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技術 圧力波を測定する装置

出願人 ヤマハ株式会社
発明者 宮田智矢
出願日 2017年8月10日 (2年8ヶ月経過) 出願番号 2017-156021
公開日 2019年3月7日 (1年1ヶ月経過) 公開番号 2019-033825
状態 未査定
技術分野 脈拍・心拍・血圧・血流の測定
主要キーワード インピーダンス変換装置 測定制御装置 密集配置 橈骨動脈波 高分子圧電材料 波形解析 応力変化 肌表面
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年3月7日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題

正確な位置決めを要することなく、適正な振幅圧力波を測定することを可能にする。

解決手段

圧電シート10の一方の表面には接地電極11Gが積層され、他方の表面には各々複数の信号電極11Sが一方向に配列された第1〜第3の信号電極群11SA1〜11SA3が積層されている。ここで、各信号電極群における信号電極11Sの前記一方向の位置は、各信号電極群11SA1〜11SA3間で相互にずれている。このため、第1〜第3の信号電極群11SA1〜11SA3のうちのいずれかにおいて、信号電極11Sと脈波発生源である橈骨動脈8aとの対向面積が大きくなり、当該信号電極から振幅の大きな脈波形が得られる。

概要

背景

人体等の生体脈波を測定する装置が各種提供されている。脈波は、生体の状態を示す多くの情報を含んでいるため、その波形を正確に測定することが望まれる。そこで、圧電センサを脈波の測定に利用する技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。

概要

正確な位置決めを要することなく、適正な振幅圧力波を測定することを可能にする。圧電シート10の一方の表面には接地電極11Gが積層され、他方の表面には各々複数の信号電極11Sが一方向に配列された第1〜第3の信号電極群11SA1〜11SA3が積層されている。ここで、各信号電極群における信号電極11Sの前記一方向の位置は、各信号電極群11SA1〜11SA3間で相互にずれている。このため、第1〜第3の信号電極群11SA1〜11SA3のうちのいずれかにおいて、信号電極11Sと脈波の発生源である橈骨動脈8aとの対向面積が大きくなり、当該信号電極から振幅の大きな脈波形が得られる。

目的

この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、正確な位置決めを要することなく、適正な振幅の圧力波を測定することを可能にする技術的手段を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

圧電シートの表面の一方向に並んだ複数の信号電極からなる信号電極群複数組有し、各信号電極の位置が信号電極群間で前記一方向に相互にずれていることを特徴とする圧電センサ

請求項2

前記複数組の信号電極群は、圧力測定部位からの距離が略同じである1層に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電センサ。

請求項3

前記複数組の信号電極群は、圧力測定部位からの距離が異なる複数層に各々配置されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電センサ。

請求項4

請求項1〜3のいずれか1の請求項に記載の圧電センサと、前記複数組の信号電極群に含まれる信号電極の中から最も振幅の大きな圧力波の得られる信号電極を選択する測定制御手段とを具備することを特徴とする圧力波測定装置

請求項5

請求項1〜3のいずれか1の請求項に記載の圧電センサを具備し、前記信号電極群が有する複数の信号電極が動脈に対して垂直な方向に並ぶことを特徴とする脈波測定装置

技術分野

0001

この発明は、脈波等の圧力波を測定する装置に関する。

背景技術

0002

人体等の生体の脈波を測定する装置が各種提供されている。脈波は、生体の状態を示す多くの情報を含んでいるため、その波形を正確に測定することが望まれる。そこで、圧電センサを脈波の測定に利用する技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。

先行技術

0003

特開2004−313409号公報
特開2015−14550号公報

発明が解決しようとする課題

0004

圧電センサにより圧力波である脈波を正確に測定するためには、圧力波の発生源である動脈に対して圧電センサが正確に対向するように、圧電センサの位置決めを正確に行う必要がある。しかしながら、このような位置決めは煩雑な作業である。

