure monitor 11 of the present embodiment includes two
[0041]
The
[0042]
For example, if two
The
[0043]
The A /
The
[0044]
(Operation of the non-invasive blood pressure monitor 11)
Based on the pulse wave signal y1 (n) based on the heart beat recovered by the
First, the coefficient calculation means 15 samples, for example, 10 beats of the separated pulse wave signal y1 (n), adds and averages, and synthesizes the reference pulse wave A. An average value Amean is obtained by averaging the peak value Apeak, the bottom value Abbtm, and the DC component from the reference pulse wave A (see FIG. 7).
Separately, a subject's systolic pressure SYS, diastolic pressure DIA, and mean arterial pressure MEANP are measured, and input and stored as a reference value for calibration (reference blood pressure value).
[0045]
Next, a coefficient C that correlates the difference between the peak value Apeak and the bottom value Abtm and the difference between the systolic pressure SYS and the diastolic pressure DIA is obtained.
Thereafter, the continuous blood pressure value BP can be calculated by the blood pressure value calculating means 16 from the digital value y1 (t) of the pulse wave at the current time point where the body motion is obtained from time to time using the following equation.
BP = {y1 (t) -Amean} * C + MEANP
The calculated continuous blood pressure value BP is recorded in the recording device 17 and is output to the outside from the
[0046]
(Second embodiment)
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the noninvasive blood pressure monitor 11.
(Configuration of non-invasive blood pressure monitor 11)
As shown in FIG. 8, the non-invasive blood pressure monitor 11 of the present embodiment includes two
[0047]
(Operation of the non-invasive blood pressure monitor 11)
The operation up to the
First, separately, for example, at rest and during exercise, the pulse wave propagation time, systolic pressure, and diastolic pressure are measured, and these measured values are input to the input / storage means 19 as reference values for calibration.
[0048]
Next, the coefficient calculation means 20 obtains a coefficient necessary for calculating the blood pressure value from the pulse wave propagation time. That is, if the blood pressure value and the pulse wave propagation time when each reference value is measured are P1, P2, T1, T2, and the specific constants that are different depending on the subject are α and β, the following equation is established.
P1 = α x T1 + β
P2 = α x T2 + β
[0049]
Once α and β are obtained from the given equation, the pulse wave propagation time T is obtained by the pulse wave propagation time calculation means 21 from the pulse wave waveform of the body motion that is obtained from time to time, and the blood pressure value calculation means 22 is obtained. Thus, the continuous blood pressure value BP can be calculated.
BP = α × T + β
The calculated continuous blood pressure value BP is recorded in the recording device 17 and is output to the outside from the
In order to obtain the pulse wave propagation time, for example, the delay time of the singular point of the pulse wave may be obtained based on the R wave of the electrocardiographic waveform measured by the electrocardiographic electrode (see FIG. 9).
[0050]
(Effect of Example)
In the non-invasive blood pressure monitor 11 described in the first embodiment and the second embodiment, disturbance due to body motion can be separated from pulse wave information detected by the
Furthermore, it does not require mechanical equipment such as a compressor necessary for controlling the cuff pressure and large heavy parts such as a large-capacity battery for driving the cuff pressure. It can also be pumped up as a total.
[0051]
Needless to say, when the blood pressure value of the subject is separately measured as the reference value for calibration, it can be measured using the
However, in the above embodiment, an example is shown in which the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a biological signal detection device (first embodiment).
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a biological signal detection apparatus (second embodiment).
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a biological signal detection apparatus (third embodiment).
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a biological signal detection device (fourth embodiment).
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a noninvasive blood pressure monitor (first embodiment).
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a disturbance separation device.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a blood pressure measurement method in the first embodiment.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a noninvasive blood pressure monitor (second embodiment).
FIG. 9 is a graph showing a correlation between an electrocardiogram waveform and a pulse waveform.