0005

特許文献2に開示の圧電センサは、長尺状の圧電シートの一面に接地電極が積層されているとともに、同圧電シートの他面に複数の信号電極が互いに間隔を空けて積層された構成を有している。この圧電センサを被測定者の動脈付近肌表面に接触させた場合に、複数の信号電極のいずれかが脈波の発生源である動脈に対向する可能性があり、その信号電極により脈波を測定することが可能になる。

0006

しかしながら、肌表面における圧電センサの配置位置によっては、複数の信号電極の間の領域が動脈に対向し、あるいは信号電極の一部が動脈と対向するがその対向面積が不十分になる場合があり、その場合には適正な振幅の脈波を測定することができない問題がある。

0007

この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、正確な位置決めを要することなく、適正な振幅の圧力波を測定することを可能にする技術的手段を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

この発明は、圧電シートの表面の一方向に並んだ複数の信号電極からなる信号電極群複数組有し、各信号電極の位置が信号電極群間で前記一方向に相互にずれていることを特徴とする圧電センサを提供する。

0009

この発明によれば、信号電極が一方向に並んだ各信号電極群における信号電極の前記一方向の位置が信号電極群間で相互にずれているため、いずれかの信号電極群の信号電極と圧力波の発生源との対向面積が十分な大きさになり、当該信号電極から適正な振幅の出力電圧波形を得ることができる。従って、圧電センサの正確な位置決めを行うことなく、適正な振幅の圧力波を測定することができる。

図面の簡単な説明

0010

この発明の第1実施形態である圧電センサの構成を示す平面図である。
図1のI−I’線断面図である。
同圧電センサを利用した脈波測定装置の構成を示す図である。
この発明の第2実施形態である圧電センサの構成を示す断面図である。

実施例

0011

以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。

0012

<第1実施形態>
図1はこの発明の第1実施形態である圧電センサ1の構成を示す平面図である。また、図2図1のI−I’線断面図である。本実施形態において、圧電センサ1は、被測定者の左手首8の橈骨動脈8aの上にある肌表面領域を圧力測定部位とし、そこに貼り付けられ、脈波センサとして用いられる。脈波を測定するには圧力測定部位は橈骨動脈8aから最も近い肌表面領域であることが好ましい。

0013

図2に示すように、圧電センサ1は、薄膜状の圧電シート10を有している。この圧電シート10の一方の面には、薄膜状の接地電極11Gが全面に亙って積層されている。また、圧電シート10の他方の面には、各々、矩形の薄膜状の複数の信号電極11Sからなる3つの信号電極群11SA1、11SA2および11SA3が積層されている。これらの信号電極群は、圧力測定部位である被測定者の左手首8の肌表面からの距離が略同じになる1層に配置されている。

0014

本実施形態において、各信号電極群が備える各信号電極11Sは橈骨動脈8aと垂直な一方向に並べられる。また、第1の信号電極群11SA1における各信号電極11Sの並び方向の幅Dと、第2の信号電極群11SA2における各信号電極11Sの並び方向の幅Dと、第3の信号電極群11SA3における各信号電極11Sの並び方向の幅Dは互いに等しい。この信号電極の幅Dは、脈波の発生源である橈骨動脈8aの直径と同程度であり、約3mmである。また、第1の信号電極群11SA1における信号電極11S間の間隔Bと、第2の信号電極群11SA2における信号電極11S間の間隔Bと、第3の信号電極群11SA3における信号電極11S間の間隔Bは互いに等しい。この間隔Bは、幅Dの数分の一程度である。

0015

そして、本実施形態において、各信号電極群における信号電極11Sの並び方向の位置は、信号電極群間で相互にずれている。具体的には、第2の信号電極群11SA2における各信号電極11Sの位置は、第1の信号電極群11SA1における各信号電極11Sの位置に対して、その並び方向(図1では右方向)に所定長ずれている。そして、第3の信号電極群11SA3おける各信号電極11Sは、第2の信号電極群11SA2における各信号電極11Sの位置に対して、その並び方向(図1では右方向)に所定長ずれている。

0016

図2に示す例では、圧電センサ1における第1〜第3の信号電極群11SA1〜11SA3側の面がゲル19により橈骨動脈8aの上にある肌表面領域に貼り付けられている。なお、圧電センサ1のいずれの面を肌表面に貼り付けるかは任意であり、接地電極11G側の面をゲル19により肌表面に貼り付けてもよい。

0017

圧電シート10は、圧力を電圧に変換する圧電材料から形成され、被測定者からの脈波によって応力を受け、この応力変化加速度に応じて電位差を生じる。

0018

この圧電シート10を形成する圧電材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛等の無機材料であってもよいが、生体の表面に密着できるよう可撓性を有する高分子圧電材料であることが好ましい。

0019

この高分子圧電材料としては、例えばポリフッ化ビニリデンPVDF)、フッ化ビニリデン−3フッ化エチレン共重合体(P(VDF/TrFE))、シアン化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体(P(VDCN/VAc))等を挙げることができる。

0020

また、圧電シート10として、圧電特性を有しない例えばポリテトラフルオロエチレンPTFE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)等に多数の扁平な気孔を形成し、例えばコロナ放電等によって扁平な気孔の対向面を分極して帯電させることによって圧電特性を付与したものを使用することもできる。

0021

圧電シート10の平均厚さの下限としては、10μmが好ましく、50μmがより好ましい。一方、圧電シート10Lおよび10Uの平均厚さの上限としては、500μmが好ましく、200μmがより好ましい。圧電シート10の平均厚さが前記下限に満たない場合、圧電シート10の強度が不十分となるおそれがある。逆に、圧電シート10の平均厚さが前記上限を超える場合、圧電シート10の変形能が小さくなり、検出感度が不十分となるおそれがある。

0022

信号電極11Sおよび接地電極11Gの材質としては、導電性を有するものであればよく、例えばアルミニウム、銅、ニッケル等の金属や、カーボン等を挙げることができる。

0023

信号電極11Sおよび接地電極11Gの平均厚さとしては、特に限定されず、積層方法にもよるが、例えば0.1μm以上30μm以下とすることができる。信号電極11Sおよび接地電極11Gの平均厚さが前記下限に満たない場合、信号電極11Sおよび接地電極11Gの強度が不十分となるおそれがある。逆に、信号電極11Sおよび接地電極11Gの平均厚さが前記上限を超える場合、圧電シート10への振動の伝達を阻害するおそれがある。

0024

信号電極11Sおよび接地電極11Gの圧電シート10への積層方法としては、特に限定されず、例えば金属の蒸着、カーボン導電インク印刷銀ペースト塗布乾燥等が挙げられる。

0025

図3は圧電センサ1を利用した脈波測定装置100の構成を示す図である。この脈波測定装置100において、圧電センサ1の接地電極11Gは接地され、第1〜第3の信号電極群11SA1〜11SA3における各信号電極11Sは、複数のインピーダンス変換装置2を各々介して複数のアンプ3に接続されている。複数のインピーダンス変換装置2は、圧電センサ1の各信号電極11Sの出力インピーダンスと、複数のアンプ3の各入力インピーダンスとの不整合を解消するためのインピーダンス変換を行う装置である。複数のアンプ3は、複数のインピーダンス変換装置2を介して供給される圧電センサ1の各信号電極11Sの出力電圧増幅して測定制御装置4に供給する。複数のアンプ3の出力電圧波形は、圧電センサ1の各信号電極11Sにより検出される脈波形圧力波形)を示している。測定制御装置4は、これらの脈波形の中から適切なもの、例えば最も振幅の大きな脈波形を選択して脈波処理装置4に供給する。脈波処理装置4は、例えばオシロスコープのように脈波形を表示する機能と、脈拍数等の脈波のパラメータを求める波形解析機能を有する装置である。
以上が脈波測定装置100の構成である。

0026

次に本実施形態の動作について説明する。測定者は、圧電センサ1の一方の表面にゲル19を塗り、この圧電センサ1を図1に示すように橈骨動脈8aの近くの肌表面領域に貼り付ける。図1に示す例では、第1〜第3の信号電極群11SA1〜11SA3の各々の真ん中の信号電極11Sが橈骨動脈8aと対向している。