[Explanation of symbols]
1 Biological signal detector
2 sensors
3 A / D converter (A / D conversion means)
4 Separation matrix calculation means
5 Signal separation calculation means
6 External output means (signal output means)
7 Mode control means (body movement judgment means)
8 Signal probability density function estimation means (probability density function estimation means)
9 Bypass signal circuit (signal bypass means)
10 Body movement judging means
11 Noninvasive blood pressure monitor
12 cuffs
14 Input / storage means (first embodiment)
15 Coefficient calculation means (first embodiment)
16 Blood pressure value calculation means (first embodiment)
19 Input / storage means (second embodiment)
20 Coefficient calculation means (second embodiment)
21 Pulse wave propagation time calculation means (second embodiment)
22 Blood pressure value calculation means (second embodiment)
Claims (16)
前記センサで検出された生体情報に体動による外乱が含まれており、その外乱を含んだ生体情報が前記センサで検出されるまでに振幅のみ変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合に、前記外乱を含んでいない生体情報と前記外乱との統計的独立性を利用して、前記外乱を含んだ生体情報から外乱を分離するための1つの分離マトリクスを計算する分離マトリクス計算手段と、
前記A/D変換手段で変換されたデジタル信号に前記分離マトリクスを作用させて、前記デジタル信号を、外乱を含まない生体信号と外乱を示す体動信号とに分離する信号分離計算手段とを備える生体信号検出装置。A / D conversion means for inputting the biological information from two or more sensors that detect biological information as analog signals and converting the analog signals into digital signals;
The biological information detected by the sensor includes disturbance due to body movement, and the biological information including the disturbance changes only in amplitude until the biological information including the disturbance is detected by the sensor, and includes disturbance and disturbance due to body movement. When it is considered that biological information that is not present is mixed, the disturbance is separated from the biological information that includes the disturbance by using statistical independence between the biological information that does not include the disturbance and the disturbance. Separation matrix calculation means for calculating one separation matrix for
Signal separation calculation means for separating the digital signal into a biological signal not including disturbance and a body motion signal indicating disturbance by applying the separation matrix to the digital signal converted by the A / D conversion means. Biological signal detection device.
前記センサで検出された生体情報に体動による外乱が含まれており、その外乱を含んだ生体情報が前記センサで検出されるまでに周波数と位相が線形的に変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合に、前記外乱を含んでいない生体情報と前記外乱との統計的独立性を利用して、前記外乱を含んだ生体情報から外乱を分離するための2つ以上の分離マトリクスを計算する分離マトリクス計算手段と、
前記A/D変換手段で変換されたデジタル信号に前記2つ以上の分離マトリクスを作用させて、前記デジタル信号を、外乱を含まない生体信号と外乱を示す体動信号とに分離する信号分離計算手段とを備える生体信号検出装置。A / D conversion means for inputting the biological information from two or more sensors that detect biological information as analog signals and converting the analog signals into digital signals;
The biological information detected by the sensor includes disturbance due to body movement, and the frequency and phase change linearly until the biological information including the disturbance is detected by the sensor. When it is considered that the disturbance and the biological information not including the disturbance are mixed, the biological information including the disturbance is obtained using statistical independence between the biological information not including the disturbance and the disturbance. Separation matrix calculation means for calculating two or more separation matrices for separating disturbances from information;
Signal separation calculation for separating the digital signal into a biological signal not including disturbance and a body motion signal indicating disturbance by applying the two or more separation matrices to the digital signal converted by the A / D conversion means. And a biological signal detection device.
前記センサから体動による外乱を含んでいない生体情報を入力し、その生体情報の確率密度関数を推定する確率密度関数推定手段と、
前記センサで検出された生体情報に体動による外乱が含まれており、その外乱を含んだ生体情報が前記センサで検出されるまでに振幅のみ変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合に、前記確率密度関数を用い、前記外乱を含んでいない生体情報と前記外乱との統計的独立性を利用して、前記外乱を含んだ生体情報から外乱を分離するための1つの分離マトリクスを計算する分離マトリクス計算手段と、
前記A/D変換手段で変換されたデジタル信号に前記分離マトリクスを作用させて、前記デジタル信号を、外乱を含まない生体信号と外乱を示す体動信号とに分離する信号分離計算手段とを備える生体信号検出装置。A / D conversion means for inputting the biological information from two or more sensors that detect biological information as analog signals and converting the analog signals into digital signals;
Probability density function estimation means for inputting biological information not including disturbance due to body movement from the sensor and estimating a probability density function of the biological information;
The biological information detected by the sensor includes disturbance due to body movement, and the biological information including the disturbance changes only in amplitude until the biological information including the disturbance is detected by the sensor, and includes disturbance and disturbance due to body movement. If the biological information that is not included is considered to be mixed, the probability density function is used, and the disturbance is included using the statistical independence between the biological information not including the disturbance and the disturbance. Separation matrix calculation means for calculating one separation matrix for separating disturbance from biological information;
Signal separation calculation means for separating the digital signal into a biological signal not including disturbance and a body motion signal indicating disturbance by applying the separation matrix to the digital signal converted by the A / D conversion means. Biological signal detection device.