0027

この橈骨動脈8aに血が流れる際、この血流送り出す脈動により橈骨動脈8aが膨張および収縮を繰り返し、左手首8の肌表面において橈骨動脈8aと対向する領域に肌表面に垂直な方向の振動が発生する。この肌表面領域に発生する圧力のうち圧電シート10の厚み方向の成分が、圧電シート10の当該肌表面領域と対向する領域に伝播する。この結果、圧電シート10において圧力が伝播する領域を挟む信号電極11Sおよび接地電極11G間に当該圧力に応じた電圧が発生する。さらに詳述すると、圧電シート10において、信号電極11Sと対向しており、かつ、肌表面からの圧力波が伝播する領域に与えられる圧力が当該信号電極11Sに電圧を発生する。

0028

図1に示す例では、各信号電極11Sのうち第1の信号電極群11SA1の真ん中の信号電極11Sの橈骨動脈8aとの対向面積が最大であるため、この信号電極11Sから得られる出力電圧波形の振幅が最大となる。そこで、測定制御装置4は、この振幅が最大である脈波形を選択して脈波処理装置4に供給する。

0029

以上のように、本実施形態によれば、信号電極の位置を複数の信号電極群間で相互にずらしたため、いずれかの信号電極群の信号電極と脈波の発生源である動脈との対向面積が十分な大きさになり、当該信号電極から適正な振幅の脈波を得ることができる。従って、本実施形態によれば、圧電センサの正確な位置決めを行うことなく、適正な振幅の脈波を測定することができる。

0030

<第2実施形態>
図4はこの発明の第2実施形態である圧電センサ1Aの構成を示す断面図である。この圧電センサ1Aは、2枚の薄膜状の圧電シート10Lおよび10Uを有している。この圧電シート10Lおよび10Uの間には1枚の薄膜状の接地電極11Gが挟まれている。この接地電極11Gは、圧電シート10Lおよび10Uの全面に貼り付けられている。そして、圧電シート10Lにおける接地電極11Gと反対側に表面には、等間隔を空けて並んだ複数の矩形薄膜状の信号電極11Lからなる第1の信号電極群11LAが配置されている。また、圧電シート10Uにおける接地電極11Gと反対側に表面には、等間隔を空けて並んだ複数の矩形薄膜状の信号電極11Uからなる第2の信号電極群11UAが配置されている。すなわち、本実施形態において、第1の信号電極群11LAと、第2の信号電極群11UAは、圧力測定部位である被測定者の左手首の肌表面からの距離が異なる複数層(この場合、2層)に各々配置されている。

0031

本実施形態において、第1の信号電極群11LAにおける各信号電極11Lの並び方向の幅Dと、第2の信号電極群11UAにおける各信号電極11Uの並び方向の幅Dは互いに等しい。また、第1の信号電極群11LAにおける各信号電極11L間の間隔も幅Dと同じであり、第2の信号電極群11UAにおける各信号電極11U間の間隔も幅Dと同じである。

0032

そして、本実施形態において、信号電極11Lおよび11Uの位置は、第1および第2の信号電極群11LAおよび11UA間で相互にずれている。具体的には、第2の信号電極群11UAにおける各信号電極11Uの位置は、第1の信号電極群11LAにおける各信号電極11Lの位置に対して、その並び方向に沿って1信号電極分ずれている。そして、第2の信号電極群11UAにおける各信号電極11Uは、第1の信号電極群11LAにおいて隣り合った2つの信号電極11L間の間隙の領域または信号電極11Lの隣の領域に対向している。

0033

本実施形態では、被測定者の肌表面に発生する脈波を圧電シート10Lおよび10Uの両方に伝播させる必要がある。このため、圧電シート10Lおよび10Uの厚みは、上記第1実施形態における圧電シートの厚みの平均よりも薄いことが好ましい。信号電極および接地電極の厚みも同様である。