前記センサから体動による外乱を含んでいない生体情報を入力し、その生体情報の確率密度関数を推定する確率密度関数推定手段と、
前記センサで検出された生体情報に体動による外乱が含まれており、その外乱を含んだ生体情報が前記センサで検出されるまでに周波数と位相が線形的に変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない生体情報とが混ざっていると見做される場合に、前記確率密度関数を用い、前記外乱を含んでいない生体情報と前記外乱との統計的独立性を利用して、前記外乱を含んだ生体情報から外乱を分離するための2つ以上の分離マトリクスを計算する分離マトリクス計算手段と、
前記A/D変換手段で変換されたデジタル信号に前記2つ以上の分離マトリクスを作用させて、前記デジタル信号を、外乱を含まない生体信号と外乱を示す体動信号とに分離する信号分離計算手段とを備える生体信号検出装置。A / D conversion means for inputting the biological information from two or more sensors that detect biological information as analog signals and converting the analog signals into digital signals;
Probability density function estimation means for inputting biological information not including disturbance due to body movement from the sensor and estimating a probability density function of the biological information;
The biological information detected by the sensor includes disturbance due to body movement, and the frequency and phase change linearly until the biological information including the disturbance is detected by the sensor. When it is considered that disturbance and biological information not including disturbance are mixed, the probability density function is used, and statistical independence between the biological information not including the disturbance and the disturbance is used. Separation matrix calculation means for calculating two or more separation matrices for separating the disturbance from the biological information including the disturbance;
Signal separation calculation for separating the digital signal into a biological signal not including disturbance and a body motion signal indicating disturbance by applying the two or more separation matrices to the digital signal converted by the A / D conversion means. And a biological signal detection device.
前記信号分離計算手段で分離された前記生体信号を外部に出力する信号出力手段を具備していることを特徴とする生体信号検出装置。The biological signal detection device according to any one of claims 1 to 4,
A biological signal detection apparatus comprising signal output means for outputting the biological signal separated by the signal separation calculation means to the outside.
前記センサから入力した生体情報に体動による外乱が含まれているか否かを判定する体動判定手段と、
この体動判定手段で体動による外乱が含まれていないと判定された場合に、前記A/D変換手段で変換されたデジタル信号を前記分離マトリクス計算手段及び前記信号分離計算手段を経ずに出力する信号バイパス手段とを備えていることを特徴とする生体信号検出装置。The biological signal detection device according to any one of claims 1 to 5,
Body movement determination means for determining whether disturbance due to body movement is included in the biological information input from the sensor;
When it is determined by the body motion determination means that disturbance due to body motion is not included, the digital signal converted by the A / D conversion means is not passed through the separation matrix calculation means and the signal separation calculation means. A biological signal detection device comprising a signal bypass means for outputting.
前記センサから入力した生体情報に体動による外乱が含まれているか否かを判定する体動判定手段を備え、
前記確率密度関数推定手段は、前記体動判定手段で体動による外乱が含まれていないと判定された場合に、前記センサから入力した生体情報の確率密度関数を推定することを特徴とする生体信号検出装置。The biological signal detection device according to any one of claims 3 to 5,
Body movement determining means for determining whether or not disturbance due to body movement is included in the biological information input from the sensor,
The probability density function estimating unit estimates a probability density function of biological information input from the sensor when the body motion determining unit determines that a disturbance due to body motion is not included. Signal detection device.
前記体動判定手段で体動による外乱が含まれていないと判定された場合に、前記A/D変換手段で変換されたデジタル信号を前記分離マトリクス計算手段及び前記信号分離計算手段を経ずに出力する信号バイパス手段を備えていることを特徴とする生体信号検出装置。The biological signal detection device according to claim 7,
When it is determined by the body movement determination means that disturbance due to body movement is not included, the digital signal converted by the A / D conversion means is not passed through the separation matrix calculation means and the signal separation calculation means. A biological signal detection device comprising signal bypass means for outputting.
前記生体情報は、被験者の脈波であることを特徴とする生体信号検出装置。The biological signal detection apparatus according to claim 1,
The biological signal detection apparatus, wherein the biological information is a pulse wave of a subject.
前記センサからアナログ信号を入力し、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、
前記センサで検出された脈動成分に体動による外乱が含まれており、その外乱を含んだ脈動成分が前記センサで検出されるまでに周波数と位相が線形的に変化して、体動に伴う外乱と外乱を含んでいない心拍に同期した脈動成分とが混ざっていると見做される場合に、前記外乱を含んでいない脈動成分と前記外乱との統計的独立性を利用して、前記外乱を含んだ脈動成分から外乱を分離するための複数の分離マトリクスを計算する分離マトリクス計算手段と、
前記A/D変換手段で変換されたデジタル信号に前記複数の分離マトリクスを作用させて、前記デジタル信号を、外乱を含まない心拍に同期した脈動成分と外乱を示す体動成分とに分離する信号分離計算手段と、
この信号分離計算手段から取り込まれる外乱を含まない心拍に同期した脈動成分を元に、連続的に血圧値を計算する血圧値計算手段と
を有することを特徴とする非観血血圧計。At least two sensors that are held on the body surface of the subject and detect a pulsating component obtained in synchronization with the heartbeat and output as an analog signal;
A / D conversion means for inputting an analog signal from the sensor and converting the analog signal into a digital signal;
The pulsation component detected by the sensor includes disturbance due to body movement, and the frequency and phase change linearly until the pulsation component including the disturbance is detected by the sensor, resulting in body movement. When it is considered that a disturbance and a pulsation component synchronized with a heartbeat not including the disturbance are mixed, the disturbance is statistically independent of the pulsation component not including the disturbance and the disturbance. Separation matrix calculation means for calculating a plurality of separation matrices for separating disturbances from pulsation components including
A signal that separates the digital signal into a pulsation component synchronized with a heartbeat that does not include disturbance and a body movement component that indicates disturbance by applying the plurality of separation matrices to the digital signal converted by the A / D conversion means. Separation calculation means;
A non-invasive sphygmomanometer, comprising: a blood pressure value calculating means for continuously calculating a blood pressure value based on a pulsation component synchronized with a heartbeat that does not include a disturbance taken in from the signal separation calculating means.