0034

本実施形態において、圧電シート10Lおよび10Uは、十分に薄いので、肌表面に生じる垂直方向圧力振動は、圧電シート10Lおよび10Uを十分な振幅で伝播する。このため、第1の信号電極群11LAの信号電極11Lまたは第2の信号電極群11UAの信号電極11Uのいずれが橈骨動脈8aと対向した場合においても、当該信号電極から十分な振幅の出力電圧波形が得られる。従って、本実施形態においても上記第1実施形態と同様な効果が得られる。

0035

<他の実施形態>
以上、この発明の各実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。

0036

(1)上記各実施形態では、この発明による圧電センサを橈骨動脈波の測定を行う装置に適用したが、この発明による圧電センサは橈骨動脈波以外の脈波、あるいは脈波以外の圧力波を測定する圧力波測定装置にも適用可能である。

0037

(2)上記第1実施形態では、圧電シート10の表面に3つの信号電極群11SA1〜11SA3を配置したが、2つの信号電極群または4以上の信号電極群を配置してもよい。また、1つの信号電極群に何個の信号電極を設けるかは任意である。

0038

(3)上記第1実施形態では、脈波の発生源である橈骨動脈8aの直径と同程度の幅を有する信号電極11Sを用いたが、橈骨動脈8aの径よりも短い幅を有する信号電極11Sを十分に短い間隔を空けて圧電シート10に密集配置してもよい。具体的には、橈骨動脈8aの直径を3mmとした場合、信号電極11Sの幅をこの直径の1/2以下の例えば1.5mmとし、この信号電極11Sを例えば0.2mmの間隔で圧電シートに密集配置する。この場合、各信号電極群11SA1〜11SA3において、橈骨動脈8aを横切る方向に並んだ2〜3個の信号電極11Sが橈骨動脈8aと対向し、これらの信号電極から大きな振幅の出力電圧波形が得られる。この場合、測定制御装置4が次の手順により脈波処理装置5に供給する脈波形を合成するようにしてもよい。

0039

(3−1)全ての信号電極11Sから得られる各出力電圧波形の振幅を比較し、最大の振幅の出力電圧波形の発生元である信号電極11Sを選択する。

0040

(3−2)選択した信号電極11Sが属する信号電極群を選択し、その信号電極群において、最大振幅に次いで第2位の振幅の出力電圧波形を発生している信号電極11Sを選択する。

0041

(3−3)最大振幅の出力電圧波形と第2位の振幅の出力電圧波形を加算して、脈波処理装置5に供給する脈波形を合成する。

0042

なお、信号電極11Sの幅をさらに細かくして、3以上の信号電極11Sを橈骨動脈8aに対向させ、3以上の信号電極11Sの出力電圧波形を用いて、脈波処理装置5に供給する脈波形を合成してもよい。

0043

(4)上記第2実施形態において、各信号電極群における信号電極の間隔を信号電極の幅よりも短くし、第2の信号電極群11UAにおける各信号電極11Uが、第1の信号電極群11LAにおける信号電極11Lと部分的に重なり合うように各信号電極を配置してもよい。

0044

(5)上記第2実施形態において、第1の信号電極群11LA、接地電極11Gおよび第2の信号電極群UAの配置位置は任意である。圧電シート10Lおよび10Uの間に第1の信号電極群11LAを挟み、圧電シート10Lにおける第1の信号電極群LAと反対側の表面に接地電極11Gを配置し、圧電シート10Uにおける第1の信号電極群LAと反対側の表面に第2の信号電極群11UAを配置してもよい。

0045

(6)上記第2実施形態の圧電センサ1Aでは、圧力測定部位からの距離が異なる2層に信号電極群を配置したが、3層以上に亙って信号電極群を配置してもよい。

0046

100……脈波測定装置、1,1A……圧電センサ、10,10L,10U……圧電シート、11LA,11SA1……第1の信号電極群、11UA,11SA2……第2の信号電極群、11SA3……第3の信号電極群、11S,11L,11U……信号電極、11G……接地電極、19……ゲル、2……インピーダンス変換装置、3……アンプ、4……測定制御装置、5……脈波処理装置、8……左手首、8a……橈骨動脈。

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