別途測定された前記被験者の血圧値を基準血圧として入力及び記憶する入力・記憶手段と、
前記信号分離計算手段によって得られた外乱を含まない心拍に同期した脈動成分と前記基準血圧とを対応させるための係数を求める係数計算手段とを有し、
前記血圧値計算手段は、前記信号分離計算手段から取り込まれる外乱を含まない心拍に同期した脈動成分と前記係数計算手段によって算出された係数とから連続的に血圧値を計算することを特徴とする非観血血圧計。The non-invasive blood pressure monitor according to claim 10,
Input / storage means for inputting and storing the blood pressure value of the subject separately measured as a reference blood pressure;
Coefficient calculation means for obtaining a coefficient for associating the pulsation component synchronized with the heartbeat that does not include disturbance obtained by the signal separation calculation means and the reference blood pressure,
The blood pressure value calculating means continuously calculates a blood pressure value from a pulsation component synchronized with a heartbeat that does not include a disturbance taken in from the signal separation calculating means and a coefficient calculated by the coefficient calculating means. Non-invasive blood pressure monitor.
別途測定された前記被験者の血圧値及び外乱を含まない心拍に同期した脈動成分の伝播時間をそれぞれ基準血圧及び基準脈波伝播時間として入力及び記憶する入力・記憶手段と、
前記基準血圧と前記基準脈波伝播時間とを対応させるための係数を求める係数計算手段と、
前記信号分離計算手段によって得られた外乱を含まない心拍に同期した脈動成分の伝播時間を算出する脈波伝播時間計算手段と、
前記血圧値計算手段は、前記脈波伝播時間計算手段から取り込まれる脈動成分の伝播時間と前記係数計算手段によって算出された係数とから連続的に血圧値を計算することを特徴とする非観血血圧計。The non-invasive blood pressure monitor according to claim 10,
Input / storage means for inputting and storing the blood pressure value of the subject separately measured and the propagation time of the pulsation component synchronized with the heartbeat not including disturbance as the reference blood pressure and the reference pulse wave propagation time, respectively;
Coefficient calculating means for obtaining a coefficient for making the reference blood pressure correspond to the reference pulse wave transit time;
A pulse wave propagation time calculation means for calculating a propagation time of a pulsation component synchronized with a heartbeat not including a disturbance obtained by the signal separation calculation means;
The blood pressure value calculating means continuously calculates a blood pressure value from the propagation time of a pulsating component taken in from the pulse wave propagation time calculating means and the coefficient calculated by the coefficient calculating means. Sphygmomanometer.
前記被験者の身体に装着されるカフを有し、
このカフにより前記センサを前記被験者の拡張期圧以下の圧力で保持することを特徴とする非観血血圧計。The non-invasive blood pressure monitor according to claim 10,
Having a cuff to be worn on the subject's body;
A non-invasive blood pressure monitor, wherein the cuff holds the sensor at a pressure equal to or lower than the diastolic pressure of the subject.
前記2つ以上のセンサは、心拍に同期して得られる脈動成分を同一血管系上から検出できる位置に配置されることを特徴とする非観血血圧計。The noninvasive blood pressure monitor according to claim 10,
The two or more sensors are arranged at a position where a pulsation component obtained in synchronization with a heartbeat can be detected from the same vascular system.
前記2つ以上のセンサは、前記同一血管系上に沿って直線的に配置されることを特徴とする非観血血圧計。The noninvasive blood pressure monitor according to claim 14,
The non-invasive blood pressure monitor, wherein the two or more sensors are arranged linearly along the same vascular system.
前記2つ以上のセンサは、前記同一血管系と直交する周回方向に配置されることを特徴とする非観血血圧計。The noninvasive blood pressure monitor according to claim 14,
The non-invasive blood pressure monitor, wherein the two or more sensors are arranged in a circumferential direction orthogonal to the same vascular system.
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